-
Künstliches Glied und Verfahren zu seiner Her-
-
stellUnK stellung Die Erfindung bezieht sich auf künstliche Gliedmassen
und hat zum Zweck, ein künstliches Glied zu schaffen, das für eine gegebene Lastaufnahmefähigkeit
in geringerem Gewicht ausgeführt werden kann als die künstlichen Glieder, die z.Zt.
allgemein in Gebrauch sind. Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung bei dem
Schienbein von Beinprothesen gedacht, wobei sie allerdings nicht auf diese Anwendung
beschränkt ist.
-
Gemäss der Erfindung soll ein Last tragendes Gefüge für ein künstliches
Glied ein räumliches Facherk oder Gerüst aus langestreckten Elementen aufweisen,
wobei diese langgestreckten Elemente aus mit Faserstoff verstärktem Kunststoff bestehen.
-
Ein räumliches Rüst- oder Fachwerk ist ein Rahmenwerk aus langgestreckten
Elementen, die vollständig oder teilweise einen Hohlraum umschliessen. Ein solches
Raumgerüst könnte in netzartiger Form ausgeführt sein. Das Gefüge kann einen Einsatz
oder Einsätze aufweisen, die in es hinein geformt sind, um einen Anbringungspunkt
oder Anbringungspunkte und bzw. oder eine Zwischenfläche oder Zwischenflächen zu
schaffen. So kann durch die Schaffung einer Zwischenfläche, beispielsweise am unteren
Ende des Schienbeines einer Beinprothese ein Fuss mit dem Schienbein verbunden werden.
Das Schienbein kann Teil einer Überknie-Prothese oder einer Unterknie-Prothese oder
einer Beinprothese für jegliche andere Amputationshöhe je nach Notwendigkeit sein.
-
In einem anderen Beispiel könnte eine Zwischenfläche am unteren Ende
des Oberschenkels einer Beinprothese angeordnet sein, um eine Kniegelenkeinheit
oder ein Kniegehäuse anzubringen. Auf diese Weise kann das lastaufnehmende Gefüge
gemäss der Erfindung auch in einem Modul-System für künstliche Cliedmassen benutzt
werden.
-
Beispiele für die zu benutzenden Faserstoffe sind: Kohlenstoff-Fasern,
Glasfasern und Polyesterfasern. Gemische von Fasern könnten auch benutzt werden.
Ein mit Faserstoff verstärkter Kunststoff, der sich als geeignet herausgestellt
hat, ist ein
loses Bündel von feinen Kohlenstoff-Fasern, die mit
einem härtbaren Epoxiharz imprägniert sind. Ein solches Bündel von Kohlenstoff-Fasern
erhält - wenn das Harz hart geworden ist -hohe Festigkeit relativ zu seinem Gewicht.
Jedoch bevor das Harz ausgehärtet worden ist, kann ein solches Bündel ganz leicht
geformt werden, beispielsweise durch Wickeln oder Winden um eine Positivform herum
oder um eine Reihe solcher Positivformen.
-
In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Schienbein einer
Beinprothese ein lasttragendes räumliches Gerüst, das auf einer Mehrzahl von langgestreckten,
sich im wesentlichen axial zum Schienbein erstreckenden Elementen, einer Mehrzahl
von reifenartigen Elementen, die in ebenen im wesentlichen in rechten Winkeln zu
den sich axial erstreckenden Elementen liegen und einer Mehrzahl von langgestreckten
schraubenförmig oder diagonal um die axial sich erstreckenden Elemente gelegten
Elementen aufgebaut ist. Die schraubenförmig oder diagonal liegenden Elemente können
um die reifenartigen Elemente gewunden sein oder umgekehrt.
-
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines lasttragenden
Gefüges für ein künstliches Glied, wobei dieses Verfahren enthält: Imprägnieren
eines Bündels von Fasern mit einem noch nicht gehärteten oder nur teilweise gehärteten
Kunststoff, Aufwickeln oder Winden des Bündels wiederholte Male
um
eine Anordnung eines Positiv-Formwerkzeuges, um so ein Fachwerk oder Gerüst aus
langgestreckten Elementen zu bilden, die einen Hohlraum vollständig oder teilweise
einschliessen; Aushärten oder vollständig Aushärten der langgestreckten Elemente
und Entfernen aller oder eines Teiles der Formwerkzeuge.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der
schaubildlichen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorderansicht
eines künstlichen Schienbein-Cefüges; Fig. 2 eine Seitenansicht des Gefüges nach
Figur 1 von der rechten Seite der Figur 1 aus gesehen; Fig. 3 eine rückwärtige Ansicht
des Gefüges von der rechten Seite der Figur 2 aus gesehen; Fig. 4 einen Schnitt
nach der Ebene A-A der Figur 2 und Fig. 5 ein Schaubild, das wiedergibt, wie die
mit Kunststoff imprägnierten Faserstoffbündel gewunden oder gewickelt werden, um
ein Gefüge nach Figur 1 bis 4 zu bilden.
-
Es ist zu beachten, insbesondere im !hinblick auf Figur 4, dass das
Gefüge nach den Figuren 1 bis 4 sehr allgemein zylindrisch gehalten ist. Figur 5
ist eine aufgewickelte Projektion eines solchen zylindrischen Gefüges.
-
Die Figuren 1 bis 4 zeigen das lastaufnehmende Gefüge eines künstlichen
Gliedes, um die Grundlage für ein Schienbein zu bilden und das sich vom Kniegelenk
bis zu einem Fussgelenk erstreckt Es weist einen oberen, allgemein bei B wiedergegebenen
Teil und einen unteren, allgemein bei C wiedergegebenen Teil auf. Der obere Teil
B hat verschiedene eingeformte Verbindungselemente aus Metall, wie sie weiter unten
im einzelnen erörtert werden, derart, dass das Gefüge mit einem Kniemechanismus
und einem Oberschenkel gängiger, herkömmlicher Art verbunden werden kann.
-
Auch die Form des räumlichen Gerüstes im oberen Teil B ist derart,
dass ein Innenraum geschaffen wird, in welchem ein herkömnlicher pneumatischer Schwingmechanismus
oder eine andere Steuervorrichtung untergebracht werden kann. Dieser obere Teil
B würde die gegenwärtig vorgesehene lastaufnehmende Wiege aus Metall ersetzen. Der
untere Teil C würde das gegenwärtig benutzte, lastaufnehmende Metallrohr ersetzen.
Der obere und untere Teil bilden ein kontinuierliches, einheitliches lastaufnehmendes
räumliches Gerüst aus langgestreckten Elementen, wie dies in der Zeichnung gezeigt
ist. Diese Elemente umschliesse die generell vertikalen Elemente 1C, horizontale
Reifen 2C und
schraubenförmig oder diagonal gelegte Elemente 3C.
Diese Elemente sind aus mit Epoxiharz imprägnierten Kohlenstoff-Fasern hergestellt,
in anderen Worten aus mit Kohlenstoff-Fasern verstärktem Epoxiharz.
-
Wie erwähnt, sind verschiedene Verbindungselemente aus Metall eingeformt,
diese umschliessen ein axial ausgerichtetes Paar von in Abstand angeordneten, aussen
mit Nuten versehenen lTetallringen 1 und 2. In der fertigen Beiprothese würde ihre
Achse die Knieachse sein, und die Enden eines Kniegelenkbolzens oder eines entsprechenden
Teiles würden in diese Ringe eingesetzt. Ein an der Aussenseite genutetes, generell
oval geformtes Verbindungsstück 8 aus Metall ist an der Rückseite des oberen Teiles
B eingeformt, um die Verankerung für ein (nicht gezeigtes) Rückwärts-Begrenzungsband
zu bilden. Ein anderes axial ausgerichtetes Paar von in Abstand liegenden, mit äusserer
Nut versehener Ringe 9, 10 bildet die Anbringung an jeder Seite für eine (nicht
gezeigte) pneumatische Schwingsteuer-Einheit bekannten Typs. Am unteren Ende bzw.
am Knöchelende des Schienbein befindet sich ein weiteres Paar von in Abstand angeordneten,
mit äusserer Nut versehenen Ringen 20, 21, die die Anbringung an jeder Seite für
die Enden eines (nicht gezeigten) Knöchel-Lagerstiftes bilden. Auf diesem kann drehbar
ein Sitz, beispielsweise zum Anbringen eines umgekehæn U-förmigen Bolzens angebracht
sein, mittels dessen der Fuss mit dem Schienbein
verbunden ist.
Der mit Nut versehene Teil jedes Ringes 1, 2, 9, 10, 20, 21 ist quadratisch, wie
dies in Figur 5 für die Ringe 20, 21 gezeigt ist, um eine Verdrehen des Ringes zu
verhindern, wobei das Bündel aus Kohlenstoff-Fasern auf den genuteten, quadratischen
Teil gewickelt ist. In einer abgewandelten Anordnung könnte ein Zwischenflächen-Element
in das untere Ende des räumlichen Gerüstes eingeformt sein, um mit einer anderen
Zwischenfläche auf den Fuss in Anlage zu kommen.
-
Alle Ringe 1, 2, 9, 10, 20, 21 und die Verbindungsstücke stellen auch
Formteile dar, um welche bei der Herstellung des räumlichen Gerüstes das weiche
Bündel von mit Kunststoff imprägnierten Fasern gewickelt werden kann. Zusätzliche
Formelemente in der Form von kleineren, aussen genuteten Ringen sind bei 11, 12,
13, 14 und 15, 16, 17, 18 eingesetzt. Weitere Formbildungselemente sind am unteren
Ende des Gefüges angeordnet: An der Vorderseite bildet ein generell halbkreisförmiges
Formelement 22 einen Puffer zum Anschlagen eines vorderen Gummipuffers auf dem Fuss,
während an der Rückseite ein generell kreisförmiger Formteil 19 ebenfalls ein Kissen
bildet als Anschlag für einen Versen-Cummipuffer am Fuss.
-
Die Bezugszeichen 4, 5, 6, 7 geben Stellen an, wo während des Wickelns
des Faserstoffbündis Formteile benutzt werden, die aber entfernt werden, nachdem
das Faserstoffbündel ausgehärtet worden ist. Als Beispiele von zufriedenstellenden
Materialien haben sich ergeben: Kohlenstoff-Fasern: Crafil Typ A (III) E/A-S der
Courtaulds Ltd.
-
Harz: Araldite Harz CY 219, Ciba-Geigy - 100 Gewichtsteile Härter
HY 219, Oiba-Geigy - 50 Gewichtsteile Beschleuniger DY 219, Ciba-Geigy - 2 Cewichtsteile.
-
Die Kohlenstoff-Fasern werden mit dem nassen Harz im Gewichtsverhältnis
50:50 imprägniert. Das Imprägnieren kann so ausgeführt werden, dass ein unimprägniertes
Bündel von Kohlenstoff-Fasern durch ein Imprägnierbad oder eine Setzvorrichtung
bekannten Typs geführt wird, wobei das Bad die flüssige Harzformulierung enthält.
-
Das nasse, mit Harz imprägnierte Bündel wird auf einer Wickel-Spannvorrichtung
aufgewickelt, die einen Sockelteil aufweist, auf welchen in genauer Abstandsanordnung
die verschiedenen oben angeführten Formteile entfernbar angebracht sind. Der Sockel
enthält
auch Formteile, die an ihm befestigt sind, und die mit ihm von dem räumlichen Gerüst
entfernt werden, wenn das Harz hart geworden ist.
-
Bei gegebener Anzahl und Anordnung der oben in Verbindung mit Figur
1 bis 4 beschriebenen Formteile besteht eine grosse Anzahl möglicher Wickelfolgen,
und es wurden unter Benutzung eines Computers Versuche ausgeführt, um die beste
Wickelfolge und die besten Wickelfolgen festzulegen. Es erscheint ausreichend, hier
nur eine Wickelfolge im Hinblick auf Figur 5 anzuführen. Figur 5 ist eine aufgewickelte
schaubildliche Projektion. Berücksichtigt man Figur 1 (Vorderansicht) und behält
dabei im Sinn, dass es sich um ein zylindrisches Gefüge handelt, so nehme man an,
dass dieses Gefüge an der Vorderseite mittig vertikal aufgeschnitten und dann flach
ausgelegt wird: Das Ergebnis ist, dass die Projektion gemäss Figur 5.
-
In Figur 5 sind die verschiedenen Vorteile mit den gleichen Bezugszeichen
gezeigt, wie sie auch in den Figuren 1 bis 4 benutzt werden. Manche Linien enden
- wie aus Figur 5 ersichtlich - in nummerierten Pfeilen. Diese zeigen denjenigen
Formteil an, zu dem die fragliche Windung führt. Das Wickeln wird in vier hauptsächlichen
Folgen ausgeführt, wenngleich weniger oder mehr Folgen benutzt werden könnten. Bei
der Herstellung eines Prototyps
wurden jedoch vier Folgen benutzt:
i) die vertikalen, lasttragenden Elemente, die sich von den Formteilen 1 und 2 am
oberen Ende nach unten zu den Formteilen 19 bis 22 am unteren Ende erstrecken; ii)
die übrigen Elemente, die die Wiege oder den oberen Teil B bilden; Fi) die schraubenförmig
gewundenen Elemente; iv) die reifenförmigen Elemente.
-
Die gegenwärtig bevorzugten Folgen werden unten erläutert. Jede Wickelfolge
kann wiederholt werden. Beispielsweise würden die Folgen für die vertikalen Elemente
(i) und für die Wiegenelemente (ii) sechsfach wiederholt, um Elemente erforderlicher
Festigkeit einzubauen. So würde z.B. ein Element 1c der Figuren 1 bis 3 aus sechs
Längen von imprägniertem Faserbündel aufgebaut, wobei diese Längen in einen einzigen
länglichen, vertikalen lastaufnehmenden Element 1C miteinander verbunden würden.
-
Für die schraubenförmigen und reifenartigen Elemente würden die Wicklungsfolgen
jeweils vierfach wiederholt.
-
In den unten angegebenen Folgen beziehen sich die Nummern auf die
Formelemente oder die Formstellen, die in der Zeichnung gezeigt sind, und die Anfügung
C bedeutet, dass die Wicklung im Uhrzeigersinn um ein Formelement gelegt wird, während
die
Anfügung A bedeutet, dass gegen Uhrzeigersinn um das Formelement
gewickelt wird. Ein Formelement, nämlich das Formelement 3 ist in Figur 5 aber nicht
in den Figuren 1 bis 4 gezeigt.
-
Dieses Formelement 3 ist ein bogenförmig ausgebildetes Oberflächenstück,
über das das gezeigte Gerüstelement zwischen den Punkten 5 und 6 in den Figuren
1 und 3 gewunden ist, wobei ein Teil dieses Elementes in der Seitenansicht in Figur
2 zu sehen ist. In der Figur 5 bedeutet in Verbindung mit den Formelementen 19 und
22 im Uhrzeigersinn (C) oder gegen Uhrzeigersinn (A) bei Sicht von oben.
-
Die Wickelfolgen sind: 1) 16A - 11A - 1A - 10A - 15C - 140 - 1C -
10C - 16A 21C - 16C - 21C - 15C - 21C - 15A - 18A - 13A - 2A -9A - 17C - 20A-- 17A
- 20A - 18A - 20A - 19A - 21A -22A - 20A - 180 - 9A - 2A - 12A - 17A.
-
Diese Wicklung wird nach Umlegen entgegen dem Uhrzeigersinn um den
Formteil 17A dann als die erste schraubenförmige Wicklung mit etwa 4,5 cm Steigung
fortgesetzt und führt nach 12A und von dort nach 11A, vo wo sie als zweite schraubenförmige
Wicklung nach unten bis 16A geführt wird. Die Wickelfolge wird fortgesetzt mit 19C
- 17A - 18C, dann als dritte schraubenförmige Wicklung hinauP bis 13C - 14C, dann
als vierte schraubenförmige
Wicklung abwärts bis 15C - 22A - 18C.
Alle diese schraubenförmigen Wicklungen werden mit der gleichen Steigung ausgeführt
und bilden die gezeigte kreuz und quer Anordnung.
-
Diese Wicklung wird sechsfach wiederholt, wenngleich auch andere Anzahl
von Windungswiederholungen benutzt werden könnten. Nach dem sechsten Auflegen der
Wicklung wird das Faserbündel abgeschnitten und eine zweite Wicklung wie folgt aufgelegt:
2) 16C - 22A - 16A - 15A - 19C - 18A - 17A - 22A - 17C - 16C -15A - 19A - 18A -
15A. Diese Wicklung wird vierfach wiederholt und das Bündel dann abgeschnitten.
Es folgt dann die dritte Wicklung: 3) 11C - 7C - 2A - 7A - 8A - 1C - 40 - 11C -
10C - 8A - 5C -6C - 12A - 9A - 8C- 13A - 12A - 4A - 1C - 8C - 2C - 8A -14C - 8A
- 13C - 140 - 12C.
-
Diese Wicklung wird vierfach wiederholt und dann das Bündel abgeschnitten.
-
Die vierteWicklungsfolge besteht tatsächlich aus verschiedenen Wicklungen,
und zwar das Wickeln von fünf getrennten Reifen 2C um das Gefüge von bereits gewickelten,
vertikalen und schraubenförmigen Elementen. Für jeden Reifen 2C wird ein Bündel
vierfach rundum gewickelt.
-
Es ist zu verstehen, dass die oben erläuterten Wickelfolgen nur eine
Methode zum Aufbau des Gefüges darstellt. Viele andere Wickelfolgen sind möglich.
Beispielsweise könnten in der ersten Wickelfolge derjenige Teil, der die vertikalen
Elemente, also die hauptsächlichen lasttragenden Elemente erzeugt, sechsfach wiederholt
werden, während derjenige Teil, der die Elemente am unteren Ende erzeugt, nur vierfach
wiederholt werden würde.
-
So können durch verschiedene getrennte Wickelfolgen die Elemente zu
einer Dicke jeweils entsprechend den Festigkeitserfordernissen aufgebaut werden.
Generell sorgen die vertikalen Elemente für die Lastaufnahme, während die schraubenförmigen
und reifenartigen Windungen Torsion im Schienbein aufnehmen und ein Brechen verhindern.
-
Es ist wünschenswert, die Einsatzformteile mit Epoxiharz zu besprühen,
bevor mit dem Wickeln begonnen wird, um die Adhäsion zu erhöhen und die Gefahr elektrolytischer
Korrosion zu vermindern.
-
Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen
Merkmale können für sich allein oder in jeder denkbaren Kombination von wesentlicher
Bedeutung für die Erfindung sein.
-
-Patentansprüche-