DE69918273T2

DE69918273T2 - Beinprothese und steuerung dafür

Info

Publication number: DE69918273T2
Application number: DE69918273T
Authority: DE
Inventors: Mir Saeed Zahedi; Andrew John Sykes
Original assignee: Blatchford & Sons Ltd; Chas A Blatchford and Sons Ltd
Current assignee: Blatchford Products Ltd
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: GB2334891A; ATE269683T1; GB2334891B; GB9904920D0; WO1999044547A1; GB9804611D0; DE69918273D1; AU3264399A; EP1059898A1; US6719806B1; EP1059898B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Beinprothese, die eine auf dynamische Weise einstellbare Kniebewegungssteuerungseinheit beinhaltet, welche zum automatischen Steuern der Beugung und/oder Verlängerung des Gelenks angeordnet ist.
Es ist aus der britischen Patentanmeldung Nr. 2280609A bekannt, eine Beinprothese mit einem auf dynamische Weise einstellbaren Steuerungssystem vorzusehen zur Steuerung der Bewegung eines Schienbeinteiles der Prothese über eine Knieachse auf einem festen Teil der Prothese entsprechend zu der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Amputierten. Eine pneumatische Kolben- und Zylindervorrichtung, die zwischen den festen Teil und den Schienbeinteil gekoppelt ist, besitzt ein motorangetriebenes Ventil, das den Widerstand der Vorrichtung zur Bewegung an dem Kniegelenk verändert in Abhängigkeit von Befehlssignalen von einem elektronischen Steuerungsschaltkreis, der Eingangssignale von einem Messwandler erhält, welcher auf der Steuerungsvorrichtung montiert ist, wobei die Wiederholungsrate der Eingangssignale für die Fortbewegungsgeschwindigkeit, insbesondere für die Schrittperiode während dem Gehen repräsentativ ist.
Der Steuerschaltkreis beinhaltet einen Funkempfänger zum Empfangen von Befehlssignalen von einem Fernsteuerungssender, bedient von einem Amputierten, einen Prozessor bzw. Rechner zum Verarbeiten der Befehlssignale und der Messwandlersignale und einen Speicher zum Speichern eines Abbilds von Ventileinstellungen gegenüber Fortbewegungsgeschwindigkeitsbereichen. Der Prozessor besitzt einen Lern-Modus, wobei der Amputierte aufgefordert wird, mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu gehen und das System wird insoweit von dem Amputierten „gelehrt", insofern der Amputierte das Ventil veranlasst, ferngesteuert in Echtzeit eingestellt zu werden, während der Amputierte geht, bis der beste Gang erzielt wurde. Derselbe Vorgang wird bei verschiedenen Ganggeschwindigkeiten durchgeführt und der Amputierte wählt eine Ventileinstellung für jede Geschwindigkeit, welche, seiner oder ihrer Meinung nach den besten Gang zu erzeugen scheint. Diese Ventileinstellungen werden am Ende des Lernmodus gespeichert. In einem Wiedergabemodus des Prozessors werden Signale entsprechend den gespeicherten Ventileinstellungen automatisch zu dem Motorventil zugeführt, entsprechend der Geschwindigkeit, mit welcher der Amputierte geht.
Das erwähnte System hat bemerkenswerte Verbesserungen im Gang für Oberschenkelamputierte erbracht aufgrund seiner Anpassung des Widerstands an Kniegelenksbewegungen mit verschiedenen Einstellungen, welche an verschiedene Gehgeschwindigkeiten angepasst sind, anstatt auf einer festen Widerstandseinstellung für alle Gehgeschwindigkeiten zu beruhen. Diese Verbesserungen wurden erreicht, ohne übermäßig lange Sitzungen mit dem Amputierten zu erfordern.
Das technisches Gebiet der Ganganalyse generell hat in den letzten Jahren bemerkenswerte Aufmerksamkeit gewonnen. In „Wiederholbarkeit von kinetischen und kinematischen Messungen bei Gangstudien des Beinamputierten" von Zahedi und anderen in Prothetik und Orthesen International, 1987, 11, 55-64, ist eine rechenbetonte Methode zum Durchführen von Gangmessungen offenbart, die bei der biomechanischen Auswertungen nützlich sind. Eine dieser Beobachtungen, die aus dieser Arbeit entstehen, ist, dass kleine Unterschiede in der geometrischen Ausrichtung bzw. Angleichung einer Beinprothese den Grad der Wiederholbarkeit und das Bild von Auslastungsauswirkungen beeinflussen. Es wird auch vorgeschlagen, dass von biomechanischen Überlegungen aus Angleichungen, welche die geringste Abweichung der Lasten von Schritt zu Schritt im Vorher/Nachher- Biegemoment und den axialen Lastparametern besitzen, näher an einer optimalen Bedingung liegen können.
EP-A-0549855 (James, Kelvin B.) bezieht sich auf eine Oberschenkelprothese, welche einen hydraulischen Dämpfer verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit der Drehung des künstlichen Kniegelenks auf passive Weise zu regulieren. Ein programmierter Mikroprozessor bemerkt gewöhnliche Gangmuster durch von Beanspruchungs- und Kniewinkelsensoren auf der Prothese erhaltenen Informationen. Der Einfluss des Dämpfers auf Beugung und Streckung des Kniegelenks ist mit Bezug zu der von den Sensoren erhaltenen Information eingestellt, insbesondere das Abtasten von Signalen von den Sensoren, die durchgehend den Zustand der Prothese während Teilen einer jeden Schrittperiode bestimmen. Durch Vergleichen der erhaltenen Signale mit einem Satz von gespeicherten Grenzwerten, agieren Steuerungsmittel, um die Dämpfung des Kniegelenks zu variieren mit dem Ziel, eine sogenannte „natürliche Kniebewegung" zu simulieren.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt dieser Erfindung ist eine Beinprothese für einen Oberschenkelamputierten vorgesehen, wobei die Prothese eine auf dynamische Weise einstellbare Kniebewegungssteuerungseinheit (18, 20, 22, 24A, 24B) beinhaltet, die angeordnet ist zum Steuern der Beugung und/oder Dehnung bzw. Streckung eines Kniegelenks 10 der Prothese, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit angeordnet ist zum automatischen Steuern der Beugung und/oder Verlängerung des Gelenks im Bezug zu der erfassten Schritt zu Schritt- Änderung bzw. Schwankung von zumindest einem kinetischen oder kinematischen Parameter der Fortbewegung, um die Schritt zu Schritt-Änderung bzw. Variabilität zu reduzieren. Auf diese Weise ist es möglich, ein selbstlernendes, anpassungsfähiges Steuerungssystem für eine Beinprothese zu schaffen, wobei das System die Schritt zu Schritt- Änderung eines oder mehrerer Parameter im Bezug zu dem dynamischen Betrieb der Extremität misst und au tomatisch die Änderungsmessung bearbeitet, um die Schritt zu Schritt- Änderung des Parameters zu optimieren oder reduzieren, wobei bevorzugt ein sich wiederholender Prozess benutzt wird, um eine optimale Bewegungscharakteristik zu erreichen.
Bei der bevorzugten Prothese ist die Kniebewegungssteuerungseinheit eine Kolben- und Zylinderanordnung, die ein elektrisch einstellbares Ventil besitzt, das auf ein Einstellungssignal reagiert, welches durch einen Mikroprozessor erzeugt wird, welcher programmiert ist, einen kinematischen Parameteränderungswert von Eingabesignalen abzuleiten, die durch einen Messfühler erzeugt werden, der auf der Extremität montiert ist.
Der kinematische Parameter kann die Amplitude des Beugungswinkels des Gelenks sein, welche durch die Amplitude oder den Betrag des Kolbenhubs repräsentiert sein kann, im Falle, dass die Beugung und/oder Verlängerung des Gelenks durch eine Kolben- und Zylindervorrichtung gesteuert wird, die zwischen einem festen Teil und einem Schienbeinteil der Prothese angeordnet ist. Als Alternative oder zusätzlich kann die Dauer des gebeugten Zustands (z.B. das Zeitintervall von dem Beginn der Beugungsbewegung bis zum Abschluss der Verlängerungsbewegung, wobei diese Punkte typischer Weise bestimmt werden durch Einstellen von Winkelgrenzwerten oder Kolbenpositionsgrenzwerten) als ein anderer kinematischer Parameter benutzt werden, vorzugsweise als Teil der gesamten Schrittperiode. Als weitere Alternative kann die Schrittlänge als kinematischer Parameter benutzt werden.
Typischer Weise ist die erfasste Änderung ein elektrischer Signalwert, welcher repräsentativ ist für den Grad der Änderung eines kinematischen Parameters, gemessen während jedem einer Mehrzahl von Schritten, die der Amputierte während der Fortbewegung tätigt, wobei der Parameter während jedem durch den Amputierten getätigten Schritt gemessen wird, der sich innerhalb eines bestimmten Bereichs der Fortbewegung befindet, so wie ein bestimmter Gehgeschwindigkeitsbereich oder eine bestimmte Kategorie der Fortbewegung. In diesem Kontext bedeutet „Kategorie der Fortbewegung" verschieden Arten von Fortbewegung wie Gehen auf einer ebenen Oberfläche, Hinuntergehen eines Gefälles, Hinuntergehen einer Treppe, Hinaufgehen einer Treppe, oder Rennen. Geschwindigkeiten des Gehens oder Rennens als Geschwindigkeitsbereiche können bestimmt werden durch Messen der Wiederholungsrate oder der durchschnittlichen Schrittperiode eines Gang- oder Rennzyklus, wobei sich jeder Zyklus zum Beispiel von dem Absatzkontakt zum Absatzkontakt über Standphase und Schwingphase erstreckt.
Das Steuerungssystem kann so konfiguriert sein, dass es die Änderung eines oder mehrerer kinetischer oder kinematischer Parameter in jedem einer Mehrzahl von Bereichen der Fortbewegung bestimmt, so dass die Steuerungseinheit an eine Mehrzahl von optimalen Einstellungen für die verschiedenen jeweiligen Fortbewegungsbereiche angepasst ist. Es ist dann für das System möglich, den Bereich der Fortbewegung aus den empfangenen elektrischen Signalen von einem oder mehreren Messfühlern, die einen Teil der Prothese bilden, zu bestimmen, und unter Benutzung derselben Signale eine sich wiederholende Änderungsmessung und einen Einstellungsprozess bzw. -vorgang innerhalb eines jeden jeweiligen Fortbewegungsbereiches durchzuführen. Der Prozess minimiert die Änderung des gewählten Parameters oder minimiert im Falle einer Änderung einer Mehrzahl von gemessenen Parametern die Änderung von zumindest einem davon (der als der Primärparameter bestimmt ist). Im Allgemeinen ist die Änderung oder Minimierung der Änderung eines kinematischen Parameters assoziiert mit der Änderung oder Minimierung eines grundlegenden kinetischen Parameters der Fortbewegung.
Üblicherweise beinhaltet die Steuerungseinheit eine Kniebewegungssteuerungsvorrichtung, einen Messfühler zum Erzeugen eines erfassten Signals im Bezug zu einem kinematischen Parameter der Fortbewegung und einen elektronischen Steuerungsschaltkreis, der einen Eingang besitzt, welcher mit dem Messfühler gekoppelt ist und einen Ausgang, welcher mit der Steuerungsvorrichtung gekoppelt ist, wobei der Messfühler und der Steuerungsschaltkreis konfiguriert sind, um die Schritt zu Schritt- Änderung des kinematischen Parameters zu bestimmen und Ausgangssignale zum Einstellen der Steuerungsvorrichtung zu erzeugen, um dadurch die Änderung des kinematischen Parameters zu reduzieren und Ausgangssignale zum Einstellen der Steuerungsvorrichtung zu erzeugen, um dadurch die Schritt zu Schritt- Änderung des Parameters zu reduzieren, um eine optimale Einstellung der Steuerungsvorrichtung zu erzielen. Bei der bevorzugten Prothese ist der Steuerungsschaltkreis konfiguriert, um einen Wert des kinematischen Parameters während jedem einer Mehrzahl von Fortbewegungszyklen zu speichern, um die gespeicherten Werte zu vergleichen, um eine Änderungsmessung zu bilden, um die Änderungsmessung mit einem Referenzänderungswert zu vergleichen und, wenn die Änderungsmessung den Referenzwert überschreitet einen Steuerungsvorrichtungseinstellungsablauf zu initiieren, bei dem die Steuerungsvorrichtung dynamisch eingestellt wird, um die Änderung des oder eines jeden Parameters im Wesentlichen zu minimieren.
Nach einem Gesichtspunkt der Methode bzw. des Verfahrens misst das bevorzugte Steuerungssystem die Geschwindigkeit des Gehens, errechnet die Abweichung eines kinematischen Parameters über eine Anzahl von Schritten, bearbeitet die gemessenen Parameterdaten, um zu bestimmen, ob der Grad der Abweichung innerhalb eines Bereichs von optimaler Parameteränderung fällt, stellt den Widerstand für die Gelenkbeugung und/oder -Verlängerung um eine bestimmte Differenz entsprechend dem Grad der Änderung des Parameters oder der Parameter ein, um den Betrag der Änderung zu reduzieren. Die entsprechenden Steuerungsvorrichtungseinstellungen, in Verbindung mit Gehgeschwindigkeitswerten, können gespeichert werden, damit in einem Abspielmodus die Steuerungsvorrichtung auf eine änderungsminimierende Einstellung eingestellt ist, entsprechend einer gemessenen Gehgeschwindigkeit, wie durch die gespeicherten Verhältnisse bestimmt.
Der Optimierungsprozess kann durchgehend während dem Benutzen der Prothese durchgeführt werden, Abweichung der kinematischen Parameter werden sich wiederholend reduziert, jedes Mal wenn die Änderung von einer bestimmten Optimalbedingung abweicht. Die Geschwindigkeit des Gehens kann entsprechend einer Anzahl von sich nicht überlappender Geschwindigkeitsbereichen definiert werden, welche als „langsam", „mittel" und „schnell" bezeichnet werden können, die gespeicherten Daten entsprechen einer Einstellung der Extremitätssteuerungsvorrichtung für jeden Bereich, der durch Mittel des automatischen selbstlernenden Prozesses bestimmt wurde, da sie im Wesentlichen die Minimalabweichung des oder der kinematischen Parameter ergeben.
Entsprechend einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung beinhaltet ein Steuerungssystem für eine Beinprothese einen Eingang für die Verbindung mit einem Messfühler auf der Prothese, welcher ein elektrisches Messfühlersignal in Bezug zu Beugung oder Verlängerung eines Gelenks erzeugt, einen Ausgang für die Verbindung mit der Steuerungsvorrichtung zum Beeinflussen des Betriebes des Gelenks während der Fortbewegung und einen Prozessorschaltkreis, welcher angeordnet ist zum Berechnen eines Änderungswertes aus dem im Eingang empfangenen Messfühlersignal, welches indikativ ist für die Änderung eines kinematischen Parameters der Fortbewegung von Schritt zu Schritt, und automatisch im Bezug zu dem Änderungswert eine bestimmte Bedingung oder Bedingungen erfüllt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Steuerungsvorrichtung veranlasst, auf eine Weise eingestellt zu werden, dass die Änderung des Parameters reduziert wird.
Die Erfindung wird jetzt mit Beispielen beschrieben mit Bezug zu den Zeichnungen. Dabei gilt:
1 ist eine teilweise im Querschnitt dargestellte Seitenansicht eines Teils einer Beinprothese, die eine Beugungssteuerungsvorrichtung und elektronische Steuerungselemente beinhaltet;
2 ist ein Blockschaltbild eines Prothesensteuerungssystems entsprechend der Erfindung;
3 ist ein Fluss- bzw. Ablaufdiagramm, das eine bevorzugte Abfolge von Abläufen, die durch das Steuerungssystem durchgeführt werden darstellt.
Eine Beinprothese entsprechend der Erfindung ist in 1 gezeigt. Die Prothese besitzt ein Kniegelenk 10 mit einem Kniedrehpunkt 12, der eine feste Komponente 14 mit einer Schienbeinkomponente 16 verbindet. Die feste Komponente beinhaltet ein Kniechassis bzw. -Untergestell 14A, eine Anschluss- bzw. Ausrichtungsvorrichtung 14B und eine Stumpffassung 14C. Die Schienbeinkomponente 16 besitzt eine gewöhnliche kohlefaserverstärkte Plastikschienbeinaussteifung 16A, welche eine Kolben- und Zylinderanordnung 18 aufnimmt, die als Beugungssteuerungsvorrichtung agiert, um einen Teil eines Steuerungssystems zu bilden. Die Anordnung 18 weist einen Zylinder 18A auf, der drehbar mit dem Hinterteil der Schienbeinaussteifung 16A gekoppelt ist und einen Kolben 18B, der eine Kolbenstange 18C besitzt, die drehbar mit der Kniechassis 14A gekoppelt ist. Die Kolben- und Zylinderanordnung 18 ist eine pneumatische Vorrichtung, der Widerstand zur Beugung des Kniegelenks wird durch ein Nadel- bzw. Kegelventil 18D gesteuert, das ein stellbar ist durch einen elektrischen Schrittmotor 20 und eine beigeordnete Gewindewelle 20A, die mit dem Nadelelement des Nadelventils verbunden ist. Ein Gleichstrommotor kann als Alternative zu dem Schrittmotor benutzt werden. Das Nadelventil 18D befindet sich in einer Durchgangsöffnung 18E im Gehäuse des Zylinders 18A, der Durchgang 18E verbindet die Zylinderinnenräume 18F, 18G auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 18C und taucht an einem Anschluss 18H in der Wand des Zylinders auf. Der Betrieb des Motors 20 veranlasst die Welle 20A sich axial zu bewegen, so dass das Nadelelement sich in den einen Durchgang bildenden Teil des Durchgangs 18E hinein- oder herausbewegt.
Der Durchgang 18E bildet einen ersten Bypass, der die Zylinderräume auf den gegenüberliegenden Seiten des Kolbens 18C verbindet. Ein zweiter Bypassdurchgang 18I, der ein Ventil wie z.B. ein Einwegeventil 18J aufnimmt, ist in dem Kolben 18C gebildet, so dass das Nadelventil 18D nur bei einem Hub des Kolbens effektiv ist, in diesem Fall der Hub entsprechend erhöhter Beugung des Kniegelenks 10. Das Einwegeventil 18J kann so angeordnet sein, dass es den zweiten Bypassdurchgang 18I bei erhöhtem Beugungshub nicht völlig absperrt, sondern vielmehr lediglich um den Ausflussöffnungsbereich durch den Kolben 18C zu reduzieren. Eine derartige Anordnung hat den Effekt, dass das Nadelventil 18D den Widerstand zur Bewegung des Kolbens 18C in beide Richtungen bestimmt, z.B. zum Erhöhen und Abnehmen der Beugung, aber mit dem Effekt, dass Abweichungen in dem Ausflussöffnungsbereich des Nadelventils 18D in einer Richtung größer sind als in die andere, abhängig von der Betriebsrichtung des Ventils 18J.
Es ist auch möglich ein Einwegeventil in dem Durchgang einzusetzen, der mit dem Anschluss 18H verbunden ist. Der Schrittmotor 20 und seine Gewindewelle 20A sind in dem Körper des Zy linders 18 montiert, vorzugsweise in der Nähe der Drehkopplung 21 des Zylinders 18 zu dem Schienbein 16.
Der Schrittmotor wird durch einen Mikrocomputer angetrieben, der einen Teil eines elektronischen Schaltkreisaufbaus 22 bildet und ist Teil des Steuerungssystems. Der Mikrocomputer bestimmt Kniebeuge- und Knieverlängerungsbewegungen durch einen magnetischen Näherungssensor, der einen ersten Teil aufweist, vorzugsweise einen Messfühler 24A, montiert in oder beigeordnet mit dem Zylinderkörper 18A und einen zweiten Teil, vorzugsweise einen Permanentmagneten 24B, montiert auf oder beigeordnet mit dem Kolben 18B. Als Alternative kann zum Beispiel der Messfühler 24A auf einer gedruckten Platine montiert werden, welche die elektronische Schaltkreisanordnung 22 bildet, welche wiederum mit dem Zylinder 18 verbunden ist. Die elektronische Schaltkreisanordnung 22 und der Schrittmotor 20 werden durch Batterien gespeist, von welchen eine in 1 gezeigt ist und durch die Referenznummer 26 bezeichnet ist.
Die elektronische Schaltkreisanordnung 22 wird in 2 detaillierter gezeigt. Insbesondere weist das Schaltschema einen Prozessorschaltkreis 32 auf, welcher Messfühlersignale mittels einem Eingang 34 empfängt und den Schrittmotor 20 mittels einem Ausgang 36 steuert. Ein Permanentspeicher in Form einer EEPROM 38 speichert Gehgeschwindigkeit und Ventileinstellungsdaten, die durch den Prozessorschaltkreis 32 erzeugt werden und schickt solche Daten zu dem Prozessorschaltkreis 32, wenn erforderlich.
Der Prozessorschaltkreis 32 beinhaltet einen Ausgangstreiber zum Antreiben des Schrittmotors 20, welcher wiederum das Nadelventil 18D bewegt und er besitzt einen Eingang zum Empfangen von Signalen von dem Beugungssensor 24, welcher einen Messfühler 24A und einen Magneten 24B (siehe 1) aufweist.
Jetzt wird der Betrieb des Prozessorschaltkreises 32 entsprechend einem intern gespeicherten Programm mit Bezug zu 3 beschrieben. Dieses Programm bietet ein automatisches Einstellen des Steuervorrichtungsventils („automatisches Programmieren") ohne Eingriff eines Amputierten, aber manuelles Programmieren durch den Amputierten, der eine Fernbedienungseinheit wie in der britischen Patentanmeldung Nr. 2280609A benutzt, kann als Alternative zu oder in Verbindung mit dem automatischen Programmieren, das zusätzliche Software benutzt, die in dem elektronischen Schaltschema 22 gespeichert ist, durchgeführt werden.
Man muss zuerst verstehen, dass die Signale, die von dem Messfühler 24A empfangen werden, durch Messung ihrer Breite, ihres Betrags und der Wiederholungsrate ausgewertet werden können, um Werte für die Schrittperiode (der Kehrwert der Gehgeschwindigkeit), den Hubbetrag und die Hubdauer abzuleiten, wobei die letztere repräsentativ ist für die Zeit, die es dauert, die Hubphase zu vollenden, relativ zu der gesamten Schrittperiode. Diese drei Variablen werden in 3 als T, ISI, und T_s bezeichnet. Der Hubbetrag und die Hubdauer sind kinematische Parameter, deren Änderung berechnet wird, um eine optimale Einstellung des Hubphasenwiderstands zu erreichen, der durch die Kolben- und Zylinderanordnung 18 in jedem von fünf verschiedenen Gehgeschwindigkeitsbereichen (dargestellt in 3 durch Schrittperiodenbereiche T1 bis T5) ermöglicht wird. Es kann eine verschiedene Anzahl von Gehgeschwindigkeitsbereichen verwendet werden. Die Änderungsmessungen ΔISI und ΔT_s werden bestimmt durch Vergleichen der Hubbetrag- und Hubdauermessungen über eine Reihe von aufeinanderfolgenden Schritten, hier sieben Schritte, wodurch T innerhalb eines Bereiches T₁ bis T₅ verbleibt. Entsprechend ob diese Änderungswerte ΔISI und ΔT_s jeweils bestimmte Grenzwerte A_i, 2A_i, B_i und 2B_i überschreiten, wird das Ventil 18D eingestellt, um die Änderungsmessungen unter die Grenzwerte zu reduzieren.
Genauer betrachtet beginnt die Folge der durch den Prozessorschaltkreis 32 ausgeführten Vorgängen mit dem Auswählen entweder des manuellen Programmierens oder des automatischen Programmierens und Wählen entweder des vorprogrammierten Änderungswertes oder des kürzlich bestimmten Änderungswertes ΔISI und ΔT_s als Startsatz von Werten für verschiedene Gehgeschwindigkeitsbereiche. Mit dem manuellen Programmieren wird die Fernbedienungseinheit, auf die in der früheren oben genannten Patentanmeldung Bezug genommen wird benutzt, um ein Anweisungssignal für angemessene Ventileinstellung und zum Erstellen durchschnittlicher Gehgeschwindigkeitswerte zu senden. Die vorgespeicherten Änderungswerte können werkseingestellt sein, um einen Startpunkt für das automatische Programmieren zu bieten. Unter gewissen Umständen, werden sehr große Änderungswerte gemessen, kann dem automatischen Programmieren manuelles Programmieren durch den Amputierten und Lesen der bisherigen Werte des Hubbetrags und der Hubdauer für jeden Geschwindigkeitsbereich T₁ bis T₅, die in der EPROM 38 (Programmelement 50) gespeichert sind, vorangehen. Ist Einstellungsprogrammieren gewählt (Programmelement 52) und der Amputierte geht, werden die Schrittperiode, der Hubbetrag und die Hubdauer für jeden Schritt gemessen (Element 54) und für jeden Schritt wird der Wert der Schrittperiode T verglichen mit entsprechenden Grenzwerten der Bereiche T₁ bis T₅, um zu bestimmen, ob der Schritt, der gemessen wird innerhalb des gleichen Periodenbereiches liegt wie der vorherige Schritt (Element 56). Ist dies nicht der Fall wird der neue Schrittperiodenbereich eingestellt (Element 58) und das Programm kehrt zu dem Element 54 zurück, um T, ΔISI und T_s für den nächsten Schritt zu messen und zu speichern.
Liegt andererseits die Schrittperiode des gemessenen Schritts innerhalb des gleichen Schrittperiodenbereichs wie der vorherige Schritt, wird ein Zähler erhöht (nicht gezeigt) und das Programm kehrt zu Element 54 zurück, um die oben beschriebene Folge wieder zu durchlaufen, bis sieben aufeinanderfolgende Schritte getätigt wurden, die alle in einem Schrittperiodenbereich liegen, wie durch das Programmelement 60 in 3 bestimmt.
In dem Element 62 wird der Schrittperiodenbereich kontrolliert und die Schrittbetragsänderung und die Schrittdaueränderung werden gewählt und für die jeweiligen sieben Schritte (Elemente 62 und 64 des Programms) berechnet.
Dann wird die Hubbetragsänderung mit dem vorherigen Wert verglichen (Element 66). Hat sich die Änderung erhöht, wird davon ausgegangen, dass die letzte Einstellung des Ventils 18D (1) in dem betreffenden Schrittperiodenbereich in der falschen Richtung lag und das Register, das die Richtung der Ventileinstellung einstellt, wird aktualisiert, um die Einstellungsrichtung umzukehren (Element 68) und der vorherige Hubbetragsänderungswert wird mit dem neuen Hubbetragsänderungswert überschrieben (Element 70).
Als nächstes wird der gemessene Hubbetragsänderungswert mit einem ersten Änderungsgrenzwert A_i verglichen (Element 72) und wenn dieser Grenzwert überschritten wird, wird ein anderer Vergleich in Schritt 74 durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Änderungswert einen höheren zweiten Änderungsgrenzwert, in diesem Fall der doppelte erste Grenzwert, z.B. 2A_i überschreitet (Element 74). Die Folge der Programmelemente 72 und 74 ist, liegt die Hubbetragsänderung unter dem ersten Grenzwert A_i, dass keine Ventileinstellung stattfindet. Liegt sie zwischen dem ersten und zweiten Grenzwert A_i und 2A_i, wird das Ventil um einen halben Schritt des Schrittmotors 20 (siehe 1) in der in dem Ventileinstellungsrichtungsregister eingestellten Richtung eingestellt (Programmelement 76). Ist jedoch die Hubbetragsänderung größer als der zweite Grenzwert 2A_i, wird das Ventil durch einen vollständigen Motorschritt in der angezeigten Richtung eingestellt (Element 78).
Liegt die Hubbetragsänderung innerhalb des unteren der zwei Hubbetragsänderungsgrenzwerte, wie durch das Programmelement 72 bestimmt, wird die Änderung der Hubdauer als eine zweite Änderungsmessung berechnet. Somit wird in dem Programmelement 80 die Hubdaueränderung ΔT_s mit einem Hubdaueränderungsgrenzwert B_i verglichen und, wenn notwendig mit einem zweiten Hubdaueränderungsgrenzwert 2B_i (im Programmelement 82). Wieder wird abhängig von den Ergebnissen dieser Vergleiche das Ventil 18D um einen halben oder einen ganzen Schritt in der angezeigten Richtung des Registers eingestellt, oder es findet keine Einstellung statt.
Die oben beschriebenen Programmelemente 54 bis 82 bilden eine Wiederholung in einem sich wiederholenden Ablauf, zum optimalen Einstellen des Ventils 18D, um zumindest die Hubbetragsänderung innerhalb den unteren ihres jeweiligen Grenzwertes (A_i) zu bringen. Entsprechend findet, werden das nächste Mal sieben Schritte innerhalb dem gleichen Schrittperiodenbereich vollendet die nächste Wiederholung statt und so weiter, bis eine optimale Ventileinstellung erreicht wird. Derselbe Ablauf wird für andere Schrittperiodenbereiche durchgeführt.
Es wird erwünscht sein, dass die Einstellung des Ventils eine Verringerung in einem der Änderungswerte und eine Erhöhung dem anderen erbringen. Auswahl der Hubbetragsänderung als primäre Änderungsparameter sichern, dass die Reduzierung der Hubbetragsänderung Vorrang vor der Reduzierung der Hubdaueränderung erhält. Als eine Option, nicht in 3 gezeigt, kann die Hubdauer als die erste Änderungsmessung angenommen werden, die Hubbetragsänderung wird dann zur zweiten Änderungsmessung.
Die obenbeschriebenen Programmvorgänge können durch Bedienung eines Schalters oder aufgrund der Erkennung einer speziellen Folge von Bewegungen des Amputierten aktiviert werden, oder können durchgehend während dem gewöhnlichen Gebrauch durch den Amputierten durchgeführt werden. Der Effekt des Vorganges ist, dass die Einstellung der Steuerungsvorrichtung automatisch ohne Eingriff eines Amputierten durchgeführt werden kann. Nach einer anfänglichen geometrischen Einstellung der Extremität und üblicherweise einer annähernden Einstellung der Steuerungsvorrichtung ist die Feineinstellung der Steuerungsvorrichtung ein selbstlernender automatischer Vorgang.

Claims

Beinprothese für einen Oberschenkelamputierten, die eine auf dynamische Weise einstellbare Kniebewegungssteuerungseinheit (18, 20, 22 24A, 24B) beinhaltet, welche angeordnet ist zum Steuern der Biegung bzw. Beugung und/oder Verlängerung eines Kniegelenks (10) der Prothese, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit angeordnet ist zum automatischen Steuern der Beugung und/oder Verlängerung des Gelenks im Bezug zu der erfassten Schritt-zu-Schritt-Änderung bzw. Schwankung von zumindest einem kinetischen oder kinematischen Parameter der Fortbewegung, um die Schritt-zu-Schritt-Änderung zu reduzieren.
Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Änderung bzw. Variabilität ein elektrischer Signalwert ist, der repräsentativ ist für den Grad der Änderung eines kinematischen Parameters, gemessen während jedem einer Mehrzahl von durch den Amputierten während der Fortbewegung getätigten Schritt.
Prothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der kinematische Parameter der Betrag der Kniegelenkbeugung während jedem Schritt ist, der durch den Amputierten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Fortbewegung getätigt wird.
Prothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Fortbewegung ein Geschwindigkeitsbereich ist.
Prothese nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eine veränderbare Dämpfervorrichtung (18) beinhaltet, die mit den oberen und unteren Gliedkomponenten (14, 16) gekoppelt ist, welche sich in Bezug zueinander während der Biegung bzw. Beugung und Verlängerung des Kniegelenks (10) bewegen, ein Messwandler (24) der Dämpfervorrichtung zugeordnet ist zum Erzeugen eines elektrischen Messwandlerausgangssignals, das repräsentativ ist für die relative Position von relativ bewegbaren Teilen des Dämpfers, und einen elektrischer Steuerschaltkreis (22) zur Weiterverarbeitung des Messwandlerausgangssignals, um den Änderungssignalwert zu erzeugen und zum Zuführen eines Einstellsignals zu der Dämpfervorrichtung, um die Dämpfung des Kniegelenks in Bezug zu dem Änderungssignalwert, der zumindest einen eingestellten Grenzwert überschreitet, einzustellen.
Prothese nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit angeordnet ist, um einen sich wiederholenden Ablauf von wiederholter Änderungserfassung und Steuereinheitseinstellung durchzuführen, um progressiv die Schwankung bzw. Änderung des Parameters im wesentlichen auf ein Minimum zu reduzieren.
Beinprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eine Kniebewegungssteuerungsvorrichtung (18, 20) beinhaltet, einen Messwandler (24A, 24B) zum Erzeugen eines Erfassungs- bzw. Abtastsignals bezogen auf einen kinematischen Parameter der Fortbewegung, und einen elektronischen Steuerungsschaltkreis (22), der einen mit dem Messwandler gekoppelten Eingang und einen mit der Steuervorrichtung gekoppelten Ausgang besitzt, wobei der Messwandler und der Steuerungsschaltkreis aufgebaut bzw. konfiguriert sind, um die Schritt-zu-Schritt-Schwankung des kinematischen Parameters zu bestimmen und dabei die Ausgangssignale zum Einstellen der Steuervorrichtung zu erzeugen, um die schrittweisen Schwankun gen des Parameters zu reduzieren, um auf diese Weise eine optimale Einstellung der Steuerungsvorrichtung zu erreichen.
Prothese nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (24A, 24B) und der Steuerungsschaltkreis (22) aufgebaut sind, um die Schwankung des Parameters über einen bestimmten Bereich der Fortbewegung zu bestimmen und die Ausgangssignale werden erzeugt, um die Steuerungsvorrichtung (18, 20) zu veranlassen, auf eine optimale Einstellung eingestellt zu sein, bei welcher die Schwankung des Parameters im wesentlichen minimiert ist, wenn sich die Fortbewegung innerhalb des genannten Bereichs ist.
Prothese nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwandler (24A, 24B) und der Steuerungsschaltkreis (22) aufgebaut sind, um die Schwankung des Parameters über einen bestimmten Bereich der Fortbewegung zu bestimmen und die Ausgangssignale werden erzeugt, um die Steuerungsvorrichtung (18, 20) zu veranlassen, auf eine Mehrzahl von jeweiligen optimalen Einstellungen, eine für jeden Bereich, eingestellt zu sein, wobei jede Einstellung die Schwankung des Parameters innerhalb des jeweiligen Fortbewegungsbereiches im wesentlichen minimiert.
Prothese nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bereich der Fortbewegung ein Schrittperiodenbereich oder ein Bereich von Parameterwerten bezogen auf Schrittperiodenwerte ist.
Prothese nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Bereich der Fortbewegung eine Fortbewegungskategorie ist, wie vorher definiert.
Prothese nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der kinematische Parameter ein Kniebeuge winkel oder ein Parameter ist, der den Kniebeugewinkel repräsentiert.
Prothese nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kinematische Parameter eine Schrittlänge ist.
Prothese nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittlänge als zweiter kinematischer Parameter der vorbestimmten Schwankung benutzt wird.
Prothese nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eine Kniebewegungssteuerungsvorrichtung (18, 20) und einen Steuerungsschaltkreis (22), der einen mit der Steuerungsvorrichtung gekoppelten Ausgang besitzt beinhaltet, und dass der Steuerungsschaltkreis konfiguriert ist, um einen Wert eines kinematischen Parameters während jedem einer Mehrzahl von Fortbewegungszyklen zu speichern, um die gespeicherten Werte zu vergleichen, um eine Schwankungsmessung zu ermitteln, um die Schwankungsmessung mit einem Referenzschwankungswert zu vergleichen und einen Steuerungsvorrichtungseinstellungsablauf einzuleiten, wenn die Schwankungsmessung den Referenzwert überschreitet.
Prothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsschaltkreis konfiguriert ist, den Bereich der Fortbewegung vor dem Speichern der kinematischen Werte zu bestimmen und die Schwankungsmessung in Bezug zu einer Mehrzahl von Parameterwerten entsprechend einer Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Fortbewegungszyklen innerhalb des genannten Bereichs der Fortbewegung zu ermitteln, wobei der Steuerungsvorrichtungseinstellungsablauf während nachfolgenden Fortbewegungszyklen innerhalb des Bereichs der Fortbewegung durchgeführt wird.
Steuerungssystem für eine Beinprothese, die eine auf dynamische Weise einstellbare Steuerungsvorrichtung (18, 20) besitzt, die mit einem Gelenk (10) der Prothese verbunden ist, wobei das Steuerungssystem gekennzeichnet ist durch einen Eingang für die Verbindung mit einem Messwandler (24A, 24B) auf der Prothese, welcher ein elektrisches Messwandlersignal in Bezug zur Beugung oder Verlängerung eines Gelenks (10) erstellt, einen Ausgang für die Verbindung mit der Steuerungsvorrichtung (18, 20) zur Beeinflussung des Betriebs des Gelenks während der Fortbewegung, und einen Prozessorschaltkreis (32), angeordnet zum Berechnen eines Schwankungswertes aus dem am Eingang empfangenen Messwandlersignal, das indikativ ist für die Schwankung eines kinematischen Wertes der Fortbewegung von Schritt zu Schritt, und auf automatische Weise in Bezug zu dem Schwankungswert eine bestimmte Bedingung oder Bedingungen erfüllt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Steuerungsvorrichtung veranlasst, auf solch eine Weise eingestellt zu werden, dass die Schwankung der Parameter reduziert wird.
Steuerungssystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessorschaltkreis (32) angeordnet ist, um die Einstellung der Steuerungsvorrichtung (18, 20) durch wechselweises Herleiten eines Schwankungswertes und Einstellen der Steuerungsvorrichtung in einer sich wiederholenden Weise zu optimieren.