DE102019100584A1 - Method for determining a prosthetic foot model, computer readable storage medium and system - Google Patents
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Abstract
Prothesenfüße sind nicht automatisch an die individuellen Bedürfnisse einzelner Patienten anpassbar.Die Erfindung betrifft daher Verfahren zum Bestimmen eines Prothesenfußmodells (60), das einen Prothesenfuß (85) angibt, umfassend die folgenden Schritte:a) Parametrieren eines Prothesenfußmodells (10), das einen Prothesenfuß angibt, mit mindestens einem Eingabeparameter (61);b) Berechnen (64) von mindestens einem Lastfall des parametrierten Prothesenfußmodells (63) zur Erzeugung von Lastfallergebnisdaten (31, 32);c) Anpassen (70) mindestens eines freien Parameterwertes (17, 19, 20) des parametrierten Prothesenfußmodells (10) unter Berücksichtigung der Lastfallergebnisdaten (31, 32);d) Bestimmen eines optimierten Prothesenfußmodells (71) unter Verwendung des mindestens einen angepassten freien Parameterwertes (17, 19, 20).Prosthetic feet are not automatically adaptable to the individual needs of individual patients. The invention therefore relates to methods for determining a prosthetic foot model (60) which indicates a prosthetic foot (85), comprising the following steps: a) Parameterizing a prosthetic foot model (10) which is a prosthetic foot indicates with at least one input parameter (61); b) calculating (64) at least one load case of the parameterized prosthetic foot model (63) to generate load case result data (31, 32); c) adjusting (70) at least one free parameter value (17, 19 , 20) of the parameterized prosthetic foot model (10) taking into account the load case result data (31, 32); d) determining an optimized prosthetic foot model (71) using the at least one adapted free parameter value (17, 19, 20).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Prothesenfußmodells, ein computerlesbares-Speichermedium und ein System.The invention relates to a method for determining a prosthetic foot model, a computer-readable storage medium and a system.
Ein Prothesenfuß ist aus der
Für die Erfüllung der funktionellen Anforderungen des Prothesenfußes sind mehrere Aspekte wichtig. Die Dämpfungseigenschaften, welche sich am deutlichsten beim Fersenauftritt zeigen, sind wichtig für den Komfort beim Gehen. Die Geometrie der Sohle ist wichtig für ein harmonisches Abrollverhalten während des Gehens. Ebenso ist eine, zumeist durch passive Federelemente erreichte, Energierückgabe beim Ablösen des Vorfußes vom Boden erwünscht. Dies sorgt für ein energieeffizientes Gehen des Prothesenträgers.Several aspects are important for fulfilling the functional requirements of the prosthetic foot. The cushioning properties, which are most evident when heel strikes, are important for comfort when walking. The geometry of the sole is important for a harmonious rolling behavior while walking. Likewise, energy return, usually achieved by passive spring elements, is desired when the forefoot is detached from the ground. This ensures energy-efficient walking of the prosthesis wearer.
Generell ist eine individuelle, patientenspezifische Auslegung der gesamten Prothese wichtig, um die funktionellen Elemente auf die Bedürfnisse des Patienten anzupassen. Herkömmliche Prothesenfüße lassen jedoch nur bedingt individuelle Veränderungen zu. Zumeist wird nicht der Prothesenfuß an sich verändert, sondern der Orthopädietechniker wählt aus der Vielzahl verschiedener Prothesenfüße einen Fuß aus, der von den Eigenschaften am ehesten den gewünschten Eigenschaften entspricht. Zudem sind Prothesenfüße zumeist in verschiedenen Größen verfügbar. Einige können noch durch beispielsweise dem Austausch oder der Einstellung von Dämpfungselementen angepasst werden.In general, an individual, patient-specific design of the entire prosthesis is important in order to adapt the functional elements to the needs of the patient. However, conventional prosthetic feet only allow individual changes to a limited extent. In most cases, the prosthetic foot itself is not changed, but the orthopedic technician chooses a foot from the variety of different prosthetic feet that most closely corresponds to the desired properties. In addition, prosthetic feet are usually available in different sizes. Some can still be adjusted by, for example, replacing or adjusting damping elements.
Moderne additiv gefertigte Prothesenfüße bieten durch die werkzeuglose Fertigung die Möglichkeit, jeden einzelnen Prothesenfuß individuell anzupassen. Somit kann nicht nur die Fußgröße angepasst werden, sondern im besonders hohen Maße auch die Dämpfungseigenschaften sowie das Abrollverhalten.Modern additively manufactured prosthetic feet offer the possibility of individually adapting each individual prosthetic foot due to the tool-free production. This means that not only the foot size can be adjusted, but also the damping properties and rolling behavior to a particularly high degree.
Darüber hinaus müssen Prothesenfüße zielgruppenspezifische Anforderungen erfüllen. So gibt es Prothesenfüße, die speziell für den Sportbereich entwickelt sind. Ein anderes Beispiel sind ältere Menschen, die sich häufiger in einer Standphase befinden als junge Menschen. In diesem Fall ist ein stabiler, für das Stehen optimierter Prothesenfuß gewünscht.In addition, prosthetic feet must meet target-group-specific requirements. There are prosthetic feet that have been specially developed for the sports sector. Another example are older people who are more often in a stance phase than young people. In this case, a stable prosthetic foot optimized for standing is desired.
Bisherige Verfahren beruhen darauf, dass ein Fachmann die Prothesenfüße entsprechend den Anforderungen der Zielgruppe, bzw. des Patienten, gestaltet. Dabei kommt es auf die Erfahrung und das Können des Fachmanns an.Previous methods are based on the fact that a specialist designs the prosthetic feet according to the requirements of the target group or the patient. It depends on the experience and skill of the specialist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Herstellen vollständig individualisierter Prothesenfüße zu ermöglichen, die auf die individuellen Bedürfnisse einzelner Patienten abgestimmt sind. Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, die Anzahl der tatsächlich zu produzierenden Prothesenfüße zu reduzieren. Es ist weiter insbesondere Aufgabe der Erfindung, die notwendigen Rechenressourcen gering zu halten.It is therefore an object of the invention to enable the production of fully individualized prosthetic feet that are tailored to the individual needs of individual patients. It is a particular object of the invention to reduce the number of prosthetic feet that are actually to be produced. It is a further particular object of the invention to keep the necessary computing resources low.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch ein computerlesbares-Speichermedium nach Anspruch 13 und durch ein System nach Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1, by a computer-readable storage medium according to
Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Prothesenfußmodells, das einen Prothesenfuß angibt, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Parametrieren eines Prothesenfußmodells, das einen Prothesenfuß angibt, mit mindestens einem Eingabeparameter;
- b) Berechnen von mindestens einem Lastfall des parametrierten Prothesenfußmodells zur Erzeugung von Lastfallergebnisdaten;
- c) Anpassen mindestens eines freien Parameterwertes des parametrierten Prothesenfußmodells unter Berücksichtigung der Lastfallergebnisdaten;
- d) Bestimmen eines optimierten Prothesenfußmodells unter Verwendung des mindestens einen angepassten freien Parameterwertes.
- a) parameterizing a prosthetic foot model that specifies a prosthetic foot with at least one input parameter;
- b) calculating at least one load case of the parameterized prosthetic foot model for generating load case result data;
- c) adapting at least one free parameter value of the parameterized prosthetic foot model taking into account the load case result data;
- d) determining an optimized prosthetic foot model using the at least one adapted free parameter value.
Ein erster Kern der Erfindung ist, dass ein optimiertes Prothesenfußmodell unter Berücksichtigung individueller Eingabeparameter bestimmt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Eingabeparameter als patententenspezifische Eingabeparameter ausgebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass Eingabeparameter durch Normen, wie ISO-Normen, vorgegeben werden. Somit ist es möglich, den individuellen Anforderungen eines einzelnen Patienten gerecht zu werden. Beispielsweise kann ein Patient angeben, dass er ein bestimmtes Abrollverhalten des Prothesenfußes wünscht. All diesen Anforderungen kann mit dem angegebenen Verfahren entgegengekommen werden. Ein weiterer Kern der Erfindung ist es, dass freie Parameter des Prothesenfußmodells derart angepasst werden, dass ein optimiertes Prothesenfußmodell möglichst schnell gefunden wird.A first core of the invention is that an optimized prosthetic foot model is determined taking into account individual input parameters. In particular, it is provided that the input parameters are designed as patent-specific input parameters. However, it is also possible for input parameters to be specified by standards, such as ISO standards. This makes it possible to meet the individual requirements of a single patient. For example, a patient can indicate that he desires a certain rolling behavior of the prosthetic foot. All of these requirements can be met with the specified procedure. Another core of the invention is that free parameters of the prosthetic foot model are adapted in such a way that an optimized prosthetic foot model is found as quickly as possible.
Die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens können in jeder beliebigen Reihenfolge oder in genau der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden.The steps of the method described above can be in any order or be carried out in exactly the order specified.
Ein Prothesenfußmodell im Rahmen dieser Anmeldung kann beispielsweise ein CAD Modell umfassen. Zusätzlich zu CAD Daten kann das Prothesenfußmodell weitere Informationen enthalten. Beispielsweise kann das Prothesenfußmodell die veränderbaren freien Parameter angeben.A prosthetic foot model in the context of this application can comprise, for example, a CAD model. In addition to CAD data, the prosthetic foot model can contain further information. For example, the prosthetic foot model can specify the changeable free parameters.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Minimieren einer Kostenfunktion umfassen, die eine Abweichung der Lastfallergebnisdaten von Referenzlastfallergebnisdaten angeben kann, wobei das Anpassen unter Berücksichtigung der Abweichung ausgeführt werden kann.In one embodiment, the method can include minimizing a cost function that can indicate a deviation of the load case result data from reference load case result data, wherein the adjustment can be carried out taking the deviation into account.
Lastfallergebnisdaten können beispielsweise eine auf das Prothesenfußmodell ausgeübte Kraft an einer bestimmten Position in einer bestimmten Richtung und mit einer bestimmten Kraft angeben. Zum Beispiel können die Lastfallergebnisdaten mindestens eine Bodenreaktionskraft, d.h. eine Kraft die vertikal von einer Bodenfläche weg auf den Prothesenfuß wirkt, angeben. Lastfallergebnisdaten können jedoch auch eine Vielzahl solcher ausgeübter Kräfte angeben. Insbesondere kann ein vollständiges Abrollverhalten des parametrierten Prothesenfußmodells durch die erzeugten Lastfallergebnisdaten und/oder die Referenzlastfallergebnisdaten angegeben werden. Es ist ferner möglich, dass die Lastfallergebnisdaten eine Interpolation von diskreten Lastfalldaten angeben. Lastfallergebnisdaten können daher eine diskrete Menge an Daten oder eine kontinuierliche Beschreibung, z.B. eine Funktion, angeben.Load case result data can, for example, indicate a force exerted on the prosthetic foot model at a specific position in a specific direction and with a specific force. For example, the load case result data may include at least one floor reaction force, i.e. specify a force that acts vertically away from a floor surface on the prosthetic foot. Load case result data can also indicate a variety of such applied forces. In particular, a complete rolling behavior of the parameterized prosthetic foot model can be specified by the generated load case result data and / or the reference load case result data. It is also possible for the load case result data to indicate an interpolation of discrete load case data. Load case result data can therefore include a discrete amount of data or a continuous description, e.g. a function, specify.
Durch einen Experten, eine Spezifikation des Patienten oder durch einschlägige Literatur können die Referenzlastfallergebnisdaten angegeben werden. Mit der beschriebenen Ausführungsform kann das Prothesenfußmodell derart angepasst werden, dass das Abrollverhalten des Prothesenfußmodells den Referenzlastfallergebnisdaten entspricht. Somit kann das Prothesenfußmodell an die Wünsche des Patienten angepasst werden.The reference load case data can be provided by an expert, a specification of the patient or relevant literature. With the described embodiment, the prosthetic foot model can be adapted such that the rolling behavior of the prosthetic foot model corresponds to the reference load case result data. The prosthetic foot model can thus be adapted to the patient's wishes.
In einer Ausführungsform können die erzeugten Lastfallergebnisdaten und/oder die Referenzlastfallergebnisdaten eine Deformation des parametrierten Prothesenfußmodells und/oder eine Position eines Kraftangriffspunktes, insbesondere einer Bodenreaktionskraft, angeben.In one embodiment, the generated load case result data and / or the reference load case result data can indicate a deformation of the parameterized prosthetic foot model and / or a position of a force application point, in particular a ground reaction force.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn Lastfallergebnisdaten eine Deformation des parametrierten Prothesenfußmodells angeben. Die Deformation eines Prothesenfußes ist ein entscheidendes Kriterium für den Komfort, den ein Nutzer eines Prothesenfußes beim Gehen erfährt. Somit ist es für den Komfort durch den Nutzer entscheidend, dass die Deformation des Prothesenfußes optimiert wird. Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, die Deformation des Prothesenfußmodells derart anzupassen, dass sie den Wünschen eines Nutzers entspricht.It is particularly advantageous if load case result data indicate a deformation of the parameterized prosthetic foot model. The deformation of a prosthetic foot is a crucial criterion for the comfort that a user of a prosthetic foot experiences when walking. It is therefore crucial for the comfort of the user that the deformation of the prosthetic foot is optimized. With the described method, it is possible to adapt the deformation of the prosthetic foot model in such a way that it corresponds to the wishes of a user.
Des Weiteren ist es möglich, die Position von Kraftangriffspunkten anzupassen. Insbesondere sind bei einer Abrollbewegung durch den Prothesenfuß zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche Kraftangriffspunkte festgelegt. Dabei kann zu jedem Anstellwinkel ein mindestens zweidimensionaler Bodenreaktionskraftvektor und ein Kraftangriffspunkt angegeben sein. Wie die Deformation, so ist auch die Position des Kraftangriffspunktes ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung des Komforts eines Prothesenfußes durch den Nutzer. Somit ist auch die Anpassung der Position des Kraftangriffspunktes ein großer Vorteil der Erfindung. Die Position eines Kraftangriffspunktes kann in einem körperfesten Koordinatensystem des Prothesenfußmodells angeben, an welcher Stelle der Kontaktfläche zwischen Prothesenfußmodell und Bodenebene sich der Kraftangriffsvektor befindet. Dabei kann der Kraftangriffsvektor einen gewichteten Schwerpunkt über sämtliche Reaktionskräfte zwischen Prothesenfußmodell und Bodenebene angeben.It is also possible to adjust the position of force application points. In particular, different force application points are defined at any time during a rolling movement through the prosthetic foot. An at least two-dimensional ground reaction force vector and a force application point can be specified for each angle of attack. Like the deformation, the position of the force application point is an essential factor in the assessment of the comfort of a prosthetic foot by the user. Thus, the adaptation of the position of the force application point is a great advantage of the invention. The position of a force application point can indicate in a body-fixed coordinate system of the prosthetic foot model, at which point of the contact surface between the prosthetic foot model and the ground plane the force application vector is located. The force attack vector can specify a weighted center of gravity over all reaction forces between the prosthetic foot model and the floor level.
Es ist in weiteren Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ möglich, eine Energierückgabe, Energieeffizienz, Gelenkkräfte, Gelenkmomente, Gelenkwinkel, Gelenkbeschleunigungen, Hebelarme und/oder Steifigkeiten anzupassen.In further embodiments, it is additionally or alternatively possible to adapt an energy return, energy efficiency, joint forces, joint moments, joint angles, joint accelerations, lever arms and / or stiffness.
In einer Ausführungsform kann das Berechnen des mindestens einen Lastfalls ein Bestimmen einer Vielzahl von Kraftangriffspunkten zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder bei unterschiedlichen Anstellwinkeln umfassen, insbesondere bei einer Abrollbewegung.In one embodiment, the calculation of the at least one load case can include determining a multiplicity of force application points at different times and / or at different angles of attack, in particular during a rolling movement.
Durch das Berechnen des mindestens einen Lastfalls kann mit der beschriebenen Ausführungsform erreicht werden, dass die Kraftangriffspunkte zu einer Vielzahl diskreter Zeitpunkte und/oder Anstellwinkel bestimmt werden und durch die Lastfallergebnisdaten angegeben werden. Beispielsweise kann jeweils ein Kraftangriffspunkt in Zeitintervallen kleiner 1 Sekunde, insbesondere kleiner 10 ms, bevorzugt kleiner 1ms, besonders bevorzugt kleiner 0,1 ms bestimmt werden. Ferner ist es möglich in Intervallen kleiner gleich 5°, bevorzugt kleiner gleich 2° und besonders bevorzugt kleiner gleich 1°, insbesondere besonders bevorzugt kleiner 0,5° einen Kraftangriffspunkt und entsprechende Lastfallergebnisdaten zu ermitteln. Es kann vorgesehen sein, insgesamt mindestens 100, bevorzugt 300, Kraftangriffspunkte zu bestimmen.By calculating the at least one load case, it can be achieved with the described embodiment that the force application points are determined at a plurality of discrete times and / or angles of attack and are indicated by the load case result data. For example, a force application point can be determined at time intervals of less than 1 second, in particular less than 10 ms, preferably less than 1 ms, particularly preferably less than 0.1 ms. Furthermore, it is possible to determine a force application point and corresponding load case result data at intervals of less than or equal to 5 °, preferably less than or equal to 2 ° and particularly preferably less than or equal to 1 °, particularly preferably less than 0.5 °. Provision can be made to determine a total of at least 100, preferably 300, force application points.
Damit ist es möglich, das gesamte Abrollverhalten des Prothesenfußmodells zu bestimmen. Somit ist eine genauere Anpassung des Prothesenfußes an die Patientenwünsche möglich.This makes it possible to determine the overall rolling behavior of the prosthetic foot model. This enables a more precise adjustment of the prosthetic foot to the patient's wishes.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Berechnen einer Deformation des parametrierten Prothesenfußmodells, insbesondere zu unterschiedlichen Zeitpunkten einer Abrollbewegung umfassen.In one embodiment, the method can include calculating a deformation of the parameterized prosthetic foot model, in particular at different times of a rolling movement.
Wie bereits hinsichtlich der Bestimmung von Kraftangriffspunkten beschrieben, kann auch zu diskreten Zeitpunkten einer Abrollbewegung eine Deformation des parametrierten Prothesenfußmodells bestimmt werden.As already described with regard to the determination of force application points, a deformation of the parameterized prosthetic foot model can also be determined at discrete times of a rolling movement.
In einer Ausführungsform kann die Kostenfunktion eine Abweichung mindestens einer bestimmten Deformation des parametrierten Prothesenfußmodells von einer zugeordneten Referenzdeformation des parametrierten Prothesenfußmodells angeben. Dabei kann eine Referenzdeformation einer bestimmten Deformation unter Berücksichtigung des Anstellwinkels und/oder eines Zeitschrittes zugeordnet sein.In one embodiment, the cost function can indicate a deviation of at least one specific deformation of the parameterized prosthetic foot model from an assigned reference deformation of the parameterized prosthetic foot model. A reference deformation can be assigned to a specific deformation taking into account the angle of attack and / or a time step.
Die zu minimierende Kostenfunktion kann in der beschriebenen Ausführungsform als der Betrag der Differenz zwischen der bestimmten Deformation und der Referenzdeformation implementiert sein. Ziel ist es, diese Differenz auf ein Minimum zu reduzieren. Somit wird eine einfach zu implementierende Kostenfunktion angegeben, die durch bekannte Minimierungsverfahren optimiert bzw. minimiert werden kann.The cost function to be minimized can be implemented in the described embodiment as the amount of the difference between the determined deformation and the reference deformation. The aim is to reduce this difference to a minimum. Thus, an easy-to-implement cost function is specified that can be optimized or minimized using known minimization methods.
In einer Ausführungsform kann die Kostenfunktion eine Abweichung mindestens einer bestimmten Position von einer zugeordneten Referenzposition eines Kraftangriffspunktes angeben.In one embodiment, the cost function can indicate a deviation of at least one specific position from an assigned reference position of a force application point.
Neben der Deformation kann durch die Kostenfunktion ebenfalls der Betrag der Differenz zwischen mindestens einer bestimmten Position von Kraftangriffspunkten und jeweils zugeordneten Referenzpositionen von Kraftangriffspunkten bestimmt werden. Somit können auch die Positionen der Kraftangriffspunkte auf einfache Art und Weise optimiert werden.In addition to the deformation, the cost function can also determine the amount of the difference between at least one specific position of force application points and respectively assigned reference positions of force application points. The positions of the force application points can thus also be optimized in a simple manner.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Kostenfunktion durch das Produkt der Beträge der Abweichung von einer bestimmten Deformation und einer Referenzdeformation sowie einer bestimmten Position und einer Referenzposition von mindestens einem Kraftangriffspunkt angegeben sein.In a further embodiment, the cost function can be specified by the product of the amounts of the deviation from a specific deformation and a reference deformation and a specific position and a reference position of at least one force application point.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner umfassen:
- - Festlegen von mindestens einem Parameterbereich für mindestens einen Parameter eines Prothesenfußmodells, insbesondere für eine Federstärke und/oder eine Fußlänge;
- - Bestimmen einer Vielzahl von Kandidaten-Prothesenfußmodellen unter Verwendung eines Sampling-basierten Verfahrens und des mindestens einen Parameterbereichs, wobei die Vielzahl von Kandidaten-Prothesenfußmodellen das mindestens eine Prothesenfußmodell angibt.
- - Definition of at least one parameter range for at least one parameter of a prosthetic foot model, in particular for a spring strength and / or a foot length;
- Determining a plurality of candidate prosthetic foot models using a sampling-based method and the at least one parameter range, the plurality of candidate prosthetic foot models indicating the at least one prosthetic foot model.
Zum Bestimmen des Prothesenfußmodells, welches optimiert wird, kann zunächst eine Vielzahl von Kandidaten-Prothesenfußmodellen ermittelt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Parameterraum, der durch die unterschiedlichen Parameter eines Prothesenfußmodells angegeben ist, gesampled bzw. abgetastet wird. Es werden also entsprechend des genutzten Sampling-Algorithmus unterschiedliche Kandidaten-Prothesenfußmodelle erzeugt.To determine the prosthetic foot model, which is optimized, a large number of candidate prosthetic foot models can first be determined. This can be achieved in that the parameter space, which is specified by the different parameters of a prosthetic foot model, is sampled or sampled. Different candidate prosthetic foot models are thus generated in accordance with the sampling algorithm used.
Der Parameterraum kann beispielsweise durch die Fußgröße, insbesondere die Fußlänge und die Fußbreite, die Federstärke an unterschiedlichen Stellen des Prothesenfußmodells, sowie die unterschiedlichen Distanzen zwischen verschiedenen Teilen des Prothesenfußmodells angegeben sein.The parameter space can be specified, for example, by the foot size, in particular the foot length and the foot width, the spring strength at different points in the prosthetic foot model, and the different distances between different parts of the prosthetic foot model.
Mit der beschriebenen Ausführungsform werden somit Rechenressourcen geschont, da von einem besonders guten Prothesenfußmodell ausgegangen wird, sodass eine Optimierung schneller ausgeführt werden kann.Computing resources are thus saved with the described embodiment, since a particularly good prosthetic foot model is assumed, so that optimization can be carried out more quickly.
In einer Ausführungsform kann das Berechnen des mindestens einen Lastfalls unter Verwendung eines finite-Elemente-Verfahrens ausgeführt werden.In one embodiment, the calculation of the at least one load case can be carried out using a finite element method.
Finite-Elemente-Verfahren haben sich in der Praxis bewährt und können sehr genaue Angaben zu wirkenden Kräften bzw. Deformationen bei Werkstücken liefern. Ferner existieren hierzu gängige Standardlösungen, die es ermöglichen, das Verfahren effizient einzusetzen.Finite element processes have proven themselves in practice and can provide very precise information on the forces or deformations in workpieces. There are also common standard solutions for this, which make it possible to use the method efficiently.
In einer Ausführungsform kann das Berechnen des mindestens einen Lastfalls das Bestimmen einer Ersatzfunktion umfassen, die eine Vielzahl von Zwischenwerten von Lastfallergebnisdaten bei unterschiedlichen freien Parameterwerten angeben kann, insbesondere Zwischenwerte von Deformationswerten und/oder Positionswerten von Kraftangriffspunkten.In one embodiment, the calculation of the at least one load case can include determining an equivalent function which can specify a plurality of intermediate values of load case result data with different free parameter values, in particular intermediate values of deformation values and / or position values of force application points.
In einer Ausführungsform kann das Bestimmen der Ersatzfunktion ein Approximieren, z.B. ein Interpolieren, über Lastfallergebnisdaten von mindestens einem Lastfall von mindestens zwei Kandidaten-Prothesenfußmodellen umfassen, wobei die Lastfallergebnisdaten insbesondere unter Verwendung von unterschiedlichen freien Parameterwerten berechnet sein können.In one embodiment, the replacement function can be approximated, for example interpolated, using load case result data from at least one load case from at least two Candidate prosthetic foot models include, wherein the load case result data can be calculated in particular using different free parameter values.
Um die notwendige Rechenzeit weiter zu verkürzen, ist es möglich, unter Verwendung mindestens eines Lastfalls, bzw. der Lastfallergebnisdaten dieses mindestens einen Lastfalls, eine Ersatzfunktion zu bestimmen, mit der es möglich ist, die Lastfallergebnisdaten weiterer Kandidaten-Prothesenfußmodelle zu approximieren. Beispielsweise kann die Ersatzfunktion durch eine Interpolation über die berechneten Lastfallergebnisdaten bestimmt werden. Sollen nun Lastfallergebnisdaten für ein weiteres Kandidaten-Prothesenfußmodell bestimmt werden, kann mittels der Interpolationsfunktion, d. h. der Ersatzfunktion, ein weiterer Satz von Lastfallergebnisdaten approximiert werden.In order to further shorten the necessary computing time, it is possible, using at least one load case, or the load case result data of this at least one load case, to determine an alternative function with which it is possible to approximate the load case result data of further candidate prosthetic foot models. For example, the substitute function can be determined by interpolation using the calculated load case data. If load case result data are now to be determined for a further candidate prosthetic foot model, the interpolation function, ie. H. the substitute function, another set of load case result data can be approximated.
In einer Ausführungsform kann die Ersatzfunktion unter Berücksichtigung von mindestens 50 Kandidaten-Prothesenfußmodellen, bevorzugt mindestens 100 Kandidaten-Prothesenfußmodellen, bestimmt werden.In one embodiment, the replacement function can be determined taking into account at least 50 candidate prosthetic foot models, preferably at least 100 candidate prosthetic foot models.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren ferner ein Ansteuern einer Fertigungsanlage unter Verwendung des optimierten Prothesenfußmodells umfassen, die zur Fertigung eines Prothesenfußes ausgebildet sein kann.In one embodiment, the method can furthermore control a production system using the optimized prosthetic foot model, which can be designed to manufacture a prosthetic foot.
Es ist also möglich, dass das optimierte Prothesenfußmodell direkt zur Herstellung eines Prothesenfußes verwendet wird. Beispielsweise kann die Fertigungsanlage als eine additive Fertigungsanlage, zum Beispiel als ein 3D-Drucker, ausgebildet sein. Somit ist es möglich, einem Patienten sehr schnell einen individuell angepassten und optimierten Prothesenfuß bereitzustellen.It is therefore possible that the optimized prosthetic foot model is used directly to produce a prosthetic foot. For example, the production system can be designed as an additive production system, for example as a 3D printer. It is thus possible to provide a patient with an individually adapted and optimized prosthetic foot very quickly.
Die Aufgabe wird ferner insbesondere durch ein computerlesbares-Speichermedium gelöst, das Instruktionen enthält, die mindestens einen Prozessor dazu veranlassen, ein Verfahren wie es vorstehend beschrieben wurde, zu implementieren, wenn die Instruktionen durch den mindestens einen Prozessor ausgeführt werden.The object is also achieved in particular by a computer-readable storage medium which contains instructions which cause at least one processor to implement a method as described above if the instructions are executed by the at least one processor.
Es ergeben sich ähnliche oder identische Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben worden sind.There are similar or identical advantages as have already been described in connection with the method.
Die Aufgabe wird ferner insbesondere durch ein System gelöst, umfassend:
- - mindestens eine Rechnereinheit mit mindestens einer Recheneinheit und einer Speichereinheit, insbesondere ein vorstehend beschriebenes Speichermedium;
- - eine Fertigungsanlage, wobei die Fertigungsanlage dazu ausgebildet ist, einen Prothesenfuß unter Verwendung eines Prothesenfußmodells, insbesondere eines optimierten Prothesenfußmodells, das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren bestimmt ist, zu fertigen.
- - At least one computing unit with at least one computing unit and a storage unit, in particular a storage medium described above;
- a production system, the production system being designed to manufacture a prosthetic foot using a prosthetic foot model, in particular an optimized prosthetic foot model, which is determined according to the method described above.
Es ergeben sich ähnliche oder identische Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben worden sind.There are similar or identical advantages as have already been described in connection with the method.
In einer Ausführungsform ist weiter denkbar, dass die Rechnereinheit und die Fertigungsanlage über das Internet miteinander kommunikativ verbunden sind. Es ist also nicht notwendig, dass die Rechnereinheit und die Fertigungsanlage an demselben Standort angeordnet sind.In one embodiment, it is further conceivable that the computer unit and the production system are communicatively connected to one another via the Internet. It is therefore not necessary for the computer unit and the production system to be arranged at the same location.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further embodiments result from the subclaims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Prothesenfußmodells10 ; -
2 : eine schematische Darstellung von zwei Lastfällen; -
3 : eine schematische Darstellung, die den Kraftverlauf bei einem Abrollen eines Prothesenfußmodells10 zeigt; -
4 : eine schematische Darstellung des Lösungsraums hinsichtlich von zwei Parametern des Prothesenfußmodells; -
5 : eine schematische Darstellung von bestimmten Kraftangriffspunkten und Deformationen des Prothesenfußmodells; -
6 : eine schematische Darstellung der Differenz der bestimmten Deformationswerte mit Referenzdeformationswerten; -
7 : ein Flussdiagramm, das das Verfahren erläutert; und -
8 : eine schematische Darstellung eines Systems mit einer Rechnereinheit und einer Fertigungsanlage.
-
1 : a schematic representation of a prosthetic foot model10th ; -
2nd : a schematic representation of two load cases; -
3rd : a schematic representation showing the force curve when rolling a prosthetic foot model10th shows; -
4th : a schematic representation of the solution space with regard to two parameters of the prosthetic foot model; -
5 : a schematic representation of certain force application points and deformations of the prosthetic foot model; -
6 : a schematic representation of the difference between the determined deformation values with reference deformation values; -
7 : a flowchart explaining the method; and -
8th : A schematic representation of a system with a computer unit and a manufacturing plant.
Im Folgenden werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.In the following, the same reference numerals are used for the same or equivalent parts.
Der Grundkörper
Das Prothesenfußmodell
Im vorderen Bereich des Prothesenfußmodells
Die erste, die zweite und/oder die dritte Federelementstärke
Die
Hinsichtlich des ersten Lastfalls kann daher die Deformation des Prothesenfußmodells
Es kann daher auch für den zweiten Lastfall der Kraftangriffspunkt bzw. dessen Position
Insbesondere kann in dem jeweiligen Kraftangriffspunkt wirkende Bodenreaktionskraft angegeben werden.In particular, the ground reaction force acting in the respective force application point can be specified.
Die
In dem Kraftverlauf
Um das Prothesenfußmodell
Die
Von einer Start-Prothesenfußkonfiguration
Die zu minimieren Kostenfunktion ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel angegeben durch:
Das Optimum kann dadurch bestimmt werden, dass eine Vielzahl von finite Elemente Simulationen iterativ ausgeführt wird, wobei nach jedem Ausführen der finite Elemente Simulation mindestens einer der freien Parameter angepasst wird.The optimum can be determined by executing a large number of finite element simulations iteratively, with at least one of the free parameters being adapted after each execution of the finite element simulation.
Die
Neben einer Deformation
Die
Neben der Anpassung einer Deformationskurve
Die
Darüber hinaus wird im Empfangsschritt
Im Vergleichsschritt
Wird ermittelt, dass die Abweichung
Im Anpassungsschritt
Wird im Prüfschritt
Die
Bei der additiven Fertigungsanlage
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere in den Zeichnungen dargestellte Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.At this point it should be pointed out that all the parts described above are seen on their own and in every combination, especially in the Details shown in the drawings are claimed as essential to the invention. Modifications to this are familiar to the person skilled in the art.
BezugszeichenlisteReference list
- 1010th
- ProthesenfußmodellProsthetic foot model
- 1111
- Adapteradapter
- 1313
- GrundkörperBasic body
- 1414
- oberes Federelementupper spring element
- 1515
- FederspaltSpring gap
- 1616
- FersenfederelementHeel spring element
- 1717th
- erste Federelementstärkefirst spring element thickness
- 1818th
- vorderes Federelementfront spring element
- 1919th
- zweite Federelementstärkesecond spring element thickness
- 2020
- dritte Federelementstärkethird spring element thickness
- 2121
- Kraftangriffspunkt im FersenbereichForce application point in the heel area
- 2222
- Kraftangriffspunkt im VorfußbereichForce application point in the forefoot area
- 3030th
- AbrollkurveRoll curve
- 3131
- erste Lastfallergebnisdatenfirst load case result data
- 3232
- zweite Lastfallergebnisdatensecond load case result data
- 4040
- ErgebnisplotScore plot
- 4141
- ErgebnisraumResult space
- 4242
- Achse, die das Körpergewicht angibtAxis that indicates body weight
- 4343
- Achse, die die Fersendicke angibtAxis that indicates the heel thickness
- 4444
- Achse, die die Fersenverformung angibtAxis that indicates heel deformation
- 4545
- Start-ProthesenfußkonfigurationStart prosthetic foot configuration
- 4646
- Optimierte ProthesenfußkonfigurationOptimized prosthetic foot configuration
- 4747
- OptimierungskurveOptimization curve
- 5151
- LastfallLoad case
- 5252
- DeformationskurveDeformation curve
- 5353
- DeformationspunktDeformation point
- 5454
- AbrollkurveRoll curve
- 5555
- ReferenzdeformationskurveReference deformation curve
- 5656
- ReferenzdeformationspunktReference deformation point
- 6060
- Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen eines Prothesenfu ßmodellsFlow chart for a method for determining a prosthetic foot model
- 6161
- EingabeparameterInput parameters
- 6262
- EmpfangsschrittReceiving step
- 63, 63'63, 63 '
- parametriertes Prothesenfußmodellparameterized prosthetic foot model
- 6464
- BerechnungsschrittCalculation step
- 6666
- VergleichsschrittComparison step
- 6767
- Abweichungdeviation
- 6868
- PrüfschrittTest step
- 6969
- MinimierungsschrittMinimization step
- 7070
- AnpassungsschrittAdjustment step
- 7171
- optimiertes Prothesenfußmodelloptimized prosthetic foot model
- 7272
- FertigungsschrittManufacturing step
- 8080
- Systemsystem
- 8181
- RechnereinrichtungComputing device
- 8282
- RecheneinrichtungComputing device
- 8383
- SpeichereinrichtungStorage device
- 8484
- FertigungseinrichtungManufacturing facility
- 8585
- ProthesenfußProsthetic foot
- F1F1
- erste Kraftfirst force
- F2F2
- zweite Kraftsecond force
- XX
- Winkel in GradAngle in degrees
- YY
- Kraft in NewtonForce in Newtons
- ZZ.
- FußlängsachseLongitudinal axis of the foot
- DD
- Deformationdeformation
- PP
- Achseaxis
- BB
- BodenebeneGround level
- RR
- ReferenzebeneReference plane
- α, βα, β
- AnstellwinkelAngle of attack
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 202015007994 [0002]DE 202015007994 [0002]
- DE 102014006727 B3 [0002]DE 102014006727 B3 [0002]
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019100584.1A DE102019100584A1 (en) | 2019-01-11 | 2019-01-11 | Method for determining a prosthetic foot model, computer readable storage medium and system |
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Publications (1)
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---|---|
DE102019100584A1 true DE102019100584A1 (en) | 2020-07-16 |
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ID=71132054
Family Applications (1)
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DE102019100584.1A Pending DE102019100584A1 (en) | 2019-01-11 | 2019-01-11 | Method for determining a prosthetic foot model, computer readable storage medium and system |
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Country | Link |
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DE (1) | DE102019100584A1 (en) |
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