-
Die Erfindung betrifft eine orthopädietechnische Vorrichtung zur orthetischen oder prothetischen Versorgung eines Patienten mit einem Kniegelenk, das ein proximales Oberteil und einschwenkbar daran angeordnetes distales Verbindungsteil aufweist, mit einem Knöchelgelenk, das mit dem Verbindungsteil verbunden ist und mit einem distal an dem Knöchelgelenk befestigten verschwenkbaren Fußteil, wobei das Oberteil des Kniegelenks oder ein daran befestigtes Oberschenkelteil, das an dem Körper des Patienten festlegbar ist, mit dem Fußteil über zumindest eine Kraftübertragungseinrichtung gekoppelt ist, die mit einer schaltbaren Kupplung gekoppelt ist, die eine Kraftübertragung zwischen dem Fußteil und dem Oberteil oder einem daran befestigten Oberschenkelteil trennt oder herstellt.
-
Orthopädietechnische Vorrichtungen sind insbesondere Prothesen oder Orthesen, wobei als Sonderfall der Orthesen sogenannte Exoskelette eingesetzt werden. Prothesen ersetzen nicht vorhandene oder nicht mehr vorhandene Gliedmaßen und können Gelenkeinrichtungen aufweisen, die eine Verschwenkung zweier prothetischer Komponenten zueinander um zumindest eine Schwenkachse ermöglichen. Bei Patienten mit nicht vorhandenen Kniegelenken und Unterschenkeln ist ein Prothesenkniegelenk mit einem Oberteil, einem Unterteil sowie Einrichtungen zum Befestigen einer distalen Prothesenkomponente sowie Einrichtungen zum Festlegen des Prothesenkniegelenkes beispielsweise an einem Oberschenkelstumpf vorgesehen. An der distalen Prothesenkomponente, beispielsweise einem Unterschenkelrohr, ist in der Regel ein Prothesenfuß angeordnet, der an dem Unterschenkelrohr gelenkig gelagert sein kann.
-
Orthesen werden an noch vorhandenen Gliedmaßen festgelegt und sind in der Regel gelenkübergreifend angeordnet. Orthesen unterstützen die Gelenkfunktion, beispielsweise in dem die Gliedmaßen zu einander geführt werden. Darüber hinaus können zur Beeinflussung der Schwenkbewegung Dämpfereinrichtungen oder Aktuator zugeordnet werden, ebenso können Begrenzungen des Schwenkwinkels vorgesehen sein. Orthesen, die sowohl das Kniegelenk als auch das Knöchelgelenk übergreifen, werden als sogenannte KAFO (knee ankle foot orthosis) bezeichnet.
-
Sowohl Orthesen als auch Prothesen können im Bereich der Gelenkseinrichtungen Aktuator oder Dämpfereinrichtungen zugeordnet sein, mit denen die Flexionsbewegung und/oder Extensionsbewegung des jeweiligen Oberteils relativ zu dem jeweiligen Unterteil beeinflusst werden kann. Bei Orthesen oder Prothesen der unteren Extremität können die Dämpfer und/oder Aktuator sowohl im Bereich des künstlichen Kniegelenkes als auch im Bereich des künstlichen Knöchelgelenkes angeordnet werden.
-
Aus der
EP 3 257 478 B1 ist eine orthopädietechnische Vorrichtung zur orthetischen oder prothetischen Versorgung eines Patienten mit einem Kniegelenk und einem Knöchelgelenk bekannt, bei dem distal an dem Knöchelgelenk ein verschwenkbares Fußteil angeordnet ist. Zwischen dem Knöchelgelenk und dem Kniegelenk ist ein Unterschenkelteil angeordnet, wobei ein Oberteil des Kniegelenks mit dem Fußteil über eine Kraftübertragungseinrichtung gekoppelt ist, die bei einer Knieflexion eine Plantarflexion des Fußteils bewirkt. Die Kraftübertragungseinrichtung ist als mechanische Koppeleinrichtung in Gestalt eines Gelenksstabes ausgebildet und kann Zugkräfte und/oder Druckkräfte übertragen. In einer alternativen Ausführungsform ist die Kraftübertragungseinrichtung als Hydrauliksystem ausgebildet.
-
Die
US 111 741 A beschreibt ein künstliches Bein mit einem Prothesenkniegelenk und Bänder, die an einem Oberschenkelschaft festgelegt und mit einem Prothesenfußteil gekoppelt sind. Wird das Knie eingebeugt, bewirkt dies ein Anheben eines Fußspitzenteils, um ein Durchschwingen des Fußes zu erleichtern.
-
Die
EP 1 928 367 B1 betrifft eine Beinprothese mit einem aktiven und regenerativen Knie mit einem Kniegelenk, das eine Dämpfungsvorrichtung zwischen einem distal der Schwenkachse angeordneten Rahmen und einem proximalen Oberteil aufweist. Dem Kniegelenk sind ein Aktor/Generator sowie ein Energiespeicher zugeordnet. Ein elektronisches Steuerungssystem verteilt die notwendige Energie und schaltet den Aktor zwischen Motorbetrieb und Generatorbetrieb.
-
Die
WO 2012/177125 A1 betrifft eine Prothese oder Orthese mit einem Oberschenkelteil, einem Unterschenkelteil, einem Fußteil, einem Kniegelenk und einem Knöchelgelenk. Ein elastisches Element ist zwischen dem Oberschenkelteil und dem Fußteil angeordnet. Das elastische Element ist beweglich an dem Fußteil und/oder dem Oberschenkelteil angeordnet und wird während des Gehens bewegt. Zumindest während der Schwungphase eines Schrittzyklusses nimmt das elastische Element Energie auf.
-
Die
US 10 039 652 B2 betrifft eine Prothese oder Orthese einer unteren Extremität mit einem Gelenk, das zwei Strukturbauteile schwenkbar aneinander lagert. Ein Bewegungssteuerungssystem weist eine hydraulische Bewegungssteuerungsvorrichtung auf, bei der über einen Kolben Hydraulikfluid in eine Druckspeichervorrichtung eingespeist werden kann. Die Druckspeichervorrichtung weist zwei gegenüberliegende Kolben auf, die über eine Verbindungsstange miteinander gekoppelt ist. Durch Verlagerung der Kolben in den Druckspeichern wird über einen Generator entweder elektrische Energie erzeugt oder über einen Motor ein anderes Druckniveau eingestellt, das dann zur Unterstützung einer Flexion oder Extension eingesetzt werden kann.
-
Die
EP 2 849 687 B1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung einer unteren Extremität sowie eine solche Vorrichtung mit einem angetriebenen Kniegelenk und einem angetriebenen Sprunggelenk. Sensoren stellen Informationen über den aktuellen Zustand bereit, auf Grundlage der Sensordaten werden unterschiedliche Aktivitätsmodi eingestellt. Es kann eine angetriebene Kniestreckung und eine angetriebene Plantarflexion im Sprungggelenk ausgeführt werden.
-
Die
US 9 975 249 B2 betrifft eine Steuerung einer angetriebenen Gliedmaße, bei der der Steuerung ein extrinsischer Sensor zugeordnet ist, der zumindest ein extrinsisches Signal des Nutzers der angetriebenen Gliedmaße detektiert. Auf Basis eines neuromuskulären Modells wird auf Basis des extrinsischen Signals ein Positionsbefehl, ein Drehmomentbefehl und ein Widerstandsbefehl erzeugt und darüber eine entsprechende Bewegung veranlasst. Die Vorrichtung weist ein Kniegelenk mit einer Knieachse und einer Oberschenkelmanschette auf. An einem Unterschenkelschaft, der über das Kniegelenk mit der Oberschenkelmanschette gekoppelt ist, ist eine Feder gelagert, die über eine durch ein Solonoid schaltbare Kupplung in Eingriff oder außer Eingriff mit einer Zahnstange gebracht werden kann, die über ein Gelenkgetriebe mit der Oberschenkelmanschette gekoppelt ist. Wenn die Kupplung über das Solonoid geschlossen ist, wird das freie Ende der Feder relativ zu dem Prothesenschaft fixiert und die Feder wird auseinandergezogen, wenn eine Knieextension stattfindet. Dadurch wird ein Flexionsmoment um das Kniegelenk erzeugt. Wenn die Kupplung außer Eingriff gebracht ist, findet keine Federvorspannung statt. Das Knöchelgelenk wird separat über einen Elektromotor angetrieben bzw. Federn vorgespannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine orthopädietechnische Vorrichtung zur orthetischen oder prothetischen Versorgung bereitzustellen, die bei einem Nutzer einen reduzierten metabolischen Aufwand, eine verbesserte Sicherheit und Balance sowie ein physiologisch natürliches Gangbild ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Unteransprüchen sowie den Figuren offenbart.
-
Die orthopädietechnische Vorrichtung zur orthetischen oder prothetischen Versorgung eines Patienten mit einem Kniegelenk, das ein proximales Oberteil und ein um eine Kniegelenksachse schwenkbar daran angeordnetes, distales Verbindungsteil aufweist, mit einem Knöchelgelenk, das mit dem Verbindungsteil verbunden ist und mit einem distal an dem Knöchelgelenk befestigten, um eine Knöchelgelenksachse verschwenkbaren Fußteil, wobei das Oberteil des Kniegelenks oder ein daran befestigtes Oberschenkelteil, das an dem Körper des Patienten festlegbar ist, mit dem Fußteil über zumindest eine Kraftübertragungseinrichtung gekoppelt ist, sieht vor, dass die Kraftübertragungseinrichtung mit einer schaltbaren Kupplung gekoppelt ist, die eine Kraftübertragung von oder zwischen dem Fußteil zu oder und dem Oberteil oder einem daran befestigten Oberschenkelteil trennt oder herstellt und zwischen dem Oberteil und dem Verbindungsteil und/oder dem Verbindungsteil und dem Fußteil ein Aktuator angeordnet ist. Die Kraftübertragungseinrichtung von dem Fußteil zu dem Oberteil stellt eine synergetische Kopplung zwischen den Beinsegmenten Oberschenkel, Unterschenkel und Fuß her, wobei die Kopplung kinetische, kinematische und/oder informative Aspekte umfasst. Die einzelnen Beinsegmente werden über die schaltbare Kupplung so miteinander verbunden, dass ansonsten dissipierte Energie demjenigen Beinsegment zugeführt wird, das in der jeweiligen Gangphase oder während der jeweiligen Gangsituation die Energie benötigt. Durch die schaltbare Energieübertragung von dem Oberschenkelsegment zu dem Fußteil kann ein kontrollierter und frühzeitiger Vollkontakt des Fußes mit dem Boden erfolgen. Umgekehrt kann durch eine Energieübertragung von dem Fußteil zu dem Oberschenkelteil bzw. zu dem Kniegelenk eine Standphasenbeugung initialisiert werden. Die Struktur des Prothesenfußes kann zudem vergleichsweise steif gehalten werden, wodurch die effektive Fußlänge vergrößert wird und eine spätere Zehenablösung am Ende der Startphase erfolgen kann. Insgesamt werden weniger Kompensationsbewegungen aufgrund des physiologischeren Ganges notwendig, wodurch sich insgesamt der metabolische Aufwand für den Patienten reduziert. Die schaltbare Kupplung stellt eine variable Verbindung zwischen den Beinsegmenten her, sodass beispielsweise die Überrollbewegung im Knöchelgelenk genutzt werden kann, um überschüssige Energie zur Unterstützung der Standphasenextension dem Kniegelenk zuzuführen. Zwischen dem Oberteil und dem Verbindungsteil und/oder dem Verbindungsteil und dem Fußteil ist ein Aktuator angeordnet und wirkt parallel zu der Kraftübertragungseinrichtung oder den Kraftübertragungseinrichtungen, um das Gangverhalten des Patienten oder Nutzers der Prothese oder Orthese zu beeinflussen. Die Gelenkachsen können sowohl durch ein Einachsengelenk mit eine festgelegten Achse als auch durch ein Mehrlenkersystem mit einer wandernden oder instationären Gelenkachse ausgebildet sein.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kupplung motorisch angetrieben ist, wodurch sich die Variabilität des Gesamtsystems erhöht. Darüber hinaus wird die zum Schalten der Kupplung aufzuwendende Energie nicht aus der Bewegungsenergie abgezogen, sodass der energetisch außerordentlich effiziente natürliche Gang nicht durch den Entzug von Schaltenergie beeinträchtigt wird.
-
Vorteilhafterweise ist der Kupplung ein Antrieb zugeordnet, der mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung gekoppelt ist, die mit zumindest einem Sensor gekoppelt ist. Der Sensor ist an einer der Komponenten der Vorrichtung angeordnet oder dieser zumindest zugeordnet und beispielsweise als Kraftsensor, Momentensensor oder Winkelsensor ausgebildet. Zusätzlich oder alternativ können auch ein oder mehrere Inertial-Messeinheiten, sogenannte IMU an der Vorrichtung angeordnet und mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt sein. Auf der Grundlage der von den Sensoren zur Verfügung gestellten Messwerte wird in der Steuerungseinrichtung auf der Grundlage von darin abgelegten Programmen oder Schaltroutinen festgelegt, wann der Antrieb aktiviert oder deaktiviert wird, sodass die Kupplung in Abhängigkeit von den erfassten Daten auf der Grundlage der jeweiligen Belastungen, Zustände und Bewegungen die Kopplung von dem Oberschenkelteil zu dem Fußteil trennt oder schließt.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kraftübertragungseinrichtung nur Zugkräfte übertragend ausgebildet ist, was insbesondere durch Bänder, Seile, Gurte oder dergleichen einfach und kostengünstig zu verwirklichen ist. Die Bänder, Seile oder Gurte sind bevorzugt aus einem flexiblen, starren Material ausgebildet, beispielsweise hochfeste Fasern, die zu den entsprechenden Zugmitteln zusammengesetzt sind. Die Anwendung ausschließlich Zugkräfte übertragender Komponenten hat den Vorteil, dass diese sehr leicht ausgebildet sein können und darüber hinaus deren Führung im Hinblick auf den beengten Bauraum bei orthetischen oder prothetischen Vorrichtungen sehr variabel ist. Drähte können als Bowdenzüge ausgebildet werden, sodass keine ausschließlich geradlinige Verbindung vorgesehen sein muss, sondern auch die Kraftübertragung entlang gebogener Wege erfolgen kann. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Kraftübertragungseinrichtung Zug- und Druckkräfte übertragende Elemente aufweist oder aus solchen Elementen besteht.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwei Kraftübertragungseinrichtungen einander ergänzend wirkend an dem Oberteil oder einem daran befestigten Oberschenkelteil und dem Fußteil angeordnet sind. Die Kraftübertragungseinrichtungen können bei einer Knieflexion eine Plantarflexion des Fußteils und bei einer Dorsalflexion des Fußteils eine Knieextension bewirken. Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine erste Kraftübertragungseinrichtung bei einer Plantarflexion des Fußteils eine Knieflexion und/oder bei einer Knieextension eine Dorsalflexion des Fußteils bewirkt und dass eine zweite Kraftübertragungseinrichtung bei einer Dorsalflexion des Fußteils eine Knieextension und/oder bei einer Knieflexion eine Plantarflexion des Fußteils bewirkt. Insbesondere bei einer Ausgestaltung mit ausschließlich oder nahezu ausschließlich Zugkräfte übertragenden Kraftübertragungseinrichtungen können so auf einfache Art und Weise mit einer sehr leichten Konstruktion Energieüberschüsse zu unterschiedlichen Phasen des Ganges von dem Kniegelenk zum Knöchelgelenk oder umgekehrt übertragen werden.
-
In der Kraftübertragungseinrichtung kann zumindest ein Federelement, insbesondere ein verstellbares oder einstellbares Federelement, angeordnet sein, wodurch eine Elastizität der Kraftübertragung und ein insgesamt weicheres Kraftübertragungsverhalten ermöglicht werden. Ein solches Kraftübertragungsverhalten entspricht eher der Kraftübertragung in einer natürlichen Gliedmaße als eine starre mechanische Kopplung, wodurch natürliche Gelenkssteifigkeiten und Nachgiebigkeiten in Muskeln, Bändern und Sehnen nachgebildet werden. Insgesamt ergibt dies ein harmonisches Bewegungsmuster. Durch die Einstellbarkeit des Federelementes ist es möglich, die jeweilige Federsteifigkeit an den Patienten oder den jeweiligen Einsatzzweck anzupassen, beispielsweise um unterschiedlich kräftige oder in ihrer Bewegung beeinträchtigte Patienten optimal versorgen zu können.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest eine Kraftübertragungseinrichtung über ein Umlenkelement oder ein Wickelgetriebe geführt ist. Über das Umlenkelement ist es möglich, die Kraftrichtungen zu verändern und darüber hinaus eine Übersetzung und Änderung des Kraft-Wege-Verhältnisses zu realisieren, um eine entsprechende Anpassung der Kraftübertragungsrate von dem Oberschenkelteil oder Oberteil zu dem Fußteil und umgekehrt zu bewirken. Gleiches gilt für ein Wickelgetriebe, bei dem beispielsweise ein Draht, ein Seil oder ein Gurt auf eine Rolle mit einem ersten Durchmesser aufgewickelt und ein zweiter Draht, ein zweites Seil oder ein zweiter Gurt auf einer zweiten Rolle mit einem zweiten Durchmesser aufgewickelt ist. Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser der beiden Rollen wird bei dem Aufwickeln oder Abwickeln der ersten Rolle ein unterschiedlich langer Abschnitt von der zweiten Rolle aufgewickelt oder abgewickelt, wodurch sich ein Übersetzungsverhältnis einstellen lässt. Ebenfalls kann ein Flaschenzugmechanismus in einer Kraftübertragungseinrichtung angeordnet oder ausgebildet sein.
-
Wenn zumindest eine Kraftübertragungseinrichtung als flexibles Zugelement ausgebildet ist, ist es vorteilhafterweise auf eine Aufroll- und Abrolleinrichtung aufgewickelt. Auf die Aufroll- und Abrolleinrichtung wird das Zugelement aufgewickelt, wenn es entlastet wird, sodass keine losen Abschnitte des Zugelementes auftreten. Vorteilhafterweise ist die Aufroll- und Abrolleinrichtung federbelastet oder motorisch angetrieben ausgebildet, sodass stets eine geringe, insbesondere einstellbare Zugspannung auf das Zugelement einwirkt.
-
Der Aktuator kann als eine Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung ausgebildet sein, beispielsweise eine hydraulische Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung, eine pneumatische Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung, eine magnetorheologische Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung oder eine elektromotorische Einrichtung, insbesondere aber eine passive Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung, ausgebildet sein. Dadurch lassen sich neben Anpassungen des Bewegungsverhaltens auch Unterstützungen durch Antriebe bereitstellen, die nicht über den gesamten Bewegungsablauf aktiviert werden müssen. Die Widerstände, Dämpfungen und/oder Unterstützungen durch den Aktuator erleichtern die Nutzung der Vorrichtung und ermöglichen ein Gehen mit einem verringerten Energieaufwand für den Nutzer der Prothese oder Orthese.
-
In der Kraftübertragungseinrichtung selbst kann ein Dämpfer angeordnet sein, beispielsweise ein Elastomerelement oder eine andere Einrichtung, mit der innerhalb der Kraftübertragungseinrichtung Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Die Kraftübertragungsrichtung selbst kann eine Dämpferfunktion aufweisen, beispielsweise durch eine bestimmte Materialwahl oder durch Anordnung bestimmter Materialien innerhalb der Kraftübertragungseinrichtung. In der Kraftübertragungseinrichtung kann weiterhin ein Energiespeicher angeordnet sein, beispielsweise eine Feder.
-
Der Aktuator, der als hydraulische Dämpfer- oder Widerstandseinrichtung ausgebildet sein kann, ist insbesondere als elektronisch gesteuerte Einrichtung ausgebildet, die auf Grundlage von Sensordaten unterschiedliche Bewegungswiderstände in Extensionsrichtung und/oder Flexionsrichtung bereitstellt. Die Sensoren können dieselben Sensoren sein, die für die Aktivierung oder Deaktivierung der Kupplung verwendet werden, um die notwendigen Sensordaten bereitzustellen, mit denen sowohl die Dämpfung als auch der Energietransfer über die Kraftübertragungseinrichtung gesteuert wird.
-
Die Kupplung kann als formschlüssig oder kraftschlüssig wirkende Kupplung, insbesondere als Schlingfederkupplung, Lamellenkupplung, Einscheiben-Kupplung, Schalenkupplung, Klauenkupplung, Klemmkörperkupplung, Freilaufkupplung, Magnetkupplung oder magnetorheologische Flüssigkeitsreibungskupplung ausgebildet sein. Die Kupplung wird insbesondere mechatronisch gesteuert und kann sowohl rotatorisch als auch translatorisch ausgeführt sein. In einer Variante ist die Kupplung als eine stufenlos arbeitende Kupplung ausgebildet, beispielsweise als eine Reibkupplung oder eine Magnetkupplung.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Anbindungs- oder Befestigungspunkt oder Umlenkung oder Umlenkelement der Kraftübertragungseinrichtung an dem Oberteil oder einem daran befestigten Oberschenkelteil und/oder dem Fußteil verstellbar oder verlagerbar ausgebildet ist. Durch die Herstellbarkeit oder Verlagerbarkeit des Befestigungs- oder Anbindungspunktes oder der Position der Umlenkung der Kraftübertragungseinrichtung ist es möglich, die effektive Länge der Kraftübertragungseinrichtung, beispielsweise eines Zugelementes, einzustellen und zu verändern. Dadurch können beispielsweise unterschiedliche Fußstellungen berücksichtigt werden, beispielsweise um bei veränderten Absatzhöhen die Vorrichtung funktionsfähig zu halten.
-
Es ist möglich, dass eine Plantarflexion des Fußteils mittels der Kraftübertragungseinrichtung über den zwischen dem Oberteil und dem Verbindungsteil angeordneten Aktuator gedämpft wird, um zu verhindern, dass nach dem Heel Strike oder Fersenstoß das Fußteil zu schnell in Kontakt mit dem Boden gebracht wird, wodurch unangenehme Geräusche und ein ungleichmäßiges Gangverhalten hervorgerufen werden kann. Dazu sind mit dem Aktuator und der Kraftübertragungseinrichtung zwei Komponenten ausgebildet, die einerseits mit dem Fußteil und andererseits mit dem Kniegelenk gekoppelt sind und die eine Plantarflexion nach dem Heel Strike beeinflussen. Auf diese Weise ist auch eine Dämpfung der Knöchelbewegung über den Aktuator des Kniegelenks möglich, wobei die Kraftübertragungseinrichtung die Dämpfungswirkung auf das Knöchelgelenk überträgt. Dadurch kann auf einen eigenständigen Aktuator am Knöchelgelenk verzichtet werden.
-
Über einen Antrieb, insbesondere einen Elektromotor, kann zusätzliche Energie in das System eingespeist werden, beispielsweise indem die Aufroll- und Abrolleinrichtung angetrieben oder gebremst wird. Dadurch wird die Rotationsbewegung des Elektromotors in eine Translationsbewegung umgewandelt.
-
Wird die Spannung in der Kraftübertragungseinrichtung überwacht, beispielsweise durch einen Zugkraftsensor, kann eine automatische Anpassung an unterschiedliche Absatzhöhen erfolgen. Das Kopplungsverhältnis zwischen dem Kniegelenk und dem Knöchelgelenk oder zwischen dem Oberschenkelteil und dem Fußteil kann einstellbar ausgebildet sein, vorteilhafterweise ist es automatisch einstellbar, sodass beispielsweise durch variable Hebelarme oder Getriebe mit veränderlichen Übersetzungsstufen die jeweils gewünschte Anpassung erfolgen kann.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Nutzer in der Lage, durch die Kupplung des Oberteils oder Oberschenkelteils mit dem Fußteil die Krafteinleitung in den Boden besser zu kontrollieren, wodurch sich eine erhöhte Stabilität und ein verbessertes Sicherheitsgefühl für den Benutzer ergibt. Ebenso können mit der Kupplung hohe Knieflexionswinkel in der Standphasenbeugung erreicht werden, da der Energietransfer von dem Knöchel zu dem Knie beim Überrollen eine Standphasen-Extension unterstützt. Dadurch ist es dem Nutzer möglich, eine tiefe Knieflexion ohne zusätzlichen Aufwand durch die Hüftmuskulatur wieder zu verlassen. Durch eine starke Standphasenflexion wird der Impuls bei einem Fersenauftritt rotatorisch gedämpft, sodass auf weiche Fersenaufbauten verzichtet werden kann. Es können steife Fußkonstruktionen verwendet werden, die dem Patienten eine präzisere Rückmeldung über die Bodenbeschaffenheit und das Auftrittsverhalten geben, wodurch die Standsicherheit und die Sicherheit beim Gehen verbessert werden.
-
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, dass bei einem Fersenkontakt durch die Kopplung eine Übertragung eines Knöchelmomentes um die Knöchelgelenksachse auf das Kniegelenk erfolgt. Ein Flexionsmoment wird auf das Kniegelenk übertragen, wodurch eine Standphasenbeugung veranlasst wird. Gleichzeitig findet eine Plantarflexion des Fußes statt. Durch dieses Verhalten ist es möglich, den Prothesenfuß oder das Fußteil der Orthese sehr schnell in einen vollständigen Kontakt mit dem Boden zu bringen, was die Standsicherheit erhöht, da ein früherer und schnellerer Kontakt vorhanden ist. Der Patient fühlt sich dadurch früher stabil.
-
Wenn in der mittleren Standphase die Kupplung während der Standphasenbeugung geschaltet wird und eine Kraftübertragung herstellt, trägt eine Überrollbewegung im Knöchelgelenk, also eine Dorsalflexion, zu einer Standphasenextension bei, sodass der Energieüberschuss im Knöchelgelenk dazu genutzt wird, um den zeitgleichen Energiebedarf im Kniegelenk zur Überwindung der Standphasenflexion zu decken. Der Nutzer wird bei der Standphasenextension unterstützt und tiefere Winkel in der Standphasenflexion sind möglich. Darüber hinaus erfährt der Nutzer über die Kniebeugung eine Dämpfung des Bewegungsablaufes, ähnlich dem beim natürlichen Gehen.
-
Ist in dem System eine serielle Elastizität vorhanden, kann die Kopplung von Oberschenkelteil zum Fußteil unmittelbar nach dem Vollfußkontakt aktiv sein. Die überschüssige kinetische Energie im Kniegelenk wird potenziell im elastischen Element der Kopplung gespeichert und deckt unmittelbar den Energiebedarf für die Standphasenextension ab. Die Energie aus der Überrollbewegung im Knöchelgelenk wird gespeichert. Der Nutzer kann ähnlich dem natürlichen Vorbild in die Standphasenflexion hineinfedern und wieder herausfedern, sodass tiefe Beugewinkel und ein symmetrischer Gang möglich sind.
-
In der terminalen Standphase und der Schwungphaseneinleitung beugt das Knie ein, während der Fuß noch Kontakt zum Boden hat. Durch die Kraftübertragung führt der Fuß eine Plantarflexion aus, sodass ein längerer Bodenkontakt besteht. Überschüssige Energie im Kniegelenk unterstützt die Abstoßbewegung des Fußes, gegebenenfalls unter Nutzung zusätzlicher gespeicherter Energie aus einem elastischen Element. Durch den längeren Bodenkontakt verlängert sich die Gangphase, in der beide Füße auf dem Boden stehen, sodass sich für den Nutzer eine erhöhte Stabilität ergibt.
-
Während der Schwungphase ist die Kopplung in der Regel nicht aktiv, das Fußteil wird vorteilhafterweise in der Schwungphase über die Aufrolleinrichtung oder aber über eine Rückstellfeder innerhalb des Knöchelgelenkes in eine Neutralstellung bewegt, sodass sich für das Durchschwingen eine erhöhte Bodenfreiheit ergibt.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 - eine schematische Seitenansicht einer Prothese für eine untere Extremität;
- 2 - verschiedene Phasen eines Schrittes;
- 3 - eine Schnittdarstellung durch eine Kupplung;
- 4 - eine Darstellung eines Flexionswinkelverlaufes und Knöchelwinkelverlaufes während eines Schrittes;
- 5 - eine schematische Darstellung von Schaltzuständen der Kupplung; sowie
- 6 - zwei perspektivische Ansichten von schräg hinten.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Seitenansicht einer orthopädietechnischen Vorrichtung 1 in Gestalt eines Prothesenbeines mit einem Oberschenkelschaft 2, der über ein Verbindungsrohr 3 mit einem Pyramidenadapter 4 eines Kniegelenkes 10 in Gestalt eines Prothesenkniegelenkes verbunden ist. In dem Oberschenkelschaft 2 kann ein Oberschenkelstumpf eines Patienten aufgenommen und festgehalten werden. Das Kniegelenk 10 weist ein Oberteil 11 auf, an dem der Pyramidenadapter 4 ausgebildet oder angeordnet ist. Das Oberteil 11 ist um eine Kniegelenksachse 12 schwenkbar mit einem distal daran angeordnetem Verbindungsteil 13 verbunden. Das Verbindungsteil 13 ist in der Ausführungsform ein Unterteil eines Prothesenkniegelenkes mit Aufnahmeeinrichtungen für ein Unterschenkelrohr, ein Unterschenkelrohr als solches sowie Befestigungseinrichtungen, mit denen ein distal zu dem Verbindungsteil 13 angeordnetes Teil 23 festgelegt werden kann. Das Fußteil 23 ist um eine Knöchelgelenksachse 22 schwenkbar zu dem Verbindungsteil 13 in einem Knöchelgelenk 20 gelagert. Das Fußteil 23 selbst weist eine Federkonstruktion aus mehreren Blattfedern auf, die insbesondere aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt sein können. Eine Basisfeder bildet den sohlenseitigen Abschluss des Prothesenfußes 23, an der Basisfeder sind eine Vorfußfeder und eine Fersenfeder festgelegt, die miteinander verbunden sind, beispielsweise über ein weiteres Federelement. An dem proximalen, rückwärtigen Ende der Vorfußfeder ist das Knöchelgelenk 20 angeordnet, das eine begrenzte Verschwenkung innerhalb der Sagittalebene erlaubt. Bevorzugt sind die Knöchelgelenksachse 22 und die Kniegelenksachse 12 parallel zueinander ausgerichtet, leichte Abweichungen in der Orientierung sind jedoch möglich und aufgrund von Einstellungen und Anpassungen an den jeweiligen Patienten meist unumgänglich.
-
Zwischen dem Oberteil 11 des Prothesenkniegelenkes 10 und dem Unterteil oder Verbindungsteil 13 ist ein Aktuator 70 angeordnet, der beispielsweise als linear wirkende Widerstandseinrichtung, Hydraulikdämpfer, Pneumatikdämpfer, magnetorheologischer Dämpfer oder elektrisch betriebene Widerstandseinrichtung ausgebildet sein kann. Darüber hinaus kann der Aktuator 70 als aktives Element einen Antrieb aufweisen, mit dem es möglich ist, eine Flexion und/oder Extension um die Kniegelenksachse 12 zu bewirken oder zumindest zu unterstützen. Der Aktuator 70 ist proximal an der rückwärtigen Seite des Oberteils 11 hinter der Kniegelenksachse 12 um einen Lagerbolzen verschwenkbar gelagert, die distale Lagerung des Aktuators 70 erfolgt in dem Unterteil oder an dem Verbindungsteil 13, bevorzugt ebenfalls verschwenkbar, um bei einem Einbeugen oder einer Flexion oder einem Strecken oder einer Extension Ausgleichsbewegungen durchführen zu können. Der Aktuator 70 kann mit Sensoren 52 gekoppelt sein, die die Sensordaten an einer Steuerungseinrichtung 51 übermitteln. Anhand der Sensordaten, beispielsweise anhand von Raumlagedaten, Kräften, Winkeln von Komponenten zueinander oder Momenten sowie den Verläufen dieser Größen können Steuerungsprogramme zur Beeinflussung des Bewegungsverhaltens aktiviert und deaktiviert werden. Unterschiedliche Widerstände werden in Abhängigkeit von bestimmten Belastungen, Stellungen oder Bewegungsabläufen eingestellt oder entsprechende Antriebe abgeschaltet oder zugeschaltet, um ein möglichst effektives Gangverhalten für den Nutzer der orthopädietechnischen Vorrichtung bereitstellen zu können.
-
An dem Oberteil 11 ist in Gehrichtung vor der Kniegelenksachse 12 eine erste Kraftübertragungseinrichtung 30 in Gestalt eines Seiles, eines Gurtes oder eines Kabels angeordnet, die um ein Umlenkelement 33, das an dem Unterteil oder dem Verbindungsteil 13 gelagert ist, geführt ist. Im Bereich oberhalb des Knöchelgelenkes 20 kreuzt die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 die Verbindungslinie zwischen der Kniegelenksachse 11 und der Knöchelgelenksachse 22 und ist an einem rückwärtigen Befestigungspunkt 302 an dem Knöchelgelenk 20 in Gehrichtung hinter der Knöchelgelenksachse 22 befestigt. Eine zweite Kraftübertragungseinrichtung 31 erstreckt sich von einem rückwärtigen Befestigungspunkt 311 an dem Oberteil 11 zu einem vorderen, distalen Befestigungspunkt 312 an dem Knöchelgelenk 20, wobei der zweite Befestigungspunkt 312 der zweiten Kraftübertragungseinrichtung 31 in Gehrichtung vor der Knöchelgelenksachse 22 liegt. Die beiden Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 kreuzen sich ungefähr auf einer Verbindungslinie zwischen den beiden Gelenkachsen 12, 22, sie sind jedoch so angeordnet, dass sie sich nicht berühren. Beide Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 sind bevorzugt flexibel und überwiegend zugstarr ausgebildet, sodass keine oder nur eine geringe Verlängerung bei Auftreten einer Zugbelastung erfolgt. Innerhalb der Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 können auch Kraftspeicher, Dämpfungseinrichtung und/oder Übersetzungsgetriebe angeordnet oder ausgebildet sein.
-
Die Anordnung der Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 mit ihren Befestigungspunkten 301, 302, 311, 312 dergestalt, dass sich die Kraftrichtungen zwischen den beiden Gelenkachsen 12, 22 kreuzen, führt dazu, dass bei einer Plantarflexion des Fußteils eine Knieflexion bewirkt wird. Umgekehrt wird bei einer Dorsalflexion des Fußteils 23, beispielsweise beim Abrollen in der Standphase, eine Knieextension bewirkt. In der Standphase kann somit Energie, die beim Heel Strike eine Plantarflexion bewirkt, zu der rückwärtigen Seite des Kniegelenkes 10 geleitet werden, sodass dort eine Knieflexion bewirkt oder unterstützt wird. Zur Dämpfung oder Steuerung der Flexionsbewegung des Kniegelenkes 10 ist der Aktuator 70 vorgesehen, der ein zu schnelles Einbeugen oder eine zu starke Standphasenflexion verhindert. Der Aktuator 70 dämpft die Standphasenflexion im Kniegelenk 10 und kann die maximale Einbeugung begrenzen. Nach dem Heel Strike und einer weiteren Vorwärtsbewegung des Nutzers erfolgt nach dem Vollkontakt des Fußteils 23 mit dem Boden ein Verschwenken um die Knöchelgelenksachse 22 bei einem nahezu vollständig gestreckten Kniegelenk 10. Sobald das Fußteil 23 eine ausreichende Dorsalflexion ausgeführt hat, also die Fußspitze in Richtung auf das Verbindungsteil 13 bewegt wurde, wird die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 gespannt und eine Knieextension eingeleitet. Sollte eine Knieextension nicht gewünscht sein, kann über eine Kupplung 40, die schaltbar ausgebildet ist, eine Kraftübertragung zwischen dem Fußteil 23 und dem Oberteil 11 des Kniegelenkes 10 getrennt werden. Bei der getrennten Kupplung 40 verschwenkt das Fußteil 23 um die Knöchelgelenksachse 22 in Richtung einer Dorsalflexion unbeeinflusst von der ersten Kraftübertragungseinrichtung 30 oder nur mit einem geringen Einfluss. Wird am Ende der Standphase das Kniegelenk 10 eingebeugt, kann die Kupplung 40 geschlossen werden, sodass die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 Zugkräfte auf den rückwärtigen Teil des Knöchelgelenkes 22 überträgt und eine Plantarflexion unterstützt wird.
-
Über die Kupplung 40 kann der Zeitpunkt des Ineingrifftretens der ersten Kraftübertragungseinrichtung 30 bestimmt werden, ebenso kann die Dauer der Kraftübertragung in Abhängigkeit von der jeweiligen Gangsituation oder von Sensordaten eingestellt werden. Ist die Kupplung 40 beispielsweise als eine Reibkupplung ausgebildet oder auch eine magnetorheologische Kupplung, kann zudem die übertragbare Kraft begrenzt werden.
-
Die Kupplung 40 kann mit einer Wickeleinrichtung zum Aufwickeln der Kraftübertragungseinrichtung 30 gekoppelt sein, ebenfalls kann die zweite Kraftübertragungseinrichtung 40 eine Aufwickeleinrichtung aufweisen und mit der Kupplung 40 oder mit einer gesonderten Kupplung versehen sein.
-
In der 2 sind vier Phasen eines Schrittes in der Standphase dargestellt. Die linke Figur zeigt die Vorrichtung gemäß der 1 beim Fersenauftritt oder Heel Strike. In Abwandlung zu der Ausführungsform gemäß 1 ist in der ersten Kraftübertragungseinrichtung 30 ein Federelement 35 angeordnet. Das Federelement 35 kann als Wendelfeder oder Schraubenfeder, als Elastomerelement oder ein anderes federndes Element ausgebildet sein. Die Federwirkung kann auch durch eine bereichsweise ausgebildete oder eingebaute Elastizität in der Kraftübertragungseinrichtung 30 ausgebildet sein. In dem vollständig gestreckten Zustand des Kniegelenkes 10 und in der Normalstellung des Fußteils 23 ist die zweite Kraftübertragungseinrichtung 31 gespannt oder hat nur ein geringes Spiel, sodass eine unmittelbare Kraftübertragung stattfinden kann. Tritt der Nutzer der orthopädietechnischen Vorrichtung am Ende der Schwungphase mit der Ferse des Fußteils 23 auf, verschwenkt das Fußteil 23 um die Schwenkachse 22 des Knöchelgelenkes 20 im Uhrzeigersinn und bewegt die Fußspitze nach unten, so dass eine Plantarflexion ausgeführt wird. Die am vorderen Bereich des Knöchelgelenkes 20 am distalen Befestigungspunkt 312 befestigte zweite Kraftübertragungseinrichtung 31 wird aufgrund der Drehbewegung um die Knöchelgelenksachse 22 und der damit einhergehenden Verlagerung des distalen Befestigungspunkt des 312 gespannt, wodurch eine Zugkraft durch die zweite Kraftübertragungseinrichtung 31 auf den proximalen Befestigungspunkt 311 ausgeübt wird. Aufgrund des Abstandes des proximalen Befestigungspunktes 311 zu der Kniegelenksachse 12 wird ein Moment um die Kniegelenksachse 12 ausgeübt, sodass eine Standphasenflexion des Oberteils 11, also eine Verschwenkung der Rückseite des Oberteils 12 in Richtung auf die Rückseite des Unterteils oder Verbindungsteils 13, bewirkt wird. Diese Situation ist in der zweiten Darstellung von links gezeigt, bei der der Vollfußkontakt in der sogenannten Lastübernahmephase vorliegt. Das Federelement 35, das während der Schwungphase beispielsweise dazu dienen kann, das Fußteil 23 in seine Normalstellung zu bewegen, wird bei einer Plantarflexion des Fußteils 23 entspannt, gegebenenfalls kann die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 aufgerollt oder aufgewickelt werden. Die Anordnung des proximalen Befestigungspunktes 301 der ersten Kraftübertragungseinrichtung 30 an dem Oberteil 11 kann so erfolgen, dass bei einer Knieflexion der Verlagerungsweg des proximalen Befestigungspunktes 301 größer als der des distalen Befestigungspunktes 302 ist, sodass sich die beiden Befestigungspunkte 301, 302 voneinander entfernen. Alternativ kann die Strecke zwischen den beiden Befestigungspunkten 301, 302 aufgrund des Umlenkelementes 33 bei einer Knieflexion vergrößert werden, auch wenn die direkte Verbindung zwischen den beiden Befestigungspunkten 301, 302 verringert wird. Dann wird das Federelement 35 bei einer Plantarflexion mit einhergehender Knieflexion gespannt.
-
Im Verlauf einer weiteren Bewegung wird das Kniegelenk 10 nach der Standphasenflexion in der mittleren Standphase gestreckt, was in der dritten Darstellung der 2 gezeigt ist. Je nach Konstruktion und Anordnung der Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 wird das Federelement 35 entspannt und eine Extensionsbewegung des Kniegelenkes 10 unterstützt, bis der Extensionsanschlag, also die maximale Kniestreckung erreicht ist. Am Ende der Standphase findet eine Einbeugung des Prothesenkniegelenkes 10 im Rahmen der Schwungphasenvorbereitung statt, wodurch das Federelement 34 gespannt und eine Zugkraft auf die erste Kraftübertragungsrichtung 30 ausgeübt wird. Dadurch wird eine Plantarflexion des Fußteils 23 unterstützt. Der Nutzer unterstützt durch die Kniebeugung ein Abstoßverhalten des Fußteils 23, was das Gehen erleichtert und dem natürlichen Bewegungsablauf entspricht. Dieses Abstoßverhalten kann zusätzlich durch in dem Federelement 35 gespeicherte Energie, die zumindest teilweise noch aus der vorherigen Überrollbewegung stammen kann, unterstützt werden.
In der 3 ist eine schematische Schnittdarstellung der Kupplung 40 gezeigt. Die einzelnen Kraftübertragungseinrichtungen, beispielsweise Seile, Drähte, Kabel oder Gurte, sind nicht dargestellt. Die Kupplung 40 weist eine Einrichtung 60 zum Aufrollen und Abrollen in Gestalt einer Welle auf, die über einen Antrieb 61 in Gestalt einer Feder oder eines Motors die Kraftübertragungseinrichtung in Nuten aufrollen oder abrollen kann. An der Welle ist ein Sensor 52 angeordnet, der beispielsweise die Winkelstellung oder ein Moment, das um die Drehachse der Welle wirkt, misst. Die Kupplung 40 weist zudem einen Antrieb 50 auf, beispielsweise einen Linearantrieb, einen magnetischen Antrieb oder einen herkömmlichen Elektromotor, ggf. mit einer Spindeleinrichtung, durch die es möglich ist, ein Stellelement 53 zu verlagern, beispielsweise zu verdrehen oder zu verschieben. Dadurch ist es möglich, eine Schlingfeder 62, die als Kupplungselement ausgebildet ist, mit einem Reibkörper 63, der Teil der Welle 60 oder daran befestigt ist, in Eingriff zu bringen oder freizugeben. An dem Reibkörper 63 ist eine Befestigungseinrichtung 64 für die Kraftübertragungseinrichtung 30 angeordnet oder ausgebildet, sodass bei einem Spannen der Schlingfeder 62 die Welle 60 blockiert wird. Eine auf die Kraftübertragungsrichtung 30 übertragene Zugkraft wird auf die Kupplungseinrichtung 40 übertragen, die an dem Oberteil 11 festgelegt ist, sodass ein Extensionsmoment um die Kniegelenksachse 12 ausgeübt wird. Wird die Schlingfeder 62 entspannt, dreht sich die Welle 60 bei einer Flexionsbewegung um die Kniegelenksachse 12, sodass die aufgewickelte Kraftübertragungseinrichtung 30 abgewickelt werden kann, gegebenenfalls gegen den Widerstand der Spiralfeder 61 oder einer anderen Widerstandseinrichtung. Findet eine Extensionsbewegung um die Kniegelenksachse 12 statt, wird entweder über die Spiralfeder 61 oder einen anderen Antrieb das Kraftübertragungselement aufgewickelt.
-
In der 4 sind die jeweiligen Winkelverläufe in den einzelnen Phasen, die in der 3 dargestellt sind, dargestellt. Der Verlauf des Flexionswinkels ist mit der durchgezogenen Linie schematisch dargestellt, der Verlauf des Knöchelwinkels mit der unterbrochenen Linie. Der Flexionswinkel ist der Winkel, um den das Unterteil relativ zu dem Oberteil eingebeugt wird. In einem vollständig gestreckten Zustand ist der Flexionswinkel 0°, in einem maximal eingebeugten Zustand, während der Schwungphase, ist der Flexionswinkel am größten. Der Knöchelwinkel wird um die Ausgangsposition des Fußteils 23 in einem unbelasteten Zustand aufgetragen, negative Winkel bedeuten Plantarflexionswinkel, positive Winkel sind Dorsalflexionswinkel. Bei einem initialen Fersenkontakt, also beim Heel Strike, befindet sich das Kniegelenk 10 in einer maximal gestreckten Position, das Fußteil 23 befindet sich in seiner Ausgangsstellung. Nach dem Heel Strike findet eine Plantarflexion des Fußteils 23 und gleichzeitig eine Standphasenflexion des Kniegelenks 10 statt. Der Flexionswinkel verringert sich nach der Lastübernahme oder bei einem Vollfußkontakt, also ungefähr nachdem das Fußteil 23 die Ausgangsstellung wieder erreicht hat. Bei einer weiteren Vorwärtsbewegung bis zum Erreichen der mittleren Standphase findet eine Dorsalflexion und eine Vergrößerung des Dorsalflexionswinkels statt, gleichzeitig verringert sich der Flexionswinkel und vergrößert sich der Kniewinkel. Das Unterteil oder Verbindungselement 13 verschwenkt um die Knöchelgelenksachse 22 und der Schwerpunkt des Nutzers sowie die Kniegelenksachse 12 wandern vor die Knöchelgelenksachse 22. Dies geschieht mit einem gestreckten oder nahezu gestreckten Kniegelenk 10. Am Ende der Standphase findet die Schwungphasenvorbereitung statt. Dazu wird das Kniegelenk 10 eingebeugt, was durch die Vergrößerung des Flexionswinkels angedeutet ist. Aufgrund der Kupplung der Knieflexion mit einer Plantarflexion aufgrund des ersten Kraftübertragungselementes 30 findet eine Plantarflexion am Ende der Standphase statt, was an dem Verlauf des Knöchelgelenkwinkels im negativen Bereich deutlich wird.
-
In der 5 sind die Phasen gemäß der 3 und 4 ebenfalls dargestellt. Bei dem initialen Fersenkontakt, also in der linken Darstellung der 5, ist die Kupplung 40 geöffnet, sodass eine Einbeugung des Kniegelenks 10 ohne Gegenkraft durch die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 möglich ist. Während der Lastübernahme bei einem Vollfußkontakt, was in der zweiten Darstellung von links gezeigt ist, ist die Kupplung 40 geschlossen. Dies führt dazu, dass bei einer Schwenkbewegung um die Knöchelgelenksachse 23 eine Extensionsunterstützung für das Oberteil 11 bewirkt wird, was durch den Pfeil angedeutet ist. Auch in den danach folgenden Phasen, also der mittleren Standphase beim Überrollen sowie in der Schwungphasenvorbereitung, bleibt die Kupplung 40 geschlossen. In der mittleren Standphase, in der dritten Darstellung von links, befinden sich die Gelenke 10, 20 in ihren Ausgangsstellungen, dementsprechend findet keine Kraftübertragung statt. Wird am Ende der Standphase in der Schwungphasenvorbereitung das Kniegelenk 10 eingebeugt, und der geschlossenen Kupplung 40 eine Zugkraft und damit ein Moment um die Knöchelgelenksachse 22 zur Unterstützung einer Plantarflexion des Fußteils 23 betragen, was durch den Pfeil um das Knöchelgelenk 20 angedeutet ist.
-
In der 6 ist eine orthopädietechnische Vorrichtung in Gestalt eines Prothesenbeines mit einem Fußteil 23, einem Verbindungsteil 13 und einem Prothesenkniegelenk 10 in zwei perspektivischen, rückwärtigen Ansichten gezeigt. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen demjenigen, der in der 1 gezeigt und erläutert ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen, wie auch in den anderen Figuren, gleiche Bauteile. An dem Prothesenkniegelenk 10 sind um die Schwenkachse 12 herum beidseitig, also medial und lateral, Umlenkelemente 33 angeordnet, die gleichzeitig auch zum Aufwickeln der ersten Kraftübertragungseinrichtung 30 dienen. Die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 ist als zweiteiliges Seil ausgebildet, dessen erstes Teil symmetrisch an beiden Seiten des Verbindungsteils 13 entlangläuft und über einen Rollenmechanismus 36 einen Flaschenzug ausbildet. Das zweite Teil ist proximal an dem Rollenmechanismus 36 und distal an der Ferse des Fußteils 23 angeordnet. Der distale Befestigungspunkt 302 kann sowohl hinsichtlich der proximal-distal Erstreckung als auch hinsichtlich des Abstandes zu der nicht gezeigten Knöchelgelenksachse 22 eingestellt werden, um so ein Übersetzungsverhältnis einstellen zu können. Ebenso ist es möglich, den proximalen Befestigungspunkt 301 zu variieren, insbesondere den Abstand zu der Kniegelenksachse 12, sodass die jeweilige Verschwenkung des Fußteils 23 um die Schwenkachse 22 beziehungsweise des Oberteils 11 relativ zu dem Verbindungsteil 13 um die Kniegelenksachse 12 zu unterschiedlichen Verlagerungen der Befestigungspunkte 301, 302 und damit zu unterschiedlichen Verlagerungen in den damit verbundenen Gelenken führt. Die beidseitig des Verbindungselementes 13 geführten Abschnitte des ersten Kraftübertragungselementes 30 sind an einem Rahmen 50, bevorzugt ein Kunststoffrahmen, in Führungen 305 geführt, um bewegliche Teile oder Abschnitte möglichst nahe an der Vorrichtung kontrolliert entlang zu leiten.
-
Die Kupplung 40 ist in einem Gehäuse gemeinsam mit dem Oberteil 11 verschwenkbar um die Schwenkachse 12 montiert und weist einen Sensor 52 auf, über den beispielsweise eine Winkelstellung einer Wickelwelle oder des Oberteils 11 detektiert werden kann. Die Umlenkeinrichtungen 33 können exzentrisch gelagert sein. Ebenso ist es möglich, dass eine Umlenkeinrichtung 33, beispielsweise die laterale Umlenkeinrichtung in der linken Darstellung verstellbar und festlegbar ausgebildet ist, während die andere Umlenkeinrichtung 33 als mit einem Antrieb als drehbar gelagertes aber feststellbares Element ausgestaltet ist.
-
Die zweite Kraftübertragungseinrichtung 31 ist ebenfalls in Führungen an dem Rahmen 50 geführt, wodurch die Notwendigkeit entfällt, eine freie, geradlinige Verbindung zwischen den beiden Befestigungspunkten 311, 312 der zweiten Kraftübertragungseinrichtung vorzusehen. Die beiden Befestigungspunkte 311, 312 sind ebenfalls in ihren Abständen zu den jeweiligen Gelenkachsen 12, 22 einstellbar ausgebildet, entweder stufenlos oder in Rastungen, die an dem Ausleger um die Schwenkachse 12 am Kniegelenk sichtbar ist.
-
Durch die Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 können nur Zugkräfte übertragen werden. Die beiden Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 sind jeweils gegenläufig angeordnet, also bei einem rückwärtigen proximalen Befestigungspunkt 311 ein vor der Schwenkachse 22 liegender distale Befestigungspunkt 112 und umgekehrt bei einem vor der Schwenkachse 12 liegenden Befestigungspunkt 301 einen hinter der Kniegelenksachse 220 liegenden distalen zweiten Befestigungspunkt 302. Über die Kraftübertragungseinrichtungen 30, 31 wird eine antagonistische Kopplung erreicht, die über eine mechatronisch geschaltete Kupplung 40 moderiert werden kann. Die Kupplung 40 kann die erste Kraftübertragungseinrichtung 30 in jeder beliebigen Position gehalten und aktiviert oder deaktiviert werden. Dadurch ist es möglich, eine kinematische Verbindung zwischen dem Oberteil 11 und dem Fußteil 23, also zwischen zwei voneinander beabstandeten Segmenten einer Gelenkkette, bei Bedarf herzustellen oder zu unterbrechen
-
In der Kupplung 40 und mit der Feder 61 oder innerhalb des Kraftübertragungselementes ist es möglich, die Kraftübertragungselemente 30, 31 unabhängig von einer Verschwenkbewegung des Fußteils 23 unter Spannung zu setzen, wodurch die natürliche Kniesteifigkeit in der Standphase simuliert werden kann. Die Steifigkeiten beispielsweise der Spiralfeder oder des Federelementes 35 können dabei frei eingestellt werden. Ebenfalls ist eine motorische Verkürzung oder Verlängerung des Kraftübertragungselementes 30 möglich. Neben der aktiven Unterstützung durch einen motorischen Antrieb ist über den Aktuator 70 eine weitere Beeinflussung des Schwenkverhaltens um die Kniegelenksachse 12 möglich. Der Aktuator 70 und ein möglicher Antrieb oder die Kraftübertragung über die Kraftübertragungselemente 30, 31 werden parallel betrieben. Dadurch ist es möglich, mit einem Aktuator 70 sowohl die Bewegung des Kniegelenkes 10 als auch die Bewegung des Knöchelgelenkes 20 zu kontrollieren. Darüber hinaus ist es möglich, die Absatzhöhe durch Verlängerung oder Verkürzung der Kraftübertragungselemente 30, 31 stufenlos einzustellen, gegebenenfalls auch automatisch. Durch die Kopplung der Bewegung des Kniegelenkes 10 mit der Bewegung im Knöchelgelenk 20 auf die vorgestellte Art und Weise ist es möglich, Energieüberschüsse des einen Gelenks in einer Phase des Schrittes auf ein anderes Gelenk zu übertragen, das gegebenenfalls einen Energiebedarf hat. Über die Hebelverhältnisse, also die Abstände der Befestigungspunkte zu den Schwenkachsen und die Ausgestaltung der Führungen und Elastizitäten ist es möglich, Übertragungszeitpunkte und Verlagerungswege zu variieren. Weiterhin ist es möglich, mit der vorgeschlagenen Kopplung große Winkel in der Standphasenbeugung zu erreichen. Die Kraftübertragung von der Plantarflexion zu der Standphasenflexion hilft, den Nutzer in eine tiefe Knieflexion zu gelangen und diese ohne zusätzlichen Aufwand der Hüftmuskulatur durch den Energietransfer bei der Dorsalflexion wieder zu verlassen. Durch eine starke Standphasenflexion wird der Impuls bei einem Fersenauftritt oder Heel Strike rotatorisch gedämpft, es kann somit auf einen weichen Fersenaufbau bei gewöhnlichen Carbonfüßen verzichtet werden. Es können vergleichsweise steife Fußkonzeptionen genutzt werden, die die subjektive Standsicherheit erhöhen. Durch das erreichbare natürlichere Gangbild werden weniger Kompensationsbewegungen im Bewegungsapparat des Nutzers notwendig, sodass beispielsweise Schiefstellungen der Wirbelsäule vermindert und Langzeitschäden vorgebeugt werden können.
