DE19805164C1 - Trainingsgerät für den menschlichen Gang - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät, welches sowohl für die Gangrehabilitation von gehbehinderten Patienten als auch als Trainingsgerät für Normalpersonen entwickelt wurde.

Der Stand der Technik ist, daß in der Gangrestauration von Schlaganfallpatienten sowie von inkompletten querschnittsgelähmten Patienten das Laufbandtraining seit kurzem mit Erfolg eingesetzt wird, wobei eine partielle Körpergewichtsentlastung durch eine Aufhängevorrichtung erzielt wird (TTBWS, treadmill training with partial body weight support) [1-4]. Diese Vorrichtung ermöglicht es dem Patienten, die gesamte Gehbewegung zu trainieren, obwohl er in der Ebene noch nicht selbständig oder nur mit größter therapeutischer Hilfe gehfähig ist.

• 1. [1] Hesse S.; Bertelt C.; Schaffrin A.; Baake P.; Malezic M.; Mauritz K. H., "Restoration of gait in non-ambulatory hemiparetic patients by treadmill training with partial body weight support," Arch Phys Med Rehabil., 75, S. 1087-1093, 1994.
• 2. [2] Hesse S.; Bertelt C.; Jahnke M. T.; Schaffrin A.; Baake P.; Malezic M.; Mauritz K. H., "Treadmill training with partial body weight support compared with physiotherapy in non-ambulatory hemiparetic patients," Stroke, 26, S. 976-981, 1995.
• 3. [3] Norman K. E.; Pepin A.; Laduceur M.; Barbeau H., "A treadmill apparatus and harness support for evaluation and rehabilitation of gait," Arch Phys Med Rehabil, Vol. 76, S. 772-778, 1995.
• 4. [4] Waagfjörd J.; Levangle P. K.; Certo C. M. E., "Effects of treadmill training on gait in a hemiparetic patient," Physical Therapy, Vol. 70, 9, S. 549-560, 1990.

Die Nachteile des Laufbandtrainings sind, daß die Füße bei den meisten Patienten von Krankengymnasten gesetzt werden müssen. Der Personalaufwand von bis zu 3 Krankengymnasten sowie deren körperliche Belastung bei der Behandlung ist hoch. Patienten können nur bis zu einem gewissen Schweregrad der Läsion auf dem Laufband behandelt werden. Weiterhin werden die Füße des Patienten häufig nicht exakt gesetzt, was zu unsymmetrischen Bewegungsabläufen führt.

Weitere Entwicklungen sind Fitneß- und Rehabilitationsgeräte, bei denen die Füße der Personen auf Fußplatten bewegt werden (Langlaufgeräte wie z. B. Kettler Power Walker Olympic, Gangtrainer [5], Precor Transport, USA, Reebok Body Trec oder Miha Crosswalker). Die letzten drei dieser Geräte ermöglichen ein natürliches Fußanheben in der Schwungbeinphase. Keines dieser Geräte gibt jedoch das natürliche Verhältnis von Schwungbeinphase zu Standbeinphase von etwa 40 : 60 vor, sondern das technisch einfacher zu realisierende Verhältnis von 50 : 50.

• 1. [5] D. Uhlenbrock, T. Sarkodie-Gyan, F. Reiter, M. Konrad, and S. Hesse, "Development of a servo-controlled gait trainer for the rehabilitation of non­ ambulatory patients," Biomed. Tech., vol. 42, pp. 196-202, 1997.

Es ist technisch möglich, die natürliche Gangbewegung durch zwei mehrachsige Roboter zu generieren. Diese müßten aber wegen der zu erwartenden Kräfte von bis zu 1300 N groß dimensioniert werden und die Kosten wären hoch. Die Akzeptanz durch die Patienten wäre ebenfalls fraglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Gerät zu entwickeln, welches die natürliche Gangbewegung erzeugt, und dabei das natürliche zeitliche Verhältnis von Schwung zu Stand von 40 : 60 vorgibt. Zusätzlich soll die körperliche Belastung der behandelnden Therapeuten gering sein. Auch schwer betroffene Patienten sollten behandelt werden können, und die erzeugte Schrittlänge sollte symmetrisch sein. Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Bildern 1 und 2 dargestellt.

Die Neuentwicklung zur Reduzierung des körperlichen Einsatzes der Krankengymnasten besitzt anstelle des Laufbandes zwei Fußplatten 1, Bild 1, welche gemäß dem natürlichen Gangzyklus vor und zurück gefahren sowie zeitgerecht in der Schwungbeinphase angehoben werden. Sie befinden sich auf zwei Stangen 2, die an jeweils zwei Punkten befestigt sind. Der vordere Punkt, zu dem die Fußspitze 6 des Patienten 7 zeigt, ist an einer Stange befestigt, die ungefähr in der Höhe der Hüfte beweglich aufgehängt ist. Somit bewegt sich der vordere Stangenpunkt auf einer kreisförmigen Bahn 4 mit einem Mittelpunkt in Hüfthöhe. Der hintere Punkt einer Stange ist an je einem Planetengetriebe 5 befestigt.

Das Planetengetriebe wurde gewählt zur Generierung folgender Funktionen:

• a) dem natürlichen Anheben der Ferse in der Schwungbeinphase
• b) dem natürlichen Verhältnis beim menschlichen Gang von Schwung- zu Standbeinphase von 40 : 60 (oder anderen einstellbaren Verhältnissen)
• c) unterschiedlichen Schrittlängen bei einem konstanten Verhältnis von 50 : 50 von Schwung und Stand.

Diese Funktionen werden erzielt durch zwei Planetengetriebe mit feststehenden Sonnenrädern 8 und umlaufenden, vom Steg angetriebenen Planetenrädern 9 gleichen Durchmessers. Der Durchmesser muß gleich sein, damit nach einem Umlauf das Planetenrad sich selbst ebenfalls nur einmal gedreht hat. Zur Bewegungsgenerierung wird die Stange mit der Fußplatte an einem außermittigen Punkt am Planetenrad abgegriffen.

Die technische Realisierung des zweifachen Planetengetriebes geschieht folgendermaßen (Bild 2, Schnitt durch die Zentralwelle):

Eine Zentralwelle 10 wird mittig 11 mittels einer Kette Bild 1, 12 angetrieben. Links und rechts davon wird die Welle gelagert Bild 2, 13. Weiter außen befinden sich die gelagerten Sonnenräder 8, die durch Blockierungen 14 festgehalten werden. Innen dreht die Welle, wohingegen die zwei Lageraufnahmen und die zwei Sonnenräder feststehen. Weiter außen auf der Zentralwelle befindet sich die umlaufende Stegbefestigung.

Durch den Steg 15 wird das umlaufende Planetenrad angetrieben. Die exzentrische Bewegung für die Fußstange 2 kann nicht direkt vom Planetenrad abgegriffen werden, weil sonst die Fußstange gegen den Steg läuft innerhalb eines Umlaufes.

Deshalb befindet sich am Planetenrad eine Außenwelle 16, die die gewünschte Bewegung nach außen (außerhalb der Stegbewegung) verlagert. Hier wird die Bewegung für die Fußstange abgegriffen. Je exzentrischer die Fußstange an der Mitnehmerstange 17 aufgehängt wird, desto verschiedener ist das zeitliche Verhältnis von Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, welches der Schwung- und Standbeinphase entspricht. Hier ist es möglich das natürliche Verhältnis von 40 : 60 (Schwung : Stand) einzustellen.

Neben dem Verhältnis von Schwung zu Stand kann auch die Schrittlänge verstellt werden aber nur bei einem konstanten Verhältnis von Schwung zu Stand von 50 : 50. Wenn die Blockierungen der Sonnenräder 14 aufgehoben werden, und die Planetenräder durch Blockierungen 18 mit dem Steg verbunden werden, können an den Exzentern nun verschieden große Kreise und damit verschiedene Schrittlängen erzeugt werden.

Den eigentlichen Antrieb übernimmt ein Drehstrom-Asynchron Käfig-Läufer Motor Bild 1, 19 (750 W, Siemens) mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe 20. Der Motor wird gespeist von einem Umrichter 21 (MM75, Siemens), der die Netzspannung (230 V 1AC) in Drehstrom (3AC) umwandelt. Mittels des Umrichters wird die Drehzahl des Motors geregelt.

Zur Anpassung des Trainers auf Größenunterschiede und unterschiedliche Schweregrade der Behinderung wurden die folgenden Einstellmöglichkeiten berücksichtigt:

• - Das Verhältnis von Schwung zu Stand kann an der Mitnehmerstange am Planetengetriebe in Stufen von 30 : 70 bis 70 : 30 verändert werden.
• - Die Schrittlänge kann am Planetengetriebe in einem Bereich von 30 cm bis 66 cm in Schritten von 3 cm verändert werden, bei konstantem Verhältnis von 50 : 50 (Schwung : Stand).
• - Die Schrittfrequenz kann stufenlos in einem Bereich von 0 bis 70 Schritte/min variiert werden.
• - Die eingesetzte Drehzahlregelung erlaubt folgende Trainingsarten:
  • 1. 1.) rein passive Durchbewegung des Patienten (bei 0%iger Unterstützung durch den Patienten),
  • 2. 2.) aktive Mithilfe des Patienten (< 0-100%ige Unterstützung durch den Patienten).

Als Biofeedback und als Trainingsdokumentation wird dem Patienten der Grad seiner aktiven Mithilfe fortlaufend auf einer Analoganzeige mitgeteilt (Leistungsmessung am Umrichter 21).

Ein weiteres Merkmal des Gerätes ist die Sicherung des Patienten in dem massenschwerpunktsgesteuerten Gurtsystem 23. Beim natürlichen Gang bewegt sich der Massenschwerpunkt des Menschen während eines Gangzyklusses 2 cm zweimal sinusförmig auf und ab, sowie einmal um 4 cm sinusförmig in Gehrichtung horizontal nach links und nach rechts.

Diese Bewegung wird durch zwei mit dem Hauptantrieb verbundene Schubkurbelgetriebe 24 erzeugt und mittels Seilen 25 übertragen. Das Schubkurbelgetriebe für die vertikale Bewegung dreht mit doppelter Hauptantriebsdrehzahl und wird durch einen Zahnriemenantrieb 26 auf die gewünschte Drehzahl übersetzt. Die Befestigungen der Seile befinden sich an dem Sicherungsgurt des Patienten.

Die vertikale Befestigung an dem Sicherungsgurt dient gleichzeitig als Sicherung für den Patienten im Falle eines Stolperns.

Die horizontale Bewegung wird durch das Seil auf der einen Seite der Hüfte und durch eine Rückstellfeder 27 auf der anderen Seite vorgegeben.

Die Vorteile des Gerätes sind:

• - Patienten gehen komplett symmetrisch (im Gegensatz zum Laufbandtraining und Gehen in der Ebene selbst bei krankengymnastischer Unterstützung).
• - Das Gangmuster hat alle Merkmale des natürlichen Ganges mit Anheben des Fußes in der Schwungbeinphase und korrektem zeitlichem Verhältnis zwischen Schwung und Stand.
• - Durch die Aufhängevorrichtung und ein am Antrieb befindliches weiteres Getriebe wird eine korrekte Massenschwerpunktsbewegung des Patienten vorgegeben. Die horizontale Bewegung ist nur durch arbeitsaufwendigen krankengymnastischen Einsatz zu erreichen, während die vertikale Bewegung bislang überhaupt nicht korrekt zu generieren ist.
• - So ist der krankengymnastische Arbeitsaufwand sehr gering und beschränkt sich weitestgehend auf überwachende Funktionen.
• - Das Gerät arbeitet stoßfrei, und somit werden die Hüft-, Knie- und Sprunggelenke deutlich weniger belastet als beim Gehen in der Ebene oder auf Laufbändern.

Für Normalpersonen, die das Gerät zur körperlichen Ertüchtigung verwenden wollen, sind folgende Änderungen sinnvoll. Anstelle des Motors wird eine Bremsvorrichtung eingebaut, die verschiedene Bremswiderstände für verschiedene Trainings­ belastungen zur Verfügung stellt.

Des weiteren ist es für Normalpersonen interessant, neben dem Gehen auch das Laufen zu trainieren. Beim Laufen ist die Schwungbeinphase länger als die Standbeinphase. Diese Einstellung kann man erreichen, indem man an der Mitnehmerstange das Verhältnis von z. B. 60 : 40 (Schwung : Stand) einstellt.

Im Vergleich zum Laufband ist ein entscheidender Vorteil, daß das Gerät stoßfrei arbeitet und somit die Hüft-, Knie- und Sprunggelenke deutlich weniger belastet werden als beim Laufen in der Ebene oder auf Laufbändern.

Mit dem oben genannten Gerät kann mit geringem krankengymnastischen Einsatz individuelles und symmetrisches Gangtraining auch von schwer betroffenen gehbehinderten Patienten durchgeführt werden.

Ebenso ist dieses Gerät für Normalpersonen beim Trainieren von Laufen und Gehen geeignet.

Claims (2)

1. Gerät für den Einsatz in der Gangrehabilitation von gehbehinderten Patienten und als Trainingsgerät für Normalpersonen, welches gekennzeichnet ist durch zwei Fußplatten, die vor und zurück gefahren werden und sich auf Fußstangen befinden, die jede für sich vorne an einer oberhalb aufgehängten Stange und hinten jeweils an einem Planetengetriebe mit einem gemeinsamen drehzahlgeregelten Antrieb befestigt sind, wobei hinten die Fußstangen exzentrisch jeweils an einem Planetenrad von zwei Planetengetrieben mit feststehenden Sonnenrädern und umlaufen­ den, vom Steg angetriebenen Planetenrädern gleichen Durchmessers befestigt sind, und durch Umstellung des Planetengetriebes entweder das zeitliche Verhältnis zwischen Schwung- und Standbeinphase oder die Schrittlänge, bei dann konstantem Verhältnis von Schwung- zu Standbeinphase, eingestellt werden können.

2. Das Gerät nach Anspruch 1 hat für die gehbehinderten Patienten ein Gurtsicherungssystem, welches gekennzeichnet ist durch Seile sowie am Antrieb befindliche Kurbelgetriebe, die die vertikale und horizontale Massenschwerpunkts­ bewegung des Patienten steuern.