FI114851B - Proteesilaite, jolla on matala nilkkarakenne - Google Patents

Description

114851 PROTEESILAITE. JOLLA ON MATALA NILKKARAKENNE Keksinnön alue Tämä keksintö koskee proteesilaitteita, ja erityisesti sellaisia proteesilaitteita, joihin kuuluu jäykkä sääriosa ja pienisäteinen tai jyrkkä nilkkaosuus.

Keksinnön tausta

Vuosien mittaan on kehitetty monen tyyppisiä proteesilaitteita. Varhaisempina vuosina suunnittelu painottui sellaisten keinojäsenten konstruoimiseen, jotka näyttivät paljolti ihmisjäseneltä ja liikkuivat sen tavoin. Esimerkiksi monet proteesilaitteet valmistettiin käyttämällä sääriosaa ja jalkateräosaa, joiden välissä nilkka-alueen yhteydessä oli jonkinlainen nivelosa siten, että jalkateräosa voi kääntyä nilkka-alueen suhteen. Esiteltiin rakenteeltaan monimutkaisia proteesilaitteita, jotka kaikki yrittivät simuloida ihmisen säären, nilkan ja jalkaterän luonnollista liikettä. Vaikka kaikki nämä yritykset oli tarkoitettu aikaansaamaan keinojäsenelle jonkin tason normaalisuutta, niiltä puuttui se joustava energeettinen vaste, joka tarvitaan aktiiviseen liikuntaan.

Proteesilaitteisiin on tehty erilaisia parannuksia ampuva tointipotilaan aktiivisuustason olennaiseksi nostamiseksi.

. : : Uusien materiaalien, kuten grafiittikomposiittien, jotka *;· ovat kevyitä, lujia, kestäviä ja suhteellisen joustavia, • keksiminen on johtanut proteesilaitteiden käyttäytymisen edelleen parantumiseen. Lisäksi, päinvastoin kuin aikaisemmin on ajateltu, on saavutettu parempi mukautuvuus ja . . energiavaste yksinkertaistamalla proteesilaitteen rakennet- ta sen monimutkaistamisen sijasta. On kehitetty proteesi-*·’ " laitteita, joissa on yksinkertaisia kaarevia, tasaisia, : : jousimaisia osia, jotka sallivat amputointipotilaan osal- *:*·; listua rasittaviin aktiviteetteihin kuten tennikseen, koripalloon ja hölkkään.

114851 2

Erityisesti hakijan US-patentissa 4,457,913, nimitykseltään "COMPOSITE PROSTHETIC FOOT AND LEG", on kuvattu jalkaterä-sääriproteesilaite, joka sallii amputointipotilaalle suuren liikkuvuusasteen. Tässä patentissa kuvataan jalkaterä-sääriproteesilaite, jossa käytetään hartsikyllästettyä lujaa filamenttirakennetta sekä sääri-, jalkaterä- että kantapääosassa, jolloin kaikki kolme aluetta on varustettu olennaisesti elastisilla jousto-ominaisuuksilla ja suhteellisen alhaisilla energian absorptio-ominaisuuksilla, siten että käyttäjälle saadaan suuri liikkuvuus suhteellisen luonnollisella liiketunnolla. Toisin kuin aikaisemmissa proteesilaitteissa, joissa oli kääntyvä tai nivelletty nilkkamekanismi, tässä proteesilaitteessa ei ole lainkaan liikkuvia osia lukuunottamatta itse materiaalin luontaisia joustavuus- ja energiavasteominaisuuksia.

Tässä proteesilaitteessa on myös olennaisesti joustava sääriosa, jolloin sääriosan joustavuus tulee lisänä kantapää- ja jalkateräosien joustavuuteen. Vaikka tällä joustavuudella aikaansaadaankin energialle lisävarastointi ja -vapautumismahdollisuus ja proteesille kasvanut joustavuus ja energiavaste, tämä säären kasvanut joustavuus tekee proteesin jonkin verran jousimaiseksi toisin kuin ihmis-jalan sääri- ja pohjeluut, jotka eivät ole taipuisia ja joustavia.

··* US-patentissa 4,822,363 hakija on yrittänyt aikaansaadaa { .·. jonkin verran jäykkyyttä sääriosaan siten että taipuminen tapahtuisi ylemmän sääriosan alapuolella. Kuitenkin samoin kuin aikaisemmin mainitussa patentissakin, proteesilaitteen , . taipuisuus ja joustavuus on rakennettu koko säären alaosan alueelle, mukaanlukien sääri-, jalkaterä- ja kantapääalu-' eet, proteesilaitteen 25,4 cm:n (10,0") korkeudelle asti.

: : Ajateltiin, että jos säären alaosan joustavuutta vähennet- *:*>· täisiin missään suuremmassa määrin, proteesi menettäisi tärkeän osan kyvystään varastoida ja vapauttaa energiaa. Jäykän sääriosan alapään ja maan ainakin 25,4 cm:n (10,0") 114851 3 välimatkalla taipuisien sääri- ja nilkkaosien kaarevuus oli tasainen ja jatkuva, jolloin tämän tekniikan tason laitteen joustavuus- ja energiavasteominaisuudet olivat erinomaiset ilman mitään iskuvaikutuksia käytön aikana. Lisäksi rakenteelliselta kannalta sääri- ja nilkkaosien tasainen kaarevuus voitiin sovittaa siten, että sillä oli olennainen säde, millä vältettiin kaikki rasituskeskittymät proteesissa. Johtuen säteeltään suhteellisen suuresta asteettaisesta kaarevuudesta (eräissä tapauksissa kaarevuuskäyrä oli kompleksinen eikä yksinkertainen), kaarevan osan alapuolella oleva tila muodosti suhteellisen pitkän kantapään, joka pystyi aikaansaamaan hyvän joustavuuden ja taipuisuuden.

Tällaisten aikaisempien laitteiden energiavaste on kuitenkin usein ollut liian suuri joillekin potilaille, ja ylittänyt juuri heidän tarpeensa. Tietyillä geriatrisilla tai nuorilla potilailla tällaisten tekniikan tason laitteiden jousimaisuus on ollut jonkin verran vaikea hallita tai kontrolloida, mikä on huonontanut stabiilisuutta. Siten on edelleen olemassa tarve jalkaproteesille, jolla on hyvät suoritusominaisuudet erilaisten fysikaalisten aktiviteettien yhteydessä, mutta joka samaan aikaan antaa käyttäjälleen parantuneen turvallisuuden, varmuuden ja hallinnan.

: '; Keksinnön yhteenveto < · * * · ; i*t Esillä olevan keksinnön mukaan ehdotetaan patenttivaatimuksen 1 mukainen jalkaproteesi.

* » · i

MM

*,· * Tämän keksinnön tuloksena on aikaansaatu olennainen parannus ; aikaisemmin tunnettuihin proteesilaitteisiin siinä suhteessa, että suuria energiavasteominaisuuksia hyödynnetään suhteellisen t;t jäykän sääriosan, alemman taivutusakselin ja jyrkemmän nilk- kaosan yhteydessä, jotka yhdessä toimivat paremmin oikean • · *·;·* ihmisraajan nilkka-alueen tavoin. Toisin kuin aikaisemmat ·;·*· proteesilaitteet, jotka taipuvat suhteellisen pitkällä sääri- välillä, keksintö kohdistuu proteesilaitteeseen, jonka kaare- . vuussäde on suhteellisen jyrkkä, mikä olennaisesti keskittää ; *,· nilkka-alueen taipumisen muistuttamaan ihmisnilkan taipumista.

; Pienempi kaarevuussäde auttaa myös alentamaan proteesilaitteen • · · taipumiskohtaa, ts.

4 1 U851 taipumisakselia, siten että se sovittuu paremmin ihmisen nilkka-alueen sijaintikohtaan.

Alempi taipumisakseli on tärkeä etu keksinnössä johtuen siitä trendistä, joka viime vuosina on vallinnut koskien amputaation suoritustapaa. Lääketieteessä on nykyisin havaittu edulliseksi amputaation suorittaminen alemmasta kohdasta siten, että amputointipotilaalle jätetään olennaisesti pitempi tynkä kuin aikaisemmin on ollut asianlaita. Tämä pitempi tynkä aikaansaa puolestaan pitemmän vipuvarren proteesin yhteydessä käytettäväksi, mikä sallii suuremman voiman kohdistumisen proteesiin. Tämä tarkoittaa että proteesi, jos se on oikein suunniteltu kuten tässä keksinnössä, voi palauttaa erittäin suuren osan energiasta käyttäjälle erinomaisen suorituskyvyn aikaansaamiseksi; kuitenkin samanaikaisesti proteesin suoritusominaisuudet on toteutettava rakenteessa, jossa tyngän ja maan välimatka on lyhyempi. Siten alemmissa amputaatioissa suurempi suorituskyky on mahdollinen, mutta tällöin on olemassa suurempi riski rasituskeskittymien aikaansaamista rikkoutumisista.

Keksinnön mukaisessa proteesissa käytetään kuitenkin hyväksi tämän tendenssin edut samalla kuitenkin asianmukaisesti ottamalla huomioon lujuus- ja suorituskykytekijät. Siten : : : keksinnön proteesia voi erinomaisin tuloksin käyttää paljon suurempi joukko amputaatiopotilaita, mukaanlukien alempaa -·· amputoidut. Samanaikaisesti saavutetaan hyvät stabiilisuus- ; ja kontrolliominaisuudet.

Toisin kuin aikaisemmin tunnetuissa laitteissa, jotka , . käsittävät taipuisan sääriosan ja olennaisesti suurisätei- sen nilkkaosuuden, mikä johtaa hyvin korkeaan energian ’·' ’ palautusmäärään, tässä keksinnössä taivutuskohta sijoita- ; taan uudelleen ja rajoitetaan. Toisin sanoen, aikaisemmissa ;>·'; laitteissa taipuisuus ja energianpalautus olivat käytettä- vissä proteesin ylemmillä säärialueilla. Tässä keksinnössä kuitenkin, koska ylempi sääriosa on olennaisesti jäykkä, 5 Ί14851 osa tästä aikaisemmin käytettävissä olleesta joustavuudesta on sijoitettu uudelleen uudella tavalla suunniteltuun nilkkaan, johon taipuisuus on rajoitettu tai keskitetty. Samalla kun tällöin uhrataan jonkin verran kokonaissuori-tuskyvystä, saavutetaan suurempi proteesin stabiilisuus ja kontrolli suoritusominaisuuksien pysyessä kuitenkin edelleen erinomaisina. Tämä suorituskyky saavutetaan myös yhteistoiminnassa olevien kantapää- ja varvasosuuksien rakenteella, jolla on optimitaipuisat vipuvarret, kuten jäljempänä yksityiskohtaisesti kuvataan. Siten keksinnön kantapääosan joustavuus kantapään iskussa ja keksinnön varvasosan vastaava varpaan irtoamisvaiheessa vaikuttvat yhdessä taivutuksen keskittyessä nilkka-alueelle, jolloin aikaansaadaan suorituskyvyltään hyvä proteesilaite.

Lisäksi aikaisemmissa laitteissa taipuisa sääriosa ja suhteellisen suurikaarevuussäteinen nilkkaosa saivat proteesin siirtymään olennaisesti pitkittäissuunnassa sen ollessa taipuneena ja sallivat vääntymisen kiertosuunnassa, mikä teki proteesilaitteen vaikeammaksi kontrolloida. Amputointipotilaiden oli mukauduttava tähän eroon, eivätkä eräät potilaat kuten vanhukset tai lapset, joilta puuttui tarvittava voima, pystyneet suorittamaan tätä sovittumista.

• : · Tässä keksinnössä tämä ongelma ratkaistaan joustavalla : : : nilkkaosuudella, jolla on suhteellisen pieni kaarevuussäde, jolloin vaakasuora taipuma minimoituu. Rakenne sallii keksinnöllä saatavan hyvän stabiilisuuden ja kontrolliky-: . ’. vyn.

• i *

Keksinnön rakenne parantaa stabiilisuutta ja kontrollia myös aikaansaamalla olennaisesti luonnomukaisemman tunnun.

:·: '· Koska keksinnössä käytetään olennaisesti jäykkää raajaosaa, ’ ja aikaisemmin säären yläosassa tapahtunut taipuminen f: keskittyy pääasiassa nilkka-alueelle, joustavaan sääriosaan ...liittynyt liika jousimaisuus saadaan eliminoitua. Siten keksinnön proteesi taipuu nilkka-alueella tavalla, joka ’ paremmin muistuttaa ihmisjäsenen luonnollista liikettä ja 6 114851 antaa siten käyttäjälle paremman kontrollin ja "tunnun".

Tarkemmin sanottuna keksintöön kuuluu olennaisesti jäykkä putkimainen raajaosa, joka ulottuu alaspäin amputoidusta tyngästä. Koska raajaosa on olennaisesti jäykkä, se käyttäytyy paljolti kuten ihmissäären sääri- ja pohjeluu. Suositellussa suoritusmuodossa jäykkä raajaosa on painon vähentämiseksi putkimainen ja ontto, samalla kun se aikaansaa jäykkyyden taipumista vastaan. Jäykän raajaosan alapäähän on kiinnitetty joustava nilkkaosuus, jolla on yksinkertainen kaareva, litteä, jousimainen pinta, joka on samanlainen kuin lehtijousella. Nilkkaosuus ulottuu alaspäin pystysuuntaisesta yläosuudesta ja eteenpäin vaakasuuntaiseen alempaan varvasosuuteen. Nilkkaosuuden kaarevuus voi muodostua yksinkertaisesta ympyräkaaresta tai kompleksisesta rakenteesta.

Nilkkaosuuden poikkileikkausmuoto on suositeltavasta suorakaide, vaikka reunojen ei välttämättä tarvitse olla suoria. Suositellussa suoritusmuodossa nilkkaosuuden poikkileikkauksen leveys on olennaisesti suurempi kuin sen paksuus. Joustavuuden sallimiseksi pystytasossa pitkittäissuunnassa nilkkaosuuden hitausmomentti on suhteellisen pieni vaaka-akselin suhteen kohtisuorassa pituussuuntaan nähden. Taipu-: ‘ ' misen rajoittamiseksi muihin suuntiin nilkkaosuudella on suuri hitausmomentti sen akselin suhteen, joka on pituus- j· suunnan suuntainen.

• t « /;·, Keksinnön eräänä tärkeänä etuna on se, että se antaa käyt täjälleen mahdollisuuden säätää nilkan energianpalautusomi-, . naisuuksia. Koska nilkka on irrotettavasti kiinnitetty i * » ;·/ jäykän raajaosan loppupäähän, se voidaan vaihtaa rakenteel- ’·’ ‘ taan samanlaiseen nilkkaosuuteen, jolla kuitenkin on eri- laiset joustavuusominaisuudet, mikä mahdollistaa sen, että ·;·*· käyttäjä voi saavuttaa optimaalisen suorituskyvyn erilai- , sissa enemmän tai vähemmän rasittavissa fyysisissä aktivi- teeteissa. Samoin kantapääosa on irrotettavasti kiinnitetty

I » I

114851 7 nilkkaosuuden alapuolelle siten, että se sallii elementin jousipainuman säädön.

Myös olennaisesti jäykkä raajaosa on vaihdettava ja voidaan katkaista ja sovittaa eri pituuksiin. Tämä sallii edullisesti raajaosan poistamisen ja säätämisen sovittumaan eri kokoisille amputointipotilaille tai se voidaan sovittaa amputointipotilaan kasvun mukaan. Tämä mahdollistaa proteesin muun osan valmistuksen standardikokoina, koska raajaosa voidaan katkaista ja sovittaa amputointipotilaan spesifisiä tarpeita vastaavaksi. Hakijan keksinnön avulla proteetikko voi katkaista vakiomallisen putkimaisen tai muuten suhteellisen jäykän keinoraajan sopivan pituiseksi, mikä poistaa sen riskin, että kalliimpi proteesi, johon kuuluu integraa-linen jaikaosa, katkaistaisiin vahingossa liian lyhyeksi. Tämä pienentää myös proteesin valmistukseen tarvittavaa materiaalimäärää, eliminoi jaikaosan ylimääräisen pituuden katkaisuun liittyvän jätteen, tekee proteesin kevyemmäksi ja alentaa olennaisesti kustannuksia.

Yhteenvetona voidaan todeta, että keksinnön proteesilla saadaan hyvät suoritusominaisuudet parantamalla samalla stabiilisuutta ja käyttäjän kontrollia. Lisäksi proteesi *· voidaan sen yksinkertaisen rakenteen johdosta valmistaa : halvalla aikaisempiin proteeseihin verrattuna.

,;. Piirustusten lyhyt esittely ; ,·, Kuva 1 on perspektiivikuvanto, joka esittää keksinnön proteesilaitetta raajaosa kiinnitettynä; » t ·

Kuva 2 on kuvaa 1 vastaava proteesilaite ilman raajaosaa; ,' · Kuva 3 on sivukuvanto kuvan 1 proteesilaitteesta;

Kuva 4 on päällyskuvanto kuvan 1 proteesilaitteesta; ' Kuva 5 on etukuvanto kuvan 1 proteesilaitteesta osa nilkka- 114851 8 osuuden keskeltä poisleikattuna;

Kuva 6 on kaaviomainen esitys, joka kuvaa tekniikan tason proteesilaitteen taipumista ja liikettä;

Kuva 7 on kaaviomainen esitys, joka kuvaa keksinnön proteesilaitteen taipumista ja liikettä;

Kuva 8a on kaavio, joka esittää sellaista ideaalista nilk-kaproteesia, johon kohdistuu kuormitus ylöspäin varvasalu-eella;

Kuva 8b on kaaviomainen kuvanto nilkan kaarevasta osuudesta ja siihen kohdistuvista voimista ja momenteista;

Kuva 8c on kaaviomainen kuvanto nilkkaosuudesta, ja siitä nähdään syntyvä vaakataipuma δχ.

Kuvan 9a käyrät esittävät keksinnön ja tekniikan tason laitteen vaaka- ja pystytaipumia; ja

Kuva 9b on kaaviomainen kuvanto, joka esittää kuvan 9a testin järjestelyä.

: ; : Suositeltujen suoritusmuotojen kuvaus

Keksintö liittyy proteesilaitteeseen, jossa käytetään ;· suhteellisen jäykkää sääriosaa ja olennaisen pienisäteistä ; ,·. nilkkaosuutta, joiden yhteisenä tarkoituksena on rajoittaa ;·( taipumiskohta paremmin simuloimaan ihmis jalan luonnollista dorsifleksiota ja plantaarifleksiota nilkkanivelessä. On huomattava, että kun tässä asiakirjassa käytetään termiä *;· * "säde" tai "kaarevuussäde", sitä ei ole tarkoitettu rajoi- tettavaksi yksinkertaiseen kaareen tai käyrään, vaan myös kompleksiset käyrät kuuluvat keksinnön piiriin. Näitä , termejä käytetään tässä selvyyden ja yksinkertaisuuden vuoksi, mutta alan ammattimiehelle on selvää, että myös ei-yksinkertaiset käyrämuodot ovat yhtä lailla mahdollisia.

114851 9

Keksinnössä käytetään spesifisesti suhteellisen jäykkää sääriosaa yhdistelmänä joustavan nilkkaosuuden kanssa, jolla on jyrkkä kaarevuussäde, mikä auttaa alentamaan proteesilaitteen taipumiskohtaa. Tämä yhdistelmä myös rajaa taipumiskohdan siten, että taipumisakseli sijoittuu tarkemmin linjaan proteesilaitteeseen kohdistuvan kuorman keskiviivan kanssa.

Proteesin rakenne

Kuten kuvasta 1 voidaan nähdä, keksinnön proteesissa on raajaosa 22, joka voidaan kiinnittää amputointipotilaan tynkään (ei esitetty) ja ulottuu sen suhteen alaspäin pystysuunnassa. Raajaosa 22 on suositellussa suoritusmuodossa putkirakenteinen ja sillä on yhtä suuri hitausmo-memntti kaikkiin suuntiin taipumisen rajoittamiseksi kaikkiin suuntiin. Putkiosa 22 on myös ontto, jolloin se on i suhteellisen kevyt ja tarvitsee vain vähän materiaalia, mikä pienentää valmistuskustannuksia, ja mitoiltaan se suositeltavasti vastaa vakioputkiraajoja.

Myös muita rakenteita, jotka antavat jäykkyyttä, kuten suorakaidepoikkileikkauksia, joilla on suhteellisen suuret hitausmomentit, voidaan käyttää tässä kuvattujen etujen saavuttamiseksi. Raajaosan 22 jäykkyys voidaan myös aikaan-:; saada jäykemmällä ja tiheämmällä materiaalilla.

Putkimainen raajaosa 22 voidaan myös poistaa proteesilait-: ,·, teestä siten että raajaosa voidaan vaihtaa proteesilaitteen ’ J.1 muuten pysyessä samana. Tämä mahdollistaa hakijan keksinnön

t I

käytön laajemmalla sovellutusalueella.

:: Hakijan keksinnön putkiosa 22 voidaan esimerkiksi katkaista ' ‘‘ ja sovittaa tynkäpituuksiltaan erilaisille amputoiduille, mukaanlukien kasvavat amputointipotilaat. Proteetikon on vain katkaistava vakioputkiraaja sopivaan pituuteen. Tällöin ei myöskään tarvitse valmistaa proteesin osana pitkää jäykkää sääriosuutta. Hakijan keksinnön proteesin valmis- 10 114851 tukseen tarvitaan näin vähemmän materiaalia, mikä pienentää valmistuskustannuksia.

Kuten kuvasta 1 nähdään, jaikaosa 24 on kiinnitetty raaja-osaan 22 siten, että jaikaosa ulottuu siitä alaspäin. Suositellussa suoritusmuodossa jaikaosa 24 muodostuu pitkänomaisesta osasta, jolla on suhteellisen litteä, kaareva pinta ja suorakaidepoikkileikkaus, ja joka on valmistettu olennaisesti joustavasta ja kestävästä materiaalista. Jalkaosa 24 voidaan valmistaa myös poikkileikkaukseltaan ei-suorakaiteena näiden samojen etujen saavuttamiseksi. Kuten kuvassa 1 on esitetty, jalkaosa 24 ulottuu suositellussa suoritusmuodossa pystysuorasti alaspäin raajaosasta 22, on taivutettu nilkka-alueella 26 ja jatkuu kohti var-vasosuutta 28.

Suositellussa suoritusmuodossa jaikaosan 24 paksuus on pieni suhteessa sen leveyteen, jolloin hitausmomentti vaaka-akselin suhteen kohtisuorassa pitkittäissuuntaan nähden on olennaisesti pienempi kuin hitausmomentti vaaka-akselin suhteen pitkittäisuunnassa. Tämä rakenne sallii taipumisen pystytasossa pituussuunnassa, mutta rajoittaa sen muissa tasoissa. Rakenne auttaa myös kontrolloimaan : vääntöliikettä sallien jonkin verran sitä mutta estäen , liian suuren vääntölikkeen.

t i

Kuviin 1, 3 ja 4 viitaten, jalkaosan yläosa 30 on suositel- . » • lussa suoritusmuodossa pystysuuntainen siten, että se voidaan kiinnittää raajaosaan 22, kuten kuvassa 1 on esi-

5 I

tetty. Kuten kuvasta 3 nähdään, raajaosan 22 alapäähän on sijoitettu kiinnityslaite 32, jossa on tasainen pinta, ’ johon jalkaosan 24 pystyosa 30 voidaan kiinnittää. Kiinni- ' ‘ ‘ tyslaitteessa on yksi kiinnityspinta 34, joka sovittuu : ' ; raajaosan 22 ulkopintaan, ja toinen kiinnityspinta 36, joka sovittuu j aikaosaan 24. Suositellussa suoritusmuodossa kiinnityslaitteen yksi kiinnityspinta 34 on kaareva sovit- tuakseen putkiraajan 22 ulkopintaan, ja toinen kiinnitys- i » 114851 11 pinta 36 on tasomainen sovittaakseen jaikaosan tasomaiseen yläosaan.

Kiinnityslaite 32 edullisesti hitsataan raajaosaan 22, ja siinä on kaksi reikää (ei esitetty), joihin kaksi pulttia 38 voidaan työntää ja kiinnittää. Myös jaikaosan 24 yläosassa 30 on kaksi reikää (ei esitetty), jotka on kohdistettu kiinnityslaitteen 32 kahden reiän kanssa, siten että kun kaksi pulttia 38 sijoitetaan ja kiinnitetään jaikaosan ja kiinnityslaitteen läpi, jaikaosa voidaan kiinnittää raajaosan alapäähän. Myös muut menetelmät raajaosan kiinnittämiseksi jaikaosaan tulevat kyseeseen, kuten ne jotka on kuvattu vireillä olevassa patenttihakemuksessani US Serial No. 07/856,666, jätetty 24.3.1992, sekä sellaiset joissa käytetään integraalisesti muodostettuja rakenteita.

Kuten kuvasta 3 nähdään, nilkkaosa 26 on asennettu irrotettavasta raajaan 22 kiinnitysosilla 38 ja irrotettavasta kantapäähän 40 etuliitoksessa 42 kiinnitysosilla 41. Siten, kuten edellä on esitetty, sekä nilkkaosa 26 että kantapää-osa 40 ovat vaihdettavissa muihin vastaaviin osiin proteesin säädettävyyden saavuttamiseksi.

> Kuten on esitetty, jaikaosan 24 yläosa 30 on pystysuuntai nen, siten että se ulottuu suhteellisesti alaspäin raaja-osassa 22 olevasta kiinnityslaitteesta 32. Kuten kuvasta 3 nähdään, jaikaosan 24 paksuus tällä pystyosuudella on , ,suhteellisesti suurempi kuin sen paksuus varvasosuudella { « t 28. Tämä paksuus aikaansaa riittävän jäykkyyden raajaosan 22 ja jaikaosan 24 väliselle liitokselle. Tämä yläosa 30 on myös tehty suhteellisesti paksummaksi proteesilaitteeseen 20 kohdistuvan pystykuormituksen kannattamiseksi sekä ’ ‘ liiallisen taipumisen estämiseksi tässä liitoksessa. Pys- tysuuntainen osuus 30 on kokonaisuudessa samanpaksuinen ja -levyinen.

Suositellussa suoritusmuodossa, kuten kuvassa 4 on esitet- 114851 12 ty, jaikaosan 24 leveys on olennaisesti vakio jäykästä yläosasta 30 varvasosuuteen 28 asti, varvaspään 46 ollessa pyöristetty sen sovittamiseksi erilaisiin kosmeeseihin, jotka simuloivat oikeaa jalkaa. Jalkaosan 24 leveys on edullisesti 3,8 - 7,6 cm (1,5-3") ja suositeltavasti 5,1 cm (2"). Ammattimiehelle on luonnollisesti selvää, että myös mitoiltaan ja parametreiltään toisenlaisilla jalkaprotee-seilla voidaan saavuttaa keksinnön edut, ja siten tässä esitetyt mitat ja parametrit on tarkoitettu ainoastaan havainnollistamaan keksinnön erästä esimerkinomaista suoritusmuotoa .

Kuvaan 3 viitaten, jaikaosaan 24 on kiinnitetty kantapääosa 40, joka on kiinnitetty jalkaosan 24 alapuolelle nilkka-alueen 26 ja varvasosuuden 28 välille. Kantapääosa 40 on suhteellisen litteä, mutta se voi olla myös kaareva. Suositellussa suoritusmuodossa sen poikkileikkaus on myös suorakaide, mutta muissa suoritusmuodoissa poikkileikkauksen ei välttämättä tarvitse olla suorakaiteen muotoinen. Kantapääosa 40 on myös valmistettu samasta joustavasta ja kestävästä materiaalista kuin jaikaosa 24, kuten myöhemmin kuvataan, ja sen paksuus on pieni leveyteen verrattuna. Siten sen taivutusominaisuudet vastaavat nilkkaosuuden taivu-tusominaisuuksia.

;Kantapääosa 40 ulottuu taaksepäin etuliitoksesta 42 jalka-osan 24 kanssa, ja sen pituus on suositellussa suoritusmuo-: ,·. dossa suurempi kuin sen leveys. Kantapääosan 40 rakenne on suunniteltu suhteellisen joustavaksi sen leveyden kanssa ' samansuuntaisen akselin suhteen, samalla kun se vastustaa joustoa sen pituussuuntaisen akselin ja kantaosan pinnan ·'· : normaaliakselin suhteen.

Tasaisen kävelypinnan aikaansaamiseksi proteesilaitteen 20 alapuolelle keksinnössä käytetään yhtä tai kahta erillistä anturaosaa 44a ja 44b, kuten kuvassa 3 on esitetty. Etuan-' turaosa 44a on liimattu jalkaosan 24 varvasosuuden 28 » I i 13 114851 alapintaan, ja taka-anturaosa on liimattu kantapääosan 40 alapintaan. Anturaosat 44a,b voivat olla samaa materiaalia kuin jalka- ja kantapääosat 24, 40, tai ne voivat olla taipuisampaa materiaalia kuten uretaania tai kovetettua kumia.

Keksinnön laite on valmistettu hartsikyllästetystä lujasta materiaalista, kuten grafiittikomposiitista, tai filament-tirakenteesta, joka on järjestetty laminaateiksi. Erinomaisia tuloksia on saavutettu käyttämällä hiilifilamenttia ja epoksisideainetta, joita on kuvattu esim. aikaisemmissa US-patenteissani 4,547,913 ja 4,822,363. Erityisesti keksinnön jaikaosa 24 ja kantapääosa 40 on valmistettu hartsikyllästetystä lujasta materiaalista, jolla on olennaisesti elastinen taipuisuus, siten että sillä saadaan suhteellisen pieni energian absorptio, mikä antaa käyttäjälle hyvän liikuntakyvyn ja suhteellisen luonnollisen tunnun.

Jäykkä raajaosa 22 voidaan myös valmistaa samasta materiaalista. Raajaosa muodostetaan kuitenkin jäykäksi sen putkimaisen muodon avulla. Mutta koska materiaalilla on putkimaisesta muodosta huolimatta jonkin verran elastista joustavuutta, myös raajaosalla 22 on jonkin verran ominaisjous-/.'· tavuutta. Keksinnön komponentteja ei kuitenkaan rajoiteta ! : : tällaisesta materiaalista valmistettavaksi, vaan ne voidaan . ·.*: pikemminkin valmistaa materiaaleista, joilla on tällaiset • J· ominaisuudet.

» * · ·;·, Keksinnön laite voidaan myös valmistaa integraalisesti sen sijaan että se on modulaarinen, vaikka suositellussa suoritusmuodossa raajaosa on irrotettavissa jaikaosasta 24, ja ·;·· kantapääosa 40 on irrotettavissa jaikaosasta. Modulaarisuus ‘ aikaansaadaan mutteri-pulttirakenteella.

i «

Nilkkaosuuden kaarevuus f , -—~-“~~—^——

Keksinnön etujen saavuttamiseksi ja jaikaosan 24 taipumisen * rajaamiseksi, ja tällä tavalla ihmisen nilkka-alueen dorsi- t < $ 114851 14 fleksion ja plantaarifleksion jäljittelemiseksi jalkaosa on varustettu jyrkästi kaarevalla nilkka-alueella 26, joka kaareutuu alaspäin ja eteenpäin varvasosuuteen 28, joka on noin 90°:n kulmassa pystysuuntaisen yläosan 30 kanssa. Kaarevuussäde r (kuvassa 3) tässä nilkkaosuudessa 26 on suositellussa suoritusmuodossa noin 5,1 cm (2"), edullisen alueen ollessa 1,3 - 7,6 cm (0,5-3"). Vaikka tämä kaarevuus suositellussa suoritusmuodossa noudattaa yksinkertaista kaarta, jolla on suhteellisen vakio säde, kaarevuus voi myös noudattaa kompleksista kaarta, jolla on muuttuva kaarevuussäde. Tämä jyrkkä kaarevuussäde sijoittaa suhteellisen jäykän raajaosan 22 ja jaikaosan 24 suhteellisen paksun yläosuuden 30 yhteydessä taipumisakselin lähemmäksi maata, mikä muistuttaa paremmin ihmisen nilkka-alueen sijaintia. Lisäksi, kuten edellä on esitetty, alempi taipu-misakseli mahdollistaa keksinnön proteesin asennuksen pitempään tynkään, jotka ovat seurauksena nykyisestä pyrkimyksestä alempiin amputaatioihin. Vaikka tämä rakenne keskittää joustavuuden ja vastaavasti taivutusrasitukset nilkka-alueelle, keksinnön nilkka on suunniteltu - kuten jäljempänä taulukon 1 yhteydessä tarkemmin selitetään -siten, että sillä aikaansaadaan hyvät suoritusominaisuudet ja samalla saavutetaan sopiva kestävyys taivutusrasituksia : vastaan.

Suositellussa suoritusmuodossa jalkaosa 24 on kiinnitetty raajaosan 22 takasivulle, kuten kuvasta 3 nähdään. Tämän ; .·. epäkeskinen sijoitus auttaa edullisesti sijoittamaan taipu- .. misakselin tarkemmin linjaan niiden pystykuormitusten keskilinjan kanssa, joita proteesilaitteeseen kohdistuu. Tämä pyrkii pienentämään momenttivoimia, kun jalkaan koh-:·: · distuu tällaisia vertikaalisia kuormia, ja lisäksi se ‘ pienentää mahdollista vaakataipumista, kun varvasosaan >/"; kohdistuu pystykuormituksia, kuten jäljempänä yksityis- kohtaisemmin selitetään. Tämä epäkeskinen takakohdistus kasvattaa myös varvasosan vipuvartta ja aikaansaa lisävipu-' vaikutuksen, mikä auttaa taipumistasapainon saavuttamises- » I · 114851 15 sa. Kuten kuvasta 3 voidaan nähdä, nilkkaosuuden 26 kaare-vuussäteellä r on keskiakseli, joka on olennaisesti raaja-osan 22 alapään 22a alapuolella ja sen vuoksi paremmin linjassa raajaosan pystykeskiviivan kanssa.

Tämä rakenne pienentää ja rajaa jaikaosan 24 taipumista, samalla kun se mahdollistaa lisäjoustavuuden ja energian varastoinnin ja vapautuksen jaikaosassa. Pitempi jaikaosa on yleensä joustavampi ja mahdollistaa siten suuremman energian varastoinnin ja vapautuksen. Liittämällä jaikaosa 24 raajaosan 22 takapuolelle jaikaosa ulottuu ylöspäin raajaosan alimman kohdan 22a yläpuolelle aikaansaaden näin lisäjoustavuutta ja samalla rajoittaen ja alentaen taipu-misakselia.

Kun jaikaosa 24 kiinnitetään raajaosan 22 takapuolelle, varvasosan 28 vipuvarsi pitenee, mikä antaa varpaalle lisäjoustavuutta ja jaikaosalle lisävipuvaikutuksen. Jalka-osa 24 ulottuu alaspäin raajaosan 22 takasivulta ja jatkuu eteenpäin aikaansaaden näin suuremman momenttivarren suhteessa nilkkaosuuden 26 taipumisakseliin. Tämä lisävipuvoi-ma antaa amputointipotilaalle paremman kontrollin normaali-kävelyn varpaan irtoamisvaiheessa. Jalkaosa 24 voidaan myös : kiinnittää raajaosan etupuolelle, mutta tällöin varvasosuu- : den 28 vipuvarsi lyhenee eikä mahdollista niin suurta , . joustavuutta ja energiavastetta proteesin etuosassa.

1 On huomattava, että tämän tyyppisen suorituskykyisen jalka- ’proteesin suunnittelussa on otettava huomioon monia parametreja. Pääasialliset suunnitteluparametrit ovat: (1) proteesin kiinnityskohta suhteelliseen jäykkään ylempään : raajaan; (2) nilkkaosan taipumisominaisuudet, jotka määräy- v · tyvät ensi sijassa se kaarevuussäteestä ja paksuudesta; (3) ,··. varvasosan varvaspituus ja jousto-ominaisuudet; ja (4) kantapääosan pituus ja sen jousto-ominaisuudet. Myös muita . tekijöitä, esim. kokonaispaino ja kosmeettinen yhteensopi- V ’ vuus, on otettava huomioon, mutta luetellut parametrit ovat 114851 16 tärkeimpiä.

Lisäksi on helposti nähtävissä, että nämä parametrit edustavat erilaisia kompromisseja. Esimerkiksi, kuten on esitetty, jos jalkaproteesin kiinnityskohta on suhteellisen matala, keksinnön rakenteen nilkkaosuudella on suhteellisen jyrkkä säde, mikä rajoittaa maksimienergiavastetta. Nilkalla on kuitenkin hyvä energiavaste ja rajoitettu pystytaipu-ma (tai pienentynyt "jousimaisuus", kuten on kuvattu), mikä aikaansaa paremman kontrollin ja stabiilisuuden. Samalla nilkan kaarevuttaa on paksunnettava, kuten jäljempänä yksityiskohtaisemmin selitetään, sen sovittamiseksi siihen keskittyviin taivutusrasituksiin. Lisäksi nilkan kaarevuudella on oltava riittävä väli maahan nähden sopivan pituisen kantapääosan sovittamiseksi mukaan. Siten keksinnön optimirakenteeseen pääsemiseksi on tehty useita kompromisseja.

Keksinnön nilkkarakenne mahdollistaa myös optimaalisen varvas-kantapäärakenteen yhteistoiminnan jalkaproteesiko-konaisuudessa. Eräässä spesifisessä esimerkissä keksinnön mukaan valmistetun proteesin kaarevuussäde r oli noin 5,1 cm (2"), sen varvasvipuvarren pituus etukiinnityskohdasta 42 varpaan kärkeen 46 mitattuna oli noin 11,4 cm (4,5") ja sen kantapäävipuvarren pituus samasta kiinnityskohdasta . . kantapään 40 takapäähän mitattuna oli noin 11,4 cm (4,5").

Vaikka myös monet muut, mitoiltaan erilaiset proteesit ·_ kuuluvat keksinnön piiriin, uskotaan, että keksinnöllä aikaansaadaan turvallisesti ja halvalla suoritusominaisuuk-sien optimointi.

: *· · Vaikka suositellussa suoritusmuodossa erilliseen raajaosaan · 22 on kiinnitetty erillinen jaikaosa 24, keksintö voi käsittää myös jalkaosan, joka on raajaosan integraalinen jatke, siten että raajaosan akseli on linjassa jalkaosan • yläosan 30 akselin kanssa. Vaikka eräillä tekniikan tason laitteilla on samankaltainen rakenne, jossa joustava jalka- 114851 17 osa ulottuu alaspän jäykästä yläosasta, minkään tekniikan tason laitteen yhteydessä ei ole kuvattu erityisesti kaare-vuussäteeltään jyrkkää nilkkaosuutta 26 ja matalaa taipu-misakselia, kuten tässä asiakirjassa on tehty.

Suositellussa suoritusmuodossa raajaosassa 22 on alapää 22a, joka ulottuu noin 8,9 cm:n (3,5") päähän anturaosien 44a, 44b pohjasta. Vaikka tämä etäisyys h, kts. kuva 3, voidaan säätää sovittumaan erilaisiin amputointipreferens-seihin, mukaanlukien koko, paino, joustavuus, jousimaisuus ja aktiviteettitaso, tässä kuvatut edut saavutetaan ilman muuta, jos raajaosan 22 alapää 22a ei ulotu yli noin 12,7 cm:n (5") eikä alle noin 6,4 cm:n (2,5") päähän anturaosien 44a, 44b pohjasta, alueen ollessa 6,4 - 12,7 cm (2,5-5").

Raajaosan 22 tarkka sijainti jaikaosan 24 suhteen määräytyy erilaisten tekijöiden, kuten jaikaosan pituuden, paksuuden ja kaarevuuden, yhdistelmästä. Mitä lähempänä raajan 22 alapää on anturaosien 44a,b pohjaa, sitä jyrkempi nilkka-osuuden 26 kaarevuussäteen on oltava. Vastaavasti, mitä jyrkempi säde on, sitä paksumpi nilkkaosuuden 26 on oltava, koska rasitus keskittyy rajatummalle alueelle. Vaikka nilkkaosuuden 26 kasvanut paksuus tekeekin sen jäykemmäksi, . voidaan suorituskyvyltään hyvällä nilkkaosuudella edelleen : saavuttaa nilkkaosuuden olennainen joustavuus.

Koska nilkkaosuuden 26 paksuus hieman alentaa proteesilait-; teella 20 saatavaa joustavuutta ja energiavastetta, keksin- tö soveltuu hyvin sellaisten käytettäväksi, jotka ovat kohtuullisen aktiivisia, mutta ovat halukkaita uhraamaan pienen määrän maksimisuorituskyvystä vastineena parempaan ·*·: : stabiilisuuteen ja kontrolliin. Lisäksi koska proteesilaite * 20 antaa liikkuvuuden ja suorituskyvyn, jotka muistuttavat ·/"; ihmisraajan vastaavaa, se on ideaalinen aktiivikäyttöön, kuten juoksemiseen, hölkkään ja hyppylajeihin.

‘' Nilkkaosuuden taipumisen keskittyminen ia vaakataivutuksen 114851 18 pienentäminen

Keksinnön eräs etu on siinä tavassa, miten proteesi taipuu. Kuvissa 6 ja 7 on esitetty vertailu sen tavan suhteen, miten tekniikan tason proteesi taipuu keksinnön proteesin taipumiseen nähden. Kuten helposti nähdään, tekniikan tason proteesilla on laaja liikkuma-alue taipuisan proteesijalan ja nilkkaosan pituudella. Taipuminen tapahtuu joustavan osan koko pituudelta. Keksinnön joustavassa osassa taipuminen taas pyrkii keskittymään lähelle kaarevaa nilkkaosuutta 26, vaikka normaalikävelyssä taipumista tapahtuu myös varvasosuudessa 28. Kuvat 6 ja 7 on tarkoitettu esittämään joustavan osan, ts. nilkkaosuuden, kaarevan osuuden taipumaa.

Tämän keksinnön tärkeänä ominaispiirteenä on taipumisen keskittyminen, mikä aikaansaadaan pienentämällä nilkkaosuuden 26 kaarevuussädettä. Aikaisemmin tunnetuissa laitteissa käytettiin suhteellisen pitkää joustavaa osaa, siten että osan pituudelle voitiin varastoida suurempia energiamääriä. Päämääränä oli saada suorituskykyä siitä taipumasta, joka tapahtuu joustavan osuuden pituudella.

Kuten matemaattisesti voidaan osoittaa, kaarevuusäteeltään . : : määrätty kaareva elin taipuu sekä vertikaalisesti että : horisontaalisesti, kun sen päähän pannaan vertikaalinen kuorma. Esimerkiksi kun kaarevan osan varvaspäähän kohdis-tuu ylöspäinen voima, kuten kuvissa 8a-c on kaaviomaisesti : esitetty, varvasosa taipuu ylöspäin aiheuttaen vastaavan i * * vaakataipuman eteenpäisessä suunnassa δχ. Kuten kuvasta 8c voidaan nähdä, esiintyy sekä pystysuora taipumakomponentti että vaakasuora taipumakomponentti δχ, jotka ovat tuloksena ·’*· : kaarevan elimen varvaspäähän kohdistuvasta ylöspäisestä V voimasta.

Vaikka pystytaipuma kaavamaisesti aikaansaa eteenpäisen vaakataipumakomponentin, δχ kuvassa 8c, todellisuudessa tämä eteenpäinen vaakataipuma synnyttää taaksepäisen vaaka- 1 1 4851 19 likkeen pisteen P suhteen. Toisin sanoen, kun amputointipo-tilas panee painonsa varvasosuudelle 28, varvasosuus painuu maahan, ja sen sijaan proteesin takapää liikkuu. Tämän johdosta, kun amputointipotilas panee painonsa proteesin varvaspäähän, horisontaalinen taipumakomponentti on var-vaskosketukseen nähden eteenpäisen sijasta taaksepäinen. Käytännön termein tämä merkitsee sitä, että kun potilas siirtää jokaisella ottamallaan askeleella varvasosaa, se taipuu ylöspäin ja aiheuttaa vastaavan vaakataipumakom-ponentin, joka siirtää proteesia ja siten potilasta taaksepäin varvaskosketukseen nähden. Kuten jäljempänä selitetään, taaksepäinen vaakaliike voi saattaa amputointipoti-laan pois tasapainosta ja tehdä proteesin hallinnan vaikeaksi .

Siten tämän keksinnön tärkeänä piirteenä on tämän vaakasuoran liikkeen tai taipumakomponentin pienentäminen pituussuunnassa kun amputointipotilas astuu varpaallaan. Keksinnön proteesilaite 20 vähentää tätä vaakataipumakomponenttia ja parantaa siten potilaan stabiilisuutta ja antaa luonnollisemman tunnun. Kun proteesin taaksepäinen liike pienenee jokaisella otetulla askeleella, potilas ei koe sitä desta-biloivaa jousimaisuutta, joka liittyy eräisiin aikaisempiin . : : proteesilaitteisiin, joilla on suurisäteiset nilkkaosuudet.

Tässä on tärkeä havaita, että aktiivisille amputointipoti-laille suurisäteinen nilkkaosuus voi olla edullisempi ; .·, johtuen sen kyvystä varastoida lisäenergiaa ja aikaansaada parempi energiavaste. Ottaen kuitenkin huomioon sen tosiseikan, että monet amputointipotilaat eivät yleensä ole kovin aktiivisia, voi hallittavuudeltaan parannettu protee-: : si olla edullisempi. Siten tämä keksintö edustaa olennaista V ’ parannusta proteesilaitteiden alalla, sen aikaansaadessa potilaalle paremman kontrollin, mikä auttaa potilasta , luottamaan proteesilaitteeseen ja näin johtaa parempaan sovittuvuuteen ja tasapainoisuuteen.

114851 20 Tämä vaakataipumakomponentin pieneneminen, joka voidaan aikaansaada pienentämällä nilkkaosuuden kaarevuussädettä, voidaan osoittaa matemaattisesti. Testitulokset osoittavat myös dramaattisen eron sen vaakataipuman määrässä, joka syntyy proteesilaitteissa, joissa on muuttuvalla kaarevuus-säteellä varustettu nilkkaosuus.

Ensiksikin matemaattisesti voidaan laskea sen vaakataipuman määrä, joka syntyy suhteessa pystytaipumaan. Kuvassa 8a on kaaviomaisesti esitetty kokeellinen nilkan kuormitustilanne. Jalkaosa 50, jossa on olennaisesti pystysuora osuus 52, kaareva väliosuus 54 ja olennaisesti vaakasuora alaosuus 56, on kiinnitetty yläpäästään kohdasta 58. Jalan 50 var-vaspäähän kohdistetaan ylöspäinen voima F kohdassa T jalan noston simuloimiseksi normaalikävelyssä tai juoksussa. Kun oletetaan, että yläosa 52 on olennaisesti jäykkä, taipumi-senkestävä elin, kuva 8b esittää voima/momenttipiirrosta kaarevalle osuudelle 54. Yläpää on osoitettu kiinteäksi, koska yläosa 52 on olennaisesti jäykkä. Alempaan päähän kohdistuu kohdassa P ylöspäinen voima F (tai leikkausvoima V kuvassa 8b) ja momentti M, joka on yhtä suuri kuin voima F kertaa etäisyys L miinus r, joka on 56:n etäisyys kaarevan osuuden 54 pohjapäästä voiman F kohdistuskohtaan.

Viitejulkaisusta "Formulas for Stress and Strain", R.J. Roark, 4th Ed., s.180, saadaan seuraava kaava vaakataipuman .määrän määrittämiseksi pystytaipuman suhteen, joka esiintyy ;kaarevassa nilkkaosuudessa 54 ylöspäisen voiman F vaikutuk- I i l sesta: 1 cos20 ΔΧ=-[MR2( l-0sin0cos0 )+VR3( ί5-οο5θ+θ3ΐηθοο3θ+_=-sin20 ) ] ; EI 2 1 ‘ i i » δΧ - Pisteen P liike vaakasuunnassa kuvissa 8b ja 8c : E - Kimmokerroin "' : I - Hitausmomentti M - Syntynyt momentti ... V - Pystysuora leikkauskuorma 1 14851 21 R - Säde θ - Sädekulma radiaaneissa Esimerkki 1

Keksinnön proteesilaitteessa, jonka nilkkaosuuden säde on 5,1 cm (2,0") ja vakiopaksuus 0,61 cm (0,24"): E = 0,138 E6 MPa = 13,8 E6 N/cm2 (20 E6 lb/in2) t = 0,61 cm (0,24") I = bh3/12 = (5,1(0,61 )3)/12 = 0,096 cm4 (0,0023 in4) R = 5,1 cm (2,0") Θ = 1,5708 radiaania sin 0=1 cos 0=0 L = 20,3 cm (8,0")

Olettaen, että kohdistettu kuormitus F = 67,9 kg (150 lbm), joka on amputointipotilaan keskipaino, on pystyleikkaus-kuormitus V = 666 N (150 lbf) ja syntynyt momentti M = 666 (0,203 - 0,051) = 101,5 Nm (900 in-lbf) Δχ,=_[(-10150) (5.1)2( 1-1.5708(1 )-0) + (-666) (5.1 )3(. 5-0*0*0-l2) ] 13.8E6(.096) ΔΧ1 = 0,15 cm (0,058" ) ; Tämä on pystysuoran kuormituksen F aiheuttama vaakataipuma kohdassa P. Koska varvasosuus on vaakasuora, ei varvasosuu-·; den pituudella kohtien P ja T välillä tapahdu juurikaan !·* : muuta vaakataipumaa. Lisäksi koska vaakasuora varvasosuus V : 56 ulottuu pisteen P jatkeena, pystysuora taipuma kohdassa T on suurempi, vaikka vaakataipuma pysyy käytännössä muut-; ; tumattomana. Siten pystysuuntaisen ylöspäisen voiman aihe- : : : uttama proteesin suhteellinen vaakataipuma on noin 0,15 cm (0,058"). Tämä tarkoittaa, että proteesilaite liikkuu jokaisella askeleella taaksepäin 0,15 cm (0,058"), kun varpaaseen kohdistuus 67,9 kg:n (150 lbm) kuormitus.

114851 22

Esimerkki 2

Tekniikan tason proteesilaitteessa, jonka nilkkaosuuden säde on 12,7 cm (5"), kuten kuvassa 6 on esitetty, ja vakiopaksuus 0,61 cm (0,24"): E = 0,138 E6 MPa = 13,8 E6 N/cm2 (20 E6 lb/in2) t = 0,61 cm (0,24") I = bh3/12 = (5,1(0,61)3)/12 = 0,096 cm4 (0,0023 in4) R = 12,7 cm (5") Θ = 1,5708 radiaania sin 0=1 cos 0=0 M = 666 (0,203 - 0,051) = 50,75 Nm (450 in-lbf) ix2=-[(-5075) (12,7]2(1-1.5708 (1)-0) + (-666) (12,7)3 (. 5-0 + 0 + 0-12) ] 13.8E6( ,096) δΧ2 = 0,87 cm (0,343" ) Tämä on pystysuoran kuormituksen F aiheuttama vaakataipuma kohdassa P. Varvasosuuden vaakapituudella 56 ei nytkään tapahdu juuri muuta vaakataipumaa. Siten 0,87 cm (0,343") edustaa sen vaakataipuman määrää, jonka 67,9 kg:n (150 lbm) kuorma aiheuttaa proteesin varvasosuudelle sijoitettuna. V, Tämä tarkoittaa, että amputointipotilas kokee jokaista • askelta kohti noin 0,87 cm:n (0,34") pituisen vastavaiku- ! tuksen taaksepäisen astuessaan proteesin varvasosalla.

*·· Näiden esimerkkien tulokset osoittavat selvästi, että '<.‘1 keksinnön pienempisäteisellä nilkkaosuudella saavutetaan * paljon pienempi vaakataipuma kuin tekniikan tason laittei den suurempisäteisillä nilkkaosuuksilla. Kun verrataan 5,1 ' l cm:n (2") sädettä 12,7 cm:n (5") säteeseen, nähdään, että • i ; säteeltään 12,7 cm:n (5") nilkkaosuudella on noin kuusi kertaa suurempi vaakataipuma kuin säteeltään 5,1 cm:n (2") ", nilkkaosuudella. Tämä osoittaa selvästi, että keksintö sekä keskittää taipumisen nilkkaosuuteen, että estää haital-:: lisen vaakataipuman, joka tuntuu potilaasta siltä kuin • > I I · 114851 23 proteesilaite liukuisi hieman taaksepäin joka askeleella. Tämä keksintö minimoi tämän vaakataipuman, mikä auttaa potilasta säilyttämään paremman kontrollin ja stabiilisuu-den proteesilaitetta käyttäessään.

Edellisten esimerkkien tulokset perustuvat myös vakiopak-suisiin nilkkaosuuksiin. Keksinnön mukainen kapeneva nilk-kaosuus pienentäisi käytännössä edelleen koettua vaaka-taipumaa. Tämä johtuu siitä, että nilkkaosuuden 26 tai-puisampi alaosa, kuten tullaan kuvaamaan, taipuu enemmän kuin sen ylempi osa. Koska taipuminen siten kavennetun rakenteen ansiosta keskittyy alemmaksi nilkkaosaan, vaaka-taipuma pienenee vastaavasti.

Keksinnön prototyypillä ja tekniikan tason laitteella, jonka nilkkaosuuden säde oli noin 12,7 cm (5"), suoritettiin myös testi todellisten pysty- ja vaakataipumien määrittämiseksi kohdassa E, kuten kuvissa 9a ja 9b on esitetty. Laitteet testattiin standardikuormituskoneella, jonka yläpää oli asennettu kiinteästi. Kuorma kohdistettiin ylöspäiseen suuntaan kohdassa E, joka oli sijoitettu noin 15,2 cm (6") vaakasuoraan nilkkaosan pystysuorasta asemasta. Ylöspäinen voima V vastasi reaktiovoimaa, jonka aiheuttaa kuorma, joka ulottuu aina 67,9 kg:aan (150 lbm) asti, ja jonka amputointipotilas kohdistaa laitteeseen. Tämä ylöspäinen kuorma oli liitetty rullakelkkaan, joka mahdol-,:, listi vaakasuoran liikkeen kohdassa E ylöspäisen voiman , kohdistuessa siihen.

1 · » t *

Kuvan 9a käyrät esittävät taipumien määrää sekä vaaka-että pystysuunnassa kuormavälillä 0 - 67,9 kg (150 lbm). Kokeen ; tulokset olivat varsin dramaattiset. Keksinnön pysty- ja vaakataipuma on esitetty kokoviivoin, ja tekniikan tason laitteen pysty- ja vaakataipuma on esitetty katkoviivoin, ; Keksinnön pystytaipuma 67,9 kg:n (150 lbm) kuormalla koh- dassa E oli noin 2,3 cm (0,9"), ja saman kuorman aiheuttama ‘ vaakataipuma oli vain noin 0,5 cm (0,2"). Tekniikan tason i 114851 24 laitteella saatu vaaka- ja pystytaipuma 67,9 kg:n (150 lbm) kuormalla kohdassa E oli puolestaan huomattavasti suurempi. Pystytaipuma, jota kuvassa 9a on esitetty katkoviivalla, oli noin 4,3 cm (1,7") ja vaakataipuma oli noin 1,9 cm (0,75"). Nämä tulokset osoittavat, että tekniikan tason laite liikkuu 67,9 kg:n (150 lbm) kuormalla vaakasuunnassa lähes yhtä paljon kuin keksinnön laite liikkuu pystysuunnassa.

Tätä eroa voidaan kuvata myös vaakataipuman ja pystytaipu-man välisenä suhteena. 67,9 kg:n (150 lbm) kuormalla vaaka-taipuman suhde pystytaipumaan on keksinnössä 0,5/2,3 (0,2/0,9) eli 0,22. Tekniikan tason laitteessa vaakataipuman suhde pystytaipumaan oli 1,9/4,3 (0,75/1,7), siis noin 0,44. Tämä suhde on merkittävä, kun otetaan huomioon se, että jokaisella askeleella varvasosuuden pystytaipuma aikaansaa vastaavan taaksepäisen vaakataipuman, joka on tietty osa pystytaipumasta. Suhteella 0,44 proteesilaite liikkuu vaakasuunnassa taaksepäin noin 1,1 cm (0,44") jokaista pystytaipuman senttimetriä (tuumaa) kohti. Keksinnössä taas vaakataipuma taaksepäin on vain noin 0,56 cm (0,22") jokaista pystytaipumasenttimetriä kohti.

Useat tekijät vaikuttavat osaltaan tähän parannukseen vaakataipuman ja pystytaipuman välisessä suhteessa. Kuten alalla on tunnettua, ja kuten matemaattisesti voidaan V osoittaa, vaakataipuman suhde pystytaipumaan kuvan 8c ;pisteessä P on arvoltaan lähes vakio, ja noin 0,59. Tämä * riippuu tietysti siitä, noudattaako käyrä yksisäteistä kaarta ja ulottuuko se 90°:n sädekulman radiaaneissa. Se, mikä saa vaakataipuman suhteen pystytaipumaan pienenemään, :.; ; on sen funktio, kuinka jyrkkä nilkkaosuuden kaarevuussäde /1 on, ja kuinka kauas varvasosuus 56 ulottuu eteenpäin nilk- ···, kaosuudesta. Koska vaakasuorassa varvasosuudessa 56 ei juurikaan tapahdu vaakataipumaa pystytaipuman kasvaessa, i pidempi varvasosuus 56 sallii ylimääräisen pystytaipuman < vaakataipuman kasvamatta. Pienentämällä nilkkaosuuden 25 1 1 4851 kaarevuussadettä voidaan pitempää varvasosuutta 56 jatkaa nilkkaosuuden pohjasta, mikä aikaansaa mahdollisuuden lisäpystytaipuman sallimiseksi siihen liittyvää vaakataipu-maa kasvattamatta. Tämä ilmiö pienentää merkittävästi vaakataipuman ja pystytaipuman suhdetta kuorman kasvaessa.

Keksinnössä vaakataipuma ΔΧ ei suositeltavasta ole yli 0,64 cm (0,25") 67,9 kg:n (150 lbm) kuormalla pisteessä E, joskin taipuma aina 1,3 cm:iin asti voi olla sallittavissa. Vaakataipuman suhde pystytaipumaan pisteessä E (tai T) on myös suositeltavasta alle yhden suhde kolmeen, vaikka suhde aina 0,5 reen asti on hyväksyttävissä. Kuten edellä on kuvattu, tämä suhde on pisteessä P lähes vakio, kts. kuva 8a, olipa nilkkaosuuden säde sitten pieni tai suuri. Pisteessä T suhde kuitenkin vaihtelee riippuen siitä, kuinka pieni säde on ja kuinka pitkä nilkkaosuus 56 on. Pienisä-teisellä nilkkaosuudella aikaansaatava varvasosuus 56 on pitempi, mikä johtaa suurempaan pystytaipumaan pisteessä T lisäämättä välttämättä kuitenkaan vaakataipumaa. Suhde vaihtelee myös riippuen siitä, onko paksuutta kavennettu nilkka- ja varvasosuuksien pituudella. Mitä ohuempi varvasosuus 56 on, sitä suuremmaksi pystypoikkeama pisteessä T tulee, ja vastaavasti sitä suuremmaksi energian varastointi tulee kasvattamatta vaakataipumaa nilkkaosuuden pituudella.

' ’ Nilkkaosuuden. kantapään ia varpaan kavennus " Kuten kuvasta 3 nähdään, jaikaosan 24 paksuus on kapeneva, : : kavennuksen ollessa joustavuuden funktio jaikaosassa.

. ' Samalla kun ylempi pystyosuus 30 on paksuudeltaan olennai sesti tasainen, nilkkaosuus 26 on paksuudeltaan kapeneva ; kaarevan osuuden yläosasta "a" keskiosan "b" kautta ala- osaan "c".

”, Eri kokoisille amputointipotilaille valmistetaan suositel tavasta sarja vakiopaksuuksia. Keksinnön proteesilaitetta : : ; 20 voidaan esimerkiksi valmistaa yhdeksän kokoisena nume- 114851 26 roilla AI - A9, jolloin Ai on ohuin pienintä potilasta varten ja A9 on paksuin suurempaa potilasta varten. Seuraa-vassa taulukossa 1 on esitetty paksuudet t kohdissa a, b ja c, jotka vastaavat nilkkaosuuden 26 ylä-, keski- ja alaosia yhdeksälle eri koolle. Lisäksi taulukosta 1 käy ilmi alue-hitausmomentti I taipumisakselin suhteen kohdille a, b ja c perustuen jaikaosaan 24, jonka leveys on 5,1 cm (2").

Taulukko 1. Kapenevan nilkkaosuuden paksuus ja hitausmomentti t,om tbcm tecm I^cm4 Ibcm4 100 Iccm4 100 (Ib/Ia) (Ic/Ia) AI .787 .635 .551 .208 .108 52.0 0708 34.0 A2 .815 .663 .574 .229 .123 53.7 0799 34.8 A3 .848 .683 .592 .258 .135 52.2 0878 34.0 A4 .881 .706 .612 .290 .149 51.4 0970 33.4 A5 .927 .742 .643 .337 .173 51.2 112 33.3 A6 .980 .780 .676 .399 .201 50.3 131 32.7 A7 1.03 .818 .706 .466 .231 49.6 149 32.0 Λ: A8 1.09 .859 .742 .545 .268 49.2 173 31.7 V A9 1.14 .890 .775 .629 .305 48.5 197 31.3 1

Kuten taulukosta 1 voidaan nähdä, nilkkaosuuden 26 alakoh dan c paksuus on noin 70% yläosan a paksuudesta kokoluokil-: la AI - A9. Koska aluehitausmomentti on verrannollinen ·,· : paksuuden kuutioon missä tahansa pisteessä, aluehitausmo- mentti Ic nilkan 26 ala-alueella on 31-35% aluehitausmomen-tista Ia. Keskiosuuden aluehitausmomentti Ib on myös 48-54% yläalueen a aluehitausmomentista Ia. Koska tietystä voimas- ' ta syntyvän taipuman määrä on kääntäen verrannollinen 114851 27 aluehitausmomenttiin, suurin osa proteesilaitteen 20 taipumasta tapahtuu nilkkaosuuden 26 alaosassa, ja erityisesti nilkkaosuuden keskialueen b alapuolella.

Koska kaarevan osuuden 26 yläosa a on paksumpi kuin alaosa c, suurin osa taipumasta tapahtuu pitkin kaarevaa osuutta sen alakolmanneksesta alapuolikkaaseen. Tämä rajoittaa edelleen taipumista nilkkaosuuden 26 suhteen ja alentaa taipumiskohtaa. Kaarevan osuuden 26 jäykempi yläosa a aikaansaa myös jonkin verran suuremman taivutusvastuksen, joka jatkaa jonkin verran alaspäin raajaosan 22 ja pystysuoran yläosan 30 jäykkyyttä.

Kuten edellä on kuvattu, jalkaproteesin varvas- ja kanta-pääosien jousto-ominaisuudet ovat myös tärkeitä parametreja sen kokonaissuorituskyvyn kannalta. Näiden osien vipuvarren tai pituuden lisäksi myös niiden paksuus tai kavennus vaikuttaa luonnollisesti niiden jousto-ominaisuuksiin. Tekemällä siten kaarevan nilkkaosuuden 26 alaosa c ohuemmaksi ja jatkamalla kavennusta pitkin varvasosuutta 28 voidaan proteesin varrvaspäälle antaa lisäjoustavuutta. Suositellussa suoritusmuodossa varpaan kärjellä 46 on tätä varten paksuus, joka on noin kolmasosasta puoleen jaikaosan , 24 pystysuuntaisen yläosan 30 paksuudesta.

Kantapääosa on myös tehty suhteellisesti ohuemmaksi kuin jaikaosan 24 pystysuuntainen yläosuus 30 kantapääalueen saamiseksi joustavaksi. Myös kantapääosa 40 voi olla ka-• 1 peneva, jolloin kantapääosan etuosa, joka on liitetty * jalkaosan 24 alapintaan, on hieman paksumpi kuin sen taka- pää 40b.

; : : Vaikka suositellussa suoritusmuodossa kukin näistä osista on kapeneva, kuten kuvassa 1 on esitetty, monet keksinnön eduista voidaan saavuttaa käyttämällä erilaisia vaihtelevia ' ' paksuuksia, mukaanlukien vakiopaksuuden koko jaikaosassa ja kantapääosassa. Näiden osien kaventaminen aikaansaa kuiten- 114851 28 kin jalkaproteesille "lisätunnun", joka ilman tällaista kapenemista jäisi pois.

Varvasosuus 28 ja kantapääosa 40 ovat ohuempia ja siten suhteellisesti joustavampia kuin nilkkaosuus 26 ja pystysuuntainen yläosuus 30. Tämä joustavuus on toteutettu tarkemmin jäljittelemään ihmisen jalan liikkeessä havaittavaa joustavuutta. Ihmisjalassa on useita niveliä, jotka sallivat jalan liikkeen eri suuntiin. Esimerkiksi jalkapöytä on nivelletty siten, että jalan etuosa voi liikkua suhteessa muuhun jalkaan. Tekemällä jalkaproteesin etupää ohuemmaksi se saadaan joustavammaksi, jolloin se jäljittelee paremmin ihmisjalan joustavuutta.

Myös jaikaosan 24 leveys voi vaihdella, vaikka suositellussa suoritusmuodossa se on tasalevyinen ja noin 5,1 cm (2"). Jalkaosa 24 ja kantapääosa 40 voivat paksuuden tavoin kaventua myös leveyssuunnassa lisävastuksen tai joustavuuden aikaansaamiseksi eri akselien suhteen. Esimerkiksi tekemällä jalkaosa 24 hieman kapeammaksi pystysuuntaiselta yläosaltaan 30 voidaan lisätä vääntöjoustavuutta.

Toiminta Käytössä keksinnön jalkaproteesi 20 toimii täysin asianmu-I' kaisella tavalla ja jäljittelee oikean ihmisjalan liikettä.

•; Keksinnön mukainen rakenne simuloi nilkan liikettä, joka on ·’ · tasainen ja jatkuva kantapään iskusta varpaan irtoamiseen.

Kantapään iskussa proteesilaitteeseen kohdistuva kuormitus · puristaa kantapäätä 40, joka toimii varpaan 28 plantaasi : rifleksion vipuna. Amputointipotilaan painon ollessa edel leen proteesilaitteen takana nilkkaosuus 26 taipuu taakse-päin avaten sen kaarevuussäteen. Kantapääosan 40 ja nilkka-osuuden 26 luonnollinen taipumus palata alkuperäisiin taipuma-asentoihin auttaa siirtämään amputointipotilaan painon eteenpäin keskelle. Kun potilas siirtyy keskeltä varvaskuormalle, proteesissa 20 tapahtuu dorsifleksio, joka taivuttaa nilkkaosuutta 26 eteenpäin ja saa kaarevuussäteen 114851 29 sulkeutumaan suhteessa 90° asentoon. Varvaskuormalla potilaan paino siirtyy eteenpäin aiheuttaen varvasosuuden taipumisen. Varvasosa 28 taipuneena proteesi tulee etukul-maiseen asentoon, josta nilkkaosuuden 26 luonnollinen pyrkimys palautua alkuperäiseen asentoonsa saa potilaan liikkumaan eteenpäin energian vapautuessa varpaan irtoamis-vaiheessa. Tekemällä varvasosuus 28 suhteellisen joustavaksi varpaan joustavuuden yhdistelmä nilkkaosuudesta 26 vapautuvan energian kanssa saa potilaan liikkumaan pystysuoran aseman sijasta eteenpäin.

Siten keksinnön tuloksena on aikaansaatu proteesielement-tien uniikki yhdistelmä, joka toimii hyvin paljon normaalin nilkkanivelen tavoin, sääriosien ollessa suhteellisen jäykkiä ja suurimman osan taipumisesta tapahtuessa matalalla ja rajatulla nilkka-alueella ja joustavalla varvas- ja kantapääosuudella. Lisäksi keksinnön tuloksena on aikaansaatu parannettu kontrolli ja stabiilisuus, joita ei tekniikan tason laitteissa ole pystytty saavuttamaan, koska keksinnössä liian suuri vaakaliike on estetty ja taipuminen on rajoitettu jyrkkään nilkkaosuuteen. Samalla kun nämä spesifiset edut sisältyvät edellä kuvattuun keksintöön, keksintöä ei ole tarkoitettu rajoitettvaksi vain edellä ,. käsiteltyyn suoritusmuotoon. Keksintö käsittää myös muut suoritusmuodot, joilla aikaansaadaan tässä kuvatut edut.

i : :

Claims (9)

114851 30

1. Jalkaproteesi joustavan kinemaattisen tuen antamiseksi amputointipotilaalle suhteessa maanpintaan, joka käsittää: jaikaosan (24) johon kuuluu yläosuus, (30) joka on muotoiltu kiinnitettäväksi raaja-osaan (22), joustava kaareva nilkkaosuus (26), joka ulottuu alaspäin ja eteenpäin mainitusta yläosuudesta (30), ja varvasosuus (28), joka on muodostettu integraalisesti nilkkaosuuden (26) kanssa ja ulottuu eteenpäin ja olennaiset! vaakasuorasti mainitusta nilk-kaosuudesta (26); ja kantapääosuuden (40), joka ulottuu taaksepäin nilkkaosuu-desta (26); tunnettu siitä, että nilkkaosuudella (26) on määrätty kaarevuussäde (r), joka on 1,3 cm - 7,6 cm (0,5 tuumaa - 3,0 tuumaa) taipuma-akselin ympäri, joka on sijoitettu ihmisen normaalin nilkkanivelen sijaintipaikan kohdalle tai sen lähelle; jalkaosuus (24) on muotoiltu niin, että kun pystysuuntaisesta ylöspäin suunnattu voima (F) vaikuttaa varvasosuuden (28) kärkeen, tuloksena oleva kärjen vaakataipuma varvasosuuden (28) suunnassa on pienempi kuin kolmasosa tulok- I · sena olevasta varvasosuuden (28) kärjen taipumasta ylös-* päin. j*

2. Vaatimuksen 1 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että nilkkaosuuden (26) kaarevussäde (r) on noin 5,1 cm > ; ; ; (2,0 tuumaa).

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen jalkaproteesi, tunnettu \W siitä, että raajaosassa (22) on alaosa (22a) joka päättyy Ί 6,4 cm - 12,7 cm (2,5" - 5,0") päähän varvasosan (28) . ' pöhjasta. t'_

; 4. Vaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että jalkaosuus (24) on tehty kapenevaksi nilkka- • » osuudesta (26) varvasosuuteen (28), jolloin saavutetaan 114851 31 oleellisesti tasainen rasituksen jakauma.

5. Vaatimuksen 4 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että varvasosuuden (28) paksuus on noin kolmasosasta puoleen nilkkaosuuden (26) paksuudesta.

6. Jonkin vaatimuksen 1-5 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että varvasosuus (28) ja kantapääosuus (40) ovat olennaisesti litteitä ja samantasoisia tai samansuuntaisia toistensa suhteen.

7. Vaatimuksen 6 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että kantapääosuus (40) on suunniteltu selektiivisesti kiinnitettäväksi ja irrotettavaksi nilkkaosuuden (26) ja varvasosuuden (28) välillä olevaan kohtaan.

8. Jonkin vaatimuksen 1-7 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, että yläosa (30) on muotoiltu kiinnitettäväksi sylinterinmuotoiseen raajaosaan (22) käyttämällä kiinni-tyslaitetta (32) jossa on pääasiassa tasainen pinta toisella puolella, joka on sovitettu sopimaan yhteen yläosan (30) kanssa ja pääasiassa kovera sylinteripinta vastakkai- • » ·'·’ sella puolella, joka on sovitettu sopimaan yhteen sylinte- rinmuotoisen raajaosan (22) kanssa.

9. Vaatimuksen 8 mukainen jalkaproteesi, tunnettu siitä, : että amputointipotilaan etusuunnan suhteen kiinnitysosa (32) on kiinnitetty yläosan (30) etupuolen ja sylinterinmuotoisen raajaosan (22) takapuolen välillä. 114851 32