DE19859931A1

DE19859931A1 - Beinprothese mit einem künstlichen Kniegelenk und Verfahren zur Steuerung einer Beinprothese

Info

Publication number: DE19859931A1
Application number: DE19859931A
Authority: DE
Inventors: Lutz Biedermann; Wilfried Matthis; Christian Schulz
Original assignee: Biedermann Motech GmbH and Co KG
Current assignee: Biedermann Motech GmbH and Co KG
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1998-12-24
Publication date: 2000-07-06
Also published as: WO2000038599A1; JP2002533161A; US6755870B1; DE59910395D1; EP1058524B1; EP1058524A1

Abstract

Es wird eine Beinprothese mit einem Oberschenkelteil (1) und einem Unterschenkelteil (2) und einem die beiden verbindenden Kniegelenk (3), wobei das Kniegelenk (3) ein Dämpfungselement (6) zum Steuern der Kniegelenksbewegung aufweist und mit einer Einrichtung (S1) zum Erfassen des Kniewinkels und einer Einrichtung (S4-S7; S8, S8', S9, S9') zum Erfassen der auf die Prothese wirkenden Kraft DOLLAR A und einer Steuerung zum Steuern des Dämpfungselements (6) in Abhängigkeit von Werten für den Kniewinkel und für die Kraft und mit einer Regelvorrichtung (10), die in Abhängigkeit von erfaßten Werten für den Kniewinkel und die Kraft die Steuerung des Dämpfungselements entsprechend dem Gangverhalten regelt, bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beinprothese mit einem künstli chen Kniegelenk nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Steuerung einer Beinprothese nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 14.

Beim Laufen mit einer Prothese wird der Prothesenoberschenkel durch den Beinstumpf während des Ganges nach vorn bewegt. Bei nicht angepaßter Dämpfung kann der Unterschenkel sich durch seine Massenträgheit sehr weit anwinkeln. Der Prothesenträger muß dann warten, bis sich die Prothese wieder nach vorn be wegt, bevor er deren Fuß aufsetzen kann. Damit ergibt sich ein unharmonisches Gangbild, ein ungünstiges Zeitverhalten und somit eine schlechte Trageeigenschaft.

Es sind Beinprothesen mit einem künstlichen Kniegelenk be kannt, bei denen ein Dämpfungselement in Form eines Pneuma tik- oder Hydraulikzylinders zur Schwungphasensteuerung und als sogenannte Rückfallbremse vorgesehen ist. Die Anpassung der Beinprothese an den Träger erfolgt dabei mittels eines stationären Ganganalysesystems. Dabei muß der Träger der Pro these einen Testlauf mit der Prothese, beispielsweise auf ei nem Laufband, ausführen, worauf dann ein Orthopädietechniker eine subjektive Bewertung des Gangbildes vornimmt.

Zusammen mit den subjektiven Empfindungen des Prothesenträ gers wird dann eine Anpassung und Einstellung der verschie denen Bestandteile der Prothese vorgenommen. Das Ergebnis der Einstellung ist oft ungenau, weil die Einstellung mittels subjektiver Kriterien erfolgt. Zudem werden nachträgliche Veränderungen wie die des Gewichtes, der Temperaturen bzw. der Bodenbeschaffenheit nicht berücksichtigt.

Ferner haben die bekannten Dämpfungselemente für künstliche Kniegelenke den Nachteil, daß sie nicht schnell genug auf ei ne abrupte Änderung der Gangdynamik reagieren können.

Aus der GB 1,191,633 ist eine Beinprothese mit einem künstli chen Kniegelenk mit einer hydraulisch gesteuerten Bremse be kannt, wobei als Hydraulikflüssigkeit eine ferro-kolloidale oder eine andere magnetische Flüssigkeit verwendet wird.

Aus der DE 195 21 464 A1 ist eine Beinprothese mit einem künstlichen Kniegelenk nach dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1 und ein Verfahren zum Steuern einer solchen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 14 bekannt. Bei dieser Bein prothese kann bei einem Wechsel der Gangart auch die Steue rung der Kniebremse geändert werden und zwar jeweils unter Adaptierung eines gespeicherten Referenzmusters.

Bei der bekannten Beinprothese besteht jedoch das Problem, daß eine Anpassung der Prothesensteuerung an sich ändernde Umstände bezogen auf den Prothesenträger, wie beipielsweise eine Zu- oder Abnahme des Gewichts des Prothesenträgers oder das Tragen anderer Schuhe nicht erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beinprothese mit einem künstlichen Kniegelenk und ein Verfahren zum Steuern einer solchen bereitzustellen, die bzw. das einen optimalen an den Träger angepaßten Betrieb der Prothese unabhängig von sich ändernden Betriebsumständen sowie eine schnelle Reaktion auf abrupte Änderungen der Gangdynamik gewährleistet.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Beinprothese gemäß Patent anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Steuerung einer sol chen nach Patentanspruch 14. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh rung einer Beinprothese mit einem künstlichen Knie gelenk mit einer Sprungphasensteuerung und Rück fallbremse.

Fig. 2(a): eine Seitenansicht einer Beinprothese in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 2(b): eine Vorderansicht der Beinprothese von Fig. 2(a);

Fig. 3(a): eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer Beinprothese;

Fig. 3(b): eine Vorderansicht der Beinprothese von Fig. 3(a);

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Steuer- und Regelvorrichtung für die erfindungsgemäße Beinpro these;

Fig. 5: ein Diagramm zur Veranschaulichung der Funktions weise der Steuerung und Regelung für die erfin dungsgemäße Beinprothese und

Fig. 6: eine Kurve, die den Kniewinkel in Abhängigkeit von der Zeit für einen Schritt darstellt.

Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt die Bein prothese in bekannter Weise ein Oberschenkelteil 1 und ein Unterschenkelteil 2 und ein die beiden verbindendes Kniege lenk 3. Das Unterschenkelteil 2 weist ein Schienbeinteil 4 mit einem Unterschenkelrohr 9 und ein mit diesem verbundenes Fußteil 5 auf. Das Fußteil 5 weist eine in der Figur nicht dargestellte Blattfeder zum Ermöglichen eines federnden Auf trittes auf. Das Oberschenkelteil 1 ist zum Verbinden mit dem Beinstumpf ausgebildet.

Das Kniegelenk 3 weist ein Dämpfungselement in Form einer hy draulischen Kolben-Zylindereinrichtung 6 auf. Der Zylinder 7 der Kolben-Zylindereinrichtung 6 ist mit dem Schienbeinteil 4 verbunden und die Kolbenstange 8 der Kolben-Zylindereinrich tung 6 ist mit dem Kniegelenk 3 verbunden. Bevorzugt ist der Zylinder 7 ein MRF-Zylinder. Dieser Zylinder ist mit einer magneto-rheologische Flüssigkeit (MR Fluid) gefüllt, die die Eigenschaft aufweist, daß sich unter Einwirkung eines magne tischen Feldes ihre Viskosität im Bereich von etwa 3 bis 5 Millisekunden ändert. Die magneto-rheologische Flüssigkeit besteht aus einer Suspension von magnetisierbaren Teilchen in der Größenordnung von Mikrometern in Öl. Eine magneto rheologische Flüssigkeit hat normalerweise eine Konsistenz ähnlich der von Motoröl. Unter Einwirkung eines magnetischen Feldes nimmt die Viskosität schlagartig zu, wobei der Grad an Änderung proportional zur Stärke des angelegten Magnetfeldes ist.

Der Kolben 8 oder der Zylinder 7 der Kolben-Zylinder einrichtung 6 weist ferner einen Elektromagneten auf, der über externe Signale ansteuerbar ist und der das Magnetfeld zum Einwirken auf die magneto-rheologische Flüssigkeit be reitstellt.

Die Beinprothese weist ferner eine Anzahl von Sensoren zur Bewegungs- und Kraftmessung auf. Im Kniegelenk 3 ist ein Kniewinkelsensor S1 zur Erfassung des Kniewinkels vorgesehen. Am Schienbeinteil 4 sind Beschleunigungssensoren vorgesehen. Ein frontal angeordneter Beschleunigungssensor S2 dient zur Messung der Beschleunigung in Fortbewegungsrichtung, ein seitlich angeordneter Beschleunigungssensor S3 dient zur Mes sung der Beschleunigung senkrecht zur Fortbewegungsrichtung. Als Beschleunigungssensoren können herkömmliche Beschleuni gungssensoren, wie sie beispielsweise aus der Kraftfahrzeug technik bekannt sind, verwendet werden. Weiterhin sind im Be reich der Fußsohle Kraftsensoren S4 bis S7 vorgesehen. Der Kraftsensor S4 ist im Zehenbereich angeordnet, die Kraftsen soren S5 und S6 sind im Fußballenbereich angeordnet und ein Kraftsensor S7 ist im Fersenbereich angeordnet. Als Sensoren können herkömmliche Kraftsensoren, beispielsweise solche auf der Basis einer Druckfeder verwendet werden. Die Kraftsenso ren liefern Informationen zur Krafteinleitung und ermöglichen die Unterscheidung von Stand- und Schwungphase.

Alternativ sind Kraftsensoren im Unterschenkelrohr 9 oder im Schienbeinteil 4 vorgesehen. Die Fig. 2(a) und 2(b) zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Beinprothese, bei der Kraftsensoren S8 und S8' am Unterschenkelrohr 9 vorgesehen sind. Die Kraftsensoren sind beispielsweise DMS-Sensoren. Der Kraftsensor S8 ist in Betriebsstellung der Beinprothese am Unterschenkelrohr 9 seitlich entweder innen oder außen vorge sehen und erfaßt die auf die Prothese wirkende Gesamtkraft. Der Kraftsensor S8' ist in Betriebsstellung der Beinprothese am Unterschenkelrohr 9 vorne oder hinten vorgesehen und er faßt die am Unterschenkelrohr auftretende Biegung.

In den Fig. 3(a) und 3(b) ist eine weitere bevorzugte Aus führungsform der Beinprothese dargestellt, bei der Kraftsen soren S9 und S9' zur Messung jeweils der Gesamtkraft bzw. der Biegekraft im Schienbeinteil 4 integriert sind. Bevorzugt sind die Kraftsensoren S9, S9' als DMS-Sensoren ausgebildet, die in das Carbon-Trägermaterial des Schienbeinteiles 4 ein gebettet sind. Die Anordnung der Sensoren S9 und S9' in Be triebsstellung der Beinprothese ist derart, daß der Sensor S9 seitlich innen oder außen vorgesehen ist und der Sensor S9' hinten oder vorne, analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2(a) und 2(b).

Die Anordnung der Kraftsensoren im Unterschenkelrohr 9 bzw. im Schienbeinteil 4 hat gegenüber der Anordnung von Kraftsen soren im Fußteil 5 den Vorteil, daß je nach Bedarf unter schiedliche Fußteile verwendet werden können und keine stö renden Drähte zur Datenübertragung vom Fußteil zur Steuerein heit der Prothese vorhanden sind.

Die Signalausgänge der Sensoren S1 bis S7 bzw. S1 und S8, 8' oder S9, 9' sind mit einem oder mehreren Eingängen E einer Steuer- bzw. Regeleinheit 10 verbunden. Bevorzugt ist die Steuer- bzw. Regeleinheit 10 wie in den Fig. 2(b) und 3(b) dargestellt ist, in das Schienbeinteil 4 integriert. Ferner ist in das Schienbeinteil 4 eine Batterie 11 integriert, die zur Stromversorgung der Steuer- bzw. Regeleinheit 10 dient. Die Steuereinheit weist eine CPU und einen Datenspeicher auf. In dem Datenspeicher ist ein Programm mit einem Algorithmus zur Verarbeitung der eingehenden Signale von den Sensoren und zum Erzeugen eines oder mehrerer Ausgangssignale vorgesehen. Ein Signalausgang A der Steuereinheit 10 ist mit der Kolben- Zylindereinrichtung 6 und speziell mit dem in dem Kolben vor gesehenen Elektromagneten verbunden.

Der Aufbau der Steuer- bzw. Regeleinheit 10 ist aus Fig. 4 ersichtlich und wird anhand dieser näher beschrieben. Die Bauteile zur Verarbeitung der von den Sensoren erzeugten Si gnale sind auf einer Platine 20 angeordnet. Die Platine 20 umfaßt ein Interface 21 an das die von den Sensoren erfaßten Signale entsprechend dem Kniewinkel, der Gesamtkraft bzw. Bo denreaktionskraft und der Biegekraft angelegt werden. In ei ner weiteren Ausbildung können auch die Signale der Beschleu nigungssensoren eingegeben werden. Das Interface 21 ist der art ausgebildet, daß eine Vorverarbeitung, wie z. B. Verstär kung der Signale stattfindet und eine Kniewinkelgeschwindig keit berechnet wird. Ferner ist auf der Platine 20 ein elek tronischer Schaltkreis 22 vorgesehen, der einen Micro- Controller 23 mit Programmspeicher, einen Arbeits- und Para meterspeicher 24, eine Stromversorgung 25, einen Analog- Digital-Wandler 26 und ein Interface 27 als Schnittstelle zur Kolben-Zylindereinrichtung 6 aufweist. Optional ist eine Echtzeituhr 28 und ein SIO-Interface 29 vorgesehen. Entspre chende Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Bausteinen des Schaltkreises sind vorgesehen. Die im Interface 21 vor verarbeiteten Signale Kniewinkel, Kniewinkelgeschwindigkeit, Gesamtkraft und Biegekraft werden dem Analog-Digital-Wandler 26 zugeführt und die erzeugten digitalen Signale werden dem Micro-Controller 23 zugeführt. Im Micro-Controller 23 ist ein Algorithmus zur vorbestimmten Verarbeitung der Signale abge legt. Die von dem Micro-Controller abgegebenen Signale werden an das Interface 27 angelegt und zur Steuerung der Kolben- Zylindereinrichtung ausgegeben.

In dem Arbeits- und Parameterspeicher 24 und dem Programm speicher des Micro-Controllers 23 sind folgende vorgegebene Daten abgelegt:

a) eine in Fig. 6 dargestellte Kniewinkelreferenzkurve, die die Abhängigkeit des Kniewinkels von der Zeit für eine Schrittzeit darstellt. Die Kniewinkelreferenzkurve setzt sich zusammen aus der Standphase, die die Zeit vom Auf tritt mit der Ferse über das Abrollen über den Fußballen bis zum Beginn der Flexion des Kniegelenks umfaßt und eine Schwungphase die die Flexion und die Extension des Kniegelenks bis zum erneuten Auftritt mit der Ferse umfaßt. Die Kniewinkelreferenzkurve gibt ein optimales Schrittverhalten wieder, deren Werte für den Kniewinkel empirisch bestimmt worden sind. Die Kniewinkelreferenz kurve ist für jeden Prothesenträger gleich. Bevorzugt ist die Kniewinkelreferenzkurve normiert, beispielsweise auf 1 Sekunde Schrittzeit, abgelegt.
b) eine Zuordnung von Kniewinkelmaxima zu unterschiedlichen Ganggeschwindigkeiten. Diskrete Werte des Kniewinkelma ximum in Bezug auf eine bestimmte Ganggeschwindigkeit sind zuvor empirisch für den jeweiligen Prothesenträger ermittelt worden. Zwischenwerte können durch Interpola tion erhalten werden.
c) Steuerparameter P für die Ansteuerung der Kolben- Zylindereinrichtung jeweils für verschiedene Gangge schwindigkeiten. Die Steuerparameter umfassen einen Extensionsdämpfungsverstärkungsfaktor Ed, der ein Maß für die Dämpfungsverstärkung für die Extension an gibt, und einen Flexionsdämpfungsverstärkungsfaktor Fd, der ein Maß für die Dämpfungsverstärkung für die Flexion angibt.
Diese Steuerparameter P sind zuvor für den jeweiligen Prothesenträger empirisch für verschiedenen Gangge schwindigkeiten mittels einer Ganganalyse ermittelt wor den.

Der in dem Microcontroller 23 abgelegte vorbestimmte Algo rithmus zur Steuerung und Regelung der Kolben-Zylinder einrichtung wird anhand von Fig. 5 beschrieben. Der Algorith mus bildet das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung und Regelung der Steuerung der Beinprothese.

Aus den von dem Analog-Digital-Wandler 26 abgegebenen digita len Signalen für den Kniewinkel, die Kniewinkelgeschwindig keit, die Gesamtkraft und die Biegekraft werden im Schritt (1) die folgenden Schrittwerte bestimmt:

- der maximale Flexionswinkel, der dem maximalen Kniewinkel für diesen Schritt entspricht,
- die Streckvoreilzeit, die die Zeit zwischen Extensionsan schlag und Aufsetzen der Ferse ist,
- die Standzeit, und
- die Schrittzeit.

Als Ist-Schrittwerte werden von diesen Schrittwerten der ma ximale Flexionswinkel und die Streckvoreilzeit definiert.

Gleichzeitig wird im Schritt (1) eine Ermittlung der voraus sichtlichen Schrittgeschwindigkeit vorgenommen. Diese erfolgt beispielsweise durch Verknüpfung einer Einleitzeit, die die Zeit ab der Krafteinleitung und ersten Änderung des Kniewin kels bis zum kompletten Abheben vom Boden ist und dem Ein leitkniewinkel.

Im Schritt (2) werden die Ist-Schrittwerte mit Soll- Schrittwerten verglichen. Die Soll-Schrittwerte sind empi risch mittels einer Ganganalyse ermittelte Schrittwerte für eine optimale Protheseneinstellung für ein natürliches Gang verhalten und sind für jeden Prothesenträger gleich. Soll- Schrittwerte sind insbesondere:
Das Kniewinkelmaximum liegt bevorzugt zwischen 550 und 60°. Die Streckvoreilzeit liegt bevorzugt im Bereich von 0,06 bis 0,1 Sekunden.

Im Schritt (3) erfolgt eine Verknüpfung der Differenzen zwi schen Soll-Schrittwerten und Ist-Schrittwerten für die ermit telte Schrittgeschwindigkeit in vorbestimmter Weise zur Be stimmung von Korrekturfaktoren für die Steuerparameter P:

a) Liegt der maximale Ist-Flexionswinkel im Bereich des Soll- Kniewinkels, ist keine Korrektur erforderlich. Ist der maxi male Ist-Flexionswinkel größer bzw. kleiner als der Soll- Kniewinkel, so ist der Flexionsdämpfungsverstärkungskoeffizient Fd zu erhöhen bzw. zu erniedrigen.
b) Ist die Ist-Streckvoreilzeit im Bereich der Soll- Streckvoreilzeit, so ist keine Korrektur erforderlich. Ist die Ist-Streckvoreilzeit größer bzw. kleiner als die Soll- Streckvoreilzeit, so ist der Extensionsdämpfungsverstär kungsfaktor Ed zu erhöhen bzw. zu erniedrigen.
c) Ist die Standzeit größer als 2 Sekunden, so ist der Schritt nicht in die Nachregelung der Steuerparameter ein zubeziehen, da er das Loslaufen bzw. Stehenbleiben kenn zeichnet.

Im Schritt (4) erfolgt eine Auswahl der Steuerparameter P zur Steuerung der Kolben-Zylindereinrichtung in Abhängigkeit von der voraussichtlichen Schrittgeschwindigkeit und dem entspre chenden im Arbeits- und Programmspeicher 24 abgelegten Wert für das Kniewinkelmaximum. Die Steuerparameter P werden ent sprechend dem Ergebnis aus dem Schritt (3) mit Korrekturfak toren verknüpft und somit gegenüber den ursprünglich im Spei cher abgelegten, empirisch ermittelten Steuerparametern P für die entsprechende Geschwindigkeit nachgeregelt. Die so erhal tenen korrigierten aktuellen Steuerparameter P' werden wie derum im Speicher als nun gültige Werte abgelegt und dienen beim nächsten Schritt als Ausgangspunkt für die Nachregelung.

Der Teil des Algorithmus, der die eigentliche Aussteuerung der Kolben-Zylindereinrichtung bewirkt, arbeitet wie folgt:

Die aktuellen Steuerparameter P' werden jeweils zur Flexions- und Extensionssteuerung verwendet, d. h. sie bewirken eine de finierte Einstellung der Dämpfung bzw. des Bremswertes der Kolben-Zylindereinrichtung zwischen einer Grunddämpfung und einer maximalen Dämpfung. Die Steuerung der Kolben-Zylinder einrichtung ist für die Kniewinkelreferenzkurve fest vorgege ben. Zur Bestimmung, wann die berechneten korrigierten Steuer parameter P' wirken sollen, wird die Kniewinkelreferenzkur ve auf die voraussichtliche Schrittgeschwindigkeit skaliert. Bei der Flexionssteuerung folgt dabei eine Anpassung des ma ximalen Flexionswinkels und der Flexionszeit, bei der Exten sionssteuerung erfolgt eine Anpassung an den maximal erreich ten Flexionswinkel und die geforderte Extensionszeit. Die Flexionssteuerung erfolgt nur im Zeitraum zwischen Abstoßen und Erreichen des maximalen Kniewinkels, die Extensionssteue rung erfolgt nur im Zeitraum vom maximalen Kniewinkel bis zum Erreichen des Kniewinkelanschlages. Es wird eine Differenz bildung zwischen der aktuellen Kniewinkelgeschwindigkeit zur benötigten Geschwindigkeit, um die nächste Kniewinkelposition im Zeitbereich zu erreichen, durchgeführt. Ist die aktuelle Kniewinkelgeschwindigkeit zu groß, muß eine Dämpfung erfol gen. Im Falle der Flexion ist die Dämpfung gleich der Ge schwindigkeitsdifferenz mal dem Flexionsdämpfungsverstär kungsfaktor. Im Falle der Extension ist die Dämpfung gleich der Geschwindigkeitsdifferenz mal dem Extensionsdämpfungsver stärkungsfaktor. Ist die aktuelle Geschwindigkeit zu klein, erfolgt keine Dämpfung.

Die Steuerung und Regelung über den Algorithmus beinhaltet auch eine Standphasensicherung. Hierzu werden die Signale Ge samtkraft und Biegekraft verwendet. Ist im Auftrittszeitraum die Gesamtkraft ansteigend und die Biegung im Fersenbereich oder steigt der Kniewinkel an und die Gesamtkraft ist auf dem Fuß, während die Biegekraft nicht im Vorfußbereich ist, so wird die Bremse zu 100% aktiviert, d. h. es kann keine weitere Flexion erfolgen. Ist jedoch die Biegekraft im Vorfußbereich, so wird die Bremse nicht aktiviert.

Die Steuerung von Sondersituationen umfaßt die Steuerung von Gehen auf geneigter Ebene, Treppe steigen, stolpern und stür zen. Gehen auf geneigter Ebene wird wie die Extension bzw. Flexion behandelt. Für die Sondersituation Treppen steigen gibt es gesonderte empirische Werte. Für die Sondersituation Stolpern oder Stürzen oder Anstoßen wird die Standphasensi cherung aktiviert.

Im Betrieb arbeitet die Steuerung der Beinprothese wie folgt. Die Meßdaten der Kniewinkel- und Kraftsensoren werden an die Steuereinheit 10 geleitet. In Abhängigkeit von, den Meßdaten werden durch die Steuereinheit 10 Steuersignale für die Kol ben-Zylindereinrichtung erzeugt und an diese geleitet. In Ab hängigkeit von den Steuersignalen wird von dem Elektromagne ten ein definiertes Magnetfeld erzeugt, welches eine bestimm te Viskositätsänderung der magneto-rheologischen Flüssigkeit in dem Zylinder 7 hervorruft. Durch die Änderung der Viskosi tät kann die Eintauchtiefe des Kolbens 8 in den Zylinder 7 und damit die Dämpfung entsprechend gesteuert werden. Die Än derung der Dämpfung erfolgt dabei innerhalb einer Zeitspanne von etwa 3 bis 5 Millisekunden. Dies ist insbesondere vor teilhaft beim Einsatz der Dämpfung als Rückfallbremse. Wenn der Träger der Beinprothese stolpert, so kann durch die sich unmittelbar aufbauende Dämpfung ein Einklappen des Unter schenkelteils frühzeitig verhindert werden.

Die Steuereinheit, die Sensoren und das Dämpfungselement sind, wie beschrieben, in einem Regelkreis miteinander ver bunden, d. h. es erfolgt eine Einstellung der Dämpfung während des Gehens. Dies hat gegenüber einer herkömmlichen Prothesen steuerung den Vorteil, daß die Einstellung der Prothesenfunk tionen unmittelbar in Abhängigkeit von dem natürlichen Gang verhalten des Prothesenträgers erfolgt.

Insbesondere hat die beschriebene Beinprothese unter Verwen dung des beschriebenen Algorithmus den Vorteil, daß die Pro these nicht unter Auswahl eines definierten Gangverhaltens aus vielen zuvor ermittelten Gangverhalten für einen Prothe senträger angesteuert wird, sondern daß eine Nachregelung der vorbestimmten Werte für ein definiertes Gangverhalten er folgt. Die Prothese paßt sich damit flexibel dem augenblick lichen Gangverhalten an und es ist ein nahezu natürlicher Gang möglich. Außerdem wird durch die Nachregelung der Steuer parameter für verschiedene Geschwindigkeiten eine Anpassung der Prothesensteuerung an geänderte Umstände, wie beispiels weise geändertes Gewicht des Prothesenträgers oder die Ver wendung eines anderen Fußteiles oder eines anderen Schuhes ermöglicht.

Abgewandelte Ausführungsformen sind denkbar. Es können weni ger oder mehr als die oben beschriebenen Sensoren vorgesehen sein.

Anstelle einer Kolben-Zylindereinrichtung mit einem in dem Zylinder axial verschiebbaren Kolben kann auch eine Kolben- Zylindereinrichtung mit einem Drehkolben verwendet werden, der beispielsweise mit Schaufeln versehen ist, die in Abhän gigkeit von der Viskosität der magneto-rheologischen Flüssig keit einen bestimmten Widerstand im Zylinder erfahren. Die Kolbenstange ist dabei mit einer Drehwelle des Kniegelenks verbunden.

Die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf eine Beinpro these mit einem Hydraulikzylinder mit einer magneto rheologischen Flüssigkeit als Dämpfungselement, sondern es können auch herkömmliche Hydraulikzylinder eingesetzt werden, bei denen sich die Dämpfung über ein Bypassventil zwischen den Kammern einstellen läßt. Die Steuerung der Ventilöffnung erfolgt dann beispielsweise über Schrittmotoren.

Claims

1. Beinprothese mit
einem Oberschenkelteil (1) und einem Unterschenkelteil (2) und einem die beiden verbindenden Kniegelenk (3), wobei das Kniegelenk (3) ein Dämpfungselement (6) zum Steuern der Knie gelenksbewegung aufweist und mit einer Einrichtung (S1) zum Erfassen des Kniewinkels und einer Einrichtung (S4-S7; S8, S8', S9, S9') zum Erfassen der auf die Prothese wirkenden Kraft
und einer Steuerung zum Steuern des Dämpfungselements (6) in Abhängigkeit von Werten für den Kniewinkel und für die Kraft, gekennzeichnet durch
eine Regelvorrichtung (10), die in Abhängigkeit von erfaßten Werten für den Kniewinkel und die Kraft die Steuerung des Dämpfungselements entsprechend dem Gangverhalten regelt.

2. Beinprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Dämpfungselements derart ausgebildet ist, daß sie das Dämpfungselement (6) in Abhängigkeit von zu vor für den jeweiligen Prothesenträger für verschiedene Gang geschwindigkeiten ermittelten Steuerparametern (P) steuert und die Regelvorrichtung derart ausgebildet ist, daß die Pa rameter in Abhängigkeit von dem Gangverhalten nachgeregelt werden.

3. Beinprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, daß ei ne Nachregelung unter der Bedingung erfolgt, daß ermittelte Ist-Schrittwerte von vorgegebenen Soll-Schrittwerten, die für jeden Prothesenträger gleich sind, abweichen.

4. Beinprothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Schrittwerte definiert sind als ein maximaler Kniewinkel und eine Streckvoreilzeit, die die Zeit zwischen einem Extensionsanschlag und einem Aufsetzen der Ferse inner halb eines Schrittes ist.

5. Beinprothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Kniewinkel im Bereich zwischen 55° und 60° liegt.

6. Beinprothese nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Streckvoreilzeit im Bereich von 0,06 bis 0,1 Sekunden liegt.

7. Beinprothese nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerparameter (P) einen Extensions dämpfungsverstärkungsfaktor (Ed) und einen Flexionsdämpfungs verstärkungsfaktor (Fd) beinhalten, in Abhängigkeit von wel chen das Dämpfungselement (6) jeweils für den Fall der Fle xion oder der Extension auf einen bestimmten Dämpfungswert eingestellt wird.

8. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (6) als MRF-Zylinder (Magneto-Rheologischer Fluid-Zylinder) ausgebildet ist.

9. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erfassen des Kniewin kels einen im Kniegelenk vorgesehenen Kniewinkelsensor (S1) umfaßt.

10. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (S4 bis S7; S8, S8', S9, S9') zum Erfassen der auf die Prothese wirkenden Kraft eine Einrichtung zum Erfassen der Gesamtkraft und eine Einrichtung zum Erfassen der Biegekraft aufweist.

11. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterschenkelteil (2) ein Schienbein teil (4) und ein Unterschenkelrohr (9) aufweist und daß die Einrichtung zum Erfassen der Kraft wenigstens zwei im Unter schenkelrohr vorgesehene Kraftsensoren (S8, S8') aufweist.

12. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterschenkelteil (2) ein Schienbein teil (4) aufweist, und daß wenigstens zwei Kraftsensoren (S9, S9') in Form von DMS-Sensoren in das Material des Schienbein teiles integriert sind.

13. Beinprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelvorrichtung (10) am Unterschen kelteil (2) der Beinprothese vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Steuern einer Beinprothese mit einem Ober schenkelteil (1) und einem Unterschenkelteil (2) und einem die beiden verbindenden Kniegelenk (3), wobei das Kniegelenk (3) ein Dämpfungselement (6) zum Steuern der Kniegelenksbewe gung aufweist und mit einer Einrichtung (S1) zum Erfassen des Kniewinkels und einer Einrichtung (S4-S7; S8, S8', S9, S9') zum Erfassen der auf die Prothese wirkenden Kraft, wobei das Dämpfungselement (6) in Abhängigkeit von Werten für den Knie winkel und für die Kraft in Abhängigkeit von zuvor für den jeweiligen Prothesenträger für verschiedene Ganggeschwindig keiten ermittelten Steuerparametern (P) in Abhängigkeit von der Schrittgeschwindigkeit gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerparameter (P) angepaßt an das Gangverhalten nachgeregelt werden.

15. Verfahren zum Steuern einer Beinprothese nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß während jeden Schrittes mit der Prothese die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt wer den:

a) Bestimmen einer voraussichtlichen Schrittgeschwindig keit;
b) Bestimmen von Ist-Schrittwerten, die das augenblick liche Gangverhalten kennzeichnen;
c) Vergleich der Ist-Schrittwerte mit vorgegebenen Soll- Schrittwerten;
d) Ändern der Steuerparameter (P) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs der Ist-Schrittwerte mit den Soll-Schrittwerten.

16. Verfahren zum Steuern einer Beinprothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Soll-Schrittwerte den ma ximalen Kniewinkel und die Streckvoreilzeit umfassen, wobei die Streckvoreilzeit die Zeit zwischen einem Extensionsan schlag und einem Aufsetzen der Ferse ist, und wobei die Soll- Schrittwerte für jeden Prothesenträger gleich sind.

17. Verfahren zum Steuern einer Beinprothese nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Kniewinkel im Bereich von 55° bis 60° liegt und die Streckvoreilzeit im Bereich von 0,06 bis 0,1 Sekunden liegt.