ПРОТЕЗ КОЛЕННОГО СУСТАВА

Предполагаемое техническое решение относится к медицинской технике для протезирования в частности к конструкции коленного сустава узла нижней конечности.
Существует конструкция «Протез нижней конечности» (А.С. №1391642, A 61 F 2/60, опубл. 30.04.88., Бюл.№16).
Данная конструкция содержит стопу со щиколоткой, трубку голени, коленный узел и приемную гильзу, соединенные между собой последовательно посредством узлов фиксации, состоящих из стакана со сферическим основанием и зажимных болтов, сферическим элементом и соединенным с ним клином. В теле клиньев вдоль оси выполнены глухие отверстия, в которых с натягом установлены бобышки.
Однако данная конструкция хотя и позволяет снизить контактные напряжения в местах соединения клиньев с болтами, при повышении надежности фиксации, однако не гарантирует высокой износостойкости данного узла и удобства при его эксплуатации.
Для восстановления функций ходьбы и бега у инвалида при ампутации ноги на уровне бедра необходимо, чтобы коленный модуль протеза не только надежно фиксировался на фазе опоры, но и обеспечивал амортизированное подгибание на угол 10-15°С, а также беспрепятственное сгибание колена протеза в фазе переноса, причем, при сгибании протез не должен удлиняться (см. "Протезирование и протезирование", 1986, вып. 75, с.95-105).
Известные конструкции коленных модулей не обеспечивают в полном объеме эту функцию. Например, близкий по технической сущности к заявляемому модуль коленный по патенту ФРГ N 2228391, А 61 F 2/64, 1975 г., содержащий верхнюю и нижнюю вилки с присоединительными сборочными элементами, ось колена, неподвижно фиксированную в нижней вилке, и разрезной хомут, охватывающий ось колена и соединенный передней осью вращения с верхней вилкой.
При опоре на протез верхняя вилка, поворачиваясь вокруг передней оси, давит на разрезной хомут, стягивает его и благодаря этому, блокируется сгибание протеза. Известная конструкция решает задачу фиксации колена протеза при опоре, но не обеспечивает амортизированное подгибание необходимое для естественной, плавной ходьбы с минимальными энергозатратами, а кроме того, создает эффект удлинения протеза при сгибании т. к. ось колена отнесена от осевой линии модуля назад, а такая компоновка затрудняет ходьбу и увеличивает энергозатраты.
Причиной, препятствующей решению всего комплекса функциональных задач и известной конструкции по патенту ФРГ N 2228391, является недостаточное усилие стягивания хомута, которое не превышает 1/2 веса инвалида (остальную нагрузку воспринимает передняя ось). Поэтому блокирующий момент мал и не обеспечит фиксацию колена, если его ось вынести на осевую линию модуля. Кроме того, отсутствует механизм реализации амортизированного подгибания при блокированной оси вращения.
Таким образом, необходимо увеличить усилие стягивания хомута при опоре на протез, вынести ось колена на осевую линию модуля и реализовать в модуле амортизационное подгибание при блокированной оси колена
Эти задачи решены в «Модуле коленном к протезу нижней конечности» (А.С. №2071300, A 61 F 2/64, опубл. 10.01.97., Бюл. №1). Предлагаемый модуль коленный по А.С. №2071300 содержит верхнюю
вилку и нижнюю вилку, в которой неподвижно закреплена на ось колена. Ось охватывает разрезной хомут, соединенный передней осью с верхней вилкой. Концы хомута стянуты цепью, содержащей звенья и, шарнирно соединенные между собой и с хомутом. В верхней вилке установлен регулируемый винтовой упор, взаимодействующий со средней частью цепи. Под звеньями цепи установлены в пазах хомута упругие прокладки. Нижняя вилка снабжена обрезиненным упором, ограничивающим сгибание вперед, и ребрами, образующими вертикальный желоб на ее передней стенке. Присоединительные сборочные элементы, выполненные на верхней и нижней вилках, соответствуют стандартам современных модульных систем.
Однако верхняя и нижняя вилки выполнены из металлических материалов, упругие прокладки из резиновых смесей, а нижняя вилка снабжена обрезиненным упором, что уменьшает надежность конструкции из-за выхода из строя резинотехнических изделий при многократной динамической нагрузке и высокого коэффициента трения между верхней и нижней металлическими вилками.
Наиболее близкой конструкцией к предложенному техническому решению является «Коленный узел протеза нижней конечности» (А.С. №2086212, A 61 F 2/64, опубл. 10.08.97., Бюл. №22).
Коленный узел протеза нижней конечности содержит верхнее с узлом крепления гильзы бедра, заднее, нижнее, переднее звенья, упор, голенооткидное устройство. Дополнительно содержит несущий корпус с упором для нижнего звена и амортизирующим устройством, а также с узлом крепления трубки голени и предварительно деформированное гибкое звено, при этом несущий корпус в задней части шарнирно связан с нижним звеном, гибкое звено связано своими концами с нижним звеном и несущим корпусом и опирается в своей средней части на. Амортизирующее устройство.
Конструкция имеет то преимущество, что обеспечивает функцию подгибания протеза в фазе опоры, увеличивая антропоморфность походки
и уменьшая энергозатраты на ходьбу.
Однако конструкция по А.С. №2086212 имеет узлы трения из металлических материалов, что несколько увеличивает энергозатраты при ходьбе (из-за повышенного коэффициента трения). Кроме того, устройство имеет невысокую надежность из-за применения гибкого звена.
Целью предложенного технического решения является обеспечение плавной, биологически правильной ходьбы со сниженными энергозатратами.
Предложенное техническое решение осуществляется тем, что в протезе коленного сустава содержащем узел верхнего шарнира, узел нижнего шарнира с конусообразными и цилиндрическими отверстиями, соединенные между собой коромыслами посредством конусных выступов, кронштейном, осями, на коромысле установлен подвижный упор, взаимодействующий с амортизационным вкладышем в кронштейне, узле нижнего шарнира расположена амортизационная вставка, взаимодействующая с кронштейном, вал, установленный в узле верхнего шарнира, внутри которого размещен регулирующий винт, пружина, шплинт взаимодействующий с кронштейном через шарик, колпачок, винты, гайки, шайбы.
В узле и нижнего шарнира жестко установлены конусообразные втулки, соответствующие конусным втулкам на коромыслах и выполненные из полиамида угленаполненного с массовым содержанием углеводородного волокна от 30 до 40 процентов, а амортизационные вкладыш и вставка выполнены из полиамида эластифицированного с относительным удлинением от 40 до 120 процентов при разрыве.
Поставленная цель-обеспечение плавной, биологически правильной ходьбы со сниженными энергозатратами-гарантируется тем, что в узле верхнего и нижнего шарниров жестко установлены конусообразные втулки, соответствующие конусообразным выступам на коромыслах и выполненные из полиамида угленаполненного с массовым содержанием углеводородного волокна от 30 до 40 процентов, а амортизационные
вкладыш и вставка выполнены из полиамида эластифицированного с относительным удлинением от 40 до 120 процентов при разрыве.
В этом случае обеспечивается низкий коэффициент трения без смазки между конусообразными втулками, выполненными из Полиамида угленаполненного типа УПА 66-30 или УПА 66-40 по ТУ 6-12-31-833-95 и конусообразными выступами на коромыслах выполненных из титанового сплава ВТ-6 (хим. состав по ОСТ 1 90013-71). Роль смазки выполняется углеводородными волокнами, входящими в состав полиамидов угленаполненных. Коэффициент трения скольжения «Г» составит менее 0,05 (Справочник конструктора точного машиностроения Г.А.Веркович и др. Л. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989 г. стр. 383.).
Кроме того, выполнение амартизационных вкладыша и вставки из эчастичных композиций полиамида позволит эффективно амортизировать удары в крайних положениях устройства «за счет своей высокой эластичности и высокой ударной вязкости» (Полипластик, Москва, Каталог 1998 г. стр. 6).
Все это в комплексе позволит обеспечить снижение энергозатрат и более мягкую ходьбу (биологически правильную).
На фиг.1 Изображен протез коленного сустава в разрезе;
На фиг.2 Изображено сечение по конусообразным втулкам и выступам на узлах верхнего и нижнего шарниров.
На фиг.4 Изображено сечение по кронштейну с осями на узлах верхнего и нижнего шарниров.
Протез коленного сустава, содержит узел верхнего шарнира 1, узел нижнего шарнира 2 с конусообразными 3 и цилиндрическими 4 отверстиями, соединенные между собой коромыслами 5 посредством конусных выступов 6, кронштейном 7, осями 8, 9, на нижнем шарнире 2 установлен подвижный упор 10, взаимодействующий с амортизационным вкладышем 11 в кронштейне 7, узле нижнего шарнира 2 расположена амортизационная вставка 12, взаимодействующая с кронштейном 7, вал 13, установленный в узле верхнего шарнира 1, внутри которого размещены
регулирующий винт 14, пружина 15, шплинт 16 взаимодействующий с кронштейном 7 через шарик 17, колпачок 18, винты 19, 20, гайки 21, шайбы 22. В узле верхнего 1 и нижнего 2 шарнира жестко установлены конусообразные втулки 23, соответствующие конусным выступам 6 на коромыслах 5 и выполненные из полиамида угленаполненного с массовым содержанием углеводородного волокна от 30 до 40 процентов, а амортизационные вкладыш 11 и вставка 12 выполнены из полиамида эластифицированного с относительным удлинением от 40 до 120 процентов при разрыве.
Протез коленного сустава функционирует следующим образом.
В фазе переноса усилие предварительной затяжки пружины 15 через шарик 17 создает неустойчивое положение коромысел 5 и кронштейна 7 относительно узла верхнего шарнира 1 и узла нижнего шарнира 2. Кинематика движений голени относительно бедра обеспечивается угловым перемещением коромысел 5 и кронштейна 7 относительно узла верхнего шарнира 1 узла нижнего шарнира 2. Угловые перемещения между ними регулируются с помощью подвижного упора 10, который при работе коленного сустава упирается в амортизационный вкладыш 11, а в другом положении ограничиваются вставкой 12.
В основном работа протеза коленного сустава не отличается от работы ближайших аналогов.
В узлах между конусными выступами 6 на коромыслах 5 и конусообразными втулками 23, жестко установленных в узлах верхнего 1 и нижнего шарнира 2, при работе устройства происходит трение без смазки (сухое) или полусухое трение. (Коэффициент трения при полусухом и сухом трении 0,1-0,5, Справочник конструктора-машиностроителя, том 2, В.И.Анурьев, Москва, Машиностроение, 1979 г. стр. 27). Кроме того коэффициент трения при высыхании остатков смазки (полусухое трение) будет изменятся в большую сторону при использовании металлических материалов в узлах трения.
При использовании в конструкции жестко установленных конусообразных втулок 23 выполненных из полиамида угленаполненного с массовым содержанием углеводородного волокна от 30 до 40 процентов (Полиамиды угленаполненные типа УПА-66, ТУ 6-12-31-833-95, марки У ПА-66-3 0 или УПА-66-40), позволяет резко снизить коэффициент трения при отсутствии смазки, что позволяет уменьшить усилия при ходьбе с протезом.
При использовании в конструкции конусообразных втулок 23 из полиамидов с содержанием углеволокон не менее 30% (УПА-66-20) коэффициент трения возрастает. Полиамидов с содержанием углеволокна более 40% не существует. Поэтому содержание углеводородного волокна от 30 до 40 процентов в полиамиде 66 в нашем случае использования в узле трения является оптимальным.
Амортизационные вкладыши 11 и вставка 12 выполнены из полиамида эластифицированного с относительным удлинением от 40 до 120 процентов при разрыве, что обеспечивает оптимальное демпфирование протеза коленного сустава при положении деталей в крайних положениях.
При использовании эластифицированного полиамида ПА-61УП с относительным удлинением при разрыве менее 30 процентов удары при ходьбе с протезом будут становиться довольно жесткими.
При использовании эластифицированного полиамида марки ПА6-3Э с относительным удлинением при разрыве более 120 процентов возможно полное смятие амортизационных вкладыша 11 и вставки 12 до предела, при котором будут происходить удары метал о метал.
В качестве эластифицированного полиамида рекомендуется полиамиды «Армамид» ТУ 2243-025-11378612-97 (с изм. №1).
Использование предлагаемого протеза коленного сустава обеспечивает безопасную, плавную, биохимически правильную ходьбу со сниженными энергозатратами, а также при соответствующем выполнении других функциональных узлов протеза, позволяет инвалидам заниматься бегом и другим динамическими видами спорта.