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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gelenkvorrichtung für einen Gelenkeinsatz in Körpern von Lebewesen, insbesondere Menschen, zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen Gelenkbewegungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Zahlreiche Personengruppen benötigen heutzutage Künstliche Gelenke. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Insbesondere durch Arthrose, der häufigsten aller Gelenkerkrankungen, entsteht in vielen Fällen die Notwendigkeit Gelenke durch ein Implantat zu ersetzen. Am häufigsten betroffen sind Hände, Knie und Hüften, aber auch alle anderen Gelenke können befallen sein. Über drei Millionen Menschen haben allein in Deutschland bereits ein Künstliches Gelenk. Jährlich werden etwa 200.000 künstliche Hüftgelenke, 150.000 künstliche Kniegelenke sowie 12.000 künstliche Schultergelenke eingesetzt [vgl. http://www.arthrose.de/arthrose/haeufigkeit.html].
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Weitere Ursachen können angeborene oder erworbene Fehlstellungen, rheumatische Erkrankungen oder seltenere Erkrankungen wie z.B. Hämophilie, Gicht oder Nekrose sein [vgl. http://www.asklepios.com/orthopaediehamburgwest_Kniegelenk.Asklepios]. Am häufigsten betroffen sind gewichtstragende Gelenke wie z.B. Hüft- oder Kniegelenk [vgl. http://www.arthrose.de/arthrose/haeufigkeit.html].
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Künstliche Gelenke stellen aber nicht nur für bestimmte Gruppen von Menschen eine Erleichterung, Verbesserung von Lebensqualität und Alternative oder Ergänzung für das natürliche Gelenk dar, sondern können ganz generell in Körpern von Lebewesen zum Einsatz kommen.
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Alle künstlichen Gelenke oder Gelenkprothesen funktionieren derzeit "passiv", d.h. sie ersetzen den natürlichen Gelenkmechanismus, während der künstliche Gelenkmechanismus des Künstlichen Gelenkes jedoch weiterhin durch körpereigene Muskeln bewegt wird.
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Eine typische Gelenkprothese im Knie des Menschen ist auf der Web-Seite http://www.apotheken-umschau.de/multimedia/15/51/89/6208544785.jpg dargestellt. Die Web-Seiten-Darstellung zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Kniegelenkprothese ohne Unterstützung.
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Bei der klassischen Gelenkprothese wird sowohl am Schienbein als auch am Oberschenkelknochen jeweils ein Gelenkstück, vorzugsweise aus Metall (es können aber auch andere Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften, was die Abriebfestig- und Steifigkeit betrifft, zum Einsatz kommen), in passender Form zum Gelenk angebracht und verankert. Ein erstes Gelenkstück, vorzugsweise im Fall des Kniegelenks ausgebildet als Gelenkrolle, wird dabei am Fuß des Oberschenkelknochens angebracht. Ein zweites Gelenkstück, vorzugsweise im Fall des Kniegelenks ausgebildet als Metallplateau, wird dabei auf dem Schienbeinkopf des Schienbeins verankert. Zwischen den beiden Gelenkstücken bzw. der Gelenkrolle und dem Metallplateau befindet sich ein als Gleitfläche ausgebildetes, an die Gelenkrolle und dem Metallplateau formmäßig angepasstes und vom Dämpf- und Reibverhalten für die Kniegelenkbewegung materialmäßig optimal ausgelegtes Gleitstück, um die Bewegung zu erleichtern. Die Bewegung des Kniegelenks wird (wenngleich in der Web-Seiten-Darstellung nicht explizit gezeigt) ausschließlich durch Muskelkraft erreicht.
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Vor diesem Hintergrund der "passiven" Funktionsweise des Gelenkmechanismus heutiger Künstlicher Gelenke fokussiert sich die Forschung und praxisnahe Anwendung von Künstlichen Gelenken auf die Verbesserung und Weiterentwicklung dieser "passiven" Gelenkmechanismen, so z.B. in der Weise, um deren Lebensdauer zu erhöhen und medizinisch-operative Eingriffe zum Ersetzen der künstlichen Gelenke überflüssig zu machen.
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Ein weiterer Fokus bestand bisher in der Entwicklung von äußeren Stütz- und Bewegungsstrukturen, sogenannten Exoskeletten, die bisher insbesondere bei gelähmten Menschen, im industriellen Bereich und im rüstungsnahen Bereich eingesetzt wurden.
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Beispiele für den medizinischen Einsatz sind unter anderem das "ReWalk-Exosklett" [vgl. http://www.rewalk.com/de/], "eLEGS" von Berkeley Bionics [vgl. http://www.exoskelette.com/berkeley-bionics.html], das "HAL-Exosklett" [vgl. https://www.youtube.com/watch?v=_Jq2zr5tauA] oder "REX Bionics" [vgl. http://www.rexbionics.com/].
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Beispiele aus dem militärischen Bereich sind der "Lockheed Hulc" [vgl. http://www.lockheedmartin.com/us/products/hulc.html] oder der "X-OS 2" von Raytheon [vgl. http://www.armytechnology.com/projects/raytheon-xos-2-exoskeleton-us/].
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Beispiel für industrielle Anwendungen ist u.a. der "Panasonic Power Loader" [vgl. http://www.cnet.com/news/panasonic-working-on-actual-alien-power-loader/].
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Großer Nachteil bisheriger Exoskelette ist, dass Sie ein hohes Gewicht haben, sehr sperrig sind und so die Bewegungsfreiheit einschränken. Darüber hinaus wirken die Kräfte bei Exoskeletten nur indirekt von außen und nicht direkt innerhalb des Gelenks.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Gelenkvorrichtung für einen Gelenkeinsatz in Körpern von Lebewesen, insbesondere Menschen, zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen Gelenkbewegungen und ein Künstliches Gelenk anzugeben, bei der bzw. bei dem, wenn die natürlichen – d.h. die anatomischen, körpereigenen – Gelenkbewegungen nur noch eingeschränkt bis gar nicht mehr funktionieren, z.B. durch Lähmung der muskulären Funktionen, die Unterstützung oder Ersetzung der natürlichen Gelenkbewegungen gegenüber bekannten Gelenkprothese verbessert und optimiert wird und zwar vorzugsweise soweit, um eine zusätzliche Leistungssteigerung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Vorrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Darüber hinaus wird die Aufgabe wird durch ein Künstliches Gelenk gemäß dem Patentanspruch 13 gelöst.
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Die der Erfindung zugrundeliegenden Idee besteht darin, eine Gelenkvorrichtung für einen Gelenkeinsatz in Körpern von Lebewesen, insbesondere Menschen, zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen (d.h. anatomischen, körpereigenen) Gelenkbewegungen und ein Künstliches Gelenk zu schaffen, bei der bzw. bei dem zur Unterstützung oder Ersetzen der anatomischen, körpereigenen Gelenkbewegungen eine aktive endogene Gelenkbewegung erzeugt wird. Eine derartig "aktiv" gestaltete Vorrichtung und ein derartig "aktiv" gestalteten Künstlichen Gelenk, bei der bzw. bei dem natürliche Bewegungen unterstützt oder komplett ersetzt werden, könnte insbesondere bei Patienten (Mensch und Tier) hilfreich sein, deren muskuläre Funktionen stark eingeschränkt sind (z.B. durch Lähmung), aber auch bei nicht eingeschränkten Patienten oder Exoskeletten zu enormen Leistungssteigerungen führen (z.B. Militär, industrielle Anwendungen).
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Um die Gelenkbewegungen bei Lebewesen zu erleichtern, wird ein (zu bisher bekannten Künstlichen Gelenken alternatives) Künstliches Gelenk, vorzugsweise für das Knie von Menschen und/oder Tieren, vorgeschlagen. Insbesondere durch die Miniaturisierung von Sensoren und Motoren ist es möglich, Künstliche Gelenke "aktiv" zu gestalten, d.h. es wird durch eine beim Einsatz im Körper des Lebewesens mit Gelenkknochen des natürliche Gelenks eine gemeinsame Funktionseinheit bildende Gelenkvorrichtung eine aktive, auf elektromotorische Kraftausübung auf Gelenkknochen basierende endogene Gelenkbewegung erzeugt, die die natürliche Gelenkbewegung unterstützt oder ersetzt. Die vorgeschlagene Gelenkvorrichtung enthält hierfür gemäß dem Anspruch 1 folgende Komponenten
- a. Eine Gelenkprothese mit Prothesestücken, die mit Gelenkknochen des natürlichen Gelenkes verbunden wird bzw. werden;
- b. Einen Miniatur-Elektromotor für die elektromotorische Kraftausübung, der vorzugsweise (vgl. Anspruch 10) zur Elektrizitätsversorgung, z.B. Stromversorgung, mit einer primär- oder sekundärzellenbasierten Batterie verbindbar ist (diese Versorgung kann entweder körperendogen oder körperexogen erfolgen);
- c. ein Verbindungs- und Kraftübertragungselement zwischen Motor und Gelenkprothese mit dem die Bewegung/Kraft des Motors auf die Gelenkprothese und die Gelenkknochen übertragen wird;
- d. eine Steuerungseinheit zur körperendogenen und/oder körperexogenen Ansteuerung des Miniatur-Elektromotors.
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Die Hauptvorteile des vorgeschlagenen Künstlichen Gelenks mit der hierfür vorgesehenen Gelenkvorrichtung sind:
- 1) Die Bewegung von Lebewesen (z.B. Mensch oder Tier) mit Bewegungseinschränkung wird erleichtert.
- 2) Im industriellen oder militärischen Umfeld kann durch eine solche Vorrichtung eine deutliche Einsparung an Muskelkraft und somit eine längere Ausdauer erreicht werden.
- 3) Im Vergleich zu den eingangs erwähnten exogenen Lösungen (z.B. Exoskeletten) ist die vorgeschlagene Gelenkvorrichtung, gegebenenfalls mit Ausnahme der Stromversorgung, nicht sichtbar.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung aus der Vielzahl möglicher Ausführungsbeispiele [z.B. für unterschiedliche Gelenkformen bei Lebewesen, insbesondere Menschen, (z.B. Kugelgelenk, Ellipsoidgelenk, Sattelgelenk, Scharniergelenk, Roll-, Rad- oder Zapfengelenk, Drehgelenk und/oder Kondylengelenk) und/oder andere physikalischtechnische Arten der aktiven Unterstützung/Ersetzung des natürlichen Gelenkmechanismus] anhand des menschlichen Kniegelenks (Kondylengelenk) gemäß der 1 bis 6. Diese zeigen:
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1A und 1B (Stand der Technik) in Anlehnung an die Darstellung und Beschreibung auf der Web-Seite http://www.cpk-kempten.de/kniegelenk.html sowie in Form einer Seitenansicht (1A) und einer Schnittdarstellung von 1A (1B) den Aufbau und die Funktion eines Kniegelenkes (vom Menschen).
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2A und 2B ausgehend von den 1A und 1B den Aufbau eines Künstlichen Kniegelenkes mit einer schematisch dargestellten Gelenkvorrichtung zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen (d.h. anatomischen, körpereigenen) Kniegelenkbewegungen.
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3 in Anlehnung an die Darstellung auf der Web-Seite http://www.heilberufe-ausbildung.de/Knochen_Gelenke/Knochen.htm die prinzipielle Wirkungsweise und den Einsatz des Künstlichen Kniegelenk mit der Gelenkvorrichtung gemäß den 2A und 2B im Körper eines Menschen zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen der natürlichen Kniegelenkbewegungen.
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4 den prinzipiellen Aufbau und die im Künstlichen Kniegelenk anordnungsspezifische prinzipielle Realisierung eines elektromotorisch basierten Konzeptes der Gelenkvorrichtung nach 3 zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen der natürlichen Kniegelenkbewegungen.
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5A, 5B und 5C ausgehend von der 4 das elektromotorisch basierte endogene Unterstützen des Knies bei einer Bewegung (erste Bewegungsrichtung) aus einer neutralen Kniegelenkstellung (180°-Stellung; 5A), über eine schwachleicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 160°-Stellung; 5B) in eine mittel-leicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 120°-Stellung; 5C;).
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6A, 6B und 6C ausgehend von der 4 und den Szenario in den 5A bis 5C das elektromotorisch basierte endogene Unterstützen des Knies bei einer Bewegung (zweite Bewegungsrichtung; entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung) aus der mittel-leicht abgewinkelten Kniegelenkstellung (z.B. 120°-Stellung; 6A;), über die schwach-leicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 160°-Stellung; 6B) in die neutrale Kniegelenkstellung (180°-Stellung; 6C).
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Mit anderen Worten: Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung lässt sich aufgrund der korrespondierenden Figurenbeschreibung für jedermann in beliebiger Weise auf andere vorstellbare Ausführungsbeispiele, z.B. die vorstehend angedeuteten Alternativen, anwenden.
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1A und 1B (Stand der Technik) zeigen in Anlehnung an die Darstellung und Beschreibung auf der Web-Seite http://www.cpk-kempten.de/kniegelenk.html sowie in Form einer Seitenansicht (1A) und einer Schnittdarstellung von 1A (1B) den Aufbau und die Funktion eines Kniegelenkes KG (vom Menschen). Das menschliche Kniegelenk KG setzt sich aus zwei Teilgelenken, einem Kniescheibengelenk KSG und einem Kniekehlengelenk KKG zusammen. Die zum Kniegelenk KG gehörenden Gelenkknochen GK sind eine Kniescheibe KS, ein Oberschenkelknochen OSK, ein Schienbein SBE und ein Wadenbein WBE. Die Kniescheibe KS und der Oberschenkelknochen OSK bilden dabei das Kniescheibengelenk KSG, während der Oberschenkelknochen OSK und das Schienbein SBE das Kniekehlengelenk KKG bilden. Charakteristisch für beide Teilgelenke KKG, KSG des Kniegelenks KG ist, dass zwischen dem Oberschenkelknochen OSK und der Kniescheibe KS sowie zwischen dem Oberschenkelknochen OSK und dem Schienbein SBE jeweils eine Gelenkfläche GFL besteht, die aus einem mit einer Knorpelschicht KPS bedeckten Gelenkfortsatz GFS am Fuß des Oberschenkelknochens OSK, auf der dem Gelenk zugewandten Seite der Kniescheibe KS und am Schienbeinkopf des Schienbeins SBE gebildet wird.
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Eine weitere Besonderheit des Kniegelenks KG ist, dass im Kniekehlengelenk zwischen den Gelenkflächen GFL des Oberschenkelknochens OSK und des Schienbeins SBE noch ein weiteres Knorpelgebilde vorhanden ist, das als Meniskus MK bezeichnet wird. Der Meniskus MK besteht gemäß der Darstellung in der 1B aus einem Innenmeniskus IMK und einem Außenmeniskus AMK. Bei der Bewegung des Kniegelenks KG gleiten und rollen die in den Teilgelenken KSG, KKG gebildeten Gelenkflächen GFL zueinander.
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Während beim Kniescheibengelenk KSG durch den Einbau der Kniescheibe KS in Oberschenkelmuskulatur OSM und einem Kniescheibenband KSB als unterer Fortsatz der Oberschenkelmuskulatur OSM die Gelenkflächen GFL der Kniescheibe KS und des Oberschenkelknochens OSK mehr oder weniger passgenau gegenüberstehen, ist ein solches passgenaues Gegenüberstehen der Gelenkflächen GFL des Oberschenkelknochens OSK und des Schienbeins SBE im Kniekehlengelenk KKG nicht gegeben. Ohne den Meniskus MK bzw. die Menisken IMK, AMK zwischen den Gelenkflächen GLF des Oberschenkelknochens OSK und des Schienbeins SBE würde ganz generell und insbesondere bei der Gleit- und Rollbewegung der Gelenkflächen GLF eine ungleichmäßige Druckverteilung zwischen den Gelenkknochen GK existieren. Durch den Meniskus MK im Kniekehlengelenk KKG wird dieses jedoch in der Regel eliminiert.
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Neben dem Herstellen einer gleichmäßigen Druckverteilung zwischen den Gelenkflächen GFL dient der Meniskus MK, IMK, AMK zusätzlich noch als Stoßdämpfer bei einer Belastung des Kniekehlengelenks KKG bzw. des Kniegelenks KG, insbesondere durch Bewegung des menschlichen Körpers. Darüber hinaus trägt der Meniskus MK, IMK, AMK zur Stabilisierung des Kniekehlengelenks KKG und somit des Kniegelenks KG insgesamt bei. Für die Stabilisation des Kniegelenks KG sind neben dem Meniskus MK bzw. den Menisken IMK, AMK noch die das Kniegelenk KG umspannende/-gebende Muskulatur sowie mehrere Bänder neben dem bereits erwähnten Kniescheibenband KSB verantwortlich. Zu diesen Bändern zählen insbesondere – wie in der 1B dargestellt – ein Innenband IBA, ein Außenband ABA und Kreuzbänder KRB. In der Schnittdarstellung des Kniegelenks KG in der 1B ist von den zwei im Kniegelenk KG vorhandenen Kreuzbändern KRB nur ein vorderes Kreuzband VKRB dargestellt, während ein hinteres Kreuzband durch die Schnittdarstellung nicht zu sehen ist. Die Kreuzbänder KRB befinden sich in der Mitte des Kniegelenks KG und sind jeweils am Oberschenkelknochen OSK und am Schienbein SBE befestigt.
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2A und 2B zeigen ausgehend von den 1A und 1B den Aufbau eines Künstlichen Kniegelenks KÜKG mit einer schematisch dargestellten Gelenkvorrichtung GV zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen (anatomischen, körpereigenen) Kniegelenkbewegungen. Das Künstliche Gelenk KÜKG unterscheidet sich im vorliegenden Fall von dem natürlichen Kniegelenk KG in den 1A und 1B dadurch, dass aufgrund der für das Künstliche Kniegelenk KÜKG im Kniekehlengelenk KKG vorgesehenen Gelenkvorrichtung GV am Oberschenkelknochen OSK ein Teil (ausgenommen ist der Teil des Oberschenkelknochen OSK der zum Kniescheibengelenk KSG gehört) des als Gelenkfläche GFL ausgebildeten, mit der Knorpelschicht KPS bedeckten Gelenkfortsatzes GFS sowie am Schienbein SBE der vollständig als Gelenkfläche GFL ausgebildete, mit der Knorpelschicht KPS bedeckte Gelenkfortsatz GFS einschließlich des Meniskus MK bzw. der Menisken IMK, AMK entfernt und durch die Gelenkvorrichtung GV ersetzt ist. Dies bedeutet, dass alle anderen Teile des in den 1A und 1B beschriebenen Kniegelenks KG, die für die Stabilisation des Kniegelenks KG und für die natürlichen Kniegelenkbewegungen in Anspruch genommen werden, erhalten bleiben. So bleibt z.B. gemäß der 2A das Kniescheibengelenk KSG von der Implantation der Gelenkvorrichtung GV völlig unberührt und weiterhin voll funktionsfähig. Gleiches trifft gemäß der 2B auch auf die Bänder des Künstlichen Kniegelenks KÜKG, dem Innenband IBA, dem Außenband ABA und den Kreuzbändern KRB und insbesondere dem in der 2B dargestellten vorderen Kreuzband KB zu.
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Bei einem derartig, wie in den 2A und 2B dargestellten Künstlichen Kniegelenk KÜKG ist es deshalb sichergestellt, dass, wenn die Gelenkvorrichtung GV in dem Künstlichen Kniegelenk KÜKG zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen von natürlichen Gelenkbewegungen eingesetzt wird und unabhängig davon wie dies ausgestaltet ist, zumindest die Stabilität des Kniegelenkes trotz des Fehlens des Meniskus MK, IMK, AMK gegeben ist. Die sonstigen durch das Fehlen des Meniskus MK bzw. der Menisken IMK, AMK entstehenden funktionellen Beeinträchtigungen des Künstlichen Kniegelenks KÜKG gegenüber dem natürlichen Kniegelenk KG in den 1A und 1B, wie z.B. die Stoßdämpffunktion und die Eigenschaft zur Herstellung einer gleichmäßigen Druckverteilung in den Gelenkflächen, sollten deshalb durch die Gelenkvorrichtung GV bestmöglich abgemildert werden.
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Die Erzeugung von natürlichen Gelenkbewegungen, z.B. in dem Kniegelenk KG in den 1A und 1B, ist das Zusammenspiel von Anatomischem Gelenkmechanismus, den Gelenkmechanismus umgebender Muskulatur und Zentralem Nervensystem als Bewegungsimpulsgeber für die Muskulatur. Ist dieses System aus Gelenkmechanismus, Muskulatur und Zentralem Nervensystem voll oder nur noch eingeschränkt funktionsfähig, so kann durch die implantierte Gelenkvorrichtung GV die durch dieses System bereitgestellte natürliche Kniegelenkbewegung unterstützt werden. Ist hingegen das System aus Gelenkmechanismus, Muskulatur und Zentralem Nervensystem so stark gestört, z.B. durch Lähmung, dass keine natürliche Kniegelenkbewegung mehr möglich ist, so ersetzt die implantierte Gelenkvorrichtung GV die natürliche Kniegelenkbewegung.
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3 zeigt in Anlehnung an die Darstellung auf der Web-Seite http://www.heilberufe-ausbildung.de/Knochen_Gelenke/Knochen.htm die prinzipielle Wirkungsweise und den Einsatz des Künstlichen Kniegelenks KÜKG mit der implantierten Gelenkvorrichtung GV gemäß den 2A und 2B im Körper eines Menschen zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen der natürlichen Kniegelenkbewegungen. Zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der Gelenkvorrichtung GV sind in der 3 die meisten Komponenten der Gelenkvorrichtung GV (aber nicht alle Komponenten der Gelenkvorrichtung GV) dargestellt. Die noch fehlenden für das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung aber ebenfalls relevanten Komponenten der Gelenkvorrichtung GV sind in 4 dargestellt.
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Gemäß der Darstellung in der 3 umfasst die Gelenkvorrichtung GV (schematische Darstellung) eine Gelenkprothese GPT, die in dem Kniegelenk des menschlichen Körpers implantiert ist. In das Kniegelenk ist weiterhin ein als Stellmotor ausgebildeter Miniatur-Elektromotor MEM eingebracht, der mit der Gelenkprothese GPT verbunden ist. Diese Verbindung ist in der 3 derart dargestellt, dass der Miniatur-Elektromotor MEM als kleineres "Kästchen" sich in einem größeren "Kästchen", das die Gelenkprothese GPT darstellt, befindet. Wie die Verbindung zwischen dem Miniatur-Elektromotor MEM und der Gelenkprothese GPT im Detail aussieht, ist dann weiter unten in 4 dargestellt.
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Neben der Gelenkprothese GPT und dem Miniatur-Elektromotor MEM enthält die Gelenkvorrichtung GV noch eine Steuerungseinheit STE, die zur Steuerung des Miniatur-Elektromotors MEM mit diesem verbunden ist. Die Steuerungseinheit STE befindet sich vorzugsweise in der Nähe des im Kniegelenk eingebrachten Miniatur-Elektromotors MEM (vgl. 4). Diese bevorzugte Unterbringung (Implantierung) der Steuerungseinheit STE ist in der 3 aus Platzgründen nicht dargestellt. Stattdessen befindet sich die Steuerungseinheit STE gemäß der 3 unweit von dem Kniegelenk mit dem implantierten Miniatur-Elektromotor MEM am Oberschenkelknochen OSK (Alternative für die Einbringung der Steuerungseinheit).
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Bevor im Weiteren auf die detaillierte prinzipielle Wirkungsweise der Gelenkvorrichtung GV eingegangen wird, soll nachfolgend zunächst einmal der Aufbau der Steuerungseinheit STE und des Miniatur-Elektromotors MEM beschrieben werden.
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Zentrale Komponente der Steuerungseinheit STE ist ein Mikroprozessor MIP, der jeweils eine bidirektionale Verbindung zu einem Radio Frequency Interface (RF-Interface) RFI, zu mindestens einem Input/Output-Interface (I/O-Interface) IOI, vorzugsweise aber zwei I/O-Interfaces – ein erstes I/O-Interface IOI1 und ein zweites I/O-Interface IOI2 – und zu einer Programmier-Schnittstelle PSS aufweist. Über das I/O-Interface IOI bzw. das erste I/O-Interface IOI1 ist der Mikroprozessor MIP der Steuerungseinheit STE mit dem Miniatur-Elektromotor MEM bidirektional verbunden.
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Der als Stellmotor fungierende Miniatur-Elektromotor MEM ist vorzugsweise entweder als Miniatur-Wechselstrommotor mit einem zugeordneten Wechselrichter, als Miniatur-Gleichstrommotor oder als Digitalmotor mit einem zugeordneten Digitaldecoder ausgebildet. Der Miniatur-Elektromotor MEM enthält für die elektromotorische Kraftübertragung einen Antriebsmotor ATM, einen Positionier-Controller POC und ein Getriebe GTB, die in der in der 3 dargestellten Weise miteinander verbunden sind und eine Funktionseinheit zur steuerbaren elektromotorischen Kraftübertragung bilden. Zu diesem Zweck findet auf der bidirektionalen Verbindung "Miniatur-Elektromotor <-> Steuerungseinheit" ein Datenaustausch sowie eine Übertragung von Steuerungskommandos statt. Dazu kommuniziert der Mikroprozessor MIP der Steuerungseinheit STE über das I/O-Interface IOI bzw. das erste I/O-Interface IOI1 mit dem Positionier-Controller POC des Miniatur-Elektromotors MEM.
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Sowohl die Steuerungseinheit STE als auch der Miniatur-Elektromotor MEM werden für den jeweiligen Betrieb von einer Batterie BAT mit elektrischer Energie, d.h. mit Strom, versorgt. Die Batterie BAT funktioniert vorzugsweise primär- oder sekundärzellenbasiert und ist entweder innerhalb oder außerhalb des menschlichen Körpers angeordnet oder angebracht. Bei der Anordnung der Batterie BAT innerhalb des Körpers ist diese beispielsweise an dem Gelenkknochen GK, z.B. dem Schienbein SBE, wie in der 3 dargestellt, befestigt. Gegebenenfalls könnten hier, bei der endogenen Platzierung der Batterie BAT, im Fall, dass die Batterie sekundärzellenbasiert ist, auch kabellose Lademöglichkeiten, beispielweise durch Induktion, in Frage kommen.
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Bei der Anbringung außerhalb des Körpers kann sich die Batterie BAT beispielsweise an einem Gürtel, der um die Hüfte des Menschen gelegt ist, angebracht sein.
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Damit nun in dem in den Körper des Menschen eingebrachten Künstlichen Kniegelenk KÜKG die natürlichen Kniegelenkbewegungen durch die Gelenkvorrichtung GV endogen unterstützt oder ersetzt werden können, muss der Mikroprozessor MIP der Steuerungseinheit STE zur Steuerung des Miniatur-Elektromotors MEM durch impulsbasierte Steuerbefehle (Impulse) angesteuert werden. Dabei werden Steuerungskommandos zur Steuerung des Miniatur-Elektromotors MEM erzeugt und ausgegeben. Diese impulsbasierte Steuerung erfolgt vorzugsweise durch zumindest eine der nachfolgenden Arten von Impulsgebung:
- 1. Steuerung durch eine körperendogene Impulsgebung, bei der die Steuerungseinheit STE bzw. der Mikroprozessor MIP über das I/O-Interface IOI bzw. das zweite I/O-Interface IOI2 mit mindestens einem Elektromyographie-Sensor EMGS und/oder mindestens einem Gehirnstrom-Sensor GSS, die jeweils für die Steuerung der endogenen Kniegelenkbewegungen bestimmte körpereigene Impulse erfassen, verbunden ist.
- 2. Steuerung durch eine manuelle, körpereigene und -exogene Impulsgebung, bei der die Steuerungseinheit STE bzw. der Mikroprozessor MIP über das I/O-Interface IOI bzw. das zweite I/O-Interface IOI2 elektromechanisch mit einer manuell von einem Menschen, dem die Gelenkvorrichtung GV implantiert worden ist, bedienbaren, Impulse auslösenden Bedieneinrichtung BDE verbunden ist. Die Bedieneinrichtung BDE ist dabei vorzugsweise derart am Körper des Menschen angebracht, dass dieser durch einfache Handbedienung das Aussenden von Impulsen durch die Bedieneinrichtung BDE auslösen kann. Vorstellbar ist aber auch (wie in der 3 dargestellt), dass die Bedieneinrichtung BDE z.B. um die Hüfte des Menschen befestigt ist.
- 3. Steuerung durch eine externe, körperfremde und -exogene Impulsgebung, bei der die Steuerungseinheit STE bzw. der Mikroprozessor MIP über das RF-Interface RFI mit einem Fernsteuergerät FSG zur Aussendung ferngesteuerter Impulse an die Steuerungseinheit STE drahtlos verbunden ist.
- 4. Steuerung durch eine automatisierte, auf die körpereigenen Gelenkbewegungen angepasste Impulsgebung, bei der die Steuerungseinheit STE bzw. der Mikroprozessor MIP über die Programmier-Schnittstelle PSS derart programmierbar ist, dass, wenn ein Mensch, dem die Gelenkvorrichtung GV implantiert worden ist, der das natürliche Kniegelenk KG noch ganz leicht bewegen kann und somit noch eine initiale Bewegung des Körpers schafft, durch entsprechendes Programm-basiertes Ansteuern des Miniatur-Elektromotors MEM die aktive unterstützende endogene Kniegelenkbewegung gestartet wird.
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4 zeigt den prinzipiellen Aufbau und die im Künstlichen Kniegelenk KÜKG anordnungsspezifische prinzipielle Realisierung des elektromotorisch basierten Konzeptes der Gelenkvorrichtung GV nach der 3 zum endogenen Unterstützen oder Ersetzen der natürlichen Kniegelenkbewegungen. Ausgehend von den Darstellungen in den 2A und 2B zeigt die 4 anhand einer vereinfachten Prinzipskizze des Kniekehlengelenks KKG mit dem beteiligten Oberschenkelknochen OSK und dem Schienbein SBE welche zusätzlichen Komponenten der Gelenkvorrichtung GV, zu denen bereits bei der Beschreibung der 3 erwähnten Vorrichtungskomponenten, in das Kniekehlengelenk KKG implantiert sind. Als erstes wäre die Gelenkprothese GPT zu nennen, die an den Enden der Gelenkknochen GK (Fuß des Oberschenkelknochens OSK und Schienbeinkopf des Schienbeins SBE) des Kniekehlengelenks KKG angebracht ist. So weist die Gelenkprothese GPT ein erstes Prothesestück PTS1 auf, das vorzugsweise als Metall-Gelenkrolle ausgebildet ist, den als Gelenkfläche ausgebildeten, mit der Knorpelschicht bedeckten Gelenkfortsatz des Oberschenkelknochens OSK in dem Kniekehlengelenk KKG vollständig ersetzt (vgl. die 1A und 2A) und mit dem Oberschenkelknochen OSK fest verbunden und/oder in dem Oberschenkelknochen OSK verankert ist. Als Material für das erste Prothesestück PTS1 der Gelenkprothese GPT kommen aber auch andere Materialien als Metall in Frage, so z.B. Karbon, Kunststoff u.a. in Form von Keramiken oder Faserverbundwerkstoffe.
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Des Weiteren weist die Gelenkprothese GPT ein zweites Prothesestück PTS2 auf, das vorzugsweise als Metall-Gelenkplateau ausgebildet ist, den als Gelenkfläche ausgebildeten, mit der Knorpelschicht bedeckten Gelenkfortsatz des Schienbeins SBE in dem Kniekehlengelenk KKG vollständig ersetzt (vgl. die 1A und 2A) und auf dem Schienbeinkopf des Schienbeins SBE fest verbunden und/oder in dem Schienbein SBE verankert ist. Als Material für das zweite Prothesestück PTS2 der Gelenkprothese GPT kommen aber auch wieder andere Materialien als Metall in Frage, so z.B. Karbon, Kunststoff u.a. in Form von Keramiken oder Faserverbundwerkstoffen.
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Auf diese Weise entstehen auf den Gelenkknochen GK, dem Oberschenkelknochen OSK und dem Schienbein SBE, neue modifizierte Künstliche Gelenkflächen KGFL. Zwischen diesen beiden Künstlichen Gelenkflächen KGFL am Fuß des Oberschenkelknochens OSK und am Schienbeinkopf des Schienbeins SBE wird jetzt der Miniatur-Elektromotor MEM angeordnet. Zur Übertragung der von dem Miniatur-Elektromotor MEM erzeugten elektromotorischen Kraft auf die Gelenkprothese GPT mit den beiden Prothesestücken PTS1, PTS2 und damit auf den Oberschenkelknochen OSK bzw. das Schienbein SBE weist die Gelenkvorrichtung GV mehrere Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE (weitere zusätzliche Komponente der Gelenkvorrichtung GV) auf, die den Miniatur-Elektromotor MEM mit den beiden Prothesestücken PTS1, PTS2 der Gelenkprothese GPT verbinden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß der 4 sind zu diesem Zweck vier Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE vorgesehen, von denen zwei Elemente die Verbindung des Miniatur-Elektromotors MEM mit dem ersten Prothesestück PTS1 am Oberschenkelknochen OSK und die anderen beiden Elemente die Verbindung des Miniatur-Elektromotors MEM mit dem zweiten Prothesestück PTS2 am Schienbein SBE herstellen. Dieses erfolgt gemäß der Darstellung in der 4 vorzugsweise dergestalt, dass die Verankerung/Befestigung der vier Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE in oder an den beiden Prothesestücken PTS1, PTS2, also Verbindungen "Element <-> Gelenkprothese" starr sind (erste Verbindungspunkte VBP1 in der 4), während die Verankerung/Befestigung der vier Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE im oder am Miniatur-Elektromotor MEM, also Verbindungen "Element <-> Motor" einerseits (d.h. auf einer Verbindungsseite zu einem Gelenkknochen) beweglich (zweite Verbindungspunkte VBP2 in der 4) und andererseits (d.h. auf der anderen Verbindungsseite zum anderen Gelenkknochen) starr sind (erste Verbindungspunkte VBP1 in der 4).
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Durch die einseitig bewegliche Verbindung "Element <-> Motor" zwischen dem Verbindungs- und Kraftübertragungselement VKÜE und dem Miniatur-Elektromotor MEM ist es gewährleistet, dass Drehmoment und Drehwinkel bei der Kraftübertragung vom Miniatur-Elektromotor MEM auf die Gelenkprothese GPT einstellbar sind.
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Die minimale Anzahl der verwendeten Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE ist auf die Anzahl der Gelenkknochen im Gelenk ausgelegt, die an der natürlichen Gelenkbewegung und deren endogenen Unterstützung oder Ersetzung beteiligt sind. Dies bedeutet im vorliegenden Fall – dem Kniegelenk bzw. dem Kniekehlengelenk KKG, bei dem zwei Gelenkknochen GK – der Oberschenkelknochen OSK und das Schienbein SBE – an der natürlichen Gelenkbewegung und deren endogenen Unterstützung oder Ersetzung beteiligt sind, dass wenigstens zwei Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE erforderlich sind.
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Die maximale Anzahl der verwendeten Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE ist theoretisch unbegrenzt. Es sollte aber aus Stabilitätsgründen eine gleichmäßige Anzahl pro Gelenkknochen bzw. Prothesestück gewählt werden, d.h. die Anzahl sollte z.B. bei zwei Gelenkknochen GK insgesamt (für beide Gelenkknochen) geradzahlig sein, z.B. 2, 4, 6 etc. Darüber hinaus ist die maximale Anzahl zum einen von dem Miniatur-Elektromotor MEM, d.h. wie viele Verbindungs- und Kraftübertragungselemente VKÜE dieser insgesamt ansteuern kann, und zum anderen von den räumlichen und physikalischen Einbaugegebenheiten im Gelenk bzw. Kniegelenkauf abhängig. Vor diesem Hintergrund dürfte die Anzahl "vier" schon mehr oder weniger optimal sein.
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Wie bereits bei der Beschreibung der 3 angedeutet, sollte die Steuerungseinheit STE vorzugsweise in der Nähe des im Kniegelenk angeordneten Miniatur-Elektromotors MEM platziert werden. Im Unterschied zu der Platzierung der Steuerungseinheit STE am Oberschenkelknochen OSK (vgl. 3) ist diese gemäß der 4 im bzw. am Schienbein untergebracht. Dabei wird die Steuerungseinheit STE vorzugsweise zusammen mit dem zweiten Prothesestück PTS2 der Gelenkprothese GPT in das Schienbein SBE implantiert. Die 4 verdeutlich im Übrigen die Anbringung der Batterie BAT an dem Schienbein SBE ebenfalls in der Nähe des Miniatur-Elektromotors MEM und der Steuerungseinheit STE sowie die Verbindung zu dem Elektromyographie-Sensor EMGS und/oder dem Gehirnstrom-Sensoren GSS, die die für die Steuerung der endogenen Gelenkbewegungen bestimmte körpereigenen Impulse erfassen und an die Steuerungseinheit STE weiterleiten.
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5A, 5B und 5C zeigen ausgehend von der 4 und auf der Basis der dazugehörigen Figurenbeschreibung das elektromotorisch basierte endogene Unterstützen des Knies bei einer Bewegung für eine erste Bewegungsrichtung BWR1 (Abwinkeln des Knies) aus einer neutralen Kniegelenkstellung (180°-Stellung; 5A), über eine schwach-leicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 160°-Stellung; 5B) in eine mittel-leicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 120°-Stellung; 5C;). Die 5A 5B und 5C verdeutlichen exemplarisch für die erste Bewegungsrichtung BWR1, wie infolge der von dem Elektromyographie-Sensor EMGS und/oder dem Gehirnstrom-Sensoren GSS an die Steuerungseinheit STE weitergeleiteten Impulse bei entsprechender Steuerung des Miniatur-Elektromotors MEM durch die Steuerungseinheit STE eine aktive, auf elektromotorische Kraftausübung auf die Gelenkknochen GK, den Oberschenkelknochen OSK und das Schienbein SBE, basierende endogene Gelenkbewegung erzeugt wird, die eine natürliche Gelenkbewegung unterstützt oder ersetzt.
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6A, 6B und 6C zeigen ausgehend von der 4 und auf der Basis der dazugehörigen Figurenbeschreibung sowie dem Szenario in den 5A bis 5C das elektromotorisch basierte endogene Unterstützen des Knies bei einer Bewegung für eine zweite Bewegungsrichtung BWR2 (Strecken des Knies), die entgegengesetzt zur ersten Bewegungsrichtung BWR1 in den 5A bis 5C verläuft, aus der mittel-leicht abgewinkelten Kniegelenkstellung (z.B. 120°-Stellung; 6A;), über die schwach-leicht abgewinkelte Kniegelenkstellung (z.B. 160°-Stellung; 6B) in die neutrale Kniegelenkstellung (180°-Stellung; 6C). Die 6A, 6B und 6C verdeutlichen exemplarisch für die zweite Bewegungsrichtung BWR2, wie infolge der von dem Elektromyographie-Sensor EMGS und/oder dem Gehirnstrom-Sensoren GSS an die Steuerungseinheit STE weitergeleiteten Impulse bei entsprechender Steuerung des Miniatur-Elektromotors MEM durch die Steuerungseinheit STE eine aktive, auf elektromotorische Kraftausübung auf die Gelenkknochen GK, den Oberschenkelknochen OSK und das Schienbein SBE, basierende endogene Gelenkbewegung erzeugt wird, die eine natürliche Gelenkbewegung unterstützt oder ersetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.asklepios.com/orthopaediehamburgwest_Kniegelenk.Asklepios [0003]
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- http://www.cpk-kempten.de/kniegelenk.html [0022]
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