DE10010302A1

DE10010302A1 - Prothesenfuß

Info

Publication number: DE10010302A1
Application number: DE2000110302
Authority: DE
Inventors: Gregor Horacek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2001-09-20
Anticipated expiration: 2020-03-07
Also published as: DE10010302C2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prothesenfuß (1) mit einem Hauptfußteil (2), einem gelenkig mit diesem verbundenen Zehenfußteil (3) und einem mit dem Hauptfußteil verbundenen Unterschenkeladapter (5). DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß der Unterschenkeladapter gelenkig mit dem Hauptfußteil verbunden ist, sowie eine Schubstange (11) gelenkig mit dem Zehenfußteil verbunden und relativ verschieblich zum Hauptfußteil in diesem gelagert ist, wobei die Schubstange über eine Lagerfläche (17) oder einen Zwischenhebel auf ein Gegenlager (18) des Unterschenkeladapters einwirkt. DOLLAR A Ein derartiger Prothesenfuß ermöglicht es, unter Ausnutzung der Bodenreaktionskräfte im Verlauf der hinteren Stützphase eine Plantarflexion zu erzeugen und damit ein Absacken des entsprechenden Knie- und Hüftgelenks zu verhindern und dieses auf optimalen Niveau zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prothesenfuß mit einem Hauptfußteil, einem schwenkbar mit diesem verbundenen Zehenfußteil und einem mit dem Hauptfußteil verbundenen Unterschenkeladapter. Ein derartiger Prothesenfuß ist aus der Praxis bekannt.

Bei der Entwicklung von Prothesenfüßen wurde bisher vor allem das Augenmerk darauf gerichtet, die Konstruktion so auszulegen, daß die Bodenreaktionskräfte, die Drehmomente im Sprunggelenk und die Knie winkelgeschwindigkeiten beim Gehen denen des Fußes eines Gesunden möglichst nahekommen und möglichst viel Energie zu speichern.

Ein wichtiger Aspekt aus energetischer und Gangbild-Sicht ist aber auch der Verlauf der Bewegungslinie des Hüftgelenkes während des Ge hens. Beim Gesunden verläuft diese auf annähernd gleichem Niveau mit nur geringen Ausschlägen.

Alle bisher bekannten Konstruktionen von Prothesenfüßen haben den Nachteil, daß das Hüftgelenk im Verlauf der hinteren Stützphase (Vor-Schwungphase) absackt, was einen Verlust von potentieller Ener gie bedeutet, die wieder ausgeglichen werden muß. Zwar haben einige Prothesenfüße (z. B. "Greissinger plus"-Fuß oder "Multiax-Fuß" - beide von Otto Bock) "passive" Knöchelgelenke, die unter anderem ei ne Plantarflexion zulassen; diese kann aber lediglich in der vorde ren Stützphase zur Erreichung eines harmonischeren Abrollens des Fu ßes genutzt werden, bzw. zum Ausgleich von Unebenheiten. Eine Plantarflexion in der hinteren Stützphase zur Aufrichtung des Unter schenkels und damit Anhebung von Knie- und Hüftgelenk kann mit die sen Konstruktionen nicht erreicht werden, da ihnen eine "aktive" Komponente fehlt, die dies gegen die Wirkung der Gewichtskraft be werkstelligen könnte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Prothesenfuß zu schaffen, der unter Ausnutzung der Bodenreaktionskräfte im Verlaufe der hinteren Stützphase eine Plantarflexion erzeugt und damit ein Absacken des entsprechenden Knie- und Hüftgelenkes verhindert und diese auf optimalem Niveau hält.

Gelöst wird die Aufgabe bei einem Prothesenfuß der eingangs genann ten Art dadurch, daß der Unterschenkeladapter schwenkbar mit dem Hauptfußteil verbunden ist, sowie eine Schubstange schwenkbar mit dem Zehenfußteil verbunden und relativ verschieblich zum Hauptfuß teil in diesem gelagert ist, wobei die Schubstange über eine Lager fläche oder einen Zwischenhebel auf ein Gegenlager des Unterschenke ladapters einwirkt.

Erfindungsgemäß sind somit einerseits das Zehenfußteil und das Hauptfußteil und andererseits das Hauptfußteil und der Unterschenke ladapter gelenkig miteinander verbunden; ähnlich einem echten Fuß mit Zehen- und Sprunggelenk. Unter einer gelenkigen Verbindung wird dabei nicht nur eine solche zweier separater Teile, die mittels ei ner mechanischen Achse verbunden sind, verstanden, sondern es ist auch eine federnde Verbindung bzw. Konstruktion denkbar, wie sie bei modernen Prothesen für den aktiven Patienten üblich sind. Gedacht ist beispielsweise an eingearbeitete Faserverbundstoffe oder Karbon- Federn insbesondere im Bereich der Verbindung von Zehenfuß- zu Hauptfußteil.

Die Schubstange ist an einem Ende gelenkig mit dem Zehenfußteil ver bunden. Dieser Gelenkpunkt befindet sich in einem Abstand vom Zehen gelenk, damit bei der Plantarflexion über das Zehenfußteil Stell kräfte in die Schubstange eingeleitet werden können, die die Korrek tur der Position des Unterschenkeladapters relativ zum Hauptfußteil bedingen. Insofern befindet sich der Gelenkpunkt der Schubstange in einem Abstand vom Zehengelenk. Die in die Schubstange eingeleiteten Kräfte werden über eine Lagerfläche der Schubstange unmittelbar auf das Gegenlager des Unterschenkeladapters übertragen oder aber es ist ein mit der Schubstange verbundener Zwischenhebel vorgesehen, der auf das Gegenlager des Unterschenkeladapters einwirkt.

Bevorzugt ist die Ausbildung der Schubstange mit der Lagerfläche, die somit direkt auf das Gegenlager des Unterschenkeladapters wirkt. Diese Gestaltung ist baulich besonders einfach, wenig störungsanfäl lig, es können Kräfte optimal vom Zehenfußteil in den Unterschenke ladapter eingeleitet werden und, was gleichfalls von besonderer Be deutung ist, es werden die Gewichtskräfte beim Gehen ergonomisch in den Prothesenfuß eingeleitet, so daß es zu keiner übermäßigen Bela stung der Schubstange und des Zehenfußteiles und damit zu keiner ho hen Rückstellkraft für das Zehenfußteil kommt.

Von besonderer Bedeutung ist bei der Erfindung, daß die Schubstange relativ verschieblich zum Hauptfußteil in diesem gelagert ist. Die Verschiebbewegung der Schubstange überträgt die Bewegung des Zehen fußteiles auf den Unterschenkeladapter. Über den unmittelbaren Kon takt der Schubstange mit dem Gegenlager bzw. die Einwirkung der Schubstange über den Zwischenhebel auf das Gegenlager kommt es in Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Zehenfußteiles zum kontrollierten, zwangsgesteuerten Schwenken des Unterschenkeladapters. Die se Zwangsführung läßt sich präzise vorgeben, beispielsweise durch die Gestaltung der Lagerfläche der Schubstange in Art einer Steuer kurve oder Anpassung des Zwischenhebels.

Vorzugsweise erfolgt die Kraftübertragung vom Zehenfußteil in die Schubstange und von dort in den Unterschenkeladapter im wesentlichen in einer Ebene. Es ist somit sichergestellt, daß keine wesentlichen Seitenmomente in den Prothesenfuß eingeleitet werden. Die einzelnen Bauteile des Prothesenfußes können infolgedessen relativ gering di mensioniert werden.

Um die Reibungsverhältnisse zwischen den zueinander beweglichen Tei len zu optimieren, insbesondere zwischen der Schubstange und dem Hauptfußteil bzw. der Schubstange und dem Unterschenkeladapter, sollten bewegliche Teile als Kugellager, Rollenlager oder Gleitele mente ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Schubstange ein Lang loch auf, das ein im Hauptfußteil gelagertes Widerlager durchsetzt.

Um einerseits eine Rückstellung des Fußes während der Schwungphase zu gewährleisten und andererseits die Plantarflexion während der vorderen Stützphase zu optimieren, wird bevorzugt ein Federdämpfer eingesetzt.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in der Beschreibung der Figuren und den Figuren selbst dargestellt, wobei bemerkt wird, daß alle Einzelmerkmale und alle Kombinationen von Einzelmerkmalen erfin dungswesentlich sind.

In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispie le dargestellt, ohne hierauf beschränkt zu sein. Die Ausführungsbei spiele zeigen ein im wesentlichen zweidimensionales Funktionsmodell. Es veranschaulicht:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prothe senfußes, in der Standphase,

Fig. 2 den Prothesenfuß gemäß Fig. 1 in der hinteren Stützphase bei zwangsgesteuerter Plantarflexion,

Fig. 3 einen Prothesenfuß gemäß dem Stand der Technik (ohne die erfindungsgemäße Zwangssteuerung),

Fig. 4 den in Fig. 1 gezeigten Prothesenfuß in vergrößerter Darstellung,

Fig. 4a die bei dem Prothesenfuß Verwendung findende Schubstange,

Fig. 5 den in Fig. 2 gezeigten Prothesenfuß in vergrößerter Darstellung,

Fig. 6 die Einzelteile des in der Fig. 4 gezeigten Prothesenfu ßes,

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform des Prothesenfußes, die ähn lich der gemäß der ersten Ausführungsform gestaltet ist, allerdings mit einer anderen Anlenkung und Ausgestaltung der Schubstange, in der Standphase,

Fig. 8 den Prothesenfuß gemäß Fig. 7 in der hinteren Stützpha se,

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform des Prothesenfußes, bei dem die Schubstange über einen Zwischenhebel auf den Unter schenkeladapter einwirkt, in der Standphase,

Fig. 10 den Prothesenfuß gemäß Fig. 9 in der hinteren Stützpha se.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prothesenfußes mit zwangsgesteuerter Plantarflexion während der hinteren Stützphase zur Beibehaltung des Hüftgelenkniveaus ist in den Fig. 1, 2, 4, 4a, 5 und 6 veranschaulicht. Bei dem Prothesenfuß 1 sind das Hauptfußteil 2 und das Zehenfußteil 3 im Bereich einer Achse 4 gelenkig miteinan der verbunden. Ferner sind das Hauptfußteil 2 und der Unterschenke ladapter 5 im Bereich einer parallel zur Achse 4 verlaufenden Achse 6 gelenkig miteinander verbunden. Der Unterschenkeladapter weist ein Ansatzstück 7 zum Verbinden mit einem Unterschenkelprothesenteil 8 auf. Im Bereich des Fersenendes 9 des Hauptfußteiles 2 ist mit die sem ein Federdämpfer 10 gelenkig verbunden, der andererseits, bezo gen auf die Ausrichtung des Fußes (Zehen - vorne, Ferse - hinten) hinter der Achse 6 gelenkig im Unterschenkeladapter 5 gelagert ist.

Die Schubstange 11 ist im Bereich ihres vorderen Endes gelenkig mit dem Zehenfußteil 3 verbunden. Die die beiden Teile verbindende Achse 12 ist parallel und vor der das Zehenfußteil 3 mit dem Hauptfußteil 2 verbindenden Achse 4 angeordnet, womit sich dieser Gelenkpunkt in einem Abstand vor dem Zehengelenk befindet. Am anderen Ende der Schubstange 11 befindet sich ein Langloch 13. In dieses greift ein Kugel- oder Nadellager 14 ein, das in einer parallel zur Achse 12 verlaufenden Achse 15 gelagert ist, die fest mit dem Hauptfußteil 2 verbunden ist. Der Durchmesser des Lagers 14 - das zur Unterschei dung vom anderen Lager 18 auch als Widerlager bezeichnet ist - ist geringfügig geringer bemessen als die Erstreckung des Langlochs 13 in seiner Querrichtung, so daß die Schubstange 11 durch das Lager 14 geführt wird. Die Symmetrieachse 16 des Langlochs 13 und die im Be reich der Oberseite der Schubstange 11 gebildete Lagerfläche 17 schließen einen Winkel W ein, der im Ausführungsbeispiel etwa 20° beträgt. Je nach Ausführungsbeispiel kann dieser Winkel variieren, er kann durchaus auch 0° sein, mit einer parallelen Anordnung von Symmetrieachse 16 und Lagerfläche 17, oder auch indifferent sein, wenn die Lagerfläche kurvig gestaltet ist.

Im vorderen unteren Bereich des Unterschenkeladapters, somit vor dessen Achse 6, ist ebenfalls ein Kugel- oder Nadellager 18 mon tiert, das in einer Achse 19 gelagert ist, die parallel zur Achse 6 angeordnet und fest mit dem Unterschenkeladapter 5 verbunden ist. Das Lager 18 - das zur Unterscheidung vom anderen Lager 14 auch als Gegenlager bezeichnet ist - ruht mit seinem Außenring auf der Lager fläche 17 der Schubstange 11. Hierbei wird der Unterschenkeladapter durch die Kraft der Feder des Federdämpfers 10 so beaufschlagt, daß ein Drehmoment in Richtung des Zehengelenkes erzeugt wird. Infolge dessen hat das zum Unterschenkeladapter 5 gehörige Lager 18 bei un belasteter Ferse (nach der vorderen Stützphase) ständig Kontakt mit der Lagerfläche 17 der Schubstange 11.

Wie insbesondere der Darstellung der Fig. 1 und 2 (bzw. 4 und 5) zu entnehmen ist, schwenken während der Abrollbewegung des Prothe senfußes 1 aufgrund der unterschiedlichen Drehpunktpositionen das Hauptfußteil 1 und der Unterschenkeladapter 5 derart zueinander, daß die beiden Kugellager 14 und 18 durch die Schubbewegung der Schub stange 11 zwangsläufig weiter beabstandet werden. Die Erhöhung des Abstandes zwischen den Kugellagern 14 und 18 ist einerseits durch das Abrollen des zum Unterschenkeladapter 5 gehörigen Kugellagers 18 auf der Lagerfläche 17 der Schubstange 11 und andererseits, gleich zeitig, durch eine Drehbewegung des Unterschenkeladapters im Sprung gelenk möglich. Diese Drehbewegung entspricht einer Plantarflexion und richtet somit den Unterschenkel bzw. das Unterschenkelprothesen teil 8 auf. Mithin werden das Kniegelenk 21 und das Hüftgelenk ange hoben bzw. verbleiben annähernd auf ihrem vorherigen Niveau. Fig. 1 veranschaulicht die Standphase, somit die Normalstellung des erfin dungsgemäßen Prothesenfußes, Fig. 2 bei dem erfindungsgemäßen Pro thesenfuß die hintere Stützphase (Vor-Schwungphase) mit der Plantar flexion zur Beibehaltung des Kniegelenkniveaus. Während in der Standphase die Mittellängsachse 22 des Unterschenkelprothesenteils 8 einen rechten Winkel mit der Aufstandsfläche 23 des Hauptfußteiles 2 bildet, ist bei einer Winkelveränderung im Ballengelenk 4 um 50° dieser rechte Winkel reduziert (ca. 75°), so daß das Kniegelenk an nähernd auf dem Ausgangsniveau von 550 mm, bezogen auf die Untersei te des Fußes verbleibt (Reduzierung um 7 mm).

Demgegenüber verdeutlicht die Fig. 3 die Verhältnisse bei einem Prothesenfuß gemäß dem Stand der Technik. Bei diesem bilden (im Sin ne der Terminologie der vorliegenden Erfindung) das Hauptfußteil 3 und der Unterschenkeladapter 5 eine starre Baueinheit 24 und es ist mit dieser das Zehenfußteil 3 gelenkig verbunden. Eine entsprechende Winkelveränderung im Ballengelenk um 50° führt bei dieser Gestaltung zu einer deutlichen Absenkung der Position des Kniegelenks 21 gegen über der Ausgangshöhe von 550 mm um ca. 88 mm.

Bei dem erfindungsgemäßen Prothesenfuß kann durch entsprechende Ge staltung der Lagerfläche 17 der Schubstange 11 und/oder des Langlo ches 13 (Führung Kugellager) und/oder des Winkels W sowie der Posi tionierung der Kugellager 14, 18 im Verhältnis zum Sprunggelenk Ein fluß genommen werden auf

- maximale Plantarflexion
- Verlauf der Plantarflexion
- Winkelgeschwindigkeiten in den verschiedenen Phasen der Plantarflexion
- Höhe des Drehmoments im Sprunggelenk.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Prothesenfußes 1 gezeigt, die nur geringfügig gegenüber derjeni gen abgewandelt ist, die beispielsweise in den Fig. 4 und 5 ver anschaulicht ist. Bei der abgewandelten Ausführungsform ist die Schubstange 11 hinter und oberhalb der Achse 4 am Zehenfußteil 3 an gelenkt und es läuft beim Überführen des Unterschenkeladapters 5 von der Standphase in die hintere Stützphase das Lager 18 in Richtung des dem Zehenfußteil 3 abgewandten Endes der Schubstange 11 auf de ren Lagerfläche 17 ab. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 ergeben sich demgegenüber günstigere Kraftverhältnisse, da das Lager 18 beim Übergang von der Standphase in die hintere Stützphase in Richtung des zehenseitigen Endes der Schubstange 11 auf deren La gerfläche 17 abläuft. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 7 und 8 wird daher infolge des Momentes im Knöchel eine höhere Kraft auf die Schubstange 11 übertragen. Während diese ein Drehmoment um die Lagerachse der Schubstange erzeugt, wird ein hohes Streckmoment im Zehengelenk erzeugt, was der Zielsetzung der Streckung des Knöchel gelenks/der Plantarflexion entgegenwirkt.

Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen zum dritten Ausführungsbei spiel des erfindungsgemäßen Prothesenfußes, daß statt des auf der Lagerfläche 17 der Schubstange 11 ablaufenden Lagers 18 eine Hebel verbindung vorgesehen sein kann. Gezeigt ist ein Zwischenhebel 25, der einerseits gelenkig - im Gegenlager 26 - mit dem fußzehfernen Ende der Schubstange 11, andererseits gelenkig mit dem Unterschenke ladapter 5 in einem Bereich vor und oberhalb dessen Achse 6 positio niert ist. Die Lagerachsen 26 und 27 des Zwischenhebels 25 verlaufen parallel zur Lagerachse 6. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel be wirkt ein Schwenken des Zehenfußteils 3 eine Verschiebung und Schwenkung der Schubstange 11. Diese Bewegung der Schubstange wird auf den Zwischenhebel 25 übertragen, der im Sinne des zuvor be schriebenen, den Unterschenkeladapter 5 relativ zum Hauptfußteil 2 verstellt.

Es versteht sich, daß beim dreidimensionalen (funktionsfähigen) Pro thesenfuß Konstruktionselemente dreidimensional entsprechend gestal tet sind, zum Beispiel das Langloch als Kanal ausgebildet ist und statt eines Wälzlagers mehrere vorgehen sind.

Claims

1. Prothesenfuß (1) mit einem Hauptfußteil (2), einem gelenkig mit diesem verbundenen Zehenfußteil (3) und einem mit dem Hauptfuß teil (2) verbundenen Unterschenkeladapter (5), dadurch gekenn zeichnet, daß der Unterschenkeladapter (5) gelenkig mit dem Hauptfußteil (2) verbunden ist, sowie eine Schubstange (11) ge lenkig mit dem Zehenfußteil (3) verbunden und relativ ver schieblich zum Hauptfußteil (2) in diesem gelagert ist, wobei die Schubstange (11) über eine Lagerfläche (17) oder einen Zwi schenhebel (25) auf ein Gegenlager (18, 26) des Unterschenke ladapters (5) einwirkt.

2. Prothesenfuß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (11) im Abstand zur Schwenkachse (4) von Zehenfuß teil (3) und Hauptfußteil (2) gelenkig mit dem Zehenfußteil (3) verbunden ist.

3. Prothesenfuß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (17) der Schubstange (11) ein Gegenlager (18) am Unterschenkeladapter kontaktiert, das im Abstand zur Schwenkachse (6) von Unterschenkeladapter (5) und Hauptfußteil (2) angeordnet ist.

4. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schubstange (11) ein Langloch (13) aufweist, das ein im Hauptfußteil (2) gelagertes Widerlager (14) durch setzt.

5. Prothesenfuß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, be zogen auf die Erstreckung des Langlochs (13) in Querrichtung, die Abmessung des Widerlagers (14) geringfügig geringer ist als die Abmessung des Langlochs (13) in dessen Querrichtung.

6. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerlager (14) als Kugel- oder Nadellager oder als Gleitelement ausgebildet ist.

7. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das mit der Lagerfläche (17) der Schubstange (11) zusammenwirkende Gegenlager (18) als Kugel- oder Nadellager oder als Gleitelement ausgebildet ist.

8. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Widerlager (14) und das Gegenlager (18) in einer Ebene kraftübertragend wirksam sind.

9. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagerfläche (17) der Schubstange (11) für das Gegenlager (18) des Unterschenkeladapters (5) einen Winkel W mit der Laufbahn der Schubstange (11) für das Widerlager (14) des Hauptfußteils (2) einschließt.

10. Prothesenfuß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel W 10 bis 30° beträgt.

11. Prothesenfuß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Hauptfußteil (2) abgewandte Seite der Schubstange (11) die als als Ablaufbahn für das Gegenlager (18) des Unterschenke ladapters (5) ausgebildete Lagerfläche (17) aufweist, sowie in die Hauptfläche der Schubstange (11) das Langloch (13) inte griert ist.

12. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß mit dem dem Zehenfußteil (3) abgewandten Ende der Schubstange (11) der Zwischenhebel (25) verbunden ist, wobei das Gegenlager (26) des Unterschenkeladapters (5) als Achse ausgebildet ist, die den Zwischenhebel (25) schwenkbar auf nimmt.

13. Prothesenfuß nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (26) des Unterschenkeladapters (5) vor und oberhalb der Achse (6) zum Verbinden von Unterschenkeladapter (5) und Hauptfußteil (2) angeordnet ist.

14. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Hauptfußteil (2) und dem Unterschen keladapter (5) ein Federelement (10) wirksam ist, derart, daß der Unterschenkeladapter (5) über die Schubstange (11) eine Rückstellkraft in das Zehenfußteil (3) einleitet.

15. Prothesenfuß nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem Hauptfußteil (2) und dem Unterschen keladapter (5) ein Dämpfungselement (10) wirksam ist.