БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ КИСТЕВОЙ ПРОТЕЗ
BIOMECHANICAL HAND PROSTHETIC DEVICE

Заявляемый биомеханический кистевой протез из биосовместимых материаловотносится к медицинской технике и может быть использована длясоздания протезов кисти руки, пригодных для длительной эксплуатации, стойких к износу и обеспечивающих возможность максимального возвращения утраченной функциональности кисти. Необходимость решения таких задач возникает после ампутации кисти,либо в результате несчастного случая и остается актуальной проблемой медицинской техники.
Известен протез кисти, который содержит подпружиненный четырехзвенный механизм, приводной барабан, приводимый в действие тягой управления, кулачок и опорный ролик, обкатывающийся по кулачку - патент RU 2 322 956C2 (автор Киселев Л. И.). Однако данный кистевой протез не обеспечивает повышенной грузоподъемности и корреляции движения кисти, а также не позволяет должным образом контролировать и удерживать угол поворота пальцев и силу захвата.
Также известен протез кисти, который содержит приемную гильзу, корпус, каркас первого пальца, каркасы второго-четвертого пальцев, приводную систему, обеспечивающую функциональную подвижность: «схват-раскрытие кисти», шарнир сгибания в лучезапястном сочленении, манжету на предплечье, три потенциометра, три преобразователя сигнала, сумматор, два функциональных преобразователя и четыре усилителя мощности - патент RU 2 506 931 C2 (авторы Буров Г.Н, ФёдоровЕ.А). Однако и этот кистевой протез не обладает возможностью управления движением большого пальца, что существенно снижает функциональные возможности протеза,не позволяя полноценно использовать захват предметов, тем более не позволяя выполнять функции протеза, связанные с необходимостью жесткого захвата. Кроме того, известный протез не может обеспечить высокую надежность и удобство при использовании.
Наиболее близким к заявляемому решению биомеханического протеза кисти является известный (патент RU 2416379 C2, автор ПухгаммерГрегор) кистевой протез с устройством для передачи усилий, имеющий основание, на котором по меньше мере, один пальцевой протез шарнирно установлен с возможностью движения вокруг оси поворота посредством привода, соединенного с ним через устройство для передачи усилий, которое выполнено между приводом и пальцевым протезом. Однако данная модель кистевого протеза (с устройством для передачи усилий) не обладает достаточной прочностью конструкции и имеет недостаточную двигательную базу, так что известный кистевой протез непригоден для обеспечения повышенной износостойкости, повышенной грузоподъемности и функциональности кистевого протеза.
Заявляемое устройство направлено на решение проблемы создания функционального биомеханического кистевого протеза, позволяющего восстанавливать утраченные функции кисти и обеспечивающего прочность конструкции, повышенную грузоподъемность и износостойкость. Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства, заключается в создании устройства с повышенной прочностью, грузоподъемностью, износостойкостью с расширением за счет этого функциональности устройства.
Активный биомеханический кистевой протез, характеризующийся тем, что содержит:
− по крайней мере один двухсуставный внешний цилиндр в форме пальца, состоящий из трех последовательно соединенных полых цилиндров, в каждом двухсуставном цилиндре размещен внутренний двухсуставный стержень из трех последовательно скрепленных между собой (например, сквозной заклепкой) стержней с обеспечением возможности сгибания внешнего двухсуставного цилиндра;
− выполненное с возможностью поворота цилиндрическое колесо со спиральной прорезью для перемещения поперечного стержня, задающего ход движения связанному с ним нижнему внутреннему стержню и среднему полому внешнему цилиндру;
− установленные на колесо салазки в виде скоб с прорезями для движения поперечного стержня, скрепляющие мотор и палец;
− по крайней мере один мотор, прикрепленный к основанию кисти и приводящий в движение цилиндрическое колесо за счет сигналов с датчиков давления, установленных на поверхности остаточных мышц руки.
Поперечный стержень протеза может быть соединен с каждым нижним внутренним стержнем, а каждый нижний внешний полый цилиндр имеет продольные прорези для движения поперечного стержня. Такое исполнение представляет собой вариант выполнения связи между нижним из полых цилиндров и нижним внутренним стержнем, а также поперечных стержнем, который задает ход движения указанных цилиндра и внутреннего стержня.
При формировании кисти элементы протеза могут быть установлены следующим образом. Средний, безымянный пальцы и мизинец, пронизанные одним поперечным стержнем, устанавливают на одних салазках с цилиндрическим колесом и мотором. При этом указательный и большой пальцы, пронизанные общим поперечным стержнем, могут быть размещены на отдельных салазках с колесом и мотором, причем указательный палец крепится в центре, а большой – сбоку.
Протез устанавливается с помощью неинвазивного закрепления на предплечье, посредством жесткого экзокрепления поверх лучевой и плечевой костей, оставшихся после утраты кисти. Двигательной базой является мотор, прикрепленный к основанию пальца, приводящий в движение цилиндр (цилиндрическое колесо) со спиралеобразной прорезью.
Управление протезом биомеханического пальца осуществляется с помощью мотора и аппаратно-программной системы, которая подключается к мышцам, что позволяет получать данные напрямую с мышц руки, считывать их напряжение и коррелировать их в степень положения и движения тех или иных пальцев. Таким образом реализуется механизм движения пальцев, который перераспределяет нагрузку с мотора, приводимого в движение датчиком давления, закрепленным на лучевой мышце и мышце локтевого сгибателя запястья, соразмерно давлению, оказываемому мышцей на датчик давления.Это позволяет вернуть основной функционал утраченной кисти,увеличивает предельно допустимую нагрузку на палец до 30 кг и обеспечивает необходимый технический результат,а именно:функциональность в использовании, высокую прочность конструкции, повышенную грузоподъемность иизносостойкость кистевого протеза.
Заявляемое решение увеличивает предельно допустимую нагрузку на один палец до 30 кг, что достигается за счет перераспределения нагрузки с двигательной базы на конструкцию. Многофункциональность в использовании - поднятие тяжелых предметов, возможность осуществления движений, приближенных к точным движениям человеческой кисти - обеспечивается высокой прочностью конструкции, износостойкостью кистевого протеза. Также конструкция обладает улучшенной мелкой моторикой, что позволяет расширить потенциал использования устройства.
Сущность заявляемого решения поясняется чертежами, где изображены:
- на фиг. 1 -  механизм пальца, вид спереди,
- на фиг. 2 - механизм пальца, вид сбоку,
- на фиг. 3 - механизм пальца, вид сбоку в максимально согнутом состоянии
- на фиг. 4 - механизм кисти с просвеченым механизмом
- на фиг. 5 - механизм кисти с креплениями
- на фиг. 6 - механизм кисти с креплениями вид сбоку
На фигурах приняты следующие обозначения: 1 – внешние цилиндры (1.1, 1.2, 1.3), 2 – внутренние стержни (2.1, 2.2, 2.3), 3 – цилиндрическое колесо со спиральной прорезью, 4 – поперечный стержень клемма, 5 – салазки, 6 – сервомотор, 7 – аппаратно-программная система  , 8 - жесткое экзокрепление , 9 – датчик давления (тензодатчик).
Для подтверждения возможности реализации заявляемым решением своего назначения и достижения заявленного технического результата рассмотрим вариант исполнения протеза.
Заявляемый биомеханический протез при формировании полной кисти руки имеет изготовленные из медицинского пластика, титана, тантала или биосовместимых сплавов, пять двухсуставных цилиндров 1 в форме пальцев с внутреннимидвухсуставными стержнями 2, движение которых обеспечивают моторы 6.
Основными элементами, задающими ход кисти, являются цилиндрическое колесо с поперечным стержнем 3, вставленным вспиралеобразные прорези. Колесо 3 толкает поперечный стержень 4, движущийся по спирали прорези, и формирует тем самым механизм перераспределения нагрузки с управляющих моторов 6 на конструкцию протеза.Фиксацию всей конструкции и обеспечение ее прочности и целостности осуществляют салазки 5.
Управление протезом осуществляется с помощью моторов 6, в частности, сервомоторов, и аппаратно-программной системы, которая подключается к мышцам. Сервомоторы 6 приводятся в движение датчиками давления (тензодатчиками), закрепленными на лучевой мышце и мышце локтевого сгибателя запястья как наиболее предпочтительных для расположения датчиков. Движение производится соразмерно давлению, оказываемому мышцей на тензодатчик.
Протез устанавливается с использованием неинвазивного закрепления на предплечье посредством жесткого экзокрепления поверх лучевой и плечевой кости, оставшихся после утраты кисти. Система подключается к мышцам, что позволяет получать данные напрямую с мышц руки, считывать их напряжение и коррелировать их в степень положения и движения тех или иных пальцев. Это позволяет расширить возможности для управления и применения конструкции в различных условиях и обеспечивает улучшенные мелкомоторные функции конструкции, что увеличивает потенциал использования в решении повседневных задач.
Каждый палец протеза имеет три основных, стилизованных под фактуру человеческих пальцев, полых цилиндра 1.1, 1.2, 1.3, из которых цилиндр 1.1 является совмещенной заменой дистальной и средней фаланги крепится к цилиндру 1.2, который является заменой проксимальной фаланги. Цилиндр 1.2 крепится к цилиндру 1.3, который является заменой пястной кости. Также цилиндр 1.3 имеет продольные прорези по бокам для движения поперечного стержня 4 клеммы, соответствующиедиаметру поперечного стержня 4.
Три внутренних цилиндрических стержня 2.1, 2.2, 2.3последовательно скреплены между собой. При этом стержень 2.1 является сгибателем цилиндра 1.1 и крепится сквозной заклепкой к стержню 2.2, который является сгибателем цилиндра 1.2. Цилиндрический стержень 2.2 крепится сквозной заклепкой к стержню 2.3 (является направляющей движения стержней 2.1 и 2.2),который, в свою очередь, крепится к поперечному стержню/клемме 4, который задает движение стержню 2.3.
Поворот цилиндрического колеса3со спиральной прорезью, в которую вставлен стержень 4, обеспечивает движение стержня 4 вверх - вниз, и,соответственно,движение прикрепленных к нему стержней2.3, 2.2, 2.1 в соответствующем порядке, по прорезям в цилиндре 1.3 и прорезям салазок 5.
Салазки 5 выполнены в виде скобс прорезями для движения поперечного стержня 4, скрепляющих мотор 6 и пальцы. С верхней стороны салазки 5 прикреплены к цилиндру 1.3, а с нижней – к корпусу сервомотора 6. Прорези в салазках параллельны стенкам цилиндрического колеса 3 и прорезям в цилиндре 1.3. Салазки 5 служат также дополнительной опорой поперечного стержня 4 и задают ему движение.
Сервомотор 6 прикреплен к нижней круглой стенке цилиндра цилиндрического колеса 3со спиральной прорезью и обеспечивает движение посредством поворота колеса 3 от 0 до 360 градусов.Врезультате стержень 4 движется по спиральной прорези в цилиндрическом колесе 3 и задает движение внутренним стержням 2.1, 2.2, 2.3. Данные сервомотору 6 о нужном градусе поворота передаются с датчиков давления (тензодатчиков) 9,прикрепленных к поверхности остаточных мышц поврежденной руки,которые обрабатываются аппаратной микропроцессорной системой.
Расположение пальцев на механизме представлено следующим образом. Средний, безымянный и мизинец располагаются на кисти посредством крепления к салазкам5, расположенным по бокамодного из цилиндрических колес 3 со спиральной прорезью, что позволяет поперечному стержню/клемме 4 пронизывать сразу три пястных фаланги механизма 2.3 и обеспечивать одновременное движения трех пальцев посредством движения одного сервомотора 6 соответственно.
Расположение указательного и большого пальца на механизме обеспечивается креплением их ко второму цилиндрическому колесу 3 со спиральной прорезью.Пальцы крепятся к салазкам 5, указательный палец крепится к центру салазок 5, в то время как большой палец крепится сбоку.
Движение пальцев осуществляется одновременно, посредством движения поперечного стержня клеммы4, пронизывающей пястные фаланги большого и указательного пальцев.
Механизм работы большого пальца отличается от механизма работы остальных пальцев наличием дополнительного соединения, повернутого по отношению к остальным на 90 градусов, что позволяет осуществлять движение параллельно кисти для последующего осуществления механизма хвата
Описание работы датчиков и механизм крепления протеза к предплечьюна примере протеза правой руки показан на фиг.5.
Механизм,расположенный в кисти и обеспечивающий движение пальцев, закрепляется на жестком эндоскелетномнаруче, опоясывающем предплечье с двух сторон и повторяющих естественную фактуру строения предплечья конечного пользователя, что достигается путем индивидуальной подгонки самого эндоскелетногонаручя посредством наличия люфта в конструкции, позволяющего наручу плотно прилегать к предплечью путем стягивания гибкими креплениями левую и правую сторону наруча. Это обеспечивает плотное прилегание к предплечью и снижает возможный дискомфорт при ношении.
Программно-аппаратный комплекс представляет собоймикроплату в непроницаемом для жидкости коробе, обрабатывающую сигнал с датчиков и обеспечивающую подачу сигнала на сервомоторы 6.
Элементы управления представляют из себя датчики, преобразующие величинудеформациив удобный для измерения сигнал, принцип работы которых заключается в изменении сопротивления тензорезистора посредством колебания мышц,на которых они расположены.В результате можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.
Расположение датчиков обусловлено морфологией оставшихся мышц предплечья. Датчики крепятся налучевой мышце и мышце локтевого сгибателя запястья, сокращение которых считывается и преобразуется в угол поворота цилиндрического колеса со спиральной прорезью, и, соответственно, в степень сжатия пальцев, зависимой от поворота колеса.
Предплечные крепления биомеханического кистевого протеза представлены в виде двух экзоскелетных полуцилиндрических скоб,опоясывающих предплечье со стороны локтевой и лучевой костей, с вмонтированными в них креплениями под программно- аппаратный комплекс и креплениями под датчики, а также собственными мягкими креплениями, стягивающими скобы на предплечье и позволяющими конструкции плотно прилегать к руке, избегая люфта. В конструкции также предполагается возможность установки мягкого крепления, позволяющего дополнительно закрепить механизм на локтевом сгибе. У основания скоб имеются крепления под механизм кисти, что делает конструкцию модульной.
Заявляемый биомеханический протезобеспечивает возможность восстановления функционала утраченной кисти, высокую прочность конструкции, повышенную грузоподъемность (до 30 кг на один палец) и износостойкость кистевого протеза.