DE2152408A1

DE2152408A1 - Kniegelenk

Info

Publication number: DE2152408A1
Application number: DE19712152408
Authority: DE
Inventors: Andre Baehler; Norbert Dr Med Gschwend; Heinrich Dr Med Scheier
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1971-10-13
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1973-04-19
Also published as: AT323318B; NL7114968A; JPS4846192A; IT968881B; CH543276A; GB1363018A; ES407606A1; FR2157441A5; DE2152408B2

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

Firma Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur, Schweiz

betreffend:
"Kniegelenk"

Die Erfindung betrifft ein Kniegelenk für eine Oberschenkelprothese, dessen Oberteil an einem Ende des Oberschenkelschaftes beidseitig einer Mittelebene angeordnete, den Abstützflächen eines natürlichen Oberschenkels in etwa nachgebildete, im Seitenriß elliptische Abrollflächen aufweist, die auf entsprechenden, im Seitenriß kreiszylindrischen Gegenflächen eines Unterteiles abrollen, wobei der Unterteil gleichzeitig gegenüber dem Oberteil eine Relativbewegung mit einer horizontalen Komponente ausführt.

Bekanntlich ist der Bewegungsablauf eines natürlichen Kniegelenkes relativ kompliziert, da bei dessen Beugung nicht nur eine Drehung sondern gleichzeitig zur Verkürzung des aus der Hüfte herausbewegten Beines auch eine Relativverschiebung des Oberschenkels gegenüber dem Unterschenkel in horizontaler Richtung stattfindet.

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Es sind eine Reihe von Kniegelenkkonstruktionen für Prothesen bekannt, bei denen der Bewegungsablauf des natürlichen Gelenkes möglichst weitgehend nachgeahmt wird. Dabei hat es sich gezeigt, daß bestehende Konstruktionen, bei denen in Nachahmnung der Bänder des natürlichen Knies die aufeinander gleitenden Flächen des Ober- und des Unterschenkels lediglich über seitlich verlaufende Riemen miteinander verbunden sind, für die Praxis keine ausreichende Sicherheit aufweisen, da beim Reißen nur eines Riemens die Prothese unbrauchbar wird. Bei einer Reihe von anderen Gelenken wird die geschilderte Bewegung mit Hilfe von mehrere Achsen und Federn aufweisenden Konstruktionen nachgeahmt. Alle Konstruktionen der zweiten Art besitzen den Nachteil, daß sie fe platzraubend und schwer sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei weitgehender Nachahmung der natürlichen Bewegung eine einfache, relativ platzsparende und leichte Konstruktion für ein Kniegelenk zu schaffen, die gleichzeitig den für den praktischen Gebrauch notwendigen hohen Sicherheitsanforderungen genügt.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Ober- und Unterteil des Gelenkes über eine einzige, wandernde Führungsachse gelenkig miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Steg mit einem eine Wanderungsbewegung der Führungsachse mindestens in senkrechter Richtung zulassenden Langloch vor-™ handen ist, in dem die in dem anderen Teil gelagerte Führungsachse bei einer Beugung des Gelenkes geführt ist. Vorteilhafterweise ist das Langloch zur Vertikalen geneigt angeordnet und/ oder bogenförmig ausgebildet, so daß die Führungsachse sich auch mit einer horizontalen Bewegungskomponente verschieben kann. Eine sehr weitgehende Annäherung an den Bewegungsablauf eines natürlichen Kniegelenkes läßt sich auf einfache Weise erreichen, wenn das Langloch zur Vertikalen schräg nach hinten abwärts - bis zu etwa 3o° - geneigt verläuft. Vorteilhafter-

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weise kann die Konstruktion so ausgeführt sein, daß der Steg in der Mitte zwischen den Gegenflächen des Unterteiles nach oben gerichtet angeordnet und zwischen die Schenkel einer gabelartigen, die Abrollflächen des Oberteiles tragenden Halterung eingeschoben ist, in der die Führungsachse ortsfest gelagert ist. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Unterteil mit dem gabelartigen Element und den Oberteil mit einem Steg zu versehen.

Aus Versuchen, bei denen in Anlehnung an die Bewegung natürlicher Gelenke eine günstige Stelle für die Anordnung der Führungsachse gesucht worden ist, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn die Führungsachse unterhalb der großen Halbachse der Ellipse und gegenüber der Symmetrieebene durch die kleine Halbachse nach hinten verschoben angeordnet ist.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, die Führungsachse möglichst von einer tragenden Belastung zu entlasten und die Gewichtsbelastung über die Abroll- bzw. Gegenflächen des Ober- und des Unterteiles zu übertragen. Dies läßt sich auf einfache Weise erreichen, wenn in Streckstellung der Abstand der Führungsachse von der horizontalen Tangentialebene durch die Unterschenkel-Gegenflächen größer ist als derjenige der unteren Endfläche des Langloches. Da bei der neuen Konstruktion die Abrollflächen des Ober- und des Unterteiles im unbelasteten Zustand, also bei einem Abbeugen des Gelenkes, weder durch Bänder oder Riemen noch durch eine ortsfest gelagerte Drehachse aufeinander gehalten werden, ist es sinnvoll, die aufeinander abrollenden Flächen im unbelasteten Zustand durch ein Führungselement, beispielweise durch einen in einer Führung laufenden Stift beim Abbeugen mit geringem Spiel aufeinander zu halten und zu führen. Um die Durchbiegung des Kniegelenkes in der Streckstellung individuell auf den einzelnen Prothesenträger einstellen zu können, ist es möglich, daß ein einstellbarer An-

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schlag die Drehbewegung der relativ zueinander bewegten Teile in die Streckstellung begrenzt.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt dabei eine Seitenansicht des Oberteiles des Gelenkes, während

Fig. 2 eine Vorderansicht dieses Oberteiles, in Richtung des Pfeiles A von Fig. 1 gesehen, darstellt.

Fig. 3 und 4 geben in gleicher Darstellung den Unterteil des Gelenkes wieder,

Fig. 5 und 6 zeigen das zusammen, jedoch nicht in

eine Prothese eingebaute Gelenk in Streck- (Fig. 5) bzw. Beugestellung (Fig. 6).

Zur Befestigung in einer Prothese weist der Oberteil (Fig. 1 und 2) des Gelenkes eine Schraubenmutter 1 auf, die auf einer gabelartigen Halterung 3 befestigt, z.B. mit dieser verschweißt ist, deren Schenkel 5 scheibenförmig ausgebildet sind. An ihrem unteren Ende sind Platten 4 befestigt, deren äußere Abrollflächen 6 im Seitenriss einen Teil einer Ellipse darstellen und als Gleitflächen für das Abrollen des Oberteiles auf dem Unterteil dienen; Form und Abmessungen der Ellipse sind im wesentlichen den Endflächen eines natürlichen Oberschenkels nachgebildet, wobei die Abmessungen z.B. aus einer Vielzahl von Röntgenaufnahmen natürlicher Gelenke als Mittelwert bestimmt worden sind.

In den scheibenartigen Schenkeln 5 der Halterung 3 ist eine Bohrung 7 vorhanden, deren Lage in der im Seitenriß vor-

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handenen Ellipsenfläche durch Versuche ermittelt worden ist. Die Gesichtspunkte für die Auswahl der Lage der Bohrung 7 werden später erläutert. Die Bohrung 7 dient zur Aufnahme einer Führungsachse 8 (Fig. 5 und 6).

Weiterhin ist in einem der beiden Schenkel 5 ein Schlitz 13 vorgesehen, dessen Form der Form der Abrollflächen 6 nachgebildet ist, und der parallel zu diesen verläuft. Dieser Schlitz 13 bildet zusammen mit einem im Unterteil vorhandenen, in ihn eingreifenden Stift 16 (Fig. 3 und 4) ein Führungselement, durch das Ober- und Unterteil des Gelenkes beim Abbeugen im unbelasteten Zustand mit geringem Spiel aufeinander gehalten und geführt werden.

Schließlich ist am hinteren Ende des Fußes der gabelartigen Halterung 3 zwischen den Schenkeln 5 ein Ansatz 2 vorgesehen, der eine Gewindebohrung I9 aufweist; in diese wird eine Schlitzschraube 2o (Fig. 5 und 6) eingeschraubt und durch eine Gegenmutter 21 fixiert. Zusammen mit einem Ansatz 17 am Unterteil (Fig. 3) bildet die Schraube 2o einen einstellbaren Anschlag, durch den die Drehbewegung des Kniegelenkes je nach den individuellen Gegebenheiten des Prothesenträgers in Streckstellung einstellbar begrenzt wird. Die Einstellung erfolgt dabei so, daß die Drehbewegung bei Prothesenträgern, die sicher gehen, früher beendet ist als bei solchen mit Unsicherheiten im Gang.

Auch der Unterteil des Gelenkes besitzt für die Verankerung mit einer Prothese eine Schraubenmutter Io, die an einer Bodenplatte 11 befestigt ist. Die dem Oberteil zugewandten Gegenflächen 9 der Bodenplatte 11 sind der Einfachheit halber und in Anlehnung an die Oberfläche natürlicher Schienenbeinknochen im Seitenriß in etwa kreisförmig ausgebildet.

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Zwischen den beiden Flächen 9 ist ein Steg 14 angeordnet, der eine langlochartige Ausnehmung 15 besitzt. Das Langloch 15 ist mit seiner Längsachse gegen die Senkrechte

,,abwärts
nach rückwärtsVgeneigt. Die Neigung gegen die Vertikale kann bis zu J5o , vorzugsweise bis zu 2o , betragen. Selbstverständlich kann das Langloch 15 gegen die Senkrechte auch nach vorn - etwa um den gleichen Betrag - geneigt oder bogenförmig ausgebildet sein. Oberhalb des Langbches 15 weist der Steg 14 den bereits erwähnten Ansatz 17 auf, der mit der Schraube 2o zusammen als einstellbarer Anschlag .für die Begrenzung der Drehbewegung in Streckrichtung dient.

Wie Pig. 5 zeigt, befindet sich die Führungsachse 8 bei gestrecktem Knie in dem hinteren unteren Teil der Ausnehmung 15; während der Beugebewegung wandert die Führungsachse 8 in dem Langloch 15 schräg nach vorn aufwärts, wobei zwischen beiden Endstellungen eine horizontale Verschiebung erfolgt, deren Größe durch Versuche zu etwa 5 mm ermittelt worden ist.

Das neue Kniegelenk ermöglicht so auf einfache Weise, die von einem natürlichen Kniegelenk vollzogene horizontale Verschiebung zwischen Ober- und Unterschenkel auch mit einer Prothese durchzuführen, ohne dabei auf komplizierte, mit mehreren Achsen und Federn versehene Konstruktionetizurückgreifen zu müssen, wie sie bisher üblich sind.

Da die Führung der Achse 8 in dem Langloch 15 genauer und exakter durchgeführt werden kann, wenn das auf dem Gelenk lastende Körper-gewicht nicht von dieser Achse 8 und dem Langloch 15 übertragen wird, sind die Abmessungen und Abstände der einzelnen Elemente, wie z.B. die Abstände von Langloch 15 und FUhrungsachse 8 von den.Abroll- bzw. Gegenflächen 9 bzw. 6 so aufeinander abgestimmt, daß das Gewicht von den Platten 4 des Oberteiles auf die Bodenplatte 11 des Unterteiles übertragen wird.

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Für eine einwandfreie Funktion des Gelenkes ist es weiterhin wichtig, die Lage der Führungsachse 8 in den Schenkeln

5 der gabelartigen Halterung 5 des Oberteiles, sowie die Lage des Langloches 15 in dem Steg 14 und die Größe und Form der elliptischen Abroll- und der kreiszylindrischen Gegenflächen möglichst optimal festzulegen. Alle diese Elemente werden, ausgehend von einem natürlichen Kniegelenk in weitgehender Anlehnung an dieses experimentell bestimmt, wobei vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von natürlichen Gelenken ein Mittelwert für die Form und Abmessung der erwähnten Flächen und für die Lage der Drehachse relativ zu diesen Flächen ermittelt wird. Der Mittelpunkt der Bohrung 7 bzw. der Führungsachse 8 wird dabei aufgrund der Forderung gesucht, daß die Bohrung 7 bei Beugen des Knies, d.h. beim Abrollen der Flächen

6 und 9 aufeinander eine möglichst minimale Bewegung ausführt, die stetig aufwärts gerichtet und möglichst weitgehend geradlinig ist.

Form und Abmessungen der einzelnen Elemente sowie ihre Lage zueinander lassen sich auf folgende Weise bestimmen. Aus einer Anzahl Röntgenaufnahmen wird für die Erzeugende der Endflächen 6 des Oberteiles im Seitenriß eine Ellipse ermittelt; beispielsweise sind die Masse bei einem bereits ausgeführten Gelenk für deren kleine Halbachse b = 2o + 1 mm und für deren große Halbachse a = 32 ΐ 1 mm. Weiterhin ergeben die Versuche für eine günstige Lage des Mittelpunktes der Bohrung 7 bzw. der Führungsachse 8, bei einem willkürlichen, in Relation zu den Gesamtabmessungen sinnvollen Achsdurchmesser von 8 mm, eine Lage auf oder etwa 1 mm unter der großen Halbachse a, gegenüber der kleinen Halbachse b etwa 4 - 5 mm nach hinten verschoben. Mit dem derart festgelegten Mittelpunkt für die Führungsachse 8 in den scheibenartigen Schenkeln 5 wird die Bohrung 7 angebracht.

Die Lage des Langloches 15 ergibt sich dann dadurch, daß bei auf den Gegenflächen 9 des Unterteiles aufliegenden Abroll-

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flächen 6 der Platten 4 die Lage des Mittelpunktes der Bohrung 7 auf dem Steg 14 . einmal in Streckstellung und einmal nach Abrollen der Ellipse auf der Kreisfläche 9 des Unterteiles, die beispielsweise einen erzeugenden Radius von 5o mm aufweist, in Beugestellung durch Anreißen festgelegt und damit die Lage des Langloehes I5 selbst fixiert wird, das eine dem Durchmesser der Achse 8 entsprechende Breite mit einer geringen, nur positiven
Toleranz aufweist.

Patentansprüche:

UV K

Claims

Patentansprüche

[IJ Kniegelenk für eine Oberschenkelprothese, dessen Oberteil an einem Ende des Oberschenkelschaftes beidseitig einer Mittelebene angeordnete, den Abstützflächen des natürlichen Oberschenkels in etwa nachgebildete, im Seitenriß etwa elliptische Abrollfläche aufweist, die auf entsprechenden, im Seitenriß etwa kreiszylindrischen Gegenflächen eines Unterteiles abrollen, wobei der Unterteil gleichzeitig gegenüber dem Oberteil eine Relativbewegung mit einer horizontalen Komponente ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß Ober- und Unterteil des Gelenkes über eine einzige, wandernde Führungsachse (8) gelenkig miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Steg _Λ (14) mit einem eine Wanderungsbewegung der Führungsachse mindestens in senkrechter Richtung zulassenden Langloch (15) vorhanden ist, in dem" die in dem anderen Teil gelagerte Führungsachse (8) bei einer Beugung geführt ist.
2. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Langloch (15) zur Vertikalen schräg nach hinten abwärts geneigt verläuft.
3. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (14) in der Mitte zwischen den Gegenflächen (9) des Unterteiles nach oben gerichtet angeordnet und zwischen die Schenkel (5) einer gabelartigen, die Abrollflächen (6) { des Oberteiles tragenden Halterung (j5) eingeschoben ist, in der die Führungsachse (8) gelagert ist.
4. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsachse (8) geringfügig unterhalb der großen Halbachse (a) der Ellipse und gegenüber der Symmetrieebene durch die kleine Halbachse (b) nach hinten verschoben angeordnet ist.

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5. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Streckstellung der Abstand der Führungsachse (8) von der horizontalen Tangentialebene (22) duKh die Unterschenkel-Gegenflachen (9) größer ist als derjenige der unteren Endflächen des Langloches (15).
6. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinander gleitend abrollenden Flächen (6,9) im unbelasteten Zustand durch ein Führungselement (13*16) beim Abbeugen mit geringem Spiel aufeinander gehalten und geführt sind,
7. Kniegelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein verstellbarer Anschlag (I7, I9, 2o, 21) die Drehbewegung der relativ zueinander bewegten Gelenkteile in die Streckstellung begrenzt.

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