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"Künstliches Kniegelenk" Gegenstand der Erfindung ist ein künstliches
Kniegelenk, insbesondere Gelenkersatz zur Verbindung des Obet- mit dem Unterschenkelkno
ehen.
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Bisher bekannte Prothesen weisen in der Regel ein einfaches Scharnier
auf, so daß also der Unterschenkel bei der Bewegung gegenüber dem Oberschenkel eine
reine Drehbewegung um eine feste Achse ausführt. Soweit andere Lösungen bekannt
sind, sind diese kompliziert und weisen z.3 Federn auf, was die Anwendung zum Ersatz
lediglich des Kniegelenkes unmöglich macht, bei welchem der Unterschenkel selbst
und die über das Xnie laufenden Sehnen, Muskeln, Adern usw. erhalten bleiben (vgl.
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OE-PS 212 973)a Ein bekanntgewordener Vorschlag, das natürliche Kniegelenk
mittels eines Scharnierpaares nachzubilden ist undurchführbar, da er von falschen
kinematischen annahmen ausgeht (vgl. DT-PS 841 190). Es ist auch ein Eniegelenk
für eine Prothese bekannt geworden, welches zwei sich kreuzende Zugglieder enthält.
Diese erfüllen jedoch nicht die punktion einer Führung des Unterschenkels, sondern
ziehen diesen nur gegen den Oberschenkel, wobei die eigentliche Abstützung über
zusammenwirkende wulwst- und rinnenförmige Wälzflächen von annähernd
elliptischer
Form erfolgt. Die Wälz flächen ermöglichen eine unkontrollierte Roll- und Gleitbewegung,
welche nicht der eines Gelenkviereckes entspricht. Um diese Bewegung; überhaupt
zu ermöglichen, sind die Zugglieder federnd, also in ihrer Länge veränderlich ausgefuhrt.
(OB 153 344) Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Bewegung des Unterschenkels
durch die Kreuzbänder bestimmt wird, welche im wesentlichen unelastisch sind und
durch eine bestimmte Geometrie, welche deren Längen und Ansatzpunkte beinhaltet,
eine typische Kinematik ergeben, welche von einer reinen Drehbewegung abweicht.
Insbesondere dann, wenn das künstliche Kniegelenk nur als Ersatz verwendet werden
soll, ist es von ausschlaggebender Bedeutung für weitgehende Beschwerdenfreiheit,
daß die Bewegungsverhältnisse die selben wie beim natürlichen Knie sind. Aber auch
bei äußeren Prothesen, insbesondere bei einseitigen, ist es vorteilhaft, wenn die
Kinematik der Bewegung des Unterschenkels weitestgehend deråsnigen des natürlichen
Knies entspricht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch starre, formschlüssig miteinander
verbundene Getriebe-Elemente (Hebel, Anschlußplatten, Zahnsegmente, u.dgl.) galöst,
welche ein während des gesamten Bewegungsablaufes überschlagenes Gelenkviereck bilden,
wobei Steg und Koppel mit dem Oberschenkel, bzw. mit dem Unterschenkel verbunden
sind.
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Jeder Punkt des Unterschenkels führt demnach eine Koppelkurve aus,
im Gegensatz zu Scharnieren, bei welche eine reine Ibrehbewegung auftritt0 Die erfindungsgemäße
kinematik kann durch verschiedene Mittel erreicht werden. So kann ein Soppeltrieb
im engeren Sinne vorgesehen werden, also zwei sich kreuzende körperliche Arme, welche
an Steg und Koppel angelenkt sind. Es können aber auch bestimmte ausgezeichnete
Kurven des Koppeltriebes, wie Gleitkurven oder Polkurvenpaare, materialisiert sein,
wobei sich der Vorteil ergeben kann, daß die Arme des Koppeltriebes und insbesondere
deren Drehlager, für welche nur wenig Platz sorhanden ist von den erheblichen Kräften
(Körpergewicht) entm lastet werden, welche durch das Gelenk übertragen werden sollen.
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Auch dadurch läßt sich eine optimale Annäherung an das natürliche
Kniegelenk erzielen, in welchem Ober- und üntschenkelcondylen sich aufeinander abstützen
und eine kombinierte Abwälz-und Gleitbewegung ausführen.
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In der nachfolgenden Beschreibung einiger prinzipieller U8 führungemöglichkeiten
der Erfindung ist zum Zwecke der Bin heitlichkeit der Oberschenkel als ruhend angenommen
(Rastsystem), während sich der Unterschenkel bewegt (Gangsystem). In Figel ist die
Koppelbewegung des Unterschenikels an einem natürlichen Knie dargestellt, die Fig.2
bis 5 zeigen schematisch vier verschiedene
Möglichkeiten, mit welchen
die Kinematik der überschlagenden Doppelkurbel erzielt werden kann.
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Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit seitlicher Schwenkbarkeit
des Unterschenkels, wobei in Fig.6 A bis C Details entsprechend Fig.6 in vergrößertem
Maßstab dargestellt sind.
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In Fig.1 sind der Oberschenkel 1 und der Unterschenkel 2 jeweils nur
mit dem wochen dargestellt. Für die Untersuchung der Bewegung ist der Oberschenkel
1 ruhend dargestellt (Rastsystem), während der Unterschenkel 2 in gestreckter Lage
mit dicken Linien ausgezogen ist; von dieser Lage aus kann er sich um etwa 135°
nach hinten (in der Figur oben) drehen, wobei nur die Endlage und zwei Zwischenlagen
in dünneren Linien gezeichnet sind. Die elemente werden in ihren verschiedenen Lagen,
ausgehend von der gestreckten Lage, mit den Buchstaben a - d bezeichnet. Es zeigt
sich, daß bei ruhender Oberschenkelachse 3 die Unterschenkelachse 4 um die genannten
135° verdreht. Jedoch ist diese Bewegung keineswegs eine reine Drehung , denn die
Linien 4a bis 4c schneiden sich nicht in einem Punkt. Hingegen läßt sich die Bewegung
mit großer Genauigkeit als Koppelbewegung darstellen, wenn für das zugehörige Gelenkviereck
der Steg 5 zwischen den Punkten A und 3 und die koppel zwischen den Punkten 0 und
D angenommen wird, während die Arme 6, 7 jeweils die t e 3 und C, bzw. A und D verbinden.
Die Punkte C, bzw.
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D führen demnach eine Kreisbewegung aus. Die Tatsache, daß es sich
um eine Koppelbewegung handelt, erheilt auch daraus, daß der kürzeste Abßtznd zwischen
der Obersohenkelcondyle 8 und der
Unterschenkelcondyle 9 in allen
Lagen des Unterschenkels in etwa gleich ist, die beiden Condylen bilden daher -
unter Berücksichtigung des dazwischenliegenden Gewebes - zusammengehörige Koppelhüllkurven,
deren relative Bewegung gegeneinander durch eine kombinierte Abwälz- und Gleitbewegung
charakterisiert ist. Dies ist übrigens kein Zufall, sondern dadurch bedingt, daß
das natürliche Knie Kreuzbänder aufweist, welche jeweils an den Punkten 3 und 0,
bzw. A und D angelenkt sind und außerdem keine wesentliche Elastizität aufweisen,
also ihre Länge im wesentlichen beibehalten. Dabei ist' bomerkenswert, daß die Bänder,
also die Arme 6,7 des Koppeltriebes jeweils nur eine Drehung von rund 1100, bzw.
90° ausführen, obwohl sich der Unterschenkel 2 um rund 135° verdreht hat. Es zeigt
sich ferner, daß eine weitere Drehung des Unterschenkels nach: links nicht möglich
ist, da das Oberschenkelcondyl in seiner Fortsetzung nach links keine dem Unterschenkelcondyl
entsprechende Koppelkurve ist sondern flacher verläuft, so daß es sozusagen einen
Anschlag bildet, der eine weitere Verdrehung des Unterschenkels über die gestreckte
Lage hinaus verhindert.
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Daß dieser Anschlag wirksam ist, obwohl das Oberschenkelcondyl in
diesem Bereich eine kontinuierliche Krümmung ohne starke Änderung des Radius aufweist,
hängt mit der Lage des Steges 5 in Bezug auf die Oberschenkelachse 3 zusammen: Dadurch,
daß diese einen Winkel von etwa 400 einschließen, liegen in der' gestreckten Lage
des Gelenkes der Arm BC und der Steg AB annähern in einer Linie. Beim überschlagen
der koppel treten. .
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bekanntlich erhebliche Xnderungen der charakteristischen Kurven, insbesondere
starke Krümmung der'Koppelhüllkurven auf.
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Basierend auf der Erkenntnis, daß die natürliche Bewegung des Kniegelenkes
die eines überschlagenen Gelenkviereckes ist, werden nun verschiedene Mechanismen
beschrieben, mittels derer eine solche Bewegung erzielt werden kann. Dabei sind
entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In Fig.2 ist der Koppeltrieb als solcher ausgeführt, indem die als
Platte ausgebildete Koppel 1,1 mittels eines Zapfens 19 am Unterschenkel 2 befestigt
und mit zwei Scharnieren CD versehen ist. An diesen sind Arme 6,7 angelenkt, welche
sich überkreuzend zu den Scharnieren A, 3 des ebenfalls als Platte ausgebildeten
Steges 5 verlaufen. Letztere ist in einer nicht näher dargestellten Weise mit dem
Oberschenkel 1 verbunden.
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Für die tatsächliche Ausführung des künstlichen Knieglenks werden
vorzugsweise für das Gelenkviereck Dimensionen gewählt, welche denen des natürlichen
Knies wenigstens in etwa entsprechen.
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Die Längst des Steges beträgt in diesem Ball 22 mm, die der Koppel
54 mm. Der dem vorderen Kreuzband entsprechende Arm 6 mißt 50 mm, der dem hinteren
Kreuzband entsprechende Arm 42 mm.
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Das zu verwirklichende Gelenkviereck ist also bei Betrachtung des
Oberschenkels als Rostsystem eine sogenannte Doppelkurbel,
die bei
der Streckung und Bewegung des Beines allerdings nur einen kleinen Teil ihrer Umlaufbahn
beschreibt.
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Während in der Ausführung nach Fig.2 die Kräfte voll über die Scharniere
A, B, C9 D und die Arme 6,7 übertragen werden müssen, erfolgt in der Ausführungsform
nach Fig.3' eine Entlastung dieser Elemente von den Kräften, so daß sie weitgehend
nur als Führungselemente dienen welche die erfindungsgemäße Koppelbewegung sicherstellen0
Die genannte Entlastung wird durch Abwälzflächen 8, 9 erreicht9 welche den Polkurven
des natürlichen Knies entsprechen. Sie führen bei der Bewegung des Gelenkes eine
reine Abwälzbewegung aus0 In der Fig.3 ist die Doppelkurbel der Einfachheit halber
symmetrisch dargestellt, dementsprechend sind auch die Polkurven symmetrisch.
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Die Ausführung nach Fig.4 unterscheidet sich von jener nach Fig.3
dadurch, daß die Führung der Koppel 11 und des damit verbundenen Unterschenkels
2 nicht durch Arme 6,7, sondern durch die Abwälzflächen 8', 9' selbst erfolgt, deren
Formen jener der dem gewählten Koppeltrieb entsprechenden Polkurven entsprechen.
Im der Einfachheit wegen dargestellten symmetrischen Fall sind diese Polkurven Kreisbögen.
Eine Polkurve entsteht durch Verbindung der Momentandrehpunkte des betreffenden
Systems (Rast- oder Gangsystem), um welche sich dieses bei festgehaltenem Gegenaystem
in Jedem Augenblick dreht. Da sie bei der
Bewegung eine reine Abwälzbewegung
aufeinander ausführen, können sie formschlüssig miteinander verbunden werden; dies
ist beim Fehlen der Arme sogar notwendig, um die nötige gegenseitige Führung von
Steg und Koppel zu gewährleisten. Anstelle einer Verzahnung könnten aber auch mindestens
zwei Bänder vorgesehen werden, welche jeweils bis zum 3erührungspunkt zwischen den
beiden in diesem Fall glatt ausgeführten Abwälzflächen an der einen Fläche und ab
diesem Punkt an der anderen Fläche anliegen, so daß sie 5-förmig verlaufen, wobei
sie mit ihren Enden in den Endbereichen der Abwälzflächen an diesen befestigt sind.
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Die Ausführung nach Fig.4 unterscheidet sich weiterhin von jener nach
Fig.3 dadurch, daß sie Stützflächen entsprechend zwei Paaren von Gleitkurven 12,
13 bzw. 12', 13' aufweist, von denen jeweils eine (12, 12') eine Gerade. ist. Dadurch
wird zwar die Konstruktion etwas komplizierter, jedoch werden insbesondere im Bereich
der endlagen des Gelenkes die Verhältnisse für die Abstützung und damit für die
Eraftübertragung erheblich verbessert.
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Fig.5 geigt einen weiteren Mechanismus, mit dem die erfindungsgemäß
koppelbewegung erzielt werden kann. Dabei wird nicht nur auf die Arme, sondern auch
auf Abstützflächen verzichtet.
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Die Vrme 6,7 sind demnach in dieser Konstruktion nur mehr
abstrakte
Größen und daher mit' Bezugs ziffern in Klammern bezeichnet. Die Aufgaben der Führung
und Abstützung übernehmen zwei Platten 4, 15 mit jeweils zwei kreisbogenförmigen
Führungsnuten 14B, 14C bzw. 15A, 15D. In diesen Nuten sind Stifte A, B, C, D geführt,
welche vorzusweise mit Rollen, Gleitsteinen, od.
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dgl. versehen sind. Die Stifte A und B sind am Steg 5, die Stifte
o und D an der Koppel 11 befestigt.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird die Bewegung des Unterschenkels
durch das Ende der Nuten bestimmt: in den Ausfiihrungsbeispielen nach den Fig. 2
bis 4 sind jeweils nicht dargestellte Anschlage entweder direkt an den Getriebe-Elementen
oder außerhalb derselben vorgesehen, welche den Winkelausschlag des Unterschenkels
begrenzen, insbesondere wesentlich über die gestreckte Lage hinaus, wobei eine geringe
überstreckungsmöglichkeit für die Standsicherheit wünschenswert ist.
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Eine geometrische Untersuchung der Mechanik des Kniegelenkes hat ergeben,
daß bei der Bewegung dieses Unterschenkels nicht nur die Kreuzbänder Kreise um feste
Anlenkpunkte beschreiben, sondern daß dies angenähert auch für die Seitenbänder
gilt. Die kinematische Beziehung zwischen der nicht kreisförmigen Bewegung des Unterschenkels
oder der Gegenbewegung des Oberschenkels und der kreisförmizen Bewegung der Seitenbänder
des Kniegelenkes ist die Scheitel und Angelkubik des überschlagenen Gelenkviereckes
des Bewegunssystems des Kniegelenkes. Eine zwangsläufige Folge dieser kinema,tischen
Beziehung ist eine Lockerung des Kniegelenkes in mittlerer Beugestellung. Die natürliche
Bewegung des Znieeelenkes kann daher auch durch ein Gelenkviereck nachgeahmt werden
dessen einer, Arm dem hinteren Kreuzband entspricht, während Längö und Anlenkpunkte-des
anderen Armes jene eines Seitenbandes sind.In Fig.6 ist dieser Fall
dargestellt,
wobei der Arm 7 das hintere Kreuzband und der Arm 6 ein Seitenband reprasentiert.
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Die in Fig.6 dargestellte Ausbildung ermöglicht es, beim Bau einer
Prothese zu berücksichtigen,-daß die natürliche Kniebewegung keine völlig ebene
Bewegung ist. Im gestreckten Zustand des Beines ist zwar ein Verdrehen des Unterschenkels
um seine Längsachse nicht möglich, doch besteht diese Möglichkeit bei gebeugtem
Knie. Nacht man, nun beim erfindungsgemäßen Gelenkviereck das untere Ende des am
Unterschenkel 2 hinten angelenkten Armes 7 um eine zum Unterschenkel 2 parallele
Achse 16 schwenkbar, so können die in der Natur gegebenen Verhältnisse relativ einfach
nachgeahmt werden. Zunächst ist dabei dafür Sorge zu tragen, daß, der zweite Arm
6 die Schwenkbewegung um die Achse 16 nicht verhindert. Ist das obere Lager 19 dieses
Armes ein übliches Zylindergelenk, das lediglich eine ebene Bewegung zuläßt, so
muß das untere Lager 19' eine Schwenkung des Armes 6 relativ zum Unterschenkel 2
um die Achse 16 zulassen. Das Lager 19' muß in diesem Fall also eine Führungsschiene
für den Arm 6 bilden, die den Teil eines Kreises um die Achse 16 darstellt. Technisch
einfacher ist es beide Lager 19, 19' des Armes 6 so auszugestaaten, daß der Arm
6 schräg zur Zeichenebene in Fig.6 gestellt werden kann. Dies ist beispielsweise
möglich, wenn die Lager 19, 19'»ajwie in Fig.6C dargestellt, ausgebildet sind.Diese
Lager 19, 19' weisen eine Achse 22 auf, um welche die übliche ebene Beweubg des
Gelentvierocke erfolgen kann. Zusätzlich sind
jedoch geringe seitliche
Auslenkungen des Armes 6 um eine fest auf der Achse 22 sitzende Kugel 21 möglich.
Die Schwenkung des unteren Endes des Armes 7 am die zum Unterschenkel 2 parallele
Achse 16 stellt kein schwieriges technisches Problem dar. Bei der in Fig.6 B gezeichneten
Ausführungsform erfolgt diese Schwenkung mittels eines Zapfens 20, der auf einer
den Unterschenkel 2 abschließenden Platte 17 sitzt. Eine Lösung dieses Zapfens 20
wird durch einen Seegerring 18 verhindert.
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Die notwendige seitliche Begrenzung der Schwenkbarkeit des Unterschenkels
2 um die Achse 16 erfolgt beim Ausführungsbeispiel nach Fig.6 mit Hilfe eines Schlitzes
14 in der Platte 17, durch welche der Arm 6 geführt ist. Dieser Schlitz erlaubt
bei gebeugtem Knie eine gewisse seitliche Auslenkung des Armes 6 und blockiert diese
in der gestreckten Lage des Gelenkes. Der vordere Rand des Schlitzes 14 verhindert
in dieser Lage zusätzlich ein Überstrecken des Gelenkes.
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Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen wurde bewußt darauf
verzichtet, darzustellen wie weit beim Einbau der erfindungsgemäßen Prothese als
Endoprothese Teile des ursprünglichen Gelenkes erhalten bleiben. Es sei jedoch betont
daß es vielfach günstig sein wird die Condylen des Ober- und Unterschenkels weitgehend
zu erhalten und die erfindungsgemäße Prothese nur in einem schmalen mittleren Bereich
des Gelenkes einzubauen.