Разработка композитной конструкции биомеханического назначения

Полный текст

Введение В настоящее время область протезирования нижних конечностей является перспективной как с точки зрения внедрения научно-технических инноваций, так и с точки зрения коммерциализации, в связи с чем проводится много исследований[‡‡‡] [1-8]. Протезы нижних конечностей (ПНК) являются средством реабилитации при аплазии, утере конечности или ее ампутации. В 2020 г. мировой рынок полуфабрикатов для протезов нижних конечностей оценивался в 1,3-1,4 млрд долл. США с ежегодным ростом порядка 3-5 %[§§§]. Количество пользователей протезов нижних конечностей ежегодно прирастает на более чем 750 000 человек по всему миру. Основные аспекты необходимые для создания перспективных протезов стопы - повышение функциональности, уменьшение массы конструкции, повышение устойчивости. По отзывам пользователей протезов стоп, существует проблема устойчивости при взаимодействии с наклонными и неровными поверхностями, имеющими уклон более 7°, а у пациентов возникает неприятное давящее ощущение в культеприемной гильзе. Поэтому основная цель исследования - разработка протеза новой конструкции повышенной адаптивности при взаимодействии с наклонными опорными поверхностями. Для достижения цели поставлены следующие задачи: - анализ современного состояния работ в области протезирования стоп; - исследование особенностей изготовления протезов стопы; - разработка нового варианта конструкции будущего изделия; - моделирование напряженно-деформированного состояния для нескольких конструкций и выбор лучшего варианта. На основе поставленных задач впервые предложена и проанализирована композитная конструкция, позволяющая снизить нагрузку на культю пользователя при взаимодействии с наклонными поверхностями. Впервые предложено и исследовано влияние момента во фронтальной плоскости в качестве количественной характеристики адаптивности протеза к наклонным поверхностям. Также разработанная конструкция может быть использована в качестве основы для разработки нового поколения углепластиковых стоп повышенной адаптивности. 1. Современное состояние работ в области протезирования нижних конечностей 1.1. Виды протезов нижних конечностей Самый распространенный вид ПНК - пассивно-функциональный, который обеспечивает опорную функцию и восполняет общие функции ходьбы, не требуя специальной электроники. Существует четыре группы активности (согласно классификации от компании OSSUR), которые определяют тип протеза для пациента в зависимости от его повседневной деятельности: - первая группа - низкий уровень активности - косметические протезы, выполняющие опорную функцию и слабо восстанавливающие функции ходьбы; - вторая и третья группы - средний и высокий уровень активности - самые распространенные и самые универсальные группы. Протезы восстанавливают функции ходьбы и бега; - четвертая группа - специализированные спортивные протезы. Не предназначены для повседневного использования[****]. 1.2. Особенности конструкций пассивно-функциональных протезов стопы Общая функция протеза - частичная разгрузка опороспособной культи, полная разгрузка неопороспособной культи и сохранение энергии в цикле шага за счет упругой деформации пружинных элементов. Конструкция ПНК должна обеспечивать устойчивость пользователя в статическом и динамическом состоянии в сагиттальной (плоскость, разделяющая тело на левую и правую части) и фронтальной плоскостях. Однако устойчивость при взаимодействии с наклонными плоскостями более 7° крайне низкая. Для обеспечения устойчивости в пружинных элементах делают продольную прорезь, обеспечивающую возможность смещения опорных поверхностей относительно друг друга. Протез стопы состоит из элементов, представленных на рис. 1. Изображение выглядит как вычерчивание линий Автоматически созданное описание Рис. 1. Принципиальная схема пассивно-функционального протеза стопы: 1 - адаптер; 2 - съемная анатомическая оболочка; 3 - пяточный пружинный элемент; 4 - основной пружинный элемент; 5 - крепежный элемент Figure 1. The composition of the passive-functional prosthetic foot: 1 - adapter; 2 - removable anatomical shell; 3 - heel spring element; 4 - main spring element; 5 - fastening element Адаптер, как правило, сделан из стали или титана, как и крепежные элементы. Съемную анатомическую оболочку изготавливают из полиуретана, пружинные элементы чаще всего - из композиционных материалов, таких как стеклопластики или углепластики. 2. Концепция и моделирование напряженного состояния новой конструкции 2.1. Проектный облик концептов конструкции протеза стопы На основе изучения конструкций существующих протезов нижних конечностей было сформировано несколько вариантов конструкции. Конструкция 2 (рис. 2) представляет собой аналог стопы высокого профиля[††††] от компании Freedom Innovations[‡‡‡‡] с симметричными пружинными элементами, имеющими большую толщину, и расширенным завершением пяточных пружинных элементов. Рис. 2. Конструкция 2 Figure 2. Structure 2 Конструкция 3 (рис. 3) является низкопрофильной стопой с тремя продольными прорезями в области мыска для стабилизации конструкции на наклонных поверхностях. Конструкция основного пружинного элемента имеет переменную толщину, необходимую для обеспечения плавности переката стопы при шаге. Рис. 3. Конструкция 3 Figure 3. Structure 3 В качестве наиболее перспективной из представленных была выбрана конструкция 3, так как обеспечение стабильности пользователя при перемещении по наклонным опорным поверхностям и пересеченной местности является одной из приоритетных задач современных протезов. 2.2. Формулировка модели. Финальный концепт В настоящей работе финальная концепция конструкции протеза сформулирована с учетом анализа характерных особенностей современных протезов стопы, а также двух новых конструкций. Сделан вывод, что оптимальным решением является низкопрофильная стопа (до 80 мм в высоту), так как она универсальна для любого уровня ампутации. Изображение выглядит как внутренний, темный, закрыть Автоматически созданное описание Рис. 4. Конструкция 4 Figure 4. Structure 4 Стопа должна иметь переменную толщину пружинных элементов для обеспечения более плавной плантарфлексии (сгибания стопы) и дорсифлексии (разгибания стопы). Необходимо обеспечить устойчивость пользователя на плоских, наклонных и неровных поверхностях. Необходимы три продольных прорези в основном пружинном элементе, одна из которых должна немного не доходить до адаптера, для обеспечения большей подвижности протеза стопы, пяточный элемент также должен содержать прорезь. Основной пружинный элемент должен иметь антропоморфное расширение в области мыска для дополнительной устойчивости. Финальная конструкция 4 представлена на рис. 4. Высота стопы составляет 61 мм, длина - 239 мм (для стопы 25 размера). Ориентировочная масса с соединительными элементами - 323 г. 2.3. Результаты моделирования и их анализ Расчетная модель базируется на сравнительном анализе четырех конструкций, имеющих одинаковые габаритные размеры (рис. 5), но различное строение продольных прорезей на основном и пяточном пружинных элементах. Рис. 5. Габаритные размеры финальной конструкции Figure 5. Scales of final structure Для получения расчетных данных используется имитация воздействия протеза стопы на твердую наклонную поверхность, созданная в программном комплексе ANSYS [9]. Конструкция 1, не имеющая продольных прорезей, и конструкция 2, имеющая одну центральную продольную прорезь, являются аналогами существующих стоп. Конструкции 3 и 4, имеющие нестандартные прорези, являются основными объектами исследования. Для расчета были созданы виртуальные модели с пружинными элементами равной толщины - 5 мм (с целью упрощения расчетной модели) и фрагмент наклонной поверхности (угол наклона 15°). В качестве материала для расчета пружинных элементов выбран углепластиковый препрег (390 ГПа). Расположение волокон в каждом слое однонаправленное, слои ориентированы друг относительно друга под углом 90° [10; 11]. Конструкция формируется приблизительно из 10 слоев препрега. Рис. 6. Момент во фронтальной плоскости Figure 6. Moment in frontal plane Конструкция 1. Реакция опоры: 1302,6 Н. Момент во фронтальной плоскости: 21 787 Н·мм. Рис. 7. Эквивалентное напряжение Figure 7. Equivalent stress Конструкция 2. Реакция опоры: 1303,0 Н. Момент во фронтальной плоскости: 14 108 Н·мм. Рис. 8. Эквивалентное напряжение Figure 8. Equivalent stress Конструкция 3. Реакция опоры: 1326,8 Н. Момент во фронтальной плоскости: 12 339 Н·мм. Для симуляции взаимодействия протеза с наклонной поверхностью смоделировано перемещение протеза стопы относительно вертикальной оси, что приводит к визуализации деформированного состояния. На основе полученных значений реакции опоры выбирались оптимальная итерация расчета и проводился анализ момента, возникающего в месте крепления адаптера (рис. 6). В данном моделировании значения имеют относительный характер, предназначенный для демонстрации работоспособности конструкций. Рис. 9. Эквивалентное напряжение Figure 9. Equivalent stress Конструкция 4. Реакция опоры: 1325,7 Н. Момент во фронтальной плоскости: 12 083 Н·мм. Рис. 10. Эквивалентное напряжение Figure 10. Equivalent stress Результаты компьютерного моделирования Номер конструкции Реакция опоры Н Момент, Н·мм 1 базовая 1302,6 21 787 2 базовая 1303,0 14 108 3 новая 1326,8 12 339 4 новая 1325,7 12 083 Simulation results Structure’s number Force reaction N Moment, N·mm 1 basic 1302.6 21 787 2 basic 1303.0 14 108 3 new 1326.8 12 339 4 new 1325.7 12 083 При сравнении результатов из таблицы можно увидеть, что конструкция 1, существующая на рынке, дает наибольший момент в области крепления адаптера. Конструкция 2, существующая на рынке и имеющая одну прорезь, дает значительно меньшее значение момента относительно конструкции 1. В разработанной конструкции 3 момент стал еще меньше за счет двух прорезей на мыске. Наименьшая величина момента наблюдается у разработанной конструкции 4, имеющий одну длинную прорезь и одну короткую прорезь на мыске. Это означает, что нагрузка на культю пользователя будет значительно ниже, что позволит повысить комфорт передвижения. Заключение В настоящее время область протезирования нижних конечностей является перспективной. Разработанная конструкция протеза универсальна, что увеличивает количество пользователей и позволяет расширить возможности людей, использующих ПНК. С помощью метода конечных элементов проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния протезов - определены значения силы и момент реакции опоры при взаимодействии конструкций протезов с поверхностью с углом наклона 15°. Выбран рациональный вариант конструкции. Получены результаты, подтверждающие работоспособность и перспективность разработанной конструкции протеза - предложенный вариант на 44,5 % эффективнее самой распространенной на рынке конструкции без прорезей и на 14,4 % эффективнее конструкции с одной прорезью.

Об авторах

Иван Михайлович Борисов

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Email: dvsgood@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2347-7306

бакалавр, магистрант кафедры CМ-13 «Ракетно-космические композитные конструкции»

Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1

Сергей Васильевич Резник

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: sreznik@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4837-6993

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой CМ13 «Ракетно-космические композитные конструкции»

Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1

Список литературы