DE2711551C2 - Lasttragender Teil einer Bein- oder Armprothese und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

— Vorbereiten einer Form durch Aneinanderordnen von Formstücken;

— Imprägnieren eines Bündels oder Stranges von Kohlenstoffasem mit nicht ausgehärtetem oder nur teilweise gehärtetem Kunststoff;

— Wickeln des mit Kunststoff imprägnierten Bündels oder Stranges um die vorbereitete Form unter Ausbildung des Rahmenwerkes;

— Aushärten oder vollständiges Nachhärten des Rahmenwerkes und

— Entfernen aller oder einiger Formstücke.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einige Formstücke beim Entformen als Funktionseinsätze im Rahmenwerk belassen werden.

60

Die Erfindung bezieht sich auf einen lasttragenden Teil einer Bein- oder Armprothese aus mit Kohlenstoffasem verstärktem Kunststoff.

Bei Knochen-Ersatz-Implajitaten, also mit operativem Eingriff im Inneren des Körpers einzusetzenden Teilen, ist die Herstellung aus mit Kohlenstoffasem verstärktem Kunststoff bekannt (vergL MOT 4/1976, Seiten 108 und 109; DE-AS 2138146 und DE-OS 19 02 700), während man lasttragende Teile in Beinoder Armprothesen bisher mit Profilstücken, insbesondere Rohrstücken aus Metall ausgestattet hat, um die erforderliche Lastaufnahmefähigkeit zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen lasttragenden Teil einer Bein- oder Armprothese zu schaffen, der für eine gegebene Lastaufnahmefähigkeit in geringerem Gewicht ausgeführt werden kann als bisher.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der lasttragende Teil aus einem Rahmenwerk besteht, das einen Hohlraum umschließt und aus starren, langgestreckten, sich axial zum lasttragenden Teil erstreckenden Elementen und sich diagonal zu den axial verlaufenden Elementen erstreckenden Elementen gebildet ist und daß die Elemente an denjenigen Stellen, an denen sie sich kreuzen oder treffen, fest miteinander verbunden sind.

Der nur aus einem Rahmenwerk aus sich axial und diagonal erstreckenden, an ihren Kreuzungsstellen fest miteinander verbundenen Elementen gebildete lasttragende Teil einer Bein- oder Armprothese zeichnet sich durch ein vorteilhaftes Verhältnis von Lastaufnahmefähigkeit und Gewicht aus. Dieses Rahmenwerk läßt sich auch von vornherein weitgehend der Form des jeweiligen Prothesenteiles anpassen, so daß es sich mittels eines einfachen Prothesenüberzuges schützen und gut der äußeren Form des entsprechenden natürlichen Teiles eines Armes oder Beines angleichen läßt. Es sind zwar Rahmenwerkkonstruktionen im Bauwesen, in der Raumfahrt, beim Flugzeugbau, Schiffsbau u.dgl. bekannt Jedoch sind die bekannten Rahmenwerkkonstruktionen dieser Anwendungsgebiete nur auf einen oder zumindest auf eine sehr beschränkte Anzahl von Bclastungsfallen zu berechnen. Dagegen muß ein lasttragender Teil in einer Bein- oder Armprothese geeignet sein, Belastungen verschiedenster Art mit Sicherheit aufzunehmen, beispielsweise axialen Druck unter starker, sich ändernder Abweichung der Druckrichtung von der Axialrichtung (beispielsweise Gehbewegung), axialem Zug mit starken sich ändernden Abweichungen der Zugrichtung von der Axialrichtung, Biegebeanspruchungen nach allen Richtungen, Torsionsbeanspruchungen u. dgl. mehr. Es war daher nicht zu erwarten, daß ein Rahmenwerksaufbau gefunden werden konnte, der den verschiedenartigsten Anforderungen entspricht, wie sie an den lasttragenden Teil einer Beinprothese oder Armprothese gestellt werden.

In vorteilhafter Weiterbildung und Verbesserung der Erfindung können weitere, reifenartig ausgebildete Elemente etwa rechtwinklig zu den axial verlaufenden Elementen angeordnet sein. Auf diese Weise läßt sich das Verhältnis von Lastaufnahmefähigkeit zu Gewicht weiterhin verbessern und der Umfang der Belastungsarten vergrößern, die das Rahmenwerk sicher aufnehmen kann.

Als eine andere Weiterbildung und Ergänzung der Erfindung können Funktionseinsätze im Rahmenwerk gehalten sein. Solche Funktionseinsätze lassen sich unmittelbar in das Rahmenwerk einfügen und gewährleisten dadurch eine unmittelbare Lastübertragung in das Rahmenwerk. Es können dabei zumindest einige der Funktionseinsätze tragende Einrichtungen für andere Teile einer Prothese darstellen. Beispielsweise kann eine

tragende Einrichtung für eine Kniegelenkeinheit vorgesehen sein oder ein Kniegelenkgehäuse bilden. Es kann auch eine tragende Einrichtung die Befestigungseinrichtung für einen künstlichen Fuß bilden.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Kunststoff des Rahmenwerks ein Epoxidharz.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen lasttragenden Teiles für eine Bein- oder Armprothese eignet sich insbesondere ein Verfahren, das sich durch die folgenden Schritte kennzeichnet:

— Vorbereiten einer Form durch Aneinanderordnen von Formstücken;

— Imprägnieren eines Bündels oder Stranges von Kohlenstoffasern mit nicht ausgehärtetem oder nur teilweise gehärtetem Kunststoff;

— Wickeln des mit Kunststoff imprägnierten Bündels oder Stranges um die vorbereitete Form unter Ausbildung des Rahmenwerkes;

— Aushärten oder vollständiges Nachhärten des Rahmenwerks und

— Entfernen aller oder einiger Formstücke.

Diese Herstellungsweise ermöglicht von vornherein gute räumliche Formanpassung des lasttragenden Teiles an die herzustellende Bein- oder Armprothese unter gleichzeitiger Schaffung optimaler Lastaufnahmefähigkeit hinsichtlich aller zu erwartender Belastungsarten.

In diesem Verfahren können einige Formstücke beim Entformen als Funktionseinsätze im Rahmenwerk belassen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der schaubildlichen Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Rahmenwerk eines lasttragenden Teiles für das Schienbein einer Beinprothese in Vorderansicht;

Fig.2 eine Seitenansicht des Rahmenwerks nach F i g. 1 von der rechten Seite der F i g. 1 aus gesehen;

Fig.3 eine rückwärtige Ansicht des Rahmenwerks von der rechten Seite der F i g. 2 aus gesehen; *o

F i g. 4 einen Schnitt in der Ebene A-A der F i g. 2 und

Fig.5 ein Schaubild, das wiedergibt, wie die mit Kunststoff imprägnierten Kohlenstoffaserbündel gewunden oder gewickelt werden, um ein Rahmenwerk nach F i g. 1 bis 4 zu bilden. «

Es ist zu beachten, insbesondere im Hinblick auf F i g. 4, daß das Rahmenwerk nach den F i g. 1 bis 4 sehr allgemein zylindrisch gehalten ist. Fig.5 ist eine aufgewickelte Projektion eines solchen zylindrischen Rahmenwerks.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen das lastaufnehmende Schienbein-Rahmenwerk einer Beinprothese, das sich vom Kniegelenk bis zu einem Fußgelenk erstreckt Es weist einen oberen, allgemein bei B wiedergegebenen Teil und einen unteren, allgemein bei Cwiedergegebenen Teil auf. Der obere Teil B hat verschiedene eingeformte Funktionseinsätze in Form von Verbindungselementen aus Metall, wie sie weiter unten im einzelnen erörtert werden, derart, daß das Rahmenwerk mit einem Kniemechänismus und einem Obersehenkel gängiger, herkömmlicher Art verbunden werden kann. Auch die Form des räumlichen Rahmenwerks im oberen Teil B ist derart, daß ein Innenraum geschaffen wird, in welchem ein herkömmlicher pneumatischer Schwingmechanismus oder eine andere Steuervorrichtung untergebracht werden tonn. 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 eb\ kontinuierliches, einheitliches lastaufnehmehdes räumliches Rahmenwerk aus langgestreckten Elementen, wie dies in der Zeichnung gezeigt ist Diese Elemente umschließen die sich generell axial erstreckenden Elemente IC dazu rechtwinklig angeordnete, reifenartl· ge Elemente 2C und schraubenförmig oder diagonal gelegte Elemente 3c Diese Elemente sind aus mit Epoxidharz imprägnierten Kohlenstoff asern hergestellt, in anderen Worten aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Epoxidharz. .

Wie erwähnt, sind verschiedene Verbindungselemente aus Metall eingeformt, diese umschließen ein axial ausgerichtetes Paar von in Abstand angeordneten, außen mit Nuten versehenen Metallringen 1 und 2. In der fertigen Beinprothese würde ihre Achse die Knieachse sein, und die Enden eines Kniegelenkboizens oder eines entsprechenden Teiles würden in diese Ringe eingesetzt Ein an der Außenseite ^nutetes, 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 Pa?r von in Abstand liegenden, mit äußerer Nut versehener Ringe 9,10 bildet die Anbringung anjeder Seite für eine (nicht gezeigte) pneumatische Schwingsteuer-Einheit bekannten Typs. Am unteren Ende bzw. 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) Kriöchel-Lagerstiftes bilden. Auf diesem kann drehbar ein Sitz, beispielsweise zum Anbringen eines umgekehrten 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 Fig.5 für die Ringe 20, 21 gezeigt ist, um ein Verdrehen des Ringes zu verhindern, wobei das Bündel aus Kohlenstoffasern 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.

Die Funktionselemente, nämlich 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 Funktionselemente in der Form von kleineren, außen genuteten Ringen sind bei 11,12,13,14 und 15, 15, \j, 18 eingesetzt Weitere Funktionselemente sind am unteren Ende des Rahmenwerks 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 g<?nerell kreisförmiger Formteil 19 ebenfalls ein Kissen bildet als Anschlag für einen Fersen-Gummipuffer am Fuß.

Die Bezugszeichen 4, 5, 6, 7 geben Steilen an, wo während des Wickeins des Faserstoffbündels Formteile benutzt werden, die aber entfernt werden, nachdem das Faserstoffbünde! au-gehärtet worden ist

Das Faserstoffbündel besteht aus Kohlenstoffasern. Ein Beispiel für das zum Imprägnieren der Bündel bzw. Stränge von Kohlenstoffasern ist:

1OO Gewichtsteile Äthoxylinharz;
50 Gewichtsteile Härter und
2 Gewichtsteile Beschleuniger.

Die Kohlenstoffasern werden mit dem nassen Harz im Gewichtsverhällnis 50 :50 imprägniert. Das Imprägnieren kann so ausgeführt werden, daß ein unimprägniertes Bündel von Kohlenstoffasern 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 welchem 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 Rahmenwerk entfernt werden, wenn das Harz hart geworden ist.

Bei gegebener Anzahl und Anordnung der oben in Verbindung mit F i g. 1 bis 4 beschriebenen Formteile besteht eine große Anzahl möglicher Wickelfolgen, und es wurden unter Benutzung eines Computers Versuche ausgeführt, um die beste Wickelfoige und die besten Wickelfolgen festzulegen. Es erscheint ausreichend, hier nur eine Wickelfolge! im Hinblick auf F i g. 5 anzuführen. F i g. 5 ist eine aufgewickelte schaubildliche Projektion. Berücksichtigt man Fig. 1 (Vorderansicht) und behält dabei im Sinn, daß es sich um ein zylindrisches Rahmenwerk handelt, so nehme man an, daß dieses Rahmenwerk an der Vorderseite mittig vertikal aufgeschnitten und dann flach ausgelegt wird: Das Ergebnis ist, die Projektion gemäß F i g. 5.

In Tig. 5 sind die verschiedenen Vorteile mit den gleichen Bezugszeichen gezeigt, wie sie auch in den

Fig.! ui5 4 bcnliiZV werden, rviänühc Linien cliucn —

wie aus Fig. 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 sich axial erstreckenden, !asttragenden Elemente, die sich von den Funktionselementen 1 und 2 am oberen Ende nach unten zu den Funktionselementen 19 bis 22 am unteren Ende erstrecken;

ii) die übrigen Elemente, die die Wege oder den oberen Teil ßbilden;

iii) die schraubenförmig gewundenen Elemente;

iv) die reifenförmigen Elemente.

Die gegenwärtig bevorzugten Folgen werden unten erläutert. Jede Wickelfolge kann wiederholt werden. Beispielsweise wurden die Folgen für die sich axial erstreckenden Elemente (i) und für die Wiegenelemente (ii) sechsfach wiederholt, um Elemente erforderlicher Festigkeit einzubauen. So würde z. B. ein Element leder F i g. 1 bis 3 aus sechs Längen von imprägniertem Faserbündel aufgebaut wobei diese Längen in einen einzigen länglichen, vertikalen lastaufnehmenden Element IC miteinander verbunden wurden. 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 Funktionselement gewickelt wird. Ein Funktionselement, nämlich das Formelement 3 ist in F i g. 5 aber nicht in den F i g. 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 F i g. 1 und 3 gewunden ist, wobei ein Teil dieses Elementes in der Seitenansicht in F i g. 2 zu sehen ist. In der Fig.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) 16/4 - IM - \A - 10/4 - 15C- 14C- IC- 10C-16/4 -21C- 16C- 21C- 15C- 21C- 15,4-18/4 — i3A — 2Ä-9A— i7C-2QA — i~A-20A-18/4-20A-194-21/4-22/4-20/4-18C-9/4-2,4-12/4-17/4.

Diese Wicklung wird nach Umlegen entgegen dem Uhrzeigersinn im den Formteil 17/4 dann als die erste schraubenförmige Wicklung mit etwa 4.5 cm Steigung fortgesetzt und führt nach 12/4 und von dort nach HA von wo sie als zweite schraubenförmige Wicklung nach unten bis 164 geführt wird. Die Wickelfolge wird fortgesetzt mit 19C-174-18C, dann als dritte schraubenförmige Wicklung hinauf bis 13C— 14C, dann als vierte schraubenförmige Wicklung abwärts bis 15C-22/4-18C 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 aas Faserbündel abgeschnitten und eine zweite Wicklung wie folgt aufgelegt:

2) 16C-22/4-16-4-15/4-19C-18/4-17/4- 22A - 17C- 16C- 15/4 - 19/4 - \»A - ISA

Diese Wicklung wird vierfach wiederholt und das Bündel dann abgeschnitten. Es folgt dann die dritte Wicklung:

3) 11C-7C-2/4-7A-8/4-1C-4C-11C-10C-8A-5C-6C-H2A-9/4-8C-13A-12/4-4/4-1C-8C-2C-8/4-14C-8/4-13C-14C-12C

Diese Wicklung wird vierfach wiederholt und dann das Bündel abgeschnitten.

Die vierte Wicklungsfolge besteht tatsächlich aus verschiedenen Wicklungen, und zwar das Wickeln von fünf getrennten reifenförmigen Elementen 2C um das Rahmenwerk von bereits gewickelten, sich axial erstreckenden and schraubenförmigen Elementen. Für jedes reifenförmige Element 2C wird ein Bündel vierfach rundum gewickelt

Es ist zu verstehen, daß die oben erläuterten Wickelfolgen nur eine Methode zum Aufbau des Rahmenwerks darstellt Viele andere Wickelfolgen sind möglich. Beispielsweise könnten in der ersten Wickelfoige derjenige Teil, der die vertikaler. 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 Epoxidharz zu besprühen, bevor mit dem Wickeln begonnen wird, um die Adhäsion zu erhöhen und die Gefahr elektrolytischer Korrosion zu vermindern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lasttragender Teil einer Bein- oder Armprothese aus mit Kohlenstoffasem verstärktem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der lasttragende Teil aus einem Rahmenwerk (B, C) besteht, das einen Hohlraum umschließt und aus starren, langgestreckten, sich axial zum lasttragenden Teil erstreckenden Elementen (IC)und sich diagonal zu den axial verlaufenden Elementen (IC) erstreckenden Elementen (3C) gebildet ist und daß die Elemente (IC 3C) an denjenigen Stellen, an denen sie sich kreuzen oder treffen, fest miteinander verbunden sind.

2. Lasttragender Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere, reifenartig ausgebildete Elemente (2C) etwa rechtwinklig zu den axial verlaufenden Elementen (1 C) angeordnet sind

3. Lastiragender Teil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da" Fukticnseinsätze (1,2, 2C 8 bis 22) im Rahmenwerk (B, Q gehalten sind.

4. Lasttragender Teil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Funktionseinsätze (1, 2, 8, 9, 10, 19 bis 22) tragende Einrichtungen für andere Teile einer Prothese darstellen.

5. Lasttragender Teil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine tragende Einrichtung für eine Kniegelenkeinheit vorgesehen ist oder ein Kniegelenk^ehäuse bildet

6. Lasttragender Teil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine tragende Einrichtung (19 bis 22) eine aefesti^ungseinrichtung für einen künstlichen Fuß bildet

7. Lasttragender Teil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff Epoxidharz ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines lasttragenden Teiles einer Bein- oder Armprothese nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte: