DE60018987T2

DE60018987T2 - Beinprothese

Info

Publication number: DE60018987T2
Application number: DE60018987T
Authority: DE
Inventors: Björn ANDERSEN
Original assignee: IN LIEU AS TRONDHEIM; IN-LIEU AS
Current assignee: ANDERSEN, BJOERN, AALESUND, NO
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: EP1276441B1; NO992689L; AU4958300A; NO309797B1; WO2000074610A1; EP1276441A1; DE60018987D1; NO992689D0; ATE291400T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Höhensteuerung einer Beinprothese gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Nach der Amputation eines Beines an der Wade, dem Knie, dem Schenkel oder der Hüfte erhält ein Patient oft eine Prothese als Ersatz für den verlorenen Körperteil. Der verbleibende Körper des Patienten wird im Allgemeinen mit der Prothese über eine Manschette, welche als „Stumpfmanschette" bezeichnet wird, verbunden. Es ist auch möglich, die Prothese direkt mit einer Titan-Schraube, einer so genannten Prothese zur Ossio-Integration oder Gewebe-Prothese, mit dem verbleibenden Körper zu verbinden. Die Stumpfmanschette ist mit einem Adapter und einem mit einem Fußteil verbundenen Gelenk versehen. Diese Art von Beinprothese kann abhängig vom Amputationsgrad auch ein Knie und eine Hüfte aufweisen.
Eine Beinprothese mit teleskopisch regulierenden Teilen, welche eine Höhensteuerung nach unterschiedlichen Bedingungen durchführen, ist weithin bekannt. Beispielsweise ist aus der schwedischen Patentanmeldung 431.054 (LIT) solch eine Beinprothese mit einer teleskopischen Steuerung im Beinbereich bekannt. Diese Steuerung erfordert, dass eine Arretiereinrichtung gelöst wird. Dies ist zeitraubend und ermöglicht keine Anpassung während des Gehens.
Aus dem US-Patent 5,376,138 (Bouchard et al) ist es bekannt, einen hydraulischen Stoßdämpfer zum Absorbieren eines Stoßes gegen die Beinprothese zu verwenden. Dies erfordert eine komplizierte Zylinder- und Ventilanordnung, um schnelle Stöße, z. B. bei einem Fall, auffangen zu können, ohne dass eine Stoßdämpfung bereitgestellt wird, und um darüber hinaus eine Arretierung bereitzustellen, z. B. zum Gehen von Treppen. Diese Lösung ist ebenfalls nicht sehr geeignet für einen Gebrauch, bei dem eine schnelle und einfache Höhenregulierung wünschenswert ist, wie z. B. bei einem kurzen Gehen auf schrägem Boden.
Das US-Patent 5,702,488 (Wood et al) beschreibt noch einen anderen teleskopischen Stoßdämpfer für eine Beinprothese ohne die Möglichkeit einer Höhenregulierung.
Es ist schwierig für Menschen mit einer Amputation, insbesondere einer Schenkelamputation, auf schrägem und/oder rauem Boden zu gehen. Dies trifft auch zu für das Gehen auf Pflastern, welche zur Straße hin ein Gefälle haben. Wenn es sich hierbei um ein geringes Gefälle handelt, kann dies durch Benutzung des gesunden Beines kompensiert werden, jedoch kann dies nur über kurze Entfernungen ausgeführt werden und erfordert, dass die Neigung in eine bestimmte Richtung geht.
Aufgabe
Die Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Höhensteuerung zu erschaffen, welche gleichzeitig als ein Stoßdämpfer wirken kann, wo dies gewünscht und praktisch ist. Sie sollte manuell einfach zu aktivieren sein, vorzugsweise ohne einen sichtbaren Eingriff. Sie sollte aus einfachen Teilen aufgebaut sein, vorzugsweise aus im Handel verfügbaren Elementen.
Erfindung
Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert. Mit solch einer Vorrichtung ist es möglich, eine schnelle Regulierung und Feineinstellung der Prothesenhöhe derart vorzunehmen, dass die Prothese den zuvor genannten Zielen angepasst werden kann. Dies kann ohne Einfluss auf die stoßabsorbierenden Eigenschaften der Prothese stattfinden. Das Lösen kann auf einfache Art und Weise angepasst an die Bedürfnisse und Wünsche des Prothesenbenutzers erfolgen.
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die zum Beginn der Höhensteuerung erforderliche Aktivierung falls gewünscht ohne direkte Handbetätigung ausgeführt werden kann, indem ein Ventil auf ein einziges Drücken mit dem gesunden Fuß hin geöffnet werden kann.
Die Patentansprüche 2 bis 10 betreffen verschiedene Details der Erfindung. Die Konstruktion und Funktionsweise der Erfindung ist in dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, wobei
1 eine geschnittene Seitenansicht bei einer Ausführung der Erfindung mit Platzierung im Wadenbereich der Beinprothese zeigt; und
2 prinzipmäßig den Kolben der 1 zeigt.
Die Vorrichtung gemäß 1 weist einen Zylinder 1 mit einem Kolben 2 auf, wobei der Kolben eine Kolbenstange 3 hat, welche vertikal aufwärts durch das obere Wandende des Zylinders geführt ist. In den Zylinder ist auf beiden Seiten des Kolbens 2 ein geeignetes Gas, wie z. B. Stickstoff, eingefüllt.
Um eine Neutral- oder Ruhestellung des Kolbens 2 einzustellen, ist ein Ventil 18 mit Verbindungen zu beiden Seiten des Kolbens 2 vorgesehen. Das Ventil 18 ist normal geschlossen, jedoch kann es über eine Federspannung mit einem Aktivierungshebel 4, welcher durch die Kolbenstange 3 geführt ist, geöffnet werden.
Das untere Ende des Zylinders 1 ist mit einem vorspringenden Zapfen 5, welcher einen Verbindungskopf 6 trägt, ausgebildet. Der Verbindungskopf hat an seinem nach unten gerichteten Ende einen Topf 7 zur Aufnahme eines Zapfens 8, welcher aus einem Fußstück 9 herausragt. Zum Arretieren des Fußstücks 9 in dem Verbindungskopf 6 werden Arretierungsschrauben 10 in Gewindelöchern benutzt.
Korrespondierend hierzu trägt die Kolbenstange einen oberen Verbindungskopf 11 mit einem nach oben gerichteten Topf 12 zur Aufnahme eines Zapfens oder Stöpsels (nicht dargestellt), welcher am oberen Bereich der Beinprothese befestigt ist. Der untere Verbindungskopf 6 weist ein herausragendes inneres Teleskoprohr 13 auf, welches in allen möglichen Positionen der Gasfeder mit einem oberen äußeren Teleskoprohr 14, welches an dem oberen Verbindungskopf befestigt ist, überlappt. Die Teleskoprohre 13 und 14 können aus Plastik, insbesondere mit Kohlefaser und Leichtmetall, besonders Titan, verstärktem Plastik gebildet, sein.
Das obere äußere Teleskoprohr 14 weist einen axialen Schlitz 15 am oberen Ende zur Aufnahme eines Auslösehebels 16, welcher mit dem Aktivierungshebel 4 verbunden ist, auf. Der Auslösehebel 16 kann zum Öffnen des Ventils 18 auf einen abwärtigen oder einen aufwärtigen Druck hin angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist er als ein Doppelhebel ausgeführt, womit er das Ventil 18 auf ein aufwärts gewandtes Ziehen an einer Schnur 17 hin öffnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schnur 17 außerhalb der Beinprothese gezeigt, jedoch kann sie auch versteckt in der Beinprothese angeordnet sein.
Die 2 zeigt Details des Kolbens 2 mit dem Ventil 18 welches auf Druck von dem Aktivierungshebel 4, welcher aus der Kolbenstange 3 herausragt, geöffnet werden kann. Nach Öffnen des Ventils 18 kann Druckmedium durch einen Kanal 19, welcher mit beiden Seiten des Kolbens 2 kommuniziert, fließen.
Um die Beinprothese zu verlängern, öffnet der Benutzer das Ventil 18 und verlagert Gewicht auf den gesunden Fuß, so dass die Beinprothese unbelastet ist. Hierdurch wird der Kolben in der gezeigten Ausführung expandiert, weil die Seite des Kolbens, an der die Kolbenstange befestigt ist, eine verminderte Druckfläche hat. Darüber hinaus kann der Kolben mit einer Schraubenfeder oder einer Gasfeder auf der gegenüberliegenden Seite ausgebildet sein, um die Expansion zu verstärken. Die Gasfeder kann z. B. einen extra Kolben 20 (1) im Inneren des Zylinders aufweisen, welcher ein Gaskissen einschließt. Dies ist besonders sachdienlich, wenn die Fläche der Kolbenstange zu klein ist, um eine ausreichende Druckdifferenz zu bieten.
Die Flächendifferenz zwischen den zwei Seiten des Kolbens, der Druck im Zylinder, die Fläche des Kanals 19 und die Größe einer eventuell zusätzlichen Vorspannung regeln die Geschwindigkeit der Expansion. Diese Geschwindigkeit kann somit entsprechend durch die Wahl einer geeigneten Dimensionierung dieser Elemente vorbestimmt werden.
Um die Beinprothese zu verkürzen, muss der Benutzer bei geöffnetem Ventil die Beinprothese mit Gewicht belasten bis der Kolben 2 bis zu einem gewünschten Grad in den Zylinder 1 gedrückt ist. Dann schließt das Ventil.
Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung kann der Aktivierungshebel 4 mit einem elektrischen Relais verbunden sein, welches zum Öffnen des Ventils dimensioniert ist und welches Energie von einer am Körper des Benutzers getragenen Batterie durch einen Tastenschalter oder Mikroschalter erhalten kann, welcher für eine Aktivierung seitens des Benutzers der Prothese geeignet platziert ist.
Bei einem normalen Gehen mit der Beinprothese wirkt das kompressible Medium, d. h. das Gas innerhalb des Zylinders, als ein Stoßdämpfer. Der Druck in dem stoßabsorbierenden Gas kann variiert werden, so dass die stoßabsorbierende Eigenschaft entsprechend dem Bedarf, d. h. abhängig vom Gewicht der Person etc, angepasst werden kann.
Es ist auch möglich, eine Zylinder-Kolben-Einrichtung mit einem inkompressiblen Medium, z. B. Hydrauliköl oder Gas unter hohem Druck, auszubilden und die Stoßabsorbierung mittels eines separaten kompressiblen Stücks oder Materials oder einer separaten Schraubenfeder oder eines an den Zylinder angeschlossenen Gaskissens bereitzustellen. Die Stoßdämpfung kann auf ein niedriges Niveau ausgelegt sein, so dass sie als eine Sicherheit beim Springen von Treppen etc. wirkt. Dann verhindert sie einen zu hohen Druck auf den Amputationsstumpf und die Wirbelsäule.
Anwendung und Funktionsweise
Wenn der Benutzer der Prothese wünscht, die Beinprothese zu verlängern, öffnet also das Ventil 18 und das gesunde Bein wird belastet, während gleichzeitig die Beinprothese entlastet wird. Der Kolben 2 expandiert dann in Richtung einer Endposition aufgrund des Überdrucks in einem Teil der Kammer, eventuell unterstützt durch eine extra Vorspannung, wie oben beschrieben. Der Kolben 2 kann dann in einer willkürlichen Position in der ein Druckgleichgewicht zwischen beiden Seiten des Kolbens herrscht, gestoppt werden. Auf diese Weise wird es möglich, eine stufenlose Höhenregulierung der Beinprothese ohne eine auffallende und zeitraubende Aktivierung auszuführen. Durch eine geeignete Dimensionierung des Kanals 19 im Kolben und des Rests der oben genannten Elemente erfolgt eine Verlängerung so langsam, dass der Prothesenbenutzer leicht den Grad der Verlängerung bestimmen kann.
Ebenso kann der Benutzer das Ventil 18 öffnen und die Beinprothese belasten, um den Kolben 2 weiter in den Zylinder 1 zu drücken, bis eine gewünschte Länge erreicht ist.
Der Steuermechanismus, d. h. das die Ventilöffnung aktivierende Element und damit der Längenregulierungsauslöser, kann dort platziert werden, wo es für das Amputationsniveau am Besten ist. Falls die Person hüftoperiert ist, kann der Steuermechanismus an der Prothese in Schenkelhöhe platziert werden.
Es ist ebenfalls möglich, solch einen Auslösemechanismus auf Fußhöhe zu platzieren, so dass die Schnur oder das Kabel von einem Mikroschalter durch die Rohre 13 und 14 emporsteigt.
Statt den Kanal zwischen den Zylinderabschnitten durch den Kolben zu führen ist es möglich, zur Einsparung von Innenraum einen Kanal in der Zylinderwand auszubilden oder mit einem Rohr oder einem Schlauch, welcher die zwei Enden des Zylinders miteinander verbindet. In solch einem Kanal, Rohr oder Schlauch wird dann ein Ventil mit der gleichen Funktion wie das Ventil 18 in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel installiert.
Die Vorrichtung kann mit verschiedenen Formen einer gesteuerten Regulierung, entweder stufenlos oder in festen Stufen von z. B. 0,5, 1, 2 cm, vorgesehen sein. Diese kann auch mittels einer Bedieneinrichtung an einer Steuerkonsole erfolgen. Es ist auch möglich, eine elektronische Steuerung, welche zum Einstellen unterschiedlicher Prothesenniveaus programmiert ist, anzuwenden. Solch eine Steuerung kann stufenlos mit einer Fernbedienung ausgeführt sein. Eine Regelung der Stoßabsorption kann ebenfalls in diesem System platziert sein. Eine Vorgabe von unterschiedlichen Graden der Stoßdämpfung kann eingestellt sein.
Durch Programmierung ist es möglich, die Prothese an unterschiedliche Anwendungsbereiche, z. B. unterschiedliche Gehwege, anzupassen. Das bedeutet, dass die Prothese die Höheneinstellung in Abhängigkeit der aktuellen Distanz vornimmt, z. B. von zu Hause zur Arbeit, falls dies eine Gehstrecke ist. Eine Alternative besteht darin, die Programmierung für ein Gehen über unterschiedliche Typen von Boden durchzuführen, so dass der „Betriebszustand Gehen" manuell bei Wunsch aktiviert werden kann. Solch ein Programm kann mit der Regelung der Stoßabsorption abgestimmt sein, so dass es an den aktuellen Boden anpassbar ist.
Diese Steuerung kann entweder durch Bedienelemente an der Prothese oder mit einer Fernsteuerung in ähnlicher Weise wie eine Fernbedienung von Schlössern erreicht werden. Die Anpassung oder Programmierung kann dann in einem Mikroprozessor an der Prothese erfolgen und durch eine Fernbedienung mit einem oder mehreren Kanälen bekannter Bauart aktiviert werden.
Es ist ebenfalls möglich, die Höhenregulierung so anzupassen, dass diese durch einen Drucksensor ausgelöst wird. Die Steuerung kann dann derart ausgebildet sein, dass der Hauptdruck über die Zeit, welcher einem Gehen auf flachem und stabilem Boden entspricht, das Referenzniveau bildet. Bei einer Abweichung von diesem Druck, z. B. beim Gehen auf rauem Grund, kann eine Regelung in Abhängigkeit des Drucks erfolgen. Diese Regelung muss graduell über ein paar Stufen erfolgen, wenn mehr als 0,5 cm geregelt werden sollen. Der Benutzer ist dann in der Lage, vorbestimmte Druckmuster elektronisch zu speichern, so dass die Prothese ein bestimmtes Programmsegment abfragt, wenn dieses an dem Drucksensor registriert wird. Solch eine Aktivierung kann gegebenenfalls mit einer Verzögerungsfunktion gesteuert werden. In ihrer höchsten Automatisierungsstufe kann die Prothese mit einem Ultraschall-Transmitter/Empfänger oder einer anderen wellenbasierten Entfernungsmessung, welche den kommenden Boden auf einem Gehweg erkennen und auf diese Weise ein Signal zur Aktivierung eines bestimmten Programms und hiermit einer Niveauanpassung senden kann, ausgestattet sein.

Claims

Vorrichtung zur Höhensteuerung einer Beinprothese mit einem Zylinder (1), mit einem Kolben (2) und einer Kolbenstange (3), wobei die Kolbenstange (3) aus einem Ende des Zylinders herausgeführt ist, der Zylinder und die Kolbenstange jeweils mit einem von zwei Verbindungsteilen (6, 11) verbunden sind, die wiederum mit Teilen der Beinprothese verbunden sein können, und der Zylinder ein pneumatisches oder hydraulisches Medium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit dem Zylinder (1) ein Kanal zum Übertragen eines Mediums von einer Seite des Kolbens zur anderen über ein Ventil (18), das durch den Prothesenbenutzer betätigt werden kann, besteht, wobei der Kolben (2) gegen eine äußere Endposition mittels eines Differentialdruckbereichs zwischen den beiden Seiten des Kolbens vorbelastet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seite des Kolbens zu einer äußeren Endposition mit einer Spiral- bzw. Schraubenfeder oder eine Gasfeder vorbelastet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (19) und das Ventil (18) sich in dem Kolben (2) befinden, wobei eine Aktivierungs vorrichtung (4) durch die Kolbenstange (3) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem inkompressiblen Medium oder einem Gas unter hohem Druck in dem Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem inkompressiblen Medium ein Gasvolumen in dem Zylinder oder ein komprimierbares Element oder eine Spiral- bzw. Schraubenfeder oder ein Gaspolster in oder benachbart dem Zylinder vorgesehen ist, das in der Lage ist, einen Stoß aufzunehmen bzw. zu dämpfen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal zum Übertragen des pneumatischen oder hydraulischen Mediums von einem Teil des Zylinders zum anderen sich in der Zylinderwand oder einer außerhalb dieser befindlichen Rohrleitung befindet, und das Ventil sich außerhalb des Zylinders befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungsvorrichtung (4) mit einem Freigabehebel (16) verbunden ist, der durch eine Schnur bzw. einen Zug (17), die/der durch die Prothese nach oben zum Knie- oder Schenkelbereich des Prothesenbenutzers oder nach unten zum Fußbereich geführt ist, bewegt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet dass der Zylinder von einem Teleskoprohr (14) umgeben ist, das über den Zylinder von dem freien Ende der Kolbenstange vorsteht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Teleskoprohr aus zwei Rohren (13, 14) besteht, von denen sich je eines von jedem Ende der Vorrichtung erstreckt, wobei die Rohre für eine Gleitbewegung aufeinander zu angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil mit einem elektrischen Auslöserelais versehen ist, das von einem Mikroschalter betätigt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Zylinders und ein freies Ende der Kolbenstange mit einem Verbindungsstück (6, 11) mit einer napfförmigen Öffnung an dem Ende zur Aufnahme des Endes eines Prothesenteils versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (18) über eine elektrische Schaltung betätigt werden kann, die durch Fern steuerung gesteuert werden kann, und die alternativ für eine manuelle oder automatische Verbindung zu vorbestimmten Höhensteuerungsprogrammen programmiert sein kann.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung Steuersignale von einem Drucksensor empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf Wellen basierenden Entfernungsmesser umfasst, der den Boden des Gehwegs als Basis zur Beeinflussung der elektrischen Schaltung abtastet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen drahtlosen Kopplungsmechanismus zum Verbinden programmierter Funktionen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Prothesen-Höhenniveaus mit einer Steuerung der Stoßdämpfung der Prothese koordiniert ist bzw. wird.