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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell ein Fußknöchel- und Fußgelenksystem. Genauer gesagt bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf ein neuartiges und verbessertes
prothetisches Gelenksystem, das die natürliche menschliche Fortbewegung
und die menschliche Biomechanik über
Sensorfeedback, Zeitfeedback, eine elektronisch gesteuerte Dämpfungsgelenkeinheit
und ein Mikroprozessorsteuersystem simuliert.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Wie
die Untersuchungen der menschlichen Physiologie und Anatomie klar
ergeben, beinhaltet der relativ einfache Vorgang des Gehens sogar
nur auf einer ebenen Fläche
zahlreiche biomechanische Komplexitäten. Ein einziger Schritt erfordert
ein konstantes Biofeedback, wie die kontinuierliche Analyse der
Propriozeption, Winkel, des Timings und von ausgeglichenen Muskel-Skelett-Funktionen.
Beim Stand der Technik versucht die Prothesenindustrie kontinuierlich,
die natürliche
menschliche Fortbewegung (NHL), das Verhalten und die Ästhetik
nachzubilden.
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Der
Bereich der Prothetik hat generell enorme Fortschritte gemacht,
um das Verhalten von amputierten Individuen und solchen mit angeborenen Verformungen
auf mehreren Niveaus von einer generellen Gehbewegung bis zum Leistungssport über eine
verbesserte Technik und das Verständnis der menschlichen Biomechanik
zu verbessern. Obwohl es im Stand der Technik bekannt ist, prothetische Fußknöchel- und
Fußkombinationen
herzustellen, die ein generell besseres Verhalten und ein besseres Aussehen
besitzen, ist der Stand der Technik immer noch auf zahlreichen Ebenen
unvollkommen, wie nachfolgend in größeren Einzelheiten erläutert wird.
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Viele
Fußprothesen
sind für
einen geringen oder begrenzten Bereich von Aktivitäten optimiert. Typischerweise
sind Modelle, die für
solche Aktivitäten,
wie das tägliche
Gehen, ausgerichtet sind, nicht optimal für Laufvorgänge ausgerichtet und umgekehrt.
Es ist daher wünschenswert,
eine Konstruktion zur Verfügung
zu stellen, mit der der Benutzer vom Gehen zum Laufen übergehen
kann, so dass er für eine
Vielzahl von Aktivitäten
eine größere Flexibilität erlangt.
Obwohl prothetische Vorrichtungen des Standes der Technik Amputierte
generell zu besser biomechanisch geeigneten Gangarten geführt haben können, ermöglichen
die gegenwärtig
mechanisch konstruierten Fußprothesen
keine signifikanten Änderungen
in der Ganggeschwindigkeit, ohne optimale biomechanische Eigenschaften
zu verlieren, die für
das Gehen oder Laufen wesentlich sind. Ferner ist es ebenfalls wünschenswert,
eine Konstruktion zur Verfügung
zu stellen, die einen Übergang
vom ebenen Boden bis zum Besteigen eines Hügels oder vom ebenen Boden
bis zum Herabsteigen eines Hügels mit
Einfachheit, Sicherheit und guter Funktion ermöglicht und generell das Queren
von unebenen Flächen gestattet,
was im Stand der Technik nicht möglich
ist.
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Es
gibt Modelle im Stand der Technik, wie sie unter der Marke FLEX-FOOT
verkauft werden, die für eine
größere Energierückführung als
andere Modelle sorgen, und es gibt Modelle, die eine bessere Anpassung
an unebenen Boden ermöglichen,
wie sie unter der Marke COLLEGE PARK verkauft werden.
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Bedauerlicherweise
liefert keines dieser Modelle sowohl eine optimale Energierückführung als auch
eine Anpassung an unebenen Boden, die ausreichen, um den Bedürfnissen
der Benutzer gerecht zu werden.
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Es
wird nunmehr davon ausgegangen, dass die Funktionen einer optimalen
biomechanischen und natürlichen
menschlichen Fortbewegung nicht allein einer relativ einfachen mechanischen
Vorrichtung, wie sie im Stand der Technik viel verbreitet ist, entstammen
können.
Beispielsweise wurde bei einer fußknöchelfreien Fußprothese
in einem durch einen Mikroprozessor gesteuerten C-Schenkel-Knie
von der Firma OTTO BOCK festgestellt, dass Amputierte eine viel
bessere Gangsymmetrie, einen verringerten Energieverbrauch und ein
viel besseres Gefühl
des mentalen Vertrauens in die Bewegung als mit Knieprothesen ohne
Mikroprozessor besitzen können.
Es wird nunmehr vorgeschlagen, entsprechende Vorteile über diese
Art von Konstruktion zu erreichen, jedoch für ein größeres Spektrum von Amputierten,
einschließlich
transtibial Amputierten, und zwar mit Hilfe einer computergesteuerten
Fußgelenkprothese
mit geeigneten Sensorfeedbackmechanismen.
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Eine
andere Betrachtung, die im Stand der Technik der Fußknöchel- und
Fußprothesen
fehlt, ist die Kombination von Ästhetik
und Funktion. Ein gemeinsames Problem von vielen Benutzern von Fußprothesen
besteht darin, dass ihre Fußprothese
vorsteht, wenn sie sitzen. Dies bleibt ein Problem, da die Fußprothese
des Standes der Technik unter einem vorgegebenen Winkel relativ
zur Prothese befestigt ist, so dass sie während des Sitzens im nach oben zeigenden
Zustand verbleibt, wenn der Schienbeinabschnitt der Prothese eine
Neigung nach hinten hat, wenn der Amputierte sitzt.
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Ferner
bleibt das Anstoßen
einer Fußprothese
bei sämtlichen
Aktivitäten
ein Sicherheitsproblem für
transtibial, transfemoral und Hüftdisartikulationsamputierte.
In der Vergangenheit hat man bei Fußprothesen des Standes der
Technik versucht, den Fuß während der
Schwenkphase einer Dorsalflexion zu unterziehen, wie beispielsweise
bei einer Konstruktion des Standes der Technik unter der Marke HYDROCADANCE.
Es ist dabei jedoch nicht gelungen, den gesamten Bereich an wünschenswerten Vorteilen
zu erzielen, damit die Prothese bei einer großen Vielzahl von Funktionsfähigkeiten
und Amputationsgraden von Menschen eingesetzt werden kann, die an
den unteren Extremitäten
amputiert sind. Ferner ist es nicht gelungen, optimale Energierückführeigenschaften,
Bewegungsbereiche und eine lebensechte Erscheinungsform zu erreichen, um
nur einige Merkmale zu nennen.
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Es
ist ferner wünschenswert,
eine Fußprothese
vorzusehen, die auch einen viel größeren kosmetischen Effekt besitzt,
und zwar durch das bessere Simulieren der richtigen natürlichen
menschlichen Fortbewegung, und die eine Plantarflexion während des
Sitzens ermöglicht,
um einen wirklichen Fußknöchel und
Fuß besser
zu simulieren. Auf diese Weise wirken der Fuß und Fußknöchel eines Benutzers normaler
als bei einer Prothese, die beim Sitzen auf unnatürliche Weise
vorsteht.
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Darüber hinaus
ist es wünschenswert,
eine funktionale Prothese zu besitzen, die es ermöglicht, dass
ein Benutzer aus diversen kosmetisch geformten Fußschalen
auswählen
kann, wobei der Stand der Technik versagt. Obwohl Fußprothesen üblicherweise
nicht zu sehen sind, da sie häufig
von Schuhen bedeckt sind, stellt das kosmetische Aussehen einen sehr
wichtigen Aspekt für
viele Amputierte und andere Benutzer infolge der gegenwärtigen Lifestyle-
und Modetrends dar. Es ist daher wünschenswert, eine Vorrichtung
zur Verfügung
zu stellen, die die Auswahl von diversen Fußschalenmodellen ermöglicht, ähnlich dem,
was mit kosmetischen Handschuhen für Prothesen der oberen Extremitäten möglich ist.
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Benötigt wird
eine Prothesenkonstruktion, bei der ein Prothesenmikroprozessor,
Sensorfeedbackmechanismen für
diverse Winkel, Zeiten und Momente oder Drucksensoren Verwendung
finden, sowie eine Einrichtung zum Einstellen der Plantarflexion
und Dorsalflexion durch prothetische Propriozeption, so dass ein
Benutzer alle erforderlichen Barrieren mit geeigneter biomechanischer
Präzision, Stabilität und entsprechenden
Aktivitätsbereichen überwinden
kann. Ferner ist es wünschenswert,
eine Konstruktion für
einen sehr aktiven Benutzer zur Verfügung zu stellen, der tägliche Aktivitäten ausführen und
laufen will, und zusätzliche
Stabilität
und Sicherheit für
Benutzer mit geringerer Aktivität
zur Verfügung
zu stellen, die einfach geringe Barrieren mit verbesserter Sicherheit
und Stabilität überwinden
wollen.
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Einer
der Bereiche von Prothesen, der sich immer noch im Anfangsstadium
befindet, ist die Bereitstellung von Sensorfeedbackmechanismen für Prothesen.
Es wird davon ausgegangen, dass um so bessere funktionelle, sicherere
und lebensechte Fähigkeiten
eines Benutzers erreicht werden können, je besser die Vernetzung
zwischen den Wechselwirkungen des Menschen und der Maschine ist.
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Gegenwärtig findet
man in den Prothesensystemen, die heutzutage oder in Prothesenforschungslaboratorien
verwendet werden, Fühlsysteme,
die generell versuchen, den menschlichen taktilen Rezeptoren in
den Extremitäten
zu entsprechen. Hierbei detektiert die Prothese den Druck und stimuliert
das Restglied in einer Weise, um das Gehirn so auszutricksen, dass
es denkt, dass es mit der Prothese über zerebrale Projektionen „fühlt". Die Prothese versucht
dabei, mit dem Gehirn des Benutzers zu kommunizieren oder diesem
ein Feedback zu liefern.
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Ferner
gibt es eine myoelektrische Steuerung, die generell eine Wechselwirkung
aus der muskulären
Steuerung der Muskeln der Extremitäten versucht. Die elektrische
Aktivität der
muskulären
Tätigkeit
innerhalb des Restgliedes wird von Elektroden, die beispielsweise
in das Gelenkpfannensystem eingebettet sind, aufgegriffen, wobei
die Elektroden bewirken, dass sich die Handprothese in einer beabsichtigten
Weise bewegt. Das Gehirn versucht dabei, mit der Prothese zu kommunizieren
oder für
diese ein Feedback zur Verfügung
zu stellen.
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Des
weiteren ist der Versuch einer Gehirnprothese bekannt, bei der entsprechend
einer Propriozeption durch Einbettung des Mikroprozessors in die
Prothese zusammen mit einer Reihe von verschiedenen Sensoren eine
Bewegung der Gelenkprothese bewirkt wird, die an die Gangart des
Trägers angepasst
ist. Beispielsweise findet beim Stand der Technik beim C-Schenkel-System
ein Mikroprozessor oder eine Gehirnprothese Verwendung, um auf konstante
Weise zu analysieren, wie weit sich die Prothese während der
Schwenkphase des Ganges verbiegen und erstrecken soll, sowie wie
viel Standstabilität
während
der Standphase des Ganges aufrechterhalten werden soll u.a. Bei
einer derartigen Konstruktion wird generell die Bewegung des entsprechenden
Gliedes unabhängig
vom Terrain oder der Neigung nachgebildet.
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Obwohl
die Prothesentechnik in den letzten Jahren Fortschritte gemacht
hat, ist es im Stand der Technik noch nicht gelungen, die Lücke zwischen künstlichen
Prothesen und den Anforderungen und Wünschen der Benutzer zu überbrücken. In
entsprechender Weise besteht ein Wunsch nach einer Verbesserung
der Körper/Prothesen-Integration
durch Sensorfeedbackmechanismen und Prothesenpropriozeption. Daher
verbleibt ein umfangreicher Bereich für Konstruktionsverbesse rungen
und Innovationen, die der Stand der Technik nicht aufweist.
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Die
US 5,888,212 zeigt eine
Knieprothese mit einer hydraulischen Betätigungseinheit, die einen Widerstand
auf die Knieprothese aufbringt. Die
DE 19859931 zeigt
eine Schenkelprothese mit einem Dämpfungselement für ein Kniegelenk.
Die
US 5,383,939 offenbart
eine hydraulische Dämpfungseinrichtung
zum Regulieren der Winkelgeschwindigkeit oder der Drehung eines
künstlichen
Kniegelenkes. Die
US 5,443,527 offenbart
eine Fußgelenkprothese
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Generell
handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um ein neuartiges
und verbessertes Gelenkprothesensystem, das für eine natürliche menschliche Fortbewegung
und Ästhetik
sorgt, während
dies der Stand der Technik nicht tut. Die vorliegende Erfindung
sieht generell ein Sensor- und Zeitfeedbacksystem vor, das in Verbindung
mit einem unabhängigen
Mikroprozessor arbeitet, um ein Dämpfungssystem für eine Gelenkeinheit
zu steuern und zu regulieren, das ein magnetorheologisches Fluid benutzt.
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Die
Erfindung umfasst einen Kiel mit daran befestigten Sensoren, der
an einem Innenzylinder fest angebracht ist. Der Innenzylinder ist
generell auf drehbare Weise am Außenzylinder oder Gehäuse angeordnet,
der bzw. das wiederum an einer unteren Extremität eines Benutzers befestigt
ist. Die Drehung des Innenzylinders wird von einem Dämpfungssystem
gesteuert, das ein magnetorheologisches Fluid benutzt und ein Eingangssignal
von einem Mikroprozessor empfängt,
der mit den am Kiel befestigten Sensoren kommuniziert.
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Bevor
mindestens eine Ausführungsform
der Erfindung im einzelnen erläutert
wird, ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf Konstruktionsdetails
und die Anordnung von Komponenten, die in der nachfolgenden Beschreibung
wiedergegeben oder in den Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist.
Die Erfindung kann auch durch andere Ausführungsformen verwirklicht und
auf diverse andere Weisen benutzt werden. Es versteht sich ferner,
dass die hier verwendete Phraseologie und Terminologie lediglich
zu Beschreibungszwecken dient und in keiner Weise beschränkend wirkt.
Der Fachmann versteht ohne weiteres, dass die Konzeption, auf der
diese Offenbarung basiert, ohne weiteres auch zur Konzeption von
anderen Konstruktionen, Verfahren und Systemen zur Ausführung der
diversen Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.
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Daher
sind Titel, Überschriften,
Kapitelbezeichnungen, Klassifizierungen und die Gesamtaufteilung
der vorliegenden Anmeldung generell in keiner Weise beschränkend. Diese
Merkmale dienen lediglich Verständniszwecken
und begrenzen in keine Weise den Text oder das zugehörige Material.
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Der
Sinn und Zweck der Zusammenfassung besteht darin, das Amerikanische
Patent- und Markenamt sowie generell die Öffentlichkeit und insbesondere
Naturwissenschaftler, Ingenieure und den Praktiker, die mit Patentbegriffen
oder ge setzlichen Begriffen oder der entsprechenden Phraseologie nicht
vertraut sind, in die Lage zu versetzen, aus einer raschen Durchsicht
das Wesen der technischen Offenbarung der Anmeldung zu erkennen.
Die Zusammenfassung soll in keiner Weise die Erfindung der vorliegenden
Anmeldung, die in den Ansprüchen wiedergegeben
ist, definieren, noch den Umfang der Erfindung in irgendeiner weise
beschränken.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes
Gelenkprothesensystem, genauer gesagt ein Fußknöchel- und Fußprothesensystem,
zur Verfügung
zu stellen, das für einen
Bereich von Aktivitäten,
beispielsweise die Bewegung vom Gehen zum Laufen, von einem ebenen Boden
auf eine Steigung oder von einem ebenen Boden auf einen Gefällebereich,
eine größere Einfachheit,
Sicherheit und Funktionsfähigkeit
liefert.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und
verbessertes Gelenkprothesensystem zu schaffen, das eine relativ
einfache Konstruktion mit wenigen sich bewegenden Teilen besitzt
und somit in einfacher und effizienter Weise hergestellt werden
kann.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung eines neuen
und verbesserten Gelenkprothesensystems, das eine haltbarere und
zuverlässigere
Konstruktion als beim Stand der Technik darstellt.
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Noch
ein anderes Ziel der Erfindung betrifft ein neuartiges und verbessertes
Gelenkprothesensystem, das geringe Herstellkosten sowohl in Bezug auf
Materialien als auch in Be zug auf Arbeit aufweist und somit auch
mit geringen Preisen an den Verbraucher verkauft werden kann, so
dass das System für diejenigen,
die derartige Prothesenvorrichtungen benötigen, auf wirtschaftliche
Weise erhältlich
ist.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung eines neuartigen
und verbesserten Gelenkprothesensystems, das einige der Vorteile
des Standes der Technik bietet, jedoch gleichzeitig einige der Nachteile,
die normalerweise mit diesen Systemen verbunden sind, überwindet.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein neues und verbessertes
Gelenkprothesensystem, genauer gesagt ein Fußknöchel- und Fußprothesensystem,
das für
die meisten K2-K4-Amputierten geeignet und für Transtibial-, Transfemoral-,
Hüftdisartikulations-
und generell sämtliche
Grade von Amputationen der unteren Extremitäten von Vorteil ist.
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Noch
ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung
eines neuen und verbesserten Fußknöchel- und
Fußprothesensystems, bei
dem eine Kielkonstruktion Verwendung findet und die Energierückführung optimiert
ist und mit dem ein unebener Boden einfacher überquert werden kann.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein neues und verbessertes
Fußknöchel- und
Fußprothesensystem
für mehrere
Amputationsgrade und Gangarten für
sämtliche
Aktivitätsgrade,
da der Fuß während der
Schwenkphase des Ganges eine Dorsalflexion durchführen kann,
so dass auf diese Weise die Sicherheit stark verbessert, die mentale Ängstlichkeit
verringert und die Gangsymmetrie erhöht werden kann.
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Noch
ein anderes Ziel der Erfindung betrifft die Schaffung eines neuen
und verbesserten Fußknöchel- und
Fußprothesensystems,
das einen kosmetischen Effekt durch eine bessere Simulation einer richtigen
natürlichen
menschlichen Fortbewegung erzeugt, eine plantare Flexion des Fußes während des Sitzens
ermöglicht
und eine besser kosmetisch geformte Fußschale vorsieht, die aus einer
Vielzahl von Stilrichtungen ausgewählt werden kann.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung von
neuen und verbesserten Dämpfungsmechanismen
für künstliche
Gelenke, die ein MR-Fluid oder andere fluidisch charakterisierten Systeme
umfassen. Der Mechanismus kann auch bei anderen prothetischen oder
orthotischen Gelenksystemen Verwendung finden. Des weiteren kann
der Mechanismus das Nachrüsten
von zur Verfügung stehenden
Fuß- und Knöchelgelenkprothesen
ermöglichen.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung
eines neuen und verbesserten Gelenkprothesensystems, das eine sofortige
Kommunikation von der Prothese zum Benutzer ermöglicht, wobei ein Feedback
zur Verfügung
gestellt wird, so dass ein Gefühl
für die
räumliche
und winklige Orientierung der Gelenkprothese erreicht wird.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Schaffung
eines neuen und verbesserten Gelenkprothesensystems, bei dem eine sofortige
Kommunikation zwischen dem Benutzer und der Prothese erreicht wird,
um eine bessere Regulierung, Steuerung oder Positionierung der Prothese
zu erzielen.
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Diese
Ziele und andere Ziele der Erfindung zusammen mit den diversen Neuheitsmerkmalen,
die die Erfindung kennzeichnen, sind insbesondere in den beigefügten Patentansprüchen wiedergegeben, die
einen Teil dieser Offenbarung bilden. Zum besseren Verständnis der
Erfindung, ihrer Betriebsvorteile und der durch ihren Einsatz erzielten
speziellen Ziele wird nunmehr auf die in den Zeichnungen dargestellten
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung im einzelnen Bezug genommen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
und bildlichen Darstellungen
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Von
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
teilweise weggeschnittene Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
generellen Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
Seitenansicht einer bevorzugten Kon struktion eines Kiels gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei auch eine Linie des natürliche Gewichtes dargestellt
ist;
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3A eine
Draufsicht auf eine bevorzugte generelle Konstruktion eines Kieles
und einer Trägereinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei auch der Schnittpunkt mit der Gewichtslinie dargestellt
ist;
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4 eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion einer Gelenkeinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4A eine
teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
generellen Konstruktion eines Außenzylinders gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4B eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines Außenzylinders gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4C eine
teilweise auseinandergezogenen perspektivische Ansicht einer bevorzugten
generellen Konstruktion eines Außenzylinders gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4D eine
andere Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines
Außenzylinders
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines Innenzylinders
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5A eine
teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
generellen Konstruktion eines Innenzylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5B eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines Innenzylinders
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
5C eine
teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer bevorzugten
generellen Konstruktion eines Innenzylinders gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5D eine
andere Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines
Innenzylinders gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion eines Schaftes
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6A eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion
eines Schaftes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6B eine
andere Seitenansicht oder Endansicht einer bevorzugten generellen
Konstruktion eines Schaftes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten generellen
Konstruktion einer Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung unter
Darstellung der Horizontalen;
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8 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten generellen
Konstruktion einer Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung unter
Darstellung des MR-Fluids;
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8A eine
andere teilweise geschnittene Seitenansicht einer bevorzugten generellen
Konstruktion einer Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
teilweise geschnittene Draufsicht einer bevorzugten generellen Konstruktion
einer Schaltung der Gelenkeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
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10 eine
Seitenansicht einer bevorzugten generellen Konstruktion einer Kiel-
und Trägereinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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10A eine perspektivische Ansicht einer bevorzug ten
generellen Konstruktion einer Kiel- und Trägereinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11 eine
generelle Seitenansicht eines natürlichen menschlichen Fußes, wobei
auch die natürliche
Gewichtslinie und Drehachse eines anatomischen Fußknöchels dargestellt
sind;
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11A eine generelle Seitenansicht eines natürlichen
menschlichen Fußes,
die die Linie des natürlichen
Gewichtes, die Drehachse eines Fußknöchels und eine bevorzugte Anordnung
eines Kieles mit MR-Dämpfungssystem
zeigt, wobei der Drehpunkt generell dem anatomischen Drehpunkt entspricht
und ferner eine Kielkonstruktion dargestellt ist, die die anatomische
Skelettplantarfläche
des Fußes
gemäß einer
bevorzugten Konstruktion der Erfindung nachbildet;
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11B eine generelle Seitenansicht eines natürlichen
menschlichen Fußes,
wobei die Drehachse oder der Drehpunkt eines menschlichen Knöchels gezeigt
ist;
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12 eine
generelle Darstellung eines Ablaufdiagramms, das Elemente der Steuerelektronik bei
einer bevorzugten Konstruktion der Erfindung zeigt;
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12A eine Skizze oder eine schematische Darstellung,
die eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeigt, wobei Sensorfeedback von der Erfindung einem
Benutzer zugeführt
wird;
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12B eine Skizze oder eine schematische
Darstellung, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt,
wobei Sensorfeedback vom Benutzer der Erfindung zugeführt wird;
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12C eine generelle Darstellung, die Elemente eines
natürlichen
menschlichen Systems für eine
Propriozeptionsfeedbackbahn zeigt;
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12D eine generelle Darstellung eines Ablaufdiagramms,
die Elemente eines natürlichen menschlichen
Systems für
eine Propriozeptionsfeedbackbahn zeigt;
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12E eine generelle Darstellung eine Ablaufdiagramms,
die Elemente eines Systems für
ein Propriozeptionsfeedback gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
12F eine Skizze oder eine schematische Darstellung,
die eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung zeigt, wobei Sensorfeedback von der Erfindung einem
Benutzer zugeführt
wird;
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12G eine generelle Darstellung eines Ablaufdiagramms,
die Elemente eines Systems für ein
Propriozeptionsfeedback gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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12H eine Skizze oder eine schematische Darstellung,
die ein Beispiel zeigt, bei dem Sensorfeedback von der Erfindung
einem Benutzer zugeführt
wird;
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13 eine
generelle Darstellung, die eine bevorzugte Konstruktion der Erfindung über den Gangzyklus
zeigt;
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14 eine
graphische Darstellung, die generelle Eigenschaften des Dämpfungswiderstandes des
magnetorheologischen Fluids während
eines Gangzyklus bei einer bevorzugten Konstruktion der Erfindung
zeigt;
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14A eine graphische Darstellung, die generelle
Eigenschaften der natürlichen
menschlichen Muskelaktivität
während
eines Gangzyklus zeigt; und
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14B eine graphische Darstellung, die generelle
Eigenschaften eines natürlichen
menschlichen Muskelfußgelenkwinkels
während
eines Gangzyklus zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Es wird nunmehr
auf die Zeichnungen, in denen entsprechende Bezugszeichen entsprechende
Teile in sämtlichen
Ansichten bezeichnen, und insbesondere auf die 1 und 2 Bezug
genommen. Mit 10 ist eine neue und verbesserte Fußprothese
mit Fußgelenksystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung bezeichnet, die hiernach zusammen als Fußprothese
benannt wird. Die Erfindung 10 umfasst generell einen Kiel 12,
eine Fußschale 14,
eine Fußgelenkeinheit 16,
eine Dämpfungseinrichtung
oder ein Dämpfungssystem 18, eine
Trägereinheit 20,
ein Sensorsystem 22 und eine Befestigungseinrichtung 24.
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Die
Erfindung 10 ist generell in einer Konfiguration für einen
rechten Fuß dargestellt.
Es versteht sich, dass die Erfindung auch die Konfiguration eines linken
Fußes
betrifft. Es versteht sich ferner, dass die Erfindung 10 auch
bei anderen Gelenken und zugehörigen
Teilen Verwendung finden kann. Der Begriff „Teil" ist nicht auf Gliedmaße, wie
Arme und Beine, beschränkt.
Der Begriff „Gelenk" bezieht sich generell
auf drehbar befestigte Elemente.
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Wie
insbesondere in den 3 und 3A gezeigt
ist, besitzt eine bevorzugte Konstruktion des Kieles 12 einen
Fersenabschnitt 26 mit einem hinteren Schlitz 28,
der den Fersenabschnitt 26 in ein mediales Segment 30 und
ein laterales Segment 32 unterteilt. Ferner besitzt der
Kiel 12 einen vorderen Abschnitt oder Zehenabschnitt 34 mit
einem vorderen Schlitz 36, der den Zehenabschnitt 34 in
ein mediales Segment 38 und ein laterales Segment 40 unterteilt. Der
Be reich zwischen dem Fersenabschnitt 26 und dem Zehenabschnitt 34 wird
als Mittelabschnitt 42 bezeichnet, obwohl klar ist, dass
sich hierbei die Mitte nicht unbedingt auf den tatsächlichen
Mittelpunkt des Kieles 12 beziehen muss.
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Es
versteht sich ferner, dass ein Kiel 12 den hinteren Schlitz 28 und/oder
vorderen Schlitz 36 oder überhaupt keinen Schlitz aufweisen
kann. Auch können
sich der vordere Schlitz 36 und der hintere Schlitz 28 über die
gesamte Länge
des Kieles 12 erstrecken, so dass es sich bei dem Kiel 12 generell
um eine zweiteilige Konstruktion (nicht gezeigt) handelt. Ferner
verlaufen der vordere Schlitz 36 und der hintere Schlitz 28 generell
entlang der Mittellinie 44 des Kieles 12. Eine
generelle Schlitzkonstruktion des Kieles 12 kann neben
weiteren Vorteilen die Gehbewegung über einen unebenen Boden verbessern.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion sollten der vordere Schlitz 36 und
der hintere Schlitz 28 eine ausreichende Breite 46 besitzen,
so dass bei einem auf den Kiel 12 einwirkenden angemessenen
Drehmoment verhindert wird, dass das mediale Segment 38 und
laterale Segment 40 des Zehenabschnittes 34 und
das mediale Segment 30 und laterale Segment 32 des
Fersenabschnittes 26 miteinander in Kontakt treten oder
aneinander reiben, bzw. dieser Effekt reduziert wird. Mit einer
derartigen Konstruktion kann ein „Klickgeräusch" durch einen solchen Kontakt während des
Gehens verhindert oder reduziert werden. Ferner können auch
Gummiteile (nicht gezeigt) eingearbeitet werden, um ein solches
Klickgeräusch zu
verhindern oder zu reduzieren, und im hin teren Schlitz 28 und/oder
vorderen Schlitz 36 angeordnet werden.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion wird am Ende 48 des Zehenabschnittes 34 und/oder
am Ende 50 des Fersenabschnittes 26 eine Krümmung vorgeschlagen,
so dass ein natürliches Überrollen
während
der Gehbewegung erzeugt und der Kiel 12 mit einer korrekten
Positionierung zum Boden vorgesehen werden kann, um die Energierückführeigenschaften
des Kieles 12 zu optimieren. Ferner wird vorgeschlagen,
den Vorderfuß- oder Zehenabschnitt 34 geringfügig breiter
auszubilden als den Fersenabschnitt 26, um dem Benutzer
während
späterer
Abschnitte der Stellungsphase der Gangbewegung zusätzliche
Stabilität
zur Verfügung
zu stellen.
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Es
versteht sich, dass die Fußschale 14 in der
Lage sein sollte, einen breiteren Zehenabschnitt 34 aufzunehmen,
so dass ein kosmetisch gutes Aussehen sowie eine engere Annäherung an
die Form eines natürlichen
menschlichen Fußes
erreicht wird. Es können
auch andere Kielformen Verwendung finden. Da viele Schuhe eine eingebaute
Bogenstütze besitzen,
die oft ein seitliches Verschwenken einer Fußprothese in einem Schuh bewirkt,
wird vorgeschlagen, den Bogen 52 des Kieles 12 in
der sagittalen Ansicht vorzugsweise relativ hoch auszubilden, wie
in den Zeichnungen dargestellt. Bei einer bevorzugten Konstruktion
ermöglicht
es ein hoher Bogen 52, dass eine in geeigneter Weise abgestimmte
Fußschale 14,
die ebenfalls einen hohen Bogen 54 besitzt, in Schuhen
mit hohen Bögen
flach sitzen kann. Ferner sorgt die Krümmung für sanftere Überrolleigenschaften und für die geeignete
Positionierung des Kieles 12 relativ zum Boden zur Belastung
des Kieles 12, so dass eine geeignete biomechanische Simulation
erzielt wird. Es können
auch andere Höhen
des Kieles 12, Bogens 52 und der Fußschale 14 mit
hohem Bogen 54 in Betracht gezogen werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
der Kiel 12 aus Karbonfaser und/oder Karbonfaserlaminaten
hergestellt sein, wobei er jedoch hierauf nicht beschränkt ist.
Es können
auch andere Materialien Verwendung finden, die für ein geringes Gewicht, eine
hohe Festigkeit, hohe Energierückführfedereigenschaften
sorgen und eine einfache Herstellung ermöglichen. Durch die Verwendung
von Karbonfaser wird eine gewisse Energierückführung erreicht. Karbonfasern
oder andere entsprechende Materialien können das Gesamtgewicht reduzieren,
wodurch die Erzielung eines verringerten Energieaufwandes unterstützt werden
kann, indem die Trägheitseffekte
auf die Muskulatur des verbleibenden Beines begrenzt werden, wie
beispielsweise beim Quadriceps während
der Endschwenkphase des Gangzyklus für transtibial Amputierte.
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Der
Kiel 12 kann generell eine Dicke 56 besitzen,
um eine ausreichende Biegebewegung während der Stellungsphase des
Ganges zu ermöglichen (Auftreffen
der Ferse mit abgehobenen Zehen), ist jedoch ausreichend fest oder
steif, um ein Brechen durch das Eigengewicht des Benutzers und dessen Aktivität zu verhindern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Kiel 12 geändert
sein, um einen Biegewiderstand während
des Gehens mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten mit veränderlichem Aufprall
und für
verschiedene Terrains zu ermöglichen,
was nachfolgend in größeren Einzelheiten
erläutert
wird.
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Wie
ferner in größeren Einzelheiten
nachfolgend beschrieben wird, ermöglicht eine bevorzugte Konstruktion
des Kieles 12 eine natürlichere
und gezielte Nachbildung des NHL und kann für eine Energierückführung zum
geeigneten Zeitpunkt während des
Gangzyklus wie bei NHL sorgen, überwiegend bei
oder unmittelbar vor dem Abheben der Zehen, um eine gastrocnemische
Kontraktion zu simulieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
der Mittelabschnitt 42 des Kieles 12 dicker ausgebildet
sein, um zusätzliche
Festigkeit zur Befestigung an der Fußgelenkeinheit 16 zu
ermöglichen. Der
Kiel 12 kann auch flexibel genug sein, um eine ausreichende
Biegung zu ermöglichen
und NHL-Schockabsorptionsmechanismen zu kompensieren, die infolge
der Amputation verloren gegangen sind, wie die Bewegung in der Struktur
des menschlichen Fußes
aufgrund der Ligament- und Faserbänder sowie die Kompressibilität des unter
dem Kalkaneus vorhandenen Meniskus. Eine solche Konstruktion kann
daher einen sanfteren Gang ermöglichen. Ferner
kann die erhöhte
Flexibilität
des Kieles 12 für eine
bessere Anpassung an unebenen Boden und für eine verbesserte Energierückführung sorgen.
Die Dicke und Kompressibilität
des Kieles 12 können
auch auf das Gewicht des Benutzers und dessen Aktivitätsniveau
abgestimmt sein, um optimale Eigenschaften zu erreichen.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
kann der Kiel 12 von einer geteilten Zehenkonstruktion
Gebrauch machen, bei der der Schlitz in Richtung auf eine Seite
(nicht gezeigt) versetzt sein kann, um eine kosmetische Fußschale 14 mit
abgetrenntem großen
Zeh zu ermöglichen,
so dass der Benutzer Sandalen tragen kann. Es versteht sich jedoch,
dass der Kiel 12 auch überhaupt
keine abgetrennten Abschnitte aufweisen und einem vollständigen,
nichtgetrennten Kiel 12 entsprechen kann. Es versteht sich
ferner, dass die Erfindung 10 auch mit bekannten Kielen 12 des
Standes der Technik benutzt, in diese integriert oder zur Umrüstung von
diesen verwendet werden kann.
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Des
weiteren versteht es sich, dass der Kiel 12 einstückig mit
der Fußschale 14 ausgebildet
sein kann. Bei der Erfindung 10 kann auch eine Befestigungseinrichtung
(nicht gezeigt) Verwendung finden, gemäß der die Erfindung 10 an
vorhandenen Kielkonstruktionen des Standes der Technik befestigt werden
kann.
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Fußschale
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion kann die Fußschale 14 generell
anatomisch korrekt ausgebildet sein und des weiteren einen ausreichend
hohen Bogen 54 aufweisen. Der Fußkiel ist in der Fußschale 14 mit
Hilfe von Einrichtungen fixiert, die anderen internen Kiel-Fußprothesen
entsprechen, wie beispielsweise FLEX-FOOT-Konstruktionen und OHIO WILLOW
WOOD PATHFINDER FEET. Eine SPECTRA-Socke kann über der Fußschale 14 Verwendung finden,
um Quietschgeräusche
zu verringern, die dadurch entstehen, dass der Kiel an der Fußschale 14 reibt.
Die gleiche Innenkonstruktion dieses Fußes kann bei einer linken oder
rechten Fußschale
Verwendung finden, um die Herstellung zu vereinfachen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
es wünschenswert
sein, eine Fußschale 14 vorzusehen,
die generell dünn
ist, um die Bewegung der Fußkonstruktion
aufgrund von Steifigkeit nicht zu beschränken. Beispielsweise sieht
der OTTO BOCK 1 C40-Fuß eine
optimale Fußschale
vor, die generell dünn
und flexible ausgebildet ist, während FLEX-FOOT-Konstruktionen generell
dicker und weniger flexibel sind. Es wird vorgeschlagen, eine dünnere Fußschale 14 zu
verwenden, die eine volle Dynamik des Kieles 12 ermöglicht,
obwohl die Erfindung 10 hierauf nicht beschränkt ist.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion ist der Kiel 12 lösbar an
der Fußschale 14 befestigt.
Hierzu können
herkömmliche
Einrichtungen Verwendung finden, die bekannt sind. Bei einer bevorzugten
Konstruktion kann der Kiel 12 durch die Anordnung eines kleinen
Vorsprunges, der sich im Inneren der Fußschale 14 nach außen erstreckt,
an der Fußschale 14 befestigt
werden, wobei der Kiel 12 darunter einrastet.
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Befestigungseinrichtung
-
Die
Erfindung 10 besitzt generell eine Befestigungseinrichtung 24 an
der unteren Extremität (nicht
gezeigt) eines Benutzers. Die Befestigungseinrichtung 24 kann
als vorstehende Pyramide 58 ausgebildet sein, ist jedoch
hierauf nicht beschränkt.
Es kann auch eine andere bekannte Befestigungseinrichtung 24 Verwendung
finden, beispielsweise eine Schraube, die mit entfernbaren und nichtentfernbaren
Bolzen, entfernbaren Stiften etc. passend in Eingriff tritt, wobei
auch hier wiederum keine Beschränkung
vorliegt. Ferner kann die vorstehende Pyramide 58 auch
als zurückspringende
Konfiguration etc. ausgebildet sein.
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Fußgelenkeinheit
-
Wie
man speziell den 4, 4A, 4B und 4C entnehmen
kann, umfasst das Fußgelenk
oder die Fußgelenkeinheit 16 generell
ein Gehäuse
oder einen Außenzylinder 60,
der mit der Befestigungseinrichtung 24 verbunden ist. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
befindet sich der Außenzylinder 60 in
einer festen Position oder nichtdrehbaren Position relativ zur unteren
Extremität
und zur Befestigungseinrichtung 24. Der Außenzylinder 60 besitzt
einen inneren Hohlraum 62 und eine Mittelachse 64.
Ferner kann der Außenzylinder 60 eine erste
Seitenabdeckung 66, eine zweite Seitenabdeckung 68 und
einen Bereich eines Drehungsverhinderungsstabes 70 aufweisen.
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Der
Bereich des Drehungsverhinderungsstabes 70 kann einen Hohlraum 72 besitzen,
der entlang dem Umfang 74 des Außenzylinders 60 angeordnet sein
kann, so dass ein Elektromagnet 76, der nachfolgend in
größeren Einzelheiten
beschrieben wird, ebenfalls in einer relativ festen Position relativ
zur unteren Extremität
und der Befestigungseinrichtung 24 fixiert werden kann.
Bei einer bevorzugten Konstruktion kann der Außenzylinder 60 aus
nichtmagnetischem, nichtleitenden Material konstruiert sein, wie nachfolgend
näher beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Elektromagnet 76 im Hohlraum 72 angeordnet,
der auch im Be reich des Drehungsverhinderungsstabes 70 angeordnet
sein kann.
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Wie
insbesondere die 5, 5A, 5B, 5C und 5D zeigen,
ist im inneren Hohlraum 62 des Außenzylinders 60 ein
Innenzylinder 80 angeordnet. Bei einer bevorzugten Konstruktion
ist der Innenzylinder 80 auf feste oder nichtdrehbare Weise
am Kiel 12 befestigt, beispielsweise an der Trägereinheit 20,
was nachfolgend in größeren Einzelheiten
erläutert
wird. Es versteht sich, dass sich der Innenzylinder 80 um
die Mittelachse 64 des Außenzylinders 60 dreht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Innenzylinder 80 insgesamt oder teilweise aus einem
nichtmagnetischen Material hergestellt, was ebenfalls später in größeren Einzelheiten
erläutert
wird.
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Wie
die 6, 6A und 6B zeigen, ist
bei einer bevorzugten Konstruktion ein Schaft 82 entlang
dem innerem Hohlraum 62 des Außenzylinders 60, und
zwar entlang der Mittellinie 64, angeordnet und ausgerichtet,
wodurch der Innenzylinder 80 am Schaft 82 befestigt
ist. Ferner richtet der Schaft 82 den Innenzylinder 80 und
den Außenzylinder 60 aus.
Er ist über
eine Öffnung 84 einer
ersten Seitenabdeckung 66 des Außenzylinders 60 und
eine Öffnung 86 einer
zweiten Seitenabdeckung 68 axial ausgerichtet und verbunden.
Der Schaft 82 kann aus einem nichtmagnetischen Material
oder einem magnetischen Material hergestellt sein, wie später im einzelnen
erläutert.
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Wie
vorstehend beschrieben, verbleibt der Außenzylinder 60 in
einer relativ festen Position in Bezug auf die untere Extremität des Benutzers
und fixiert den Schaft 82 so, dass dieser sich entlang
der Mittelachse 64 drehen kann. Der Innenzylinder 80 ist am
Schaft 82 befestigt und dreht sich relativ zur unteren
Extremität
des Benutzers. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaft 82 fest
am Innenzylinder 80 angebracht. Es versteht sich, dass
auch andere herkömmliche
Dreheinrichtungen vorgesehen sein können, bei denen sich der Außenzylinder 60 in
einer festen Position relativ zur unteren Extremität des Benutzers
befindet und sich der Innenzylinder 80 relativ zur unteren
Extremität
des Benutzers frei drehen kann.
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Der
Innenzylinder 80 ist generell so konstruiert, dass die
Drehung entlang der Mittelachse 64 begrenzt ist. Bei einer
bevorzugten Ausführungsform besitzt
der Innenzylinder 80 einen oberen Anschlag 88 (7),
der den Drehbereichbeschränkungsstab 70 des
Außenzylinders 60 kontaktiert.
Ferner kann der Innenzylinder 80 einen unteren Anschlag 90 (7)
aufweisen, der den Drehbereichbegrenzungsstab 70 des Außenzylinders 60 kontaktiert.
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Der
Innenzylinder 80 kann hohl oder mit einem Kern mit geringem
Gewicht ausgebildet sein, um das Gewicht zu verringern. Es versteht
sich, dass der Innenzylinder 80 gewichtet, mit einem verformbaren halbfesten
Material gefüllt,
mit einem Fluid gefüllt oder
mit anderen Mitteln versehen sein kann, bei denen sich der Schwerpunkt
(nicht gezeigt) des Innenzylinders 80 relativ zur Fußgelenkeinheit 16 bewegen kann.
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Der
Innenzylinder 80 kann einen Hohlraum 78 zur Anordnung
von Elementen der Erfindung 10 und ggf. zur Schaffung eines
wasserdichten Abteiles für
Elektronik oder eine Stromquelle 130, die in Verbindung
mit der Erfindung 10 Verwendung findet, aufweisen, wie
später
in größeren Einzelheiten
beschrieben.
-
wie
man 7 entnehmen kann, besitzt das menschliche Fußgelenk
einen generellen Drehbereich von etwa 15° nach oben (von der Horizontalen 92 aus)
und einen generellen Drehbereich von etwa 45° nach unten (von der Horizontalen 92 aus).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Innenzylinder 80 durch den oberen Anschlag 88,
der den Drehbereichbegrenzungsstab 70 des Außenzylinders 60 kontaktiert,
an einer weiteren Drehung als 15° gehindert.
Ferner wird der Innenzylinder 80 durch den unteren Anschlag 90,
der den Drehbereichbegrenzungsstab 70 des Außenzylinders 60 kontaktiert, an
einer Drehung nach unten über
45° hinaus
gehindert. Es versteht sich, dass der generelle Drehbereich auch
größer oder
kleiner sein kann und dass das obige Beispiel in keiner Weise beschränkend ist. Es
versteht sich ferner, dass auch ein größerer Bewegungs- oder Drehbereich
für bestimmte
Aktivitäten gewünscht werden
kann, die eine größere Flexibilität erfordern,
und in entsprechender Weise auch ein eingeschränkterer Bewegungs- oder Drehbereich
für andere
Aktivitäten,
bei denen eine geringere Flexibilität gewünscht ist.
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Dämpfungssystem
-
Wie
man insbesondere den 8 und 8A entnehmen
kann, betrifft die Dämpfungseinrichtung
oder das Dämpfungssystem 18 eine
Einrichtung zum Steuern der Drehung des Kieles 12 in Übereinstimmung
mit dem Benutzer oder in Bezug auf diesen. Das Dämpfungssystem 18 kann
generell eine elektronische Steuerung, eine mechanische Funktion,
eine Fluiddynamik und Kombinationen hiervon umfassen. Die Erfindung 10 schlägt zahlreiche
Einrichtungen vor, wie hydraulische, magnetische, mechanische oder
andere Konstruktionen, bei denen eine Dämpfung, eine generelle Steuerung oder
bestimmte Dreheigenschaften der Gelenkeinheit 16 erreicht
werden.
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Ein
magnetorheologisches Fluid oder MR-Fluid 94 findet generell
zum Dämpfen
der Drehung des Innenzylinders 80 um die Mittelachse 64 des
Außenzylinders 60 Verwendung,
wobei der Flüssigkeits-
oder Viskositätszustand
des MR-Fluids 94 durch wahlweises Aufladen des MR-Fluids 94 über einen
Permanentmagneten oder Elektromagneten 76 gesteuert wird.
Wenn beispielsweise keine Dämpfung
oder nur eine geringe Dämpfung
gewünscht wird,
wird das MR-Fluid 94 nicht aufgeladen und bleibt generell
in einem relativ flüssigen
Zustand, so dass auf diese Weise der Innenzylinder 80 nicht
oder nur wenig gehindert wird, sich um die Mittelachse 64 des
Außenzylinders 60 frei
zu drehen. Wenn eine Dämpfung
gewünscht
wird, wird das MR-Fluid 94 wahlweise aufgeladen, um auszuhärten oder
sich etwas zu verfestigen, so dass generell eine Viskokupplung,
Bremse oder ein Hindernis erzeugt wird, wodurch die Drehung des
Innenzylinders 80 um die Mittelach se 64 des Außenzylinders 60 verlangsamt und/oder
gestoppt wird.
-
Es
wird ferner vorgeschlagen, dass das MR-Fluid 94 ferner
als generelles Schmiermittel für den
Außenzylinder 60 und
den Innenzylinder 80 der Fußgelenkeinheit 16 dienen
kann. Des weiteren wird vorgeschlagen, dass die Erfindung 10 mit
hydraulischen oder anderen einstellbaren Dämpfungseinrichtungen verwendet
werden kann, um die Plantarflexion und Dorsalflexion zu steuern.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besitzt der Innenzylinder 80 des weiteren eine leitende Fläche 96,
die auf integrierte Weise als Teil des Innenzylinders 80 ausgebildet
oder als Abdeckung 98 eingeformt sein kann. Die leitende
Fläche 96 sollte generell
aus einem Material bestehen, das elektrische oder magnetische Ladungen
tragen oder leiten kann. Der verwendete Begriff „leitend" soll hier in keiner Weise als einschränkend angesehen
werden. Die leitende Fläche 96 kann
aus Metall, Kunststoff mit Metallfasern oder anderen geeigneten
leitenden Materialien oder Variationen hiervon bestehen. Sie kann eine
erste Seite 100 und eine zweite Seite 102 aufweisen,
so dass zur Zusammenwirkung mit dem MR-Fluid 94 ein größerer Flächenbereich
zur Verfügung
steht.
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Ferner
kann die leitende Fläche 96 in
der Nähe
des Schaftes 82 angeordnet sein oder in Verbindung hiermit
stehen. Sie kann Öffnungen 104 und 106 zur
Befestigung mit dem Schaft 82 besitzen. Der Schaft 82 kann
aus einem leitenden, metallischen o.ä. Material bestehen, wobei
das MR-Fluid 94 auch mit dem Schaft 82 in einer
möglichen
Beziehung zur leitenden Fläche 96 zusammenwirkt.
Darüber
hinaus kann die leitende Fläche 96 Einschnitte 108,
Rippen o.ä.
aufweisen.
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Wie
vorstehend erläutert,
ist der Außenzylinder 60 aus
einem nichtmagnetischen oder leitenden Material geformt. Bei einer
bevorzugten Konstruktion umfasst der Außenzylinder 60 eine
leitende Fläche oder
einen Streifen 110, der einstückig mit dem Außenzylinder 60 oder
als separates Element 112 ausgebildet sein kann, wie generell
dargestellt. Die leitende Fläche
oder der Streifen 110 besitzt Einschnitte 114,
Rippen o.ä.
(4A). Generell ist der Streifen 110 des
Außenzylinders 60 zur
leitenden Fläche 96 des
Innenzylinders 80 ausgerichtet. Bei einer bevorzugten Konstruktion
kann der Streifen 110 des weiteren eine erste Seite 117 und
eine zweite Seite 119 besitzen, die mit der ersten Seite 100 und
der zweiten Seite 102 der leitenden Fläche 96 des Innenzylinders 80 zusammenwirken
können.
Darüber
hinaus kann der Streifen 110 mit dem Schaft 82 verbunden
sein oder hiermit in Kontakt stehen. Der leitende Streifen 110 kann Öffnungen 116 und 118 zur
Befestigung am Schaft 82 aufweisen.
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Die
leitende Fläche 96 des
Innenzylinders 80 und der leitende Streifen 110 des
Außenzylinders 60 können Einschnitte 114,
Rippen o.ä.
in einer generell radialen Richtung von der Mittelachse 64 aufweisen, um
zur Festlegung des MR-Fluids 94 in
der Gegenwart eines elektrischen oder magnetischen Feldes beizutragen
oder diesen Effekt zu erhöhen
und auf diese Weise das Ansprechen auf direkte Scherung zu verbessern.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass eine derar tige Konstruktion zusätzlich den
Flächenbereich
für die
Kommunikationen und Wechselwirkung des MR-Fluids 94 erhöht.
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Es
wird vorgeschlagen, dass ein Leerraum oder Hohlraum 120 zwischen
dem Außenzylinder 60 und
dem Innenzylinder 80 ausgebildet und mit dem MR-Fluid 94 gefüllt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Innenzylinder 80 so im Außenzylinder 60 angeordnet,
dass eine enge Nachbarschaft erreicht wird, um die Menge des benötigten MR-Fluids 94 zu
begrenzen, wobei spezielle Bereich ausgenommen sind, in denen der
vorgegebene Abstand aus Gründen
von fluiddynamischen Eigenschaften optimiert ist. Das MR-Fluid 94 kann
als generelles Schmiermittel wirken, um die Reibung zwischen dem Innenzylinder 80 und
dem Außenzylinder 60 während der
Drehung zu verringern. Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Innenzylinder 80 und
der Außenzylinder 60 in
relativ enger Nachbarschaft die strukturelle laterale Drehmomentstabilität des Dämpfungssystems 18 erhöhen oder
verbessern.
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Der
Schaft 82 kann leitende oder magnetische Eigenschaften
besitzen, um ein mögliches
Lecken des MR-Fluids 94 zu unterstützen, zu verringern oder zu
verhindern. Bei einer solchen Konstruktion kann das MR-Fluid 94 viskoser
ausgebildet sein, so dass nicht die Wahrscheinlichkeit besteht,
dass es durch Löcher
oder potentielle Löcher
in Dichtungen leckt.
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Es
wird nunmehr auf die 9 Bezug genommen, die eine bevorzugte
Konstruktion zeigt. Ein Elektromagnet 76 steht hierbei
mit dem leitenden Streifen 110 des Außenzylinders 60 in
Verbindung oder in Kontakt, der wiederum mit dem MR- Fluid 94 in
Verbindung oder in Kontakt steht, welches wiederum mit der leitenden
Fläche 96 des
Innenzylinders 80 in Verbindung oder in Kontakt steht,
um auf diese Weise einen Kreis 122 elektrischen oder magnetischen
Flusses zu bilden.
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Abstandshalter 124 und 126,
die beispielsweise aus Nylon bestehen, können ferner bei einer bevorzugten
Konstruktion Verwendung finden und zwischen dem Innenzylinder 80 sowie
dem leitenden Streifen 110 angeordnet sein, um die Vervollständigung
des Kreises 122 zu verringern oder zu verhindern und das
MR-Fluid 94 bei Vervollständigung des Kreises 122 aufzuladen.
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Eine
Stromquelle 130 steht über
Drähte 128 mit
dem Elektromagneten 76 in Kontakt oder in Verbindung. Das
Dämpfungssystem 18 kann
einen geringen Energieverbrauch besitzen, so dass daher eine kleine
Batterie 132 verwendet werden kann. Bei einer bevorzugten
Konstruktion handelt es sich bei der Batterie 132 um eine
Lithiumionenbatterie, wobei jedoch diesbezüglich keine Beschränkung vorliegt. Die
Stromquelle 130 kann irgendwo an der Prothese angeordnet
sein, um einen einfachen Austausch zu ermöglichen, und kann einen Befestigungsanschluss (nicht
gezeigt) zum wiederaufladen besitzen. Zur Optimierung der Gewichtsverteilung
kann die Stromquelle 130 auch extern angeordnet sein, wie
beispielsweise auf der Pfanne oder dem Pylon. Es wird ferner vorgeschlagen,
die Stromquelle 130 wahlweise höher anzuordnen, um einen höheren Schwerpunkt
zur Minimierung der Trägheitskräfte während des
Laufens zu erreichen. Wie vorstehend erläutert, kann die Stromquelle 130 im
Hohlraum 78 des Innenzylinders 80 angeordnet sein.
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Des
weiteren kann der Elektromagnet 76 Sicherheitsmerkmale
besitzen, um eine manuelle Sperrung im Fall eines Stromverlustes
zu erreichen, wie beispielsweise bei einem Permanentmagneten. Es
wird vorgeschlagen, dass als potentielle Sicherheitsunterstützung, beispielsweise
bei einem Abfall des Pegels der Stromquelle 130 auf ein
bestimmtes Niveau, eine entgegengesetzte Polarität erzeugt werden kann, damit
der Permanentmagnet in Position gleiten kann, um die Gelenkeinheit 16 oder
das Dämpfungssystem 18 zu
verriegeln. Beispielsweise kann ein Permanentmagnet in eine gewünschte Position
gleiten, um eine Zwangsverriegelung bei einem festen Winkel zu erzeugen,
so dass sich der Benutzer mit einem Teil der Bewegung oder der gesamten Bewegung,
die aus der Kompression des Kieles 12 herrührt, bewegen
kann, wie dies bei Standardfußprothesen
des Standes der Technik der Fall ist. Das Wiederaufladen der Stromquelle 130 führt zu einem Normalzustand,
wobei die Polarität
wieder in ihren normalen Zustand zurückkehrt, so dass sich der Permanentmagnet
aus seiner Position bewegen kann. Die Erfindung 10 kann
dann über
den Elektromagneten 76 wieder tätig werden. Zur Anzeige von
niedrigen Strompegeln kann eine Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise
eine hörbare
Einrichtung oder eine Vibrationseinrichtung, Verwendung finden.
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Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Gelenkeinheit 16 und das Dämpfungssystem 18 eine
magnetorheologische Dämpfung
aufweisen können,
die über
direkte Scherung oder einen druckbetriebenen Modus operieren kann,
um die Widerstandsfähigkeit der
Gelenkeinheit 16 zu erhöhen.
Wie vorstehend erläutert,
kann im Rahmen der Erfindung 10 das Dämpfungssystem 18 eine
Vielzahl von Konstruktionen besitzen.
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Wie
in den Zeichnungen und insbesondere in 9A dargestellt
ist, wird ferner vorgeschlagen, ein Servo/Permanentmagnetsystem 133 auf
mechanischer Basis in Verbindung mit dem Elektromagneten 76 oder
im Gegensatz zu diesem zu verwenden. Ferner wird vorgeschlagen,
sich verjüngende
magnetische und nichtmagnetische Teile zu verwenden, die miteinander
verbunden sind und gegen die der Permanentmagnet über einen
Servoantrieb oder einen Motor gleitet, um das mit dem leitenden
Teil 110 zusammenwirkende Magnetfeld zu variieren. Bei
einer bevorzugten Konstruktion kann das Magnetsystem 133 einen
kleinen Servo- oder Motormechanismus 135 aufweisen, wie
er beispielsweise mit Zahnrädern Verwendung
findet, um ein Vorwärts-
und Rückwärtsgleiten
zu erzielen.
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Des
weiteren kann das Servo/Permanentmagnetsystem 133 auf mechanischer
Basis ein hydraulisch einstellbares Ventil (nicht gezeigt) zur Steuerung
der Menge des MR-Fluids 94, das zwischen dem Außenzylinder 60 und
dem Innenzylinder 80 strömt, umfassen. Auch dieses Ventil
kann über
einen kleinen Servo- oder Motormechanismus gesteuert werden. Es
wird vorgeschlagen, dass das Servo/Permanentmagnetsystem 133 auf
mechanischer Basis einen geringeren Energieverbrauch aufweist und
daher für
bestimmte Anwendungsfälle
günstig sein
kann. Das Dämpfungssystem 18 kann
ferner ein Federsystem, eine Dorsalflexionseinrichtung oder ein
Dorsalflexionsfedersystem 137 aufweisen. Das Dorsalflexionsfedersystem 137 kann
bewirken, dass die Fußgelenkeinheit 16 während der
Schwenkphase des Ganges einer Dorsalflexion unterzogen wird. Es kann
eine Feder herkömmlicher
Bauart, einen Hydraulikkolben oder Kombinationen hiervon oder andere
herkömmliche
federvorgespannte Vorrichtungen des Standes der Technik besitzen.
Das Dorsalflexionsfedersystem 137 kann anterior oder posterior zum
Dämpfungssystem 18 oder
zur Fußgelenkeinheit 16 befestigt
oder angeordnet sein (Druckfeder oder Zugfeder, in Abhängigkeit
von der Lage zum Verkürzen
oder Verlängern).
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Die
Federbelastung kann durch Einstellen der Federantriebslänge, Wechsel
auf eine leichtere oder schwerere Feder oder Einstellung der Federanordnung
verhindert werden.
-
Trägereinheit
-
Bei
der in den Zeichnungen und insbesondere in den 10 und 10A gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfasst die Trägereinheit 20 generell
einen medialen Träger 134 mit
einer Öffnung 136 und
einen lateralen Träger 138 mit
einer Öffnung 140,
wobei die Öffnung 136 und
die Öffnung 140 axial ausgerichtet
sind und den Schaft 82 aufnehmen. Ferner können die Öffnung 136 des
medialen Trägers 134 und
die Öffnung 140 des
lateralen Trägers 138 generell
eine Kreisform 142 mit einem flachen Abschnitt 140 besitzen,
um mit dem kreisförmigen
Abschnitt 146 und dem flachen Abschnitt 148 des Schaftes 82 passend
in Eingriff zu treten (6B).
-
Bei
einer bevorzugten Konstruktion ist die Trägereinheit 20 so schwenkbar
mit dem Außenzylinder 60 verbunden,
dass die Drehbewegung entlang der Mittelachse 64 auftritt.
Es können
auch andere Befestigungseinrichtungen vorgesehen sein, bei denen
die Trägereinheit 20 auf
feste Weise mit dem Innenzylinder 80 und trotzdem auf drehbare
Weise mit dem Außenzylinder 60 verbunden
ist. Die Trägereinheit 20 ist
am Kiel 12 über
Befestigungseinrichtungen 150, beispielsweise Schrauben 152, 154, 156 und 158,
befestigt. Es können
auch andere herkömmliche Befestigungseinrichtungen 150 Verwendung
finden, mit denen der Kiel 12 bei anderen Konfigurationen
in einfacher und rascher Weise entfernt werden kann.
-
Bei
der Trägereinheit 20 kann
es sich um eine einstückige
Konstruktion (nicht gezeigt) handeln, bei der der mediale Träger 134 und
der laterale Träger 138 in
der distalen Mitte miteinander verbunden sind, um zusätzliche
Stabilität
zu erreichen. Mit der Konturierung der Trägereinheit 20 soll
vorzugsweise das Gewicht minimiert und die Festigkeit optimiert
werden. Bei einer bevorzugten Konstruktion sind die Öffnungen 160, 162, 164 und 166 so
ausgebildet, dass das zur Ausbildung der Trägereinheit 20 verwendete
Material reduziert wird.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion ist die Trägereinheit 20 aus
einem Material hergestellt, das ein geringes Gewicht besitzt und
eine minimale Drehmomentbewegung besitzt. Beispielhafte Materialien sind
Verbundmaterialien, Kunststoff, laminiertes Material, Aluminium
oder Titan. Es versteht sich, dass auch Änderungen bei der gezeigten
Konstruktion der Trägereinheit 20 durchgeführt werden
können,
um andere Konfigurationen für
eine optimale Festigkeit und ein minimales Gewicht vorzusehen.
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Eine
Unterlegscheibe (nicht gezeigt) kann zwischen dem Außenzylinder 60 und
der Trägereinheit 20 benutzt
werden, um die Reibung zu verringern. Die Unterlegscheibe kann in
einer Ausnehmung in den Trägern
und/oder im Außenzylinder
vorgesehen sein, um für
eine genauere Passung der Komponenten zu sorgen.
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Anordnung
der Gelenkeinheit
-
Bei
der in den Zeichnungen und insbesondere in den 11, 11A und 11B gezeigten bevorzugten
Konstruktion ist die Anordnung der Gelenkeinheit 16 derart,
dass die mittlere Drehachse 64 generell durch den Bereich 168 einer
anatomischen Gewichtslinie fällt.
Gemäß der anatomischen
Darstellung beträgt
der Bereich 168 der Gewichtslinie etwa 28,2 der Fußlänge vom
anterioren bis zum posterioren Punkt der Skelettstruktur des Fußes. Die Drehung
der Gelenkeinheit 16 entlang der Mittelachse 64 verläuft generell
entlang einem anatomischen Drehpunkt 170 eines natürlichen
Fußgelenkes.
Diese Position befindet sich in relativ enger Nachbarschaft zum
posterioren Punkt des Fußes,
so dass die Trägereinheit 20 für die Gelenkeinheit 16 unmittelbar
in posteriorer Beziehung zum Gewichtslinienbereich 168 beginnen
und zur Unterstützung
nach vorne verlaufen kann. Durch die Anordnung der Gelenkeinheit 16 werden
zusätzliche
Kompressionsmöglichkeiten des
Fersenabschnittes 26 des Kieles 12 und Anpassungsmöglichkeiten
an unebenem Boden erzielt.
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Obwohl
der Fersenabschnitt 26 des Kieles 12 für eine gewisse
Kompressibilität
vom Auftreffen der Ferse bis zur flachen Fußstellung sorgt, wird die Hauptwirkung
durch die echte Plantarflexion des Kieles 12 über die
magnetorheologische Dämpfung
erreicht, um eine bessere NHL-Nachbildung zu erzielen und für optimale
Wegdrückeigenschaften
bei abgehobenem Zeh zu sorgen, wie später erläutert.
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Ferner
kann ein Inversions/Eversionsdämpfungssystem
(nicht gezeigt) an der Basis des Dämpfungssystems 18 verwendet
werden, um eine noch bessere Anpassung an unebenen Boden zu erreichen.
Hierfür
können
Stoßdämpfersysteme,
Gelenksysteme aus kompressiblen Materialien, wie Urethan u.ä., Verwendung
finden.
-
Feedbacksensorsystem
-
Wie
man den Zeichnungen und insbesondere 12 entnehmen
kann, macht die Erfindung 10 von einem Feedbacksensorsystem 22 Gebrauch.
Es wird vorgeschlagen, dass dieses Feedbacksensorsystem 22 dem
Dämpfungssystem 18 entweder
direkt oder indirekt Informationen liefert, wie beispielsweise in
Bezug auf die Gewichtsverteilung vom Kiel 12, die am Kiel 12 erzeugten
Kräfte,
Aufprallzeiten auf einen Abschnitt des Kieles 12 etc.,
um den Gangzyklus des Benutzers zu ermitteln und automatisch die
Operationen der Gelenkeinheit 16 zu steuern. Das Sensorsystem 22 kann
auch einen Dehnungssensor, Momentensensor, Drucksensor o.ä. aufweisen,
der mit einer Mikroprozessoreinheit 172 sowie der Stromquelle 130 über Drähte in Verbindung
stehen kann. Ferner kann das Feedbacksteuersystem 22 (Regelsystem)
einen Zeitsensor oder Realzeittakt- und Winkelsensor aufweisen,
um die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigung relativ zur
Mittelachse 64 des Dämpfungssystems 18 zu
vergleichen.
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Die
Erfindung 10 umfasst eine Mikroprozessoreinheit 172,
die mit dem Sensorsystem 22 in Verbindung steht und das
Dämpfungssystem 18 der
Gelenkeinheit 16 steuert oder hiermit kommuniziert, wie später in größeren Einzelheiten
beschrieben. Es versteht sich, dass der Begriff „Feedbacksensorsystem" in keiner Weise
begrenzt ist.
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Das
Feedbacksensorsystem 22 kann am Kiel 12 angeordnet
sein. Es kann ein Fersensensorsystem 174 aufweisen, das
am Fersenabschnitt 26 angeordnet ist, und ein Zehensensorsystem 176,
das am Zehenabschnitt 34 angeordnet ist.
-
Ferner
können
Druck/Kraft-Formänderungssensoren
im Dämpfungssystem 18 oder
einem Teil desselben angeordnet sein, um die auf den Fersenabschnitt 26 und/oder
Zehenabschnitt 34 einwirkende Kraft zu ermitteln. Es versteht
sich, dass auch andere Arten von bekannten Sensoren eingesetzt werden
können,
wie Sensoren, die das mikroskopisch geringe Verbiegen des rohrförmigen Pylons
aus Titan messen, um den auf die Ferse und den Vorderfuß einwirkenden
Druck zu ermitteln.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion kann das Fersensensorsystem 174 ferner
Sensoren 178 und 180 am medialen Segment 30 des
Fersenabschnittes 26 und am lateralen Segment 32 des
Fersenabschnittes 26 besitzen. Des weiteren kann das Zehen sensorsystem 176 einen
Sensor 182 und 184 am medialen Segment 38 des
Zehenabschnittes 34 und am lateralen Segment 40 des
Zehenabschnittes 34 aufweisen. Es können auch mehr Sensoren Verwendung
finden, die auch um andere Abschnitte des Kieles 12 angeordnet
sein können.
Bei einer bevorzugten Konstruktion stehen die Sensoren und Sensorsysteme
mit dem Dämpfungssystem 18 und/oder dem
Mikroprozessor 172 über
Drähte 186 in
Verbindung.
-
Mikroprozessor
-
Die
Mikroprozessoreinheit 172 liefert eine Realzeitganganalyse über den
Gangzyklus und steuert den Flüssigkeitszustand,
Verfestigungszustand oder die Viskosität des MR-Fluids 94. Bei der Mikroprozessoreinheit 172 kann,
es sich um eine entsprechende Konstruktion wie bei dem OTTO BOCK C-LEG handeln, wobei
jedoch keine Beschränkung hierauf
gegeben ist. Bei dieser Konstruktion können Zeitsensoren oder ein
Realzeitmesser 188, ein Winkelsensor 190, ein
Fersenabschnittsbelastungs-, Kraft-, Formänderungs- oder Momentensensor
oder entsprechende Sensoren 192 und ein Zehenabschnittsbelastungs-,
Kraft-, Formänderungs-
oder Momentensensor oder entsprechende Sensoren 194 vorgesehen
sein. Es können
auch Momentensensoren oder Dehnungsmesseinrichtungen Verwendung finden.
-
Zeitsensoren
oder ein Realzeitmesser 188 können Verwendung finden, um
Ereignisse zu regulieren, wie beispielsweise den Verlust des gesamten Plantarflexionswiderstandes
der Erfindung 10, wenn der Benutzer sitzt, so dass sich
der Fuß un ter
einem natürlichen
Winkel befinden kann, wie nachfolgend in größeren Einzelheiten erörtert. Ferner
kann der Zeitmesser 188 Gangaspekte auf der Basis eines
optimalen Timingprofils für
den Benutzer regulieren. Einige der diskutierten Funktionen müssen nicht
nur unbedingt auf Zeitfaktoren basieren, sondern können auch
auf Bewegungssignalen oder Zeit- und Bewegungssignalen basieren,
die dem Mikroprozessor zugeführt
werden.
-
Ein
Winkelsensor 190 ist in den Innenzylinder 80 und/oder
Außenzylinder 60 eingearbeitet,
um den relativen Winkel des Kieles 12 zur unteren Extremität des Benutzers
zu ermitteln. Der Winkelsensor 190 kann in der Gelenkeinheit 16 fixiert
sein, um den Drehungsgrad zwischen dem Innenzylinder 80 und dem
Außenzylinder 60 zu
ermitteln. Ferner kann eine Niveauvorrichtung (nicht gezeigt) benutzt
werden, um den Winkel des Kieles 12 relativ zum Boden zu ermitteln.
-
Die
Mikroprozessoreinheit 172 kann so programmiert werden,
dass sie die Geschwindigkeit und die Größe der Plantarflexion am Fersenabschnitt 26 des
Kieles 12 steuert, wenn dieser auf den Boden trifft, was
auch als Auftreffen der Ferse bezeichnet wird. Für die Steuermechanismen können auch
Einrichtungen des Standes der Technik Verwendung finden, wie das
OTTO BOCK C-LEG. Ferner können dynamische
Faktoren programmiert werden, um festzustellen, wie „hart" ein Patient generell
geht. Die generelle Größe der beim
Gehen auftretenden Plantarflexion kann eingestellt werden, um Wegdrückeigenschaften
zu ermitteln. Beispielsweise können
die Geschwindigkeit und die Größe der Dorsalflexion
des Fußes
nach dem Zehenabheben eingestellt werden. Jede dieser Eigenschaften
kann für
das normale Gehen eingestellt werden und an Veränderungen des Ganges des Benutzers
angepasst werden. Die Sensorfeedbacksysteme 22 können bewirken,
dass die Mikroprozessoreinheit 172 die Dämpfungseigenschaften
des MR-Fluids 94 verändert,
wenn die Geschwindigkeit zunimmt oder abnimmt oder wenn auf einem
nichtebenen Terrain gegangen wird. Jeder Aspekt der Gangeigenschaften
des Knöchels
und Fußes
kann modifiziert werden, um auf geeignete Weise den Gang des Benutzers
in Bezug auf eine perfekte Symmetrie, Sicherheit und Funktion sämtlicher
Aktivitäten
abzustimmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Mikroprozessoreinheit 172 mit diversen
Speichern oder Programmen 196 programmiert werden, Kommunikationselektronik 198 zur Schnittstellenbildung
oder zum Programmieren aufweisen und hörbare Signale 200 oder
Vibrationssignale zur Warnung von Fehlfunktionen, Spannungsabfällen etc.
abgeben. Die Mikroprozessoreinheit 172 kann unmittelbar
vor der Fußgelenkeinheit 16 am oberen
Bereich des Kieles 12 oder an der Innenseite des Innenzylinders 80 angeordnet
sein, wie vorstehend erläutert.
Es wird ferner vorgeschlagen, die Mikroprozessoreinheit 172 an
der Prothese einer unteren Extremität anzuordnen, wo dem Benutzer
möglicherweise
ein Knie fehlt, oder unterhalb des Knies, jedoch oberhalb des Fußgelenkes.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann die Erfindung 10 in
Verbindung mit einem künstlichen
Knie zusammenwirken, wobei die Mikroprozessoreinheit 172 für beide
Gelenkfunktionen verwendet werden kann.
-
Wie
vorstehend erläutert,
wird die Stromquelle 130 zur elektrischen Versorgung des
Dämpfungssystems 18 vorgeschlagen.
Es wird ferner vorgeschlagen, die Stromquelle 130 in der
Mikroprozessoreinheit 172 anzuordnen oder einstückig damit auszubilden
und auf diese Weise die Mikroprozessoreinheit 172 mit Strom
zu versorgen. Bei einer bevorzugten Konstruktion kann die Mikroprozessoreinheit 172 über Drähte 173 mit
der Stromquelle 130 verbunden sein.
-
Es
wird ferner vorgeschlagen, die Mikroprozessoreinheit 172 mit
einem Stromversorgungs- und Batteriemanagementsystem 202 zu
versehen, um den Stromverbrauch weiter zu optimieren. Das System 202 kann
EIN- und AUS-Timer zum Stillsetzen der Stromversorgung, wenn sich
die Erfindung über bestimmte
Zeitperioden im Ruhezustand befindet, aufweisen. Wenn der Benutzer
nicht schläft,
wird es in irgendeinem vorgegebenen Zeitrahmen eine gewisse Änderung
des Winkels oder der Kraft geben, wenn das Gewicht des Benutzers
getragen wird. Es wird vorgeschlagen, die Erfindung 10 mit
einem automatischen System (nicht gezeigt) auszustatten, so dass
dann, wenn keine Kraftänderung
vom Sensorsystem 22 während
einer bestimmten Zeit detektiert wird, die Erfindung 10 stillgesetzt
werden kann, um Energie zu sparen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Erfindung 10 automatisch stillgesetzt, wenn sie
nicht vom Benutzer getragen wird, wobei der Benutzer die Erfindung
nicht manuell abschalten muss.
-
Es
wird ferner vorgeschlagen, die Stromquelle 130 als Regenerationsstromquelle
auszubilden, bei der die Stromquelle über mechanische Einrichtungen,
wie beispielsweise eine Faraday'sche Vorrichtung,
wiederaufgeladen wird. Dabei können bekannte
Techniken für
selbstaufwickelnde Mechanismen mit Rotoren Verwendung finden, wie
sie bei automatischen Uhren Verwendung finden. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
kann die Mikroprozessoreinheit 172 auf drahtlose Weise
programmiert oder gesteuert werden, wie dies bei einer drahtlosen Technik
der Fall ist, wie sie bei Schrittmachern/Defibrillatoren Verwendung
findet. Es wird vorgeschlagen, dass ein Benutzer auf drahtlose Weise
spezielle Funktionsparameter auf Bedarf regulieren, befehlen oder
programmieren kann, wie beispielsweise das schrittweise und wahlweise
Modifizieren des Dämpfungssystems 18 über eine
Fernsteuerung. In entsprechender Weise kann die Erfindung 10 eine
Hardware-Steuereinheit (nicht gezeigt) aufweisen, die auf zugängliche
Weise an der Erfindung 10 montiert ist.
-
Wie
unmittelbar nachher in größeren Einzelheiten
erläutert
wird, kann der Mikroprozessor 172 in Verbindung mit einem
myoelektrischen Sensorsystem 400 und/oder einem Propriozeptionssystem 300 verwendet
werden. Bei einer bevorzugten Konstruktion kann der Mikroprozessor 172 als
primäre
und einzige elektronische Steuer- und Prozessvorrichtung für die Erfindung 10 verwendet
werden. Es versteht sich jedoch, dass auch mehrere Einheiten eingesetzt
werden können,
die zusammen oder separat operieren können, um die verschiedenen
Aufgaben auszuführen.
-
Propriozeptionsstimulator
-
Wie
in den Zeichnungen und insbesondere in 12A gezeigt,
kann bei einer bevorzugten Konstruktion der Erfindung 10 ein
prothetisches Propriozeptionssystem 300 vorgesehen sein.
Die Erfindung 10 kann für
eine sofortige Kommu nikation oder für die Abgabe von Signalen von
der Prothese zum Benutzer sorgen, wobei ein Feedback vorgesehen
ist, so dass ein Gefühl
einer räumlichen
und winkligen Orientierung einer Gelenkprothese erreicht wird.
-
12C zeigt Elemente eines natürlichen menschlichen Systems
für eine
Propriozeptionsfeedbackbahn. Ferner zeigt 12D ein
Ablaufdiagramm, das Elemente eines natürlichen menschlichen Systems
für Propriozeptionsfeedback
wiedergibt.
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Im
menschlichen Körper
analysiert das Gehirn die erforderlichen Bewegungen der äußeren Extremitäten und
hat Kenntnis über
die Positionierung unserer Gelenke und deren Orientierung im Raum. Kleine
Propriozeptorsensoren in den menschlichen Muskeln und Gelenken,
wie gelenkkinesthetische Rezeptoren, neuromuskuläre Spindeln und neurotendinöse Rezeptoren,
senden Sensorinformationen an das Gehirn, um diesem mitzuteilen,
wo das Glied im Raum orientiert ist, sowie dessen Bewegungen mitzuteilen,
wie das Spannen der Muskeln oder das Biegen der Gelenke.
-
Es
versteht sich, dass es Systeme im Stand der Technik gibt, die sich
auf Drucksensoren an der Fußprothese
oder der Handprothese beziehen, die Informationen über einen
kleinen Mikroprozessor übertragen
und dann das Glied in einer entsprechenden Weise stimulieren können, um
auf diese Weise das Gehirn beim Denken auszutricksen, so dass der Träger mit
der Gliedprothese „fühlt". Die Erfindung 10 kann
die Winkellage und Änderungen
innerhalb der Gelenkprothese ablesen und das Glied 308 in
einer bestimmten Weise stimu lieren und auf diese weise etwas vorsehen,
das zu einem unterbewussten Feedback der Position und des Winkels
der räumlichen
Orientierung des Gliedes werden kann.
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Die
Erfindung 10 kann für
größere Sicherheit sorgen,
indem sie die Position der Gelenkprothese im Raum „kennt". Beispielsweise
besteht „die
Erkenntnis" oder „das Gefühl", dass sich das Fußgelenk
auf plantare Weise übermäßig stark
biegt, da der Träger beginnt,
einen Hügel
hinabzusteigen.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, einen niedrigeren Energieaufwand zu erreichen,
indem ein natürlicheres
Gangmuster sowie ein verbessertes mentales Vertrauen in die Prothese
und somit eine größere Funktionalität erreicht
werden. In entsprechender Weise kann der Benutzer durch eine verbesserte menschliche/maschinelle
Wechselwirkung das Gefühl
erhalten, dass die Prothese mehr ein Teil von ihm ist. Das Gehirn
des Benutzers lernt das sensorische Feedback vom System als unterbewusste
Propriozeption oder in der Form von zerebralen Projektionen.
-
Es
wird ferner vorgeschlagen, dass der Benutzer über eine Kommunikationseinrichtung
oder ein System 302 mit der Gelenkeinheit 16 in
Verbindung, Kommunikation und Wechselwirkung tritt. Es wird ferner
vorgeschlagen, einen separaten Mikroprozessor 304 oder
Mikroprozessor 172 oder eine Kombination hiervon zu verwenden.
Das prothetische Propriozeptionssystem 300 kann auch bei
anderen Gelenken als Fußgelenken
oder anderen Gelenkprothesen, wie Knie-, Hüft-, Hand-, Ellbogen- und Schultergelenkprothesen,
Verwendung finden. Ferner kann das prothetische Propriozeptionssystem 300 auch bei
einem Individuum Anwendung finden, das das Gefühl oder den Propriozeptionssinn
oder die Steuerung der natürlichen
Extremitäten
verloren hat.
-
Bei
einer bevorzugten Konstruktion können Feedbackmechanismen 306 von
einer Druckänderung
bei einer Winkeländerung,
einer Druckbewegung bei einer Winkeländerung, einem elektrischen Impuls
zum Glied 308 bei einer Winkeländerung, einer Vibrationsänderung
bei einer Winkeländerung und
anderen bekannten Verfahren Gebrauch machen. Ferner kann bei dem
prothetischen Propriozeptionssystem 300 ein Winkel- oder Positionssensor
in Verbindung mit oder getrennt von einem Sensor Verwendung finden,
um den Widerstand gegenüber
einer Winkeländerung
einer Gelenkprothese zu detektieren.
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In 12E ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung 10 zeigt. Die Integration der verschiedenen Sensoren
und des Feedbacks kann über
den Mikroprozessor 172 oder ein unabhängiges Prozesssystem oder Kombinationen
hiervon gesteuert werden.
-
12F zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform,
bei der der Kiel 12, das Dämpfungssystem 18,
die Fußgelenkeinheit 16 und
das Sensorsystem 22 mit Drähten 310 über einen
Mikroprozessor 312, eine Stromquelle 314, einen
Sensorstimulikontakt 316 und Drähte 318 kommunizieren.
Bei dem Mikroprozessor 312 kann es sich um den Mikroprozessor 172 oder
ein unabhängiges
Prozesssystem oder Kombinationen hiervon handeln. Auch kann eine
Stromquelle 130 Verwendung finden. Das Sensorsystem 22 kann
Winkel- oder Positionssensoren 320 aufweisen. 12G ist ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
der erläuterten
Erfindung 10.
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12H zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die
Prothese keine Fußgelenkprothese ist.
Obwohl eine Handprothese dargestellt ist, versteht es sich, dass
das Konzept der Erfindung 10 auch bei anderen Gelenken,
Prothesen und Kombinationen hiervon Verwendung finden kann. Es sind eine
Basis 322, ein Rahmen 324, ein Sensorstimulikontakt 326,
Drähte 328,
eine Handschale 330 als kosmetische Abdeckung, interne
Handkomponenten 332, ein Handmotor 334, ein Handverbindungsteil 336,
eine Stromquelle 338, ein Mikroprozessor 340, ein
Winkel/Positionssensor 342 und ein Handverbindungsteil 344 gezeigt,
die zusammenwirken. Die Stromquelle 338 kann separat oder
in Verbindung mit der Stromquelle 130 Verwendung finden
und kann beispielsweise als myoelektrische Batterie ausgebildet
sein. Bei dem Mikroprozessor 340 kann es sich um einen
Mikroprozessor 172 für
ein unabhängiges Prozesssystem
oder Kombinationen hiervon handeln.
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Myoelektrisches
Sensorsystem
-
Die
Zeichnungen und insbesondere 12B zeigen
eine bevorzugte Konstruktion der Erfindung 10, die des
weiteren ein myoelektrisches Sensorsystem 400 aufweisen
kann, bei dem ein Sensorfeedbacksystem in Form einer geschlossenen
Schleife Verwendung findet. Myoelektrische Steuerungen und/oder
ein myoelektrisches Sensorsystem 400 können zu einem Prothesensystem
führen,
bei dem eine sofortige Kommu nikation oder Signale vom Benutzer zur
Prothese verwirklicht sind, um eine bessere Regelung, Steuerung
oder Positionierung der Prothese zu erreichen. Es versteht sich,
dass der menschliche Körper
elektrische Signale durch muskuläre
und andere Aktivitäten
erzeugt.
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Bei
einer bevorzugten Konstruktion wird das Dämpfungssystem 18 vom
myoelektrischen Sensorsystem 400 gesteuert. Es versteht
sich, dass das myoelektrische Sensorsystem 400 nicht unbedingt
eine Bewegung der Fußgelenkeinheit 16 verursachen muss,
sondern es dem Benutzer gestatten kann, während seiner Stellung die Drehung
einzustellen oder die Winkelprogression zu verlangsamen. Die Bewegung
der Gelenkeinheit 16 kann noch über eine natürliche biomechanische
Bewegung während
der Ambulation erreicht werden. Das Dämpfungssystem 18 entsprechend
dem Sensorsystem 22, beispielsweise auf Druckbasis, und
das System 400 der myoelektrischen Sensoren können generell
die Schnelligkeit der Drehung der Fußgelenkeinheit 16 begrenzen.
Daher wird eine anatomische muskuläre Steuerung der Prothese der
unteren Extremität,
genauer gesagt der Fußgelenkprothese 16,
erreicht.
-
Das
myoelektrische Sensorsystem 400 kann auch bei anderen Gelenken
als Fußgelenken
oder anderen Gelenkprothesen, wie Knie-, Hüft-, Hand-, Ellbogen- und Schulterprothesen,
Verwendung finden. Das myoelektrische Sensorsystem 400 und
das Propriozeptionssystem 300 können beide in einer bevorzugten
Ausführungsform
vorhanden sein oder getrennt Anwendung finden. Es versteht sich,
dass einige myoelektrische Systeme bei Prothesen der oberen Extremitäten und
bei Kniesystemen bekannt sind.
-
Das
myoelektrische Sensorsystem 400 kann Stimulatoren oder
Steuerelemente 402 aufweisen, die am Restglied 404 eines
Benutzers (d.h. an der prätibialen
und gastrocnemischen Gruppe für
transtibial Amputierte) angeordnet sein können, um das Dämpfungssystem 18 zu
steuern und zu managen. Wenn beispielsweise der Benutzer seine gastrocnemische
Muskelgruppe erregt, wie dies auf natürliche Weise während der
Mittelstellung bis zum Zehabhebabschnitt des Gangzyklus zu Beginn
der Mittelstellung der Fall ist, kann die Erfindung 10 den
Widerstand im Dämpfungssystem 18 erhöhen und
auf diese Weise einen größeren Widerstand
in Bezug auf den Zehenabhebabschnitt des Gangzyklus zur Verfügung stellen.
Der Benutzer kann dann auf aktive weise den Gelenkwinkel während der
Ambulation wie bei einem richtigen Fuß steuern.
-
Bei
einer bevorzugten Konstruktion kann die Muskelkraft und die Muskelfestigkeit
im Restglied 404 und somit die Zirkulation verbessert werden.
70 % der Amputationen sind auf zirkulatorische Insuffizienzen zurückzuführen. Die
Erfindung 10 kann daher Amputationen höheren Niveaus verhindern, wie
dies oft bei Patienten mit ernsthaften zirkulatorischen Insuffizienzen
der Fall ist.
-
Die
Erfindung 10 kann daher auch eine bessere Steuerung durch
den Benutzer ermöglichen,
die Sicherheit, Symmetrie und das Vertrauen während der Bewegungsphase verbessern
und ferner die Plantarflexion und Dorsalflexion steuern. Der Energieverbrauch
des myoelektrischen Sensorsystems 400 und/oder Propriozeptionssystems 300 ist
im Vergleich zur anderen durch die Erfindung 10 verbrauchten
Energie minimal.
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Funktionen/Gehbewegung
-
Wie
in den Zeichnungen und insbesondere in den 13, 14, 14A und 14B gezeigt, können generell
durch die Erfindung 10 oder speziell durch das Dämpfungssystem 18 die
folgenden Änderungen
erzielt werden, um die natürliche
menschliche Bewegung während
der Gehbewegung am besten nachzubilden.
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Zehen abgehoben
-
Wenn,
wie generell in 13 gezeigt, der Benutzer die
Zehenabhebstellung 204 des Gangzyklus beendet, kann das
Dorsalflexionsfedersystem 137 bewirken, dass die Erfindung 10 unmittelbar
mit dem Eintreten in die Dorsalflexion beginnt, wie dies bei der
normalen menschlichen Bewegung der Fall ist, um die Wahrscheinlichkeit
eines Anstoßens
des Zehenabschnittes 34 während der Schwenkphase des
Ganges zu vermindern. Bei vollständiger
Dorsalflexion bleibt der MR-Fluid-Widerstand
des Dämpfungssystems 18 auf
oder nahe Null bis zur Fersenauftreffposition 206, wenn
das Fersensensorsystem 174 einen größeren Druck oder eine größere Last
als Null detektiert. Der Dorsalflexionsgrad kann so programmiert
sein, dass eine optimale Sicherheit und Symmetrie ermöglicht wird.
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Der
Federbelastungswiderstand des Dorsalflexionsfedersystems 137 kann
durch Einstellen der Federantriebslänge, durch Wechseln auf eine
leichtere oder schwerere Feder und/oder durch Erhöhen des
Widerstandes des Dämpfungssystems 18 modifiziert
oder verändert
werden, um diese Eigenschaft für
die Aktivitäten
des Benutzers zu optimieren. wenn der Benutzer beispielsweise zu
laufen beabsichtigt, können
die Widerstandseigenschaften des Dorsalflexionsfedersystems 137 erhöht werden,
um die Trägheitseffekte
der Erfindung 10 während
des Laufens zu überwinden.
-
Schwenkphase
-
Während der
Schwenkphase kann die Erfindung 10 bis zur Fersenauftreffposition 206 in
Dorsalflexion verbleiben, um die Extremität zu verkürzen.
-
Auftreffen
der Ferse bis zum flachen Fuß
-
Die
Dämpfung
der Fersenauftreffposition 206 und die Plantarflexion der
Erfindung 10 werden hauptsächlich über die echte Plantarflexion
des Fußgelenkes
und nicht über
die Fersenkompression erzielt. Obwohl der Fersenabschnitt 26 geringfügig komprimiert
werden kann, wird die Plantarflexion der Fußgelenkeinheit 16 auf
konstante Weise überwacht, um
flüssige,
sanfte Überrolleigenschaften
zu erzielen und für
optimale Abdrückeigenschaften
durch die Belastung des Kieles 12 zu sorgen. wenn der Belastungssensor
des Fersenabschnittes 26, der Momentensensor 192 oder
das Fersensen sorsystem 174 einen Kontakt detektieren, führt der
Fuß eine
Plantarflexion mit einer Winkel/Zeit-Winkelgeschwindigkeit unter
Ausnutzung des Plantarflexorwiderstandes des MR-Fluids 94 durch. Wenn die Kraft
des Kontaktes des Fersenabschnittes 26 ansteigt, steigt
der Widerstand des MR-Fluids 94 an, um die Kraft der Plantarflexion
zu begrenzen.
-
Dies
simuliert generell die tibialis anterior-Wirkung der menschlichen
Biomechanik in der Fersenauftreffposition 206. Wenn das
Signal des Belastungssensors 194 des Zehenabschnittes 34 oder des
Zehensensorsystems 176 in der Position 208 des
flachen Fußes
größer als
Null ist oder nahe Null liegt, kann der Winkelsensor 190 oder
das Sensorsystem 22 generell die Winkeländerung pro Zeit für den Aufpralldrucksensor
des Fersenabschnittes 26 oder das Fersensensorsystem 174 vorhersagen. Wenn
der Winkel/Zeit-Wert aufgrund des Aufpralldrucks des Fersenabschnittes 26 oder
des Fersensensorsystems 174 zu langsam ist, nimmt der Widerstand
des MR-Fluids 94 ab.
Dies entspricht generell einer Verlangsamung der Gehgeschwindigkeit.
wenn die Winkeländerung
relativ zum vorhergehenden Schritt (beispielsweise beim Abwärtsgehen
eines Hügels)
ansteigt, hält
die Dämpfung
des MR-Fluids 94 die Plantarflexion aufrecht, bis der Wert
des Belastungssensors des Zehenabschnittes 34 oder des Sensorsystems 176 größer als
Null ist.
-
Die
Erfindung 10 passt sich automatisch an die Umgebung an,
um die richtige Stabilität,
Sicherheit und Funktion aufrechtzuerhalten. Ein entsprechender Effekt
tritt auf, wenn der Benutzer einen Schuh mit hohem Absatz trägt. In einer
Fersenauftreffposition 206 wird bei vielen anderen Fußpro thesenkonstruktionen
die Plantarflexionsbewegung durch Fersenkompression erreicht. Bei
einer bevorzugten Konstruktion ermöglicht die Erfindung 10 eine geringfügige Kompression
zur Absorption von Stößen und
zum Erreichen eines sanften Ganges, jedoch tritt wie auf biomechanische
Weise die Plantarflexionsbewegung durch eine Biegung der Fußgelenkeinheit 16 mit
einer exzentrischen Kontraktion der tibialis anterior und nicht
unbedingt vollständig
durch eine Fersenkompression auf. Das Dämpfungssystem 18 ermöglicht eine
gesteuerte Plantarflexion und eine Nachbildung der tibialis anterior-Bewegung,
während die
Kompression der Ferse oder des Fersenabschnittes 26 die
natürliche
Fettkissenkompression der Ferse für eine generelle Stoßdämpfung nachbilden kann.
-
Flachfußposition
bis Mittelstellung
-
Bei
einem erhöhten
Druck des Fersensensors 174 während der Fersenauftreffposition 206 bis zur
Flachfußposition 208 nimmt
der Dorsalflexionswiderstand der MR-Fluiddämpfung von der Flachfußposition 208 bis
zur Mittelstellungsposition 210 zu, um für eine erhöhte Plantarflexion
während
späterer Gangabschnitte
zu sorgen und ein verbessertes Wegspringen von der Fersenabhebposition 212 bis zur
Zehenabhebpositon 204 zu ermöglichen. Hierdurch kann die
Aktion der gastrocnemischen Muskeln während des Gehens nachgebildet
werden.
-
Mittelstellung
bis zum Fersenabheben
-
Bei
erhöhtem
Sensordruck des Fersenabschnittes 26 oder einer entsprechenden
Anzeige des Fersensensorsystems 174 während der Fersenauftreffposition 206 bis
zur Flachfußposition 208 nimmt der
Dorsalflexionswiderstand der MR-Fluiddämpfung zu, um für eine erhöhte Plantarflexion
während
des Ganges zu sorgen, bis der Belastungssensor des Zehenabschnittes 34 oder
das Zehensensorsystem 176 während der Zehenabhebposition 204 Null
anzeigt. Dies kann eine geringfügige
Dorsalflexion bis zu einem bestimmten Winkel ermöglichen, um einen sanften Gang
zu erzielen. Es bleibt jedoch eine gewisse Plantarflexion zum Wegdrücken aus
der Fersenabhebposition 212 in die Zehenabhebposition 204 zurück. Während dieses
Gangabschnittes kann das Dämpfungssystem 18 des
MR-Fluids 94 ausgesperrt werden, um für die erforderliche Plantarflexion
zum Wegdrücken
zu sorgen. Der Winkel, bei dem das Dämpfungssystem 18 der
Fußgelenkeinheit 16 ausgesperrt
wird, variiert jedoch in Abhängigkeit
vom Winkelsensor 190, Fersenbelastungssensor 192 während des
Auftreffens der Ferse und der Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit
etc. Während
dieses Gangabschnittes tritt die Erfindung 10 in eine gewisse
Dorsalflexion ein, wobei jedoch die Dorsalflexion bei einer bevorzugten
Ausführungsform
durch die Belastung des Kieles 12 erhalten wird, was daher
zu einem erhöhten
Wegdrücken
in der Zehenabhebposition 204 führt.
-
Abheben der
Ferse bis zum Abheben der Zehen
-
Bei
der natürlichen
menschlichen Bewegung werden die Plantarflexormuskeln in diesem
Stadium des Gangzyklus erregt, um den Fußgelenkwinkel aufrechtzuerhalten
oder für
eine geringe Plantarflexion zum Wegdrücken zu sorgen. Durch die Erfindung 10 wird
die Plantarflexion bereits durch die Mittelstellungsphase des Ganges
und durch das Aussperren des Dämpfungssystems 18 bei
einem bevorzugten oder bestimmten Winkel erhalten. Sie ist jedoch durch
die Belastung des Kieles 12 gespeichert worden und wird
durch das Wegfedern aus der Fersenabhebposition 212 in
die Zehenabhebposition 204 freigesetzt, so dass die gastrocnemisch
induzierte Plantarflexion des Fußes simuliert wird. Nachdem der
Belastungssensor 192 des Fersenabschnittes 26 einen
Wert von Null erreicht und der Drucksensor des Zehenabschnittes 34 sich
einem Wert von Null angenähert
hat, sinkt der Widerstand des MR-Fluids 94 auf Null ab
und ermöglicht,
dass das Dorsalflexionsfedersystem 137 eine Dorsalflexion
des Fußes
während
der Schwenkphase bewirkt.
-
Änderungen
gegenüber
der normalen Bewegungsfunktion
-
Eine
gemeinsame Klage von vielen Benutzern von Fußprothesen betrifft das „Hervorstehen" ihrer Fußprothese
beim Sitzen. Dieses unschöne
Aussehen wird durch die Erfindung 10 eliminiert, indem die
Prothese ihren gesamten Plantarflexionswiderstand verlieren kann,
wenn der Benutzer sitzt, so dass der Fuß einen natürlichen Winkel einnehmen kann.
Bei einer bevorzugten Konstruktion sollte das Dorsalflexionsfeder- System 137 gegenüber der Plantarflexion
keinen zu großen
Widerstand vorsehen, um die erforderliche Bewegung beim Sitzen nicht
zu verhindern oder das Gangmuster negativ zu verändern. Während des Sitzens kann das
Dämpfungssystem 18 eine
Dorsalflexion verhindern, während
sie eine freie Plantarflexion ermöglicht, um das kosmetische
Aussehen zu verbessern. Das Sensorsystem 22 (Zeit, Winkel,
Moment etc.) kann ermitteln, ob der Benutzer sitzt, und ermöglicht eine
entsprechende Plantarflexion der Erfindung 10.
-
Es
wird ferner vorgeschlagen, dass der Fersendruck, der durch das Fersensensorsystem 174 ermittelt
wird und über
eine vorgegebene Zeitdauer, wie wenige Sekunden, ohne Zehendruck,
der vom Zehensensorsystem 176 angezeigt wird, auftritt,
eine Plantarflexion zum Sitzen anzeigt oder ermöglicht, wobei wenig bis kein
Widerstand erzeugt wird.
-
Ein
negatives Biegemoment am Fersenabschnitt 26 kann der Mikroprozessoreinheit 172 signalisieren,
dass sich der Benutzer gesetzt hat und freie Plantarflexionsmöglichkeiten
zur Verfügung
stehen. Eine bevorzugte Ausführungsform
kann erreicht werden, indem der Fersenabschnitt 26 nach
dem Sitzen und Zurückziehen
in den Boden gepflanzt wird. Dieser Vorgang tritt jedoch beim normalen
Gehen nicht auf und kann daher als gute Anzeige für einen
Sitzvorgang dienen.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
aktualisiert die Erfindung 10 auf konstante Weise die Informationen
des Sensorfeedbacksystems 22 zur Mikroprozessoreinheit 172,
so dass der Benutzer die Absatzhöhen
eines Schuhes verändern
kann, ohne irgendwelche Einstellungen zu verändern. Wenn der Benutzer beispielsweise
eine größere Absatzhöhe wählt, liest
das Sensorsystem 22 noch die Momentenkräfte und geht davon aus, dass
der Benutzer lediglich einen Hügel
herabgeht, so dass sich der Gang nicht verändert. Das Dämpfungssystem 18 kann
ferner so ausgebildet sein, dass es eine bestimmte Absatzhöhenanpassung
ermöglicht.
Es kann beispielsweise etwa 15° Dorsalflexion
und etwa 45° Plantarflexion
ermöglichen,
um eine richtige natürliche menschliche
Bewegung zu gestatten und Absatzhöhenveränderungen zu ermöglichen.
Ferner können mehr
oder weniger Drehungsgrade gewünscht
sein, um einen geringeren oder größeren Bewegungsbereich zu erzielen
und eine natürliche
menschliche Bewegung zu erreichen. Es versteht sich, dass sich die natürliche menschliche
Bewegung ändern
oder generell durch solche Dinge, wie den Wunsch des Benutzers oder
die Notwendigkeit des Tragens von Schuhen mit hohem Absatz, definiert
werden kann.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
die Erfindung 10 spezielle Modi aufweisen, damit der Benutzer
den Kiel 12 oder die Gelenkeinheit 16 bei einem
vorgegebenen Winkel aussperren kann, wie beispielsweise zum Skifahren,
oder die Eigenschaften für
andere spezielle Aktivitäten
verändern
kann, bei denen nur eine begrenzte Bewegung erforderlich ist. Um
dies zu verwirklichen, werden verschiedenartige Verfahren vorgeschlagen.
-
Stolpern oder
Heraufgehen auf einen steilen Hügel
-
Wenn
der wert des Zehenbelastungssensors 194 größer als
Null ist, bevor der Wert des Fersenbelastungssensors 192 größer als
Null ist, bleibt der Widerstand des MR-Fluids 94 bei Null
oder nahe Null oder kann vollständig
ausgesperrt werden, um die Gelenkeinheit 16 zu stabilisieren,
wenn diese nicht bereits einer vollständigen Dorsalflexion unterzogen worden
ist, um weiterhin eine vollständige
Dorsalflexion über
das Dorsalflexionsfedersystem 137 zu ermöglichen.
Beim Hinaufgehen eines Hügels
entspricht diese Bewegung noch der natürlichen menschlichen Bewegung
und kann für
den Benutzer durch Verringern der Hyperextension des Knies von Nutzen
sein wie beim Stand der Technik.
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Hinabgehen
eines Hügels
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Wenn
der Winkelsensor 190 ermittelt, dass eine größere Winkelveränderung
seit der Fersenauftreffposition 206 und der Flachfußposition 208 aufgetreten
ist, wobei der Zehenbelastungssensor 194 einen größeren Wert
als Null liefert, kann die Erfindung 10 einen geringfügig geringeren
Dorsalflexionswiderstand von der Fersenabhebposition 212 bis
zur Zehenabhebposition 204 liefern, so dass der Benutzer den
Hügel mit
einer richtigen natürlichen
menschlichen Bewegung hinabgehen kann.
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Treppensteigen
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Es
versteht sich, dass sich ein Fuß generell bereits
in Dorsalflexion nach einem vorhergehenden Schritt befindet und
in Dorsalflexion verbleibt, wenn Treppen erstiegen werden. Typischerweise
kann die Erfindung 10 tatsächlich für kein aktives Wegdrücken während der
Gangbewegung sorgen, sondern bei jedem Schritt den optimalen Kielwinkel
liefern, um die Wegdrückeigenschaften
während
des Ganges zu verbessern. Die Erfindung 10 ermöglicht somit
generell die größte Anterior-Abstützung und
Energierückführung pro
Gehgeschwindigkeit und Umgebung.
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Beim
Treppensteigen wird auf biomechanische Weise durch die gastrocnemische
Muskelaktivität
ein aktives Wegdrücken
erreicht. Die Erfindung 10 kann im Umfang der Patentansprüche und
der Beschreibung so modifiziert werden, dass eine generell schwerere
Konstruktion mit einem erhöhten
Energieverbrauch bei diesem Vorgang die natürliche Muskelaktivität simuliert.
Es versteht sich, dass beim Treppensteigen der Fuß auf natürliche Weise
für die erste
Hälfte
des Anstieges in Dorsalflexion tritt. Es kann auch eine separate
Einstellung vorgesehen oder programmiert sein, bei der der Benutzer
die Erfindung 10 in einen „Treppensteigmodus" bringen kann, um
für eine
geringfügige
Plantarflexion oder, falls bevorzugt, eine geringere Dorsalflexion
zu sorgen.
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Treppenhinuntersteigen
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Wenn
die Belastung des Fersensensors 174 oder Auftreffsensors 192 größer als
Null bei zwei Schritten oder Zeiten in einer Reihe ist und keine
Belastung oder kein Auftreffen des Zehensensors 176 beobachtet
wird, kann der Widerstand des MR-Fluids 94 beim Winkel
der Flachfußposition 208 ansteigen, um
eine vollständige
Plantarflexion und einen Wegrutschschritt zu verhindern. Darüber hinaus
kann wie bei den anderen vorstehend beschriebenen Bewegungsarten
die Mikroprozessoreinheit 172 speziell für einen
Benutzer kalibriert werden, nachdem ein Testlauf, eine Probe oder
eine Basislinie der Benutzerbewegung auf optimale Weise erhalten
worden ist. Dadurch, dass eine Plantarflexion des Fußes ermöglicht wird,
kann mit der Erfindung 10 die Bewegung beim Treppenhinabsteigen
verbessert werden.
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Andere bevorzugte
Ausführungsformen
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Ferner
kann die Erfindung 10 in Verbindung mit myoelektrischen
Muskelkontakten auf dem Restglied 404 bei transtibial Amputierten
verwendet werden und für
eine größere Steuerung
bei der Bewegung sorgen. Beispielsweise kann beim Auftreffen der
Ferse eine tibialis anterior-Kontraktion Anwendung finden, um das
Niveau des Dämpfungswiderstandes
des MR-Fluids 94 zu ermitteln und eine zu große oder
zu schnelle Plantarflexion zu verhindern oder zu reduzieren. Ferner
kann eine erhöhte
gastrocnemische Kontraktion während
der Mittelstellung früher
einen Dorsalflexionswiderstand initiieren, so dass der Kiel 12 in
erhöhter
Plantarflexion von der Mittelstellung bis zum Abheben der Zehen
verbleiben kann und dadurch beim schnellen Gehen oder Laufen ein
erhöhtes
Wegdrücken
genutzt werden kann.
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Ferner
kann die Erfindung 10 in Verbindung mit einer orthotischen
Vorrichtung für
einen Benutzer verwendet werden, der die Fähigkeit verloren hat, den natürlichen
Fuß einer
aktiven Plantarflexion und/oder Dorsalflexion zu unterziehen. Bei
der Erfindung 10 können
das Dämpfungssystem 18,
das Sensorsystem 22, die Mikroprozessoreinheit 172 und/oder
andere Elemente oder Kombinationen hiervon auf der medialen und/oder
lateralen Seite einer orthotischen Stütze angeordnet sein und die
Plantarflexion und Dorsalflexion in entsprechender Weise wie vorstehend
beschrieben steuern. Des weiteren kann das Dämpfungssystem 18 prothetisch
oder orthotisch eingesetzt werden, um andere Gelenke, wie Knie,
Hüfte,
Ellbogen u.ä.,
zu steuern und zu managen.
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Darüber hinaus
wird vorgeschlagen, eine Fußprothese
mit einstellbarer Fersenhöhe
und Energierückführung vorzusehen.
Beispielsweise kann eine manuelle Verriegelung das Dämpfungssystem 18 durch
Verwendung eines Permanentmagneten, der gegen das MR-Fluid 94 angeordnet
ist, über
einen Schalter steuern, um die Fersenhöhe einzustellen. Dies macht
nicht unbedingt das Sensorfeedbacksystem 22 oder die Mikroprozessoreinheit 172 erforderlich,
benutzt jedoch das Dämpfungssystem 18,
um die Fußgelenkeinheit 16 bei
einem vorgegebenen Winkel manuell zu verriegeln und hierdurch eine
vom Benutzer einstellbare variierbare Fersenhöhe des Fußes zu ermöglichen. Des weiteren kann das
Dämpfungssystem 18 so
verändert
werden, dass es sich nur um eine Fußgelenkeinheit ohne Kiel handelt,
um an anderen Kielkonstruktionen oder Fußprothesen befestigt zu werden.
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Der
Umfang der nachfolgenden Patentansprüche deckt daher auch andere
Ausführungsformen
ab. In Bezug auf die Kombinationen, Operationen und Anordnungen
der verschiedenen Teile und Elemente, die hier beschrieben wurden,
können Änderungen
durchgeführt
werden, ohne vom Umfang der Erfindung, der in den Patentansprüchen wiedergegeben
ist, abzuweichen.