CC BY
165
УДК 621.9, 615-477, 37-013-8
А. С. Кибиткин, И. А. Митрошин, А. А. Зюзина,
М. С. Шамионов, С. А. Нестеров
ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ОРТЕЗА КОЛЕННОГО СУСТАВА НА БАЗЕ НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА «НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Аннотация. В статье рассмотрены новые методики проектирования устройств для реабилитации людей с ограниченными возможностями- Новые технологии основаны на использовании специальных программных средств и виртуального моделирования- Исследование выполнено на базе Научнообразовательного центра «Новые технологии» при интеграции работы студентов, аспирантов, специалистов университета (кафедры «Технология машиностроения», «Травматология, ортопедия и военноэкстремальная медицина»)-
Ключевые слова: ортез, моделирование, узел подвижности, НОЦ «Новые технологии»-
В любом обществе существует немалая доля людей, чьи возможности в сохранении независимого образа жизни ограничены. Вследствие различного рода травм, врожденных или приобретенных заболеваний, в силу возрастных изменений может наблюдаться ослабление или утрата различных функций организма (двигательной, сенсорной и т.д.). Важную роль в реабилитации данного рода пациентов играют различные устройства, обеспечивающие адаптацию пациентов с ограниченной активностью - в том числе направленные на дозирование объема движений, что обусловлено характером и особенностями течения патологического процесса.
Коленный сустав является одним из самых больших и сильных суставов в человеческом теле. Вместе с тем именно он часто оказывается предметом поражения. Одна из методик, способствующих реабилитации в ходе лечения, - это обеспечение его усиления за счет внешних приспособлений, например ортезов.
Ортез - это специальное приспособление, предназначенное для разгрузки, фиксации, активизации и коррекции функций поврежденного сустава или конечности. В настоящий момент на рынке представлены различные конструкции ортезов для фиксации крупных суставов. Они отличаются материалами, используемыми при их изготовлении, конструктивными особенностями и функциональными требованиями, предъявляемыми к ним. Часть ортезных изделий требует использования узлов подвижности, что добавляет их конструкции жесткости и стабильности. Эти качества необходимы, в частности, в послеоперационном периоде при пластике крестообразных связок коленного сустава. Они позволяют начать движение в коленном суставе с уменьшением нагрузки на связочные структуры, что предотвращает формирование выраженной контрактуры коленного сустава. Однако у данных изделий имеется ряд недостатков. Так, материалы, применяемые для изготовления узлов подвижности ортезов, представлены металлами, которые поглощают рентгеновское излучение, а следовательно, при этапном рентгенологическом исследовании необходимо снимать фиксатор для получения рентгенологического изображения без дополнительных теней. Также данные металлы делают невозможным без снятия фиксатора прохождение пациентом процедуры МРТ обследования
160
Техника, технология, управление
даже другой локализации. Таким образом, устранение описанных недостатков на фоне сохранения на должном уровне эргономики, фиксирующих свойств и потребительских характеристик способно улучшить качество оказания медицинских услуг и предотвратить возможные осложнения.
Современные конструкции ортезов коленного сустава не всегда позволяют достичь полного анатомического совпадения оси движения в суставе и узле подвижности самого изделия [1]. Наиболее простые конструкции одноосных ортезов, часто встречающиеся на рынке, при практическом использовании создают неудобства пациентам, например такие как сползание протеза, неполное совпадение движений сустава и ортеза, неудобство использования.
В Пензенском государственном университете на базе НОЦ «Новые технологии» по интеграции работ студентов, аспирантов, специалистов университета (кафедры «Технология машиностроения», «Травматология, ортопедия и военно-экстремальная медицина») разработали новую конструкцию на основе использования компьютерных технологий.
Для обеспечения корректной формы ортеза на определенный сустав человеческого тела при современных технологиях проектирования необходимо первоначально создать модель этого сустава с различными морфометрическими параметрами. Современные методы проектирования предполагают создание компьютерных моделей сустава. В нашем случае модель сустава с различными морфометрическими параметрами - это различные виды геометрической модели сустава с учетом возрастных особенностей пациентов, различных пропорций человеческого тела у разных людей.
Анализ больных людей показал, что они могут иметь параметры ног, несколько отличающиеся от стандартных (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Параметры ног, отличающиеся от стандартных: а - повреждение зоны колена; б - разные размеры правой и левой ноги
Поврежденные ноги можно также смоделировать с помощью доработки созданных моделей ног. Для ряда случаев необходимо сканирование ноги конкретного человека, и эта задача, индивидуальное моделирование ног, вполне осуществима (рис. 2). Реальное сканирование с учетом доработки занимает около 20-30 мин.
Методом масштабирования в тригибридном моделировщике PowerShape были получены модели ног, соответствующие размерам S, M и L (рис. 3, 4). Для удобства анализа модели на рисунках представлены в формате интервала участка +15 см от колена и -15 см
1б1
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
от колена. Размеры виртуально измерялись с помощью специальных средств виртуального моделировщика.
Рис. 2. Процесс снятия сканов модели
Рис. 3. Модели колена ног с размерами М. Обхват ноги: а - сверху; б - снизу
Рис. 4. Полученные модели ног:
а - нормальная модель ноги в согнутом состоянии; б - модель ноги с повреждением структур коленного сустава; в - модель ноги с измененной геометрией; г - модель ноги с измененными пропорциями; д - модель ноги с деформацией области коленного сустава
162
£ <1® Р # ? £ р я р ■
Техника, технология, управление
Полученные модели используются для обтягивания их матерчатым материалом с удерживающими элементами. Для измененных ног необходимо индивидуальное проектирование ортезов.
Предлагаемая конструкция узла подвижности протеза приведена на рис. 5. Совпадение функционала сустава и ортеза происходит благодаря использованию кинематической связи двух звеньев механизма на основе зубчатой передачи. Межосевое расстояние выбирается исходя из реальной кинематики движения коленного сустава.
Рис. 5. Конструкция узла ортеза
Детальная проработка узла подвижности проводилась в трехмерных видах. Предложенная конструкция поможет быстро и удобно переналаживать настройку подвижности узла.
После проектирования узла подвижности можно переходить к проектированию всего ортеза в целом. Дополнительно необходимо доработать модуль крепления узла подвижности к ноге с возможностью настройки на разные типы ног с измененными морфологическими признаками на основе проушины, вариатора размерности и ремней крепления.
Проушины состоят из основной части, кнопки, пружины. Трехмерные модели всех этих частей по отдельности и в сборе представлены на рис. 6.
Рис. 6. Элементы проушины
Кнопка на проушине служит для регулирования высоты установки вариатора размерности, устанавливаемого как опция для больных с увеличенным ростом.
Вариатор размерности представлен на рис. 7. Его проушины предназначены для прохода крепежных манжет. Отверстия - для контакта с кнопкой. Узел подвижности в сборе с проушинами и вариатором размерности показан на рис. 8.
Настройка на разные объемы и длины ног выполняется с помощью конструкции вариатора размерности и регулируемого ременного крепления (рис. 9).
163
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
Рис. 7. Вариатор размерности
Рис. 8. Узел подвижности в сборе
Рис. 9. Узел подвижности на ноге человека
Модификация поверхности и структурирование переходного слоя достигаются реализацией последовательности из серий периодических формующих электрических импульсов особой формы - микродуговым оксидированием. Формирование покрытия на поверхности микродуговым оксидированием позволит повысить качество дизайна ортеза и обеспечить его повышенную износостойкость.
Текстильная основа манжет ортеза изготавливается из материала неопрен - синтетического объемного пористого материала с приятным на ощупь мягким покрытием. Неопрен, кроме того, обеспечивает эффект «Термоса», позволяющий очень эффективно ускорить процесс восстановления больной конечности.
Текстильная основа ортеза (рис. 10) состоит:
1) из четырех манжет на голень и бедро, которые фиксируются на конечности с помощью застежек-велкро;
2) шести ремней, дополнительно фиксирующих манжеты с узлом подвижности ортеза;
3) одного ремня для внешнего крепления ортеза;
4) двух подушечек, крепящихся на шарнирах узла подвижности ортеза.
Ремни позволяют регулировать степень прилегания ортеза к коже и его давление на мышцы (рис. 11).
164
Техника, технология, управление
Рис. 10. Текстильная основа из Неопрена
Рис. 11. Ремни для скрепления манжет с узлом подвижности
Для оценки уровня рентгенопрозрачности материала Д16Т проводились рентгеновские наблюдения, которые показали, что изображения объекта при взаимном перемещении рентгеновского излучателя и приемника излучения должны сохранять положение оси рабочего пучка излучения с отклонением от центра плоскости приемника.
Результаты исследования рентгенопрозрачности металлического материала ортеза приведены на рис. 12 (фотографии). На отпечатке с отметкой - ступенчатая деталь без покрытия, без отметки - с покрытием микродуговым оксидированием. Светлая деталь -свинцовая пластина. Ступени на пластине толщиной от 2 до 8 мм.
При использовании в качестве материала немагнитного сплава Д16Т при толщине изделия до 4 мм мы можем наблюдать достаточную рентгенопрозрачность конструкции для проведения анализа рентгенологом, в том числе на основе МРТ диагностики. А при уровне рентгена 0,15 мЗв материал полностью прозрачен.
а) б) в)
Рис. 12. Результаты анализа рентгенопрозрачности опытных образцов: а - уровень рентгена 0,003 мЗв; б - уровень рентгена 0,008 мЗв; в - уровень рентгена 0,015 мЗв
165
Вестник Пензенского государственного университета № 2 (10), 2015
На наш взгляд, использование сплавов алюминия, которые являются амагнитными и более рентгенопрозрачными, чем используемые в настоящий момент магнитные металлы, с учетом их достаточных прочностных характеристик для данного изделия способно устранить недостатки имеющихся в продаже ортезов.
Список литературы
1. Разработка технологии серийного производства ортезов с использованием CAD CAM-систем Delcam / А. А. Зюзина, А. Н. Машков, С. А. Нестеров, А. С. Кибиткин // САПР и графика. -2014. - № 12. - С. 80-82.
Кибиткин Андрей Станиславович
старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: kibitkinas@mail.ru
Митрошин Илья Александрович
директор,
ООО «Эндокарбон-М»
E-mail: endocarbon@gmail.ru
Зюзина Александра Александровна
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: 6urka-jujka@mail.ru
Шамионов Михаил Сергеевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: shamionov713@mail.ru
Нестеров Сергей Александрович
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет E-mail: nesterovs@list.ru
Kibitkin Andrey Stanislavovich
senior lecturer,
sub-department of traumatology, orthopedics and military medicine,
Penza State University
Mitroshin Il'ya Aleksandrovich
director,
Limited Liability Company «Endokarbon-M»
Zyuzina Aleksandra Aleksandrovna
postgraduate student,
Penza State University
Shamionov Mikhail Sergeevich
student,
Penza State University
Nesterov Sergey Aleksandrovich
candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of engineering technology,
Penza State University
удк 621.9, 615.477, 37.013.8
Кибиткин, А. С.
Проектирование конструкции ортеза коленного сустава на базе Научно-образовательного центра «Новые технологии» Пензенского государственного университета / А. С. Кибиткин, И. А. Митрошин, А. А. Зюзина, М. С. Шамионов, С. А. Нестеров // Вестник Пензенского государственного университета. -2015. - № 2 (10). - C. 160-166.
