Механическая модель нижней конечности человека

Полезная модель относится к устройствам для определения эффективности защитных свойств противоминной обуви
Существующая в настоящее время методика оценки взрывозащитных свойств противоминной обуви основана на использовании трупных конечностей. Однако этот подход имеет целый ряд ограничений, к которым можно отнести проблемы соблюдения этических норм, возможность существования различий в геометрии и свойствах костного остова конечностей от разных трупов, на что значимо влияет возраст умершего и наличие прижизненных заболеваний. Еще одним важным ограничением является необходимость использования при работе специализированных помещений и подготовленного персонала, так как трупный материал относится ко 2-му уровню биологической опасности
Известен тестовый манекен НАТО MIL-Lx ATD для оценки травмобезопасности нижней конечности, который представляет собой специализированный имитатор голени человека, предназначенный для оценки эффективности защиты нижних конечностей членов экипажа бронетехники при подрывах на противотранспортных минах (Антропоморфные манекены для изучения механизма минно-взрывной травмы нижних конечностей и прогнозирования тяжести повреждений, Военно-медицинский журнал, 7, 2018, с. 61-62). Эта модель имеет ограниченную область применения и ненадежна.
В основу полезной модели положена задача создания механической модели нижней конечности человека, которую можно было бы многократно использовать для оценки взрывозащитных свойств средств индивидуальной защиты нижних конечностей сапера при контактных подрывах путем измерения ударных ускорений.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что механическая модель нижней конечности человека выполнена из двух стальных бесшовных труб с толщиной стенки 4 мм, имитирующих голень и бедро человека, и имитации стопы, выполненной из 4 мм стали, в виде плоской детали сложной формы с перпендикулярно приваренным ребром жесткости и приваренной крепежной втулки, при этом вышеуказанные сегменты соединены между собой и основанием шарнирными соединениями, имеющими одну степень свободы в виде складной конструкции, повторяющей антропометрический размер ноги до тазобедренного сустава включительно, имитирующей движения в голеностопном, коленном и бедренном суставах в одной плоскости, а на нижней трети трубы, имитирующей голень, прикреплен датчик ударных ускорений на кронштейне.
Шарнирные соединения, имитирующие движения в голеностопном, коленном и бедренном суставах, необходимы для придания имитатору конечности «физиологического положения», а также обеспечения некоторой свободы движений сегментов относительно друг друга для имитации движений имитатора поведению нижней конечности человека после взрывного ударного воздействия.
Не вызывает сомнения, что на поле боя основная угроза для нижних конечностей исходит главным образом от применения противопехотных мин. Имеющийся отечественный и зарубежный клинический опыт лечения минно-взрывных повреждений нижних конечностей указывает на то, что травмам преимущественно подвержены стопа, лодыжки и нижняя большеберцовая кость. Таким образом, важно, чтобы суррогат конечности мог оценить реакцию на воздействие факторов фугасного подрыва именно в этих областях. Этим продиктована установка датчика ускорения именно в нижней трети имитатора голени.
Полезная модель поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 показана принципиальная схема механической модели нижней конечности человека, а на фиг. 2 - механическая модель ноги человека, обутая в защитную обувь сапера и подготовленная к испытаниям.
Механическая модель нижней конечности человека, показанная на фиг. 1, выполнена из двух стальных бесшовных труб с толщиной стенки 4 мм, имитирующих голень и бедро человека, и имитации стопы, выполненной из 4 мм стали в виде плоской детали сложной формы с перпендикулярно приваренным ребром жесткости и приваренной крепежной втулки. Данные сегменты соединяются между собой и основанием шарнирными соединениями, имеющими одну степень свободы, в виде складной конструкции, повторяющей антропометрический размер ноги до тазобедренного сустава включительно, имитирующей движения в голеностопном, коленном и бедренном суставах в одной плоскости. На нижней трети трубы механической модели нижней конечности человека, имитирующей голень, прикреплен датчик ударных ускорений на кронштейне. Конструкция шарнирных соединений позволяет изменять их подвижность вплоть до полной фиксации.
Перед проведением опытов на нижнюю треть голени механической модели нижней конечности человека прикрепляли датчик ударных ускорений и надевали испытуемый образец защитной обуви сапера. После чего производилось нагружение массой 35 кг (мешок с песком) до достижения 50 кг - половины веса среднестатистического военнослужащего в экипировке (фиг. 2).
Регистрация ударных ускорений (g) воздействующих на нижнюю конечность при контактном подрыве, производили с помощью датчика, трехосевого акселерометра (вибропреобразователя) АР2038, и использовали переносной измерительный комплекс ударных ускорений и вибрации.
Для измерения ударных ускорений (g) используется переносной измерительный комплекс ударных ускорений и вибрации. В его состав входят
трехкомпонентный вибропреобразователь со встроенной электроникой АР2038 (датчик ускорения);
модуль АЦП USB-3000 (аналогово-цифровой преобразователь);
ноутбук ASUS (AS F5R)15.4 WXGA (GL), WLAN, CPU CORE T2250, HDD 120G, RAM 1G, OS WINXP HOME (RUS);
программное обеспечение "PowerGraph", предназначенное для регистрации, визуализации, обработки и хранения аналоговых сигналов, записанных с помощью АЦП, и позволяющее использовать персональный компьютер в качестве стандартного измерительного и регистрирующего прибора.
Разработанный механический имитатор нижней конечности человека не разрушался в объеме проведенных испытаний, обеспечивая воспроизводимость результатов и возможность многократного применения. Еще одним преимуществом данной модели является возможность количественного метода оценки для ранжирования даже очень мощного по силе ударного воздействия.
Полученные ударные ускорения, воздействующие на механическую модель нижней конечности в проведенных испытаниях, составили минимальное значения 7,8 g, а максимальное 10,9 g. Полученные повреждения нижней конечности при аналогичных регистрируемых ударных ускорениях классифицируются как тяжелые. Согласно количественным границам для традиционной характеристики тяжести повреждений нижних конечностей по шкале ВПХ-П(МТ) инвалидизация при значениях приближенных к 7,8 g около 20% случаев, а повреждения нижних конечностей при ударные ускорениях близких к 10,9 g в 100% случаях, при этом, возможно многократное применение механической модели нижней конечности в испытаниях.