DE202005007949U1

DE202005007949U1 - Einlage sowie Orthese

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Publication number: DE202005007949U1
Application number: DE200520007949
Authority: DE
Original assignee: FRIEDRICH GEORG STREIFENEDER K; FRIEDRICH GEORG STREIFENEDER KG
Current assignee: FRIEDRICH GEORG STREIFENEDER K; FRIEDRICH GEORG STREIFENEDER KG
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2015-05-21
Also published as: DE202004008417U1

Abstract

Einlage als orthopädisches Produkt, die insbesondere eine einem wesentlichen Teil einer Fußform angenäherte Oberseite aufweist und flächig ausgebildet ist und aus einem hartelastischen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) einen elektrischen Schaltkreis, einen Mikroprozessor oder ein ASIC (22) aufweist, und mit einer Spannungsquelle und mit mindestens einem Sensor verbunden ist, mit welchem die Verformung und/oder die Belastung der Einlage (10), insbesondere die Verformungs- und/oder Belastungskurve, erfassbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einlage, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Orthese gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 23.
Es sind Orthesen bekannt, bei denen die von der Orthese gestützte oder geförderte Bewegung motorisch unterstützt wird. Ein Beispiel für eine derartige Orthese ist aus der EP-0 510840 A1 ersichtlich. Bei einer derartigen Orthese wird der Elektromotor zur Therapieunterstützung eingesetzt. Ein derartiger Elektromotor erfordert jedoch die Verwendung von Energiequellen, in der Regel also Batterien, nachdem eine Orthese mobil eingesetzt werden muss. Batterien haben typischerweise begrenzte Energiespeicherfähigkeiten, die eine versorgungsunabhängige Speisung des Elektromotors über einen längeren Zeitraum hinweg verhindert. Derartige Lösungen sind daher eher für die Bewegung eines Patienten in einem Therapieraum und zur Diagnose geeignet.
Fußorthesensysteme sind regelmäßig durch die Bewegung des Patienten in Verbindung mit dessen Gewicht einer erheblichen Belastung unterworfen. Typischerweise besteht eine Orthese, aber auch eine Einlage, aus einer Metalllegierung, aus Holz oder mindestens teilweise aus Kunststoff. Durch geeignete Dimensionierung und Materialwahl wird versucht, die kinematischen Eigenschaften eines natürlichen Beines oder Fußes soweit wie möglich anzunähern. Gerade bei muskulären Defiziten des Patienten gelingt dies lediglich in unbefriedigender Weise, so dass die Hersteller von Orthesen, gerade aber auch von Prothesen, die für das Gehen erforderliche Kraft soweit wie möglich zu reduzieren.
Hierzu ist es bespielsweise bekannt, mit recht harten Materialien zu arbeiten, um die Reduktion der eingebrachten Bewegungsenergie so gering wie möglich zu halten. Andererseits beansprucht eine zu geringe Dämpfung die Gelenke, so dass häufig zusätzliche Dämpfungselemente eingebaut werden, die den erforderlichen Energieaufwand erhöhen.
Ein weiterer Nachteil der bislang verwendeten Orthesen, Prothesen sowie Einlagen besteht darin, dass der Benutzer oder Patient häufig nicht zum ermüdungsfreien oder ermüdungsarmen Gehen über einen längeren Zeitraum in der Lage ist.
Häufig ist die betreffende Orthese einseitig vorgesehen, und unterschiedliche Geheigenschaften des Beines mit der Orthese gegenüber dem Bein ohne die Orthese tragen zur Ermüdung bei.
Ferner ist es bereits an sich bekannt geworden, über Piezokristalle Schwingungen beispielsweise bei Tennisschlägern zu beeinflussen. Ein Tennisschläger hat eine Eigenfrequenz von etwa 200 Hz, und durch die geeignete Beschaltung des Piezoelements lässt sich die Frequenz und das Dämpfungsverhalten des Tennisschlägers beeinflussen, um eine Optimierung des Schwingungsverlaufs während der Berührungsphase zwischen dem Tennisball und dem Tennisschläger zu erzielen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Einlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise eine entsprechende Orthese gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 18 zu schaffen, die die Voraussetzung schafft, ein besser angepasstes und insbesondere ermüdungsärmeres Gehen über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist eine Einlage mit einem elektrischen Schaltkreis, der auch einen Mikroprozessor und/oder ein ASIC umfassen kann, ausgestattet. Mit einer Spannungsquelle und einem Sensor, die bevorzugt durch ein Verformungselement wie ein Piezoelement gebildet sind, lässt sich die Verformung und/oder die Belastung der Einlage dynamisch erfassen.
Typischerweise erfährt die Einlage während eines Schrittes des Benutzers eine Verformung, und zwar sowohl in der Abdrückphase als auch in der Auftreffphase des betreffenden Schrittes. Während der Abdrückphase nimmt die Belastung zunächst – ausgehend von der Gewichtsbelastung – bis zur Maximallast, zu um dann bis zur Nulllast abzufallen. Während der Auftreffphase nimmt die Belastung von der Nulllast ausgehend bis zur Maximallast steil zu, um dann auf die Gewichtsbelastung abzufallen. Die Relativhöhe zwischen Maximallast und Gewichtsbelastung hängt stark von dem je betreffenden Schritt ab und ist insbesondere beim Laufen deutlich höher als beim Gehen.
Während für die Weiterleitung der erforderlichen Schnellkraft während der Abdrückphase die Maximallast mindestens nicht deutlich reduziert werden sollte bzw. höchstens die Belastung zeitlich vergleichmäßigt werden sollte, ist es für die Auftreffphase zur Vermeidung hoher Gelenkbelastung der Patienten günstig, wenn die Maximallast reduziert wird. Dies umsomehr, da eine Einlage typischerweise wesentlich steifer als eine Schuhsohle ist, so dass ein Einlagenträger normalerweise höhere Gelenkbelastungen erfährt.
Die Belastungsreduktion lässt sich erfindungsgemäß mit dem Verformungselement und dem elektrischen Schaltkreis realisieren.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, wenn die Erfassung der Verformung und Belastung der Einlage einhergeht mit einer Vergleichmäßigung der Belastungskurve während der Auftreffphase. Typischerweise sollte in der Abdrückphase des Schritts die Einlage nicht stark einfedern, da ansonsten der Einlagenträger lediglich unnötig Kraft verbraucht. Hingegen ist es günstig, wenn in der Auftreffphase die Belastungsspitze abgebaut und die Belastung vergleichmäßigt wird. Erfindungsgemäß ist es dementsprechend vorgesehen, dass die jeweiligen Belastungszustände erfasst werden und insbesondere während der Auftreffphase der Pufferspeicher oder Energiespeicher über das erfindungsgemäße Verformungselement, das beispielsweise als Piezoelement ausgebildet sein kann, aufgeladen und dannach unter Abmilderung der Belastungsspitze die abgespeicherte elektrische Energie wieder in mechanische Energie umgewandelt und insofern die Energie wieder abgegeben wird.
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn das erwünschte Belastungsreduktionsverhalten an die Wünsche und Erfordernisse des Einlagenträgers anpassbar ist. Dies lässt sich besonders einfach dadurch realisieren, wenn anstelle eines einfachen elektrischen Schaltkreises ein Mikroprozessor oder ein ASIC verwendet wird, der durch drahtlose Kommunikation einstellbar ist.
Als Energiespeicher kommt ein beliebiges geeignetes elektrisches Energiespeichermedium, beispielsweise ein Kondensator oder ein Akkumulator, in Betracht, wobei die Spannungsversorgung des elektrischen Schaltkreises, Mikroprozessors oder ASIC entweder ebenfalls durch den Energiespeicher realisierbar ist, oder zusätzlich eine kleine Batterie, etwa in Form einer Knopfzelle – vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, als Verformungselement ein Piezoelement zu verwenden. Ein derartiges Piezoelement lässt sich bevorzugt so einbauen, dass die maximale Durchbiegung der Einlage, also die Durchbiegung der Längsrichtung, auf das Piezoelement wirkt, so dass die Wirkung des Elements als Spannungsquelle und Sensor einerseits, aber auch als Aktor andererseits, sich auf den Schritt, den der Einlagenträger durchführt, intensiv auswirkt.
Bevorzugt ist das Piezoelement in Form von piezo-elektrischen Fasern, die an sich bekannt sind, ausgebildet. Durch Verlängerung und Verkürzung einer derartigen Faser wird die Spannung erzeugt, und erfindungsgemäß bevorzugt ist es, die piezoelektrischen Fasern deutlich außerhalb der sogenannten neutralen Faser der Einlage der Faser vorzusehen, also etwa auf der Einlagenoberseite und/oder der Einlagenunterseite.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, anstelle einer linearen Durchbiegung eine Verdrehung der Einlage zu erzeugen, wodurch der Gang des Einlagenträgers je nach Vorgabe des die Einlage verordnenden Orthopädens erleichtert wird und ggf. auch eine Harmonisierung des Gangbildes erzeugt wird.
Die erfindungsgemäße Einlage kann bei den bekannten orthopädischen Indikationen eingesetzt werden, speziell bei Pronation, Supination, Dorsialflexion und Plantarflexion, wobei es auch möglich ist, die an einer Stelle gewonnene Energie auszunutzen, um eine Unterstützung an einer anderen Stelle der Einlage zum orthopädische zutreffenden induzierten Zeitpunkt des Bewegungsablaufs bereitzustellen.
Besonders günstig ist es, dass durch die Energieaufnahme und Energieabgabe durch das erfindungsgemäße Piezoelement, bevorzugt in Form der piezoelektrischen Fasern, zugleich auch der Verformungswiderstand der Einlage über den elektrischen Schaltkreis dynamisch gesteuert wird. Je nach erwünschtem Verformungswiderstand wird insofern die Verformung erschwert oder gefördert.
Erfindungsgemäß ist es besonders günstig, wenn eine vergleichsweise harte Einlage aus Kunststoff mit Karbonfasern mindestens im Bereich der neutralen Faser realisiert ist. Dort sind eine oder mehrer Gewebeschichten realisiert und die Oberseite und die Unterseite der Einlage ist durch die erfindungsgemäßen piezoelektrischen Fasern, die gerade verlaufen, also nicht gewebt sind, bereitgestellt.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, dass durch die Bereitstellung eines mit einem Sensor verbundenen Mikroprozessors oder ASIC's, also eines kundenspezifischen Schaltkreises, die Möglichkeit eröffnet wird, die Bewegungsparameter zu erfassen und damit auch gegebenenfalls zu steuern. Durch die Realisierung eines Sensors lässt sich zunächst die Verformung der Einlage oder Orthese erfassen, so dass die Verformung für die Diagnose erfasst werden kann und festgestellt werden kann, ob eine richtige Einstellung vorliegt.
Durch die Realisierung einer dämpfungsarmen Einlage ist gewährleistet, dass die eingebrachte Bewegungsenergie so vollständig wie möglich beim Ausfedern zur Verfügung gestellt wird, so dass der die Einlage tragende Patient auch über längere Strecken ermüdungsarm gehen kann. Die Einlage wirkt hier als gesteuerter Energiespeicher, und es besteht auch die Möglichkeit, durch die Verwendung eine Piezoelements die durch die Verformung eingebrachte Energie zu speichern und beim Ausfedern wieder abzugeben. Auch hier ist die Verwendung eines Sensors zur Erfassung der Einfederphase und der Ausfederphase sinnvoll.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einlage in schematischer perspektivischer Darstellung;
2 eine Seitenansicht der Einlage in der Ausführungsform gemäß 1;
3 eine Unteransicht der Einlage in der Ausführungsform gemäß 1 und 2;
4 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einlage;
5 ein Diagramm der von dem erfindungsgemäßen Sensor zu erfassenden Vertikalkraft bei einer relativ raschen Schrittbewegung eines Einlagenträgers;
6 eine schematische Ansicht der Vertikal-, der Vorwärts-/Rückwärtskraft und der Seitwärtskraft eines Einlagenträgers bei langsamer Bewegung; und
7 eine Darstellung der Vertikalkraft eines Einlagenträgers bei einer Hüpfbewegung auf einem Meßbett; und
8 ein schematischer elektrischer Schaltkreis für eine erfindungsgemäße Einlage.
Die in 1 dargestellte Einlage 10 ist von ihrer Form her in an sich bekannter Weise ausgebildet. Sie besteht aus Kunststoff, der durch ein mehrlagiges Karbonfasergewebe verstärkt ist. Ein derartiges Material hat einen recht hohen Verformungswiderstand und ist zwar elastisch, hat jedoch eine recht geringe Dämpfung.
Erfindungsgemäß ist an zentraler Stelle und über deutlich mehr als der Hälfte der Länge der Einlage 10 eine Aussparung 12 an der Unterseite der Einlage vorgesehen. Die Aussparung 12 ist großflächig und erstreckt sich beispielsweise über ein Drittel oder zwei Drittel der Einlage an dieser Stelle. Die Aussparung 12 ist oben durch eine durchgehende aber dünne Kunststoffsicht abgedeckt, so dass der dort aufliegende Fuß des Patienten die Aussparung 12 nicht spürt. Die Aussparung 12 nimmt ein Piezoelement 14 auf, dass in 2 und 3 dargestellt ist.
Der Verformungswiderstand des Piezoelements 14 in spannungsfreiem Zustand ist vergleichsweise gering, so dass insgesamt die Durchbiegung der erfindungsgemäßen Einlage 10 mit der Aussparung leichter möglich ist, als wenn ein durchgehendes Karbonfasergewebe, also ohne Aussparung, vorgesehen wäre.
Durch die hier dargestellte Maßnahme wird zunächst die Möglichkeit eröffnet, eine bessere einfedernde Einlage 10 bereitzustellen. Das Piezoelement 14 als aktives Element erlaubt es, die durch Verformung eingebrachte Energie einerseits zu erfassen und andererseits eine Spannung abzugeben, wobei die Spannung und der zugehörige Strom in einem Pufferspeicher abgespeichert werden kann.
Für das Unterstützen des Ausfederns wird das Piezoelement 14 mit einer entsprechenden Spannung aus dem Energiespeicher beaufschlagt, so dass es die Ausfederung unterstützt.
Um die erwünschte Funktion gesteuert bereitstellen zu können, sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel – wie es aus 3 ersichtlich ist – Sensoren 16, 18 und 20 an der Unterseite der Einlage vorgesehen. Die Sensoren können als Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sein, die sich beim Einfedern der Einlage dementsprechend längen und beim Ausfedern verkürzen.
Während bei dieser Ausführungsform separate Sensonsen 16 bis 20 vorgesehen sind, versteht es sich, dass anstelle dessen auch die Möglichkeit besteht, die von dem Piezoelement 14 abgegebene Spannung auszuwerten und insofern dieses Element als Sensor agieren zu lassen.
Die erforderliche Steuerung wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen ASIC 22 realisiert, der über nicht dargestellte, in die Einlage integrierte gedruckte Leitungen mit den Sensoren 16 bis 20 verbunden ist. Beim Einbringen der Leitungen ist zu berücksichtigen, dass sich die Einlage durchbiegt. Daher ist es nicht ausreichend, die gedruckten Leiterbahnen kurzerhand auf der Unterseite der Einlage zu realisieren. Vielmehr ist es erfindungsgemäß bevorzugt, die Leiterbahnen in der neutralen Faser vorzusehen, so dass die erfindungsgemäße Einlage bevorzugt an der Art einer mehrschichtigen Leiterplatte (Multilayer) realisiert ist.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Einlage mit verschiedenen Sensoren realisiert, wobei anstelle der Durchbiegungssensoren auch Belastungssensoren realisiert werden können. In diesem Fall wird bevorzugt die Fersenbelastung und die Ballenbelastung je separat erfasst. Auch durch die Erfassung dieser Belastungsgrößen, die durch Drucksensoren realisierbar ist, lässt sich der Gehvorgang des Patienten bestimmen und die erwünschte Bereitstellung der Daten des Gehvorgangs realisieren.
In bevorzugter Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, dass die erfassten Bewegungsparameter in dem ASIC 22 in Datenform gespeichert werden. Um die Übermittlung für die Patientendiagnose zu bestimmen, ist es in diesem Zusammenhang günstig, wenn der ASIC 22 mit einer Einheit für die drahtlose Kommunikation ausgerüstet ist, so dass erfasste Daten dem Orthopäden oder Orthopädietechniker übermittelt werden können und hierbei nach Bedarf eine Anpassung der Einlage an den Patieten in der gewünschten Weise vorgenommen werden kann.
Für die Spannungsversorgung der elektrischen Einheiten ist bevorzugt zusätzlich – unabhängig von dem Pufferspeicher – eine recht klein dimensionierte Batterie, etwa in Form einer Knopfzelle, vorgesehen, die ebenfalls in die Einlage integriert werden kann und hier nicht dargestellt ist.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Einlage in einer anderen Weise ausgebildet. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform weist die Einlage 10 im Bereich der sogenannten neutralen Faser 24 Karbonfasergewebe 26 auf, das in an sich bekannter weise mit Harz getränkt ist und mehrlagig und steif ausgebildet ist.
An der Oberseite 28 und der Unterseite 30 der Einlage sind diese flächig bedeckend piezoelektrische Fasern 32 und 34 vorgesehen.
Die Haupt-Lagen der piezoelektrischen Fasern erstrecken sich in Längsrichtung der Einlage, aber bevorzugt ist auch eine Schicht in Querrichtung vorgesehen. Der Einfachheit halber zeigt der in 8 dargestellte Schaltkreis lediglich ein Piezoelement, wobei in der Praxis aber mehrere piezoelektrische Fasern ein Piezoelement bilden, und mehrere Piezoelemente vorgesehen sind, wobei mehrere Piezoelemente mit entsprechender Beschaltung – allerdings unter Verwendung des gleichen Microprozessors oder ASIC – realisiert werden können.
Bei Durchbiegung der Einlage ändert sich die Länge der neutralen Faser nicht, hingegen werden die piezoelektrischen Fasern 32 gestaucht und die piezoelektrischen Fasern 34 gedehnt. In beiden Fällen entsteht dadurch endseitig je eine Spannung, und die piezoelektrischen Fasern lassen sich als Spannungsquelle verwenden.
Wenn die Spannung, die die piezoelektrischen Fasern abgeben, kurzgeschlossen wird, wirkt ein derartiger Kurzschluss aussteifend auf die Einlage, so dass sich ihr Verformungswiderstand erhöht.
Andererseits kann auch eine Spannung – sei es positiv oder sei es negativ – auf die piezoelektrischen Fasern eingeleitet werden, so dass sie als Aktor wirken und die Einlage entsprechend verformen. Auch dieser Effekt lässt sich erfindungsgemäß ausnutzen, wobei der Einfachheit halber in dem schematischen Schaltbild gemäß 8 lediglich die Beaufschlagung mit positiver Spannung dargestellt ist. Es versteht sich, dass mit an sich bekannten einfachen elektrischen Mitteln auch eine Beaufschlagung mit negativer Spannung realisierbar ist, nämlich indem der Energiespeicher, der als Kondensator ausgebildet ist, über Schalttranssistoren so verbunden wird, dass sein Pluspol mit Masse verbunden ist, so dass an seinem Minuspol negative Spannung bereitgehalten wird.
Auch wenn in 4 das Karbonfasergewebe 26 lediglich einlagig dargestellt ist, versteht es sich, dass in der Praxis eine mehr lagige Ausgestaltung nicht nur wünschenswert, sondern auch erforderlich ist. Bevorzugt ist eine gerade Anzahl von Gewebeschichten vorgesehen und in der Mitte der Gewebeschichten, also wiederum in der neutralen Faser 24, verlaufen nicht dargestellte Leiterbahnen für den Anschluss des Verformungselements 14 an den elektrischen Schaltkreis.
Bei dieser Ausführungsform wirkt das Piezoelement 14 insofern sowohl als Spannungsquelle als auch als Sensor.
Aus 5 die Gewichtsbelastung F während eines Laufschrittes eines Einlagenträgers dargestellt. Ausgehend von der Gewichtsbelastung G nimmt die aufgebrachte Vertikalkraft bis zur Maximallast 40 zu. Der Einlagenträger drückt sich zu diesem Zeitpunkt mit maximaler Kraft ab, wobei zu diesem Zeitpunkt die gesamte Kraft über den Zehen-Ballenbereich und die Zehen aufgebracht wird. Hieran anschließend nimmt die aufgebrachte Kraft recht rasch ab, da der Fuß sich von der Unterlage ablöst. Diese Abdrückphase 42 wird erfindungsgemäß per Sensor erfasst, wobei auch der Energiespeicher aufgeladen wird. Wie vorstehend erläutert, wird die Klemmenspannung der piezoelektrischen Fasern 32 und 34 belastet, so dass zum einen der Energiespeicher aufgeladen und zum anderen die Einlage weniger elastisch wird.
Während der Schwebephase 44 verbleibt die Ladung auf dem Energiespeicher gepuffert. Hieran schließt sich die Auftreffphase 46 an, in welcher die ohne Beeinflussung aufgebrachte Maximallast 48 wieder erreicht wird, und zwar nach einem relativ steilen Anstieg. Hier erfolgt die Krafteinleitung typischerweise über die Ferse des Einlagenträgers. Nachdem der Fuß abgerollt ist, stellt sich die Belastung erneut auf die Größe entsprechend der Gewichtsbelastung durch den Einlagenträger ein.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, den die Gelenke beanspruchenden Aufprall im Bereich der Auftreffphase 48 zu beeinflussen. Für den Patienten oder Einlagenträger stellt die über die Ferse eingeleitete Belastung eine höhere Gelenkbelastung dar, da die Ferse weniger als die Zehenballen einfedert.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird nun die im Zwischenspeicher gespeicherte Energie ausgenutzt und über das Piezoelement 14 die Einlage verformt, so dass die Auftreffphase weicher gemacht wird und die aufzunehmende Kraft über einen längeren Zeitpunkt verteilt wird. Hierdurch sinkt zugleich die eingeleitete Maximallast, was in 5 mit der gestrichelt dargestellten Kurve 50 angedeutet ist.
Auch wenn hier lediglich beispielshaft die Vertikallast der Einfachheit halber dargestellt ist, versteht es sich, dass in der Praxis neben der Vertikallast auch eine Horizontalbelastung und auch eine Seitwärtsbelastung erfolgt und von der Einlage bzw. dem Schuh des Patienten abgefangen werden muss. Dies ist in 6 schematisch dargestellt. Hier zeigt die Kurve 52 wiederum die aufgebrachte Vertikallast, entsprechend dem Pfeil 54. Zum Zeitpunkt 1. trifft der Fersenballen in dem dort dargestellten Schritt auf der Unterlage auf, und zum Zeitpunkt 2. ist das gesamte Gewicht des Einlagenträgers auf dem betrachtetem Fuß, der zusätzlich die dynamische Schrittbelastung aufnimmt.
Zum Zeitpunkt 3. erfolgt Belastung des Fußes des Patienten in vertikaler Richtung mit seinem Gewicht, so dass eine geringere Vertikallast als zum Zeitpunkt 2. eingeleitet wird. Die Zeitbereiche 1. und 2. stellen insofern die Auftreffphase, einschließlich des Abrollens, dar. Hingegen ist im Zeitpunkt der Beginn der Abdrückphase dargestellt. Hier nimmt die Vertikallast erneut zu, um das Abdrücken zu bewerkstelligen.
Aus dem Vergleich der 5 und 6 ergibt sich, dass bei den in 6 dargestellten Schritt die Kraftzunahme zwischen Gewichtsbelastung und Maximallast geringer ist. Dies entspricht einem vorsichtigen Schritt, der eine geringere dynamische Belastungszunahmen erfordert. Während der Schwebephase nach der Abdrückphase ist die Gewichtsbelastung des betrachteten Fußes erneut auf null reduziert.
In punktierter Darstellung ist eine Kurve 56 dargestellt, die die Gewichtsbelastung des anderen Fußes des Patienten zeigt.
Die Kurve 58 zeigt die Vorwärts/Rückwärtsbelastung des Fußes des Patienten, entsprechend dem Pfeil 60, und die Kurve 62 zeigt die Seitwärtsbelastung entsprechend dem Pfeil 64. Auch hier sind wieder entsprechende Kurve 66 bzw. 68 für den anderen Fuß punkiert dargestellt. Die Messung erfolgt auf einer Meßplatte 70, wie es in 6 rechts oben schematisch dargestellt ist.
Aus 7 ist eine weitere Belastungskurve der Vertikalkraft ersichtlich. Diese Belastungskurve entsteht bei einem Sprung auf der Meßplatte 70 gemäß 6. Hier werden beide Füße im Wesentlichen gleichmäßig belastet. Die Gewichtsbelastung zum Zeitpunkt T₀ entspricht dem Ruhezustand des Einlagenträgers. Zum Zeitpunkt T₁ beginnt der Einlagenträger in die Hocke zu gehen, um den Sprung vornehmen zu können. Zum Zeitpunkt T₂ ist der Tiefpunkt der Hocke erreicht, und von diesem Zeitpunkt an drückt der Einlagenträger sich zum Sprung ab, so dass die Kraft entsprechend der Kurve 72 zunimmt. Die Maximallast ist zum Zeitpunkt T₃ in der Höhe bei Punkt 74 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt haben die Zehen des Einlagenträgers die Unterlage noch nicht verlassen. Sie drücken nach, so dass noch Kraft aufgebracht wird, bis zum Zeitpunkt T₄ der Sprung beginnt. Bis zum Zeitpunkt T₅ ist die Belastung dementsprechend auf Null reduziert.
Mit dem Zeitpunkt T₅ wird die Auftreffphase eingeleitet, und es ist ersichtlich, dass bei einem Sprung die eingeleitete Maximallast 76 deutlich höher als die Maximallast 74 während der Auftreffphase ist. Es entsteht eine kurzfristige Belastungsspitze, die in jeder Beziehung für die Gelenke des Einlagenträgers sehr belastend ist, während die Belastung entsprechend dem Verlauf im Bereich 78 abnimmt und durch das Einfedern des Patienten bei 80 auch eine Last unterhalb seiner Gewichtsbelastung erreicht wird. Die Ruhelage ist zum Zeitpunkt T₆ wieder erreicht.
Es ist ersichtlich, dass es wünschenswert wäre, die stark gelenkbelastende Maximalbelastung 76 erneut abzutragen. Dies lässt sich mit der erfindungsgemäßen Einlage in der hier dargestellten Ausführungsform realisieren.
In 8 ist ein entsprechender Schaltkreis dargestellt. Das in 8 dargestellte Piezoelement 14 dient bei der hier dargestellten Ausführungsform zugleich als Spannungsquelle und als Sensor. Es ist mit einem elektrischen Schaltkreis 82 verbunden, der unter anderem den Mikroprozessor 22 aufweist. Hierzu wird ein Anschluss des Verformungselements 14 mit Masse 84 verbunden. Zur Speicherung der von dem Piezoelement 14 abgegebenen Energie ist der anderer Anschluss über einen Widerstand 86 und eine Diode 88 mit einem Kondensator 90 verbunden. Über eine Zenerdiode 92 wird die maximal in dem Kondensator als Pufferspeicher oder Energiespeicher gespeicherte Spannung begrenzt. Die Zenerdiode 92 dient zugleich zur Bereitstellung einer Referenzspannung über den Spannungsteiler mit den Widerständen 94 und 96.
Die Spannung des Verformungselements 14 wird über einen Differenzverstärker 98 die sie mit der Referenzspannung vergleicht, weitergeleitet, wobei in der Praxis auch hier wiederum ein Spannungsteiler-Widerstandsnetzwerk vorgesehen ist, das aus Gründen der Einfachheit der Darstellung nicht eingezeichnet ist.
Das insofern erfasste Sensorsignal über einen A/D-Wandler 100 digitalisiert und der Mikroprozessor 22 zugeleitet. Über eine Diode 102 wird aus der Spannung am Kondensator 90 zugleich die Versorgungsspannung für den A/D-Wandler 100 und den Mikroprozessor 22 gewonnen; zusätzlich ist eine ebenfalls über eine Diode 104 angeschlossene Knopfzelle 106 vorgesehen, die auch dazu dient, die von dem Mikroprozessor in seinem Zwischenspeicher 108 abgespeicherten Daten zu sichern. Über eine drahtlose Kommunika tionseinheit 110 lässt sich der Mikroprozessor steuern und programmieren, um den gewünschten Bewegungsablauf zu realisieren.
Der Mikroprozessor 22 ist ferner an einen Verstärker 112 angeschlossen, der ein Leistungssteuerelement 114, das hier als Transistor dargestellt ist, ansteuert. Das Leistungs-Steuerelement 114 leitet die aus dem Kondensator 90 gewonnene Energie dem Verformungselement 14 zu, um gesteuert von dem Mikroprozessor 22 die erwünschte Verformung – sei es in positiver oder in negativer Richtung, einzuleiten.
In einer weiter modifizierten Ausgestaltung ist zwischen der Diode 88 und der Zenerdiode 92 ein weiterer Leistungstransistor vorgesehen, der von Mikroprozessor 22 gesteuert wird. Hierdurch lässt sich auch der Aufladevorgang des Energiespeichers 90 steuern.

Claims

Einlage als orthopädisches Produkt, die insbesondere eine einem wesentlichen Teil einer Fußform angenäherte Oberseite aufweist und flächig ausgebildet ist und aus einem hartelastischen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) einen elektrischen Schaltkreis, einen Mikroprozessor oder ein ASIC (22) aufweist, und mit einer Spannungsquelle und mit mindestens einem Sensor verbunden ist, mit welchem die Verformung und/oder die Belastung der Einlage (10), insbesondere die Verformungs- und/oder Belastungskurve, erfassbar ist.
Einlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Piezoelement (14) als Verformungselement in oder an der Einlage (10) vorgesehen ist, das die Spannungsquelle und den Sensor bildet.
Einlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement gesteuert durch den elektrischen Schaltkreis, den Mikroprozessor oder das ASIC (22) eine Verformungskraft auf die Einlage (10) ausübt.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Spannungsquelle übernommene und dem Sensor erfasste Verformungsenergie zu einem späteren Zeitpunkt während des Bewegungsablaufs des Einlagenträgers mindestens teilweise, gesteuert durch den elektrischen Schaltkreis, den Mikroprozessor oder das ASIC (22), abgebbar ist.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) einen Pufferspeicher oder Energiespeicher aufweist, der bei Verformung unter Belastung der Einlage (10) aufladbar ist.
Einlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Energieaufnahme in dem Energiespeicher die Verformung der Einlage (10) beim Einfedern reduziert wird.
Einlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der in dem Energiespeicher aufgenommene Energie während der Bewegung der Einlage (10) unter Belastung und/oder Entlastung abgebbar ist.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pufferspeicher oder Energiespeicher der durch die Verformungsenergie über das Verformungselement, das die Spannungsquelle und den Sensor bildet, aufladbar ist, den elektrischen Schaltkreis, den Mikroprozessor oder das ASIC (22) zusätzlich oder ausschließlich mit Spannung versorgt.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement, insbesondere also das Piezoelement (14), an der Unterseite der Einlage (10), insbesondere unter dem Fußspann, angeordnet ist und fest mit der Einlage (10) verbunden ist.
Einlage nach einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (16, 18, 20) über die Einlage (10) verteilt sind, insbesondere ein Längsbiegesensor, ein Fersenbelastungssensor und ein Ballenbelastungssensor.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schaltkreis, Mikroprozessor oder ASIC (22) die Druckbelastung und/oder Verformung der Einlage (10) erfasst und die Abgabe der Bewegungsenergie durch das Verformungselement steuert.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem elektrischen Schaltkreis, Mikroprozessor oder ASIC (22) erfassten Bewegungsparameter der Einlage (10) in einem Zwischenspeicher des Mikroprozessors oder ASIC (22) abspeicherbar und für die Diagnose erfassbar sind.
Einlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss des elektrischen Schaltkreises, Mikroprozessors oder ASIC (22), insbesondere ein drahtloser Anschluss, vorgesehen ist, über welchen durch ein Auslesesignal die abgespeicherten Daten auslesbar sind.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) mindestens eine, insbesondere zwei Verformungselemente aufweist, die an ihr befestigt sind und bei denen sich durch den elektrischen Schaltkreis ihr Verformungswiderstand steuern lässt.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) dämpfungsarm federnd ausgebildet ist, also mehr als 90 % der beim Einfedern eingebrachten Verformungsenergie beim Ausfedern rückgewinnbar ist.
Einlage nach einem der vohrergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlage (10) einen faserverstärkten Kunststoff aufweist, bei dem insbesondere Karbonfasern sich im Wesentlichen in Längsrichtung und in Querrichtung der Einlage (10) erstrecken und im Wesentlichen nach der Art eines Gewebes verlaufen.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Karbonfasern mit einer Stärke von weniger als 100 μm, insbesondere etwa 20 μm, im Wesentlichen parallel zueinander in Längsrichtung und Querrichtung je gewellt verlaufen, wobei die Längsfasern und die Querfasern abwechselnd übereinander und untereinander verlaufen.
Einlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsfasern und Querfasern im Wesentlichen in Wellen verlaufen, wobei eine Wellenlänge mindestens 1 mm und höchstens 1 cm beträgt und sich insbesondere auf näherungsweise 5 mm beläuft.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl, insbesondere mehr als 10, Gewebeschichten aus Mikrofasern die Einlage (10) verstärken und die Oberseite und die Unterseite der Einlage (10) von einer geschlossenen Kunststoffschicht gebildet sind.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass piezoelektrische Fasern (34) der Ober- und/oder Unterseite benachbart vorgesehen sind.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Karbonfasern der Einlage (10), insbesondere in der zentralen Mitte der Einlage (10), in einem Längsschlitz, durch das Verformungselement ersetzt ist.
Einlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Verformungselement und dem elektrischen Schaltkreis, Mikroprozessor oder ASIC (22) elektrische Leitungen in Form von Leiterbahnen erstrecken, die insbesondere in der oder nahe der neutralen Faser der Einlage (10) verlaufen.
Orthese, insbesondere Fußorthese, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.