RU2348380C2 - Prosthesis foot with adjusted functional characteristics - Google Patents
Prosthesis foot with adjusted functional characteristics Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348380C2 RU2348380C2 RU2006138478/14A RU2006138478A RU2348380C2 RU 2348380 C2 RU2348380 C2 RU 2348380C2 RU 2006138478/14 A RU2006138478/14 A RU 2006138478/14A RU 2006138478 A RU2006138478 A RU 2006138478A RU 2348380 C2 RU2348380 C2 RU 2348380C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- foot
- prosthesis
- artificial muscle
- during
- leg
- Prior art date
Links
- OSBSXTGABLIDRX-UHFFFAOYSA-N C=C1C=CC=CC1 Chemical compound C=C1C=CC=CC1 OSBSXTGABLIDRX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Prostheses (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к протезу стопы с высокими функциональными характеристиками, обеспечивающими совершенствование возможностей динамического реагирования в той мере, насколько данные возможности зависят от прикладной механики сил.The present invention relates to a prosthetic foot with high functional characteristics, providing improved dynamic response capabilities to the extent that these capabilities depend on the applied mechanics of the forces.
Обзор состояния техникиTechnology Overview
Бесшарнирная искусственная стопа для ножного протеза предложена в патенте США № 5897594, автор Martin et al (Мартин с соавторами). В отличие от предшествующих решений, в которых искусственная стопа имеет жесткую конструкцию, снабженную шарниром для имитации функции голеностопного сустава, бесшарнирная искусственная стопа Мартина с соавторами использует упругую стопную вставку, которая расположена внутри формованной стопы. Вставка имеет в продольном сечении приблизительно C-образную форму, раскрытую назад, воспринимает протезную нагрузку своим верхним C-лепестком и своим нижним C-лепестком передает данную нагрузку на плоскую пружину, соединенную с упомянутой вставкой. На виде снизу плоская пружина имеет выгнутую форму и продолжается приблизительно параллельно области подошвы вперед за стопную вставку в область оконечности стопы. Изобретение Мартина с соавторами создано для усовершенствования бесшарнирной искусственной стопы в части амортизации удара пяткой, эластичности, перекатывания с пятки на носок при ходьбе и поперечной устойчивости, чтобы тем самым дать пользователю возможность ходить естественным образом, при этом целью является предоставление пользователю возможности как нормально ходить пешком, так и выполнять физические упражнения и играть в спортивные игры. Однако характеристики динамической реакции данной известной искусственной стопы ограничены и не имитируют характерную для человека биомеханическую функцию человеческой стопы, голеностопного сустава и голени и мягкой опорной ткани. Искусственная стопа Мартина с соавторами и другие известные протезы стопы, которые используют упомянутую конструкцию голеностопного сустава и жесткий пилон ножного протеза, имитирующий голень, не способны накапливать достаточно энергии упругой деформации для выработки во время шага нормальной динамической мощности в сагиттальной плоскости голеностопного сустава. Испытания показали, что известные протезы стопы с упомянутыми конструкциями производят во время шага только около 25% от нормальной кинетической энергии в сагиттальной плоскости голеностопного сустава.A jointless artificial foot for a foot prosthesis is proposed in US Pat. No. 5,897,594 to Martin et al (Martin et al.). Unlike previous solutions in which the artificial foot has a rigid structure equipped with a hinge to simulate the function of the ankle joint, Martin et al., The jointless artificial foot, uses an elastic foot insert that is located inside the molded foot. The insert has a longitudinal section approximately C-shaped, open back, accepts the prosthetic load with its upper C-lobe and with its lower C-lobe transfers this load to a flat spring connected to the insert. In the bottom view, the flat spring has a curved shape and extends approximately parallel to the sole area forward of the foot insert into the area of the tip of the foot. The invention of Martin et al. Was created to improve the articulated artificial foot in terms of shock absorption of the heel, elasticity, rolling from heel to toe when walking and lateral stability, thereby giving the user the ability to walk naturally, while the goal is to provide the user with the opportunity to walk normally and do physical exercises and play sports games. However, the dynamic response characteristics of this known artificial foot are limited and do not imitate the human biomechanical function of the human foot, ankle joint and lower leg and soft supporting tissue. Martin’s artificial foot and co-authors and other well-known foot prostheses that use the ankle joint design mentioned above and a rigid pylon of a foot prosthesis imitating the lower leg are not able to accumulate enough elastic deformation energy to generate normal dynamic power during the step in the sagittal plane of the ankle joint. Tests have shown that known foot prostheses with the mentioned structures produce during the step only about 25% of the normal kinetic energy in the sagittal plane of the ankle joint.
Ван Л. Филипс (Van L. Phillips) предложил другие протезы стопы, которые, по его утверждению, обеспечивают ампутанту маневренность и подвижность при занятии различными видами деятельности, которые исключались в прошлом из-за конструктивных ограничений и соответствующих функциональных характеристик известных протезов. По утверждению изобретателя данные известные стопы стойко выдерживают бег, прыжки и другие виды деятельности и, по имеющимся данным, позволяют пользователю заниматься такими же видами деятельности, как и обычная стопа. См., например, патенты США №6071313; 5993488; 5899944; 5800569; 5800568; 5728177; 5728176; 5824112; 5593457; 5514185; 5181932 и 4822363. Данные протезы содержат стопу, голеностопный сустав и голень, выполненные из композитного материала, при этом голеностопный сустав по механической форме обращен назад выпуклым изгибом. Испытания показали, что известные протезы данной конструкции производят во время шага около 40% от нормальной кинетической энергии в сагиттальной плоскости голеностопного сустава человека. Существует потребность в протезе с более высокими функциональными характеристиками, который может повысить двигательные показатели ампутанта при таких видах деятельности, как ходьба, бег, прыжки и рывки.Van L. Phillips has proposed other prosthetic foot prostheses, which he claims to provide the amputee with maneuverability and mobility when engaged in various activities that were excluded in the past due to design limitations and the corresponding functional characteristics of known prostheses. According to the inventor, these well-known feet steadily withstand running, jumping and other activities and, according to available data, allow the user to engage in the same activities as a regular foot. See, for example, US Pat. Nos. 6,071,313; 5,993,488; 5,899,944; 5,800,569; 5,800,568; 5,728,177; 5,728,176; 5,824,112; 5,593,457; 5,514,185; 5181932 and 4822363. These prostheses contain a foot, ankle joint and lower leg made of composite material, while the ankle joint is mechanically facing back with a convex bend. Tests have shown that known prostheses of this design produce about 40% of normal kinetic energy during the step in the sagittal plane of the human ankle joint. There is a need for a prosthesis with higher functional characteristics, which can increase the amputee's motor performance in activities such as walking, running, jumping and jerking.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Чтобы обеспечить повышение двигательных возможностей спортсмена с ампутированной ногой, требуется протез стопы с высокими функциональными характеристиками и усовершенствованной прикладной механикой, причем необходимо, чтобы стопа могла превосходить по функциональным характеристикам человеческую стопу, а также известные протезы стоп. Спортсмен с ампутированной ногой заинтересован в таком протезе стопы с высокими функциональными характеристиками, усовершенствованной прикладной механикой, комбинированной высокой/низкой динамической реакцией и возможностью регулировки относительного расположения, который можно точно настраивать для совершенствования горизонтальной и вертикальной составляющих движения, которые могут быть специализированы в соответствии с характером конкретной естественной задачи.In order to increase the motor capabilities of an athlete with an amputated leg, a foot prosthesis with high functional characteristics and improved applied mechanics is required, and it is necessary that the foot can exceed the functional characteristics of the human foot, as well as known prosthetic feet. An athlete with an amputated leg is interested in such a prosthetic foot with high functional characteristics, improved applied mechanics, combined high / low dynamic response and the ability to adjust the relative position, which can be fine-tuned to improve the horizontal and vertical components of the movement, which can be specialized in accordance with the character specific natural task.
Протез стопы в соответствии с настоящим изобретением предназначен для удовлетворения вышеупомянутых потребностей. В соответствии с наглядным вариантом осуществления, приведенным в настоящем описании, протез стопы согласно настоящему изобретению содержит продольно продолжающийся стопный киль с участком переднего отдела стопы на одном конце, участком заднего отдела стопы на противоположном конце и относительно длинным участком среднего отдела стопы, продолжающимся между участками переднего отдела стопы и заднего отдела стопы и дугообразно изогнутым вверх от данных участков. Обеспечена также стойка голени, содержащая изогнутый выпуклостью вниз нижний конец. Регулируемое крепежное приспособление присоединяет изогнутый нижний конец стойки голени к дугообразно изогнутому вверх участку среднего отдела стопы, принадлежащему стопному килю, для образования области голеностопного сустава протеза стопы.A prosthetic foot in accordance with the present invention is intended to satisfy the aforementioned needs. In accordance with an illustrative embodiment described herein, a prosthetic foot according to the present invention comprises a longitudinally extending foot keel with a portion of the forefoot at one end, a portion of the hindfoot at the opposite end and a relatively long portion of the midfoot extending between the forefoot portions department of the foot and hindfoot and curved upward from these areas. A tibial stand is also provided, comprising a lower end curved downwardly by a bulge. An adjustable fastener attaches the curved lower end of the calf shank to the arcuate upwardly curved portion of the midfoot belonging to the foot keel to form the ankle joint of the prosthetic foot.
Регулируемое крепежное приспособление позволяет производить регулировку расположения стойки голени и стопного киля друг относительно друга в продольном направлении стопного киля для настройки функциональных характеристик протеза стопы. Посредством регулировки расположения дугообразно изогнутого вверх участка среднего отдела стопы, принадлежащего стопному килю, и противостоящего ему изогнутого выпуклостью вниз нижнего конца стойки голени друг относительно друга в продольном направлении стопного киля достигают изменения характеристик динамического реагирования и результирующих перемещений стопы соответственно конкретной задаче в зависимости от необходимых/желательных горизонтальной и вертикальной линейных скоростей. Предлагается универсальный протез стопы, который обладает возможностями высокого и низкого динамического реагирования, а также двухплоскостными кинематическими характеристиками, и который повышает результирующие функциональные возможности ампутантов, занимающихся спортивными и/или оздоровительными видами деятельности. Приведено также описание протеза стопы, специально предназначенной для спринтерского бега.Adjustable mounting device allows you to adjust the location of the legs of the leg and foot keel relative to each other in the longitudinal direction of the foot keel to adjust the functional characteristics of the prosthetic foot. By adjusting the location of the upward arcuate section of the middle part of the foot belonging to the foot keel and opposing it with the lower end of the lower leg strut curved by convexity downward relative to each other in the longitudinal direction of the foot keel, changes in the dynamic response characteristics and the resulting foot movements according to a specific task are achieved depending on the required / desired horizontal and vertical linear speeds. A universal prosthetic foot is proposed, which has the capabilities of high and low dynamic response, as well as two-plane kinematic characteristics, and which increases the resulting functional capabilities of amputees involved in sports and / or recreational activities. A description of a prosthetic foot specifically designed for sprinting is also provided.
Протез стопы может также содержать устройство, предназначенное для того, чтобы ограничивать протяженность перемещения верхнего конца стойки голени в ответ на приложение и снятие силовой нагрузки на стойку голени во время применения протеза стопы. В одном варианте осуществления устройство представляет собой поршневой узел, прикрепленный между верхним и нижним концами стойки голени и содержащий, по меньшей мере, одну находящуюся под давлением текучую среду для ограничения протяженности перемещения, а также для поглощения энергии, накапливаемой или высвобождаемой во время сжатия и расширения стойки голени. В других вариантах осуществления заднее устройство голени накапливает собственную потенциальную энергию во время приложения силовой нагрузки на протез и возвращает накопленную энергию во время снятия силовой нагрузки в дополнение к возможности накопления суммарной энергии упругой деформации, что повышает динамическую мощность толкающей силы, производимой протезом стопы во время шага. В еще одних вариантах осуществления предлагается искусственная мышца на, по меньшей мере, стопе, голеностопном суставе и стойке протеза для увеличения потенциальной энергии протеза и динамической мощности в сагиттальной плоскости голеностопного сустава во время шага. Искусственная мышца на протезе может также продолжаться на смежную опорную конструкцию на культе пользователя, например на приемную муфту или на коленную обойму протеза, или упомянутая мышца может быть прикреплена к проксимальному концу колена человека или протеза.The prosthetic foot may also include a device designed to limit the extent of movement of the upper end of the calf in response to the application and removing the load on the calf during the use of the prosthetic foot. In one embodiment, the device is a piston assembly attached between the upper and lower ends of the calf shank and containing at least one pressurized fluid to limit travel and to absorb energy that is accumulated or released during compression and expansion racks of a shin. In other embodiments, the back shin device accumulates its own potential energy during application of the force load on the prosthesis and returns the accumulated energy during removal of the force load in addition to the possibility of accumulating the total energy of elastic deformation, which increases the dynamic power of the pushing force produced by the prosthetic foot during the step . In still other embodiments, an artificial muscle is provided on at least the foot, ankle and prosthesis stance to increase the potential energy of the prosthesis and the dynamic power in the sagittal plane of the ankle during the step. The artificial muscle on the prosthesis can also extend to an adjacent support structure on the user's stump, for example, to the receiving sleeve or to the knee clip of the prosthesis, or the said muscle can be attached to the proximal end of the human knee or prosthesis.
Упомянутые и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из рассмотрения нижеследующего подробного описания примеров осуществления настоящего изобретения и прилагаемых чертежей.Mentioned and other objectives, features and advantages of the present invention are apparent from a consideration of the following detailed description of embodiments of the present invention and the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 - схематичное изображение двух смежных радиусов кривизны R1 и R2 прижатых друг к другу стопного киля и стойки голени протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением, который обеспечивает возможности динамического реагирования и результирующего перемещения стопы во время шага в направлении по стрелке B, которая перпендикулярна касательной линии A, соединяющей два радиуса.Figure 1 is a schematic representation of two adjacent radii of curvature R 1 and R 2 pressed against each other by the foot keel and lower leg of the prosthetic foot in accordance with the present invention, which provides dynamic response and the resulting movement of the foot during the step in the direction of arrow B, which is perpendicular to the tangent line A connecting the two radii.
Фиг.2 - вид, аналогичный виду на фиг.1, но показывающий взаимное расположение двух радиусов, измененное в протезе стопы в соответствии с настоящим изобретением, чтобы увеличить горизонтальный компонент и уменьшить вертикальный компонент характеристики динамического реагирования и результирующего перемещения стопы во время шага, так что стрелка B1, перпендикулярная к касательной линии A1, направлена ближе к горизонтали, чем в случае, изображенном на фиг.1.FIG. 2 is a view similar to that of FIG. 1, but showing the relative position of the two radii, changed in the prosthetic foot in accordance with the present invention, in order to increase the horizontal component and reduce the vertical component of the dynamic response and the resulting foot movement during the step, so that arrow B 1 , perpendicular to the tangent line A 1 , is directed closer to the horizontal than in the case shown in figure 1.
Фиг.3 - вид сбоку протеза стопы в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения с переходником пилона ножного протеза и присоединенным к данному переходнику пилоном ножного протеза для закрепления стопы к культе ампутанта.Figure 3 is a side view of a prosthetic foot in accordance with an example embodiment of the present invention with an adapter of a pylon of a prosthetic leg and a pylon of a foot prosthesis attached to this adapter to secure the foot to the amputee stump.
Фиг.4 - вид спереди протеза стопы с переходником пилона ножного протеза и пилоном ножного протеза, показанными на фиг.3.FIG. 4 is a front view of a foot prosthesis with an adapter of a foot prosthesis pylon and a foot prosthesis pylon shown in FIG.
Фиг.5 - вид сверху варианта осуществления, изображенного на фиг.3 и 4.5 is a top view of the embodiment depicted in FIGS. 3 and 4.
Фиг.6 - вид сбоку другого стопного киля в соответствии с настоящим изобретением, в частности для спринтерского бега, который можно применить в протезе стопы в соответствии с настоящим изобретением.6 is a side view of another foot keel in accordance with the present invention, in particular for sprinting, which can be used in the prosthetic foot in accordance with the present invention.
Фиг.7 - вид сверху стопного киля, показанного на фиг.6.Fig.7 is a top view of the foot keel shown in Fig.6.
Фиг.8 - вид снизу стопного киля протеза стопы, изображенного на фиг.3, который обеспечивает комбинированные характеристики высокого/низкого динамического реагирования, а также возможности двухплоскостной подвижности.Fig. 8 is a bottom view of the foot keel of the prosthetic foot of Fig. 3, which provides combined high / low dynamic response characteristics, as well as two-plane mobility.
Фиг.9 - вид сбоку дополнительного стопного киля в соответствии с настоящим изобретением для протеза стопы, особенно подходящего для спринтерского бега ампутанту, которому произведена операция вычленения стопы Сайма.Fig.9 is a side view of an additional stop keel in accordance with the present invention for a prosthetic foot, especially suitable for sprinting, an amputee who underwent an operation to isolate the foot of Saimaa.
Фиг.10 - вид сверху стопного киля, показанного на фиг.9.Figure 10 is a top view of the foot keel shown in figure 9.
Фиг.11 - дополнительный вариант стопного киля для протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для ампутанта с вычленением стопы Сайма, где стопный киль обеспечивает протезу стопы комбинированные характеристики высокого/низкого динамического реагирования, а также возможности двухплоскостной подвижности.11 is an additional version of the foot keel for a prosthetic foot in accordance with the present invention, intended for an amputee with articulation of the Saimaa foot, where the foot keel provides the prosthetic foot with combined high / low dynamic response characteristics, as well as the possibility of two-plane mobility.
Фиг.12 - вид сверху стопного киля, показанного на фиг.11.Fig.12 is a top view of the foot keel shown in Fig.11.
Фиг.13 - вид сбоку стопного киля в соответствии с настоящим изобретением, у которого толщина киля сужается, например постепенно сужается от участка среднего отдела стопы к участку заднего отдела стопы киля.13 is a side view of the foot keel in accordance with the present invention, in which the thickness of the keel narrows, for example, gradually narrows from a portion of the midfoot to a portion of the rear portion of the keel.
Фиг.14 - вид сбоку другого по форме стопного киля, у которого толщина сужается от среднего отдела стопы как к переднему отделу стопы, так и к заднему отделу стопы киля.Fig. 14 is a side view of another in the shape of the foot keel, in which the thickness narrows from the midfoot to both the forefoot and the hindfoot of the keel.
Фиг.15 - вид сбоку и немного сверху и спереди параболически изогнутой стойки голени протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением, причем толщина стойки голени сужается к ее верхнему концу.Fig is a side view and a little top and front of a parabolic bent leg of the prosthesis of the foot in accordance with the present invention, the thickness of the leg of the leg tapering to its upper end.
Фиг.16 - вид сбоку, напоминающий вид на фиг.15, но изображающий другую стойку голени, сужающуюся от середины к ее верхнему и нижнему концам.Fig. 16 is a side view resembling that of Fig. 15, but depicting another tibia, tapering from the middle to its upper and lower ends.
Фиг.17 - вид сбоку C-образной стойки голени протеза стопы, причем толщина стойки голени сужается от середины к ее верхнему и нижнему концам.Fig. 17 is a side view of the C-shaped leg of the prosthesis of the foot prosthesis, wherein the thickness of the leg of the leg is narrowed from the middle to its upper and lower ends.
Фиг.18 - вид сбоку другого примера C-образной стойки голени протеза стопы, причем толщина стойки голени постепенно уменьшается от ее среднего участка к ее верхнему концу.Fig. 18 is a side view of another example of a C-shaped leg support of a prosthetic foot, wherein the thickness of the leg support gradually decreases from its middle portion to its upper end.
Фиг.19 - вид сбоку S-образной стойки голени протеза стопы, причем толщина данной стойки постепенно уменьшается к обоим концам от ее середины.Fig. 19 is a side view of an S-shaped leg of the lower leg of the prosthetic foot, wherein the thickness of the leg is gradually reduced to both ends from its middle.
Фиг.20 - дополнительный пример S-образной стойки голени, которая сужается по толщине только на ее верхнем конце.FIG. 20 is a further example of an S-shaped tibia, which tapers in thickness only at its upper end.
Фиг.21 - вид сбоку J-образной стойки голени, суженной на каждом конце, для протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 21 is a side view of a J-shaped shank strut narrowed at each end for a prosthetic foot in accordance with the present invention.
Фиг.22 - вид, напоминающий вид на фиг.21, но изображающий J-образную стойку голени, которая постепенно сужается по толщине только к ее верхнему концу.Fig. 22 is a view reminiscent of that of Fig. 21, but depicting a J-shaped leg of the lower leg, which gradually narrows in thickness only to its upper end.
Фиг.23 - вид сбоку и немного сверху соединительной детали из металлического сплава или пластика, используемой в регулируемом крепежном приспособлении в соответствии с настоящим изобретением для прикрепления стойки голени к стопному килю, как показано на фиг.3.FIG. 23 is a side view and a little top view of a metal alloy or plastic joint used in an adjustable fastener in accordance with the present invention for attaching a calf stand to a foot keel, as shown in FIG.
Фиг.24 - вид сбоку и немного спереди переходника пилона ножного протеза, используемого на протезе стопы, показанном на фиг. 3-5, и пригодного также для стопы, показанной на фиг.28 и 29, для присоединения стопы к пилону ножного протеза, который должен крепиться к культе ампутанта.24 is a side view and a little front view of the adapter of the pylon of the foot prosthesis used on the prosthetic foot shown in FIG. 3-5, and also suitable for the foot, shown in FIGS. 28 and 29, for attaching the foot to the pylon of the foot prosthesis, which should be attached to the cult of the amputee.
Фиг.25 - вид сбоку другого протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением, аналогичного протезу стопы, показанному на фиг.3, но изображающий применение соединительной детали с двумя съемными крепежными средствами, продольно разнесенными и соединяющими деталь со стойкой голени и стопным килем соответственно.Fig - side view of another prosthetic foot in accordance with the present invention, similar to the prosthetic foot shown in Fig.3, but depicting the use of a connecting part with two removable fastening means, longitudinally spaced and connecting the part with the leg calf and foot keel, respectively.
Фиг.26 - вид сбоку с увеличением соединительной детали, показанной на фиг.25.Fig. 26 is a side elevational view of the connecting part shown in Fig. 25.
Фиг.27 - вид сбоку с увеличением стойки голени протеза стопы, показанного на фиг.25.Fig. 27 is a side elevational view of the lower leg of the prosthetic foot of Fig. 25.
Фиг.28 - вид сбоку дополнительного примерного варианта осуществления протеза стопы, сходного с вариантами, изображенными на фиг.3 и 25, в котором ограничивающее перемещение амортизирующее устройство прикреплено между соответствующими концами стойки голени, чтобы ограничивать протяженность перемещения верхнего конца стойки голени в ответ на приложение и снятие силовой нагрузки на стойку голени при использовании протеза стопы.FIG. 28 is a side view of a further exemplary embodiment of a foot prosthesis similar to the embodiments of FIGS. 3 and 25, in which a travel restricting shock absorber is attached between respective ends of the calf shank in order to limit the travel distance of the upper end of the calf shank in response to the application and relieving the power load on the tibia using a prosthetic foot.
Фиг.29 - вид спереди протеза при наблюдении слева на протез стопы, изображенный на фиг.28, где показана продольная прорезь в стойке голени стопы.Fig.29 is a front view of the prosthesis when viewed from the left to the prosthetic foot, shown in Fig.28, which shows a longitudinal slot in the ankle of the foot of the foot.
Фиг.30 - вид сзади протеза стопы при наблюдении справа на протез стопы, изображенный на фиг.28.Fig.30 is a rear view of the prosthetic foot when viewed from the right to the prosthetic foot, shown in Fig.28.
Фиг.31 - вид снизу протеза стопы, показанного на фиг.28.Fig. 31 is a bottom view of the prosthetic foot of Fig. 28.
Фиг.32 - вид сбоку стойки голени и стопного киля протеза стопы, показанного на фиг.28, представляющий пример перемещения верхнего конца стойки голени в результате приложения и снятия силовой нагрузки на стойку голени во время использования протеза стопы.Fig. 32 is a side view of the calf shank and foot keel of the prosthetic foot shown in Fig. 28, representing an example of displacement of the upper end of the calf shank as a result of applying and removing the load on the calf shank during use of the prosthetic foot.
Фиг.33 - вид сбоку еще одного дополнительного примерного варианта осуществления протеза стопы, аналогичного варианту, показанному на фиг.28-32, за исключением того, что применена гибкая лента для ограничения только протяженности перемещения расширения верхнего конца стойки голени.Fig. 33 is a side view of yet another additional exemplary embodiment of a prosthetic foot similar to the embodiment shown in Figs. 28-32, except that a flexible tape is used to limit only the extent of movement of the extension of the upper end of the calf shank.
Фиг.34 - вид сбоку другого варианта осуществления протеза стопы с центровочным соединительным устройством, расположенным на переходнике, присоединенном к верхнему концу стойки голени, для крепления стопы к приемной муфте протеза, закрепляемой на ноге ампутанта, причем центровочное соединительное устройство допускает медиально-латеральное и передне-заднее скользящее регулировочное перемещение стопы относительно приемной муфты протеза.Fig. 34 is a side view of another embodiment of a prosthetic foot with a centering connecting device located on an adapter connected to the upper end of the calf, for attaching the foot to the prosthesis receiving sleeve mounted on the leg of the amputee, wherein the centering connecting device allows medial lateral and anterior - Rear sliding adjusting movement of the foot relative to the prosthesis receiving sleeve.
Фиг.35 - вид спереди протеза стопы, показанного на фиг.34, при наблюдении слева на стопу, показанную на фиг.34.Fig. 35 is a front view of the prosthesis of the foot shown in Fig. 34, when viewed from the left to the foot, shown in Fig. 34.
Фиг.36 - вид сзади протеза стопы, показанного на фиг.34, при наблюдении справа на стопу, показанную на фиг.34.Fig. 36 is a rear view of the prosthesis of the foot shown in Fig. 34, when viewed from the right to the foot, shown in Fig. 34.
Фиг.37 - вид сверху другого стопного киля для протеза правой стопы в соответствии с настоящим изобретением, где задний конец стопы параллелен фронтальной плоскости, например перпендикулярен продольной оси A-A стопы, и продольная ось F-F проксимальной вогнутости заднего отдела стопы также перпендикулярна продольной оси A-A.Fig. 37 is a plan view of another stop keel for a prosthetic foot in accordance with the present invention, wherein the rear end of the foot is parallel to the frontal plane, for example perpendicular to the longitudinal axis A-A of the foot, and the longitudinal axis F-F of the proximal concavity of the rear foot is also perpendicular to the longitudinal axis A-A.
Фиг.38 - вид сбоку стопного киля, показанного на фиг.37, при наблюдении в направлении с боковой стороны стопного киля.Fig. 38 is a side view of the foot keel shown in Fig. 37 when viewed in the direction from the side of the foot keel.
Фиг.39 - вид сверху дополнительного стопного киля в соответствии с изобретением, аналогичного стопному килю, показанному на фиг.37 и 38, но при этом продольная ось F′-F′проксимальной вогнутости заднего отдела стопы образует тупой угол Δ′ с продольной осью A-A, что делает латеральный напряженный опорный участок заднего отдела стопы фактически длиннее и более гибким, чем медиальный напряженный опорный участок, чтобы способствовать вывороту наружу стопы при опоре на пятку во время шага.Fig. 39 is a plan view of an additional stop keel in accordance with the invention similar to the foot keel shown in Figs. 37 and 38, but the longitudinal axis F′-F′ of the proximal concavity of the hindfoot forms an obtuse angle Δ ′ with the longitudinal axis AA , which makes the lateral stressed supporting portion of the hindfoot actually longer and more flexible than the medial stressed supporting portion in order to facilitate eversion of the foot when resting on the heel during the step.
Фиг.40 - вид сбоку стопного киля, показанного на фиг.39, при наблюдении с боковой стороны стопного киля.FIG. 40 is a side view of the foot keel shown in FIG. 39 when viewed from the side of the foot keel.
Фиг.41 - вид сбоку дополнительного варианта осуществления протеза стопы, содержащего упругое заднее устройство голени, прикрепленное между верхним участком стойки голени и соединительной деталью, присоединяющей стойку голени к стопному килю, причем устройство накапливает энергию в пружинах устройства при приложении силовой нагрузки во время шага и возвращает накопленную энергию при снятии силовой нагрузки, чтобы повысить динамическую мощность толкающей силы, производимой протезом стопы во время шага.Fig. 41 is a side view of an additional embodiment of a prosthetic foot containing an elastic posterior lower leg device attached between the upper portion of the lower leg strut and a connecting part connecting the lower leg to the foot keel, the device accumulating energy in the device springs when applying a power load during the step and returns the accumulated energy when removing the power load in order to increase the dynamic power of the pushing force produced by the prosthetic foot during the step.
Фиг.42 - вид сзади протеза, показанного на фиг.41.Fig. 42 is a rear view of the prosthesis shown in Fig. 41.
Фиг.43 - вид сбоку дополнительного варианта осуществления протеза стопы, содержащего заднее устройство голени для повышения динамической мощности толкающей силы, производимой протезом стопы во время шага, причем входящая в устройство лента регулируемой длины натянута между верхним участком стойки голени и передним концом стопного киля.Fig. 43 is a side view of an additional embodiment of a foot prosthesis containing a rear shin device to increase the dynamic power of the pushing force produced by the foot prosthesis during a step, wherein an adjustable length tape included in the device is stretched between the upper portion of the shin leg and the front end of the foot keel.
Фиг.44 - вид сзади протеза, показанного на фиг.43.Fig. 44 is a rear view of the prosthesis shown in Fig. 43.
Фиг.45 - вид снизу протеза, показанного на фиг. 43 и 44, где изображен натяжной трос, соединенный с каждой стороной стопного киля и продолжающийся назад.FIG. 45 is a bottom view of the prosthesis shown in FIG. 43 and 44, which depicts a tension cable connected to each side of the foot keel and continuing backward.
Фиг. 46A-46D - виды сбоку соответствующих примеров конструкций искусственных мышц, предназначенных для применения с протезом в соответствии с изобретением для увеличения потенциальной энергии протеза и динамической мощности в сагиттальной плоскости голеностопного сустава во время шага.FIG. 46A-46D are side views of respective examples of artificial muscle constructions for use with the prosthesis in accordance with the invention to increase the potential energy of the prosthesis and dynamic power in the sagittal plane of the ankle joint during a step.
Фиг. 47A-47E - виды сбоку соответствующих отличающихся моделей искусственной мышцы для применения с протезом в соответствии с изобретением.FIG. 47A-47E are side views of respective different artificial muscle models for use with the prosthesis of the invention.
Фиг.48A - вид сбоку длинной искусственной мышцы, в которой площадь поперечного сечения составляют 12 линейно расположенных единиц площади.Figa is a side view of a long artificial muscle, in which the cross-sectional area is 12 linearly located units of area.
Фиг.48B - вид сбоку более короткой, но более широкой искусственной мышцы, у которой площадь поперечного сечения содержит то же количество, 12 единиц площади, как в искусственной мышце, показанной на фиг.48A.Figv is a side view of a shorter, but wider artificial muscle, in which the cross-sectional area contains the same amount, 12 units of area, as in the artificial muscle shown in figa.
Фиг.49 - вертикальная проекция вида сбоку и снизу оболочки или покрытия стопы для протеза в соответствии с изобретением, причем оболочка стопы содержит искусственную мышцу, соединяющую передний и задний подошвенные участки оболочки стопы.Fig. 49 is a vertical projection of a side and bottom view of a sheath or foot covering for a prosthesis according to the invention, the foot sheath comprising an artificial muscle connecting the front and rear plantar sections of the foot sheath.
Фиг.50 - вид сбоку стопного киля для протеза в соответствии с изобретением, причем стопный киль снабжен искусственной мышцей, соединяющей передний и задний подошвенные участки стопного киля.Fig. 50 is a side view of the foot keel for the prosthesis according to the invention, the foot keel provided with an artificial muscle connecting the front and rear plantar portions of the foot keel.
Фиг.51 - вид сбоку стойки голени и соединительной детали протеза в соответствии с изобретением, содержащей искусственную мышцу, кулачок для регулируемого натяжения искусственной мышцы и датчик для определения усилия в протезе во время шага и управления кулачком и натяжением искусственной мышцы в ответ на определяемое усилие и в зависимости от него.Fig. 51 is a side view of the leg stand and connecting part of the prosthesis in accordance with the invention, comprising an artificial muscle, a cam for adjusting the artificial muscle tension and a sensor for detecting force in the prosthesis during a step and controlling the cam and artificial muscle tension in response to the detected force and depending on him.
Фиг.52A-52D - виды сбоку соответствующих накладок разного размера, причем накладки пригодны для избирательной установки между протезом и искусственной мышцей, чтобы пользователь мог регулировать предварительную растягивающую нагрузку на мышцу перед применением протеза и, тем самым, изменять потенциальную энергию протеза.Figa-52D are side views of the respective pads of different sizes, and the pads are suitable for selective installation between the prosthesis and the artificial muscle, so that the user can adjust the preliminary tensile load on the muscle before applying the prosthesis and, thereby, change the potential energy of the prosthesis.
Фиг.53 - вертикальная проекция вида сбоку и сзади протеза в соответствии с изобретением, где показана искусственная мышца, установленная на протезе и соединяющая приемную муфту для культи пользователя и нижний конец стойки голени протеза.Fig. 53 is a vertical projection of a side and rear view of the prosthesis according to the invention, which shows an artificial muscle mounted on the prosthesis and connecting the receiving sleeve for the user's stump and the lower end of the lower leg of the prosthesis.
Фиг.54 - вертикальная проекция вида сбоку и сзади приемной муфты для культи ноги человека, причем приемная муфта применима с протезом в соответствии с изобретением и содержит камеру, вмещающую находящуюся под давлением текучую среду, установленную на данной муфте для использования между приемной муфтой и искусственной мышцей, не показанной, для регулировки натяжения мышцы в качестве предварительной нагрузки перед применением.Fig. 54 is a vertical projection of a side and rear view of a receiving sleeve for a stump of a human leg, wherein the receiving sleeve is applicable with a prosthesis in accordance with the invention and comprises a chamber containing a pressurized fluid mounted on this sleeve for use between the receiving sleeve and artificial muscle not shown to adjust muscle tension as a preload before use.
Подробное описание вариантов осуществленияDetailed Description of Embodiments
Как показано на чертежах, протез 1 стопы согласно примеру осуществления на фиг.3-5 содержит продольно продолжающийся стопный киль 2 с участком 3 переднего отдела стопы на одном конце, участком 4 заднего отдела стопы на противоположном конце и дуговидно изогнутым вверх участком 5 среднего отдела стопы, продолжающимся между участками переднего отдела стопы и заднего отдела стопы. В примере осуществления участок 5 среднего отдела стопы изогнут выпуклостью вверх на его полном продольном протяжении между участками переднего и заднего отделов стопы.As shown in the drawings, the prosthesis 1 of the foot according to the embodiment of FIGS. 3-5 contains a longitudinally extending
Выступающая вверх стойка 6 голени стопы 1 прикреплена на участке изогнутого выпуклостью вниз нижнего конца 7 упомянутой стойки к проксимальной задней поверхности принадлежащего килю участка 5 среднего отдела стопы съемным крепежным средством 8 и соединительной деталью 11. В примере осуществления крепежное средство 8 представляет собой единственный болт с гайкой и шайбами, но может также представлять собой разъемный зажим или другое крепежное средство для надежного позиционирования и фиксации стойки голени на стопном киле, когда крепежное средство затянуто.The
Продольно удлиненное отверстие 9 выполнено в проксимальной задней поверхности принадлежащего килю участка 5 среднего отдела стопы, как показано на фиг.8. Продольно удлиненное отверстие 10 выполнено также в изогнутом нижнем конце 7 стойки 6 голени, например, как показано на фиг.15. Съемное крепежное средство 8 проходит сквозь отверстия 9 и 10, чтобы можно было отрегулировать в правильное положение стойку голени и стопный киль относительно друг друга в продольном направлении A-A на фиг.5, когда крепежное средство 8 ослаблено или разъединено для настройки функциональной характеристики протеза стопы под конкретную задачу. Тем самым, крепежное средство 8, соединительная деталь 11 и продольно удлиненные отверстия 9 и 10 составляют регулируемое крепежное приспособление для прикрепления стойки голени к стопному килю для образования области голеностопного сустава протеза стопы.A longitudinally
Результат регулировки взаимного расположения стойки 6 голени и стопного киля 2 очевиден из рассмотрения фиг. 1 и 2, на которых двумя радиусами R1 и R2, одним непосредственно около другого, изображены смежные, обращенные друг к другу, выпуклые или выпукло-изогнутые поверхности среднего участка 5 стопного киля и стойки 6 голени. Из рассмотрения двух данных радиусов, одного непосредственно около другого, следует, что перемещение может совершаться перпендикулярно касательной линии A на фиг.1, A1 на фиг.2, проведенной к двум данным радиусам. Взаимосвязанное расположение двух данных радиусов определяет направление результирующих перемещений. Вследствие этого приложение силы, определяемой динамической реакцией стопы 1, зависит от упомянутого взаимосвязанного расположения. Чем больше радиус вогнутой поверхности, тем больше возможность динамической реакции. Однако чем круче радиус, тем быстрее реакция.The result of adjusting the relative position of the
Возможность регулировки относительного расположения стойки голени и стопного киля в протезе стопы в соответствии с настоящим изобретением позволяет сдвигать радиусы так, чтобы воздействовать на горизонтальную или вертикальную линейные скорости стопы при спортивных занятиях. Например, для повышения максимально возможной горизонтальной линейной скорости протеза 1 стопы можно изменить относительное расположение, чтобы воздействовать на взаимосвязанное расположение радиуса стойки голени и радиуса стопного киля. А именно, чтобы повысить характеристику горизонтальной линейной скорости, нижний радиус R2 стопного киля сдвигают дистальнее его начального положения, как показано на фиг.2 в сравнении с фиг.1. Это изменяет характеристики динамической реакции так, что результирующие перемещения стопы 1 должны быть направлены ближе к горизонтали, и, в результате, может быть достигнута более высокая горизонтальная линейная скорость при одинаковых прилагаемых усилиях.The ability to adjust the relative position of the tibia and foot keel in the prosthetic foot in accordance with the present invention allows radii to be shifted so as to affect the horizontal or vertical linear foot speeds during sports. For example, to increase the maximum possible horizontal linear speed of the prosthesis of 1 foot, you can change the relative location to affect the interconnected location of the radius of the tibia and radius of the foot keel. Namely, in order to increase the horizontal linear velocity characteristic, the lower radius R 2 of the foot keel is shifted distal to its initial position, as shown in FIG. 2 in comparison with FIG. 1. This changes the characteristics of the dynamic reaction so that the resulting movements of the foot 1 should be directed closer to the horizontal, and, as a result, a higher horizontal linear speed can be achieved with the same applied forces.
Ампутант может на практике найти такую настройку для каждого занятия спортом, которая отвечает его/ее потребностям, когда данные потребности связаны с горизонтальной и вертикальной линейными скоростями. Прыгун и баскетболист нуждаются, например, в более высоком подъеме по вертикали, чем бегун на спринтерскую дистанцию. Соединительная деталь 11 представляет собой передвижную соединительную деталь из пластика или металлического сплава (см. фиг.3, 4 и 23), вкладываемую между скрепляемыми стопным килем 2 и стойкой 6 голени. Съемное крепежное средство 8 проходит сквозь отверстие 12 в соединительной детали. Соединительная деталь продолжается вдоль прикрепляемого участка стойки голени и проксимальной задней поверхности принадлежащего килю участка 5 среднего отдела стопы.An amputee can, in practice, find a setting for each sport that meets his / her needs when these needs are related to horizontal and vertical linear speeds. A jumper and a basketball player need, for example, a higher vertical climb than a sprint runner. The connecting
Изогнутый нижний конец 7 стойки 6 голени имеет форму параболы с минимальным радиусом кривизны параболы, находящимся на нижнем конце, и продолжается вверх и вначале вперед по контуру параболы. Обращенная назад вогнутая поверхность образована выгибом стойки голени, как показано на фиг.3. Параболическая форма дает преимущество потому, что благодаря относительно большим радиусам проксимальной оконечности параболы данная форма обладает улучшенными характеристиками динамических реакций с точки зрения развития большей горизонтальной линейной скорости и, в то же время, имеет нижний конец с меньшим радиусом кривизны для формирования характеристик, определяющих быстрые реакции. Большие радиусы кривизны на верхнем конце параболической формы позволяют касательной линии A, описанной со ссылками на фиг.1 и 2, оставаться ближе к вертикали при изменении относительного расположения, что обеспечивает развитие большей горизонтальной линейной скорости.The curved
Стойка голени параболической формы реагирует на усилия в начальной фазе контакта во время шага человека сжатием или своим закручиванием. Тем самым, радиусы параболической кривой становятся меньше, и, в результате, меньше сопротивление сжатию. Напротив, когда стойка голени параболической формы реагирует расширением на силы реакции опоры (GRF) при отрыве пятки во время шага человека, радиусы параболической кривой увеличиваются, и, в результате, сопротивление оказывается намного больше, чем вышеупомянутое сопротивление сжатию. Данные сопротивления связаны с функцией передней и задней мышц голени человека во время шага человека. С начальной фазы контакта до фазы опоры на полную стопу во время шага человека меньшая передняя группа мышц голени реагирует на силы реакции опоры (GRF) эксцентричным сокращением для опускания стопы на опору, и создается момент тыльного сгибания. C фазы опоры на полную стопу до фазы отрыва носка большая задняя группа мышц голени реагирует на силы реакции опоры (GRF) также эксцентричным сокращением, и создается более мощный момент сгибания подошвы. Величина данного момента зависит от разности размеров передней и задней групп мышц голени. В результате, имитируется сопротивление стойки голени протеза моментам тыльного сгибания и сгибания подошвы во время шага человека, и обеспечивается нормальный шаг. Переменная сопротивляемость параболических кривых имитирует функцию мускулатуры человеческой голени во время шага человека и занятий бегом и прыжками, и, в результате, обеспечивается эффективность протеза.The tibial stance of a parabolic shape reacts to efforts in the initial phase of contact during a person’s step by compression or twisting. Thus, the radii of the parabolic curve become smaller, and, as a result, the compression resistance is less. On the contrary, when the tibia of the parabolic shape responds by expanding on the support reaction forces (GRF) when the heel is torn off during a person’s step, the radii of the parabolic curve increase, and as a result, the resistance turns out to be much larger than the aforementioned compression resistance. Resistance data is associated with the function of the anterior and posterior muscles of the lower leg of a person during a person's step. From the initial phase of contact to the phase of support on the full foot during a person’s step, the smaller front group of the calf muscles responds to the support reaction forces (GRF) with an eccentric contraction to lower the foot to the support, and a moment of back flexion is created. From the full-foot support phase to the toe-off phase, the large posterior group of the calf muscles responds to the support reaction forces (GRF) with an eccentric contraction, and a more powerful moment of flexion of the sole is created. The magnitude of this moment depends on the difference in size of the anterior and posterior groups of the leg muscles. As a result, the resistance of the prosthetic calf to the moments of the back flexion and flexion of the sole during a person’s step is simulated, and a normal step is provided. The variable resistance of parabolic curves imitates the function of the muscles of the human lower leg during a person’s step and runs and jumps, and, as a result, the effectiveness of the prosthesis is ensured.
Человек идет шагом со скоростью около трех миль в час. Бегун на милю с результатом 4:00 минуты бежит со скоростью 12 миль в час, и спринтер на 100-метровку с результатом 10 секунд бежит со скоростью 21 миля в час. Соотношение скоростей при этом составляет 1:4:7. Горизонтальная составляющая в каждом случае тем больше, чем больше скорость вида спорта. Следовательно, можно задавать радиусы стойки голени протеза. Пешеходу требуется параболически изогнутая стойка голени с меньшими радиусами, чем бегуну на милю и спринтеру. Спринтеру требуется параболически изогнутая стойка голени, которая в семь раз больше. Данное отношение показывает, как определять радиусы парабол для пешеходов, бегунов и спринтеров. Вышесказанное имеет большое значение, поскольку спринтеры нуждаются в перемещении с большим размахом, и их стойки голени должны быть прочнее для выдерживания более высоких нагрузок, связанных с данным видом занятий спортом. Более широкая или крупная параболическая стойка голени будет изогнута по сравнительно более плоской кривой, которая соответствует большей конструктивной прочности при увеличенном размахе перемещения.A man walks at a speed of about three miles per hour. A mile runner with a result of 4:00 minutes runs at a speed of 12 miles per hour, and a 100-meter sprinter with a result of 10 seconds runs at a speed of 21 miles per hour. The ratio of speeds in this case is 1: 4: 7. In each case, the horizontal component is greater, the greater the speed of the sport. Therefore, it is possible to set the radii of the leg of the prosthesis. A pedestrian needs a parabolic curved shank with shorter radii than a mile runner and sprinter. The sprinter needs a parabolic curved stance of the lower leg, which is seven times larger. This relationship shows how to determine the radii of parabolas for pedestrians, runners and sprinters. The above is of great importance, since sprinters need to be moved on a large scale, and their shank racks must be stronger to withstand the higher loads associated with this type of exercise. A wider or larger parabolic tibia will be bent along a relatively flatter curve, which corresponds to greater structural strength with an increased range of movement.
Переходник 13 пилона ножного протеза присоединен к верхнему концу стойки 6 голени крепежными элементами 14. Переходник 13, в свою очередь, прикреплен к нижнему концу пилона 15 ножного протеза крепежными элементами 16. Пилон 15 ножного протеза крепится к нижней конечности ампутанта опорной конструкцией (не показанной), прикрепляемой к культе ноги.The
В примерном варианте осуществления участки переднего отдела стопы, среднего отдела стопы и заднего отдела стопы стопного киля 2 выполнены одной деталью из упругого материала. Например, можно применить твердую деталь из материала, пластикового по своей природе, обладающего свойством сохранять форму при отклонении силами реакции опоры. Точнее, стопный киль, а также стойка голени могут быть выполнены из слоистого композиционного материала, содержащего армирующее волокно, ламинированное полимерным материалом матрицы. В частности, для формования стопного киля, а также стойки голени могут быть использованы высокопрочный графит, ламинированный термоотверждающейся эпоксидной смолой или экструдированным пластиком, известным под торговой маркой Delran, или дегазированные полиуретановые сополимеры. Функциональные качества, свойственные данным материалам, позволяют обеспечить высокую прочность при малом весе и минимальной деформации. Слои термоотверждающихся эпоксидных смол наносят под вакуумом в соответствии с отраслевыми стандартами протезирования. Полиуретановые сополимеры можно заливать в негативные формы, а экструдированный пластик можно обрабатывать на станке. Каждый используемый материал обладает своими преимуществами и недостатками. Установлено, что в предпочтительном варианте многослойный композиционный материал для стопного киля и стойки голени может также быть термоформованным многослойным композиционным материалом (препрегом), изготовленным в соответствии с промышленными стандартами, с армирующим волокном и термопластичным полимерным связующим материалом для достижения самых высоких характеристик механического растяжения. Подходящим предлагаемым на рынке композиционным материалом описанного типа является материал CYLON® от фирмы Cytec Fiberite Inc., Havre de Grace, Maryland (шт. Мэриленд). Стойка голени и стопный киль могут также представлять собой упругие металлические элементы, выполненные, например, из пружинной стали, нержавеющей стали, титанового сплава или сплава другого металла.In an exemplary embodiment, the sections of the forefoot, midfoot and hindfoot of the
Все физические свойства упругого материала, имеющие отношение к жесткости, гибкости и прочности, определяются толщиной материала. Более тонкий материал будет изгибаться легче, чем более толстый материал такой же плотности. Используемый материал, а также физические свойства связаны с характеристиками жесткости-гибкости стопного киля и стойки голени протеза. В примерном варианте осуществления на фиг.3-5 стопный киль и стойка голени являются равномерными по толщине или с симметрично распределенной толщиной, но по длине данных компонентов толщина может изменяться, как описано ниже, например, при выполнении областей заднего отдела стопы и переднего отдела стопы тоньше и чувствительнее к изгибу в области среднего отдела стопы.All physical properties of an elastic material related to stiffness, flexibility, and strength are determined by the thickness of the material. A thinner material will bend more easily than a thicker material of the same density. The material used, as well as the physical properties, are associated with the stiffness-flexibility characteristics of the foot keel and the lower leg of the prosthesis. In the exemplary embodiment of FIGS. 3-5, the foot keel and tibia are uniform in thickness or symmetrically distributed, but the thickness may vary along the length of these components, as described below, for example, when performing areas of the hindfoot and forefoot thinner and more sensitive to bending in the midfoot.
Чтобы легче придать протезу 1 ступни способность к комбинированным высоким/низким динамическим реакциям, участок 5 среднего отдела стопы выполнен в виде такой продольной арки, что медиальная сторона продольной арки обладает более высокой динамической реакцией, чем латеральная сторона. Для данной цели согласно примеру осуществления медиальная сторона вогнутой поверхности продольной дуги имеет больший радиус, чем латеральная сторона данной поверхности.To make it easier to give the prosthesis of the 1st foot the ability to combine high / low dynamic reactions,
Взаимозависимость между значениями медиального и латерального радиусов вогнутой поверхности продольной дуги участка 5 среднего отдела стопы дополнительно определяется, подобно передней и задней нагруженным областям подошвенной поверхности стопного киля 2. Линия T1-T2 на переднем участке 5 на фиг.8 представляет переднюю нагруженную область подошвенной поверхности. Линия P1-P2 представляет заднюю подошвенную нагруженную поверхность. Подошвенные нагруженные поверхности на латеральной стороне стопы представлялись бы расстоянием между T1-P1. Подошвенные нагруженные поверхности на медиальной стороне стопы 2 представляются расстоянием между P2-T2. Расстояния, представленные T1-P1 и P2-T2, определяют величины радиусов, и, в результате, определяется взаимозависимость между высокими/низкими динамическими реакциями, и на нее может влиять схождение или расхождение между двумя данными линиями T1-T2 и P1-P2. В результате, комбинированную высокую/низкую динамическую реакцию можно задавать при проектировании конструкции. Подошвенная нагруженная поверхность T1-T2 переднего отдела стопы может отклоняться всего на 5° от нормали к продольной оси A-A стопного киля для создания упомянутой высокой/низкой динамической реакции, см. фиг.8.The relationship between the values of the medial and lateral radii of the concave surface of the longitudinal arch of
Задний конец 17 участка 4 заднего отдела стопы имеет форму изогнутой вверх дуги, которая реагирует на силы реакции опоры во время удара пятки сжатием для амортизации удара. Пятка, образованная участком 4 заднего отдела стопы, выполнена с заднелатеральным углом 18, который смещен назад и в латеральную сторону от медиального угла 19, чтобы способствовать вывороту наружу заднего отдела стопы в начальной фазе контакта во время шага. Передний конец 20 участка 3 переднего отдела стопы имеет форму изогнутой вверх дуги для имитации тыльного сгибания пальцев человеческой стопы в положении подъема пятки и отталкивания носком в конце фазы стойки на протезе во время шага. Передний отдел стопы и задний отдел стопы снабжены снизу резиновыми или пенопластовыми накладками 63 и 64 в качестве амортизаторов.The
Усовершенствованная двухплоскостная подвижность протеза стопы достигается посредством медиального и латерального отверстий 21 и 22 компенсационных пазов, проходящих сквозь участок 3 переднего отдела стопы от тыльной поверхности до подошвенной поверхности данного участка. Компенсационные пазы 23 и 24 продолжаются вперед от соответствующих отверстий к передней кромке участка переднего отдела стопы с образованием медиального, среднего и латерального компенсационных напряженных элементов 25-27, которые обеспечивают усовершенствованную двухплоскостную подвижность принадлежащего стопному килю участка переднего отдела стопы. Отверстия 21 и 22 компенсационных пазов расположены на линии B-B, показанной на фиг.5, в поперечной плоскости, которая продолжается под углом α, равным 35°, к продольной оси A-A стопного киля, при этом медиальное отверстие 21 компенсационного паза смещено вперед по сравнению с латеральным отверстием 22 компенсационного паза.Improved two-plane mobility of the prosthetic foot is achieved through the medial and
Угол α между линией B-B и продольной осью A-A на фиг.5 может быть всего 5°, и даже тогда будет обеспечиваться высокая/низкая динамическая реакция. С изменением данного угла α должен также изменяться угол Z линии T1-T2 на фиг.8. В проекции на сагиттальную плоскость отверстия 21 и 22 компенсационных пазов наклонены под углом 45° к поперечной плоскости, причем тыльная сторона отверстий смещена вперед относительно подошвенной стороны. При данном расположении расстояние от съемного крепежного средства 8 до латерального отверстия 22 компенсационного паза короче, чем расстояние от съемного крепежного средства 8 до медиального отверстия 21 компенсационного паза, чтобы вынос пальцев стопы на латеральном участке протеза 1 стопы был короче, чем на медиальном участке, для создания возможности высокой/низкой динамической реакции среднего отдела стопы. Кроме того, расстояние от съемного крепежного средства 8 до латеральной подошвенной несущей поверхности, обозначенной линией T1, короче, чем расстояние от съемного крепежного средства до медиальной подошвенной несущей поверхности, обозначенной линией T2, так что вынос пальцев на латеральном участке стопы 1 протеза короче, чем на медиальном, для создания возможности высокой/низкой динамической реакции среднего отдела стопы.The angle α between the line BB and the longitudinal axis AA in FIG. 5 can be as little as 5 °, and even then a high / low dynamic response will be provided. With a change in this angle α, the angle Z of the line T 1 -T 2 in FIG. 8 should also change. In the projection onto the sagittal plane, the
Передняя часть участка 4 заднего отдела стопы, принадлежащего стопному килю 2, дополнительно содержит отверстие 28 компенсационного паза, проходящее сквозь участок 4 заднего отдела стопы от тыльной поверхности до подошвенной поверхности данного участка. Компенсационный паз 29 продолжается в заднем направлении от отверстия 28 к задней кромке участка заднего отдела стопы с образованием компенсационных напряженных элементов 30 и 31. Данные напряженные элементы обеспечивают усовершенствованную двухплоскостную подвижность участка заднего отдела стопы. В варианте исполнения каждое из отверстий 28, 21 и 22 компенсационных пазов может быть снабжено другим небольшим отверстием 28A, 21A и 22A, см. фиг.8, просверленным сквозь область, смежную с компенсационным пазом, для выполнения функции разгрузочного отверстия. Дополнительное небольшое отверстие перенаправляет действующий волновой спектр и замедляет процесс образования трещин и/или разрушения стопного киля.The front part of the
На тыльной стороне участок 5 среднего отдела стопы и участок 3 переднего отдела стопы, принадлежащие стопному килю 2, образуют обращенную вверх вогнутую поверхность 32, как показано на фиг.3, чтобы данная поверхность функционально имитировала пятую степень подвижности человеческой стопы. А именно, вогнутая поверхность 32 имеет продольную ось C-C, которая ориентирована под углом β от 5° до 35° к продольной оси A-A стопного киля медиальным направлением впереди по сравнению с латеральным направлением, чтобы обеспечивать пятую степень подвижности во время шага наподобие немного наклонной оси второй - пятой плюсневых костей человеческой стопы.On the back side, the
Значение двухплоскостной подвижности можно оценить в случае, когда ампутант идет по неровной местности или когда спортсмен резко изменяет направление в медиальную или латеральную сторону при опоре на стопу. Вектор силы реакции опоры изменяет направление от сагиттально ориентированного до направления, содержащего компоненту во фронтальной плоскости. Опора будет отталкивать в медиальном направлении, противоположном латеральному толчку стопой. Вследствие этого стойка голени наклоняется в медиальном направлении, и вес прилагается к медиальной конструкции стопного киля. В ответ на данные давления медиальные компенсационные напряженные элементы 25 и 31 стопного киля 2 изгибаются в тыльную сторону (отклоняются назад) и выворачиваются внутрь, а латеральные компенсационные напряженные элементы 27 и 30 изгибаются в подошвенном направлении (отклоняются вниз) и выворачиваются наружу. Данное движение стремится поместить подошвенную поверхность плоско на опору (подошвенная стадия).The value of two-plane mobility can be estimated in the case when the amputee is walking on uneven terrain or when the athlete sharply changes direction to the medial or lateral side when resting on the foot. The support reaction force vector changes direction from sagittally oriented to the direction containing the component in the frontal plane. The support will push away in the medial direction, opposite to the lateral push of the foot. As a result of this, the tibia strut tilts in the medial direction, and the weight is applied to the medial construction of the foot keel. In response to the pressure data, the medial
В протезе ступни в соответствии с настоящим изобретением можно применить, главным образом, для спринта другой стопный киль 33, см.фиг.6 и 7. Центр тяжести тела в спринте становится ориентированным исключительно в сагиттальной плоскости. Протез стопы не нуждается в наличии низкой динамической реакции. В результате, продольную ось вогнутой поверхности переднего отдела стопы и среднего отдела стопы не требуется ориентировать поворотом наружу под углом 5°-35°, как у стопного киля 2. Продольную ось D-D вогнутой поверхности было бы правильнее ориентировать параллельно фронтальной плоскости, как показано на фиг. 6 и 7. Данная ориентация вынуждает стопу для спринта реагировать только в сагиттальном направлении. Кроме того, отверстия 34 и 35 компенсационных швов на участках переднего отдела стопы и заднего отдела стопы ориентированы по линии E-E, параллельной фронтальной плоскости, т.е. латеральное отверстие 35 сдвинуто вперед для совмещения с медиальным отверстием 34 по линии, параллельной фронтальной плоскости. Передний конец 36 стопного киля 33 также выполнен параллельно фронтальной плоскости. Пяточная область 37 на заднем конце стопного киля также параллельна фронтальной плоскости. Описанные модификации отрицательно влияют на универсальные возможности протеза стопы. Однако его функциональные характеристики становятся направленными на решение конкретной задачи. Другое изменение стопного киля 33 для спринтерского бега имеет место в области пальцев стопы на участке переднего отдела стопы, где угол 15° тыльного изгиба стопного киля 2 увеличен до 25-40° тыльного изгиба стопного киля 33.In the prosthetic foot in accordance with the present invention, it is possible to apply mainly another
На фиг.9 и 10 показан дополнительный стопный киль 38 в соответствии с настоящим изобретением для протеза стопы, особенно полезный для спринтерского бега ампутанту, который подвергнут вычленению стопы Сайма. С упомянутой целью участок среднего отдела стопы, принадлежащий стопному килю 38, содержит заднюю обращенную вверх вогнутую поверхность 39, на которой изогнутый нижний конец стойки стопы крепится к стопному килю съемным крепежным средством. Данный стопный киль могут использовать все ампутанты с ампутацией нижних конечностей. Стопный киль 38 вмещает более длинную культю, соответствующую ампутации типа вычленения стопы Сайма. Его функциональные характеристики делают возможными заметно более скоростные динамические реакции. Данный киль не специализирован для применения при конкретном уровне ампутации. Его можно использовать при всех ампутациях на уровне большеберцовой кости и бедренной кости. Стопный киль 40 согласно примеру осуществления, изображенному на фиг.11 и 12, также имеет вогнутую поверхность 41 для ампутанта с вычленением стопы Сайма, причем данный стопный киль сообщает протезу стопы комбинированную характеристику с высокой и низкой динамическими реакциями, а также возможности двухплоскостного движения, аналогичные возможностям в примере осуществления, изображенном на фиг.3-5 и 8.Figures 9 and 10 show an
Функциональные характеристики нескольких стопных килей для протеза 1 стопы обусловлены особенностями формы и конструкции, поскольку данные характеристики зависят от вогнутых поверхностей, выпуклых поверхностей, величины радиусов, растяжения, сжатия и физических свойств материала, а все упомянутые свойства определяют связь с реакцией на силы опоры во время занятия ходьбой, бегом и прыжками.The functional characteristics of several foot keels for a prosthetic foot of 1 foot are due to the peculiarities of shape and design, since these characteristics depend on concave surfaces, convex surfaces, radii, stretching, compression and physical properties of the material, and all the mentioned properties determine the relationship with the reaction to support forces during classes in walking, running and jumping.
Стопный киль 42 на фиг.13 похож на стопный киль согласно примеру осуществления, изображенному на фиг.3-5 и 8, за исключением того, что толщина стопного киля сужается от участка среднего отдела стопы к заднему концу заднего отдела стопы. Толщина стопного киля 43 на фиг.14 постепенно уменьшается или сужается к его обоим, переднему и заднему, концам. Аналогичные изменения толщины показаны у стойки 44 голени на фиг.15 и у стойки 45 голени на фиг.16, которые можно применить в протезе 1 стопы. Каждая конструкция стопного киля и стойки голени формирует разные результирующие функциональные характеристики, поскольку данные результирующие функциональные характеристики связаны с горизонтальными и вертикальными линейными скоростями, которые специально назначают для повышения функциональных характеристик применительно к разным спортивным задачам. Возможность нескольких конфигураций стойки голени и регулировок при установках относительного расположения стопного киля и стойки голени формируют такую взаимозависимость между протезом ступни и стойкой голени, которая дает ампутанту и/или протезисту способность настраивать протез ступни для достижения максимально высоких функциональных характеристик при выполнении намеченного занятия из разнообразных спортивно-оздоровительных занятий.The
Другие стойки голени для протеза 1 стопы показаны на фиг.17-22 и включают в себя C-образные стойки 46 и 47 голени, S-образные стойки 48 и 49 голени и J-образные стойки 50 и 51 голени. Верхний конец стойки голени может также содержать прямую вертикальную концевую часть, к проксимальному концу которой крепится пирамидальная крепежная планка. Охватываемую пирамиду можно крепить к упомянутому вертикальному концу стойки голени болтами, проходящими сквозь данный вертикальный конец стойки голени, как показано на фиг.28-30 и 33-36. Другим вариантом осуществления проксимального крепления стойки могут быть задняя и/или передняя стороны приемной муфты ампутанта и/или другие компоненты протеза. В удлиненных отверстиях на проксимальном и дистальном концах стойки голени можно также предусмотреть пластиковые или алюминиевые вкладыши для подгонки под проксимальную охватываемую пирамиду и дистальный стопный киль. Протез стопы в соответствии с настоящим изобретением представляет собой модульную систему, конструктивно выполненную предпочтительно из стандартных узлов или со стандартными размерами для универсального и разнообразного применения. Примерная пирамидальная крепежная планка, прикрепляемая к проксимальной оконечности стойки голени, указана позицией 88 в варианте осуществления, показанном на фиг.28.Other lower leg racks for the prosthetic foot 1 are shown in FIGS. 17-22 and include C-
Все действия во время бега по беговой дорожке сопровождаются движением в направлении против часовой стрелки. Другой дополнительный признак настоящего изобретения состоит в учете сил, действующих на стопу, перемещаемую вперед вдоль такой кривой траектории. Центростремительное ускорение действует в направлении центра поворота, когда объект движется по криволинейной траектории. К силовому действию применим третий закон Ньютона. А именно, имеет место равная по величине и противоположно направленная реакция. Следовательно, для каждой «центростремительной» силы существует «центробежная» сила. Центростремительная сила действует к центру поворота, а центробежная сила, противодействующая сила, действует от центра поворота. Если спортсмен бежит вдоль замкнутой кривой по беговой дорожке, то центростремительная сила толкает бегуна к центру кривой, а центробежная сила отталкивает от центра кривой. Для противодействия центробежной силе, которая стремится наклонить бегуна наружу, бегун наклоняется внутрь. Если движение бегуна на повороте беговой дорожки всегда является направленным против часовой стрелки, то левая сторона находится внутри беговой дорожки. В результате, в соответствии с признаком настоящего изобретения левую сторону стоек голени у правого и левого протезов ступни можно делать тоньше, чем правую сторону, и можно повысить функциональные характеристики при беге ампутанта по кривой.All actions while running on a treadmill are accompanied by counterclockwise movement. Another additional feature of the present invention is to take into account the forces acting on the foot moving forward along such a path curve. Centripetal acceleration acts in the direction of the center of rotation when the object moves along a curved path. Newton’s third law applies to force. Namely, an equal and opposite reaction takes place. Therefore, for each “centripetal” force, there is a “centrifugal” force. The centripetal force acts toward the center of rotation, and the centrifugal force, the opposing force, acts from the center of rotation. If the athlete runs along a closed curve along the treadmill, then the centripetal force pushes the runner to the center of the curve, and the centrifugal force pushes away from the center of the curve. To counter the centrifugal force that tends to tilt the runner out, the runner leans inward. If the runner’s movement on the turn of the treadmill is always counterclockwise, the left side is inside the treadmill. As a result, in accordance with a feature of the present invention, the left side of the leg supports of the right and left foot prostheses can be made thinner than the right side, and functional characteristics can be improved when the amputee runs along a curve.
Каждый из стопных килей 2, 33, 38, 42 и 43 согласно нескольким вариантам осуществления имеет длину 29 см с пропорциями стопы 1, показанными в масштабе на фиг.3, 4 и 5 и на нескольких видах разных стоек голени и стопных килей. Однако специалисту в данной области техники несложно понять, что конкретные размеры протеза стопы могут изменяться в зависимости от размера, веса и других характеристик ампутанта, носящего стопу. Длина стойки голени и ее модуль упругости формируют ее потенциальные возможности и способность накапливать энергию упругой деформации. Данная накопленная энергия упругой деформации превращается посредством механической конструкции в динамическую мощность, которая обеспечивает направленное усилие с характеристиками направления и величины. Поэтому, чем больше длина стойки, тем больше толкающая сила. Точку проксимального крепления стойки для спортсменов с наивысшими функциональными показателями следует обеспечивать настолько более проксимально, насколько допускают компоненты протеза.Each of the foot keels 2, 33, 38, 42 and 43 according to several embodiments has a length of 29 cm with the proportions of the foot 1 shown on a scale in FIGS. 3, 4 and 5 and in several views of different legs of the lower leg and foot keels. However, one skilled in the art can readily understand that the specific dimensions of the prosthetic foot may vary depending on the size, weight and other characteristics of the amputee wearing the foot. The length of the tibial strut and its modulus of elasticity form its potential capabilities and the ability to accumulate elastic strain energy. This stored energy of elastic deformation is transformed by means of a mechanical structure into dynamic power, which provides a directed force with the characteristics of direction and magnitude. Therefore, the longer the strut, the greater the pushing force. The point of proximal fastening of a rack for athletes with the highest functional indicators should be provided as more proximal as the components of the prosthesis allow.
Ниже рассмотрено функционирование протеза 1 стопы в фазовых положениях шаговых циклов при ходьбе и беге. Основу кинематики движения стопы 2 составляют три закона механики Ньютона, которыми являются законы инерции, ускорения и действия-противодействия. Из третьего закона Ньютона, закона действия-противодействия, известно, что опора толкает ступню с силой, равной по величине и противоположной по направлению силе, с которой ступня давит на опору. Упомянутые силы известны под названием сил реакции опоры. Проведено множество научных исследований, касающихся действий человека во время шага, при беге и прыжках. Исследования на силовых пластинах показывают, как третий закон Ньютона действует во время шага. В результате данных исследований авторы определили направление нажима опоры на стопу.The following describes the functioning of the prosthetic foot 1 in the phase positions of the walking cycles when walking and running. The kinematics of
Фазу положений при ходьбе и беге можно дополнительно разбить на фазы торможения и ускорения. Когда протез стопы касается опоры, стопа давит на опору вперед, а опора отталкивает в обратном направлении с равной и противоположно направленной силой, т.е. опора отталкивает протез стопы назад. Данная сила заставляет протез стопы двигаться. Анализ фазы положений при ходьбе и беге начинается с точки контакта, представляющей собой заднелатеральный угол 18, см. фиг. 3 и 8, который смещен назад и в латеральную сторону по сравнению с медиальной стороной ступни. В начале контакта данное смещение вынуждает стопу выворачиваться наружу и стойку голени изгибаться в подошвенную сторону. Стойка голени всегда стремится в положение, в котором вес тела передается через данную стойку, например стойка голени стремится установить свой длинный вертикальный элемент в положение противодействия силам реакции опоры. Именно поэтому стойка перемещается назад - изгибается в подошвенном направлении, чтобы противодействовать силе реакции опоры, которая отталкивает стопу назад.The position phase during walking and running can be further divided into phases of braking and acceleration. When the prosthesis of the foot touches the support, the foot presses the support forward, and the support pushes in the opposite direction with equal and opposite forces, i.e. the support pushes the prosthetic foot back. This force makes the prosthetic foot move. An analysis of the phase of the positions when walking and running starts from the point of contact, which is the
Силы реакции опоры вынуждают стойки 44, 45, 46, 47, 50 и 51 голени сжиматься, что сопровождается движением назад проксимального конца. В стойках 48, 49 дистальный отдел, составляющий 1/2 от стойки голени, будет сжиматься в зависимости от ориентации дистальных вогнутых поверхностей. Если дистальная вогнутость сжимается в ответ на силы реакции опоры (GRF), то проксимальная вогнутость будет расширяться, и вся стойка голени будет перемещаться в заднем направлении. Силы реакции опоры вынуждают стойку голени сжиматься с перемещением проксимального конца назад. Меньший нижний радиус стойки голени сжимается, имитируя изгиб человеческого голеностопного сустава, и передний отдел стопы опускается при нажиме на опору. В то же время, задняя сторона стопного киля, представленная участком 4 заднего отдела стопы, указанным позицией 17, сжимается вверх вследствие сдавливания. Обе данные сжимающие силы оказывают амортизирующее удар действие. Амортизация удара дополнительно улучшается смещенной назад латеральной пяткой 18, которая вынуждает стопу выворачиваться наружу, что также оказывает амортизирующее удар действие после того, как стойка голени прекратила движение на изгиб в подошвенном направлении, и опора отталкивает стопу в заднем направлении.The reaction forces of the support force the
Затем сжатые элементы стопного киля и стойки голени начинают разгружаться, а именно они стремятся к своей исходной форме, и накопленная энергия освобождается, что вынуждает проксимальный конец стойки голени двигаться вперед с ускорением. Когда стойка голени достигает своего вертикального начального положения, силы реакции опоры изменяются от нажима назад на нажим на стопу вертикально вверх. Поскольку протез стопы содержит переднюю и заднюю нагружаемые области подошвенной поверхности, и данные области соединены ненагружаемым длинным дугообразным средним участком, то вертикально направленные силы от протеза вынуждают длинный дугообразный средний участок нагружаться путем распрямления. Задняя и передняя нагружаемые поверхности расходятся. Данные вертикально направленные силы накапливаются в длинном дугообразном среднем участке стопы по мере того, как силы реакции опоры перемещаются от естественного вертикального направления к направлению вперед. Стойка голени распрямляется, имитируя тыльное сгибание голеностопного сустава. Это вынуждает протез стопы поворачиваться от передней нагружаемой подошвенной поверхности. По мере того как происходит снятие весовой нагрузки, продольная дуга участка 5 среднего отдела стопы и распрямленная стойка голени изменяются по форме выходом из распрямленного состояния и стремятся к своей первоначальной форме, что вызывает имитацию траекторий и результирующих движений группы мышц-сгибателей подошвы. В результате, механические конструкции протеза высвобождают накопленную энергию упругой деформации в виде динамической мощности.Then, the compressed elements of the foot keel and tibia begin to unload, namely, they tend to their original shape, and the stored energy is released, which forces the proximal end of the tibia to move forward with acceleration. When the tibia strut reaches its vertical initial position, the reaction forces of the support change from pressing backwards to pressing the foot vertically upwards. Since the foot prosthesis contains the front and back loading areas of the plantar surface, and these areas are connected by an unloaded long arcuate middle section, vertically directed forces from the prosthesis force the long arcuate middle section to be loaded by straightening. The rear and front loading surfaces diverge. These vertically directed forces accumulate in the long arcuate midfoot of the foot as the reaction forces of the support move from the natural vertical direction to the forward direction. The tibia stance is straightened, simulating the back flexion of the ankle joint. This forces the prosthetic foot to turn from the front loaded sole surface. As the weight load is removed, the longitudinal arc of
Длинная дуга стопного киля и стойка голени сопротивляются распрямлению их соответствующих структур. В результате, поступательное движение вперед стойки голени задерживается, и стопа начинает поворачиваться от передней нагружаемой области подошвенной поверхности. Распрямление принадлежащего стопному килю участка среднего отдела стопы обладает способностью к высокой и низкой реакции в случае со стопными килями согласно примерам осуществления, показанным на фиг.3-5 и 8, фиг.11 и 12, фиг.13 и фиг.14. Поскольку переходная область между средним и передним отделами стопы данных стопных килей отклоняется на 15°-35° во внешнюю сторону от длинной оси стопы, то медиальная длинная дуга больше в длину, чем латеральная длинная дуга. Это важно потому, что в нормальной стопе во время ускорения или торможения используют медиальную сторону стопы.The long arch of the foot keel and the stance of the lower leg resist the straightening of their respective structures. As a result, the forward movement of the tibia is delayed, and the foot begins to turn from the front loading area of the plantar surface. The straightening of the midfoot portion of the foot keel has the ability to react high and low in the case of the foot keels according to the embodiments shown in FIGS. 3-5 and 8, FIGS. 11 and 12, FIG. 13 and FIG. 14. Since the transitional region between the midfoot and forefoot of these foot keels deviates 15 ° -35 ° to the outside of the long axis of the foot, the medial long arc is longer in length than the lateral long arch. This is important because in the normal foot, the medial side of the foot is used during acceleration or deceleration.
Более длинная медиальная дуга протеза стопы обладает большей характеристикой динамической реакции, чем латеральная дуга. Укороченный латеральный вынос пальцев стопы используют при ходьбе или беге с невысокими скоростями. Центр тяжести тела движется в пространстве по синусоидальной кривой. Он перемещается в медиальном, латеральном, проксимальном и дистальном направлениях. При ходьбе или беге с небольшими скоростями центр тяжести тела совершает более широкие медиальные и латеральные движения, чем при ходьбе или беге с большими скоростями. Кроме того, меньше момент или инерция и меньше способность справляться с более высокой динамической характеристикой. Протез стопы в соответствии с настоящим изобретением выполнен согласно данным принципам прикладной механики.A longer medial arch of the prosthetic foot has a greater dynamic response characteristic than the lateral arch. Shortened lateral extension of the toes of the foot is used when walking or running at low speeds. The body's center of gravity moves in space along a sinusoidal curve. It moves in the medial, lateral, proximal and distal directions. When walking or running at low speeds, the center of gravity of the body makes wider medial and lateral movements than when walking or running at high speeds. In addition, less torque or inertia and less ability to cope with a higher dynamic response. A prosthetic foot in accordance with the present invention is made in accordance with these principles of applied mechanics.
Кроме того, в среднем положении цикла человеческого шага центр тяжести тела находится в крайней латеральной точке своего движения. При перемещении из среднего положения к точке отрыва носка центр тяжести тела (BCG) перемещается из латерального положения в медиальное положение. В результате, центр тяжести тела переходит латеральную сторону стопного киля 2. Сначала (низкая передача) и по мере того как центр тяжести тела (BCG) двигается вперед, он перемещается в медиальном направлении на стопном киле 2 (высокая передача). Как следствие, стопный киль 2 протеза действует наподобие автоматической коробки передач. То есть он начинает движение на низкой передаче и переходит на высокую передачу при каждом шаге, который делает ампутант.In addition, in the middle position of the human step cycle, the center of gravity of the body is at the extreme lateral point of its movement. When moving from a mid-position to a toe-off point, the body's center of gravity (BCG) moves from a lateral position to a medial position. As a result, the center of gravity of the body crosses the lateral side of the
Поскольку силы реакции опоры толкают вперед протез стопы, который нажимает на опору назад, то, когда начинает подниматься пятка, передний участок длинной дуги участка среднего отдела стопы имеет такой профиль, чтобы прилагать упомянутые направленные назад силы перпендикулярно подошвенной поверхности данного участка. Данный способ является наиболее эффективным и результативным для приложения упомянутых сил. То же самое можно утверждать относительно заднего участка заднего отдела стопы протеза стопы. Он также имеет такую форму, чтобы направленные назад силы реакции опоры в начале контакта были противоположны подошвенной поверхности стопного киля, перпендикулярной направлению приложения упомянутых сил.Since the reaction forces of the support push the prosthesis of the foot forward, which presses the support back, when the heel begins to rise, the front section of the long arc of the midfoot section has such a profile that the mentioned backward forces are applied perpendicular to the plantar surface of this section. This method is the most effective and efficient for the application of the mentioned forces. The same can be said about the posterior portion of the hindfoot of the prosthetic foot. It also has such a shape that the backward reaction forces of the support at the beginning of the contact are opposite to the plantar surface of the foot keel, perpendicular to the direction of application of the mentioned forces.
На последних стадиях фаз подъема пятки и отталкивания носком при ходьбе и беге область пальцев стопы на участке переднего отдела стопы изогнута в тыльную сторону под углом 15°-35°. Данная вертикально продолжающаяся дуга позволяет направленным вперед силам реакции опоры сжимать данный участок стопы. Сопротивление упомянутому сжатию меньше, чем распрямлению, и происходит плавный переход в фазу свободного маха во время шага и бега на протезе стопы. На последних стадиях фазы стойки на протезе во время шага распрямляемая стойка голени и распрямляемая длинная дуга среднего отдела стопы высвобождают накопленную в них энергию дополнительно к направленному вперед и вверх толчку ведомой конечности и центра тяжести тела ампутанта.At the last stages of the heel lifting and pushing back with the toe during walking and running, the area of the toes of the foot in the anterior section of the foot is curved to the back at an angle of 15 ° -35 °. This vertically extending arc allows the forward reaction forces of the support to compress this portion of the foot. Resistance to said compression is less than straightening, and a smooth transition to the free swing phase occurs during step and run on the prosthetic foot. In the last stages of the prosthesis stance phase during the step, the rectified leg calf and the straightened long arc of the middle part of the foot release the energy stored in them in addition to the forward and upward push of the driven limb and the center of gravity of the amputee body.
Один из основных движительных механизмов во время шага человека называют активной толчковой фазой. Когда пятка поднимается, вес тела проходит впереди опорной конечности, и центр тяжести падает. Когда вес тела проходит через перекат переднего отдела стопы, показанный на фиг.5 линией C-C, имеет место направленное вниз ускорение, которое дает в результате максимальную вертикальную силу, воспринимаемую телом. Ускорение ноги вперед от голеностопного сустава, сопряженное с подъемом пятки, дает в результате направленный назад сдвиг по отношению к опоре. Когда центр давления перемещается вперед к оси поворота головок плюсневых костей, в результате еще более усиливается момент тыльного изгиба. Тем самым, создается состояние полного падения вперед, которое производит значительное усилие движения вперед, используемое при ходьбе. Признаками эффективного выполнения функции голеностопного сустава во время активного толчка являются подъем пятки, минимальное движение сустава и почти нейтральное положение голеностопного сустава. Устойчивый средний отдел стопы необходим для нормальной последовательности движения при подъеме пятки.One of the main motive mechanisms during a person’s step is called the active jerk phase. When the heel rises, the weight of the body passes in front of the supporting limb, and the center of gravity falls. When the body weight passes through the forefoot roll shown in Fig. 5 by the C-C line, downward acceleration takes place, which results in the maximum vertical force perceived by the body. The acceleration of the leg forward from the ankle joint, coupled with the rise of the heel, results in a backward shift in relation to the support. When the center of pressure moves forward to the axis of rotation of the heads of the metatarsal bones, the back bending moment is further enhanced. Thereby, a state of full fall forward is created, which produces a significant forward force used when walking. Signs of effective performance of the function of the ankle joint during an active push are the heel lift, minimal joint movement and an almost neutral position of the ankle joint. A stable midfoot is necessary for a normal sequence of movement when lifting the heel.
Задняя сторона заднего отдела стопы и участок переднего отдела стопы стопного киля содержат отверстия компенсационных пазов и компенсационные напряженные элементы в нескольких ранее упомянутых вариантах осуществления. При заданной ориентации отверстия компенсационных пазов действуют как косой шарнир, поэтому возможности двухплоскостного движения становятся совершеннее и тем самым повышают общие контактные характеристики подошвенной поверхности стопы при ходьбе по неровной местности.The rear side of the hindfoot and the forefoot portion of the foot keel comprise openings of the compensation grooves and compensatory stressed elements in several of the previously mentioned embodiments. For a given orientation, the openings of the compensation grooves act as an oblique hinge, so the possibilities of two-plane movement become more perfect and thereby increase the overall contact characteristics of the plantar surface of the foot when walking on uneven terrain.
Показанные на фиг.9-12 стопные кили для ампутантов с вычленением стопы Сайма заметно отличаются по возможностям динамических характеристик, поскольку данные возможности касаются действий при ходьбе, беге и прыжках. Данные стопные кили отличаются по четырем четко выделяющимся признакам. К данным признакам относится исполнение проксимального заднего участка среднего отдела стопы с вогнутой поверхностью для более удобного вмещения дистальной формы культи при вычленении стопы Сайма, чем в случае плоской поверхности. Кроме того, данная вогнутая поверхность уменьшает высоту стопного киля, который вмещает более длинную культю, которая характерна для ампутантов с вычленением стопы Сайма. Установочная вогнутая поверхность нуждается в том, чтобы соответствующие передний и задний радиусы дугообразного среднего участка стопного киля были более заметными и меньшего размера. В результате, становятся круче и меньше все радиусы длинной дуги среднего отдела стопы и радиусы заднего отдела стопы. Это сильно влияет на характеристики динамических реакций. Радиусы меньшего размера производят меньше потенциальной энергии для динамической реакции. Однако протез стопы быстрее реагирует на все вышеупомянутые силы реакции опоры при ходьбе, беге и прыжках. В результате, получается более быстродействующая стопа с меньшей динамической реакцией.Shown in Figs. 9-12, the foot keels for amputees with the isolation of the Saima foot noticeably differ in terms of dynamic characteristics, since these possibilities relate to actions when walking, running and jumping. These foot keels differ in four distinct features. These signs include the execution of the proximal posterior portion of the midfoot with a concave surface for more convenient placement of the distal stump when isolating the Saima foot than in the case of a flat surface. In addition, this concave surface reduces the height of the foot keel, which accommodates a longer stump, which is typical for amputants with articulation of the Saimaa foot. The installation concave surface requires that the corresponding front and rear radii of the arched middle portion of the foot keel are more visible and smaller. As a result, all the radii of the long arch of the midfoot and the radii of the hindfoot become steeper and smaller. This greatly affects the characteristics of dynamic reactions. Smaller radii produce less potential energy for a dynamic reaction. However, the prosthetic foot responds faster to all of the aforementioned reaction forces of the support when walking, running and jumping. As a result, a faster foot with less dynamic response is obtained.
Повышения двигательных показателей спортсмена, выполняющего конкретную задачу, можно добиться изменениями относительного расположения при использовании протеза стопы в соответствии с настоящим изобретением, поскольку упомянутые изменения относительного расположения влияют на вертикальные и горизонтальные составляющие силы и движения для каждой задачи. Человеческая стопа представляет собой универсальный аппарат, который может идти, бежать и прыгать. Напротив, конструкция стойки голени, имитирующей человеческие большеберцовую и малоберцовую кости, не является универсальным аппаратом. Упомянутая конструкция представляет собой простой рычаг, который прилагает свои усилия при осуществлении действий, связанных с ходьбой, бегом и прыжками, параллельно своему длинному проксимально-дистальному направлению. Стойка представляет собой несжимаемую конструкцию и не способна накапливать энергию. С другой стороны, протез стопы в соответствии с настоящим изобретением обладает возможностями динамического реагирования, поскольку данные возможности динамического реагирования связаны с компонентами горизонтальной и вертикальной линейных скоростей движения спортсмена во время ходьбы, бега и прыжков и превосходят по функциональным характеристикам большеберцовую и малоберцовую кости человека. В результате, существует возможность совершенствования функциональных характеристик занимающегося спортом ампутанта. С этой целью в соответствии с настоящим изобретением крепежное средство 8 ослабляют и регулируют относительное расположение стойки голени и стопного киля друг относительно друга в продольном направлении стопного киля. Данное изменение показано в связи с фиг.1 и 2. Затем стойку голени закрепляют к стопному килю в отрегулированном положении крепежным средством 8. В ходе данной регулировки винт крепежного средства 8 сдвигается относительно одного или обоих противоположных, относительно более длинных, продольно удлиненных отверстий 9 и 10 соответственно в стопном киле и стойке голени.Improving the motor performance of an athlete performing a specific task can be achieved by changing the relative position when using the prosthetic foot in accordance with the present invention, since the said changes in the relative position affect the vertical and horizontal components of the force and movement for each task. The human foot is a universal apparatus that can walk, run and jump. On the contrary, the design of the tibia, which imitates the human tibia and fibula, is not a universal apparatus. The mentioned design is a simple lever that exerts its efforts in the implementation of actions related to walking, running and jumping, parallel to its long proximal-distal direction. The stand is an incompressible structure and is not able to accumulate energy. On the other hand, the prosthetic foot in accordance with the present invention has dynamic response capabilities, since these dynamic response capabilities are associated with components of horizontal and vertical linear speeds of the athlete during walking, running and jumping and are superior in functional characteristics to the tibia and fibula of a person. As a result, it is possible to improve the functional characteristics of an amputee involved in sports. To this end, in accordance with the present invention, the fastening means 8 weaken and adjust the relative position of the tibia and foot keel relative to each other in the longitudinal direction of the foot keel. This change is shown in connection with FIGS. 1 and 2. Then, the tibia leg is fixed to the foot keel in the adjusted position by the fastening means 8. During this adjustment, the screw of the fastening means 8 is shifted relative to one or both of the opposite, relatively longer, longitudinally
Изменение относительного расположения, которое вызывает повышение функциональной характеристики бегуна, который вступает в начальный контакт с опорой на полную стопу, как спринтер с приземлением на средний отдел стопы, например, состоит в том, что стопный киль сдвигают вперед относительно стойки голени и стопу изгибают в подошвенную сторону на стойке голени. Данное новое относительное расположение усиливает горизонтальную составляющую бега. А именно, когда стойка голени имеет изгиб в подошвенную сторону к стопе и стопа вступает в контакт с опорой при плоском положении стопы в противоположность начальному контакту пяткой, опора сразу же толкает назад стопу, которая нажимает на опору в переднем направлении. Данное воздействие вынуждает стойку голени быстро двигаться вперед (за счет распрямления) и вниз. Силы динамических реакций формируются вследствие распрямления, которое оказывает сопротивление направлению начального движения стойки голени. В результате, стопа поворачивается относительно нагружаемой области подошвенной плюсневой поверхности. Это вынуждает принадлежащий стопному килю участок среднего отдела стопы распрямляться, причем сопротивление данному распрямлению сильнее, чем сжатию. Суммарное действие распрямления стойки голени и распрямления среднего отдела стопы состоит в том, что дальнейшему поступательному движению стойки голени вперед оказывается сопротивление, что позволяет разгибателям колена и разгибателям тазобедренного сустава в теле пользователя перемещать центр тяжести тела в переднем и проксимальном направлении эффективнее (т.е. с повышенной горизонтальной скоростью). В данном случае больше вперед, чем вверх, в отличие от случая с бегуном, двигающимся с пятки на носок, когда поступательному движению стойки голени вперед оказывается меньшее сопротивление из-за того, что стойка голени начинается с большего тыльного (вертикального) сгибания, чем в случае с бегуном, опускающимся на полную стопу.A change in the relative position, which causes an increase in the functional characteristics of the runner who makes initial contact with the support on the full foot, like a sprinter landing on the middle part of the foot, for example, is that the foot keel is shifted forward relative to the tibia and the foot is bent into the plantar side on the tibia. This new relative arrangement enhances the horizontal component of the run. Namely, when the tibia has a bend in the plantar side to the foot and the foot comes into contact with the support when the foot is flat, as opposed to the initial contact with the heel, the support immediately pushes the foot back, which presses the support in the forward direction. This effect forces the tibia to quickly move forward (due to straightening) and down. The forces of dynamic reactions are formed due to straightening, which resists the direction of the initial movement of the tibia. As a result, the foot rotates relative to the loaded area of the plantar metatarsal surface. This forces the portion of the midfoot belonging to the foot keel to straighten, and the resistance to this straightening is stronger than compression. The total effect of straightening the tibia and straightening the midfoot is that there is resistance to the further forward movement of the tibia, which allows the knee extensors and extensors of the hip joint in the user's body to move the center of gravity of the body in the anterior and proximal directions more efficiently (i.e. with increased horizontal speed). In this case, it is more forward than upward, in contrast to the case of a runner moving from heel to toe, when the forward movement of the tibia forward is less resistant due to the fact that the tibia begins with a larger back (vertical) flexion than case with a runner lowering to the full stop.
Для анализа спринтерской стопы в процессе функционирования произведено изменение относительного расположения стойки голени и стопного киля. Преимущества обеспечивает стопный киль, у которого продольные оси всех его вогнутых поверхностей ориентированы параллельно фронтальной плоскости. Стойка голени изогнута в подошвенном направлении и сдвинута назад на стопном киле. Это уменьшает дистальные окружности еще больше, чем у бегуна с опусканием на полную стопу с универсальным стопным килем, аналогичным килю, показанному, например, на фиг.3-5 и 8. В результате, потенциал движения по горизонтали еще выше, и динамическая реакция направлена на совершенствование возможностей данного движения по горизонтали.To analyze the sprint foot during operation, a change was made in the relative location of the tibia and foot keel. Advantages are provided by the foot keel, in which the longitudinal axes of all its concave surfaces are oriented parallel to the frontal plane. The tibia is bent in the plantar direction and pushed back on the foot keel. This reduces the distal circles even more than the runner with lowering to a full foot with a universal stop keel similar to the keel shown, for example, in Figures 3-5 and 8. As a result, the horizontal movement potential is even higher, and the dynamic reaction is directed to improve the capabilities of this movement horizontally.
Спринтеры характеризуются увеличенными размахом движений, силами и моментами (инерции), причем момент является главным движителем. Поскольку их фаза торможения в фазе стойки на протезе короче, чем их фаза ускорения, достигаются увеличенные горизонтальные линейные скорости. Это означает, что в фазе начального контакта, когда носок касается опоры, опора толкает стопу назад, а стопа нажимает на опору вперед. Стойка голени, которая характеризуется увеличенными силами и моментом, принуждается к еще большему изгибу и направленному вниз перемещению, чем у бегуна с начальным контактом на полную стопу. В результате действия данных сил длинная дугообразная вогнутая поверхность стопы подвергается растяжению, и стойка голени подвергается растяжению. Сопротивление, оказываемое данным силам растяжения, превосходит сопротивление всем остальным ранее упомянутым силам, связанным с бегом. В результате, возможность динамического реагирования стопы пропорциональна приложенной силе. Реакция стойки голени, имитирующей человеческие большеберцовую и малоберцовую кости, лишь связана с энергетическим потенциалом сил, поскольку данная стойка имеет прямолинейную конструкцию и не может накапливать энергию. Упомянутые усилия растяжения в протезе стопы согласно настоящему изобретению при спринтерском беге больше по величине, чем все остальные ранее упомянутые силы, связанные с ходьбой и бегом. В результате, возможность динамического реагирования стопы пропорциональна прилагаемым силам, и поэтому двигательные показатели спортсмена с ампутированной ногой можно повысить в сравнении с функциональными показателями человеческого тела.Sprinters are characterized by increased range of motion, forces and moments (inertia), and the moment is the main mover. Since their braking phase in the stance phase of the prosthesis is shorter than their acceleration phase, increased horizontal linear velocities are achieved. This means that in the initial contact phase, when the toe touches the support, the support pushes the foot backward and the foot pushes the foot forward. The tibia, which is characterized by increased forces and moment, is forced to even more bend and downward movement than a runner with initial contact on a full foot. As a result of the action of these forces, the long arched concave surface of the foot is stretched, and the tibia is stretched. The resistance exerted by the given tensile forces exceeds the resistance to all the other previously mentioned forces associated with running. As a result, the dynamic response of the foot is proportional to the applied force. The reaction of the tibial strut, which imitates the human tibia and fibula, is only related to the energy potential of the forces, since this strut has a straight structure and cannot accumulate energy. The mentioned tensile forces in the prosthetic foot according to the present invention during sprinting are larger in size than all the other previously mentioned forces associated with walking and running. As a result, the possibility of dynamic response of the foot is proportional to the applied forces, and therefore, the motor performance of an athlete with an amputated leg can be increased in comparison with the functional indicators of the human body.
Протез 53 стопы, изображенный на фиг.25, напоминает протез на фиг.3 за исключением регулируемого крепежного приспособления между стойкой голени и стопным килем и конструкции верхнего конца стойки голени для соединения с нижним концом пилона ножного протеза. В данном примерном варианте осуществления стопный киль 54 соединен с возможностью регулировки со стойкой 55 голени соединительной деталью 56 из пластика или металлического сплава. Соединительная деталь крепится к стопному килю и стойке голени соответствующими съемными крепежными средствами 57 и 58, которые разнесены друг от друга в соединительной детали в направлении, совпадающем с продольным направлением стопного киля. Крепежное средство 58, присоединяющее соединительную деталь к стойке голени, смещено назад по отношению к крепежному средству 57, соединяющему стопный киль с соединительной деталью. Благодаря увеличению тем самым действующей длины стойки голени повышены возможности динамического реагирования самой стойки голени. Изменения относительного расположения выполняют во взаимодействии с продольно удлиненными отверстиями в стойке голени и стопном киле, как и в других примерах осуществления.The
В верхнем конце стойки 55 голени выполнено удлиненное отверстие 59 для вмещения пилона 15 ножного протеза. Вставленный в отверстие пилон ножного протеза можно надежно зажать в стойке голени завертыванием болтов 60 и 61 для стягивания свободных боковин 62 и 63 стойки голени по длине отверстия. Описанное соединение пилона ножного протеза можно легко отрегулировать, для чего ослабляют болты, сдвигают пилон ножного протеза в заданное положение относительно стойки голени и снова зажимают пилон ножного протеза в отрегулированном положении завертыванием болтов.At the upper end of the
Протез 70 стопы, показанный на фиг.28-32, аналогичен протезам стопы, представленным на фиг.3-5, 8, 23 и 24 и на фиг.25-27, но дополнительно содержит ограничитель размаха движения стойки голени и амортизирующее устройство 71 на стопе для ограничения протяженности перемещения верхнего конца стойки голени путем приложения и снятия силовой нагрузки на стойку голени во время использования стопы ампутантом. Упомянутый отличительный признак особенно полезен в протезе стопы, содержащем относительно длинную стойку голени, когда пользователь планирует заниматься такими видами, как бег и прыжки, в процессе которых в стойке голени развиваются усилия, во много раз большие, чем вес тела пользователя, например при беге - в 5-7 раз больше веса тела, а при прыжках - в 11-13 раз больше веса тела. Напротив, силы, развиваемые при ходьбе, составляют только 1-11/2 веса тела.The
Устройство 71 в примерном варианте осуществления представляет собой поршневой узел двухстороннего действия, в который подаются под давлением текучие среды, газ, например воздух, или гидравлическая жидкость через штуцеры 73 и 74. Устройство содержит два плавных регулятора, один на сжатие и один на выдвижение, которые допускают регулировку допустимой протяженности перемещения верхнего конца стойки 72 голени как при сжатии, так и при распрямлении стойки голени в ходе приложения и снятия нагрузки. Устройство 71 также поглощает энергию, накапливаемую или высвобождаемую во время сжатия и распрямления стойки голени. Противоположные концы поршневого устройства 71 присоединены к верхнему концу стойки голени, нижнему участку стопы и, предпочтительно, в примерном варианте осуществления, к соответствующим концам стойки голени в шарнирных соединениях 75 и 76, которые предпочтительно являются сферическими шарнирами.The
Перемещение верхнего конца стойки 72 голени стопы 70 во время сжатия и распрямления стойки голени показано на фиг.32. Стойка голени имеет, в целом, форму такой параболы, что верхний конец стойки голени может перемещаться продольно относительно стопного киля 77, с нижним концом стойки голени, прикрепленным к стопному килю, например, в направлении A-A, показанном на фиг.5 и 32, при сжатии и распрямлении стойки голени во время приложения и снятия нагрузки на стойку голени. Следовательно, в примерном варианте осуществления, показанном на фиг.28-32, сохраняются повышенные характеристики динамических реакций стопы протеза.The movement of the upper end of the tibia of the tibia of the
Устройство 71 не ограничено вышеописанным поршневым узлом, а может представлять собой другое устройство управления скоростью и/или ограничения перемещения. Например, можно представить, что амортизирующее устройство 71 ограничения предела перемещения назад, применяемое на стойке голени протеза стопы, может представлять собой микропроцессорный гидравлический блок для управления фазами сжатия и распрямления, например блок такого типа, которые в настоящее время применяются для управления движением в искусственных коленных суставах. В данном случае предусмотрены встроенные датчики, которые считывают перемещения человека и настраиваются под них. При использовании специального программного обеспечения и персонального компьютера (PC) можно выполнять точные регулировки гидравлического блока с микропроцессорным управлением для его подстройки под ампутанта. Моменты можно измерять в темпе до 50 раз в секунду, чтобы обеспечивать как можно большую идентичность динамики шага с естественной ходьбой. Благодаря ответным реакциям гидравлического блока он пригоден для самых разных ампутантов без нижних конечностей. Ионно-литиевая батарея, заряженная в устройство, обеспечивает достаточно энергии для работы гидравлического блока в течение полных суток. Сопротивление сжатию регулируется независимо от регулировок распрямления. Несколько встроенных датчиков выдают поток данных для анализа шага во встроенный микропроцессор, который автоматически подстраивает стойку и изменяет характеристики устройства в фазах шага в темпе 50 раз в секунду.The
Данный гидравлический блок с микропроцессорным управлением устройства 71 более чувствителен, чем механический гидравлический блок. Электрически управляемый клапан хода сжатия (сгибания в сторону подошвы) производит настройку 50 раз в минуту. Клапан хода сжатия в блоке автоматически полностью открывается в фазе перед шагом. В результате, блок очень легко сжимается при сгибании на низких скоростях, в ограниченном пространстве, и в аналогичных условиях. Скорость серводвигателя блока позволяет ему очень быстро закрывать клапаны хода сжатия (сгибания в сторону подошвы) и хода распрямления с тыльным сгибанием по командам микропроцессора, посылаемым 50 раз в секунду. Когда клапаны почти закрыты, усилие демпфирования блока становится очень большим, что позволяет быстро ходить и даже бежать. Однозначно определяемый коэффициент динамичности, регулируемый протезистом, позволяет оптимизировать гидравлический блок в соответствии с характеристиками всех походок, от медленной до энергичной, с высокими скоростями и быстрыми перемещениями при ходьбе. Данная возможность «настройки» гидравлического блока с микропроцессорным управлением в соответствии с индивидуальной однозначно определенной характеристикой походки позволяет получить широкий диапазон изменения темпов шага в протезе стопы при высокоэффективной и удобной ходьбе. То есть применение микропроцессорного гидравлического блока в качестве устройства 71 совершенствует регулируемый темп шага, необходимый, когда протез стопы применяется активными ампутантами.This microprocessor-controlled
Продольно продолжающийся стопный киль 77 протеза 70 стопы, показанного на фиг.28-32, содержит участки переднего отдела стопы, среднего отдела стопы и заднего отдела стопы аналогично стопным килям, показанным на фиг.3 и 25. Стойка 72 голени стопы прикреплена к стопному килю соединительной деталью 78 с двумя продольно разнесенными съемными крепежными средствами 79 и 80, прикрепляющими соединительную деталь соответственно к стойке голени и стопному килю, как в примерном варианте осуществления, показанном на фиг.25-27. Стойка 72 голени содержит продольно продолжающийся компенсационный паз 81 между концами стойки голени. Отверстия 82 и 83 компенсационного паза расположены на концах компенсационного паза. Принадлежащие стопному килю участки переднего отдела стопы и заднего отдела стопы также выполнены с соответствующими компенсационными пазами, как видно из фиг.29, 30 и 31.A longitudinally extending
Муфта протеза, соединяемая с низом культи ампутанта, крепится к верхнему концу стойки 72 голени через переходник 85, закрепленный на верхнем конце стойки голени крепежными средствами 86 и 87, как показано на чертежах. Переходник содержит крепежный узел 88 в форме перевернутой пирамиды, соединенный с крепежной планкой, закрепленной на верхней поверхности переходника. Пирамидальный узел вмещается имеющим ответную форму гильзовым узлом на зависимой муфте протеза, предназначенным для соединения протеза стопы с муфтой протеза. Соединение данного типа показано в варианте осуществления, представленном на фиг.34-36.A prosthetic sleeve connected to the bottom of the stump of the amputee is attached to the upper end of the
Ограничивающее перемещение и демпфирующее устройство 71 в примерном варианте осуществления, показанном на фиг.28-32, ограничивает протяженность перемещения верхнего конца стойки голени как при сжатии, так и при распрямлении стойки голени, однако можно применить аналогичное устройство, которое ограничивает протяженность перемещения верхнего конца стойки голени только при каком-то одном ходе из ходов сжатия и распрямления. Ограничивающее перемещение и демпфирующее устройство 84, ограничивающее только распрямление верхнего конца стойки голени при приложении и снятии силовой нагрузки, показано в примерном варианте осуществления, представленном на фиг.33. Устройство 84 на данной фигуре представляет собой гибкую ленту, которая допускает ограниченное упругое растяжение и, тем самым, распрямление стойки голени, но не ограничивает перемещение верхнего конца стойки голени во время приложения сжимающей нагрузки на стойку голени. Данное упругое устройство 84 может быть натянуто при его применении, вследствие чего упругое устройство предрасполагает проксимальный конец стойки к перемещению в заднем направлении. Устройство 84 не обязательно должно быть в форме ленты, а может иметь другую форму, например можно применить цилиндрическую пружину или множество цилиндрических пружин в качестве ограничивающего перемещение и демпфирующего устройства, которое допускает ограниченное упругое растяжение и которое накапливает энергию во время приложения силовой нагрузки и высвобождает накопленную энергию при снятии силовой нагрузки во время шага.The travel limiting and damping
На фиг.34-36 представлена стойка 90 голени, выполненная с голеностопным суставом как монолитный упругий элемент, эту стойку голени можно использовать со стопным килем 77 протеза стопы, показанного на фиг.28-32, или с одним из других стопных килей. Стойка 90 голени имеет, в общем, параболическую форму с наименьшим радиусом кривизны стойки на ее нижнем конце и продолжается вверх и первоначально вперед с изменением до относительно больших радиусов на проксимальном конце стойки. Обращенная назад вогнутая поверхность сформирована линией изгиба стойки голени, показанной на фиг.34. Дистальный конец стойки голени содержит продольно продолжающееся отверстие 91, которое вместе с соединительной деталью 78, съемными крепежными средствами 79 и 80 и продольно продолжающимся отверстием в стопном киле допускает регулировку расположения стойки голени и стопного киля друг относительно друга в продольном направлении, когда крепежные средства 79 или 80 ослабляют или разъединяют для настройки функциональных характеристик протеза стопы в соответствии с конкретной задачей.On Fig-36 presents the
Дистальный конец стойки 90 голени изогнут более резко, например обладает меньшими радиусами кривизны, чем у стойки 72 голени, показанной на фиг.28-32, и продолжается вверх и вперед на меньшее продольное расстояние. Форма данной стойки голени производит более благоприятное внешнее впечатление. То есть дистальный конец данной стойки точнее расположен в области голеностопного сустава, где обычно должны располагаться медиальная и латеральная лодыжки внешней оболочки протеза стопы, выполненной по форме человеческой стопы. Стойка стопы лучше вкладывается во внешнюю оболочку протеза стопы. Функциональные характеристики стойки позволяют данной стойке быстрее реагировать на силы реакции опоры в фазе начального контакта, но с более жесткой характеристикой динамической реакции, чем в случае со стойкой голени, отличающейся более широкой параболой, например более длинными вышеописанными радиусами кривизны. Таким образом, активные личности, которые занимаются бегом и прыжками на протезе стопы, будут получать преимущество от использования более широкой параболы или радиуса кривизны, которая(ый) дает возможность достигать большей горизонтальной скорости.The distal end of the
Стойка 90 голени, показанная на фиг.34-36, дополнительно содержит центровочное соединительное устройство 92, расположенное между пластиковым или металлическим переходником 93, присоединенным к верхнему концу стойки крепежными средствами 94 и 95, и нижний конец муфты 96 протеза прикреплен к культе пользователя. Пользователь может быть, например, ампутантом с ампутацией ноги выше колена или ниже колена. Центровочное соединительное устройство содержит пару направляющих 97 и 98 скольжения, расположенных под прямыми углами друг к другу, в плоскостях, параллельных опоре. Относительное расположение компонентов каждой направляющей скольжения можно регулировать ослаблением резьбовых крепежных деталей 99 для регулирования соответствующих направляющих 97 и 98 скольжения с изменением относительной ориентации муфты протеза относительно стойки голени и стопного киля протеза стопы. Верх переходника 93, поддерживающего устройство 92, предпочтительно параллелен опоре в фазе шага с протезом стопы.The
Верх верхней направляющей 98 скольжения устройства 92 содержит узел 101 в форме перевернутой пирамиды, закрепленной на данной направляющей скольжения, который зажимают с возможностью регулировки в соответствующем крепежном узле 102 на муфте 96 протеза посредством резьбовых крепежных деталей 103. Данное соединение узлов 101 и 102 одного с другим допускает изменение угла - сгибание/распрямление и абдукцию/аддукцию - между муфтой протеза и стопой. Направляющие скольжения устройства 92 допускают медиально-латеральные и передне-задние линейные установочные регулировки. Таким образом, устройство 92 представляет собой центрирующее приспособление, которое допускает перемещение муфты протеза во всех направлениях, что влияет на то, каким образом силы реакции опоры реагируют на воздействия механических конструкций стойки голени и стопного киля.The top of the upper sliding
Стопный киль 110, показанный на фиг.37 и 38, и стопный киль 120, показанный на фиг.39 и 40, представляют собой дополнительные примерные варианты осуществления стопных килей, которые можно применить в протезе стопы в соответствии с настоящим изобретением. Стопные кили предназначены для правой стопы и имеют идентичные конструкции за исключением участка заднего отдела стопы. Медиальная и латеральная стороны двух стопных килей имеют одинаковую форму. В стопном киле 110 выполнен сагиттальный вырез в области заднего отдела стопы с образованием идентичных латеральных и медиальных компенсационных напряженных элементов 111 и 112, разделенных продольно продолжающимся компенсационным пазом или прорезью 113. Пяточная область 114 на заднем конце стопного киля 110 параллельна фронтальной плоскости, например перпендикулярна продольной оси А-А стопного киля. Аналогично, тыльная вогнутая поверхность 115 заднего отдела стопы стопного киля характеризуется собственной продольной осью F-F, направленной параллельно фронтальной плоскости, например, под прямыми углами к продольной оси A-A, т.е. угол Δ равен 90°.
Стопный киль 120, в противоположность стопному килю 110, не содержит сагиттального выреза в области заднего отдела стопы, но содержит собственную тыльную вогнутую поверхность 121 заднего отдела стопы с таким вырезом, что продольная ось F′-F′ вогнутой поверхности поперечно наклонена к фронтальной плоскости, например составляет тупой угол Δ′ с продольной осью A-A, предпочтительно 110-125°, причем латеральная сторона выступает дальше вперед по сравнению с медиальной стороной. Благодаря такой ориентации тыльной вогнутой поверхности латеральный компенсационный напряженный элемент 122 обладает меньшей толщиной вдоль большей длины, чем медиальный компенсационный напряженный элемент 123, и вследствие этого, фактически, имеет большую длину и большую гибкость, чем напряженный элемент 123. Упомянутая большая гибкость делает задний отдел стопы предрасположенным к реагированию на силы реакции опоры в фазе начального контакта выворотом наружу, что служит механизмом амортизации удара. Это способствует эффективной передаче усилий центра тяжести тела через задний отдел стопы стопного киля при походке для обеспечения более нормальной характеристики шага.The
Протез 124 стопы, показанный на фиг.41 и 42, содержит стопный киль 165, стойку 126 голени и заднее 125 устройство голени для накопления дополнительной энергии при движении вперед верхнего конца стойки голени во время шага. То есть в активной толчковой фазе шага силовая нагрузка на упругий протез распрямляет расположенную в сагиттальной плоскости вогнутость стойки 126, образованную обращенным вперед выпукло-изогнутым участком 127 стойки голени, что приводит к перемещению вперед верхнего конца стойки голени. Гибкая лента 128 устройства 125 присоединена к верхнему участку стойки голени и нижнему участку стопы протеза, а именно к соединительной детали 129, которая соединяет стойку голени и стопный киль вышеописанным образом. Длина гибкой ленты, которая может быть эластичной и/или не эластичной, натянута во время шага и может регулироваться с помощью скользящего регулировочного приспособления 130, расположенного между соединенных внахлестку участков длины ленты.The
Две пружины 131 и 132 регулируемо закреплены их основаниями на верхнем конце стойки голени между стойкой голени и переходником 133, прикрепленным к стойке голени крепежными элементами 134. Нижние свободные концы пружин установлены в положение взаимодействия с гибкой лентой. Когда лента натягивается, пружины изменяют направление продольной протяженности ленты. Перемещение верхнего конца стойки голени во время шага натягивает/дополнительно натягивает (если к ленте предварительно приложена нагрузка натяжения) ленту и нагружает/дополнительно нагружает пружины для накопления энергии при приложении силовой нагрузки на протез стопы во время шага. Данная накопленная энергия возвращается пружинами при снятии силовой нагрузки на протез стопы для повышения динамической мощности толкающей силы, производимой протезом стопы во время шага.The two
Когда лента 128 укорачивается до первоначальной предварительной нагрузки ленты на натяжение перед применением протеза стопы, натяжение ленты служит для поддержки перемещения назад верхнего конца упругого элемента, а также для регулирования перемещения вперед стойки голени при пользовании протезом. Поддержка перемещения назад может быть полезной для обеспечения быстрой реакции плоской стопы протеза стопы в момент удара пяткой в начальной фазе во время шага аналогично тому, что происходит в стопе и голеностопном суставе человека во время шага при ударе пяткой, когда имеет место подошвенное сгибание стопы.When the
Как усиленное перемещение назад верхнего конца упругой стойки голени, так и регулируемое перемещение вперед верхнего конца упругой стойки голени при применении протеза с задним устройством 125 голени позволяют эффективно изменять коэффициент трансформации голеностопных крутящих моментов протеза стопы во время шага путем воздействия на изменение характеристики изгиба в сагиттальной плоскости, определяющей продольное перемещение верхнего конца стойки голени, в ответ на приложение и снятие силовой нагрузки при применении пользователем протеза стопы. По ранее опубликованным данным естественный физиологический коэффициент трансформации голеностопных крутящих моментов в стопе человека во время шага, определяемый как результат деления максимального голеностопного момента тыльного изгиба, который возникает в конечный момент стойки на протезе во время шага, на голеностопный момент подошвенного изгиба, создаваемый в момент начальной реакции на нагрузку плоской ступни после удара пяткой во время шага, составляет 11,33 к 1. Целью изменения характеристики изгиба в сагиттальной плоскости, определяющей продольное перемещение верхнего конца стойки голени с задним устройством 125 голени, является увеличение коэффициента трансформации голеностопных крутящих моментов протеза для имитации коэффициента, который возникает в человеческой стопе во время шага. Упомянутая цель важна для обеспечения правильной походки на протезе и, для лиц с одной естественной стопой и одной стопой протеза, для обеспечения симметричной походки. В предпочтительном варианте, путем регулирования перемещения вперед и, возможно, поддержки движения назад с помощью заднего устройства 125 голени, коэффициент трансформации голеностопных крутящих моментов протеза увеличивают настолько, что упомянутый максимальный голеностопный момент тыльного изгиба, который возникает в протезе, на порядок больше, чем упомянутый голеностопный момент подошвенного изгиба в этом же протезе. В более предпочтительном варианте коэффициент трансформации голеностопных крутящих моментов увеличивается до величины около 11:1, что сравнимо с известным по публикациям естественным коэффициентом трансформации голеностопных крутящих моментов 11,33:1.Both the enhanced rearward movement of the upper end of the elastic lower leg strut and the adjustable forward movement of the upper end of the elastic lower leg strut when using the prosthesis with the rear
Дополнительной целью заднего устройства голени является повышение эффективности протеза стопы во время шага посредством накопления в пружинах 131 и 132 устройства дополнительной энергии упругой деформации во время приложения силовой нагрузки к протезу и возвращения накопленной энергии упругой деформации во время снятия силовой нагрузки для повышения динамической мощности толкающей силы, производимой протезом стопы во время шага. Можно считать, что устройство 125 выполняет в протезе стопы такую же функцию, которую выполняет мускулатура голени в человеческой стопе, голеностопном суставе и голени человека во время шага, а именно эффективно порождает толкающую силу, действующую на тело человека во время шага, с использованием потенциальной энергии, производимой в теле во время приложения силовой нагрузки на стопу, и преобразованием данной потенциальной энергии в кинетическую энергию для создания толкающей силы во время снятия силовой нагрузки со стопы. Достижение или даже превышение показателей эффективности человеческой стопы в протезе стопы в соответствии с настоящим изобретением с задним устройством голени является важным, например, для восстановления «нормального функционирования» ампутанта.An additional goal of the posterior calf device is to increase the effectiveness of the foot prosthesis during the step by accumulating additional elastic deformation energy in the
Управление перемещением вперед верхнего конца стойки 126 голени посредством заднего устройства 125 голени помогает ограничить предел перемещения вперед верхнего конца стойки голени, как в предыдущих вариантах осуществления, показанных на фиг.28-33. Стопный киль в протезе 124 стопы, при распрямлении его упругой продольной дуги, также вносит вклад в накопление энергии во время приложения силовой нагрузки во время шага. Данная потенциальная энергия возвращается в виде кинетической энергии для создания толкающей силы во время снятия нагрузки во время шага. В данном варианте осуществления комбинированная характеристика высокой/низкой динамической реакции обеспечивается в результате того, что принадлежащий стопному килю участок среднего отдела стопы выполнен в виде продольной дуги, отличающейся на медиальной стороне большим радиусом и относительно более высокой характеристикой динамической реакции, чем на латеральной стороне дуги, как изложено выше в связи с вариантами осуществления, показанными на фиг.3-5 и 8. Однако стопный киль для спринта, типа показанного на фиг.6 и 7, или стопный киль для ампутантов с вычленением стопы Сайма, описанный со ссылками на фиг.9 и 10, можно применять в протезе 124 стопы.Controlling forward movement of the upper end of the
Протез 135 стопы, показанный на фиг.43-45, содержит заднее устройство 136 голени, аналогичное устройству в варианте осуществления, показанном на фиг.41 и 42, за тем исключением, что гибкая лента 137 регулируемой длины закреплена между верхним концом стойки голени и передним концом стопного киля при помощи соединительного троса 138. Концы троса 138 присоединены к соответствующим концам медиального и латерального передних напряженных элементов 139 и 140, разделенных компенсационным пазом 141. Трос продолжается назад и затем вверх через шкивы 142 и 143, установленные на соединительной детали 144, к полукруглому оборотному элементу 145, прикрепленному к дистальному концу ленты 137. Упругая дуга стопного киля, а также пружина 146, закрепленная на верхнем конце стойки голени и соединяющаяся с лентой, как в варианте осуществления, показанном на фиг.41 и 42, применены для накопления и возврата энергии для увеличения толкающей силы, развиваемой протезом ступни во время шага вышеописанным образом.The
Переходник 133 на фиг.43 является охватываемым пирамидальным переходником, тогда как переходник на фиг.41 и 42 является охватывающим переходником по настоящему изобретению, содержащим квадратное гнездо со скругленными углами на его проксимальном конце для вмещения с зазором квадратного выступа ответной формы на приемной муфте на нижней конечности или другого компонента на культе ампутанта. См. пунктирные линии на фиг.41. Четыре винта, не указанные позициями, по одному в середине каждой боковой стенки квадратного гнезда, можно ввертывать до и из зацепления с выступом для присоединения протеза к опорной конструкции на культе ампутанта. Зазор между выступом и гнездом и возможность регулировки местоположения четырех винтов охватывающего переходника обеспечивают возможность передне-задней и медиально-латеральной регулировки, а также регулировки угла или наклона протеза относительно опорной конструкции. В соответствии с дополнительным признаком охватывающего переходника резьбовая крепежная деталь соединяет с возможностью разъема верхний, содержащий гнездо, элемент переходника с несущей поверхностью переходника. Верх резьбовой крепежной детали, открытый для доступа в нижней поверхности гнезда переходника, содержит шестигранное углубление для вмещения шестигранного ключа, чтобы можно было отпускать элемент, содержащий гнездо переходника на несущей поверхности, для того, чтобы упомянутый элемент можно было поворачивать относительно несущей поверхности и протеза. Таким образом, переходник обеспечивает возможность поворота в поперечной плоскости; т.е. отличительный признак, который позволяет легче сводить внутрь и разводить наружу стопу в необходимых пределах, например в пределах 1/8 дюйма.The
Протез, который имеет более высокие функциональные характеристики и развивает более высокую динамическую мощность в сагиттальной плоскости голеностопного сустава во время шага, достигающую мощности нормального человеческого голеностопного сустава, получен путем использования дополнительного отличительного признака настоящего изобретения, в соответствии с которым предлагается искусственная мышца на, по меньшей мере, чем-то одном из стопы, голеностопного сустава и стойки протеза. Искусственная мышца накапливает энергию во время приложения силовой нагрузки на протез в активной толчковой фазе шага пользователя и на последних этапах фазы положения во время шага высвобождает накопленную энергию для усиления толчка ведомой конечности и тела пользователя. Искусственная мышца предпочтительно выполнена из вязкоупругого материала, например резины или полимера, или композита, содержащего вязкоупругий материал. Можно применить гибридную конструкцию, объединяющую вязкоупругий материал и механический элемент или элементы для образования искусственной мышцы. Полезным высокоэластичным биологическим материалом, который можно применить, является резилин. Цель изобретения состоит в том, чтобы искусственная мышца или мышцы, предусмотренные на протезе в соответствии с изобретением, повышали динамическую мощность в сагиттальной плоскости голеностопного сустава во время шага на протезе до, по меньшей мере, нормальной динамической мощности в сагиттальной плоскости человеческого голеностопного сустава во время шага.A prosthesis that has higher functional characteristics and develops a higher dynamic power in the sagittal plane of the ankle joint during a step, reaching the power of a normal human ankle joint, is obtained by using an additional distinguishing feature of the present invention, according to which an artificial muscle is proposed for at least least one of the foot, ankle joint, and prosthetic leg. An artificial muscle stores energy during the application of a force load to the prosthesis in the active jerk phase of the user's step, and during the last stages of the position phase during the step releases stored energy to enhance the push of the guided limb and the user's body. The artificial muscle is preferably made of a viscoelastic material, for example rubber or polymer, or a composite containing a viscoelastic material. You can apply a hybrid design that combines a viscoelastic material and a mechanical element or elements to form an artificial muscle. A useful highly elastic biological material that can be used is resilin. The aim of the invention is that the artificial muscle or muscles provided on the prosthesis in accordance with the invention increase the dynamic power in the sagittal plane of the ankle joint during the step on the prosthesis to at least normal dynamic power in the sagittal plane of the human ankle joint during step.
Искусственная мышца может представлять собой сплошную эластичную ленту, например, такую, как указанная позицией 170 на фиг.50, где мышца размещена на стопном киле 171 протеза в соответствии с настоящим изобретением. В качестве альтернативы, можно применить несколько слоев лент, аналогичных тем, которые указаны позициями 172, 172 на фиг.49, для формирования искусственной мышцы 173. Мышца 173 размещена на оболочке 174 стопы протеза в соответствии с настоящим изобретением. Материалы и/или эластичные свойства соответствующих лент могут быть разными. Искусственные мышцы в примерных вариантах осуществления являются пассивными материалами, но предполагается, что можно применить активные искусственные мышцы, например искусственные мышцы на основе электроактивных полимеров. При использовании для копирования функции задней группы мышц голени во время шага искусственная мышца в примерных вариантах осуществления расположена непрерывно с проксимально-дистальной ориентацией. Искусственная мышца на стопе имеет передне-заднюю ориентацию. Однако аналогично стопе человека искусственные мышцы могут также иметь медиально-латеральную ориентацию и другие ориентации или сочетать разные ориентации.The artificial muscle may be a continuous elastic tape, for example, such as that indicated at 170 in FIG. 50, where the muscle is placed on the
Характеристики формы и масса вязкоупругой искусственной мышцы диктует конкретные характеристики движения. В случае пассивных искусственных мышц в примерных вариантах осуществления масса мышцы, отражаемая произведением площади поперечного сечения мышцы на ее длину, определяет ее возможную мощность. Искусственная мышца большей массы будет иметь более высокую возможную мощность, чем мышца меньшей массы. Две искусственные мышцы 180 и 181 равной массы схематично показаны на фиг.48A и 48B, где каждая мышца изображена с площадью поперечного сечения 12 квадратных единиц, обозначенных номерами 1-12 на чертежах. Искусственная мышца 180 на фиг.48A характеризуется длинным и узким поперечным сечением ленты с равномерным распределением площади поперечного сечения по его длине. Мышца 181 на фиг.48B короче и характеризуется более широким сечением в середине между концами мышцы. Для данного вязкоупругого материала длинная искусственная мышца 180 с узким поперечным сечением будет обладать большим диапазоном перемещения по сравнению с менее длинной искусственной мышцей 181 с большей площадью поперечного сечения. Искусственная мышца 181 с большей площадью поперечного сечения и меньшей длиной создает более высокие значения натяжения при данном продольном растяжении за меньший временной интервал, чем длинная узкая искусственная мышца 180 такой же массы. Описанные характеристики мышцы 181 предпочтительнее для искусственной мышцы, размещаемой на протезе в соответствии с настоящим изобретением, для как можно более точного копирования функциональных характеристик человеческой стопы, голеностопного сустава и голени при ходьбе.The shape characteristics and the mass of the viscoelastic artificial muscle dictate specific motion characteristics. In the case of passive artificial muscles, in exemplary embodiments, the muscle mass reflected by the product of the muscle cross-sectional area by its length determines its possible power. An artificial muscle of a larger mass will have a higher possible power than a muscle of a smaller mass. Two
Искусственные мышцы разной формы можно размещать слоями одну поверх другой для получения, в результате, разных перемещений. Каждое результирующее перемещение обладает характеристиками натяжения при перемещении, снятия нагрузки и временного интервала. Путем изменения плотности и твердости вязкоупругих материалов искусственной мышцы можно дополнительно регулировать упомянутые характеристики. Пример многослойной искусственной мышцы 190 со слоями 190A и 190B показан на фиг.51, где проксимальный и дистальный концы искусственной мышцы прикреплены к стойке 191 голени в соответствии с настоящим изобретением на верхнем и нижнем концах стойки голени. Крепление на нижнем конце стойки голени расположено на или вблизи соединительной детали 192 протеза, которая соединяет, как описано выше, стойку голени с не показанным на чертеже стопным килем. Концы искусственной мышцы можно прикреплять к протезу зажимом их между стыкуемыми элементами не показанного на чертеже крепежного приспособления с регулируемой длиной, которые соединены болтами с возможностью разъема. Между концами искусственной мышцы и протезом можно также использовать крепежное приспособление с соединением «ласточкин хвост» или другого типа.Artificial muscles of different shapes can be placed in layers one on top of the other to obtain, as a result, different movements. Each resulting displacement has the characteristics of tension during displacement, unloading and time interval. By varying the density and hardness of the viscoelastic materials of the artificial muscle, these characteristics can be further adjusted. An example of a multilayer
Слои 190A и 190B искусственной мышцы 190 на фиг.51 совместно образуют слоистую конструкцию, которая имеет площадь поперечного сечения, более широкую на среднем участке по длине мышцы, как показано на виде поперечного сечения вдоль продольной оси на фиг.51, для увеличения значений натяжения и сокращения времени реакции, как изложено выше. Примеры искусственных мышц других форм с упомянутыми аналогичными благоприятными отличительными признаками указаны позициями 220-224 на фиг.47A-47E. Искусственные мышцы 222 и 224 снабжены двуперистыми вырезами 222A и 224A. Упомянутые вырезы позволяют создавать большее относительное удлинение мышцы перед натяжением искусственной мышцы под силовой нагрузкой. Четыре дополнительных конфигурации искусственных мышц для применения в протезе в соответствии с настоящим изобретением указаны позициями 150, 151, 152 и 153 на фиг.46A-46D. Искусственная мышца 150 на фиг.46A выполнена с центральным вязкоупругим шариком 154, который охвачен по кругу множеством тросов 155, эластичных или неэластичных, которые проходят по дуге 180° вокруг шарика между верхним и нижним тяжами 156 и 157 мышцы. Натяжение искусственной мышцы в направлении ее продольной оси вызывает эластичное сжатие шарика для накопления энергии.The
Искусственная мышца 151 на фиг.46B выполнена с множеством цилиндрических отрезков 158 из вязкоупругого материала, концы которых прикреплены к опорным пластинам 159 и 160. Отрезки переплетены, как показано на фиг.46B. Конфигурация 152 на фиг.46C аналогична конфигурации на фиг.46B за исключением того, что цилиндрические отрезки 158 не переплетены, а параллельны и охвачены кольцом из вязкоупругого материала 161, которое упруго растягивается, когда мышца удлиняется в направлении ее продольной оси при натяжении. Цилиндрические отрезки 162 на фиг.46D параллельны и проходят между общими опорными пластинами 163 и 164 и прикреплены к ним.The
Оболочка стопы 174 на фиг.49 выполнена из упругого материала, например пластика или полиуретана. Оболочка стопы выполнена с возможностью плотного охвата, по меньшей мере, нижней оконечности протеза в соответствии с настоящим изобретением для создания видимости человеческой стопы, для подкладки и защиты протеза от атмосферных воздействий. Искусственная мышца 173 на оболочке протеза закреплена своими концами к оболочке протеза для соединения заднего и переднего участков подошвы оболочки протеза. Сгибание корпуса стопы/оболочки стопы во время шага натягивает искусственную мышцу с накоплением энергии, которая высвобождается позже во время шага для поддержки эффекта отсутствия потока воздуха и выталкивания вперед стопы и конечности человека. Аналогичный результат получают посредством искусственной мышцы 170, которая прикреплена концами к переднему и заднему концам стопного киля 171 протеза в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.50. Искусственная мышца 190 на стойке 191 голени на фиг.51 натягивается перемещением вперед верхнего конца стойки голени во время шага для сохранения и высвобождения энергии, как изложено в связи с задними устройствами голени, показанными на фиг.33 и 41-45.The
Потенциальная энергия протеза с, по меньшей мере, одной искусственной мышцей в соответствии с настоящим изобретением может быть дополнительно увеличена для повышения кинетической энергии и динамической мощности в сагиттальной плоскости голеностопного сустава во время шага протеза посредством предварительной нагрузки искусственной мышцы на растяжение. Это может быть выполнено пользователем протеза в соответствии с настоящим изобретением с помощью прокладки, кулачка или камеры, вмещающей сжатый воздух или другую текучую среду, или путем объединения упомянутых устройств. На фиг.52A-52D показаны четыре прокладки 230-233 разных размеров. Выбранную прокладку можно поместить между конструкцией протеза и его искусственной мышцей для натяжения искусственной мышцы на величину, пропорциональную размеру прокладки. Например, когда искусственная мышца устроена на задней стороне стойки голени протеза, как показано на фиг.51, но без кулачка, изображенного в конфигурации на данной фигуре, прокладку можно было бы поместить между стойкой голени и мышцей.The potential energy of the prosthesis with at least one artificial muscle in accordance with the present invention can be further increased to increase the kinetic energy and dynamic power in the sagittal plane of the ankle joint during the prosthesis step by preloading the artificial muscle in tension. This can be done by the user of the prosthesis in accordance with the present invention using a gasket, cam or chamber containing compressed air or other fluid, or by combining the above devices. On figa-52D shows four gaskets 230-233 of different sizes. The selected pad can be placed between the prosthesis structure and its artificial muscle to tension the artificial muscle by a value proportional to the size of the pad. For example, when the artificial muscle is located on the back side of the leg of the prosthesis, as shown in FIG. 51, but without the cam shown in the configuration of this figure, a pad could be placed between the leg of the leg and the muscle.
Кулачок 192, показанный на фиг.51, установлен с возможностью поворота на цилиндрической оси 193, закрепленной на опорной конструкции 194 кулачка, зависимой от ее закрепления на верхнем конце стойки голени, спереди от искусственной мышцы 190. Система 195 с пневмоцилиндром, гидроцилиндром и/или электроприводом (электромагнитом) регулируемо поворачивает кулачок вокруг оси 193 для натяжения мышцы. Упомянутая система на цилиндрах (электромагните) включается перемещением, производимым в стойке голени во время физической активности пользователя в среднем положении фазы положений во время шага. Когда пользователь прикладывает силовую нагрузку на протез, дистальный конец стойки голени приходит в контакт с толкателем 196 нижнего цилиндра (электромагнита), что вынуждает толкатель верхнего цилиндра (электромагнита) входить в контакт с кулачком. В ходе исполнения действия направленная вперед сила увеличивается, давление на нижний цилиндр пропорционально усиливается, что пропорционально продвигает в контакт верхний цилиндр, который вынуждает кулачок 192 входить в контакт с мышцей с развитием пропорциональной предварительной нагрузки искусственной мышцы на растяжение. Возрастание и/или снижение силовой нагрузки аналогично сказывается на натяжении искусственной мышцы. Таким образом, направленная вперед переменная нагрузка на стопный киль обуславливает переменное натяжение искусственной мышцы, и результирующие перемещения протеза изменяются в зависимости от вида активности пользователя. В видоизменении данного варианта осуществления вместо электромагнита для привода кулачка 192 применимо устройство с червячной передачей или простым винтом для регулировки кулачка и натяжения мышцы в зависимости от измеренной силы.The
Камера 210 на фиг.54, вмещающая сжатую текучую среду или воздух, установлена на приемной муфте 211 культи. Камера расположена между искусственной мышцей 213, показанной на фиг.53, которая продолжается между приемной муфтой и протезом в соответствии с изобретением и прикреплена к ним, как показано на фиг.53. Пользователь может изменять давление текучей среды в камере клапаном 214 для регулируемой предварительной нагрузки мышцы на растяжение перед занятием спортом для оптимизации функциональных характеристик протеза. В видоизменении данного варианта осуществления проксимальный конец искусственной мышцы может крепиться к проксимальному концу подколенной муфты или к корпусу протеза искусственного колена. В дополнительном видоизменении варианта осуществления искусственную мышцу крепят с проксимальной стороны к колену человека или протезу колена. В данном последнем видоизменении искусственная мышца будет воздействовать на два сустава, коленный и голеностопный.The
Здесь описание примерных вариантов осуществления завершается. Хотя настоящее изобретение описано со ссылками на ряд наглядных вариантов осуществления, следует понимать, что специалисты в данной области техники смогут создать множество других модификаций и вариантов осуществления, которые не будут выходить за пределы существа и объема принципов настоящего изобретения. Например, нижний конец стойки голени протеза стопы согласно настоящему изобретению не ограничен формой параболы или, по существу, параболической формой, но может быть выполнен по другой криволинейной форме, выпуклой вниз для получения заданного результирующего перемещения стопы, при креплении к стопному килю для создания области голеностопного сустава стопы. Отличительные признаки разных вариантов осуществления можно также использовать в сочетании друг с другом. В частности, возможны обоснованные изменения и модификации составных частей и/или схем расположения в системе с комбинацией признаков в пределах объема вышеприведенных описания и чертежей и прилагаемой формулы изобретения без выхода за пределы существа изобретения. В дополнение к изменениям и модификациям составных частей и/или схем расположения специалистам в данной области техники будут также очевидны альтернативные применения.Here, a description of exemplary embodiments is completed. Although the present invention is described with reference to a number of illustrative embodiments, it should be understood that those skilled in the art will be able to create many other modifications and embodiments that will not go beyond the essence and scope of the principles of the present invention. For example, the lower end of the ankle of the foot prosthesis according to the present invention is not limited to a parabolic shape or a substantially parabolic shape, but can be made in a different curved shape convex down to obtain a given resulting foot movement when attached to the foot keel to create an ankle area joint of the foot. The distinguishing features of the various embodiments may also be used in combination with each other. In particular, justified changes and modifications of components and / or layouts in the system with a combination of features within the scope of the above description and drawings and the attached claims are possible without departing from the scope of the invention. In addition to changes and modifications to the components and / or layouts, alternative applications will also be apparent to those skilled in the art.
Claims (29)
распрямляют, по меньшей мере, две расположенные в сагиттальной плоскости вогнутости, включая обращенную назад расположенную в сагиттальной плоскости вогнутость стойки голени, упругого протеза во время приложения силовой нагрузки на протез в активной толчковой фазе шага человека, чтобы накапливать энергию в протезе,
при этом протез выполнен с возможностью высвобождения упомянутой энергии, накопленной в указанной распрямленной вогнутости, расположенной в сагиттальной плоскости, на более поздних этапах фазы положений во время шага для усиления толчка ведомой конечности и тела человека,
причем во время приложения упомянутой силовой нагрузки на протез в активной толчковой фазе шага, накапливают дополнительную энергию в искусственной мышце, обеспеченной на, по меньшей мере, чем-то одном из стопы, голеностопного сустава и стойки голени протеза, и, на упомянутых поздних этапах фазы положений во время шага, высвобождают упомянутую дополнительную энергию, чтобы дополнительно усиливать толчок ведомой конечности и тела пользователя.1. A method of producing kinetic energy for pushing force in an elastic prosthesis of the lower limb containing an elastic foot, an elastic ankle joint and an elongated protruding, upward elastic leg of the leg above the ankle joint, while the elastic leg of the leg is a curved bulge forward from the lower end of the leg to the upper the end of the tibia, so that the concavity, which is backward located in the sagittal plane, is formed due to the bent tibia of the tibia, and the method comprises the following steps:
at least two concavities located in the sagittal plane of concavity are straightened, including the concavity of the lower leg, back of the sagittal plane, of the elastic prosthesis during the application of a force load on the prosthesis in the active push phase of a person’s step to accumulate energy in the prosthesis,
wherein the prosthesis is capable of releasing said energy stored in said straightened concavity located in the sagittal plane at later stages of the position phase during the step to amplify the push of the driven limb and the human body,
moreover, during the application of the said force load on the prosthesis in the active jerk phase of the step, additional energy is accumulated in the artificial muscle provided on at least one of the foot, ankle joint and leg of the prosthesis, and, at the aforementioned late stages of the phase of the positions during the step release said additional energy to further enhance the push of the driven limb and the user's body.
стопу, продолжающуюся в продольном направлении;
упругий голеностопный сустав;
удлиненную выступающую вверх упругую стойку голени над голеностопным суставом,
при этом голеностопный сустав и стойка голени выполнены как упругий элемент, причем стойка голени является изогнутой выпуклостью вперед от нижнего конца стойки голени до верхнего конца стойки голени, таким образом, что обращенная назад расположенная в сагиттальной плоскости вогнутость сформирована за счет изогнутости стойки голени, и стойка голени выполнена с возможностью изгиба в продольном направлении во время шага для накопления и высвобождения энергии для совершенствования динамической реакции протеза во время шага;
искусственную мышцу, обеспеченную на, по меньшей мере, чем-то одном из стопы, голеностопного сустава и стойки голени протеза, причем искусственная мышца выполнена с возможностью накопления энергии во время приложения силовой нагрузки на протез в активной толчковой фазе шага человека и на более поздних этапах фазы положения во время шага, высвобождения упомянутой энергии для усиления толчка ведомой конечности и тела человека.16. An elastic prosthesis of the lower limb, containing
a foot extending in the longitudinal direction;
elastic ankle joint;
elongated protruding upward elastic leg tibia above the ankle joint,
wherein the ankle joint and the tibia are made as an elastic element, and the tibia is a curved bulge forward from the lower end of the tibia to the upper end of the tibia, so that the concavity, which is backward located in the sagittal plane, is formed due to the bent tibia, and the strut the lower leg is capable of bending in the longitudinal direction during the step to accumulate and release energy to improve the dynamic response of the prosthesis during the step;
an artificial muscle provided on at least one of the foot, ankle joint and ankle of the prosthesis, the artificial muscle being configured to store energy during application of a force load on the prosthesis in the active jerky phase of the human step and in later stages phase position during the step, the release of the aforementioned energy to enhance the shock of the driven limb and the human body.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US55811904P | 2004-04-01 | 2004-04-01 | |
| US10/814,155 | 2004-04-01 | ||
| US10/814,155 US7410503B2 (en) | 2001-03-30 | 2004-04-01 | Prosthetic foot with tunable performance |
| US10/814,260 | 2004-04-01 | ||
| US60/558,119 | 2004-04-01 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006138478A RU2006138478A (en) | 2008-05-10 |
| RU2348380C2 true RU2348380C2 (en) | 2009-03-10 |
Family
ID=37955096
Family Applications (3)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006138478/14A RU2348380C2 (en) | 2004-04-01 | 2005-04-01 | Prosthesis foot with adjusted functional characteristics |
| RU2006138482/14A RU2336055C2 (en) | 2004-04-01 | 2005-04-01 | Talocrural prosthesis with controlled functionality |
| RU2006138501/14A RU2345736C2 (en) | 2004-04-01 | 2005-04-01 | Foot prosthesis with adjustable characteristics |
Family Applications After (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006138482/14A RU2336055C2 (en) | 2004-04-01 | 2005-04-01 | Talocrural prosthesis with controlled functionality |
| RU2006138501/14A RU2345736C2 (en) | 2004-04-01 | 2005-04-01 | Foot prosthesis with adjustable characteristics |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1937974A (en) |
| RU (3) | RU2348380C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU233997U1 (en) * | 2024-07-29 | 2025-05-14 | Дмитрий Владимирович Стенько | Prosthetic foot with a damping element |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102732010B1 (en) * | 2016-01-25 | 2024-11-18 | 비-테미아 인코포레이티드 | Load-bearing assistive devices for lower extremity supports or prosthetic devices |
| US10485680B2 (en) * | 2016-03-31 | 2019-11-26 | Nike, Inc. | Prosthetic blade attachment system |
| JP2021058318A (en) * | 2019-10-04 | 2021-04-15 | BionicM株式会社 | Foot part of artificial leg, and artificial leg |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5290319A (en) * | 1991-02-28 | 1994-03-01 | Phillips L Van | Prosthetic foot incorporating adjustable bladders |
| US5387246A (en) * | 1989-04-13 | 1995-02-07 | Phillips; Van L. | Prosthetic ski leg |
| RU2102942C1 (en) * | 1996-07-18 | 1998-01-27 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Foot prosthesis |
| US20020087216A1 (en) * | 1996-02-16 | 2002-07-04 | Atkinson Stewart L. | Prosthetic walking system |
| US20020143408A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-10-03 | Townsend Barry W. | Prosthetic foot with tunable performance |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2745488B1 (en) * | 1996-03-04 | 1998-07-31 | Corima | REACTIVE FOOT PROSTHESIS |
| DE29707416U1 (en) * | 1997-04-24 | 1998-08-27 | Otto Bock Orthopädische Industrie Besitz- und Verwaltungs-Kommanditgesellschaft, 37115 Duderstadt | Spring-elastic foot insert |
| DE19717298C1 (en) * | 1997-04-24 | 1998-05-07 | Bock Orthopaed Ind | Spring-elastic foot prosthesis insert |
| RU2137443C1 (en) * | 1998-01-14 | 1999-09-20 | Акционерное общество открытого типа "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Talocrural assembly of foot prosthesis |
| RU2132665C1 (en) * | 1998-03-31 | 1999-07-10 | Александр Васильевич Щитов | Talocrural assembly of prosthesis |
| UA52676C2 (en) * | 1999-02-22 | 2003-01-15 | Науково-Іноваційна Фірма "Вол" | Prosthesis of ankle and foot |
| KR100362736B1 (en) * | 2000-04-03 | 2002-12-28 | 한국과학기술원 | Energy-storing prosthetic feet |
| RU2219877C2 (en) * | 2001-08-07 | 2003-12-27 | Щитов Александр Васильевич | Talocrural member of prosthesis |
-
2005
- 2005-04-01 CN CN 200580010695 patent/CN1937974A/en active Pending
- 2005-04-01 RU RU2006138478/14A patent/RU2348380C2/en active
- 2005-04-01 RU RU2006138482/14A patent/RU2336055C2/en active
- 2005-04-01 RU RU2006138501/14A patent/RU2345736C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5387246A (en) * | 1989-04-13 | 1995-02-07 | Phillips; Van L. | Prosthetic ski leg |
| US5290319A (en) * | 1991-02-28 | 1994-03-01 | Phillips L Van | Prosthetic foot incorporating adjustable bladders |
| US20020087216A1 (en) * | 1996-02-16 | 2002-07-04 | Atkinson Stewart L. | Prosthetic walking system |
| RU2102942C1 (en) * | 1996-07-18 | 1998-01-27 | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева | Foot prosthesis |
| US20020143408A1 (en) * | 2001-03-30 | 2002-10-03 | Townsend Barry W. | Prosthetic foot with tunable performance |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU233997U1 (en) * | 2024-07-29 | 2025-05-14 | Дмитрий Владимирович Стенько | Prosthetic foot with a damping element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2345736C2 (en) | 2009-02-10 |
| RU2336055C2 (en) | 2008-10-20 |
| RU2006138482A (en) | 2008-05-10 |
| RU2006138478A (en) | 2008-05-10 |
| CN1937974A (en) | 2007-03-28 |
| RU2006138501A (en) | 2008-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2291676C2 (en) | Foot prosthesis with controlled function | |
| US7611543B2 (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| US7507259B2 (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| RU2345737C2 (en) | Foot prosthesis with adjustable characteristics | |
| US20080188950A1 (en) | Method for the Continuous Implementation of Polymerisation Processes | |
| US8070829B2 (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| EP2648657B1 (en) | Resilient prosthetic and orthotic components which incorporate a plurality of sagittally oriented struts | |
| JP2007530237A (en) | Function adjustable prosthetic leg | |
| RU2348380C2 (en) | Prosthesis foot with adjusted functional characteristics | |
| WO2005097010A2 (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| RU2294177C2 (en) | Foot prosthesis possessing controllable functional properties | |
| HK1102288A (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| HK1107246A (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| HK1103955A (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| HK1066458B (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| HK1103614A (en) | Prosthetic foot with tunable performance | |
| HK1066159B (en) | Prosthetic foot with tunable performance |