Каркас протеза стопы
PROSTHETIC FOOT FRAME

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к протезам нижних конечностей.
Известна конструкция искусственной стопы, содержащая задний отдел стопы, связанный с передним отделом стопы с помощью шарового шарнира, расположенного в области вершины продольного свода, толкатель с установленным на нем упругим элементом в виде пакета тарельчатых пружин, соединенный с задним и передним отделами стопы с помощью шаровых шарниров с возможностью принимать при ходьбе различное наклонное положение в пространстве (см. патент РФ № 2200513, МПК A61F 2/66, A61F 2/60, дата публикации 10.01.2001).
В качестве ближайшего аналога принята адаптивная искусственная стопа, содержащая задний отдел стопы, передний отдел стопы, связанный с задним отделом посредством шарового подшипника с тремя степенями упругой подвижности, упругий элемент, размещенный между передним и задним отделами стопы, и лодыжку, также содержит упор-эксцентрик для регулирования установки стопы под разную высоту каблука, а в переднем отделе стопы закреплена площадка, надавливающая на упругодеформируемый в направлении сжатия и изгиба цилиндр, выполненный из полужесткого полиуретана или резины, при этом стопа имеет винт регулировки предварительного обжатия упругого элемента (см. патент РФ № 2196547, МПК A61F 2/66, дата публикации 20.01.2003).
Недостатками аналогов являются сложность конструкции, относительно большой вес при относительно небольшой прочности.
Задачей заявляемого технического решения является разработка эргономичной, эффективной и простой конструкции каркаса протеза стопы с небольшой массой.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем.
Повышение эффективности эксплуатации из-за следующих факторов:
- повышение прочности конструкции при снижении массы;
- возможность подбора оптимальных характеристик - размеров, формы и материала;
- повышение опорной способности передней части плюсневого отдела;
- повышение эффективности эксплуатации при ходьбе по мелко-каменистой поверхности.
1. Снижение трудоемкости и повышение технологичности изготовления конструкции, уменьшение количества соединений.
2. Повышение эргономичности конструкции за счет возможности придания плюсневому отделу анатомически правильной формы, имитирующей естественный свод стопы.
Поставленная задача решается тем, что каркас протеза стопы, содержащий плюсневой отдел, соединенный с помощью шарнира с пяточным отделом, между которыми размещен амортизирующий элемент и лодыжку, отличается тем, что лодыжка, плюсневый и пяточный отделы соединены между собой с помощью общего шарнира, образуя голеностопный сустав, плюсневый отдел выполнен в виде трех продольных элементов с поперечным сечением в форме двутавров, у которых передние части выполнены с возможностью опирания, а стенки ориентированы параллельно друг другу, кроме того, продольные элементы жестко соединены между собой, пяточный отдел расположен между двумя продольными элементами, задние части которых соединены друг с другом с помощью поперечной связи, параллельной их нижним поясам, а третий продольный элемент имеет меньшую длину, и его передняя часть смещена относительно передних частей двух других продольных элементов в сторону пяточного отдела, при этом поперечное сечение пяточного отдела выполнено в форме перевернутого тавра, кроме того, задняя часть пяточного отдела выполнена с возможностью опирания, а передняя снабжена двумя выступами, причем в пространстве между обращенными друг к другу поверхностями верхнего выступа пяточного отдела и поперечной связи плюсневого отдела, а также в пространстве между обращенными друг к другу поверхностями нижнего выступа пяточного отдела и задней грани поперечной связи плюсневого отдела размещены амортизирующие элементы.
Кроме того, верхний выступ пяточного отдела выполнен г-образной формы.
Кроме того, пояса двутавров продольных элементов выполнены с изгибом обтекаемой формы в продольном направлении.
Кроме того, изгибы поясов двутавров ориентированы вершиной наружу относительно поверхностей опирания плюсневого и пяточного отделов.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «лодыжка, плюсневый и пяточный отделы соединены между собой с помощью общего шарнира, образуя голеностопный сустав» обеспечивает снижение трудоемкости и повышение технологичности изготовления конструкции, уменьшение количества соединений.
Признаки «плюсневый отдел выполнен в виде трех продольных элементов (формирующих плюсну) с поперечным сечением в форме двутавров… у которых стенки ориентированы параллельно друг другу», «продольные элементы жестко соединены между собой», «поперечное сечение пяточного отдела выполнено в форме перевернутого тавра» обеспечивают повышение прочности конструкции при снижении массы.
Признаки «передние части двутавров выполнены с возможностью опирания», «третий продольный элемент имеет меньшую длину, и его передняя часть смещена относительно передних частей двух других продольных элементов в сторону пяточного отдела в сторону пяточного отдела», «задняя часть пяточного отдела выполнена с возможностью опирания» обеспечивают повышение устойчивости и эффективности эксплуатации при ходьбе по мелко-каменистой поверхности.
Наличие амортизирующих элементов способствует снижению ударных нагрузок, более плавной и естественной ходьбе и увеличению долговечности конструкции.
Признаки «пяточный отдел расположен между двумя продольными элементами», «задние части [двух продольных элементов] соединены друг с другом с помощью поперечной связи, параллельной их нижним поясам», «передняя часть пяточного отдела снабжена двумя выступами», «в пространстве между обращенными друг к другу поверхностями верхнего выступа пяточного отдела и поперечной связи плюсневого отдела, а также в пространстве между обращенными друг к другу поверхностями нижнего выступа пяточного отдела и задней грани поперечной связи плюсневого отдела», а также признак первого зависимого пункта формулы обеспечивают фиксацию амортизирующих элементов в устройстве.
Признаки второго и третьего зависимых пунктов формулы обеспечивает эргономичность конструкции за счет возможности придания плюсневому отделу анатомически правильной формы, имитирующей естественный свод стопы.
На фиг. 1 изображен продольный разрез устройства, сечение по поперечной плоскости шарнира.
На фиг. 2 изображен общий вид плюсневого отдела.
На фиг. 3 изображен вид сбоку плюсневого отдела.
На фиг. 4 изображен общий вид пяточного отдела.
На фиг. 5 изображены фазы работы устройства при ходьбе:
а – при максимальной вертикальной нагрузке;
б – при перекате стопы относительно ее плюсневого отдела.
На чертежах показаны плюсневой отдел 1, шарнир 2, пяточный отдел 3, амортизирующие элементы 4 и 5, лодыжка 6, продольные элементы 7 и 8 плюсневого отдела 1, передние части 9, стенки 10 и соединительные элементы 11 продольных элементов 7 и 8, поперечная связь 12 между продольными элементами 7, верхний г-образный 13 и нижний 14 выступы пяточного отдела 3.
Плюсневой отдел 1 выполнен в виде трех продольных элементов 7 и 8 с поперечным сечением в форме двутавров, у которых пояса выполнены с изгибом обтекаемой формы в продольном направлении, причем эти изгибы ориентированы вершиной наружу относительно поверхностей опирания плюсневого и пяточного отделов, передние части 9 выполнены с возможностью опирания, а стенки 10 ориентированы параллельно друг другу, также продольные элементы 7 и 8 жестко соединены между собой с помощью соединительных элементов 11.
Задние части продольных элементов 7 соединены друг с другом с помощью поперечной связи 12, параллельной их нижним поясам, третий продольный элемент 8 имеет меньшую длину, и его передняя часть смещена относительно передних частей двух других продольных элементов 7 в сторону пяточного отдела 3.
Пяточный отдел 3 расположен между продольными элементами 7, его поперечное сечение выполнено в форме перевернутого тавра, задняя часть выполнена с возможностью опирания, а передняя снабжена верхним г-образным 13 и нижним 14 выступами.
Лодыжка 6, плюсневый 1 и пяточный 3 отделы соединены между собой с помощью общего шарнира 2, образуя голеностопный сустав.
В пространстве между обращенными друг к другу поверхностями верхнего г-образного выступа 13 пяточного отдела 3 и поперечной связи 12 плюсневого отдела 1 размещен амортизирующий элемент 4, а в пространстве между обращенными друг к другу поверхностями нижнего выступа 14 пяточного отдела 3 и задней грани поперечной связи 12 плюсневого отдела 1 размещен амортизирующий элемент 5.
При этом амортизирующие элементы 4 и 5 предварительно напряжены (немного сжаты), а за счет поджатия и формы зазора между поперечной связью 12 плюсневого отдела 1 и нижним выступом 14 пяточного отдела 3 амортизирующий элемент 5 зафиксирован в пространстве.
Учет массы пациента, размеров и формы стопы и динамичности его ходьбы учитывается на этапе проектирования изделия.
С помощью расчета, моделирования, подбора или других известных методик определяют оптимальное соотношение характеристик – размеров и формы конструкции.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При максимальной вертикальной нагрузке, когда пациент полностью опирается на протез (например, в стоячем положении), стопа как бы «распластана», верхний амортизирующий элемент 4 максимально сжат, а нижний амортизирующий элемент 5 наоборот максимально растянут, угол a между поперечной связью 12 плюсневого отдела 1 и обращенной к ней поверхностью верхнего выступа 13 пяточного отдела 3 минимальный (см. фиг.5а).
Когда пациент делает шаг, он совершает задний толчок пяточным отделом 3, перекат по всей стопе относительно ее плюсневого отдела 1 (см. фиг.5б) и затем отрывает от поверхности опорные передние части 9 плюсневого отдела 1.
При этом вес постепенно переносится на опорные передние части 9 продольных элементов 7 и 8, амортизирующие элементы 4 и 5 стремятся вернуться к исходной форме, в результате чего верхний амортизирующий элемент 4 растягивается, а нижний амортизирующий элемент 5 наоборот сжимается, угол между поперечной связью 12 плюсневого отдела 1 и обращенной к ней поверхностью верхнего выступа 13 пяточного отдела 3 a' увеличивается.
Когда пациент опускает ногу на поверхность, он может опереть стопу при толчке как на передние части 9 продольных элементов 7 и 8, так и на пяточный отдел 3.
Далее процесс повторяется.
Авторами изобретения было проведено моделирование и определены характеристики готового изделия:
расчетная нагрузка – 875 Н;
коэффициент запаса прочности 2,8 (учитывая, что про 3650000 циклах предельное напряжение снизится в 3 раза);
общая ширина плюсневого отдела – не более 70 мм;
вес – 146 г (-23 г).