СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ
CONNECTIVE ELEMENT FOR ORTHOPEDICS COMPONENTS

Изобретение относится к соединительному элементу между двумя жестко связанными друг с другом компонентами, в частности компонентами ортеза или протеза, содержащего верхнюю часть и нижнюю часть. Жесткое соединение имеется тогда, когда невозможен поворот вокруг заданной поворотной оси. Жесткое соединение имеется также тогда, когда соединительный элемент установлен в гнезде податливо. Упругое выполнение соединительного элемента, в частности упругость на изгиб, не противоречит жесткому соединению. Такой соединительный элемент пригоден, в частности, для использования в так называемом ортезе колено-лодыжка-ступня и служит для соединения части для ступни со структурой для голени, которая расположена неподвижно на голени пользователя ортеза. Такой ортез служит для поддержки двигательного аппарата. Изобретение относится также к ортопедическому протезу с таким соединительным элементом.
Из US 2008/0039756 А1 известен ортез с рамой, проксимальная часть рамы которого может быть закреплена на бедре пользователя ортеза. Дистальная часть рамы опирается через коленный сустав с возможностью поворота на проксимальную часть рамы. На дистальном конце дистальной части рамы шарнирно закреплена часть для стопы. С помощью исполнительного механизма можно приводить в поворотное движение часть для стопы. Проксимальную часть рамы можно перемещать относительно дистальной части рамы с помощью коленного исполнительного механизма. Такой ортез служит для активной поддержки процесса движения.
В WO 2005/058211 А2 приведено описание такого ортеза согласно родовому понятию с медиально и латерально расположенными распорками, которые соединены друг с другом через коленный сустав. Распорки удерживаются на расстоянии друг от друга с помощью скоб, на которых закреплены медиальные и латеральные распорки. На дистальном конце бедренной части и проксимальном конце нижней части скобы выполнены так, что они образуют гнездо для гидравлического цилиндра. Гидравлический цилиндр расположен дорсально, когда носится ортез. При этом недостатком является то, что демпфирующее устройство требует слишком много места и, как правило, не может носиться под нормальными брюками.
Применение листовой пружины из усиленного волокном композитного полосового материала известно, например, в связи с ортезом для поднимания стопы согласно DE 10 2004 027 252.2. На изогнуто выполненной листовой пружине в форме полосы расположены крепежные приспособления для фиксации пружины на стопе и на голени.
Задачей данного изобретения является создание соединительного элемента, в частности, для ортезов или протезов, с помощью которых достигается улучшенное измерение действующих между соединенными компонентами сил. Эта задача решена согласно изобретению с помощью соединительного элемента с признаками главного пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соединительный элемент согласно изобретению между двумя жестко связанными друг с другом ортопедическими компонентами, содержащими верхнюю часть и нижнюю часть, предусматривает, что этот соединительный элемент имеет слоистую конструкцию, и в соединительном элементе расположен по меньшей мере один датчик для определения действующего момента или действующих сил. С помощью датчика или датчиков можно определять соответствующий действующий в данное время момент, например крутящий или изгибающий момент, из чего можно делать выводы о текущей нагрузке структуры или, например, текущей фазе ходьбы. Жесткое соединение имеет место, если верхняя часть и нижняя часть соединены друг с другом не шарнирно.
Сенсорная техника для определения сил или моментов предпочтительно заламинирована между слоями внутри соединительного элемента, т.е. окружена слоями ламината, так что датчик в значительной мере экранирован от внешних влияний и измеряет лишь действующие силы и моменты внутри соединительного элемента. То же относится к заламинированной схеме подготовки сигнала или усилительной схеме, которая предпочтительно находится вблизи сенсорной техники.
Для минимизации помех вследствие заламинированного состояния в одной модификации изобретения предусмотрено, что каждый датчик экранирован относительно нежелательных срезающих сил многослойного материала, предпочтительно это происходит за счет того, что между датчиком и материалом ламината расположен разделительный слой, в частности пленка или усадочный шланг. За счет этого предотвращается передача на датчик срезающих усилий внутри материала ламината при изгибе соединительного элемента, за счет чего иначе искажались бы результаты измерения. Разделительный слой может быть расположен на одной стороне датчика и лишь на этой стороне экранировать датчик от срезающих усилий.
Датчик предпочтительно выполнен в виде тензорезисторной системы, которая расположена на носителе, при этом носитель предпочтительно также заламинирован в соединительном элементе. При этом ламинирование носителя происходит, в частности, так, что носитель повторяет деформации соединительного элемента, так что из деформации носителя можно делать выводы о нагрузке соединительного элемента. За счет этого создается модуль, который состоит из носителя и нанесенного перед этим на него тензорезистора, при необходимости вместе со схемой для оценки, подготовки и усиления сигнала датчика. Этот модуль можно просто заламинировать внутри соединительного элемента при его изготовлении, при этом соединения для передачи данных датчика должны быть выведены наружу из соединительного элемента, например, в виде проводов или заламинированных штепсельных гнезд. Передача данных датчика может осуществляться также без проводов, например с помощью индуктивной связи или по радио. Для передачи по радио особенно предпочтительно применять основанные на технологии SAW (surface acoustic wave = поверхностная акустическая волна) тензорезисторы. Их можно опрашивать без проводов, их принцип измерения основывается на том, что скорость распространения акустической поверхностной волны в кристалле - и поэтому время прохождения зависит от его состояния механического напряжения.
Весь сенсорный блок может быть выполнен на одной плате, на которой находится электроника для оценки. При этом предусмотрено, что датчик, например тензорезистор, нанесен на плату с помощью технологии толстых пленок. За счет этого не требуется отдельный несущий материал, так что в целом реализуется компактная конструкция. Таким образом, плата служит в качестве носителя датчика и интегрированных электронных схем оценки. Данные датчика передаются, при необходимости после оценки с помощью электроники оценки, в управляющее устройство, которое соединено с датчиком. Управляющее устройство может быть также расположено на этой плате. Управляющее устройство связано с исполнительным механизмом, так что на основании данных датчика изменяется поведение исполнительного механизма, т.е. его можно изменять.
Разделительный слой может быть закреплен на носителе, так что капсулированный датчик может быть заделан в материал ламината, так что не требуется дополнительных рабочих операций. Разделительный слой, например, выполненный в виде пленки, может быть наклеен на носитель, так что датчик измеряет лишь передаваемые на носитель силы изгиба или моменты изгиба. Вместо пленки можно использовать также усадочный шланг. В одной модификации изобретения предусмотрено, что датчик и при необходимости носитель установлены в соединительном элементе с плавающей опорой, с целью предотвращения деформации носителя при обусловленном, например, термически расширении носителя во время его использования, когда ламинированный материал не расширяется в той же мере. Это может происходить, например, при паре материалов из армированных волокном композитных материалов и металлического носителя. Плавающая опора предотвращает, с одной стороны, создание неправильного сигнала и, с другой стороны, разрыв капсулирующего материала соединительного элемента.
Носитель и, тем самым, тензорезистор предпочтительно расположены в нейтральном волокне соединительного элемента, за счет чего обеспечивается возможность измерения без помех изгиба соединительного элемента. Можно ламинировать носители различной толщины с целью обеспечения возможности изменения чувствительности датчика. Чем толще носитель, тем чувствительней датчик, поскольку искажения на тензорезисторе больше при заданной деформации.
Носитель может быть выполнен в виде пластины, например пластмассовой или металлической пластины, или в виде стержнеобразного, в частности, цилиндрического или гильзообразного носителя. На одном носителе может быть расположено несколько датчиков или тензорезисторов, в частности, тензорезисторы могут быть расположены на противоположных сторонах носителя с целью обеспечения возможности измерения без помех изгибных или крутильных моментов. На одном носителе может быть также расположено несколько устройств обработки сигналов. Датчики могут быть расположены на расстоянии друг от друга в продольном направлении носителя на носителе и на соединительном элементе или в нем.
В одном варианте выполнения изобретения предусмотрено, что соединительный элемент выполнен в виде пяточной пружины, которая расположена латерально или дорсально относительно пользователя ортеза. В частности, при пяточной пружине, расположенной дорсально относительно пользователя ортеза предусмотрено, что датчик расположен постериорно относительно лодыжки, при этом обусловленную расстоянием до собственно голеностопного сустава погрешность измерения, смещение, можно вычислять, так что при известном положении установки можно осуществлять оценку момента в лодыжке.
Соединительный элемент состоит предпочтительно из армированного волокном композитного материала, например армированного стекловолокном или углеволокном композитного материала, и выполнен, например, в виде листового пружинного элемента в форме полосы.
Соединительный элемент может быть соединен с возможностью замены с верхней частью и/или с нижней частью с целью обеспечения простого согласования с различными физиологическими особенностями соответствующего пользователя ортопедических компонентов, например для обеспечения возможности согласования с весом тела, физической работоспособностью или величиной тела. В качестве альтернативного решения, соединительный элемент выполнен в виде части верхней части и/или нижней части, так что, например, часть для стопы и дорсальная пружина выполнены в виде единого целого друг с другом с целью соединения с верхней частью в виде структуры для голени. И наоборот, соединительный элемент может быть выполнен в виде единого целого с верхней частью, так что лишь нижняя часть должна быть расположена на соединительном элементе. Верхняя часть и нижняя часть имеют различные структуры и/или функции, например, коленного сустава и стопы или передней части стопы и голени, которые должны быть связаны друг с другом. Эта связь происходит через соединительный элемент.
Датчик может быть выполнен для восприятия осевых сил с целью обеспечения возможности измерения нагрузки сжатия или растяжения внутри соединительного элемента. Поскольку датчик основан на тензорезисторной технологии, то можно наносить один или несколько тензорезисторов с ориентацией наклонно к продольному направлению несущего элемента. В зависимости от желаемого направления измерения чувствительного элемента, датчик может быть также заламинирован наклонно к продольному направлению соединительного элемента.
В одном варианте выполнения соединительного элемента в качестве соединительной части между нижней частью коленного сустава и частью для стопы и приблизительно соответствующем расположении соединительного элемента в области голени предпочтительно предусмотрено, что датчик или датчики расположены в области голеностопного сустава для обеспечения возможности наиболее точного определения действующего в лодыжке момента.
Несколько датчиков могут быть расположены на расстоянии друг от друга в осевом направлении на соединительном элементе для повышения точности измерения действующих сил и моментов. Наряду с заламинированным датчиком или заламинированными датчиками, на поверхности соединительного элемента может быть закреплен по меньшей мере один дополнительный датчик, который поставляет дополняющие данные.
Данные датчика можно передавать, наряду с передачей сигналов по проводам, также без проводов с целью снабжения соответствующего управления необходимыми сигналами.
Изобретение относится также к ортезу, содержащему верхнюю часть, которая имеет крепежное устройство для фиксации на бедре, нижнюю часть, которая имеет крепежное устройство для фиксации на голени, и соединенную с нижней частью часть для стопы для опоры стопы, при этом верхняя часть и нижняя часть соединены друг с другом с возможностью поворота вокруг шарнирной оси, и между верхней частью и нижней частью расположен исполнительный механизм, соединительный элемент, указанный выше, который расположен между частью для стопы и нижней частью и соединяет их друг с другом.
Ниже приводится более подробное пояснение примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - ортез колено-голень-стопа, вид сбоку;
фиг.2 - датчик на несущей пластине;
фиг.3 - пример расположения датчиков по фиг.2 в соединительном элементе;
фиг.4 - вариант выполнения датчика по фиг.2; а также
фиг. 5 - пример расположения датчика по фиг.4.
На фиг.1 показан вид сбоку ортеза 1 колено-голень-стопа. Ортез 1 имеет структуру 2 для бедра, на которой предусмотрено шарнирное устройство 3 для шарнирного крепления структуры 8 для голени. Крепление шарнирного устройства 3 происходит через элементы 31, 32 шарнирной структуры. С помощью исполнительного механизма 4, который в данном примере выполнен в виде гидравлического устройства, которое может быть при необходимости связано с другим исполнительным механизмом, можно контролировать движение между структурой 2 для бедра и структурой 8 для голени, например, посредством установки различных степеней демпфирования движения между структурой 2 для бедра и структурой 8 для голени. Структура 8 для голени поворачивается вокруг шарнирной оси 30 относительно структуры 2 для бедра, при этом структуры 2, 8 для бедра и голени закреплены через крепежные устройства 21, 81 на бедре и голени пользователя ортеза.
Со структурой 8 для голени часть 7 для стопы соединена через соединительный элемент 5, который в данном примере выполнен в виде листового пружинного элемента полосовой формы. Часть 7 для стопы закреплена на соединительном элементе 5 через переходную часть 6. Часть 7 для стопы и переходная часть 6 могут быть выполнены в виде единого целого либо могут быть составлены из нескольких компонентов. На структуре 8 для голени также предусмотрена переходная часть 10, с помощью которой обеспечивается возможность крепления листового пружинного элемента 5 с возможностью замены на ортезе 1, при этом структура 8 для голени рассматривается в качестве верхней части, а часть 7 для стопы - в качестве нижней части. Для крепления оба конца соединительного элемента 5 вдвигаются в соответствующую переходную часть 6, 10 и там фиксируются, например, с помощью винтов. Предпочтительно выполнение переходных частей 6, 10 зажимными, поскольку сверление отверстий в волоконных композитных материалах является, с одной стороны, сложным и, с другой стороны, приводит к значительному ослаблению прочности волоконного композитного материала соединительного элемента 5. В качестве альтернативного решения для выполнения соединения между соединительным элементом 5 и частью 7 для стопы и структурой 8 для голени через переходные части 6, 10, можно выполнять соединительный элемент 5 также в виде единого целого с частью 7 для стопы и/или структурой 8 для голени.
В показанном примере выполнения соединительный элемент 5 расположен дорсально, в принципе такой соединительный элемент 5 может быть предусмотрен в виде пружины также фронтально, медиально и/или латерально, при этом сохраняется возможность замены пружины. Дорсальное расположение пружины 5 имеет то преимущество, что достигается очень стройный силуэт у пользователя ортопедического приспособления, так что ортопедическое приспособление можно носить максимально незаметно. Кроме того, это расположение обеспечивает возможность реализации максимально длинной листовой пружины полосовой формы, что положительно сказывается на пружинных свойствах и сроке службы пружинного элемента 5.
В соединительном элементе 5 расположен датчик 20 для определения изгибного момента или других сил, действующих внутри соединительного элемента 5. Данные датчика можно передавать в управляющее устройство 9, которое может изменять поведение исполнительного механизма 4. Исполнительный механизм 4 может быть выполнен в виде активного регулировочного элемента, а также возможно выполнение в виде чисто пассивного демпфера, или в виде их комбинации. Дополнительный датчик 20' расположен снаружи на соединительном элементе 5 и поставляет дополнительные данные о действующих в соединительном элементе 5 силах и моментах.
На фиг.2 показано схематично в разрезе выполнение датчика 20 с тензорезисторным элементом 21, который закреплен на носителе 22. Тензорезисторный элемент 21 закреплен обычным образом на носителе 22, например наклеен, и экранирован относительно окружения с помощью разделительных слоев 23. Разделительные слои 23 зафиксированы на носителе 22 и могут состоять, например, из разделительной пленки, усадочного шланга, силиконовой заливки или покрытия. Эти разделительные слои 23, которые расположены как на верхней стороне, так и на нижней стороне носителя 22, предотвращают передачу срезающих усилий на носитель 22 и закрепленный на нем тензорезистор 21. По сторонам, наряду с разделительными слоями 23, предусмотрены соединительные зоны 24 носителя 22, в которых носитель 22 может быть соединен с окружающим композитным материалом. Эти соединительные зоны 24 вступают в соединение со связующими средствами волоконного композитного материала и, тем самым, создают соединение с волоконными материалами. В определенных случаях предпочтительно, если носитель 22 не соединен с волоконным композитным материалом, поскольку за счет этого достигается лучшая температурная компенсация. В этом случае весь датчик 20 должен быть покрыт разделительным слоем 23, так что образуется плавающая опора внутри волоконного композитного материала.
На фиг.3 схематично показан на виде сбоку соединительный элемент 5, например, в виде листового пружинного элемента полосовой формы. По обе стороны нейтрального волокна 55 заламинирован соответствующий датчик 20 с экранированным тензорезистором 21 на носителе 22. Провода 25, которые соединены с тензорезистором 21, ведут из соединительного элемента 5 наружу и к усилительному и обрабатывающему сигнал электронному блоку, который может быть также заламинирован, и при необходимости к управляющему устройству. Носитель 22 предпочтительно выполнен тонким, например между 0,1 мм и 0,5 мм, так что вся система датчика 20 с тензорезистором 21 и разделительными слоями 23 имеет толщину менее 1 мм. Чувствительность датчиков можно регулировать за счет положения внутри соединительного элемента 5, при этом изменение достигается за счет изменения расстояния до нейтрального волокна 55.
Один вариант выполнения изобретения показан на фиг.4 и 5, в котором на обеих сторонах носителя 22 расположены тензорезисторы 21 и окружены разделительными слоями 23. Здесь также наряду с разделительными слоями 23 предусмотрены соединительные зоны 24 для заламинирования в соединительный элемент 5. Однако соединительные зоны 24 не обязательны. На фиг.5 показано в разрезе расположение датчика 20 согласно фиг.4 внутри соединительного элемента 5. Расположение датчика 20 выполнено в нейтральном волокне 55 соединительного элемента 5, провода 25 выходят из соединительного элемента 5 наружу. Носитель 22 изгибается вместе с соединительным элементом 5 и создает выходной сигнал. За счет расположения тензорезистора 21 в непосредственной близости от нейтрального волокна 55, требуется относительно высокий коэффициент усиления для достижения необходимой чувствительности датчика. Чувствительность можно также изменять за счет толщины носителя 22. При выполнении сенсорного блока необходимо найти компромисс между чувствительностью, толщиной датчика и коэффициентом усиления. Однако обеспечивается то преимущество, что внутри композитного материала элемента 5 необходимо располагать лишь одно единственное постороннее тело. Это постороннее тело в виде датчика 20, возможно также с усилительным и оценочным электронным блоком, можно в виде полностью предварительно изготовленного модуля просто вкладывать и ламинировать.