DE102008024746A1

DE102008024746A1 - Orthopädietechnische Einrichtung

Info

Publication number: DE102008024746A1
Application number: DE102008024746A
Authority: DE
Inventors: Tanja Hahn; Erik Albrecht-Laatsch
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2009-12-03
Also published as: CN102036627B; PL2303197T3; EP2303197A1; CN102036627A; EP2303197B1; WO2009140948A1; US8608678B2; US20110137212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ene orthopädietechnische Einrichtung für die unteren Extremitäten, mit mindestens einer Aufnahme (12, 16) für eine Extremität (14, 18), einem Sensor (30) und einer mit dem Sensor (30) verbundenen elektrischen Auswerteeinheit (34) zum Verarbeiten von Daten des Sensors (30), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: (i) Schalten in einen Lernmodus, (ii) Ermitteln mindestens eines System-Kennwerts (R, S, N, aW,Schwelle), (iii)lle), (iv) Schalten in einen Betriebsmodus und (v) im Betriebsmodus Beeinflussen, Optimieren oder Auswählen eines Steueralgorithmus der orthopädietechnischen Einrichtung anhand des System-Kennwerts (R, S, N, aW,Schwelle).

Description

Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Einrichtung für die unteren Extremitäten mit (a) mindestens einer Aufnahme für eine Extremität, (b) einem Sensor und (c) einer mit dem Sensor verbundenen elektrischen Auswerteeinheit zum Verarbeiten von Daten des Sensors.
Eine derartige orthopädietechnische Einrichtung kann beispielsweise eine Orthese sein, die dazu dient, Patienten mit Restmuskelaktivität, deren Muskelkraft für normales Gehen nicht ausreicht, das Gehen zu ermöglichen. Orthopädietechnische Einrichtungen wie eine solche Orthese umfassen Komponenten, die in Massenverfahren hergestellt werden können. Einzelne Komponenten müssen jedoch aneinander montiert und, beispielsweise von einem Orthopädietechniker, individuell an den Patienten angepasst werden, der die orthopädietechnische Einrichtung tragen soll.
Nachteilig an bekannten orthopädietechnischen Einrichtungen ist, dass das Einrichten auf den jeweiligen Patienten aufwändig ist. Es kann zudem zu Fehlmontagen von Komponenten kommen. Das senkt die Akzeptanz der orthopädietechnischen Einrichtung beim Patienten und führt zu Kosten und der Gefahr einer falschen Einstellung aufgrund von Fehlbedienungen. Dies kann dann dazu führen, dass bei Benutzung der orthopädietechnischen Einrichtung Orthese beispielsweise eine Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung zu spät oder zu früh aktiviert wird, was die Wahrscheinlichkeit eines Unfalls erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine orthopädietechnische Einrichtung schneller oder zuverlässiger einrichtbar zu gestalten.
Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße orthopädietechnische Einrichtung, bei der die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den Schritten (i) Schalten in einen Lernmodus, (ii) Ermitteln mindestens eines System-Kennwerts, (iii) Speichern des System-Kennwerts, (iv) Schalten in einen Betriebsmodus und (v) im Betriebsmodus, Optimieren oder Auswählen eines Steueralgorithmus der orthopädietechnische Einrichtung anhand des System-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle).
Vorteilhaft an dieser orthopädietechnischen Einrichtung ist, dass sie besonders leicht an einen Patienten angepasst werden kann. Vorteilhaft ist zudem die einfache und intuitive Bedienbarkeit der orthopädietechnischen Einrichtung. An die Montage des Sensors an der orthopädietechnischen Einrichtung sind damit nur geringe Anforderungen gestellt, so dass auch weniger qualifiziertes Personal zum Montieren und Anpassen dieser Montage geeignet ist.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Sensor an einer Vielzahl von Positionen angebracht werden kann, ohne dass seine Funktion beeinträchtigt wird. Das erlaubt es, den Sensor dort anzubringen, wo es den Patienten wenig stört. Das erhöht die Akzeptanz der orthopädietechnischen Einrichtung. Der Sensor kann beispielsweise auch von der Aufnahme beabstandet am Knöchel oder unter der Sohle auf einer kontralateralen Seite angeordnet sein.
Vorteilhaft an dieser orthopädietechnischen Einrichtung ist, dass beispielsweise ein Montagefehler des Orthopädietechnikers das sichere Funktionieren nicht beeinträchtigt.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Sensor insbesondere jede Vorrichtung verstanden, die eingerichtet und angeordnet ist, um eine Lage, Richtung, Kraft oder ein Moment zu messen. Unter dem Verarbeiten von Daten des Sensors wird insbesondere verstanden, dass die Daten zum Steuern und/oder Regeln einer Vorrichtung verwendet werden und/oder zur späteren Auswertung gespeichert werden. Beispielsweise kann bei aufrechtem Stand, in dem keine Momentenbelastung vorliegen sollte, der Momentenwert korrigiert werden.
Der Lernmodus könnte auch als Kalibrierfunktion bezeichnet werden. Diese Kalibrierfunktion ist nicht auf eine spätere Korrektur von Sensordaten beschränkt. Alternativ oder additiv ist es möglich, Verläufe zu wählen, die dem ermittelten System-Kennwert zugeordnet sind. Es ist zudem möglich, Verstärkungsfaktoren (Gain), Verschiebungsfaktoren (Offset), Linearitätsfehler oder Schwellenwerte zu ermitteln. Alternativ oder additiv ist es außerdem möglich, patientenabhängige Kennwerte zu ermitteln.
Unter dem Steueralgorithmus wird insbesondere ein Programm verstanden, das in der Auswerteeinheit abgelegt ist und vom Sensor gemessenen Daten einliest und beispielsweise Steuerbefehle an einen Aktuator der orthopädietechnischen Einrichtung ausgibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet, um ein Verfahren mit den Schritten (i) Schalten in einen Lernmodus, (ii) Ermitteln mindestens eines Montagefehler-Kennwerts, der einen Montagefehler des Sensors kodiert, (iii) Speichern des Montagefehler-Kennwerts, (iv) Schalten in den Betriebsmodus und (v) Korrigieren von Daten des Sensors anhand des mindestens einen Montagefehler-Kennwerts.
Unter einem Montagefehler-Kennwert wird dabei insbesondere eine Größe verstanden, die eine Abweichung zwischen einer Soll-Position und/oder einer Soll-Lage des Sensors und einer Ist-Position bzw. einer Ist-Lage des Sensors kodiert. Die Abweichung beruht beispielsweise darauf, dass der Orthopädietechniker den Sensor nicht an der vorgesehnen Stelle angebracht hat, weil er die korrekte Stelle nicht kannte oder weil ein Anbringen an der korrekten Stelle nicht möglich war.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor ein Winkelsensor zum Erfassen einer Neigung zur Vertikalen. Unter dem Winkelsensor wird insbesondere jegliche Vorrichtung verstanden, die ausgebildet und angeordnet ist, um ihre Orientierung zur Horizontalen bzw. zur Vertikalen zu erfassen und in Form eines Signals kodiert abzugeben. Beispielsweise handelt es sich bei dem Winkelsensor um einen Schwerkraft-Winkelsensor, der immer den genauen Winkel zum Bezugspunkt Erdmittelpunkt liefert. Dazu besitzt ein solcher Schwerkraft-Winkelsensor eine Loterfassungseinheit.
Der Winkelsensor kann zudem eine elektrische Auswerteeinheit umfassen, die das elektrische Neigungssignal generiert. Der Winkelsensor erfasst seine Neigung zur Vertikalen bzw. Horizontalen, die aber nur dann die eigentlich zu messende Neigung der Aufnahme zur Vertikalen bzw. Horizontalen ist, wenn er korrekt montiert ist oder die Messwerte anhand des Montagefehler-Kennwerts korrigiert sind.
Unter der Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung wird insbesondere jede mechanische Vorrichtung verstanden, die zumindest zwei Schaltzustände einnehmen kann, nämlich einen aktivierten und einen gelösten Schaltzustand. Im aktivierten Schaltzustand ist ein Verschwenken der Oberschenkelaufnahme relativ zur Unterschenkelaufnahme arretiert oder durch ein Dämpfelement signifikant erschwert. In der gelösten Stellung ist ein entsprechendes Verschwenken möglich. Die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung kann beispielsweise hydraulisch oder rein mechanisch ausgebildet sein.
Unter dem Merkmal, dass das Neigungssignal in Abhängigkeit von dem Montagefehler-Kennwert ermittelt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass Rohmesswerte, die die Neigung des Winkelsensors zur Horizontalen bzw. zur Vertikalen kodieren, unter Verwendung des Montagefehler-Kennwerts so korrigiert werden, dass sie danach die Neigung der Oberschenkelaufnahme zur Horizontalen bzw. zur Vertikalen kodieren. Es ist dabei gleichgültig, ob eine Lage zur Horizontalen oder zur Vertikalen kodiert wird, da beide Angaben eine äquivalente Information enthalten, nämlich die Lage der Oberschenkelaufnahme im Raum. Bei einer herkömmlichen Orthese ist beispielsweise der Winkel, bei dem die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung öffnet bzw. arretiert, fest vorgegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Montagefehler-Kennwert ermittelt, während die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung die Oberschenkelaufnahme und die Unterschenkelaufnahme relativ zueinander arretiert sind, wobei beide bevorzugt in einer Hyperextensionsstellung arretiert sind. Vorteilhafterweise erlaubt diese Stellung ein besonders gefahrloses und damit komfortables Einstellen der Ansteuereinheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Montagefehler-Kennwert ein Radialfehler-Kennwert, der eine Differenz zwischen einem maximalen Wert und einem minimalem Wert des Neigungssignals kodiert. Wird der Winkelsensor nicht exakt lateral, sondern frontal oder dorsal versetzt an der Oberschenkelaufnahme montiert, so verringert sich die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Neigungssignals. Durch Messung dieser Differenz und damit anhand des Radialfehler-Kennwerts lässt sich das Neigungssignal auf eine vorgegebene Soll-Differenz normieren.
Alternativ oder additiv umfasst das Verfahren bevorzugt den Schritt eines Ermittelns eines Neigungsfehler-Kennwerts, der den Minimalwert oder den Maximalwert des elektrischen Neigungssignals kodiert, wenn die elektrische Auswerteeinheit sich im Lernmodus befindet, und ein Speichern des Neigungsfehler-Kennwerts in dem Digitalspeicher, wobei im Betriebsmodus der elektrischen Auswerteeinheit das Neigungssignal abhängig von dem Neigungsfehler-Kennwert ermittelt wird. Hierunter ist zu verstehen, dass sich das Neigungssignal ändert, wenn sich der Neigungsfehler-Kennwert ändert. Beispielsweise ist der Neigungsfehler-Kennwert ein Normierungsfaktor in einer mathematischen Berechnungsformel.
Alternativ oder additiv wird ein Seitenfehler-Kennwert ermittelt, der ein Vorzeichen einer Änderung des Neigungssignals bei einem Vorschwingen der Oberschenkelaufnahme kodiert und der Seitenfehler-Kennwert in dem Digitalspeicher gespeichert, wobei im Betriebsmodus das Neigungssignal in Abhängigkeit von dem Seitenfehler- Kennwert ermittelt wird. Unter dem Vorschwingen der Oberschenkelaufnahme wird dabei eine Schwenkbewegung in der Sagittalebene in frontale Richtung verstanden. Hierdurch kann der Montagefehler erkannt werden, der darin besteht, dass der Winkelsensor auf der falschen Seite der Oberschenkelaufnahme angeordnet wurde. Das heißt, dass beispielsweise ein für eine linke Oberschenkelaufnahme vorgesehener Winkelsensor auf eine rechte Oberschenkelaufnahme montiert worden ist.
Die orthopädietechnische Einrichtung soll verhindern, dass der Patient zu einem falschen Zeitpunkt im Knie einknickt und dadurch stürzt. Es ist daher wichtig, dass die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung sicher geschlossen ist, wenn ein Einknicken droht. Andererseits soll die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung dann geöffnet sein, wenn das Bein nach vorne durchschwingt, um ein angenehmes Tragen zu ermöglichen. Diese Anforderungen werden besonders gut erfüllt, wenn die elektrische Auswerteeinheit der gattungsgemäßen Orthese eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den Schritten (i) Ermitteln des Maximalwerts des Neigungssignals, (ii) Ermitteln eines Schwellenwerts, der kleiner ist als der Maximalwert, (iii) Senden eines Öffnungsbefehls an die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung, wenn das Neigungssignal den Schwellenwert unterschreitet, (iv) Erfassen, ob die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung gelöst ist, und (v) verneinendenfalls Verringern des Schwellenwerts, (vi) des Ermittelns des Schwellenwerts bis zum etwaigen Verringern des Schwellenwerts, bis die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung gelöst ist, und (vii) Speichern des letzten Schwellenwerts durchzuführen. Der letzte Schwellenwert ist dabei ein Montagefehler-Kennwert. Die genannten Schritte werden im Lernmodus durchgeführt. Im Betriebsmodus arretiert bzw. löst die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung, wenn dieser Schwellenwert unter- bzw. überschritten wird.
Der erste Schwellenwert wird beispielsweise dadurch ermittelt, dass die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert ermittelt wird. Diese Differenz wird anschließend in eine Vielzahl von insbesondere gleichgroßen Abschnitten aufgeteilt, beispielsweise in zehn oder mehr Abschnitte. In ersterem Fall entspricht der zehnte Abschnitt dem Maximalwert und der nullte Abschnitt dem Minimalwert. Als erster Schwellenwert wird dann beispielsweise die neunte Stufe festgelegt. Es ist möglich, mehr Stufen als zehn vorzusehen. Es ist auch möglich, die Stufen nicht äquidistant zu wählen.
Ein Schwellenwert, der besonders geeignet ist, um eine angenehm zu tragende Orthese zu erhalten, wird dadurch erzeugt, dass ermittelt wird, ob nach einer vorgegebenen Anzahl an Öffnungsbefehlen und einer zugehörigen Zahl an Schritten des Patienten mit der Orthese die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung gelöst ist. Dabei werden die Schritte des Ermittelns des Schwellenwerts bis zum etwaigen Verringern des Schwellenwerts für einen gleich bleibenden Schwellenwert so lange wiederholt, bis die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung bei der vorgegebenen Anzahl an Öffnungsbefehlen gelöst ist. Erst danach wird der letzte Schwellenwert gespeichert. Es ist dann sichergestellt, dass die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit stets rechtzeitig löst und arretiert. Der Schwellenwert, der so ermittelt wird, ist ein Maß für die Neigung der Oberschenkelaufnahme bei der die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung öffnet zur Horizontalen.
Eine modularisierbare Orthese wird erhalten, wenn der Winkelsensor ausgebildet ist, um anhand des Montagefehler-Kennwerts bzw. der Montagefehler-Kennwerte aus einem Rohmesswert von einer Loterfassungsvorrichtung eines Schwerkraft-Winkelsensors das Neigungssignal zu berechnen. In diesem Fall kann das Neigungssignal beispielsweise eine direkte Angabe des Neigungswinkels sein, unter dem die Oberschenkelaufnahme zur Horizontalen bzw. zur Vertikalen ausgerichtet ist. Ein derartiges Neigungssignal kann von der elektrischen Auswerteeinheit besonders leicht verwendet werden, um die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung zum Arretieren und zum Lösen anzusteuern.
Bevorzugt ist die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet, um ein Verfahren mit dem Schritt Ausgeben eines Signals, insbesondere eines akustischen oder optischen Signals, das einen Takt vorgibt, in dem ein Benutzer der orthopädietechnischen Einrichtung mit der orthopädietechnischen Einrichtung gehen soll, durchzuführen.
Alternativ oder additiv ist die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet, eine Rückmeldung über vom Bediener durchzuführende Schritte auszugeben. Diese Rückmeldung kann via Sprachausgabe oder per Bildschirm gegeben werden. Insbesondere kann die Rückmeldung eine Anweisung für einen vom Benutzer durchzuführenden Bewegungsablauf oder ein Gangmuster sein, also beispielsweise die Anweisung langsamer, schneller, gleichmäßiger, über eine Treppe, über eine Rampe oder im Kreis zu gehen.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Einrichten einer erfindungsgemäßen Orthese mit den Schritten (a) Schalten der Orthese in den Lernmodus, (b) Bewegen der Oberschenkelaufnahme in eine Vorwärtsschrittposition, (c) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit, die den Zustand kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme sich in der Vorwärtsschrittposition befindet, so dass von einer elektrischen Auswerteeinheit der Orthese ein Maximal- oder Minimalwert des Neigungssignals ermittelbar ist, (d) Bewegen der Oberschenkelaufnahme in eine Standposition, so dass von einer elektrischen Auswerteeinheit der Orthese, entsprechend der Minimal- oder Maximalwert des Neigungssignals ermittelbar ist, (e) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit, die den Zustand kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme in der Standposition ist, und (f) gegebenenfalls Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit, die den Zustand kodiert, dass eine Eingabe beendet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße Orthese,
2 in drei Teilfiguren 2a, 2b und 2c drei mögliche Montagefehler eines Winkelsensors relativ zur Oberschenkelaufnahme der Orthese gemäß 1,
3 die Orthese gemäß 1 in einer Vorwärtsschritt-Position,
4 die Orthese in einer Schrittende-Position und
5 ein Diagramm, das ein Neigungssignal in Abhängigkeit von der Zeit angibt.
1 zeigt eine Orthese 10, die eine erste Aufnahme für eine Extremität in Form einer Oberschenkelaufnahme 12 zum Aufnehmen eines Oberschenkels 14, eine zweite Aufnahme in Form einer Unterschenkelaufnahme 16 zum Aufnehmen eines Unterschenkels 18 und eine dritte Aufnahme in Form einer Fußaufnahme 20 zum Aufnehmen eines Fußes 22 umfasst. Die Oberschenkelaufnahme 12 und die Unterschenkelaufnahme 16 sind durch ein Kniegelenk 24 schwenkbar aneinander befestigt. Die Fußaufnahme 20 ist an der Unterschenkelaufnahme 16 durch ein Fußgelenk 26 schwenkbar befestigt.
Das Kniegelenk 24 umfasst eine Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung in Form einer Arretiervorrichtung 28, die ausgebildet ist, um aufgrund einer elektrischen Ansteuerung durch ein elektrisches Steuersignal das Kniegelenk 24 durch Arretieren zu aktivieren oder die Arretierung des Kniegelenks 24 zu lösen. Die Arretiervorrichtung 28 steht in elektrischer Verbindung mit einem Sensor in Form eines Winkelsensors 30, der an einem proximalen Ende der Oberschenkelaufnahme 12 lateral angebracht ist.
Der Winkelsensor 30 ist ein Schwerkraft-Winkelsensor, der ausgebildet ist, um ein elektrisches Neigungssignal a_W abzugeben. Das Neigungssignal a_W kodiert einen Neigungswinkel a_W, den der Winkelsensor 30 zu einer Vertikalen V einnimmt. Alternativ kodiert das Neigungssignal a_W einen Neigungswinkel, den der Winkelsensor 30 zu einer Horizontalen H einnimmt. Der Neigungswinkel α_W stimmt mit dem Neigungswinkel α_o zwischen einer Nulllage der Oberschenkelaufnahme 12 und der Vertikalen V genau dann überein, wenn der Winkelsensor 30 korrekt an der Oberschenkelaufnahme 12 montiert worden ist.
Beim Gehen ändert sich der Neigungswinkel α_o zwischen der Oberschenkelaufnahme 12 und der Vertikalen V zwischen einem Maximal-Winkel α_o,max, wie er in 3 gezeigt ist, und einem Minimalwinkel α_o,min, wie er in 4 gezeigt ist. Der Winkelsensor 30 misst, sofern er korrekt montiert ist, beständig den Neigungswinkel α_o, indem er den Neigungswinkel α_W misst, und sendet das elektrische Neigungssignal a_W, das den Neigungswinkel α_W beispielsweise in Form einer Zahl kodiert, an eine schematisch eingezeichnete elektrische Auswerteeinheit 34 der Arretiervorrichtung 28.
Die elektrische Auswerteeinheit 34 vergleicht das Neigungssignal a_W in Form der Zahl, die den Neigungswinkel α_W kodiert, mit einem Schwellenwert a_W,schwelle, der einen zugehörigen Neigungswinkel α_W,schwelle repräsentiert, und arretiert daraufhin die Arretiervorrichtung 28 oder gibt sie frei. Dadurch ist sichergestellt, dass die Oberschenkelaufnahme 12 und die Unterschenkelaufnahme 16 dann drehstarr miteinander verbunden sind, wenn der Patient sein Bein belastet.
Bei der Montage des Winkelsensors 30 können drei Fehlerquellen unterschieden werden. Eine erste Fehlerquelle ist in der Teilfigur 2a von 2 gezeigt. Während der mit durchgezogener Linie gezeigte Winkelsensor 30 in einer korrekten Position angeordnet ist, nämlich parallel zu einer Sagittalebene E, ist der gestrichelt gezeichnete Winkelsensor 30' um einen Fehlerwinkel φ₁ falsch angeordnet. Bei einer Gehbewegung führt das dazu, dass der vom Winkelsensor 30 gemessene Neigungswinkel α_W zwischen einem maximalen Neigungswinkel a_W,max und einem minimalen Neigungswinkel α_W,min schwankt, wobei diese Winkel betragsmäßig kleiner sind als der Maximalwinkel α_o,max bzw. α_o,min zwischen Oberschenkelaufnahme 12 und der Vertikalen V. Weiter unten wird beschrieben, wie ein Radialfehler-Kennwert R ermittelt werden kann, mit dessen Hilfe der Einfluss des Fehlerwinkels φ₁ eliminiert wird.
Teilfigur 2b von 2 zeigt den Fall, dass der Winkelsensor 30 in einer korrekten Position an der Oberschenkelaufnahme 12 montiert ist, wohingegen der gestrichelt eingezeichnete Winkelsensor 30' um einen Fehlerwinkel φ₂ relativ zu einer Frontalebene F anmontiert worden ist. Der Winkelsensor 30 sendet einen Neigungswinkel α_W, der sich um den Fehlerwinkel φ₂ vom korrekten Neigungswinkel α_o unterscheidet. Die Korrektur dieses Fehlers mit Hilfe eines Neigungsfehler-Kennwerts N wird ebenfalls weiter unten beschrieben.
Teilbild 2c von 2 zeigt einen dritten möglichen Fehler, bei dem der Winkelsensor 30' auf der falschen Seite der Oberschenkelaufnahme 12 angeordnet worden ist. Dieser Fehler ließe sich auch als Fehler gemäß Teilfigur 2a auffassen, bei dem der Fehlerwinkel φ₁ 180° beträgt.
Die erfindungsgemäße Orthese 10 wird wie im Folgenden beschrieben eingerichtet. Zunächst wird die elektrische Auswerteeinheit 34 in einen Lernmodus geschaltet. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass ein entsprechender Knopf der Auswerteeinheit 34 gedrückt wird. Alternativ umfasst die Auswerteeinheit 34 beispielsweise einen Infrarot- oder Ultraschallempfänger und es wird ein entsprechendes Infrarot- bzw. Ultraschallsignal mit einer Fernbedienung abgegeben, das die Auswerteeinheit 34 in den Lernmodus schaltet.
Danach wird der Auswerteeinheit 34 eine Statusinformation eingegeben, die kodiert, dass ein Seitenfehler-Erkennungsmodus eingeschaltet werden soll. Nachfolgend wird die Oberschenkelaufnahme 12 in der Sagittalebene E frontal verschwenkt. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Patient seinen Oberschenkel 14 nach vorne schwenkt. In diesem Zustand wird der Auswerteeinheit 34 eine Statusinformation eingegeben, die kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme 12 sich in einer Vorwärtsschritt-Position befindet.
Nachfolgend wird die Oberschenkelaufnahme 12 in eine in 1 gezeigte Standposition oder eine in 4 gezeigte Schrittende-Position gebracht, beispielsweise indem der Patient seinen Oberschenkel 14 entsprechend bewegt. Dort angelangt, wird die Auswerteeinheit 34 eine Statusinformation eingegeben, die den Zustand kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme 12 in der Standposition bzw. der Schrittende-Position ist. Das Eingeben einer End-Eingabe zeigt der Auswerteeinheit 34 an, dass mit der Auswertung begonnen werden kann.
Während der Eingabe hat der Winkelsensor 30 beispielsweise den in 5 gezeigten Verlauf aufgenommen. In 5 ist der Neigungswinkel α_W zwischen Winkelsensor und Vertikale in Zähleinheiten (Digits) als a_W kodiert angegeben. Die Samplenummer n stellt ein Zeitmaß dar. Bei der Samplenummer 37 wurde die Statusmitteilung eingegeben, dass die Vorwärts-Schrittposition erreicht ist. Bei der Samplenummer 62 wurde eingegeben, dass die Schrittende-Position erreicht ist. Daraus ist zu ersehen, dass der Winkelsensor 30 seitenrichtig angebracht worden ist. Wäre der Winkelsensor auf der falschen Seite angebracht worden, wäre die Vorwärtsschritt-Position bei 1630 Digits gemessen worden und die Schrittende-Position bei 1250. Die Auswerteeinheit 34 speichert daraufhin einen Seitenfehler-Kennwert S in einem digitalen Speicher ab, der den Zustand kodiert, dass kein Seitenfehler vorliegt.
Danach ermittelt die elektrische Auswerteeinheit 34 einen Maximalwert a_W,max des Neigungssignals und einen Minimalwert a_W,min des Neigungssignals a_W, die in die zugehörigen Neigungswinkel α_W,max und α_W,min umgerechnet werden können. Aus dem Maximalwert a_W,max und dem Minimalwert a_W,min wird die Differenz Δa berechnet, die im vorliegenden Fall Δa = 1660 – 1250 = 410 beträgt.
Es ist möglich, diese Differenz Δa danach auf einen vorgegebenen Wert zu kalibrieren. Dazu ist es besonders günstig, wenn der Neigungswinkel α_o der Oberschenkelaufnahme 12 in der Schrittende-Position (4) und der Vorwärts-Schritt-Position (3) auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, beispielsweise indem ein externer Winkelmesser verwendet wird. Die Differenz Δa stellt einen möglichen Radialfehler-Kennwert R dar. Der Radialfehler-Kennwert R erlaubt es, das Neigungssignal a_W auf eine Soll-Differenz zu normieren.
Nachfolgend speichert die Auswerteeinheit 34 das Signalmaximum a_W,max und das Signalminimum a_W,min in den digitalen Speicher. Danach wird ein Schwellenwert ermittelt, bei dem die Auswerteeinheit 34 das Kniegelenk 24 arretiert bzw. öffnet.
Dazu wird ein erster Schwellenwert a_W,Schwelle,1 dadurch ermittelt, dass er als a_W,Schwelle,1 = a_W,min + 0,95·Δa gewählt wird. Der Patient geht nun mit der Orthese und die Auswerteeinheit 34 versucht, das Kniegelenk 24 dann zu öffnen, wenn ein Neigungswinkel α_Schwelle,1 erreicht ist, der dem Neigungswinkel α_Schwelle,1 entspricht. Liegt zu diesem Zeitpunkt noch eine Belastung auf dem Knie 24, so kann das Knie 24 nicht gelöst werden, da die Arretiervorrichtung 28 hierzu nicht hinreichend stark ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit 34 erfasst, ob das Knie 24 gelöst wurde oder nicht. Wurde es nicht gelöst, so wird der Schwellenwert herabgesetzt, beispielsweise auf den Wert a_W,Schwelle,2 = a_W,min + 0,9·Δa.
Dieses Verfahren wird so lange wiederholt, bis die elektrische Auswerteeinheit 34 erstmalig das Kniegelenk 24 zu lösen vermag. Ist das der Fall, wird der jeweilige Schwellenwert konstant gehalten, bis das Kniegelenk während einer Anzahl von n_G Gehzyklen, beispielsweise n_G = 10 Gehzyklen, jedes Mal korrekt öffnet. Ist dies der Fall, wird der entsprechende Schwellenwert a_W,Schwelle,2 von der Auswerteeinheit 34 in den digitalen Speicher geschrieben. Ist dies nicht der Fall, wird der Schwellenwert a_W,schwelle abgesenkt, bis der korrekte Schwellenwert a_W,Schwelle gefunden ist.
Es ist möglich, dass dann, wenn das Kniegelenk sporadisch öffnet, der Schwellenwert um einen kleineren Betrag abgesenkt wird als in dem Fall, dass das Knie 23 nie gelöst werden kann. Ist der Schwellenwert a_W,Schwelle gefunden, schaltet die Auswerteeinheit 34 automatisch in den Betriebsmodus. Alternativ oder additiv wird der Auswerteeinheit 34 durch ein entsprechendes Signal, beispielsweise per Tastendruck oder Fernbedienung mitgeteilt, dass der Lernmodus beendet ist. Die Auswerteeinheit 34 schaltet danach in den Betriebsmodus.
Bei korrekter Montage des Winkelsensors 30 und bei natürlichem Gang sind ein Schwellenwert a_W,normal und eine Differenz Δa_normal zu erwarten. Der gemäß dem obi gen Verfahren ermittelte Schwellenwert a_W,Schwelle und die Differenz Δa stellen damit einen Neigungsfehler-Kennwert N bzw. einen Radialfehler-Kennwert R dar.

10: Orthese
12: Oberschenkelaufnahme
14: Oberschenkel
16: Unterschenkelaufnahme
18: Unterschenkel
20: Fußaufnahme
22: Fuß
24: Kniegelenk
26: Fußgelenk
28: Arretiervorrichtung
30: Winkelsensor
32: elektrische Leitung
34: Auswerteeinheit
α_W: Neigungswinkel Winkelsensor-Vertikale
α_o: Neigungswinkel Oberschenkelaufnahme-Vertikale
α_W,max: Maximalwinkel
α_W,min: Minimalwinkel
a_W: Neigungssignal, das den Neigungswinkel α_W kodiert
a_W,Schwelle: Schwellenwert
E: Sagittalebene
F: Frontalebene
H: Horizontale
φ: Fehlerwinkel
R: Radialfehler-Kennwert
S: Seitenfehler-Kennwert
N: Neigungsfehler-Kennwert
n_G: Zahl der Gehzyklen
V: Vertikale

Claims

Orthopädietechnische Einrichtung für die unteren Extremitäten, mit (a) mindestens einer Aufnahme (12, 16) für eine Extremität (14, 18), (b) einem Sensor (30) und (c) einer mit dem Sensor (30) verbundenen elektrischen Auswerteeinheit (34) zum Verarbeiten von Daten des Sensors (30), dadurch gekennzeichnet, dass (d) die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: (i) Schalten in einen Lernmodus, (ii) Ermitteln mindestens eines System-Kennwerts (R, S, N, a_W,schwelle), (iii) Speichern des System-Kennwerts (R, S, N, a_W,schwelle), (iv) Schalten in einen Betriebsmodus und (v) im Betriebsmodus Beeinflussen, Optimieren oder Auswählen eines Steueralgorithmus der orthopädietechnische Einrichtung anhand des System-Kennwerts (R, S, N, a_W,schwelle).
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (30) einen Winkelsensor, Kraftsensor und/oder Momentensensor umfasst, deren Daten zur Ermittlung des System-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle) dient.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3) an der Aufnahme (12, 16) angeordnet ist.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beeinflussen ein Korrigieren von Daten des Sensors (30) anhand des Montagefehler-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle) ist.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Winkelsensor (30) zum Erfassen einer Neigung zur Vertikalen (V) und zum Abgeben eines elektrischen Neigungssignals (a_W) ist.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (a) eine Oberschenkelaufnahme (12) zum Befestigen an einem Oberschenkel (14), (b) eine Unterschenkelaufnahme (16) zum Befestigen an einem Unterschenkel (18) und (c) eine Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) zum lösbaren Arretieren und/oder Dämpfen einer Bewegung von Oberschenkelaufnahme (12) und Unterschenkelaufnahme (16) relativ zueinander.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einer elektrischen Auswerteeinheit (34) einen digitalen Speicher besitzt und ausgebildet ist, um im Betriebsmodus die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) in Abhängigkeit von dem Neigungssignal (a_W) zum Aktivieren und zum Lösen der Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) anzusteuern, und um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: (i) Schalten in den Lernmodus, (ii) Ermitteln des Montagefehler-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle), der eine Lageabweichung zwischen einer korrekten Position des Winkelsensors (30) und einer tatsächlichen Position des Winkelsensors (30') kodiert, (iii) Speichern des Montagefehler-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle) in dem digitalen Speicher, und (iv) im Betriebsmodus Aktivieren und Lösen der Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) anhand des Montagefehler-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle)
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Orthese (10), insbesondere eine Knie- oder Beinorthese, oder eine Prothese, insbesondere eine Knie- oder Beinprothese, ist.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist zum Aktivieren der Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung und zum Ermitteln des Montagefehler-Kennwerts (R, S, N), während die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) die Oberschenkelaufnahme (12) und die Unterschenkelaufnahme (16) relativ zueinander, insbesondere in einer Hyperextensionsstellung, arretiert oder gedämpft sind.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Kennwert ein Montagefehler-Kennwert (R, S, N, a_W,Schwelle) ist, der einen Montagefehler des Sensors (30) kodiert.
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Montagefehler-Kennwert ein Radialfehler-Kennwert ist (R), der eine Differenz zwischen einem Maximalwert (a_W,max) und einem Minimalwert (a_W,min) des Neigungssignals (a_W) kodiert.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: (i) nach dem Schalten in den Lernmodus, Ermitteln eines Montagefehler-Kennwerts in Form eines Neigungsfehler-Kennwerts (N), der den Minimalwert (a_W,min) oder den Maximalwert (a_W,max) des elektrischen Neigungssignal (a_W) kodiert, und (ii) Speichern des Neigungsfehler-Kennwerts (N) in dem digitalen Speicher, (iii) wobei im Betriebsmodus die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) anhand des Neigungsfehler-Kennwerts (N) aktiviert und gelöst wird.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: (i) Ermitteln eines Montagefehler-Kennwerts in Form eines Seitenfehler-Kennwerts (S), der ein Vorzeichen einer Änderung des Neigungssignals (a_W) bei einem Vorschwingen der Oberschenkelaufnahme (12) kodiert, und (ii) Speichern des Seitenfehler-Kennwerts (S) in dem digitalen Speicher, (iii) wobei im Betriebsmodus die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) anhand des Seitenfehler-Kennwerts (S) arretiert und gelöst wird.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln des Montagefehler-Kennwerts (a_W,Schwelle) die folgenden Schritte umfasst: (i) Ermitteln des Maximalwerts (a_W,max) des Neigungssignals (a_W), (ii) Ermitteln eines Schwellenwerts (a_W,Schwelle), der kleiner ist als der Maximalwert (a_W,max), (iii) Senden eines Öffnungsbefehls an die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28), wenn das Neigungssignal (a_W) den Schwellenwert (a_W,Schwelle) unterschreitet, (iv) Erfassen, ob die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) gelöst ist, und (v) verneinendenfalls Verringern des Schwellenwerts (a_W,Schwelle), (vi) Durchführen der Schritte (ii) bis (v), bis die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) gelöst ist, und (vii) Speichern des Montagefehler-Kennwerts in Form des letzten Schwellenwerts (a_W,Schwelle).
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: – Ermitteln des Minimalwerts (a_W,min) des Neigungssignals (a_W), – Speichern des letzten Schwellenwerts (a_W,Schwelle), wenn dieser kleiner ist als ein 0,9-faches eines Mittelwerts zwischen Maximalwert (a_W,max) und Minimalwert (a_W,min).
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: – Ermitteln, ob bei einer vorgegebenen Anzahl (N) an Öffnungsbefehlen die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) gelöst ist, und – Durchführen der Schritte (ii) bis (v) gemäß Anspruch 14 für einen gleich bleibenden Schwellenwert (a_W,Schwelle), bis die Arretier- und/oder Dämpfvorrichtung (28) bei der vorgegebenen Anzahl (n_G) an Öffnungsbefehlen gelöst ist, bevor der letzte Schwellenwert (a_W,Schwelle) gespeichert wird.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Betätigungseinrichtung zum Schalten der Orthese (10) in den Lernmodus und/oder den Betriebsmodus.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelsensor (30) ausgebildet ist, um anhand des Radialfehler-Kennwerts (R), des Neigungsfehler-Kennwerts und/oder des Seitenfehler-Kennwerts (S) aus einem Rohmesswert von einer Loterfassungsvorrichtung das Neigungssignal (a_W) zu berechnen.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist, um ein Verfahren mit den folgenden Schritten auszuführen: – Ausgeben eines Signals, insbesondere eines akustischen oder optischen Signals, das einen Takt vorgibt, in dem ein Benutzer der orthopädietechnischen Einrichtung mit der orthopädietechnischen Einrichtung gehen soll.
Orthopädietechnische Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die elektrische Auswerteeinheit (34) eingerichtet ist, um eine Anweisung an den Benutzer auszugeben, in einem vorgegebenen Gangmuster zu gehen.
Verfahren zum Einrichten einer orthopädietechnischen Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit den Schritten (i) Schalten in einen Lernmodus, (ii) Bewegen der orthopädietechnischen Einrichtung so, dass mindestens eines System-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle) ermittelbar ist, (iii) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit (34), die den Zustand kodiert, dass der System-Kennwerts (R, S, N, a_W,Schwelle) gespeichert werden soll und (iv) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit (34), die den Zustand kodiert, dass in den Betriebsmodus geschaltet werden soll.
Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch die Schritte (a) Bewegen der Oberschenkelaufnahme (12) in eine Vorwärtsschrittposition, (b) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit (34), die den Zustand kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme (12) sich in der Vorwärtsschrittposition befindet, so dass von einer elektrischen Auswerteeinheit (34) der Orthese (10), ein Maximalwert (a_W,max) oder ein Minimalwert (a_W,min) des Neigungssignals (a_W) ermittelbar ist, (c) Bewegen der Oberschenkelaufnahme (12) in eine Standposition, so dass von der elektrischen Auswerteeinheit (34) der Orthese (10), entsprechend der Maximalwert (a_W,max) oder der Minimalwert (a_W,min) Neigungssignals (a_W) ermittelbar ist, (d) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit, die den Zustand kodiert, dass die Oberschenkelaufnahme (12) in der Standposition ist, und (e) Eingeben einer Statusinformation in die Auswerteeinheit (34), die den Zustand kodiert, dass eine Eingabe beendet ist.