Протез тазобедренного сустава и способ его управления
Изобретение относится к медицине. Протез тазобедренного сустава с присоединительными средствами для закрепления на верхнем крепежном устройстве и на примыкающей к протезу тазобедренного сустава искусственной ноге содержит блок управления разгибательным движением в тазобедренном суставе и длиной шага. Способ управления протезом тазобедренного сустава, по меньшей мере, с одним амортизирующим блоком для амортизации сгибательного и разгибательного движений искусственной ноги заключается в том, что амортизацию разгибательного движения устанавливают так, чтобы разгибательный упор еще не достигался, если при нормальной походке ногу контралатеральной стороны уже приподнимают и/или на первом этапе движения сгибание не амортизируют. На втором этапе движения амортизацию повышают. На третьем этапе движения амортизацию поддерживают постоянной на конечном уровне второго этапа движения. Изобретение направлено на обеспечение максимально естественной походки при надежной и стабильной постановки пятки и амортизации разгибательных движений. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к протезу тазобедренного сустава для искусственной ноги с присоединительными средствами для закрепления на верхнем крепежном устройстве и на примыкающей к протезу тазобедренного сустава искусственной ноге. Изобретение применимо, в частности, при экзартикуляции тазобедренного сустава.
Ходьба с протезом тазобедренного сустава с закрепленной на нем искусственной ногой связана с трудностями, поскольку приходится управлять тремя суставами, а именно тазобедренным, коленным и голеностопным, а носитель протеза не имеет возможности оказывать активное влияние на эти суставы. В частности, управление движениями тазобедренного сустава является важным для передвижения и устойчивости на фазе стояния.
Чтобы после постановки пятки тазобедренный сустав разгибался, оси суставов современных протезов тазобедренного сустава располагаются антериорно осям естественного тазобедренного сустава. Эта концепция описана в US 3090964 А1, где раскрыт регулируемый тазобедренный сустав для создания динамичной конструкции. Предложенное устройство гарантирует, что тазобедренный сустав будет занимать максимально разогнутое положение сразу после постановки пятки.
В US 4215441 описан закрепленный на тазовой чаше протез ноги с пружиной, которая на фазе стояния натягивается за счет аксиально действующего усилия, например усилия на основе веса носителя протеза. При сгибании протеза коленного сустава пружина ослабляется и вызывает сгибание в тазобедренном суставе, а вследствие этого - дальнейшее сгибание коленного сустава и движение протеза стопы вперед. Аналогичный механизм описан в US 4051558.
Из WO 01/17466 А2 известен протез ноги с пневматическим энергоаккумулирующим устройством. Во время разгибательного движения тазобедренного сустава аккумулируется энергия, которая снова отдается во время последующего сгибательного движения. Энергоаккумулирующее устройство содержит цилиндропоршневой блок с электронным управлением, причем поршневой шток выполнен телескопическим для ограничения сгибания тазобедренного сустава на фазе переноса. Для обеспечения стабильной и надежной постановки пятки выбирается короткая длина шага.
Известные устройства для ограничения длины шага требуют ручного управления для обеспечения дальнейшего сгибания, например, чтобы сесть.
Известные из уровня техники протезы не позволяют достичь максимально естественной походки. Быстрое разгибание тазобедренного сустава после постановки пятки не является естественным движением. Пациент не может контролировать движение, поскольку балансировать на лежащем перед линией силы тяжести свободном суставе невозможно. Естественное приподнимание и перенос контралатеральной ноги во время разгибания искусственных тазобедренных суставов из уровня техники исключены. С фиксированной длиной шага невозможно обеспечить различные скорости ходьбы из-за связанных с этим необходимых различных длин шага. При этом при переменной длине шага, зависимой от скорости ходьбы носителя протеза, следует обеспечить надежную и стабильную постановку пятки, не обращая внимания на риск дальнейшего неконтролируемого сгибания тазобедренного сустава. Амортизация разгибательных движений в уровне техники не предусмотрена.
Задачей настоящего изобретения является создание протеза тазобедренного сустава, который позволил бы избежать или минимизировать описанные выше проблемы.
Согласно изобретению эта задача решается посредством протеза тазобедренного сустава с признаками п.1 и способа управления с признаками п.11 формулы изобретения. Предпочтительные варианты и усовершенствования изобретения приведены в зависимых пунктах.
Предложенный в изобретении протез тазобедренного сустава содержит присоединительные средства для закрепления на крепежном устройстве и для искусственной ноги. Кроме того, предусмотрен блок управления разгибательным движением тазобедренного сустава и длиной шага. Благодаря блоку управления можно управлять разгибательным движением на фазе стояния и длиной шага протеза ноги, например, с помощью гидравлической системы управления.
В одном усовершенствовании изобретения предусмотрено, что блок управления содержит амортизирующее устройство для амортизации сгибательного и/или разгибательного движения тазобедренного сустава, чтобы контролировать длину шага и вид сгибания или разгибания тазобедренного сустава. Амортизирующее устройство предпочтительно выполнено в виде гидравлического амортизатора и содержит устройства или средства для регулирования амортизации в направлениях разгибания и сгибания протеза. Предпочтительно блок управления имеет соответствующую амортизационную характеристику, так что при повышении скорости ходьбы с соответственно повышенным уровнем энергии происходит соответствующее естественной походке увеличение длины шага.
Блок управления предпочтительно интегрирован в тазобедренный сустав для создания компактной конструкции и содержит предпочтительно регулируемые клапаны или сопротивления для изменения амортизационной характеристики.
Для особенно естественной походки предусмотрены регулировочные устройства или средства для регулирования амортизации при разгибании и сгибании. При разгибании предусмотрена высокая амортизация, которая может быть отрегулирована так, чтобы таз пациента при обкатывании по протезу оставался почти горизонтальным. Предотвращается резкое разгибание после постановки пятки. Это позволяет пациенту во время разгибания искусственного тазобедренного сустава приподнять ногу на контралатеральной стороне и перенести ее. Степень амортизации можно регулировать так, что в зависимости от индивидуальных пожеланий возможно ускоренное или замедленное разгибание. В случае высокой потребности в безопасности можно установить ускоренное разгибание, а если желательны высокая степень комфорта и естественная ходьба, то амортизацию можно выбрать настолько высокой, чтобы концевой упор осуществлялся лишь незадолго до приподнятия протеза.
Для сгибательного движения предусмотрено, что с помощью регулировочных устройств или средств определен первый этап движения, на котором не происходит или происходит лишь очень незначительная амортизация. На втором этапе движения амортизация возрастает, предпочтительно прогрессивно, до заданного предельного значения, которое может быть установлено в зависимости от биометрических данных носителя протеза и его пожеланий. На следующем за ним третьем этапе движения амортизация остается постоянной на конечном уровне второго этапа движения и обеспечивает стабильную постановку пятки без опасности дальнейшего неконтролируемого сгибания сустава. Угол сгибания, т.е. продолжительность соответствующего этапа движения, может быть установлен, поэтому в зависимости от индивидуальных пожеланий почти неамортизированный первый этап движения может быть удлинен или укорочен. В соответствии с этим второй этап движения может иметь изменяющееся возрастание амортизационной характеристики, чтобы, например, уменьшить длину шага, когда у носителя протеза возникает высокая потребность в устойчивости. С другой стороны, соответствующие этапы могут быть выбраны, допуская бòльшую длину шага, чтобы удовлетворить потребности активных носителей протезов.
Протез может быть снабжен энергоаккумулирующим устройством, которое при разгибании искусственной ноги в тазобедренном суставе аккумулирует энергию и для поддержания сгибательного движения, по меньшей мере, частично отдает ее искусственной ноге. В качестве энергоаккумулирующего устройства предусмотрены пружинящие элементы, в частности пластиковые пружинящие элементы, стальные или карбоновые пружины или другие материалы с соответствующими упругими свойствами.
Предложенный в изобретении способ управления протезом тазобедренного сустава, по меньшей мере, с одним амортизирующим блоком для амортизации сгибательного или разгибательного движения искусственной ноги предусматривает, что амортизация разгибательного движения регулируется так, чтобы разгибательный упор еще не достигался, если при нормальной походке нога контралатеральной стороны уже приподнята. Необходимая амортизация разгибательного движения может быть установлена индивидуально для каждого пациента. Благодаря этому можно учесть предпочтения носителей протезов и приспособить протез тазобедренного сустава к данной походке. Дополнительно или в качестве альтернативы управление осуществляется так, что на первом этапе движения сгибание не амортизируется, т.е. оно может происходить без повышенного сопротивления движению, поэтому длина шага может быть установлена на основе угла сгибания. На втором этапе движения амортизация повышается линейно или прогрессивно, а затем на третьем этапе движения поддерживается постоянной на конечном уровне, который соответствует конечному уровню амортизации второго этапа движения.
Таким образом, управление амортизацией фазы стояния может быть выполнено в комбинации с управлением амортизацией фазы переноса или отдельно от нее, чтобы обеспечить движение в соответствии с естественной походкой.
В одном усовершенствовании изобретения предусмотрено, что в качестве параметров управления для амортизирующего блока измеряются угол сгибания, направление движения, скорость сгибания искусственной ноги и/или оказываемые на нее усилия. В зависимости от измеренных параметров управления происходит затем автоматическое согласование амортизации или амортизационной характеристики в соответственно нужной степени. Параметры управления определяются при этом посредством датчиков и подаются на электронный блок обработки, который на основе полученных значений вызывает через исполнительные органы регулирование амортизирующих блоков, например клапанов.
Ниже пример осуществления изобретения более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображено следующее:
фиг.1: протез тазобедренного сустава в перспективе и частично в разрезе;
фиг.2: слегка согнутый протез тазобедренного сустава в разрезе;
фиг.3: подробный вид фиг.2;
фиг.4: протез тазобедренного сустава в согнутом положении при виде сбоку;
фиг.5: протез тазобедренного сустава в разогнутом положении;
фиг.6-9: блок-схемы гидросистемы протеза тазобедренного сустава;
фиг.10: диаграмма амортизационного усилия для управления фазой переноса.
На фиг.1 в перспективе и частично в разрезе изображен протез 1 тазобедренного сустава из верхней 2 и нижней 3 частей, шарнирно соединенных между собой посредством переднего 4 и заднего 5 рычагов. На верхней части 2 закреплено верхнее присоединение 21 для закрепления на корзине протеза и т.п. Верхняя часть 2 шарнирно соединена с задним рычагом 5 посредством оси 25 вращения, а с передним рычагом 4 - посредством шарового шарнира 24. Передний рычаг 4 соединен с нижним шаровым шарниром 34 на нижней части 3, тогда как задний рычаг 5 установлен на нижней части 3 своей нижней осью 35 вращения.
На переднем рычаге 4 выполнено обращенное внутрь сустава, т.е. к заднему рычагу 5, место опоры для поршневого штока 62, который установлен с возможностью поворота вокруг шарового шарнира 46. За счет расстояния между нижним шаровым шарниром 34 и шаровым шарниром 46 поршневого штока 62 при повороте переднего рычага 4 вокруг нижнего шарового шарнира 34 помимо вращения относительно поршневого штока 62 происходит также его перемещение, так что он в зависимости от направления вращения переднего рычага 4 движется возвратно-поступательно.
Поршневой шток 62 направлен в нижнюю часть 3 и размещен там в блоке 6 управления, который установлен в нижней части 3 с возможностью вращения вокруг оси 63 вращения. На нижнем конце нижней части 3 закреплено присоединение 31 для соединения с искусственной ногой.
В нижней части 3 блок 6 управления установлен подвижно вокруг оси 63 поворота. Она находится на нижнем конце блока 6 управления и препятствует перекосу перемещающегося внутри него поршня 8, который (перекос) мог бы возникнуть при жесткой установке блока 6 управления вследствие составляющей движения перпендикулярно поршневому штоку 62. Эта вторая составляющая движения перпендикулярно поршневому штоку 62 имеет место вследствие движения поворота вокруг нижнего шарового шарнира 34 переднего рычага 4 и совершенного за счет этого движения в форме кругового сегмента оси 46 поворота поршневого штока 62.
На фиг.2 протез 1 изображен в разрезе и в общем виде.
На фиг.3 протез 1 изображен в увеличенном виде в слегка согнутом положении, в котором поршень 8 расположен на верхнем конце образованной стенкой 9 полости цилиндра.
На фиг.3 видны выполненные в канавках 91, смещенные по отношению друг к другу в направлении периферии отверстия 92, каждое из которых может быть совмещено с перепускным каналом 94. Самая нижняя канавка 91 постоянно сообщена с кольцевым каналом 95 и создает постоянно обеспечиваемый минимальный обратный поток гидравлической жидкости. За счет этого амортизация постоянно поддерживается на конечном уровне. Вплоть до достижения канавки 91, также сообщенной с перепускным каналом 94 через отверстие 92, обеспечивается соответственно уменьшенный уровень амортизации за счет большего обратного потока протекающей через оба отверстия 92 гидравлической жидкости. Как только поршень 8 достигает отверстия 92, сообщенного с перепускным каналом 94, оно постепенно закрывается, в результате чего происходит возрастание амортизационной характеристики для этой второй зоны. За счет этой регулируемой амортизации в блоке 6 управления можно управлять разгибательным движением в тазобедренном суставе. За счет расположения пружинящего элемента 7 и возможности регулирования амортизации при сгибательном движении можно регулировать длину шага.
Блок 6 управления представляет собой отдельный, установленный с возможностью поворота гидравлический амортизирующий блок, интегрированный в нижнюю часть 3 тазобедренного сустава 1. Также возможно альтернативное расположение блока 6 управления или амортизирующего блока в другом месте тазобедренного сустава 1. Благодаря доступности клапанов 64, 65 извне соответствующие амортизационные характеристики и этапы движения можно регулировать индивидуально. Это относится, в частности, также к изменению расположения отверстий 92.
Принцип действия блока 6 управления лучше всего поясняется на фиг.3. На нижнем конце поршневого штока 62 закреплен поршень 8. Внутри блока 6 управления с возможностью вращения установлена внутренняя стенка 9 цилиндра с канавками 91. Каждая канавка 91 имеет соответствующее ей отверстие 92, которое за счет вращения стенки 9 цилиндра можно поворачивать посредством инструмента, вставленного в выемку 93 на нижнем конце, например в шлиц или внутренний шестигранник, пока отверстие 92 не совпадет с вертикально ориентированным перепускным каналом 94. Вращением стенки 9 цилиндра определяют, какое отверстие 92 должно совпадать с перепускным каналом 94 и открываться и тем самым до какой канавки 91 поршень 8 может свободно перемещаться при сгибании. При сгибании протеза 1 поршневой шток 62 движется вниз, а при его разгибании - соответственно вверх. Выемка 93 доступна извне через отверстие доступа, так что регулирование угла сгибания может осуществляться в зависимости от положения стенки 9 цилиндра и совпадения соответствующего отверстия 92 с перепускным каналом 94.
В поршне 8 может быть выфрезерована канавка, которая по достижении соответствующей канавки 91 в стенке цилиндра вызывает прогрессивное возрастание амортизации. После полного достижения канавкой поршня канавки 91 в стенке цилиндра действует высокая амортизация, которая может регулироваться клапаном 64.
Разгибание уменьшается с постоянной или слегка возрастающей амортизацией. Она может регулироваться вторым клапаном 65.
Блок 6 управления выполнен тем самым в виде гидравлического амортизатора, который имеет прогрессивную амортизационную характеристику, может амортизировать как сгибательное, так и разгибательное движение в тазобедренном суставе, а также механически управлять разгибательным движением посредством клапанов 64, 65. Вплоть до достижения соответствующего отверстия 92, совпадающего с перепускным каналом 94, отсутствует или имеет место лишь минимальная амортизация, тогда как, начиная с достижения поршнем 8 канавки 91 в стенке цилиндра, амортизация возрастает. Начиная с достижения и полного закрывания отверстия, имеет место высокая амортизация за счет отверстия 92 в последней канавке 91, которая до окончания сгибательного движения остается постоянной. При разгибании масло течет через верхнее отверстие 92 (на фиг.3 не показано) в верхнюю канавку 91, причем амортизационная характеристика регулируется клапаном 65 или дросселем.
На фиг.4 протез 1 изображен в согнутом положении. Видно, что шаровой шарнир 46 поршневого штока 62 представляет собой одновременно место сочленения пружинящего элемента 7, который своим нижним концом расположен в нижней части 3 на оси 73 поворота. В согнутом положении протеза 1 пружинящий элемент 7, который может быть выполнен, в частности, в виде пластиковой пружины или иной упругой ленты, почти не растянут, поскольку вся энергия, аккумулированная в разогнутом положении в пружинящем элементе 7, была отдана нижней части 3 и тем самым искусственной ноге (не показана). Пружинящий элемент 7 поддерживает сгибательное движение протеза 1, нагружая усилием вниз в направлении нижней части 3 шаровой шарнир 46 поршневого штока 62, закрепленного на переднем рычаге 4.
На фиг.5 показано разогнутое положение шарнира 1, в основном соответствующее фиг.1. Здесь пружинящий элемент 7 максимально распрямлен и имеет соответственно высокое энергосодержание, поскольку верхнее место 46 сочленения с передним рычагом 4 находится на максимальном удалении от нижней оси 73 поворота пружинящего элемента 7. В пружинящем блоке 7, который может быть выполнен также в виде обычной пружины растяжения, при разгибании искусственной ноги в тазобедренном суставе аккумулируется израсходованная при этом энергия, а при сгибательном движении она, по меньшей мере, частично снова отдается искусственной ноге.
В принципе, блок управления или амортизирующий блок может быть размещен не только в другом, нежели в изображенном, месте протеза 1, но и в других протезах тазобедренного сустава, например в одноосном. Также принцип действия блока управления может быть при необходимости обратным, когда при сгибательном движении поршень выдвигается, а при разгибательном - вдвигается.
На фиг.6-9 схематично изображено амортизирующее устройство с поршневым штоком 62, поршнем 8, гидроцилиндром 9, а также регулируемыми сгибательным 64 и разгибательным 65 клапанами. Клапаны 64, 65 действуют в качестве мест дросселирования, посредством которых можно регулировать амортизацию тазобедренного сустава. Канавки 91 в гидроцилиндре 9 не показаны. Нижнее отверстие 92 представляет собой связь с перепускным каналом 94; соответствующая отверстию 92 двойная стрелка обозначает возможность вертикального регулирования и за счет этого возможность регулирования угла сгибания без срабатывания сгибательного клапана 64.
На фиг.6 поршень 8 за счет сгибательного движения искусственной ноги движется вниз. В результате этого гидравлическая жидкость без большого сопротивления течет через вертикально регулируемое отверстие 92, с помощью которого можно регулировать длину шага, и через верхнее, вертикально жестко отрегулированное отверстие 92 обратно в верхнюю часть цилиндра 9. В перепускном канале 94 может быть расположен обратный клапан 97, который обеспечивает затекание гидравлической жидкости в верхнюю часть цилиндра 9 при сгибательном движении, однако препятствует обратному течению при разгибательном движении.
На фиг.7 показано состояние, в котором поршень 8 достиг нижнего отверстия 92 и перешагнул его. После достижения нижнего отверстия 92 гидравлическая жидкость течет по отделенному от перепускного канала 94 соединительному каналу 96 к клапанам 64, 65. Перед достижением нижнего отверстия 92 и его запиранием поршнем 8 из-за более высокого сопротивления потока в соединительном канале 96 и из-за имеющихся там клапанов 64, 65, 97 гидравлическая жидкость почти или вообще не течет. После запирания вертикально регулируемого отверстия 92 гидравлическая жидкость направляется исключительно по соединительному каналу 96. За счет сгибательного клапана 64, амортизирующего сгибание тазобедренного сустава, амортизационное усилие повышается, так что амортизационная характеристика возрастает. Через разгибательный клапан 65 гидравлическая жидкость не течет, поскольку параллельно включен байпас с обратным клапаном 97 с меньшим сопротивлением потока.
При инициировании разгибания поршень 8 движется вверх (фиг.8). Разгибательное движение амортизируется разгибательным клапаном 65 независимо от того, протекает ли гидравлическая жидкость через верхнее или нижнее отверстие 92. Направление ее течения обозначено стрелками. Обратный клапан 97 в перепускном канале 94 обеспечивает протекание всей гидравлической жидкости через разгибательный клапан 65. Сгибательный клапан 64 содержит байпас с обратным клапаном 97 и не оказывает никакого влияния на амортизационную характеристику при разгибательном движении.
На фиг.10 изображена диаграмма амортизационного усилия в зависимости от угла φ сгибания, на которой представлены различные фазы амортизации и эффективные усилия во время сгибания. На первом этапе А движения амортизационное усилие FD пренебрежимо мало и складывается из присущих системе факторов, например сопротивлений трения в местах опоры или постоянно имеющегося сопротивления потока гидравлической жидкости. Желаемой амортизации на первом этапе А движения не происходит. На втором этапе В движения амортизация и тем самым также преодолеваемое амортизационное усилие повышаются, в данном примере линейно, а именно до конечного уровня, достигаемого и поддерживаемого на третьем этапе С движения. Такая кривая амортизационного усилия может быть реализована путем подключения соответствующих амортизирующих элементов или сопротивлений потока. При разгибании тазобедренного сустава по окончании сгибательного движения амортизация разгибательного движения может быть отрегулирована так, что разгибание или разгибательный упор еще не достигается, если при нормальной походке, т.е. при нормальной скорости ходьбы, нога контралатеральной стороны уже приподнята или приподнимается.
1. Протез тазобедренного сустава с присоединительными средствами для закрепления на верхнем крепежном устройстве и на примыкающей к протезу тазобедренного сустава искусственной ноге, отличающийся тем, что он содержит блок (6) управления разгибательным движением в тазобедренном суставе и длиной шага.
2. Протез по п.1, отличающийся тем, что блок (6) управления содержит, по меньшей мере, одно амортизирующее устройство (8, 64, 65, 91, 92, 94) для амортизации сгибательного и разгибательного движений в тазобедренном суставе.
3. Протез по п.1, отличающийся тем, что блок (6) управления выполнен в виде гидравлического амортизатора.
4. Протез по п.2 или 3, отличающийся тем, что блок (6) управления имеет прогрессивную амортизационную характеристику.
5. Протез по п.1, отличающийся тем, что блок (6) управления интегрирован в тазобедренный сустав.
6. Протез по п.2, отличающийся тем, что амортизационная характеристика является изменяемой за счет регулируемых клапанов (64, 65) или сопротивлений.
7. Протез по п.2, отличающийся тем, что на первом этапе движения во время сгибания амортизация отсутствует, на втором этапе движения амортизация возрастает, а на третьем этапе движения амортизация остается постоянной на конечном уровне второго этапа движения.
8. Протез по п.2, отличающийся тем, что амортизация является постоянной при разгибании.
9. Протез по п.1, отличающийся тем, что он содержит энергоаккумулирующий блок, который выполнен с возможностью аккумулирования энергии при разгибании искусственной ноги в тазобедренном суставе и, по меньшей мере, частичной отдачи энергии искусственной ноге для поддержания сгибательного движения.
10. Протез по п.9, отличающийся тем, что в качестве энергоаккумулирующего блока предусмотрены пружинящие элементы (7), в частности пластиковые пружинящие элементы.
11. Способ управления протезом тазобедренного сустава, по меньшей мере, с одним амортизирующим блоком для амортизации сгибательного и разгибательного движений искусственной ноги, отличающийся тем, что амортизацию разгибательного движения устанавливают так, чтобы разгибательный упор еще не достигался, если при нормальной походке ногу контралатеральной стороны уже приподнимают и/или на первом этапе движения сгибание не амортизируют, на втором этапе движения амортизацию повышают, а на третьем этапе движения амортизацию поддерживают постоянной на конечном уровне второго этапа движения.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве параметров управления измеряют угол сгибания, направление движения и скорости искусственной ноги и/или оказываемые на искусственную ногу усилия и зависимости от измеренных параметров управления осуществляют автоматическое согласование амортизации.
