JP2009536050A - 調整可能な制動機能でパッシブな人工膝関節を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、屈曲方向および伸展方向において調整可能な制動機能でパッシブな人工膝関節を制御する方法であって、人工膝関節に取り付けられている、上側の接続手段と、人工足部へ通じる結合要素と、を有する補装具手段を階段上りに適合させるための方法に関する。本発明に係わる方法は、以下の段階、すなわち、人工足部の低いトルクの持ち上げを検出する過程、および持ち上げ期において、屈曲制動を、平面歩行のために適切であるレベルより下に減少させる過程を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、屈曲方向において調整可能な制動機能でパッシブな人工膝関節を制御する方法であって、人工膝関節に取り付けられている、上側の接続手段と、人工足部へ通じる結合要素と、を有する補装具手段を階段上りに適合させるための方法に関する。

膝関節を必要とする補装具着用者は、補装具の調整の際に、屈曲制動および伸展制動に関して妥協をしなければならない。何故ならば、パッシブな人工膝関節が、所定の適用のためにのみ最適化されており、それ故に、著しく異なる行動パターンが可能でないか、あるいは、極めて困難さをもって可能であるからである。例えば、平面歩行の運動経過は、階段上りとは著しく異なる制動特性を必要とする。この運動経過のために、多数のパッシブな人工膝関節が屈曲制動および伸展制動をもって設計されている。従って、補装具着用者による、従来の人工膝関節を用いた階段上りは、健康な脚が、階段の手前で立っていて、第１の段上に持ち上げられ、対側の脚が同一の段に引きずられるように、なされる。歩行速度の増大は、場合によっては、２段目ごとに健康な脚を着床することによって、達成される。しかしながら、このことは、非常に骨が折れる。

本発明の課題は、補装具着用者のための交互の階段上りを可能にするパッシブな膝関節のための制御方法を提供することである。

この課題は、本発明では、請求項１の特徴を有する制御方法によって解決される。本発明の好都合な実施の形態は、従属請求項に記載されている。

平面歩行のためにデザインされている従来の人工膝関節では、人工膝関節の、必要な、低い伸展制動は、階段上りの際に、押し上げの際の急激な伸展、従ってまた、補装具着用者の、許容できないほどに高い衝撃荷重がなされることをもたらす。更に、補装具を有する脚の押し上げの際のバランスが可能でない。何故ならば、３つの関節、すなわち、果関節、膝関節および股関節が上下に重なっており、補装具着用者が、股関節のみを直接制御することができるからである。階段の次に高い段に達するために、人工足部を持ち上げると直ぐに、以下の問題が生じる。すなわち、平面歩行のための、遊脚期制御における必要な屈曲制動が、階段の次に高い段の上面に達することを不可能にするので、人工足部が、蹴上げに、または階段の次に高い段の下縁へ運ばれるという問題である。アクティブな膝関節に設けられており、かつ足を持ち上げるための屈曲駆動手段と、膝を押し上げる際のおよび補装具を有する脚を介して身体を持ち上げる際の伸展駆動手段とは、非常にコストがかかりかつ非常に重い。更に、平面歩行のための遊脚期制御が、これらのアクティブな人工膝関節の場合に、非常に制限されている。

本発明に係わる制御方法は、屈曲方向において調整可能な制動機能を有するパッシブな人工膝関節が、人工膝関節に取り付けられている、上側の接続手段と、人工足部へ通じる結合要素と、を有する補装具手段を階段上りに適合させるために、まず、人工足部の低いトルクの持ち上げを検出することを提案する。人工足部の低いトルクの持ち上げの検出後に、持ち上げ期における屈曲制動が、平面歩行のために適切または最適化されているレベルより下に減少される。屈曲制動を減少しながら、屈曲抵抗を下げることによって、人工足部を持ち上げる際に、階段の次に高い段上に人工足部を乗せることを可能にする膝角度に達することが可能である。股関節屈曲および人工足部の低いトルクの持ち上げの際に、人工足部の慣性の故に、パッシブな人工膝関節の場合に、以下のような膝角度がもたらされることができる。この膝角度は、股関節の前方への運びの際にまたは重力による適切な伸展の際に、階段の縁を越えてかつ階段の段上で人工足部を位置決めするためには十分である。この場合、補装具での質量分布は、質量中心が、出来る限り末端部に、例えば、人工足部との結合要素にまたは人工足部自体に設けられているように、構成されねばならない。この目的のためには、例えば、膝装置の制御ユニットを、膝の付近の代わりに、末端部に設けることができる。それ故に、補装具の加重なしに、人工足部における追加重量によって、人工足部の低いトルクの持ち上げの際に、膝屈伸の所望の効果が得られる。

屈曲制動の減少の後に、補装具を着けた脚が伸展されてなる着床期および股関節伸展期中に、屈曲制動および場合によっては伸展制動が、平面歩行のための遊脚期制御の制動の上方のレベルに増加される。それ故に、股関節の、膝関節のおよび果関節の制御された屈曲および伸展がなされることができる。

階段の縁を越えた後に、膝は、重力によって伸展される。階段の段の上方にある人工足部の位置決めを可能にするために、屈曲制動は、人工膝関節の伸展前に増加される。それ故に、人工足部の位置決めは、患者によって直接に制御可能な股関節角度によってなされることができる。

屈曲制動を、着床期および場合によっては股関節伸展期に、最大値に増加させることは好ましい。その目的は、股関節伸展トルクが不十分である際、（患者の）膝折れ（Absenken）を減じるか回避するためである。この場合、着床期および股関節伸展期における伸展制動を、完全な股関節伸展まで維持することが提案されている。

人工足部の位置決めを容易化するために、提案されていることは、持ち上げ期ならびに着床期および股関節伸展期中に伸展制動を調整することであって、その目的は、持ち上げ期中に、重力によって引き起こされた、人工膝関節の伸展または人工足部の膝折れを回避するためであり、着床期および股関節伸展期に、制御によって足を着床することができるためである。伸展制動が、股関節伸展期中に、完全に中止されるとき、患者の不自然な速い上方への動きがなされるだろう。このことは、膝関節の最大限の伸展における停止および突然の中断をもたらすであろう。伸展制動なしでの人工足部の持ち上げは、階段があいている場合に、すなわち、蹴上げを有しない場合、人工足部が階段の次に高い段の下方に押し込まれるであることをもたらすであろう。

屈曲制動を、膝角度の変化に従って増加させることは好ましい。遊脚期制御の際に平面歩行に適切な膝角度よりも通常は大きい所定の膝角度に達するや否や、屈曲制動が増加される。この代わりにまたは補足して、屈曲制動を、下腿シャフトに作用する軸方向力に従って増減することができる。膝がほぼ伸展された際に、軸方向力が、十分に速い程度に、ほぼ０まで低下するとき、このことは、階段上り過程の導入のための指標である。

補足してまたはこの代わりに、脚の、大腿または下腿および股関節の垂直方向加速が、同時の軸方向力の低下と共に、階段上りのための適切な屈曲制動制御および伸展制動制御の作動のための起動としてなされることができる。更に、軸方向力が僅かであるかないときに、十分に速い股関節屈曲が、膝の屈曲を引き起こすことができる。軸方向の代わりに、膝伸展トルク、踝トルクまたは力とトルクの組合せを検出することができるのは、階段上りモードを可能にするためである。

低いトルクの持ち上げの検出は、純粋に機械式に、パスによって、あるいは、力センサまたはトルク・センサによってなされることができる。パスは、例えば、ガイド内に取り付けられたスライダとして形成されていてもよい。このスライダは、人工足部の持ち上げがほぼ垂直方向である場合にのみ、屈曲制動を減じる切換位置に進む。力またはトルクの測定は、知られたセンサ手段によってなされることができる。この代わりに、低いトルクの持ち上げは、人工足部の水平方向加速の、および膝関節における屈曲の検出の測定により、なされることができる。人工足部の僅かな水平方向加速の際に、従って、ほぼ垂直方向の持ち上げの際には、平面歩行の際とは異なって、人工膝関節における高い屈曲がなされる。このことは、階段上りを引き起こす。更に、人工足部の前足トルクの検出がなされることができる。その目的は、補装具使用者が、歩行中に、水平方向に移動したいか、または、人工足部が着床されているとき、軸方向力の減少および膝関節の屈曲がなされるか、を決定するためである。前者のことは、人工足部における非常に高い前足荷重を結果として生じる。

持ち上げの後に、段の高さを越えるために必要な屈曲を達成するために、持ち上げ期に、屈曲支持が、事前緊張されたばねまたは他の力蓄積機構によってなされることができる。同様に、自由伸展をばねによって支援することができるのは、屈曲制動の減少後に、或る時間が経過した場合である。このことは、安全上の理由から必要である。その目的は、階段上りモードの誤った起動の際に、望ましくない制動制御に陥らないためである。

屈曲制動および場合によっては伸展制動の増加を導入するのが好ましいのは、人工足部が持ち上げ後に再度着床されるとき、例えば、軸方向力の増大が平均化されるときである。その代わりに、膝角度がほぼ一定であるとき、伸展制動および屈曲制動を増加することができる。

屈曲制動を、持ち上げ期に、最小値に減少させることができる。それ故に、各システムにも作用する制動は、摩擦の故に、更に増加することはない。

低いトルクのまたはトルクのない持ち上げの、および屈曲制動の減少の検出は、出来る限り簡単な補装具構造を可能にするために、種々の制動の変化のように、機械的になされることができる。

以下、図面を参照して実施の形態を詳述しよう。

図１ないし６は、パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの過程を略示する。

図１には、人工膝関節２を有する補装具着用者１が示されている。人工膝関節は、上側の接続手段によって大腿断端に取り付けられている。義足２０は、健康な、対側の足４と共に、階段の段の手前に立っている。

次に高い段に達するためには、人工足部６が、階段の縁を跨って運ばれねばならない。矢印７によって示されているアクティブな股関節屈曲は、矢印８によって示されているパッシブな膝屈曲を支持する。膝屈曲は、人工足部６のおよび結合要素３の慣性の故に、人工膝関節２から人工足部６へ引き起こされる。この目的のために、最小限の屈曲制動が必要である。その目的は、股関節屈曲の後に、人工足部６が、前方へ揺動しないためであり、蹴上げの方へまたは階段の段５の下方へ動かされないためである。目的は、図２に示されている持ち上げ期で、人工足部６を出来る限り垂直上方に運ぶことである。このことは、場合によっては、後方への僅かな動きによって引き起こされる。この場合、持ち上げの検出は、結合要素３と大腿との間の屈曲角度αによって、あるいは、人工足部６の屈曲なしの、結合要素３における軸方向力の減少によってなされる。同様に、階段上りモードを、従ってまた、通常の遊脚期制御の下方の値への、好ましくは最小値への屈曲制動の減少を、股関節屈曲と共の、人工足部６の、後方への水平方向移動によって検出することが可能である。

階段の縁を越え、かつ、図２に示している持ち上げ期を終えた後に、階段の段上での人工足部６の確かな位置決めが必要である。この目的のために、人工足部６が前方へ移動されねばならない。このことは、重力に基づいて伸展によって、なされることができる。この目的のために、伸展制動を減じることができるのは、このことが、既に持ち上げ期にはなされていない場合である。屈曲および伸展における伸展前に十分に制動された人工膝関節２は、股関節角度の変化によって、補装具着用者１による人工足部６の位置決めを可能にする。膝折れ期（Absenkphase）および股関節伸展期では、屈曲および伸展が、強く制動されていることは好ましい。その目的は、着床（Aufsetzen）の制御のほかに、股関節伸展トルクが不十分である際に、不意の後方への倒れをも防止するためである。股関節伸展および膝伸展の際に速度を制御することができるように、伸展は、制動されたままである。このことは、図３に示されている。

図４には、着床期が終了している。補装具着用者１は、股関節伸展トルクによって、膝伸展を開始することができる。膝伸展は、健康な脚の伸展によって支持されることができる。

図５では、股関節トルクの生起による増加する膝伸展が示されている。増加する膝伸展は、有効なレバーを短縮し、股関節伸展により膝伸展を容易化する。

図６には、人工膝関節２を有する脚の完全な伸展が示されている。対側の脚４は、義足２０の傍を通って運ばれ、次に高い段に置かれる。それ故に、パッシブな人工膝関節による交互の階段上りが可能である。

従って、制御は、以下のように、すなわち、人工足部６の持ち上げの最中に、後続の段上に人工足部６を乗せることができる膝角度αを可能にする屈曲抵抗が調整されるように、調整されている。ばね機構による屈曲支持は、持ち上げおよび段の高さの乗り越えを容易化することができる。

階段上りモードの解除後に、低いトルクの持ち上げの検出によって、万一作用が続かないときは、自由伸展が調整される。自由伸展の調整は、時間に依存してなされる。時限素子の調整は、機械的にもなされることができる。低いトルクの持ち上げの検出が、慣性によってなされるのは、健康な脚がまず着床され、補装具を有する脚が、初めて、階段の第２の段を越えるべきときである。まず、人工足部の荷重緩和が、次に人工膝関節での屈曲がなされるとき、階段上りが調整されねばならない。持ち上げ期後に、従って、股関節伸展期中での、伸展方向および屈曲方向での制動は、人工膝関節の完全な伸展が達成されまたは検出されるまで、維持される。

パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの過程を略示する。 パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの次の過程を略示する。 パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの次の過程を略示する。 パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの次の過程を略示する。 パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの次の過程を略示する。 パッシブな人工膝関節による交互の階段上りの次の過程を略示する。

Claims (17)

1. 屈曲方向において調整可能な制動機能でパッシブな人工膝関節を制御する方法であって、前記人工膝関節に取り付けられている、上側の接続手段と、人工足部へ通じる結合要素と、を有する補装具手段を階段上りに適合させるための制御方法であり、この制御方法は、以下の段階、すなわち、
   前記人工足部の低いトルクの持ち上げを検出する過程、および
   持ち上げ期において、屈曲制動を、平面歩行のために適切であるレベルより下に減少させる過程を有する。
2. 着床期および股関節伸展期における伸展制動および／または屈曲制動を、前記平面歩行のための遊脚期制御の制動の上のレベルへ増加することを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
3. 前記着床期における前記屈曲制動を、最大値に増加することを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
4. 前記着床期および股関節伸展期における前記屈曲制動を、完全な股関節伸展まで維持することを特徴とする請求項２または３に記載の制御方法。
5. 前記屈曲制動を膝角度の変化に従って増加することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１に記載の制御方法。
6. 前記屈曲制動を、下腿シャフトに作用する軸方向力に従って増減することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１に記載の制御方法。
7. 伸展制動を、持ち上げ期中ならびに前記着床期および股関節伸展期中に、調整することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１に記載の制御方法。
8. 前記低いトルクの持ち上げの検出を、力センサまたはトルク・センサによって行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１に記載の制御方法。
9. 前記低いトルクの持ち上げの検出を、人工足部の水平方向加速度の測定および人工膝関節での屈曲の検出によって行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１に記載の制御方法。
10. 前記低いトルクの持ち上げの検出を、人工足部での前足トルクの検出によって行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１に記載の制御方法。
11. 事前緊張されたばね機構によって持ち上げ期中に屈曲支持を行なうことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１に記載の制御方法。
12. 前記人工足部を持ち上げ後に再度着床するとき、屈曲制動および伸展制動の増加を導入することを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１に記載の制御方法。
13. 前記着床を、下腿シャフトまたは前記人工足部における軸方向力の測定によって、検出することを特徴とする請求項１２に記載の制御方法。
14. 前記屈曲制動を、持ち上げ期に、最小値に減少させることを特徴とする請求項１ないし請求項１３のいずれか１に記載の制御方法。
15. 前記屈曲制動の減少後に、自由伸展を、時間に依存して調整することを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１に記載の制御方法。
16. 前記自由伸展をばねで支持することを特徴とする請求項１５に記載の制御方法。
17. 時間制御を機械的にまたは電子的に行なうことを特徴とする請求項１５または１６に記載の制御方法。

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