DE102006021802A1 - Steuerung eines passiven Prothesenkniegelenkes mit verstellbarer Dämpfung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerung eines passiven Prothesenkniegelenkes mit verstellbarer Dämpfung in Flexionsrichtung und in Extensionsrichtung zur Anpassung einer Protheseneinrichtung mit einem Unterschenkelschaft und einem Kunstfuß, die an dem Prothesenkniegelenk befestigt sind, an das Treppaufgehen mit folgenden Schritten: - Detektieren eines momentenarmen Anhebens des Prothesenfußes; - Absenken der Flexionsdämpfung in einer Anhebephase auf unterhalb eines Niveaus, das für ein Gehen in der Ebene geeignet ist, - zeitversetztes Erhöhen der Flexionsdämpfung in einer Aufsetz- und Hüftstreckphase auf ein Niveau oberhalb einer Dämpfung einer Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Steuerung eines passiven Prothesenkniegelenkes mit verstellbarer Dämpfung in Flexionsrichtung zur Anpassung einer Protheseneinrichtung mit oberseitigen Anschlussmitteln und einem Verbindungselement zu einem Kunstfuß, die an dem Prothesenkniegelenk befestigt sind, an das Treppaufgehen.
  • Prothesenträger, die eine Knieprothese benötigen, müssen bei der Einstellung ihrer Prothese hinsichtlich der Flexions- und Extensionsdämpfung Kompromisse eingehen, da passive Prothesenkniegelenke nur für bestimmte Anwendungen optimiert sind, so dass signifikant abweichende Bewegungsmuster nicht oder nur außerordentlich erschwert möglich sind. So benötigt der Bewegungsablauf des Gehens in der Ebene, für den die Mehrzahl der passiven Prothesenkniegelenke mit Flexions- und Extensionsdämpfung ausgelegt sind, eine wesentlich andere Dämpfungscharakteristik als das Treppaufgehen. Daher erfolgt das Treppaufgehen mit den herkömmlichen Kniegelenksprothesen durch den Prothesenträger dergestalt, dass vor der Treppe stehend das gesunde Bein auf die erste Stufe angehoben und das kontralaterale Bein auf dieselbe Stufe nachgezogen wird. Eine Erhöhung der Gehgeschwindigkeit kann gegebenenfalls durch das Aufsetzen des gesunden Beines auf jede zweite Stufe erzielt werden, was jedoch sehr anstrengend ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerung für ein passives Kniegelenk bereitzustellen, mit dem ein alternierendes Treppensteigen für einen Prothesenträger möglich ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Steuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
  • Bei herkömmlichen Kniegelenkprothesen, die zum Gehen in der Ebene ausgelegt sind, führt die notwendige niedrige Extensionsdämpfung des Prothesenkniegelenkes dazu, dass beim Treppaufgehen eine schlagartige Extension beim Hochdrücken und damit eine unakzeptabel hohe Stoßbelastung des Prothesenträgers erfolgt. Auch ist ein Ausbalancieren beim Hochdrücken des mit der Prothese versehenen Beines nicht möglich, weil drei Gelenke, nämlich das Fußgelenk, das Kniegelenk und die Hüfte, übereinander stehen und der Prothesenträger nur das Hüftgelenk direkt ansteuern kann. Bereits beim Anheben des Prothesenfußes zum Erreichen der nächsthöheren Treppenstufe tritt das Problem auf, dass der Prothesenfuß an die Setzstufe bzw. an die Unterkante der nächsthöheren Treppenstufe geführt wird, da die notwendige Flexionsdämpfung in der Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene ein Erreichen der Oberseite der nächsthöheren Treppenstufe nicht möglich macht. Der in aktiven Kniegelenken vorgesehene Flexionsantrieb zum Anheben des Fußes und Extensionsantrieb beim Durchdrücken des Knies und Anheben des Körpers über das mit der Prothese versehene Bein ist sehr aufwendig und sehr schwer. Darüber hinaus ist die Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene bei diesen aktiven Prothesenkniegelenken stark eingeschränkt.
  • Die erfindungsgemäße Steuerung sieht vor, dass das passive Prothesenkniegelenk mit verstellbarer Dämpfung in Flexionsrichtung zur Anpassung einer Protheseneinrichtung mit einem oberseitigen Anschlussmittel und einem Verbindungselement zu einem Kunstfuß, die an dem Prothesenkniegelenk befestigt sind, an das Treppaufgehen zunächst das Detektieren eines momentenarmen Anhebens des Prothesenfußes vorsieht. Nach der Detektion eines momentenarmen Anhebens des Prothesenfußes wird die Flexionsdämpfung in der Anhebephase abgesenkt und zwar auf unterhalb eines Niveaus, das für ein Gehen in der Ebene geeignet bzw. optimiert ist. Durch die Absenkung des Flexionswiderstandes, indem die Flexionsdämpfung abgesenkt wird, ist es möglich einen Kniewinkel bei dem Anheben des Prothesenfußes zu erreichen, der das Betreten des Prothesenfußes auf der nächsthöheren Stufe ermöglicht. Bei einer Hüftflexion und einem momentenarmen Anheben des Prothesenfußes kann aufgrund der Massenträgheit des Prothesenfußes ein Kniewinkel bei einem passiven Prothesenkniegelenk ermöglicht werden, der bei einem Vorbringen der Hüfte oder bei einer entsprechenden Extension durch die Schwerkraft ausreicht, um die Treppenkante zu überwinden und den Prothesenfuß über der Treppenstufe zu positionieren. Dabei ist es vorteilhaft die Masseverteilung in der Prothese so zu gestalten, dass der Masseschwerpunkt möglichst distal angeordnet ist, beispielsweise im Verbindungselement zum Prothesenfuß oder im Prothesenfuß selbst. Dazu kann beispielsweise die Steuereinheit des Kniesystems distal statt knienah angeordnet werden, so dass ohne eine Gewichtszunahme der Prothese durch Extragewichte im Prothesenfuß der gewünschte Effekt der Knieflexion bei einem momentenarmen Anheben des Prothesenfußes erreicht wird.
  • Nach dem Absenken der Flexionsdämpfung wird während einer Aufsetz- und Hüftstreckphase, in der das mit der Prothese versehene Bein gestreckt wird, die Flexionsdämpfung und ggf. die Extensionsdämpfung auf ein Niveau oberhalb einer Dämpfung einer Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene angehoben, so dass eine kontrollierte Extension bzw. Streckung sowohl des Hüftgelenkes als auch das Kniegelenkes und des Fußgelenkes erfolgen kann.
  • Nach der Überwindung der Treppenkante wird das Knie durch die Schwerkraft gestreckt. Um eine Positionierung des über der Treppenstufe befindlichen Prothesenfußes zu ermöglichen, wird die Flexionsdämpfung vor der Streckung des Prothesenkniegelenkes erhöht, so dass die Positionierung des Prothesefußes durch den vom Patienten direkt kontrollierbaren Hüftwinkel erfolgen kann.
  • Die Flexionsdämpfung wird in der Aufsetz- und ggf. Hüftstreckphase bevorzugt auf einen maximalen Wert erhöht, um ein Absenken bei einem nicht ausreichenden Hüftstreckmoment zu vermindern oder zu vermeiden. Dabei ist es vorgesehen, dass die Flexionsdämpfung in der Aufsetz- und Hüftstreckphase bis zur vollständigen Hüftstreckung beibehalten wird.
  • Zur erleichterten Positionierung des Prothesenfußes ist es vorgesehen, dass eine Extensionsdämpfung während der Anhebe- sowie Aufsetz- und Hüftstreckphase eingestellt wird, um während der Anhebephase ein durch die Schwerkraft bedingtes Strecken des Prothesenkniegelenkes bzw. ein Herunterfallen des Prothesenfußes zu vermeiden und um während der Aufsetz- und Hüftstreckphase den Fuß kontrolliert aufsetzen zu können. Würde eine Extensionsdämpfung während der Hüftstreckphase vollständig unterbleiben, würde ein unnatürliches Nachobenschnellen des Patienten erfolgen, was zu einem Anschlag und einer abrupten Unterbrechung in maximaler Extension des Kniegelenkes führen würde. Ein Anheben des Prothesenfußes ohne Extensionsdämpfung kann bei offenen Treppen, also ohne Setzstufe, dazu führen, dass der Prothesenfuß unter die nächsthöhere Treppenstufe geschoben wird.
  • Die Flexionsdämpfung wird bevorzugt in Abhängigkeit von der Veränderung des Kniewinkels angehoben. Sobald ein festgelegter Kniewinkel erreicht wird, der in der Regel größer als ein Kniewinkel ist, der bei einer Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene geeignet ist, wird die Flexionsdämpfung angehoben. Alternativ oder ergänzend kann die Flexionsdämpfung in Abhängigkeit von der auf den Unterschenkelschaft einwirkenden Axialkraft angehoben oder abgesenkt werden. Sinkt die Axialkraft in einem ausreichend schnellen Maße bis annähernd 0 bei einem nahezu gestreckten Knie, ist dies ein Indikator für das Einleiten eines Treppaufgehvorgangs.
  • Ergänzend oder alternativ kann die Vertikalbeschleunigung des Beines, also Oberschenkel- oder Unterschenkel und Hüfte bei gleichzeitigem Axialkraftabfall aus Auslösung für das Aktivieren einer entsprechenden Flexionsdämpfungssteuerung und Extensionsdämpfungssteuerung für das Treppaufgehen erfolgen. Darüber hinaus kann eine ausreichend schnelle Hüftbeugung bei wenig oder fehlender Axialkraft eine Kniebeugung bewirken. Statt einer Axialkraft können Kniestreckmoment, Knöchelmoment oder eine Kombination der Kräfte und Momente erfasst werden, um den Treppaufgehmodus zu ermöglichen.
  • Das Detektieren eines momentenarmen Anhebens kann rein mechanisch über einen Taster oder über einen Kraft- oder Momentensensor erfolgen. Der Taster kann beispielsweise als ein in einer Führung gelagerter Schieber ausgebildet sein, der nur bei nahezu senkrechtem Anheben des Prothesenfußes in eine Schaltstellung verfährt, die die Flexionsdämpfung reduziert. Die Messung der Kräfte oder Momente kann durch bekannte Sensoreinrichtungen erfolgen. Alternativ kann das momentenarme Anheben über eine Messung der Horizontalbeschleunigung des Prothesenfußes und der Erfassung einer Beugung im Kniegelenk erfolgen. Bei einer geringen Horizontalbeschleunigung des Prothesenfußes, also bei einem nahezu senkrechten Anheben, erfolgt anders als beim Gehen in der Ebene eine hohe Beugung im Prothesenkniegelenk, was ein Treppaufgehen indiziert. Darüber hinaus kann eine Erfassung des Vorfußmomentes im Prothesenfuß erfolgen, um festzustellen, ob sich der Prothesennutzer während des Gehens in Horizontalrichtung bewegen möchte, was eine sehr hohe Vorfußbelastung im Prothesenfuß zur Folge hat, oder ob bei einem aufgesetzten Prothesenfuß eine Axialkraftverringerung sowie eine Flexion im Kniegelenk erfolgt.
  • Um die notwendige Flexion zur Überwindung der Stufenhöhe nach dem Anheben zu erreichen, kann eine Flexionsunterstützung in der Anhebephase über eine vorgespannte Feder oder einen anderen Kraftspeichermechanismus erfolgen. Ebenfalls kann eine freie Extension durch eine Feder unterstützt werden, wenn nach einer erfolgten Absenkung der Flexionsdämpfung eine gewisse Zeit vergangen ist. Dies ist aus Sicherheitsgründen erforderlich, um bei einem irrtümlichen Auslösen des Treppaufgehmodus nicht in eine ungewollte Dämpfungssteuerung zu verfallen.
  • Die Erhöhung der Flexions- und ggf. Extensionsdämpfung wird bevorzugt dann eingeleitet, wenn der Prothesenfuß nach dem Anheben wieder aufgesetzt wird, beispielsweise wenn eine Erhöhung der Axialkraft ermittelt wird. Alternativ kann bei einem annähernd konstant bleibenden Kniewinkel die Extensions- und Flexionsdämpfung angehoben werden.
  • Die Flexionsdämpfung kann in der Anhebephase auf einen minimalen Wert abgesenkt werden, so dass die in jedem System wirksame Dämpfung aufgrund von Reibung nicht weiter erhöht wird.
  • Das Detektieren sowohl des momentenarmen oder momentenfreien Anhebens als auch des Absenkens der Flexionsdämpfung kann mechanisch erfolgen, ebenso wie die Veränderung der verschiedenen Dämpfungen, um eine möglichst einfache Prothesenkonstruktion zu ermöglichen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Figuren näher erläutert.
  • Die 1 bis 6 zeigen schematisch den Ablauf eines alternierenden Treppaufgehens mit passiver Kniegelenksprothese.
  • In der 1 ist ein Prothesenträger 1 mit einer Kniegelenksprothese 2 dargestellt, die über oberseitige Anschlussmittel an einem Oberschenkelstumpf befestigt ist. Das Prothesenbein 20 steht mit dem gesunden kontralateralen Bein 4 vor einer Treppenstufe.
  • Zum Erreichen der nächsthöheren Stufe muss ein Prothesenfuß 6 um die Treppenkante geführt werden. Eine aktive Hüftbeugung, wie sie durch den Pfeil 7 angedeutet ist, unterstützt die passive Kniebeugung, die durch den Pfeil 8 gezeigt ist, die aufgrund der Massenträgheit sowohl des Prothesenfußes 6 als auch des Verbindungselementes 3 von dem Prothesenkniegelenk 2 zu dem Prothesenfuß 6 bewirkt wird. Hierzu ist eine minimale Flexionsdämpfung notwendig, damit nach einer Hüftflexion der Prothesenfuß 6 nicht nach vorne schwingt und gegen die Setzstufe oder unter die Treppenstufe 5 bewegt wird. Ziel ist es in der Abhebephase, wie sie in der 2 dargestellt ist, den Prothesenfuß 6 möglichst senkrecht nach oben zu führen, gegebenenfalls eingeleitet durch eine leichte Bewegung nach hinten. Die Detektion des Anhebens erfolgt dabei über den Beugewinkel α zwischen dem Verbindungselement 3 und dem Oberschenkel oder über eine Verringerung der Axialkraft in dem Verbindungselement 3 ohne Flexion des Prothesenfußes 6. Ebenfalls ist es möglich, den Treppaufgehmodus und dadurch die Absenkung der Flexionsdämpfung auf einen Wert unterhalb der normalen Schwungphasensteuerung, bevorzugt auf den minimalen Wert, durch eine Horizontalbewegung des Prothesenfußes 6 nach hinten in Verbindung mit einer Hüftbeugung zu detektieren.
  • Nach dem Überwinden der Treppenkante und Beenden der Anhebephase, wie sie in der 2 dargestellt ist, ist eine sichere Positionierung des Prothesenfußes 6 auf der Treppenstufe erforderlich. Dazu muss der Prothesenfuß 6 nach vorne bewegt werden, was durch Extension aufgrund der Schwerkraft erfolgen kann. Hierfür kann eine Extensionsdämpfung verringert werden, wenn dies nicht bereits in der Anhebephase erfolgt ist. Ein vor der Streckung in Flexion und Extension ausreichend bedämpftes Prothesenkniegelenk 2 ermöglicht die Positionierung des Prothesenfußes 6 durch den Prothesenträger 1, indem der Hüftwinkel verändert wird. In der Absenk- und Hüftstreckphase ist die Flexion und die Extension bevorzugt stark bedämpft, um neben der Kontrolle des Aufsetzens auch ein spontanes Zurückfallen bei einem nicht ausreichenden Hüftstreckmomentes zu verhindern. Die Extension bleibt gedämpft, um die Geschwindigkeit bei der Hüft- und Kniestreckung kontrollieren zu können. Dies ist in der 3 dargestellt.
  • In der 4 ist die Aufsetzphase abgeschlossen. Der Prothesenträger 1 kann mit einem Hüftstreckmoment die Kniestreckung einleiten. Die Kniestreckung kann durch eine Extension des gesunden Fußes unterstützt werden.
  • In der 5 ist die zunehmende Kniestreckung durch das Aufbringen eines Hüftmomentes dargestellt. Die zunehmende Kniestreckung verkürzt den wirksamen Hebel und erleichtert die Kniestreckung durch die Hüftstreckung.
  • In der 6 ist die vollständige Extension des mit der Kniegelenksprothese 2 versehenen Beines gezeigt. Das kontralaterale Bein 4 wird an dem Prothesenbein 20 vorbeigeführt und auf die nächst höhere Stufe gesetzt, so dass ein alternierendes Treppaufgehen mit passiver Kniegelenksprothese möglich ist.
  • Die Steuerung ist demnach so eingestellt, dass während des Anhebens des Prothesenfußes 6 ein Flexionswiderstand eingestellt wird, der einen Kniewinkel α erlaubt, der das Betreten des Prothesenfußes 6 auf der nächstfolgenden Stufe ermöglicht. Eine Flexionsunterstützung durch Federmechanismen können das Anheben und das Überwinden der Stufenhöhe erleichtern.
  • Sollte nach der Auslösung des Treppaufgehmodus durch Detektieren eines momentenarmen Anhebens keine Aktion folgen, wird eine freie Extension eingestellt, wobei die Einstellung der freien Extension zeitabhängig erfolgt. Das Zeitglied kann auch mechanisch erfolgen. Die Detektion des momentenarmen Anhebens kann über die Massenträgheit erfolgen, wenn das gesunde Bein zunächst aufgesetzt wird und erst die zweite Treppenstufe durch das mit der Prothese versehene Bein überwunden werden soll. Erfolgt zunächst das Entlasten des Prothesenfußes und dann ein Beugen im Prothesenkniegelenk, ist das Treppaufgehen einzustellen. Die Dämpfung sowohl in Extensionsrichtung als auch in Flexionsrichtung nach der Anhebephase, also während der Hüftstreckphase, wird beibehalten, bis eine vollständige Extension des Prothesenkniegelenkes erreicht bzw. detektiert ist.

Claims (17)

  1. Steuerung eines passiven Prothesenkniegelenkes mit verstellbarer Dämpfung in Flexionsrichtung zur Anpassung einer Protheseneinrichtung mit oberseitigen Anschlussmitteln und einem Verbindungselement zu einem Kunstfuß, der an dem Prothesenkniegelenk befestigt sind, an das Treppaufgehen mit folgenden Schritten: – Detektieren eines momentenarmen Anhebens des Prothesenfußes und – Absenken der Flexionsdämpfung in einer Anhebephase auf unterhalb eines Niveaus, das für ein Gehen in der Ebene geeignet ist.
  2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extensions und/oder Flexionsdämpfung in einer Aufsetz- und Hüftstreckphase auf ein Niveau oberhalb einer Dämpfung einer Schwungphasensteuerung für das Gehen in der Ebene angehoben wird.
  3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexionsdämpfung in der Aufsetzphase auf einen maximalen Wert erhöht wird.
  4. Steuerung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexionsdämpfung in der Aufsetz- und Hüftstreckphase bis zur vollständigen Hüftstreckung beibehalten wird.
  5. Steuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexionsdämpfung in Abhängigkeit von der Veränderung des Kniewinkels angehoben wird.
  6. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexionsdämpfung in Abhängigkeit von der auf den Unterschenkelschaft einwirkenden Axialkraft angehoben oder abgesenkt wird.
  7. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Extensionsdämpfung während der Anhebe- sowie Aufsetz- und Hüftstreckphase eingestellt wird.
  8. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des momentenarmen Anhebens über einen Kraft- oder Momentensensor erfolgt.
  9. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des momentenarmen Anhebens über eine Messung einer Horizontalbeschleunigung des Prothesenfußes und Erfassung einer Beugung im Prothesenkniegelenk erfolgt.
  10. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion eines momentenarmen Anhebens über die Erfassung eines Vorfußmomentes im Prothesenfuß erfolgt.
  11. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flexionsunterstützung in der Anhebphase über einen vorgespannten Federmechanismus erfolgt.
  12. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Flexions- und Extensionsdämpfung eingeleitet wird, wenn der Prothesenfuß nach dem Anheben wieder aufgesetzt wird.
  13. Steuerung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsetzten über eine Axialkraftmessung in dem Unterschenkelschaft oder in dem Prothesenfuß detektiert wird.
  14. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flexionsdämpfung in der Anhebephase auf einen minimalen Wert abgesenkt wird.
  15. Steuerung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Absenkung der Flexionsdämpfung eine freie Extension zeitgesteuert eingestellt wird.
  16. Steuerung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Extension federunterstützt wird.
  17. Steuerung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitsteuerung mechanisch oder elektronisch erfolgt.
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