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Die
Erfindung betrifft eine Stützfeder
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Unterschenkelorthese
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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Derartige
Stützfedern
werden beispielsweise bei Unterschenkelorthesen für Patienten
mit tiefen Lähmungen,
bei Muskelerkrankungen, infantilen Zerebralparesen, pathologischen
Erkrankungen, neurologischen Veränderungen
oder auch bei gesunden Menschen eingesetzt, um die Funktion der
Plantarflektoren zu unterstützen.
Durch die Unterschenkelorthese wird der Fuß in Bezug zum Unterschenkel gestützt, wobei
gleichzeitig durch die Stützfeder
während
der Auftritt- und Standphase Energie aufgenommen und diese bei der
Abstoßphase
wieder zurückgegeben
wird.
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Eine
bekannte Stützfeder
sowie eine Unterschenkelorthese zeigen die 1 und 2.
Die Figuren gehen zurück
auf die Unterschenkelorthese SPRING der Anmelderin und sind dem
Katalog Medizinisches Verordnungsprogramm, Fa. Gottinger GmbH, 85604 Zornerding,
zu entnehmen. Die Unterschenkelorthese 2 hat eine Unterschenkelmanschette 4 zum
Umgreifen eines Unterschenkels 6 und eine Fußmanschette 8 zum
Festhalten eines Fußes 10.
Die beiden Manschetten 4, 8 sind über eine
Stützfeder 12 mit
einem unterschenkelseitigen Endabschnitt 14 und einen fußseitigen
Endabschnitt 16 gelenkig miteinander verbunden, wobei der
unterschenkelseitige Endabschnitt 14 in der Unterschenkelmanschette 4 und der
fußseitige
Endabschnitt 16 in einer den Fuß 10 tragenden Sohle 18 aufgenommen
ist. Zur Unterstützung
der Federwirkung ist ein Fersenteil 20 der Stützfeder 12 gegenläufig gekrümmt.
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Nachteilig
an dieser bekannten Lösung
ist, dass die Federrate der Stützfeder
so ausgelegt ist, dass eine bestmögliche Unterstützung in
der Abstoßphase
beim Gehen erfolgt. Aufgrund des Bewegungsablaufs beim Gehen muss
die Stützfeder
jedoch in der Abstoßphase
eine größere Stützkraft
als in der Auftretphase entwickeln, so dass bei Verwendung der bekannten
Lösung
kein "weiches" Auftreten ermöglicht ist
und somit ein störendes "Schieben der Stützfeder
in die Knie" bzw.
ein kräftiger
Rückschlag des
Fußes
in Richtung des Knies erfolgt.
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Des
Weiteren ist nachteilig, dass ein Patient zum Ausführen einer
selbständigen
Plantarflexion des Fußes
mit Muskelkraft, wie zum Beispiel zum Betätigen der Fußpedale
beim Führen
eines Kraftfahrzeugs notwendig, aufgrund der hohen Federrate stets
eine hohe Gegenkraft aufbringen muss, um gegen die Federkraft der
Stützfeder
gegenanzuwirken.
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Die
DE 697 12 526 T2 sieht
zur Variierung der Federkraft in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Fußes zum
Unterschenkel in einer Orthese mehrere horizontale Schlitze vor,
die ungefähr
in Höhe
des Knöchels
verlaufen.
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Die
DE 299 08 981 U1 schlägt vor,
im Knöchelbereich
einer die Stützfeder
aufnehmenden einteiligen Manschette einen Diagonalschlitz vorzusehen.
Ferner schlägt
die
DE 299 08 981
U1 zur Variierung der Federkraft vor, anstelle einer Stützfeder mehrere
Stützfedern
parallel anzuordnen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stützfeder und eine Unterschenkelorthese
zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile beseitigen und die kostengünstig herzustellen
sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Stützfeder
mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 und durch eine Unterschenkelorthese
mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 9.
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Die
erfindungsgemäße Stützfeder
zum gelenkigen Verbinden einer Unterschenkelmanschette mit einer
Fußmanschette
einer Unterschenkelorthese hat einen unterschenkelseitigen und einen
fußseitigen
Endabschnitt, die durch ein Fersenteil miteinander verbunden sind.
Erfindungsgemäß weist
die Stützfeder
in Abhängigkeit
eines Drehwinkels des Fußes
um das obere Sprunggelenk zum Unterschenkel unterschiedliche Federraten
auf.
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Der
wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Stützfeder besteht darin, dass
die Stützfeder
keine lineare Federkennlinie aufweist, so dass die Stützfeder
in Abhängigkeit
von der momentanen Gang- bzw. Standphase eine ausreichende Stützkraft
und Unterstützung
entwickelt.
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Vorzugsweise
hat die Stützfeder
eine progressive Federkennlinie, so dass bei zunehmender Plantarflexion
ihre Federrate steigt. Somit ist ein "weiches" Auftreten der Ferse in der Auftretphase – kleine
Plantarflexion – und
ein "hartes" Abstoßen des Fußes in der
Abstoßphase – große Plantarflexion – realisierbar.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der fußseitige
Endabschnitt durch zwei übereinanderliegende
Schenkel gebildet. Die Schenkel sind durch einen Längsschlitz
realisiert, der sich vom freien Ende des Endabschnitts in Richtung
des Fersenteils erstreckt. Um Kerbwirkungen im Fersenteil zu reduzieren,
mündet
der Längsschlitz
vorzugsweise in einer runden Erweiterung. Durch die Teilung des
fußseitigen
Endabschnitts entsteht wahlweise eine Federwirkung nur über einen
Schenkel oder über
beide Schenkel. Die Anzahl der Schenkel lässt sich über weitere Längsschlitze
erhöhen.
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Vorzugsweise
ist ein bodenseitiger Schenkel im Vergleich zu einem fußseitigen
Schenkel axial verlängert
und in vertikaler Richtung betrachtet kann er eine größere Dicke
aufweisen.
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Zur
Unterstützung
der Federwirkung der Stützfeder
ist das Fersenteil in Bezug zum unterschenkelseitigen und zum fußseitigen
Endabschnitt gegenläufig
gekrümmt,
sowie aus einem faserverstärkten,
vorzugsweise einem kohlefaserverstärkten Kunststoff hergestellt.
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Eine
erfindungsgemäße Unterschenkelorthese
hat eine Unterschenkelmanschette und eine Fußmanschette, die über eine
Stützfeder
gelenkig miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß weist die
Unterschenkelorthese einen Anschlag auf, auf den die Stützfeder
bei einer Plantarflexion abschnittsweise aufläuft, so dass unterschiedliche
Federraten der Stützfeder
realisierbar sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
läuft ein
fußseitiger
Schenkel der Stützfeder
auf den Anschlag auf, wobei der Schenkel erst ab einer Plantarflexion
von etwa 10° mit
dem Anschlag in Anlage bringbar ist.
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Sonstige
vorteilhafte Ausführungsformen sind
Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im
Folgenden erfolgt eine nähere
Erläuterung
der Erfindung anhand schematischer Darstellungen. Es zeigen
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1 eine
Seitenansicht einer bekannten Unterschenkelorthese mit einer bekannten
Stützfeder,
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2 eine
Rückansicht
der Unterschenkelorthese aus 1,
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3 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stützfeder,
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4 eine
geschnittene vergrößerte Seitenansicht
einer Sohle mit einem erfindungsgemäßen Anschlag und
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5 bis 8 einzelne
Gangphasen des menschlichen Ganges.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Stützfeder 12.
Die Stützfeder 12 hat
einen etwa l-förmigen
Aufbau mit einem unterschenkelseitigen Endabschnitt 14 und
einem erfindungsgemäßen fußseitigen
Endabschnitt 16, die von einem gegenläufig gekrümmten Fersenteil 20 miteinander
verbunden sind. Die Stützfeder 12 ist
als Blattfeder ausgebildet, wobei als Material vorzugsweise ein
faserverstärkter
Kunststoff, beispielsweise kohlefaserverstärkter Kunststoff verwendet wird.
Dieses Material zeichnet sich durch eine hervorragende Biegesteifigkeit
bei minimalem Gewicht und hoher Dauerfestigkeit aus. Prinzipiell
lassen sich jedoch auch andere geeignete Materialien einsetzen, die
jedoch stets im Hinblick auf minimales Gewicht und maximale Dauerfestigkeit
auszuwählen
sind.
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Der
fußseitige
Endabschnitt 16 ist in Längsrichtung mit einem Längsschlitz 22 versehen,
der sich von einem freien Ende 24 des fußseitigen
Endabschnitts 16 in Richtung des Fersenteils 20 erstreckt
und in einer runden Erweiterung 26 zur Reduzierung von
Kerbwirkungen mündet.
Somit ergeben sich in vertikaler Richtung der Stützfeder 12 zwei übereinanderliegende
Schenkel 28, 30, die jeweils eine bestimmte Federwirkung
aufbringen und in Abhängigkeit
vom Grad einer Plantarflexion, d.h. Drehung des Fußes im Uhrzeigersinn
um das obere Sprunggelenk bzw. Fußstreckung, einzeln oder gemeinsam
spannbar sind. Der bodenseitige Schenkel 30 ist gegenüber dem
fußseitigen
Schenkel 28 über eine
Verlängerung 40 axial
verlängert.
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Um
unterschiedliche Federkräfte
der beiden Schenkel 28, 30 zu realisieren, ist
es vorteilhaft, wenn die Schenkel 28, 30 in vertikaler
Richtung betrachtet unterschiedliche Dicken f, b, aufweisen. Dabei
ist die Gesamtdicke g der Stützfeder 12 so
gewählt,
dass sie über
die gesamte Länge
der Stützfeder 12 im
Wesentlichen konstant ist, so dass in jedem Körperabschnitt 14, 16, 20 gilt
g = f + b.
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Die
Krümmung
des Fersenteils 20 wird durch zwei Radien R und r ausgebildet.
Der Radius r und der sich bis zur Unterschenkelmanschette 4 (s. 1 und 2)
erstreckende Teil der Stützfeder 12 bestimmen
im Wesentlichen die Beweglichkeit der Stützfeder 12 bei einer
Plantarflexion, während
der Radius R die Beweglichkeit der Stützfeder 22 bei einer
Dorsalextension, d.h. Drehung des Fußes gegen den Uhrzeigersinn
um das obere Sprunggelenk, überwiegend
bestimmt. In der Regel wird man die Stützfeder 12 so auslegen,
dass im Wesentlichen keine Unterstützung einer Dorsalextension
erfolgt, sondern vorwiegend eine Unterstützung einer Plantarflexion.
Die Beweglichkeit wird dabei in den Bereich in der Nähe des oberen
Sprunggelenks gelegt.
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4 zeigt
eine geschnittene Seitenansicht eines zehennahen Bereichs der Sohle 18 einer
erfindungsgemäßen Unterschenkelorthese 2 zur
Verwendung der vorbeschriebenen Stützfeder 12 gemäß 3.
Die Unterschenkelmanschette 4 und die Fußmanschette 8 unterscheiden
sich nicht wesentlich vom Stand der Technik gemäß den 1 und 2, so
dass auf eine nochmalige Erläuterung
verzichtet wird.
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Die
Sohle 18 hat eine rechteckige Kammer 32, in der
der fußseitige
Endabschnitt 16 der Stützfeder 12 mit
seinen Schenkeln 28, 30 aufgenommen ist. Zum sicheren
Verbinden der Stützfeder 12 mit
der Sohle 18 taucht der bodenseitige Schenkel 30 mit seiner
Verlängerung
in eine entsprechende sich der Kammer 32 anschließenden Ausnehmung 36 der Sohle 18 ein.
Vorzugsweise ist die Verlängerung 40 über Formschluss
in der Ausnehmung 36 gesichert. Die Höhe der Kammer 32 ist
so gewählt,
dass der fußseitige
Schenkel 28 zumindest in Ruhestellung, d.h. die Stützfeder 12 ist
nicht gespannt, von der ihm gegenüberliegenden Deckenfläche 42 der
Kammer 32 beabstandet ist. An der Deckenfläche 42 ist
ein Anschlag 38 angeordnet, der sich in Richtung des fußseitigen
Schenkels 28 erstreckt und den Winkel bzw. Drehwinkel α einer Plantarflexion
begrenzt, ab dem der fußseitige
Schenkel 28 zusätzlich
zum bodenseitigen Schenkel 30 gespannt wird und somit eine
Federkraft entwickelt, die sich mit der des bodenseitigen Schenkels 30 überlagert.
Vorzugsweise läuft
der fußseitige
Schenkel 28 ab einer Plantarflexion von α = 10° auf den
Anschlag 38 auf (gestrichelt angedeutet).
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Es
ist zu erwähnen,
dass eine Vielzahl von Ausführungsformen
vorstellbar sind, wie der fußseitige
Endabschnitt 16 der Stützfeder 12 in
der Sohle 18 aufgenommen ist. Das wesentliche Prinzip besteht jedoch
darin, dass der fußseitige
Endabschnitt 16 zumindest mit einem Abschnitt – hier der
bodenseitige Schenkel 30 – fest mit der Sohle 18 verbunden
ist und bei jeder Plantarflexion der Sohle 18 vorgespannt
wird, während
zumindest ein anderer Abschnitt des fußseitigen Endabschnitts 16 – hier der fußseitige
Schenkel 28 – erst
ab einer definierten Plantarflexion vorgespannt wird, wobei sich
die entstehenden Federkräfte
zu einer gesamten Federkraft der Stützfeder 12 überlagern.
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Die
Funktion und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stützfeder 12 in Verbindung
mit der erfindungsgemäßen Unterschenkelorthese 2 ist
im Folgenden erläutert:
Die
Unterschenkelorthese 2 umgreift mit ihrer Unterschenkelmanschette 4 und
ihrer Fußmanschette 8 den
Unterschenkel 6 und den Fuß 10 eines Patienten. Über die
Stützfeder 12 sind
die Manschetten 4, 8 gelenkig miteinander verbunden,
so dass der Patient mit seinem Fuß 10 um das obere
Sprunggelenk Dorsalextensionen und Plantarflexionen ausführen kann bzw.
diese unterstützt
werden. Dabei ist die Stützfeder 12 mit
ihrem bodenseitigen Schenkel 30 fest in der Sohle 18 aufgenommen,
wohingegen der fußseitige
Schenkel 28 erst ab einer Plantarflexion von α ≥ 10° auf den
Anschlag 38 aufläuft
und somit eine Federwirkung entwickelt, die sich mit der Federwirkung des
bodenseitigen Schenkels 30 überlagert. Aufgrund dieser
geteilten Ausführung
des fußseitigen Endabschnitts 16 und
der vom Drehwinkel α der Plantarflexion
abhängigen
einzelnen Spannung der Schenkel 28, 30 weist die
Stützfeder 12 eine
progressive Federkennlinie auf, deren Federraten mit steigender
Plantarflexion zunehmen.
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Wird
die erfindungsgemäße Funktion
und Wirkung auf einzelne Gangphasen des menschlichen Ganges (5 bis 8) übertragen,
bedeutet dies, dass die Stützfeder 12 zu
Beginn eines Gangzyklusses beim ersten Kontakt der Ferse mit dem
Boden (5, rechtes Bein) – Plantarflexion α < 10° – nur über ihren
bodenseitigen Schenkel 30 gespannt wird. Dies ist insofern
ausreichend, als dass das Körpergewicht
nur teilweise aufgenommen werden muss. In der sich anschließenden Belastungsreaktion
(6) wird weiterhin das Körpergewicht des Patienten aufgenommen,
wobei mit steigender Plantarflexion die Aufnahme des Körpergewichts
zunimmt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Stützfeder 12 läuft dabei
ab einer Plantarflexion von 10° der
fußseitige
Schenkel 28 auf den Anschlag 38 auf und entwickelt
somit ebenfalls eine Stützkraft,
die sich mit der des bodenseitigen Schenkels 30 überlagert.
Am Ende der Belastungsreaktion berührt die gesamte Fußsohle den
Boden und das Körpergewicht wird
weiter auf das Standbein verlagert. Der Belastungsreaktion folgen
die Mittel- und die Endstellung, in denen der Schwerpunkt des Patienten über das Standbein
wandert und der Fuß 10 um
das obere Sprunggelenk von der Plantarflexion in eine maximale Dorsalextension
von 10° übergeht.
In diesen Phasen liegen beide Schenkel 28, 30 gegenseitig
aneinander an, wobei beide Schenkel 28, 30 im
Eingriff sind, so dass aufgrund der von den beiden Schenkeln 28, 30 entwickelten
Federkraft eine für
den Patienten nachteilig große
Dorsalextension verhindert wird. Im Übergang zur Vorschwingphase
und in der Vorschwingphase (7) selber
geht der Fuß 10 aus der
Dorsalextension wieder in eine Plantarflexion über, wobei sich der Patient
im Bereich seines Fußballens
auf dem Boden abstößt und über seinen
Zehenbereich abrollt. Die Plantarflexion beläuft sich gewöhnlich auf
bis zu 20°.
Aufgrund des geteilten fußseitigen
Endabschnitts 16 der Stützfeder 12 und
des Anschlags 38 in der Kammer 32 befindet sich
dabei bis zu einer Plantarflexion von 10° nur der bodenseitige Schenkel 30 im
Eingriff, so dass es zum einen den Patienten erleichtert wird, selber über Muskelkraft
die Plantarflexion einzuleiten. Zum anderen wird die bei der Dorsalextension
in der Stützfeder 12 gespeicherte
Energie vorrangig an nur einen – hier
den bodenseitigen Schenkel 30 – abgegeben, so dass die bei
der Dorsalextension aufgenommene Energie entsprechend wirkungsvoll
die Einleitung der Plantarflexion unterstützt. In der sich anschließenden Anfangs- (8),
Mittlere- und Endschwungphase ist der Fuß 10 vom Boden abgehoben,
wobei der Fuß 10 durch die
Stützfeder 12 in
eine 0° Plantarflexion übergeht und
in dieser bis zum Beginn eines neuen Gangzyklusses gehalten wird.
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Ein
weiteres Beispiel, bei der die positive Wirkung der progressiven
Federkennlinie deutlich wird, ist die Dorsalextension und Plantarflexion
des Fußes
bei sitzender Tätigkeit
wie beim Betätigen
der Fußpedale
beim Fahren eines Kraftfahrzeugs. Durch die Stützfeder 12 ist der
Fuß 10 mit
seinen Zehen bei schräg
verlaufendem Unterschenkel 6 und aufgesetzter Ferse vom
Boden beabstandet, so dass der Patient seinen Fuß 10 gut über den
Fußpedalen
positionieren kann. Dabei berühren
sich die Schenkel 28, 30 entlang des Längsschlitzes 22,
so dass zur Unterstützung
dieser Fußstellung
beide Schenkel 28, 30 in Eingriff sind und somit
die gesamte Federkraft der Stützfeder 12 zur
Verfügung
steht. Aufgrund des geteilten fußseitigen Endabschnitts 16 muss
der Patient beim Niederdrücken
eines der Fußpedale
jedoch nicht gegen die gesamte Federkraft der Stützfeder 12 wirken,
sondern nur gegen die Federkraft des bodenseitigen Schenkels 30.
Erst ab einer Plantarflexion α ≥ 10° muss der
Patient beiden Federkräften der
Schenkel 28, 30 und somit der gesamten Federkraft
der Stützfeder 12 eine
Gegenkraft entgegensetzen.
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Somit
kann durch die Kombination einer geeigneten Abstimmung der Radien
R und r der Krümmung
des Fersenteils 20 sowie der Länge der gegenläufig gekrümmten Abschnitte
mit dem erfindungsgemäßen geteilten
fußseitigen
Endabschnitt 16 die Stützfeder 12 bzw.
die Unterschenkelorthese 2 sehr einfach an die individuellen
Bedürfnisse
der Patienten angepasst werden.
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- 2
- Unterschenkelorthese
- 4
- Unterschenkelmanschette
- 6
- Unterschenkel
- 8
- Fußmanschette
- 10
- Fuß
- 12
- Stützfeder
- 14
- unterschenkelseitiger
Endabschnitt
- 16
- fußseitiger
Endabschnitt
- 18
- Sohle
- 20
- Fersenteil
- 22
- Längsschlitz
- 24
- freies
Ende
- 26
- Erweiterung
- 28
- fußseitiger
Schenkel
- 30
- bodenseitiger
Schenkel
- 32
- Kammer
- 36
- Ausnehmung
- 38
- Anschlag
- 40
- Verlängerung
- 42
- Deckenfläche