DE69415397T2

DE69415397T2 - Prothesensteuerungssystem

Info

Publication number: DE69415397T2
Application number: DE69415397T
Authority: DE
Inventors: Mir Saeed Guildford Surrey Gu1 2Lj Zahedi
Original assignee: Blatchford & Sons Ltd
Current assignee: Blatchford & Sons Ltd
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1999-05-12
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: US5893891A; DE69415397D1; EP0628296B1; EP0628296A3; GB9312131D0; EP0628296A2

Description

Die Erfindung betrifft ein adaptives bzw. anpassbares Prothesen-Steuersystem und ein Verfahren zur Steuerung, insbesondere zur elektrischen Steuerung der Beugung und/oder Streckung bei einer Unterschenkelprothese oder Unterarmprothese für einen oberhalb des Knies Amputierten.
Die Britische Patentanmeldung Nr. GB 2216426A beschreibt eine Beinprothese mit einer Kolben-Zylinderanordnung zwischen Oberschenkel- und Schienbein-Teilen der Prothese zur Ausübung eines Widerstandes bei der Beugung und Streckung des Knies während der schwingenden Phase eines Gehbewegungs-Zyklus. Der Zylinder hat ein einstellbares Ventil mit einem Schrittmotor zur Änderung des Widerstandes entsprechend Signalen von einem Mikrocomputer-Steuersystem, welches die Gehgeschwindigkeit fühlt bzw. misst, derart dass die Schwenkbewegung der Schienbeinkomponente um die Knieachse während der schwingenden Phase entsprechend der Gehgeschwindigkeit variiert. Das Steuersystem ist an den Patienten bzw. von dem Patienten anpassbar in dem Sinne, dass die Arbeitsweise an den individuellen Patienten angepasst wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Steuersystem anfänglich in einem Lern-Modus während Gehübungen bzw. Gehtests betrieben wird, in welchen das System kalibriert wird bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten, um die beste Gangart zu erreichen.
Erfahrungen haben gezeigt, dass der Betrieb des Systems im Lern-Modus zum Erreichen der besten Einstellungen unangenehm und langdauernd ist. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Steuersystems, welches im Gebrauch angenehmer ist.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, ein anpassungsfähiges Steuersystem für ein künstliches Körperglied (eine Prothese), umfassend ein an der Prothese angebrachtes Steuer- bzw. Antriebsgerät für die Bewegung eines Körpergliedes, einen Sensor zur Generierung elektrischer Sensorsignale, entsprechend der Bewegung des Körpergliedes, eine elektronische Prozessorschaltung bzw. einen Rechner, der elektrisch mit dem Sensor und dem Steuergerät verbunden ist, und folgende Mittel enthält: (a) Datengenerierungsmittel, die in einem Lernmodus und einem Wiedergabemodus des Rechners automatisch und wiederholbar betätigbar sind zur Generierung von Messdaten in Bezug auf die Geschwindigkeit des Körpergliedes in Abhängigkeit von Sensorsignalen, (b) Einstellmittel für das Steuergerät zur Justierung eines Parameters des Steuergerätes, und (c) Speichermittel zur Speicherung eines Satzes von Steuerdaten, die einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Körpergliedes und den Einstellungen des Steuergerätes repräsentieren, wobei die Einstellmittel betätigbar sind während des Wiedergabemodus bei der Betätigung des Gliedes zur Verarbeitung der resultierenden besagten gemessenen Datenwerte in Zusammenhang mit den gespeicherten Datensätzen zur Generierung der Einstellsignale für das Steuergerät, wobei das Steuergerät automatisch justiert bzw. angeglichen wird, entsprechend der Geschwindigkeit des Körpergliedes, gekennzeichnet durch:
das System enthält ferner eine Fernsteuereinheit zur Übertragung von Kommandosignalen zu dem Glied bzw. zu der Prothese und einen Empfänger als Teil des Gliedes/der Prothese, verbunden mit dem Rechner zum Empfang der Steuersignale,
die Einstellmittel für das Steuergerät sind betätigbar in beiden Modi zur Zufuhr von Stellsignalen zu dem Steuergerät zur Justierung der besagten Parameter, wobei im Lernmodus die Einstellsignale dem Steuergerät zugeführt werden, entsprechend Parameterwerten, die vom Rechner generiert werden in Abhängigkeit von den vom Rechner über den Empfänger von der Fernsteuerung empfangenen Steuersignalen zur Einstellung der Steuergerätparameter unter Kontrolle eines Operators/Prothetikers während der Betätigung des Körpergliedes, und
der Rechner enthält Mittel zur Verarbeitung der Parameterwerte, welche ausgewählte Sätze des Steuergerätes repräsentieren, die während des Lernmodus erhalten wurden zusammen mit den assoziierten Messwerten zur automatischen Generierung des Satzes von Steuerdaten, die einen Zusammenhang darstellen zwischen der Geschwindigkeit des Körpergliedes und den Einstellungen des Steuergerätes.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur Steuerung bzw. zum Betrieb einer Unterschenkelprothese bei einer Amputation oberhalb des Knies, wobei die Steuervorrichtung die Flexion oder Beugung des Knies steuert und die Steuerparameter dafür der Widerstand der Vorrichtung gegen Bewegung am Kniegelenk ist. Auf diese Weise kann der Prothetiker das Steuersystem kalibrieren bzw. anpassen durch eine Reihe relativ kurzer Gehtests unter Verwendung der Fernsteuereinheit, ohne die Beschränkungen, die vorhanden wären, wenn der Prothetiker nahe beim Patienten sein müsste, um Einstellungen an dem System vorzunehmen. Das System bietet erhebliche Vereinfachungen bei der Kalibrierung oder Anpassungs-Prozedur und bringt Vorteile durch Verkürzung der Prozedur und geringere Ermüdung des Patienten.
Gemaess einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Prozessrechner Spar- bzw. Speicher-Mittel, die auf ein weiteres Kommandosignal ansprechen, welches der Empfänger von der Fernsteuereinheit empfängt, um dem Speicher automatisch Signale zuzuführen, die repräsentativ sind für die Messwerte und die Parameterwerte bei einem ausgewählten Zeitpunkt für jede der Vielzahl verschiedener Geschwindigkeiten der Bewegung der Gliedmassen. Zusätzlich können die Datengenerierungsmittel dazu eingerichtet sein, während des Lernmodus wiederholt einen Stufenwert in einem Speicherelement zu speichern, wobei der gespeicherte Wert in dem Speicherelement kontinuierlich oder fortlaufend auf den letzten Stand gebracht wird zur Lieferung eines Signals, welches repräsentativ ist für die Zeitstufe, bevor das nächste Signal empfangen wird. Die Datengenerierungsmittel können auch fortlaufend arbeiten zur Generierung der Stufenwerte als laufender Durchschnitt einer Vielzahl von Schrittperioden, und der Prozessor hat vorzugsweise Mittel zur automatischen Berechnung einer Reihe von Stufengrenzwerten, basierend auf einem optimalen Stufenperiodenwert, der während des Lernmodus, zur Definition einer Serie von Geschwindigkeitsbereichen festgestellt wurde, wobei dies automatisch erfolgt, wenn die Speichermittel auf die weiteren Signale von der Betriebseinheit ansprechen.
Der Verarbeitungskreis liefert im Lernmodus eine interaktive Verarbeitung, online, in dem Sinne dass die Steuereinheit ein Signal ausgiebt, welches einen Test-Durchlauf oder ein Test- Fenster initiiert. Die Testroutine oder das Test-Fenster wird von dem Speichersignal in Abhängigkeit von dem oben erwähnten weiteren Steuersignal beendet. Immer wenn der Empfänger angeschaltet wird, liefert die Verarbeitungsschaltung vorzugsweise kontinuierlich Messwerte entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Beines oder anderen Gliedes und verwendet den Satz gespeicherter Steuerdaten zur Einstellung des Steuergerätes unter Verwendung der Einstellmittel. Wenn ein Kommandosignal ausgegeben wird zur Initiierung der Testroutine, insbesondere ein Kommandosignal zur Einstellung einer bestimmten Gehgeschwindigkeit, dann erlaubt die Verarbeitungsschaltung dem Operator, die Steuervorrichtung unter Verwendung der Steuereinheit einzustellen; der eingestellte Parameterwert wird in einem speziellen Register gespeichert, so dass bei Ausgabe eines weiteren Kommandosignals der Parameterwert in dem Spezialregister erhalten bleibt. Nach Beendigung der Testroutine wird der Satz der Steuerdaten erneut berechnet und die Verarbeitunsschaltung kehrt zurück zur automatischen Einstellung des Steuergerätes unter Verwendung des erneut berechneten Satzes von Steuerdaten. Der Prothetiker kann dann in dem Testmodus weitermachen durch Ausgabe eines anderen Steuersignals, zum Beispiel für eine andere Gehgeschwindigkeit, wobei die Testroutine wieder initiiert wird, u. s. w., bis ein zufriedenstellender Satz von Steuerdaten produziert ist. Dieser Datensatz wird dann in einer beständigeren Form gespeichert, womit der Testmodus endet. Der Testmodus kann somit betrachtet werden als eine Vielzahl von vom Operator bestimmter Test- Fenster für verschiedene Gehgeschwindigkeiten, zwischen denen das System die Steuervorrichtung automatich einstellt.
Die Parameterwerte des Flexions-Steuergeräts, die zu den ausgewählten Zeitpunkten bei verschiedenen Gehgeschwindigkeiten erreicht wurden, wie oben erläutert, können von der Verarbeitungsschaltung verwendet werden zur automatischen Rechnung interpolierter Parametereinstellungen, zur Lieferung kompletter Sätze von Parametern, um den Bereichen der verschiedenen Periodenstufen zu entsprechen. Typischerweise erlaubt der Lernmodus dem Operator, drei Gehgeschwindigkeiten zu bestimmen, so dass drei durchschnittliche Stufenwerte gemessen werden und zusammen mit drei entsprechenden Parameterwerten gespeichert werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Verarbeitungsschaltung angeordnet zur Berechnung von vier Grenzwert- oder Schwellenstufenwerten aus den gespeicherten Daten, zur Definition der Grenzen zwischen fünf Geschwindigkeitsbereichen, nämlich langsam, mittellangsam, normal, mittelschnell und schnell. Diese Grenzwerte werden in einem permanenten Speicher zusammen mit den drei optimalen Parameterwerten, die während der Gehtests bestimmt wurden, und zusammen mit zwei automatisch berechneten Zwischenwerten, um den Satz von fünf Parametereinstellungen zu gewinnen, zur Verwendung während des Abspielmodus, also des Betriebsmodus, je nachdem, welche der fünf Stufenbereiche, also der fünf verschiedenen Geschwindigkeitsbereiche, zu einer bestimmten Zeit während der Benutzung der Prothese eingestellt ist.
Vorzugsweise ist das Verbindungsglied zwischen der Operatoreinheit und dem Empfänger ein Einweg-Radiofequenz-Glied. Die Steuereinheit kann einfach Tasten haben zur Bestimmung der Gehgeschwindigkeiten (zum Beispiel langsam, normal, schnell), ein oder mehrere Steuerorgane zur Erhöhung oder Verminderung der Parameterwerte der Steuereinheit für die Flexion und ein Steuergerät zur Sicherung der optimalen Parameterwerte, die während der Gehtests bestimmt wurden in Zusammenhang mit gleichzeitig gemessenen Periodenwerten.
Das bevorzugte Steuergerät (bzw. der Antrieb) für die Knie- Flexion ist eine Pneumatische Kolben-Zylinderanordnung, welche eine Oberschenkelkomponente und eine Schienbeinkomponente der Prothese miteinander verbindet, so dass dem Beugen oder Strecken variabler Widerstand entgegengesetzt wird, entsprechend der Öffnungsweite eines Industrieventils im Kolben des Schrittmotors. Der bevorzugte Parameter der Flexions- Steuervorrichtung ist somit der Widerstand gegen Flexion oder Streckung, der ausgedrückt sein kann durch die Öffnungsfläche oder Durchflussfläche eines Kanals in Verbindung mit einer oder beiden Zylinderräume, in dem Zylinder definiert durch den Kolben und die Wände des Zylinders. Der Sensor kann ein magnetischer Annäherungssensor in Verbindung mit der Kolbenzylinderanordnung sein, mit einem Permanentmagnet angebracht an oder in Verbindung mit dem Kolben und einem magnetisch empfänglichen Übertrager, angebracht an oder in Verbindung mit dem Zylinder (oder umgekehrt) zur Lieferung eines gepulsten elektrischen Signals, wobei ein Puls bei jedem Schritt generiert wird. Von diesem gepulsten Signal kann die Stufenperiode bestimmt werden. Es versteht sich, dass während Stufenperiode in dieser Beschreibung verwendet wird als ein Mass für die Gehgeschwindigkeit, es auch möglich ist, Signale zu verwenden, welche direkt oder indirekt die Stufenrate oder Geschwindigkeit repräsentieren.
Die bevorzugte Ausführungsform enthält Mittel zum Zählen der Anzahl der Schritte zur Generierung einer Aufzeichnung.
Gemäss einem anderen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen ein Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Körpergliedes, bei welchem während einer Lernphase die Bewegung des Gliedes automatisch und wiederholt überwacht und gesteuert wird durch elektronische Mittel, die einen Teil des Gliedes bzw. der Prothese bilden, wobei eine Serie von der Bewegung des Körperteiles entsprechenden Messdatenwerten und ein Satz von Steuerdaten, die von den besagten Messdatenwerten und ausgewählten Einstellungen des Steuergerätes des künstlichen Gliedes abgeleitet sind, und die eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Gliedes und der Einstellung des Steuergerätes repräsentieren, wird dann in den elektronischen Mitteln gespeichert werden, und bei welcher Methode, während der Wiedergabephase, die Betätigung des Körpergliedes automatisch und wiederholt überwacht und gesteuert wird von den elektronischen Mitteln zur Generierung einer Serie von Messdatenwerten, die in Beziehung stehen zu der Geschwindigkeit des Gliedes, die dann von den elektronischen Mitteln verarbeitet werden in Zusammenhang mit dem gespeicherten Satz von Kontrolldaten zur Generierung passender Steuersignale zur automatischen Justierung des Steuergerätes, entsprechend der Geschwindigkeit des Gliedes, dadurch gekennzeichnet, dass während der Lernphase eine Fernsteuereinheit betätigt wird in Verbindung mit einem Empfänger, der Teil des Gliedes bildet, während der Bewegung des Gliedes zum übertragen von Kommandosignalen an das Glied, die verarbeitet werden von den elektronischen Mitteln zur Generierung von Stellsignalen zur Adjustierung des Steuergerätes der Gliederbewegung mit dem Ziel der Verbesserung der Betätigung des Gliedes, und wobei in den elektronischen Mitteln generierte Daten, welche die ausgewählten Einstellungen des Steuergerätes repräsentieren, in den elektronischen Steuermitteln verarbeitet werden, zusammen mit den zugehörigen besagten Messdatenwerten, zur automatischen Generierung des Satzes von Steuerdaten.
Die Erfindung umfasst auch eine Unterschenkelprothese (oder Unterarmprothese) mit einer Steuervorrichtung für die Knie- Flexion, einer Verarbeitungsschaltung und einem Empfänger des vorstehend beschriebenen Steuersystems, wobei die Steuervorrichtung angebracht ist an einer Oberschenkelkomponente und einer Unterschenkelkomponente der Prothese. Die Kombination der Prothese und der Fernsteuereinheit bildet ein System, mit welchem der Prothetiker die Prothese besonders effektiv und rationell kalibrieren oder eichen kann.
Die Erfindung wird nun beispielsweise beschrieben, unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt einer Unterschenkelprothese, mit einer Flexionssteuervorrichtung und elektronischen Kontrollelementen;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des Steuersystems gemäss der Erfindung;
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Fernsteuereinheit;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm zur Illustration der Start- und Abschalt-Phasen eines Programms, welches einen Teil des Steuersystems bildet;
Fig. 5 ist ein Ablaufdiagramm zur Geschwindigkeitsmessung im Lernmodus;
Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm des Lernprogramms; und
Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm der Wiedergaberoutine(des Gerätes im Einsatz) einschliesslich des Widergabemodus der Geschwindigkeitsmessung.
Eine Unterglied-(Unterschenkel-)Prothese, in die ein Teil eines Steuersystems gemäss der Erfindung integriert ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Die Prothese hat ein Kniegelenk 10 mit einem Kniegelenkzapfen 12 zur Verbindung einer Oberschenkelkomponente 14 mit einer Unterschenkelkomponente 16. Die Oberschenkelkomponente hat ein Knie-Chassis 14A, eine Ausrichtungsvorrichtung 14B und einen stumpfen Stutzen 14C. Die Unterschenkel- bzw. Schienbeinkomponente 16 hat ein konventionelles Schienbeingestell 16A aus kohlenfaserverstärketem Plastik, in der einer Kolbenzylindereinheit 18 vorgesehen ist, die zur Steuerung der Kniebeugung dient. Der Zylinder 18A ist schwenkbar verbunden mit dem unteren Bereich des Schienbeingestells 16A und die Kolbenstange 18C mit dem Knie-Chassis 14A. Bei der pneumatischen Kolbenzylinderanordnung 18 wird der Widerstand gegen Flexion oder Beugung des Kniegelenks gesteuert mittels eines Nadelventils 18D, welches einstellbar ist mittels eines elektrischen Stufenmotors 20 und eines Schraubbolzens 20A, der die Ventilnadel trägt. Das Nadelventil 18D liegt in einem Kanal 18E im Gehäuse des Zylinders 18A. Der Kanal 18E verbindet die Zylinderräume 18F, 18 G beidseits des Kolbens 18C. Der Kanal mündet an einem Auslass 18H in der Zylinderwand. Durch Betätigung des Schrittmotors 20 wird der Schraubbolzen 20A axial verschoben, so dass die Ventilnadel in oder aus einem einen Teil des Kanals 18E bildenden Durchgang bewegt wird.
Der Kanal 18E bildet eine ersten Bypass oder Umgehung zur Verbindung der beiden Zylinderräume beidseits des Kolbens 18C. Ein zweiter Bypass oder Umgehungskanal 18I mit einem Ventil, wie einem Einwegeventil, 18J ist in dem Kolben 18C ausgebildet, so dass das Nadelventil 18D nur bei dem einen Kolbenhub wirksam ist, und zwar bei der Erhöhung der Flexion/Beugung des Kniegelenks 10 (bei dem anderen Kolbenhub, also beim Geradestrecken des Unterschenkels ist das Nadelventil 18D also überbrückt). Das Einwegventil 18J kann so ausgebildet sein, dass es den zweiten Bypass 18E nicht vollständig verschliesst bei zunehmender Flexion, sondern dass der Durchflussquerschnitt durch den Kolben 18C nur reduziert wird. Dies hat die Wirkung, dass das Nadelventil 18D den Widerstand gegen Verschiebung des Kolbens 18C in beiden Richtungen bestimmt, d. h. für Erhöhung und Verminderung der Flexion, wobei aber die Veränderungen in dem Durchflussquerschnitt des Nadelventils 18D in einer Richtung grösser ist als in der anderen, je nach der Arbeitsrichtung des Ventils 18J.
Ein Einwegeventil kann auch in den Kanal zu dem Ausgang 18H eingesetzt werden. Der Schrittmotor 20 und der Schraubbolzen 18A sind in dem Zylinderkörper 18 vorzugsweise nahe dem Schwenkgelenk 21 zwischen Zylinder 18 und Schienbein 16 angeordnet.
Der Schrittmotor ist getrieben, d. h. gesteuert durch die Kombination eines Mikrocomputers und eines Empfängers, die zusammen ein Bauteil 22 bilden. Der Mikrocomputer (nachfolgend Rechner) bestimmt die Knie-Flexion und Streckungs-Bewegungen mittels eines magnetische Näherungsfühlers mit einem ersten Teil, vorzugsweise einem übertrager 24A, der in oder an dem Zylinder 18A angeordnet ist und einem Permanentmagnet 24B an dem Kolben 18B. Der Schaltkreis 22 und der Schrittmotor 20 sind von Batterien gespeist, wovon eine Batterie 26 in Fig. 1 gezeigt ist. Der Empfänger hat eine Empfangsantenne in Form einer Leiterbahn auf der gedruckten Schalten, welche Komponenten des Kleinrechners und Empfängers erhält.
In Fig. 2 ist die Schaltung 22 mehr im Detail gezeigt. Die Schaltung umfasst einen mit der Antenne 28 verbundenen Empfänger 30 und eine Prozessorschaltung 32, welche demodulierte Signale über Eingang 34 empfängt und über Ausgang 36 den Empfänger steuert. Ein nicht löschbarer (ROM) Speicher in Form eines EEPROM 38 speichert die Daten der Drehgeschwindigkeit und der vom Rechner 32 gelieferten zugehörigen Daten der Ventileinstellung 38 und gibt diese Daten dem Rechner 32 bei Anforderung ein.
Der Rechner 32 hat einen Ausgangstreiber zur Steuerung des Schrittmotors 20, der seinerseits das Nadelventil 18D verschiebt und einen Eingang zum Empfang von Pulsen von dem Beugungssensor 24 mit dem Übertrager 24A und Magnet 24B (Fig. 1).
Der Empfänger 30 empfängt vorzugsweise Radiofrequenz (RF) Signale über Empfangsantenne 28 von einer Operator-Steuereinheit 40 (vom Arzt oder Prothetiker betätigt), gezeigt in Fig. 2 und in Draufsicht in Fig. 3. Die Steuereinheit/ Fernsteuerung 14 hat einen Kontrollcodegenerator 42 in Abhängigkeit von Betätigungstasten 44 oder Tasten an der Aussenseite der Fernsteuerung 40. Die Steuercodes vom Generator 42 werden moduliert und übertragen durch einen RF-Übertrager 46, der RF-Ausgangssignale an eine Übertragungsantenne 48 an der Fernsteuerung 40 liefert, zur Übertragung zur Empfangsantenne 28 an der Prothese. Eine Batterie 49 der Fernsteuerung 40 speist den Steuercodegenerator 42 und den Übertrager 46.
Gemäss Fig. 3 sind die Tasten der Fernsteuerung 40 in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe umfasst Start- und Ausgangstasten, die vom Prothetiker verwendet werden zum Starten und Einstellen eines Lernmodus des Steuersystems zum Programmieren optimaler Ventileinstellungen für unterschiedliche Gehgeschwindigkeiten. Der Empfänger 30 am Unterschenkelteil hat einen Summer (nicht gezeigt), der immer erklingt, wenn eine Taste 44 gedrückt ist und ein entsprechendes Signal empfangen wird, so dass der Prothetiker erkennt, dass der Empfänger bereit und in Reichweite ist.
Eine zweite Tastengruppe ist zur Einstellung der Gehgeschwindigkeiten vorgesehen. Diese Geschwindigkeits-Wahltasten umfassen eine Langsam-Taste, eine Schnell-Taste und eine Normal-Taste. Wenn also der Prothetiker einen Gehtest bei Normalgeschwindigkeit ausführen will, drückt er die Normal- Taste und das System durchläuft dann eine Lernfolge für diese Geschwindigkeit. Die Langsam- und Schnell-Tasten werden ähnlich verwendet zur Bestimmung von Gehtests bei langsamer und schneller Geschwindigkeit.
Bei Gehtest stellt der Prothetiker den durch das Flexionssteuergerät gelieferten Schwingphasenwiderstand ein oder justiert diesen unter Verwendung einer Gruppe von Ventileinstelltasten, darunter eine Öffnungstaste und eine Verschlusstaste zum entsprechenden Vermindern bzw. Erhöhen des Widerstandes gegen Schwingbewegung des Unterschenkels. Eine Rette- bzw. Speichertaste und eine Löschtaste werden verwendet zum Speichern oder überschreiben optimaler Widerstände (d. h. Durchflussquerschnitte)/Einstellungen und zum Löschen unerwünschter Einstellungen. Auf diese Weise kann der Prothetiker die Arbeitsweise des Steuergerätes verbessern und tatsächlich optimieren bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Gliedmassen. Tatsächlich ist das System so kalibriert, dass das Steuergerät automatisch an die individuellen Bedürfnisse des jeweiligen Benutzers angepasst werden kann.
Der Empfänger 30 oder der Rechner 32 kann Mittel (nicht gezeigt) zur Ausgabe eines visuellen oder hörbaren Signals umfassen, zur Anzeige wenn der Empfänger angeschaltet ist oder wenn eine bestimmte Taste an der Steuereinheit gedrückt ist.
Nunmehr wird anhand der Fig. 4 bis 7 die Arbeitsweise des Systems beschrieben. Fig. 4 zeigt die Start- und Abschaltphasen eines durch den Mikrocomputer gesteuerten Programms, welches dazu dient, das System in den Lehrmodus zu setzen; die Aktivierung des Empfängers 30, der während des Rückspielmodus zwecks Energiesparung ausgeschaltet bleibt, wird bewirkt durch Beugung der Knie-Prothese in einer besonderen Art und Weise. Und zwar beugt der Patient den Unterschenkel vollständig, zählt 10 Sekunden und streckt das Bein dann wieder während 10 Sekunden gerade und beugt es wieder. Dies produziert eine besondere Signalfolge von dem Beugungssensor 24A, 24B in Fig. 1, was von dem Rechner 32 als Aktivierungscode erkannt wird, und der Empfänger 30 wird über Leitung 36 (Fig. 2) angeschaltet (Stufe 50 in Fig. 4). Nach Aktivierung des Empfängers 30 lässt die Software den Rechner 32 den Empfängerausgang daraufhin überwachen (Stufe 52), ob ein Signal von der Steuereinheit/Fernsteuerung 40 empfangen wird. Bleibt ein Signal länger als eine vorbestimmte Zeitspanne (z. H. 4 Minuten) aus, so schaltet der Rechner 32 den Empfänger wieder aus (Stufen 54 und 56). Ferner wird der Prozessor oder Rechner in eine Wiedergaberoutine oder Arbeitsanwendungsroutine geschaltet (Stufe 58), die später beschrieben wird.
Sobald ein Signal von der Steuereinheit festgestellt wird, durchläuft der Prozessorkreis eine Prozedur zur Rückstellung des Ventils in die Ruhestellung (Stufe 60). Hierbei werden der Schrittmotor und das Nadelventil der Knie-Flexionssteuer vorrichtung (bzw. Antriebsvorrichtung) eingestellt auf eine vorbestimmte Referenzposition. Und zwar wird der Schrittmotor 20 gespeist mit 40 Ventilschliess-Stufensignalen, um das Nadelventil 18D in die voll geschlossene Position zu bewegen. Dies wird durch den Rechner bestimmt als Null-Referenzposition. Ein Ausgangswert der Ventileinstellung für einen inaktiven Zustand oder eine geringste Gehgeschwindigkeit oder eine zuvor während des inaktiven Zustands oder bei geringster Gehgeschwindigkeit in dem EEPROM 38 gespeicherte Ventileinstellung wird dann in den Prozessorkreis 32 eingelesen, dessen "Sitz- und Steh "-Register hiermit eingestellt wird. Hierdurch wird der Schrittmotor aus der Null-Referenzposition entsprechend der jeweiligen Ventileinstellung bewegt. Die Rückkehrprozedur 60 ist damit beendet. Dies hat das Resultat, dass das Ventil anfänglich eingestellt ist für Sitzen, Stehen oder langsame Bewegungen.
Der Rechner 32 erwartet nun das Startsignal von der Steuereinheit (Stufe 62). Wird das Startsignal empfangen, betätigt der Rechner ein Lernprogramm (Stufe 64), das nun beschrieben wird. Andernsfalls wird der Empfänger ausgeschaltet. Bei Beendigung des Lernprogramms 64 wird der Empfänger auch ausgeschaltet (Stufe 56), und das Ventil wird in die Ausgangsstellung zurückgestellt (Stufe 66, auf die gleiche Weise wie Stufe 60).
Im Lernmodus überwacht der Rechner 32 beständig die Bewegungen des Gliedes oder Körperteiles, um zu bestimmen ob es stillsteht oder ob der Patient geht oder läuft, sowie die Geschwindigkeit des Gehens oder Laufens. Der Flexionssensor wird gesteuert in einer Steuerstufe 70 (Fig. 5), sofern Impulse von dem Sensor durch den Rechner 32 empfangen werden. Der Abstand zwischen den Pulsen wird in einer Zählschleife gemessen; (nur zwei aufeinanderfolgende Pulse sind für eine Messung erforderlich). Diese Pulsintervalle werden verarbeitet zur Feststellung, ob die Bewegung des Gliedes charakteristisch ist für die oben beschriebene Aktivitätsfolge. Ist dies der Fall, so wird die Startroutine 74 aktiviert (wie anhand Fig. 4 beschrieben). In allen übrigen Fällen wird ein laufender Durchschnitt der Schrittperiode errechnet (Stufe 76). Wenn die von dem laufenden Durchschnitt repräsentierte Schrittperiode grösser ist als 2 Sekunden, wird ein von dem Rechner eingestelltes Geschwindigkeitsregister zurückgesetzt (Stufe 78) und die nächste Periode wird gezählt. Wenn während vorbestimmter Zeitdauer keine Bewegung festgestellt wird, bewirkt der Rechner 32 aufgrund des Programms, dass der Stellmotor das Ventil auf einen Wert stellt, der in dem EEPROM gespeichert ist für Stehen oder Sitzen.
Die Ermittlung des Durchschnitts (Stufe 76) kann ausgeführt werden durch Schaffung von z. B. sechs Kalkulationsregistern und Einspeisung einer entsprechenden Anzahl von aufeinanderfolgenden Schrittperiodenzählungen, wobei jedes Register mit einem verschiedenen Schritt anfängt. Somit erhält das erste Register die Zählungen für zum Beispiel die Schritte 1, 2, 3, 4, 5 und 6. Das zweite Kalkulationsregister speichert die Zählungen für Stufen 2, 3, 4, 5, 6 und 7, und das dritte Register erhält die Zählungen für Stufen 3, 4, 5, 6, 7 und 8, u. s. w., die Inhalte jedes Registers werden addiert und dividiert, zur Ermittlung des entsprechenden Durchschnittswertes, womit man einen laufenden Durchschnittswert erhält durch Ablesen der aufeinanderfolgenden berechneten Durchschnitte, einer nach dem anderen mit der gleichen Rate, mit der die Register gefüllt oder eingespeist werden. Praktisch wird der Durchschnitt berechnet durch Zählung, wieviel Schritte getan werden vor Rücksetzung der Register, wobei die erste und zweite Schrittperiode ignoriert werden, und die nächsten vier Schritte addiert und durch vier dividiert werden. Man kann auch andere Methoden zur Berechnung eines laufenden Durchschnitts verwenden. Der laufende Durchschnitt wird gespeichert in einem laufenden Geschwindigkeitsregister, welches beständig auf dem neuesten Stand nachgeführt wird, entsprechend den neuen Durchschnittswerten. Im Lernmodus erfolgt die Aktualisierung nur so lange wie die Werte repräsentativ sind für den gehenden Patienten. Nach Bestimmung der Geschwindigkeit in der obigen Weise und der Speicherung der Daten der den bestimmten Geh geschwindigkeiten entsprechenden Ventileinstellungen in Form einer Verweistabelle, kann während der Verwendung der Prothese das Ventil dynamisch eingestellt werden entsprechend der Gehgeschwindigkeit. Wie diese gespeicherten Daten produziert werden, wird nun anhand Fig. 6 beschrieben, welche die von dem Rechner 32 durchgeführte Lernroutine zeigt, welche, wie erinnerlich, in dem Flussdiagramm nach Fig. 4 als Start- und Abschaltstufe 64 erscheint.
Das Lernprogramm beinhaltet die grundlegenden Operationen eines Prothetikers, der die Steuereinheit benutzt zur Bestimmung bestimmter Gehgeschwindigkeiten wie langsam, normal oder schnell, wobei der Patient durch eine Serie von Gehtests bei den verschiedenen Geschwindigkeiten geführt wird, während die Öffnung des Nadelventils des Beugungssteuergerätes eingestellt wird durch Fernsteuerung mittels der Fern-Steuereinheit, bis in jedem Fall ein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht ist. Die so erhaltenen optimalen Ventileinstellungen werden gespeichert durch entsprechende Signale und Ausführung von Berechnungen zum Ableiten der Zwischenwerte, so dass die Daten gespeichert werden in finalen Registern, die eingerichtet sind durch die Prozessorschaltung 32, welche fünf Geschwindigkeitsbereiche und fünf entsprechende Ventileinstellungen repräsentieren. Wenn der Empfänger abgeschaltet wird (Stufe 56, Fig. 4) werden diese Daten in das EEPROM eingelesen (38 in Fig. 2). Gemäss Fig. 6 beginnt der Lernmodus mit der Überprüfung, ob von der Fernsteuerung ein Löschsignal empfangen wird (Stufe 90), bei Empfang eines solchen Signals werden die finalen Register gelöscht und aus dem EEPROM-Speicher nachgefüllt (Stufe 92). Dann erwartet das Programm ein Geschwindigkeitswahlsignal von der Fernsteuerung. Wird dies empfangen, so wird ein Geschwindigkeitsauswahlpointer eingestellte auf langsam, normal oder schnell, entsprechend dem empfangenen Signal. Bleibt ein solches Signal aus, so wird der Pointer auf Standard gesetzt (Stufen 94 und 96).
Der Rechner 32 kennt nun die ausgewählte Geschwindigkeit für den nächsten Teil der Prozedur. In Stufe 98 wird Betätigung der Tasten OFFEN (vermindere Widerstand) oder GESCHLOSSEN (erhöhe Widerstand) erwartet. Wird das eine oder das andere dieser Signale empfangen, so prüft der Rechner die Einstellungen der Steh- und Sitzregister (die oben im Zusammenhang mit der Ausgangsstellung des Ventiles erwähnt wurden), um die Differenz zwischen der aktuellen Ventilstellung und der Standardstellung festzustellen, so dass bei Änderung der Ventilstellung, durch Betätigung der OFFEN-Taste oder SCHLIESS-Taste die gleiche subjektive Wirkung erhalten wird, im Wesentlichen unabhängig von der Ventilöffnung. Wenn also die gegenwärtige Ventilstellung zwischen, sagen wir, 0 bis 15 Schritt entfernt von der Standard-Position ist, so wird ein Multiplikator so eingestellt, dass er den Schrittmotor je Tastendruck um einen Schritt bewegt. Wenn andererseits die aktuelle Ventilstellung zwischen 16 und 20 Schritte entfernt von der Ausgangsstellung ist, so wird der Schrittmotor um 2 Schritte je Tastenbetätigung bewegt, u. s. w., mit zunehmenden Schritten bei zunehmendem Abstand von dem Null- bzw. von dem Ausgangswert. Im Endeffekt wird der Multiplier eingestellt zur Lieferung eines logarithmischen Verhältnisses zwischen der Ventilbewegung und der Ventilöffnung gegenüber der Ausgangsstellung. Diese Stufen sind in Fig. 6 bezeichnet mit Bezugszeichen 98 und 100. Ein vom Rechner 32 eingestelltes "Positionswahl"-Register erhält nun die neue Ventileinstellung, und der Schrittmotor wird angetrieben oder eingeschaltet zur entsprechenden Bewegung des Ventils (Stufen 102 und 104). An dieser Stelle wird der gegenwärtige Wert des laufenden Durchschnitts der Schrittperioden in ein ausgewähltes Geschwindigkeitsregister gelesen, welches die ausgewählte Geschwindigkeit repräsentiert (langsam, normal oder schnell) (Stufe 106).
Als nächstes prüft das Programm, ob von der Fernsteuerung ein Speichersignal empfangen wird (Stufe 108), und bei Abwesenheit dieses Signals kehrt das Programm zum Anfang dieser Schleife zurück, von Stufe 108 zu Stufe 90. Anfänglich erlaubt das Lernprogramm dem Prothetiker, eine Folge verschiedener Ventilöffnungen zu testen, bis er die optimale Einstellung erreicht hat. Jetzt drückt der Prothetiker die Speicher-Taste, so dass das Programm zum Schritt 110 fortschreitet, wo die Inhalte des ausgewählten Geschwindigkeitsregisters, d. h. die Signale entsprechend der zuletzt erhaltenen durchschnittlichen Schrittperiode und der letzten Ventileinstellung, in die Rechenregister eingetragen werden. Natürlich entspricht diese Schrittperiode und Ventileinstellung nur einer der ausgewählten Geschwindigkeiten langsam, normal oder schnell. Das Kalkulationsregister wird bereits entsprechende Einstellungen für die anderen ausgewählten beiden Geschwindigkeiten enthalten, entweder von vorausgehenden Gehtests oder als Standardwerte.
Als nächstes berechnet der Rechner in Stufe 112 Grenzwerte für fünf Geschwindigkeitsbereiche und entsprechende Ventileinstellungen. Dies bedeutet bei dieser Ausführungsform, dass die für langsam, normal und schnelle Gehtests gemessene Schrittperioden betrachtet werden als repräsentativ für die zentralen Werte der ersten, dritten und fünften Stufenperiodenbereiche, während Schrittperiodenwerte in der Mitte zwischen langsam und normal und normal und schnell betrachtet werden als repräsentativ für zentrale Werte der zweiten und vierten Stufenperiodenbereiche. Die Grenzwerte werden entsprechend berechnet.
Die von den Rechenregistern erhaltenen drei Ventileinstellungen repräsentieren die optimalen Ventileinstellungen für Gehgeschwindigkeiten entsprechend Schrittperioden innerhalb des ersten, dritten und fünften Bereiches, während Einstellungen in der Mitte zwischen den in dem Kalkulationsregister gespeicherten Ventileinstellungen betrachtet werden als optimale Einstellungen für Geschwindigkeiten entsprechend Schrittperioden innerhalb der zweiten und vierten Schrittperiodenbereiche. Diese mittleren Ventileinstellungen werden in der Berechnungsstufe 112 berechnet. Zur gleichen Zeit werden Ruhe- und Not- Einstellungen für das Ventil generiert, die den Einstellungen für den langsamsten Geschwindigkeitsbereich entsprechen. Diese kalkulierten Stufenperiodenbereiche und Ventileinstelldaten (fünf Werte jeweils und zusätzlich Werte für die inaktive und die Notfallstellung bei niedriger Batteriespannung) werden in das finale Register eingetragen, jedes Mal wenn eine Berechnung durchgeführt wird, d. h. nach jedem Speicherbefehl.
An dieser Stelle kann der Prothetiker die Gehtests beenden, wozu er die EXIT-Taste drückt, was der Rechner in dem entsprechenden Prüfschritt 116 wahrnimmt, worauf die Inhalte des finalen Registers in den EEPROM-Speicher eingelesen werden (Stufe 118), worauf die Abschaltroutine folgt, dargestellt in Stufen 56 und 66 der Fig. 4 (hier: Stufe 120). Wenn der Prothetiker die Tests noch nicht beenden will, so wird kein EXIT/Ende-Signal erhalten und das Lernprogramm wird bei Stufe 90 wiederholt bis Stufe 116.
Das EEPROM enthält nun gespeicherte Daten, entsprechend fünf Ventileinstellungen für fünf aufeinanderfolgende Geschwindigkeitsbereiche, welche die optimalen Einstellungen für den jeweiligen Patienten repräsentieren, zur Verwendung beim dem normalen Einsatz der Prothese. Natürlich kann eine verschiedene Anzahl von Geschwindigkeitsbereichen und entsprechenden Ventileinstellungen verwendet werden, wobei die Schrittperioden und die Ventilstellwerte entsprechend kalkuliert werden. In der Tat können diskrete Bereiche dispensiert bzw. aufgegeben werden, und die Resultate der Gehtests können verwendet werden zur Bestimmung eines kontinuierlichen Verhältnisses zwischen Gehgeschwindigkeit und Ventilöffnung, d. h. das die Ventilöffnung stufenlos geändert werden kann.
Es ist möglich, eine Prüfstufe zu intergrieren in das Lernprogramm, wodurch bei Drücken der Ausgangstaste das Programm die relativen Grössen der Messungen langsam, normal und schnell der gemessenen Schrittperioden liest zur Überprüfung, dass die Schrittperioden in der richtigen Reihenfolge und Grösse sind, und wenn nötig, werden die Bestimmungen für langsam, normal und schnell der Schrittperioden und die entsprechenden Ventileinstellungen korrigiert in die richtige Reihenfolge. Unrichtige Zuordnung kann zum Beispiel passieren, wenn die Gehtest zu weit auseinanderliegenden Zeiten durchgeführt werden, und wenn der Patient beim Testen einmal müde und einmal nicht müde ist. Für den Fall, dass die Ventileinstellungen sich in unrichtiger Grössenordnung befinden, ist das Programm so ausgebildet, dass die Einstellungen für langsam und/oder für schnell geändert werden in die Normaleinstellung, um bis zur Wiederholung der Tests, also der Neueinstellung, Unannehmlichkeiten für den Patienten zu vermeiden.
Nun wird anhand von Fig. 7 das Wiedergabe- oder Arbeitsprogramm beschrieben. In Stufe 130 überwacht der Rechner den Flexions-Sensor und misst und verarbeitet den Ausgang in Stufe 132, so dass nach Prüfung in Stufe 134, ob der Empfänger aktiviert ist (vergleiche obige Beschreibung der Aktivierungsprozedur), in Stufe 136 das Geschwindigkeitsregister aktualisiert werden kann mit dem augenblicklichen Wert der Schrittperiode, vorausgesetzt, der Empfänger ist ausgeschaltet. Mit anderen Worten: statt Einschreibens eines berechneten Durchschnittsschrittwertes in das Geschwindigkeitsregister im Lernprogramm, wird im Anwendungsprogramm jede gemessene Schrittperiode direkt in das Schrittregister geschrieben, so dass Änderungen im Bewegungsmuster des Patienten unmittelbar erfasst werden.
Wenn der Empfänger jedoch aktiviert ist, wird geprüft, ob in das Lernprogramm geschaltet wird. In Stufe 138 wird also der Empfängerausgang überwacht auf ein Signal von der Fernsteuerung. Wird ein Signal festgestellt, so wird die Ventil- Rückstellprozedur, wo oben anhand Fig. 4 beschrieben ausgeführt (Programmstufe 140). Liegt kein solches Ausgangssignal vom Empfänger an, so wird das Geschwindigkeitsregister nachgeführt mit dem sogenannten momentanen Schrittperiodenwert und dann, während des Anwendungsprogrammes, wird der Empfängerausgang während einer Zeitspanne überwacht, hier während vier Minuten, ob ein Signal von der Fernsteuerung anliegt (Verfahrensschritt 142), wird während dieser Zeitspanne ein Ausgangssignal am Empfänger festgestellt, so wird wiederum die Prozedur zur Null-Stellung des Ventils ausgeführt. Wenn nicht, wird der Empfänger ausgeschaltet und die Wiedergaberoutine fortgesetzt (Stufe 144).
Wird ein Ausgangssignal vom Empfänger festgestellt, egal ob unmittelbar oder während der Vier-Minuten-Periode, so wird die Ventil-Rückstellprozedur bei 140 ausgeführt; die Feststellung 146 eines Programmstartsignals von der Fernsteuereinheit über den Empfänger bewirkt den Eintritt 148 in das Lernprogramm, wie oben bei Fig. 6 beschrieben. Wird kein Programmstartsignal festgestellt, so wird der Empfänger ausgeschaltet und das Anwenderprogramm fortgesetzt.
Die nächste Stufe 150 der Wiedergabe- bzw. Arbeitsroutine, nach der Nachführung des Geschwindigkeitsregisters, besteht im Lesen der letzten Schrittperiode im Geschwindigkeitsregister, worauf in Stufe 152 der Vergleich mit Null folgt. Es versteht sich, dass der Inhalt des Geschwindigkeitsregisters Null ist, solange innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls keine Flexion oder Streckung festgestellt wird durch die Sensoren 24A, 24B (Fig. 1). Wenn also der Ausgang des Geschwindigkeitsregisters Null ist während einer grösseren Zeit als vier Sekunden, wird die Prothese als inaktiv betrachtet, in diesem Fall wird die in dem EEPROM gespeicherte Einstellung des Ventil auf inaktiv oder Ruhe gelesen in ein laufendes Ventilregister und der Schrittmotor wird angetrieben zu der entsprechenden Ventileinstellung (Stufen 154, 156). Das Programm kehrt dann zurück zu Stufe 132. Wird jedoch eine Bewegung festgestellt und ist der Ausgang des Geschwindigkeitsregisters während der letzten vier Sekunden grösser als Null, so wird die Stufenperiode verglichen mit den Grenzwerten der Schrittperiodenbereiche, die in dem EEPROM gespeichert sind (Stufe 158), um zu bestimmen, ob der angezeigte Bereich verschieden ist von dem bereits in einem Auswahlregister eingestellten Bereich (Stufe 160). Wird keine Differenz festgestellt, so kehrt das Programm zurück zu seinem Beginn. Wird eine Differenz festgestellt, so wird das Auswahlregister nachgeführt (Stufe 162), die entsprechende Ventileinstellung für den neuen Bereich wird aus dem EEPROM gelesen und in das laufende Ventilregister geschrieben (Verfahrensstufe 164) und der Motor wird angetrieben bzw. eingeschaltet zur entsprechenden Einstellung des Ventils auf den im laufenden Ventilregister befindlichen Wert (Stufe 156). Das Programm kehrt dann zurück zum Beginn der Wiedergaberoutine.
Die vorstehend beschriebene und in den Zeichnungen gezeigte Ausführungsform der Erfindung erlaubt, automatische Steuerung der Kniebewegung für die meisten Verwendungsarten zu programmieren, vom Sitzen und Stehen über langsames Gehen, normales Gehen und schnelles Gehen. Innerhalb der Erfindung ist es aber möglich, die Programmierung für andere Gebrauchsarten vorzusehen, wie Rennen oder andere Sportaktivitäten. Dies kann abfolgen durch Ausweitung der Signalbereiche, zum Beispiel Schrittperiodenwerte, die verarbeitet werden können, und/oder durch Einrichtung verschiedener, vom Patienten auswählbarer Modi. Somit kann das Steuersystem in einem Geh-Modus arbeiten, in dem es - wie vorstehend beschrieben - betätigt wird, und in einem Spezial-Modus, in welchem in dem Lern- und in dem Anwendungsprogramm die gleichen Stufen ausgeführt werden, mit dem Unterschied, dass verschiedene Werte in den Registern verwendet werden. Für die anfängliche Programmierung wählt der Prothetiker den Geh-Modus und führt die Lernroutine - wie oben beschrieben - aus. Nach Durchführung des Lernprogramms, und nachdem das Programmausgangssignal ausgegeben ist, arbeitet das Programm in einem Wiedergabe- oder Arbeitsmodus, wie oben beschrieben, unter Verwendung der für das Gehen programmierten, in dem Geh-Register gespeicherten Werte.
Bei dieser alternativen Ausbildung besitzt die Fernsteuereinheit eine weitere Taste oder Tasten zur Auswahl zwischen dem Geh-Modus und dem Spezialmodus. Wenn nun der Prothetiker den Spezialmodus auswählt, kann das Lernprogramm durchgeführt werden, während der Patient besondere Spezialaktivitäten ausführt und die Spezialmodusdaten werden gespeichert in einem neuen Satz von Registern, die der Prozessor einrichtet.
Der Patient wird versehen mit einer in der Hand zu haltenden Steuerung zur Auswahl einer Betriebsart, wobei der Empfänger angeschaltet werden kann, um den gewünschten Modus auszuwählen, worauf der Empfänger ausgeschaltet wird. Wird der Spezialmodus ausgewählt, so verwendet das Arbeitsprogramm die Inhalte der neuen Register.
Ob nun diese alternative Ausführungsform oder die zuerst beschriebene verwendet wird, in beiden Fällen hat das System den Vorteil, dass Dank der drahtlosen Kommunikation mit der Fernsteuerung der Prothetiker die Bewegungen des Patienten von der vorteilhaftesten Stelle aus überwachen kann und nicht jedes Mal zum Patienten hinlaufen muss, wenn ein Steuersignal generiert werden soll. Völlige Automatisierung der Bestimmung der Gehgeschwindigkeit und fortlaufende Messung und Nachführung der Gehgeschwindigkeit durch den Rechner erübrigt sehr viel von dem Aufwand und der Anstrengung bei früheren Systemen zur Bestimmung der Gehgeschwindigkeit. Die damit verbundene bedeutende Vereinfachung reduziert auch das Ausmass des erforderlichen speziellen Trainings des Prothetikers und reduziert die zum Erreichen optimaler Ventileinstellungen erforderliche Zeit. Im Ergebnis ist es dem Patienten in vielen Fällen möglich, das Lernprogramm ohne Mithilfe eines Prothetikers auszuführen, wobei der Patient von dem direkten Feedback profitiert, ohne dass dabei eine Interpretation durch einen Prothetiker nötig ist. Ausserdem reduziert die stark reduzierte Einstellzeit die Möglichkeit der Ermüdung des Patienten, wodurch die Resultate beeinträchtigt werden würden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das anpassbare Prothesensteuersystem eine elektrisch einstellbare Steuervorrichtung für Kniebeugung zur Anbringung in einer Untergliedprothese, mit einem Kniegelenk zur Steuerung der Bewegung des Gelenks, ein Schritt-Sensor zur Generierung eines Geh-Schrittsignals, indikativ für die Schrittperiode während des Gehens, eine elektronische Verarbeitungsschaltung, assoziiert mit oder elektrisch gekuppelt mit dem Flexionssteuergerät und dem Schrittsensor, einem Empfänger, elektrisch gekuppelt mit der Verarbeitungschaltung zum elektromagnetischen oder akustischen Empfang von Steuersignalen, und einer Operatoreinheit zur Generierung und Ausstrahlung von Steuersignalen. Die Steuersignal enthalten auch Signale zur Ein stellung der Flexionssteuervorrichtung, die von der Operatoreinheit bzw. Fernsteuerung unter der Kontrolle eines Operators übertragen werden. Die Verarbeitungsschaltung schliesst ein Speichermittel, Geschwindigkeitsanzeigemittel, betätigbar automatisch sowohl in einem Lernmodus und einem Wiedergabemodus, zur periodischen Umwandlung des Geh-Schrittsignals in einen Geh-Periodenwert, und Steuereinstellmittel, die während des Lernmodus ansprechen auf Stellsignale, die vom Empfänger aufgefangen werden zur Bewirkung von Anderungen eines Parameters des Flexionssteuergerätes und zur Generierung von Signalen für ein Ventilparameter. Die Verarbeitungsmittel umfassen ferner Speicher für ein weiteres Steuersignal, dass vom Operator über den Empfänger empfangen wird zur automatischen Einspeisung in die Speichermittel, repräsentativ für die Schrittperiodenwerte und die Parameterwerte, die verbunden sind mit einem ausgewählten Zeitpunkt für jede einer Vielzahl verschiedener Gehgeschwindigkeiten, um einen gespeicherten Datensatz zu produzieren, der die erforderlichen Parametereinstellungen für verschiedene Geschwindigkeiten repräsentiert. Die Verarbeitungsmittel beinhalten auch Wiedergabemittel, die betätigbar sind in dem Wiedergabemodus, um die Flexionssteuergerätparameter zu erforderlichen Zeiten einzustellen in Übereinstimmung mit den Schrittperiodenwerten, die abgeleitet wurden von Gehsignalen, die zu ihren Zeiten aufgefangen wurden vom Sensor und in Übereinstimmung mit den entsprechenden Parametereinstellungen der gespeicherten Daten.
Das System erlaubt kontinuierliche Verarbeitung und Durchschnittsbildung der Gehgeschwindigkeit oder Schrittperiode bzw. -dauer. Im Lernmodus kann der Operator die Steuerparameter durch Fernsteuerung verändern und in Echtzeit auf jede Veränderung durch entsprechende Veränderungen reagieren. Wenn eine geeignete Einstellung für eine bestimmte Geschwindigkeit der Gliedmassen erreicht ist, kann der Rechner ferngesteuert werden zum "Retten", d. h. zum Speichern, dieser Einstellung und automatischen Berechnung eines neuen Satzes von Steuerdaten, auf der Grundlage der neuen Einstellung und vorausgegangener Einstellungen anderer Gehgeschwindigkeiten. Der Prozessor kann somit Online-Berechnungen der Steuerdaten für den Wiedergabe- oder Anwendungsmodus ausführen. Der Prozessor oder Rechner an der Prothese kann Prozessdaten automatisch sammeln. Alle Operator-Kommandos werden bei dem bevorzugten System durch Fernsteuerung ausgeführt.

Claims

1. Ein anpassungsfähiges Steuersystem für ein künstliches Körperglied (eine Prothese), umfassend ein an der Prothese angebrachtes Steuer- bzw. Antriebsgerät (18, 20) für die Bewegung eines Körpergliedes, einen Sensor (24A, 24B) zur Generierung elektrischer Sensorsignale, entsprechend der Bewegung des Körpergliedes, eine elektronische Prozessorschaltung (32) bzw. einen Rechner, der elektrisch mit dem Sensor (24A, 24B.) und dem Steuergerät (18, 20) verbunden ist, und folgende Mittel enthält: (a) Datengenerierungsmittel, die in einem Lernmodus und einem Wiedergabemodus des Rechners automatisch und wiederholbar betätigbar sind zur Generierung von Messdaten in Bezug auf die Geschwindigkeit des Körpergliedes in Abhängigkeit von Sensorsignalen, (b) Einstellmittel für das Steuergerät zur Justierung eines Parameters des Steuergerätes (18, 20), und (c) Speichermittel (38) zur Speicherung eines Satzes von Steuerdaten, die einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Körpergliedes und den Einstellungen des Steuergerätes repräsentieren, wobei die Einstellmittel betätigbar sind während des Wiedergabemodus bei der Betätigung des Gliedes zur Verarbeitung der resultierenden besagten gemessenen Datenwerte in Zusammenhang mit den gespeicherten Datensätzen zur Generierung der Einstellsignale für das Steuergerät (18, 20), wobei das Steuergerät (18, 20) automatisch justiert bzw. angeglichen wird, entsprechend der Geschwindigkeit des Körpergliedes, gekennzeichnet durch:

das System enthält ferner eine Fernsteuereinheit (40) zur Übertragung von Kommandosignalen zu dem Glied bzw. 2u der Prothese und einen Empfänger (30) als Teil des Gliedes/der Prothese, verbunden mit dem Rechner (32) zum Empfang der Steuersignale,

die Einstellmittel für das Steuergerät sind betätigbar in beiden Modi zur Zufuhr von Stellsignalen zu dem Steuergerät (16, 20) zur Justierung der besagten Parameter, wobei im Lernmodus die Einstellsignale dem Steuergerät (18, 20) zugeführt werden, entsprechend Parameterwerten, die vom Rechner (32) generiert werden in Abhängigkeit von den vom Rechner (32) über den Empfänger (30) von der Fernsteuerung (40) empfangenen Steuersignalen zur Einstellung der Steuergerätparameter unter Kontrolle eines Operators/Prothetikers während der Betätigung des Körpergliedes, und

der Rechner (32) enthält Mittel zur Verarbeitung der Parameterwerte, welche ausgewählte Sätze des Steuergerätes (18, 20) repräsentieren, die während des Lernmodus erhalten wurden zusammen mit den assoziierten Messwerten zur automatischen Generierung des Satzes von Steuerdaten, die einen Zusammenhang darstellen zwischen der Geschwindigkeit des Körpergliedes und den Einstellungen des Steuergerätes.

2. Ein System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18, 20) ein Steuergerät für die Knie-Flexion ist, zur Anbringung an einer oberhalb des Knies angebrachten Unterschenkelprothese, und wobei der Steuerparameter der Bewegungswiderstand ist.

3. Ein System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (18, 20) eine Kolben-Zylinder-Anordnung mit einem Ventil (18D) und einem Elektromotor (20) ist, wobei der Elektromotor (20) mit dem Ventil verbunden ist zur Änderung der Öffnungsweite des Ventils.

4. Ein System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (24A, 24B) vorgesehen ist zur Lieferung gepulster Sensorsignale, wobei je ein Puls generiert wird für jeden ausgeführten Schritt.

5. Ein System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernsteuereinheit (40) des Operators einen Sender (46) zur Übertragung der Steuersignale an den Empfänger (30) als elektromagnetisch ausgestrahlte Signale umfasst.

6. Ein System gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten-Generierungsmittel kontinuierlich während des Lernmodus betätigbar sind zur Generierung von Messdatenwerten, welche laufende Durchschnitte der Schrittperioden oder Schrittzeiten bei der Betätigung des Körpergliedes/Unterschenkels sind.

7. Ein System nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (32) ferner Rettungs- bzw. Speichermittel umfasst, die auf ein weiteres Steuersignal ansprechen, welches über den Empfänger 30 empfangen wird von der Fernsteuerung (40) zur automatischen Zuführung von Signalen zu den Speichermitteln (38), die repräsentativ sind für die Messdatenwerte und die Parameterwerte, die verbunden sind mit einem ausgewählten Zeitpunkt für jede einer Vielzahl verschiedener Geschwindigkeiten des Körpergliedes.

8. Ein System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitsungsmittel bzw. der Rechner betätigbar ist in Abhängigkeit jeder Operation der Speichermittel zur automatischen Berechnung einer Serie von Grenzwerten, basierend auf Messdatenwerten, die ausgewählt sind während des Lernmodus zur Definition einer Vielzahl von Messdatenbereichen.

9. Ein System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Verarbeitungsmittel bzw. der Rechner automatisch betätigbar ist zur Berechnung interpolierter Parameterwerte zur Lieferung eines Satzes von Parameterwerten, entsprechend den Messungsdatenwertebereichen.

10. Ein System gemäss irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernsteuereinheit (40) Steuermittel zur Erhöhung und Verminderung der Steuerparameter besitzt.

11. Ein System nach irgendeinem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner (32) vorgesehen ist zur Anbringung an dem Körperglied bzw. der Prothese, zusammen mit dem Sensor (24A, 24B) und dem Empfänger (30).

12. Ein System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (24A, 24B) einen ersten, an den Kolben der Kolbenzylinderanordnung (18, 20) montierten Teil und einen zweiten, an dem Zylinder montierten Teil (24A) aufweist.

13. Ein System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungsmittel Prüfmittel zum Prüfen der ausgewählten Steuereinstellungen des besagten Satzes von Steuerdaten aufweisen, die korrekt geordnet sind in ihrer Grösse entsprechend den gespeicherten Messdatenwerten.

14. Ein Verfahren zur Steuerung eines künstlichen Körpergliedes, bei welchem während einer Lernphase die Bewegung des Gliedes automatisch und wiederholt überwacht und gesteuert wird durch elektronische Mittel (32, 38), die einen Teil des Gliedes bzw. der Prothese bilden, wobei eine Serie von der Bewegung des Körperteiles entsprechenden Messdatenwerten und ein Satz von Steuerdaten, die von den besagten Messdatenwerten und ausgewählten Einstellungen des Steuergerätes (18, 20) des künstlichen Gliedes abgeleitet sind, und die eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Gliedes und der Einstellung des Steuergerätes repräsentieren, wird dann in den elektronischen Mitteln (32, 38) gespeichert werden, und bei welcher Methode, während der Wiedergabephase, die Betätigung des Körpergliedes automatisch und wiederholt überwacht und gesteuert wird von den elektronischen Mitteln (32, 38) zur Generierung einer Serie von Messdatenwerten, die in Beziehung stehen zu der Geschwindigkeit des Gliedes, die dann von den elektronischen Mitteln (32, 38) verarbeitet werden in Zusammenhang mit dem gespeicherten Satz von Kontrolldaten zur Generierung passender Steuersignale zur automatischen Justierung des Steuergerätes (18, 20), entsprechend der Geschwindigkeit des Gliedes, dadurch gekennzeichnet, dass während der Lernphase eine Fernsteuereinheit (40) betätigt wird in Verbindung mit einem Empfänger 30, der Teil des Gliedes bildet, während der Bewegung des Gliedes zum Übertragen von Kommandosignalen an das Glied, die verarbeitet werden von den elektronischen Mitteln (32, 38) zur Generierung von Stellsignalen zur Adjustierung des Steuergerätes (18, 20) der Gliederbewegung mit dem Ziel der Verbesserung der Betätigung des Gliedes, und wobei in den elektronischen Mitteln (32, 38) generierte Daten, welche die ausgewählten Einstellungen des Steuergerätes (18, 20) repräsentieren, in den elektronischen Steuermitteln (32, 38) verarbeitet werden, zusammen mit den zugehörigen besagten Messdatenwerten, zur automatischen Generierung des Satzes von Steuerdaten.

15. Ein Verfahren gemäss Anspruch 14 zur Steuerung von Kniebewegungen einer oberhalb Knie-Unterschenkelprothese, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Einstellungen des Steuer gerätes (18, 20) verschiedenen Graden des Widerstandes gegen die Kniebewegung entsprechen.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät eine Kolbenzylinderanordnung ist, wobei die Betätigung des Steuergerätes den Antrieb bzw. die Betätigung eines Elektromotors umfasst, zur Änderung der Öffnung eines Ventils in der Anordnung.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Betätigungsgliedes überwacht wird unter Verwendung eines Sensors (24A, 24B), der ein gepulstes Signal liefert, wenn das Glied betätigt wird, wobei die elektronischen Mittel (32, 38) die Wiederholungsrate der Pulse messen.

18. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale als elektromagnetische Strahlung auf den Empfänger (30) übertragen werden.

19. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdatenwerte kontinuierlich durch die elektronischen Mittel (32, 38) generiert werden als Serie eines laufenden Durchschnitts der Schrittperioden, sowohl während der Lernphase als auch während der Anwendungsphase bei Betätigung des Gliedes.

20. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Steuersignal in der Fernsteuereinheit (40) generiert wird, und in den elektronischen Mitteln (32, 38), in Reaktion auf das weitere Steuersignal die Auswahl und Speicherung der Messdatenwerte und die Einstellung des Steuergerätes bewirkt werden, gleichzeitig mit der über tragung der weiteren Steuersignale, wobei Steuersignaleinstellungen und Messdatenwerte ausgewählt und gespeichert werden können über eine Vielzahl verschiedener entsprechender Arbeitsgeschwindigkeiten.

21. Ein Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der ausgewählten Steuergeräteinstellungen und Messdatenwerte zur Generierung der Steuerdatensätze in Abhängigkeit von der besagten Speicherung durchgeführt wird.

22. Ein Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der ausgewählten Steuergeräteinstellungen und Messdatenwerte die Kalkulation einer Serie von Grenzmesswertdaten umfasst, basierend auf den ausgewählten Messdatenwerten, zur Definition einer Vielzahl verschiedener, aufeinanderfolgender Messdatenwertbereiche, und dass die Verarbeitung der Steuervorrichtungseinstellungen die Berechnung interpolierter Einstellungen umfasst, zur Bereitstellung eines Satzes von Einstellungswerten für das Steuergerät entsprechend den Messdatenbereichen.

23. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale Steuergerätinkrementierungssignale umfassen für die Erhöhung oder Verminderung eines Parameters des Steuergerätes (18, 20) in Stufen.

24. Eine Untergliedprothese, enthaltend das Steuergerät (18, 20), den Sensor (24A, 24B), die Verarbeitungseinheit (32) und den Empfänger (30) des Kontrollsystems nach Anspruch 2, wobei das Steuersystem (18, 20) festgemacht ist an der Oberschenkelkomponente (14) und der Schienbeinkomponente (16) der Prothese.