CN107530174A - 用于人造膝关节的站立阶段阻尼的方法 - Google Patents

用于人造膝关节的站立阶段阻尼的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制人造膝关节的站立阶段阻尼的方法，所述人造膝关节具有围绕摆动轴线(4)能摆动地相互固定的上部分(1)和下部分(2)并且具有阻力单元(6)，所述阻力单元布置在所述上部分(1)和所述下部分(2)之间并且具有调整装置(7)，通过所述调整装置能够改变阻尼阻力(FD)，所述人造膝关节还具有控制单元(8)，所述控制单元与所述调整装置(7)耦合并且至少与一个传感器(9)连接，其中，基于传感器数据来进行调整，其中，在站立阶段弯曲直至最终的站立阶段期间，通过所述至少一个传感器(9)来检测膝盖角度(α)，并且弯曲阻尼(FD)被提高到高于初始弯曲阻尼(FDI)的水平(FDmax)，直至避免在达到确定的最大膝盖角度(αmax)时进一步弯曲。

Description

用于人造膝关节的站立阶段阻尼的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制人造膝关节的站立阶段阻尼的方法，该人造膝关节具有围绕摆动轴线可摆动地相互固定的上部分和下部分并且具有阻力单元，该阻力单元布置在上部分和下部分之间并且具有调整装置，通过该调整装置可以改变阻尼阻力，该人造膝关节还具有控制单元，该控制单元与调整装置耦合并且至少与一个传感器连接，其中，基于传感器数据来进行调整。
背景技术
用于矫形器、外骨骼或假肢的膝关节具有带有上连接部分的上部分和带有下连接部分的下部分，所述上部分和下部分铰接地相互连接。在上连接部分上通常布置有用于大腿残肢或大腿轨的接收部，而在下连接部分上布置有小腿管或小腿轨。在最简单的情况下，上部分和下部分通过单轴铰链可摆动地相互连接。
为了能够在迈一步的不同阶段期间或在另外的运动或工作中尽可能自然地满足或支持不同要求，经常设置有阻力装置，该阻力装置提供弯曲阻力和伸展阻力。通过弯曲阻力来调节，在施加力时下部分与上部分相比向后摆动的难易程度。伸展阻力制动下部分向前运动并且此外构造了伸展止挡。
由DE 10 2008 008 284 A1已知一种具有上部分和可摆动地布置在该上部分上的下部分的、矫形外科技术的膝关节，该膝关节配属有多个传感器，例如弯曲角度传感器、加速度传感器、斜度传感器和/或力传感器。根据这些传感器数据求取伸展止挡的位置。
DE 10 2006 021 802 A1描述一种被动假肢膝关节的控制，该假肢膝关节具有沿弯曲方向可调整阻尼的、用于匹配带有上侧连接器件和到人造脚的连接元件的假肢装置。在此进行与上台阶的匹配，其中，探测假肢脚的低力矩的抬起，并且在抬起阶段中将弯曲阻尼降低到合适于在平地上行走的水平以下。弯曲阻尼可以根据膝盖角度的改变并且根据作用到小腿上的轴向力来提高。
此外，DE 10 2009 052 887 A1描述一种用于控制具有阻力装置和传感器的矫形器关节或假肢关节，其中，在使用该关节期间，通过传感器提供状态信息。传感器检测力矩或力，其中，通过数学运算使求出的参数中的至少两个的传感器数据相互关联，由此计算出辅助变量，弯曲阻力和/或伸展阻力的控制以该辅助变量为基础。
为了控制阻尼表现的改变，根据现有技术定量地评估这些传感器数据，也就是说，通常预先给定确定的边界值，在达到或未达到这些边界值的情况下激活或停用促动器，使得阻力装置提供增大或减小的弯曲阻力或伸展阻力。
病人可以在不同的周围环境中使用假肢、外骨骼或矫形器。它们可以用于下台阶、下坡行走或以不同的速度在平地上行走。进一步地，它们可以承受负荷，这同样对假肢或矫形器的表现起作用。尤其在结束迈步阶段之后，即在设置有本发明人造膝关节的腿部着地之后，在身体重量转移到设置有本发明人造膝关节的腿部上时，对于病人而言存在对更高安全性的多种要求。但是，过高的初始弯曲阻尼，即抵抗人造膝关节弯曲的阻尼，可能导致在髋关节中的碰撞式负荷，这可能造成假肢或矫形器的佩戴舒适性和接受度减小。
发明内容
本发明的任务是，提供一种用于控制人造膝关节、尤其是人造膝关节内的阻尼改变的方法，借助该方法可以实现与不同行走状况的匹配并且可以在具有最大安全性的同时实现舒适的行走表现。
根据本发明，该任务通过具有独立权利要求特征的方法来解决。本发明的有利构型和扩展方案在从属权利要求、说明书以及附图中公开。
提出一种用于控制人造膝关节的站立阶段阻尼的方法，该人造膝关节具有围绕摆动轴线可摆动地相互固定的上部分和下部分并且具有阻力单元，该阻力单元布置在上部分和下部分之间并且具有调整装置，通过该调整装置可以改变阻尼阻力，该人造膝关节还具有控制单元，该控制单元与调整装置耦合并且至少与一个传感器连接，其中，基于传感器数据来进行调整。在此设置，在站立阶段弯曲直至最终的站立阶段期间，通过所述至少一个传感器来检测膝盖角度，并且，弯曲阻尼被提高到高于初始弯曲阻尼的水平，直至避免在达到确定的最大膝盖角度时的进一步弯曲。在迈步阶段结束之后将主要为弯曲阻力的阻尼阻力调节到适合在脚跟接触情况下提供足够阻尼的水平。于是，该水平是初始弯曲阻尼的水平。在站立阶段的进一步变化过程中，膝盖角度增大，因为通过脚跟接触脉冲式地建立地面反作用力并且由于力引入而与身体的向前运动一起引起围绕摆动轴线的转矩。未设置有本发明人造膝关节的腿部会由于肌肉收缩而缓冲脚跟碰撞，而在设置有本发明人造膝关节的腿部中，这通过具有初始弯曲阻尼的阻力单元来引起。在初始的地面接触或脚跟碰撞时，弯曲角度或膝盖角度达到约5°。在下一个运动阶段中，即在回应负荷时，腿部的负荷由于身体重量而增强，这导致膝关节的进一步弯曲或失去稳定。未设置有本发明人造膝关节的腿部将会通过匹配腿部伸展肌肉群来制动进一步弯曲。根据本发明设置，在初始的地面接触或脚跟碰撞之后将弯曲阻尼提高到高于初始弯曲阻尼的水平，这足以禁止在达到确定的最大膝盖角度时的进一步弯曲。最大可达到的膝盖角度提前被确定。当在斜坡上或在平地上行走时，该最大膝盖角度位于7°和12°之间的范围内。因此，弯曲阻尼的改变如下进行，即在膝盖角度逐渐增大时(其中，最大伸展状态具有0°的膝盖角度)监控弯曲阻尼：膝盖角度是否并且如何变大。如果膝盖角度接近所确定的最大膝盖角度，那么提高弯曲阻尼，优选发生渐进的提高，即首先缓慢地提高弯曲阻尼以便之后在即将达到所确定的最大膝盖角度时如此提高弯曲阻尼，使得不可能发生进一步弯曲，因此弯曲停止。例如可以构型为液压的、气动的、电的或机械的阻力单元或制动器的阻力单元被锁止。在液压或气动的阻力单元情况下，溢流通道被关闭，使得介质不再能够从伸展腔流动到弯曲腔中。在机械阻力装置情况下，例如如此提高摩擦，使得不可能发生进一步的弯曲。相同情况适用于电促动的阻力单元。本方法设置成用于既控制假肢又控制矫形器和外骨骼。如果接下来谈论矫形器，那么这些解释同样适用于呈外骨骼形状的矫形器的特殊形式。在从脚或脚部件与地面第一次接触的瞬间(即初始地面接触、脚跟碰撞或脚跟着地)直至最终站立阶段期间，传感器检测关于整个站立阶段的测量参数，在该最终站立阶段中膝关节达到完全伸展并且膝关节通过阻力抵抗背伸(Dorsalextension)并且在伸展开状态中力矢量的位置被保持在膝盖轴线前面。在最终站立阶段之后，即在所谓的预迈步阶段中，准备迈步阶段，在一个健康的腿部中出现膝关节的被动弯曲，然而脚趾还未从地面抬起。
本发明的一个扩展方案设置，将弯曲阻尼保持在达到最大膝盖角度时所处的水平。由此，提供提高的安全程度，使得在进一步行走过程中人造膝关节不会垮塌。在平地上行走的情况下，在达到相对的最大值之后膝盖角度降低，即伸展，直至达到最终站立阶段。在该阶段中，膝盖角度减小直至完全伸展。因此，在回应负荷期间将弯曲阻尼保持在最大膝盖角度的水平表示安全性的增大，而不会负面影响在平地上行走。
弯曲阻尼可以在初始的脚跟接触期间保持不变并且可以根据负荷来提高。所述提高有利地在达到所谓的回应负荷、即行走的一个阶段之后才进行，在该阶段中脚完全与地面接触并且在达到初始的脚跟碰撞之后力矢量移动到膝盖轴线后面，由此引起膝盖弯曲，并且在健康的腿部中大腿肌肉被激活，以便制动弯曲。在人造膝关节中，弯曲阻尼根据负荷在脚跟着地之后被提高，并且在负荷大的情况下比在负荷小的情况下提高更多。
本发明的一个扩展方案设置，为了检测远端转动支点，小腿的向前旋转即在假肢情况下的小腿管或在矫形器情况下的小腿轨的向前旋转，优选感应式地被检测。小腿围绕踝关节或围绕地面区域中的固定转动支点的运动被求出或探测出，以便可以推断出关于进一步的运动表现。在达到最大膝盖角度之后进一步向前旋转时，可以减小弯曲阻尼，以便可以在最终站立阶段或预迈步阶段期间使膝关节足够容易地弯曲，从而可以简单地发生脚趾松弛。如果小腿由于围绕脚跟或围绕台阶棱边上的转动支点的进一步滚动(Abrollen)而进一步向前旋转(这例如可以通过单独的传感器例如惯性角度传感器来探测到)，那么即使在膝盖角度没有下降的情况下，例如也可以在下坡行走和下台阶的情况下进行进一步向前旋转。所述传感器也与控制单元连接，该控制单元与调整装置耦合并且匹配弯曲阻力。
弯曲阻尼可以在超过向前旋转的确定范围时和/或在膝盖角度逐渐减小时减小。向前旋转的范围例如可以包括确定的角度范围，下部分必须以该角度范围实施围绕远端转动支点的向前转动。如果例如探测到5°至10°的向前旋转，那么控制装置认为，或者在平地上行走情况下或者在交替下坡行走和/或下台阶的情况下已经发生进一步的向前运动并且需要减小弯曲阻尼。基于对向前旋转的确定范围的监控所进行的弯曲阻尼减小可以单独地或与逐渐减小的膝盖角度的探测组合地来使用。
弯曲阻尼可以在调节初始站立阶段的最大弯曲阻尼之后被减小到高于或等于初始站立阶段弯曲阻尼的值。由此，例如在下坡行走或下台阶时也提供提高的安全水平以抵抗不希望的弯曲。
本发明的一个扩展方案设置，在达到确定的最大膝盖角度和小腿的向前旋转之后减小弯曲阻尼。如果在行走、尤其在下坡行走或在倾斜平地上行走的情况下达到为病人求出或预先给定的最大膝盖角度并且如果此外进行例如由惯性角度传感器或踝关节角度传感器探测到的小腿向前旋转，那么根据本发明减小弯曲阻力，以便提供膝关节的进一步弯曲并且从而提供均匀的行走和自然的行走图。
最大膝盖角度可以从7°和12°之间或11°和9°之间的范围选出并且被确定。对于最大膝盖角度的常用值为10°。这大约为由未设置有本发明人造膝关节的腿部作为在回应负荷期间的弯曲所达到的膝盖角度的一半。
最大膝盖角度也可以基于用于在平地上行走的检测到的膝盖角度的统计学评估来确定，其中，统计学评估可以在人造膝关节的控制单元中执行。由此可以实现，可针对人造膝关节的对应使用者来单独地确定最大膝盖角度。
本方法适合于尤其在平地上行走以及在下坡行走的情况下控制站立阶段阻尼，下台阶的特殊状况需要另外的控制。
阻力单元例如可以构型为促动器，例如液压、气动、磁流变、磁、电、机械或电磁的阻力单元。在液压或气动的阻力单元情况下，溢流通道被关闭，使得这些溢流通道不再能够使介质从伸展腔中流动到弯曲腔中。以该方式，必要时也可以完全中断伸展腔和弯曲腔之间的介质流。在机械的阻力装置情况下，例如如此提高摩擦，使得不可能发生进一步的弯曲。相同情况适用于电促动的阻力单元。
也可以使用这样的促动器：这些促动器既将能量主动地带入系统中相反地又从该系统中取走能量并且以该方式起阻力单元的作用。促动器例如可以构造为电动机、液压泵或气动泵或压电元件。
附图说明
接下来参照附图详细阐述本发明的实施例。在此示出：
图1腿部假肢的示意图；以及
图2控制曲线图的图示。
具体实施方式
在图1中以示意图示出具有上部分1的腿部假肢，在该上部分上固定有用于接收大腿残肢的大腿筒10。在上部分1上可摆动地布置有呈小腿部分的形状的下部分2。在上部分1上，下部分2围绕摆动轴线4可摆动地受支承。下部分2具有小腿管5，在该小腿管的远端上固定有假肢脚3，在该假肢脚中可以装入用于求取作用到小腿管5上的有效轴向力以及求取踝部力矩的装置，该踝部力矩围绕假肢脚3在小腿管5上的固定部位起作用。
在下部分2中或上布置有例如可以构造为阻尼器或促动器的阻力装置6，该阻力装置支撑在上部分1和下部分2之间，以便提供可调节的伸展阻力和弯曲阻力。为阻力装置6配置有调整装置7，例如马达、磁体或其它促动器，通过该促动器可以改变阻力装置6内的对应阻力R。如果阻力装置6构造为液压阻尼器或气动阻尼器，那么可以通过调整装置7增大或减小溢流通道的对应流动横截面。同样可以以其它方式通过调整装置7改变流动阻力。这例如也可以通过打开或关闭阀门或通过改变粘度或磁流变特性来实现。如果阻力装置构造为发电机运行中的电动机，那么可以通过改变电阻来调节抵抗弯曲或伸展的各个阻力的增大或减小。
为了可以激活或停用调整装置7，下部分2配属有尤其安装在小腿包覆件中的控制装置8，通过该控制装置将相应的激活信号或停用信号发送给调整装置7。调整装置7基于传感器数据来激活或者停用，传感器数据由一个或多个布置在人造膝关节上的传感器9来提供。这些传感器可以是角度传感器、加速度传感器和/或力传感器。传感器9例如通过线缆或通过无线发送装置与控制装置8连接。在所示实施例中，传感器9还构造为膝盖角度传感器。
通过传感器9监控从脚跟着地(英文：Heel Strike)直至重新的紧接着的脚跟着地HS的整个迈步循环，因此也可以监控具有迈步阶段伸展和迈步阶段弯曲的整个迈步阶段。
在图2中，以曲线图在时间上画出膝盖角度α以及弯曲阻尼FD。膝盖角度α针对从站立阶段开始、即脚跟着地HS至最终站立阶段的两个行走状况被描绘出。下面的曲线变化过程αP示出对于在平地上行走的膝盖角度变化过程，上面的曲线变化过程αS示出对于下坡行走或下台阶的膝盖角度变化过程，其中，在这里涉及在交替行走情况下设置有本发明人造膝关节的腿部的图示。
根据曲线αP，对于在平地上行走的常见膝盖角度变化过程开始于在脚跟着地HS区域中的最大伸展状态下，在初始的地面接触之后导致膝盖角度α增大直至在回应负荷末期时的局部最大值αmax，以便之后在中间的站立阶段期间重新减小。于是，腿部位于几乎伸展的状态。在步伐的进一步变化过程中，在最终站立阶段和预迈步阶段的区域中膝盖角度α重新增大。
如在曲线αS所示那样，对于交替下坡行走的膝盖角度变化过程在回应负荷末期时不具有减小，而是人造膝关节保持在不变的值αmax上，直至之后与在平地上行走的情况下相比更早地进一步弯曲。
为了针对两个行走样式提出站立阶段弯曲的可靠阻尼表现，将阻尼阻力FD或弯曲阻力首先调节到初始的阻尼水平FDI，该阻尼水平允许人造膝关节在初始的地面接触情况下弯曲，然而所述弯曲被阻尼并且被制动，以便避免人造膝关节的垮塌。该初始弯曲阻尼FDI首先保持不变，直至膝盖角度α已达到一个阈值。在所示实施例中，该阈值约为确定的、允许的或者认为是允许的最大膝盖角度的αmax 30％，弯曲阻尼FD的提高几乎直接在脚跟接触之后开始。替代地，该阈值也可以为较大的膝盖角度，例如确定的、允许的或认为是允许的最大膝盖角度αmax的50％或70％。在达到用于膝盖角度α的确定阈值时提高弯曲阻尼FD，以便制动并且在达到最大膝盖角度αmax时锁止膝关节的进一步弯曲。在所实施实例中，渐进地提高弯曲阻尼，然而也可以递减地或线性地提高弯曲阻尼。在达到最大膝盖角度αmax时弯曲阻尼FD为最大弯曲阻尼值FDmax，在该弯曲阻尼值的情况下不可能再出现进一步弯曲。该阻力值FDmax在确定的时间段ΔT上被保持，并且构造了最大弯曲阻力FDmax的平台DP，在该时间期间人造膝关节不可能弯曲。
保持该水平FDmax的时间段ΔT或者通过定时器或通过检测小腿2例如小腿管5的向前旋转来探测，或者围绕假肢脚3的踝关节的摆动被探测到。如果以能够通过加速度传感器、角度传感器和/或惯性角度传感器检测到的角度进行进一步向前旋转，那么人造膝关节的使用者进一步向前运动。5°至10°的摆动角度可以被认为是用于进一步向前旋转的可能角度范围。在达到用于进一步向前旋转的或者时间过程的边界值之后减小弯曲阻尼FDmax。在所示实施例中，所述减小递减地进行，使得首先引起弯曲阻尼的快速减小，例如以便可以在坡道行走情况下实现进一步弯曲，如曲线αS的变化过程所示那样。可以设定阻尼减小的其它变化过程，例如渐进地或线性地设定。在时间ΔT期间的具有阻力平台DP的平台区域中，不发生人造膝关节的进一步弯曲运动。在弯曲阻力FD减小到低于最大弯曲阻力FDmax的水平(在所示实施例中为在下降曲线FDS的区域中高于初始弯曲阻尼FDI的水平)之后，才可以实现逐渐增大的弯曲。
该控制的优点是安全性程度高，该安全性通过初始的总是被限制到最大膝盖角度αmax内的膝盖弯曲来证明，而在此运动程度或功能性在进一步的运动过程期间不会受限。如果达到最大膝盖角度αmax并且腿部进一步向前旋转而不会出现膝盖伸展(如在曲线αS中所示那样)，那么连续减小弯曲阻尼FD直至低的阻尼，必要时直至初始的弯曲阻尼FDI。因此，在下坡行走或下台阶的情况下无安全性损失地保证，可以发生不受干扰的进一步运动过程。

Claims (10)

1.用于控制人造膝关节的站立阶段阻尼的方法，所述人造膝关节具有围绕摆动轴线(4)能摆动地相互固定的上部分(1)和下部分(2)并且具有阻力单元(6)，所述阻力单元布置在所述上部分(1)和所述下部分(2)之间并且具有调整装置(7)，通过所述调整装置能够改变阻尼阻力(FD)，所述人造膝关节还具有控制单元(8)，所述控制单元与所述调整装置(7)耦合并且至少与一个传感器(9)连接，其中，基于传感器数据来进行调整，其特征在于，在站立阶段弯曲直至最终的站立阶段期间，通过所述至少一个传感器(9)来检测膝盖角度(α)，并且弯曲阻尼(FD)被提高到高于初始弯曲阻尼(FDI)的水平(FDmax)，直至避免在达到确定的最大膝盖角度(αmax)时进一步弯曲。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在达到所述最大膝盖角度(αmax)时将所述弯曲阻尼(FD)保持在所述水平(FDmax)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在初始的脚跟接触期间保持所述弯曲阻尼(FD)不变，并且根据负荷提高所述弯曲阻尼(FD)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测所述下部分(2)围绕远端转动支点的向前转动，并且在达到所述最大膝盖角度(αmax)之后继续进行向前旋转的情况下减小所述弯曲阻尼(FD)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在超过向前旋转的确定范围之后和/或在所述膝盖角度(α)逐渐减小时减小所述弯曲阻尼(FD)。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述弯曲阻尼(FD)减小到高于或等于初始的所述站立阶段弯曲阻尼(FDI)的值。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在达到确定的最大膝盖角度(α)和所述下部分(2)的相对向前旋转之后减小所述弯曲阻尼(FD)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述最大膝盖角度(αmax)从7°和12°之间的范围或从9°和11°之间的范围中选出并且被确定。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于用于平地上行走的检测到的膝盖角度(α)的统计学评估来确定所述最大膝盖角度(αmax)。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，能针对所述人造膝关节的对应使用者单独地确定所述最大膝盖角度(αmax)。
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