Prefață (necesitatea și oportunitatea temei)
Prefață (necesitatea și oportunitatea temei)
Membrul superior
Anatomia Funcțională a antebrațului
Oasele antebrațului și ale mâinii
Radiusul
Ulna
Carpul
Metacarpul
Oasele degetelor mâinii
Mușchii antebrațului și ai mâinii
Mușchii anteriori ai antebrațului
Mușchii laterali ai antebrațului
Mușchii posteriori ai antebrațului
Mușchii eminenței tenare
Mușchii lombricali și interosoși
Articulația cotului
Articulațiile radioulnare
Articulația radiocarpiană
Articulațiile carp metacarpiene
Articulațiile metacarpofalangiene
Articulațiile interfalangiene
Biomecanica Antebrațului
Cinematica mâinii
Dinamica mânii
Forțele de acțiune și de reacțiune
Evaluarea prehensiunii
Propiocepția
Chirurgia acută a mâinii și amputarea antebrațului
Amputarea
Recuperarea după amputare
Impactul psihologic
Soluții constructive existente (BeBionic C3)
Generalități
Dimensiuni
Prezentarea soluțiilor proiectate
Introducere
Caracteristici tehnice
Model 3D
Prezentarea componentelor modelului 3D
Model 2D
Dimensiunile și caracteristicile protezei
Descrierea componentelor
Senzori
Motor
Electrozi mioelectrici
Manșetă
Acumulator
Generalități
Principii de funcționare
Funcționarea în condiții extreme
Recomandări de folosire
Material folosit
Structura fibrei de carbon
Producerea fibrei de carbon
Clasificare fibrelor de carbon
Perspective (DE SCRIS)
Memoriu justificativ de calcul
Concluzii și propuneri
Anexe
Bibliografie
Introducere
Cuvântul „proteză” provine de la cuvintele grecești: „pro” – în loc și „tilhemi” – așezare, indicând prin urmare un aparat care să înlocuiască lipsa unui organ în întregime sau numai a unui segment al corpului. Denumirea de proteză este de multe ori folosită greșit în limbajul comun, fapt ce dă naștere unor confuzii atunci când este vorba de un aparat ortopedic, care are în realitate scopul de a îndepărta o atitudine vicioasă sau de a permite reglarea unei funcții.
Rezultatul la care se încearcă să se ajungă în domeniul proiectării protezelor de antebraț este acela de a crea o proteză cu funcții fiziologice complete, care să aibă un timp de răspuns cât mai scăzut și putere cel puțin egală cu cea din parametrii standard și care să poată fi controlată de subconștient.
O proteză din generația actuală nu este un înlocuitor al membrului în totalitatea sa fiziologică, ci este un dispozitiv menit să substituie mișcările de bază necesare activităților zilnice, astfel încât se confundă mai degrabă cu o unealtă decât cu un înlocuitor al membrului pierdut.
Factorii majori care la ora actuală clasifică protezele ca fiind unelete sunt aceia ai lipsei de control ridicat al acestora. Protezele de mână au un singur grad de mișcare (închis – deschis), controlat adesea mioelectric (câmp electric generat de contracația musculară). Pentru aparate ce necesită mai multe grade de mișcare se folosește controlul secvențial cu blocarea gradului de libertate pentru a putea schimba de la un grad de mișcare la altul. Principalul feedback pe care utilizatorul îl poate avea de la proteză cu tehnologia actuală este cel vizual – astfel este îngreunată utilizarea acesteia.
O proiectare eficientă și cât mai avansată a unei astefel de unelte necesită o pregătire multidisciplinară, cu înțelegerea unor domenii precum mecanică, electronică, biofizică, fiziologie, neurologie, anatomie funcțională și topografică.
În această lucrare mi-am propus să proiectez o proteză de antebraț ce va fi controlată mioelectric, va avea autonomie de funcționare crescută, va încorpora accesorii precum lanternă, desfăcător de sticle, loc pentru depozitat lucruri de dimensiuni mici cum ar fi cheile de la casă, mașină și va oferi utilizatorului control asupra puterii de strângere a protezei și în același timp feedback la nivelul bontului despre presiunea exercitată asupra obiectelor.
Consider că odată pierdut un membru, ne putem gândi la o proteză nu numai ca la un înlocuitor cât mai fidel al structurii fiziologice pierdute, cât și ca la o oportunitate de a ne extinde simțurile și capacitățile fizice, atât timp cât structura protezei permite încorporarea lor. Proteza poate îndeplini funcții utile și încorpora accesorii care pentru omul din era actuală au devenit indispensabile.
Un alt aspect care trebuie luat în considerare atunci când se proiectează o proteză este acela că amputatul întotdeauna își va folosi proteza ca pe mâna sa non-dominantă, chiar dacă brațul pierdut înainte era dominant. Mâna non-dominantă îndeplinește funcția de ținere a obiectului pe când cea dominantă lucrează sau așteaptă să lucreze la acesta. Astfel a apărut ideea că portezele trebuie proiectate diferit pentru cei cu un singur braț amputat față de cei cu ambele brațe amputate, deoarece deschiderea palmei brațului non-dominant trebuie să fie mai mare pentru îndeplinirea funcției de apucare, de ținere a obiectelor; iar proteza pentru brațul dominant folosit pentru prehensiune determină o proiectare a protezei în asa fel încât aceasta să îndeplinească rolurile corespunzătoare.
Amputațiile antebrațului sunt necesare în cazul traumatismelor grave asociate cu zdrobirea țesuturilor și a pachetelor vasculo-nervoase, tumori maligne primitive ale extremităților inferioare a humerusului, cangrene ale membrului superior, infecții osteoarticulare grave care pun viața bolnavului în pericol.
Performanțele protezei în apucarea obiectelor poate fi crescută folosind un material cu textură de burete acoperit de o mănușă sau un material de plastic elastic peste componentele metalice, pentru a imita pielea și țesuturile moi ale mâinii, care au rolul de a se mula după forma obiectului pentru o aderență mai mare.
Pe lângă abordarea problemelor de proiectare și construcție a protezei am abordat teme referitoare la impactul psihologic pe care amputarea o are asupra pacientului, de tratarea emoțională a acestuia și de instruirea lui în folosirea protezei proiectate. Pentru înțelegerea modului în care am abordat aceste teme a fost nevoie de prezentarea anatomiei funcționale a antebrațului, a fiziologiei acestuia și a cazurilor de patologii care duc la amputație.
1.1 Membrul superior
Mâna este organul prehensiunii și al tactului. Articulațiile membrului superior și mușchii care acționează asupra pârghiilor articulare înzestrează mâna cu o gamă de mișcări variate și de o mare finețe. Degetele, de exemplu, organele terminale ale membrului superior, posedă — raportat la centura scapulară, 11 grade de libertate a mișcării (Benninghoff). Presiunea și celelalte mișcări ale mâinii, implică participarea antebrațului. Acesta, are, în linii mari aspectul unui paralelogram ce poate fi împărțit în două părți printr-o diagonală care pleacă de la capul radiusului și ajunge la cel al ulnei. Piesa laterală este cea mai mobilă și execută mișcări de învăluire în jurul ulnei în cursul pronației și supinației. Piesa medială, ulnară, este fixă. Aranjarea mâinii în spațiu este dată de radius, singurul care se articulează cu carpul. Amplitudinea pronației și supinației ajunge la 140°, a flexiei și extensiei mâinii la 220°, iar a abducției și adducției acesteia la 95°. Combinarea mișcărilor articulațiilor uni- și biaxiale la nivelul cotului și mâinii asigură poziționarea variată a mâinii.
Din punct de vedere anatomo-funcțional mâna prezintă patru piese:
Unitatea fixă formată din rândul distal carpian, metacarpienele II și III și ligamentele carpometacarpiene, care formează un jghiab prin care alunecă tendoanele flexorilor. Mușchii flexori și extensori ai carpului sunt stabilizatorii acestei piese.
Piesa cea mai mobilă este alcătuită de trapez, metacarpianul I și falangele policelui. Mișcările policelui se fac în toate articulațiile care leagă aceste oase, asigurând ca valoarea policelui în presiune să fie de 50 %.
Piesa de mică mobilitate corespunde degetelor IV și V și ultimelor două metacarpiene. Prin adaptarea mușchilor intrinseci și hipotenarieni, acest segment are rol în formarea prehensiunii, în mutarea mâinii în prehensiunile „sferică” și „cilindrică”.
Piesa mobilă independentă a indexului, cu mobilitate în toate direcțiile este singura capabilă de circumducție în articulația metacarpofalangiană. Are un rol deosebit în mișcările fine.
Multitudinea mișcărilor executate de antebraț, mână și degete asigură acestei piese a membrului superior o mare amplitudine de acțiune.
Rolul și semnificația funcțională a degetelor
Fiecare deget are contribuția sa în funcționalitatea mâinii. Policele este desigur cel mai important dintre degete, mâna pierzând prin amputarea lui 60 % din capacitatea funcțională, iar întregul organism suferă o invaliditate de 10-20 %. Indexul este unul din principalii stabilizatori ai prehensiunii și este degetul „direcțional” al mișcării de apucare a obiectelor. El are cel mai înalt grad de sensibilitate, mai ales pe marginea laterală a falangei sale distale. Mediusul asigură forța prehensiunii, fiind situat cel mai aproape de axul de contracție al flexorilor. El este cel mai solicitat la ridicarea obiectelor grele, la agățare. Inelarul este adjuvantul mediusului din punct de vedere motor și al indexului din punct de vedere senzitiv (este al doilea că sensibilitate dintre degete). Se pare de asemenea, că are cea mai mare sensibilitate proprioceptivă față de celelalte degete și cea mai mică independență în mișcări (în special în extensie). Degetul mic are cea mai mică semnificație funcțională. El mărește forța strângerii obiectelor în mână și ajută indexul în direcționarea obiectelor apucate.
1.2 Anatomia Funcțională a Antebrațului
1.2.1 Oasele antebrațului si ale mâinii
Scheletul antebrațului este format din două oase: radiusul și ulna.
1.2.1.1 Radiusul este așezat lateral de ulnă, asigurând poziția mâinii în mișcarea de pronație și supinație. Este orientat cu extremitatea voluminoasă distal, procesul stiloid lateral și cu fața cu șanțuri a acestei extremități posterior.
Radiusul prezintă două extremități și un corp.
Extremitatea proximală este formată dintr-un segment de cilindru, concav superior, numit capul radiusului (caput radii). Superior se articulează cu capitulul humeral, iar circumferința articulară a capului (circumferentia articuiaris) se articulează cu incizura radială a ulnei. Distal de cap se găsește colul radiusului (collum radii) care formează un unghi obtuz deschis lateral cu diafiza. Inferior de col se află tuberozitatea radială (tuberositas radii) pe care se inseră muschiul biceps brahial. Cele două extremități (proximală și distală) ale acestei tuberozități se continuă cu câte o creastă; creasta distală este mai proeminentă și se continuă inferior cu marginea anterioară a radiusului. Aceste creste sunt „rădăcinile tuberozității radiusului”, cărora mulți autori le conferă o mare importanță în rezistența osului la solicitările din timpul mișcărilor de supinație și flexie.
Corpul radiusului (corpus radii) are formă cilindrică în partea superioară și prismatic- triunghiulară în cea inferioară, prezentând două curburi longitudinale – una concavă anterior, iar alta concavă medial. Aceste curburi alcătuiesc după unii autori curbura pronatorie, de care trebuie ținut seama în tratamentul fracturilor radiusului, deoarece alterarea lor duce la deficit al mișcărilor de pronație și supinație.
Extremitatea distală este voluminoasă de forma unui trunchi de piramidă patrulateră. Fața sa inferioară se numește fața articulată carpiană (facies articularis carpaea) și este triunghiulară, cu vârful lateral. Ea este concavă și prezintă o mică creastă sagitală în partea sa mijlocie, care o subdivide în două fețete articulare: laterală (triunghiulară) pentru osul scafoid și medială (patrulateră) pentru osul lunat. Lateral, vârful suprafeței triunghiulare se termină cu o puternică apofiză orientată distal, numită procesul siloid (processus styloideus). Acest proces coboară mai distal decât cel ulnar (element important de diagnostic clinic în fracturile epifizei distale ale radiusului) șle acestei tuberozități se continuă cu câte o creastă; creasta distală este mai proeminentă și se continuă inferior cu marginea anterioară a radiusului. Aceste creste sunt „rădăcinile tuberozității radiusului”, cărora mulți autori le conferă o mare importanță în rezistența osului la solicitările din timpul mișcărilor de supinație și flexie.
Corpul radiusului (corpus radii) are formă cilindrică în partea superioară și prismatic- triunghiulară în cea inferioară, prezentând două curburi longitudinale – una concavă anterior, iar alta concavă medial. Aceste curburi alcătuiesc după unii autori curbura pronatorie, de care trebuie ținut seama în tratamentul fracturilor radiusului, deoarece alterarea lor duce la deficit al mișcărilor de pronație și supinație.
Extremitatea distală este voluminoasă de forma unui trunchi de piramidă patrulateră. Fața sa inferioară se numește fața articulată carpiană (facies articularis carpaea) și este triunghiulară, cu vârful lateral. Ea este concavă și prezintă o mică creastă sagitală în partea sa mijlocie, care o subdivide în două fețete articulare: laterală (triunghiulară) pentru osul scafoid și medială (patrulateră) pentru osul lunat. Lateral, vârful suprafeței triunghiulare se termină cu o puternică apofiză orientată distal, numită procesul siloid (processus styloideus). Acest proces coboară mai distal decât cel ulnar (element important de diagnostic clinic în fracturile epifizei distale ale radiusului) și pe el se prinde ligamentul lateral al articulației radiocarpiene.
1.2.1.2 Ulna sau cubitusul este un os lung situat în partea medială a antebrațului; în supinație este paralel cu radiusul.
Orientare. Se orientează cu extremitatea voluminoasă proximal, cu incizura trohleară anterior și cu marginea ascuțită a corpului lateral.
Ulna este formată din corp și două extremități.
Extremitatea proximală prezintă anterior incizura trohleară (incisura trochlearis) care se articulează cu trohleea humerală. Ea prezintă două porțiuni: une verticală, corespunzând olecranului, și alta orizontală, corespunzând procesului coronoid. Incizura trohleară este parcursă sagital de o creastă verticală care corespunde șanțului trohleei humerale. Posterior de această incizură se află o proeminență verticală numită olecran (olecranon), ale cărei fețe laterale și superioară sunt rugoase și servesc de inserție mușchiului triceps brahial, ligamentelor și capsulei articulare a cotului. Fața posterioară a olecranului este subcutanată. Inferior de Incizură se află procesul coronoid (processus coronoideus), triunghiular, orientat orizontal. Inferior de acesta se găsește tuberozitatea ulnară (tuberozitas idnae) pe care se inseră mușchiul brahial. Atât olecranul, cât și procesul coronoid se termină cu câte un vârf orientat spre incizura trohleară, vârf care intră în extensia și flexia antebrațului în fosele olecraniană, respectiv coronoidă. Pe fața laterală a procesului coronoid se află incizura radială (incisura radialis), care este concavă sagital și se articulează cu circumferința articulară a capului radial.
Extremitatea distală are formă aproximativ sferică și se numește capul ulnei (caput ulnae). Fața sa laterală ocupă circa 2/3 din circumferința capului și se articulează cu epifiza distală a radiusului, numindu-se circumferință articulară (circumferintia articularis). Inferior, capul vine în raport cu discul articular care o separă de osul piramidal. Capul se prelungește inferior și medial cu procesul stiloid (processus styloideus), pe al cărui vârf se prinde ligamentul colateral medial. Posterior se găsește un șanț prin care alunecă tendonul mușchiului extensor ulnar al carpului. Ulna este vascularizată de ramuri ale areterei ulnare, iar nervii provin din nervul ulnar.
Scheletul mâinii este format din 27 de oase, așezate în trei grupe: carp, metacarp și falange.
1.2.1.3 CARPUL (carpus) este alcătuit din opt oase carpiene (ossa carpi) și consituie segmentul proximal al scheletului mâinii. El unește metacarpul cu extremitățile distale ale oaselor antebrațului.
Cele opt oase sunt așezate pe două rânduri transversale, unul proximal și altul distal. Primul rând este format dinspre lateral spre medial din scafoid, semilunar, piramidal și pisiform. În aceeași ordine rândul distal cuprinde osul trapez, osul trapezoid, osul mare și osul cu cârlig.
Cele opt oase ale carpului solidarizate între ele prin formațiuni ligamentare formează în totalitate un masiv osos, care prezintă o față posterioară convexă și o față anterioară concavă în sens transversal. Fața anterioară are forma unui șanț cu direcție verticală, numit șanțul carpian (sulcus carpi). Marginile proeminente ale acestui șanț sunt formate lateral de tuberculul scafoidului și al trapezului, iar medial de pisiform și cârligul osului cu cârlig. Pe aceste margini se inseră retinaculul flexorilor (retinaculum flexorum) care transformă șanțul carpian într-un canal osteofibros, canalul carpian (canalis carpi), prin care trec tendoanele mușchilor fiexori ai degetelor, mușchiului flexor radial al carpului, precum și porțiunea terminală a nervului median.
Oasele supranumerare ale carpului sunt în general foarte rare, dar prezintă un oarecare interes medico-legal, legate de traumatismele carpului, când existența lor poate simula fracturi. Mai frecvent descris, osul central al carpului (os centrale) este un os mic, situat pe fața dorsală, între scafoid, trapezoid și osul mare. El există normal la făt dar se sudează în timpul vieții intrauterine la fața posterioară a scafoidului (Hencke și Leboucq). La unele rase de maimuțe prezența sa este constantă. Au fost descrise o serie întreagă de oase supranumerare, dar apariția acestora este foarte rară. Dintre ele amintim: epipiramisul, epilunatul, stiloidianul, paratrapezul, osciorul lui Gruber, osciorul lui Vesales etc.
1.2.1.4 METACARPUL (metacarpus) formează scheletul palmei și reprezintă primul rând de oase lungi ale mâinii. Este alcătuit din oase metacarpiene numerotate de la I la V (ossa metacarpalis I — V), dinspre lateral spre medial. Între ele sunt spațiile interosoase și se articulează superior, prin baza lor cu al doilea rând de oase carpiene, iar inferior prin capul lor cu baza falangei proximale.
Metacarpienele sunt oase lungi, ușor concave anterior și prezintă un corp și două extremități.
Corpul (corpus) este prismatic triunghiular inferior și rotunjit în jumătatea superioară, prezentând o față posterioară convexă, palpabilă în regiunea dorsală a mâinii și două fețe antero-laterală și antero-medială, netede pe care se inseră mușchii interosoși.
Baza (basis) porțiune mai voluminoasă a osului este situată proximal. Ea prezintă pe fața superioară o față articulară pentru rândul distal de oase carpiene. De asemenea, poate prezenta pe fețele laterale mici fațete articulare, prin care metacarpienele se articulează între ele.
Capul (caput) reprezintă extremitatea distală a osului (este ușor turtit transversal) și are o suprafață articulară convexă pentru falanga proximală.
1.2.1.5 Oasele degetelor mâinii (ossa digitorum manus) alcătuiesc segmentul distal al scheletului mâinii și se numesc falange. Cu excepția policelui care are numai două falange, toate celelalte degete au câte trei, numite: falanga proximală (phalanx proximalis), falanga medie (phalanx media) și falanga distală (phalanx distalis)
Falanga proximală este cea mai mare și prezintă caracterele unui os lung având o bază, un corp și un cap.
Baza falangei (basis phalangis) are formă de piramidă patrulateră, prezentând superior o față articulară ovalară, concavă, lărgită transversal, pentru articulația cu capul metacarpianului respectiv. Această față este mărginită medial și lateral de doi tuberculi pentru inserții ligamentare.
Corpul falangei (corpus phalangis) de forma unui semicilindru, turtit antero-posterior, prezintă o față anterioară plană și o față posterioară convexă.
Capul falangei (caput phalangis) turtit antero-posterior, este reprezentat de o față articulară în formă de trohlee, mai întinsă palmar decât dorsal. Ea se articulează cu baza falangei medii.
Falanga medie prezintă aceleași caractere cu cea proximală, fiind însă mai mică și prezentând diferit fața articulară a bazei, care este despărțită în două mici cavități printr-o creastă sagitală. Această față se articulează cu trohleea capului primei falange.
Falanga distală are aceeași formă la nivelul bazei ca cea mijlocie. Corpul este mai lat superior și mai îngust inferior. Distal, această falangă se termină cu o tuberozitate turtită antero-posterior, de formă semilunară, tuberozitatea falangei distale (tuberositas phalangis distalis). Ea este netedă posterior, corespunzând patului unghial, și mai rugoasă anterior, la nivelul pulpei degetului.
Oasele sesamoide (ossa sesamoidea) sunt mici formațiuni sferice sau ovalare așezate pe fața anterioară a articulațiilor degetelor, și în special la nivelul articulației metacarpofalangiene. Dintre ele, sunt constante două, lateral și medial, la nivelul policelui, situate în grosimea ligamentelor metacarpofalangiene. Foarte rar se mai pot întâlni două sesamoide la index și la degetul mic.
1.2.2 MUȘCHII ANTEBRAȚULUI
Mușchii antebrațului sunt dispuși în trei grupe: laterali, anteriori și posteriori
1.2.2.1 Mușchii anteriori ai antebrațului
Mușchii anteriori ai antebrațului sunt dispuși în patru planuri. În planul superficial, dinspre lateral spre medial sunt mușchii rotund pronator, flexor radial al carpului, palmar lung și flexor ulnar al carpului; în planul al doilea: mușchiul flexor superficial al degetelor; în planul al treilea: mușchii flexor profund al degetelor și lung al policelui, iar în planul profund mușchiul pătrat pronator.
Acești mușchi sunt inervați de nervul median cu excepția mușchiului flexor ulnar al carpului și a fasciculului medial al mușchiului flexor profund al degetelor, care sunt inervați de nervul ulnar.
1.2.2.2 Mușchii laterali ai antebrațului
Mușchii laterali ai antebrațului sunt în număr de patru, cu originea pe epicondilul lateral și pe marginea laterală a humerusului. De la suprafață spre profunzime se găsesc mușchii: brahioradial, lung extensor radial al carpului, scurt extensor radial al carpului și supinator. Sunt inervați de nervul radial.
1.2.2.3 Mușchii posteriori ai antebrațului
Regiunea posterioară a antebrațului cuprinde opt mușchi dispuși în două planuri: superficial, în care dinspre lateral spre medial se găsesc mușchii extensor al degetelor, extensor al degetului mic, extensor ulnar al carpului și anconeul și profund, unde se găsesc în aceeași ordine mușchii lung abductor al policelui, scurt extensor al policelui, lung extensor al policelui și extensor al indexului. Toți acești mușchi sunt inervați de nervul radial.
1.2.2.4 Mușchii eminenței tenare
Aceștia sunt reprezentați de mușchiul scurt abductor al policelui, mușchiul flexor al policelui și mușchiul adductor al policelui.
MUȘCHII EMINENȚEI HIPOTENARE
Aceștia sunt reprezentați de: mușchiul palmar scurt, mușchiul abductor al degetului mic, mușchiul scurt flexor al degetului mic, mușchiul opozant al degetului.
1.2.2.5 Mușchii lombricali și interosoși sunt dispuși în două planuri: superficial- cei lombricali, iar profund- cei interosoși.
Mușchii LOMBRICALI (mm.lumbricales) sunt în număr de patru. Originea lor este pe tendoanele mușchiului flexor profund al degetelor în felul următor: primul lombrical pe fața laterală a tendonului pentru index, al doilea pe fața laterală a tendonului pentru medius, al treilea pe fața medială a tendonului pentru medius și pe cea laterală a tendonului pentru inelar, iar al patrulea pe fața medială a tendonului pentru inelar și pe cea laterală a tendonului pentru degetul mic. Inserția se face pe fața laterală a articulației metacarpofalangiene a ultimelor patru degete și pe tendonul degetului respectiv.
Acțiune. Sunt flexori ai primei falange și extensori ai ultimelor două falange.
Mușchii INTEROSOȘI (mm.interossei) Acești mușchi se găsesc în spațiile interosoase, fiind trei palmari și patru dorsal.
Mușchii interosoși palmari (mm.interossei palmares), în număr de trei, ocupă spațiile interosoase II, III și IV, având originea pe fața metacarpianului care privește spre axul mâinii (exceptând al treilea metacarpian prin care trece acest ax). Se inseră printr-un tendon subțire pe tendonul mușchiului extensor al degetului respectiv (II, IV și V), distal de articulația metacarpofalangiană.
Mușchii interosoși dorsali (mm.interossei dorsales) sunt mai întinși decât precedenții, ocupând cea mai mare parte a spațiului interosos. Se prind pe ambele metacarpiene care delimitează spațiul respectiv. Originea lor se află pe jumătatea dorsală a fețelor metacarpienelor, care delimitează un spațiu interosos și se întinde și pe jumătatea palmară a feței metacarpianului, opusă axului mâinii (pe care nu se prinde un interosos palmar). Corpul lor muscular, alcătuit din fibre oblice distal, se termină printr-un tendon, care se îndreaptă spre degetul corespunzător originii celei mai întinse, unde se termină prin două fâșii; una se inseră pe baza falangei proximale și alta se desface într-un evantai, care se termină pe tendonul mușchiului extensor al degetelor. Așadar, primul interosos dorsal se inseră pe index, al doilea și al treilea interosos dorsal se inseră pe medius, iar ai patrulea interosos dorsal se inseră pe inelar. Deci, mediusul are doi interosoși dorsali, neavând niciunul palmar.
Acțiune: sunt flexori ai falangelor proximale, extensori ai falangelor II și III și abductori ai degetelor (răsfiră degetele).
1.2.3 ARTICULAȚIA COTULUI
Articulația humero-ulnară este un ginglim în care se efectuează flexia și extensia.
Articulația radio-ulnară proximală participă împreună cu cea distală la mișcările de pronație – supinație. Axul flexiei este transversal, trecând oblic antero-posterior și supero-inferior prin cei doi epicondili. Flexia este limitată de fibrele posterioare ale capsulei, de mușchiul triceps și de contactul dintre fețele anterioare ale brațului și antebrațului. Extensia este frânată de fosa olecraniană și în mai mică măsură de fibrele anterioare ale capsulei. Agenții săi sunt tricepsul și anconeul. În extensie, olecranul și epicondili se găsesc pe aceeași orizontală, pe când în flexie olecranul deplasat din fosa olecraniană, formează vârful triunghiului limitat la celelalte două unghiuri de epicondili. În aceste mișcări, radiusul urmează ulna în mișcările ei, fața articulară a capului radial alunecând înainte și înapoi în jurul capitulului. Ulna descrie o mișcare oblică. Aceasta se datorează spiralei pe care o prezintă trohleea, oblicității axului ei, unghiului deschis lateral între humerus și ulnă în extensie, precum și faptului că segmentul medial al trohleei este mai coborât decât cel lateral. Din aceste cauze, în flexie, fața anterioară a antebrațului nu corespunde exact celei anterioare a brațului, ci va fi oblică spre medial.
1.2.3.1 Articulațiile radioulnare
Aceste articulații sunt sediul mișcărilor de pronație și supinație, al căror ax este oblic de la centrul capului radial la cel al ulnei. În pronație palma privește în jos, pe când în supinație în sus. Când membrul superior se găsește așezat în lungul corpului, în pronație palma este orientată posterior, iar în supinație anterior.
În pronație, extremitatea proximală a radiusului se rotește în inelul osteofibros, format de incizura radială și ligamentul inelar, pe când cea distală realizează și o deplasare, în așa fel încât osul încrucișează ulna în X, pe când în supinație oasele sunt paralele. Membrana interosoasă are rol în special în solidarizarea celor două pase. Pronația este frânata de ligamentul pătrat, de întinderea mușchilor epicondilieni laterali și de torsionarea mușchilor flexori ai degetelor. Ea este executată de mușchii rotund și pătrat, pronator flexor radial al carpului, palmar lung, brahio-radial și lung extensor radial al carpului. Supinația este frânată de membrana interosoasă. Agenții săi motori sunt în primul rând bicepsul brahial, apoi brahio-rardialul,lungul abductor, extensorii policelui și ai indexului. Mușchiul brahioradial, datorită modului său de inserție, participă la ambele mișcări în funcție de poziția inițială a antebrațului. Bicepsul este supinator în special când antebrațul este flectat.
1.2.3.2 Articulația radiocarpiană
Articulația radiocarpiană este de tip condilian. În ea se execută: flexie, extensie, abducție (înclinație laterală), adducție (înclinație medială) și circumducție. În aceste mișcări participă și articulațiile mediocarpiană și intercarpiană, în așa fel încât în flexie oasele rândului distal alunecă pe ale rândului proximal, iar ale acestuia pe antebraț. Între oasele carpului se realizează mișcări de alunecare reduse, dar acestea însumate permit mișcări ample ale mâinii. Axul flexiei și extensiei este transversal și trece pentru rândul proximal carpian prin procesele stiloide, iar pentru rândul distal prin capul osului mare. În ambele mișcări, alunecarea celor două rânduri de oase ale carpului se produce simultan în jurul celor două axe și nu succesiv. Rândul proximal participă în special la flexie, pe când cel distal în special la extensie. Flexia, mai amplă, se realizează în special în articulația radiocarpiană, iar extensia în cea mediocarpiană. Prima este limitată de ligamentul radiocarpian posterior și de tendoanele mușchilor extensori ai degetelor, iar extensia de ligamentul radiocarpian anterior și de tendoanele mușchilor flexori. Dacă degetele sunt flectate, flexia mâinii este considerabil redusă, datorită întinderii mai mari a mușchilor extensori. Agenții flexori sunt: mușchii flexori ai carpului și ai degetelor și în mică măsură lungul abductor al policelui. Extensia este efectuată de mușchii extensori ai carpului și ai degetelor.
Abducția și adducția au loc în articulația radiocarpiană și în cea mediocarpiană, având un ax sagital care trece prin centrul osului capitat. În abducție, scafoidului se deplasează medial, încât va corespunde suprafeței articulare de pe radius a semilunarului, iar acesta va ajunge în dreptul discului articular; piramidalul va aluneca în jos. Odată cu oasele primului rând se deplasează medial și cele din rândul al doilea. În adducție deplasarea oaselor carpiene se face în sens invers. Adducția este frânată de mușchii antagoniști și de ligamentul colateral radial al carpului și se asociază cu o ușoară extensie, iar abducția este frânată de ligamentul colateral ulnar al carpului și de mușchii antagoniști, asociindu-se cu o ușoară flexie. Înclinația medială este realizată de flexorul și extensorul ulnar al carpului, pe când cea laterală de mușchii flexori și extensori radiali ai carpului și de cei profunzi posteriori ai antebrațului. Amplitudinea mai mare a adducției se poate datora procesului stiloid ulnar, care este mai scurt decât cel radial. Circumducția constă din asocierea precedentelor, mâna descriind o elipsă datorită amplitudinii mai mari a flexiei și a extensiei.
1.2.3.3 Articulațiile carpometacarpiene
În articulațiile carpometacarpiene se fac mișcări de alunecare, care sunt mai ample la ultimele două metacarpiene. Articulația carpometacarpiană a policelui este o diartroză biaxială de tip articulație în șa. Spre deosebire de celelalte degete, policele execută mișcări mai ample și mai variate. Abducția și adducția se fac în jurul unui ax sagital, care trece prin baza metacarpianului I. Planul acestui ax, ca și al aceluia de flexie-extensie, face un unghi de 45° cu planul frontal, ceea ce explică de ce mișcările policelui nu se produc în plan frontal sau sagital, ci într-un plan oblic, fapt deosebit de important pentru prehensiune. Deci în abducție, policele se depărtează oblic lateral și palmar față de index, iar în adducție invers.
Flexia și extensia se fac în jurul unui ax transversal care trece prin trapez. Din combinarea acestor mișcări rezultă posibilitatea ca policele să fie poziționat divers, fapt deosebit de important în prehensiune și în procesul muncii, funcții specific umane. Mișcarea complexă pe care o execută policele în prehensiune se numește opoziție. Ea este posibilă atât datorită conformației în șa a fețelor articulare, cât și laxității capsulei articulare. În mișcarea de opoziție, fața anterioară a policelui vine în contact cu fața anterioară a celorlalte degete. Repoziția este mișcarea inversă. Opoziția este realizată de mușchii adductor ai policelui, opozant, scurt și lung flexor, iar repoziția de lungul abductor și de extensorii policelui.
1.2.3.4 Articulațiile metacarpofalangiene
Articulațiile metacarpofalangiene sunt de tip condilian. La nivelul lor se fac mișcări de flexie-extensie, răsfirare și apropiere a degetelor. Flexia și extensia se execută în jurul axului transversal care trece prin capetele metacarpienelor. Flexia falangei proximale pe metacarpianul corespunzător, mai amplă decât extensia, este făcută de mușchii flexori ai degetelor, ajutați de lombricali și de interosoși, iar extensia de mușchii extensori ai degetelor. Răsfirarea și apropierea degetelor se execută în jurul axului sagital care trece prin capul metacarpienelor. Degetele sunt depărtate de axul mâinii, care trece prin medius, de mușchii interosoși dorsali și sunt apropiate de acesta de mușchii interosoși palmari.
1.2.3.5 Articulațiile interfalangiene
Articulațiile interfalangiene sunt trohleartroze, la nivelul lor executându-se numai flexie și extensie, în jurul unui ax transversal, care trece prin trohleea falangelor. Flexia falangei mijlocii este mai amplă decât a celei distale. Această mișcare este mai amplă decât extensia și se realizează prin contracția mușchilor flexori ai degetelor (la nivelul articulației interfalangiene distale, agentul flexor este numai mușchiul flexor profund al degetelor). Extensia este făcută de mușchii interosoși și lombricali, datorită inserției pe expansiunile mușchiului extensor al degetelor. Weitbrecht (1742), Lansmeer (1949), Stack (1969) și Harris (1972) atrag atenția asupra rolului ligamentului retinacular oblic, care merge de la partea laterală a tecii fibroase palmare a falangei proximale, la aponevroza dorsală a degetului, în apropierea inserției ei. Acest ligament are deosebită importanță în extensia completă a ultimei falange. În biomecanica degetelor intervin de asemenea „bandeletele laterale", care se desprind de pe aponevroza dorsală a degetelor, cam la jumătatea falangei proximale și merg pe marginile laterale ale aponevrozelor dorsale, până la inserția acestora pe falanga distală. Ele au rol extensor pentru ambele articulații interfalangiene, dar la flexie de peste 30° — 45° în articulația interfalangiană proximală, axul acestor bandelete trece anterior de axul mișcării și astfel acestea devin flexoare ale falangei medii și extensoare ale celei distale. La flexia de 90° a articulației interfalangiene proximale, relaxarea acestor bandelete este atât de mare încât nu mai asigură extensia falangei distale, aceasta făcându-se cu restul aparatului extensor. Refacerea chirurgicală a acestor două formațiuni, ca și a tendoanelor lombricalilor și interosoșilor este de mare importanță în chirurgia traumatismelor mâinii sau a mâinii reumatice, deoarece ele au rol stabilizator, în special pasiv, în prehensiune și în mișcările degetelor.
Înțelegerea rolului fiecărei componente a aparatelor extensor și flexor ale degetelor, reiese din studiul răsunetului leziunilor acestor componente. Astfel, secționarea tendonului extensor la nivelul mâinii duce la deficitul extensiei falangei proximale; secționarea lui pe fața dorsală a falangei proximale duce la deficit de extensie a ultimelor două falange, iar secționarea sa la nivelul falangei medii duce la căderea în flexie a falangei distale. Rupturile incomplete ale aparatului extensor pot antrena următoarele aspecte ale degetelor:
Degetul în „ciocan” în care falanga distală este căzută în flexie, restul degetului putând fi extins, aceasta datorându-se smulgerii inserției distale a aparatului extensor.
Degetul în „butonieră" în care nu se mai face extensia în articulația interfalangiană proximală, aceasta datorându-se secționării tendonului extensor sau smulgerii sale de pe falanga medie. În acest caz, falanga distală se extinde prin acțiunea bandeletelor laterale.
Secționarea ambelor tendoane flexoare la nivelul palmei sau al falangei proximale duce la abolirea flexiei ultimelor două falange. Expansiunea laterală a mușchilor lombricali poate flecta numai falanga proximală. Secționarea flexorului profund la orice nivel suprimă flexia falangei distale. Secționarea mușchiului flexor lung al policelui suprimă flexia falangei distale, iar secționarea lungului extensor al policelui suprimă extensia falangei distale. Extensia falangei proximale este suprimată prin secționarea mușchiului scurt extensor al policeiui.
1.3 Biomecanica Antebrațului
1.3.1 Cinematica mâinii
Pentru o abordare pur cinematică, corpul uman poate fi considerat ca un sistem de corpuri rigide legate prin articulații, această simplificare având avantajul unei abordări simple, care determină concluzii foarte apropiate de realitate. Astfel se pot defini în orice moment oricare dintre părțile corpului, poziția și orientarea acestora, prin raportarea la două sisteme de referință:
– un sistem de referință fix, unic și bine precizat;
– un sistem de referință atașat corpului.
Dacă se studiază corpul uman ca un ansamblu de corpuri legate între ele prin articulații, fiecăruia dintre aceste corpuri trebuie să i se atașeze un sistem de referință, care să-i definească poziția și orientarea față de corpul ce-l precedă în succesiunea considerată, pentru ca la orice moment, orice corp din succesiunea ce formează sistemul să poată fi în mod simplu exprimat față de sistemul de referință fix. Articulația mâinii face parte din grupul articulațiilor conduse de aparate ligamentare și în cazul în care apar ineficiența ligamentară sau deteriorarea ligamentului, se produc deformații în precizia mișcării. Conducerea într-o articulație include parametrii vectoriali ai forței și anume, sensul, direcția și amplitudinea mișcării în articulație.
După direcția de mișcare față de cele trei axe ale sistemului tridimensional, se deosebesc mișcările: pe orizontală, înainte și înapoi, pe verticală, în sus și în jos și lateral, la dreapta și la stânga (după Descartes 1637).
1.3.2 Dinamica mâinii
Importanța integrității articulare a mâinii reprezintă o prioritate pentru orice individ, iar musculatura la nivelul mâinii are un rol foarte bine definit și anume acela de poziționare, fapt pentru care orice individ trebuie să-și mențină tonusul muscular permanent.
Forța musculară este dependentă în mod direct de trei parametri ai mușchiului enervat, respectiv de mecanica musculară, arhitectura mușchiului și locul de inserție al acestuia.
Forța de contracție depinde de doi factori mai importanți și anume: numărul fibrelor musculare ale unui mușchi și lungimea acestora. Contracțiile musculare, datorită forței pe care o exercită, constituie un factor definitoriu în menținerea posturii și a echilibrului stabil, fiind o a doua forță interioară care intervine în realizarea mișcării, ca o reacție de răspuns la stimulare prin impulsul nervos. Moto-neuronul alfa primește toate impulsurile motorii, indiferent de originea lor, iar când starea de excitație care rezultă din această sumație a atins un nivel suficient, neuronul reacționează stereotip, trimițând un impuls motor fibrelor musculare pe care le inervează prin terminațiile sale. Întregul mușchi se contractă cu intensități variabile, activitate care este explicabilă prin două mecanisme: prin sumație în timp, în corelare cu frecvența cu care se succed impulsurile și prin sumație în spațiu, în legătură cu un număr crescător de unități motorii care intră în acțiune.
Contracția musculară se poate defini ca o manifestare legată de schimbarea elasticității musculare și se manifestă fie ca o întărire a mușchiului, fie ca o modificare de tărie și de formă a acestuia.
1.3.3 Forțele de acțiune și de reacțiune
Baza anatomofuncțională a unei mișcări este reprezentată de arcul neuro-musculo-osteo-articular. Prin intrarea în acțiune a aparatului locomotor comandat de sistemul nervos, se declanșează o serie de forțe interioare care conlucrează la realizarea mișcărilor. Forțele interioare sunt obligate să învingă o serie de forțe exterioare care se opun mișcării, mișcarea rezultând din interacțiunea forțelor interioare ale corpului omenesc cu forțele exterioare ale mediului de deplasare.
Pentru a se produce lucru mecanic, forțele interioare trebuie să fie superioare ca intensitate rezistențelor opuse de forțele exterioare și să acționeze pe aceeași direcție, dar în sens invers acestora din urmă. Organele care participă la locomoție aparțin sistemului nervos, sistemului osteoarticular și sistemului muscular. Atât locomoția, cât și mișcarea sub forma exercițiului fizic utilizează energia mecanică, care se manifestă ca niște forțe. În urma proceselor metabolice, din organismul uman rezultă energie care este utilizată sub formă termică, electrică, fizico-chimică și mecanică.
Succesiunea forțelor interioare ale locomoției, care intervin în realizarea unei mișcări este următoarea: impulsul nervos → contracția musculară → pârghia osoasă → mobilitatea articulară.
Controlul mișcării este realizat de sistemul nervos somatic sau al vieții de relație. Acesta este alcătuit din acele formațiuni care au rolul de a integra organismul în mediul extern, de a realiza relația organismului cu acest mediu. Activitatea sistemului nervos somatic este conștientă, voluntară și are ca efectori musculatura striată (somatică).
Forțele care acționează asupra unui corp, inclusiv în timpul practicării exercițiilor fizice, determină o reacție a țesuturilor asupra cărora acționează.
Deoarece la producerea flexiei-extensiei participă câțiva mușchi, trebuie făcute anumite presupuneri esențiale în anumite situații statice și dinamice.
1.3.4 Evaluarea prehensiunii
Prehensiunea este un gest precis, adaptat, conștientizat sau reflex, care pe baza informațiilor instantanee exteroceptive și proprioceptive se automatizează prin repetare și determină coordonarea optimă a mâinii pentru prindere sau apucare.
După Littler mâna este divizată in trei elemente de mișcare:
– raza 1, policele, metacarpianul I și articulațiile dintre ele; metacarpianul I nu se articulează cu cel de-al doilea și astfel policele poate fi opus degetelor II-V; și mușchii policelui;
– raza 2, indexul, prin cei 7 mușchi proprii, poate fi mobilizat independent fată de celelalte trei degete;
– raza 3 – formată din degetele III-V și metacarpienele corespunzătoare.
Razele 1 și 2 formează o unitate funcțională pentru activități de prehensiune fine, precise, la care participă în mică măsură și degetul III. Legătura funcțională dintre razele 1-3 asigură prehensiunea de forță. Ea este evidențiată de redoarea în extensie a inelarului , care face imposibilă „strângerea în pumn a celorlalte degete”. Aceste trei raze de mișcare sunt grupate în jurul unei unități centrale stabile, reprezentată de rândul distal al carpienelor, metacarpienelor II și III și musculatura aferentă: mușchiul flexor radial al carpului și mușchii extensori radial ai carpului (lung și scurt). Tipuri de prehensiune :
1. Prehensiunea terminală se realizează între extremitatea pulpei policelui, aproape de unghie și extremitatea pulpei fiecărui deget, în particular a indexului.
2. Prehensiunea subterminală se realizează între pulpa policelui și pulpa altui deget când este bidigitală sau pulpele a două degete, când este tridigitală.
3. Prehensiunea subtermino-laterală se realizează între pulpa policelui și fața laterală a unui deget, mai frecvent indexul, ca și cum am număra banii, am prinde o farfurie sau am răsucii o cheie, motiv pentru care se mai numește „pensa de cheie”.
4. Prehensiunea polici digitopalmară este o prehensiune de forță realizată între palmă și ultimele patru degete și police; se aplică în jurul unor obiecte grele si voluminoase.
5. Prehensiunea prin opoziție digitopalmară opune palmei ultimele patru degete și permite sesizarea unor obiecte mai mici decât precedenta: mânuirea unui levier, apucarea volanului, agățarea de o bară, purtarea unui geamantan.
6. Prehensiunea latero-laterală se realizează interdigital între fețele alăturate a două degete, mai ales index și medius.
1.3.5 Propriocepția reprezintă cunoașterea poziției și orientării corpului și a membrelor în spațiu și permite, de exemplu, să ne atingem nasul cu ochii închiși. Deși este de obicei denumită un al șaselea simț, aceasta este de fapt un aspect al simțului tactil. În domeniul protezării aceasta este numit Sfântul Graal. "Dacă i-ați putea oferi unei persoane care a suferit o amputație posibilitatea de a localiza poziția unui membru în spațiu fără a fi nevoie să îl privească, acest lucru ar fi o realizare imensă", Paul Marasco, un neurofiziolog în domeniul senzorial la Advanced Platform Technology Center at the US Department of Veterans Affairs.
Din păcate propriocepția este prost înțeleasă, nimeni nu știe exact cum se mapează în creier sau care receptori sunt implicați. Noi știm că propriocepția este produsă de o cantitate mare de informații integrate la nivelul cortexulului, începând de la senzația de piele care se întinde pe o articulație până la flexia unui biceps pentru a trage de greutate. Este un lucru extraordinar de greu de recâștigat.
1.4 . CHIRURGIA ACUTĂ A MȂINII
Cele trei mari capitole ale patologiei chirurgicale ale mâinii sunt : traumatică, infecțioasă și tumorală.
1.4.1 Amputarea este îndepărtarea unei extremități a corpului prin traumă, constricție prelungită sau intervenție chirurgicală.Aceasta poate fi rezultatul unei leziuni traumatice sau poate reprezenta o intervenție planificată pentru a preveni diseminarea în întreg organismul a unei infecții de la nivelul degetelor sau mâinii. În unele cazuri, degetele amputate traumatic pot fi replantate sau reatașate. Uneori însă, replantarea nu este posibilă sau este nerecomandabilă în cazul în care pacientul ar putea să se simtă mai confortabil, având o funcționalitate mai bună, dacă partea lipsă nu este reatașată.
Ca măsură chirurgicală, este folosită pentru controlul durerii sau un proces patologic în membrul afectat, cum ar fi afecțiuni maligne sau gangrenă. În unele cazuri, se realizează pe indivizi ca intervenție chirurgicală preventivă pentru astfel de probleme. Un caz special este cel de amputare congenitală, o tulburare congenitală, unde membrele fetale au fost întrerupte de benzi constrictive. În unele țări, amputarea mâinilor, picioarelor sau alte parți ale corpului este sau a fost folosită ca o formă de pedeapsă pentru persoanele care au comis infracțiuni. Amputare a fost, de asemenea, folosită ca o tactică în război și în actele de terorism; ea poate, de asemenea, să apară ca rană de război. În unele culturi și religii, amputările minore sau mutilările sunt considerate parcurgerea unui ritual. Spre deosebire de unele animale non-mamifere (cum ar fi: șopârlele care lasă cozile lor,salamandrele, care pot crește din nou mai multe părți ale corpului care lipsesc, și hidră, viermii lați, și steaua de mare, care pot regenera organisme întregi de la fragmente mici), odată îndepărtate, extremitățile corpului uman nu cresc din nou, spre deosebire de porțiuni ale unor organe, cum ar fi: ficatul. Un transplant sau o proteză sunt singurele opțiuni pentru recuperarea pierderilor.
Atunci când este necesară amputația, chirurgul îndepărtează porțiunea de corp care este lezată. Înainte de operație, medicul va examina cu atenție mâna, deseori cerând radiografii sau alte studii imagistice pentru a evalua amploarea leziunii. Dimensiunea porțiunii îndepărtate este decisă prin luarea în considerare a extinderii leziunii precum și starea de sănătate a porțiunii restante. În majoritatea cazurilor, chirurgul va putea închide bontul de amputație prin rearanjarea pielii și scurtarea osului sau a parților moi (muculatura, etc), alteori trebuie să folosească piele, mușchi sau tendoane din altă parte a organismului. În cele mai multe leziuni de degete, chirurgul va putea să închidă direct bontul de amputație. Dacă vorbim de leziuni mai extinse, acesta va trebui să modeleze degetul său mâna pentru a putea acomoda mai târziu o proteză.
Când o porțiune mai mare din degete este amputată, sau există os expus, se poate lua în considerare acoperirea cu lambou de vecinătate. Când există o piedere mai importantă volar decât dorsal, se va folosi avansarea unui lambou “V-Y” de pe pulpa degetului. Lamboul este ridicat ca un lambou bipediculat de pe bordurile radial și ulnar ale degetului la nivelul mijlocului falangei, după care este avansat spre vârful degetului și plaga închisă în formă de “Y”. Acest lambou are o sensibilitate acceptabilă și realizează o acoperire bună a osului expus la vârf. Când nu există suficientă piele volară pentru a acoperi defectul, poate fi practicat un lambou “cross finger “, mai ales pentru index și police. Lamboul este ridicat de pe un deget vecin, de obicei de la nivelul falangei medii, de pe fața dorsală, desprins cu grijă de paratenonul tendonului extensor sub controlul sângerării printr-un garou. Zona donatoare este acoperită în momentul ridicării lamboului cu o grefă de piele liberă despicată (PLD) sau toată grosimea (PLTG). O poziționare bună este necesară pentru a evita probleme de mărime inadecvată sau tensiune în pedicol. Lamboul este desprins la 2-3 săptămâni. Porțiunea neutilizată a lamboului (pedicolul) pote fi repoiționată pe zona donatoare. Studii pe termen lung au dovedit o excelentă recuperare a sensibilități în timp. Amputațiile produse mai proximal se rezolvă prin replantare. Dar nu în toate spitalele sunt disponibile servicii de replantare, pacientul și porțiunea amputată trebuind să fie transportați în siguranță într-un centru specializat. Trebuie cunoscute indicațiile replantării, pentru a se evita întârziera tratamentului. În general, în următoarele cazuri de amputație replantarea este indicată:
-police
-mai multe degete
-mână ( la nivelul palmei)
-aproape orice segment la copil
-articulație pumn sau antebraț
-cot sau proximal, dacă distrugerile de țesut sunt minime
Nu este indicată replantarea în cazul :
segment amputat zdrobit sever sau calandrat
amputații la niveluri multiple (supraetejat)
amputații la pacienți cu alte leziuni organice grave: amputații la pacienți cu ateroscleroză, instabilitate psihică
amputații digitale la adulți distal de inserția TFS.
Dacă pacientul se prezintă într-o situație favorabilă replantării și este necesară transportarea la un alt spital, porțiunea amputată necesită curățire și împachetare sterilă (sau curată) uscată. Apoi este pusă într-un container steril, uscat, plasat în apă cu gheață. Porțiunea amputată trebuie să nu atingă gheața sau soluția salină înghețată, în acest caz putând apărea necroză. Pacientul cu funcții vitale stabilizate este transportat în cel mai rapid mod posibil. Este de preferat ca echipa care face replantarea să fie anunțată, astfel încât la ajungerea pacientului să fie pregătită de intervenție. Două echipe operatorii vor face toaleta bontului și a segmentului amputat și vor diseca structurile de anastomozat. Se practică osteosinteza, după care se revasculazizează segmentul amputat prin anastomozarea cel puțin a unei artere importante și a două vene mari ( de preferat prin sutură microchirurgicală). Timpul până la revascularizare este indicat să nu depășească 6h de la amputație (se poate prelungi până la 8h în cazul unor segmente distale – deget -transportate în condiții ideale). În cazul în care condițiile permit (starea generală a pacientului), în continuare se suturează tendoanele flexoare și extensoare, nervii și se închide tegumentul. Când replantarea nu este posibilă, datorită unor condiții generale sau locale, se practică o corecție a bontului de amputație, păstrând cât mai mult din lungimea segmentului.
1.4.2 Recuperarea după amputare
Pierderea unui membru înseamnă o invaliditate permanentă cu impact asupra imaginii de sine a unui pacient, cu implicații la nivelul autoîngrijirii și a mobilității. Reabilitarea începe imediat după intervenția chirurgicală, în timpul fazei acute de tratament, iar când starea pacientului se îmbunătățește, va fi dezvoltat un program mai amplu de recuperare.
Succesul reabilitării depinde de o serie de factori, printre care:
– nivelul și tipul amputării;
– tipul și gradul handicapului rezultat;
– starea generală de sănătate a pacientului;
– sprijinul familiei.
Atitudinea pozitivă contribuie la recuperarea fizică prin creșterea respectului de sine și promovarea independenței. Programul de reabilitare va fi conceput de către specialiști în funcție de nevoile fiecărui pacient; implicarea activă a fiecărei persoane și a familiei este vitală pentru succesul programului.
Scopul reabilitării după o amputație este de a ajuta pacientul să redevină funcțional și independent și să își îmbunătățească calitatea generală a vieții (atât fizic, emoțional cât și social).
Pentru a fi eficiente, programele de recuperare în urma amputării pot include:
– tratamente pentru vindecarea rănilor și îngrijirea bontului;
– activități pentru îmbunătățirea abilitaților motorii, reluarea activităților de zi cu zi;
– exerciții care contribuie la dezvoltarea forței musculare, rezistenței și controlului;
– protezare;
– ameliorarea durerilor post operatorii sau de tip fantoma;
– sprijin emoțional pentru a depăși perioada de depresie și pentru îmbunătățirea imaginii de sine;
– utilizarea dispozitivelor medicale de reabilitare;
– consiliere nutrițională în scopul accelerării vindecării și a stării generale de bine;
– consiliere profesională;
– adaptarea mediului de acasă pentru ușurarea activităților zilnice, asigurarea siguranței, accesibilității și mobilității;
– instruirea și educația familiei pentru a contribui la sprijinirea pacientului.
Specialiștii implicați în programele de reabilitare a pacienților cu amputații:
– ortoped/chirurg ortoped;
– psihiatru;
– specialist medicină internă;
– specialist asistență medicală;
– fizioterapeut;
– psihoterapeut (terapie ocupațională);
– asistent social;
– manager de caz;
– duhovnic.
1.4.3 Impactul psihologic
Amputația are un impact psihologic major deoarece:
– pacientul trebuie să se acomodeze și să facă față senzației de pierdere a membrului amputat;
– pacientul trebuie să se adapteze pierderii funcției membrului amputat;
– pacientul trebuie să se acomodeze cu noua imagine corporală și cu percepția altor oameni.
Emoțiile, gândurile și experiențele negative după amputare sunt firești, mai ales la persoanele care au avut nevoie de o amputare de urgență, care nu au avut timp să se pregătească psihic pentru efectele acestui tip de chirurgie.
Deseori se întâlnesc:
– depresia;
– anxietatea;
– neacceptarea necesității schimbării stilului de viață;
– durerea;
– dorința de suicid.
Pentru ameliorarea acestor simptome poate fi nevoie de un tratament suplimentar cu antidepresive sau consiliere, pentru a îmbunătăți capacitatea persoanei în cauză de a trăi cu un membru amputat.
După amputare durerea va fi controlată cu ajutorul medicamentelor antialgice, iar pacientul va fi instruit cum să bandajeze și să îngrijească locul operației în perioada de vindecare. Uneori sunt necesare exerciții fizice pentru a îmbunătăți puterea și felxibilitatea, alteori pacientul va trebui să își maseze pielea pentru a o desenzibiliza și a-i păstra mobilitatea.
2. Soluții constructive existente (BeBionic C3)
2.1 Generalități
Ultima tehnologie pentru protezele de antebraț la ora actuală este reprezentată de proteza BeBionic C3 de la RSLSteeper.
Această proteză controlată mioelectric are 14 tipuri de prindere a obiectelor, 14 feluri în care proteza se poate conforma pentru a efectua tot atâtea funcții de apucare diferite. Datorită acestor capacități, utilizatorul poate folosi proteza în activități precum căratul bagajelor, mâncat, legat șireturi, utilizare tastatură și mouse.
Pe fața dorsală a palmei protetice, aceasta prezintă un buton ce oprește proteza sau o activează în funcție de dorința amputatului. Această funcție mărește durata de utilizare a bateriei, prin economisirea energiei electrice. Același buton menținut apăsat pentru 2 secunde când proteza este deja pornită, alternează între cele 2 configurări ale amputatului.
Prezintă o beterie de 2200 mAh ce are un voltaj nominal de 7,4 V.
Mioelectrozii de ultima generație pe care proteza îi poate folosi sunt ELEC50 / ELEC60 fabricați de RSLSteeper / SteeperUSA și 9X18, 9X37, 13E125, 13E200, 13E202, 9X50, 9X52 fabricați de compania Otto Bock™ ; astfel pacientul are o gamă largă din care își poate satisface atât preferințele tehnologice cât și pe cele financiare.
Proteza este formată din două părți: cea integratoare a motorului, bateriei și electronicii ce vine în contact și se prinde de bont. A doua este mâna protetică, ce poate fi scoasă și care este partea protezei ce execută mișcările de prehensiune date de către motor și electronica sistemului.
Cele 14 tipuri de prehensiune pe care proteza le poate adopta sunt: tripod, apucare, putere, index active, apucare chei, index în extensie, degetele în flexie, apucare mouse, cârlig, prehensiune de precizie, adductia degetelor, plama deschisă si plama relaxată.
Proteza poate avea 14 poziții diferite de apucare tocmai datorită degetului mare (policelui), care are 2 poziții ce sunt comutate manual cu mâna normală.
Mănușa protetică opțională poate fi făcută la comandă in funcție de textura și pigmentul pacientului.
Sistemul vine însoțit de un driver software unde pacientul își poate configura acțiunile protezei după preferințele sale. Acesta poate sugera protezei ca la contracția unui mușchi al său aceasta să execute o anumită acțiune din cele 14.
2.2 Date tehnice ale protezei BeBionic C3:
Lungimea de la vârful degetului mijlociu până la baza plamei : 200 mm
Lungimea de la vârful policelui la baza plamei: 125 mm
Lățimea plamei : 92 mm
Circumferința plamei: 220 mm
Greutate: 698 g
Puterea maximă de prindere: 140.1 N
Puterea maximă de strângere cu trei degete (police, index, mijlociu) 36.6 N
Puterea maximă de strângere cu două degete (police, index) 26.5 N
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu trei degete 0.5 sec
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu cinci degete 1 sec
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu două degete 1 sec
Greutatea maximă suportată în apucarea obiectelor 45 kg
Greutatea maximă suportată de un deget individual 25 kg
Greutatea maximă suportată de un deget în extensie 6 kg
3. Prezentarea soluțiilor proiectate
3.2.1 Introducere
O problemă stringentă cu care se confruntă cercetătorii din întreaga lume este aceea a înlocuirii unei părti a corpului uman. Părerea mea este că o componentă artificială, care substituie componenta anatomică, ar trebui să fie proiectată astfel încât să funcționeze o lungă perioadă de timp fără alte intervenții. În particular, o proteză pentru mână sau membru superior trebuie să respecte următoarele deziderate: să aibă performanțe funcționale bune ( forțe dezvoltate, gamă de mișcări, sistem senzorial etc.), să fie adaptabilă corpului pacientului, să aibă o estetică apropiată de aceea a mâinii umane și să fie accesibilă. Multe companii produc la ora actuală asemenea produse pentru pacienții cu amputații de mână sau membru superior, însă costul unei proteze de ultimă generație este suficient de ridicat încât doar o mică parte a pacienților își permit achiziționarea unui astfel de produs.
Consider că rolul cosmetic al protezei nu trebuie ignorat, deși acesta pune mari dificultăți în proiectarea unei proteze cât mai avansate. Alegerea unei proteze se bazează pe factori psihologici, culturali, de practicalitate, de vârstă, de sex, ocupație, de tipul amputației existente. Dinamica protezei este de asemenea importantă, ea trebuie să imite cât mai natural mișcările anatomice. Materialul care acoperă mecanismul de funcționare trebuie să fie unul care imita pielea utilizatorului, să aibă aceeași culoare și aceeași textură.
Greutatea protezei este deosebit de importantă, atât pentru funcționalitate cât și pentru potrivirea ei la bontul pacientului. Contrar aparențelor, o proteză nu poate avea aceeași greutate ca a membrului pierdut (care poate atinge greutatea de 10 Kg de la umăr la degete), pentru că ar provoca un disconfort pacientului. Greutatea ideală pentru o proteză totală de membru superior nu poate depăși 3,5 kg, pentru ca aceasta să poată fi purtată o zi întreagă. Mâinile artificiale trebuie să fie cât mai ușoare posibil pentru a putea fi purtate pe o perioadă de timp cât mai lungă și cât mai eficient.
Noutatea proiectului meu constă în elaborarea unui sistem pneumatic ce încorporează senzori tactili ce se află pe suprafața falangelor și a palmei protetice. Atunci când proteza va strânge un obiect în actul ei de prehensiune, semnalele de la nivelul senzorilor tactili vor fi prelucrate și transmise către un manșon pneumatic ce se va afla pe bontul pacientului. Acest manșon va fi umflat cu aer proporțional cu presiunea exercitată pe suprafața obiectului; astfel pacientul are un feedback real asupra forței de strângere a protezei.
3.2 Caracteristici tehnice
Desenele de execuție ale pieselor ce constituie mâna artificială au fost create în softul de dezvoltare Autodesk Inventor 2014. Materialul ales pentru acest prototip (fibră de carbon) asigură o masă redusă și rezistență mecanică adecvată aplicației.
Degetele mâinii artificiale au construcție modulară, un deget fiind compus din 12 piese: trei falange, șase fulii și trei bolțuri. Palma este ușor concavă și integrează elementele necesare dinamicii și cinematicii protezei.
3.2.1 Model 3d
3.2.1.1 Prezentarea componentele modelului 3d
Proteza proiectată conține 15 falange. Deși mâna anatomică conține 14 falange, am ales să construiesc policele din 3 falange pentru a crește eficiența modelului în actul său de prehensiune. De asemenea, am proiectat o carcasă pentru a acoperi mecanismul ce execută mișcările de flexie și extensie ale degetelor.
Dimensiunile rezultate pentru piesele care compun prototipul de mână mecanică sunt foarte apropiate de cele ale mâinii umane. În construcția sistemului am luat drept cote dimensionale propria mână .
Aplicațiile acestei mâini mecanice nu se limitează doar la utilizarea ei ca proteză ce substituie membrul pierdut al unei persoane, ci poate fi folosită de asemenea în robotică (ca și end-effector pentru roboții industriali sau humanoizi) sau chiar în domeniul universitar ca și instrument pentru studiul procesului complex al prehensiunii.
Carcasa este solidă și are rol de protecție al mecanismului.
Flexia degetelor se produce cu ajutorul unor cabluri ce sunt trase de un motor de curent continuu localizat în manșonul protetic, alături de circuitul de comandă și acumulator.
Întreg ansamblu protetic numără un total de 105 piese.
Asfd
Asdf
Asdf
Asdf
Af
Sadf
Asf
Sadf
Sad
Fas
Fas
Dfs
Af
Sadf
Sad
Fs
Df
Saf
Asas
Df
Sadf
Saf
As
Dfas
F
Asf
Asdf
As
Df
Asfas
Fd
af
Asdfsadfsadf
Asdfsadf
asdfasdf
Asdfasdfas
Asdfasdfa
Asdfasdfa
Asdfas
Asdfas
Asdf
Asdfsa
Asdf
Asdf
asdf
3.2.2 Model 2D
3.2.2.1 Dimensiunile și caracteristicile protezei sunt:
Lungimea de la baza palmei până la vârful falangei distale a degetului mijlociu: 19 cm în extensie și 17,5 cm în modul relaxare al protezei
Înălțimea palmei: 2,7 cm
Lățimea palmei: 6,2 cm
Lungimea plamei: 7,5 cm incluzând mecanismul de articulare al încheieturii
Lungimea policelui: 8,9 cm
Lungimea degetelor: index – 7,6 cm; mijlociu – 7,8 cm; inelar – 7,6 cm; deget mic – 7,4 cm
Greutate: 170 g
Puterea maximă de prindere: 120 N
Puterea maximă de strângere cu trei degete (police, index, mijlociu) 32 N
Puterea maximă de strângere cu două degete (police, index) 21 N
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu trei degete 0.5 sec
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu cinci degete 1 sec
Durata maximă de deschidere – închidere în poziția cu două degete 1 sec
Greutatea maximă suportată în apucarea obiectelor 40 kg
Greutatea maximă suportată de un deget individual 10 kg
Greutatea maximă suportată de un deget în extensie 4 kg
3.3 Descrierea componentelor protetice
Sistemul va fi compus din:
Recipient încărcător cu adaptor de priză normal / de masină / de calculator (USB 3.0).
Acumulator Li-ion
Motor puternic, plat.
Interfață Bluetooth pentru conectarea cu computerul personal printr-un soft ce permite ajustarea optimă a funcțiilor de control.
Unitate de control electronică ce va procesa toate semnalele și va regla toate funcțiile protezei.
Senzori mioelectrici ce preiau semnalul EMG de la nivelul pielii bontului, ce ulterior va fi convertit în comandă electrică către proteză.
Senzori tactili ce măsoară presiunea la nivelul falangelor și al palmei protezei, semnal ce va da comandă către regulatorul de presiune din interiorul manșetei pneumatice pentru asigurarea feedback-ului proteză – utilizator.
Sistem pneumatic format din manșon, micropompă și motor.
Mânușa opțională pentru acoperirea protezei ce va avea textura și pigmentul pielii amputatului.
Mi-am propus ca proteza proiectată sa fie cât mai ieftin de produs, să se apropie căt mai mult de funcționalitatea unui membru sănatos și să asigure utilizatorului un feedback în timp real.
Astfel, modelul mecanic al mâinii artificiale are 16 grade de libertate și a fost creat studiind în paralel sistemul de acționare, sistemul senzorial și cel de comandă și control.
Sistemul de comandă și control al unei proteze de ultimă generație trebuie să respecte următoarele condiții:
Să aibă în centru computerul;
Să permită o integrare facilă a unei mari varietăți de senzori și actuatori;
Să permită portabilitatea protezei (funcționarea independentă de computer);
Să aibă un preț de cost competitiv ;
După un studiu complet al soluțiilor similare întâlnite în cadrul sistemelor de controlare a mâinilor robotice sau protezelor am decis combinarea computerului cu o placă de achiziție și comandă, dotată cu microprocesor care să comande precis servomotoarele de curent continuu ale fiecărui deget. Arborii de ieșire ale celor cinci servomotoare care acționează degetele mâinii artificiale vor fi legați mecanic de falanga distală a fiecărui deget prin intermediul transmisiilor prin cabluri direcționate pe fuliile fiecărei falange.
Totodată, sistemul de comandă și control al mâinii artificiale are rolul de a procesa informațiile culese de senzorii de proximitate și de forță. Sistemul va funcționa conform unui algoritm memorat de placa de comandă și control. Acest algoritm va fi scris în limbajul de programare C/C++ pe computer și încărcat în placa de achiziție și comandă prin intermediul unui cablu USB A-B. Proteza este echipată cu cinci senzori de forța de tip FSR (Force Sesitive Resistor), câte unul pentru fiecare falangă distală a degetelor.
3.3.1 Senzorii
Informația culeasă de acești senzori este folosită în scopul limitării sau augmentării forței de strângere pe care o dezvoltă prehensorul asupra obiectului. Dacă forța măsurată depășește o valoare prestabilită, atunci sistemul de comandă și control va emite comenzi către actuatori, astfel încât forța de strângere a obiectului să se diminueze. Această strategie de control poate fi aplicată atunci când utilizatorul manevrează obiecte fragile (de exemplu ouă, chipsuri, struguri, roșii etc.) Invers, dacă forța măsurată este mai mică decât valoarea prestabilită în algoritmul de control, atunci sistemul de control va comanda o strângere mai fermă. Un alt senzor tactil tip “piele artificială” cu conductivitate transversală va fi folosit la nivelul palmei protetice.
FSR sunt senzori ce permit detectarea presiunii și a greutății. Sunt ieftini și ușor de folosit. Aceștia sunt de fapt rezistori ce-și schimbă valoarea rezistivă în ohmi în funcție de presiunea exercitată pe suprafața lor. Deși sunt ieftini și ușor de utilizat, prezintă dezavantajul că nu pot calcula precis greutatea sau presiunea exercitată asupra lor. Dar pentru proteza proiectată nu avem nevoie de detectarea precisă a acestei presiuni, ci de variația ei. Astfel am decis să folosesc acești senzori.
Pielea artificială: denumirea de piele artificială desemnează o clasă de senzori tactili constituiți dintr-un strat conductor suplu, a cărui rezistență variază în funcție de presiunea aplicată pe acesta.
Caracteristica esențială a acestor dispozitive este structura compactă a părții conductoare. Materialele utilizate pentru stratul conductor sunt de două tipuri:
elastomeri (cauciuc natural sau sintetic) în care s-au înglobat diverse particule conductoare (grafit, carbon activ, pulberi metalice, etc.);
pâsle din fibre conductoare (fibre de carbon).
Principiul senzorului constă în creșterea rezistenței materialului la aplicarea presiunii, prin modificarea densității contactelor între elementele conductoare, deci a conductivității.
Dacă se plasează materialul între doi electrozi aflați sub o tensiune oarecare V, curentul I ce traversează ansamblul crește odată cu forța de apăsare pe el. Deci variația curentului I este o imagine a presiunii exercitate.
Problema conceperii unui senzor tactil utilizând unul sau altul dintre materiale constă în discretizarea presiunii pe suprafața superioară, pentru a evidenția fie conductivitatea transversală, fie conductivitatea longitudinală a materialului conductor.
Senzor tactil tip “piele artificială” cu conductivitate transversală
Elastomerul sau pâsla conductoare, metalizat pe o față, este plasat pe un suport conductor pus la potențialul masei în care sunt izolați mai mulți electrozi de măsură.
Suprafața metalizată este alimentată la o sursă de tensiune. O parte a curentului creat prin modificarea rezistenței locale se pierde prin suportul conductor care prezintă o impedanță mică în raport cu electrozii. Curentul cules de la fiecare electrod este prelucrat apoi individual.
Această metodă de măsură individuală a curentului, prezintă încovenientul unui sistem de prelucrare a semnalului foarte complicat (câte un circuit pentru fiecare electrod).
O soluție a acestei probleme o oferă varianta prezentată în figura de pe slide-ul urmator. Aceasta este o structură matricială în cruce constituită din benzi conductoare paralele (linii) pe o față și alte benzi conductoare (coloane) pe cealaltă față, orientate la 900. Astfel, la un moment dat este alimentată o singură linie.
Coloana de măsură este conectată la masă prin intermediul unei rezistențe, parte a unui potențiometru prin care se culege informația de măsurare. Aceasta este legată la rezistența zonei conductoare situată la intersecția liniei de alimentare și a coloanei de măsură.
Aplicarea potențialului coloanei de măsură la toate celelalte linii și coloane ale dispozitivului evită intersecția între diverse puncte tastate.
Prezența electrozilor pe suprafața superioară ce este în contact cu presiunea de măsurat poate conduce la degradarea performanțelor de sensibilitate a senzorului.
Localizarea contactelor electrice pe o față simplifică concepția senzorului, menținându-i însă performanțele. Astfel, alimentarea se face după un ansamblu de celule situate în linie, urmărind o bandă a circuitului conductor în care sunt izolați electrozii. Fiecare sistem de benzi sunt situate în paralel.
Electrozii situați pe o linie, adică perpendicular pe coloană, sunt legați între ei. Principiul de măsură constă în a alimenta fiecare linie secvențial, făcând un retur de potențial al coloanei de măsurat spre liniile neactivate.
3.3.2 Motorul
Pentru alegerea motorului trebuie să se țină cont de faptul că proteza pentru a se închide și deschide are nevoie de viteză mare și cuplu mic, iar pentru a apuca un obiect are nevoie de viteză mică și de cuplu mare. Pentru a îndeplini aceste condiții, presupunând că nu este folosită o transimisie automată, motorul trebuie programat astfel încât să se adapteze în funcție de cerințe.
Din moment ce nu există un motor suficient de mic încât să fie plasat într-o mână artificială care să îndeplinească atât cerintele de forță cât și pe cele de viteză,alte tehinci care să mărească atât viteza de dechidere – închidere, cât și forța cu care aceasta apucă trebuie implementate. Două tehnici sunt disponibile la momentul actual pentru protezele aflate pe piață, care tind să le apropie de performanțele unei mâini anatomice.
Prima tehnică implică un motor de dimeniuni crescute, ce folosește o transmisie automată. În acest caz, motorul deschide și închide mâna cu viteză mare, dar are cuplu mic. Atunci când mâna cuprinde un obiect, forța întâmpinată – detectată de un arc intern – determnină trecerea la o viteză mică, dar cuplu mare, astfel încât să favorizeze operația de prehensiune. Principalul dezavantaj al acestui mecansim apare din cauza faptului că forța de apucare este atât de mare încât la comanda de deschidere a mâinii, rezulatul este vizibil întârziat. Aceasta se datorează faptului că forța acumulată pentru strângerea obiectului are nevoie de timp pentru a trece de pragul minim la care se face schimbarea de la viteză mică și cuplu mare la viteză mare și cuplu mic. Un alt dezavantaj este că transimisia automată este un mecanism atât de complex încât este greu să fie făcut atât de compact încât să îndeplinească dimensiunile standard ale unei mâini artificiale.
A doua tehnică constă în folosirea mai multor motoare de dimensiuni reduse configurate pentru prehensiunea sinergică. În această prehensiune, un motor este construit pentru a dezvolta o viteză mare la cuplu mic, iar altul pentru viteza mică la cuplu mare. (poza)
Motorul de curent continuu este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Este format din două părți: rotor și stator. Acesta funcționează datorită forțelor electromagnetice ce acționează asupra unui conductor alimentat la curent aflat în câmp magnetic. Statorul este format din unul sau mai mulți poli magnetici, iar rotorul dintr-o bobină. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic până când polii rotorici se aliniază cu polii magnetici opuși din stator. În acel moment, polaritatea rotorului se inversează și acesta va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici. Pentru a putea modifica turația motorului, trebuie modificată tensiunea aplicată infășurării rotorice. Acest lucru se poate realiza prin mai multe metode: introducerea în circuit a unei rezistențe variabile, a unor generatoare sau prin modularea în lățime a impulsului (PWM). Schimbarea sensului de rotație se poate realiza fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație. Pentru a modifica polaritatea tensiunii se folosesc punțile H. Puntea H este un circuit electronic format din 4 „întrerupătoare” (de obicei tranzistoare) dispuse ca în figura de mai jos, care modifică sensul de trecere a curentului prin motor.
În categoria masinilor speciale de curent continuu, întâlnite frecvent în componenta sistemelor automate, intră servomotoarele si tahogeneratoarele de curent continuu. Servomotoarele de curent continuu sunt destinate să convertească semnalul electric, de forma unei tensiuni amplificate venite de la un traductor, într-o mișcare de rotație a unui arbore. Mecanismul, cuplat mecanic la arbore, execută astfel operația comandată.
Servomotoarele electrice funcționeazã în regim de motor și transformã un semnal de comandã (tensiune de comandã) într-o mișcare de rotație sau liniarã a rotorului. Ele îndeplinesc funcții diverse, cel mai frecvent fiind întâlnite ca elemente de execuție in sistemele de automatizare, care impun reglaje de turație în limitele largi și poziționare foarte precisã. În aceastã categorie sunt cuprinse servomotoarele de c.c., asincrone și sincrone.
Servomotoar cu rotor pahar
Indiferent de tipul lor, servomotoarele electrice trebuie să satisfacă o serie de condiții, cele mai importante fiind:
– gama mare de reglaj a turației și dependență liniară a acesteia de semnalul de comandă;
– puterea de comandã redusă;
– viteza de rãspuns ridicată;
– absența fenomenului de autopornire;
– cuplul de pornire cât mai mare;
– fiabilitate ridicată.
În mod obișnuit, semnalul de comandă este de putere mică, ceea ce impune alimentarea servomotorului (SM) de la amplificator de putere (în general un convertor static). Uneori, între servomotor și mecanismul de lucru se intercalează un reductor de turație.
Ansamblul format din elementul de amplificare, servomotor, reductor și mecanismul de lucru de numește servosistem sau sistem de execuție.
Servomotoarle de curent continuu prezintă următoarele avantaje:
– limitarea caracteristicilor mecanice și de reglaj (în cazul comenzii prin indus);
-posibilitatea reglării continue și fine a turației, în limite largi, utilizând scheme de comandă relativ simple;
-constanta electromecanică de timp mai mică decât cea de la cele pe bază de curent alternativ. ;
– valoarea ridicată a cuplului specific (raportat la volum).
Dezavantajele servomotoarelor de curent continuu – prezența colectorului și a fenomenelor de comutație, zgomotul mare, fiabilitatea scăzută – limitează utilizarea acestora în medii explozive sau cu mult praf.
3.3.3 Electrozi mioelectrici
Când un mușchi se contractă, un potențial electric este produs ca rezultat al acelei contracții. Dacă la nivelul pielii, aproape de mușchi, se află niște electrozi, acest potențial poate fi detectat sub formă de semnal și afișat cu ajutorul elecromiogramei . Acest semnal ulterior poate fi amplificat, procesat, și utilizat pentru a controla o proteză. Însă calitatea semnalului înregistrat depinde de poziționarea și configurarea electrozilor.
Prima proteză mioelectrica a fost dezvoltată în anii 1940 de către cercetătorul Reinhold Reiter, care a publicat munca sa în anul 1948. Deși nu era o proteză portabilă, aceasta putea fi folosită în spații de muncă ca unealta fixă pentru lucrul cu substanțe periculoase în incinte izolate.
Semnalul electromiografic este amplificat și procesat pentru a produce un curent continuu care este corelat contracției musculare, care la rândul lui este folosit pentru controlul protezei. Semnalul este preluat de o pereche de electrozi și un electrod de referință. Între electrozi și piele nu este nevoie de un gel de contact, deoarece în interiorul protezei bontul pacientului transpiră, ceea ce ajută la conductivitatea electrozilor. Pentru a controla un singur grad de mișcare, electrozii sunt puși pe mușchii protagoniști – antagoniști, ceea ce în practică pentru mușchii antebrațului se traduc în mușchii flexori – extensori ai degetelor.
Semnalul EMG are o intensitate aproximativă de 100 μv pentru o încordare moderată a antebrațului, deci acesta trebuie amplificat de ordinul zecilor de mii pentru a ajunge la un semnal între 1 și 10V, care să poată fi folosit. Se folosește un amplificator diferențial care poate înlătura zgomotul, lăsând doar semanlul de la EMG să fie crescut.
După ce semnalul a fost amplificat și trecut prin prelucrarea de bandă, acesta este prelucrat nonlinear într-un curent continuu. Acest potențial la rândul lui este trecut printr-un filtru trece jos pentru a extrage anvelopa semnalului.
Procesarea acestor informații necesită timp; orice întârziere mai mare de 100 μs între perioada de input și de cea de output va fi condierată de utilizator ca o întârziere de răspuns a protezei. Parker și Scott în 1985 sugerau că între perioada de input și cea de output sistemul nu trebuie să aibă o întârziere mai mare de 200 μs, pentru că și pentru cea mai performantă proteză acest timp poate determina o funcționare defectuoasă.
Un amplificator diferențial sustrage acele elemente din semnalul măsurat care sunt comune celor două intrări ale amplificatorului și lasă diferența. Pentru controlul mioelectric al protezei, fiecare intrare a amplificatorului este o formă de întrerupător sub formă de electrod ce stă pe pielea utilizatorului. Această pereche de electrozi trebuie orientată pe axa mușchiului de pe care se măsoară electromiograma. Asta pentru ca EMG traversează lungimea mușchiului, creând o diferență de potențial între electrozii ce formează intrările amplificatorului diferențial. Diferența de potențial crește direct proporțional cu distanța dintre cei doi electrozi.
Zgomotul nedorit de la nivelul semnalului se găsește la ambii electrozi, indiferent de orientarea acestora. Dar dacă electrozii sunt localizați la distanță mică unul de celălat sunt șanse mari ca acest zgomot să fie același. Cu toate astea, diferența de potențial de la nivelul EMG dintre electrozi va fi redusă proporțional cu micșorarea distanței dintre aceștia. Standardul de poziționare al electrozilor după cei de la Otto Bock este de 20 mm între cei doi electrozi sub formă de bară și cu un electrod de referință circular între ei.Acest standard însă întâmpină probleme și recent s-a decis trecerea la standardul Hosmer – Dorrance, unde perechea de electrozi se află la distanță de 28 mm și au formă circulară cu diametrul de 11 mm, iar electrodul de referință se află poziționat la distanța cea mai mare de ambii electrozi în interiorul protezei. Ieșirea semanlului folosind configurația Otto Bock nu este o EMG pură, ci este o variantă amplificată, limitată prin bandă, rectificată și prelucrată, pe când cea de la Hosmer – Dorrance este un semnal doar amplificat și limitat prin bandă.
Un electrod de referință separat fizic nu este totuși cea mai bună variantă, deoarece acesta nu este izolat electric de intrările amplificatorului diferențial. Electrodul de referință este în contact cu persoana și în consecință este cuplat electric la ambele intrări ale amplificatorului de către impedanța electrică a corpului. Impedanța este o funcție a distanței: cu cât distanța electrodului de referință este mai mare, cu atât atenuarea este mai mare. Electrodul de referință nu formează o adevărată împământare, așadar zgomotul produs de acesta nu este neapărat un zgomot de fundal care va fi îndepărtat de amplificatorul diferențial.
Mărimea electrozilor este importantă deoarece cu cât dimensiunea lor scade, cu atât avem posibilitatea să folosim mai mulți electrozi, deci implicit vom avea o proteză mai performantă.
Intrările electrozilor care fac contact cu pielea ar trebui cuplate capacitativ cu intrările amplificatorului diferențial. Electrozii de suprafață nu ar trebui cuplați direct la electrozii de intrare ai amplificatorului. Cuplarea capacitativă va bloca curentul continuu al amplificatorului să aibe contact cu persoana în cazul unei probleme de circuit. Dacă cuplările capacitative nu sunt folosite pacientul poate suferii arsuri la nivelul pielii ce este în contact cu acești electrozi.
Se fac cercetări de către cei de la Fundația Alfred Mann penru dezvoltarea unui senzor mioelectric ce poate fi implantat în interiorul bontului pacientului. Produsul se vrea a fi minim invaziv, intuitiv, să aibe un control pe mai multe canale și să poată fi folosit pe termen lung.
Fundația promite că proteza va controla simultan trei grade de mișcare: va deschide – închide mâna, va roti încheietura și va mișca degetul mare; în combinarea acestor mișcări va putea îndeplini majoritatea actelor de prehensiune necesare în viața de zi cu zi.
Senzorul va interpreta reacțiile electro–chimice ce au loc în timpul contracției musculare și le va trimite prin intermediul tehnologiei wireless către un decodor ce va acționa ca un creier electronic. Acest creier electronic va fi poziționat în interiorul protezei și la rândul lui va controla motorul și anexele acestuia. Capsulele implantate în corp ce conțin acești senzori vor avea dimatrul de 2 mm și lungimea de 16 mm. În viitor se dorește dezvoltarea unei proteze cu până la 13 grade simultane de libertate, care combinate vor reuși să apropie mișcările protezei mai mult de cele anatomice.
Cei de la Alfred Mann susțin că actualii senzori ce preiau semnalele EMG de la nivelul pielii prezintă dezavantaje de poziționare, dimensiune, sunt non-intuitivi, inconsistenți și pot prelua semnalele numai de la mușchii superficiali ai brațului, pe când sistemul lor va putea fi implantat atât în mușchii superficiali, cât și în cei profunzi și nu va conta dimensiunea mușchiului rămas funcționabil.
Metoda doctorului Kuiken se bazează pe principiul reinervării musculare țintite, în care nervii bontului amputat sunt reinserați într-un alt mușchi. Iar proteza citește acel mușchi, pacientul efectuând acțiunea cu care este obișnuit.
Să luăm iar exemplul brațului amputat de la umăr. Prin noul mod de control al protezelor, se identifică toate fibrele nervoase ce controlau mușchii membrului respectiv. Acestea se implantează, individual, în mușchii pectorali, fiecare nerv controlând o fibră musculară distinctă. Când pacientul dorește să închidă pumnul, creierul acestuia transmite pe nervii restanți și reimplantati comanda la fibrele pectorale desemnate, contractându-le.
Proteză citește această activitate musculară printr-o electromiogramă (investigație ce înregistrează semnalele electrice de la creier la mușchi), și știind ce nerv a fost atribuit acelei zone a pectoralului, realizează acțiunea dorită.
Prototipul poate doar închide și deschide mâna și flecta și extinde cotul. Însă doctorul Kuiken preconizează că va putea replica majoritatea mișcărilor unui membru amputat, chiar și cele de finețe cum ar fi scrisul.
3.2.4 Manșeta pneumatică
Manșeta ce se umflă cu aer în jurul brațului amputatului atunci când acesta strânge cu proteza un obiect se află încorporată în manșonul protetic. Volumul de aer este pompat cu ajutorul unei micropompe rotative ce primește semnal de la placa de circuit, care la rândul ei interpreteză semnalele provenite la nivelul senzorilor tactili aflați pe suprafața falangelor și a mâinii protetice. Cu ajutorul acestui ansamblu, utilizatorul protezei are un feedback în timp real asupra presiunii exercitate.
Manșeta de presiune cu aer este un tactor rudimentar care permite amputatului să dea mâna cu o persoană fără a-l strânge prea tare.
3.3.5 Acumulatorul
3.3.5.1 Generalități
Sursa de energie definește tipul de proteză, astfel ea poate proveni de la pacient (proteză mecanică cu acționare musculară de obicei prin cabluri) sau poate proveni de la acumulatori (proteză acționată electric). Protezele electrice trebuie să poată funcționa pe parcursul unei zile, asta implicând ca ele să dețină un acumulator suficent de puternic pentru suportul de energie necesar fără a trebui să fie reîncărcat sau schimbat. De asemenea, este de preferat ca acumulatorul să se afle încorporat în proteză. Bateriile electrice la ora actuală sunt principala sursă de stocare a curentului electric.
Puterea unui acumulator reprezintă cantitatea de energie stocată într-un element sau într-o baterie de acumulatori și se exprimă în Watt-ore (Wh). Un watt-ora se calculează în funcție de voltajul de la borne, amperajul și timpul în ore: V*A*t, de ex. 10Wh. Deoarece voltajul la borne este în general fix pentru un anumit tip de element, în funcție de principiul său de funcționare, mulți producători utilizează marcarea în amperi-oră (Ah) sau miliamperi-ora (mAh), de ex 2 Ah sau 1.000 mAh.
Puterea disponibilă în exploatare este însă mai mică, deoarece drenajul de curenți mari poate duce la supraîncălzirea bateriei. Puterea disponibilă în sarcina este notată cu C și se măsoară, la fel, neglijând tensiunea, în Amperi (A), împărțind capacitatea în amperi-oră la 1 oră. Cu cât valoarea C este mai mare, cu atât consumatorul poate drena mai mult curent dintr-o baterie, fără ca aceasta din urmă să se supraîncălzească. De exemplu, dintr-un acumulator cu plumb, se pot extrage curenți de 10C, în schimb, dintr-o baterie-buton cu litiu: 0,01 C.
Tabel comparativ al acumulatorilor în uz
3.3.5.2 Principii de funcționare
În timpul încărcării, încărcătorul injectează curent în baterie la o tensiune mai mare decât cea nominală. Ionii de litiu (Li+) pleacă din electrodul negativ în cel pozitiv, printr-un electrolit ne-apos. Acest transfer se realizează prin intermediul oxidului de cobalt, care este oxidat de la Co+3 la Co+4 .
În timpul descărcării (utilizării în sarcina), ionii de litiu migrează înapoi, în electrodul negativ, tot cu ajutorul cărăușului, oxidul de cobalt, cobaltul reducându-se de la Co+4 la Co+3.
Ambii electrozi, atât anodul cât și catodul, au o structură poroasă, iar ionii de litiu sunt capturați în acești pori printr-un proces denumit intercalare.
Anodul este realizat din carbon. Catodul este realizat din oxid de litiu-cobalt, fosfat litiu-feric sau oxid de magneziu-litiu. Electrolitul este constituit din lichide ne-apoase (litiu reacționează violent cu apă și degajă hidrogen), precum esterii carbonat de etilen sau carbonat de etanol și săruri de litiu precum hexafluorofosfati, hexafluoroarsenati, perclorat, fluoroborat, tetrafluoroborati, etc.
În funcție de materialele alese pentru construcția anodului, catodului și a electrolitului unui element, se obțin tensiuni la borne între 3,5 și 4,2 V și capacități între 150 Wh/kg și 250 Wh/kg.
Schema regulatorului de tensiune al unui acumulator Li-ion
Datorită condițiilor foarte riguroase de funcționare, încărcare și descărcare, acumulatorul este prevăzut din fabricație cu un circuit de control încorporat. Asocierea în serie sau în paralel (baterie) a doi sau a mai mulți acumulatori se realizează doar în condiții industriale, pentru a împerechea acumulatori cu rezistența internă identică și a evita încărcarea excesivă a unuia în dauna altuia, sau descărcarea celui mai bine încărcat în cel descărcat (balansare). Bateriile de acumulatori Li-ion dispun de un circuit electronic încorporat, care guvernează încărcarea și descărcarea balansată a fiecărui element.
Schema regulatorului încărcare / descărcare
Aceste circuite electronice funcționează permanent, chiar și când acumulatorul este decuplat de la consumator și consuma energie. Acest consum se adăugă autodescărcării realizate prin reversibilitatea reacțiilor chimice din acumulator. Cu toate acestea, acumulatorii Li-ion au o rată de autodescarcare de numai 5%, una dintre cele mai mici din gama acumulatorilor disponibili pe piață.
Înainte de comercializare, toți acumulatorii sunt încărcați și formatați în fabrică, în condiții foarte bine controlate de temperatură, tensiune și curent. Tot acum se realizează stratul Solid Electrolyte Interface/Interphase (ȘEI), proces care contribuie la stabilitatea în funcționare a anodului de carbon.
3.3.5.3 Funcționare în condiții extreme
Supraîncărcarea produce dioxid de cobalt care este scos ireversibil din ciclul reactiv și scade performanțele acumulatorului. Totodată, excesul de ioni de litiu nu mai poate fi preluat prin intercalare și se depune pe anod, ireversibil, sub formă de litiu metalic, scăzând capacitatea acumulatorului. Supraîncărcarea duce, de asemenea, la supraîncălzire și expune la riscul de explozie.
Supradescărcarea conduce la suprasaturarea oxidului de cobalt cu oxid de litiu, ce are drept consecință generarea de oxid de litiu liber care este scos ireversibil din ciclul reactiv și scade performanțele acumulatorului. Supradescarcarea conduce, în timp, la dizolvarea anodului în electrolit și la generarea de oxigen din oxizii de litiu, cobalt și magneziu, cu scăderea ireversibilă a capacității.
Operarea la temperaturi scăzute determină încetinirea reacțiilor chimice și fizice, cu scăderea puterii furnizate consumatorului. Scăderea temperaturii conduce, de asemenea, la încetinirea procesului fizic de intercalare, ceea ce are drept consecință acumularea în exces de ioni de litiu în jurul anodului și chiar la reducerea lui ireversibilă la litiu metalic. Dacă la temperaturi obișnuite (0 – 40°C) un acumulator Li-ion are, în medie peste 1.000 ciclii încărcare-descărcare, la – 30°C ciclul de viață este scurtat la doar câteva zeci de incarcari-descarcari.
Ciclii de viață, în funcție de temperatură de utilizare
Operarea la temperaturi ridicate, din contră, accelerează reacțiile chimice. Acumulatorii Li-ion sunt supuși unei prime încărcări încă din fabrică, pentru a realiza o formatare controlată și pentru a realiza stratul Solid Electrolyte Interface/Interphase (ȘEI), proces care contribuie la stabilitate în funcționare a anodului de carbon. La o temperatură internă de circa 80°C, în stratul ȘEI apar breșe, iar electrolitul începe să reacționeze cu anodul, producând, pe de o parte, scăderea capacității acumulatorului și pe de altă parte, o reacție exotermică, ce accelerează procesul de interacțiune. Pe măsură ce temperatura anodului crește, începe formarea de hidrocarburi (metan, etan), care cresc presiunea internă. Elementele de acumulatori sunt prevăzute cu supape de siguranță, dar acestea nu pot limita întotdeauna amplificarea procesului. La circa 130°C separatorul dintre electrozi se topește, ceea ce provoacă un scurtcircuit între aceștia; temperatura internă continua să crească, începe generarea de oxigen care, în prezența hidrocarburilor, poate duce la explozii.
Pentru a evita astfel de evenimente, acumulatorii Li-ion sunt livrați împreună cu un circuit electronic încapsulat, care controlează atât procesul de încărcare / descărcare, cât și temperatura în timpul acestor faze. Acest circuit controlează și oprește încărcarea, respectiv descărcarea acumulatorilor Li-ion, la nivele care să nu permită apariția de evenimente nedorite, precum exploziile, deși au fost semnalate și astfel de situații. Datorită acestor riscuri, Lenovo a schimbat circa 200.000 baterii, Sony circa 10 milioane, iar Nokia circa 46 milioane de acumulatori.
Schema de balansare a bateriilor de acumulatori
Riscul de incendiu al acestor acumulatori a impus unele restricții de transport pe liniile aeriene sau prin poștă.
3.3.5.4 Recomandări de folosire:
– acumulatorii care nu se folosesc pot fi păstrați în frigider, pentru o autodescarcare minimă;
– evitați descărcările complete, încercați să-i încărcați cât mai des; cu cât amploarea descărcării este mai mică, cu atât durata de utilizare este mai mare;
– evitați expunerea la temperaturi ridicate, de exemplu în autoturisme parcate în plin soare, vară, când temperatura interioară poate depăși 50°C;
– evitați stocarea bateriilor în stare descărcată; deoarece circuitele de control consumă permanent curent, există riscul de a scădea tensiunea sub 2,4 – 2,9 V (în funcție de model), valoare sub care bateria nu mai poate fi re-incarcată și devine inutilizabilă;
– folosiți pentru încărcare doar încărcătoarele dedicate; în funcție de materialele constructive, unii acumulatori pot avea tensiune mai mică de încărcare, iar utilizarea unui încărcător ce furnizează o tensiune mai mare poate produce incendii sau explozii;
– nu lăsați bateriile în medii cu umezeala ridicată;
– nu folosiți bateriile în apropierea surselor de căldură;
– folosiți încărcătorul compatibil cu acumulatorul / bateria dumneavoatră și care dispune de circuite de control pentru tensiune, amperaj și temperatură;
– nu montați acumulatorul / bateria cu polaritatea inversată;
– nu instalați acumulatorul / bateria în consumatori incompatibili;
– nu aruncați acumulatorul / bateria în foc;
– nu scurtcircuitați polii acumulatorului sau bateriei;
– nu transportați acumulatorul / bateria neprotejată, împreună cu obiecte metalice, precum ace de păr, lănțișoare metalice, sau alte obiecte metalice;
– nu loviți, nu înțepați, nu dezasamblați acumulatorul / bateria;
– dacă bateria se deformează în timpul încărcării / descărcării, degajă căldura sau gaze, îndepărtați-o imediat și scoteti-o din folosire;
– nu realizați acasă baterii de acumulatori prin punerea lor în serie sau în paralel; încărcarea și descărcarea fiecărui element trebuie controlate electronic (balansare), prin circuite dedicate, dificil de realizat de amatori;
– dacă terminalele de contact sunt murdare, curățați-le numai cu o cârpă uscată; utilizarea de soluții de curățare poate produce scurtcircuite și poate genera incendii sau explozii.
3.4 Material
Fibra de carbon are un conținut de cel puțin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un conținut mai mare de 99% carbon se folosește termenul de fibră grafitică.
Fibra de carbon a apărut în 1957 când, pentru a îmbunătăți pânza de bumbac și de mătase, care erau singurele disponibile pentru fabricarea aliajelor pentru rachete, Barneby-Cheney și Național Carbon au produs o cantitate mică de fibre. În 1961, A Shindo, de la Japanese Governement Industrial Research Institute, Osaka a produs fibre de carbon din fibre poliacrilonitrilice (PAN). În 1967, Rolls Royce, în Anglia, a anunțat proiectul utilizații fibrelor de carbon la componentele motorului cu reacție.
Astăzi, fibră de carbon este fibra domninată în industria materialelor compozite avansate. În ultimile două decenii, proprietățile fibrelor de carbon au crescut spectaculos că rezultat al cererii de materiale cât mai rezistente și cât mai ușoare, mai ales din partea industriei aerospațiale. Ca și raport rezistentă/greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrială în acest moment.
Capacitatea mondială de producție înregistrează o continuă creștere de la apariția materialului până în prezent, un salt spectaculos fiind înregistrat odată cu demarearea proiectului Boeing 787.
3.4.1 Structura Fibrei de Carbon
Ca și grafitul, fibra de carbon are la bază o structură atomică plană cu legături foarte puternice între atomii de carbon, covalente. În cazul grafitului, planurile sunt paralele, legăturile dintre ele fiind de tip Van der Walls, ce pot fi ușor rupte. În locul straturilor plane de atomi din carbon, care se găsesc în grafit, fibra de carbon este formată din panglici de atomi de carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei.
3.4.2 Producerea Fibrei de Carbon
Pentru obținerea fibrei de carbon, se folosește o varietate mare de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate în filamente subțiri, care sunt apoi convertite în fibră de carbon în 4 etape:
stabilizare (oxidare)
carbonizare
grafitizare
tratamentul suprafeței
Fibrele continue sunt apoi bobinate și comercializate pentru țesere sau pentru alte procedee de obținere a structurilor din fibră de carbon. Astăzi, materialul precursor predominant în fabricarea fibrelor de carbon este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obținută are un diametru de 5 -10 μm.
3.4.3 Clasificarea Fibrelor de Carbon
În funcție de proprietățile mecanice ale fibrelor de carbon, acestea pot fi clasificate în:
Fibre de Carbon High Modulus (HM sau Tipul I) – fibre cu modul de elasticitate mare
Fibre de Carbon High Strength (HS sau Tipul ÎI) – fibre cu rezistență la tracțiune ridicată
Fibre de Carbon Intermediate Modulus (IM sau tipul III)
Un material compozit stratificat și armat cu fibre se obține prin lipirea mai multor lamine (straturi) cu orientări diferite ale fibrelor. Dacă două sau mai multe lamine succesive au aceeași orientare a fibrelor, ele formează un grup de lamine.
Așezarea fibrelor în lamine sau grupuri de lamine se face în funcție de performanțele mecanice urmărite pentru structura realizată din materialul respectiv (rigiditate, rezistență la anumite solicitări etc.).
Stratificatul este caracterizat prin numărul de lamine ce intră în alcătuirea sa, precum și prin unghiul q care indică orientarea fibrelor în lamină.
Fiecare lamină are asociat un sistem de coordonate local Olt, în care axa Ol este paralelă cu direcția fibrelor, iar axa Ot este perpendiculară pe direcția fibrelor și conținută în planul laminei.
Pentru laminat, sistemul de axe Oxyz are axele Ox și Oy conținute în planul mediu al acestuia și axa Oz perpendiculară pe plan.
Fiecare lamină este caracterizată printr-un unghi q pe care direcția fibrelor (axa Ol) îl face cu axa Ox.
Așezarea laminelor este descrisă pornind de la fața semifabricatului, situată la cota z = – h/2 și se termină la z = h/2, iar pentru un grup de lamine se trece un indice ce arată numărul de lamine din grup. Stratificatul [0/903/0/45] conține șase lamine în care fibrele sunt orientate la 0°, 90° și 45° față de Ox, laminele cu fibre orientate la 90° fiind în număr de trei.
Se spune despre un stratificat că posedă simetrie tip oglindă, dacă lamine identice ca tip și orientare a fibrelor se regăsesc simetric de o parte și de alta a planului xOy. Un exemplu de astfel de compozit este [90/02/-45/45]S, realizat din 10 lamine dispuse simetric (vezi indicele S) față de planul median, fibrele fiind orientate față de Ox sub unghiurile 90° (două lamine), 0° (patru lamine), -45° (două lamine) și 45° (două lamine).
Studiul unei structuri având o formă oarecare, realizată din materiale compozite stratificate și armate cu fibre continue, necesită următoarele cinci caracteristici elastice ale unei lamine:
El – modulul de elasticitate longitudinal al laminei pe direcția fibrei (direcția axei Ol);
Et – modulul de elasticitate al laminei pe direcție normală pe cea a fibrei (direcția axei Ot), sau modulul de elasticitate transversal;
Glt – modulul de forfecare al laminei (în planul Olt);
nlt – coeficientul lui Poisson în planul Olt;
ntz – coeficientul lui Poisson în planul Otz.
Dacă structura este realizată dintr-un stratificat plan, în calcule sunt necesare numai patru constante elastice ale laminei: El, Et, Glt și nlt. Aceste caracteristici elastice sunt calculate cu ajutorul unor relații sau sunt determinate experimental.
Caracteristicile fizico-elastice și mecanice ale materialului compozit pot fi estimate plecând de la caracteristicile fiecăruia dintre constituenți (regula amestecului).
Pentru o lamină se pot defini următoarele mărimi:
– procentul masic al fibrelor, Mf, ca raportul dintre masa fibrelor conținute într-un volum definit de material compozit și masa totală a aceluiași volum;
– procentul masic al matricei : Mm = 1 – Mf;
– procentul volumic al fibrelor, Vf, ca fiind raportul dintre volumul fibrelor conținute într-un volum definit și acel volum;
– procentul volumic al matricei : Vm = 1 – Vf;
– masa fibrelor pe unitatea de suprafață, m0f (kg/m2).
Dacă f și m reprezintă densitățile fibrei și ale matricei, atunci între procentele volumice și masice definite, există relațiile:
Densitatea laminei se poate exprima cu relația:
Grosimea laminei, e, se poate calcula folosind una din relațiile:
Cu ajutorul mărimilor de mai sus, se pot calcula următoarele caracteristici elastice și mecanice ale laminei:
Modulul de elasticitate în lungul fibrelor, El:
în care Ef reprezintă modulul de elasticitate al fibrei, iar Em modulul de elasticitate al matricei.
Modulul El depinde în mod esențial de modulul longitudinal al fibrei, Ef, deoarece Em EfM
Modulul de elasticitate pe o direcție perpendiculară pe direcția fibrei, Et (modul de elasticitate transversal):
în care Eft reprezintă valoarea modulului de elasticitate al fibrei pe o direcție transversală pe direcția fibrelor.
Modulul de forfecare, Glt:
în care Gm este modulul de elasticitate transversal al matricei, iar Gflt este modulul de elasticitate transversal al fibrei.
Coeficientul lui Poisson:
unde nf și nm sunt coeficienții lui Poisson pentru fibre, respectiv pentru matrice.
Modulul de elasticitate pe o direcție oarecare x:
unde c = cos ; s = sin .
Rezistența la rupere a unei lamine pe direcția fibrei:
unde fr reprezintă rezistența de rupere la tracțiune a fibrei.
Rezistența la rupere a unei lamine pe o direcție oarecare x:
în care lr, tr, ltr reprezintă valorile tensiunilor de rupere ale laminei pe direcția fibrelor de armare, pe o direcție perpendiculară pe cea a fibrelor, respectiv ale tensiunii de rupere prin forfecare în planul Olt al laminei.
3.5 Perspective
4. Memoriu justificativ de calcul
DGServo S08NF STD: – viteză de rotație: 4,33 rad/s, rotație limitată, 180°;
– cuplu: 0,15 kg m;
– greutate: 70g;
– tensiune de alimentare: 4,8V( 7,4V maxim);
– dimensiuni: 40,6 X 19,8 X 37 mm;
Figura Servomotoare
In ceea ce priveste constructia servomotoarelor folosite(DGServo S08NF STD) , vorbim despre o varianta cu reductor de turatie cu 4 trepte de reducere, dupa cum se va arata si in figura urmatoare:
Figura Schema ansamblu motor – reductor
Figura Reductor servomotor
Avand urmatoarele roti cu numarul de dinti dupa cum se specifica:
– R1= z1= 10;
– R2= z2= 62;
– R3= z3= 10;
– R4= z4= 50;
– R5= z5= 10;
– R6= z6= 35;
– R7= z7= 9;
– R8= z8= 22, unde
– R reprezinta roata dintata din figura ;
– z reprezinta numarul de dintii ai rotii corespunzatoare.
Iar rapoartele de transmitere sunt:
ii,j=, unde
ii,j este raportul de transmitere iar zi si zj reprezinta numarul de dinti pentru rotile i si j;
– i1,2= = 6,2;
– i3,4== 5;
-i5,6== 3,5;
– i7,8== 2,4;
– itot=i1,2*i3,4*i5,6* i7,8=6,2* 5* 3,5* 2,4= 260,4
Turatii:
DGServo S08NF STD:
narboren= , unde
– narboren este turatia arborelui terminal al ansamblului reductor;
– narbore1 este turatia arborelui motorului de actionare;
– itot este produsul tuturor rapoartelor de transmitere pana in arborele n.
narbore3=4,33[ rad/s]= 41,34 rpm;
narbore1= narbore3* itot= 41,34*260,4= 10.765, 936 rpm.
Conculzii și propuneri
Anexe
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Prefață (necesitatea și oportunitatea temei) (ID: 157697)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.