Коленный модуль протеза нижней конечности

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к искусственным частям тела, и может быть использована в протезах нижних конечностей.
Для восстановления функций ходьбы и бега у инвалида после ампутации ноги на уровне бедра необходимо, чтобы коленный модуль протеза не только надежно фиксировался в фазе опоры, но и обеспечивал амортизационное подгибание на определенный угол, а также беспрепятственное сгибание колена протеза в фазе переноса. В настоящее время отдаленность функциональных характеристик коленных модулей от естественных значений амплитуд при движении человека остается существенной.
Известен искусственный коленный сустав, содержащий верхнюю опору, нижнюю опору с тормозным барабаном, соединенные между собой зажимным элементом, охватывающим барабан нижней опоры. Зажимной элемент крепится к верхней опоре с помощью оси с ограниченным поворотом (DE, патент 2228391, кл. A61F 2/64, 1975).
Недостатком указанного искусственного коленного сустава является малый срок его эксплуатации. Под действием максимальных нагрузок в фазе опирания на протез упругий зажимной элемент, работающий на сгибание-разгибание и растяжение, быстро теряет свою жесткость и, кроме того, изнашивается, что приводит к снижению надежности процессов фиксации и расфиксации. Еще одним недостатком является удлинение протеза в фазе переноса, затрудняющее ходьбу и вызванное смещением оси вращения искусственного коленного сустава назад от осевой линии бедра.
Известен модуль коленный (патент РФ №2141291 на изобретение, МПК 6 A61F 2/64), содержащий тормозное коленное сочленение, выполняющее также функцию тормозного узла. Тормозное коленное сочленение содержит верхнюю часть сочленения, нижнюю часть сочленения, которые связаны соединяющей их с возможностью поворота шарнирной осью. Шарнирная ось, выполняющая функцию тормозной оси, жестко связана с нижней частью сочленения и охвачена вращающейся на ней тормозной втулкой. Тормозная втулка жестко соединена с зажимной деталью, на которой через ось качания шарнирно установлена верхняя часть сочленения с возможностью воздействия при нагрузке верхней части сочленения на зажимную деталь и оказания при этом тормозного действия на шарнирную ось. Причем тормозная втулка окружена кольцевой камерой, заполненной несжимаемой средой и связанной с возможностью обмена жидкостью с замкнутой полостью, выполненной в зажимной детали, в которой расположен нагружающий несжимаемую среду нагнетательный поршень, а верхняя часть сочленения выполнена с возможностью опоры на последний.
К недостаткам приведенного коленного модуля относится отсутствие адаптивности к управлению фазой маха, обусловленное отсутствием в конструкции соответствующего приспособления.
Функциональные характеристики данных протезов оставляют желать лучшего.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является коленный модуль протеза нижней конечности, состоящий из корпуса, роторного узла, гидроблока, оси ротора, дросселей, электронного блока управления, элементов питания, нижнего опорно-соединительного узла и верхнего адаптера пирамидки, причем модуль снабжен сервоприводами для управления дросселями, электронный блок управления дополнительно содержит электронные датчики акселерометра и выполнен с возможностью настройки дросселей посредством сервоприводов на основании показаний электронных датчиков акселерометра для регулировки скорости сгибания и разгибания коленного модуля (US 2019358061 А1, 28.11.2019).
К достоинствам данной конструкции необходимо отнести высокие функциональные характеристики, приближенные к естественным амплитудам.
К недостаткам данного коленного модуля относится невозможность его использования человеком при разрядке элементов питания, необходимость ручной настройки коленного модуля перед движением и перенастройки при смене типа или интенсивности движения, отсутствие защиты от спотыкания.
Задачей настоящей полезной модели является создание коленного модуля, приближенного по функционалу к естественным характеристикам.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в том, что в фазе опоры коленный модуль надежно выполняет функцию опоры, в фазе переноса происходит распознавание и подстройка коленного модуля при движении по лестницам, пандусам, а в целом обеспечивается автоматическая подстройка под темп и вид передвижения, а также защита от спотыкания.
Данный технический результат достигается за счет того, что коленный модуль протеза нижней конечности, состоящий из корпуса, роторного узла, демпфирующего гидроцилиндра, оси ротора, дросселей, электронного блока управления, несъемных элементов питания, нижнего опорно-соединительного узла для присоединения протеза стопы к коленному модулю и верхнего адаптера пирамидки для присоединения коленного модуля к приемной гильзе, отличающийся тем, что содержит два дросселя с интегрированными в них двумя отдельными сервоприводами соответственно, причем указанные сервоприводы каждый выполнен с возможностью изменения пропускного сечения соответствующего ему дросселя, с сохранением возможности их ручной подстройки, причем первый и второй дроссели, управляемые сервоприводами, связаны с демпфирующим гидроцилиндром для регулировки скорости сгибания и скорости разгибания коленного модуля, причем модуль содержит электронные датчики акселерометры, встроенные в электронный блок управления, а электронный блок управления выполнен с возможностью подстройки двух дросселей, связанных с демпфирующим гидроцилиндром, посредством двух сервоприводов на основании показаний электронных датчиков акселерометров для регулировки скорости сгибания и скорости разгибания коленного модуля, причем электронный блок управления выполнен с возможностью блокировки сгибания коленного модуля путем закрытия дросселя, отвечающего за регулировку скорости сгибания коленного модуля, причем электронный блок управления выполнен с возможностью регулировки скорости сгибания и скорости разгибания коленного модуля на основании информации о скорости ходьбы, полученных посредством электронных датчиков акселерометров таким образом, что при уменьшении скорости ходьбы электронный блок управления выполнен с возможностью уменьшения пропускного сечения двух дросселей посредством соответствующих сервоприводов, а при увеличении скорости ходьбы электронный блок управления выполнен с возможностью увеличения пропускного сечения двух дросселей посредством соответствующих сервоприводов, при этом конструкция модуля помещена в корпус, на задней стороне которого расположен разъем элементов питания для зарядки от внешнего устройства и который имеет нижнюю втулку, выполненную с возможностью зажима опорно-соединительного узла хомутом посредством винта.
Интегрированная конструкция модуля (фиг. 1) состоит адаптера пирамидки [1]; закрепленной на поворотной гидравлической системе, включающей в себя роторный узел [2] и гидроблок [3], оси ротора [4], двух дросселей с интегрированными в них отдельными сервоприводами [5], демпфирующего гидроцилиндра [6], несъемными элементами питания [7], электронный блоком управления [8] с встроенными электронными датчиками акселерометра, разъем для зарядки от внешнего устройства [9], вынесенный на заднюю сторону корпуса коленного модуля, нижней втулки корпуса [10], хомута [11], опорно-соединительного узла [12], зажимных винтов [13], винта зажима хомута [11]. Вся конструкция помещена в прочный композитный корпус [15].
Коленный модуль функционирует следующим образом. Присоединение коленного модуля к приемной гильзе протеза осуществляется через стандартный адаптер-пирамидку [1], а присоединение протеза стопы к коленному модулю - посредством опорной-соединительного узла [12], который зажимает такой же адаптер «пирамидка» на стопе с помощью 4-х винтов [13]. Ими же осуществляется регулировка углов положения протеза стопы относительно коленного модуля. Опорной-соединительный узел [12] зажимается на нижней втулке [10] хомутом [11], при установке может свободно вращаться вокруг своей оси и тем самым позволяет регулировать угол поворота стопы в нужную сторону. Зажим хомута производится винтом [14] с головкой под 6-гранный ключ.
Во время движения действие гидромеханизма [3] коленного модуля обусловлено работой гидроцилиндра [6] в фазах переноса и опоры. Уровень демпфирования регулируется связанными с ним дросселями [5], управляющими скоростью сгибания и разгибания, что обеспечивает широкий диапазон настроек для различных режимов ходьбы. Необходимое изменение пропускных сечений дросселей осуществляется отдельными сервоприводами с электронным управлением и предусмотренной, на случай отсутствия питания, ручной настройкой нужного режима ходьбы.
В фазе опоры сгибание коленного модуля блокируется срабатыванием электронного клапана, автоматически отсекающего в нужный момент поток жидкости соответствующей магистрали.
Во время обычной ходьбы электронный блок управления [8] по электронным датчикам акселерометрам непрерывно отслеживает параметры ходьбы и подстраивает дроссели [5] с помощью встроенных сервоприводов (на каждый дроссель он идет отдельный), которые влияют на скорость сгибания и разгибания коленного модуля в фазе переноса. Если скорость ходьбы небольшая, дроссели уменьшают свое проходное сечение, что замедляет сгибание и разгибание коленного модуля. При быстрой ходьбе, напротив, сечение дросселей увеличивается, и коленный модуль легко и быстро проходит фазу переноса. В общем виде, за счет датчиков акселерометров, электронный блок управления получает информацию о характере и скорости перемещения человека в пространстве, а электронные сервоприводы оперативно подстраивают дроссели под темп и характер передвижения (ходьба, бег, езда на велосипеде и т.д.), а также обеспечивают защиту от спотыкания.
Позволяют удобно перемещаться по наклонным плоскостям, защищают от спотыкания.
Если нужно заблокировать сгибание коленного модуля, например, во время прямостояния с опорой на протез либо при ходьбе по воде или по снегу, то дроссель [5], отвечающий за сгибание, полностью закрывается, что блокирует само по себе сгибание коленного модуля, тем самым реализуя замковую функцию. Таким образом, коленный модуль надежно выполняет функцию опоры.
При сидении на стуле, в положении лежа протез, напротив, должен быть максимально свободным, для чего дроссели [5] полностью открываются на максимальное проходное сечение.
Все эти манипуляции с дросселями электронный блок управления [8] проводит автоматически, распознавая ситуации по показаниям электронных датчиков. При возникновении неисправности одного или нескольких датчиков функциональность протеза снижается вплоть до полного отключения работы электронного блока управления. В этом случае коленный модуль переходит на аварийный режим работы, который заключается в установке дросселей в заранее определенное положение, позволяя человеку пользоваться протезом, хоть и с большими ограничениями.
Таким образом, предлагаемая полезная модель обладает характеристиками, приближенными к естественным амплитудам. Использование данного коленного модуля обеспечивает безопасную, плавную, биомеханически правильную ходьбу со сниженными энергозатратами, а также позволяет заниматься бегом и другими динамичными видами спорта.