Полицентрический коленный шарнир

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезированию нижних конечностей. Полицентрический коленный шарнир содержит верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра и нижний кронштейн крепления трубки голени, соединенные между собой передним и задним звеном с помощью четырех вращательных кинематических пар. Расстояния между осями вращательных кинематических пар звеньев на верхней опорной площадке выполнено бóльшим, чем расстояние между осями вращательных кинематических пар на нижнем кронштейне. Предлагаемое изобретение дает возможность улучшить эргономические характеристики протеза за счет приближения рисунка ходьбы к норме, уменьшить количество компенсаторных движений, походка инвалида становится более естественной, увеличивается устойчивость при ходьбе, при этом конструкция протеза весьма проста и дешева. 4 ил.

 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к протезированию нижних конечностей.

Известно техническое решение по а.с. №1745236 SU, содержащее верхний опорный и нижний кронштейны, предложена однозвенная конструкция, в которой траектория коленного шарнира жестко "запрограмирована" наличием "толкателя с фигурным пазом, имеющим два сектора разной кривизны", т.о. этот признак в сочетании с однозвенником не дает возможность точного воспроизведения рисунка ходьбы.

Известна конструкция коленного модуля по патенту США № 5746774, A 61 F 2/64, представляющая собой четырехзвенный механизм, который включает в себя соединительный элемент, образующий отрицательный угол с горизонталью, когда механизм коленного сустава находится в положении равновесия.

Кроме того, данная конструкция содержит передний элемент, фиксируемый в горизонтальном положении в том случае, когда упомянутый механизм находится в положении равновесия или растянут, кроме того конструкция содержит задний элемент.

Размеры элементов и образуемый соединительным элементом с горизонталью угол выбираются с целью оптимизации мгновенного центра механизма.

Известен шарнир с переменным центром и осью для ортопедической поддерживающей опоры колена по патенту США № 5632725 A 61 F 2/64, служащий для механического соединения бедренной и большой берцовой манжет ортопедической поддерживающей опоры.

Шарнир включает в себя бедренную соединительную деталь, которая крепится к бедренной манжете, которая идет вниз от этой манжеты, а также шарнир включает в себя большую берцовую соединительную деталь, которая крепится к большой берцовой манжете и идет вверх от этой манжеты.

Угловое движение соединительных деталей относительно друг друга вынуждает их скользить и вращаться относительно друг друга с целью копирования настоящего движения колена пациента во время сгибания и разгибания ноги. Бедренная и большая берцовая соединительные части имеют форму, изогнутую под углом 30°, так чтобы шарнирное соединение располагалось на расстоянии 2/3 от коленной чашечки до задней части колена, чтобы шарнир точно имитировал анатомическую дугу настоящего колена.

В международной заявке PCT/US 95/11279 (WO 96/07378) описан коленный шарнир, имеющий верхнюю опорную площадку, нижний кронштейн и четырехзвенник (переднее и заднее звенья), однако расстояние между ними на верхней площадке меньше, чем на нижней (Fig.1), что приводит к тому, что траектория движения мгновенного центра вращения коленного шарнира описывает центроиду, нисходящую сверху вниз в сторону коленного шарнира, что в свою очередь приводит к неточности имитации истинной траектории ходьбы, а это - к необходимости дополнительных компенсаторных движений инвалида.

Недостатком этих аналогов является необходимость дополнительных компенсаторных движений пациента при ходьбе из-за неточной имитации протезом истинной траектории движения коленного шарнира.

Известен протез бедра, в котором полицентрический коленный шарнир выполнен в виде верхней опорной площадки, нижнего кронштейна, переднего и заднего звеньев, соединяющихся с помощью четырех кинематических пар вращения, причем расстояние между осями пар вращения в верхней опорной площадке выполнено меньшим, чем в нижнем кронштейне (патент ФРГ № 2841999 С2, кл. A 61 F 2/64) - выбран в качестве прототипа.

На фиг.1 изображен известный полицентрический коленный шарнир с траекторией мгновенных центров его вращения при сгибании-разгибании (центроида - кривая А). Траектория мгновенных центров вращения коленного шарнира построена по точкам, соответствующим углам сгибания 0°, 6°, 16°, 28°, 40°, 52°, 58°, 90°. Как видно из траектории, мгновенные центры вращения шарнира перемещаются по стрелке В (сверху вниз), при этом начальное положение (0°) располагается сверху над верхней опорной площадкой.

Недостатком указанного коленного шарнира является характер его центроиды, не позволяющей более близко приблизиться к рисунку ходьбы в норме, что, соответственно, требует дополнительных компенсаторных движений.

Исследование движения в коленном суставе человека методом анализа рентген-иносъемки показывает, что сгибание голени относительно бедра представляет собой сочетание скользящих и обкатывающих перемещений суставной поверхности большеберцовой кости 1 относительно бедренной 2 (Фиг.2).

Центроида С этого движения, представленная 2 на фиг.2, имеет сложную форму, которая для различных людей имеет общую закономерность. Средний центр вращения 3 коленного сустава определяется как среднее арифметическое из значений Xi и Yi точек центроиды. Средний центр вращения используется при построении протеза бедра, в частности при установке коленного шарнира.

Анализ центроиды движения С в диапазоне углов сгибания от 15° до 50° показывает, что мгновенный центр вращения (в суставе человека) имеет тенденцию перемещения снизу вверх по направлению стрелки Д.

Задачей изобретения является улучшение эргономических характеристик протеза, а также обеспечение большей устойчивости при ходьбе.

Техническим результатом изобретения является создание полицентрического коленного шарнира с траекторией движения его мгновенных центров вращения, позволяющего приблизиться к рисунку ходьбы в норме, а также уменьшение количества компенсаторных движений, что приближает рисунок ходьбы к норме, соответствующей походке здорового человека; кроме того, увеличивается расстояние от стопы протеза до опоры при проносе протеза, что в свою очередь увеличивает устойчивость при ходьбе.

Сущность изобретения заключается в том, что в полицентрическом коленном шарнире, содержащем верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн крепления трубки голени, соединенные между собой передним и задним звеном с помощью четырех вращательных кинематических пар, расстояния между осями вращательных кинематических пар звеньев на верхней опорной площадке выполнено бóльшим, чем расстояние между осями кинематических пар на нижнем кронштейне.

Данное отличие позволило изменить характер траектории движения мгновенных центров вращения шарнира.

На фиг.3 изображен предлагаемый полицентрический коленный шарнир в сагиттальной плоскости и его траектория Е (центрода Е) движения мгновенных центров вращения по направлению стрелки F при сгибании (разгибании), при этом начальное положение (0°) располагается снизу верхней опорной площадки.

На фиг.4 показан процесс ходьбы на протезе-прототипе (белый цвет) и на предлагаемом протезе (черный цвет), где h_2min>h_1min, что обеспечивает надежный пронос протеза относительно стопы, при этом h_1min - расстояние между носком протеза и опорной поверхностью в фазе проноса стопы над опорой в прототипе, a h_2min - то же расстояние в предлагаемом устройстве.

В предлагаемой конструкции верхняя опорная площадка 4 и нижний кронштейн 5 крепления трубки голени 12 соединены между собой передним 6 и задним 7 звеньями с помощью четырех вращательных кинематических пар, например, выполненных в виде цилиндрических шарниров 8, 9, 10 и 11. Нижний кронштейн 5 крепления трубки голени жестко соединен с трубкой голени 12. Между верхней опорной площадкой 4 и задним звеном 7 размещено голено-откидное устройство 13. Нижний кронштейн 5 имеет выступ 14, взаимодействующий с ответным выступом 15 заднего звена 7.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При ходьбе под действием веса трубки голени 12 со стопой происходит разворот переднего 6 и, соответственно, заднего 7 звеньев, приводящий к сгибанию коленного шарнира. (Фиг.4).

Выполнение расстояния между осями вращательных кинематических пар звеньев 8 и 9, выполненных, например, в виде цилиндрических шарниров, бóльшим, чем расстояние между осями вращательных кинематических пар звеньев 10 и 11, выполненных, например, в виде цилиндрических шарниров, позволило переместить начальное (0°) положение мгновенного центра вращения шарнира вниз по отношению к верхней опорной площадке 4 и изменить характер траектории его движения (снизу вверх).

Это проиллюстрировано на фиг.3, где показан угол пересечения прямых, соединяющих центры кинематических пар переднего 6 и заднего 7 звеньев четырехзвенника, при этом α=(5-25°), а точка пересечения этих прямых лежит ниже верхней опорной площадки 4 для крепления гильзы бедра.

Следует отметить, что α<5° приводит к выходу нижней точки центроиды за конус устойчивости (за линию действия опорной реакции), т.е. теряется запас устойчивости, компенсировать который можно вводя дополнительные конструктивные элементы, например фиксатор с управлением, что значительно усложнит протез.

Выбор α>25° увеличит расстояние между передним и задним звеньями, приводя к увеличению габаритов протеза колена, при этом размеры протеза будут больше идентичного здоровому колену и протез станет некосметичным.

Смещение начальной точки центроиды вниз приводит к повышенной подкосоустойчивости в фазе заднего толчка, что в свою очередь приводит к удлинению фазы опоры на протез и делает ходьбу более симметричной.

Т.о. предлагаемое изобретение дает возможность улучшить эргономические характеристики протеза за счет приближения рисунка ходьбы к норме, уменьшить количество компенсаторных движений, походка инвалида становится более естественной, увеличивается устойчивость при ходьбе, при этом конструкция протеза весьма проста и дешева.

Полицентрический коленный шарнир, содержащий верхнюю опорную площадку для крепления гильзы бедра, нижний кронштейн крепления трубки голени, соединенные между собой передним и задним звеном с помощью четырех вращательных кинематических пар, отличающийся тем, что расстояния между осями вращательных кинематических пар звеньев на верхней опорной площадке выполнено большим, чем расстояние между осями вращательных кинематических пар на нижнем кронштейне.