DE112012000673T5 - Lower leg prosthesis - Google Patents
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Abstract
Eine Knöcheleinheit in einer Unterschenkelprothese umfasst eine Kombination einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Anordnung, die für einen kontinuierlich gedämpften Bereich einer Knöchelflexion sorgt, und eines elastischen Teleskopstoßdämpfers. Der Dämpfungswiderstand der Kolben-Zylinder-Anordnung ist der überwiegende Widerstand gegen eine Knöchelflexion und wird bereitgestellt durch einen Kolben (28), der sich in einem an der Schienbeinachse zentrierten Zylinder (26) axial bewegen kann. Die Wand (26W) des Zylinders hat eine zylindrische äußere Lagerfläche für eine Hülse (48), die sich entsprechend der axialen Last relativ zur Kolben-Zylinder-Anordnung translatorisch bewegen kann, wobei die Hülse durch eine Kompressionsfeder (52) elastisch montiert ist, die sich axial in der Hülse erstreckt und die einen integralen Endabschnitt (52B) hat, der eine obere Trennwand des Zylinders bildet. Auch kann sich die Hülse an der Zylinderwand drehen, wobei die Feder (52) für einen Torsionswiderstand sorgt.An ankle unit in a lower leg prosthesis comprises a combination of a hydraulic piston-cylinder arrangement, which ensures a continuously damped area of ankle flexion, and an elastic telescopic shock absorber. The damping resistance of the piston-cylinder arrangement is the predominant resistance to ankle flexion and is provided by a piston (28) which can move axially in a cylinder (26) centered on the shin axis. The wall (26W) of the cylinder has a cylindrical outer bearing surface for a sleeve (48) which can translate according to the axial load relative to the piston-cylinder arrangement, the sleeve being elastically mounted by a compression spring (52) which extends axially in the sleeve and has an integral end portion (52B) forming an upper bulkhead of the cylinder. The sleeve can also rotate on the cylinder wall, the spring (52) providing torsional resistance.
Description
Die Erfindung betrifft eine Unterschenkelprothese, die ein Schienbeinelement, ein Fußelement und ein das Schienbein- und das Fußelement miteinander verbindendes Knöchelgelenkelement umfasst. Der Knöchelgelenkmechanismus ist derart angeordnet, dass er eine begrenzte gedämpfte Schwenkbewegung des Schienbeinelements relativ zu dem Fußelement erlaubt. Die Erfindung umfasst auch eine prothetische Knöcheleinheit.The invention relates to a lower leg prosthesis comprising a tibial component, a foot element and an ankle joint element interconnecting the tibial and foot elements. The ankle joint mechanism is arranged to allow limited, damped pivotal movement of the tibial member relative to the foot member. The invention also includes a prosthetic ankle unit.
Derzeitige prothetische Fuß- und Knöchelsysteme sind normalerweise so aufeinander abgestimmt, dass sie als festgelegte mechanische Strukturen wirken, die elastische und verformbare Elemente umfassen, die derart konzipiert sind, dass sie beim Gehen und Stehen für Stabilität sorgen und für den Vortrieb in die Schwungphase des Gangzyklus Energie zurückführen. Für den Benutzer ist eine derartige Vorrichtung beim Stehen, beim Gehen auf Schrägen und Treppen und beim Gehen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten jedoch häufig unbequem. Benutzer haben auch die Erfahrung gemacht, dass das Knie instabil ist und dass es schwierig ist, während des Stehens und Gehens auf Schrägen und Treppen beim Abrollen des Fußes die Vorwärtsbewegung beizubehalten, was eine Beeinträchtigung der Funktion zur Folge hat. Diese Schwierigkeiten sind insbesondere für oberschenkelamputierte Personen von großer Bedeutung, bei denen die Standphasenaktivität normalerweise durch eine erheblich reduzierte Knieflexion und Knieextension beeinträchtigt ist, die ansonsten die Stoßdämpfung und den Vortrieb in der Standphase unterstützen würden.Current prosthetic foot and ankle systems are normally coordinated to act as fixed mechanical structures that include resilient and deformable elements designed to provide stability when walking and standing, and for propulsion into the swing phase of the gait cycle Return energy. For the user, however, such a device is often uncomfortable when standing, walking on slopes and stairs, and walking at different speeds. Users have also learned that the knee is unstable and that it is difficult to maintain the forward motion while standing and walking on slopes and stairs when rolling the foot, resulting in impaired function. These difficulties are particularly important for thigh amputees in whom stance phase activity is normally compromised by significantly reduced knee flexion and knee extension, which would otherwise assist shock absorption and propulsion in the stance phase.
Ein Knöchelgelenkmechanismus, der eine dynamische hydraulische Steuerung der Winkelposition eines prothetischen Fußes bezüglich eines Schienbeinelements ermöglicht, ist in Mauch Laboratories, Inc., Hydraulik Ankle Unit Manual, März 1988, beschrieben. Das Schienbeinelement ist an einem Flügelkolben befestigt, der in einer fluidgefüllten Kammer, die eine konkave, teilkreisförmige Wand hat, angeordnet ist. Eine schwerkraftgesteuerte Kugel rollt entsprechend der Orientierung des Fußes an der Wand vor und zurück, um einen Bypasskanal in dem Kolben zu öffnen oder zu schließen. Dadurch wird eine Dorsalflexion des Mechanismus verhindert, wenn das Schienbeinelement vertikal ist, und zwar weitgehend unabhängig davon, ob der Fuß horizontal ist oder nach unten oder oben geneigt ist. Eine solche Prothese leidet zum Teil ebenfalls unter den vorstehend beschriebenen Nachteilen.An ankle joint mechanism that enables dynamic hydraulic control of the angular position of a prosthetic foot with respect to a tibial component is described in Mauch Laboratories, Inc., Hydraulic Ankle Unit Manual, March 1988. The tibial member is attached to a wing piston which is disposed in a fluid-filled chamber having a concave, part-circular wall. A gravity-controlled ball rolls back and forth along the wall according to the orientation of the foot to open or close a bypass passage in the piston. This prevents dorsiflexion of the mechanism when the tibial component is vertical, largely independent of whether the foot is horizontal or inclined down or up. Such a prosthesis also suffers partly from the disadvantages described above.
Ein weiteres bekanntes prothetisches Knöchelsystem ist unter anderem jenes gemäß
Ein Knöchelgelenkmechanismus, der für einen kontinuierlich hydraulisch gedämpften Knöchelflexionsbereich sorgt und bei dem der Dämpfungswiderstand der überwiegende Widerstand gegen die Flexion ist, ist in dem Dokument
Es ist ebenfalls bekannt, in das Schienbeinelement einer Unterschenkelprothese eine Stoßdämpfungseinheit zu integrieren, wie das zum Beispiel in den Dokumenten
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Unterschenkelprothese ein Schienbeinelement, das eine Schienbeinachse definiert, ein Fußelement und einen Knöchelgelenkmechanismus, der das Schienbeinelement mit dem Fußelement verbindet, wobei der Knöchelgelenkmechanismus für einen kontinuierlich hydraulisch gedämpften Knöchelflexionsbereich sorgt und derart ausgebildet und angeordnet ist, dass zumindest über einen Teil des Bereichs der Dämpfungswiderstand der überwiegende Widerstand gegen die Flexion ist, und wobei das Schienbeinelement einen oberen Teil und einen unteren Teil hat, die elastisch miteinander verbunden sind, so dass sie sich entsprechend der axialen Druckbelastung des Schienbeinelements relativ zueinander translatorisch bewegen können, wobei die Richtung der relativen Bewegung im Wesentlichen vertikal ist, wenn das Fußelement unbelastet auf einer horizontalen Stützfläche ruht. Der Mechanismus umfasst vorzugsweise eine hydraulische Linearkolben-Zylinder-Anordnung. Der Kolben kann distale Verbindungsmittel für eine schwenkbare Verbindung mit einem Fußelement aufweisen, wobei der Zylinder proximale Verbindungsmittel für die Verbindung mit einem Schienbeinelement hat. Normalerweise hat die Kolben-Zylinder-Anordnung eine zentrale Achse, die derart orientiert ist, dass sie bei Verbindung des Mechanismus mit einem prothetischen Schienbeinelement im Wesentlichen auf die durch das Schienbeinelement definierte Schienbeinachse ausgerichtet ist oder parallel zu derselben liegt.According to a first aspect of the invention, a lower leg prosthesis includes a tibial member defining a tibial axis, a foot member, and an ankle joint mechanism connecting the tibial member to the foot member, the ankle joint mechanism providing a continuously hydraulically damped ankle flexion region and configured and arranged such that at least over a portion of the range the damping resistance is the predominant resistance to flexion, and wherein the tibial component has an upper portion and a lower portion which are resiliently interconnected so that they can translate relative to one another in accordance with the axial compressive loading of the tibial component; wherein the direction of relative movement is substantially vertical when the foot member rests unloaded on a horizontal support surface. The mechanism preferably comprises a hydraulic linear piston-cylinder arrangement. The piston may have distal connection means for a pivotal connection with a foot member, wherein the Cylinder has proximal connection means for connection to a tibial component. Normally, the piston-and-cylinder arrangement has a central axis which is oriented so that, when the mechanism is connected to a prosthetic tibial component, it is substantially aligned with or parallel to the tibial axis defined by the tibial component.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Schienbeinelement in Form einer teleskopischen Einheit vorgesehen, in der der obere Teil des Schienbeinelements und der untere Teil des Schienbeinelements jeweils eine Außenhülse und ein in der Hülse gleitbeweglich aufgenommenes zylindrisches Gehäuse umfassen. Der Knöchelgelenkmechanismus umfasst eine Hydraulikkolben-Zylinder-Anordnung, die in dem zylindrischen Gehäuse derart enthalten ist, dass sie innerhalb der zylindrischen Umhüllung liegt, die durch das zylindrische Gehäuse definiert wird. Dadurch kann die Hülse zumindest einen Teil der Kolben-Zylinder-Anordnung überdecken, wenn die teleskopische Einheit vollständig zusammengedrückt ist. Das Ergebnis ist eine besonders kompakte Einheit, insbesondere im Hinblick auf die Gesamterstreckung der Kombination der teleskopischen Einheit und des Knöchelgelenkmechanismus in der Superior-Inferior-Richtung. Bei einem Knöchelgelenkmechanismus mit einer Linearkolben-Zylinder-Anordnung wird bevorzugt, dass der Zylinder der Anordnung eine obere Trennwand und eine untere Trennwand aufweist, wobei eine Zylinderwand die obere und die untere Trennwand verbindet. Der Zylinder ist unterteilt in einen volumenvariablen unteren und oberen Kammerbereich, wobei die Kammerbereiche durch einen Kolben getrennt und durch mindestens einen Bypasskanal, der ein Ventil enthält, miteinander verbunden sind, wobei aus Gründen der Kompaktheit das oder jedes Ventil in der unteren Trennwand liegt. Jeder Bypasskanal ist in der zylindrischen Umhüllung eingeschlossen und hat normalerweise jeweils eine Bohrung in der Zylinderwand parallel zu der zentralen Achse der Kolben-Zylinder-Anordnung.In the preferred embodiment of the invention, the tibial element is provided in the form of a telescopic unit in which the upper part of the tibial member and the lower part of the tibial element each comprise an outer sleeve and a cylindrical housing slidably received in the sleeve. The ankle joint mechanism includes a hydraulic piston and cylinder assembly contained in the cylindrical housing so as to lie within the cylindrical enclosure defined by the cylindrical housing. As a result, the sleeve can cover at least part of the piston-cylinder arrangement when the telescopic unit is completely compressed. The result is a particularly compact unit, especially with regard to the overall extension of the combination of the telescopic unit and the ankle joint mechanism in the superior inferior direction. In an ankle joint mechanism with a linear piston-cylinder arrangement, it is preferred that the cylinder of the assembly include an upper divider wall and a lower divider wall, with a cylinder wall joining the upper and lower divider walls. The cylinder is subdivided into a variable volume lower and upper chamber portion, the chamber portions being separated by a piston and interconnected by at least one bypass passage containing a valve, for compactness the or each valve being in the lower divider wall. Each bypass passage is enclosed in the cylindrical enclosure and normally each has a bore in the cylinder wall parallel to the central axis of the piston-and-cylinder arrangement.
Eine besonders einfache und kompakte Anordnung gemäß der Erfindung hat als elastische Verbindung in der teleskopischen Einheit eine axiale Kompressionsfeder, wobei ein Endabschnitt derselben die obere Trennwand des Zylinders der Kolben-Zylinder-Anordnung umfasst. Die Schraubenfeder und die obere Zylindertrennwand können dementsprechend durch ein monolithisches Element gebildet sein, das in dem zylindrischen Gehäuse des unteren Schienbeinelements aufgenommen ist. Zweckmäßigerweise ist die Feder nicht nur wirksam, um einer translatorischen Relativbewegung der Teile des Schienbeinelements standzuhalten, sondern sie wirkt auch als Torsionsfeder, die einer rotatorischen Relativbewegung standhält. In diesem Fall hat die Schraubenfeder ein erstes und ein zweites Ende, das jeweils in dem oberen und in dem unteren Teil des Schienbeinelements gegen eine Drehung gesichert ist.A particularly simple and compact arrangement according to the invention has as an elastic connection in the telescopic unit an axial compression spring, wherein an end portion thereof comprises the upper partition wall of the cylinder of the piston-cylinder arrangement. Accordingly, the coil spring and the upper cylinder partition wall may be constituted by a monolithic member received in the cylindrical housing of the lower tibial member. Conveniently, the spring is not only effective to withstand a translational relative movement of the parts of the tibial element, but it also acts as a torsion spring, which withstands a rotational relative movement. In this case, the coil spring has first and second ends secured against rotation in the upper and lower parts of the tibial member, respectively.
Bei der bevorzugten teleskopischen Einheit können die Teile des Schienbeinelements in der Richtung der Mittellinie der teleskopischen Einheit relativ zueinander gleiten, wobei diese Mittellinie ebenfalls im Wesentlichen auf die Schienbeinachse ausgerichtet ist oder parallel zu derselben liegt. Üblicherweise definiert der Knöchelgelenkmechanismus eine medial-laterale Knöchelgelenkflexionsachse, die derart positioniert ist, dass die Mittellinie der teleskopischen Einheit innerhalb 30 mm der Knöchelgelenkflexionsachse verläuft, vorzugsweise nach posterior der Letztgenannten. Was das Verhältnis zwischen der teleskopischen Einheit und dem Fußelement betrifft, liegt die Einheit vorzugsweise so, dass die Mittellinie mit einem Abstand zwischen 0,2 L und 0,4 L nach anterior des posterioren Endpunkts des Fußelements durch das Fußelement verläuft, wobei L die Gesamtlänge des Fußelements zwischen seinem anterioren und posterioren Endpunkt ist.In the preferred telescopic unit, the parts of the tibial member may slide relative to each other in the direction of the centerline of the telescopic unit, which centerline is also substantially aligned with or parallel to the tibial axis. Typically, the ankle joint mechanism defines a medial-lateral ankle joint flexion axis which is positioned such that the midline of the telescopic unit extends within 30 mm of the ankle joint flexion axis, preferably posterior to the latter. With regard to the relationship between the telescopic unit and the foot member, the unit is preferably such that the center line passes through the foot member at an interval of between 0.2 L and 0.4 L anterior to the posterior end point of the foot member, where L is the total length of the foot element between its anterior and posterior end points.
Der Knöchelgelenkmechanismus definiert einen Knöchelgelenkflexionsbereich, der sich von einer Dorsalflexionsgrenze bis zu einer Plantarflexionsgrenze erstreckt. Diese Flexionsgrenzen liegen üblicherweise jeweils zwischen 2° und 5° und zwischen 5° und 8° im Hinblick auf einen Zustand der Standphase des Knöchelgelenkmechanismus. Zwischen diesen Dorsal- und Plantarflexionsgrenzen ist der Knöchelgelenkmechanismus im Wesentlichen unelastisch in dem Sinne, dass er nicht elastisch vorgespannt ist. Infolgedessen werden Reaktionskräfte um den Knöchel über wesentliche Abschnitte des Gangzyklus weitgehend abgeleitet, mit dem Ergebnis, dass die gewollte Kontrolle und Propriozeption durch die amputierte Person verbessert werden. Die Anmelder haben festgestellt, dass ein solcher Knöchelgelenkmechanismus der amputierten Person im Allgemeinen erlaubt, die Prothese axial stärker zu belasten, wobei die Winkelausbeute des Mechanismus eine Ausrichtung des Fußes bei verschiedenen Schienbein-Orientierungen ermöglicht, mit dem Ergebnis, dass die Zusatzbelastungen der Prothese die Kniemomente nicht in dem Maße verstärken, wie das bei einem Knöchelgelenkmechanismus der Fall ist, der über weite Abschnitte des Gangzyklus starr ist. Infolgedessen sorgt das elastische, stoßdämpfende Schienbeinelement für einen verbesserten Energiespeicher in dem Schienbein, durch welchen sich ein natürlicherer Gang und ein höherer Komfort für die amputierte Person ergeben. Darüber hinaus wird die amputierte Person durch solche Faktoren ermutigt, das prothetische Körperglied stärker zu belasten und damit das andere, natürliche Bein stärker zu entlasten.The ankle joint mechanism defines an ankle joint flexion area extending from a dorsiflexion border to a plantar flexion border. These flexion limits are usually each between 2 ° and 5 ° and between 5 ° and 8 ° with respect to a state of stance phase of the ankle joint mechanism. Between these dorsal and plantar flexion boundaries, the ankle joint mechanism is substantially inelastic in the sense that it is not elastically biased. As a result, reaction forces around the ankle are largely dissipated throughout substantial portions of the gait cycle, with the result that desired control and proprioception are improved by the amputee. Applicants have found that such an ankle joint ankle mechanism generally allows the prosthesis to be loaded more axially, the angular yield of the mechanism allowing alignment of the foot at various tibial orientations, with the result that the additional loads on the prosthesis are the knee moments do not amplify to the extent that is the case with an ankle joint mechanism which is rigid over wide sections of the gait cycle. As a result, the elastic, shock-absorbing tibial component provides improved energy storage in the tibia, resulting in a more natural gait and comfort for the amputee. In addition, the amputee is encouraged by such factors to put more strain on the prosthetic limb, thereby relieving the burden on the other, natural leg.
Zur Ermöglichung einer individuellen Einstellung des Dorsal- und Plantarflexions-Dämpfungswiderstands kann der Knöchelgelenkmechanismus mit einer Ventilanordnung versehen sein, die den Hydraulikfluidstrom zwischen den Kammern des Kolbens und Zylinders auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens steuert, wobei die Ventilanordnung vorzugsweise ein erstes und ein zweites einstellbares Ventil für die jeweilige Dämpfungssteuerung der Dorsalflexion und Plantarflexion umfasst. Der Knöchelgelenkmechanismus sorgt dementsprechend für einen kontinuierlich hydraulisch gedämpften Knöchelflexionsbereich mit variablem Widerstand, wobei der Mechanismus derart ausgebildet und angeordnet ist, dass über zumindest einen Teil des Bereichs eine Bewegung in Richtung dorsal und plantar über zumindest einen Teil des Bereichs im Wesentlichen ohne elastische Vorspannung ist. To allow for individual adjustment of dorsal and plantar flexion damping resistance, the ankle joint mechanism may be provided with a valve assembly which controls hydraulic fluid flow between the chambers of the piston and cylinder on opposite sides of the piston, the valve assembly preferably comprising first and second adjustable valves for includes the respective damping control of dorsiflexion and plantarflexion. The ankle joint mechanism accordingly provides for a continuously hydraulically damped variable resistance ankle flexion region, the mechanism being configured and arranged such that movement over at least a portion of the region is dorsal and plantar over at least a portion of the region substantially without elastic bias.
Der Knöchelgelenkmechanismus enthält vorzugsweise einen mechanischen Endanschlag, der die Dorsalflexion des Knöchelgelenkmechanismus begrenzt, was dazu führt, dass das Schienbeinelement bei Flexion des Gelenkmechanismus bis zur Dorsalflexionsgrenze eine anteriore Neigung von mindestens 3° bezüglich der Vertikalen hat. Der mechanische Endanschlag ist wirksam, wenn ein mit dem Schienbeinelement verbundener Teil der Prothese an den mit dem Fußelement verbundenen anderen Teil der Prothese stößt. In zweckmäßiger Weise wird der Endanschlag durch den Kolben der Kolben-Zylinder-Anordnung definiert, der an eine Endwand des Zylinders stößt.The ankle joint mechanism preferably includes a mechanical end stop that limits dorsiflexion of the ankle joint mechanism, resulting in the tibial component having an anterior inclination of at least 3 ° with respect to the vertical upon flexion of the joint mechanism to the dorsiflexion limit. The mechanical end stop is effective when a part of the prosthesis connected to the tibial element abuts the other part of the prosthesis connected to the foot element. Conveniently, the end stop is defined by the piston of the piston-cylinder assembly abutting an end wall of the cylinder.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die nachstehend beschrieben wird, ist der Bereich der gedämpften Knöchelflexion festgelegt. Dennoch kann die vorstehend erwähnte Dorsalflexionsgrenze über zumindest einen Bereich von anterior-posterioren Neigungswinkeln von 3° bis 5° einstellbar sein. In einer weiteren Ausführungsform kann sich der Bereich der gedämpften Flexion ändern, wenn die Dorsalflexionsgrenze verstellt wird, doch sobald die Verstellung erfolgt ist, ist der Bereich einer gedämpften Flexion ebenfalls von Schritt zu Schritt festgelegt.In the preferred embodiment of the invention, described below, the range of attenuated ankle flexion is fixed. Nevertheless, the aforementioned dorsiflexion limit may be adjustable over at least a range of anterior-posterior tilt angles of 3 ° to 5 °. In another embodiment, the range of attenuated flexion may change when the dorsiflexion limit is adjusted, but once the adjustment is made, the range of attenuated flexion is also determined step by step.
Die Prothese kann derart angeordnet sein, dass die relative Position der Verbindung des Fußelements und des Schienbeins an der Dorsalflexionsgrenze unabhängig von der räumlichen Orientierung der Anordnung definiert wird.The prosthesis may be arranged to define the relative position of the connection of the foot member and the tibia to the dorsiflexion boundary independent of the spatial orientation of the assembly.
Die Einstellung der Orientierung der Schienbeinachse bezüglich des Fußelements in der anterior-posterioren Richtung kann durch die Verwendung mindestens einer üblichen Ausrichtungs-Verbindungspyramide, vorzugsweise an dem oberen Teil des Schienbeinelements, erfolgen.Adjustment of the tibial axis orientation with respect to the foot member in the anterior-posterior direction may be accomplished through the use of at least one common alignment bonding pyramid, preferably at the upper portion of the tibial component.
Die Kombination des obengenannten Knöchelgelenkmechanismus und des elastisch komprimierbaren Schienbeinelements arbeitet besonders gut mit einem Energie speichernden Fußelement, das zum Beispiel eine faserverstärkte Kunststoffblattfeder aufweist, die elastisch verformbar ist, um eine Dorsalflexion zumindest eines anterioren Bereichs des Fußelements relativ zu einem Knöchelbefestigungsbereich des Fußes zu ermöglichen. Die Fußfeder ist derart angeordnet, dass sie ausgelenkt wird, wenn auf den anterioren Bereich des Fußes eine Dorsalflexionskraft ausgeübt wird und der Knöchelgelenkmechanismus seine Dorsalflexionsgrenze erreicht hat. Der Knöchelgelenkmechanismus und das Fußelement bilden zusammen ein Maxwell-Modell einer Dämpfer/Feder-Kombination, deren Dämpferelement der Knöchelgelenkmechanismus und deren Federelement ein Federbauteil ist, das mit dem Knöchelgelenk in Reihe angeordnet ist.The combination of the aforementioned ankle joint mechanism and the elastically compressible tibial component works particularly well with an energy storing foot member having, for example, a fiber reinforced plastic leaf spring which is elastically deformable to permit dorsiflexion of at least an anterior portion of the foot member relative to an ankle attachment region of the foot. The foot spring is arranged to deflect when a dorsiflexion force is applied to the anterior portion of the foot and the ankle joint mechanism has reached its dorsiflexion limit. The ankle joint mechanism and the foot member together form a Maxwell model of a damper / spring combination whose damper element is the ankle joint mechanism and whose spring element is a spring member arranged in series with the ankle joint.
Wie vorstehend erwähnt, umfasst das Schienbeinelement vorzugsweise eine teleskopische Einheit, die nicht nur für eine elastische Kompression des Schienbeinelements unter Last sorgt, sondern die auch eine Drehung des unteren Teils des Schienbeinelements relativ zu dem oberen Teil um eine zum Beispiel im Wesentlichen vertikale Achse, d. h. die Mittellinie der Einheit und die Schienbeinachse, erlaubt. Eine einzige Schraubenfeder sorgt sowohl für axiale als auch torsionale Elastizität. Es ist jedoch auch möglich, dass die Feder nur für axiale Elastizität sorgt, wobei ein Ende der Feder in dem unteren Teil und das andere Ende in dem oberen Teil sitzt und sich ein Federende oder beide relativ zu dem Teil, in dem sie aufgenommen sind, frei drehen können. Die torsionale Elastizität lässt sich separat bereitstellen, indem ein elastischer Stab verwendet wird, der zum Beispiel aus einem federnden thermoplastischen Material wie Kunststoff auf Nylonbasis (z. B. Delrin) besteht und an der Mittellinie der teleskopischen Einheit angeordnet ist, wobei jedes Ende des Stabes gegen eine Drehung in dem jeweiligen Teil des Schienbeinelements gesichert ist, sich aber in mindestens einem dieser Teile längs und axial frei bewegen kann.As mentioned above, the tibial component preferably comprises a telescopic unit which not only provides for elastic compression of the tibial member under load, but which also rotates the lower portion of the tibial member relative to the upper portion about a substantially vertical axis, e.g. , H. the midline of the unit and the tibial axis, allowed. A single coil spring provides both axial and torsional elasticity. However, it is also possible that the spring provides only axial elasticity, with one end of the spring in the lower part and the other end sitting in the upper part and one end of the spring or both relative to the part in which they are received, can rotate freely. The torsional elasticity can be provided separately by using an elastic rod made, for example, of a resilient thermoplastic material such as nylon-based plastic (e.g., Delrin) and positioned at the centerline of the telescopic unit, with each end of the rod is secured against rotation in the respective part of the tibial element, but can move freely in at least one of these parts longitudinally and axially.
Nachstehend wird eine Unterschenkelprothese beschrieben, die ein elastisch zusammendrückbares Schienbeinelement, das eine Schienbeinachse definiert, ein Fußelement und einen Knöchelgelenkmechanismus umfasst, der das Schienbeinelement und das Fußelement miteinander verbindet und derart angeordnet ist, dass er im Einsatz eine begrenzte gedämpfte Schwenkbewegung des Schienbeinelements relativ zu dem Fußelement um eine medial-laterale Flexionsachse des Gelenks erlaubt, wobei der Knöchelgelenkmechanismus umfasst: eine Kolben-Zylinder-Anordnung, deren Kolben sich derart bewegen kann, dass er eine volumenvariable fluidgefüllte Kammer der Anordnung definiert, wobei das Fluid durch mindestens eine Dämpfungsöffnung in die Kammer einströmen kann oder aus der Kammer ausgetrieben wird, während die relative Orientierung des Schienbeinelements und des Fußelements mit einer Flexion des Gelenkmechanismus variiert; und Flexionsbegrenzungsmittel, die eine Dorsalflexion des Gelenkmechanismus auf eine Dorsalflexionsgrenze einschränken, die einer Orientierung des Schienbeinelements mit einer bezüglich der Vertikalen um mindestens 3 Grad anterior geneigten Schienbeinachse entspricht. Der Knöchelgelenkmechanismus ist vorzugsweise derart angeordnet, dass ein gedämpftes relatives Schwenken des Schienbeinelements und des Fußelements über einen Winkelbereich zwischen der Dorsal- und Plantarflexionsgrenze zugelassen wird, wobei hinsichtlich der Dorsalflexionsgrenze verschiedene Einstellungen der Anteriorneigung der Schienbeinachse bezüglich des Fußgelenks möglich sind. Insbesondere umfasst der Winkelbereich einen Zustand mit flachem Fuß und vertikaler Schienbeinachse, wobei der Grad der zulässigen Neigung der Schienbeinachse nach anterior der Vertikalen auf verschiedene Werte einstellbar ist.A tibial prosthesis is described below which includes an elastically compressible tibial member defining a tibial axis, a foot member, and an ankle joint mechanism interconnecting the tibial member and the foot member and arranged to provide limited damped pivotal movement of the tibial member relative to the tibial component Foot member about a medial-lateral flexion axis of the joint, wherein the ankle joint mechanism comprises: a piston-cylinder assembly, the piston of which can move so as to define a volume variable fluid-filled chamber of the arrangement, wherein the fluid through at least one damping opening may flow into the chamber or be expelled from the chamber, while the relative orientation of the tibial member and the foot member varies with a flexion of the hinge mechanism; and flexion limiting means for limiting dorsiflexion of the hinge mechanism to a dorsiflexion limit corresponding to an orientation of the tibial member having a tibial axis anteriorly inclined at least 3 degrees to the vertical. The ankle joint mechanism is preferably arranged to allow for muted relative pivoting of the tibial component and the foot member over an angular range between the dorsal and plantar flexion limits, with various adjustments of the anterior inclination of the tibial axis with respect to the ankle being possible with respect to the dorsiflexion limit. In particular, the angular range includes a flat-footed and tibial-axis vertical condition, wherein the degree of tibial axis allowable anterior of the vertical is adjustable to various values.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Gelenkmechanismus einen ersten Teil, der mit dem Schienbeinelement verbunden ist, und einen zweiten Teil, der mit dem Fußelement verbunden ist, wobei diese beiden Teile schwenkbar miteinander verbunden sind und eine solche gegenseitige Verbindung eine Flexionsachse des Gelenks definiert. Einer der beiden Teile umfasst die Kammer der Kolben-Zylinder-Anordnung, und der andere Teil ist schwenkbar mit dem Kolben verbunden, wobei der Mechanismus derart angeordnet ist, dass die Dorsalflexionsgrenze durch einen mechanischen Anschlag definiert wird, der die Drehung des ersten und des zweiten Teils begrenzt. Dieser mechanische Anschlag kann die die Anlage des Kolbens an einer Endfläche der Kammer sein. Eine Prellfeder oder ein Prellkissen können an der Oberfläche des Kolbens oder an der gegenüberliegenden Kammerfläche vorgesehen sein, um den Widerstand gegen eine Dorsalflexion bei Annäherung an die Dorsalflexionsgrenze zu erhöhen.In the preferred embodiment of the invention, the hinge mechanism has a first part connected to the tibial element and a second part connected to the foot element, these two parts being pivotally connected together and such interconnection defining a flexion axis of the joint , One of the two parts comprises the chamber of the piston-and-cylinder arrangement, and the other part is pivotally connected to the piston, the mechanism being arranged such that the dorsiflexion limit is defined by a mechanical stop which controls the rotation of the first and second Partially limited. This mechanical stop may be the abutment of the piston with an end face of the chamber. A bounce spring or bouncing pad may be provided on the surface of the piston or on the opposite chamber surface to increase resistance to dorsiflexion as the dorsiflexion margin approaches.
Die Grenze der Dorsalflexion ist normalerweise festgelegt, d. h. sie ist nicht verstellbar. Als Alternative kann die Grenze jedoch voreingestellt sein. Zum Beispiel kann die Grenze durch eine Verbindung mit einstellbarer Ausrichtung der anterior-posterioren Neigung festgelegt werden. Die Verbindung kann wie oben beschrieben in Form einer hinreichend bekannten umgekehrten Pyramide ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit ist ein feststellbares Schwenkgelenk für die Verbindung des Fußelements mit dem Gelenkmechanismus, wobei eine Einstellachse in der medial-lateralen Richtung verläuft. Als weitere Alternative kann in der Kolben-Zylinder-Anordnung ein verstellbarer Endanschlag vorgesehen sein, oder die Verbindung zwischen dem Kolben und einem der Elemente des Mechanismus zum Montieren des Fußelements oder des Schienbeinelements kann einstellbar sein, um den Bereich der Verlagerung des Kolbens in der Kammer der Anordnung bezüglich des Winkelbereichs der Bewegung des Fußelements relativ zu dem Schienbeinelement zu andern.The limit of dorsiflexion is usually fixed, i. H. she is not adjustable. Alternatively, the limit may be preset. For example, the border may be defined by a connection with adjustable orientation of the anterior-posterior slope. The compound may be formed as described above in the form of a sufficiently known inverted pyramid. Another possibility is a lockable pivot joint for the connection of the foot member to the hinge mechanism, wherein an adjustment axis extends in the medial-lateral direction. As a further alternative, an adjustable end stop may be provided in the piston-cylinder assembly, or the connection between the piston and one of the elements of the mechanism for mounting the foot member or tibial member may be adjustable to the range of displacement of the piston in the chamber the arrangement with respect to the angular range of movement of the foot member relative to the tibial component to change.
Der bevorzugte Gelenkmechanismus umfasst zwei Kanäle, die mit der vorstehend genannten Kammer der Kolben-Zylinder-Anordnung in Verbindung stehen, wobei jeder ein jeweiliges Rückschlagventil enthält, wovon das eine derart orientiert ist, dass es ein Ausströmen von Fluid durch seinen betreffenden Kanal aus der Kammer verhindert, und wovon das andere derart orientiert ist, dass es den Zustrom von Fluid durch den anderen Kanal in die Kammer verhindert, so dass ein Kanal einen Fluidstrom zulässt, wenn der Gelenkmechanismus in der Dorsalflexionsrichtung gebeugt wird, während der andere Kanal den Fluidstrom zulässt, wenn das Gelenk in der Richtung der Plantarflexion gebeugt wird. Vorzugsweise haben beide Kanäle jeweilige Dämpfungsöffnungen mit einstellbarem Querschnitt, um eine benutzergerechte Anpassung des Dämpfungsgrades zu ermöglichen.The preferred hinge mechanism includes two channels communicating with the aforesaid chamber of the piston-and-cylinder assembly, each including a respective one-way valve, one of which is oriented to allow fluid to pass through its respective channel from the chamber and the other being oriented so as to prevent the flow of fluid through the other channel into the chamber so that one channel allows fluid flow when the hinge mechanism is flexed in the dorsiflexion direction while the other channel allows fluid flow, when the joint is flexed in the direction of plantarflexion. Preferably, both channels have respective damping openings with adjustable cross-section to allow a user-friendly adjustment of the degree of damping.
Zum Feststellen des Gelenkmechanismus gegen eine Schwenkbewegung in einer Anzahl von Positionen des Fußelements relativ zu dem Schienbeinelement kann auch eine Feststellvorrichtung vorgesehen sein. Normalerweise geschieht dies durch die Verwendung eines manuell oder elektromechanisch betätigten Ventils, das den Fluidstrom durch den Bypasskanal in die oder aus der vorgenannten Kammer der Kolben-Zylinder-Anordnung unterbricht. Die Feststellvorrichtung umfasst ein Bedienelement mit zwei Positionen, in deren einer der Gelenkmechanismus in einem nachgebenden Modus arbeitet und in deren anderer der Gelenkmechanismus in einem Feststellmodus arbeitet. Haltemittel sind vorgesehen, um das Bedienelement in einer der beiden Positionen zu halten, z. B. eine Feder, die das Bedienelement in einer Position vorspannt, und eine Raste, eine Falle oder eine Sicherung, um das Bedienelement in der anderen Position zu halten.For detecting the hinge mechanism against pivotal movement in a number of positions of the foot member relative to the tibial member, a locking device may also be provided. Usually, this is done by using a manually or electromechanically actuated valve which interrupts fluid flow through the bypass passage into or out of the aforementioned chamber of the piston-and-cylinder arrangement. The locking device comprises a control with two positions in which one of the hinge mechanism operates in a yielding mode and in the other of which the hinge mechanism operates in a locking mode. Holding means are provided to hold the operating element in one of the two positions, e.g. B. a spring that biases the control in one position, and a detent, a latch or a fuse to hold the control in the other position.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine prothetische Knöcheleinheit angegeben, die die Kombination einer hydraulischen Linearkolben-Zylinder-Anordnung umfasst, die für einen kontinuierlich gedämpften Bereich einer Knöchelflexion sorgt und eine zentrale Achse definiert, wobei die Anordnung eine Zylinderwand aufweist, die an der Achse zentriert ist und eine fluidgefüllte Kammer einschließt, deren Volumen mit der Bewegung eines Kolbens in der Kammer variiert, und einen teleskopischen Stoßdämpfer, der koaxial zu der Kolben-Zylinder-Anordnung angeordnet ist und eine Außenhülse hat, die an der Außenseite der zylindrischen Wand gleitbeweglich aufgenommen ist und mit dieser elastisch verbunden ist, so dass sie entsprechend der auf die Hülse ausgeübten Axialkraft relativ zu der Zylinderwand translatorisch bewegbar ist, wobei die Hülse zumindest einen Teil der fluidgefüllten Kammer überdeckt, wenn der Stoßdämpfer vollständig zusammengedrückt ist.According to a second aspect of the invention, there is provided a prosthetic ankle unit comprising the combination of a hydraulic linear piston-cylinder arrangement providing a continuously damped area of ankle flexion and defining a central axis, the assembly having a cylinder wall connected to the axis centered and includes a fluid-filled chamber whose volume varies with the movement of a piston in the chamber, and a telescopic shock absorber disposed coaxially with the piston-cylinder assembly and having an outer sleeve slidably received on the outside of the cylindrical wall is and with this is elastically connected so that it is translationally movable according to the force exerted on the sleeve axial force relative to the cylinder wall, wherein the sleeve covers at least a portion of the fluid-filled chamber when the shock absorber is fully compressed.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigt:The invention will now be described by way of example, with reference to the drawings. In the drawings shows:
Es wird auf die
An dem Fußkiel
Der Körper
Der Zylinder
In Verbindung mit dem Knöchelgelenkmechanismus
In dieser Ausführungsform betragen die anterioren und posterioren Neigungswinkel der Achse
In dieser Ausführungsform hat das Schienbeinelement
Deshalb versteht es sich, dass die Größe des Winkelbereichs durch die Konstruktion und Geometrie der Prothese und ihres hydraulischen Gelenkmechanismus festgelegt wird.Therefore, it is understood that the size of the angle range is determined by the construction and geometry of the prosthesis and its hydraulic link mechanism.
Der Knöchelgelenkmechanismus
Da vorgesehen ist, dass die Position des Fußelements relativ zu dem Schienbeinelement an der Dorsalflexionsgrenze unabhängig von der Orientierung der Anordnung im Raum definiert wird, und da eine schwerkraftabhängige Bestimmung der Dorsalflexionsgrenze verwendet wird, wird die Notwendigkeit eines schwerkraftabhängigen Ventilsystems mit einem Endanschlag entsprechend der vertikalen Orientierung der Schienbeinachse vermieden. Die Flexibilität der Einstellung dieser Prothese erlaubt eine Änderung der Abrolldynamik durch die Wahl unterschiedlicher Steifigkeiten der Zehenfeder. Der Bereich der nachgebenden Bewegung kann geändert werden, indem die relative Ausrichtung des Fußelements und des Schienbeinelements geändert wird. Das Zulassen einer Bewegung der Schienbeinachse nach anterior der vertikalen Position ist besonders vorteilhaft beim Treppensteigen und beim Gehen auf Schrägen.Since it is envisaged that the position of the foot member relative to the tibial member at the dorsiflexion boundary will be defined regardless of the orientation of the assembly in space, and as a gravity dependent determination of the dorsiflexion limit is used, the necessity of a gravity-dependent valve system with an end stop corresponding to the vertical orientation the shin axis avoided. The flexibility of adjustment of this prosthesis allows a change in the rolling dynamics by choosing different stiffness of the toe spring. The range of yielding motion can be changed by changing the relative orientation of the foot member and the tibial member. Allowing movement of the tibial axis anterior to the vertical position is particularly advantageous when climbing stairs and when walking on slopes.
Der übliche Ansatz, die Energiespeicherung und Energierückführung zu maximieren, hat zu Konstruktionen geführt, bei denen der Knöchel stets eine hohe elastische Steifigkeit hat. Die Reduzierung der Steifigkeit in der vorgeschlagenen Weise verbessert den Komfort für den Benutzer und hilft auch, den Vorwärtsschwung des Oberkörpers und damit die Fortbewegungsfähigkeit zu bewahren. Reaktionskräfte um den Knöchel werden weitgehend abgeleitet, mit dem Ergebnis, dass insbesondere die gewollte Kontrolle und Propriozeption des Knies und der Hüfte bei (unterschenkel)amputierten Personen verbessert werden. The usual approach of maximizing energy storage and energy recovery has resulted in constructions in which the ankle always has high elastic stiffness. The reduction in stiffness in the proposed manner improves comfort for the user and also helps to maintain the forward momentum of the upper body and thus the mobility ability. Reaction forces around the ankle are largely dissipated, with the result that in particular the desired control and proprioception of the knee and hip in (lower leg) amputated persons are improved.
Das Schienbeinelement
Das Schienbeinelement
Der untere Teil des Schienbeinelements, der durch den Körper
In der zylindrischen Verlängerung
In dieser Ausführungsform beträgt der Bereich R (
Die Feder
In der Zeichnung ist zu erkennen, dass die durch das Schienbeinelement definierte Mittellinie der teleskopischen Einheit im Wesentlichen vertikal ist, wenn der Fuß
In dieser Ausführungsform liegt die Mittellinie der teleskopischen Einheit etwa 22 mm hinter der Flexionsachse des Knöchelgelenks (und die Lastlinie verläuft in der Ruhelage etwa 10 mm hinter der Achse).In this embodiment, the centerline of the telescopic unit is about 22 mm behind the flexion axis of the ankle joint (and the load line is about 10 mm behind the axis in the rest position).
Aufgrund der Art, auf welche der Knöchelgelenkmechanismus insofern selbstausrichtend ist, als dieser sich einer Dorsal- und Plantarflexion innerhalb der vorstehend beschriebenen Grenzen ohne elastische Vorspannung anpasst, ist die amputierte Person in der Lage, bedeutend höhere vertikale Lasten auf die Prothese zu legen, und in der Tat kann diese Erhöhung der Belastung während einer Flexion des Knöchelgelenkmechanismus in der Dorsal- und Plantarrichtung über wesentliche Abschnitte des Gangzyklus erzielt werden, unabhängig davon, ob die Achse
In den Zeichnungen ist zu erkennen, dass die Mittellinie der teleskopischen Einheit, in diesem Fall die Achse
Die dynamische Aktion der Prothese während des Gehens wird nunmehr kurz erläutert. Beim Auftreten mit der Ferse befindet sich der Knöchel ausgehend von den Abrollbewegungen des vorhergehenden Schrittes im Zustand der Dorsalflexion. Mit zunehmender Belastung der Prothese bewirkt die Bodenreaktionskraft an der Fersenfeder
Zusammengefasst ist die vorstehend beschriebene Unterschenkelprothese ein prothetisches System, bei dem ein kontinuierliches Nachgeben über einen begrenzten Bereich der Plantar- und Dorsalflexion ermöglicht wird. Dieses Nachgeben wird durch einen hydraulischen Dämpfer erzielt, der mit üblichen Fußelementen verbunden ist (d. h. dem Kiel, dem Träger und voneinander unabhängigen Fersen- und Zehenfedern aus einem Karbonfaserverbund). Dies ermöglicht eine freie Flexion des Knöchels kontinuierlich über einen begrenzten Plantar- und Dorsalflexionsbereich mittels des hydraulischen Dämpfers und unter minimaler Beeinträchtigung durch die elastischen Elemente während des Gehens und Stehens. Während des Stehens sind die relativen Positionen der Hüft-, Knie- und Kniegelenkmitten derart, dass eine im Wesentliche normale Haltung im Stand beibehalten werden kann, wobei die Kräfte um jedes Gelenk automatisch ausgeglichen werden und dadurch für Stabilität der Gliedmaßen gesorgt wird. Darüber hinaus erleichtert die Selbstausrichtungsaktion des Fuß-Knöchel-Systems eine bessere Steuerung des Energietransfers zwischen Gliedmaßensegmenten während der Fortbewegung, wobei das Hüftgelenk des Benutzers der Haupttreiber und das Kniegelenk der Hauptschlepper für den mechanischen Energietransfer ist, wodurch der Energietransfer zu und von der teleskopischen Einheit des Schienbeinelements noch weiter erleichtert wird. Dieses biomimetische Verfahren zur Stabilisierung der Standstabilität und der Gleichgewichtskontrolle hat einen weiteren Vorteil darin, dass dank der nachgebenden Funktion der hydraulischen Komponenten beim Stehen auf Schrägen keine bedeutenden Reaktionsmomente um den Knöchel herum erzeugt werden, die Ursache für ein Ungleichgewicht zwischen den Gelenken und für Unbehaglichkeit sein können. Da sich der Knöchel wegen des begrenzten Bereichs hydraulischer Nachgiebigkeit frei bewegen kann, erfolgt die Anpassung für das Gehen und Stehen auf Schrägen und an Schuhwerk mit verschiedenen Absatzhöhen automatisch. Ein weiterer Vorteil des Systems ist ein sanfterer und progressiverer Übergang beim Abrollen auf verschiedenem Gelände.In summary, the lower leg prosthesis described above is a prosthetic system that allows continuous yielding over a limited range of plantar and dorsiflexion. This yielding is achieved by a hydraulic damper connected to conventional foot elements (i.e., the keel, the beam, and independent carbon fiber composite heel and toe springs). This allows free flexion of the ankle continuously over a limited plantar and dorsiflexion area by means of the hydraulic damper and with minimal interference from the elastic elements during walking and standing. During standing, the relative positions of the hip, knee and knee centers are such that a substantially normal posture can be maintained while standing, automatically balancing the forces around each joint thereby providing stability to the limbs. In addition, the self-alignment action of the foot-ankle system facilitates better control of energy transfer between limb segments during locomotion, with the user's hip joint as the main driver and the knee joint as the main mechanical energy transfer tug, thereby facilitating energy transfer to and from the telescopic unit of the Shin element is further facilitated. This biomimetic method of stabilizing stability and equilibrium control has another advantage in that, due to the yielding function of the hydraulic components when standing on slopes, there are no significant moments of reaction around the ankle that cause misbalance between the joints and discomfort can. Because the ankle can move freely due to the limited range of hydraulic compliance, the adjustment for walking and standing on slopes and footwear with different heel heights is done automatically. Another advantage of the system is a smoother and more progressive transition when unrolling on different terrains.
Im Hinblick auf eine erzielbare breite Anwendbarkeit der vorstehend beschriebenen prothetischen Anordnung werden Kompaktheit und insbesondere eine Minimierung der Gesamthöhe durch eine Einbeziehung der hydraulischen Bypasskanäle der Kolben-Zylinder-Anordnung in den Durchmesser des zylindrischen Innenteils der teleskopischen Einheit erzielt, so dass der Außendurchmesser des Innenteils zumindest auf dem Niveau der unteren Trennwand des Zylinders gehalten werden kann und dadurch ermöglicht wird, dass die Außenhülse den Zylinder überdeckt, wenn die teleskopische Einheit vollständig zusammengedrückt ist. Eine Minimierung der Höhe und Einfachheit werden durch die integrale Ausbildung der Schraubenfeder und der oberen Zylindertrennwand der Kolben-Zylinder-Anordnung unterstützt. Die Lage der Steuerventile
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