DE102019118930A1

DE102019118930A1 - Orthopädietechnische, mechatronische Gelenkeinrichtung und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE102019118930A1
Application number: DE102019118930.6A
Authority: DE
Inventors: Herman Boiten
Original assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Current assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische mechatronische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20), die um eine Schwenkachse (30) verschwenkbar aneinander gelagert sind, und mit einer Widerstandseinrichtung (40), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist, zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt und mit einer Einrichtung (50) zur Einstellung des Flexionswiderstandes gekoppelt ist, wobei der Einrichtung (50) eine Steuerungseinrichtung (60) zugeordnet ist, über die automatisch und/oder manuell eine Hinsetzfunktion aktivierbar ist, in der in einem festgelegten Flexionswinkelbereich nach einem Entsperren oder ausgehend von einem Anfangsflexionswiderstand ein erstes Widerstandsniveau unterhalb eines Standphasendämpfungsniveaus eingestellt und anschließend der Flexionswiderstandes bei einem zunehmenden Flexionswinkel auf ein zweites, höheres Widerstandsniveau angehoben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische, mechatronische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar aneinander gelagert sind, sowie mit einer Widerstandseinrichtung, z.B. einer hydraulischen und/oder magnetorheologischen Dämpfereinrichtung, einer Bremse oder einem elektrisch betriebenen Aktuator, der in einem Widerstandsbetriebe geschaltet wird, die zwischen dem Oberteil dem Unterteil angeordnet ist, zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt und mit einer Einrichtung zur Einstellung des Flexionswiderstandes gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung einer solchen mechatronischen Gelenkeinrichtung. Die Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in künstlichen Kniegelenken bei Prothesen, Orthesen oder Exoskeletten geeignet.
Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen werden in Prothesen, Orthesen und als Sonderfall der Orthesen in sogenannten Exoskeletten eingesetzt. Orthopädietechnische Gelenkeinrichtungen ersetzen in Prothesen nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gelenke. In Orthesen werden die Gelenkfunktionen, insbesondere die Verschwenkbarkeit zweier Gliedmaßen zueinander, durch die Verschwenkbarkeit eines Oberteils und eines Unterteils um eine Schwenkachse nachgebildet. Die jeweilige Schwenkachse kann im einfachsten Fall durch eine einachsige, stationäre Gelenkachse ausgebildet sein, alternativ dazu sind polyzentrische Gelenkeinrichtungen möglich und vorgesehen, bei denen eine instationäre Position einer Schwenkachse vorhanden ist. Den orthopädietechnischen Gelenkeinrichtungen sind häufig zur Beeinflussung der Verschwenkbewegung Dämpfereinrichtungen oder Widerstandseinrichtungen zugeordnet, mit denen die Flexionsbewegung und/oder Extensionsbewegung des Oberteils relativ zu dem Unterteil beeinflusst werden können. Die Dämpfereinrichtungen oder Widerstandseinrichtungen können mit Federelementen kombiniert sein, beispielsweise um eine Extensionsbewegung nach einer vorhandenen Flexionsbewegung zu unterstützen.
Um das Verschwenkverhalten der orthopädietechnischen Gelenkeinrichtung zu beeinflussen, werden häufig hydraulische und ggf. pneumatische Dämpfereinrichtungen eingesetzt, die hinsichtlich ihres Dämpfungsverhaltens eingestellt und an den jeweiligen Nutzer angepasst werden können. Dazu werden Ventile verstellt, um den Strömungswiderstand zu verändern. Die Verstellung kann rein mechanisch erfolgen, beispielsweise in Abhängigkeit von dem erreichten Gelenkswinkel. Aus der DE 103 51 916 A1 ist ein Prothesengelenk mit einem Oberteil bekannt, das eine Befestigungseinrichtung für eine Aufnahme eines Beinstumpfes aufweist. Ein Unterteil ist schwenkbar mit dem Oberteil über eine Gelenkeinrichtung verbunden. Eine als Verriegelung wirkende Widerstandseinrichtung mit einem veränderlichen Widerstand kann innerhalb eines festlegbaren Winkelbereiches über eine mechanische Steuereinrichtung eine Beugung der Gelenkeinrichtung in einer gebeugten Stellung winkelabhängig blockieren. Die Steuereinrichtung kann zumindest eine Kurvenscheibe aufweisen, über die die Widerstandseinrichtung in Abhängigkeit von dem Beugungswinkel des Oberteils geschaltet wird.
Das Prothesenkniegelenk „Prosedo“ 3R31 der Firma Ottobock SE & Co. KGaA ist ein mechanisches Sperrkniegelenk mit einer hydraulischen Hinsetzunterstützung, die nach dem Entriegeln einer manuellen Sperre den Anwender durch einen hohen Beugewiderstand unterstützt. Ein Bypass im Bereich des oberen Totpunktes erleichtert nach dem Entriegeln die anfängliche Flexion.
Aus der DE 10 2015 106 391 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Dämpfungsveränderung in einem künstlichen Kniegelenk bekannt, das eine Widerstandseinheit aufweist, um einen Widerstand gegen eine Einbeugung oder Streckung des künstlichen Kniegelenks bereitzustellen. Der Widerstandseinheit ist eine Verstelleinrichtung zur Veränderung des Flexionswiderstandes zugeordnet, wobei der Widerstand der Widerstandseinheit ab einem Kniewinkelschwellwert mit zunehmendem Kniewinkel vergrößert und anschließend wieder abgesenkt wird.
Insbesondere bei Patienten mit eingeschränkter Mobilität und eingeschränkten kognitiven und motorischen Fähigkeiten ist zunächst eine hohe Stabilität einer Gelenkeinrichtung, insbesondere einer Gelenkeinrichtung einer unteren Extremität, wichtig. Dementsprechend ist der Aufbau einer solchen Gelenkeinrichtung eher stabil als dynamisch. Häufig benötigen solche Patienten ein sogenanntes Sperrkniegelenk, das manuell oder auf Grundlage von Sensordaten entriegelt wird. Da das Gelenk aber noch vollständig gestreckt ist, erweist sich das anfängliche Einbeugen des Gelenkes als schwierig, da ein sehr geringer Hebelarm zur Verfügung steht. Der Patient erfährt zudem keine Rückkopplung darüber, ob das Gelenk bereits entsperrt ist oder nicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung und ein Verfahren zu dessen Steuerung bereitzustellen, mit dem dem Nutzer eine klare Rückmeldung über ein entsperrtes Gelenk gegeben und das Einbeugen erleichtert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine orthopädietechnische Gelenkeinrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches und ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offenbart.
Die orthopädietechnische, mechatronische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar aneinander gelagert sind, und mit einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist, zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt und mit einer Einrichtung zur Einstellung des Flexionswiderstandes gekoppelt ist, sieht vor, dass der Einrichtung eine Steuerungseinrichtung zugeordnet ist, über die automatisch und/oder manuell eine Hinsetzfunktion aktivierbar ist, in der in einem festgelegten Flexionswinkelbereich nach einem Entsperren oder ausgehend von einem Anfangsflexionswiderstand ein erstes Widerstandsniveau unterhalb eines Standphasendämpfungsniveaus eingestellt und anschließend der Flexionswiderstandes bei einem zunehmenden Flexionswinkel auf ein zweites, höheres Widerstandsniveau angehoben wird. Mit der Gelenkeinrichtung ist es möglich, von einem anfänglichen sehr hohen Widerstandsniveau oder einer Sperrung des Gelenkes den Bewegungswiderstand gegen ein Einbeugen einzustellen und insbesondere kontrolliert abzusenken. Dadurch wird einerseits das Einbeugen erleichtert und andererseits eine deutlich wahrnehmbare Rückkopplung für den Patienten bereitgestellt. Häufig werden andere Signale wie Vibrationen oder akustische Signale von dem Patienten nicht mehr wahrgenommen. Die Widerstandseinrichtung stellt den Flexionswiderstand auf ein erstes Widerstandsniveau ein, wobei bevorzugt keine vollständige Aufhebung der Flexionsdämpfung erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass auch in dem anfänglichen Flexionswinkelbereich ein kontrolliertes Einbeugen möglich ist, ohne dass sich der Patient unsicher fühlt. Dennoch wird das erste Widerstandsniveau deutlich niedriger gewählt als eine übliche Standphasendämpfung und damit auch niedriger als die Dämpfung im weiteren Verlauf der Beugung. Dadurch erfolgt zunächst eine Beugung über einen kleinen Winkelbereich sehr leichtgängig, was für den Nutzer leicht wahrnehmbar ist und ihm somit das Feedback liefert, dass das Gelenk erfolgreich entsperrt wurde. Liegt nach dem Entsperren z.B. mechanisch bedingt keine oder nur eine sehr geringe Dämpfung oder kein oder nur ein sehr geringer Widerstand an, kann der Widerstand auch angehoben oder entsprechend eingestellt werden. Wird die Flexion fortgeführt, also nimmt der Flexionswinkel weiter zu, wird der Flexionswiderstand auf ein zweites Widerstandsniveau wieder angehoben, um einen erhöhten Widerstand bei einem sich vergrößernden Hebel in Kombination mit der Gewichtskraft beim Hinsetzen auszugleichen und ein höheres Widerstandsniveau zu erreichen, das der Nutzer auch über einen größeren Abschnitt der Beugebewegung als angenehm und sicher empfindet.
Die Gelenkeinrichtung ist bevorzugt als ein Orthesen- oder Prothesenkniegelenk ausgebildet, kann aber auch für andere prothetische oder orthetische Einrichtungen oder Systeme verwendet werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Einstellung, z.B. Absenkung des Flexionswiderstandes auf ein erstes Widerstandsniveau innerhalb eines Flexionswinkelbereiches von 0° bis 8°, insbesondere von 0° bis 6° oder von 0° bis 4° oder von 0° bis 3°, ausgehend von einem vollständig gestreckten Gelenk, erfolgt. Der Winkelbereich von z.B. 0° bis 8°, ausgehend von einem vollständig gestreckten Gelenk, erleichtert dem Patienten das anfängliche Einbeugen, ohne das Gefühl zu verursachen, dass eine unkontrollierte Einbeugung stattfindet, da der Flexionswiderstand gegenüber einem Widerstand in der Standphase nur abgesenkt, nicht jedoch aufgehoben ist. Das Gelenk bewegt sich kurzzeitig wesentlich leichter, wodurch der Patient spürt, dass sich das Gelenk geöffnet hat. Das erste Widerstandsniveau wird so gewählt, dass einerseits die Bewegung deutlich spürbar ist, andererseits die Bewegung nicht als unkontrolliert empfunden wird. Je nach Patient kann der Flexionswinkelbereich unterschiedlich eingestellt werden, ein anfänglich erleichtertes Einbeugen zwischen 3° und 8° hat sich als vorteilhaft erwiesen.
Nach dem Entsperren des Gelenkes kann ein Anfangswiderstand standardmäßig eingestellt sein, von dem aus eine Einstellung, insbesondere Absenkung des Flexionswiderstandes auf das erste Widerstandsniveau erfolgt. Das erste Widerstandsniveau kann dabei 50 % des Anfangsflexionswiderstandes betragen. Das in jedem mechanischen System vorhandene Spiel kann dabei nicht als ein Absenken auf ein verringertes Widerstandsniveau angesehen werden, da Spiel in einem Gelenk generell unerwünscht ist und nicht über mindesten 3° auftritt. Zunächst ist ein Widerstand gegen eine Flexion nach einem Entsperren des Gelenkes vorhanden, dieser Widerstand wird über einen festgelegten, geringen Winkelbereich spürbar reduziert. Alternativ kann das erste Widerstandsniveau auch direkt nach dem Entsperren eingestellt werden. Auch in diesem Fall ist das erste Widerstandsniveau so zu wählen, dass es deutlich reduziert gegenüber dem typischen Widerstandsniveau für die mit dem Gelenk durchzuführende Aktivität, beispielsweise Hinsetzen, ist. Insbesondere der Unterschied zwischen vollständig gesperrtem Gelenk und dem ersten Widerstandsniveau muss für den Nutzer durch eine leichte Beweglichkeit des Gelenks einfach wahrnehmbar sein. Dies wird gerade dadurch erreicht, dass der Widerstand zunächst niedriger gewählt wird als im weiteren Verlauf der Flexionsbewegung.
Der Widerstandseinrichtung ist vorteilhafterweise eine elektronische Steuerungseinrichtung zugeordnet, die mit dem Aktuator und den Sensoren gekoppelt ist. Das mechanische Hauptsystem mit der Gelenkeinrichtung und der Widerstandseinrichtung weist zudem Sensoren auf, die insbesondere als Winkelsensoren, Kraftmesseinrichtungen, Lagesensoren, Inertialmesseinrichtungen oder Momentensensoren ausgebildet sein können und die mechanische Einflussgrößen oder Parameter in elektrische oder elektronische Signale umwandeln. Innerhalb der elektronischen Steuerungseinrichtung werden die Sensordaten verarbeitet und in Steuerungsbefehle für den Aktuator oder die Einstelleinrichtung umgewandelt. Die Sensoren und der Aktuator bilden die Schnittstellen zwischen dem mechanischen System und der Datenverarbeitung. Über die elektronische Steuerungseinrichtung ist es möglich, eine Vielzahl von Einflussgrößen, die auf die Gelenkeinrichtung einwirken, zu berücksichtigen, damit die Verringerung des Widerstandes und das sich daran anschließende Erhöhen des Flexionswiderstandes bei zunehmendem Flexionswinkel an die jeweilige Situation angepasst erfolgen kann. Die elektronische Steuerung sieht vorteilhafterweise eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Sensordaten vor, wobei die Auswerteeinheit mit dem Aktuator gekoppelt ist, der ein Ventil oder eine Drossel verstellt, beispielsweise öffnet oder schließt, eine Bremse aktiviert oder einen Motor entsprechend in einen Generatorbetrieb schaltet.
Der elektronischen Steuerungseinrichtung kann eine Steuerkurve oder Nockensteuerung mit einem Stellelement zum Beaufschlagen eines Sensors mit einer Belastung zugeordnet sein. Bei einer rein mechanischen Steuerungseinrichtung kann die Steuerkurve oder die Nockensteuerung das Stellelement so verlagern, dass ein Ventil oder eine Drossel geöffnet oder geschlossen wird oder dass der Strömungsquerschnitt in einem Hydraulikkanal verändert wird, um die Dämpfung oder den Flexionswiderstand einzustellen oder anzupassen.
Darüber hinaus kann der elektronischen Steuerungseinrichtung ein Verzögerungselement zugeordnet sein, über das zeitabhängig eine Sperrung der Gelenkeinrichtung aufgehoben oder wieder aktiviert wird. Wird beispielsweise ein Flexionsmoment über einen bestimmten Zeitraum detektiert, kann eine Sperrung der Gelenkeinrichtung aufgehoben und der vorhandene Anfangsflexionswiderstand abgesenkt werden. Umgekehrt kann nach Entsperrung der Gelenkeinrichtung über das Verzögerungselement erfasst werden, ob eine Flexion durchgeführt wird. Findet nach der Entsperrung über einen vorgegebenen Zeitraum keine Flexion statt, kann das Gelenk wieder verriegelt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das erste Widerstandsniveau bei maximal 60 % des zweiten Widerstandsniveaus oder bei maximal 50 % des zweiten Widerstandsniveaus liegt. Das zweite Widerstandsniveau wird vorteilhafterweise relativ schnell nach Erreichen des minimalen Widerstandsniveaus eingestellt, sodass beispielsweise bei einem Flexionswinkel von 10° bis 15° das zweite Widerstandsniveau erreicht wird, das im Vergleich zum Anfangswiderstand verringert sein kann, jedoch eine ausreichende Sicherheit bei einem weiteren Einbeugen bereitstellt. Insbesondere bei der Ausgestaltung der Gelenkeinrichtung als ein künstliches Kniegelenk kann das Widerstandsniveau nach Erreichen des zweiten Widerstandsniveaus bei zunehmender Kniebeugung weiter ansteigen, um die sich verändernden Hebelverhältnisse zu kompensieren oder zu überkompensieren.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das erste Widerstandsniveau weniger als 40 %, bevorzugt weniger als 30 %, besonders bevorzugt weniger als 20 % des maximalen Dämpfungswiderstandes des weiteren Verlaufs der Flexionsbewegung beträgt. Der Bereich von 40 % - 100 % des maximalen Dämpfungswiderstandes kann während eines üblichen Hinsetzvorganges durchfahren werden, um beispielsweise Änderungen der Hebelverhältnisse auszugleichen. Widerstände kleiner als 40 % des maximalen Dämpfungswiderstandes führen dagegen zu einem für den Anwender deutlich wahrnehmbarem Nachgeben, was für das hier gewünschte Feedback sorgt, über einen längeren Bereich der Flexionsbewegung jedoch zu einem Gefühl der Unsicherheit führen würde.
Das Verfahren zur Steuerung einer mechatronischen Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil und einem Unterteil, die um eine Schwenkachse verschwenkbar aneinander gelagert sind, und mit einer Widerstandseinrichtung, die zwischen dem Oberteil und dem Unterteil angeordnet ist und zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt, sieht vor, dass der Flexionswiderstand in einem festgelegten Flexionswinkelbereich nach einem Entsperren oder ausgehend von einem Anfangsflexionswiderstand auf ein erstes Widerstandsniveau unterhalb eines Standphasenwiderstandsniveau eingestellt und anschließend nach Erreichen eines festgelegten Gelenkwinkels bei einem zunehmenden Flexionswinkel auf ein zweites Widerstandsniveau angehoben wird. Das Verfahren ermöglicht es, dass dem Nutzer eine klare Rückmeldung einer sich öffnenden oder einer geöffneten Sperre bei hydraulisch unterstützten Systemen oder einem Entsperrzustand der Widerstandseinrichtung gegeben wird. Statt nach einem Entsperren ein hohes Widerstandsniveau beizubehalten oder direkt auf das im weiteren Verlauf der Flexionsbewegung gewählten zweiten Widerstandsniveau einzustellen oder das Gelenk ohne Dämpfung oder Widerstand einbeugen zu lassen, wird der Flexionswiderstand auf ein niedriges, erstes Widerstandsniveau eingestellt, z.B. abgesenkt.
Nach dem Anheben des Flexionswiderstandes auf das zweite Widerstandsniveau kann bei einem weiter zunehmenden Flexionswinkel der Widerstand weiter angehoben werden, um die sich verändernden Hebelverhältnisse zu kompensieren oder zu überkompensieren.
Der Flexionswiderstand kann auf 50 % des Flexionswiderstandsniveaus im Anfangszustand oder auf 60 % des zweiten Widerstandsniveaus oder 50 % des zweiten Widerstandsniveaus eingestellt werden. Das zweite Widerstandsniveau ist bevorzugt niedriger als das Widerstandsniveau im Anfangszustand nach dem Entsperren, bevorzugt beträgt das zweite Widerstandsniveau nicht mehr als 90 % des Anfangsflexionswiderstandes.
Bevorzugt wird der Flexionswiderstand in einem Flexionswinkelbereich zwischen 0° und 8°, insbesondere zwischen 0° und 6°, bevorzugt zwischen 0° und 4°, insbesondere bevorzugt zwischen 0° und 3° auf das erste Widerstandsniveau eingestellt, was einerseits das anfängliche Einbeugen erleichtert und andererseits ein ausreichend schnelles Anheben auf das zweite Widerstandsniveau umfasst, sodass dem Patient neben einer Rückkopplung ein sicheres Gefühl beim weiteren Einbeugen gegeben wird.
Bevorzugt erfolgt das Einstellen des Widerstandes nach dem Entsperren auf das erste Widerstandsniveau und/oder das Anheben des Flexionswiderstandes auf das zweite Widerstandsniveau sehr schnell, d.h. über einen sehr kleinen Winkelbereich, sodass der Nutzer die Änderung als deutliches haptisches Feedback wahrnehmen kann.
Das Anheben des Flexionswiderstandes auf das zweite Widerstandsniveau kann nach dem Absenken innerhalb eines Verschwenkwinkels von 5° erfolgen, sodass der Patient sehr schnell wieder einen erhöhten Flexionswiderstand zur Verfügung erhält.
Ein Stellelement kann zum Öffnen und Schließen eines Ventils oder einer Drossel winkelabhängig geöffnet oder geschlossen werden, wobei das Ventil oder die Drossel nicht vollständig geöffnet oder geschlossen werden muss, um die Dämpfung bei einer Ausgestaltung der Widerstandseinrichtung als hydraulisches Dämpfer- oder Widerstandssystems zu verändern. Das Verändern des Strömungsquerschnittes der Drossel oder des Ventils in Abhängigkeit von dem Winkel ermöglicht eine einfache Einstellung des Widerstandes anhand einer einfach zu ermittelnden Stellgröße, die beispielsweise durch einen Winkelsensor erfasst werden kann.
Das Stellelement zur Veränderung des Durchlassquerschnittes der Drossel oder des Ventils kann motorisch oder mechanisch angetrieben werden. Der Aktuator als Teil der Einstelleinrichtung zur Veränderung des Flexionswiderstandes kann motorisch ausgebildet sein, ebenfalls können Schalteinrichtungen wie Elektromagnete oder Spulen zur Veränderung des Widerstandes eingesetzt werden.
Zur Entriegelung der Gelenkeinrichtung kann ein Flexionsmoment über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg aufgebracht werden. Wird ein Flexionsmoment über einen bestimmten Zeitraum hinweg oberhalb eines Schwellwertes aufgebracht, wird die Sperrung der Gelenkseinrichtung aufgehoben und der Flexionswiderstand nach Beginn der Beugung auf das erstes Widerstandsniveau eingestellt oder abgesenkt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 - eine schematische Darstellung einer Gelenkeinrichtung;
2 - eine Variante der 1 mit einer Steuerkurve;
3 - eine Variante der 1 mit einer motorischen Verstelleinrichtung; sowie
4 - einen Dämpfungsverlauf über dem Flexionswinkel.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine mechatronische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil 10 und einem Unterteil 20, die um eine Schwenkachse 30 verschwenkbar aneinander gelagert sind. An dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ist eine hydraulische Widerstandseinrichtung 40 an jeweils einem Befestigungspunkt oder einer Befestigungsstelle festgelegt. An dem Oberteil 10 kann eine Befestigungseinrichtung zum Festlegen an einem Oberschenkel oder Oberschenkelstumpf angeordnet sein. An dem Unterteil 20 kann eine Einrichtung zum Festlegen an einem Unterschenkel oder eines Unterschenkelrohres angeordnet sein. Das Unterteil 20 selbst kann ebenfalls als Unterschenkelrohr ausgebildet sein. Die Gelenkeinrichtung kann eine Sperreinrichtung aufweisen, mit der die Gelenkeinrichtung gegen eine Flexion gesperrt werden kann. Die Sperreinrichtung kann automatisch auf der Grundlage von Sensorinformationen oder manuell entsperrt werden. Die manuelle Entsperrung kann motorisch erfolgen, per Seilzug oder unmittelbar an der Gelenkeinrichtung. In der dargestellten Position ist zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 ein nahezu rechter Winkel ausgebildet, sodass eine auf das Oberteil 10 senkrecht nach unten wirkende Kraft, beispielsweise eine Gewichtskraft, ein maximales Moment um die Schwenkachse 30 ausüben würde.
Der hydraulischen Widerstandseinrichtung 40 ist eine Einrichtung 50 zur Absenkung eines Flexionswiderstandes zugeordnet, mit der nicht dargestellte Ventile oder Drosseln in einem Strömungskanal verstellt werden. Die Ventile sind beispielsweise als Stellventile ausgebildet, die motorisch oder mechanisch betätigt werden. Die Einrichtung 50 zum Verstellen, insbesondere Absenken des Flexionswiderstandes ist mit einer Steuerungseinrichtung 60 gekoppelt, die Schaltbefehle zum Verstellen der Ventile oder Drosseleinrichtungen ausgibt. Die Steuerungseinrichtung 60 detektiert oder erhält die Information, dass die Gelenkeinrichtung entsperrt ist oder entsperrt werden soll. Der bis dahin von der Widerstandseinrichtung 40 bereitgestellte Anfangswiderstand, der ein Einbeugen der Gelenkeinrichtung aus einer gestreckten, verriegelten Position in eine eingebeugte Position, wie sie in der 1 dargestellt ist, verhindert oder wesentlich erschwert, wird daraufhin abgesenkt. Dies erfolgt dadurch, dass die Ventile oder das Ventil einen Strömungskanal von einer Flexionskammer in eine Extensionskammer freigeben oder den Strömungsquerschnitt in dem Strömungskanal vergrößern. Die Vergrößerung des Querschnittes erfolgt vergleichsweise schnell, sodass der Nutzer der Gelenkeinrichtung unmittelbar nach dem Entriegeln oder Entsperren der Gelenkeinrichtung eine spürbare Erleichterung des Einbeugens über einen geringen Winkelbereich spüren kann. Der Steuerungseinrichtung 60 sind Sensoren, insbesondere ein Winkelsensor zur Erfassung des Gelenkwinkels zugeordnet. Wurde nach dem Entsperren der Gelenkeinrichtung und dem Absenken des Flexionswiderstandes ein vorgegebener Schwellwert des Gelenkswinkels erreicht, wird über die Steuerungseinrichtung 60 ein Befehl an die Verstelleinrichtung 50 übermittelt, woraufhin eine Verringerung des Strömungsquerschnittes bewirkt wird. Die Ventile oder das Ventil werden geschlossen oder zumindest teilweise geschlossen, sodass sich der Bewegungswiderstand gegen eine Schwenkbewegung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 wieder erhöht. Die spürbare, erste Absenkung des Widerstandes erfolgt auf ein erstes, vergleichsweise niedriges Widerstandsniveau, damit der Patient oder Nutzer der Gelenkeinrichtung ein spürbares Signal erhält, dass die Gelenkeinrichtung entsperrt ist. Nach Erreichen eines Grenzwinkels wird die Dämpfung wieder erhöht, die Erhöhung findet auf ein zweites Widerstandsniveau statt, das unterhalb des Niveaus des Anfangswiderstandes liegt. Wird weiterhin ein Flexionsmoment aufgebracht, beispielsweise beim Hinsetzen, wird dieser Flexionsbewegung über die Widerstandseinrichtung 40 ein Widerstand entgegengesetzt, der in Abhängigkeit von dem jeweiligen Gelenkswinkel anpassbar ist. Das Aktivieren einer Hinsetzfunktion kann automatisch über eine Auswertung von Sensorwerten oder manuell durch z.B. Betätigen eines Schalters oder eines Tasters oder einer Schaltfläche auf einem Bedienelement, z.B. einem Smartphone erfolgen.
2 zeigt eine isolierte Darstellung einer Widerstandseinrichtung 40, bei der die Steuerungseinrichtung 60 auch mechanische Anteile aufweist. Eine Steuerkurve ist in einer Kolbenstange der Widerstandseinrichtung 40 ausgebildet oder daran angeordnet. In der Steuerkurve ist ein Nocken oder Laufrad geführt, das über ein Stelleelement 65 in Gestalt eines Hebels entweder direkt mit einem Ventil 69 oder über eine Zwischenschaltung eines elektronischen Signalgebers mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung gekoppelt ist, über die dann wiederum eine motorische Verstellung erfolgt. Anfänglich ist das Ventil 69 geschlossen oder nahezu geschlossen, sodass kein oder kaum Hydraulikfluid von einer Flexion in eine Extension, durchströmen kann. Über einen begrenzten Kolbenhub, der durch die Steuerkurve oder den Steuernocken erfasst wird, wird ausgehend von einer gestreckten Stellung der Gelenkeinrichtung oder einer nahezu gestreckten Stellung der Gelenkeinrichtung der Flexionswiderstand signifikant verringert. Hat die Kolbenstange einen festgelegten Weg zurückgelegt, wird über die Nockensteuerung oder Steuerkurve das Ventil 69 durch das Stellelement 65 oder durch einen Motor nach Zwischenschaltung eines Messwertumwandlers verstellt und der Strömungsquerschnitt verringert.
In der 3 ist eine Variante der Gelenkeinrichtung dargestellt, bei der an dem Oberteil 10 ein Gelenkwinkelsensor 66 angeordnet ist, der mit der Steuerungseinrichtung 60 über Kabel oder kabellos gekoppelt ist. In der Steuerungseinrichtungen 60 ist eine Auswerteeinheit 67, beispielsweise ein Prozessor mit Speichereinrichtung, Energieversorgung und Programmen zum Auswerten von Belastungen und Zuständen angeordnet. Die Auswerteeinheit 67 ist mit dem Aktuator 68 in Gestalt eines Elektromotors oder eines anderen motorischen Antriebes gekoppelt, um das jeweilige Ventil 69 zu verstellen.
Sowohl in der 1 als auch in der 3 sind der Widerstandseinrichtung 40 Momentensensoren 70 zugeordnet, über die die um die Schwenkachse 30 wirkenden Momente ermittelt werden können. Die Momentensensoren 70 können das um die Schwenkachse 30 wirkende Moment auch indirekt ermitteln, beispielsweise indem Kräfte, die auf die Kolbenstange oder das Gehäuse der Widerstandseinrichtung 40 wirken, erfasst werden. Aus den bekannten geometrischen Beziehungen zwischen der Schwenkachse 30 und den Befestigungspunkten der Widerstandseinrichtung 40 an dem Oberteil 10 unter dem Unterteil 20 kann dann leicht das jeweils aktuell wirkende Moment errechnet werden.
In der 4 ist ein möglicher Verlauf des Widerstandsniveaus über den Flexionswinkel aufgetragen. In der Ausgangsstellung bei einem gestreckten Gelenk beträgt der Flexionswinkel 0°. Eine Verschwenkung des Oberteils 10 relativ zu dem Unterteil 20 um die Schwingachse 30 führt zu einem zunehmenden Flexionswinkel. Ein Gelenk einer orthopädietechnischen Einrichtung weist üblicherweise einen Extensionsanschlag auf, der eine weitere Verschwenkung in Extensionsrichtung verhindert. Die Widerstandseinrichtung 40 wird bei einer Flexion komprimiert, der eingeschlossene Winkel zwischen dem Oberteil 10 und dem Unterteil 20 verringert sich bei einem zunehmenden Flexionswinkel.
Dem Diagramm in der 4 ist zu entnehmen, dass nach einem hohen Anfangswiderstand nach der Entriegelung das Widerstandsniveau stark verringert wird, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf unter 60 % des Anfangsniveaus. Das Minimum des Flexionswiderstandes wird bei einem Flexionswinkel von ungefähr 5° erreicht. Bei einer fortgesetzten Flexion wird der Flexionswiderstand wieder erhöht, im dargestellten Ausführungsbeispiel auf ungefähr 70 % des Anfangswertes. Das zweite Widerstandsniveau ist bei ungefähr 10° Flexionswinkel erreicht. Bei einer weiteren Flexion wird das Widerstandsniveau weiter erhöht, bei einem rechten Winkel zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ist ein Niveau von ca. 75 % des Anfangswertes erreicht. Der minimale Widerstand legt das erste Widerstandsniveau fest, das zweite Widerstandsniveau ist dann erreicht, wenn nach dem Anheben des Widerstandes der Widerstand um zumindest 80 % des ersten Widerstandsniveaus angehoben worden ist.
Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass zunächst das Gelenk hoch gedämpft oder gesperrt ist. Durch eine manuelle oder automatische Entriegelung, Z.B. durch Erfassen eines Flexionsmomentes über einen längeren Zeitraum und motorische Entriegelung, kann das Gelenk entsperrt werden. Alternativ oder ergänzend kann durch andere Sensoren, beispielsweise Raum- und/oder Lagesensoren, die Intention des Nutzers erfasst werden, dass ein Gelenk eingebeugt werden soll. Dies hat zur Folge, dass eine Hinsetzfunktion aktiviert wird und dass ein Prothesenkniegelenk oder Orthesenkniegelenk zum Hinsetzen entsperrt werden soll. In der Widerstandseinrichtung 40 wird dann ein Ventil geöffnet und zwar so weit geöffnet, dass eine Einstellung oder Absenkung des Widerstandes oder der Dämpfung unter das Anfangsniveau sowie unter das Niveau eines Widerstandes oder einer Dämpfung abgesenkt wird, der oder die zum Hinsetzen von einem Nutzer als angenehm empfunden wird. Das Gelenk ist nicht vollständig freigeschaltet, jedoch in der Dämpfung oder hinsichtlich des Flexionswiderstandes so weit reduziert, dass es für den Patienten spürbar leichter über einen eng begrenzten Winkelbereich bewegt werden kann. Nach Erreichen eines Grenzwinkels, beispielsweise bei 6° Flexionswinkel, wird der Widerstand oder die Dämpfung schlagartig erhöht, d. h., dass das Ventil schnell bewegt wird, um den Strömungswiderstand zu vergrößern. Dadurch ergibt sich durch die schlagartige Veränderung des Bewegungsverhaltens eine Rückkopplung, die für den Patienten wahrnehmbar ist. Für den weiteren Verlauf der Gelenkbeugung stellt sich der Widerstand oder die Dämpfung auf die weitere Beugebewegung ein, beispielsweise auf das Hinsetzen, wofür ein entsprechender Verlauf der Widerstands- oder Dämpfungsanpassung in der Steuerungseinrichtung abgelegt oder ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10351916 A1 [0003]
DE 102015106391 A1 [0005]

Claims

Orthopädietechnische mechatronische Gelenkeinrichtung mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20), die um eine Schwenkachse (30) verschwenkbar aneinander gelagert sind, und mit einer Widerstandseinrichtung (40), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist, zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt und mit einer Einrichtung (50) zur Einstellung des Flexionswiderstandes gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (50) eine Steuerungseinrichtung (60) zugeordnet ist, über die automatisch und/oder manuell eine Hinsetzfunktion aktivierbar ist, in der in einem festgelegten Flexionswinkelbereich nach einem Entsperren oder ausgehend von einem Anfangsflexionswiderstand ein erstes Widerstandsniveau unterhalb eines Standphasendämpfungsniveaus eingestellt und anschließend der Flexionswiderstandes bei einem zunehmenden Flexionswinkel auf ein zweites, höheres Widerstandsniveau angehoben wird.
Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkeinrichtung als Orthesen- oder Prothesenkniegelenk ausgebildet ist.
Gelenkeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung auf das erste Widerstandsniveau innerhalb eines Flexionswinkelbereichs von 0° bis 8° oder von 0° bis 6°, oder von 0° bis 4° oder von 0° bis 3°, ausgehend von einem vollständig gestreckten Gelenk erfolgt.
Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Widerstandsniveau weniger als 40 %, bevorzugt weniger als 30 %, besonders bevorzugt weniger als 20 % des maximalen Dämpfungswiderstandes des weiteren Verlaufs der Flexionsbewegung beträgt.
Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischen Steuerungseinrichtung (60) zumindest ein Sensor (66, 70) zugeordnet ist.
Gelenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischen Steuerungseinrichtung (60) eine Steuerkurve oder Nockensteuerung mit einem Stellelement (65) zum Beaufschlagen eines Sensors (70) mit einer Belastung zugeordnet ist.
Gelenkeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuerung (60) mit einer Gelenkwinkelsensoranordnung (66), einer Auswerteeinheit (67) und einem Aktuator (68), der ein Ventil (69) oder eine Drossel öffnet und schließt, gekoppelt ist.
Gelenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischen Steuerungseinrichtung (60) ein Kraft- oder Momentensensor (70) und ein Verzögerungselement (71) zugeordnet ist.
Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Widerstandsniveau bei maximal 60% des zweiten Widerstandsniveaus oder bei maximal 50% des zweiten Widerstandsniveaus liegt.
Verfahren zur Steuerung einer mechatronischen Gelenkeinrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche mit einem Oberteil (10) und einem Unterteil (20), die um eine Schwenkachse (30) verschwenkbar aneinander gelagert sind, und mit einer Widerstandseinrichtung (40), die zwischen dem Oberteil (10) und dem Unterteil (20) angeordnet ist und zumindest einen Flexionswiderstand bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flexionswiderstand in einem festgelegten Flexionswinkelbereich nach einem Aktivieren einer Hinsetzfunktion und nach einem Entsperren oder ausgehend von einem Anfangsflexionswiderstand auf ein erstes Widerstandsniveau unterhalb eines Standphasendämpfungsniveaus eingestellt und anschließend nach Erreichen eines festgelegten Gelenkwinkels bei einem zunehmenden Flexionswinkel auf ein zweites Widerstandsniveau angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anheben des Flexionswiderstandes auf das zweite Widerstandsniveaubei weiter zunehmendem Flexionswinkel der Widerstand weiter angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Widerstandsniveau auf weniger als 40 %, bevorzugt weniger als 30 %, besonders bevorzugt weniger als 20 % des maximalen Dämpfungswiderstandes im weiteren Verlauf der Flexionsbewegung eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flexionswiderstand im ersten Widerstandsniveau auf 60% des Flexionswiderstandniveaus im Anfangsflexionszustand eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhebung auf das zweite Widerstandsniveaunach dem Absenken auf das erste Widerstandsniveau von 90% des Anfangsflexionswiderstandes angehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Flexionswiderstand in einem Flexionswinkelbereich zwischen 0° und 8° oder von 0° bis 6° oder von 0° bis 4° oder von 0° bis 3° auf das erste Widerstandsniveau eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anheben des Flexionswiderstandes auf das zweite Widerstandsniveau nach dem Einstellen auf das erste Widerstandsniveau innerhalb eines Verschwenkwinkels von 5° erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stellelement (65) zum Öffnen und Schließen eines Ventils (69) oder einer Drossel winkelabhängig geöffnet und geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (65) mechanisch oder motorisch angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringung eines Flexionsmomentes über einen bestimmten Zeitraum eine Sperrung der Gelenkeinrichtung aufgehoben und der Anfangsflexionswiderstand auf das erste Widerstandsniveau eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (60) mit Sensoren (66, 70) verbunden ist und automatisch auf Grundlage einer Auswertung von Sensordaten die Hinsetzfunktion aktiviert.