ПРОТЕЗ КОЛЕННОГО СУСТАВА
PROSTHETIC KNEE JOINT

Изобретение касается протеза коленного сустава, имеющего верхнюю часть, нижнюю часть, которая установлена с возможностью поворота на верхней части, установленное на верхней части крепежное устройство для проксимального элемента протеза, установленное на нижней части крепежное устройство для дистального элемента протеза и четырехзвенную шарнирную систему, включающую в себя четыре шарнирно прикрепленных друг к другу шарнирных звена, которые выполнены с возможностью поворота друг относительно друга вокруг оси поворота, при этом верхняя часть установлена на шарнирной системе.
EP 0 713 689 A1 показывает протез коленного сустава, имеющий верхнюю часть и шарнирно закрепленную на ней нижнюю часть. Соединение верхней части и нижней части осуществляется посредством многозвенной кинематической шарнирной цепи, включающей в себя по меньшей мере четыре шарнирных звена, в которой эти соответственно соединенные друг с другом звенья имеют одну общую ось вращения. Оси вращения проходят по существу параллельно друг другу, при этом в исходном положении многозвенной шарнирной системы одно шарнирное звено может выполнять два движения относительно соединенных с ним других звеньев, при этом по меньшей мере одно движение после его инициирования, по меньшей мере, преимущественно блокирует другое возможное движение. С помощью такого устройства можно реализовать сгибание в опорной фазе, не блокируя полностью сгибание внутрь протеза коленного сустава.
У протезов коленного сустава, имеющих шарнирные звенья с изменяющейся длиной, проблематичными являются относительно сложная конструкция и возможность наступления геометрической блокировки шарнирной системы при оседании во время сгибания в опорной фазе. Геометрическая блокировка протеза коленного сустава описана, например, в US-A-5,314,498, при этом принцип действия естественного коленного сустава должен моделироваться посредством полицентрической конструкции и простым образом достигаться автоматическое геометрическое замыкание.
Задачей настоящего изобретения является создание протеза коленного сустава, который имеет простое расположение компонентов и обеспечивает то, чтобы даже во время сгибания в опорной фазе было принципиально возможно сгибание внутрь протеза коленного сустава.
В соответствии с изобретением эта задача решается с помощью протеза коленного сустава с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, описании, а также на фигурах.
Предлагаемый изобретением протез коленного сустава, имеющий верхнюю часть, нижнюю часть, которая закреплена с возможностью поворота на верхней части, установленное на верхней части крепежное устройство для проксимального элемента протеза, установленное на нижней части крепежное устройство для дистального протеза коленного сустава и четырехзвенную шарнирную систему, включающую в себя четыре шарнирно прикрепленных друг к другу шарнирных звена, которые выполнены с возможностью поворота друг относительно друга вокруг оси поворота, при этом верхняя часть установлена на шарнирной системе, предусматривает, что шарнирная система опирается на нижнюю часть с возможностью поворота из исходного положения против силы упругости во время сгибания в опорной фазе, и линия действия силы упругости направлена так, что имеется момент, противодействующий сгибанию внутрь шарнирной системы, в частности также при шарнирной системе, повернутой относительно исходного положения, или разогнутой шарнирной системе, которая прилегает к упору для вытягивания и в своей совокупности смещена относительно нижней части вследствие сил, возникающих при сгибании в опорной фазе. Благодаря этой направленности линии действия силы упругости, благодаря соответствующему расположению и ориентации центров шарнира, например, упругого элемента, который выполнен в виде шарнирного звена с изменяющейся длиной многорычажной системы, возможно, чтобы при сгибании в опорной фазе на шарнирную систему действовал предохраняющий момент, причем без наступления изменения геометрической структуры и взаимного расположения шарнирных звеньев в шарнирной системе. Шарнирная система в целом поворачивается без наступления сгибания внутрь протеза коленного сустава вследствие смещения шарнирных звеньев шарнирной системы друг относительно друга. Благодаря этому возможно, чтобы, несмотря на дополнительный момент при сгибании в опорной фазе против сгибания внутрь шарнирной системы, существовала принципиальная возможность, чтобы при приложении достаточно высокого момента сгибания, напр., момента сгибания бедра, протез коленного сустава сгибался внутрь, так чтобы не возникала геометрическая блокада, так называемый «geometric lock» (англ. «геометрическое замыкание»). Это достигается, в частности, за счет того, что шарнирные звенья шарнирной системы выполнены неизменяющимися по длине и установлены на нижней части с возможностью поворота в целом, в виде системы, без изменения их положения друг относительно друга.
Одно из усовершенствований изобретения предусматривает, что при возрастающем угле поворота шарнирной системы относительно нижней части при сгибании в опорной фазе повышается момент, который противодействует сгибанию внутрь шарнирной системы. При возрастающем угле поворота, наряду с увеличивающейся силой упругости, увеличивается также эффективное плечо рычага, вследствие чего получается двойное повышение момента, так что при максимальном сгибании внутрь в опорной фазе имеется максимально эффективный момент против сгибания внутрь протеза коленного сустава вследствие изменения положений шарнирных звеньев друг относительно друга. Хотя верхняя часть и нижняя часть вследствие оседания в направлении против силы упругости смещаются друг относительно друга, однако это не является сгибанием внутрь протеза коленного сустава вследствие изменения ориентации шарнирных звеньев шарнирной системы друг относительно друга.
Одно из усовершенствований изобретения предусматривает, что шарнирная система опирается на многорычажную систему, оси поворота которой не совпадают с осями поворота шарнирной системы. Это способствует корректировке мест опоры данных систем, то есть шарнирной системы и многорычажной системы, так что места опоры не находятся рядом друг с другом, и поэтому могут выбираться достаточно стабильные размеры ширины опор.
Шарнирная система может иметь механический упор для вытягивания, к которому шарнирная система прилегает в вытянутом, разогнутом положении. Сгибание в опорной фазе, как правило, будет наступать при вытянутом протезе коленного сустава, так что при так называемом «heel strike» (англ. «бег с пятки») шарнирная система прилегает к механическому упору. Это может происходить, например, таким образом, что одно из звеньев шарнира прилегает к механическому упору для вытягивания, и тем самым предотвращается дальнейшее смещение шарнирного звена в направлении разгибания и вместе с тем соответствующее относительное смещение шарнирных звеньев друг относительно друга.
Шарнирная система может иметь дистальное шарнирное звено, имеющее другую переднюю ось поворота, которая расположена дистально от передней оси поворота шарнирной системы и с возможностью поворота вокруг которой шарнирная система опирается на нижнюю часть. Это дистальное шарнирное звено имеет, таким образом, две функции, во-первых, соединения двух шарнирных звеньев шарнирной системы, то есть переднего и заднего шарнирного звена, и, кроме того, образования оси поворота или, соответственно, места опоры для оси поворота, для соединения шарнирной системы с нижней частью и тем самым создания многорычажной системы для опоры шарнирной системы с возможностью поворота на нижнюю часть.
Кроме того, шарнирная система может иметь заднее шарнирное звено, которое имеет проксимальную и дистальную ось поворота, при этом заднее шарнирное звено продолжено за дистальную ось поворота и в продолжении имеет проксимальную ось поворота для упругого элемента, который является частью многорычажной системы. Заднее шарнирное звено создает, таким образом, место опоры многорычажной системы, причем в области дистального продолжения за дистальной задней осью поворота шарнирной системы.
Упругий элемент может иметь дистальное место опоры, которое может быть расположено на нижней части, при этом соединительная линия проходит между этим дистальным местом опоры упругого элемента и проксимальной осью поворота многорычажной системы к дистальной оси поворота заднего шарнирного звена шарнирной системы. Тем самым гарантируется, что при приложении силы к упругому элементу при сгибании в опорной фазе посредством геометрического взаимного расположения и линии действия точек ввода силы создается момент, который противодействует сгибанию внутрь протеза коленного сустава, то есть повороту шарнирной системы и вместе с тем смещению и сгибанию внутрь верхней части относительно нижней части.
Упругий элемент, который опирает шарнирную систему на нижнюю часть и обеспечивает возможность оседания в опорной фазе, может быть выполнен не только в виде чистого упругого элемента, но и в виде упругого демпферного элемента или упругой демпферной системы, чтобы создавать восстанавливающую силу против оседания шарнирной системы. В одном из вариантов осуществления упругого элемента, имеющего демпферный компонент, демпфирование может осуществляться с помощью гидравлического демпфера или эластомерного демпфера. Эластомерный демпфер может иметь эластомерный элемент или состоять из эластомерноного элемента, который выполнен из полимерного композита. Эластомерный элемент может быть выполнен в виде тубуса или, по меньшей мере, содержать тубус, при этом возможно, чтобы несколько эластомерных элементов были расположены последовательно.
На дистальном шарнирном звене шарнирной системы может быть расположен упругий элемент, который опирается на проксимальное шарнирное звено шарнирной системы. Посредством этого упругого элемента можно влиять на поведение протеза коленного сустава при нормальном сгибании внутрь, то есть во время фазы маха или при сгибании внутрь протеза коленного сустава в пределах терминальной опорной фазы. Упругий элемент шарнирной системы, аналогично упругому элементу между шарнирной системой и нижней частью, может быть выполнен не только в виде чистого упругого элемента, но и в виде упругого демпферного элемента или упругой демпферной системы, создающей восстанавливающую силу, с помощью которой шарнирная система движется в исходное положение, в частности полностью разогнутое положение, когда на протез коленного сустава не действуют никакие другие силы. В одном из вариантов осуществления упругого элемента, имеющего демпферный компонент, демпфирование может осуществляться с помощью гидравлического демпфера или эластомерного демпфера. Эластомерный демпфер может иметь эластомерный элемент или состоять из эластомерноного элемента, который выполнен из полимерного композита. Эластомерный элемент может быть выполнен в виде тубуса или по меньшей мере иметь тубус, при этом возможно, чтобы несколько эластомерных элементов были расположены последовательно.
Шарнирная система предпочтительно опирается на нижнюю часть через упругий элемент, при этом места крепления упругого элемента не совпадают с осями поворота шарнирной системы, благодаря чему происходит рассредоточение мест опоры. Таким образом, никакое место опоры шарнирной системы не совпадает с местом опоры многорычажной системы, так что все места опоры или места соединения шарнирных звеньев, как шарнирной системы, так и многорычажной системы, выполнены отдельно и могут иметь достаточно большие размеры. Шарнирные звенья шарнирной системы предпочтительно имеют не изменяющуюся длину, в то время как по меньшей мере одно из шарнирных звеньев многорычажной системы имеет изменяющуюся длину, так что изменение геометрии многорычажной системы происходит не только путем вращения двух прикрепленных друг к другу шарнирных звеньев, но и путем изменения длины шарнирных звеньев и изменения расстояния между местами опоры одного шарнирного звена.
Если предусмотрен упругий элемент, он может быть выполнен в виде сжимаемого эластомерного элемента, благодаря чему можно при небольшой конструктивной высоте и при небольшом конструктивном пространстве создавать высокие силы упругости, кроме того, такой эластомерный элемент не требует технического обслуживания, является малошумным и очень легким. Упругий элемент может быть расположен как в шарнирной системе, так и в многорычажной системе.
Упругий элемент может быть выполнен с возможностью регулирования восстанавливающей силы для обеспечения возможности адаптации протеза к данному пациенту. Возможность регулирования может иметься у одного или обоих упругих элементов. Данный упругий элемент может быть предварительно напряжен и посредством предварительного сжатия влиять на сопротивление сгибанию внутрь или сопротивление оседанию шарнирной системы. У упругого элемента между шарнирной системой и нижней частью как части многорычажной системы степень предварительного сжатия, которая является регулируемой и изменяемой, может обеспечивать возможность адаптации к собственному весу пациента или к запроектированной нагрузке.
Ниже один из примеров осуществления изобретения поясняется подробнее с помощью прилагаемых фигур. Показано:
фиг.1: схематичное изображение протеза коленного сустава в полностью разогнутом положении; а также
фиг.2: протез коленного сустава, имеющий шарнирную систему, смещенную относительно нижней части.
Показанный на фиг.1 пример осуществления протеза коленного сустава имеет верхнюю часть 10, на которой предусмотрено крепежное устройство 11 в виде соединительного пилона для дистального компонента 5 протеза, например, для крепления протеза коленного сустава к трубке бедра или к телу бедра. Крепежное устройство 11 может быть ввернуто в верхнюю часть 10 или выполнено на ней цельно. На верхней части 10 может быть расположено или выполнено первое шарнирное звено 30 четырехзвенной шарнирной системы 100. Проксимальное, по существу горизонтально ориентированное первое шарнирное звено 30 имеет переднюю ось 1 поворота и заднюю ось 2 поворота. На переднюю ось 1 поворота опирается с возможностью поворота переднее шарнирное звено 40, на заднюю ось 2 поворота опирается с возможностью поворота заднее шарнирное звено 50. Таким образом, посредством оси 1 поворота проксимальный конец переднего шарнирного звена 40, а посредством оси 2 поворота проксимальный конец заднего шарнирного звена 50 с возможностью поворота соединены с верхней частью 10 или, соответственно, проксимальным шарнирным звеном 30.
Дистальный конец переднего шарнирного звена 40 опирается с возможностью поворота на ось 3 поворота на дистальном шарнирном звене 60. На заднем конце дистального шарнирного звена 60 расположена четвертая ось 4 поворота, на которую опирается проксимальное место опоры заднего шарнирного звена 50 четырехзвенной шарнирной системы 100. Таким образом, шарнирная система 100 образуется четырьмя осями 1, 2, 3 и 4 поворота четырех шарнирных звеньев 30, 40, 50 и 60. Шарнирные звенья 30, 40, 50, 60 выполнены жесткими, так что расстояние между осями 1, 2, 3, 4 поворота в шарнирных звеньях 30, 40, 50, 60 остается неизменным, путем вращения шарнирных звеньев друг относительно друга можно сгибать внутрь верхнюю часть 10 для сгибания внутрь протеза коленного сустава, например, во время фазы маха. Сгибание внутрь может составлять почти 180°. Верхняя часть 10 сгибается внутрь относительно нижней части 20 путем смещения шарнирных звеньев 30, 40, 50, 60 четырехзвенной шарнирной системы 100. Нижняя часть 20, аналогично верхней части 10, имеет крепежное устройство 21, которое служит для крепления дистального элемента 25 протеза, например, протеза ступни или изображенной трубки голени.
Дистальное шарнирное звено 60 имеет, наряду с дистальной осью 3 поворота, другую ось 5 поворота, которая дистально удалена от оси 3 поворота, так что вся шарнирная система 100 может поворачиваться вокруг оси 5 поворота относительно нижней части 20, даже когда не происходит сгибание внутрь верхней части 10 путем смещения шарнирных звеньев 30, 40, 50, 60 шарнирной системы 100 друг относительно друга. Для этого предусмотрено, что дистально от дистальной, задней оси 4 поворота выполнено продолжение заднего шарнирного звена 50, на котором расположена дистальная, задняя ось 6 поворота, к которой прикреплен упругий элемент A, опирающийся в нижней части 20 на нижнюю ось 7 поворота. Таким образом, с помощью осей 5, 6, 7 поворота образуется многорычажная система, которая образуется из упругого элемента A, соединения между расположенными в нижней части 20 шарнирными осями 5, 7, а также соединением между проксимальной осью 5 поворота на нижней части 20 и дистальным продолжением заднего шарнирного звена 50 имеющейся там оси 6 поворота. Длина заднего шарнирного звена 50 многорычажной системы 200, которое находится между осями 6 и 7 поворота, является изменяющейся.
Упругий элемент A предпочтительно выполнен в виде эластомерного элемента и позволяет удерживать шарнирную систему 100 в исходном положении против силы упругости. Протез коленного сустава изображен в этом исходном положении, в котором как упругий элемент A прижимает шарнирную систему 100 в ее исходное положение, так и шарнирная система 100 максимально смещена в переднем направлении.
В изображенном исходном положении протез коленного сустава находится в максимально разогнутом положении, нет сгибания внутрь ни за счет сжатия упругого элемента A, ни за счет смещения шарнирных звеньев 30, 40, 50, 60 друг относительно друга. Протез коленного сустава максимально разогнут и прилегает к упору B для вытягивания, который в изображенном примере осуществления образован выступом на дистальном продолжении заднего шарнирного звена 50, прилегающим к нижней стороне дистального шарнирного звена 60. Принципиально возможно также другое размещение упора B для вытягивания.
Внутри шарнирной системы 100 расположен другой упругий элемент 70 из сжимаемых эластомерных элементов, который проксимальным концом опирается на верхнюю часть 10, а дистальным концом - на дистальное шарнирное звено 60. Дистальное место 76 опоры находится между осями 3 и 4 поворота на дистальной части 60 шарнира. Проксимальный конец упругого элемента 70 расположен между проксимальными осями 1, 2 поворота. В изображенном примере осуществления места крепления упругого элемента не совпадают с осями 1, 2, 3, 4 поворота, принципиально возможно также, чтобы одно или оба места опоры упругого элемента 70 совпадали с одной или, соответственно, двумя осями поворота. Посредством упругого элемента 70 можно влиять на сгибание внутрь протеза коленного сустава во время фазы маха или терминальной опорной фазы.
Принцип действия протеза коленного сустава предусматривает, чтобы, напр., в конце фазы маха, в которой протез коленного сустава находится в максимально разогнутом состоянии, осуществлялся так называемый «heel strike» или толчок пяткой, при котором пятка ставится на пол при разогнутом протезе коленного сустава. Для восприятия этого толчка пяткой верхняя часть протеза коленного сустава, имеющая четырехзвенную шарнирную систему 100, полностью в разогнутом положении, в котором упор B для вытягивания прилегает к дистальному шарнирному звену 60, поворачивается вокруг оси 5 поворота и сжимает упругий элемент A. Поворот вокруг передней оси 5 поворота многорычажной системы 200 имеет следствием только небольшое смещение верхней части 10 относительно нижней части 20, угол сгибания 5° обычный. Уже в исходном положении, которое изображено на фиг.1, линия F действия силы, то есть соединительная линия между местами 6, 7 опоры упругого элемента A, находится перед или, соответственно, впереди дистальной, задней оси 4 поворота четырехзвенной шарнирной системы 100, так что при повороте вокруг оси 5 поворота создается сила, которая прижимает заднее шарнирное звено 50 к дистальному шарнирному звену 60. Вследствие этого возникает момент вокруг дистальной, задней оси поворота, так что осуществляется повышение момента, противодействующего сгибанию внутрь шарнирной системы 100. При возрастающем сгибании в опорной фазе, то есть при возрастающем угле поворота вокруг оси 5 поворота многорычажной системы 200, линия F действия силы упругости перемещается в переднем направлении, вследствие чего рычаг вокруг дистальной, задней оси 4 поворота увеличивается, так что при возрастающем угле поворота шарнирной системы 100 вокруг оси 5 поворота устанавливается увеличивающийся момент. Тем самым обеспечивается увеличение надежности протеза коленного сустава в отношении непреднамеренного сгибания внутрь вследствие относительного движения шарнирных звеньев 30, 40, 50, 60 друг относительно друга при повороте вокруг оси 1, 2, 3, 4 поворота. Однако это повышение надежности при возрастающем сгибании в опорной фазе, в частности при нагрузке на пятку, не приводит к геометрическому замыканию протеза коленного сустава, более того, он может продолжать сгибаться внутрь при приложении момента сгибания бедра вследствие изменения геометрии шарнирной системы 100, так что падение через вытянутую ногу может эффективно предотвращаться.
Предлагаемый изобретением протез коленного сустава предотвращает совпадение мест опоры отдельных компонентов, так что может получаться устойчивая и простая конструкция протеза коленного сустава. Благодаря переднему прохождению линии F действия силы многорычажной системы можно обеспечивать повышенную надежность во время сгибания в опорной фазе, в частности во время «heel strikes». Сгибание внутрь при приложении момента сгибания бедра, что, например, осуществляется также в конце опорной фазы, возможно без затруднений.
На крепежном устройстве 11 верхней части 10 в качестве верхнего соединительного средства обозначено тело 5 протеза для посадки ампутационной культи в качестве проксимального элемента протеза, в качестве дистального элемента 25 протеза на нижней части 20 на дистальном крепежном устройстве 21 установлена трубка голени.
На фиг.2 показан изображенный на фиг.1 протез коленного сустава в состоянии, в котором не измененная внутри себя шарнирная система 100 повернута вокруг оси 5 поворота, расположенной дистально от передней, дистальной оси 3 поворота на дистальном шарнирном звене 60. Шарнирная система 100, имеющая оси 1, 2, 3, 4 поворота и не измененные друг относительно друга по сравнению с фиг.1 шарнирные звенья 30, 40, 50, 60, была повернута вокруг оси 5 поворота в направлении часовой стрелки. Поворот осуществлялся вследствие изменения длины упругого элемента A многорычажной системы 200, например, вследствие «heel strikes» или во время стояния при нагрузке на пятку. На фиг.2 начерчены две линии F действия силы упругости, то есть первоначальная линия F1 действия в соответствии с фиг.1 и фактически действующая линия F2 действия, которая представляет собой продолжение соединительной линии между дистальной и проксимальной осями 6 и 7 поворота многорычажной системы 200. На фиг.2 можно видеть, что действующая линия F2 действия по сравнению с первоначальной линией F1 действия смещена в переднем направлении относительно задней, дистальной оси 4 поворота шарнирной системы 100. Благодаря этому увеличивается плечо рычага вокруг оси 4 поворота, также как и сила упругости как таковая, благодаря чему получается момент, который противодействует сгибанию внутрь протеза коленного сустава вследствие изменения взаимного расположения шарнирных звеньев 30, 40, 50, 60 шарнирной системы 100. Чем больше смещение шарнирной системы 100 вокруг оси 5 поворота в направлении часовой стрелки, тем больше сила упругости, действующая на шарнирную систему 100 через дистальное продолжение проксимального шарнирного звена 50, и, вследствие геометрического взаимного расположения, тем больше эффективное плечо рычага линии F действия силы вокруг задней, дистальной оси 4 поворота, и тем больше момент, противодействующий сгибанию внутрь шарнирной системы.