PL248556B1 - Inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów dolnych kończyn człowieka i sposób sterowania inteligentnym urządzeniem - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów dolnych kończyn człowieka zawierające udowy człon i podudowy człon, które są ze sobą połączone, przegubowym modułem. Przedmiotem wynalazku jest także sposób sterowania inteligentnym urządzeniem według wynalazku.

Stan techniki

Orteza, urządzenie do stabilizacji, stanowi aparat ortopedyczny umożliwiający stabilizację stawów lub odcinków ciała, którą stosuje się w celu ich unieruchomienia lub stabilizacji po urazie lub chorobie. Ze względu na rodzaj leczonych obrażeń ortezy możemy podzielić na: sztywne, półsztywne (półelastyczne) i miękkie (elastyczne). Natomiast ze względu na sposób aplikacji ortezy podzielić je można na: naciągane lub nakładane. Ze względu na sposób działania stawu, ortezy można podzielić na: aktywne (tj. takie, które dostarczają energię do stawu) oraz pasywne (tj. takie, które pasywnie hamują ruch stawu). W zależności od leczonej dysfunkcji, mogą być stosowane jako alternatywa dla standardowych opatrunków gipsowych (np. w przypadku złamań kończyn lub uszkodzeń stawów), lub stabilizować staw, wspierając, lub zastępując jego funkcję (np. w przypadku wiotkości mięśni spowodowanych m.in. przerwaniem rdzenia kręgowego, komplikacjami poudarowymi, schorzeniami neurologicznymi błędami medycznymi, etc.).

Znane ortezy wyposażone są między innymi w urządzenia do pomiaru kąta wychylenia stawu, w tym celu wykorzystywane są gniometry statyczne bądź dynamiczne. Urządzenia te zbudowane są z dwóch ramion - ruchomego i nieruchomego oraz kątomierza. Pomiar gniometrem zwłaszcza gniometrem analogowym jest mało precyzyjny i obarczony wysokim prawdopodobieństwem wystąpienia błędu.

Z polskiego opisu patentowego PL209652 znany jest zespół ustalania kąta pomiędzy współosiowymi elementami, przemieszczanymi kątowo wokół wspólnych osi w płaszczyznach wzajemnie równoległych, w szczególności pomiędzy elementami zegara aparatu ortezy kolanowej. Zespół ustalania kąta według wynalazku zawiera element odniesienia oraz współosiowy element regulacyjny, z których każdy zawiera przelotowe regulacyjne otwory dla skokowej regulacji kąta, wykonane na obwodzie okręgu o jednakowej średnicy, rozmieszczone w danym elemencie w określonych odległościach kątowych między sobą, w którym to zespole określonej kombinacji położeń elementów przemieszczanych kątowo odpowiada nałożenie się osi określonego regulacyjnego otworu w elemencie regulacyjnym z osią określonego regulacyjnego otworu w elemencie odniesienia.

Z polskiego opisu patentowego PL171275 znana jest orteza, której przegub stanowią dwa płaskie, usytuowane równolegle względem siebie elementy, mające w swej strefie obwodowej, korzystnie w odległości kątowej 10°, otwory na blokowniki, przy czym, między elementami w ich strefie skrajnej, osadzona jest trwale szyna nieruchoma, zaś na osi osadzona jest szyna ruchoma.

Znane urządzenia pozwalają na ruchomość kończyny w ortezie tylko w granicach zadanego na zegarze kąta, nie uwzględniając mobilności chorego w tym zakresie. Chory jest zaopatrzony w ortezę, którą stosuje według zaleceń, aż do kolejnej wizyty lekarskiej bądź u fizjoterapeuty. Weryfikacja postępów leczenia i rehabilitacji następuje dopiero podczas wizyty i jest subiektywna, a nie oparta na rzeczywistych odczytach z przebiegu leczenia. Co więcej dotychczas udokumentowane metody pomiaru stanu pacjenta są mało precyzyjne i obarczone dużym błędem pomiarowym bez odwzorowania pełnego ruchu oraz zakresów swobody poruszania się leczonej kończyny, jak również nie uwzględniają odniesienia do nacisku i pracy zarówno kończyny leczonej jak i tej drugiej, nieleczonej. Z opisu zgłoszenia wynalazku P.436686 znana jest natomiast orteza dynamiczno-pomiarowa oraz jej zastosowanie do leczenia, rehabilitacji lub badań stawu kolanowego. Orteza dynamiczno-pomiarowa zawierająca ortezę kolanową zaopatrzoną w układ pomiarowy do ciągłego odczytu kąta zgięcia przegubu ortezy oraz z co najmniej jednej wkładki pomiarowej zawierającej czujniki odczytu nacisku na podłoże. Orteza kolanowa jest zaopatrzona w bezprzewodowy moduł diagnostyczno-pomiarowy usztywnianego stawu kolanowego po urazach lub leczeniu operacyjnym. Cytowane zgłoszenie dotyczy również sposobu oraz zastosowania ortezy dynamiczno-pomiarowej zaopatrzonej w układ pomiarowy do stałego zdalnego monitorowania odczytu kąta zgięcia ortezy w połączeniu z naciskiem na podłoże do celów monitorowania, rehabilitacji i/lub leczenia. Problem techniczny jaki został rozwiązany wynalazkiem objętym zgłoszeniem P.436686 poprzez dostarczenie kolanowej ortezy dynamiczno-pomiarowej (ODP) zapewnia bardziej precyzyjny odczyt w czasie rzeczywistym kąta zgięcia zegara ortezy kolanowej z jednoczesnym odczytem siły i rozkładu nacisku stopy na podłoże, korzystnie również z jednoczesnym odczytem pozycji i ruchu nogi pacjenta w przestrzeni w czasie noszenia ortezy. Dodatkowo rozwiązanym przez wynalazek problemem technicznym była komunikacja z jednostką zbierającą i analizującą dane np. z lekarzem wraz z możliwością przesyłania zaleceń co do ustawienia kąta ugięcia zegara ortezy i dalszego procesu leczenia.

Jak już to zostało powyżej wskazane ortezy tworzą zewnętrzną ramę lub częściową ramę i są zakładane na kończynę. W przypadku urazów więzadeł lub mięśni, a także w przypadku porażenia, ortezy służą do stabilizacji stawu i ewentualnie do ograniczenia kąta zgięcia lub kąta wyprostu części kończyny połączonych w szczególności stawem kolanowym. Ogólnie, ortezy w szczególności na kolano mają szynę na udo i szynę na dolną część nogi i są mocowane do uda i dolnej części nogi za pomocą środków mocujących, takich jak sprzączki lub paski.

W stanie techniki znane jest rozwiązanie objęte zgłoszeniem patentowym US2021100673A1, które ma górną część i dolną część, które są ze sobą połączone za pomocą pierwszego urządzenia stawowego w taki sposób, że górna część i dolna część mogą obracać się wokół osi obrotu, przy czym elementy do przyjmowania części ciała lub kończyny są umieszczone na górnej części i/lub dolnej części, przy czym górny element nośny jest przymocowany z dolną częścią z jednej strony, które to elementy nośne są połączone ze sobą za pomocą drugiego urządzenia przegubowego w taki sposób, że wspomniane elementy nośne mogą obracać się wokół osi obrotu. Płyta nośna z co najmniej urządzeniem mocującym do mocowania drugiego urządzenia przegubowego jest zamocowana lub uformowana na górnej części i/lub dolnej części. Urządzenie przegubowe jest umieszczone zarówno po stronie przyśrodkowej, jak i bocznej stawu kolanowego, przy czym wspomniane urządzenia przegubowe mają udową szynę i szynę dolnej części nogi, które są ze sobą połączone. Twórcy opisanego w analizowanym dokumencie rozwiązania wskazali, iż problemem jaki jest rozwiązywany to obustronne ułożenie szyn na nodze, które to ułożenie powoduje trudności w przystosowaniu się do różnych obwodów nóg, zakłócenia spowodowane przez urządzenie stawu przyśrodkowego, które może kolidować ze zdrową nogą oraz skomplikowaną adaptację, szczególnie w konfiguracjach próbnych.

Kolejnym rozwiązaniem znanym ze stanu techniki jest rozwiązanie opisane w dokumencie patentowym US9022965B1, w którym opisano pasywną ortezę stawu kolanowego zawierającą siłownik hydrauliczny, w tym konstrukcję mocującą do uda (człon górny), konstrukcję podudzia (dolny człon), która jest obrotowo połączona z szyną udową za pomocą mechanizmu przegubowego, jak również do części podtrzymującej stopę. Punkty mocowania siłownika na konstrukcji uda i konstrukcji podudzia oraz środek obrotu mechanizmu stawu tworzą trójkąt. Punkty mocowania ze środkiem obrotu w pozycji kątowej kolana, w którym podudzie jest zgięte pod kątem w zakresie od 0° do 90° w stosunku do uda. Ze względu na użycie siłownika hydraulicznego, urządzenie to ma duże rozmiary, a powyższa konstrukcja ma na celu pochylenie urządzenia w taki sposób, aby ułożone było wzdłuż uda, co polepsza walory estetyczne i zwiększa użyteczność urządzenia.

Problem techniczny do rozwiązania

Dotychczas znane rozwiązania typu orteza służą zasadniczo stabilizacji kończyny po urazie lub w chorobie. W szczególności, w stanie techniki znane są ortezy wykorzystujące pasywne jednostki oporowe (np. siłowniki hydrauliczne) do wspierania użytkownika z wiotkością mięśni, lub pracownika w trakcie dźwigania ciężkich przedmiotów. Urządzenie będące przedmiotem wynalazku zawiera jednostkę oporową, co odpowiada na potrzeby indywidualnego użytkownika. Jednakże, ortezy tego typu są często bardzo złożone i dlatego potrzebują dużo miejsca. Szczególnie w okolicy przegubu i orientacji przyśrodkowo-bocznej, takie spore urządzenie może nie być akceptowalne dla użytkownika. Zbyt duże wymiary urządzenia mogą generować problemy natury praktycznej - może być niemożliwe założenie odzieży, np. spodni na ortezę, co zmusza użytkownika do noszenia ortezy na wierzchu. To, z kolei, sprawia, że urządzenie nie dość, że nie jest akceptowalne estetycznie, jest widoczne dla otoczenia, to jeszcze dodatkowo jest narażone na czynniki środowiskowe, takie jak deszcz oraz na bezpośrednie uderzenia (krzesło, meble).

Celem wynalazku jest rozwiązanie zauważonego problemu technicznego polegające na minimalizacji modułu przegubowego poprzez dokonanie jego podziału na mniejsze jednostki, połączone za sobą giętkim przewodem, co pozwala na zachowanie walorów funkcjonalności prz y minimalnym rozmiarze urządzenia w okolicy przegubu. Podział na mniejsze jednostki połączone za sobą giętkim przewodem pozwala również na indywidualne dopasowanie go do geometrii kończyny konkretnego użytkownika oraz do schorzenia. Urządzenie według wynalazku powstaje jako „szyte na miarę”, dla konkretnego użytkownika z uwzględnieniem jego indywidualnej budowy i potrzeb przy rehabilitacji. W szczególności, w zależności od dysfunkcji, zarówno kształt kończyny, jak i linie wycięcia członu urządzenia przyległego do ciała użytkownika będą się różnić u każdego użytkownika. Wynalazek pozwala na taki dobór lokalizacji urządzenia, który pozwoli na maksymalną funkcjonalność urządzenia jako całości z ortezą.

Kolejnym problemem technicznym, który urządzenie będące przedmiotem tego wynalazku rozwiązuje jest ciężar urządzenia odczuwany przez użytkownika. Zbyt duży ciężar urządzenia będzie negatywnie wpływał na poziom zmęczenia użytkownika w trakcie jego używania. Wynalazek pozwala na optymalne rozłożenie masy urządzenia. Na przykład, w zastosowaniu do stawu kolanowego, umiejscowienie części urządzenia na udzie pozwala na przeniesienie masy urządzenia bliżej środka obrotu uda. Z punktu widzenia fizyki ruchu kończyny, łatwiej takie ciało wprawić w ruch obrotowy (gdyż jego moment bezwładności jest mniejszy), a co za tym idzie, może to prowadzić do zmniejszonego wydatku energetycznego, mniejszego wysiłku mięśniowego a w konsekwencji mniejszego zmęczenia użytkownika i potencjalnie polepszenia wyników rehabilitacji a w konsekwencji skrócenia czasu koniecznego na rehabilitację. Podobne zjawisko będzie miało zastosowanie dla innych stawów.

Nie był znany w dziedzinie dotychczas stosowny sposób sterowania ortezą, której jednostka oporowa wraz z kontrolerem i źródłem zasilania znajduje się na członie ortezy. Dotychczas ujawnione rozwiązania korzystające z czujników kąta (gniometry, czujniki inercyjne) zakładały zlokalizowanie czujnika w okolicy przegubu. W konsekwencji, orientacja czujnika względem płaszczyzny ruchu przegubu była jednoznacznie zdefiniowana, ze względu na konieczność osiowości przegubu z osią obrotu stabilizowanego stawu. W przypadku jednak, kiedy jednostka oporowa wraz z kontrolerem i źródłem zasilania znajdują się na członie ortezy, preferowane jest, aby i czujnik się tam znalazł. Bliskość czujnika względem kontrolera i źródła zasilania rozwiązuje problem techniczny w postaci przesyłania danych z czujnika na dużych odległościach, co wiąże się z możliwością uszkodzenia kabla, interferencji elektromagnetycznej, etc. Jednakże, w przypadku umiejscowienie czujnika na członie ortezy wraz z kontrolerem i źródłem zasilania, orientacja czujnika względem płaszczyzny obrotu przegubu nie jest znana, co powoduje inny problem techniczny polegający na tym, że kąt członu względem wektora grawitacji mierzony w płaszczyźnie czujnika będzie się różnił w zależności od ułożenia czujnika na członie górnym, co z kolei prowadzi do trudności w kontroli urządzenia. Wynalazek pozwala na dobór wartości progowej kąta Z, przy której zmieniany jest opór roboczy ortezy, co (a tym samym używanej przez niego ortezy), rozwiązuje powyższy problem.

Istota wynalazku

Inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów kończyn człowieka zawierające udowy człon i podudowy człon, które są połączone ze sobą przegubowym modułem charakteryzuje się tym, że przegubowy moduł składa się z oporowej jednostki, stawiającej pasywny opór, której górna część połączona jest z udowym członem i dodatkowo ta część połączona jest giętkim przewodem z przegubową częścią oporowej jednostki a przegubowa część przyłączona jest do zawiasu i łączy udowy człon z podudowym członem.

Korzystnie, gdy górna część oporowej jednostki zawiera hydrauliczny akumulator, który połączony jest szeregowo z dławiąco-nastawnym zaworem, a ta górna część łączy się giętkim przewodem z hydraulicznym siłownikiem.

Korzystnie, gdy dławiąco-nastawny zawór połączony jest z silnikiem sterowanym przez kontroler, kontrolujący silnik według informacji podawanej z czujnika, przy czym silnik, kontroler i czujnik połączone są ze źródłem zasilania.

Również korzystnie, gdy dławiąco-nastawny zawór połączony jest równolegle z dławiącym zaworem i zwrotnym zaworem.

Korzystnie, gdy górna część oporowej jednostki zawiera prostującą jednostkę położoną równolegle do przegubowej części oporowej jednostki.

Korzystnie, gdy prostująca jednostka ma co najmniej jeden elastyczny element.

Korzystnie, gdy elastyczny element połączony jest z tłokiem hydraulicznego akumulatora w konsekwencji czego otrzymano zminiaturyzowane urządzenie - używane jest miejsce wewnątrz urządzenia, które i tak jest już wykorzystane.

Korzystnie, gdy przegubową część oporowej jednostki przegubowego modułu stanowi liniowy siłownik przytwierdzony do udowego członu i pośrednio, przez łącznik, do podudowego członu.

Dzięki zastosowaniu powyższych rozwiązań otrzymano dalszą miniaturyzację urządzenia.

Sposób sterowania inteligentnym urządzeniem według wynalazku do stabilizacji stawów kończyn człowieka charakteryzuje się tym, że mierzy się kąt Z górnego członu względem wektora grawitacji W w płaszczyźnie odchylonej od płaszczyzny strzałkowej kończyny o nie więcej niż 45°, przy użyciu czuj

PL 248556 Β1 nika kąta V, przy czym, jeśli kąt Z przekroczy wybraną wartość progową, to opór stawiany przez jednostkę oporową wzrośnie do wartości powyżej 80% maksymalnej wartości oporu, którą zawór dławiącozwrotny jest w stanie wygenerować.

Zalety, przemysłowa stosowalność

Spersonalizowane urządzenie pozwala na swobodę ruchu użytkownika wtrakciejego rehabilitacji a dzięki mniejszym rozmiarom i optymalnemu rozłożeniu masy orteza stanowi minimalne obciążenie dla osłabionej kończyny, a to z kolei sprawia, że użytkownik się mniej męczy podczas używania ortezy. Zastosowanie jednostki oporowej z zaworem nastawnym pozwala na wsparcie podczas aktywności fizycznych takich jak siadanie czy schodzenie ze schodów. Dzięki temu, że parametry urządzenia są konfigurowalne permanentnie monitorowane przez rehabilitanta czy ortopedę wspieranych przez serwisanta producenta ortezy, pacjent może czuć się zaopiekowany i bezpieczny podczas jej używania. Brak poczucia straty czasu i wyłączenia z aktywności życiowych jest dodatkową zaletą korzystania z urządzenia według wynalazku.

Kluczowe i bardzo pomocne praktycznie do kontrolowania działania ortezy i pracy rehabilitowanej kończyny jest ustalenie przy użyciu czujnika V indywidualnego dla pacjenta wartości progowej kąta Z, pomiędzy górnym członem a wektorem grawitacji W. Ta wartość progowa kąta Z, pozwala inteligentnemu urządzeniu na efektywne sterowanie orteza w trakcie chodu, dzięki czemu poruszanie się jest naturalne, symetryczne a chód bezpieczny.

Objaśnienia figur rysunku

Przedmiot wynalazku został objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów z jednostką oporową podzieloną na część górną i przegubową, połączone giętkim przewodem.

Fig. 1.A przedstawia schematycznie inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów z jednostką oporową rozdzieloną na część górną i przegubową, połączone giętkim przewodem.

Fig. 1 .B przedstawia inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów z jednostką oporową rozdzieloną na część górną i przegubową, połączone giętkim przewodem w zastosowaniu przy stabilizacji stawu kolanowego.

Fig. 2 przedstawia szczegółowo inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów z jednostką oporową rozdzieloną na część górną i przegubową, połączone giętkim przewodem.

Fig. 3 przedstawia przyczep przegubowej części jednostki oporowej (7) do udowego członu (1) i podudowego członu (4), gdzie przegubowa część jednostki oporowej (7a) składa się z siłownika liniowego, przyłączonego bezpośrednio do udowego członu (1) i pośrednio do członu dolnego (4) przez łącznik (13). Fig. 4 przedstawia górną część jednostki oporowej (8), zawierającej zawór dławiąco-nastawny (14).

Fig. 5 przedstawia górną część jednostki oporowej (8), zawierającej zawór dławiąco-nastawny (14) sterowany za pomocą kontrolera (11) na podstawie sygnału z sensora (10).

Fig. 6 przedstawia górną część jednostki oporowej (8), zawierającej zawór dławiąco-nastawny (14) połączony szeregowo z innym zaworem dławiącymi zwrotnym.

Fig. 7 przedstawia szczegółowo górną część jednostki oporowej (8), zawierającej jednostkę prostującą (21), zawierającą naciskowy element elastyczny (23a) znajdujący się wewnątrz akumulatora górnej jednostki oporowej (8).

Fig. 8 przedstawia schematycznie sposób sterowania urządzeniem do stabilizacji stawów na podstawie kąta (Z) członu górnego (1) względem wektora grawitacji (W).

Wykaz oznaczeń

Inteligentne urządzenie
Oznaczenie numeryczne	Nazwa
1	udowy człon
2	zawias
3	odśrodkowa szyna z zawiasem (2)
4	podudowy człon

PL 248556 Β1

5	przegubowy moduł
6	oporowa jednostka (7+8)
7	przegubowa część oporowej jednostki (6)
7a	przegubowa część jednostki oporowej (6) przytwierdzona bezpośrednio do udowego członu i pośrednio do podudowego członu przez łącznik (13) zawierająca liniowy siłownik
8	górna część jednostki oporowej (6)
9	giętki przewód
10	czujnik
11	kontroler
13	łącznik
14	dławiąco - nastawny zawór
16	hydrauliczny akumulator
16a	tłok hydraulicznego akumulatora
17	silnik
18	źródło zasilania
19	zwrotny zawór
20	dławiący zawór
21	prostująca jednostka
22	hydrauliczny siłownik
23	elastyczny element

Sposób sterowania inteligentnym urządzeniem
Oznaczenie	Nazwa
Z	kąt członu górnego
W	wektor grawitacji
V	czujnik kąta

Przykłady wykonania wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów dolnych kończyn człowieka. Urządzenie ma zastosowanie u użytkowników, na przykład, ze słabymi ekstensorami lub fleksorami kolana i będzie ono wspomagać staw kolanowy w trakcie chodzenia oraz innych czynności życia codziennego. Urządzenie to zawiera udowy człon 1 oraz podudowy człon 4, które składają się z: elementu dopasowanego do konturów ciała użytkownika oraz do szyn bocznych i moduł przegubowy 5.

Człon udowy/podudowy przytwierdzony jest odpowiednio do uda/podudzia kończyny użytkownika. Przytwierdzenie to jest zrealizowane za pomocą pasów opinających kończynę, klamer (takich jak te stosowane w butach narciarskich) lub sznurowań.

Element dopasowany do konturów ciała jest wykonany (i) z materiałów formowalnych pod wpływem obróbki termicznej (np. z materiałów termoplastycznych), lub (ii) z materiałów laminowanych (np. kompozytów), lub (iii) za pomocą obrabiania metodą skrawania, lub (iv) za pomocą metody wytwarzania przyrostowego, lub (v) z pasów materiałowych lub skórzanych. Preferowane jest, aby część udowego członu 1 / podudowego członu 4 była elastyczna, co pozwala na ograniczone dopasowanie do kończyny. Preferowane jest także, aby od strony wewnętrznej, tj. od strony będącej w kontakcie z ciałem użytkownika, element dopasowany do konturów ciała wyłożony był materiałami miękkimi, np. piankami, gąbkami, sylikonem lub tekstyliami, co pozwala na dobre dopasowanie do konturów ciała użytkownika i zapewnia komfort. Szyny boczne wykonane są z płaskowników z metalu, np. aluminium, stali lub tytanu. Materiał i sposób wykonania części członu górnego, zarówno szyn jak i elementów zależy m.in. od dysfunkcji, wagi użytkownika oraz jego aktywności. Szyny łączone są z elementami dopasowanymi do ciała człowieka za pomocą nitów lub śrub, mogą być też laminowane wzajemnie ze sobą.

W innym przykładzie wykonania, część dopasowana do konturów ciała użytkownika, jak i szyny stanowią jedną całość członu udowego/podudowego. W przypadku takiego rozwiązania, człon udowy/podudowy jest wykonany na przykład metodą przyrostową przy użyciu wielomateriałowej drukarki 3D. W takiej opcji fragmenty członu górnego, które nie są istotne strukturalnie, są wykonane z cieńszej warstwy materiału bardziej elastycznego, a fragmenty istotne strukturalnie wykonane są z grubszej warstwy bardziej wytrzymałego materiału.

W innym przykładzie wykonania, udowy człon lub podudowy człon nie zawierają szyn. W zamian za to jest mechaniczne złącze (na przykład w postaci kieszeni/gniazd oraz otworów na śruby lub zatrzaski), które pozwala na bezpośrednie połączenie z modułem przegubowym 5, który stanowi kolejny niezbędny element inteligentnego urządzenia według wynalazku.

Przykłady

Przykład 1

Urządzenie do stabilizacji stawów, będące przedmiotem tego wynalazku, stosowane jest do stabilizacji kolana. W szczególności, jak pokazano na Fig. 1.B, udowy człon 1 jest przyległy do uda użytkownika, a podudowy człon 4 przyległy jest do podudzia kończyny.

Moduł przegubowy 5 łączy przegubowo udowy człon 1 oraz podudowy człon 4 jak pokazano schematycznie na Fig. 1.A oraz bardziej szczegółowo na Fig. 2. Połączenie zawiasu 2 z udowym członem 1 oraz podudowym członem 4 następuje poprzez odpowiednie mechaniczne złącze w postaci kieszeni/gniazd oraz otworów na śruby, jak pokazano na Fig. 2, lub trzpieni/zatrzasków/zacisków. Połączenie zawiasu 2 z członem udowym 1 lub podudowym członem 4 następuje poprzez umiejscowienie szyny 3 w kieszeni/gnieździe, a następnie zablokowanie jej za pomocą śrub, trzpieni, zatrzasków lub zacisków.

Moduł przegubowy 5 pozwala na ruchomość tylko w jednej płaszczyźnie i jest to w przybliżeniu płaszczyzna równoległa do płaszczyzny strzałkowej kończyny użytkownika, aczkolwiek drobne korekty względem tej osi mogą nastąpić w zależności od konkretnych dysfunkcji użytkownika. Moduł przegubowy 5 zawiera zawias 2, który zapewnia przegubowość całego modułu. Przegubowość tą uzyskuje się za pomocą łożysk tocznych (przykładowo: igiełkowe, rolkowe, kulkowe) lub ślizgowych (przykładowo tulejki ślizgowe wykonane z mosiądzu, brązu, stali lub polimerów jak również z kompozytów impregnowanych materiałami ślizgowymi, na przykład teflonem). Opcjonalnie, łożysko ma element wahliwy.

Zawias 2 wykonany jest z materiału o dużej wytrzymałości takiego jak metale i stopy (np. aluminium, stal, tytan) dobranych odpowiednio do sił i momentów na niego działających. Ze względu na warunki środowiskowe (styczność z wodą - np. w przypadku deszczu) korzystne jest, aby moduł ten wykonany był również z materiału odpornego na korozję, lub materiału posiadającego warstwę powierzchniową odporną na korozję.

Ruchomość zawiasu 2 jest ograniczona do zakresu ruchu adekwatnego biomechanicznie do stabilizowanego stawu. Ograniczenie ruchomości uzyskiwane jest za pomocą ograniczników krańcowych. Korzystne jest, aby ograniczniki były nastawne, na przykład poprzez wymianę ogranicznika lub za pomocą śruby tak, że regulacja jego pozycji (a w efekcie zakresu ruchu stawu) dokonywana jest za pomocą pokręcania tą śrubą.

Szczególnym elementem modułu przegubowego 5 jest to, że jak pokazano na Fig. 1.A oraz Fig. 2, składa się on z dwuczęściowej jednostki oporowej 6. Jednostka oporowa 6 składa się z części górnej 8 połączonej z udowym członem i ta część jest połączona giętkim przewodem 9 z przegubową częścią 7 jednostki oporowej.

Zadaniem przegubowej części jednostki oporowej 6 jest stawianie oporu przeciwnemu do ruchu obrotowego zawiasu 2 w sposób pasywny (tj. hamując ruch, ale nie dodając energii), a w związku z tym, przymocowanych do niego udowego członu 1 i podudowego członu 4. W tym celu ruch zawiasu 2 jest zamieniany przez przegubową część jednostki oporowej 7, w ruch nieściśliwego płynu hydraulicznego, tak aby zachowana została istotna sztywność pomiędzy ruchem obrotowym zawiasu 2 a ruchem płynu. W tym celu przegubowa część jednostki oporowej 7 jest siłownikiem hydraulicznym jednostronnego działania, który dzięki odpowiedniemu przyczepowi do udowego członu 1 i podudowego członu 4, wprawiany jest w ruch przez ruch obrotowy zawiasu 2. Ruch tłoka siłownika jednostki oporowej 7 sprawia, że nieściśliwy płyn hydrauliczny jest przepychany lub zaciągany, a przy zadanym kącie zgięcia zawiasu 2 ilość przepchanego płynu jest znana. Płyn hydrauliczny przepychany lub zaciągany jest przez giętki przewód 9 z górnej części jednostki hydraulicznej 8, której zadaniem jest stawianie oporu przepływowi płynu, tym samym stawiając opór zgięciu zawiasu 2.

Miejsce przyczepu giętkiego przewodu 9 do przegubowej części jednostki oporowej 7 jest dobrane tak, aby uzyskać odpowiednie dopasowanie do kształtu kończyny użytkownika. U użytkowników, których segment kończyny przyległy do udowego członu 1 jest szeroki, preferowane jest ujście giętkiego przewodu 9 obok przegubowej części jednostki oporowej 7, co sprawia, że zawias 2 wraz z przegubową jednostką oporową 7 oraz przewodem 9 są szerokie, ale krótkie. U użytkowników, których segment kończyny przyległy do członu górnego 1 jest szczupły, preferowane jest ujście przewodu giętkiego 9 na końcu siłownika jednostki oporowej 7, jak pokazano na Fig. 2.

Górna część jednostki oporowej 8 jest sztywno powiązana z udowym członem 1. Następuje to przez mechaniczne przymocowanie jednostki 8 do członu udowego 1.

Przykład 2

Przegubowa część jednostki oporowej 7 pozwala na ruch liniowy w jednym kierunku lub obrotowy w jednej płaszczyźnie, ale jest istotnie sztywna w pozostałych kierunkach (osiach/płaszczyznach). Fig. 3 pokazuje mocowanie przegubowej części jednostki oporowej do członów udowego i podudowego. W szczególności, przegubowa część jednostki oporowej 7a stanowi siłownik hydrauliczny 22 oraz łącznik 13. Przegubowa część jednostki oporowej 7a pozwala na ruch liniowy i łączy się sztywno z udowym członem 1, lub podudowym członem 4, a z członem po przeciwnej stronie zawiasu 2 łączy się poprzez łącznik 13. Łącznik 13 jest połączony przegubowo zarówno z członem urządzenia, jak i z przegubową częścią jednostki oporowej. Sztywne połączenie pomiędzy przegubową częścią jednostki oporowej 7a a członem górnym 1 jest realizowane poprzez (i) wkręcanie przegubowej części jednostki oporowej 7a do gniazda znajdującego się na zawiasie i mającego przeciwny gwint do tego na jednostce oporowej 7a, lub (ii) mocowanie jednostki oporowej 7a do części górnej 1 np. za pomocą obejmy znajdującej się na zawiasie 2, lub (iii) wykonanie przegubowej części jednostki oporowej 7a w taki sposób, że jest ona integralną częścią zawiasu 2. Połączenie przegubowej jednostki oporowej 7a w sposób pośredni (tj. przy użyciu łącznika) z członami urządzenia w opisany powyżej sposób jest preferowane, gdyż część jednostki oporowej 7a można umiejscowić istotnie wzdłużnie względem szyn członu udowego 1 bądź podudowego członu 4, co zapewnia kompaktowość tego rozwiązania. Kluczowe w tym przykładzie są długość łącznika 13, oraz umiejscowienie jego przyczepu do członu urządzenia. Odpowiednie dobranie tych parametrów wpływa istotnie na profil oporowy w zależności od zgięcia zawiasu 2 jaki jest stawiany przez jednostkę oporową 6.

Przykład 3

Fig. 4 pokazuje przykład realizacji górnej części jednostki oporowej 8 (zamocowanej na udowym członie 1). Jak pokazano na Fig. 4, giętki przewód 9 łączy się z górną częścią jednostki oporowej 8. Górna część jednostki oporowej 8 ma na celu stawienie oporu nieściśliwemu płynowi hydraulicznemu. Opór ten zostanie przyłożony do zawiasu 2 za pomocą przegubowej części jednostki oporowej 7.

Jak pokazano na Fig. 4, górna część jednostki oporowej 8 składa się z zaworu dławiąco-nastawnego 14 oraz akumulatora jednostronnego działania 16 połączonych szeregowo.

Zawór dławiąco-nastawny 14 jest zaworem cylindrycznym, tj. składa się rdzenia w kształcie trzpienia ciasno pasowanego do kołnierza. Zarówno rdzeń jak i kołnierz zaworu mają na swoim obwodzie otwory przepustowe. Obracanie rdzenia zaworu względem kołnierza pozwala na ustawienie otworów przepustowych w taki sposób, aby były wyosiowane, a płyn hydrauliczny przepływał przez nie bez oporów. W takim przypadku zawór 14 jest otwarty, a górna jednostka oporowa 8 nie generuje oporu. Dalszy obrót rdzenia zaworu względem kołnierza sprawia, że światło otworów przelotowych kołnierza i rdzenia zmniejsza się - w takim przypadku zawór 14 będzie stawiał opór, ale pozwalał na przepływ płynu hydraulicznego. W chwili, gdy otwory przelotowe kołnierza i rdzenia przestaną na siebie nachodzić, zawór 14 będzie zamknięty.

Alternatywnie, zawór 14 jest zaworem kulowym (zasada działania jest taka jak w przypadku cylindrycznego, jedynie kształt rdzenia i kołnierza to kula) lub przesuwnym (w takim przypadku zawór 14 jest kanałem a szerokość szczeliny poprzecznej kanału jest regulowana za pomocą np. gwintowanego trzpienia ruchomego, silnika liniowego lub elementu przesuwnego, którego wkręcanie/wykręcanie/przesuwanie umożliwia regulację pola powierzchni poprzecznej kanału).

Jak widać na Fig. 4, z zaworem dławiąco-nastawnym 14 połączony jest akumulator jednostronnego działania 16. Akumulator 16 ma na celu akumulowanie płynu hydraulicznego, który został wypchnięty przez przegubową jednostkę oporową 7 i przepłynął przez zawór dławiąco-nastawny 14. Akumulator składa się ze zbiornika oraz elementu ruchomego ograniczając pojemność akumulatora, na przykład zbiornik akumulatora ma kształt zbliżony do kulistego, a elementem ruchomym jest gumowa membrana, lub zbiornik akumulatora ma kształt cylindryczny, a element ruchomy to tłok hydrauliczny poruszający się wewnątrz cylindra.

Przykład 4

Fig. 5 pokazuje konstrukcję części modułu 5 znajdujących się na udowym członie 1, gdzie zawór dławiąco-nastawny 14 należący do jednostki oporowej 6 sprzężony jest z silnikiem 17. Sprzężenie to może być zrealizowane w sposób bezpośredni lub pośredni, np. za pomocą przekładni zębatej, paska, łańcucha lub elastycznego, osiowego elementu łącznego - w przypadku zaworów obrotowych (np. zawór cylindryczny, kulowy, lub z trzpieniem gwintowanym), lub za pomocą przekładni ślimakowej - w przypadku zaworu z elementem posuwnym. Ten ostatni może być również kontrolowany przez elektromagnes lub być elektromagnetycznym silnikiem liniowym.

Silnik 17 kontrolowany jest przez kontroler 11. W szczególności, kontroler jest zrealizowany przy pomocy obwodu drukowanego oraz półprzewodnikowych komponentów scalonych, lutowanych na tym obwodzie. Architektura takiego kontrolera zakłada jeden lub więcej programowalnych mikroprocesorów, które zarządzają urządzeniami peryferyjnymi, które z kolei pozwalają na wymianę informacji z czujnikami 10 lub poruszanie silnikiem 17. Dodatkowo mikroprocesor jest odpowiedzialny za wyświetlanie informacji na interfejsie urządzenia (np. w postaci diod LED, lub wyświetlacza), sygnalizację akustyczną (np. za pomocą głośnika lub brzęczyka piezoelektrycznego), sygnalizacje wibracyjną (za pomocą wibratora), zapisywanie danych na pamięciach nieulotnych (np. na EEPROM, FLASH, karcie SD) oraz komunikację przewodową jak i komunikację bezprzewodową (np. z aplikacją mobilną, pilotem, innym kontrolerem lub drugim inteligentnym urządzeniem do stabilizacji stawów).

Aby kontroler mógł podejmować inteligentne decyzje, urządzenie to ma co najmniej jeden czujnik 10. Czujnik musi zbierać informacje ważne biomechanicznie - w szczególności, o kinematyce, kinetyce lub napięciu mięśniowym (elektromyografia). W preferowanym przykładzie, czujnik 10 opiera się o mechanizm żyroskopowo-inercyjny (Inertial Measurement Unit).

Kontroler, silnik oraz czujnik są zasilane ze źródła energii 18. W preferowanym wykonaniu jest to bateria (lub ładowalny akumulator), na przykład litowo-jonowy.

Przykład 5

Fig. 6 pokazuje konstrukcję jednostki oporowej 8, która zawiera dławik 20 równolegle do zaworu dławiąco-nastawnego 14, oraz zawór zwrotny 19, przy czym dławik 20 oraz zawór zwrotny 19 są ułożone do siebie szeregowo, jednakże ich kolejność jest dowolna. Dławik 20 może być wykonany w postaci otworu lub kanału o zwężonej średnicy. Zawór zwrotny 19 jest zrealizowany w postaci zaworu kulkowego. Przepływ płynu hydraulicznego w jedną stronę dociska kulkę do powierzchni uszczelniającej, co powoduje zamknięcie się zaworu. Przepływ płynu w przeciwnym kierunku odpycha kulkę w kierunku przeciwnym do powierzchni uszczelniającej, co w rezultacie otwiera zawór. Korzystne jest, aby kulka była dopychana również do powierzchni uszczelniającej przez sprężynę. Kierunek zaworu zwrot nego powinien być taki, aby przepuszczał płyn hydrauliczny w momencie wyprostu stawu, a nie przepuszczał w zgięciu. Jak pokazano na Fig. 6, zasada działania takiego układu polega na tym, że zgięcie stawu powoduje zamknięcie się zaworu zwrotnego 19, a co za tym idzie, przepływ płynu hydraulicznego odbywa się jedynie przez zawór dławiąco-nastawny 14. Ruch kończyny w przeciwnym kierunku (wyprost) powoduje otwarcie zaworu zwrotnego a co za tym idzie przepływ odbywa się zarówno przez zawór dławiąco-nastawny 14, ale również przez dławik 20. Taki układ oznacza, że zawór dławiąco-nastawny 14 ma ograniczoną kontrolę nad oporem stawianym w wyproście, co jest korzystne biomechanicznie.

Przykład 6

Fig. 7 pokazuje konstrukcję, w której urządzenie do stabilizacji stawów zawiera jednostkę prostującą 21. W szczególności, jednostka prostująca 21 znajduje się wewnątrz akumulatora 16, co jest korzystne, gdyż minimalizuje rozmiar i ciężar przegubowej części jednostki oporowej. Jednostka prostująca 21 zawiera w sobie elastyczny element naciskowy 23, (który może być zrealizowany jako sprężyna drutowa, lub sprężyna gazowa), (w takim przypadku komora akumulatora po stronie przeciwnej do strony hydraulicznej musi być szczelna, a do komory tej wprowadzone musi być powietrze lub inny gaz), lub elastyczna membrana akumulatora, na przykład wykonana z gumy.

Przykład 7.0

Inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów kontrolowane jest przez kontroler 11, jak pokazano na Fig. 8. W szczególności, poprzez zmniejszanie lub zwiększanie oporu jednostki oporowej 6, kontroler 11 może efektywnie kontrolować szybkość poruszania się i zakres ruchomości stawu. Na przykład, mniejszy zakres ruchu może być zastosowany w przypadku użytkowników niedoświadczonych w używaniu tego typu urządzeń, a wraz z doświadczeniem zakres ruchomości stawu może być przez kontroler zwiększany. Zakres ten jest zwiększany automatycznie przez urządzenie, lub przez rehabilitanta / technika ortopedę przy użyciu interfejsu znajdującego się na urządzeniu lub za pośrednictwem aplikacji. Kontroler 11 podejmuje inteligentne decyzje na podstawie sygnałów z czujnika kąta V. Czujnik kąta V może być czujnikiem żyroskopowym lub żyroskopowo-inercyjnym. Czujnik jest połączony z kontrolerem 11 elektrycznie (na przykład przewodowo, za pomocą kabla elektrycznego, lub znajduje się na jednym obwodzie drukowanym). Czujnik ten ma za zadanie mierzyć kąt członu górnego i określać jego kąt nachylenia Z względem wektora grawitacji W, co jest powtarzalnym sygnałem, zmieniającym się periodycznie w trakcie chodu, co jest korzystne dla kontroli modułu przegubowego 5. Czujnik mierzy kąt Z we własnym układzie współrzędnych (lokalnym dla czujnika V), a zatem płaszczyzna, w której jest mierzony kąt Z jest odchylona od płaszczyzny strzałkowej kończyny. Odchylenie układu współrzędnych czujnika od płaszczyzny strzałkowej kończyny nie powinno przekraczać 45°. W momencie, kiedy kąt nachylenia Z przekroczy wybraną wartość progową, wynoszącą około 0°+/-15°, opór stawiany przez jednostkę oporową 6 rośnie do wartości, przy której zawór dławiąco-nastawny 14 jest znacząco przymknięty, tj. co najmniej 80% maksymalnego oporu, który zawór 14 jest w stanie wygenerować. Indywidualny dobór wartości progowej kąta Z zapewnia wygodę dla użytkownika, ale też pozwala na efektywną kontrolę modułu 5 na podstawie sygnałów z czujnika V, niezależnie od jego umiejscowienia i kąta nachylenia płaszczyzny w której kąt Z jest mierzony względem płaszczyzny strzałkowej kończyny. W celu podniesienia oporu, kontroler 11 wysyła impulsy elektryczne do silnika 17, co powoduje jego obrót. Silnik sprzężony jest z zaworem dławiąco nastawnym 14, który w konsekwencji jest obracany, lub przesuwany, co sprawia, że szerokość szczeliny poprzecznej kanału zaworu się zmniejsza, generując opór stawiany płynowi hydraulicznemu, co w konsekwencji przekłada się na opór stawiany zgięciu zawiasu 2 przez przegubową część jednostki oporowej (7). Taki zabieg ma na celu wyhamowanie ruchomości stawu w trakcie chodu (Swing Control).

W preferowanym przykładzie kąt Z nachylenia udowego członu 1 względem wektora grawitacji W mierzony jest w płaszczyźnie strzałkowej. Aby określić płaszczyznę strzałkową, w trakcie chodu określona zostaje pozycja czujnika kąta V w przestrzeni trójwymiarowej (kartezjańskiej) w dwóch momentach następujących po sobie - najlepiej w tym samym momencie cyklu chodu, w kolejnych krokach. Połączenie tych dwóch punktów daje wektor, który przemnożony przez wektor grawitacji (iloczyn wektorowy) daje trzeci wektor, który jest normalny do płaszczyzny strzałkowej i w ten sposób określana jest płaszczyzna strzałkowa. Powyższe jest wykonywane za pomocą obliczeń wektorowych lub kwaternionów.

Przykład 7.1

Biomechanicznie chód dzieli się na fazę podporu, rozpoczynającą się w momencie kontaktu pięty z podłożem, a kończącą się w momencie oderwania się palców od podłoża oraz fazę przenoszenia, rozpoczynającą się wraz z końcem fazy podporu a kończącą się wraz z początkiem fazy podporu.

Ruchomość stawu kolanowego jest kontrolowana w taki sposób, że w trakcie chodu, w fazie podporu ruchomość modułu przegubowego 5 jest istotnie zablokowana (opór stawiany przez jednostkę oporową 6 jest tak silny, że kąt zgięcia przegubu nie zmienia się istotnie w trakcie fazy podporu), a w fazie przenoszenia jest on istotnie odblokowany (opór stawiany przez jednostkę oporową 6 jest tak znikomy, że przegub zgina się swobodnie). Kąt Z mierzony przez czujnik V określa kąt pomiędzy udowym członem 1 a wektorem grawitacji i zmienia się on periodycznie wraz z cyklem chodu. Z początkiem fazy podporu, udowy człon 1 jest odchylony w kierunku chodu, a kąt Z osiąga wartość bliską maksymalnej. W trakcie fazy podporu kąt Z zmniejsza się, osiągając wartość zbliżoną do minimalnej z początkiem fazy przenoszenia, kiedy to zaczyna znów rosnąć. W momencie, kiedy kąt Z osiąga wartość progową z zakresu 0°+/-15°, sygnalizuje to osiągnięcie fazy przenoszenia właściwego (midswing), a staw kolanowy jest niemal wyprostowany. W tym momencie następuje zwiększenie oporu stawianemu zgięciu/wyprostowi stawu, co hamuje wyprost kolana, a przez to sprawia, że kolano nie uderza zbyt energicznie w ogranicznik końcowy oraz pozwala na zachowanie symetrii chodu. W szczególności, w konfiguracji pokazanej na Fig. 5, wzrost oporu jest na tyle powolny, żeby pomimo oporu stawianego przez jednostkę oporową 6 w trakcie wzrostu oporu, kolano wyprostowało się całkowicie. W przypadku konfiguracji ukazanej na Fig. 6, kontroler 11 podnosi opór szybciej (niż w przypadku konfiguracji ukazanej na Fig. 5) - wynika to z faktu, że dzięki zaworowi zwrotnemu 19, dalszy wyprost kolana jest możliwy, pom imo że zawór dławiąco-nastawny 14 stawia powyżej 80% maksymalnego oporu. Co więcej, w szczególności w konfiguracji ukazanej na Fig. 6, zwiększony opór na zaworze dławiąco-nastawnym 14 będzie dodatkowo zapobiegał zgięciu kolana, co jest korzystne, gdyż (i) w momencie, kiedy kolano osiągnie pełen wyprost i uderzy w ogranicznik końcowy, nie pozwoli to na dalsze zgięcie kolana, (ii) w przypadku, gdyby np. pacjent się potknął - w takiej sytuacji, moduł przegubowy 5 stawi opór zgięciu kolana, a co za tym idzie, pozwoli użytkownikowi się na nim wesprzeć.

Claims (10)

1. Inteligentne urządzenie do stabilizacji stawów kończyn człowieka zawierające udowy człon (1) i podudowy człon (4), które są połączone ze sobą przegubowym modułem (5) znamienne tym, że przegubowy moduł (5) składa się z oporowej jednostki (6), stawiającej pasywny opór, której górna część (8) połączona jest z udowym członem (1) i dodatkowo ta górna część (8) połączona jest giętkim przewodem (9) z przegubową częścią (7) oporowej jednostki (6) a przegubowa część (7) przyłączona jest do zawiasu (2) i łączy udowy człon (1) z podudowym członem (4).

2. Urządzenie według zastrzeżenia 1 znamienne tym, że górna część (8) oporowej jednostki (6) zawiera hydrauliczny akumulator (16), który połączony jest szeregowo z dławiąco-nastawnym zaworem (14), a ta górna część (8) łączy się giętkim przewodem (9) z hydraulicznym siłownikiem (22).

3. Urządzenie według zastrzeżenia 1 albo 2 znamienne tym, że dławiąco-nastawny zawór (14) połączony jest z silnikiem (17) sterowanym przez kontroler (11) kontrolujący silnik (17) według informacji podawanej z czujnika (10), przy czym silnik (17), kontroler (11) i czujnik (10) połączone są ze źródłem zasilania (18).

4. Urządzenie według jakiegokolwiek zastrzeżenia 1-3 znamienne tym, że dławiąco-nastawny zawór (14) połączony jest równolegle z dławiącym zaworem (20) i zwrotnym zaworem (19).

5. Urządzenie według jakiegokolwiek zastrzeżenia 1-4 znamienne tym, że górna część (8) oporowej jednostki (6) zawiera prostującą jednostkę (21) położoną równolegle do przegubowej części (7) oporowej jednostki (6).

6. Urządzenie według zastrzeżenia 5 znamienne tym, że prostująca jednostka (21) ma co najmniej jeden elastyczny element (23).

7. Urządzenie według zastrzeżenia 6, znamienne tym, że elastycznym elementem jest sprężyna.

PL 248556 Β1

8. Urządzenie według zastrzeżenia 6 albo 7 znamienne tym, że elastyczny element (23) połączony jest z tłokiem (16a) hydraulicznego akumulatora (16).

9. Urządzenie według jakiegokolwiek zastrzeżenia 1-8 znamienne tym, że przegubową część (7) oporowej jednostki (6) przegubowego modułu (5) stanowi liniowy siłownik (7a) przytwierdzony do udowego członu (1) i pośrednio, przez łącznik (13), do podudowego członu (4).

10. Sposób sterowania inteligentnym urządzeniem do stabilizacji stawów dolnych kończyn człowieka, określonym w zastrzeżeniu 1 znamienny tym, że mierzy się kąt Z udowego członu (1) względem rzutu wektora grawitacji (W) na płaszczyznę odchyloną od płaszczyzny strzałkowej kończyny o nie więcej niż 45°, przy użyciu czujnika kąta (V), przy czym, jeśli kąt (Z) przekroczy wybraną wartość progową, to opór stawiany przez jednostkę oporową (6) wzrośnie do wartości powyżej 80% maksymalnej wartości oporu, którą zawór dławiąco-zwrotny (14) jest w stanie wygenerować.