DE102016107743A1

DE102016107743A1 - Verfahren zur Steuerung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung eines orthetischen oder prothetischen, künstlichen Gelenks

Info

Publication number: DE102016107743A1
Application number: DE102016107743.7A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Tschupp; Jochen Uhlig; Uwe Hamhaber
Original assignee: Ossur Iceland ehf
Current assignee: Ossur Iceland ehf
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung (6) eines orthetischen oder prothetischen, künstlichen Gelenks (3) einer Extremität (2) eines Nutzers, wobei durch die Antriebs- und/oder Bremseinrichtung (6) eine Wirkung bereitgestellt wird, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks (3) entgegenwirkt oder dieses unterstützt, wobei wenigstens ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter durch eine Steuereinrichtung (7) in Abhängigkeit wenigstens eines durch eine Ermittlungseinrichtung (14, 25) ermittelten Gelenkparameters vorgegeben wird, der ein Beugen und/oder ein Strecken eines proximal bezüglich des künstlichen Gelenks (3) liegenden Steuergelenks (8) der Extremität (2) betrifft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung eines orthetischen oder prothetischen, künstlichen Gelenks einer Extremität eines Nutzers, wobei durch die Antriebs- und/oder Bremseinrichtung eine Wirkung bereitgestellt wird, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks entgegenwirkt oder dieses unterstützt. Daneben betrifft die Erfindung eine orthetische oder prothetische Einrichtung.
Es ist bekannt, Prothesen zu nutzen, die Gelenke aufweisen. Insbesondere bei einer Nutzung einer Beinprothese mit einem prothetischen Kniegelenk ist es für ein stabiles Stehen häufig erforderlich, ein Beugen bzw. Strecken dieses Kniegelenks zu blockieren oder zu bremsen. Andererseits soll, um ein natürliches Gehen zu ermöglichen, ein Beugen und Strecken des Kniegelenks möglich sein. Um dies zu erreichen, kann im Kniegelenk eine Bremsvorrichtung vorgesehen sein, die eine einstellbare Bremswirkung bereitstellt, und somit beispielsweise einen kontinuierlichen oder stufenweisen Übergang von einer freien Beweglichkeit des Kniegelenks zu einer vollständigen Blockierung ermöglicht.
Eine Steuerung der Bremswirkung kann im einfachsten Fall manuell durch einen Träger der Prothese erfolgen. Um den Tragekomfort zu erhöhen, ist es jedoch bekannt, zu versuchen, gewisse Bewegungsmuster zu erkennen und in Abhängigkeit des erkannten Bewegungsmusters die Bremswirkung anzupassen. Zur Erkennung des Bewegungsmusters werden im Stand der Technik beispielsweise der Kniewinkel, die Lage eines Unterschenkels im Raum und/oder eine Kraft, die durch den Boden auf das prothetische Bein ausgeübt wird, erfasst und ausgewertet.
Die bekannten Steuerungsmuster für die Bremswirkung von prothetischen Gelenken erlauben bereits in vielen Benutzungssituationen eine komfortable Nutzung der Prothese. Problematisch sind bislang insbesondere plötzliche Änderungen eines Bewegungsmusters, wie sie beispielsweise bei einem Stolpern auftreten, jedoch auch am Ende von längeren Standphasen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung anzugeben, das den Nutzungskomfort einer Prothese oder einer Orthese, insbesondere bei einem plötzlichen Wechsel eines Bewegungsmusters, verbessert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei wenigstens ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter durch eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines durch eine Ermittlungseinrichtung ermittelten Gelenkparameters vorgegeben wird, der ein Beugen und/oder ein Strecken eines proximal bezüglich des künstlichen Gelenks liegenden Steuergelenks der Extremität betrifft.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, Bewegungen eines Steuergelenks bzw. Parameter, die diese Bewegung betreffen, beispielsweise am Steuergelenk wirkende Momente, zu ermitteln und zur Steuerung der Antriebs- und/oder Bremseinrichtung zu nutzen. Als Bremseinrichtung kann eine Bremse oder ein Dämpfer verwendet werden. Als einer der Wirkparameter kann beispielsweise ein Anpressdruck eines Aktors an eine Komponente des künstlichen Gelenks und somit beispielsweise eine Reibung im künstlichen Gelenk angepasst werden. Als Antriebseinrichtung des künstichen Gelenks kann beispielsweise wenigstens ein Elektromotor verwendet werden, dessen Bestromung durch den oder die Wirkparameter variierbar sein kann. Auch Federn, bevorzugt einstellbare Federn wie z. B. pneumatische Federn oder Druckspeicher, sind als Antriebs- und/oder Bremseinrichtung oder als Teil von dieser nutzbar. Eine proximale Lage ist im Kontext der Erfindung als eine Lage näher an dem Rumpf des Nutzers bzw. seiner Körpermitte aufzufassen. Das Steuergelenk liegt somit näher an der Körpermitte des Nutzers und ist vorzugsweise ein natürliches Gelenk des Nutzers oder zumindest ein Gelenk, das durch die Muskulatur des Nutzers direkt bewegt, das heißt beispielsweise gebeugt oder gestreckt, wird. Durch die Überwachung eines solchen Steuergelenks können Nutzerintentionen besser erkannt werden, da ein Nutzer intuitiv das Steuergelenk nutzt, um die Bewegung der Prothese bzw. der Orthese zu steuern. Hierdurch können die Reaktionszeiten zur Anpassung des Wirkparameters oder der Wirkparameter der Antriebs- und/oder Bremseinrichtung verkürzt werden, womit eine Prothese bzw. Orthese, deren Antriebs- und/oder Bremseinrichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gesteuert wird, schneller auf wechselnde Bewegungsmuster reagiert und somit einerseits ein verbessertes Abfangen von Stürzen bei einem Stolpern und andererseits einen flüssigeren und somit natürlicheren Übergang zwischen Bewegungsmustern ermöglicht. Beispielsweise wird ein flüssigerer Übergang zwischen einer Standphase eines Gangzyklus, in der das Bein bzw. dessen Fuß im Kontakt mit einem Boden ist, und einer Schwungphase des Gangzyklus, in der das Bein ohne Bodenkontakt schwingt, ermöglicht.
Die Stärke einer bremsenden Wirkung auf eine Drehbewegung des Gelenks kann stufenlos oder in mehreren Stufen zwischen einem unteren Grenzwert, insbesondere einer im Wesentlichen freien Beweglichkeit des künstlichen Gelenks, und einem oberen Grenzwert, bei dem das künstliche Gelenk vorzugsweise im Wesentlichen blockiert ist, variiert werden. Eine unterstützende Wirkung kann zwischen einem unteren Grenzwert, bei dem vorzugsweise keine Unterstützung erfolgt, und einem oberen Grenzwert variiert werden. Eine Unterstützung kann derart erfolgen, dass ein vorgegebener Gelenkwinkel eingestellt wird oder dass eine Winkeländerung beschleunigt wird. Die Ermittlungseinrichtung kann den oder die Gelenkparameter direkt messen oder aus Messgrößen, die am Steuergelenk oder an anderen Positionen erfasst wurden, berechnen. Die Ermittlungseinrichtung und die Steuereinrichtung können separat voneinander oder als gemeinsames Bauteil ausgebildet sein.
Das künstliche Gelenk kann ein Kniegelenk sein, wobei als Gelenkparameter wenigstens ein Gelenkparameter eines als Steuergelenk verwendeten Hüftgelenks ermittelt wird. Die Anpassung der Wirkung an Knien ist für einen natürlichen Gang eines Nutzers besonders wesentlich. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch beispielsweise auch einen oder mehrere Wirkparameter eines künstlichen Gelenks, das ein Knöchelgelenk ist, steuern, wobei als Steuergelenk beliebige proximale Gelenke des Beins, beispielsweise das Kniegelenk und/oder das Hüftgelenk genutzt werden können.
Als Gelenkparameter können ein Beugewinkel des Steuergelenks und/oder ein an dem Steuergelenk wirkendes Gelenkmoment zum Beugen und/oder Strecken des Steuergelenks und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments ermittelt werden. Als Zeitableitung kann insbesondere eine erste Zeitableitung berechnet werden, um beispielsweise eine Winkelgeschwindigkeit zu bestimmen. Es können jedoch auch höhere Zeitableitungen bestimmt werden, um beispielsweise eine Winkelbeschleunigung zu ermitteln. Eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments kann direkt erfasst werden oder aus aufeinanderfolgenden Erfassungswerten berechnet werden. Die Erfassung von Beugewinkeln, von Gelenkmomenten und von deren zeitlichen Ableitungen ermöglicht es effektiv auf eine Intention eines Nutzers zurückzuschließen, beispielsweise auf die Intention innerhalb eines Gangzyklus die Schwungphase einzuleiten oder einen Sturz abzufangen.
Der wenigstens eine Gelenkparameter kann in Abhängigkeit wenigstens eines Messwertes wenigstens eines Sensors ermittelt werden, der in oder an dem künstlichen Gelenk oder in oder an dem Steuergelenk oder in oder an einem Prothesenschaft, der das künstliche Gelenk mit einem Extremitätenstumpf der Extremität verbindet, angeordnet sein. Es ist auch möglich, mehrere Sensoren zu nutzen, die an mehreren der genannten Stellen angeordnet sind. Eine Anordnung in oder an dem Steuergelenk ermöglicht eine direkte Erfassung von Gelenkparametern des Steuergelenks. Eine Anordnung in oder an dem künstlichen Gelenk bzw. dem Extremitätenstumpf ermöglicht es, den Sensor in eine Prothese oder Orthese direkt zu integrieren, so dass ein besonders hoher Nutzerkomfort erreicht wird.
Durch den wenigstens einen Sensor kann ein Beugewinkel des Steuergelenks und/oder ein an dem Steuergelenk wirkendes Gelenkmoment zum Beugen und/oder Strecken des Steuergelenks und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments gemessen werden. Ein derartiges direktes Messen ist insbesondere dann möglich, wenn der Sensor direkt an oder in dem Steuergelenk angeordnet ist.
Durch den wenigstens einen Sensor kann alternativ eine Beschleunigung und/oder eine Lage des Sensors im Raum gemessen werden. Eine Lage im Raum kann beispielsweise durch einen Magnetfeldsensor erfasst werden, der die Lage des Sensors im Erdmagnetfeld erfasst. Vorzugsweise werden mehrere Sensoren genutzt, die Lagen bzw. Beschleunigungen an mehreren Punkten einer Prothese oder Orthese erfassen. Aus diesen Messgrößen kann bzw. können der oder die Gelenkparameter berechnet werden. Zusätzlich oder alternativ können wenigstens eine auf das künstliche Gelenk wirkende Kraft und/oder ein auf das künstliche Gelenk wirkendes Moment erfasst werden, wobei der wenigstens eine Gelenkparameter und/oder der wenigstens eine Wirkparameter in Abhängigkeit der Kraft und/oder des Moments ermittelt werden. Wirkparameter und/oder der Gelenkparameter und/oder eine auf eine Komponente des künstlichen Gelenks oder eine hiermit in Verbindung stehende Komponente und/oder auf einen Teil der Extremität wirkende Beschleunigung und/oder Winkelbeschleunigung und/oder eine Lage der Komponente oder des Teils der Extremität im Raum können unter Nutzung von vorgegebenem Vorwissen berechnet werden. Entsprechendes Vorwissen kann beispielsweise durch statistische Auswertung von Daten einer Vielzahl von Nutzern und/oder Vergleichspersonen gewonnen werden und/oder auf Messwerten beruhen, die vorangehend, beispielsweise im Rahmen der Anpassung einer Prothese oder Orthese, die das künstliche Gelenk umfasst, an den Nutzer erfasst werden. Als Vorwissen kann insbesondere eine Massenträgheit und/oder ein Trägheitsmoment und/oder wenigstens eine Abmessung der Komponente und/oder des Teils der Extremität verwendet werden.
Um ein Gelenkmoment oder einen Beugewinkel am Steuergelenk zu ermitteln, kann eine vorgegebene Berechnungsvorschrift genutzt werden, um dieses bzw. diesen aus den durch Sensoren gemessenen Größen zu bestimmen. Eine entsprechende Berechnungsvorschrift kann beispielsweise hergeleitet werden, indem ein Verbindungsabschnitt, der das künstliche Gelenk und das Steuergelenk verbindet, als starrer Körper betrachtet wird, wonach für diesen die Newton-Euler-Gleichungen aufgestellt und nach den gesuchten Größen gelöst werden. Beispielsweise können im Fall einer Oberschenkelprothese der Oberschenkelstumpf sowie der Prothesenschaft, der diesen aufnimmt, gemeinsam als starrer Körper betrachtet werden. Die Newton-Euler-Gleichungen beschreiben den Zusammenhang zwischen den auf diesen Körper wirkenden Kräften und Drehmomenten und den resultierenden Beschleunigungen bzw. Winkelbeschleunigungen. Wesentlich für diesen Zusammenhang sind die Masse und die Rotationsträgheit des starren Körpers. Die entsprechenden Größen können beispielsweise bei der Anpassung einer Prothese an einen Nutzer ermittelt werden oder es können als Näherung Standardparameter für die Masse und das Trägheitsmoment genutzt werden. Es ist möglich, dass alleine durch die Messgrößen der oder die Gelenkparameter eindeutig definiert ist bzw. sind. Es ist jedoch auch möglich, dass im Rahmen der Bestimmung des wenigstens einen Gelenkparameters ein Vorwissen über Freiheitsgrade der Orthese bzw. der Prothese und/oder über zu erwartende Bewegungsmuster berücksichtigt wird.
Insbesondere, wenn ein Vorwissen über Bewegungsmuster genutzt werden soll, jedoch auch in anderen Fällen, ist es vorteilhaft, zu bestimmen, welche Art von Bewegung durch den Nutzer momentan durchgeführt wird, beispielsweise ob der Nutzer steht, geht, sich setzt bzw. aufsteht oder Ähnliches. Ist die Extremität ein Bein, kann die Steuereinrichtung durch Auswertung des wenigstens einen Gelenkparameters und/oder des Messewerts des wenigstens einen Sensors und/oder wenigstens eines weiteren Messwertes wenigstens eines weiteren Sensors einen von mehreren vorgegebenen Bewegungszuständen als aktuellen Bewegungszustand des Nutzers identifizieren, wobei die Vorgabe des wenigstens einen Wirkparameters in Abhängigkeit des identifizierten aktuellen Bewegungszustandes erfolgt. Eine Auswahl des aktuellen Bewegungszustandes kann dadurch erfolgen, dass ein Bewegungszustand in Abhängigkeit der genannten Größen, insbesondere in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs dieser Größen, durch eine Klassifikationsfunktion klassifiziert wird und/oder dass eine Zustandsmaschine genutzt wird, deren verschiedene Zustände jeweils verschiedenen Bewegungszuständen entsprechen, wobei die Übergänge zwischen den verschiedenen Zuständen der Zustandsmaschine in Abhängigkeit von Bedingungen erfolgen, die die oben genannten Größen auswerten.
Das künstliche Gelenk kann ein Kniegelenk sein und als Gelenkparameter können ein Beugewinkel eines Hüftgelenks und/oder ein Gelenkmoment zum Beugen oder Strecken des Hüftgelenks und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments erfasst werden, wobei die Wirkung durch die Steuereinrichtung durch Änderung des wenigstens einen Wirkparameters reduziert oder erhöht werden kann, wenn als Bewegungszustand eine Standphase eines Gangzyklus identifiziert wird, in der der Fuß des Beins in Kontakt mit dem Boden steht, und der wenigstens eine Gelenkparameter einen jeweiligen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder innerhalb oder außerhalb eines jeweiligen vorgegebenen Wertebereichs liegt. Beispielsweise kann eine bremsende Wirkung durch die Steuereinrichtung durch Änderung des wenigstens einen Wirkparameters reduziert werden, wenn als Bewegungszustand eine Standphase identifiziert wird und das Gelenkmoment zum Beugen des Hüftgelenks einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Beim Überschreiten dieses vorgegebenen Grenzwerts in einer Standphase kann von einer Einleitung einer Schwungphase ausgegangen werden. Wird bereits zu einem für die Einleitung einer Schwungphase geeigneten Zeitpunkt eine bremsende Wirkung reduziert, ermöglicht dies ein natürlicheres Bewegungsmuster beim Übergang von der Stand- in die Schwungphase.
Es ist zudem möglich, dass das künstliche Gelenk ein Kniegelenk ist und als Gelenkparameter ein Beugewinkel eines Hüftgelenks und/oder ein Gelenkmoment zum Beugen oder Strecken des Hüftgelenks und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments erfasst werden, wobei die Wirkung durch die Steuereinrichtung, insbesondere auf einen Vorgabewert, erhöht oder verringert wird, indem der wenigstens eine Wirkparameter verändert wird, wenn als Bewegungszustand eine Schwungphase eines Gangzyklus identifiziert wird, in der der das Bein ohne Bodenkontakt schwingt, und der wenigstens eine Gelenkparameter einen jeweiligen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder innerhalb oder außerhalb eines jeweiligen vorgegebenen Wertebereichs liegt. Beispielsweise kann eine bremsende Wirkung durch die Steuereinrichtung auf einen Maximalwert erhöht werden, indem der Wirkparameter verändert wird, wenn als Bewegungszustand eine Schwungphase identifiziert wird und das Gelenkmoment zum Strecken des Hüftgelenks einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ein hohes Hüftmoment zum Strecken des Hüftgelenks ist in einer Schwungphase ungewöhnlich und weist darauf hin, dass ein Nutzer gestolpert ist und versucht, einen sicheren Stand zu erreichen. In diesem Fall wird durch das beschriebene Vorgehen erreicht, dass das Kniegelenk in einen sicheren Zustand überführt wird, in dem eine Bewegung des Kniegelenks im Wesentlichen blockiert ist, so dass sich der Nutzer über das Bein, das das künstliche Kniegelenk aufweist, abstützen kann.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung eine orthetische oder prothetische Einrichtung, umfassend ein orthetisches oder prothetisches künstliches Gelenk, wobei das künstliche Gelenk eine Antriebs- und/oder Bremseinrichtung aufweist, durch die eine Wirkung bereitgestellt wird, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks entgegenwirkt oder dieses unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Steuereinrichtung und eine Ermittlungseinrichtung umfasst, wobei wenigstens ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter durch die Steuereinrichtung gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgebbar ist.
Die prothetische Einrichtung kann als Prothese für eine proximal zu wenigstens einem Amputationsgelenk amputierte Extremität dienen, wobei das künstliche Gelenk zum Ersatz des Amputationsgelenks dient, wobei die prothetische Einrichtung einen Prothesenschaft zur Verbindung des künstlichen Gelenks mit der Extremität und einen Prothesenschenkel, der über das künstliche Gelenk mit dem Prothesenschaft verbunden ist, umfasst. Unter einem Prothesenschenkel sind beliebige über das künstliche Gelenk verschwenkbare Komponenten der prothetischen Einrichtung, also beispielsweise Unterschenkel- und/oder Fußabschnitte einer Beinprothese oder Unterarmabschnitte einer Armprothese, zu verstehen.
Die prothetische Einrichtung kann als Beinprothese für ein oberhalb des Knies amputiertes Bein als Extremität ausgebildet sein, wobei das künstliche Gelenk ein Kniegelenk ist. Als der wenigstens eine Gelenkparameter ist durch die Ermittlungseinrichtung in diesem Fall vorzugsweise jeweils ein Parameter des Hüftgelenks ermittelbar. Der wenigstens eine Gelenkparameter kann durch die Ermittlungseinrichtung in Abhängigkeit wenigstens eines Messwertes wenigstens eines Sensors ermittelbar sein, der in oder an dem künstlichen Gelenk oder in oder an dem Prothesenschaft oder in oder an dem Steuergelenk angeordnet ist. Durch die Integration des Sensors in die prothetische Einrichtung wird ein erhöhter Nutzkomfort erreicht. Mögliche Arten des Sensors sind vorangehend mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert.
Die orthetische oder prothetische Einrichtung kann mit den zum erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Merkmalen mit den dort genannten Vorteilen weitergebildet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen prothetischen Einrichtungen, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist,
2 ein Diagramm zur Berechnung von Hüftmomenten und Hüftkräften in Abhängigkeit diverser Messparameter, und
3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer prothetischer Einrichtungen, durch die das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
1 zeigt eine prothetische Einrichtung 1 für eine proximal zu wenigstens einem Amputationsgelenk, nämlich dem Kniegelenk, amputierte Extremität 2, nämlich für ein Bein. Die prothetische Einrichtung 1 weist ein künstliches Gelenk 3, nämlich ein künstliches Kniegelenk, einen Prothesenschaft 4 zur Verbindung des künstlichen Gelenks 3 mit der amputierten Extremität 2 und einen Prothesenschenkel 5, der über das künstliche Gelenk 3 mit dem Prothesenschaft 4 verbunden ist, auf. Um ein stabiles Stehen und ein Abstützen beim Gehen zu ermöglichen, ist in dem künstlichen Gelenk 3 eine Antriebs- und/oder Bremseinrichtung 6 vorgesehen, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks 3 eine durch die Steuereinrichtung 7 vorgebbare Wirkung entgegensetzt und/oder das Beugen und/oder Strecken mit einer vorgebbaren Wirkung unterstützt. Ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter wird in Abhängigkeit eines durch eine Ermittlungseinrichtung 14 ermittelten Gelenkmoments vorgegeben, das an der Drehachse eines Steuergelenks 8, nämlich eines Hüftgelenks eines Nutzers der prothetischen Einrichtung 1, wirkt. Wesentlich ist hierbei, dass ein Gelenkparameter eines proximal bezüglich des künstlichen Gelenks 3 liegenden Steuergelenks 8 erfasst und zur Vorgabe des Wirkmoments ausgewertet wird. Indem ein Gelenkparameter eines Steuergelenks 8 ausgewertet wird, das körpernäher liegt als die Prothese, können Intentionen eines Nutzers, beispielsweise ein Übergang von einer Standphase zu einer Schwungphase während eines Gangzyklus oder ein Abfangen bei einem Stolpern, anhand des Gelenkparameters besonders gut erkannt werden, womit der Wirkparameter gemäß den Intentionen des Nutzers vorgebbar ist. Dieses Vorgehen wird ausschließlich für das Zusammenwirken eines Hüftgelenks als Steuergelenk 8 und eines Kniegelenks als künstliches Gelenk 3 erläutert. Es ist jedoch auch auf andere Fälle übertragbar, in denen ein körperfern liegendes künstliches Gelenk 3 durch ein körpernah liegendes Steuergelenk 8 gesteuert wird. Beispielsweise kann ein künstliches Knöchelgelenk durch Erfassen eines Gelenkparameters eines Kniegelenks und/oder eines Hüftgelenks gesteuert werden.
Zur Erfassung des Hüftmoments wird eine orthesenartige Einrichtung 9 genutzt, die durch Befestigungssbänder oder -gurte 10, 11 an dem Torso des Nutzers und an dem Gelenkstumpf der Extremität 2 befestigt ist. Die Ermittlungseinrichtung 14 ist ein Drehmomentsensor, der an einem Gelenk 22 angeordnet ist, das die durch die Befestigungsbänder 10, 11 parallel zum Oberkörper bzw. zu dem Stumpf der Extremität 2 gehaltenen Stützelemente 12, 13 verbindet. Die Ermittlungseinrichtung 14 ist somit ein Sensor, der an dem Steuergelenk 8 angeordnet ist und ein Gelenkmoment erfasst.
Extremitäten des Menschen, beispielsweise das in 1 gezeigte Bein, können eine Vielzahl unterschiedlicher Bewegungsabläufe durchführen. Daher ist die Steuereinrichtung 7 dazu eingerichtet, den Gelenkparameter und weitere Größen auszuwerten und in Abhängigkeit dieser Parameter einen von mehreren vorgegebenen Bewegungszuständen als den aktuellen Bewegungszustand des Nutzers auszuwählen. Hierbei kann der zeitliche Verlauf des Hüftmoments berücksichtigt werden. Zudem können durch die Ermittlungseinrichtung 14 weitere Parameter des Hüftgelenks, insbesondere ein Beugewinkel und/oder eine Winkelgeschwindigkeit, erfasst werden. Durch weitere, nicht gezeigte Sensoren können beispielsweise eine auf das künstliche Gelenk 3 wirkende Kraft und/oder ein auf das künstliche Gelenk 3 wirkendes Moment und/oder die Lage im Raum und/oder die Beschleunigung des Prothesenschafts 4, wenigstens einer Komponente des künstlichen Gelenks 3 und/oder des Prothesenschenkels 5 ermittelt werden. Durch Nutzung eines Bewegungsmodells können, wie später noch genauer erläutert, Teile dieser Größen aus anderen dieser Größen berechnet werden. Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren bekannt, um aus diesen oder anderen Messgrößen als Eingangsgrößen einen aktuellen Bewegungszustand des Nutzers zu bestimmen, also ob dieser beispielsweise sitzt, liegt, steht oder geht. Daher soll keine detaillierte Beschreibung dieser Identifikation des Bewegungszustandes erfolgen. Der Bewegungszustand kann beispielsweise dadurch ausgewählt werden, dass eine, insbesondere trainierte, Klassifikationsfunktion auf die Eingangsgrößen angewandt wird, oder dadurch, dass eine Zustandsmaschine vorgesehen wird, bei der jedem der Bewegungszustände ein Zustand der Zustandsmaschine zugeordnet ist, wobei für die Übergänge zwischen den einzelnen Zuständen Bedingungen vorgegeben werden, die die Eingangsgrößen auswerten.
Die Auswertung eines Gelenkparameters eines proximal von dem künstlichen Gelenk 3 liegenden Steuergelenks 8 ist besonders in Situationen vorteilhaft, in denen ein Übergang zwischen verschiedenen Bewegungszuständen erfolgt. Ein Beispiel hierfür ist der Übergang von einer Standphase eines Gangzyklus, in der das Bein im Bodenkontakt ist, zu einer Schwungphase, in der das Bein frei schwingt. In einer Standphase wird für ein künstliches Kniegelenk typischerweise eine sehr hohe bremsende Wirkung vorgegeben, da das Bein, das das künstliche Kniegelenk aufweist, einen Nutzer in diesem Fall stützen soll. Wird nun ausschließlich die Lage des Prothesenschenkels 5 und/oder des Prothesenschafts 4 und/oder ein Winkel, ein Drehmoment oder eine Kraft am künstlichen Gelenk 3 erfasst, so kann durch die Steuereinrichtung 7 vor Beginn der Schwungphase nur schwer erkannt werden, dass eine solche eingeleitet werden soll. Dies zwingt einen Nutzer zum Einleiten der Schwungphase das Bein zu heben, während das künstliche Kniegelenk zunächst steif bleibt, was zu unnatürlichen Bewegungsmustern und einem geringeren Nutzungskomfort für die prothetische Einrichtung 1 führt. Im gezeigten Beispiel kann die Steuereinrichtung jedoch vorangehend klassifizieren, dass der Bewegungszustand eine Standphase ist. Wird nun ein Gelenkmoment zum Beugen des Hüftgelenks erfasst, das einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so kann die Antriebs- und/oder Bremseinrichtung 6 durch Vorgabe eines entsprechenden Wirkparameters, beispielsweise einer durch einen Aktor einstellbaren Reibung im künstlichen Gelenk 3, zur Reduzierung der Wirkung angesteuert werden, so dass bereits vor Beginn der Schwungphase eine natürliche Vorschwungphase mit dem künstlichen Gelenk 3 möglich ist.
Eine weitere Situation, in der schnell auf eine Intention eines Nutzers reagiert werden sollte, ist ein Stolpern des Nutzers. Stolpert ein Nutzer beispielsweise in der Extensionsbewegung der Schwungphase, so soll eine bremsende Wirkung möglichst schnell auf einen Maximalwert gesetzt werden, so dass dem Nutzer ein Abstützen über die Extremität 2 und somit über das künstliche Gelenk 3 ermöglicht wird. Ein Stolpern kann beispielsweise dann erkannt werden, wenn als Bewegungszustand zunächst eine Schwungphase eines Gangzyklus erkannt wird und ein Gelenkmoment zum Strecken des Hüftgelenks einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ein solches Zurückziehen des Oberschenkels ist für eine Schwungphase unüblich und weist daher auf ein Stolpern hin. Auch in diesem Fall führt eine Erfassung eines Gelenkparameters eines proximal zum künstlichen Gelenk 3 liegenden Steuergelenks 8 zu einer besseren Reaktion auf einen sich ändernden Bewegungszustand.
In einer nicht dargestellten, alternativen Ausführungsform der prothetischen Einrichtung 1 könnten die Stützelemente 12, 13 jeweils Lagesensoren aufweisen, die eine Lage der Stützelemente 12, 13 im Raum, beispielsweise durch eine Erfassung der Lage im Erdmagnetfeld, erfassen. Entsprechende Lagesensoren können beispielsweise Hall-Sensoren oder Halbleitersensoren sein, die den Effekt des Riesenmagnetowiderstands (Englisch: Giant Magneto Resistance, GMR) nutzen. Durch derartige hochempfindliche Sensoren, die mittlerweile sehr klein und günstig ausführbar sind, kann eine Lage im Raum mit hoher Genauigkeit, beispielsweise mit einer Genauigkeit von 1°, bestimmt werden. Durch die Steuereinrichtung kann aus den jeweiligen absoluten Lagen der Stützelemente 12, 13 eine relative Lage der Stützelemente 12, 13 und somit ein Hüftwinkel bestimmt werden. Dieser Hüftwinkel kann direkt zur Steuerung der Wirkung durch Anpassung des Wirkparameters herangezogen werden und/oder beispielsweise im Rahmen einer Identifikation eines momentanen Bewegungszustandes ausgewertet werden.
Um den Tragekomfort einer Prothese oder Orthese zu erhöhen, kann es gewünscht sein, den Gelenkparameter des proximal des künstlichen Gelenks 3 liegenden Steuergelenks 8 nicht am Steuergelenk 8 zu bestimmen, sondern Sensoren an der Prothese bzw. Orthese selbst zu nutzen. Ein Gelenkparameter des Steuergelenks 8, beispielsweise ein Drehmoment am Steuergelenk 8, eine auf das Steuergelenk 8 wirkende Kraft oder ein Beugewinkel des Steuergelenks 8 können aus an der Prothese bzw. an der Orthese gemessenen Größen durch eine vorgegebene Rechenregel bestimmt werden. Eine derartige Rechenregel kann beispielsweise ermittelt werden, indem ein Bewegungsmodell für den Nutzer des künstlichen Gelenks ermittelt wird und aus diesem, beispielsweise mithilfe der Newton-Euler-Gleichungen, die entsprechenden Größen berechnet werden. 2 zeigt schematisch ein derartiges Bewegungsmodell für ein künstliches Kniegelenk 17. In diesem einfachen Bewegungsmodell wird das System aus dem Stumpf der Extremität 2 und dem Prothesenschaft 4 als starrer Körper betrachtet, auf den über das Hüftgelenk 16 und das künstliche Kniegelenk 17 Kräfte und Drehmomente wirken. Hierbei ist die Kraft F_H, die vonseiten des Rumpfes auf das Hüftgelenk 16 wirkt durch den Pfeil 18 dargestellt, das Drehmoment M_H an der Hüfte durch den Pfeil 19, die auf das Kniegelenk 17 vonseiten des Prothesenschenkels 5 wirkende Kraft F_K durch den Pfeil 20 und das an dem Kniegelenk 17 wirkende Drehmoment M_K durch den Pfeil 21. Aus dem in 2 gezeigten Bewegungsmodell resultieren die folgenden Bewegungsgleichungen: F_H = m(a – a_g) + F_K‘ M_H = Iα – (r_S – r_H) × F_H + (r_S – r_K) × F_K + M_K
Hierbei sind m die Masse des Oberschenkel-Prothesenschaft-Systems, I das Trägheitsmoment dieses Systems und r_S, r_H und r_K die Ortsvektoren des Schwerpunkts des Systems, des Hüftgelenks und des Kniegelenks. Für diese Größen können für eine bestimmte Prothese Standardwerte genutzt werden, die beispielsweise durch eine statistische Auswertung von Größen einer Vielzahl von Nutzern und/oder Vergleichspersonen bestimmt wurden, oder diese Werte können bei dem Anpassen der Prothese an den Nutzer ermittelt werden. a_g ist die Erdbeschleunigung und a ist die Summe der weiteren Beschleunigungen, die auf das System wirken. α ist die Winkelbeschleunigung bezüglich des Schwerpunkts r_S. Beschleunigungen, Kräfte, Orte und Drehmomente sind in den obigen Formeln vektoriell und zeitabhängig angegeben.
Aus diesen Formeln ergibt sich, dass das Drehmoment an dem Hüftgelenk 16 sowie die auf das Hüftgelenk 16 wirkende Kraft vonseiten des Rumpfes berechnet werden können, wenn die Winkelbeschleunigung, die Beschleunigung sowie die Kraft und das Drehmoment am Kniegelenk 17 bekannt sind. Diese Größen können durch Kraft-, Beschleunigungs- und/oder Lagesensoren an der Prothese gemessen werden. Wie noch mit Bezug auf 3 und 4 erläutert werden wird, sind diese Sensoren vorzugsweise in oder an dem Prothesenschaft 4 und/oder in oder an dem künstlichen Gelenk 3 angeordnet.
Es ist möglich, dass nicht alle der genannten Größen ermittelt werden. Eine Bestimmung von Gelenkparametern der Hüfte kann dennoch möglich sein, wenn Vorwissen genutzt wird, das sich aus den Bewegungsfreiheitsgraden der Extremität 2 und der prothetischen Einrichtung 1 ergibt. Die erforderliche Parameterzahl kann weiter reduziert werden, wenn der zeitliche Verlauf der erfassten Parameter berücksichtigt wird und als Vorinformation insbesondere ein vorangehend ermittelter Bewegungszustand ermittelt wird, beispielsweise ob ein Nutzer geht oder steht. Beispielsweise treten bei einem Gehen quasi-periodische Bewegungsabläufe mit nur geringen Variationen auf. Es ist somit häufig ausreichend, die Abweichungen von üblichen Bewegungsmustern zu berücksichtigen, so dass schon mit einer geringen Anzahl gemessener Parameter mit hoher Zuverlässigkeit Gelenkparameter des Steuergelenks berechnet werden können.
3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von prothetischen Einrichtungen 1. Die prothetischen Einrichtungen 1 entsprechen weitgehend der in 1 gezeigten prothetischen Einrichtung 1, wobei statt der Ermittlungseinrichtung 14, die ein Hüftmoment direkt am Hüftgelenk 16 misst, nun eine Ermittlungseinrichtung 25 genutzt wird, die Messdaten von zwei Sensoren 23, 24 erfasst, die im Ausführungsbeispiel gemäß 3 im künstlichen Gelenk 3 selbst angeordnet sind und im Ausführungsbeispiel gemäß 4 an dem Prothesenschaft 4 der prothetischen Einrichtung 1. Der Sensor 23 ist ein Lagesensor und der Sensor 24 ein Beschleunigungssensor, wobei eine Lage im Raum bzw. eine auf den Sensor 24 wirkende Beschleunigung beispielsweise jeweils als dreidimensionaler Vektor erfasst werden. Zudem werden über den Sensor 26 durch die Ermittlungseinrichtung 25 eine auf das künstliche Gelenk 3 vonseiten des Prothesenschenkels 5 wirkende Kraft und ein auf das künstliche Gelenk 3 wirkendes Drehmoment erfasst. Durch Auswertung der Messdaten von Lagesensor und Beschleunigungssensor können die Linearbeschleunigung und die Winkelbeschleunigung des Stumpfes der Extremität 2 ermittelt werden. Mithilfe der zur 2 erläuterten Formeln lässt sich somit ein Gelenkmoment an dem Hüftgelenk 16 als Gelenkparameter berechnen.
In weiteren vereinfachten, nicht dargestellten Ausführungsformen, könnte auch auf den Kraft- und Drehmomentsensor und/oder den Beschleunigungssensor verzichtet werden. Wurde beispielsweise bereits ermittelt, dass ein Nutzer geht oder steht, kann davon ausgegangen werden, dass der Rumpf des Nutzers im Wesentlichen senkrecht zu einem Boden steht. In diesem Fall kann aus der über den Lagesensor ermittelten Lage des Stumpfes der Extremität 2 direkt ein Hüftwinkel berechnet und als Gelenkparameter ausgewertet werden.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Antriebs- und/oder Bremseinrichtung (6) eines orthetischen oder prothetischen, künstlichen Gelenks (3) einer Extremität (2) eines Nutzers, wobei durch die Antriebs- und/oder Bremseinrichtung (6) eine Wirkung bereitgestellt wird, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks (3) entgegenwirkt oder dieses unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter durch eine Steuereinrichtung (7) in Abhängigkeit wenigstens eines durch eine Ermittlungseinrichtung (14, 25) ermittelten Gelenkparameters vorgegeben wird, der ein Beugen und/oder ein Strecken eines proximal bezüglich des künstlichen Gelenks (3) liegenden Steuergelenks (8) der Extremität (2) betrifft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das künstliche Gelenk (3) ein Kniegelenk (17) ist, wobei als Gelenkparameter wenigstens ein Gelenkparameter eines als Steuergelenk (8) verwendeten Hüftgelenks (16) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gelenkparameter ein Beugewinkel des Steuergelenks (8) und/oder ein an dem Steuergelenk (8) wirkendes Gelenkmoment zum Beugen und/oder Strecken des Steuergelenkes (8) und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gelenkparameter in Abhängigkeit wenigstens eines Messwertes wenigstens eines Sensors (23, 24) ermittelt wird, der in oder an dem künstlichen Gelenk (3) oder in oder an dem Steuergelenk (8) oder in oder an einem Prothesenschaft (4), der das künstliche Gelenk (3) mit einem Extremitätenstumpf der Extremität (2) verbindet, angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den wenigstens einen Sensor ein Beugewinkel des Steuergelenks (8) und/oder ein an dem Steuergelenk (8) wirkendes Gelenkmoment zum Beugen und/oder Strecken des Steuergelenkes (8) und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den wenigstens einen Sensor (23, 24) eine Beschleunigung und/oder eine Lage des Sensors (23, 24) im Raum gemessen werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens eine auf das künstliche Gelenk (3) wirkende Kraft und/oder ein auf das künstliche Gelenk wirkendes Moment erfasst werden, wobei der wenigstens eine Gelenkparameter und/oder der wenigstens eine Wirkparameter in Abhängigkeit der Kraft und/oder des Moments ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extremität (2) ein Bein ist, wobei die Steuereinrichtung (7) durch Auswertung des wenigstens einen Gelenkparameters und/oder des Messwerts des wenigstens einen Sensors (23, 24) und/oder wenigstens eines weiteren Messwertes wenigstens eines weiteren Sensors (26) einen von mehreren vorgegebenen Bewegungszuständen als aktuellen Bewegungszustand des Nutzers identifiziert, wobei die Vorgabe des wenigstens einen Wirkparameters in Abhängigkeit des identifizierten aktuellen Bewegungszustandes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das künstliche Gelenk (3) ein Kniegelenk (17) ist und als Gelenkparameter ein Beugewinkel eines Hüftgelenks (16) und/oder ein Gelenkmoment zum Beugen oder Strecken des Hüftgelenks (16) und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels oder des Gelenkmoments erfasst werden, wobei die Wirkung durch die Steuereinrichtung (7) durch Änderung des wenigstens einen Wirkparameters reduziert oder erhöht wird, wenn als Bewegungszustand eine Standphase eines Gangzyklus identifiziert wird, in der der Fuß des Beins in Kontakt mit dem Boden steht, und der wenigstens eine Gelenkparameter einen jeweiligen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder innerhalb oder außerhalb eines jeweiligen vorgegebenen Wertebereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das künstliche Gelenk (3) ein Kniegelenk (17) ist und als Gelenkparameter ein Beugewinkel eines Hüftgelenks (16) und/oder ein Gelenkmoment zum Beugen oder Strecken des Hüftgelenks (16) und/oder eine Zeitableitung des Beugewinkels und/oder des Gelenkmoments erfasst werden, wobei die Wirkung durch die Steuereinrichtung (7) erhöht oder verringert wird, indem der wenigstens eine Wirkparameter verändert wird, wenn als Bewegungszustand eine Schwungphase eines Gangzyklus identifiziert wird, in der das Bein ohne Bodenkontakt schwingt, und der wenigstens eine Gelenkparameter einen jeweiligen vorgegebenen Grenzwert überschreitet oder unterschreitet oder innerhalb oder außerhalb eines jeweiligen vorgegebenen Wertebereichs liegt.
Orthetische oder Prothetische Einrichtung, umfassend ein orthetisches oder prothetisches künstliches Gelenk, (3) wobei das künstliche Gelenk (3) eine Antriebs- und/oder Bremseinrichtung (6) aufweist, durch die eine Wirkung bereitgestellt wird, die einem Beugen und/oder einem Strecken des künstlichen Gelenks (3) entgegenwirkt oder dieses unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) eine Steuereinrichtung (7) und eine Ermittlungseinrichtung (14, 25) umfasst, wobei wenigstens ein die Wirkung bestimmender Wirkparameter durch die Steuereinrichtung (7) gemäß des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche vorgebbar ist.
Prothetische Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Prothese für eine proximal zu wenigstens einem Amputationsgelenk amputierte Extremität (2) dient, wobei das künstliche Gelenk zum Ersatz des Amputationsgelenks dient, wobei die prothetische Einrichtung einen Prothesenschaft (4) zur Verbindung des künstlichen Gelenks (3) mit der Extremität (2) und einen Prothesenschenkel (5), der über das künstliche Gelenk (3) mit dem Prothesenschaft (4) verbunden ist, umfasst.
Prothetische Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine Beinprothese für ein oberhalb des Knies amputiertes Bein als Extremität (2) ausgebildet ist, wobei das künstliche Gelenk (3) ein Kniegelenk (17) ist.
Prothetische Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Gelenkparameter durch die Ermittlungseinrichtung (14, 25) in Abhängigkeit wenigstens eines Messwertes wenigstens eines Sensor (23, 24, 26) ermittelbar ist, der in oder an dem künstlichen Gelenk (3) oder in oder an dem Prothesenschaft (4) oder in oder an dem Steuergelenk angeordnet ist.