шарнирный коленный сустав протеза нижних конечностей

Формула изобретения

Шарнирный коленный сустав протеза нижних конечностей, содержащий муфту свободного хода в виде обоймы и звездочки, между которыми расположены элементы качения, установленную соосно шарниру, выполненную в виде входного и выходного звеньев, узел управления, отличающийся тем, что муфта выполнена двустороннего действия с переключателем режима работы муфты в виде поводка, связанного с узлом управления, при этом звездочка муфты связана с входным звеном шарнира посредством упругого элемента скручивания, один конец которого закреплен на звездочке муфты, а противоположный на входном звене шарнира, причем обойма муфты установлена на выходном звене шарнира.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, а именно, к протезостроению.

Известен протез бедра, содержащий коленный узел, выполненный в виде шарнира, кулачка с упором и толкателем, расположенных на оси шарнира, фиксатора, установленного в дистальной части трубки бедра, с возможностью частичного вращения вокруг своей оси, контактирующего с кулачком и упором, а также пружинного амортизатора, размещенного в проксимальной части трубки голени и кинематически связанного с толкателем. (SU, авторское свидетельство N 1729508, A 61 F 2/60, 1978).

Протез обеспечивает зарессоренное подгибание в фазе опоры на протез, свойственное ходьбе на здоровой конечности. Однако процесс фиксации - расфиксации в коленном суставе, обеспечивающий подкосоустойчивость протеза, возможен только при положении полностью распрямленного в коленном шарнире протеза, что соответствует ходьбе по горизонтальной поверхности. При неполностью выпрямленной в коленном шарнире ноге возможна потеря подкосоустойчивости за счет самопроизвольного сгибания в коленном шарнире.

Наиболее близким аналогом является коленный сустав для протеза, выполненный в виде роликовой муфты свободного хода, звездочка которой связана непосредственно с голенью протеза, а обойма через фрикционный узел сопряжена с бедренной частью сустава, при этом бедренная часть сустава подвижно закреплена на рычаге, размещенном соосно шарниру и имеющим тягу внешнего управления силой трения между обоймой и бедренной частью (ДЕ, патент N 3923057, A 61 F 2/64, 1985).

Муфта обеспечивает свободное вращение звеньев шарнира в направлении разгибания коленного сустава и препятствует взаимному вращению звеньев в направлении сгибания. При этом под воздействием веса инвалида обеспечивается подкосоустойчивость при неполностью выпрямленном в коленном суставе протезе, подъем и спуск по лестнице.

В коленном суставе отсутствует предварительное подгибание при опоре на конечность, свойственное естественной ходьбе человека, и демпфирование переднего толчка в фазе опоры на протез. Теряется антропоморфность ходьбы вследствие асимметрии кинематики движений на сохранившейся и протезированной конечности инвалида при односторонней ампутации, возрастают энерготраты инвалида при ходьбе.

Техническим результатом данного изобретения является обеспечение антропоморфной, энергосберегающей ходьбы на протезе по горизонтальной и наклонным поверхностям.

Технический результат достигается тем, что в шарнирном суставе протеза нижних конечностей, содержащем муфту свободного хода, расположенную соосно шарниру, и узел управления, муфта выполнена двустороннего действия с переключателем режима работы муфты в виде поводка, связанного с узлом управления, при этом звездочка муфты связана с одним звеном шарнира посредством упругого элемента скручивания, один конец упругого элемента скручивания закреплен на звездочке муфты, а противоположный на этом звене шарнира, а обойма муфты выполнена во втором звене шарнира.

Антропоморфная энергосберегающая ходьба при движении по горизонтальной и наклонным поверхностям обеспечивается за счет совместного воздействия зарессоренного подгибания в коленном суставе в фазе опоры, демпфирования переднего толчка и предотвращения потери подкосоустойчивости при неполностью разогнутом в коленном суставе протезе, в том числе, при несанкционированной опоре на протезе, обеспечение антропоморфности движения по лестнице.

Реализацию коленного сустава рассмотрим на примере исполнения с использованием роликовой муфты свободного хода одинарной двустороннего действия.

На фиг. 1 изображен вид на коленный сустав в сагиттальной плоскости; на фиг.2 вид на коленный сустав во фронтальной плоскости.

Шарнир коленного сустава образован входным звеном 1 и выходным звеном 2, с общей осью 1-1.

Звездочка 3, ролики 4, поверхность обода Д выходного звена 2 и поводок 5 образуют роликовую одинарную муфту свободного хода двустороннего действия. На входном звене 1 торцевой частью неподвижно закреплен упругий элемент скручивания 6 соосно шарниру. Противоположная торцевая часть упругого элемента 6 неподвижно закреплена на звездочке 3. Поводок 5 посредством оси 7, рычага 8, подпружиненной тяги 9 подвижно связан с узлом управления 10. Входное звено шарнира 1 и выходное звено 2 имеют опорные плоскости 11, которые сопряжены в положении шарнира, соответствующем впрямленной ноге.

Коленный сустав работает следующим образом.

В начале опоры на протез, содержащий коленный сустав, узел управления 10 находится в пассивном состоянии. При этом поводок 5 с роликами 4 под воздействием рычага 8 и пружины 12 находится относительно звездочки 3 в положении, обеспечивающем свободное вращение входного звена 1 на подшипниках 13 относительно выходного звена 2 в направлении разгибания коленного сустава до упора в плоскости 11. В противоположном направлении крутящий момент, возникший от воздействия на шарнир веса и мышечного аппарата инвалида в начале опоры, передается на правый торец упругого элемента 6. Левый торец упругого элемента вследствие запирающего эффекта муфты свободного хода неподвижно закреплен через звездочку 3, ролики 4 и поверхность обода Д относительно выходного звена 2 и опоры протеза. Таким образом, крутящий момент передается на упругий элемент 6 и вызывает относительное упругое вращение на ограниченный угол звена 1 относительно звена 2 за счет скручивания упругого элемента 6. Одновременно происходит демпфирование переднего толчка.

При дальнейшем перекате на стопе внешний крутящий момент вследствие миграции центра тяжести инвалида относительно опорной стопы меняет свое направление на обратное и происходит выпрямление в коленном шарнире, которому способствует накопленный в упругом элементе 6 при его скручивании крутящий момент.

К моменту выпрямления в коленном шарнире, свойственному естественному перекату на стопе, управляющий узел 10 находится в активном состоянии. При этом тяга 9 под воздействием управляющего узла 10 переводится в крайнее верхнее положение и ролики 4 посредством рычага 8 и оси 7 переводятся относительно звездочки 3 в положение, при котором муфта свободного хода обеспечивает свободное двустороннее вращение звена 1 относительно звена 2.

Далее за счет динамики движения инвалида на протезе происходит сгибание и дальнейшее разгибание в коленном шарнире свойственное концу опоры и фазе переноса протеза над поверхностью. В период переноса непосредственно предшествующий разгибанию в коленном суставе узел управления вновь находится в пассивном состоянии, обеспечивающем свободное разгибание коленного шарнира и препятствующем его сгибанию.

Сочетание упругого элемента с управляемой муфтой свободного хода обеспечивает при движении по горизонтальной и наклонным поверхностям максимальное приближение кинематики и динамики ходьбы на протезе к естественной ходьбе. При этом муфта свободного хода обеспечивает подкосоустойчивость без ограничения углов между звеньями шарнира, что допускает, в том числе, движение по лестнице. Муфта обеспечивает подкосоустойчивость при несанкционированной опоре на протезе, а также при несанкционированном отключении узла управления.

Узел управления может быть выполнен в виде электромагнитного устройства, управляемого процессором, от биомеханических сигналов конца культи, либо от системы датчиков, расположенных на переднем и заднем участках опорной поверхности стопы или на опорных поверхностях узлов протеза. Возможны гидравлические и пневматические варианты исполнения.