DE102017115267A1

DE102017115267A1 - Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung

Info

Publication number: DE102017115267A1
Application number: DE102017115267.9A
Authority: DE
Inventors: Olaf Kroll-Orywahl; André Müller; Gordon Siewert
Original assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Current assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit(a) einem Unterschenkelteil,(b) einem Fußteil, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem Unterschenkelteil angeordnet ist,(c) wenigstens einem ersten Energiespeicher und(d) einem Koppelelement, das in eine Koppelstellung, in der ein Verschwenken des Fußteils relativ zu dem Unterschenkelteil um die Schwenkachse in einer Plantarflexionsrichtung zu einer Erhöhung der in dem ersten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge führt, und in eine Entkoppelstellung bringbar ist,wobei die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens ein Freigabeelement aufweist, dasin eine Freigabestellung undin eine Sperrstellung bringbar ist, wobeidie in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge freigebbar ist, indem das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit einem Unterschenkelteil, einem Fußteil, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem Unterschenkelteil angeordnet ist, wenigstens einem ersten Energiespeicher und einem Koppelelement, das in eine Koppelstellung, in der ein Verschwenken des Fußteils relativ zu dem Unterschenkelteil um die Schwenkachse in einer Plantarflexionsrichtung zu einer Erhöhung der in den ersten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge führt, und in eine Entkoppelstellung bringbar ist.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik seit langer Zeit bekannt. Sie können als Prothese oder Orthese ausgebildet sein und beispielsweise eine Knöchel-Fuß-Orthese (ankle foot orthosis AFO), als Knie-Knöchel-Fuß-Orthese (knee ankle foot orthosis KAFO) oder als Hüfte-Knie-Knöchel-Fuß-Orthese (hip knee ankle foot orthosis HKAFO) ausgebildet sein. Insbesondere kann die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung eine Fußheberorthese sein. Diese werden insbesondere bei Patienten mit einer Fußheberschwäche, die sich beispielsweise in Folge einer Nervenerkrankungen wie z.B. Multiple Sklerose oder nach einem Schlaganfall entwickeln kann, eingesetzt. Eine Fußheberschwäche ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegung des Fußes in Dorsalflexionsrichtung nur eingeschränkt oder gar nicht möglich ist. Eine Fußheberorthese wird daher insbesondere dazu eingesetzt, dieser Beeinträchtigung entgegenzuwirken und beispielweise ein physiologischeres Gangbild zu erzeugen oder aber die Verletzungs- und Stolpergefahr eines Patienten zu vermindern und so insgesamt zu einer erhöhten Lebensqualität beizutragen.
Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest ein Energiespeicher vorgesehen ist, in welchem im Verlauf eines Gangzyklus Energie gespeichert und aus diesem wieder freigesetzt werden kann. Die Energie wird beispielsweise verwendet um das Fußteil mit einer unterstützenden Kraft zu beaufschlagen, die den Träger beim Durchführen einer Plantarflexion oder Dorsalflexion unterstützt.
Unter einer Plantarflexionsbewegung ist eine Beugung des Fußes um die Sprunggelenksachse in Richtung der Fußsohle zu verstehen. Der Winkel zwischen Unterschenkel und Fuß in der Sagittalebene vergrößert sich folglich im Verlauf einer Plantarflexionsbewegung. Unter einer Dorsalflexionsbewegung ist die zur Plantarflexion entgegengesetzte Bewegung zu verstehen. Sie geht folglich mit einer Verkleinerung des Winkels zwischen Unterschenkel und Fuß in der Sagittalebene einher.
Der Gangzyklus eines Menschen kann allgemein in vier Phasen unterteilt werden. Die sogenannte kontrollierte Plantarflexionsphase, die von einem Aufsetzen der Ferse auf den Boden, dem sogenannten „heel strike“, bis zu einem vollständigen Aufliegen des Fußes auf dem Boden verläuft. Die für diese Phase größte Plantarflexion, entsprechend dem größten in dieser Phase erreichten Winkel zwischen Unterschenkel und Fuß in der Sagittalebene, ist in dieser Phase dann erreicht, wenn der Fuß erstmals vollständig auf dem Boden aufliegt.
Hieran schließt sich die kontrollierte Dorsalflexionsphase an. Die kontrollierte Dorsalflexionsphase geht mit Erreichen der maximalen Dorsalflexion, also dem Erreichen des kleinsten Winkels zwischen Unterschenkel und Fuß in der Sagittalebene, in die angetriebene Plantarflexionsphase über. Dieser Übergang wird im Moment des Abhebens der Ferse vom Boden erreicht. Die angetriebene Plantarflexionsphase endet wiederum mit dem Verlust des Bodenkontaktes des Fußes, dem sogenannten „toe-off“ und geht in die Schwungphase über. Die Schwungphase endet ihrerseits mit dem erneuten Aufsetzen der Ferse auf dem Boden, dem „heel strike“.
Aus der US 8,696,764 B2 , der US 2004/0064195 A1 und der US 2013/0046218 A1 sind bereits Fußheberorthesen bekannt, die eine Energiespeichereinrichtung aufweisen, in der zumindest teilweise während der kontrollierten Dorsalflexionsphase Energie gespeichert wird. Diese Energie wird verwendet, um die angetrieben Plantarflexion zu unterstützen. Daher wird sie in dieser Phase abgegeben.
Der Träger einer Fußheberorthese benötigt insbesondere in der angetriebenen Plantarflexionsphase und nach dem „toe-off“ Unterstützung durch die Orthese, da hier Bewegungen des Fußes relativ zum Unterschenkel erforderlich sind, die durch den Patienten mit Muskelkraft hervorgerufen werden müssen.
Aus dem Stand der Technik sind Orthesen bekannt, die bei einer Plantarflexion Energie speichern. Diese Energie wird während der Schwungphase abgegeben um eine Dorsalflexionsbewegung des Fußes hervorzurufen und die Zehen anzuheben. Dadurch wird die Stolpergefahr verringert. Aus der WO 2016/130150 A1 und der US 8920517 B2 ist die Verwendung hydraulischer Energiespeicher bekannt.
Nachteilig ist insbesondere im Hinblick auf solche Energiespeicher, dass die in der Schwungphase abzugebende Energie in der angetriebenen Plantarflexionsphase gespeichert werden muss und daher durch Muskelkraft oder eine andere Energiespeichereinheit aufgebracht werden muss. Die ohnehin schwachen Muskel des Patienten müssen folglich neben der Energie für die angetriebene Plantarflexion zusätzlich die zu speichernde Energie aufbringen, die in der Schwungphase abzugeben ist.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, einen weiteren Energiespeicher vorzusehen, der eingerichtet ist, Energie während einer Dorsalflexion zu speichern, sodass diese während einer Plantarflexionsbewegung freigesetzt werden kann. In einer solchen Orthese wird der zweite Energiespeicher während der kontrollierten Dorsalflexionsphase aufgeladen und die Energie während der sich anschließenden angetriebenen Plantarflexionsphase wieder freigesetzt. Da während der angetriebenen Plantarflexionsphase der erste Energiespeicher geladen wird, arbeiten die beiden Energiespeicher zumindest teilweise „gegeneinander“.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es daher, eine effizientere orthopädietechnische Gelenkeinrichtung vorzuschlagen, die die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik überwindet.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine gattungsgemäße orthopädietechnische Gelenkeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens ein Freigabeelement aufweist, das in eine Freigabestellung und in eine Sperrstellung bringbar ist, wobei die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge freigebbar ist, indem das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird.
Unter einem Freigabeelement ist insbesondere ein Element zu verstehen, welches eine Freisetzung der in dem ersten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge verhindert, wenn es sich in der Sperrstellung befindet. Erfindungsgemäß kann die innerhalb des ersten Energiespeichers gespeicherte Energie insbesondere zu einem beliebigen Zeitpunkt des Gangzyklus und kontrolliert freigegeben werden, indem das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es insbesondere möglich, Energie in dem ersten Energiespeicher während der kontrollierten Plantarflexionsphase zu speichern und diese beispielsweise erst nach dem „toe-off“ am Übergang zwischen der angetriebenen Plantarflexionsphase und der Schwungphase wieder freizugeben. Ein zwischenzeitliches Entladen und Laden des Energiespeichers kann somit vorzugsweise ganz oder teilweise entfallen.
Anders als bei Orthesen und Prothesen aus dem Stand der Technik ist es erfindungsgemäß folglich möglich, den wenigstens einen ersten Energiespeicher von der Bewegung des Fußteils relativ zu dem Unterschenkelteil zu entkoppeln, ohne das die zu diesem Zeitpunkt in dem ersten Energiespeicher enthaltene Energie freigesetzt wird. Die Freisetzung der Energie erfolgt erst, wenn das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird. Insbesondere kann beispielsweise in der kontrollierten Plantarflexionsphase der erste Energiespeicher mit Energie aufgeladen werden. Dann wird der Energiespeicher von der Bewegung des Fußteils relativ zu dem Unterschenkelteil entkoppelt, indem das Koppelelement in die Entkoppelstellung gebracht wird. Dabei befindet sich das Freigabeelement vorzugsweise in der Sperrstellung, so dass vorzugsweise keine oder zumindest nur wenig Energie freigegeben wird. Die Energie wird vorzugsweise während der kontrollierten Dorsalflexion und der angetriebenen Plantarflexion in dem ersten Energiespeicher gespeichert und vorzugsweise erst in der Schwungphase wieder freigegeben. Sie wirkt dann bevorzugt in Dorsalflexionsrichtung und sorgt idealerweise dafür, dass der Fuß in die optimale Position für die nächste kontrollierte Plantarflexionsphase gebracht wird, in der der erste Energiespeicher wieder mit Energie aufgeladen wird.
Vorzugsweise ist die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge durch ein Verschwenken des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil nicht beeinflussbar, wenn sich das Koppelelement in der Entkoppelstellung befindet. Es kann folglich keine Energie abgegeben werden solange sich das Freigabeelement nicht in der Freigabestellung befindet, es kann jedoch auch durch eine weitere Plantarflexion keine zusätzlich Energie in dem ersten Energiespeicher gespeichert werden, solange sich das Koppelelement in der Entkoppelstellung befindet. Alternativ dazu kann die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge auch weiter vergrößerbar sein, wenn sich das Koppelelement in der Koppelstellung befindet und eine erweiterte Plantarflexion stattfindet.
Vorzugsweise weist die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung eine elektrische Steuerung auf, die eingerichtet ist, das wenigstens eine Freigabeelement aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen. Vorzugsweise ist auch die umgekehrte Richtung möglich, so dass mehrfach zwischen den beiden Stellungen umgeschaltet werden kann.
Die Freigabe der in dem wenigstens einen Energiespeicher gespeicherten Energie kann somit insbesondere automatisiert und beispielsweise in Abhängigkeit zeitlicher oder anderer Parameter ablaufen.
Darunter, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist, das wenigstens eine Freigabeelement aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen und umgekehrt, ist hierbei insbesondere zu verstehen, dass die elektrische Steuerung beispielsweise zumindest einen Aktuator ansteuert, der dann das Freigabeelement insbesondere mechanisch aus der Sperrstellung in die Freigabestellung bringt und umgekehrt. Dazu weist die elektrische Steuerung wenigstens eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, bevorzugt einen Mikroprozessor, und wenigstens einen Datenspeicher auf. Alternativ kann auch lediglich ein Zugriff auf einen derartigen Datenspeicher bereitgestellt werden.
Vorzugsweise weist die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens einen Sensor auf, der insbesondere ein Druck-, Lage-, Kraft-, Weg-, Winkel-, Relativwinkel- und/oder Beschleunigungssensor und/oder ein Sensor ist, mit dem eine Energiemenge detektierbar ist, die in dem Energiespeicher enthalten ist. Dieser Sensor ist vorzugsweise eingerichtet wenigstens einen Messwert zu erfassen und an die elektrische Steuerung zu übermitteln.
Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, mittels des zumindest einen Sensors Informationen dahingehend zu erhalten, in welcher Phase eines Gangzyklus sich der Träger der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung befindet. Hierzu erfasst der zumindest eine Sensor vorzugsweise kontinuierlich Messwerte und übermittelt diese an die elektrische Steuerung. Alternativ dazu erfasst der zumindest eine Sensor lediglich in bestimmten Zeitintervallen Messwerte und übermittelt sie an die elektrische Steuerung. Der Sensor beinhaltet vorzugsweise eine eigene Datenverarbeitungseinrichtung, die es ihm beispielsweise ermöglicht, die erfassten Messwerte, deren Ableitungen oder Integrale zu verarbeiten, beispielsweise mit hinterlegten Grenzwerten zu vergleichen, und die Messwerte, deren Ableitungen oder Integrale nur dann an die elektrische Steuerung zu übermitteln, wenn der hinterlegte Grenzwert über- oder unterschritten wird.
So kann beispielsweise mittels wenigstens eines Drucksensors, der beispielsweise an einer im Betrieb der Orthese dem Boden zugewandten Unterseite des Fußteils, bevorzugt im Fersenbereich, angeordnet ist, detektiert werden, ob die Fußheberorthese Bodenkontakt hat. So ist insbesondere feststellbar, ob sich die Fußheberorthese in der Schwungphase des Gangzyklus befindet.
Vorzugsweise weist die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung zumindest zwei Sensoren, insbesondere Drucksensoren, auf. Diese sind vorzugsweise in einem Fersenbereich des Fußteils, welcher im angelegten Zustand im Bereich der Ferse eines Trägers liegt, und einem Vorfußbereich des Fußteils, welcher im angelegten Zustand im Bereich des Vorfußes des Trägers anliegt, angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur die völlige Kontaktlosigkeit zum Boden detektiert werden kann, sondern auch unterschiedliche Phasen unterscheiden werden können, indem beispielsweise ermittelt wird, wie sich die Belastung vom Fersenbereich zum Vorfußbereich verschiebt. Es kann alternativ oder zusätzlich dazu detektiert werden, wenn Bodenkontakt nur noch im Vorfußbereich vorliegt, wie beispielsweise vor dem „toe-off“ im Gangzyklus. Durch die vorteilhafte Verwendung von zumindest zwei Drucksensoren ist somit ein deutlich detaillierteres Abbilden des Gangzyklus möglich.
Vorzugsweise verfügt die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung über wenigstens zwei unterschiedliche Sensoren.
Mittels zumindest eines besonders bevorzugten Sensors lassen sich der Winkel und/oder die Winkeländerung beim Verschwenken des Fußteils um die Schwenkachse, relativ zu dem Unterschenkelteil bestimmen. So kann der Gangzyklus besonders einfach und detailliert abgebildet werden.
Ein solcher Sensor ließe sich beispielsweise durch zumindest zwei Lagesensoren bilden, wobei zumindest ein Lagesensor am Fußteil und zumindest ein Lagesensor am Unterschenkelteil angeordnet ist. Durch den Abstand der beiden Sensoren zueinander ist, bei bekannter Position der Lagesensoren an Fußteil und Unterschenkelteil und bekannter Schwenkachse, der Winkel zwischen dem Fußteil und dem Unterschenkelteil bestimmbar.
Die Übermittlung des Messwertes kann insbesondere über ein Datenkabel oder über drahtlose Übertragungsmittel, wie beispielsweise per Funk, WLAN oder Bluetooth erfolgen.
Vorzugsweise ist die elektrische Steuerung eingerichtet, das wenigstens eine Freigabeelement, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen übermittelten Messwert, aus der Sperrstellung in die Freigabestellung und/oder umgekehrt zu bringen. So wird verhindert, dass zu nicht gewünschten Zeitpunkten Energie freigegeben wird.
Um den Träger der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung bei der in der Schwungphase stattfindenden Dorsalflexion zu unterstützen, ist es insbesondere vorteilhaft, die Freigabe der Energie aus dem wenigstens einen Energiespeicher auf den Beginn der Schwungphase, also insbesondere den Zeitpunkt des Abhebens des Fußes vom Boden („toe-off“) abzustimmen.
Weiterhin kann beispielsweise im Zeitpunkt der maximalen Plantarflexion in der kontrollierten Plantarflexionsphase das Freigabeelement von der Freigabestellung in die Sperrstellung gebracht werden, sodass die während der kontrollierten Plantarflexion in dem wenigstens einen ersten Energiespeicher gespeicherte Energie nicht während der Dorsalflexionsphase ganz oder teilweise freigesetzt wird.
Es ist daher vorteilhaft, wenn die elektrische Steuerung eingerichtet ist, anhand des zumindest einen übermittelten Messwertes einen Verlust des Bodenkontakts der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu detektieren und das Freigabeelement aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen, wenn der Verlust des Bodenkontakts detektiert wurde.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die elektrische Steuerung eingerichtet ist, das Koppelelement erst dann von der Koppelstellung in die Entkoppelstellung zu bringen, wenn sich das Freigabeelement in der Sperrstellung befindet.
Die Erhöhung der Energiemenge in dem wenigstens einen Energiespeicher erfolgt insbesondere in der kontrollierten Plantarflexionsphase. Mit Erreichen der maximalen Plantarflexion ist folglich der maximale in dieser Phase mögliche Energieeintrag erfolgt. Für den Fall, dass es sich bei dem wenigstens einen Energiespeicher um ein Federelement handelt, ist es mit Erreichen der maximalen Plantarflexion vorteilhaft, wenn der Energiespeicher mittels des Koppelelementes von der Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil entkoppelt wird, da die sich anschließende kontrollierte Dorsalflexion wieder zu einer Entladung des wenigstens einen Energiespeichers führen würde. Die Entkopplung des Federelements während sich das Freigabeelement in der Freigabestellung befindet, würde allerdings insbesondere zu einer teilweisen oder vollständigen Freisetzung der Energie durch Entspannung des Federelementes führen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, zunächst das Freigabeelement von der Freigabestellung in die Sperrstellung zu bringen und erst wenn dies erfolgt ist, das Koppelelement von der Koppelstellung in die Entkoppelstellung zu bringen. Das Freigabeelement wird vorzugsweise in die Sperrstellung gebracht, sobald beispielsweise in der Schwungphase die gesamte in dem Energiespeicher gespeicherte Energie freigegeben wurde.
Vorteilhafterweise weist die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens einen zweiten Energiespeicher auf, der derart eingerichtet ist, dass ein Verschwenken des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil um die Schwenkachse in einer Dorsalflexionsrichtung zu einer Erhöhung der in dem zweiten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge führt.
Ein solcher zweiter Energiespeicher ist insbesondere hinsichtlich einer Unterstützung des Trägers der Orthese während der angetriebenen Plantarflexionsphase von Vorteil. So kann insbesondere während der kontrollierten Dorsalflexionsphase Energie in den wenigstens einen zweiten Energiespeicher aufgenommen werden, welche insbesondere in der sich anschließenden angetriebenen Plantarflexionsphase wieder freigesetzt wird.
Weiterhin ist es durch diese Kombination insbesondere möglich, die Energie aus dem zumindest einen ersten und dem zumindest einen zweiten Energiespeicher synergistisch zu nutzen, da das aus dem Stand der Technik bekannte „gegeneinander Arbeiten“ entfällt. So wird vorzugsweise zunächst die Energie aus dem zumindest einen zweiten Energiespeicher in der angetriebenen Plantarflexionsphase freigesetzt werden und anschließend, nach dem „toe-off“, die Energie aus dem zumindest einen ersten Energiespeicher freigegeben werden, indem das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem wenigstens einen ersten Energiespeicher und/oder dem wenigstens einen zweiten Energiespeicher um ein Federelement und/oder eine hydraulische und/oder eine pneumatische Vorrichtung.
Bei dem Federelement handelt es sich insbesondere um eine Schraubenfeder oder eine Torsionsfeder. Weiterhin ist es möglich, dass mittels einer hydraulischen Vorrichtung Energie in einem solchen Federelement gespeichert wird. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, dass mittels einer Pumpe oder eines Kompressors Energie durch Kompression eines Gases gespeichert wird. Es ist darüber hinaus insbesondere möglich, dass in einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung mehrere unterschiedliche Arten von ersten und/oder zweiten Energiespeichern vorgesehen sind.
Bei mechanischen Energiespeichern, insbesondere Federelementen, ist das Freigabeelement beispielsweise ein Ratschenelement oder Freilaufelement. Wird ein pneumatischer oder hydraulischer Energiespeicher verwendet, ist das Freigabeelement vorzugsweise ein Ventil, das insbesondere elektrisch oder elektronisch geschaltet werden kann. Das Koppelelement kann auch ein Fluid sein.
In einer Variante der Erfindung ist Koppelelement als Fluid-Ventil-Kombination ausgebildet ist. Damit ist es möglich, eine Dorsalextension zu einem beliebigen, frei wählbaren Zeitpunkt auszuführen.
Wenn der Gelenkeinrichtung zwei Rotationshydrauliken zugeordnet sind, bevorzugt medial und lateral, kann eine wechselseitige Energiespeicherung und Energieabgabe in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen, nämlich Plantarflexion und Dorsalextension, durchgeführt werden. Dadurch lässt sich eine erweiterte Dorsalextension durchführen, ohne das die Beeinflussung der Plantarflexion davon beeinträchtigt wird.
Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Es zeigen

1, 3, 5, 7 und 9 - schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungen von orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen,
2, 4, 6, 8 und 10 - die in den jeweils vorangegangenen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Bewegungsphasen,
11 und 12 - schematische Darstellungen der hydraulischen/pneumatischen Systeme
13 - die schematische Darstellung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung und
14 - die schematische Darstellung des Energieverlaufs in den Energiespeicherelementen gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2.

1 zeigt die schematische Darstellung einer orthopädietechnischen Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Sie verfügt über ein Fußteil 2, das an einem Unterschenkelteil 4 um eine Schwenkachse 6 herum schwenkbar gelagert ist. Sie verfügt zudem über einen ersten Energiespeicher 8, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einen in einem Zylinder 10 beweglich gelagerten Kolben 12 aufweist, der durch eine Feder 14 vorgespannt ist. Am Kolben 12 befindet sich ein Stößel 16, der über ein Koppelelement 18 mit dem Fußteil 2 verbunden ist.
In 2 ist diese Ausführungsform einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung in unterschiedlichen Bewegungsphasen eines Schrittes dargestellt. Links oben ist die Situation beim Fersenauftritt dargestellt. Das Fußteil 2 ist gegen die horizontale Verkippung gesperrt und eine Ferse 20 bekommt Bodenkontakt beim Aufsetzen des Fußes. Die Feder 14 ist soweit wie möglich entspannt und der Kolben 12 befindet sich am unteren Ende des Zylinders 10. Rechts daneben ist die Situation während des Abrollens des Fußes, also der kontrollierten Plantarflexion gezeigt. Das Fußteil 2 ist gegenüber der links dargestellten Situation in Plantarflexionsrichtung um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt worden. Der Kolben 12 wurde im Zylinder 10 nach oben bewegt und hat dadurch die Feder 14 zusammengedrückt und somit den Energiegehalt in diesem Energiespeicher erhöht. In der rechts oben dargestellten Situation liegt das Fußteil vollflächig auf dem Boden auf. Es handelt sich um die in diesem Schritt maximal plantarflektierte Stellung. Der Stößel 16 hat den Kolben 12 im Zylinder 10 weitest möglich nach oben verschoben, sodass die Feder 14 stark komprimiert wurde. In dieser Situation wird ein Freigabeelement 22, das sich in den oben links und Mitte links in 2 dargestellten Situationen in einer Freigabestellung befand, aus dieser Freigabestellung in die Sperrstellung gebracht. Diese ist in 1 detaillierter dargestellt. Das Freigabeelement verfügt über eine Sperrklinke 24, die den Kolben 12 im Zylinder 10 in der gezeigten Position befestigt. Bei der anschließenden kontrollierten Dorsalflexion, die in 2 unten links dargestellt ist, wird das Fußteil 2 gegenüber dem Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt, wobei es jedoch nicht zu einer Entspannung der Feder 14 kommt. Die im Energiespeicher 14 gespeicherte Energie bleibt erhalten, da das Freigabeelement 22 sich in der Sperrstellung befindet. Man erkennt zudem, dass das Koppelelement 18 den Stößel 16 vom Fußteil 2 entkoppelt hat.
Durch einen zweiten Energiespeicher 26 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel Energie für eine aktive Plantarflexionsbewegung bereitgestellt werden, die in 2 unten Mitte dargestellt ist. Das Fußteil 2 wird gegen das Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt und das Koppelelement 18 kommt wieder in Kontakt mit dem Fußteil 2. In diesem Fall kann das Freigabeelement 22 dem in 1 gezeigten Pfeil 28 folgend aus der Sperrstellung in die Freigabestellung gebracht werden, sodass Energie aus der Feder 14 abgeführt werden kann, wodurch der Kolben 12 innerhalb des Zylinders 10 nach unten bewegt wird. Diese Situation ist in 2 unten rechts dargestellt. Das Fußteil 2 ist gegen das Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt und der Vorfußbereich angehoben.
3 zeigt eine Darstellung ähnlich der 1. Konstruktiver Unterschied ist die Ausgestaltung des Freigabeelementes 22. In dem Zylinder 10 befindet sich unterhalb der Feder 14 ein Volumen 30, das über eine Fluidleitung 32, in der sich ein schaltbares Ventil 34 befindet, mit einem Ausgleichsreservoir 36 verbunden ist.
4 zeigt die Ausgestaltung aus 3 in den Positionen gemäß 2. Beim Fersenauftritt (oben links) des Fußteils 2 ist der Stößel 16 soweit es geht aus dem Zylinder 10 heraus verschoben, sodass die Feder entspannt ist. Beim anschließenden Überrollen und der kontrollierten Plantarflexion wird das Fußteil 2 relativ zum Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt und, wie in der Darstellung oben Mitte dargestellt, der Stößel 16 mit dem daran angeordneten Kolben 12 innerhalb des Zylinders 10 nach oben verschoben. Dabei ist das schaltbare Ventil 34 geöffnet, sodass Fluid aus dem Ausgleichsreservoir 36 in das Volumen 30 strömen kann. Dies geschieht bis zur maximal plantarflektierten Stellung, die in 4 oben rechts dargestellt ist. In diesem Zustand wird das schaltbare Ventil 34 geschlossen, sodass kein Fluid mehr aus dem Volumen 30 in das Ausgleichsreservoir 36 strömen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird gleichzeitig das Koppelelement 18 vom Fußteil 2 entkoppelt. 4 zeigt in der Darstellung unten links die maximal dorsalflektierte Stellung. Das Koppelelement 18 ist nicht in Eingriff mit dem Fußteil 2 und, da das schaltbare Ventil 34 noch immer geschlossen ist, ist auch der Kolben 12 im Zylinder 10 nicht nach unten verschoben worden, sodass der Energiespeicher, der als Feder 14 ausgebildet ist, weiterhin die Energie speichert. Dies geschieht zur mittleren Darstellung der unteren Reihe in 4. Das Kopplungselement 18 gerät wieder in Eingriff mit dem Fußteil 2 und das schaltbare Ventil 34 wird geöffnet. Dadurch kann die Feder 14 entspannt werden, sodass der Kolben 12 nach unten verschoben und ein Fluid aus dem Volumen 30 in das Ausgleichsreservoir 36 geleitet werden kann.
Das schaltbare Ventil 34 kann auch als Drosselventil verwendet werden, sodass die Abgabe der Energie aus dem Energiespeicher, also der Feder 14, gedämpft erfolgen kann. Dies ist selbstverständlich auch in allen anderen Ausgestaltungen möglich, um ein abruptes Abgeben der Energie zu vermeiden.
5 zeigt eine Darstellung ähnlich den 1 und 3. Konstruktiver Unterschied zur Darstellung aus 3 ist einzig die Form des Energiespeichers. Statt der Feder 14 ist ein Druckspeicher 38 vorhanden, in dem ein kompressibles Medium enthalten ist. Das sich unter dem Kolben 12 befindende Volumen 30 ist wieder über die Fluidleitung 32 und das schaltbare Ventil 34 mit dem Ausgleichsreservoir 36 verbunden.
6 zeigt die in 5 dargestellte Ausführungsform in den unterschiedlichen Bewegungsphasen. Nach dem Fersenauftritt (oben links) wird das Fußteil 2 relativ zum Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum in einer Plantarflexionsrichtung verschwenkt. Dabei wird der Stößel 16 und damit auch der Kolben 12 nach oben verschoben. Das Volumen 30 wird durch Fluid aus dem Ausgleichsreservoir 36 gefüllt. Der Druckspeicher 38, in dem sich das kompressible Medium befindet, wird komprimiert, sodass Energie in Form von Druck gespeichert wird.
Anschließend wird sowohl das Kopplungselement 18 außer Eingriff mit dem Fußteil 2 gebracht als auch das schaltbare Ventil 34 geschlossen, sodass kein Fluid mehr aus dem Volumen 30 in das Ausgleichsreservoir 36 fließen kann. Bei der in 6 unten links dargestellten Dorsalflexion kann folglich der Druck aus dem Druckspeicher 38 nicht abgebaut werden. Erst wenn in der aktiv gesteuerten Plantarflexion (6 Mitte unten) der Fußteil 2 wieder die gezeigte Position relativ zum Unterschenkelteil 4 aufweist, wird das Koppelelement 18 wieder in Eingriff gebracht und das schaltbare Ventil 34 geöffnet.
7 zeigt eine nochmals geänderte Ausführungsform. Das Volumen 30 unterhalb des Kolbens 12 ist über die Fluidleitung 32 und das schaltbare Ventil 34 mit dem Ausgleichsreservoir 36 verbunden. Der Druckspeicher 38 ist nun außerhalb des Kolbens 10 angeordnet und ebenfalls über eine Fluidleitung 32 und ein zweites schaltbares Ventil 40 mit dem Kolben 10 verbunden. 8 zeigt diese Ausführungsformen in unterschiedlichen Bewegungsphasen. Die Funktionsweise entspricht der zur 6 erklärten Funktionsweise. Durch das Verschieben des Kolbens 12 innerhalb des Zylinders 10 nach oben wird bei geöffnetem zweiten schaltbaren Ventil 40 ein Fluid aus dem Zylinder 10 in den Druckspeicher 38 gedrückt. In der unteren Zeile der 8 ist dargestellt, wie das zweite schaltbare Ventil 40 ebenso wie das schaltbare Ventil 34 geschlossen ist, sodass der Kolben 12 innerhalb des Zylinders 10 nicht bewegt werden kann. Das Koppelelement 18 ist außer Eingriff mit dem Fußteil 2.
Erst wenn das schaltbare Ventil 34 und das zweite schaltbare Ventil 40 geöffnet werden, wie dies in 8 Mitte unten und unten rechts dargestellt ist, kann der Kolben 12 wieder nach unten verschoben werden.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung. Der Zylinder 10 verfügt über zwei Kammern, die durch das Volumen 30 und das Volumen 42 gebildet werden. Die Gelenkeinrichtung verfügt über den Druckspeicher 38 sowie das Ausgleichsreservoir 36. Beide sind über jeweils eine Fluidleitung 32 sowohl mit dem Volumen 30 als auch mit dem Volumen 42 verbunden. In jeder dieser Fluidleitungen 32 befindet sich ein schaltbares Ventil 34.
10 zeigt die Ausgestaltung aus 9 in den unterschiedlichen Bewegungsphasen. Nach dem Fersenauftritt (oben links) wird das Fußteil 2 relativ zum Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt. Dadurch wird der Kolben 12 in dem Zylinder 10 nach oben verschoben. Das schaltbare Ventil 34, das das Volumen 42 mit dem Druckspeicher 38 verbindet, ist ebenso geöffnet, wie das schaltbare Ventil 34, durch das die Fluidleitung 32 geöffnet wird, die das Volumen 30 mit dem Ausgleichsreservoir 36 verbindet. Bei dieser Bewegung wird der Druck innerhalb des Druckspeichers 38 folglich erhöht. Bei der anschließenden Dorsalflexion (unten links) sind die beiden Ventile 34, die die Volumina 30, 42 mit dem Druckspeicher 38 verbinden, geschlossen, während die anderen beide Ventile 34, durch die die Volumina 30, 42 mit dem Ausgleichsreservoir 36 verbunden sind, geöffnet sind. Auf diese Weise kann der Kolben 12 innerhalb des Zylinders 10 verschoben werden, ohne dass sich der Druck innerhalb des Druckspeichers 38 verändert. Die Ventile 34 sind folglich Teile des Koppelelementes und/oder der Freigabeeinrichtung.
Die gezeigten Ausführungsformen bis auf die der 9, 10 und 12 verfügen zudem über den zweiten Energiespeicher 26. Er kann auf unterschiedliche Weisen ausgebildet sein und ist vorzugsweise so angeordnet, dass bei einer Dorsalflexionsbewegung die Menge der gespeicherten Energie zunimmt. Sie kann bei einer gesteuerten und aktivierten Plantarflexionsbewegung abgegeben werden. Vorzugsweise ist auch dieser Energiespeicher ein hydraulisches oder ein hydraulisch-pneumatisches System. Selbstverständlich sind auch andere Energiespeicherausführungen möglich.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer entsprechenden orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung. Sie verfügt über zwei Druckspeicher 38, von denen der in 11 linke Druckspeicher 38 dem ersten Energiespeicher 8 entspricht. Jeweils eine Rotationshydraulik 44 ist jedem der beiden Druckspeicher 38 zugeordnet, um aus der Bewegung des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil Energie speichern zu können. Die Vorrichtung verfügt über eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 46, die als Mikroprozessor ausgebildet ist. Sie wird über eine Spannungsversorgung 48 mit elektrischer Energie versorgt. Über elektrische Leitungen 50 wird elektrische Energie auch zu den schaltbaren Ventilen 34 geleitet.
Diese sind über Steuerleitungen 52 zudem mit der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung 46 verbunden, durch die sie Steuersignale erhalten.
Die Vorrichtung verfügt zudem über eine Sensorik 54, die mehrere gegebenenfalls unterschiedliche Sensoren aufweisen kann, deren Messwerte zur Steuerung der Vorrichtung verwendet werden.
12 zeigt eine andere Ausgestaltung. Sie verfügt nur über einen einzigen Druckspeicher 38 sowie über ein Ausgleichsreservoir 36. Die beiden Rotationshydrauliken 44 sind über jeweils eine Fluidleitung 32 sowohl mit dem Druckspeicher 38 als auch mit dem Ausgleichsreservoir 36 verbunden. Jeweils ein schaltbares Ventil 34 ist in jeder dieser Leitungen vorhanden.
Die schaltbaren Ventile sind über Steuerleitungen 52 mit der elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung 46 und über elektrische Leitungen 50 mit der Spannungsversorgung 48 verbunden. Auch diese Vorrichtung verfügt über die entsprechende Sensorik.
13 zeigt die schematische Ansicht einer entsprechenden orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung, die als Knie-, Knöchel-, Fuß-Orthese ausgebildet ist. Sie verfügt über ein Fußteil 2, den Unterschenkelteil 4 sowie einen ersten Energiespeicher 8 und einen zweiten Energiespeicher 26. Im Bereich des Knies befindet sich ein Gelenk 56. Darüber befindet sich eine Oberschenkelschale 58 sowie eine Unterschenkelschale 60 zum Anlegen an den Oberschenkel oder den Unterschenkel. Im Knöchelbereich sind zwei Rotationshydrauliken 44 vorgesehen, eine medial und die andere lateral, die mit den Energiespeichern 8, 26 verbunden sind.
14 zeigt schematisch den Verlauf der gespeicherten Energiemenge im ersten Energiespeicher 8 und im zweiten Energiespeicher 26. Im oberen Bereich der 14 sind die Darstellungen aus 2 verkleinert dargestellt. Man erkennt jeweils das Fußteil 2 mit dem ersten Energiespeicher 8 und dem zweiten Energiespeicher 26.
Im unteren Bereich zeigen die zwei Diagramme schematisch die Menge der jeweils gespeicherten Energie. Dabei bezeichnet die obere Linie die im ersten Energiespeicher 8 gespeicherte Energie, während die untere Linie die im zweiten Energiespeicher 26 gespeicherte Energie darstellt.
Beim Fersenauftritt 62, der in der ersten Zeile der 14 durch die erste Darstellung gezeigt wird, ist weder im ersten Energiespeicher 8 noch im zweiten Energiespeicher 26 Energie enthalten. Dies ändert sich bei der folgenden kontrollierten Plantarflexion, während der im ersten Energiespeicher 8 Energie gespeichert wird. Sie verläuft bis zur Maximum-Plantarflexion 64, die durch die erste gestrichelte Linie in 14 dargestellt ist. Man erkennt in der zweiten Darstellung von links in der ersten Zeile von 14, dass das Fußteil 2 abgesenkt wird und die Feder 14 im ersten Energiespeicher 8 zusammengedrückt wird. Die dritte Darstellung in 14 oben zeigt die maximal plantarflektierte Stellung. Wie bereits bezüglich in 2 beschrieben, wird in diesem Moment das Freigabeelement 22 aus der Freigabestellung in die Sperrstellung gebracht. Zudem wird, wie in 2 dargestellt, das Koppelelement 18 vom Fußteil 2 entkoppelt.
Da das Koppelelement 18 entkoppelt ist und das Freigabeelement 22 sich in der Sperrstellung befindet, wird bei den folgenden Bewegungen, also der kontrollierten Dorsalflexion und der aktiven Plantarflexion, während der das Freigabeelement 22 in der Sperrstellung bleibt, das Energieniveau im ersten Energiespeicher 8 nicht verändert.
In dem untersten Diagramm der 14 wird die Energiemenge im zweiten Energiespeicher 26 dargestellt. Vom Fersenauftritt 62 bis zur Maximum-Plantarflexion wird keine Energie gespeichert. Während der kontrollierten Dorsalflexion bis zur maximal dorsalflektierten Stellung 66 wird im zweiten Energiespeicher 26 Energie gespeichert, die bei der anschließenden aktiven Plantarflexion wieder abgegeben wird und dem Abstoßen den Fußes dient. Dies geschieht bis zum Abheben 68 des Fußes, das in der obersten Zeile der 14 durch die zweite Darstellung von rechts dargestellt ist.
Danach befindet sich der Fuß in der Schwungphase, in der im gezeigten Ausführungsbeispiel das Koppelelement 18 wieder den Stößel 16 am Fußteil 2 angekoppelt hat und das Freigabeelement 22 wieder in die Freigabestellung gebracht wird. Dadurch kann die in dem ersten Energiespeicher 9 gespeicherte Energie abgegeben werden, wodurch das Fußteil 2 gegen das Unterschenkelteil 4 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt wird. Die endgültige Position, in der der Vorfußbereich angehoben ist, ist in der rechten Darstellung in der oberen Zeile von 14 gezeigt. In diesem Zustand befindet sich weder in dem ersten Energiespeicher 8 noch im zweiten Energiespeicher 26 Energie und der Schritt beginnt von vorn.
Bezugszeichenliste

2: Fußteil
4: Unterschenkelteil
6: Schwenkachse
8: erster Energiespeicher
10: Zylinder
12: Kolben
14: Feder
16: Stößel
18: Koppelelement
20: Ferse
22: Freigabeelement
24: Sperrklinke
26: zweiter Energiespeicher
28: Pfeil
30: Volumen
32: Fluidleitung
34: schaltbares Ventil
36: Ausgleichsreservoir
38: Druckspeicher
40: zweites schaltbares Ventil
42: Volumen
44: Rotationshydraulik
46: elektronische Datenverarbeitungseinrichtung
48: Spannungsversorgung
50: elektrische Leitung
52: Steuerleitung
54: Sensorik
56: Gelenk
58: Oberschenkelschale
60: Unterschenkelschale
62: Fersenauftritt
64: maximum Plantarflexion
66: maximum Dorsalflexion
68: Abheben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8696764 B2 [0007]
US 2004/0064195 A1 [0007]
US 2013/0046218 A1 [0007]
WO 2016/130150 A1 [0009]
US 8920517 B2 [0009]

Claims

Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit (a) einem Unterschenkelteil, (b) einem Fußteil, das um eine Schwenkachse schwenkbar an dem Unterschenkelteil angeordnet ist, (c) wenigstens einem ersten Energiespeicher und (d) einem Koppelelement, das in eine Koppelstellung, in der ein Verschwenken des Fußteils relativ zu dem Unterschenkelteil um die Schwenkachse in einer Plantarflexionsrichtung zu einer Erhöhung der in dem ersten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge führt, und in eine Entkoppelstellung bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens ein Freigabeelement aufweist, das in eine Freigabestellung und in eine Sperrstellung bringbar ist, wobei die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge freigebbar ist, indem das Freigabeelement in die Freigabestellung gebracht wird.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem ersten Energiespeicher gespeicherte Energiemenge durch ein Verschwenken des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil nicht beeinflussbar ist, wenn sich das Koppelelement in der Entkoppelstellung befindet.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung eine elektrische Steuerung aufweist, die eingerichtet ist, das wenigstens eine Freigabeelement aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen und umgekehrt.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens einen Sensor, insbesondere wenigstens einen Druck-, Lage-, Kraft- oder Beschleunigungssensor aufweist, der eingerichtet ist wenigstens einen Messwert zu erfassen und an die elektrische Steuerung zu übermitteln.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist, das wenigstens eine Freigabeelement, in Abhängigkeit von dem wenigstens einen übermittelten Messwert, aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist, anhand des zumindest einen übermittelten Messwerts einen Verlust eines Bodenkontakts der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu detektieren, und das Freigabeelement aus der Sperrstellung in die Freigabestellung zu bringen, wenn der Verlust des Bodenkontakts detektiert wurde.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist, das Koppelelement erst dann von der Koppelstellung in die Entkoppelstellung zu bringen, wenn sich das Freigabeelement in der Sperrstellung befindet.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die orthopädietechnische Gelenkeinrichtung wenigstens einen zweiten Energiespeicher aufweist, der derart eingerichtet ist, dass ein Verschwenken des Fußteils relativ zum Unterschenkelteil um die Schwenkachse in einer Dorsalflexionsrichtung zu einer Erhöhung der in dem zweiten Energiespeicher gespeicherten Energiemenge führt.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem wenigstens einen ersten Energiespeicher und/oder dem wenigstens einen zweiten Energiespeicher um ein Federelement und/oder eine hydraulische und/oder eine pneumatische Vorrichtung handelt.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement als Fluid-Ventil-Kombination ausgebildet ist.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtung Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gelenkeinrichtung zwei Rotationshydrauliken zugeordnet sind.