RU236507U1 - Противопролежневый матрас на базе гибких актуаторов - Google Patents

Abstract

Полезная модель представляет собой противопролежневый матрас для профилактики и предотвращения появления пролежней у лежачих и малоподвижных пациентов, предназначенный для осуществления массажа мягких тканей, снижения нагрузки на отдельные области туловища. Движущим устройством противопролежневого матраса выступают актуаторы, которые представляют собой мягкий каркас из гибкой тонкой плёнки, заполненный диэлектриком, электроды по обе стороны от каркаса и система проводов, соединяющих электроды с источником тока. Ячейки с актуаторами объединяются в единое полотно посредством турникетных кнопок, обеспечивающих физическое соединение ячеек между собой и электрическую коммутацию актуаторов в единую электрическую сеть. Активация движущего устройства происходит путём подачи тока на электроды, в результате они притягиваются друг к другу, вытесняют жидкий диэлектрик в свободные части актуатора, локально увеличивая в этих частях толщину матраса. Локальное уменьшение толщины матраса приводит к уменьшению давления на зону мягких тканей, что, в свою очередь, приводит к восстановлению кровоснабжения и уменьшению компрессии этих тканей. Проблема, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в высоком уровне шума при работе матраса, доставляющего неудобство и дополнительный стресс пациенту. Второй проблемой является отсутствие возможности персонализировать матрас для пациентов в зависимости от их роста, веса и других параметров. 8 ил.

Description

Полезная модель относится к области медицины и техники и может быть использована в качестве реабилитационного матраса для профилактики и предотвращения появления пролежней у лежачих и малоподвижных пациентов посредством массирующего воздействия на мягкие ткани.

Существующие известные противопролежневые матрасы для активации ячеек используют воздушный компрессор. Такой подход накладывает ограничения на минимальный размер ячеек, создает шум от работы компрессора для активации ячеек и не позволяет измерять распределение давления по поверхности тела лежачего пациента.

Другой тип известных статичных противопролежневых матрасов основан на использовании специальных композиционных тканей, которые способны распределять давление по всей поверхности тела лежачего пациента. Однако такие статичные противопролежневые матрасы не способны оказывать динамический массажный эффект.

Известно изобретение [Патент RU 2696104, Матрас противопролежневый], представляющее собой пневматический матрас с наполняемыми воздухом ячейками, расположенными в шахматном порядке. Такие матрасы обладают дополнительной функцией обдува кожных покровов для сохранения их сухости и чистоты.

К недостаткам данного изобретения можно отнести необходимость использования воздушного компрессора для активации ячеек, который при работе создает шум и малую вариативность размеров и форм матрасов. Также матрас не способен считывать нагрузку с поверхности тела лежачего пациента, все ячейки активируются одновременно.

Известна полезная модель [Патент RU 169397, Противопролежневый матрас], выполненная в виде матраса с силиконовыми цилиндрическими, которые активируются под воздействием давления подаваемого воздуха от компрессора. Каждая из ячеек снабжена индивидуальной подачей воздуха от исполнительного устройства компрессора и клапаном для сброса давления. Пневматическое исполнительное устройство регулирует подачу воздуха в каждую ячейку по программе, хаотично или синхронно.

К недостаткам полезной модели можно отнести необходимость использования воздушного компрессора для активации ячеек, который при работе создает шум. Матрас не способен считывать нагрузку с поверхности тела лежачего пациента.

Известно изобретение [WO 2023178462, Smart mattress], выполненный из актуаторов - воздушных камер, активируемых от компрессора и снабженный мягкими датчиками давления (пьезоэлектрическими или пьезорезистивными), которые способны считывать давления с поверхности тела пациента. Полученный сигнал с датчиков давления обрабатывается процессором и поступает на актуаторы, которые изменяют свою высоту в соответствии с полученным сигналом.

Недостатком такого изобретения является необходимость использования воздушного компрессора для активации актуаторов - воздушных камер, который при работе создает шум. Актуаторы - воздушные камеры имеют большие размеры, что не позволяет точечно воздействовать на тело пациента.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является реабилитационный адаптивный матрас [WO 2022084749 A1, Smart Mattress With Adaptive Actuation System], оснащенный массажным узлом из Hasel актуаторов. Поверхность матраса реагирует на изменение формы актуаторов.

К числу существенных эксплуатационных недостатков данной модели следует отнести значительные габаритные параметры изделия, отсутствие вариативности геометрических характеристик (формы и размеров) матраса, а также монолитность конструктивного исполнения. Невозможность модульной замены поврежденных элементов приводит к снижению функциональной эффективности изделия при выходе из строя отдельных актуаторов - нарушается равномерность распределения механической нагрузки, что существенно снижает профилактические свойства системы. Особую проблему представляет необходимость проведения сложных ремонтных операций в специализированных сервисных центрах даже при незначительных повреждениях, что обусловлено отсутствием конструктивной модульности изделия и требует полного демонтажа системы для восстановления работоспособности отдельных элементов.

Проблема, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в высоком уровне шума при работе матраса, доставляющего неудобство и дополнительный стресс пациенту. Второй проблемой является отсутствие возможности персонализировать матрас для пациентов в зависимости от их роста, веса и других параметров.

Технический результат заключается в разработке противопролежневого матраса, приводимого в движение посредствам полимерных гибких актуаторов, активирующихся под воздействием электрического тока.

Технический результат достигается за счет противопролежневого матраса на базе гибких актуаторов, состоящего из модульных гибких кольцевых полимерных актуаторов, выполненных из гибких электродов, между которыми размещена герметичная емкость из тонкой пленки 20 мкм, выполненной из диэлектрического эластомерного материала, и наполненная жидким диэлектриком, причем актуаторы соединены между собой турникетными кнопками в комбинацию двух групп сэндвич-структур, расположенных в шахматном порядке и объединенных между собой в единую электрическую цепь; электродов, присоединенных с двух сторон от каждого актуатора; источника постоянного тока и соединительных проводов.

Предлагаемый противопролежневый матрас позволяет выполнять следующие функции:

обеспечение попеременной нагрузки на мягкие ткани пациента для предотвращения появления пролежней при длительном постельном режиме;

реализация модульности конструкции, обеспечивающей оперативную замену элементов и адаптацию размеров матраса под индивидуальные требования, что повышает эксплуатационный ресурс и снижает затраты на обслуживание;

создание массажного эффекта для восстановления циркуляции крови и профилактики пролежней.

Для обеспечения необходимой попеременной нагрузки на мягкие ткани пациента матрас представляет собой систему попеременно активирующихся ячеек, собранных в единую конструкцию.

Причем каждая ячейка может активироваться отдельно, что позволяет создавать массажный эффект различной интенсивности на отдельных участках тела лежачего пациента.

Каждая ячейка выполнена в виде актуатора, который контролируемо меняет свою высоту под действием электрического поля, создаваемого внешним источником питания. Каждая ячейка-актуатор имеет конструкцию, подобную конструкции классического конденсатора. При изменении высоты ячейки-актуатора происходит изменение электрической емкости.

Эта особенность позволяет ячейкам-актуаторам измерять давление, оказываемое телом пациента. Таким образом противопролежневый матрас позволяет измерять давление на отдельных участках тела пациента в лежачем состоянии. Неравномерное распределение давления по поверхности тела лежачего пациента является одной из причин появления пролежней.

Анализируя давление на отдельных участках тела пациента можно активировать каждую ячейку-актуатор на заданную величину, что позволит выравнять распределение давления по поверхности тела пациента в лежачем состоянии.

Полезная модель поясняется чертежами, схемами.

На Фиг. 1 представлена схема работы единичного кольцевого актуатора, включающая три фазы: фаза 1 - исходное состояние, фаза 2 - процесс зарядки, фаза 3 - активированное состояние.

На Фиг. 2 изображена схема единичной ячейки матраса, подключенной к источнику напряжения, где: 4 - электроды, 5 - диэлектрик, 6 -защитное покрытие, 7 - соединительные провода, 8 - источник тока.

На Фиг. 3 показана 3D-модель активированного кольцевого актуатора.

На Фиг. 4 показана ячейка матраса, представляющая собой единичный кольцевой актуатор в защитном кожухе из специализированных изолирующих, гипоаллергенных и нетоксичных материалов с турникетными кнопками для соединения ячеек между собой, где: 9 - металлические турникетные кнопки, обеспечивающие физическое соединение ячеек между собой и соединение ячеек в единую электрическую цепь; 10 - обычные турникетные кнопки, обеспечивающие только физическое соединение ячеек между собой.

На Фиг. 5 показан общий вид фрагмента противопролежневого матраса, представляющий собой соединенные между собой модульные ячейки, объединенные в единое полотно на заводе изготовителе из нескольких электрических цепей посредством турникетных кнопок, обеспечивающих физическое соединение и электрическую коммутацию, где: 9 - металлические турникетные кнопки, обеспечивающие физическое соединение ячеек между собой и соединение ячеек в единую электрическую цепь; 10 - обычные турникетные кнопки, обеспечивающие только физическое соединение ячеек между собой.

На Фиг. 6 представлены фотографии тестового образца актуатора в процессе работы, где 11 - актуатор в не активированном (в исходном) состоянии, 12 - актуатор в активированном (в рабочем) состоянии.

На Фиг. 7 изображена схема использования актуаторов в качестве емкостного датчика силы, где 13 - ячейка актуатора в нерабочем состоянии, меньшее значение емкости ячейки C_([13]) соответствует большему значению толщины актуатора между электродами d_([13]), 14 - ячейка актуатора в рабочем состоянии, большее значение емкости ячейки C_([14]) соответствует меньшему значению толщины актуатора между электродами d_([14]).

На Фиг. 8 представлен схематический вид матраса из кольцевых актуаторов, где 9 - металлические турникетные кнопки, обеспечивающие физическое соединение ячеек между собой и соединение ячеек в единую электрическую цепь; 10 - обычные турникетные кнопки, обеспечивающие только физическое соединение ячеек между собой; 15 - единичная ячейка с кольцевым актуатором; 16 - источник тока, активирующий первую группу кольцевых актуаторов; 17 - источник тока, активирующий вторую группу кольцевых актуаторов.

На Фиг. 1 представлены три фазы функционирования актуатора: состояние при отсутствии напряжения, процесс зарядки и активированное состояние. При подаче напряжения от внешнего источника питания верхний и нижний электроды приобретают разноименные заряды, вследствие чего под действием кулоновской силы возникает их взаимное притяжение. Это приводит к вытеснению диэлектрика, находящегося внутри ячейки, к периферийным областям актуатора, что вызывает локальное увеличение его толщины на величину 2Δl_([3]). При прекращении подачи напряжения электроды теряют заряд, и толщина актуатора возвращается к исходному значению l_([1]).

На Фиг. 2 изображена схема единичной ячейки противопролежневого матраса, включающая актуатор с защитной оболочкой и источник постоянного тока, обеспечивающий активацию ячейки. Конструкция актуатора представляет собой герметичную емкость, выполненную из тонкой гибкой полимерной пленки, заполненную жидким диэлектриком 2, и двух электродов 1, расположенных по обеим сторонам от нее. Электроды соединены с источником тока 5 посредством медных проводников 4, которые обеспечивают передачу электрического тока для активации системы гибких актуаторов. Вся конструкция актуатора заключена в защитное покрытие, выполняющее функции электрической изоляции, а также обеспечивающее поддержание сухости кожных покровов пациента и доступ кислорода к ним. Такие условия способствуют снижению вероятности образования пролежней.

На Фиг.3 представлена трехмерная модель активированного кольцевого актуатора. При подаче напряжения на электроды актуатора диэлектрик вытесняется к краям, принимая форму, близкую к тороидальной. Внешний диаметр тора соответствует диаметру актуатора, а внутренний диаметр равен диаметру электрода. Данная модель позволяет рассчитать максимальный объем диэлектрической жидкости, необходимый для заполнения актуатора. Разделение актуатора на несколько секций приводит к уменьшению требуемого объема жидкости, однако обеспечивает более равномерное распределение механического воздействия. Поэтому при проектировании матраса на основе гибких кольцевых актуаторов такая конфигурация является предпочтительной.

На Фиг. 4 изображена конструкция ячейки противопролежневого матраса, оснащенная защитным покрытием, выполняющим функции изоляции и обеспечения соединения ячеек в единую систему. По периметру ячейки расположены турникетные кнопки или аналогичные крепежные элементы, которые обеспечивают оперативное соединение ячеек и исключают дискомфорт для пациента в процессе эксплуатации матраса.

На Фиг. 5 представлена модель матраса в собранном состоянии. На схеме отображены два типа ячеек, которые при соединении посредством турникетных кнопок образуют единое полотно. Конструкция обеспечивает возможность замены отдельной ячейки при необходимости, а также позволяет производить сборку матраса в соответствии с заданными геометрическими параметрами. Электрическая цепь также соединяется через металлические турникетные кнопки, одновременно выполняющих и функцию крепежных элементов для соединения ячеек, и защищенных соединительных элементов между проводами отдельных ячеек.

На Фиг. 6 приведены фотографии тестового образца единичного кольцевого актуатора с электродами из силиконового материала в не активированном состоянии 11 и при подаче постоянного электрического тока 12.

На Фиг. 7 представлена схема реализации обратной связи актуатора, позволяющая использовать его в качестве емкостного датчика силы. Поскольку принцип работы актуатора основан на свойствах конденсатора, отслеживание изменения емкости отдельного актуатора позволяет определить величину давления, оказываемого на соответствующую ячейку. Емкость обратно пропорциональна толщине слоя диэлектрика между электродами. Следовательно, при увеличении (фиг.7, п.13) емкости за счет снижения напряжения активации толщина ячейки матраса уменьшается, что приводит к снижению давления на определенную область мягких тканей пациента. Для увеличения давления на другую область необходимо уменьшить емкость, что достигается повышением напряжения активации (фиг.7, п.14). Автономное управление ячейками матраса на основе получаемых данных позволяет обеспечить равномерное распределение давления по поверхности мягких тканей пациента. Данное решение может быть реализовано в качестве отдельного статичного режима работы матраса, что также способствует предотвращению образования пролежней.

Авторами в результате проведения испытаний работы противопролежневого матраса на базе гибких актуаторов были установлены следующие технические характеристики:

Мощность для активации - 36-72 Вт;

Максимальная нагрузка на один актуатор не более - 300 г;

Время фиксации активного положения актуатора - не ограничено;

Время достижения положения активации - > 0.2 с;

Возможность независимого управления группами актуаторов;

Полезная модель подтверждается клиническим примером.

Пример.

Противопролежневый матрас, основанный на использовании гибких актуаторов, может быть реализован в виде системы гибких кольцевых актуаторов. На Фиг. 8 представлена схематическая модель такой конструкции. В качестве материала для гибкой пленки применяется биаксиально-ориентированная полипропиленовая пленка толщиной 20 мкм, а в качестве жидкого диэлектрика используется силиконовое масло марки ПМС-20. Актуаторы объединены в многослойную сэндвич-структуру, что позволяет увеличить общую толщину матраса и амплитуду перемещения отдельных ячеек.

Конструкция противопролежневого матраса представляет собой комбинацию двух групп таких сэндвич-структур кольцевых актуаторов, расположенных в шахматном порядке. Каждая группа активируется независимо от другой, что обеспечивает попеременное включение групп и создает эффект массажа. Подобная схема матраса является оптимальной для тестирования модели, а также для подбора необходимых параметров и размеров ячеек.

Предлагаемая нами модель отличается модульностью: она состоит из ячеек, что позволяет заменять их при необходимости и адаптировать размеры матраса под индивидуальные параметры пациента. Для активации ячеек необходимо подать мощность 36-72 Вт.

Claims (1)

1. Противопролежневый матрас на базе гибких актуаторов, состоящий из модульных гибких кольцевых полимерных актуаторов, выполненных из гибких электродов, между которыми размещена герметичная емкость из тонкой плёнки 20 мкм, выполненной из диэлектрического эластомерного материала, и наполненная жидким диэлектриком, причем актуаторы соединены между собой турникетными кнопками в комбинацию двух групп сэндвич-структур, расположенных в шахматном порядке и объединенных между собой в том числе в единую электрическую цепь; электродов, присоединённых с двух сторон от каждого актуатора; источника постоянного тока и соединительных проводов.