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Die
Erfindung betrifft ein Stützelement
für eine
Orthese, insbesondere eine Unterschenkelorthese, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Orthesen werden beispielsweise bei Patienten mit einer tiefen Lähmung, bei
Muskelerkrankungen, infantilen Zelebralparesen, patalogischen Erkrankungen,
neurologischen Veränderungen
oder auch bei gesunden Menschen eingesetzt, um die Funktion des
Fußes
zu unterstützen.
Durch die Orthese wird der Fuß mit
Bezug zum Unterschenkel gehalten, wobei eine Bewegung nach vorn
und hinten, d.h. in Längsrichtung
bestimmbar freigegeben wird. Dabei ist die Beweglichkeit nach vorne
in der Regel über
einen größeren Bereich
als die Beweglichkeit nach hinten ausgebildet. Die Relativbeweglichkeit
des Fußes
in Querrichtung mit Bezug zum Unterschenkel soll in den meisten
Fällen
auf ein Minimum reduziert sein.
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Die
bisher verwendeten Orthesen haben beispielsweise eine Fußmanschette
und eine Unterschenkelmanschette, die über Knöchelgelenke aus Metall miteinander
verbunden sind. Nachteilig bei dieser Konstruktion ist, daß die Knöchelgelenke
einer erheblichen Belastung und damit einem erheblichen Verschleiß unterworfen
sind und daher vergleichsweise stabil ausgeführt sein müssen. Die Beweglichkeit wird
dabei durch Anschläge
vorgegeben, die im Knöchelgelenk
ausgebildet sind.
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Aufgrund
der vergleichsweise stabilen Ausgestaltung der Knöchelgelenke
haben diese bekannten Orthesen ein erhebliches Gewicht, das die
Beweglichkeit der Patienten beeinträchtigt. Nachteilig ist desweiteren,
daß stabile
Knöchelgelenke
einen erheblichen Bauraum erfordern, so daß die Orthese relativ plump
wirkt.
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Aus
der
DE 101 26 622
A1 der Anmelderin ist eine demgegenüber verbesserte Unterschenkelorthese
bekannt, bei der anstelle des metallischen Knöchelgelenks ein Stützelement
aus Karbon eingesetzt ist. Dieses federartig ausgebildete Stützelement speichert
bei der Bewegung, beispielsweise beim Abwinkeln des Fußes potentielle
Energie, so dass die Dorsalextension während der Schwungphase durch die
Entspannung der Stützfeder
ermöglicht
und unterstützt
wird. Nachteilig an dieser Lösung
ist, dass die Federrate des Stützelementes
so ausgelegt ist, dass eine bestmögliche Unterstützung in
der Abstoßphase
beim Gehen erfolgt. Aufgrund des Bewegungsablaufs beim Gehen muss
das Stützelement jedoch
in der Abstoßphase
eine größere Stützkraft als
in der Auftretphase entwickeln, so dass bei Verwendung der bekannten
Lösung
kein "weiches" Auftreten ermöglicht ist
und somit ein störendes "schieben der Stützfeder
in die Knie" bzw.
ein kräftiger Rückschlag
des Fußes
in Richtung des Knies erfolgen kann.
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Des
weiteren ist nachteilig, dass ein Patient zum Ausführen einer
selbständigen
Dorsalextension des Fußes
mit Muskelkraft wie z. B. zum Betätigen der Fußpedalen
beim Führen
eines Kraftfahrzeugs aufgrund der vergleichsweise hohen Federrate
des Stützelementes
stets eine hohe Gegenkraft aufgebracht werden muss, um gegen die
Federkraft der Stützfeder
gegenanzuwirken.
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Dem
gegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Stützelement zu schaffen, bei dem
die Federrate in Abhängigkeit
von der Bewegung des Patienten veränderbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Stützelement mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist das
Stützelement
mit einem einen Wandler enthaltenden elektronischen Schaltkreisausgeführt, über den
mechanische Energie beim Verformen des Stützelementes während des
Gehens in ein elektrisches Signal umwandelbar ist. In Abhängigkeit
von diesem elektrischen Signal wird ein Rückstell- oder Dämpfungselement
betätigt, um
die Federrate des Stützelementes
zu verändern.
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Mit
anderen Worten gesagt, während
des Gehens wird in das Stützelement
eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt
und diese wiederrum zur Betätigung
des Rückstell-
oder Dämpfungselementes
verwendet, um eine Flexion oder Extension zu unterstützen.
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Dabei
wird es bevorzugt, den Schaltkreis so auszulegen, dass bei Einleitung
der Dorsalextension die Rückstellkraft
durch die Wirkung des Rückstell- oder
Dämpfungselementes
vergrößert wird.
Die Federrate des Stützelementes
kann dann relativ weich ausgelegt werden, so dass bei einer kleinen
Plantarflexion ein "weiches" Auftreten der Ferse
und dann bei großer
Plantarflexion ein wirkungsvolles Abstoßen des Fußes realisierbar ist und somit
die Dorsialextension unterstützt
wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Wandler als Piezoelement ausgeführt. Derartige Piezoelemente
lassen sich beispielsweise folienartig herstellen, wobei piezoelektrische Fasern
in elastisches Trägermaterial
eingebettet werden. Dieses Piezoelement kann dann entweder in das
Stützelement
integriert oder auf diesem aufgebracht werden.
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In
dem Fall, in dem der Wandler auch als Rückstell- oder Dämpfungselement wirkt, kann
der Schaltkreis so ausgelegt werden, dass während einer ersten Verformungsphase über den
Wandler mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird
und während
einer zweiten Phase dann der Wandler durch die erzeugte elektrische
Energie so angesteuert wird, dass er die Federrate des Stützelementes
in der gewünschten
Weise verändert.
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Erfindungsgemäß wird es
besonders bevorzugt, das Stützelement
aus faserverstärktem
Kunststoff herzustellen, wobei dann der Schaltkreis mit dem Wandler
beim Laminieren in das Stützelement eingebracht
werden kann.
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Die
Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie ist besonders
wirksam, wenn der Wandler in einen maximal verformten Bereich vorzugsweise
im Fersenbereich des Stützelementes angeordnet
ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist der Schaltkreis als autarkes System ausgeführt, wobei
er durch die vom Wandler generierte elektrische Energie mit Strom
versorgt wird.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Unterschenkelorthese mit einem erfindungsgemäßen Stützelement und
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2 das
Stützelement
aus 1 in vergrößerter Darstellung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Unterschenkelorthese 1,
die bei tiefen Lähmungen
zum Stützen
des Fußes
verwendet wird. Durch die Orthese soll die Funktion des oberen Sprunggelenks,
d.h. das Anheben und Absenken des Fußes in Längsrichtung (nach vorn und
nach hinten) ermöglicht
werden. Die Funktion des unteren Sprunggelenkes, d.h. das Ermöglichen
eines seitlichen Anhebens und Absenkens soll durch die erfindungsgemäße Unterschenkelorthese
nicht ermöglicht
werden, d.h., die Unterschenkelorthese 1 ist in der Bewegungsrichtung
senkrecht zur Zeichenebene der 1 vergleichsweise
steif ausgelegt.
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Die
Unterschenkelorthese 1 umgreift mit einer Unterschenkelmanschette 2 den
Unterschenkel 4 (dreifach gepunktet angedeutet) und mit
einer Fußmanschette 6 den
Fuß 8 (zweifach
gepunktet) des Patienten, wobei diese über eine die Bewegung steuernde
Stützfeder 22 aus
Karbonfaser miteinander verbunden sind.
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Die
Manschetten 2, 6 dienen zur Übertragung der Stützkräfte von
der Stützfeder 22 auf
das Bein und sind vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt. Zur individuellen
Anpassung an die Unerschenkellänge
eines jeden Patienten ist die Unterschenkelmanschette 6 höhenverstellbar.
Gemäß 2 haben die
Manschetten 2, 6 an ihrer vorderen Stirnseite
eine Überlappung 10,
die zum Ansetzen der Unterschenkelorthese 1 geöffnet werden
kann, um den Unterschenkel in die Unterschenkelmanschette 2 oder
den Fuß 8 in
die Fußmanschette 6 einzuführen. Die
beiden die Überlappung 10 definierenden
Endabschnitte jeder Manschette 2, 6 werden durch
einen geeigneten Verschluß,
beispielsweise einen Klettverschluß 12 lagefixiert,
der die beiden Endabschnitte der Überlappung 10 überstreckt.
Zur Verminderung der Abnutzung ist die Fußmanschette 6 mit
einer Sohle 14 versehen. Zur Erhöhung des Tragekomforts sind
die Manschetten 2; 6 mit einer Polsterung 20 versehen,
die beispielsweise den Umfangsrand umgreifen kann.
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Gemäß 1 ist
die Stützfeder 22 mit
einer elektronischen Rückstelleinrichtung 24 ausgeführt, die
im Wesentlichen aus einem Wandler 26 und einem dazugehörigen Schaltkreis 28 besteht.
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In 2 ist
das Stützelement 22 aus 1 vergrößert dargestellt.
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Der
Wandler 26 ist so ausgelegt, dass bei dessen Beaufschlagung
mit mechanischer Energie – beispielsweise
einer Verformung des Stützelements 22 während des
Gehens – diese
in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die elektrische
Energie wird dann in einem Speicher des Schaltkreises 28 gespeichert.
Diese gespeicherte elektrische Energie kann dann mittels des Wandlers 26 in
umgekehrter Wirkrichtung wieder in mechanische Energie umgewandelt
werden, um die Federrate der Stützfeder 22 zu
verändern.
D. h., durch Beaufschlagen des Wandlers 26 mit elektrischer
Energie könen
dessen mechanische Eigenschaften verändert werden, um die Stützfeder 22 zu
versteifen.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Wandler 26 als Piezoelement ausgeführt. Bei
einem derartigen Piezoelement sind piezoelektrische oder piezokeramische
Fasern in ein Kunststoffsubstrat eingebettet, so dass sich eine
folienartige Struktur ausbildet. Derartige folienartige Piezoelemente
können
entweder – wie
dargestellt – auf
einer sich verformenden Großfläche der
Stützfeder 22 aufgeklebt oder
sogar bereits beim Laminieren der Stützfeder 22 eingebracht
werden, so dass das Piezoelement 26 wie gestrichelt angedeutet
in 2 in die Stüztfeder 22 integriert
ist. Selbstverständlich
können
anstelle piezoelektrischer/piezokeramischer Elemente auch andere
Wandler eingesetzt werden, mit denen mechanische Energie in elektrischer
Signale umsetzbar sind.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Wandler 26 im Fersenbereich angebracht, da in diesem
Bereich während
des Gehens die größte Verformung
auftritt.
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Der
Wandler 26 – im
vorliegenden Fall das oder die Piezoelemente – sind über Leitungen oder Leiterbahnen 32 mit
einer Steuereinheit 34 verbunden. Diese Steuereinheit besteht
beispielsweise aus einer Steuerelektronik, einer Verstärkerschaltung und
einem Speicher, beispielsweise einem Kondensator. Die während der
Verformung durch den Wandler 26 und die Verstärkerschaltung
generierte elektrische Energie wird in der Speichereinheit 34 gespeichert.
Der Wandler 26 wird während
eines vorbestimmten Zeitraums über
die Verstärkerschaltung und
die Steuereinheit in Abhängigkeit
von der im Speicher gespeicherten elektrischen Energie mit einem
elektrischen Signal beaufschlagt. Dieses wird dann vom Wandler 26 in
mechanische Energie umgesetzt, um beispielsweise die Stützfeder 22 zu
versteifen. D. h., bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vermag der Wandler
sowohl mechanische Energie in elektrische Energie umzusetzen als
auch in umgekehrter Richtung, elektrische Energie in mechanische
Energie. Die während
der Verformung vom Wandler erzeugte elektrische Energie reicht aus,
um den Schaltkreis mit dem erforderlichen Strom zu versorgen, so
dass keine externe Stromversorgung erforderlich ist.
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Da
derartige Ansteuerungen von piezoelektrischen Wandlern zum Grundwissen
eines Elektronikfachmanns gehören,
sind weitere Erläuterungen entbehrlich.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Schaltkreis 28 mit der Steuereinheit 34 sowie der
elektrischen Verbindung 32 ebenfalls an der rückwärtigen Großfläche der
Stützfeder 22 angeordnet. Prinzipiell
könnte
die Steuereinheit 34 auch im Bereich der Unterschenkelmanschette 2 vorgesehen werden,
so dass diese die vergleichsweise empfindliche Elektronik abdeckt.
Im Zuge der fortgeschrittenen Miniaturisierung der Bauelemente,
könnte
auch daran gedacht werden, die gesamte Rückstelleinrichtung 24 in
die Stützfeder 22 zu
integrieren, so dass die Bauelemente von aussen nicht sichtbar sind.
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Die
mechanische Wirkung des Wandlers 26 ist vorzugsweise so
ausgewählt,
dass zu Beginn der Plantarflexion zunächst die Federrate der vergleichsweise
weichen Stützfeder 22 wirksam
ist – in
dieser Phase wird der Speicher durch die Umwandlung der aus der
Verformung resultierenden mechanischen Energie in die elektrische
Energie aufgeladen. Bei Erreichen der maximalen Plantarflexion während der Vorschwingphase
wird über
den Schaltkreis 28 dann der Wandler 26 mit einem
elektrischen Signal beaufschlagt, so dass dieser nach der Umwandlung
der elektrischen Energie in mechanische Energie die Stützfeder 22 versteift,
so dass bei der sich anschließenden
Dorsalextension zum Ende der der Belastungsreaktion (Schwerpunkt
des Gehenden wandert über
das Standbein) ein vergleichsweise steifes Stützelement 22 wirksam
ist, so dass beispielsweise in der Abstoßphase eine große Federkraft
wirkt.
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Selbstverständlich kann
je nach Art der Anbringung und Ansteuerung des Wandlers 26 auch eine
Veränderung
der Federrate während
anderen Bewegungsphasen eingestellt werden.
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Offenbart
ist ein Stützelement
für eine
Orthese, insbesondere eine Unterschenkelorthese, bei dem eine elektronische
Rückstelleinrichtung
vorgesehen ist, über
die die Federrate des Stützelementes veränderbar
ist.
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- 1
- Unterschenkelorthese
- 2
- Unterschenkelmanschette
- 4
- Bein
- 6
- Fußmanschette
- 8
- Fuß
- 10
- Überlappung
- 12
- Klettverschluss
- 14
- Sohle
- 22
- Stützelement
- 24
- Rückstelleinrichtung
- 26
- Wandler
- 28
- Schaltkreis
- 30
- Fersenbereich
- 32
- elektrische
Verbindung
- 34
- Steuereinheit