ИСКУССТВЕННАЯ СТОПА
ARTIFICIAL FOOT

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для протезирования и может быть использовано для протезирования нижних конечностей при приложении различных видов нагрузок на стопу при ходьбе, в частности при ходьбе по неровной поверхности.
Эффективность протезирования нижних конечностей при различных видах нагружения в значительной степени определяется геометрическими и механическими характеристиками применяемых амортизирующих профилированных пластин.
Известна «Искусственная стопа», состоящая из нескольких скреплённых между собой пластин, одна из которых работает в пяточном отделе, другая - в носочном. Патент номер US 5,514,185 от 07.05.1996, МПК A61F 2/66.
Недостатком данного технического решения является конструктивная особенность, а именно соединение нескольких пластин и высокая фиксация щиколотки ведет к невозможности работы стопы на кручение и к неравномерной передаче изгибающего момента вдоль стопы в момент разных фаз шага инвалида, что ведет к снижению прочностных характеристик стопы, а также к невозможности регулирования упругости стопы, которое ведет к передаче моментов на коленную чашку и сустав, снижающих амортизационные и антропометрические характеристики переката стопы, а в целом к снижению ресурса работоспособности, т.е. неэффективности.
Наиболее близким по технической сущности и взятому в качестве прототипа является «Искусственная стопа», патент RU № 2617095, опубл.19.04.2017, БИ № 11, МПК A61F 2.666, содержащая внешнюю оболочку с амортизирующей профилированной пластиной, соединенной с регулировочно-соединительным узлом с осевым шарниром, имеющим возможность взаимодействия с опорным элементом, расположенным на верхней поверхности амортизирующей профилированной пластины. Регулировочно-соединительный узел выполнен с упорами, расположенными для взаимодействия соответственно с амортизатором, установленным на пяточной части опорного элемента и с верхней поверхностью опорного элемента, сопряженной закруглением с выпуклым радиусным участком нижней поверхности опорного элемента, выполненным для взаимодействия с верхней поверхностью амортизирующей профилированной пластины. Пяточная часть опорного элемента выполнена в виде ступени, превышающей по высоте в 2,5-4 раза максимальную толщину амортизирующей профилированной пластины, которая имеет расширенную носочную часть и выполнена из композиционных материалов или в виде соединенных между собой пластинчатых элементов из композиционных материалов с разделительными прокладками из полимерного материала. Оболочка выполнена из пенополиуретана, а амортизирующая профилированная пластина выполнена с передним продольным разрезом шириной 2-3 мм и длиной, составляющей от 0,5 - 0,6 от длины пластины, также стопа содержит сменный амортизатор. Преимуществом известного технического решения является то, что наличие дополнительного продольного переднего разреза носка позволяет в фазу опоры на всю стопу реализовать более полное прилегание к поверхности опоры в случае наличия неровностей.
Недостатком известного технического решения является однако наличие разреза, который существенно ухудшает прочностные характеристики стопы и безопасность ее и не реализует «скручивание» переднего отдела стопы, т.е. не обеспечивает полное прилегание вдоль продольной оси, что увеличивает нагрузку на щиколотку и коленный сустав и вызывает дискомфорт у инвалида при ходьбе и особенно при ходьбе по неровной поверхности. Этот вид стопы подходит для восприятия неровностей типа "КАМЕНЬ", так как каждая часть стопы может воспринимать изгиб вдоль продольной оси отдельно, независимо от другой. Но данная конструкция искусственной стопы недостаточна для восприятия на кручение из-за большой толщины лыжи и применяемых материалов. Данная стопа сможет закрутиться только на длине пропила, и только таким образом, что каждая из распиленных частей закрутится по отдельности, тем самым ослабляя прочность всей конструкции. Затем крутящий момент перейдет на нераспиленную часть, что снизит амортизационные и антропометрические характеристики переката стопы, а в целом приведет к снижению ресурса работоспособности искусственной стопы, т.е. неэффективности.
Решаемой задачей изобретения является создание искусственной стопы протеза с повышенными упругими характеристиками, с возможностью стопы подвергаться кручению при заданных нагрузках, тем самым обеспечивая комфортное передвижение инвалида по неровностям, и снижение моментных воздействий на суставы, а также необходимо снизить весовые характеристики, так как вес протеза стопы играет важную роль в моментных нагрузках на сустав инвалида.
Техническим результатом изобретения является повышение энергоэффективности стопы путем повышения амортизирующих и антропометрических характеристик за счет снижения моментных реакций на стопу и повышение податливости к кручению, а также снижения плеч и моментов, за счет уменьшения расстояния до щиколотки.
Технический результат достигается тем, что искусственная стопа, содержащая внешнюю оболочку с амортизирующей профилированной пластиной и установленным сверху ее опорным элементом, соединенным с осевым шарниром и передним и задним сменными амортизаторами и с регулировочно-соединительным узлом, содержащим два упора с гнездами под амортизаторы, носочную расширенную часть амортизирующей профилированной пластины из композиционного материала, согласно которой, амортизирующая профилированная пластина выполнена со скругленными кромками и ее поперечное сечение носовой части представляет собой основание в виде прямоугольника с верхней частью в виде тупоугольного треугольника с вершиной вверху, причем толщина основания выполнена пропорционально уменьшающейся вдоль продольной оси стопы к носку, при этом тупой угол треугольника выполнен пропорционально уменьшающимся, обеспечивая расчетную геометрию профиля, причем образован плавный скос носка профилированной амортизирующей пластины, который выполнен в виде наклонного конуса, основание которого образует передний верхний край носка пластины, а вершина совпадает с вершиной тупого угла треугольника верхней части сечения пластины, причем сторона треугольника переходит в образующую конуса.
Технический результат достигается тем, что задний сменный амортизатор установлен в гнездо с возможностью регулировки жесткости при помощи винта.
Технический результат достигается тем, что опорный элемент выполнен как одно целое с амортизирующей профилированной пластиной.
Новизна:
Предлагаемое техническое решение позволяет получить энергоэффективную искусственную стопу благодаря выполнению носочной части с сечением в виде прямоугольника в основании и тупоугольного треугольника в верхней части, причем толщина основания прямоугольника выполнена вдоль продольной оси стопы к носку. Таким образом, достигается сохранение амортизационных и энергосберегающих свойств за счет уменьшения толщины ближе к концу носочной части и в то же время обеспечивается «скручивание» в фазу опоры на всю стопу, т.е. облегчается ходьба по неровной поверхности. В тоже время наличие ребра жесткости в виде вершины треугольника (Фиг. 3,4,5) повышает прочностные характеристики опорного элемента. С учетом обеспечения антропометрических характеристик переката искусственной стопы линия, соединяющая вершины треугольных сечений носочного отдела, имеет такое же направление, как и траектория точки приложения опорной реакции вдоль стопы, а именно: снаружи вовнутрь. (Фиг.8)
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:
• на фиг. 1 — представлен общий вид искусственной стопы;
• на фиг. 2 - искусственная стопа - вид сверху;
• на фиг. 3 - сечение профилированной амортизирующей пластины по А-А;
• на фиг. 4 - сечение стопы по В-В;
• на фиг. 5 - сечение стопы по С-С;
• на фиг. 6 - опорная нагрузка в коленном суставе и щиколотки в момент движения;
• на фиг. 7 — нагрузки и деформация стопы при движении по наклонному пандусу;
• на фиг.8 - положение линии вершин сечений амортизирующий пластины и вершина конуса носочного отдела, где:
1 - внешняя полиуретановая оболочка;
2 - амортизирующая профилированная пластина;
3 - задний сменный амортизатор;
4 - передний сменный амортизатор;
5 - гнездо заднего амортизатора;
6 - гнездо переднего амортизатора;
7 - регулировочно-соединительный узел;
8 - опорный элемент;
9 - осевой шарнир;
10 - регулировочный винт;
11 - линия вершин;
12 - вершина конуса носка;
13- несущий модуль.
Искусственная стопа (Фиг.1) содержит внешнюю полиуретановую оболочку 1, амортизирующую профилированную пластину 2, выполненную из композиционного материала, сменные амортизаторы 3,4. Искусственная стопа крепится через опорный элемент 8 и посредством регулировочно-соединительного узла 7, с осевым шарниром 9 к несущему модулю. При использовании искусственной стопы инвалидом в начальном толчке нагрузка перекладывается на пяточную область амортизирующей пластины 2 и передается на задний амортизатор 3, который находится в гнезде 5, через регулировочный винт 10 на регулировочно-соединительный узел 7.Когда голеностопный угол изменится, регулировочно-соединительный узел 7 поворачивается на оси шарнира 9 и передает нагрузку на амортизирующую пластину 2 через передний амортизатор 4, который находится в гнезде 6. Происходит деформация амортизирующей пластины 2, при которой нагрузка переходит в изгибающий момент, обеспечивая прогиб стопы в носовой части и переход к фазе опоры с последующим переходом к фазе переката. Изменение жёсткости амортизаторов 3,4 осуществляется посредством их замены на более или менее жёсткие амортизаторы. Жесткость амортизаторов подбирается от веса инвалида и от его степени активности.
При смене жёсткости амортизаторов мы можем изменить биомеханические свойства стопы, а задний амортизатор установлен с помощью винта 10 для регулировки жесткости пяточного отдела стопы, т.е. с возможностью регулировки нагрузки в процессе износа, позволяющей повысить амортизирующие характеристики стопы и ресурс работоспособности стопы, а также комфорт при ходьбе инвалида.
В процессе движения по наклонному пандусу амортизирующая пластина 2 испытывает крутящий момент в поперечной плоскости. Поперечное сечение пластины 2 рассчитано и спроектировано таким образом, что боковые части стопы, которые образуются сторонами треугольника очень податливые крутящему моменту. Так как поперечное сечение (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5) амортизирующей пластины 2 представляет собой тупоугольный треугольник то максимальная жесткость стопы находится на линии вершин треугольника, которая в процессе кручения является осью кручения. Таким образом, стопа крутится на этой оси. Длина стопы L определяется длиной внешней оболочки 1.
Разница между длиной стопы L и длиной амортизирующей пластины 2 приняли величиной ДЕЛЬТА - Δ (Фиг.2).
При движении инвалида основную опорную нагрузку испытывает стопа и передает нагрузку на коленный сустав и тазобедренный (Фиг.6). Величина общей нагрузки на стопу зависит от веса инвалида и его степени активности.
Стопа воспринимает несколько видов нагрузок, причем знакопеременных. Все они работают как раздельно, так и одновременно. Более того, все реакции опоры и крутящие моменты передаются опосредованно через несущий модуль на коленный сустав, тем самым создают дискомфорт и неудобства при ходьбе, особенно при ходьбе по неровной поверхности (Фиг.7). Желательно уменьшить значения этих сил и моментов или свести их к нулю. Так как при появлении каких- либо плеч (фиг.7) относительно оси несущего модуля 13 (фиг.7), вдоль которого действует нагрузка F (фиг.7), приложенная инвалидом, возникают моменты М (фиг.7), которые передаются на коленный и тазобедренный суставы.
Кроме этого, искусственная стопа протеза нижней конечности обеспечивает необходимую прочность (безопасность, ресурс) и в сагиттальной плоскости - упругую «податливость» изгибам (амортизация и антропометрические характеристики). Достижение оптимального соотношения этих характеристик зависит не только от использования современных композиционных материалов, но и от конструкции ее носочной части.
Выполнение носочной части в виде прямоугольного основания и тупоугольного треугольника с вершиной вверху, причем толщина основания выполнена пропорционально уменьшающейся вдоль продольной оси стопы к носку, при этом тупой угол треугольника выполнен пропорционально уменьшающимся, обеспечивая расчетную геометрию профиля, с возможностью изменения восприятия изгибающего момента. Причем плавный скос носка профилированной амортизирующей пластины представляет собой наклонный конус, основание которого образует передний верхний край носка пластины, а его вершина совпадает с вершиной тупоугольного треугольника верхней части сечения пластины, причем сторона треугольника переходит в образующую конуса.
Таким образом, достигается сохранение амортизационных и антропометрических характеристик за счет изменения профиля стопы ближе к концу носочной части и в тоже время обеспечивается «скручивание» в фазу опоры на всю стопу, то есть облегчается ходьба по неровной поверхности. В тоже время наличие ребра жесткости в виде вершины 11 тупоугольного треугольника (Фиг.8) повышает прочностные характеристики амортизирующей пластины.
С учетом обеспечения антропометрических характеристик переката искусственной стопы, линия, соединяющая вершины треугольных сечений амортизирующей пластины, имеет такое же направление, как и траектория точки приложения опорной реакции вдоль стопы, а именно: снаружи вовнутрь (Фиг.8).
За счет конструкции амортизирующей пластины и опорно-регулировочного узла уменьшена строительная высота профиля стопы, расстояние от оси вращения стопы до плоскости амортизирующей пластины, позволяющая снизить различные виды нагрузок при ходьбе, крутящие и изгибающие моменты, особенно при ходьбе по неровной поверхности, что в целом позволяет повысить энергоэффективность стопы.
По своим технико-экономическим преимуществам в сравнении с существующими известными аналогами, заявляемая искусственная стопа позволяет повысить ресурс ее работоспособности путем повышения амортизирующих и антропометрических характеристик за счет уменьшения расстояния до щиколотки путем снижения высоты вращения регулировочно-соединительного узла, снижения общей массы стопы, податливости кручению, снижения моментных реакций на стопу, позволяющих повысить прочностные и жесткостные характеристики, что в целом ведет к повышению энергоэффективности стопы.