ОРТОПЕДИЧЕСКИЙ СИЛОВОЙ ЭЛЕМЕНТ
ORTHOPEDIC POWER ELEMENT

Изобретение относится к медицинской ортопедической технике и может использоваться в экстракорпоральных корректорах патологии опорно-двигательного аппарата.
Широкое распространение патологий опорно-двигательного аппарата, приводящих к снижению качества жизни, а в тяжелых случаях - к утрате трудоспособности, составляет проблему социального масштаба для больных, врачей-ортопедов и соответствующих служб. Стойкие деформации позвоночника и конечностей врожденного или приобретенного генезиса классифицируются по тяжести заболевания, в соответствии с которой используют различные способы лечения и технические средства. При тяжелых запущенных формах искривлений позвоночника применяют широкоинвазивные, часто многоэтапные хирургические операции. В более легких случаях, преимущественно в детском возрасте, используют наружные корригирующие устройства.
Механическую коррекцию патофизиологического формоизменения скелета сопровождают разгрузкой гравитационного напряжения заданного участка. Для этого используют ортопедические корректоры (корсеты, пояса, воротники). Важную роль, определяющую технические и медицинские характеристики корректирующих устройств, играют силовые элементы. Они должны развивать заданные по величине и направлению усилия, обладая при этом весовыми и габаритными характеристиками, обеспечивающими физический и косметический комфорт для больного в условиях постоянного ношения корректора. Поэтому в усовершенствовании этих устройств силовые элементы составляют один из главных предметов творчества разработчиков.
Известен пневматический силовой элемент, используемый в корсетном ортопедическом устройстве (Бардан А.И., Рылеев А.Н. Ортопедический корсет. Заявка на изобретение №96102498/14, A61F 5/02, 12.02.1996). Он выполнен в виде надувной трубки из эластичного материала. При наполнении газом он удлиняется и соединенный трансмиссионными элементами с опорными кольцами лечебного корсета вызывает раздвижение последних и, как следствие, декомпрессию позвоночника. Устройство неудобно в пользовании из-за больших габаритов и сложности активации пневматических силовых элементов.
Более компактны силовые элементы, использующие деформационную упругость металлических стержней (напр., Петрушевский И.И., Каншиевский С.М., Бондаренко И.В. Ортопедический корсет. А.с. СССР №1724215). Недостаток устройств, как правило, выполняемых из сталистых сплавов, - жесткость и малый рабочий интервал действия.
В отношении вышеупомянутых технических требований заметное преимущество при выполнении силовых элементов имеет сверхэластичный никелид титана. Широкий диапазон эластичной деформации, приближающие указанный материал по механическим свойствам к биологическим тканям, позволяет повысить эффективность действия силовых элементов.
Известен ортопедический силовой элемент корректора искривлений позвоночника (патент РФ №22113544), выполненный их никелид-титановой проволоки в форме меандрообразной плоской пружины. Действие данного силового элемента в составе корректора отличается от действия сталистой пружины значительно большим рабочим интервалом деформации, в котором развивается «мягкое» по величине и равномерности напряжение. В то время как у стальных сплавов ресурс обратимой деформации составляет доли процента, у сплавов на основе титана он достигает 6-8%. Недостаток устройства - боковая деформационная нестабильность.
Этот недостаток минимизирован в другой известной конструкции ортопедического силового элемента (Колумб В.Т., Гюнтер В.Э., Колумб Е.В. Экстракорпоральный ортопедический дистрактор. Заявка на изобретение №2009143516, приоритет 26.11.2009, опубл. бюл. №15, 2011 г. Решение о выдаче патента 02.09.2011). Он выполнен из сверхэластичного сплава на основе никелида титана в виде выгнутой проволочной конструкции с центральным пружинным участком активного действия и передаточными участками отходящих от него плеч. По наибольшему сходству признаков это устройство выбрано в качестве прототипа. Центральный участок, сформированный в виде навитой пружины, обеспечивает, в зависимости от числа и диаметра витков, дозированную характеристику сопротивления деформации и возвращающей силы. Плечевые участки, снабженные концевыми петлями для крепления к элементам ортопедического устройства, не только передают усилия пружины к этим элементам, но также и сами участвуют в деформации и производят возвратное усилие.
Недостаток данного устройства - узкая область рабочих температур, обусловленная физическими свойствами никелид-титанового сплава. Используемый в медицинских конструкциях сплав ТН-10 по температурному режиму рассчитан на контакт с телом больного. Температурный интервал, в котором он проявляет свойство сверхэластичности, существенное для работы устройства, простирается от +10 до +60°С. В условиях работы вне этого интервала, как то имеет место в экстракорпоральных корректорах, особенно на улице, в холодном климате, этот сплав теряет эластичность, и силовые элементы - работоспособность. В связи с этим область использования устройства оказывается ограниченной.
Технический результат предлагаемого изобретения - расширение интервала рабочих температур и области использования устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что известный ортопедический силовой элемент, выполненный из сверхэластичного сплава на основе никелида титана в виде выгнутой проволочной конструкции с центральным пружинным участком активного действия и передаточными участками отходящих от него плеч, отличается тем, что в нем проволочная структура выполнена из двух смежно расположенных и механически скрепленных проволочных стержней из сплавов с различающимися, частично перекрывающимися температурными интервалами сверхэластичной деформации.
Достижение технического результата обеспечивается также тем, что проволочные стержни с различающимися температурными диапазонами сверхэластичности взаимно перевиты между собой.
Предпочтителен выбор температурных интервалов сверхэластичной деформации сплавов в диапазонах от -30 до +20 и от +10 до +60 градусов Цельсия.
Связь отличительных признаков с реализацией заявленного технического результата подтверждается следующим.
Расширение диапазона рабочих температур обусловлено возможностью целенаправленного выбора интервалов температур, в котором сплавы на основе никелида титана проявляют эффект сверхэластичности. Границы указанных температурных интервалов определяются и регулируются при изготовлении сплавов процентным содержанием никеля. При механическом совмещении двух образцов сплавов с различными температурными интервалами сверхэластичности эффект реализуется в обоих интервалах, причем при условии их частичного перекрытия - в непрерывном интервале от нижней границы нижнего интервала до верхней границы верхнего интервала.
Механическое совмещение путем перевивки проволочных элементов обеспечивает плотный механический контакт, при котором в отдельных участках в зависимости от ориентации относительно направления изгиба суммируются либо относительные деформации, либо напряжения. Благодаря непрерывному чередованию таких участков по длине навивки усредненная деформационная характеристика проволочного композита демонстрирует эффект сверхэластичности во всем суммарном температурном интервале.
Выбор температурных интервалов сверхэластичности двух сплавов в диапазонах, составляющих от -30 до +20 и от +10 до +60 градусов Цельсия, обеспечивает суммарный температурный интервал, достаточный для поддержания работоспособности ортопедического силового элемента в экстракорпоральных устройствах в разнообразных климатических зонах, от холодных до жарких. Численные значения границ температурных интервалов соответствуют типичным маркам никелид-титановых сплавов.
Изобретение поясняется графическими иллюстрациями фиг.1-3.
Ортопедический силовой элемент (фиг.1) выполнен из сверхэластичного сплава на основе никелида титана в виде выгнутой проволочной конструкции с центральным пружинным участком активного действия 1 и передаточными участками отходящих от него плеч 2 с петлеобразными завитками 3 на свободных концах. Проволочный полуфабрикат, из которого выгнута конструкция, образован двумя перевитыми между собой проволочными стержнями из никелида титана, различающимися температурными диапазонами сверхэластичности.
Работа устройства в различных температурных интервалах поясняется на фиг.2 графиками зависимости напряжения σ от деформации ε для различных сплавов, обозначенных цифрами 1 (низкотемпературный) и 2 (высокотемпературный), построенными для области нижних рабочих температур (фиг.2а) и верхних рабочих температур (фиг.2b).
В области низких рабочих температур сплав 1 проявляет свойство сверхэластичности и функционирует в этом качестве, а сплав 2 проявляет сравнительно высокую эластичность, не препятствующую функционированию элемента из сплава 1. В области высоких рабочих температур сплав 2 проявляет свойство сверхэластичности и функционирует в этом качестве, однако сплав 1 при этом проявляет сравнительно низкую эластичность и при некоторых условиях препятствует функционированию элемента из сплава 2. На фиг.3 изображены графики напряжение-деформация для различной ориентации механического сочленения элементарных участков сплавов 1 и 2 относительно приложенного усилия. Если усилие приложено к параллельно соединенным элементам (фиг.3а), то на графике суммируются ординаты кривых, и в итоге сочлененный элементарный участок проявляет высокую упругость, тушующую эффект сверхэластичного поведения. Если усилие приложено к последовательно соединенным элементам (фиг.3b), то на графике суммируются абсциссы кривых, и в итоге сочлененный элементарный участок остается сверхэластично деформируемым. Таким образом, для функционирования устройства в верхней части интервала рабочих температур необходимо наличие зон последовательного сложения усилий. Наилучшим в этом смысле был бы проволочный материал, образованный часто чередующимися по длине участками (дисками), из сплавов 1 и 2, однако формирование такого материала представляло бы неоправданно большую технологическую сложность. Приблизительно такой же эффект достигается при использовании двух перевитых между собой проволочных стержней из сплавов 1 и 2, элементарные участки которых оказываются механически сочлененными во всевозможных ориентациях относительно направления деформации. При этом в таком механическом композите при любых изгибах всегда присутствуют участки, где суммируются деформации и эффект сверхэластичности сплава 2 не тушуется упругостью сплава 1 (фиг.3с).
Достижимость заявленного технического результата проверена лабораторными измерениями деформационных характеристик проволочных элементов, перевитых между собой, а также натурными испытаниями грудопоясничного корсета-дистрактора, предназначенного для декомпрессии позвоночника. Корсет представляет собой два бандажных пояса, соединенных ортопедическими силовыми элементами, выполненными в соответствии с заявляемым техническим решением. Силовые элементы, предварительно напряженные перед фиксацией бандажных поясов на теле, оказывают мягкое постоянное дистракционное действие, приводящее к декомпрессии заинтересованного участка позвоночника и стимулирующее репарацию поврежденных структур. Корсет использовался в условиях домашнего ношения и в полевых условиях в зимнее время. Безотказное функционирование силовых элементов во всех режимах подтверждает заявленный результат: расширение области рабочих температур и вследствие этого расширение области применения устройства.
Преимущества, реализуемые заявляемым изобретением, могут быть распространены на широкий класс силовых элементов, имеющих общим признаком заранее произведенное совмещение (свивка) двух проволочных компонентов в полуфабрикат, из которого может быть сформирован (выгнут) силовой элемент произвольной структуры.