Медицинская кровать для вытяжки позвоночника

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Кобзев Александр Алексеевич, Леонтьев Илья Юрьевич. Наставник: Иванов Виктор Никитович.
1ое, 2ое и 3е место: I место
Город: Москва
Место учебы: ГБОУ СПО города Москвы Строительный колледж № 38

I. Расчетная модель.

Существуют медицинские устройства и приспособления для вытяжки позвоночника, но они имеют ряд существенных недостатков. Так, например, на рис.1 представлено устройство для растяжения позвоночника. Принцип его действия заключается в том, что под действием тяжести головы подголовник смещается в продольном направлении, растягивая тем самым позвоночник. На самом деле, максимум, на что способно данное устройство, это вытянуть верхнюю часть позвоночника в области шейных позвонков, так как сила трения, действующая вдоль спины лежащего человека, препятствует вытяжению позвоночника.

На рис.2 приведен тренажер для вытяжки позвоночника – Грэвитрин.

Данный тренажер является более совершенной конструкцией, так как здесь сила трения, препятствующая вытяжке позвоночника, сведена до минимума за счет использования подвижных валиков. Но существенными недостатками данной конструкции является то, что здесь, во-первых, нет возможности регулировать силу растяжения, воздействующую на позвоночник, во-вторых, на данном тренажере можно лежать только в одном положении – на спине.     Таким образом, можно констатировать, что в настоящее время нет простых и эффективных устройств для растяжения позвоночника.

В представленном далее описании предлагается медицинская кровать для вытяжки позвоночника. Чтобы правильно обосновать конструкцию кровати, рассмотрим вначале расчетную модель усилий, воздействующих на позвоночник. Позвоночник можно представить в виде отдельных позвонков, скрепленных упругими связями (пружинками). При наклонном положении плоскости кровати можно  нарисовать схему сил, действующих на человека, которая  представлена на рис. 3, где

P – сила веса человека,
Fтр – сила трения, препятствующая скольжению тела по кровати,
Fр – скатывающая сила,
Fуд- удерживющая сила (удерживает человека в наклонном положении при выполнении условия Fр > Fтр).

Скатывающая сила Fр является силой растяжения позвоночника. Величина этой силы зависит от угла наклона кровати . Чем больше угол наклона, тем больше растягивающая сила в соответствии с выражением (1)

Угол наклона  должен принимать как положительные, так и отрицательные значения, как показано на рис. 3. При положительном угле наклона большие растягивающие усилия будут действовать на верхнюю часть туловища, и при отрицательном угле наклона большие растягивающие усилия будут действовать на нижнюю, поясничную область позвоночника. Эпюры распределения силы растяжения при положительном и отрицательном углах наклона представлены на рис.4.

Отсюда вытекает необходимость применения как положительных, так и отрицательных углов наклона кровати. При вытяжении нижней поясничной части позвоночника кровать целесообразно устанавливать с отрицательным углом наклона и наоборот.

Очевидно, что чем меньше сила трения Fтр, тем эффективнее действие растягивающей силы Fр на позвоночник. Чтобы уменьшить силу трения, в предлагаемой конструкции лежак кровати выполнен из вращающихся роликов, как показано на рис. 5. Сила трения качения существенно ниже силы трения скольжения, поэтому сила Fр в данном случае будет работать исключительно на растяжение позвоночника, а не затрачиваться на преодоление силы трения. Чтобы человек не скатывался при положительных и отрицательных углах наклона, необходимо фиксировать либо верхнюю, либо нижнюю часть туловища. В предлагаемой конструкции это делается с помощью ремней.  

Таким образом, приходим к следующим требованиям, которым должна удовлетворять конструкция медицинской кровати для вытяжки позвоночника.

1.Лежак кровати должен иметь возможность принимать наклонные положения как с положительным, так и отрицательным углом наклона.
2.Лежак кровати должен быть выполнен из вращающихся роликов, обеспечивающих минимальную силу трения.
3.Ролики должны быть подпружиненными, чтобы обеспечить комфортные условия при длительном лежании на кровати.  
4.Кровать должна иметь возможность фиксации верхней или нижней части туловища человека при положительных и отрицательных углах наклона лежака кровати.

II. Конструктивное исполнение.

Конструкция кровати представлена на рис.5. Основу конструкции представляет обычная типовая кровать, в которой пружинный матрац (сетка) заменяется на роликовый лежак. Цифрами на рисунке обозначены:
1 – задняя спинка типовой кровати,
2 – стандартная перекладина типовой кровати,
3 – передняя спинка типовой кровати,
4 – пластина с отверстиями (новый элемент),
5 – роликовый лежак (новый элемент),
6 – поперечная штанга (новый элемент),
7 – гайка (новый элемент),
8 – подпружиненные ролики (новый элемент)
К передней спинке кровати к одной и другой ножке приварены две вертикальные пластины (4) с отверстиями, в которых в наклонном положении крепится лежак.  Лежак представляет из себя металлическую раму, внутри которой размещены подпружиненные ролики (8). Одним концом лежак свободно опирается на перекладины кровати, а второй конец лежака с помощью поперечной штанги (6) и гаек (7) фиксируется в наклонном положении в пластинах (4).
Если обеспечить возможность наклонного положения лежака с положительным углом до + 30 град., то, например, при весе человека 80 кг сила растяжения позвоночника может достигать 40 кг. По предварительным оценкам отрицательный угол наклона может достигать  (– 15) град.

Механизм подпружинивания роликов представлен на рис. 6, где цифрами обозначены:
1 – продольный уголок роликовой рамы,
2 – подпружиненный ролик,
3 – П-образная скоба,
4 – пружина,
5 – стакан
Стакан (5) вставляется в предварительно высверленные отверстия в нижней плоскости уголка (1), в стакан закладывается пружина (4), которая через П-образную скобу (3) подпирает два ролика. Чтобы ролики имели возможность перемещаться вверх-вниз, т.е. пружинить, в боковой плоскости уголка рамы выполнены отверстия вытянутой формы, как показано на виде А рисунка 6. Пружина через скобу (3) воздействует на ролики и прижимает их к верней части прорези в боковой поверхности рамы. Чтобы пружина не выскочила из стакана, она размещается посередине между двумя роликами и подпружинивает сразу два ролика. Скоба (3), в которую упирается пружина, также охватывает два ролика. Диаметр отверстий в скобе больше диаметра ролика, поэтому ролик имеет возможность вращаться в скобе.

Для того, чтобы удержать человека в наклонном положении, чтобы он не скатывался к спинкам кровати, используется ремень, изображенный на рис. 7. Ремень состоит из поясного ремня и двух лямок и застегивается либо на верхней части туловища в районе подмышек (при положительном угле наклона кровати), либо на нижней части туловища в районе поясницы (при отрицательном угле наклона кровати). Лямки ремня застегиваются на спинке кровати.

Следует отметить, что при разработке конструкции кровати особое внимание обращалось на то, чтобы конструкция была простой и технологичной. Предлагаемую кровать можно изготовить в любой механической мастерской, оснащенной токарным и сверлильным станками и сварочным аппаратом.