CC BY
41
УДК 76.09; 621.83
РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ОРТЕЗА ДЛЯ КОЛЕННОГО СУСТАВА
А. А. Зюзина, М. В. Белашов
NEW DESIGN OF KNEE ORTHOSES А. А. Zyuzina, M. V. Belashov
Аннотация. Рассмотрены особенности конструкции ортезов коленных суставов, преимущества и недостатки. Представлен анализ материалов. Предложена новая конструкция ортеза, основанная на применении нового материала.
Ключевые слова: ортезы суставов, материалы, конструкция.
Abstract. Features of knee orthoses design are being rewieved with their benefits and drawbacks. Analysis of construction materials is being presented. New construction of orthosis based on the new material using is being presented.
Key words: knee orthoses, materials, design.
Одним из наиболее уязвимых и достаточно сложных суставов у человека является колено. Ежегодно с патологией в коленном суставе, вызывающей сильную боль от большой нагрузки, миллионы пациентов идут на прием к травматологу-ортопеду. Повреждения в коленном суставе возникают из-за сильных нагрузок, физкультурных или спортивных занятий, травмы или ушиба. Чаще встречаются повреждения крестообразной передней связки после бокового сильного удара. Наиболее часто врачами назначаются наколенники, способствующие выздоровлению сустава. Другим, более действенным методом обеспечения заживления тканей при наличии подвижности сустава является применение ортезов.
В большинстве случаев ортез представляет собой бандаж (рис. 1, поз. 1), одеваемый на голень и бедро, и фиксатор (рис. 1, поз. 2), закрепленный на бандаже. В некоторых случаях применяется узел подвижности (рис. 1, поз. 3), который закрепляется внутри бандажа.
3
2
1
Рис. 1. Схема ортеза с элементами конструкции 145
Изучая проблематику травматического состояния коленных суставов, нужно отметить, что приобрести качественный, подходящий по конструкции и недорогой ортез непросто. Перебирая ассортимент таких ведущих производителей, как «ORLETT» (Германия), «VENOTEKS» (США), «PEDAG» (Германия), «FRESCO» (Испания), «TRELAX» (Германия), «Анита» (Германия), «ZIMMER» (США), можно сделать вывод о том, что изделия имеют ряд недостатков. 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 на снимках. Кроме того, данные металлы делают невозможным прохождение больным процедуры МРТ - обследования другой локализации - без снятия фиксатора.
Многие ортезные изделия нуждаются в использовании узлов подвижности, что обеспечивает их конструкцию жесткостью и устойчивостью. Эти качества необходимы, в частности, в послеоперационном периоде при пластике крестообразных связок коленного сустава. Движение в коленном суставе происходит с уменьшением нагрузки на связочные структуры, что позволяет предотвратить формирование контрактуры коленного сустава.
Таким образом, задача улучшения качества оказания медицинских услуг за счет создания конструкции ортеза, позволяющего проходить рентгенологическое обследование без его снятия, обладающего простотой конструкции и эксплуатации при сохранении фиксирующих и потребительских качеств, является актуальной.
Задачами исследования являются выбор материала, обеспечивающего заданные требования по рентгенопрозрачности [1], разработка конструкторской документации на инструментарий, разработка и отработка программ для станков с числовым программным управлением, разработка методик по контролю качества узла подвижности в виде макетного образца.
На наш взгляд, учитывая достаточно прочностные характеристики для данного изделия, использование сплавов алюминия, которые являются амагнитными и более рентгенопрозрачными [1], чем используемые на настоящий момент металлы, способно устранить имеющиеся недостатки при прохождении обследований. Принимая во внимание высокую вязкость сплавов алюминия и высокий коэффициент трения о соименную поверхность достаточной площади, применение методики микродугового оксидирования (МДО) для изменения свойств сочленяемых поверхностей можно считать обоснованным. Результатом применения МДО является образование керамической поверхности, которая удовлетворяет трибологическим и прочностным характеристикам.
Нами были проанализированы несколько алюминиевых сплавов. В частности, дюралюминий (дюраль, дуралюмин) [2] - сплав алюминия Al (основа) с медью Cu (1,4-1,3 %), магнием Mg (0,4-2,8 %) и марганцем Mn (0,2-1 %). Дуралюмин подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. Это конструкционный материал для авиационного и транспортного машиностроения.
В ходе анализа было установлено, что наиболее предпочтительный вариант алюминиевого сплава - Д16т [2]. Сплав Д16 относится к термически
упрочняемым алюминиевым сплавам. Это означает, что его можно закалить. Сплав содержит 3,8-4,9 % меди и 1,2-1,8 % магния. Отличие Д16 от Д16т -в механических свойствах. В табл. 1 указаны значения временного сопротивления - предел прочности Д16 и Д16т, предел текучести (напряжение, при котором начинает развиваться пластическая деформация), относительное удлинение материалов Д16т и Д16. Алюминиевый сплав Д16т широко используется для большинства силовых элементов конструкций. Он пластичен, вследствие чего обладает высокими усталостными характеристиками. Чтобы получить дюралюминий Д16т, сплав Д16 нагревают до температуры 500°С и закаливают в воде. Механическая прочность достигается искусственным или естественным старением.
Для защиты сплавов алюминия Д16 и Д16т [2] от коррозии используют анодное оксидирование. Надо отметить, что материал, маркированный Д16АТ, является плакированным, т.е. покрытым пленкой чистого алюминия для сопротивления коррозии.
Таблица 1
Основные механические свойства сплава Д16АТ
Модуль упругости первого рода, Е 6900 кг/мм2
Модуль упругости первого рода при температуре 100 °С, Е100° 6350 кг/мм2
Временное сопротивление разрыву, св 400 МПа
Напряжение при относительном растяжении 0,2 % 28 кг/мм2
Напряжение при относительном растяжении 0,2 % при температуре 100 °С 26 кг/мм2
Напряжения смятия при относительной деформации 0,2 % 35 кг/мм2
Коэффициент температурного расширения 23,8-10-6 1/град
Плотность 2,78 г/см3
Условный предел усталости при 108 циклов 10 кг/мм2
Твердость сплава Д16 после закалки и старения НВ 10 1 = 105 МПА
При разработке конструкции макета узла подвижности ортеза были проанализированы базовые конструкции ортезов, уже выпускаемых разными производителями. Была предложена конструкция узла, представленная на рис. 2. Узел состоит из верхней части ортеза 1, нижней части 2, упора 3, втулки - оси 4. Втулка предназначена для соединения верхней и нижней части ортеза, при сборке она развальцовывается, гарантируя неразъемность соединения. Втулка изготавливается из титана, в отличие от других частей, изготовленных из сплава алюминия. В соединении обеспечивается зазор между диаметральными участками втулки таким образом, что его величина дает возможность выполнить опору верхней и нижней части ортеза по большому цилиндрическому участку на поверхности основных частей ортеза.
Такая конструкция позволяет обеспечить основную трибологическую нагрузку не на сочленение, идущее по оси, а по поверхностям, покрытым керамическим слоем, полученным микродуговым оксидированием.
Свободное вращение обеспечивается гарантированным зазором между боковыми поверхностями верхней и нижней части ортеза, который формируется при сборке узла.
3
1
7
6
5 4
Рис. 2. Конструкция макета узла подвижности ортеза: 1 - верх ортеза; 2 - низ ортеза; 3 - упор ортеза; 4 - ось ортеза;
5 - винт регулировочный ортеза; 6 - шайба стопорная; 7 - клепка вытяжная
В дальнейшем планируется изготовить пробный образец данной конструкции, провести исследования на прочность, износостойкость, амагнит-ность, рентгенопрозрачность. Но уже сейчас можно сделать вывод о том, что полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволят изготавливать узлы подвижности ортезов, позволяющие конкурировать с импортными аналогами по стоимости.
1. Блохин, М. А. Физика рентгеновских лучей / М. А. Блохин. - 2-е изд. - М., 1957.
2. Новиков, М. П. Справочник металлиста : в 5 т. / М. П. Новиков, П. Н. Орлов. -М. : Машиностроение, 1977. - 720 с.
УДК 76.09; 621.83 Зюзина, А. А.
Разработка новой конструкции ортеза для коленного сустава / А. А. Зюзина, М. В. Белашов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2013. - № 3 (7). - С. 145-148.
Список литературы
Зюзина Александра Александровна магистрант,
Пензенский государственный университет E-mail: grade6urka-jujka@mail.ru
Zyuzina Alexandra Alexandrovna
MA student,
Penza State University
Белашов Максим Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Пензенский государственный университет E-mail: m.belashov@inbox.ru
Belashov Maxim Vladimirovich candidate of technical sciences, associate professor, department of technology of machinebuilding, Penza State University
