DE102005029889A1

DE102005029889A1 - Künstliches Kniegelenk

Info

Publication number: DE102005029889A1
Application number: DE102005029889A
Authority: DE
Inventors: Yao-Teng Shulin Cheng
Original assignee: Cheng Chia-Pao Su Lin Zhen
Current assignee: Cheng Chia-Pao Su Lin Zhen
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-07-20
Also published as: GB2427553A; US20060095141A1; US7279010B2; TWM273328U; FR2880258B1; GB0512481D0; GB2427553B; FR2880258A1

Abstract

Bei herkömmlichen künstlichen Kniegelenken besteht immer die Gefahr, daß der Unterschenkel beim Anheben des Beins am Kniegelenk baumelt oder daß das Knie beim Belasten plötzlich einknickt und der Benutzer unfreiwillig "in die Knie geht". Das neue künstliche Kniegelenk soll diese Gefahren vermeiden. DOLLAR A Durch Einsatz von Schraubenfedern, denen durch Verstellschrauben eine Vorspannung gegeben wird, sowie verstellbare Anschläge zur Begrenzung des Biegewinkels des Knies werden diese Gefahren vermieden. Für die Stoßdämpfung sorgt eine elastische Baugruppe mit einem Pufferelement. DOLLAR A Das neue künstliche Kniegelenk erlaubt durch seine Konstruktion ein sicheres und bequemes Gehen und Stehen sowohl auf ebenen als auch auf geneigten Flächen.

Description

Hintergrund der Erfindung
(a) Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft Beinprothesen, insbesondere ein Kniegelenk für eine Beinprothese, bei dem der Biegewinkel begrenzt ist und das Stöße beim Gehen dämpft.
(b) Beschreibung des derzeitigen Standes der Technik
Der wichtigste und gleichzeitig der komplizierteste Teil bei einer Beinprothese ist das Kniegelenk. Es ist nicht nur erwünscht, daß es die Funktion des menschlichen Knies nachbildet, sondern es soll dem Benutzer auch erlauben auf natürliche Art zu gehen.
Herkömmliche künstliche Kniegelenke, wie sie z. B. im R. o. C. Patent No. 549074 "Künstliches Kniegelenk" beschrieben sind, machen von einer Anzahl Gelenke Gebrauch, um einen künstlichen Oberschenkel mit einem künstlichen Schienbein und einem künstlichen Fuß zu verbinden. Das künstliche Kniegelenk soll dabei den Biegevorgang des natürlichen menschlichen Knies nachahmen, während ein Dämpfungskissen an einem der unteren Gelenke von unten kommende Stöße abfängt.
Diese herkömmlichen künstlichen Kniegelenke haben ihre Nachteile. Das Dämpfungskissen kann seine Wirkung nur entfalten, wenn bei der Landung des Fußes auf dem Boden künstlicher Oberschenkel und künstliches Schienbein eine gerade Linie bilden. Beim Gehen auf ebenem Boden stellt dies kein Problem dar. Beim Bergabgehen ergibt sich jedoch ein kleinerer Biegewinkel am Knie, so daß das Dämpfungskissen den Stoß nicht abfangen kann. Außerdem können die Verbindungsgelenke eines herkömmlichen künstlichen Kniegelenks den Biegewinkel nicht begrenzen. Es besteht die Gefahr, daß das Kniegelenk einknickt und der Benutzer "in die Knie geht".
Aus obengenannten Gründen besteht daher Bedarf für eine verbesserte Knieprothese.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Folgenden ist ein künstliches Kniegelenk beschrieben, das das Problem der Stoßdämpfung beim Gehen auf einer Schräge und des plötzlichen Einknickens und in "die Knie Gehens" löst.
Ein Hauptziel der Erfindung ist, daß der Biegewinkel des künstlichen Knies beim Gehen oder Stehen auf einen definierten Bereich begrenzt bleibt, so daß das Schienbein nicht baumelt, und daß die Beinprothese Stöße auch dann abfangen kann, wenn das Knie innerhalb des definierten Bereichs gebogen ist.
Um die obigen Ziele zu erreichen besteht ein künstliches Kniegelenk entsprechend der vorliegenden Erfindung aus einem Oberteil zur Verbindung mit einem künstlichen Oberschenkel, einem Unterteil zur Verbindung mit künstlichem Schienbein und Fuß und einem Verbindungsmodul, der beide verbindet. Der Verbindungsmodul besteht hauptsächlich aus einem Verbindungselement und Verbindungsstangen, einem Pufferelement und einer elastischen Baugruppe, die wiederum hauptsächlich aus einem Unterstützungselement, einer ersten Kappe, einer ersten Schraubenfeder, einer ersten Einstellschraube, einer zweiten Kappe, einer zweiten Schraubenfeder, einer zweiten Einstellschraube und einer Stopperplatte besteht. Die elastische Baugruppe begrenzt durch die Kraft der Schraubenfedern den Biegewinkel der Knieprothese auf den vorgeschriebenen Bereich, während das Pufferelement Stöße auffängt, solange der Biegewinkel innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 Perspektivische Explosionsdarstellung der Einzelteile eines künstlichen Kniegelenks entsprechend der vorliegenden Erfindung
2 Teilweise Schnittdarstellung durch das künstliche Kniegelenk entsprechend der vorliegenden Erfindung
3 bis 6 Schematische Darstellungen des Bewegungsablaufs eines künstlichen Kniegelenks entsprechend der vorliegenden Erfindung
7 Implementation des künstlichen Kniegelenks entsprechend der vorliegenden Erfindung
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung
Wie 1 zeigt, enthält ein künstliches Kniegelenk entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Oberteil (10) zur Verbindung mit einer Oberschenkelprothese, ein Unterteil (50) zur Verbindung mit Unterschenkelprothese und Fuß und ein Verbindungsmodul zur Verbindung von Oberteil (10) und Unterteil (50). Das Verbindungsmodul besteht hauptsächlich aus einem Verbindungselement (20), Verbindungsstangen (16), einem Pufferelement (40) und einer elastischen Baugruppe, die wiederum hauptsächlich aus einem Unterstützungselement (30), einer ersten Kappe (321), einer ersten Schraubenfeder (322), einer ersten Einstellschraube (323), einer zweiten Kappe (534), einer zweiten Schraubenfeder (533), einer zweiten Einstellschraube (531) und einer Stopperplatte (532) besteht. Der Einfachheit halber werden im folgenden Teile, die näher beim Oberteil (10) liegen als "höher" bzw. "über" den weiter entfernt liegenden Teilen bezeichnet. "Vorne" und "hinten" bezieht sich auf die in 1 dargestellte Lage, wobei "vorne" als näher beim Betrachter zu verstehen ist.
Das Oberteil (10) ist ein massives Teil mit einer Querbohrung (14) in der Mitte. An der Querbohrung (14) werden die oberen Enden der Verbindungsstangen (16) angeschraubt. Vorne läuft das Oberteil (10) in zwei Arme (11) aus, zwischen denen sich der freie Raum (12) befindet. Eine weitere Querbohrung (13), die zur Querbohrung (14) parallel läuft, geht durch die beiden Arme (11). Der freie Raum (12) nimmt das obere Ende des Verbindungselements (20) auf. Der freie Raum (12) endet hinten in einer schrägen Fläche, die auf der Rückseite des Verbindungselements (20) ihre Entsprechung findet. In die schräge Rückfläche des Verbindungselements (20) sind Rillen für die Aufnahme von Pufferblöcken (202) eingelassen (siehe auch 2). Am oberen Ende hat das Verbindungselement (20) eine Querbohrung (21), die beim Zusammenbau mit der Querbohrung (13) durch die Arme (11) des Oberteils (10) zum Fluchten gebracht wird, nachdem das Verbindungselement (20) in den freien Raum (12) geschoben wurde. In die Querbohrung (13) durch die Atme (11) werden in beiden Armen (11) Nadellager (15) eingesetzt und es wird eine Welle (29) durch die Nadellager (15) und die Querbohrung (21) des Verbindungselements (20) gesteckt, nachdem zuvor noch links und rechts Unterlegscheiben (28) zwischen den Armen (11) und dem Verbindungselement (20) eingefügt wurden. Auf der Vorderseite hat das Verbindungselement (20) eine Gewindebohrung (23), die senkrecht auf die Querbohrung (21) trifft und die die Feststellschraube (24) für die Arretierung der Welle (29) aufnimmt. Eine zweite Querbohrung (22), die zur ersten Querbohrung (21) parallel verläuft, geht durch das untere Ende des Verbindungselements (20). In ihr ist eine Buchse (27) angebracht. Das untere Ende des Verbindungselements (20) wird in dem freien Raum (ohne Nummer) zwischen den Armen (31) im oberen Teil des Unterstützungselements (30) angebracht. Die Verbindung erfolgt durch eine Welle (36), die durch eine Querbohrung (33) in den Armen (31) des Unterstützungselements (30) und die Buchse (27) in der zweiten Querbohrung (22) des Verbindungselements (20) gesteckt wird. Sie wird durch Feststellschrauben (34) in den Armen (31) arretiert. Im unteren Teil des Verbindungselements (20) befindet sich vorne eine Gewindebohrung (26) zur Aufnahme einer Verstellschraube (25), die als Anschlag für das Unterstützungselement (30) dient (siehe 2). Verstellschraube (25) und erste Kappe (321) werden dazu benutzt, den Biegewinkel zwischen Verbindungselement (20) und Unterstützungselement (30) auf den gewünschten Bereich zu beschränken.
Das Unterstützungselement (30) ist auf seiner Rückseite gekrümmt, um sich dem Pufferelement (40) anzupassen. Auf der Vorderseite hat es unter den Armen (31) einen walzenartigen Vorsprung (38), durch den eine Querbohrung (37) geht. Der Vorsprung (38) seinerseits kommt in den freien Raum zwischen zwei Armen (51) im oberen Bereich des Unterteils (50). Die Querbohrung (37) fluchtet dabei mit einer Querbohrung (52) durch das obere Ende der Anne (51). Nadellager in der Querbohrung (52) nehmen die Welle (54) auf, die Unterstützungselement (30) und Unterteil (50) verbindet. Sie wird durch eine Stellschraube (35) im Vorsprung (38) arretiert. Das Unterstützungselement (30) hat einen rohrförmigen Fortsatz (32), in dem die erste Kappe (321) und die erste Schraubenfeder (322) durch die erste Stellschraube (323) befestigt sind. Die erste Stellschraube (323) dient außerdem zur Einstellung der Federkraft der ersten Schraubenfeder (322).
Auf der Rückseite des Unterteils (50) befindet sich ein gekrümmter Sitz (57a) für das Pufferelement (40). Darunter ist eine Querbohrung (58), in der links und rechts Nadellager (57) installiert sind, die die Welle (56) lagern. Links und rechts an der Welle (56) sind Unterlegscheiben (59) angebracht. Die Welle (56) hat axiale Gewindebohrungen an beiden Enden, an denen mit den Schrauben (60) die unteren Enden der Verbindungsstangen (16) angeschraubt werden. Zwischen den Armen (51) hat das Unterteil (50) eine Gewindebohrung (53) für die Aufnahme der zweiten Kappe (534), der zweiten Schraubenfeder (533), der Stopperplatte (532) und der zweiten Einstellschraube (531). Die zweite Kappe (534) drückt gegen den rohrförmigen Fortsatz (32) des Unterstützungselements (30). 2 stellt einen teilweisen Schnitt durch eine zusammengebaute Kniegelenkprothese entsprechend der vorliegenden Erfindung dar.
Beim Zusammenbau wird das Verbindungselement (20) in den freien Raum (12) eingesetzt. Danach wird die Welle (29) durch die Querbohrungen (13) und (21) gesteckt und mit der Stellschraube (24) fixiert. Entsprechenderweise wird der untere Teil des Verbindungselements (20) zwischen die Arme (31) des Unterstützungselements (30) gesteckt. Die Welle (36) wird dann durch die aneinandergereihten Querbohrungen (33) und (22) gesteckt und mit der Feststellschraube (34) fixiert. Die erste Einstellschraube (323) wird dazu benutzt, die Schraubenfeder (322) so zu verstellen, daß die erste Kappe (321) durch den rohrförmigen Fortsatz (32) des Unterstützungselements (30) gegen den Flansch (201) hinten am Verbindungselement (20) gedrückt wird. Der Drehwinkel des Verbindungselements (20) wird also durch die erste Kappe (321) und die Verstellschraube (25) begrenzt. Die Welle (54) wird durch die aufeinander ausgerichteten Querbohrungen (52) und (37) gesteckt und mit der Feststellschraube (35) fixiert. Das Oberteil (10), das Verbindungselement (20), das Unterstützungselement (30) und das Unterteil (50) sind nun zu einer Struktur verbunden. Danach werden auf beiden Seiten der verbundenen Struktur die oberen Enden der Verbindungsstangen (16) an der durch die Querbohrung (14) gehenden Welle und die unteren Enden an der durch die Querbohrung (58) gehenden Welle (56) mit Schrauben (60) festgeschraubt. Die Verbindungsstangen (16) und der gekrümmte Sitz (57a) des Unterteils (50) halten gemeinsam das Pufferelement (40) in seiner Position. Die zweite Kappe (534), die zweite Schraubenfeder (533), die Stopperplatte (532) und die zweite Verstellschraube (531) werden dann so in der Gewindebohrung (53) angebracht, daß die zweite Kappe (534) gegen den rohrförmigen Fortsatz (32) des Unterstützungselements (30) drückt. Die zweite Kappe (534), die zweite Schraubenfeder (533), die Stopperplatte (532) und die zweite Verstellschraube (531) haben zusammen eine Doppelfunktion. Sie absorbieren erstens den Stoß, wenn das Unterstützungselement (30) wieder in eine aufrechte Stellung gebracht wird und justieren zweitens den Neigungswinkel des Unterstützungselements (30), was über die Kopplungen wiederum den Neigungswinkel des Oberteils (10) beeinflußt.
Wenn der Benutzer steht, wird das Unterstützungselement (30) nach unten gedrückt, so daß es gegen das Pufferelement (40) drückt. Das Pufferelement (40) ist aus einem besonders elastischen Kunststoff hergestellt und deshalb in der Lage ausreichende Pufferwirkung zu bieten, um den Benutzer sich wohlfühlen zu lassen. Im bewegten Zustand helfen die erste (322) und die zweite (533) Schraubenfeder, die erste (323) und die zweite (531) Verstellschraube, die erste (321) und die zweite (534) Kappe, sowie die Stopperplatte (532) gemeinsam dabei, das Verbindungselement (20) in einem stabilen Zustand zu halten, ohne daß plötzliches Einknicken oder "in die Knie" gehen vorkommen. Diese Elemente sorgen auch für Stoßdämpfung und begrenzen den Pendelbereich des Unterstützungselements. Die Verstellschraube (531) ist für die Einstellung der Kraft, die die zweite Schraubenfeder (533) innerhalb des Unterstützungselements (30) ausübt. Dies entscheidet, wie leicht sich das Knie beugt und streckt.
3A/B bis 6A/B zeigt die verschiedenen Zustände des Knies bei einem beispielhaften Gehvorgang. Die mit "A" gekennzeichnete Fig. ist dabei jeweils eine vereinfachte Liniendarstellung der Winkel und Positionen, wie sie für die dargestellte Ausführung gelten.
3A und B zeigen das erste Stadium. Die Beinprothese mit dem künstlichen Kniegelenk entsprechend der vorliegenden Erfindung ist kurz davor, vom Boden abgehoben zu werden, um den nächsten Schritt vorwärts zu machen. 4A/B und 5A/B zeigen zwei aufeinanderfolgende Zustände des Beins, während 6A/B einen vierten Zustand zeigt, in dem die Ferse fest auf den Boden auftritt und die Erfindung den Stoß abfängt.
Im ersten Stadium sind das Verbindungselement (20) und das Unterstützungselement (30) nicht vom Gehvorgang her unter Last und die Wellen (36) und (54) liegen rechts von der Welle (29). Die Schraubenfedern (322) und (533) der elastischen Baugruppe halten das Verbindungselement (20) in einem stabilen Zustand. Im zweiten Stadium sind die Wellen (36), (54) und (29) in einer geraden Linie aufgereiht und das Verbindungselement (20) sowie das Unterstützungselement (30) sind unter Druck und das Knie gebogen. Im dritten Stadium kommen die Wellen (36) und (54) links der Welle (29) zu liegen. Die zusammengepreßten Schraubenfedern der elastischen Baugruppe üben nun eine unterstützende Kraft auf das Verbindungselement (20) aus und verändern den Winkel zwischen dem Verbindungselement (20) und dem Unterstützungselement (30), so daß das Schienbein der Beinprothese nicht baumelt. Zum Schluß, im vierten Stadium, absorbiert das Pufferelement (40) den Stoß und sorgt so für den Komfort und die Sicherheit des Benutzers, wenn die Ferse der Beinprothese auf dem Boden auftrifft.
7 zeigt einen idealisierten Gehvorgang mit zwei Prothesen.

Claims

Ein künstliches Kniegelenk für eine Beinprothese, die ein Oberteil zur Verbindung mit dem Oberschenkel einer Beinprothese, ein Unterteil zur Verbindung mit Schienbein und Fuß einer Beinprothese, ein Verbindungsmodul zur Verbindung von Ober- und Unterteil, ein Pufferelement und eine elastische Baugruppe hat, wobei das Verbindungsmodul aus einem Verbindungselement und einer Anzahl Verbindungsstangen besteht; wobei die elastische Baugruppe ein Unterstützungselement, eine erste Kappe, eine erste Schraubenfeder, eine erste Verstellschraube, eine zweite Kappe, eine zweite Schraubenfeder, eine zweite Verstellschraube und eine Stopperplatte hat; wobei der obere Teil des besagten Verbindungselements mit einer ersten Welle, die mit einer ersten Stellschraube am Verbindungselement fixiert ist, in einer Gabel des Oberteils gelagert ist und eine Anzahl Pufferblöcke auf der Rückseite des Verbindungselements da angebracht sind, wo es auf das Oberteil trifft, sowie an seiner Vorderseite eine Verstellschraube; wobei der untere Teil des Verbindungselements mit einer zweiten Welle, die mindestens mit einer zweiten Feststellschraube am Unterstützungselement fixiert ist, in einer Gabel des besagten Unterstützungselements gelagert ist und das Unterstützungselement unten einen rohrartigen Fortsatz hat, in dem die erste Kappe, die erste Schraubenfeder und die erste Verstellschraube untergebracht sind, wobei die erste Kappe, die erste Schraubenfeder und die erste Verstellschraube zusammen mit der Verstellschraube des Verbindungselements den Winkel zwischen Verbindungs- und Unterstützungselement begrenzen und die erste Stellschraube die Kraft der ersten Schraubenfeder einstellt; wobei das Unterstützungselement an der Vorderseite einen quer verlaufenden walzenförmigen Vorsprung mit einer durchgehenden Bohrung hat, die eine dritte Welle, welche mit einer dritten Feststellschraube am Unterstützungselement fixiert ist aufnimmt, mit der das Unterstützungselement in einer Gabel des Unterteils gelagert wird; wobei die Lagerung der Wellen durch die Querbohrungen in Ober- und Unterteil mit Nadellagern erfolgt, die oberen Enden der Verbindungsstangen mit Schrauben an einer Querbohrung in der Mitte des Oberteils befestigt sind, die unteren Enden der Verbindungsstangen mit Schrauben an einer Querbohrung im hinteren Teil des Unterteils befestigt sind, zweite Kappe, zweite Schraubenfeder, zweite Verstellschraube und Stopperplatte in einer Gewindebohrung zwischen den Armen des Unterteils installiert sind und die zweite Kappe gegen den rohrförmigen Fortsatz des Unterstützungselements drückt, sowie die zweite Verstellschraube zur Einstellung der Federkraft der zweiten Schraubenfeder dient; wobei das aus einem Kunststoffmaterial hergestellte Pufferelement, welches die beim Gehen oder Stehen auf die Beinprothese einwirkenden Stöße auffängt, an einem gekrümmten Sitz im hinteren Teil des Unterteils anliegt und durch die Verbindungsstangen begrenzt wird.