DE102012100980A1

DE102012100980A1 - Orthotic joint for supporting an anatomical knee joint

Info

Publication number: DE102012100980A1
Application number: DE102012100980A
Authority: DE
Inventors: Jörg Fior; Ralf Gentz
Original assignee: Fior und Gentz GmbH
Current assignee: Fior und Gentz Gesellschaft fuer Entwicklung und Vertrieb von Orthopadietechnischen Systemen mbH
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2012-02-07
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: DE102012100980B4; DE202011052503U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Orthesengelenk (10) zum Unterstützen eines anatomischen Gelenkes, umfassend ein Gelenkoberteil (11) und ein Gelenkunterteil (12), wobei Gelenkoberteil (11) und Gelenkunterteil (12) gelenkig miteinander verbunden sind, ein Sperrelement (13) zum automatischen Entriegeln und Verriegeln des Orthesengelenkes (10) in einer beliebigen Position, ein Betätigungselement (14) für das Sperrelement (13) sowie ein Sensormittel (15) zum Erfassen von für die Entriegelung und Verriegelung relevanter Informationen und eine Auswerteeinheit (16) mit einem Mikroprozessor zum Auswerten der erfassten Informationen und Weiterleiten derselben an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit (17) für das Betätigungselement (14), das sich dadurch auszeichnet, dass das Sensormittel (15) einen einzelnen Gyroskopen (20) umfasst, der zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit ω des Gelenkunterteils (12) einerseits sowie zum Erfassen der Schwungrichtung des Gelenkunterteils (12) in Extensionsrichtung und Flexionsrichtung andererseits ausgebildet und eingerichtet ist, so dass die Verriegelung und Entriegelung des Orthesengelenkes (10) unabhängig von der Neigung des Gelenkunterteils (12) steuerbar ist.The invention relates to an orthotic joint (10) for supporting an anatomical joint, comprising a joint upper part (11) and a joint lower part (12), wherein joint upper part (11) and joint lower part (12) are hinged together, a locking element (13) for automatic unlocking and locking the orthotic joint (10) in any position, an actuating element (14) for the blocking element (13) and a sensor means (15) for detecting relevant for the unlocking and locking information and an evaluation unit (16) with a microprocessor for evaluation the detected information and forwarding the same to a control unit (17) for the actuating element (14), which is characterized in that the sensor means (15) comprises a single gyroscope (20) for detecting the angular velocity ω of the Joint lower part (12) on the one hand and for detecting the direction of rotation of the lower joint part (12) in Extensio On the other hand, the locking mechanism and the direction of flexion are designed and arranged such that the locking and unlocking of the orthotic joint (10) can be controlled independently of the inclination of the joint lower part (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Orthesengelenk zum Unterstützen eines anatomischen Gelenkes, umfassend ein Gelenkoberteil und ein Gelenkunterteil, wobei Gelenkoberteil und Gelenkunterteil gelenkig miteinander verbunden sind, ein Sperrelement zum automatischen Entriegeln und Verriegeln des Orthesengelenkes in einer beliebigen Position, ein Betätigungselement für das Sperrelement sowie ein Sensormittel zum Erfassen von für die Entriegelung und Verriegelung relevanter Informationen und eine Auswerteeinheit mit einem Mikroprozessor zum Auswerten der erfassten Informationen und Weiterleiten derselben an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit für das Betätigungselement.The invention relates to an orthotic joint for supporting an anatomical joint, comprising a joint upper part and a joint lower part, wherein joint upper part and joint lower part are hinged together, a locking element for automatically unlocking and locking the orthosis joint in any position, an actuating element for the blocking element and a sensor means for Detecting relevant for the unlocking and locking information and an evaluation unit with a microprocessor for evaluating the detected information and forwarding the same to a control and / or regulating unit for the actuating element.

Solche Orthesengelenke kommen insbesondere in der Orthopädie zur Bildung von Orthesen zum Einsatz, mit denen Patienten beispielsweise mit einer Gelenk- und/oder Muskelschwäche und/oder Knochenschwäche eine mechanische Stütze zur Verfügung gestellt wird. Die Orthesengelenke kommen insbesondere bei Patienten mit einer dauerhaften Erkrankung, für Patienten in einem Therapieverlauf sowie als Geh- oder Stehhilfe für Patienten mit anderweitig geschwächter oder kontraktierter Muskulatur zum Einsatz. Üblicherweise sind die Orthesengelenke verschwenkbar ausgebildet, derart, dass sie von einer gestreckten Position, der so genannten Extension, in eine gebeugte Position, der so genannten Flexion, und umgekehrt verschwenkbar sind.Such orthotic joints are used in particular in orthopedics for the formation of orthoses with which patients, for example, with a joint and / or muscle weakness and / or bone weakness, a mechanical support is provided. The orthotic joints are used in particular in patients with a permanent illness, for patients in a course of therapy as well as walking or standing aid for patients with otherwise weakened or contracted muscles. Usually, the orthosis joints are designed to be pivotable, such that they can be pivoted from an extended position, the so-called extension, into a bent position, the so-called flexion, and vice versa.

Für die Nachbildung des natürlichen Bewegungsablaufes beim Gehen sind z. B. unterschiedliche Verriegelungs- bzw. Entriegelungszustände der Orthesengelenke notwendig, um das natürliche Gangbild des Menschen möglichst exakt nachzubilden. Anders ausgedrückt ist es wünschenswert bzw. erforderlich, einerseits insbesondere bei der Belastung des Beins sicherzustellen, dass das Orthesengelenk das Knie sicher und zuverlässig stützt und andererseits bei der Entlastung ein Schwingen des Beins zu ermöglichen. Es sind automatische Systemgelenke mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 bekannt. Mit dem Begriff „anatomisches Gelenk” sind menschliche Gelenke gemeint, die durch das Orthesengelenk in ihrer Funktion unterstützt werden. Das Sperrelement ist zum automatischen Entriegeln bzw. Verriegeln der Gelenkteile in einer beliebigen Position durch das Betätigungselement ausgebildet und eingerichtet. Der Begriff „beliebige Position” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Gelenkteile nicht nur in voller Streckung (Extension) in der Standphase sondern auch in einer beliebigen Beugung (Kniebeugewinkel) der Standphase verriegelbar sind. Dies wird mittels einer Verzahnung üblicherweise durch eine Zahnscheibe mit einer in die Zähne eingreifenden Sperrklinke als Sperrelement erreicht.For the reproduction of the natural movement during walking are z. B. different locking or unlocking the orthotic joints necessary to replicate the natural gait of humans as accurately as possible. In other words, it is desirable or necessary, on the one hand, to ensure, in particular when the leg is loaded, that the orthotic joint supports the knee safely and reliably and, on the other hand, to allow the leg to swing during the unloading. There are automatic system joints with the features of the preamble of claim 1 are known. By the term "anatomical joint" is meant human joints that are functionally supported by the orthotic joint. The blocking element is designed and set up for automatic unlocking or locking of the joint parts in any position by the actuating element. The term "arbitrary position" in this context means that the joint parts are lockable not only in full extension in the stance phase but also in any flexion (knee angle) of the stance phase. This is achieved by means of a toothing usually by a toothed disc with an engaging in the teeth pawl as a blocking element.

Die bekannten Orthesengelenke nutzen das Sensormittel, um das Gelenk bezüglich der Verriegelung und Entriegelung zu steuern. In der EP 1 237 513 B1 ist beispielsweise ein Sensor zur Bestimmung des Neigungswinkels der Gelenkteile zueinander vorgesehen, wobei die Information des Neigungswinkels zum Steuern des Gelenkes und insbesondere zum Verriegeln des Gelenkes verwendet wird. Die Abhängigkeit der Steuerung des Gelenkes, also das Verriegeln und Entriegeln, von dem jeweiligen Neigungswinkel berücksichtigt jedoch nicht die Schritt- bzw. Gehgeschwindigkeit der das Orthesengelenk tragenden Person. Anders ausgedrückt ist die Erfassung des Neigungswinkels bei unterschiedlichen Gehgeschwindigkeiten wenn überhaupt nur schwer möglich. Des Weiteren wird gerade das Verriegeln in einer beliebigen Position, das durch die Verzahnung des Sperrelementes erreicht wird, erschwert, da für die Verriegelung exakte Schaltpunkte ermittelt werden müssen, unabhängig davon, ob das Gelenkunterteil in einem bestimmten Winkel geneigt ist oder einfach senkrecht nach unten hängt.The known orthotic joints use the sensor means to control the joint with respect to locking and unlocking. In the EP 1 237 513 B1 For example, a sensor for determining the inclination angle of the joint parts to each other is provided, wherein the information of the inclination angle is used for controlling the joint and in particular for locking the joint. However, the dependence of the control of the joint, so the locking and unlocking of the respective inclination angle does not take into account the walking or walking speed of the orthosis joint wearing person. In other words, the detection of the inclination angle at different walking speeds is difficult, if at all possible. Furthermore, just the locking in any position, which is achieved by the teeth of the locking element, difficult because accurate locking points must be determined for the lock, regardless of whether the lower hinge part is inclined at a certain angle or simply hanging vertically down ,

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein einfaches und sicheres Orthesengelenk zu schaffen, das zuverlässig eine Verriegelung und Entriegelung unabhängig vom Neigungswinkel sicherstellt und den natürlichen Bewegungsablauf eines menschlichen Gelenkes, insbesondere eines Kniegelenkes unterstützt.The object of the present invention is therefore to provide a simple and secure orthotic joint, which reliably ensures locking and unlocking regardless of the angle of inclination and supports the natural movement of a human joint, in particular a knee joint.

Diese Aufgabe wird durch ein Orthesengelenk mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass das Sensormittel einen einzelnen Gyroskopen umfasst, der zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit ω des Gelenkunterteils einerseits sowie zum Erfassen der Schwungrichtung des Gelenkunterteils in Extensionsrichtung und Flexionsrichtung andererseits ausgebildet und eingerichtet ist, so dass die Verriegelung und Entriegelung des Orthesengelenkes unabhängig von der Neigung des Gelenkunterteils steuerbar ist. Solche Gyroskope oder auch Kreiselsensoren sind präzise und zuverlässig bei der Messung der Winkelgeschwindigkeiten und der Ermittlung der Schwungrichtung des Gelenkunterteils. Mit anderen Worten liefert das Gyroskop die Informationen, mit welcher Winkelgeschwindigkeit ω sich das Bein bzw. genauer der Unterschenkel und damit das Gelenkunterteil nach vorne in Extensionsrichtung oder nach hinten in Flexionsrichtung bewegt. Durch die Erfindung wird für jede Gehgeschwindigkeit und jede Winkelstellung des Orthesengelenkes sichergestellt, dass das Orthesengelenk bei einer Extension sicher verriegelbar ist, bevor eine Bodenberührung durch die Ferse stattgefunden hat. Dadurch wird die maximale Sicherheit für die das Orthesengelenk tragende Person erreicht.This object is achieved by an orthotic joint with the features mentioned in the fact that the sensor means comprises a single gyroscope, which is designed and arranged for detecting the angular velocity ω of the joint lower part on the one hand and for detecting the direction of rotation of the joint lower part in the direction of extension and flexion on the other hand, so that the locking and unlocking of the orthotic joint is controlled independently of the inclination of the lower joint part. Such gyroscopes or gyro sensors are precise and reliable in measuring the angular velocities and determining the direction of rotation of the joint base. In other words, the gyroscope supplies the information with which angular velocity ω moves the leg or, more precisely, the lower leg and thus the lower joint part forward in the extension direction or backwards in the direction of flexion. By means of the invention, it is ensured for every walking speed and every angular position of the orthotic joint that the orthotic joint can be securely locked in the event of an extension before ground contact has taken place through the heel. This achieves maximum safety for the person wearing the orthotic joint.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet und eingerichtet, dass das Verriegeln des Orthesengelenkes basierend auf den Informationen der positiven Schwungrichtung des Gelenkunterteils, nämlich in Extensionsrichtung, einerseits und einer Winkelgeschwindigkeit des Gelenkunterteils von ω = 0 andererseits ausführbar ist. Aus den vom Gyroskop stammenden Informationen ist mittels der Auswerteeinheit der exakte Schaltpunkt zum Verriegeln zu ermitteln, nämlich wenn sich die Ferse in der maximalen Extensionsstellung, damit ist nicht zwingend die vollständig gestreckte Stellung gemeint, unmittelbar über dem Boden, also unmittelbar vor dem Aufsetzen auf den Boden, befindet. In dieser Position ist die Winkelgeschwindigkeit gerade ω = 0. Die Möglichkeit der Verriegelung des Orthesengelenkes unmittelbar vor dem Auftreten des Fußes auf dem Boden gibt dem Patienten die notwendige Sicherheit für ein natürliches Gangbild.In a particularly preferred embodiment of the invention, the evaluation unit is such designed and set up that the locking of the orthotic joint based on the information of the positive direction of rotation of the joint lower part, namely in the extension direction, on the one hand and an angular velocity of the joint base of ω = 0 on the other hand executable. From the information originating from the gyroscope the exact switching point for locking is to be determined by means of the evaluation unit, namely if the heel in the maximum extension position, that is not necessarily meant the fully extended position, immediately above the ground, ie immediately before placing on the Floor, is located. In this position, the angular velocity is just ω = 0. The possibility of locking the orthotic joint immediately before the foot on the floor occurs gives the patient the necessary security for a natural gait pattern.

Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit zum Entriegeln des Orthesengelenkes basierend auf den Informationen der negativen Schwungrichtung des Gelenkunterteils, nämlich in Flexionsrichtung, einerseits und der mit einem Zeitfaktor multiplizierten und über die Winkelgeschwindigkeit ω des Gelenkunterteils ermittelten zeitlichen Schrittlänge des Trägers des Orthesengelenkes andererseits ausgebildet und eingerichtet ist. Eine zeitliche Schrittlänge betrifft vorzugsweise gerade nicht die Schrittgröße in cm sondern die Dauer eines Schrittes, beispielsweise gemessen ausgehend von einem Startpunkt bei einer Winkelgeschwindigkeit ω = 0 in der Extensionsstellung bis zu einer Endstellung bei einer erneuten Winkelgeschwindigkeit ω = 0 wiederum in der Extensionsstellung. Diese zeitliche Schrittlänge kann man auch als einen einzelnen Schrittzyklus bezeichnen. Unter dem Begriff „Zeitfaktor” ist ein Multiplikator zu verstehen, der kleiner als 1 ist. Damit ist sichergestellt, dass die Entriegelung vor dem Beenden eines Schrittzyklus erfolgt, so dass sich dem natürlichen Gangbild in optimaler Weise angenähert werden kann.A further particularly preferred embodiment of the invention is characterized in that the evaluation unit for unlocking the orthotic joint based on the information of the negative swing direction of the joint lower part, namely in the direction of flexion, on the one hand and with the multiplied by a time factor and the angular velocity ω of the lower joint part time step length the wearer of the orthotic joint, on the other hand, is designed and set up. A temporal stride length preferably concerns not just the step size in cm but the duration of a step, for example measured from a starting point at an angular velocity ω = 0 in the extension position to an end position at a renewed angular velocity ω = 0 again in the extension position. This time step length can also be referred to as a single step cycle. The term "time factor" is to be understood as meaning a multiplier that is smaller than 1. This ensures that the unlocking is done before completing a step cycle, so that the natural gait can be approximated in an optimal manner.

Besonders zweckmäßig ist eine Weiterbildung der Erfindung mit einem Zeitfaktor von höchstens 0,6 und bevorzugt etwa 0,3. Teilt man einen Schrittzyklus in einzelnen Phasen ein, beträgt die Standphase, also die Phase, in der der Fuß in Kontakt mit dem Boden ist, etwa 60%. Die Schwungphase, also die Phase, in der sich die Fußspitze vom Boden abhebt, bis der Fuß wieder auf dem Boden mit der Ferse aufsetzt, beträgt etwa 40%. Es sind bewusst „etwa-Beträge” angegeben, weil diese Werte von Person zu Person geringfügig voneinander abweichen können, so dass auf die „etwa-Beträge” als Durchschnittswert zurückgegriffen wird. Vorzugsweise erfolgt die Entriegelung während der Standphase, was durch die Beschränkung des Zeitfaktors auf höchstens 0,6 erreicht wird. Es hat sich gezeigt, dass sich der optimale Entriegelungszeitpunkt etwa bei der Hälfte der Standphase ergibt. Durch die besonders bevorzugte Beschränkung auf etwa 0,3 wird stets der optimale Entriegelungszeitpunkt unabhängig von der Neigung und insbesondere für jeden Schrittzyklus ermittelt. Das ermöglicht ein gegenüber dem natürlichen Gangbild nahezu identisches Gangbild.Particularly useful is a development of the invention with a time factor of at most 0.6 and preferably about 0.3. Dividing a step cycle into individual phases, the stance phase, ie the phase in which the foot is in contact with the ground, is about 60%. The swing phase, ie the phase in which the toe lifts off the ground until the foot touches the ground again with the heel, is about 40%. There are deliberately "approximate amounts" given because these values may differ slightly from person to person, so the "approximate amounts" are used as an average. Preferably, the unlocking takes place during the stance phase, which is achieved by limiting the time factor to at most 0.6. It has been shown that the optimum unlocking time results approximately at half of the stance phase. Due to the particularly preferred restriction to about 0.3, the optimum unlocking time is always determined independently of the inclination and in particular for each step cycle. This allows a comparison with the natural gait almost identical gait.

Vorteilhafterweise umfasst das Sensormittel zusätzlich einen Beschleunigungssensor, der zum Kalibrieren des Gyroskops ausgebildet und eingerichtet ist. Mit dem zweiten Sensor kann die Ausrichtung, nämlich insbesondere die Schwungrichtung exakt angegeben werden. Anders ausgedrückt wird mittels des zweiten Sensors die Lage und Position des Gyroskops und damit dessen Ausrichtung ermittelt, was für die Ermittlung der idealen Verriegelungs- und Entriegelungszeitpunkte von besonderer Bedeutung ist.Advantageously, the sensor means additionally comprises an acceleration sensor, which is designed and set up for calibrating the gyroscope. With the second sensor, the orientation, namely in particular the direction of rotation can be specified exactly. In other words, the position and position of the gyroscope and thus its orientation are determined by means of the second sensor, which is of particular importance for determining the ideal locking and unlocking times.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Gyroskop unterhalb des anatomischen Kniegelenks und außerhalb des Gelenkunterteils angeordnet ist. Mit „außerhalb” ist lediglich festgelegt, dass sich das Gyroskop nicht innerhalb des Gelenks befindet, sondern abwärts des Sperrelementes. Diese Ausbildung und Anordnung ermöglicht eine präzise Ermittlung/Erfassung der relevanten Informationen.A preferred development of the invention is characterized in that at least the gyroscope is arranged below the anatomical knee joint and outside the lower joint part. By "outside" is merely stated that the gyroscope is not within the joint, but down the blocking element. This design and arrangement enables a precise determination / acquisition of the relevant information.

Zweckmäßigerweise ist auch der Beschleunigungssensor unterhalb des anatomischen Kniegelenks und außerhalb des Gelenkunterteils angeordnet. Damit ist zum einen kompakte Anordnung geschaffen. Des Weiteren wird damit eine besonders exakte Erfassung der jeweiligen Position/Lage des Beines und insbesondere des Unterschenkels zur Ermittlung des optimalen Verriegelungs- bzw. Entriegelungszeitpunktes unterstützt.Expediently, the acceleration sensor is also arranged below the anatomical knee joint and outside the lower joint part. For a compact arrangement is created. Furthermore, a particularly accurate detection of the respective position / position of the leg and in particular the lower leg to determine the optimal locking or unlocking time is supported.

Vorzugsweise sind sowohl das Gyroskop als auch der Beschleunigungssensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, was die zuvor genannten Vorteile unterstützt.Preferably, both the gyroscope and the acceleration sensor are arranged in a common housing, which supports the aforementioned advantages.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit unterhalb des anatomischen Kniegelenkes angeordnet ist. Durch die kurzen Schalt- und Übertragungswege ist eine hochpräzise Schaltung des Orthesengelenkes gewährleistet.A further preferred embodiment of the invention is characterized in that the control and / or regulating unit is arranged below the anatomical knee joint. Due to the short switching and transmission paths a high-precision circuit of the orthotic joint is guaranteed.

Bevorzugt ist eine Bedieneinheit zum Eingreifen und/oder Einstellen der Schaltposition durch die Bedienperson vorgesehen. Das ermöglicht ein individuelles und einfaches Bedienen des Orthesengelenkes.Preferably, an operating unit for engaging and / or adjusting the switching position is provided by the operator. This allows an individual and easy operation of the orthotic joint.

Die Verbindungen zwischen dem Sensormittel, der Auswerteeinheit, der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit, dem Betätigungselement und der Bedieneinheit sind wahlweise kabelgebunden oder kabellos ausgebildet, was je nach Anwendungsfall die Funktionalität verbessert. The connections between the sensor means, the evaluation unit, the control and / or regulating unit, the actuating element and the control unit are optionally wired or wireless, which improves the functionality depending on the application.

Weitere bevorzugte und/oder zweckmäßige Merkmale und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform wird anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:Further preferred and / or expedient features and developments emerge from the subclaims and the description. A particularly preferred embodiment will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing shows:

1 eine auseinander gezogene Darstellung eines Orthesengelenkes zum Unterstützten eines anatomischen Kniegelenkes, 1 an exploded view of an orthotic joint for supporting an anatomical knee joint,

2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Orthesengelenkes mit einer Beinschiene in Extensionsstellung, und 2 a schematic representation of the orthotic joint according to the invention with a leg splint in extension, and

3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Orthesengelenkes mit einer Beinschiene in Flexionsstellung. 3 a schematic representation of the orthotic joint according to the invention with a leg splint in flexion position.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Orthesengelenk bzw. eine Orthesenanordnung zum Unterstützen eines menschlichen Gelenkes. Im Folgenden wird das Erfindungsprinzip am Beispiel einer Knieorthese beschrieben. Grundsätzlich ist das beschriebene Orthesengelenk auch für andere Gelenke einsetzbar.The invention relates to an orthotic joint or an orthotic arrangement for supporting a human joint. In the following, the principle of the invention is described using the example of a knee orthosis. In principle, the described orthotic joint can also be used for other joints.

In der 1 ist der übliche Aufbau eines solchen Orthesengelenkes 10 dargestellt, wobei diese Ausführungsform nur beispielhaft für andere übliche Bauformen steht. Das Orthesengelenk 10 umfasst ein Gelenkoberteil 11 und ein Gelenkunterteil 12, wobei die beiden Gelenkteile 11, 12 gelenkig miteinander verbunden sind. Des Weiteren umfasst das Orthesengelenk 10 ein Sperrelement 13 zum automatischen Entriegeln und Verriegeln des Orthesengelenkes 10 in einer beliebigen Position sowie ein Betätigungselement 14 für das Sperrelement 13. Weiterhin ist dem Orthesengelenk 10 ein Sensormittel 15 zum Erfassen von für die Entriegelung und Verriegelung relevanter Informationen, eine Auswerteeinheit 16 zum Auswerten der erfassten Informationen und Weiterleiten derselben an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17 für das Betätigungselement 14 zugeordnet. Der Aufbau des beschriebenen Orthesengelenkes 10 kann auch andere übliche Ausgestaltungen aufweisen, z. B. mit einer Modulbauweise oder als festes Gelenk.In the 1 is the usual structure of such a orthotic joint 10 illustrated, this embodiment is only an example of other conventional designs. The orthotic joint 10 includes a hinge top 11 and a joint base 12 , where the two joint parts 11 . 12 are hinged together. Furthermore, the orthotic joint comprises 10 a blocking element 13 for automatic unlocking and locking of the orthotic joint 10 in any position and an actuator 14 for the blocking element 13 , Furthermore, the orthotic joint 10 a sensor means 15 for detecting information relevant for the unlocking and locking, an evaluation unit 16 for evaluating the acquired information and forwarding the same to a control and / or regulating unit 17 for the actuator 14 assigned. The structure of the described orthotic joint 10 may also have other common configurations, for. B. with a modular design or as a fixed joint.

Ein solches Orthesengelenk 10 ist auch Bestandteil der in 2 dargestellten Orthesenanordnung, wobei das Orthesengelenk 10 das Sensormittel 15, die Auswerteeinheit 16 sowie die Steuerungs- und Regelungseinheit 17 außerhalb des eigentlichen Gelenkbereiches umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Sensormittel 15 einen einzelnen Gyroskopen 20 umfasst, der zum Erfassen der Winkelgeschwindigkeit ω des Gelenkunterteils 12 einerseits sowie zum Erfassen der Schwungrichtung des Gelenkunterteils 12 in Extensionsrichtung und Flexionsrichtung andererseits ausgebildet und eingerichtet ist, so dass die Verriegelung und Entriegelung des Orthesengelenkes 10 unabhängig von der Neigung des Gelenkunterteils 12 steuerbar ist. Die vom Gyroskopen 20 ermittelten Daten/Informationen sind ausreichend, um mittels der Auswerteeinheit 16 die optimalen Verriegelungs- und Entriegelungszeitpunkt für einen Schrittzyklus zu ermitteln. Man könnte auch sagen, dass der Mikroprozessor der Auswerteeinheit 16 derart programmiert ist, das er aus den vom Gyroskop 20 erfassten Informationen die idealen Verriegelungs- und Entriegelungszeitpunkte errechnet.Such a orthotic joint 10 is also part of the in 2 Orthesenanordnung shown, wherein the orthotic joint 10 the sensor means 15 , the evaluation unit 16 as well as the control and regulation unit 17 includes outside of the actual joint area. The invention is characterized in that the sensor means 15 a single gyroscope 20 comprising, for detecting the angular velocity ω of the hinge base 12 on the one hand and for detecting the direction of rotation of the joint base 12 in the extension direction and the direction of flexion on the other hand is designed and set up so that the locking and unlocking of the orthotic joint 10 regardless of the inclination of the joint base 12 is controllable. The gyroscope 20 determined data / information is sufficient to use the evaluation unit 16 determine the optimal locking and unlocking time for a step cycle. You could also say that the microprocessor of the evaluation unit 16 programmed in such a way that it comes out of the gyroscope 20 collected information calculates the ideal locking and unlocking times.

Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und Weiterbildungen stellen jeweils für sich betrachtet oder in Kombination miteinander bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.The features and further developments described below, taken individually or in combination with one another, represent preferred embodiments of the invention.

In der gezeigten Ausführungsform sind die Gelenkteile 11, 12 in einem gemeinsamen Drehpunkt auf einer Achse 21 schwenkbar miteinander verbunden. Die gelenkige Verbindung kann aber auch auf andere Weise realisiert sein. Insbesondere können die Gelenkteile 11, 12 auch unterschiedliche Drehpunkte aufweisen. Das Sperrelement 13 ist vorzugsweise aus einer Zahnscheibe 22, die ebenfalls auf der Achse 121 angeordnet ist, und einer Sperrklinke 23 oder dergleichen gebildet. Zahnscheibe 22 und Sperrklinke 23 sind miteinander in Wirkverbindung bringbar. Dazu ist die Sperrklinke 23 schwenkbar um einen Drehpunkt gelagert, wobei der Drehpunkt der Sperrklinke 23 versetzt zum Drehpunkt der Achse 13 liegt. Durch eine Verzahnung, also die Ausbildung mehrerer Zähne an der Zahnscheibe 22 einerseits und der Sperrklinke 23 andererseits, ist das Orthesengelenk 10 in dem natürlichen Schwenkbereich des menschlichen Beins in beliebigen Positionen verriegelbar. Um das Orthesengelenk 10 an einem menschlichen Bein anlegen bzw. befestigen zu können, sind dem Gelenkoberteil 11 und dem Gelenkunterteil 12 jeweils Stützschienen 18, 19 zugeordnet.In the embodiment shown, the hinge parts 11 . 12 in a common pivot on an axis 21 pivotally connected to each other. The articulated connection can also be realized in other ways. In particular, the joint parts can 11 . 12 also have different pivot points. The blocking element 13 is preferably a toothed disc 22 who are also on the axis 121 is arranged, and a pawl 23 or the like is formed. toothed washer 22 and pawl 23 can be brought into operative connection with each other. This is the pawl 23 pivotally mounted about a pivot point, wherein the pivot point of the pawl 23 offset to the pivot point of the axis 13 lies. By a toothing, so the formation of several teeth on the toothed disc 22 on the one hand and the pawl 23 on the other hand, is the orthotic joint 10 locked in the natural pivoting range of the human leg in any position. Around the orthotic joint 10 To attach or attach to a human leg are the joint upper part 11 and the joint base 12 each support rails 18 . 19 assigned.

Bevorzugt ist die Auswerteeinheit zum Verriegeln des Orthesengelenkes 10 basierend auf den Informationen der positiven Schwungrichtung des Gelenkunterteils 12, nämlich in Extensionsrichtung, einerseits und einer Winkelgeschwindigkeit des Gelenkunterteils 12 von ω = 0 andererseits ausgebildet und eingerichtet. Mit anderen Worten wird mittels des Gyroskops 20 gemessen, mit welcher Geschwindigkeit der Unterschenkel in welche Richtung schwenkt. Am Ende der Schwungphase des Unterschenkels von hinten nach vorne entsteht für den Unterschenkel beim Übergang in die Standphase eine Art Umkehrpunkt. In diesem Umkehrpunkt ist die Winkelgeschwindigkeit ω = 0, wodurch die Verriegelung ausgelöst wird, bevor der Fuß mit den Fußspitzen den Boden berührt.Preferably, the evaluation unit for locking the orthosis joint 10 based on the information of the positive swing direction of the joint base 12 , Namely in the extension direction, on the one hand and an angular velocity of the joint base 12 of ω = 0, on the other hand, designed and set up. In other words, by means of the gyroscope 20 measured, with which speed the lower leg swings in which direction. At the end of the swing phase of the lower leg from back to front arises for the Lower leg at the transition to the stance phase a kind of reversal point. At this reversal point, the angular velocity is ω = 0, which triggers the lock before the foot touches the ground with the toes.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinheit 16 zum Entriegeln des Orthesengelenkes 10 basierend auf den Informationen der negativen Schwungrichtung des Gelenkunterteils 12, nämlich in Flexionsrichtung, einerseits und der mit einem Zeitfaktor kleiner als 1 multiplizierten und über die Winkelgeschwindigkeit ω des Gelenkunterteils 12 ermittelten zeitlichen Schrittlänge des Trägers des Orthesengelenkes 10 andererseits ausgebildet und eingerichtet. Die Entriegelung sollte nicht unmittelbar nach Beginn der Standphase aber auch nicht zu spät in der Standphase erfolgen. Mit den Informationen des Gyroskops 20 bezüglich der Schwungrichtung des Gelenkunterteils 12 einerseits und dem Multiplikator (hier als Zeitfaktor bezeichnet) sowie der Winkelgeschwindigkeit andererseits lässt sich der Entriegelungszeitpunkt mittels der Auswerteeinheit 16 errechnen, so dass selbst bei variierender Schrittgeschwindigkeit stets ein geeigneter Entriegelungszeitpunkt errechnet wird. Besonders bevorzugt ist ein Zeitfaktor von 0,3. Ausgehend von dem Beginn eines Schrittes (Schrittzyklus) in der Extensionsstellung und ω = 0 erfolgt damit die Entriegelung nach etwa 30% des gesamten Schrittzyklus, was sich als optimal herausgestellt hat. Andere Multiplikatoren, insbesondere kleiner 0,6, sind aber ebenfalls möglich und stellen sicher, dass die Entriegelung in der Standphase erfolgt.In the preferred embodiment, the evaluation unit 16 for unlocking the orthotic joint 10 based on the information of the negative swing direction of the joint base 12 , namely in the direction of flexion, on the one hand, and the one multiplied by a time factor smaller than 1, and over the angular velocity ω of the articulated lower part 12 determined temporal step length of the wearer of the orthotic joint 10 on the other hand trained and furnished. The unlocking should not be done immediately after the start of the stance phase but not too late in the stance phase. With the information of the gyroscope 20 with respect to the direction of swing of the hinge base 12 On the one hand and the multiplier (referred to here as time factor) and the angular velocity on the other hand, the unlocking time can be by means of the evaluation unit 16 calculate, so that even with varying walking speed always a suitable release time is calculated. Particularly preferred is a time factor of 0.3. Starting from the beginning of a step (step cycle) in the extension position and ω = 0, the unlocking takes place after about 30% of the entire step cycle, which has turned out to be optimal. Other multipliers, in particular smaller than 0.6, are also possible and ensure that the unlocking takes place in the stance phase.

Bevorzugt umfasst das Sensormittel 15 zusätzlich einen Beschleunigungssensor 24, der zum Kalibrieren des Gyroskops 20 ausgebildet und eingerichtet ist. Mindestens das Gyroskop 20 ist unterhalb des anatomischen Kniegelenks und außerhalb des Gelenkunterteils 12 angeordnet. In der dargestellten und bevorzugten Ausführungsform sind sowohl das Gyroskop 20 als auch der Beschleunigungssensor 24 unterhalb des anatomischen Kniegelenks und außerhalb des Gelenkunterteils 12 angeordnet. Wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, sind bevorzugt sowohl das Gyroskop 20 als auch der Beschleunigungssensor 24 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 25 angeordnet, in dem sich bevorzugt auch die Auswerteeinheit 16 und die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17 befinden. Optional können das Gyroskop 20, der Beschleunigungssensor 24, die Auswerteeinheit 16 sowie die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17 auch separat und vereinzelt vorgesehen sein. Unabhängig davon ob ein Gehäuse 25 vorgesehen ist oder nicht sind sowohl die Auswerteeinheit 16 als auch die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17 unterhalb des anatomischen Kniegelenkes angeordnet. Es sind aber andere als die in den 2 und 3 dargestellten Positionierungen möglich. Das gilt auch für das Gyroskop 20 und den Beschleunigungssensor 24.Preferably, the sensor means comprises 15 in addition an acceleration sensor 24 to calibrate the gyroscope 20 is designed and furnished. At least the gyroscope 20 is below the anatomical knee joint and outside the joint base 12 arranged. In the illustrated and preferred embodiment, both the gyroscope 20 as well as the acceleration sensor 24 below the anatomical knee joint and outside the joint base 12 arranged. Like that 2 and 3 it can be seen, are preferred both the gyroscope 20 as well as the acceleration sensor 24 within a common housing 25 arranged, in which preferably also the evaluation unit 16 and the control and / or regulating unit 17 are located. Optionally, the gyroscope 20 , the acceleration sensor 24 , the evaluation unit 16 as well as the control and / or regulating unit 17 also be provided separately and sporadically. Regardless of whether a housing 25 is provided or not both the evaluation unit 16 as well as the control and / or regulating unit 17 arranged below the anatomical knee joint. But there are other than those in the 2 and 3 shown positioning possible. This also applies to the gyroscope 20 and the acceleration sensor 24 ,

In weiteren zweckmäßigen Ausführungen kann das Betätigungselement 14 z. B. ein Hubmagnet oder ein Piezo-Motor sein. Andere geeignete Schaltelemente sind aber ebenfalls einsetzbar. Die Energieversorgung des Betätigungselementes 14 zur Schaltung der Sperrklinke 23 wird durch geeignete und übliche Mittel sichergestellt, die vorzugsweise im Bereich des Unterschenkels möglichst nahe dem Kniegelenk angeordnet sind. Durch das gewählte Sensormittel 15 ist das Betätigungselement 14 bodenberührungsfrei auslösbar. Anders ausgedrückt ist das Betätigungselement 14 unabhängig vom Fußteil auslösbar, so dass eine Verriegelung des Orthesengelenkes 10 realisierbar ist, bevor der Patient den Fuß auf den Boden setzt. Um dem Patienten einen unmittelbaren und direkten Zugriff bzw. Eingriff in die Schaltung der Sperrklinke 23 zu ermöglichen und insbesondere auch das Gyroskop 20 und den Beschleunigungssensor 24 bezüglich ihrer Empfindlichkeit einstellen und ggf. kalibrieren zu können, ist eine Bedieneinheit 26 vorgesehen. Mittels der Bedieneinheit 26 kann der Patient auch manuell die Schaltung der Sperrklinke 23 auf Entriegeln oder Verriegeln einstellen. Die Bedieneinheit 26 verfügt vorzugsweise über eine eigene Energieversorgung, die nur der Stromversorgung der Bedieneinheit 26 dient.In further expedient embodiments, the actuating element 14 z. B. be a solenoid or a piezo motor. Other suitable switching elements are also used. The power supply of the actuating element 14 for switching the pawl 23 is ensured by suitable and conventional means, which are preferably arranged as close to the knee joint in the region of the lower leg. By the selected sensor means 15 is the actuator 14 ground contact free triggerable. In other words, the actuator is 14 independently triggerable from the foot part, so that a locking of the orthotic joint 10 is feasible before the patient puts his foot on the floor. To give the patient an immediate and direct access or intervention in the circuit of the pawl 23 to allow and in particular the gyroscope 20 and the acceleration sensor 24 to adjust their sensitivity and calibrate if necessary, is a control unit 26 intended. By means of the control unit 26 The patient can also manually switch the circuit of the pawl 23 set to unlock or lock. The operating unit 26 preferably has its own power supply, only the power supply of the control unit 26 serves.

Bezüglich der Übermittlung von Daten, Signalen etc. sind verschiedene Varianten möglich. Zum einen können die Verbindungen 27 zwischen den einzelnen Komponenten, also dem Gyroskop 20, dem Beschleunigungssensor 24, der Auswerteeinheit 16, der Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17, dem Betätigungselement 14 und der Bedieneinheit 26 über Kabel oder Leitungen hergestellt sein. In anderen Ausführungsformen können diese Verbindungen 27 auch kabellos, also über Funkverbindungen realisiert sein. In diesem Fall sind jeweils geeignete und übliche Sende- und Empfangselemente vorgesehen. Die in den Figuren dargestellten Verbindungen 27 sind nur beispielhaft. Die Komponenten können auch in anderer Weise miteinander verschaltet sein.With regard to the transmission of data, signals, etc., different variants are possible. For one thing, the connections can 27 between the individual components, ie the gyroscope 20 , the accelerometer 24 , the evaluation unit 16 , the control and / or regulating unit 17 , the actuator 14 and the control unit 26 be made over cables or lines. In other embodiments, these compounds may be 27 also wireless, so be realized via wireless connections. In this case, suitable and customary transmitting and receiving elements are provided in each case. The compounds shown in the figures 27 are only examples. The components can also be interconnected in other ways.

In weiteren nicht dargestellten Ausführungsformen kann zusätzlich ein Drucksensor im Fußbereich vorgesehen sein, der optional an die Steuerungs- und/oder Regelungseinheit 17 angeschlossen ist. Der Drucksensor kann zur ergänzenden Schaltung sowie als Sicherheitskomponente dienen.In further embodiments, not shown, a pressure sensor may additionally be provided in the foot region, which is optionally connected to the control and / or regulating unit 17 connected. The pressure sensor can serve as a supplementary circuit as well as a safety component.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1237513 B1 [0004]

Claims

Orthotic joint ( 10 ) for supporting an anatomical joint, comprising a joint upper part ( 11 ) and an articulated lower part ( 12 ), where joint upper part ( 11 ) and joint lower part ( 12 ) are hinged together, a blocking element ( 13 ) for automatically unlocking and locking the orthotic joint ( 10 ) in any position, an actuator ( 14 ) for the blocking element ( 13 ) and a sensor means ( 15 ) for detecting information relevant for the unlocking and locking and an evaluation unit ( 16 ) with a microprocessor for evaluating the acquired information and forwarding the same to a control and / or regulating unit ( 17 ) for the actuator ( 14 ), characterized in that the sensor means ( 15 ) a single gyroscope ( 20 ) for detecting the angular velocity ω of the articulated lower part ( 12 ) on the one hand and for detecting the direction of the pivot of the joint lower part ( 12 ) in the direction of extension and the direction of flexion on the other hand is designed and set up so that the locking and unlocking of the orthotic joint ( 10 ) regardless of the inclination of the lower joint part ( 12 ) is controllable.

Orthotic joint ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the evaluation unit ( 16 ) for locking the orthotic joint ( 10 ) based on the information of the positive momentum direction of the articulated lower part ( 12 ), namely in the extension direction, on the one hand, and an angular velocity of the joint lower part ( 12 ) of ω = 0 on the other hand is designed and set up.

Orthotic joint ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the evaluation unit ( 16 ) for unlocking the orthotic joint ( 10 ) based on the information of the negative swing direction of the articulated lower part ( 12 ), namely in the direction of flexion, on the one hand, and the one multiplied by a time factor smaller than 1 and by the angular velocity ω of the joint lower part ( 12 ) determined temporal step length of the support of the orthotic joint ( 10 ) on the other hand is designed and furnished.

Orthotic joint ( 10 ) according to claim 3, characterized in that the time factor is at most 0.6 and preferably about 0.3.

Orthotic joint ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor means ( 15 ) additionally an acceleration sensor ( 24 ) for calibrating the gyroscope ( 20 ) is designed and furnished.

Orthotic joint ( 10 ) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that at least the gyroscope ( 20 ) below the anatomical knee joint and outside of the joint lower part ( 12 ) is arranged.

Orthosis joint according to claim 5 or 6, characterized in that also the acceleration sensor ( 24 ) below the anatomical knee joint and outside of the joint lower part ( 12 ) is arranged.

Orthotic joint ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that both the gyroscope ( 20 ) as well as the acceleration sensor ( 24 ) in a common housing ( 25 ) are arranged.

Orthotic joint ( 10 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the control and / or regulating unit ( 17 ) is located below the anatomical knee joint.

Orthotic joint ( 10 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that a control unit ( 26 ) is provided for engaging and / or adjusting the switching position by the operator.

Orthotic joint ( 10 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the compounds ( 27 ) between the sensor means ( 15 ), the evaluation unit ( 16 ), the control and / or regulating unit ( 17 ), the actuating element ( 14 ) and the control unit ( 26 ) are either wired or wireless.