Istoria protezelor și a chirurgiei amputării a început la începutul gândirii medicale umane. Cuvântul amputare este derivat din cuvântul latin… [308223]

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

ISTORIA PROTEZĂRII

Istoria protezelor și a chirurgiei amputării a început la începutul gândirii medicale umane. Cuvântul amputare este derivat din cuvântul latin "amputee", care înseamnă "a tăia". De-a [anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat] a oferi un sens psihologic. Proteza culturilor antice a [anonimizat].

Una dintre cele mai vechi descrieri ale protezelor este de către Herodot în anul 484 î.H., care a fost făcută din cupru și lemn. În 1509, Gotz von Berlichingen și-a pierdut brațul drept în bătălia de la Landshut. Pentru a-[anonimizat] a utilizat o [anonimizat], fiind suspendată prin curele din piele. Această proteză este expusă la castelul Jagsthausen (figura 1.1).

[anonimizat], răsucire, [anonimizat].

[anonimizat] 1536 pentru soldați.

Cercetătorii au dezvoltat proteze de braț în 1812, în care mișcarea brațului și a mâinii a [anonimizat] a venit după războiul civil american. Multe dintre protezele dezvoltate în anii 1900 au fost doar perfecționări ale dispozitivelor anterioare de tip armură. [anonimizat]. [anonimizat].

În sec. al 17-lea Engelke a construit o proteză de antebraț. [anonimizat].

[anonimizat] a membrelor superioare a cotului și a mâinii cu putere externă a atras atenția cercetătorilor. Valoarea reală a componentelor alimentate extern nu a fost clară. Scopul principal al studiului la acel moment a fost de a determina dacă componentele alimentate din exterior oferă o contribuție semnificativă la necesitățile amputatului din membrele superioare sau dacă acestea reprezintă noutăți care duplică funcțiile componentelor mecanice convenționale. [anonimizat].

In anii 1940, doctorul Norbert Wiener a observat că semnalele biologice care controlau acțiunile care fuseseră pierdute din cauza amputării erau încă prezente în corpul amputatului. Profesorul Wiener a sugerat că puține dintre aceste semnale ar putea fi folosite pentru a [anonimizat]. Principalul avantaj al unei astfel de abordări este că modul său de control ar fi similar cu controlul secțiunii corespunzătoare a corpului care a fost amputată. Astfel, se poate aștepta logic că abilitatea amputatului de a controla dispozitivul ar depăși capacitatea sa de a controla o proteză convențională.

Klingenberg realizează o proteză având o tijă articulată cu o cupla sferică de bont și acționată de un electromagnet. Pfluger și Ordon construiesc o proteză la care degetele sunt acționate cu un excentric și cu un angrenaj cu roți.

La proteză lui Beier realizată în 1952 acționarea se face cu energie mioelectrica, produsă de mușchi, amplificată și utilizată că semnal. Ultimele performanțe în domeniul modelării mișcării membrului superior sunt protezele adaptive.

Mâna artificială este fie dirijată de creier prin sistemul nervos, fie acționată verbal prin intermediul unui microprocesor ca la proteză executată de specialiștii niponi și francezi în 1980.

Dezvoltarea de dispozitive protetice inteligente a fost realizată în scopul îmbunătățirii vieții persoanelor cu membre amputate, putând fii realizate mecanisme protetice capabile să imite cât mai natural funcționarea și aspectul membrelor umane.

În prezent sunt folosite tehnologii moderne de execuție, noi concepte mecanice și de procesare a informației, dar și utilizarea unor materiale obținute prin tehnologii moderne pentru realizarea protezelor avansate.

Proteza mioelectrică a fost pusă în aplicare în 1945 de Reinhold Reiter. Acest tip de proteză a utilizat senzori pentru a detecta un prag al activității electromiografice pentru a comuta un motor electric în "mâna" artificială și ar putea fi utilizat pentru a comuta componentele cu mâna și cu cotul alimentate [Muzumdar, 1996]. Proteza alimentată electric sub controlul semnalelor mioelectrice din mușchii reziduali nu a devenit disponibilă comercial până la sfârșitul anilor 1960 și nu a primit o acceptare clinică larg răspândită până la începutul anilor 1980. Controalele proteice din partea superioară a membrelor controlate micoelectric oferă cel mai înalt nivel de reabilitare disponibil astăzi. Electromiografia a fost explicată în detaliu în capitolul următor

În ultimele două decenii, controlul mioelectric a atras atenția din ce în ce mai mare asupra aplicării sale în reabilitarea și interfața om-calculator. În sistemele de control mioelectrice, gesturile brațului sunt adesea folosite pentru controlul echipamentelor periferice. Gesturile brațului sunt captate de electromiografia de suprafață utilizând senzori care măsoară activitățile sistemului muscular. Recunoașterea exactă a intenției utilizatorului pe baza semnalelor electromiografice de suprafață măsurate reprezintă cheia principală în realizarea controlului mioelectric.

Lucrările combinate de ingineri și medici au dus la multă avansare în domeniul ingineriei biomedicale, în special datorită disponibilității sistemului informatic din 1985, care a oferit noi modalități de analiză a semnalului mioelectric. Aceste semnale pot fi citite de către controler și motorul poate efectua mai multe acțiuni așa cum sunt definite. Unele dintre contribuțiile unice realizate de electromiograma de suprafață includ controlul brațului protetic, relația robot-uman cu excitații reflexe voluntare și non-voluntare etc.

CAPITOLUL II

GENERALITĂȚI ALE PROTEZĂRII ȘI STADIUL EI ACTUAL

2.1 PROTEZAREA

Protezarea reprezintă un proces de suplinire parțială sau totală a funcțiunii membrelor motorice ale corpului uman, ale căror valori au fost atenuate sau anulate în urma unor traume, accidente sau congenital, cu organe artificiale.

Modelarea urmărește realizarea funcțiunilor membrelor motorice cu ajutorul organelor artificiale. Prin modelare nu se copiază forma articulatiilor umane. Persoanele care prezinta un handicap, mai usor sau mai greu, necesita un sprijin tehnic pentru a-si depasi handicapul. Performantele tehnologice au dus la obtinerea unor posibilitati de inlocuire cit mai aproape de actiunile naturale a functiunilor lipsa.

Protezarea reprezinta un domeniu tot mai avansat al tehnicii medicale care implica utilizarea ultimelor descoperiri ale stiintei, avind astfel functii polivalente.

Protezarea permite:

integrarea persoanelor cu un handicap motor in viata sociala;

un grad de independenta mai mare a persoanelor handicapate;

sprijinirea activitatii personalului medical de ingrijire.

2.2 SISTEME DE COMANDĂ

Sistemele de comandă aplicate la acționarea protezelor se clasifică în trei grupe :

miosenzorice

miovolumetrice

mioelectrice

Semnalele de comandă din fiecare grupă pot fi: analogice sau digitale.

În cadrul sistemului de comandă miovolumetric este utilizată ca sursă de semnal indirect sau direct, la contracția mușchiului, mărirea suprafeței secțiunii radiale. Protezele acționate pneumatic sau electrohidraulic folosesc deobicei sistemul de comandă miovolumetric. Protezele acționate electrohidraulic și electromecanic schimbă forma mușchiului și o transformă în semnale electrice. Soluția cea mai eficientă este utilizarea unui întrerupător muscular simplu ori în etaje.

În sistemul de comandă miosenzoric se regăsește fenomenul următor: întărirea mușchiului care opune o rezistență mare unei forțe care acționează asupra sa crește odată cu creșterea contracției musculare. Diferența forței de revenire în starea contractată și a forței în starea relaxată ajută la obținerea semnalului de comandă.

În ziua de astăzi cel mai răspândit sistem de comandă este cel mioelectric. Ăn cadrul acestuia se pot comanda până la patru funcții active. Datorită faptului că mușchii nu sunt izolați unul față de celălalt, comandându-se un număr ridicat de funcții pot apărea suprapuneri de semnale. De asemenea, în sistemul de comandă mioelectric simplu se lucrează cu un sistem binar digital.

După tipul de semnalul utilizat sistemele de comanda se clasifică în categoriile următoare:

comanda cu semnale mioelectrice

comanda cu semnale piezoelectrice

comanda cu semnale sonore

comanda simplă cu intrerupatoare

comanda cu semnale generate de mișcarea ochilor

comanda cu semnale generate de mișcarea cefalică

Comanda cu întrerupătoare

Protezele care au o comandă cu întrerupătoare se compune din proteza propriu-zisă, ca sistem mecanic și de acționare , și din panoul de comandă, el fiind suportul întrerupătoarelor cu ajutorul căruia se comandă proteza. Semnalul de comandă se transmite doar la activarea întrerupătoarelor provenind de la o baterie. Orice mișcare are nevoie de un întrerupător de comandă, acționarea acestuia făcându-se prin intermediul membrului sănătos. În general, nuăarul de butoane este limitat, fiind folosit câte un buton pentru închidere respectiv unul pentru deschidere.

Comutatoarele oferă o opțiune mai de bază de control. Comutatoarele sunt disponibile în diferite stiluri și dimensiuni, dar există două tipuri de bază – ele sunt fie un comutator de funcționare, fie un comutator de stare. Comutatoarele de funcționare sunt utilizate pentru controlul direct al unui dispozitiv protetic. Ele sunt disponibile în mai multe stiluri și forme; rotiți, împingeți, comutați, trageți etc. Întrerupătoarele de operare trasează curentul prin comutatorul către motoarele unui dispozitiv protetic, determinând motorul să circule într-o direcție sau cealaltă la o viteză fixă. Comutatoarele nu oferă un control proporțional; pur și simplu pornesc sau opresc motoarele. Comutatoarele cu acțiune dublă (adică comutatoarele basculante) pot controla mișcarea în două direcții. Un comutator cu acțiune dublă poate fi utilizat pentru a acționa mai multe dispozitive dacă este combinat cu un comutator de stare. Întrerupătoarele de funcționare sunt de obicei încorporate în hamă, însă fiecare configurație de montare este puțin diferită. Comutatoarele de stat nu sunt potrivite pentru curentul necesar pentru a rula un motor. Prin urmare, comutatoarele de stare necesită un controler bazat pe microprocesor pentru a selecta stări. Aceste întrerupătoare sunt, în general, simple butoane de închidere (deschise / închise) detectate de controler. Dacă este preferat un Touch Pad pentru o intrare de selecție de stat, acest lucru va necesita un controler bazat pe microprocesor pentru a detecta schimbarea rezistenței Touch Pad și comutarea stărilor / modurilor. Touch Pads nu pot suporta curentul necesar pentru rularea motoarelor.

Elementele piezoelectrice, din punct de vedere tehnologic, pot fi realizate sub forma de disc,bloc prismatic si diferite forme geometrice.

Semnalul generat de muschi este preluat de sistemul de actionare care activeaza proteza. Placuta de cuart, prin contractia sa se deformeaza, astfel producand un potential care prin intermediul amplificatorului se trasmite microcontrolerului.

Varianta prezentată mai sus este una simplă, dar în același timp veche și depășită, acționarea sa neprezentând facilități destule.

Comanda cu semnale piezoelectrice.

Apariția unei polarizări electrice pe suprafețele unui cristal în momentul în care se acționează cu o forță asupra sa explică fenomenul piezoelectric. Elementele piezoelectrice sau echivalentul lor sunt concepute astfel încât să formeze dispozitive protetice construite astfel încât să asigure mișcări specifice ca în cazul membrelor artificiale sau similare, dar fără încorporarea de dispozitive sau unelte electromecanice cum ar fi motoare electrice, pompe hidraulice, solenoizi și / sau alte forme de motivație. De asemenea, în domeniul invenției sunt dispozitive auxiliare care susțin funcționarea dispozitivelor protetice menționate și sunt ei înșiși dispozitive senzoriale optice pentru măsurarea variațiilor de mișcare, presiune și temperatură sau alte categorii de senzori în cazul transportului de pH, ion și monitorizare metabolică . Aceste dispozitive sunt localizate atât în interiorul, cât și în exteriorul unității protetice, și pot fi asociate cu matrice de microcomputere pentru integrarea agregată a datelor pentru funcțiile de control.

Regăsim 2 feluri de materiale electrice:

materiale piezoceramice polarizate (ex: titanul de bariu):

cristale naturale (ex: cuarțul) și materiale cristaline sintetice (ex: fosfatul diacid de amoniu sau sulfatul de litiu).

Tehnologic, elementele piezoelectrice pot fi realizate sub formă de: plăcuță, disc, bloc prismatic ori alte forme geometrice.

Semnalele sunt generate de mușchi. Plăcuța de cuarț se deformează prin contracția mușchilor, producând un potențial care se transmite microcontrolerului cu ajutorul amplificatorului. Din acest punct semnalul este preluat de sistemul de acționare care duce la activarea protezei.

La proiectarea unui astfel de sistem de comanda trebuie sa se aiba în vedere faptul ca mișcările ce actioneaza asupra placutei de cuart nu trebuie sa se confunde cu miscari utilizate în alt scop pentru a se evita semnalele de comanda accidentale.

Comanda cu semnale mioelectrice (biocurenți)

Semnalulelectromiografic(EMG)reprezintămanifestareaelectricăaactivitățiimusculare,așacumesteaceastaregăsitălanivelulțesutuluimuscular(EMGintramuscular)saulanivelulpielii(EMGdesuprafață).SemnaleleEMGsuntfolositeînaplicațiidediagnosticareaunormiopatiișineuropatii,darșicasemnaledecomandăîncadrulprotezelordemembrusuperior.

Algoritmicomplecșipottransformasemnalulachiziționat,delamușchiirămașiînurmaunoramputațiisaudelaalțimușchidincorp,încomenzipentruprotezecumultegradedelibertatecaresăînlocuiască,câtmaibineposibil,membrulamputat.

Foto – ModuldegenerareasemnaluluiEMG(a).Inițiatălanivelulcortexuluimotor,intențiademișcareestecomunicatăbrațuluiprinintermediulunorimpulsurielectricecare,odatăajunselamușchi,comandăcontracțiaacestorașiînconsecințăefectuareamișcării.(b)Motoneuronulcaremediazăoastfeldeconexiune,alăturidefibrelemuscularepecareleinerveazăpoartănumeledeunitatemotorie.

AchizițiasemnaluluiEMGserealizeazăcuajutorulunorelectrozicareseplaseazăpesuprafațapielii,achiziționânddiferențadintrepotențialuluneizoneaflatedeasupraunuimușchișialuneiaaflatădepartedeprima–depreferatdeasuprauneiîncheieturi.Acestsemnal(deordinulmilivolților)esteamplificatcuajutoruluneiinstrumentațiidemareprecizie,prelucrat,șimaiapoi,folosinddiferitetehnici,estetransformatînclasecorespunzătoaremișcăriiîntimpulcăreiaafostgenerat(ex.flexiaantebrațului,închidereamâinii,etc.)

Figura2.ElementedeachizițieșiprelucrareasemnaluluiEMG:(a)tipuridesenzori,(b)dispozitivedeamplificare,(c)schemaprocesuluideachiziție,reprezentareasemnaluluiîn(d)domeniultimpșifrecvență–(e)printransformataFourriersauwavelet,(f)rețeaneuronalăartificialăpentruclasificareasemnalului

Electromiografia de mare densitate (achiziția semnalului EMG cu un număr mare de senzori) se conturează ca o nouă tehnică de imagistică, permițând localizarea precisă a activității musculare în timpul unei contracții musculare .Aplicarea tehnicilor din domenii cum ar fi procesarea imagininilor sau fuziunea mai multor tipuri de senzori face posibilă stabilirea locului optim pentru plasarea electrozilor în cazul protezelor de mână sau determinarea diferitelor compartimente musculare în cazul modelării membrului uman.

Figura4.(a)Subiectîntimpulunuiexperimentpentrudeterminarealocațieioptimepentruplasareaelectrozilorîncadrulprotezelordemână.(b)Plasareauneimatricedeelectrozipermitedeterminareadistribuțieiactivitățiimioelectrice.(c)Rezultateprivindcompartimentalizareamușchiuluiflexorsuperficialaldegetelor,confirmateprinsemnaleEMGdemaredensitateprelucratecuajutorulunei(d)tehnicibazatepeimpunereadepraguriînimagineaasociatăuneianumitemișcări.

Printr-un proces de prelucrare acesta poate fi folosit în continuare ca semnal de comandă. Mușchii bontului sunt locul de unde provin inițial semnalele de comandă. În acest caz se prezintă un avantaj al utilizării impulsurilor de comandă nervoase care inervează mușchiul. Însă, se ia în calcul o condiție și anume aceea de a păstra placa motorie a mușchiului intactă, datorită faptului că semnalul nu se preia direct de pe nerv ci de pe mușchi. Se ajunge să se piardă anumiți mușchi din cauza amputării membrului, iar funcția lor de generator de semnale mioelectrice ajunge să fie preluată de alți mușchi prin implantarea electrozilor în ei. Deci, pentru ca persoana handicapată să învețe utilizarea protezei este nevoie de o perioada de timp.

Senzori folositi in protezare

Senzorii de intrare protetice sunt ca traducătorii care comunică dorințele utilizatorului cu motoarele unei proteze externe. Oferă o varietate de senzori de intrare, deoarece utilizatorii diferiți au abilități diferite. Senzorii de intrare protetice obișnuiți sunt: Mioelectrozi, traductoare liniare, plăcuțe tactile (FSR) și întrerupătoare. Acești senzori oferă protezistului o varietate de opțiuni de alegere. Alegerea dispozitivului (lor) de intrare se bazează, în general, pe capacitățile pacientului. În unele cazuri pot fi utilizate mai multe dispozitive de intrare. Utilizarea mai multor senzori de intrare independenți poate permite utilizatorului să opereze mai multe dispozitive de ieșire, permițând astfel utilizatorului să-și opereze simultan dispozitivele protetice (adică mâinile, încheietura mâinii, cotul etc.).

În multe cazuri, utilizatorul poate utiliza mai multe dispozitive de intrare. Dacă este adevărat, atunci confortul pacientului ar trebui să fie factorul decisiv. De exemplu, dacă membrul rezidual are site-uri bune, mioelectrodele sunt adesea cea mai bună alegere, deoarece sunt convenabile și, de obicei, necesită mai puțină pregătire. Dacă membrul nu are site-uri bune pentru mușchi, unul dintre celelalte dispozitive de intrare ar putea să se potrivească mai bine nevoilor pacientului.

Myo-electrozi

Electrozi capaciți și la distanță

Mioelectrodele captează semnalul electric pe suprafața pielii generat de contracțiile musculare, în timp ce plăcuțele de atingere, traductoarele servo și comutatoarele sunt toate acționate de mișcare. Alegerea dispozitivului de intrare depinde nu numai de abilitățile utilizatorului, ci și de dispozitivul comandat și de tipul circuitului de comandă. Mioelectrozele pot regla atat viteza cat si directia protezei. Viteza este direct proporțională cu puterea semnalului mușchiului de intrare, astfel încât proteza poate fi controlată "proporțional". Controlul proporțional al vitezei oferă utilizatorului o mișcare mai precisă a unei proteze. Electrozi LTI sunt compatibili cu sistemele altor producători.

Mioelectrodele sunt disponibile în două configurații; Cased și Remote. Electrozii încastrați sunt asemănători cu electrozii tradiționali Otto Bock 13E200. Electrozii metalici sunt montați pe carcasa amplificatorului de electrozi care găzduiește circuitul amplificator și filtrele.

LTI la distanță de amplificator de electrozi

Electrozii de la distanță LTI sunt diferiți; acestea au, de asemenea, un circuit de amplificare a unui electrod într-un caz, dar electrozii metalici sunt separați de carcasă. Acest lucru are mai multe avantaje; permite cazului să fie mult mai subțire și permite protezatorului să ascundă cazul într-o cavitate convenabilă (adică între prizele interioare și exterioare), îmbunătățind astfel cosmesisul protezei. Cazul amplificatorului de electrozi este conectat la electrozi metalici cu cabluri de protecție la distanță de diferite lungimi (3, 6, 12 sau 24 ").

De asemenea, electrozii metalici pot fi selectați pentru a optimiza performanța. Acestea vin în trei dimensiuni / forme; mici, standard și adobe. În mod normal se utilizează electrozii standard (EL12). Cu toate acestea, în cazul în care pacientul are țesut moale semnificativ peste siturile EMG, pot fi utilizați electrozii adipos (EL11). Pentru aplicații parțiale sau pediatrice, electrozii mici (EL13) sunt preferați. În plus față de alegerea mărimii / formei potrivite, prosthetiștii pot schimba distanța pe acești electrozi metalici pentru a optimiza semnalele EMG de pe site.

Electrozi metalici

Electrozii de la distanță sunt acum disponibili pentru a fi utilizați cu garnituri de garnitură. Unii pacienți preferă suspensia de aspirație mai degrabă decât folosesc. Cu toate acestea, este dificil să se obțină semnale mioelectrice prin aceste căptușeli protetice neconductoare. Pentru a realiza acest lucru, se introduc electrozi metalici speciali prin căptușeală, iar cablurile de electrod de la distanță cu atașare cu magnet sunt utilizate pentru a conecta amplificatorul de electrozi la electrozii metalici. Aceasta se numește sistemul de electrod LTI MageSnap ™. Aceste conectori utilizează magneți de pământuri rare (neodymi) pentru a face conexiunea. Utilizatorii își dau pur și simplu căptușeala, își fac soclurile și apoi mișcă Cablurile MagneSnap Remote Electrode spre electrozi metalici din căptușeală, unde sunt atrase unul de celălalt, făcând astfel conexiunea. Acestea duc la o conexiune cu profil scăzut, care este, în esență, auto-aliniere.

Electrozi MagneSnap

Touch Pads

Touch Pads ™ sunt plăcuțe sensibile la presiune (Force Sensitive Resistors – FSR) care aderă la interiorul soclului. După cum sugerează și numele lor, touch padurile sunt operate prin atingere sau prin presare. Utilizatorul pur și simplu mișcă membrul rezidual pentru a împinge ușor pe Touch Pad pentru a acționa protezele. Aceste dispozitive de intrare reprezintă o alternativă rentabilă la mioelectrozi. La fel ca mioelectrodele, touch pad-urile asigură controlul proporțional al vitezei, deoarece cantitatea de presiune aplicată determină viteza protezei. Touch Pad-urile sunt furnizate în mod normal într-un diametru ¾ ", dar sunt disponibile și în dimensiuni mai mici și mai mari.

Pernute tactile

Traductor liniar

LTI traductori liniari Traductorii liniare transformă mișcarea corpului în semnale electrice. Traductorul LTI generează o tensiune electrică care crește de la zero la maxim, deoarece cablul de pe unitate este tras la o jumătate de inch (13 mm) sau un inci (26 mm). Tensiunea arată la fel ca tensiunea variabilă de la un amplificator tipic de electrod și poate fi utilizată în același mod. Cu toate acestea, utilizarea preferată este cu un circuit servo pozițional. Cu aceasta, utilizatorul controlează poziția articulației protetice, controlând cât de departe este tras traductorul. Astfel mișcarea corpului se traduce direct în mișcarea articulației protetice. Dacă utilizatorii trag traductorul la o jumătate de inch (excursie completă), proteza trece prin toată gama de mișcări. O mișcare mai mică a traductorului produce o mișcare mai mică a protezei. Abilitățile utilizatorului determină ce mișcare a corpului este utilizată pentru a acționa transductorul liniar. Un aranjament tipic constă în montarea traductorului liniar în cablajul protetic, astfel încât expansiunea pieptului să deplaseze traductorul și duce la mișcarea protezei. Utilizatorii pot poziționa cu precizie proteza cu acești traducători. Circuitele utilizate cu aceste traductoare conțin de obicei un circuit de somn. Prin întrerupere, utilizatorul poate lăsa proteza într-o poziție fixă. Transductoarele liniare asigură controlul proporțional al vitezei.

Traductor liniar

Întrerupatoare

Comutatoare: o opțiune mai de bază, intrerupatoarele sunt disponibile în diferite stiluri. Există două tipuri și multe stiluri. Tipul lor este fie un comutator de funcționare, fie un comutator de stare. Comutatoarele de funcționare sunt utilizate pentru controlul direct al unui dispozitiv protetic. Comutatoarele de stat sunt utilizate cu un controler bazat pe microprocesor pentru a selecta stări. Comutatoarele de stat nu sunt potrivite pentru curentul necesar pentru a rula un motor. Întrerupătoarele operaționale vin în stiluri și forme mai; rocker, push, toggle, pull, etc. Întrerupătoarele de funcționare direcționează curentul spre motoarele unui dispozitiv protetic, determinând motorul să circule într-o direcție sau cealaltă la o viteză fixă. Comutatoarele nu oferă un control proporțional; pur și simplu pornesc sau opresc motoarele. Comutatoarele cu acțiune dublă comandă mișcarea în două direcții. Cu un comutator simplu pentru selectarea dispozitivului, un comutator cu acțiune dublă poate fi utilizat pentru a acționa mai multe dispozitive. Comutatoarele sunt de obicei încorporate în hamă, dar fiecare configurație de montare este puțin diferită.

2.3 ACTUALITATEA PROTEZELOR DE ARTICULAȚIE HUMERO-CUBITO-RADIALĂ

2.3.1 Manusi estetice

Denumită și proteză pasivă, ea înlocuiește partea lipsă sau membrul lipsă și arată destul de asemănătoare cu cea naturală, așa cum se arată în figura 1.2. Acestea sunt fabricate din PVC, latex sau siliciu. Acestea nu oferă funcționalitate, au o greutate redusă și necesită foarte puțină întreținere.

Tehnologia de azi, oferă dispozitive pasive, realiste, ce se potrivesc îndeaproape cu nuanțele pielii și cu forma membrului.

Pacienții beneficiază de un sistem de fixare extrem de simplu și eficient, protezele putând fi adaptate pentru orice nivel de amputație. De asemenea, pentru pacienții care nu doresc să renunte la dispozitivele pe care le folosesc în prezent, există opțiunea unei mănuși estetice personalizată.

Proteza pneumatica

Bratele robotice pot fi destul de periculoase, o singură defecțiune poate provoca mișcări frenetice care ar putea provoca cu ușurință daune grave creaturilor noastre biologice sărace. Dar brațul robotizat ISELLA este construit pentru a minimiza potențialul unei astfel de defecțiuni, iar designul său este inspirat de trunchiul unui elefant.
Brațul a fost creat de cercetători de la Institutul Fraunhofer pentru producție, inginerie și automatizare IPA din Stuttgart, care a analizat agilitatea extremă a trunchiului elefanților și, prin urmare, a venit cu desenele. Un trunchi de elefant conține aproximativ 40.000 de mușchi pe care îi folosește pentru o varietate de sarcini, printre care împrăștierea copacilor și transportul încărcăturilor grele – dar și pentru sarcini mai delicate, cum ar fi manipularea obiectelor. Herald Staab, care a inventat tehnologia din ISELLA, spune că "suplețea și agilitatea lui ne-au dat ideea unui braț robot bionic, ISELLA".

Principala diferență față de brațele robotizate convenționale este că, în timp ce brațele standard sunt echipate cu un motor pentru fiecare articulație articulată, ISELLA are două. Dacă un motor eșuează, celălalt preia și împiedică scoaterea de sub control a brațelor.

Brațul este acționat de un mușchi simplu și ieftin care

constă dintr-un motor și un cordon atașat la piese în

mișcare – similar cu modul în care sunt atașate tendoanele

musculare. Arborele de antrenare al motorului este atașat

la punctul central al cablului, astfel încât atunci când

acesta se rotește, cablul trage în ambele direcții.

Cercetatorii au denumit acest mecanism "DOHELIX"

datorită asemănării sale vizuale cu dubla helix , celebra

„moleculă a vieții” ( ADN ) care poartă „cifrul” nostru

genetic ne este familiară sub forma dublului helix, structură descoperită în 1953 de James Watson și Francis Crick.

Proteza cu comanda mioelectrica

12K100N DynamicArm este o articulație articulată mioelectric, acționată de un motor electric și este destinată utilizatorilor cu niveluri de amputare transhumerale sau mai mari. DynamicArm Plus (12K110N) este disponibil pentru utilizatorii cu mai mult de 2 semnale myo. Este controlată în întregime de semnalele mioelectrice. În plus față de mână și rotația articulației încheieturii, flexia articulației cotului poate fi de asemenea controlată de semnalele musculare.

Beneficii aditionale: Forță mare de ridicare și de susținere Control natural, delicat, cu poziționare rapidă și precisă Aspect atractiv Nivel scăzut de zgomot, fără zgomot în timpul libidoului liber Comportamentul natural al leagănului Proteza este deosebit de inconspicabilă, datorită zgomotului de funcționare optimizat de ingineria sonoră, precum și a fazei de leagăn ușor umezite și complet silențioase. Aceste caracteristici speciale ale tehnologiei sunt integrate într-un sistem antebrat comun cu antebraț cu un design natural și anatomic. Forma și culoarea de bază se îmbină cu imaginea generală a corpului uman. Elementele siliconice atenuează zgomotul și șocurile cauzate, de exemplu, atunci când se sprijină pe o suprafață tare. DynamicArm 12K100N este acum și mai natural și mai fiabil.

Acest lucru se realizează prin următoarele inovații: Protectorul elastomerului din cavitatea articulației a fost îndepărtat. Toate celelalte protectori au acum aceeași culoare ca restul antebrațului, oferind un aspect mai natural. Un modul Bluetooth puternic, care oferă o conexiune optimizată, permite configurarea sigură prin intermediul unui computer. Datorită clemei curelei modificate, fitingurile de încercare sunt mai ușoare și mai rapide. Montarea cablului pentru curea a fost modificată astfel încât DynamicArm să poată fi filetat direct în inelul de laminare al soclului. Ecartamentul de compensare compensează fluctuațiile de temperatură și mai fiabil. Datorită acestor îmbunătățiri și pe baza unei noi garanții, întreținerea este necesară numai la fiecare 24 de luni. DynamicArm poate fi combinat cu alte componente protetice myoelectrice de la Ottobock, cum ar fi: 10S17 Rotator electric pentru încheietura mâinii 8E38 = Sistem de mână electrică 8E33 = * Greifer electric pentru sistem Urmatoarele componente nu pot fi folosite in combinatie cu DynamicArm: 8E39 = * și 8E41 = * Sistem electric de mână 8E34 = * Greifer electric pentru sistem 8E44 = * Mâna transcarpală 8E51 = Electric Electric 2000 DynamicArm poate fi configurat utilizând software-ul ElbowSoft 646C42. Pentru a face acest lucru, DynamicArm este conectat la PC utilizând un modul Bluetooth integrat.

Specificatii tehnice:

Ordering information

Cot de blocare
Blocarea cotului este integrată în
articulația cotului. Susține o exploatație
forță de până la 230 N.

Antebraț
Într – o cantitate minimă de spațiu,
antebrațul conține următoarele:
AFB ajutor de flexiune, controlul
electronică, motorul de acționare,
Transmisie Vario, Li-Ion
bateriile și interfața Bluetooth
pentru a vă conecta la BionicLink.

1.Capace de silicon
Acestea servesc la atenuarea sunetului făcut de către
antebrațul la contactul cu obiecte dure, de ex.
când odihnește brațul pe o masă.
2.Roată de mână
Acest lucru permite utilizatorului să adapteze dispozitivul de ajustare AFB
la situația, de ex. când se schimbă de la lumină
vestimentație de vară la haine de iarnă grele.

DynamicArm este un motor electric care actioneaza articulația cotului cu un control electronic, infinit transmisie variabilă Vario. Aceasta înseamnă mecanismul mecanismului, similar cu musculatura umană, răspunde aproape instantaneu la diverse mișcări și solicită în timp ce raportul de transmisie este continuu adaptate la schimbările de mediu Condiții. Prin urmare, este foarte aproape de modelul de mișcare al unui braț uman natural. Combinat cu AFB integrat (Automatic Antene de echilibru) de ajutor de flexiune, DynamicArm realizează ușurința de mișcare și un nivel natural, ușor amortizat și în întregime fără sunet leagăn liber. Unitatea AFB stochează energia care este eliberată când brațul este extins, returnându-l mai târziu pentru controlat flexiune. Furnizarea senzorilor electronici datele de bază privind poziția și încărcarea la sistemul integrat microprocesor, care le utilizează pentru a calcula datele de control. Proștiștii tăi se adaptează DynamicArm la nevoile dvs. individuale cu ajutor de software special ElbowSoft și Interfața Ottobock BionicLink Bluetooth. Funcționalitatea DynamicArm vă permite pentru a obține cea mai mare independență posibilă în viata de zi cu zi. Este potrivit atât pentru unilaterale, cât și pentru bilaterale amputate.

Cum este controlat DynamicArm?
Utilizatorul poate controla poziția, forța și viteza a sistemului de proteze prin mio-electrozi.
prefixul "myo" este derivat din greaca "Cape" (mușchi). Din cauza proceselor biochimice, fiecare
contracția unui mușchi generează un curent electric tensiune în domeniul micro-volt. Această tensiune poate se măsoară pe piele. Cu brațul mioelectric proteze, tensiuni musculare adecvate
detectată în membrul rezidual. Aceste tensiuni joase sunt amplificate și transmise ca semnale de control către electronica protezei. Cu cât e mai puternic electrod, cu atât mișcările controlate sunt mai rapide
– care face controlul preciziei întregul sistem de proteze este posibil.

Ce inseamna principiul AFB in domeniu DynamicArm?
AFB controlat electronic (automat Antet Balance) Ajutorul de flexie stochează energia când antebrațul este coborât și apoi îl folosește atunci când se ridică. Acest lucru are un impact notabil asupra consumului de energie.

Cateva dezavantaje ale acestor tipuri de proteze sunt prezentate mai jos:

Acestea sunt foarte scumpe.

Amputatul trebuie să învețe mișcările de declanșare.

Brațul necesită atașamente diferite pentru diferite locuri de muncă.

Bratele mioelectrice sunt grele.

Apa și electricitatea nu se amestecă.

Proteza pneumatica controlata prin creier

Doi studenți din domeniul ingineriei biomedicale au dezvoltat un braț protetic care este controlat de semnalele creierului. Limita protetică relativ ieftină se numește braț artificial operată prin mușchi (AMO) și permite amputeilor să evite intervențiile chirurgicale invazive. Brațul AMO este alimentat de "mușchii artificiali" – simple pompe pneumatice și supape – pentru a crea mișcări, astfel încât să nu se bazeze pe componente electrice și mecanice. Brațul se spune că este controlat de semnalele creierului utilizatorului printr-o căști de citire a creierului – deși din nou, niciun cuvânt despre care cască proiectul folosește pentru măsurarea undelor cerebrale.

Dezvoltat de studentul treilea an Thiago Caires și cel de-al doilea an, Michal Prywata, brațul AMO este controlat de creier și utilizează aerul comprimat ca sursă principală de energie. Utilizatorii poartă o căști de interfață creier-computer, care transmite semnale de la creier wireless la un calculator în miniatură din braț. Informația rezultată este trimisă sistemului pneumatic, care, la rândul său, activează brațul pentru a crea mișcarea corectă. Simulând expansiunea și contracția mușchilor reali, sistemul folosește aerul comprimat dintr-un mic rezervor reîncărcabil în buzunarul utilizatorului. Sistemul muscular artificial creat de Caires și Prywata este primul din domeniul protezelor și continuă să lucreze la perfecționarea sistemului lor. De exemplu, perechea lucrează la un design care se potrivește rezervorului în brațul propriu-zis.

Aceștia au dezvoltat deja un concept inovator pentru detectarea capacitivă, care detectează diferite materiale înainte de contact. Studenții au, de asemenea, planuri de dezvoltare a unui sistem adaptiv, unul care va "învăța" treptat de la mișcările unui utilizator și le va desfășura fără probleme.

Cateva dezavantaje ale acestor tipuri de proteze sunt:

Este greu pentru protetice să simtă semnalele.

Nu sunt foarte corecte.

Aceste proteze necesită o sursă puternică de energie pentru a funcționa.

BIOMECANICA

1.1 Generalitati

1.1.1.Ce este biomecanica

Termenul biomecanică combină prefixul bio, adică "viața", cu domeniul mecanicii, care este studiul acțiunilor forțelor.

Biomecanica reprezinta studiul a mai multor domenii cum ar fi: medicina(anatomie,recuperare medicala etc), stiintelor exacte(matematica,chimie,fizica), mecanicii(studiul incarcarilor,miscarii) si efectele mecanice asupra miscarii,formei,dimensiunii si structurii organismului.

1.1.2.Importanta biomecanicii

Mecanica reprezinta o ramură a fizicii și ingineriei care se ocupă de evaluarea forțelor responsabile pentru menținerea unui obiect sau a unei structuri într-o poziție fixă, precum și cu descrierea, predicția și cauzele mișcării unui obiect sau a unei structuri.

Biomecanica oferă informații și îndrumări cu privire la funcția sistemului musculo-scheletic în ceea ce privește o soluție tehnică mai bună și adaptări ale mediului înconjurător.

Toate formele de viață de pe pământ, inclusiv oamenii, sunt supuse în mod constant forței universale de gravitație și, astfel, forțelor din interiorul și din jurul corpului. Prin studiul interacțiunii acestor forțe și a efectelor acestora, forma, funcția și mișcarea corpurilor noastre poate fi examinată și cunoștințele rezultate pot fi aplicate pentru a promova calitatea vieții. Sub acțiunea gravitației și a altor sarcini și controlate de sistemul nervos, mișcarea umană se realizează printr-o interacțiune mecanică complexă și foarte coordonată între oase, mușchi, ligamente și articulații din sistemul musculoscheletic.

Mușchii generează forțe de tracțiune și aplică momente la articulații cu brațe scurte pentru a asigura stabilitate statică și dinamică a corpului sub sarcini gravitaționale și alte sarcini în timp ce efectuează cu regularitate un control precis al membrelor.

1.1.3.Analiza mișcării umane

Toate mișcările și modificările mișcărilor apar din acțiunea forțelor, atât interne, cât și externe. O schimbare a forței care acționează asupra unui obiect este necesară pentru a deplasa un obiect dintr-o poziție staționară sau pentru a-și schimba viteza. Cantitatea de schimbare a vitezei unui obiect depinde de magnitudinea și direcția forței aplicate. Legile lui Newton dau o relație clară între forța în schimbare și schimbarea rezultată în mișcare, iar acest lucru se aplică tuturor formelor de mișcare, inclusiv locomoția umană. Analiza mișcării umane este studiul sistematic al mișcării umane prin observație atentă, mărită de instrumente pentru măsurarea mișcărilor corpului, a mecanicii corpului și a activității mușchilor. Scopul său este de a colecta informații cantitative despre mecanica sistemului musculo-scheletal în timpul executării unei sarcini motorii.

1.2.Biomecanica cotului

Articulația cotului este o structură complexă care acționează ca o legătură mecanică importantă în extremitatea superioară dintre umăr și încheietura mâinii. Este dinamic, permițând mișcarea articulatiei pentru a facilita mișcarea brațului, este statică, oferind o ancoră pentru mișcări .

1.2.1.Anatomia cotului

Anatomia cotului include articulația cotului care este o articulație complexă și structurile care o înconjoară. Această articulație este formată din articularea a trei oase și anume:
-capătul inferior al humerusului (osul brațului)
-capătul superior al radiusului (osul antebrațului)
-capătul superior al ulnei (osia antebrațului)

Datorită implicării a trei oase, cotul este format din trei articulații:

-între humerus și ulna (ulno-humerală); Permite flexia și extensia cotului.
-între humerus și radius (radio-humerală); Permite flexia și extensia cotului,dar mai important permite supinatia-pronatia.

-între ulna și radius (articulația radio-ulnară); Permite supinatia-pronatia.

O parte din ulna care articulează cu humerusul include procesul de olecranon și coronoid. O parte corespondentă a humerusului care se articulează cu aceste procese se numește trochlea.

a)Oasele articulației cotului
Îmbinarea cotului este compusă din capătul distal al humerusului și extremitățile proximale ,radius și ulna.

Humerusul (osul brațului) este un os lung ce formează scheletul brațului si prezintă două epifize si o diafiză (distala si proximala). Diafiza  (corpul humerusului) prezinta 3 fețe (antero- medială, antero- laterală si posterioară), 3 margini (medială , anterioară, laterală). Epifiza (extremitatea proximală superioara) se articulează cu scapula și formeza capul humerusului. Epifiza (extremitatea distală inferioara) se articulează cu ulna si radiusul și formeaza condilul humerusului (unde se gaseste capitulul, trei fose: coronoidă, radială, olecraniană trohleea) și o parte nearticulară: epicondilii (epicondilul lateral si medial).

Ulna (cubitusul) este un os lung, situat în partea medială a antebrațului, așezat în prelungirea degetului mic. Ulna prezintă două epifize si un corp. Corpul ulnei este format din trei fețe (mediala,posterioara si anterioara), trei margini (laterală sau interosoasă ,anterioară si posterioară). Extremitatea superioară (epifiza) formeaza două procese: procesul coronoid și olecran, două incizuri: radială și trohleară și tuberozitatea ulnei. Extremitatea inferioară(epifiza) prezintă capul și procesul stiloid. Ulna(cubitusul) se articulează cu radiusul (distal si proximal), humerusul (proximal), și piramidalul (distal).

Radiusul asigură poziția mâinii în timpul mișcării de pronație și supinație, prin mișcările sale în jurul capului ulnei.

b)Muschii

Mușchii care ajuta in procesul de mișcare a cotului sunt flexori și extensori.

Mușchii flexori sunt:

-bicepsul brahial cu un capat inferior si doua capete superioare.

Acest mușchi provine din procesul coronoid și tubul de supraglenoid care călătorește în jos pe braț, traversează articulația cotului și se inserează pe radius. Actiunea sa este de a flexa articulatia cotului si de a suprapune antebrațul.

-brahialul anterior este situat sub biceps

Acest mușchi este cel mai puternic flexor al cotului atunci când palma este pronatată. Se ridică din jumătatea inferioară a frontului Humerusului și se introduce pe procesul coronoid care este protusia osoasă din față a ulnei.

Mușchii epicondilieni:

– Mușchiul brahio-radial: Acest mușchi începe la marginea exterioară a treimii inferioare a Humerusului, traversează articulația și inserțiile la capătul inferior al Radiusului. Treaba lui este să flexeze cotul și să ajute la pronatie – supinație.

– Primul radial extern: Acesta se inseră distal pe fața posterioară a bazei celui de-al doilea metacarpian, dar și proximal pe marginea externă a humerusului. Mușchiul este un extensor și abductor al mâinii pe antebraț.

-Al doilea radial extern: Acesta se inseră distal pe fața posterioară a bazei celui de-al treilea metacarpian și proximal pe epicondil. Este extensor și abductor al mâinii pe antebraț.

Mușchii extensori sunt:

– tricepsul brahial – provine de la scapula și suprafața posterioară a humerusului pentru a traversa cotul și se atașează la procesul olecranon din spatele ulnei. Acesta este extensorul principal al cotului.

– anconeul se situeaza pe fața posterioară a cotului. Acesta este un mușchi scurt și trunghiular.

1.2.2. Miscarile articulatiei humero-cubito-radiale

Mișcarea de Flexie.

Mișcarea de flexie se refera la o miscare care scade unghiul dintre antebraț si braț. Flexibilitatea cotului mareste unghiul dintre ulna si humerus. Amplitudinea miscarii activă normal este de aproximativ 150°.

Datorita axului antebratului care nu se suprapune cu axul bratului, mana nu se orienteaza spre umar, ci spre torace.

Cand bratul actioneaza ca un lant cinematic deschis, antebratul actioneaza ca cu parghie de gradul al trei-lea, cu punctul de sprijin la mijloc, acesta fiind reprezentat de articulatia cotului. Factorii care limiteaza flexia sunt: impacul capului radiusului asupra fosei radiale, pătrunderea ciocului apofizei coronoide in foseta corespunzătoare de pe fața anterioară a paletei humerale si tensiunea din capsula si triceps.

Cand bratul acționează ca un lanț cinematic inchis (ca in pozițiasprijinit pe maini), antebrațul acționează ca o parghie de gradul 1, cu punctul de sprijin la mijloc.

Extensia

Mișcarea de flexie se refera la o miscare care creste unghiul dintre antebraț si braț, ajungand în ultima fază a mișcării sa-l prelungească. Amplitudinea activă de extensie se este tot de 150ș.

Factorul care limiteaza miscarea de flexie este varful olecranului, care atunci cand cotul este pus sub tensiune, acesta se opreste in capatul fosei olecranienei și al ligamentului anterior al cotului. In punctul maxim de extensie al bratului se formeaza un unghi optuz de 170° ( axul longitudinal al antebrațului nu prelungește rectiliniu axul longitudinal al brațului).

Supinație-pronație

Pentru ca supinația-pronația sa poata fi studiată corect cotul trebuie sa fie flexat la 90° și lipit de corp. Amplitudinea miscarii este de aproximativ 180°.

Dacă mâna este orientată în sus, in mișcarea de supinație amplitudinea mișcării este de 90°, iar dacă mâna este orientată în jos amplitudinea mișcării este de 85°. In timp ce cotul este intins, daca se adauga mișcarea de supinație-pronație a umărului, amplitudinea finala a miscarii este de 360° dacă orientarea membrului superior este verticală în lungul trunchiului, 360° când brațul este în abducție si 180° dacă brațul este în abducție completă și vertical.

1.2.3.Fortele aplicate articulatiei cotului

Biomecanica mai este descrisa ca "știință care examinează forțele care acționează asupra și în interiorul unei structuri biologice și efectele produse de astfel de forțe". Această revizuire încearcă să exploreze literatura de specialitate cu privire la forțele biomecanice care acționează asupra articulației cotului, care în combinație cu anatomia este esențială pentru gestionarea optimă a tulburărilor cotului.

Biomecanica unei îmbinări de cot este un parametru esențial într-un model cinematic pentru estimarea forței și a lungimii de la mișcarea și rotirea unei îmbinări pe care mușchiul traversează.

Studiul biomecanicii include examinarea forțelor care acționează prin articulația cotului, cinematica și menținerea stabilității cotului prin acțiunea stabilizatorilor activi și pasivi. Fiecare forță exercită un moment, care poate fi reprezentat de o diagramă liberă a corpului (Figura 1). Flexibilitatea și extensia cotului are loc în jurul unui centru de rotație instant care implică o suprafață de 2 până la 3 mm în diametru la trohlee. Pronatia și supinația sunt importante pentru funcționare, iar axa de mișcare este o axă longitudinală de la centrul capului radial până la centrul capului ulnei. Stabilitatea activă este menținută prin acțiunea mușchilor care asigură forțe de compresie în comun. Stabilitatea pasivă apare din umărul care articulează foarte congruent cu ulna și rolul stabilizatorilor de țesut moale din jur care includ complexele laterale și mediale colaterale ale ligamentelor.

Biomecanica mai este descrisa de unii cercetatori ca "știință care examinează forțele care acționează asupra și în interiorul unei structuri biologice și efectele produse de astfel de forțe". Această revizuire încearcă să exploreze literatura de specialitate cu privire la forțele biomecanice care acționează asupra acestei articulații a cotului, care în combinație cu anatomia este esențială pentru gestionarea optimă a tulburărilor cotului.

Figura 1: Diagrama liberă a caroseriei care arată antebrațul care ține o bilă [16].
Forțele biomecanice care acționează asupra articulației cotului

Analiza statică a articulației cotului
Se pot aplica principiile de bază ale statice ale articulației cotului pentru a analiza efectele create de forțele și momentele de acțiune. Pe diagramă, se presupune că articulațiile încheieturii, mâinii și degetelor sunt fixate rigid. Forțele au arătat că acționează asupra corpului liber, incluzând forța de reacție comună R care acționează între ulna și humerus și forța care acționează prin mușchiul biceps B.

Figura 2: A: Brațul se îndoaie la 90 ° la cot, cu mâna și degetele rigide, ținând o bilă în palmă.
B: Diagrama liberă a caroseriei care arată antebrațul care ține o bilă.

S-a explorat analiza tridimensională a amprentelor de țesuturi moi și anatomie prin intermediul a nouă disecții cadaverice care furnizează date cantitative medii, de ex. ligamentul colateral mediu reprezintă zona de amprenta de origine (humerală) de 216 mm2. Acest lucru poate oferi informații utile chirurgului pentru a ajuta la restabilirea biomecanicii cotului normal și pentru a menține gama de mișcări.

Figura 2: A: Brațul se îndoaie la 90 ° la cot, cu mâna și degetele rigide, ținând o bilă în palmă.
B: Diagrama liberă a caroseriei care arată antebrațul care ține o bilă [16].

în schema liberă a corpului, G este greutatea antebrațului care acționează vertical în jos, B este forța bicepsului și R este forța de reacție comună. Pentru a genera o idee asupra posibilei forțe a protezei, este important să știți: relația dintre forțele care acționează prin biceps și forța gravitațională prin mâna, precum și forța de reacție comună. S-a demonstrat prin folosirea unui model similar cu cel de mai sus al cotului, ca forța din biceps este de aproximativ 10 ori mai mare decât cea a mâinii. Aceasta a fost calculată luând momente despre cot, luând în considerare faptul că forța de reacție comună are un braț moment de zero și astfel nu creează nici un moment în legătură cu axa de articulare. adică momentele legate de articulația cotului = 0 = (B × D1) – (G × D2) – (W × D3) D1, D2, D3 sunt distanțele măsurate perpendiculare față de articulația cotului. G este greutatea humerusului. W este greutatea unei mase în mână. Folosind forța prin biceps, se poate lua momentul în direcția "axei y" unde suma momentelor este egală cu zero. adică suma momentelor în direcția y = 0 = – R + B-G – W Din ecuația de mai sus, putem calcula R. Cercetatorii descriu că, folosind greutăți și flexibile la cot, forțele care trec pe suprafața articulată a cotului vor fi de aproximativ 8,5 ori mai mari decât greutățile din mână.

Acest lucru se întâmplă din momentul în care se iau momente ale tuturor forțelor care acționează în jurul antebratului, luând în considerare distanțele de la articulația cotului în care acționează toți. Cercetatorii au descris că 60% din încărcătura axială a articulației cotului va fi transmisă prin îmbinarea radială humerală, care se compară cu 40% prin articulația ulnohumeral.

Încărcături dinamice la cot

Forțele puternice de compresiune și de forfecare apar la articulația cotului. Forțele de reacție comune variază în funcție de poziția cotului, s-a demonstrat că transmisia forței este cea mai mare între 0 și 30 grade de flexie. Cu cotul extins, forța globală a articulației ulno-humerale este concentrată asupra coronoidului. În flexie, această forță se îndreaptă spre olecranon. Unele studii au arătat că cea mai mare forță este generată de inițierea flexiei . Calculele sugerează că aproximativ trei ori greutatea corporală poate fi transmisă peste articulația cotului atunci când este flexată la 90 de grade. Forțele implicate și reacția la acțiune, pot contribui la degenerarea observată în artrita.

Flexie și extensie

S-a demonstrat că îmbinarea normală a cotului permite flexiunea și extinderea de la 0 ° la 140 ° și intervalul funcțional de mișcare pentru a efectua activități de viață zilnică este în intervalul de la 30 ° la 130 °. S-a demonstrat că flexia și extensia cotului are loc în jurul unui "centru instant de rotație care implică o suprafață de 2-3 mm în diametru la trohlea". Cercetatorii au arătat că îmbinarea ulnohumeral are de asemenea o rotire axială de 6 ° datorită oblicității canelurii trochlea. Aceste constatări sunt importante în considerare pentru proiectarea implanturilor cotului pentru a încerca să restabilească proprietățile anatomice și biomecanice cât mai aproape posibil de articulația inițială.

Pronatia și Supinatia

Pronatia și Supinatia cotului, de asemenea, trebuie să fie luate în considerare. Axa de mișcare pentru pronatie și supinație este o axă longitudinală de la centrul capului radiusului până la centrul capului ulnei. Raza și ulna se află în paralel, dar în supinație, radiusul trece peste ulna și în timpul pronării, capul său se mișcă distal și dorsal. Există mișcarea ulnei proximale și mediale și a radiusului proximal în pronatie și distal în supinație. Este raportat că, cu un grad aproximativ de pronatie de la 80 până la 90 de grade și supinație aproximativă de 90 de grade, rotația medie este de 180 de grade. Analizând rolul teorilor de pronatie și forțele aferente, s-a constatat că eficiența maximă este cea mai înaltă în flexia cotului total și aproape de poziția neutră a antebrațului pentru fiecare unghi al cotului. Componenta verticală a teoriei pronatiei este cea mai mare dintre toate componentele și este mai pronunțată în extensia pronatiei și a cotului, precum și există efecte de la mișcarea mai în jos a antebrațului la încheietura mâinii. Conform cercetatorilor constatăm că, cuplul mediu creat la articulația cotului este de 7 kg-m la barbati și 3,5 kg-m la femei cu cotul la flexia de 90 °. Cu toate acestea, în extensie, cuplul este mai mic și se observă că este de 800-900 g-m la barbati, 350-500 g-m la femei. Măsurarea cuplului se schimbă odată cu evaluarea proceselor de analiză. Flexia de la 0 ° la 30 ° si forțele prin capul radial au fost de cea mai mare magnitudine și mult mai pronunțate (fig. 3). Aceasta se întâmplă deoarece direcția forței de reacție a articulației se modifică cu unghiul de flexie. Figura 4 demonstrează că vectorii de forță care acționează la cot schimbă unghiul de flexie.

Figura 3: Mărimea forței pe capul radial este mai mare cu pronace, sugerând că capul radial se mișcă mai apropiat de pronace [19].

Figura 4: Vectorii de forță se modifică cu unghiul de flexiune.

Stabilitatea cotului

Stabilitatea biomecanică a articulației cotului este menținută prin acțiunea structurilor active și pasive de stabilizare [1]. Stabilitatea este realizată prin acțiunea mușchilor care asigură forțe compresive comune. Un număr de mușchi traversează articulația cotului, care, datorită contracției, poate crea forțe în zona humerusului, a radiusului și a ulnei din interiorul articulației. Cercetatorii au raportat că congruența articulațiilor, precum și complecșii ligamentului medial și lateral colaterale reprezintă majoritatea stabilității articulare. Muschii au un rol dinamic important în stabilizarea articulației. La extinderea aproape completă a cotului, forțele au fost observate ca fiind mai mari axial la humerusul distal și astfel de forțe scad cu creșterea flexiei cotului.

Figura 5 a arătat dimensiunea și direcția acestor forțe care acționează la humerusul distal.

Figura 5: A: Mărimea și direcția forțelor la humerusul distal în timpul flexiei.
B: Amplitudinea și direcția forțelor la humerusul distal în timpul extensiei [19].

Stabilitatea pasivă apare din humerul care articulează foarte congruent cu ulna și rolul stabilizatorilor de țesut moi din jur, de ex. ligamente colaterale. Ulna are un rol foarte important și a fost demonstrată că, prin eliminarea segmentelor crescânde ale ulnei proximale, se observă o scădere liniară a stabilității atât la flexie, cât și la extensie (Figura 6).

Figura 6: Înlăturarea segmentelor de ulna demonstrează scăderea liniară a stabilității cotului atât în prelungire, cât și în flexia de 90 ° [1].

CAPITOLUL IV

PROPUNERI DE SOLUȚII CONSTRUCTIVE ALTERNATIVE

Soluție constructivă care utilizează transmisii cu roți dințate și fire

Soluția constructivă propusă conține o treaptă cu roți dințate conice simetric dispuse față de axa de referință a antebrațului. Mișcarea de rotație de la elementul motor, având solidarizată o roată dințată conică (1) se transmite către roțile dințate conice (2) și (4) identice.

Cele două roți dințate conice dispuse simetric față de axa de referință vor realiza o mișcare de rotație cu aceași viteză unghiulară, dar în sensuri opuse. Fiecare dintre cele două roți dințate conice vor fi solidarizate cu o rolă având același diametru. Mișcarea de rotație a rolelor va fi transmisă către o a treia rolă poziționată în axa de rotație a protezei articulației humero-cubito-radiale. Firul utilizat pentru transmiterea mișcării va fi fixat de rolele (2’) și (4’), dar și de rola (3). Astfel, se va asigura conservarea lungimii firului desfășurat de pe roata (4’) și înfășurat pe roata (2’). Limitarea unghiului de rotație a articulației humero-cubito-radiale este asigurată prin fixarea firului de rola (3).

Pentru dimensionarea sistemului de acționare a mecanismului protezei este necesară realizarea analizei cinetostatice. Pentru sistemul de forte considerat în vederea manipulării unui obiect cu masa de 2,5 kg se pot scrie următoarele ecuații cinetostatice:

Raportul de transmitere a treptelor conice (fig. 4.1) se va calcula cu ajutorul relațiilor: , (11)

, (12)

unde: z1, z2, z3 reprezinta numarul de dinti ale rotilor dintate conice (1), (2), (4).

Din analiza sensului de mișcare a roților dințate conice (2) și (4) rezultă că acestea se vor roti în sens contrar una față de cealaltă, dacă numărul de dinți al roții dințate conice (2) și (4) sunt egale:

. (13)

Se vor adopta constructiv razele rolelor (2’) și (4’) egale, astfel:

, (14)

iar raza rolei articulată în articulația cotului va avea raza egală cu dublul razei rolelor (2’) sau (4’), astfel:

. (15)

Raportul de transmitere dintre rolele (2*) si (3) respectiv (4*) și (3) va fi egal în modul cu:

. (16)

Calculul unghiului de rotație maxim al elementului motor

Acceptând unghiul de oscilație al articulației humero-cubito-radiale ca fiind:

(17)

Si explicitand raportul de transmitere de la elementul motor la rola (3) în articulația cotului:

, (18)

Se va putea calcula unghiul maxim de rotatie necesar a fi realizat de elementul motor (1):

. (19)

4.1.2 Calculul momentului de acționare al protezei articulației humero-cubito-radiale

Dacă se acceptă masa maximă care poate fi prehensată cu ajutorul protezei de membru superior m=2,5 kg și lungimea antebrațului l=250 mm, greutatea obiectului manipulat se va calcula cu relația :

. (20)

Momentul rezistent variabil se va calcula cu relația:

, (21)

Având valoarea maximă de:

. (22)

Soluție constructivă care utilizează un mecanism cu bare și roți dințate

Soluția constructivă propusă utilizează un mecanism cu bare și roți dințate, care asigură un unghi de oscilație mare între antebraț și braț.

Mecanismul consideră elementul (1) solidar cu antebrațul, sistemul de acționare linear (2) este articulat de antebraț la distanța l1 față de articulația protezei humero-cubito-radiale (B0). De culisa mecanismului (3) este solidarizat un sector dințat, care execută o mișcare cicloidală în raport cu roata dințată (5), care este elementul condus al mecanismului cu bare și roți dințate. Elementul (4) al mecanismului reprezintă un braț port-satelit care permite mișcarea cicloidală a sectorului dințat (3) față de roata dințată (5).

Mecanismul cu bare și roți dințate asigură un unghi de oscilație mare între braț și antebraț.

Elementul (1) este solidar cu antebratul, la care este articulat sistemul de acționare linear (2) la distanța l1 față de articulația protezei humero-cubito-radiale (B0).

Sectorul dințat este solidarizat de culisa mecanismului (3) executand o mișcare cicloidală în raport cu roata dințată (5), care este elementul condus al mecanismului cu bare și roți dințate.

Elementul (4) al mecanismului reprezintă un braț port-satelit care permite mișcarea cicloidală a sectorului dințat (3) față de roata dințată (5).

Calculul unghiului de rotație maxim al elementului motor

Mecanismele cu bare și roți dințate conține ca mecanism de bază un mecanism cu culisă oscilantă și o roată dințată solidară cu piatra de culisă.

Ecuația de închidere a conturului poligonal vectorial pentru mecanismul de bază se va scrie sub forma:

(23)

Prin reorganizarea termenilor ecuației (23) sub forma:

(24)

și multiplicarea acesteia cu ecuația complex conjugată se obține ecuația de transmitere utilizată pentru determinarea unghiului culisei :

(25)

Din aceasta rezultă funcția de transmitere a culisei în formă parametrică:

(26)

unde:

(27)

Prin multiplicarea ecuației (23) cu ecuația complex conjugată a acesteia rezultă ecuația de transmitere pentru determinarea unghiului de oscilație al balansierului :

(28)

Unghiul de oscilație se va determina din relația (28) în formă parametrică:

Unghiul de rotire al roții dințate ca element condus al mecanismului cu bare si roți dințate poziționată în articulația humero-cubito-radială se va calcula cu relația:

, (29)

unde:

– unghiul elementului condus;

– inversul raportului de transmitere a treptei cu roți dințate;

, -funcțiile geometrice ale mecanismului elementar de baza.

Considerând dimensiunile geometrice ale mecanismului ca fiind:

mm

mm

mm

Se va determina variația unghiului de rotire a elementului condus în raport cu cursa actuatorului linear, reprezentat în graficul din figura 4.4

Mecanismul permite un unghi de rotație maxim de μmax=150o pentru o poziția inițială s0=89 mm și o cursă s=18 mm.

4.2.2 CALCULUL GEOMETRIC AL TREPTEI CICLOIDALE A MECANISMULUI CU BARE ȘI ROȚI DINȚATE

Pe baza dimensiunilor geometrice ale mecanismului cu bare si roți dințate acceptat anterior se vor determina razele de divizare a roților dințate (3) si (5) astfel încât sa fie satisfăcută condiția:

r3+r5=l4, (30)

astfel, alegând raza de divizare r3=7 mm, raza de divizare r5=4 mm.

Determinarea numărului de dinți a roților dințate (3) și (5) se va realiza prin utilizarea relației:

(31)

Astfel:

(32)

(33)

4.2.3 CALCULUL FORȚELOR DE REACȚIUNE DIN ARTICULAȚIILE MECANISMULUI CU BARE ȘI ROȚI DINȚATE

Atât forțele de reacțiune din articulații, cât și forțele necesare pentru deplasarea lineară a actuatorului vor fi determinate prin analiza cinetostatică.

Figura 4.5 Structura mecanismului de conducere a mișcării

În vederea efectuării acestei analize, mecanismele cu roți dințate vor fi descompuse în grupuri cinematice.

Mecanismele cu bare și roți dințate cu acționare lineară conțin o grupă cinematică de tip Assur de clasa a doua si o treaptă cu roți dințate (4.4).

Ecuațiile cinetostatice de echilibru sunt:

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

Componentele forțelor de reacțiune pot fi determinate din relațiile (34, 35, 36, 37, 38, 39). Acestea sunt după cum urmează:

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

Unde:

(46)

(47)

Figura 4.6 Element motor de acționare

Ecuația forțelor cinetostatice pentru elementul motor (binar) este:

(48)

Componentele forțelor de reacțiune pot fi determinate din ecuația (48) rezultând:

(49)

Pentru toate aceste forțe de reacțiune modulul va fi calculat cu relația:

(50)

În comparatie cu mecanismele de tip bielă-manivelă, forțele de reacțiune din articulația B0 pentru mecanismele cu roți dințate exemplificate prezintă valori net superioare.

Pentru dimensionarea sistemului de acționare a mecanismului protezei este necesară calcularea momentului rezistent. Pentru sistemul de forte considerat în vederea manipulării unui obiect cu masa de 2,5 kg se va calcula variația momentului rezistent, conform următoarei ecuații caracteristice:

(51)

Solutie constructiva cu roti dintate conice

Roti dintate conice

Sol. Constr. Care utilizeaza o treapta cu roti dintate conice contine un motoreductor, care actioneaza un pinion conic solidarizat cu axa motoreductorului care angreneaza cu o roata dintata conica. Ansamblul motoreductor si pinion conic sunt montate in antebratul protezei, iar roata dintata conica este solidarizata cu bratul protezei.

Bratul protezei este fixat apoi prin intermediul unui manson de bontul natural.

Sol. Constructive cu actionarea prin intermediul mecanism cu culisa oscilanta.

Sol. Constr. Care utilizeaza mecanismul cu culisa oscilanta este identica cu structura de baza a mecanismului cu bare si roti dintate prezentat anterior. Mecanismul cu culisa oscilanta insa nu permite rotirea bratului cu un unghi favorabil de transmitere a fortelor. Mecanismul cu culisa oscilanta este actionat cu ajutorul unui motor linear articulat in antebratul protezei si are elemental condus solidar cu bratul protezei.