DE3609777A1 - Kniegelenkmotorschiene - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kniegelenkmotorschiene zur passiven, kontinuierlichen Bewegung des Knie- und Fußgelenkes, die durch einen Motor angetrieben und konstruktiv so ausgebildet ist, daß keine Relativbewegungen zwischen den Konstruktionsteilen der Kniegelenkmotorschiene und dem passiv bewegten Bein auftreten.

Das Konzept von kontinuierlichen passiven Bewegungen (CPM) wurde 1970 von Robert B. Salter entworfen und besteht darin, frisch operierte Gelenke unmittelbar nach einem Eingriff ununterbrochen passiv zu bewegen. SALTER konnte den Nutzen dieser Behandlungsmaßnahmen tierexperimentell nachweisen. Das Verfahren stimulierte den Heilungsprozeß und beschleunigte die Wiederherstellung traumatisierter Gelenke.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurden für die unteren und oberen Gliedmaßen-Gelenke apparative Hilfen konstruiert, die eine passive kontinuierliche Bewegung ermöglichten. Derartige Apparate stehen zur Zeit für Fuß-, Knie- und Hüftgelenk sowie Schulter-, Ellbogen-, Hand- und Fingergelenke zur Verfügung. In der klinischen Praxis wurden Übungsapparate von SALTER und Mitarbeitern 1975 und später sowie z. B. von der Firma Kinetec Co. Gemo Konstrukteur (1980-1985) mit dem Warenzeichen Kinetec eingeführt. Die Geräte werden im deutschen Sprachraum als "elektromotorische Übungsgeräte zur Nachbehandlung von Verletzungen der unteren Extremitäten", "passive Bewegungschienen" oder, wie nachfolgend genannt, "Kniegelenkmotorschienen" bezeichnet.

Das wesentliche Merkmal heute bekannter Kniegelenk­ motorschienen besteht darin, daß das Bein auf eine Unterlage gelegt wird, die in Höhe des Kniegelenkes eine Drehachse aufweist. Auf dem unteren Teil der Unterschenkelauflage ist eine Stütze für den Fuß angebracht. Der Motor befindet sich unterhalb der Beinauflage und bewirkt eine Abwicklung des Ober- und Unterschenkels gegeneinander.

Das Prinzip der passiven Bewegung setzt voraus, daß die Unterstützungsflächen für den Unter- und Oberschenkel sicher anliegen, damit zwischen dem betroffenen Bein und den Auflageflächen der Kniegelenkmotorschiene keine Zwangskräfte auf­ treten können. Nur unter dieser Bedingung kann von einer nützlichen passiven Bewegung die Rede sein. Der kraftfreie Parallellauf der Auflage­ flächen der Kniegelenkmotorschiene und des be­ troffenen Beines kann nur dann gelingen, wenn der Bewegungsablauf der Schiene und derjenige des individuellen Beines einander gleich sind, d.h. physiologische Verhältnisse bestehen.

Der physiologische Bewegungsablauf ist aber bei den bekannten Kniegelenkmotorschienen nicht gewähr­ leistet. Dies hängt vor allem damit zusammen, daß die Drehachsen der Kniegelenkmotorschienen nicht den physiologischen Vorgaben entsprechen und nicht auf die individuellen physiologischen Parameter für diese Drehpunkte eingestellt werden können. Deshalb kommt es zu Relativbewegungen zwischen dem Oberschenkel und der entsprechenden Auflage­ fläche der Kniegelenkmotorschiene. Dies kann zu muskulären Verspannungen, Verschiebungen der Schiene und Gefährdung des Behandlungserfolges führen.

Aufgabe der Erfindung war es, eine Kniegelenkmotor­ schiene zu entwerfen, die bei ihrer Anwendung die biologischen Drehpunkte des Knie- und Hüftgelenkes berücksichtigt und bei der die individuellen Parameter für jeden Patienten einstellbar waren. Durch die An­ wendung einer elektronischen Steuerung der erforderlichen Winkelparameter sowohl für das Knie wie auch für das Fußgelenk sollte es möglich sein, den Behandlungsvorgang in einem elektronisch speicherbaren Programm vorzugeben und die tatsächlich durchgeführten Behandlungsvorgänge in einem weiteren Speicher abzuspeichern, so daß es auch bei einem größeren Patientengut möglich war, den klinischen Behandlungserfolg mit den individuell durch­ geführten passiven Bewegungsabläufen zu vergleichen.

Das gestellte Problem wurde in der Weise gelöst, daß die mechanischen Drehpunkte der Konstruktion und die physiologischen Drehpunkte in der seitlichen Ansicht zur Übereinstimmung gebracht wurden. Dies setzte vor­ aus, daß sowohl die Längen für Femur und Tibia wie auch die exakte Positionierung des Hüftgelenkes möglich waren. Hierbei stellt sich als besonderes Problem die exakte Positionierung des Drehpunktes für das Hüft­ gelenk. Dies wird in der Weise realisiert, daß äußer­ lich der Drehpunkt für das Hüftgelenk ertastet und ein geeigneter Bügel in die Grundkonstruktion der Kniege­ lenkmotorschiene eingeschoben wird, an dessen einem Ende sich der Konstruktionsdrehpunkt für die Ober­ schenkellagerung befindet, der dann bei richtiger Anpassung mit dem Hüftgelenkdrehpunkt in der seitlichen Ansicht übereinstimmt. Durch die Wahl verschieden ge­ formter Einsatzbügel kann praktisch für jede Gelenk­ positionierung der geeignete Drehpunkt gefunden werden. Wegen dieser Konstruktionsdurchführung ist es nicht mehr möglich, den Antrieb für die Knie­ gelenkmotorschiene unterhalb des Drehpunktes für das Kniegelenk anzuordnen, weil dieser Platz wegen des tiefer liegenden Beines für die Ausnutzung des gesamten Bewegungsumfanges benötigt wird. Der Motor ist daher seitlich am Kniegelenk angeordnet und treibt direkt die Achse des Kniegelenkes an.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Drehpunkt für das Hüftgelenk in der Weise simuliert, daß ein Verbindungselement (18) zwischen der Trage­ konstruktion (9) und der tibialen Konstruktion (7) eingeführt wird. Die Fixpunkte für dieses Verbindungs­ element am Konstruktionsteil (9) und am Konstruktions­ teil (7) sind nicht fest, sondern über fixierbare Gleitschuhe beweglich angeordnet. Auch die Länge dieses Verbindungselementes (18) ist verstellbar (19). Die Enden des Verbindungselementes (18) sind über Achsen (20) und (21) beweglich verbunden. Diese Achsen liegen nicht zwangsläuftig auf den Konstruktionselementen (7), (4), sondern es kann auch ein Achsversatz (27) eingefügt sein. Durch diese Konstruktion ist es möglich, durch die Wahl der Fixpunkte an den Konstruktionselementen (7) und (9) einen virtuellen Drehpunkt für das Hüft­ gelenk zu simulieren, d.h. die Gesamtkonstruktion bewegt sich so, als würde sie sich um die Drehpunkte (1) des Hüftgelenkes und (2) des Kniegelenkes mit den entsprechenden Längen für Femur und Tibia bewegen. Der wesentliche Vorteil dieser Konstruktion beruht darin, daß bei seitlicher Anordnung des Konstruktions­ elementes (18) die Kniegelenkmotorschiene sowohl für das rechte wie für das linke Bein verwendet werden kann, ohne daß jeweils die Verbindungsbügel (5), die ja nur lateral angebracht werden können, gewechselt werden müßten. Um bei dieser Konstruktionsdurchführung die Beinkräfte auffangen zu können, wird ein weiteres in sich frei verschiebliches Konstruktionsteil (16) eingeführt, das entsprechende Auflagebügel (17) für den Oberschenkel aufweist. Dieses Konstruktions­ element ist an einem Ende genau im Kniegelenkdreh­ punkt, am anderen Ende mit einer Achse am Grund­ konstruktionselement (9) befestigt.

Eine Entkoppelung der Kniegelenkbeugung und der Drehung des Fußgelenkes wird durch Einfügung eines weiteren Motors für das Fußgelenk erreicht. Hierdurch ist es möglich, entweder das Fußgelenk alleine zu bewegen oder aber vorgebbare Winkel­ bereiche in Abhängigkeit von der Kniebeugung vorzu­ schreiben.

Erfindungsgemäß ist in jedem Getriebe der Motoren (6) und (15) ein Winkelaufnehmer eingebaut, der mit der Steuerungselektronik verbunden ist. Der wesent­ liche Bestandteil dieser Steuerungselektronik stellt ein Mikroprozessor dar, in dessen Speicher das Übungsprogramm für den Patienten eingelesen ist. Bei Aktivierung dieses Steuerungsgerätes wird die Kniegelenkmotorschiene zuerst in die vorgeschriebene Ausgangsposition gebracht. Dann läuft das Übungs­ programm ab. Während dieses Ablaufs wird der Übungszeitpunkt von der eingebauten Zeituhr und die Art des Übungsprogramms in einen weiteren Speicher des Steuergerätes geschrieben. Diese Daten können später über einen Rechner abgerufen und weiter verar­ beitet werden. Der Speicher ist so ausgelegt, daß er die Übungsprogramme mehrere Wochen speichern kann.

Weil die Übungsprogramme für jeden Patienten indi­ viduell verschieden sind und die Kniegelenkmotor­ schiene in der Regel an einem Tage bei mehreren Patienten Anwendung findet, ist die Speicherkapazi­ tät des Übungsspeichers so ausgelegt, daß die Übungsprogramme für mehrere Patienten und nach Ein­ gabe zum Beispiel des Patienten-Namens abrufbar sind. Durch die eingebauten Winkelaufnehmer in den Motoren ist es möglich, eine präzise Steuerung des Programms durch Ist-Sollwertvergleich durchzuführen. Durch Schalterbetätigung ist es ebenfalls möglich, das Programm sofort zu verändern und bestimmte Winkel­ positionen der Kniegelenkmotorschiene einzustellen.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Abbildung (1) zeigt eine Kniegelenkmotorschiene in ihren wesentlichen Teilen, bei welcher die psysiologischen Drehpunkte für das Hüftgelenk (1), für das Kniegelenk (2) und für das Fußgelenk (3) in direkter Weise mit der gewählten Konstruktion zur Übereinstimmung gebracht worden sind. In der seitlichen Projektion stimmen die Drehpunkte (1), (2), (3) der Konstruktion genau mit den physiologi­ schen Drehpunkten der entsprechenden Gelenke überein. Die Länge des Femur wird durch eine Rohrverbindung zwischen den Gelenkdrehpunkten (1) und (2) nach­ gebildet. Diese Rohrkonstruktion ist ineinander verschiebbar und durch eine Fixierschraube (4) fest einstellbar. Eine entsprechende Konstruktion ist für die Tibia vorhanden, zwischen den Dreh­ punkten (2) und (3) ist eine Längenverstellung ver­ mittels einer Fixierschraube (8) möglich. Die exakte Positionierung des Hüftgelenkes (1) wird konstruktiv so vorgenommen, daß ein austauschbarer Bügel (5) vorgesehen ist, der in Grundhalterung (9) am Orte (10) einsteckbar ist. Für verschiedene Positionierungen des Hüftgelenkdrehpunktes werden verschiedene Größen dieses Positionierbügels (5) eingesteckt. Die Lage des Hüftgelenkes wird äußer­ lich ertastet und ein geeigneter Bügel so ausgewählt, daß der Konstruktionsdrehpunkt (1) und der Hüftgelenk­ drehpunkt in der seitlichen Ansicht übereinstimmen. Dieser Bügel wird am Orte (10) eingesteckt und über eine Schraubverbindung mit der Rohrkonstruktion (23) am Drehpunkt (1) verschraubt. Die Abwinkelung der Kon­ struktion wird in der Weise gewährleistet, daß der Motor (6) mit der Rohrkonstruktion (7) an einem Ende (24) fest verbunden ist, während die Antriebsachse des Getriebemotors (6) die Konstruktion exakt im Dreh­ punkt (2) antreibt. Während die gesamte Konstruktion in dem Drehpunkt (1) fest fixiert ist, kann sie ver­ mittels eines Gleitschuhes (11) auf der Führungs­ schiene der Grundkonstruktion (9) entlanggleiten. Dieser Gleitschuh ist noch einmal in Abbildung (3) heraus­ gestellt und umfaßt das Führungsrohr (9) soweit, daß er nicht von dem Rohr abheben kann. Dieser Gleitschuh ist in einer Ausführung aus einem gleitfähigen Kunst­ stoff, z. B. Polyamid, gefertigt oder in einer anderen Ausführung noch mit einem zusätzlichen Kugellager (25) versehen. Für die Führung des Fußes selbst ist noch eine über eine Schraube (14) verstellbare Fußauflage (12) vorgesehen. Unabhängig von der Abwinkelung des Knie­ gelenkes (2) kann das Fußgelenk über eine Drehachse (3) vermittels des Motors (15) in einem vorgebbaren Winkelbereich bewegt werden. Um das auf der Knie­ gelenkmotorschiene passiv ruhende Bein gut abfangen zu können, sind sowohl für den Oberschenkel wie für den Unterschenkel Rohrbögen (17) angebracht, die gleichzeitig die linke und die rechte Rohrkon­ struktion miteinander verbinden, wie es in der perspektivischen Zeichnung Abbildung (4) gezeigt ist.

Abbildung (2) zeigt eine Konstruktion, in welcher der Drehpunkt für das Hüftgelenk (1) von der Funktion her voll erhalten ist, von der Konstruktion her aber nur virtuell vorhanden ist. Dieser virtuelle Drehpunkt für das Hüftgelenk (1) wird dadurch realisiert, daß zwischen dem Konstruktionselement (7) und dem Kon­ struktionselement (9) eine an zwei Drehpunkten (20), (21), gelagerte feste Verbindung (18), die ihrerseits in der Länge vermittels einer Fixierschraube (19) verstellbar ist, eingeführt wird. Durch eine geeignete Positionierung des Verbindungselementes (18) an den Konstruktionselementen (7) und (9) ver­ mittels von fixierbaren Gleitschuhen (22), (23) gelingt es, jeden individuellen Drehpunkt für das Hüftgelenk (1) exakt einzustellen. Die Länge des Femur wird durch Ver­ längerung des Verbindungselementes (18) und anschließende Fixierung mit Hilfe der Schraube (19) realisiert. Die Auflagekräfte des gesamten Oberschenkels werden durch ein neues in sich verschiebbares Konstruktionselement (16) aufgefangen, an welchem die Tragebügel (17) für eine geeignete Auflagefläche angebracht sind.

Claims (12)

1. Kniegelenkmotorschiene zur passiven, kontinuierlichen Bewegung des Knie- und Fußgelenkes, die durch einen Motor angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Konstruktion in der seitlichen Ansicht mit den physiologischen Drehachsen des Hüft-, Knie- und Fußgelenkes übereinstimmen.

2. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion einen auswechselbaren Bügel (5) aufweist, der in die Grundkonstruktion (9) einschiebbar ist und der durch unterschiedlich wählbare Abmessun­ gen den Drehpunkt (1) für das Hüftgelenk festlegt.

3. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) und (2) dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion durch einen seitlich angebrachten Motor (6) angetrieben ist, dessen Drehachse genau im Dreh­ punkt (2) für das Kniegelenk angebracht ist.

4. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) bis (3) dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung für das Fußgelenk durch einen zweiten seitlich angebrachten Motor (15) sichergestellt ist.

5. Kniegelenkmotorschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche (1) bis (4) dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Konstruktionselement (9) und (7) ein über zwei Achsen (21), (20) gelagertes Konstruktionselement (18) eingeführt ist, dessen Fixpunkte an den Konstruktionselementen (7) und (9) über fixierbare Gleitschuhe (23) und (22) verstellbar sind.

6. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (5) dadurch gekennzeichnet, daß das Konstruktionselement (18) in seiner Länge vermittels einer Arretierschraube (19) verstellbar ist.

7. Kniegelenkmotorschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche (1) bis (7) dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kniegelenkdrehpunkt (2) und der Grundkonstruktion (9) ein in sich frei verschieb­ liches Konstruktionselement (16) zur Aufnahme der Auflage angebracht ist.

8. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) bis (7) dadurch gekennzeichnet, daß jeder Motor einen Winkelaufnehmer aufweist, der mit einem elek­ trischen Steuerungsgerät elektrisch verbunden ist.

9. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (8) dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Motoren Schrittmotoren sind.

10. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) bis (9) dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren für die Gelenkachsen nach einem festgelegten Übungsprogramm vermittels eines Mikroprozessors angesteuert sind.

11. Kniegelenkmotorschiene nach Anspruch (1) bis (10) dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät ein weiterer Speicher eingebaut ist, der neben der Uhrzeit die tatsächlich durchgeführten Bewegungsabläufe der Kniegelenk­ motorschiene abspeichert und das Datum erfaßt.

12. Kniegelenkmotorschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche (1) bis (11) dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Handschalter das Übungsprogramm übersteuert wird und daß in diesem Falle auch diese Übersteuerung von dem Kontrollspeicher erfaßt wird.