JP2010518992A - 足首および足の人工装具組立体 - Google Patents

Abstract

足首および足の人工装具組立体は、脛部材に対する足部材の制動された回転運動を可能にするよう構成された足首継手機構を備える。この機構は、動的可変制動抵抗、ならびに、底屈方向および背屈方向における制動抵抗の独立した変化を伴う、歩行中の足首動作の連続的な油圧制動される範囲を提供する。電子足首継手機構に連結された制御系が歩行運動の動力学的または運動学的パラメータを示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを含み、この機構および制御系は、足首の可動範囲にわたって有効な制動抵抗がこのようなシグナルに応じて自動的に適応されるよう配置されている。独立した踵高調整を可能とする構造を備えた一段および二段ピストン油圧制動構造が開示されている。

Description

本発明は、制動を伴った足首屈曲が可能となるよう構成された足首および足の人工装具組立体に関する。本発明はまた、上記のような足首および足の組立体が組み込まれた下肢人工装具を含む。

現在の足首・足の人工装具システムは、一般に、立位時や歩行時に安定性を確保し、かつ、歩行周期の遊脚相に推進エネルギーを戻すように構成された弾性の変形可能な要素からなる固定機械構造として作動するよう調整されている。しかしながら、このような装置では、立位時、傾斜地や階段の歩行時、ならびに、異なる速度での歩行時において、ユーザに不快感を与えることが多い。ユーザはまた、立位時および傾斜地や階段での歩行に際して、足のロールオーバの際に膝が不安定となり、前進運動の維持に困難が伴うため、結果として効率が損なわれてしまう。これらの問題は、通常、衝撃吸収および立脚相での前進を助ける膝屈伸の著しい低下により立脚相運動に支障を来たしている大腿切断患者にとって特に重大である。

足首−足機能および大腿切断患者歩行運動の他の側面は、典型的に知られている人工装具が切断患者を邪魔して階段および傾斜地の昇り降りなどの一定の歩行運動動作に対して劣悪な体位をもたらし、特にユーザによる股関節部の伸展トルクといった随意的な制御の適用に対する可能性を減少させるような様式に関連する。上記記載の劣悪な体位とは、主に、質量の体心を足首から容易に渡すことのできない足首での不適切な剛性および可動範囲が原因である。結果として、切断患者は、度々、不自然な相殺的動作をとる必要がある。

Ｍａｕｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｈｙｄｒａｕｌｉｋ Ａｎｋｌｅ Ｕｎｉｔ Ｍａｎｕａｌ（１９８８年３月）には、脛部材に対する義足足部の角度位置の動的油圧制御を可能とする足首継手機構が開示されている。脛部材は、一部円形の凹面下壁を備える流体が充填されたチャンバ内に収納されたベーンピストンに取り付けられる。その壁上を重力制御されるボールが足の向きに応じて前後に転がることで、ピストン内の迂回路が開閉される。その結果、脛部材が垂直のとき、足が水平であるか、または下方もしくは上方に傾斜しているかにほとんど無関係に、上記機構の背屈が防止される。このような人工装具もまた上述の欠点を部分的に有する。

米国特許出願公開第２００２／０１３８１５３号明細書（Ｋｏｎｉｕｋ）には、同様の機能を有する自己調整型足首が開示されている。このユニットは、２種の制動抵抗レベル間で切り替えられ、この２種の制動レベル間の切り替えは、脛義足が垂直な向きに達したことの検知によりトリガーされる。第２の制動レベルは、実質的に、足の回動を防止するために設定される。

他の公知の人工足首システムに米国特許第３８７１０３２号明細書（Ｋａｒａｓ）のものがある。このシステムは、足首を中立位置に戻すよう連続的に作用するタペット戻しバネを備えた二段ピストン・シリンダアセンブリを有する制動装置を備えている。欧州特許出願公開第０９４８９４７号明細書（Ｏ’Ｂｙｒｎｅ）には、シリコーン系の液状物質をチャンバに充填し、粘弾性応答を有するボールソケット継手を備えた人工足首が開示されている。一実施形態では、チャンバには、液状シリコーンマトリックス中に懸濁された固体シリコーンゴム粒子が含まれている。米国特許出願公開第２００４／０２３６４３５号明細書（Ｃｈｅｎ）には、足首継手回転軸の前後に取り付けられた調整可能な油圧制動部材と弾性付勢部材を備える油圧足首構造が開示されている。国際公開第００／７６４２９号パンフレット（Ｇｒａｍｔｅｃ）には、油圧ピストン・リンケージ構造により踵高調整が可能である足首継手を有する義足が記載されている。弾性部材により歩行中の衝撃が吸収される。米国特許出願公開第２００６／０２３５５４４号明細書（Ｉｖｅｒｓｅｎら）には、回転ベーンを備える油圧式足首機構が開示されている。

国際公開第２００３／０８６２４５号パンフレット（Ｍａｒｔｉｎ）に開示されている電子制御式足首は、磁気流動性（ＭＲ）流体制御式足首部材を有する。国際公開第２００７／０２７８０８号パンフレット（Ｏｓｓｕｒ）には、モータ駆動カップリングにより足首継手についての足バネの角度が変更される電子制御式足首継手が開示されている。

米国特許出願公開第２００２／０１３８１５３号明細書 米国特許第３８７１０３２号明細書 欧州特許出願公開第０９４８９４７号明細書 米国特許出願公開第２００４／０２３６４３５号明細書 国際公開第００／０７６４２９号 米国特許出願公開第２００６／０２３５５４４号明細書 国際公開第２００３／０８６２４５号 国際公開第２００７／０２７８０８号

Ｍａｕｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｈｙｄｒａｕｌｉｋ Ａｎｋｌｅ Ｕｎｉｔ Ｍａｎｕａｌ（１９８８年３月） Ｍｏｒｒｉｓ，Ｊ．Ｗ「Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｒｙ−Ａ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ Ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ、１９７３年、第７２６から７３６ページ Ｈａｙｅｓ，Ｗ．Ｃら、「Ｌｅｇ Ｍｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｇａｉｔ ｂｙ Ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｒｙ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９８３年、第１０５巻、第２８３から２８９ページ

本発明は、多様な局面においてより自然な機能を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、足首および足の人工装具組立体は足部材および足首継手機構を含み、この足首継手機構は、脛部材を含むと共に内外継手屈曲軸周りの脛部材に対する足部材の制動された回転運動を可能にするよう構成される。この足首継手機構は、底屈方向および背屈方向のそれぞれにおける足首動作に関連する動的可変制動抵抗を伴う、歩行中の足首動作の連続的な油圧制動される範囲を提供するよう構成される。この足首および足の人工装具組立体は、歩行運動の動力学的および／もしくは運動学的パラメータ、ならびに／または、歩行環境を示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを備える足首継手機構に連結された制御系をさらに含み、足首継手機構および制御系は、前記可動範囲にわたって有効な制動抵抗、ならびに、底屈方向および背屈方向への動作に関連する制動抵抗が前記シグナルに応じて自動的に適応されるよう構成されている。制動抵抗は、足首動作の前記範囲の少なくとも一部にわたって足首継手屈曲に対する優勢抵抗であることが好ましい。

有利には、制御系は、例えば地面の傾斜といった地形を示すシグナルを生成すると共に、足首背屈方向および足首底屈方向の両方における制動抵抗の大きさを変化させるようプログラムされている。特定の利益は、水平歩行について設定されたその方向における抵抗レベルと比して、制御系が傾斜を降りる歩行を示すシグナルを生成した場合に底屈方向における制動抵抗が自動的に低減されると共に、傾斜を昇る歩行を示す場合には増加されることで達成される。逆に、制御系は、背屈方向における制動抵抗が、水平歩行時の背屈方向における抵抗レベルと比して、制御系シグナルが傾斜を降りる歩行を示す場合に増加されると共に、このシグナルが傾斜を昇る歩行を示す場合に低減されるように作動することが好ましい。

制御系はまた、地形変形の他の種類として階段の歩行を検知することが可能である。このような場合、制動抵抗はまた、制御系によって生成されるシグナルに応じて自動的に調整され、底屈方向における抵抗は、シグナルが階段を昇る歩行を示す場合には低減され、シグナルが階段を降りる歩行を示す場合には増加される。

制動抵抗を変更するために用いられる他のパラメータは歩行速度である（またはステップ期間またはその往復ステップ速度、通例、「歩調」と称される）。歩行速度または歩調値が増加するに伴って、制御系は、背屈方向における油圧制動の抵抗を低減させることが好ましい。逆に、ユーザがより遅く歩行している場合、背屈方向における抵抗は増加される。また、底屈方向における抵抗は、より速く歩行している場合に増加されると共に、より遅く歩行している場合に低減される。

歩行運動の動力学的または運動学的パラメータを示す種々の方法が用いられる。１つの好ましいセンサは、足部材に取り付けられた加速度計、典型的には二軸加速度計である。このような加速度計は、踵接地での足部材傾斜、ならびに、加速度または減速度などの歩行特徴を示すシグナルを生成することが可能であることが認識されるであろう。足部材角速度はまた、制御系におけるセンサ出力を処理して経時的な加速度出力を積分することにより計測することが可能である。上述したものなどの加速度計からの出力シグナルを処理して動力学的および運動学的パラメータデータを得る技術は、Ｍｏｒｒｉｓ，Ｊ．Ｗ「Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｒｙ−Ａ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ Ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ、１９７３年、第７２６から７３６ページに記載されている。追加の情報は、Ｈａｙｅｓ，Ｗ．Ｃら、「Ｌｅｇ Ｍｏｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｕｒｉｎｇ Ｇａｉｔ ｂｙ Ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｒｙ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１９８３年、第１０５巻、第２８３から２８９ページに包含されている。これらの論文の内容は、参照によりこの明細書に援用される。

第２のセンサもまた、例えば、足部材および脛部材の相対的位置を検出するための磁気変換器として提供されることが好ましい。これは、例えば、脛部材に対する足部材の相対的な回転運動を相対的な並進的動きに変換するリンケージを含む機構の場合には、相対的な角度位置を直接的に計測することにより、または、足首継手機構の他の要素に対する一の要素のリニア変位を検出することにより実施される。

このようなセンサは、歩調（ステップ速度）および足首屈曲の幅を検出するために用いられる。ピストン行程の計測値は屈曲の大きさを示す。シグナル特徴に対する変化は間接的にステップ速度、例えば、特定の屈曲角度に達するのに要した時間を示すために用いられ、または、代わりに、足首角速度のために要した時間の計測値は、底屈から背屈への変化を示すために用いられる。

油圧制動抵抗は、上述の人工装具に、油圧ピストンおよびシリンダアセンブリとして継手機構により導入されることが好ましい。これがリニアピストンおよびシリンダアセンブリである場合には、これは、足部材および脛部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された関連するリンケージに接続される。ピストンおよびシリンダアセンブリは、弁に連結されたアクチュエータによって歩行運動中に調整可能である少なくとも１つの制動制御弁を含む。この弁は、調整されたときにピストン運動に対する油圧制動抵抗の大きさを変更させるよう構成されている。背屈方向および底屈方向における制動抵抗の独立した制御は、２つのこのような弁を関連する逆止弁のそれぞれに設けることにより達成される。

本発明の好ましい実施形態においては、制動抵抗は、足首動作の範囲の少なくとも一部内の角度位置では、抵抗が数々の（例えば少なくとも３つの）異なるレベルのいずれかであることが可能であるように制御される。実際には、抵抗は、連続的に変更可能であることが好ましい。制動抵抗を、制御系の１つのセンサまたは複数のセンサによって示される歩行特徴が変化しない限り、好ましくは底屈に対する抵抗および背屈に対する抵抗の両方の場合において、設定レベルに維持することが可能である。これは、例えば、足首継手機構中の油圧回路における弁は、制御系によって生成されたシグナルに基づいて、それぞれ異なる開口面積を有する数々の異なる位置のいずれかに調整可能であること、ならびに、一旦弁を特定の開口面積をもたらすよう調整したら、センサにより示される歩行特徴またはパラメータが変化しない限り、弁のさらなる調整は必要ないことを意味する。これは、電力消費を最低限とする点から利点を有する。しかしながら、電力およびエネルギーの制約が許容する場合には、例えば、背屈角度の増加に伴って背屈方向への動きに対する抵抗が増加される、すなわち、センサ出力に応じて制御系において生成されるシグナルにより管理される可変抵抗レベルから、所与の背屈角度を超えるより高い抵抗レベルへの増加させることが可能であるよう、制動抵抗を各ステップで変更することが可能である。検出された歩行特徴に対する異なる制動抵抗関係を以下のとおり用いる。

制動抵抗における変化は、地面の傾斜または歩行速度などの検出された特徴に直線的に比例する。これは、背屈方向における抵抗および底屈方向における抵抗の一方または両方に対して適用される。

制動抵抗の変化は、検出された特徴に対して所定の非線形関数に従う（例えば二乗または他の多項式に準拠して）。

地面の傾斜の変化は、例えば、足が、足底接地状態に達するまでの時間または踵接地後に底屈を停止するまでの時間といった、タイミングあるいは時間または特定の歩行事象あるいは相などの歩行特徴を計測することにより間接的に検出される。このような場合、底屈方向への運動に対する抵抗は、所定の最大値を超える底屈期間を防止するために調整される。特に、許容される最大底屈期間は、歩行要求に応じて予め定められたまたはプログラム可能な時間を超えることはなく、またはそれ未満である。

制動抵抗の変化はまた、踵接地で記録された加速度などの歩行計測値の関数として制御される。このような場合、底屈方向における抵抗は、歩行の負荷応答相中に生じる最大加速度を所定のまたはプログラムされた値に制限するよう調整される。

制動抵抗の変化は、歩行速度、歩調、表面傾斜、歩幅長およびステップ高の変化（例えばステップの昇降）などの計測された歩行特徴、または、歩行運動中に計測された他のいずれかの動力学的または運動学的パラメータの組み合わせである関数から判定される。

底屈方向および背屈方向におけるそれぞれの抵抗の変化は、相互に、すなわち、互いによって適応される。それ故、傾斜を降りる歩行の場合、水平歩行に対する値と比した底屈抵抗の低減には、自動的に、所定のまたはプログラム可能なファクタによる背屈抵抗の増加が伴う。

制動抵抗の変化は特定のパラメータ値での異なる試運転状態下で特定的にプログラムされ、このような制動抵抗が制御系中のメモリ中に保存され、制御系は、通常使用中（すなわち、ティーチング相と対照的なプレイバック相中に）、検出されたパラメータがプログラミングのために用いたパラメータ値間にあるときに適切な制動抵抗値が保存値間の補間により計算されるようプログラムされる。

動作の他の好ましいスキームによれば、制御系は、背屈方向および底屈方向の両方における運動に対する制動抵抗設定のデータベースを保存し、このデータベースは、臨床的試験データから導かれる。この実施形態においては、設定のルックアップ表は、制御系メモリに保存される。保存データは、単独のユーザから特定的に得られた値ではなく、多様なユーザでの試験結果から得られる。

機構における踵調整手段の提供に応じて、制動抵抗における変化は校正ルーチンから導かれ、これにより、制動抵抗変動が異なる踵高に基づいて最適化され、校正は、表面勾配校正と同じ方法で実施される。

変化する歩行要求に応じて変化する制動抵抗に対する感度は異なる方法で定まる。例えば、歩行要求における変化は、個別のステップ毎に基づいて判定されてもよい。あるいは、歩行要求における変化は、前の数ステップで計測された、歩行速度および傾斜または他の計測された歩行変数などの特定の変数の平均に基づいて判定されてもよい。歩行要求における変化は応答感度を定めるバンドに細分化される。例えば、歩行速度は歩調（ステップ速度）バンドまたは範囲に細分化される。同様に、地面の傾斜に対する変化は一度に数度のバンドに細分化されてもよい。このようなバンドの限界点は、関連するパラメータまたは特徴の範囲にわたって均一に、または不均一に分布される。このような限界点は所定のものまたはプログラム可能なものであり、または、これらは、連続的にまたは段階的に自己適応性があり、このような適応は、多様な切断患者での臨床試験に基づいているか、または、単独のユーザで計測された応答に基づいている。本発明の他の態様は、脛部材と、足部材と、足と脛部材とを相互に接続すると共に使用中の足部材の脛部材に対する内外継手屈曲軸周りの制動された回動を可能にするよう構成された継手機構とを含む下肢人工装具を提供し、ここで、継手機構は、油圧ピストンおよびシリンダアセンブリと、足部材および脛部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された関連するリンケージとを含み、ピストンおよびシリンダアセンブリは、少なくともこのような運動が足部材の脛部材に対する屈曲に関連している限りにおいては前記並進ピストン運動に対する油圧制動抵抗の大きさを変更するよう構成された調節可能な制動制御弁を含み、ならびに、人工装具は、歩行運動の動力学的または運動学的パラメータを示すシグナルを生成すると共に制御弁に連結された少なくとも１つのセンサと、弁を調整するためのアクチュエータとを含む弁制御系をさらに含み、この制御系は歩行運動中に弁を調整するよう構成されており、これにより、屈曲に対する継手機構の油圧制動抵抗をセンサからのシグナルに応じて変更する。また、本発明は足首および足の人工装具組立体を含み、人工足首継手は、各々上記機構を有する。

上述のとおり、例えば、異なる歩行速度および異なる地形（例えば階段または傾斜の昇り、階段または傾斜の降り、および水平な地面の歩行）に対して補てつ外科医が制動抵抗設定を選択しおよび保存する「ティーチ」モードを有するように制御系が構成されるよう、制動抵抗が変更され得る方法はプログラム可能であることが可能であり、これらの設定は、切断患者との試験セッション中に判定される。あるいは、自己同調システムが用いられ、これによれば、制御パラメータは、既知の歩行条件下では特定の値に向かって自動的に調整される。さらなる代替として、設定は、多様な患者での臨床試験に由来するデータベースに、または、ルックアップ表として保存されてもよく、これらの設定は、検出または算出パラメータに関連している。これらの方法の組み合わせを用いることが可能である。

上記に概要を述べた原理によれば、弁制御系は、個別の歩行周期の間に変動する動力学的または運動学的パラメータを示すシグナルを生成し、複数の歩行周期の各々の間に屈曲に対する油圧抵抗を増減させるよう弁を駆動するよう構成され、このような抵抗の変更の方向、大きさおよびタイミングは歩行運動中に動的に調整可能である。一実施形態においては、弁制御系は、背屈に対する油圧抵抗が歩行周期の立脚相中に最大値に増加されるよう作動し、最大値に達する時間は立脚相の中で変更され、例えば、地形を示すシグナルが階段を降りるまたは傾斜を昇る歩行を示す場合には、前記シグナルが水平な地面での歩行を示す場合に最大値に達する時間と比して立脚相における後期に変更は生じる。

本発明の他の態様によれば、足首および足の人工装具組立体は足部材および油圧足首継手機構を含み、この足首継手機構は基端側脛部材を含むと共に内外継手屈曲軸周りの脛部材に対する足部材の制動された回転運動を許容するよう構成されており、ここで、足首継手機構は、（ａ）歩行中に、脛部材に対して予め設定された足部材の基準角度位置に対して連続的に油圧制動される足首屈曲、および（ｂ）基準角度位置の調整を提供するよう構成されている。基準角度位置の調整もまた、好ましくは油圧制動され、およびユーザ調整可能である。一旦基準角度位置が設定されると、脛部材に対する足部材の回転運動の範囲は単一の一定範囲であることが好ましい。その範囲内で、または、その少なくとも主要部内で適応性制動制御が実行され、制動抵抗レベル間の関係は、地形（表面傾斜および／または階段、ならびに、歩行速度または歩調）などの歩行運動の要求の変化に応じて定められる。回転運動の範囲内で、制動抵抗は、典型的には歩行要求が一定に維持されている間においては、所与の方向（底屈、背屈または両方）へのプログラムされた制動抵抗レベルが歩行周期を通して維持され、ステップ毎に一定に保持されるよう連続的に変動可能または一連のステップにおいて変動可能であることが好ましい。歩行中の屈曲の動的制動を、自動的に適応的に変更させるのではなく、手動で変更させることも可能である。

このような組立体においては、機構は、シリンダ内を移動可能であって、脛部材に対する足部材の回転に応じて、開口を通して作動流体を流す第１のピストン要素を備えるピストンおよびシリンダアセンブリを含み、この機構は、開口を定める第１の弁と、弁を駆動させて開口面積を変更し、これにより、歩行中に、足首屈曲に動的可変油圧制動をもたらす電気的アクチュエータとをさらに含むことが好ましい。

この機構は、第１のピストン要素が脛部材に対する足部材の回転に応じて移動するときに作動流体が流される他の開口を定める第２の弁要素を含み、第１および第２の弁は、第１の弁および第２の弁が、独立して、それぞれ、背屈方向および底屈方向における屈曲に対する機構の制動抵抗を決定するよう構成され、かつ、配置されていることが好ましい。

基準角度位置の制動された調整は、機構が第２のピストン要素およびロック弁をさらに含むよう構成することにより実施されることが好ましく、ここで、第２のピストン要素は、脛部材に対する足部材の回転に応じてロック弁を通して作動流体を流すよう構成されており、ならびに、ロック弁は、閉鎖されて第２のピストン要素をロックし、これにより、脛部材に対する足部材の基準角度位置を設定することが可能である。

従って、好ましい一実施形態においては、足首継手機構は、脛部材および足部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された油圧ピストンおよびシリンダアセンブリ、ならびに、関連するリンケージを含み；ピストンおよびシリンダアセンブリは、脛部軸と実質的に同軸であると共に実質的にアラインされている第１および第２のピストン要素を含み；第１のピストン要素は、アセンブリに中立位置を有すると共に、脛部材に対する既定の基準角度位置からの足部材の回動に応じて中立位置から移動されたときに開口を通して作動流体を流すようシリンダ中に位置されており、開口を通る流体流が前記回動を制動し；ならびに、第２のピストン要素は、脛部材に対する足部材の回動に応じてロック弁を通して作動流体を流すよう構成されており、この弁は、閉鎖されて第２のピストン要素をロックし、これにより、第１のピストン要素の中立位置に相当する前記基準角度位置を設定することが可能である。このように動作に対する抵抗が弾性でなく大幅に制動される一定の運動範囲にわたる足首の背底屈が可能とされるため、変化する動作要求に基づく負荷下で、不快感を生じさせると共に人工装具の機能を損なわせることとなる高い反力モーメントを発生させることなく、容易に屈曲が可能である足首がもたらされる。

第１のピストン要素の所与の位置での脛部材と相対的な足部材の位置は、通常は閉鎖されているロック弁を開放し、第２のピストン要素を足部材と脛部材との必要な相対的な向きに達するまでアセンブリ中で移動させることにより独立して調整され、その上で、ロック弁は再度閉鎖される。第１のピストン要素の「所与の位置」は、上記では中立位置として言及されている。このいわゆる中立位置は第１のピストン要素をシリンダ中の特定の位置に向かって付勢する機構における弾性要素によって定められるが、「中立」位置は、それ自体はピストンおよびシリンダアセンブリのいかなる特徴または機構によっても定められておらず概念的であるが、単に、ユーザまたは補てつ外科医によって、第２のピストン要素の位置を調整することにより基準角度位置を設定する目的のために選択される位置である。

この調整がなされている間、第１のピストン要素をロックするためのインターロック装置が設けられていることが好ましい。この調整は、足部材および脛部材の選択された基準角度位置を参照して実施されるべき足首の背屈および／または底屈の制御を可能とし、他方に対する一方の部材のこの基準向きは、例えば、靴踵高に基づいて、または、補てつ外科医によって要求されるユーザの特定の機能的特徴を達成するために選択される。制動機能から独立して、および第１のピストン要素を動かすことなく基準角度位置を設定できることは、人工装具の使用中に、靴踵高と関係なく、足首の底屈および／または底屈の有効な範囲が維持されるという効果を有することに留意されたい。

ピストンおよびシリンダアセンブリは多数の異なる方法で構成されることが可能である。本発明の一実施形態において、ピストン要素の一方は、他方のピストン要素中に形成されたボア中を摺動可能である。ピストン要素の一方は、他方のピストン要素を収納するチャンバの横方向に延びる可動性壁を形成することが好ましい。

一方のピストン要素が他方のピストン要素中に形成されたボア中を摺動可能である事例においては、前者の要素は、ボア中を摺動し、ならびに、上記において言及されたシリンダ内を摺動可能とされているピストンロッドによって相互に接続された２つのピストンを含む。２つのピストン間の空間には、この空間を、弁要素を備える第１の流路によって相互に接続された２つの可変容量チャンバに分割する隔壁がある。この弁要素は、典型的には、電子制御下で、開口面積、従って第１のピストン要素の運動に対する抵抗、結果的に、使用中の足首継手の回転（すなわち、歩行運動中、歩行、走行、傾斜地および階段の昇降等であるかどうかにかかわらず）を変更するためにサーボモータまたはステップモータによって、位置範囲にわたって駆動されることが可能である。このような構造は、以下により詳細に説明するとおり、背屈方向および底屈方向に対して独立的にサーボモータまたはステップモータ制御される制動抵抗に関して、反対向きのそれぞれの逆止弁をも伴っていても同一になっていてもよい。

この好ましい実施形態においては、いわゆる「他方の」ピストン要素は隔壁の少なくとも一部を構成し、ピストン要素の両方が共通のシリンダ内で摺動可能である。ピストン要素の両方が二段ピストン部材であって、各々が対応するピストンロッドによって相互接続された２つのピストンを有し、シリンダが上述の内部孔を備えるピストン要素の２つのピストンの間の空間を分割する横断壁であることが好都合である。この横断壁は、横断壁の反対側に形成されたチャンバを連結する弁を備える第２の流路を含む。ロック弁が関連しているこの第２の流路、第１の流路またはこれらの流路は制動開口を備えていることが好ましい。

あるいは、本発明の他の実施形態にあるとおり、ピストンおよびシリンダアセンブリは、回動可能に相互接続されていると共に、それぞれ、第１および第２のピストン要素を収納する２つのシリンダユニットを備えている。一方のシリンダユニット中のピストン要素は、その運動が一方のシリンダユニットの他方に対する回動に関連するよう、他方のシリンダユニットとピボット接続されている。この他方のシリンダユニット、およびその中に収納されたピストン要素は、対応するピストン要素の運動が、ピボット接続されている足または脛部材に対する他方のシリンダユニットの回動に関連しているよう、足部材または脛部材の一方にピボット接続されている。ここで、上述の他方のシリンダユニットは、足部材にピボット接続されており、最初に記載のシリンダユニットが脛部材の一部を形成し、逆もまた同様である。実際には、ピストンおよびシリンダアセンブリは相互に重畳された２つのシリンダユニットを備え、一方の動作は脛部材と中間部材との相対的な回動に関連していると共に、他方の動作は中間部材と足部材との相対的な回動に関連している。好ましくは、基端側に位置された、すなわち脛部材の一部を形成する、またはこれに連結しているシリンダユニットはロック弁を備え、従って、足部材に接続されるよう位置されている他方のシリンダユニットが足首継手制動に関与している間に、基準角度位置の設定のために用いられる。しかしながら、シリンダユニットの位置を反対にすることが可能である。上記実施形態のいずれにおいても、ピストンおよびシリンダアセンブリは、制動開口を通る流体流を防止するよう作動可能な弁要素を含む。上述のインターロック装置は、弁要素およびロック弁の同時開放を防止するよう作動する。

有利には、インターロック装置は、ロック弁および上述の弁要素用の電気的アクチュエータを含む電子弁制御系の一部を形成し、制御系は、少なくとも通常の状況においては、ロック弁または動的に調整可能な弁要素のいずれかがいつでも閉鎖状態であるよう、アクチュエータの動作を制約するよう構成されている。弁要素は、それ自体、制動開口を定める制動制御弁の一部であってもよく、弁制御系は歩行速度または地形を示す電気シグナルを生成するよう適応されたトランスデューサまたはセンサを含み、制御系は、制動制御弁アクチュエータに連結される第１の出力部を有すると共にこのような出力部で、制動制御弁により示されたパラメータまたは複数パラメータに基づいて開口面積を変更させるアクチュエータ駆動シグナルを生成するよう構成されている。

好ましい弁制御系は、弁制御系を用いて、動的応答モードまたは設定モードが選択されるかどうかに基づいてロック弁を開閉することが可能であるよう、サーボモータまたはソレノイドである、ロック弁用の電気的アクチュエータに連結される第２の出力部を有する。動的応答モードにおいては、アクチュエータ駆動シグナルは、第１および第２の出力部で地形および歩行速度に基づく大きさで制動制御弁を開放させると共にロック弁を閉鎖させるよう生成される。反対に、設定モードにおいては、アクチュエータ駆動シグナルは、制動制御弁を閉鎖させると共にロック弁を開放させて、脛部材に対する足部材の前記基準角度位置の設定を可能とする。

本発明の他の変形例において、背面方向および足底方向への屈曲のそれぞれに対する抵抗の差分の制御は平行して機能する、すなわち、一方が、第１のピストン要素の運動に伴ってサイズが変わる可変容量チャンバからの一方向への流体の流れを許容し、他方が、可変容量チャンバへの反対方向への流体の流れを可能にする、例えば、それぞれの流路における２つの制動制御弁を用いて提供されてもよい。各々の場合における流れの方向を定めるために逆止弁が用いられる。各方向における屈曲に対する抵抗の動的変更を可能にするために、個別の電気的アクチュエータが制動制御弁の各々について設けられていてもよい。あるいは、一方または両方が手動で事前設定可能であってもよい。弁制御系は、背屈制動制御のために出力制御弁アクチュエータに供給されたアクチュエータ駆動シグナルが、指示歩行速度が高まるに伴って制動制御弁により開口面積を増加させ、これにより、歩行速度の増加に伴って背屈制動抵抗を低減させるよう、および逆もまた同様であるよう適応されていることが特に好ましい。

本発明はまた、足部材および足首継手機構を含む足首および足の人工装具組立体を含み、この機構は基端側取付インタフェースを含み、継手機構は取付インタフェースに対する内外継手屈曲軸の周りの足部材の一定の制動された回動を使用中に可能にするよう構成されており、ここで：機構は、油圧ピストンおよびシリンダアセンブリ、ならびに、基端側取付インタフェースおよび足部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された関連するリンケージを含み；ピストンおよびシリンダアセンブリは、脛部軸と実質的に同軸であると共に実質的にアラインされている第１および第２のピストン要素を含み；第１のピストン要素は、アセンブリに中立位置を有すると共に、基端側取付インタフェースに対する既定の基準角度位置からの足部材の回動に応じて中立位置から移動されたときに開口を通して作動流体を流すようシリンダ中に位置されており、開口を通る流体流が前記回動を制動し；ならびに、第２のピストン要素は、基端側取付インタフェースに対する足部材の回動に応じてロック弁を通して作動流体を流すよう構成されており、この弁は、閉鎖されて第２のピストン要素をロックし、これにより、第１のピストン要素の中立位置に相当する前記基準角度位置を設定することが可能である。油圧装置による基準角度位置の設定の代わりに、他の機械的調整装置を用いて、踵高の変化に順応するよう足首インタフェースの位置（ピラミッド型装置または脛クランプ）を調整してもよい。

本発明のさらなる態様によれば、人工足首継手アセンブリは、基端側取付インタフェース、先端側取付インタフェース、および基端側取付インタフェースと先端側取付インタフェースとを相互接続する継手機構を含むと共に、先端側取付インタフェースに対する内外継手屈曲軸周りの基端側取付インタフェースの制動された回転運動を使用中に可能にするよう構成されており、ここで、継手機構は、底屈方向および背屈方向のそれぞれにおける足首動作に関連する動的可変制動抵抗を伴う、歩行中の足首動作の連続的に油圧制動される範囲を提供するよう構成されており；足首継手アセンブリは、歩行運動の動力学的および／または運動学的パラメータを示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを備える継手機構に連結された制御系をさらに含み；ならびに、継手機構および制御系は、前記可動範囲にわたって有効な制動抵抗、ならびに、底屈方向および背屈方向への動作に関連する制動抵抗が前記シグナルに応じて自動的に適応されるよう構成されている。

本発明はまた、上述の足首および足の人工装具組立体を含む下肢人工装具を含む。

底屈制動抵抗の独立制御は、膝についての屈曲モーメントを特異的に減少させるよう膝関節中心に対する床反力ベクトルの向きを管理することにより、大腿切断患者の歩行運動における膝の安定性を補助する。この機能は、例えば傾斜地を降りて歩行しているときに有用であり；底屈に対するより低いレベルの抵抗は、膝を不安定とさせることとなる相当の反力モーメントを生成することなく、歩行表面に対する足の再度のアラインメントを可能とする。

さらなる比較例によれば、下肢人工装具は、脛部材、足部材、足と脛部材とを相互接続する継手機構を含み、脛部材に対する内外屈曲軸周りの足部材の一定の制動された回動を歩行運動中に可能にするよう構成されており、制御系は、歩行運動の少なくとも１つの特徴を示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを有し、継手機構は、歩行運動中の脛部材に対する足部材の背屈の限界を調整するための装置を含む。典型的には制御系は、階段または傾斜での歩行を示すシグナルを生成するよう構成されていると共に、水平な地面での歩行を示すシグナルが生成されるときの調整装置によって許容されている背屈の大きさと比して、このようなシグナルが生成されたときに背屈限界を変更して継手機構によって許容される最大の背屈角度を増加させる。さらなる調整装置が、制御系からのシグナルに応じて背屈方向および底屈方向のそれぞれにおける継手機構の制動抵抗の大きさを調整するために含まれていてもよく、制御系および継手機構は、背屈限界および制動抵抗が歩行運動中に独立して調整可能であるよう構成されている。

本発明によれば、再度、下肢人工装具に関して上記に説明した特徴はまた、人工足首および足の組立体に、または、脛および足部材のそれぞれのための基端側取付インタフェースおよび先端側取付インタフェースを有する人工足首継手に設けられていることが好ましいことに留意すべきである。

本発明を、図面を参照して一例として以下に説明することとする。

図１は、本発明による第１の足首および足の組立体が組み込まれた下肢人工装具の断面図である。 図２は、制動抵抗を制御するための一対のサーボ弁に接続されて示される、図１の人工装具の一部を形成する制御系のブロック図である。 図３は、動的制動制御のためのフローチャートである。 図４は、踵高調整のためのフローチャートである。 図５は、本発明による第２の足首および足の組立体が組み込まれた下肢人工装具の断面図である。 図６は、本発明による第３の足首および足の組立体の断面図である。 図７は、本発明による第４の足首および足の組立体の断面図である。 図８は、図７に示されたものと同様の足首継手機構の、ＡＰ面での断面での断面図である。 図９は、図８の足首継手機構の前正面図である。 図１０は、本発明による人工装具によりもたらされる足首可縮性範囲を示す図である。 図１１は、本発明による人工装具の歩行中の動作を示す図である。 図１２Ａは、個別の歩行周期中の制動抵抗の動的制御を示すグラフである。 図１２Ｂは、個別の歩行周期中の制動抵抗の動的制御を示すグラフである。 図１３Ａは、歩行面傾斜および歩行速度による制動抵抗の変形例を示すグラフである。 図１３Ｂは、歩行面傾斜および歩行速度による制動抵抗の変形例を示すグラフである。 図１３Ｃは、歩行面傾斜および歩行速度による制動抵抗の変形例を示すグラフである。 図１３Ｄは、歩行面傾斜および歩行速度による制動抵抗の変形例を示すグラフである。 図１４Ａは、歩行面傾斜および歩行要求の組み合わせに応じた動的制動制御のためのフローチャートである。 歩行面傾斜および歩行要求の組み合わせに応じた動的制動制御のためのフローチャートである。

図１を参照すると、本発明による下肢人工装具は、剛性保持体１２Ａを備える足キール１２を備える足部材１０を有する。剛性保持体１２Ａには、足趾バネ１２Ｂおよび踵バネ１２Ｃが独立して連結されている。キール１２は、主にカーボンファイバ複合材から形成されており、発泡性装飾材カバー（図示せず）により覆われていてもいい。

足キール１２には、主に脛部材１４中に収納されていると共に脛部材１４を足キール１２に接続する足首継手機構１６をその先端に有する脛部材１４が連結されている。この脛部材１４は脛部軸１８を定める。脛部材１４の足キール１２への取り付けは、脛部軸１８の前方にある内外方向に延びる屈曲軸２０Ａを定める足首屈曲ピボット２０により成される。この足首継手機構はピストンおよびシリンダアセンブリの形態であり、このシリンダ２２が、脛部軸１８を中心とする脛管部の延長部を形成する。シリンダ２２は２つの同軸のピストン要素２４、２６を摺動可能に収納し、この軸は、この場合、脛部軸１８と一致する。これらの２つのピストン要素は、歩行運動中に動的制動作用を提供するための第１のピストン要素２４および踵高の独立した調整のための第２のピストン要素２６を含む。後述の記載から理解されるであろうとおり、これらの２つのピストン要素は、第１のピストン要素によりもたらされる動的制動作用の機能に影響することなく踵高設定を確立することが可能であるよう、シリンダ２２中を相互に独立して並進的に動くことができる。

ピストンおよびシリンダアセンブリをより詳細に説明すると、この動的ピストン要素２４は、軸ピストンロッド２４Ｒにより相互に接続された２つのピストン２４Ｐ、２４Ｄを有している。これら２つのピストン２４Ｐ、２４Ｄの間の空間には踵高調整用の第２のピストン要素２６が配置されており、これはまた、第１のピストン要素のピストン２４Ｐ、２４Ｄの間の空間におけるシリンダ内を往復可能であり、それ自体、対応するピストンロッド２６Ｒによって相互に接続されている２つの離間されたピストン２６Ｐ、２６Ｄを有する。踵高調整ピストン２６は、その軸全長に延びて、動的制動ピストン要素２４のピストンロッド２４Ｒを収納する軸孔を有する。踵高調整ピストン要素２６のピストン２６Ｐ、２６Ｄの間には、シリンダ２２の内部に固定されているか一体的にされている、横方向に延びる隔壁２８があり、これにより、第２のピストン要素２６の２つのピストンの間の空間が２つの環状の可変容量チャンバ３０Ａ、３０Ｂに隔てられる。

第２のピストン要素２６は、さらに２つの環状の可変容量チャンバ３２Ａ、３２Ｂが、それぞれ、ピストン要素２４、２６の２つの基端側ピストン２４Ｐ、２６Ｐ間、ならびに、２つのピストン要素２４、２６の２つの先端側ピストン２４Ｄ、２６Ｄ間に形成されるよう軸方向に延びている。

環状の可変容量チャンバ３０Ａ、３０Ｂ；３２Ａ、３２Ｂの対の両方が作動流体で充填されている。

このピストン要素と、踵高調整ピストン要素２６との間に形成された２つの環状のチャンバを相互に接続するよう、各々制動制御弁３６を備えて平行に配置された２つの流路３４が、動的制動ピストン２４の本体を貫通して延びている（１つの流路および１つのこのような制御弁のみが図１に示されている）。弁３６は、各々、動的制動ピストン要素２４の本体にねじ込まれたテーパ状の弁要素の形態であり、サーボモータ３８の形態での対応する電気的アクチュエータにより駆動されて、流路３４への弁３６の弁要素の貫入により形成される開口面積を変化させる（再度、１つのサーボモータ３８のみが図１に示されている）。サーボモータ３８の動作は外側環状チャンバ３２Ａ、３２Ｂ間の流体流への抵抗、それ故、第２のピストン要素２６に対する第１のピストン要素３４の動きに対する抵抗を変化させることが認識されるであろう。流路３４に位置されている逆止弁３９（その１つが図１に示されている）は、一方の弁３６の開口面積が背屈方向における制動抵抗を調節すると共に他方の弁３６の開口面積が底屈方向における抵抗を調節するよう、対応する流路における流体流を足首継手の背屈および底屈に応じて流れるよう制限する。

踵高調整用であると共にロック弁４０の形態の第３の弁が、横断壁２２Ｔ内に収納されて、２つの内側環状チャンバ３０Ａ、３０Ｂを相互に接続している。この弁は第３の電気的アクチュエータ４２により作動され、開放または閉鎖されて、シリンダ２２内の第２のピストン要素２６を、それぞれ、動かすかまたはその動きを防止することが可能である。

ピストン要素２４、２６の並進的動きは、脛部材１４と相対的な脛部接続軸２０Ａの周りの足部材１０の回動動作に関連している。これは、脛部軸１８からオフセットされている軸２０Ａ、ならびに、相互に接続されている、動的制動ピストン要素２４（その先端で）と、足キール１２との間のピボット接続および接続リンク４２、４４により生じ、このリンクは、これらの２つの部材の各々に対するピボット接続を有する。ピボット接続軸２０Ａおよびリンク４４の下方ピボット接続部４８の軸はピストン要素２４、２６の軸に対して横方向に離間しているため、義足足部１０に作用する回転力がピストン要素２４、２６に対する直線的な軸力に転換される。

本発明のこの実施形態においては、動的制動ピストン要素２４を踵高調整ピストン要素２６に対して中立位置に付勢するバネ５０Ａ、５０Ｂが外側環状チャンバ３２Ａ、３２Ｂ中にある。これらのバネ５０Ａ、５０Ｂは任意である。中立位置はバネ５０Ａ、５０Ｂによって定められるわけではなく、むしろ、第２のピストン要素２６に対する観念的な基準であり、この実施形態においては、踵高調整ピストン要素２６の位置を調整する目的のためのものである。

電気的アクチュエータ３８、４２の制御は、足部材１０のキール１２に配設された第１のセンサ５２Ａおよび弁制御系５２の主要部分の筐体中の第２のセンサ（図示せず）を有する弁制御系５２によって実施される。第１のセンサ５２Ａは、脛部軸１８に対して平行および垂直な足部材の加速度を示す出力を有する二段−軸加速度計である。第２のセンサは、シリンダ２２中のピストン要素２４、２６の位置を検出するために配置された磁気変換器である。弁制御系の機能は、（ａ）一対の制動弁３６およびロック弁４０の両方が同時に開放されることを防止してこれらの一方のみを開放するために、弁３６、４０用のアクチュエータ３８、４２間の電気的連動性を提供すること、ならびに、（ｂ）弁３６によって決定される開口面積を、動的に、すなわち、歩行運動中に実時間で、制御系５２の一部を構成するセンサにより検出される歩行運動の動力学的または運動学的パラメータに応じて調整することを含む。

制御系５２の後者の機能が、図２および３に、受信シグナルを処理して表面傾斜および歩行速度を検出し、具体的には、「傾斜ファクタ」および「歩行速度ファクタ」を判定するマイクロプロセッサ制御ユニット５２Ｍに弁制御系５２中のセンサ５２Ａ、５２Ｂからのシグナルが供給される範囲で図示されている。このマイクロプロセッサは制御弁３６に対する弁位置の形で必要な抵抗レベルを算出すると共に、制御ユニット５２Ｍの第１および第２の出力５２ＭＡ、５２ＭＢに対応する出力シグナルを動的制動制御弁３６のためのアクチュエータ３８に供給して、それらの弁要素を要求される位置まで駆動させる。

マイクロプロセッサユニット５２Ｍは、背屈方向への回転に対する抵抗を制御する弁が、示される歩行速度が高まるに伴って、または、昇り傾斜面が示されたときにその開位置に向かって駆動され、ならびに、示される速度が低下したとき、または、降り傾斜面が示されたときにその閉位置向かって駆動されるよう（すなわち、足首の屈曲に対する抵抗が、より高い歩行速度で、および、傾斜を昇って歩行しているときに低減されるよう）、プログラムされる。

同様の様式で、マイクロプロセッサは、底屈方向への回転に対する抵抗を制御する弁を、示される歩行速度が低下するに伴って、または、降り傾斜面が示されたときにその開位置に向かって動かし、ならびに、示される速度が高まったとき、または、昇り傾斜面が示されたときにその閉位置に向かって動かす（すなわち、足首の屈曲に対する抵抗が、より遅い歩行速度で、および、傾斜を下って歩行しているときに低減されるように）。

ここで、踵高調整の目的のための足首継手機構の動作をより詳細に記載する。内側ピストン要素、すなわち、踵高調整ピストン要素２６は、踵高における変化を相殺するために調整されることが可能である可動機械基準として作用することが理解されるであろう。ロック弁４０は、内側ピストン要素２６がシリンダ２２に対してロックされるよう、通常、ロックに設定されている。これは、いわゆる弁制御系の「動的応答」モードの最中の状況であり、動的制動制御弁３６は、このモードの最中は上述のとおり動作される。弁制御系の第２のモードである「踵高設定」モードにおいては、動的制動制御弁３６はその完全閉位置に駆動され、これにより、他がこれと協動するよう、外側ピストン要素２４、すなわち、動的制動ピストン要素が内側ピストン要素２６に対してロックされる。換言すると、２つのピストン要素２４、２６間の空間が固定される。踵高設定モードの最中では、ロック弁４０がその開位置で駆動されて、内側ピストン要素２６を、足１０に与えられた回転力に応じてシリンダ２２中で移動可能とする。このように、制動ピストン要素２４が、予め踵高調整ピストン要素２６に対して所定の位置に設定されている場合には、足１０を脛部材１４に対して要求される角度に設定することが可能であり、これにより、弁４０が閉鎖されて、動的応答モードにおける弁制御系の通常動作を再開することが可能である。

図４を参照すると、従って、踵高調整は、弁制御系５２におけるマイクロプロセッサを制御するソフトウェアによって実行される以下のステップを含む。先ず、踵高調整モードが開始され（ステップ１００）、次いで、制動制御弁３６が閉位置に駆動され（ステップ１０２）、その後、ロック弁４０が開位置に駆動される（ステップ１０４）。この時点では、ユーザは、必要な靴を履いた状態で快適な立位姿勢をとるよう指示される（ステップ１０６）。これは踵高調整ピストン要素２６を新たな設定位置に駆動させ、これにより、ロック弁４０が閉位置に駆動され（ステップ１０８）、および制御系５２が動的応答モードへ戻る（ステップ１１０）。

上記の方法においては、歩行運動中に要求される可動範囲および歩行運動中の屈曲に対する抵抗は、踵高設定に関係なく維持される。人工装具の動的挙動における一貫性は、傾斜の昇り降り、階段の歩行、および異なる速度での歩行などの歩行動作の変化に対するその挙動、ならびに、ユーザが立位状態にある時のシステムの挙動の観点で維持される。調整誤差は、上記において言及したインターロック機能によって回避される。

踵高調整ピストン要素２６によって提供される機械基準に対して制動制御ピストン要素２４を特定の位置に付勢するバネ５０Ａ、５０Ｂが図１に示されているが、このようなバネは、比較的小さな力を発揮することが好ましく、または、実際には、足首継手機構がその屈曲の動的範囲にわたって実質的に非弾性の可縮性をもたらすよう、すべて省略されることが好ましい。

踵高調整および動的制動制御の機能を分離することによって、弁制御系５２のセンサ５２Ａ、５２Ｂによって示される歩行特徴が変化しない限り、制動制御弁３６を設定位置に維持することが可能であることに留意されたい。これは例えば、ユーザが一定の速度で一定の勾配を歩行している間は、弁３６を変更するためにバッテリー電力は必要とされないことを意味する。電力は、歩行速度または勾配が変化したときに弁３６用のアクチュエータによってのみ消費される。

ここで図５を参照すると、本発明による第２の下肢人工装具は、スタックされた基端側および先端側シリンダユニット２２Ｐ、２２Ｄを備えている。この例におけるピストン要素２６、２４の各々は、それぞれのピストンロッド２６Ｒ、２４Ｒに単一のピストンを備えており、ピストンの各々は、独立して、それぞれのシリンダユニット２２Ｐ、２２Ｄ内の流体が充填されたそれ自体のキャビティ中を移動可能である。ピストンの各々は、そのキャビティを、それぞれ、流路５４、３４で相互に接続された２つの可変容量チャンバに分割し、ここで、流路の各々は弁４０、３６をそれぞれ備えている。この場合、１つの動的制動制御弁３６のみが存在する。弁の少なくとも一方が、シリンダユニット２２Ｄのそれぞれの壁中に収納された電気的アクチュエータ３８を備えている。

先端側シリンダユニット２２Ｄは、シリンダユニット２２Ｄを義足足部キール１２にピボット接続するためのピボット軸２０を収納する前側拡張部２２ＤＥを備えており、このピボット接続が内外接続軸２０Ａを定める。図１を参照する上述の実施形態と同様に、リンク部材４４は、そのシリンダユニット２２Ｄにおけるピストン要素２４のそれぞれの動作が脛に対するピボット接続軸２０Ａの周りの足部材１０の回転運動と関連するよう、ピストン要素２４の一方のピストンロッドを足キールに、ピボット接続軸２０Ａから離間した位置でピボット的に相互接続する。

この実施形態においては、基端側シリンダユニット２２Ｐが拡張部である脛部材１４と先端側シリンダユニット２２Ｄとの間にも同様のピボット接続が存在する。再度、シリンダユニット２２Ｐのそれぞれは、第２のピボット接続軸５６Ａを定めるピボット軸５６を収納する前側拡張部２２ＰＥを備えている。第２のピボット接続軸５６Ａの後ろ側には、シリンダユニット２２Ｐにおけるピストン要素２６の動作が基端側シリンダユニット２２Ｐと先端側シリンダユニット２２Ｄとの間の回動動作に関連するよう、基端側シリンダユニット２２Ｐに収納されたピストン２６のピストンロッド２６Ｒの間にピボット接続部５８が離間して存在している。

図示の人工装具においては、先端側シリンダユニット２２Ｄおよびその関連するピストン要素２４は屈曲制動を行い、相互接続している流路３４に関連する開口面積はニードル弁３６およびサーボモータ３８を用いて、第１の既述の実施形態と同様に比例的に制御される。他方のシリンダユニット２２Ｐおよびそのピストン要素２６は、関連するロック弁４０と一緒になって踵高調整を行い、ロック弁４０は通常動作中、すなわち、動的応答モード中には閉鎖されている。

第１の既述の実施形態と同様に、制動制御弁３６は、弁制御系の踵高調整モード中には閉位置に駆動される。

足首継手機構の機能は、大体において、図２から４を参照して図１の実施形態に関して上述したとおりであり、主たる差は、背屈に対する抵抗のみが動的に可変であると共に、ピボット軸２０Ａは単なる動的屈曲軸であって、動的屈曲および踵高調整の両方に関与する軸ではないことである。その代わり、この第２の実施形態において、個別の踵高調整軸５６Ａが設けられている。第１の実施形態と共通するこの実施形態の有する一の特定の特徴は、２つのピストンの動作が、脛部材１４に対する足部材の関連する回転運動に関して累積的であることである。

２つの実施形態に共通する他の特徴は、２つのピストン要素２４、２６の軸は、相互および脛部軸１８の両方と少なくとも略一致することである。図５を参照する上述の実施形態の場合において、この規定からの軽微な差が、いくらかの制限的な回動が基端側および先端側シリンダユニット２２Ｐ、２２Ｄの軸との間で設定踵高に基づいて生じる範囲で生じる。共に少なくとも脛部軸にほぼ沿って延びるこれらピストン軸の縦方向の向きは特に小型の構造をもたらし、要求される形状を維持する足首の装飾のために、十分な空間が足首継手機構の周囲に確保される。

上述の本発明の実施形態の各々は脛部材１４、足首継手機構１６および足部材１０を含む下肢人工装具であるが、本発明はまた、足首および足の人工装具組立体または人工足首継手などの取り外し式のユニットをも含み、前者は脛部材取付インタフェースを足首継手機構に有すると共に、後者は脛部材取付インタフェースおよび足部材インタフェースアタッチメントの両方を足首継手機構に有することが理解されるであろう。このモジュール式アプローチは、異なる脛部材および／または足部材の足首継手機構との相互接続を可能とする。

要約すると、上述の人工装具の各々においては、少なくとも１つのピストンを用いて、人工装具が歩行運動動作に用いられていないときにアライメントが変更され、アライメントは、不正確な調整のリスクを低減させるために電子的に制御されることが好ましいことがわかるであろう。好ましくはマイクロプロセッサ制御される第２のピストンは、特に歩行速度および表面傾斜といった歩行条件の変化に基づいて実時間で可変的な可縮作用によって、人工装具の制動特徴に適応するために用いられる。電子制御弁が上記において開示されているが、これらの弁は、手動で操作されるか、または、調整されてもよい。連係弁制御手段は、好ましくは、踵高調整弁が開放されているときに、動的制御弁を確実に閉鎖し、開放されないようにする。

動的弁制御は、本発明の単一および二重ピストン実施形態の両方で用いられる。図６を参照すると、本発明による第３の人工装具は、基端側および先端側取付インタフェース１１６Ｐ、１１６Ｄを有する人工足首継手１１６の形態であって、前者は、脛部軸１８を定める脛管部クランプの形態であり、後者は、従来のピラミッド型ソケットの形態である。ピラミッド型ソケット１１６Ｄは、義足足部１０のキール部１２に取り付けられたピラミッド型部材１２Ｐを受ける。脛管部クランプ１１６Ｐは、円柱状筐体１１４の一部を形成する。筐体１１４は、図１および５を参照して上述されている実施形態と同様に、脛部軸１８の前方で内外方向に延びる屈曲軸２０Ａを定める足首屈曲ピボット２０によってピラミッド型ソケット１１６Ｄに取り付けられている。円柱状筐体１１４内には、歩行運動中に動的制動作用をもたらす１つのピストン要素１２４があり、この筐体１１４は、ピストン要素２４のピストン２４Ｐ、２４Ｄ間の空間を２つの流体が充填されたチャンバ３０Ａ、３０Ｂに隔てる横断壁１２２Ｔを有する。横断壁１２２Ｔは、関連する電気的アクチュエータ１３８を有する弁１３６を備え、この弁およびアクチュエータは、一緒に作用して、ピボット軸２０Ａの周りの足１０の屈曲に応じてピストン２４が筐体１１４内を並進的に動くに伴って、チャンバ３０Ａ、３０Ｂ間の流体流に対する抵抗を変更し、このような回転運動が、リンク４４およびピボット２０によるピストンの並進的動きに変換される。

ピストン２４の基端側拡張部２４Ｅに関連して、ピストン行程範囲制御カラー１６０が存在する。このカラー１６０の軸位置は、筐体１１４に固定されたリニア電気機械アクチュエータ１６２の動作に応じて調整可能である。カラー１６０はピストン２４に対する少なくとも背屈終止点をもたらすような形状であり、これにより、筐体１１４と相対的な足部材１０の背屈が制限されている。

既述の実施形態にあるとおり、電子制御系５２が筐体１１４に装着されている。これは、ピストン２４の位置を検出するためのセンサだけではなく、例えば、筐体１１４の角速度（それ故、脛管部コネクタ１１６Ｐにおける脛管部の角速度）を検出するためのジャイロセンサ、ならびに、任意により、それぞれ加速度および角度位置を計測するための加速度計または傾斜計をも備える。上記と同様に、制御系５２は、センサからのシグナルを測定して、歩行運動速度および表面傾斜だけではなく、階段の形態での地形変化、ならびに、切断患者がこのような階段を昇り降りしているかを示すシグナルを生成するマイクロプロセッサを備えている。歩行事象間のシグナル量の期間および程度、およびこれらの発生シーケンスを用いて速度および動作または地形を示すことが可能である。ＭｏｒｒｉｓおよびＨａｙｅｓらの本願明細書中上記の論文において公開されたものを含め、公知の動作追跡技術を用いて、階段歩行を示す歩行している傾斜の勾配およびステップ高さの差を判定できる。

制御系５２の一部を形成するマイクロプロセッサシステムは、センサからのシグナルを処理して、アクチュエータ１３８、１６２を歩行運動中に駆動することにより２つの動的制御弁１３６およびピストン行程範囲制御カラー１６０を調整し、これにより、背屈および底屈制動抵抗および屈曲範囲を動的に調整し、特に、背屈終止点を動的に調整する。制動抵抗および終止点の独立制御が可能であることに留意されたい。

油圧剛性および可動範囲が調整されるよう、制御系５２によって調整が能動的に実施されて、種々の速度で歩行しているとき、ならびに、傾斜地および階段を歩行しているときに、連続的に歩行運動が最適化される。ピストン行程範囲制御が歩行周期におけるエネルギー吸収および保存のタイミングおよび量を効果的に制御する一方で、弁１３６がエネルギー散逸率を決定する。リニアアクチュエータ１６２を用いて制動弁１３６から独立した様式でピストン移動距離を限定し、これは、作動範囲制御カラー１６０を全てのステップで動かす必要がなく、これにより、制御アクチュエータに電力供給される時間が著しく低減されるという利点を伴う。

背屈制動抵抗は、底屈制動抵抗とは別に制御されてもよい。背屈抵抗は、より速い歩行運動速度で低減される。この実施形態においては、底屈抵抗は、歩行運動速度と共に増加される。範囲制御カラー１６０およびその関連するアクチュエータ１６２によってもたらされる調整可能な背屈終止点に関しては、例えば階段の降下を示すシグナルが制御系において生成された場合、制御系５２は、範囲制御カラー１６０を下方に（すなわち、先端方向に）調整するよう配置される。示された地形変化の他に応じて、屈曲範囲のさらなる調整が行われることが好ましい。

可変終止点の設定は他の方法で達成されてもよい。例えば、動的ピストン制御弁１３６は、制御系５２におけるマイクロプロセッサの制御下に、歩行周期における異なる角度および時間で、歩行運動中に完全に閉鎖されることが可能である。これは、選択された踵高および歩行要求に応じて、全てのステップで必要となる。

さらなる代替として、図１を参照して上述した二重ピストン構造を用いて制動抵抗制御から独立した範囲制御をもたらしてもよく、内側ピストンはピストン行程範囲（屈曲終止点）を変更するために用いられる。これは、内側ピストン２６（図１を参照のこと）を、電子駆動油圧ポンプ（図示せず）によって段階的、かつ、正確に動かすことにより達成され、センサ系は、フィードバックループによりピストン２６の位置を監視するために用いられる。この場合においては、ロック制御弁４０（図１）はポンプ構造により置き換えられており、これにより、参照ピストン２６を能動的に動かすよう、チャンバ３０Ａ、３０Ｂ間の作動流体を移動させる手段が提供されている。あるいは、参照ピストン２６は、所定の基準位置から既知のインクリメントで動かされてもよい。

さらなる実施形態においては、図１に示される構造を用いることで、参照ピストン２６をロックするためのロック弁４０が、歩行運動の底屈および背屈相中の参照ピストン２６の段階的な動きを促進するために用いられてもよい。この場合、歩行運動中に生成される力が参照ピストン２６を物理的に動かすために用いられ、弁３６（図１）が適切な時間で閉鎖される。制御系５２は弁操作を協調させると共に、参照ピストン位置を監視する。

図７を参照すると、本発明の他の単一ピストン実施形態は、脛部接続軸１７２を定めるピラミッド形状の脛部接続インタフェース１７０の形態で脛部材を備える。図１を参照して上述した実施形態と同様に、足首継手機構１８は脛部材を足１０の足キール１２Ａに接続し、足キール１２Ａへの取り付けは、屈曲軸２０Ａを定める足首屈曲ピボット２０による。

継手機構１６の本体は上下ピストンロッド２４Ａ、２４Ｂを備えるピストン２４を有するピストンおよびシリンダアセンブリのシリンダを形成し、下ピストンロッドは第２のピボット接続部４８で足キール１２Ａにピボット接続されており、この第２のピボット接続部により、本例では、屈曲軸２０Ａより後側に離間している第２の内外軸が定められている。機構１６の本体が屈曲軸２０Ａの周りで回動すると、ピストン２４は、機構本体により形成されたシリンダ内を略直線状に移動することがわかるであろう。

シリンダは、上下チャンバ３２Ａ、３２Ｂに分割されている。これらのチャンバは、足首機構の本体１６における２つの迂回路によってリンクされており、その一方が図７に示されているが、ここでは、図面の切断面の後にあるために点線により示されている。他方の流路は、切断面の手前に位置されているために図７には示されていない。しかしながら、その構成は以下に説明されるとおりほとんど同等である。これらの２つの迂回路は、以下により詳細に記載されるとおり、上チャンバ３２Ａに開口する共通の連結路１７８として、ロック弁１７６を介してシリンダの上チャンバ３２Ａに連通する。

２つの迂回路（その一方である３４が図７に示されている）は、各々、関連するアクチュエータをサーボモータ３８の形態で備える制動抵抗制御弁３６を含む。サーボモータ３８が作動されると、弁３６の弁部材が回転して弁３６の開口面積が累進的に増減される。迂回路３４はまた逆止弁３９を備える。この可変面積開口弁３６および逆止弁３９は、迂回路３４中に、ロック弁１７６と下チャンバ３２Ｂとの間に直列に配置されている。

図７に示されている迂回路３４は、下チャンバ３２Ｂから上チャンバ３２Ａへの作動流体の流れを可能にするような向きの逆止弁３９を備えている。他方の迂回路（図示せず）は、逆方向に向いた逆止弁を備える。従って、一方の流路３４が背屈中に作動し、他方が底屈中に作動する。ロック弁３２が開放されている場合、足首継手機構１６と相対的な、屈曲軸２０Ａの周りの足部材１０の連続的な可縮性動作が、ピストンを備えるシリンダの下壁および上壁へのピストンの当接によってそれぞれ定まる背屈および底屈限界の間で可能とされている。背屈および底屈に対する制動レベルは、上述のもののような制御系（図７には図示せず）により、それぞれの可変面積開口によって独立して、自動的に予め設定可能である。制御系は、図１および５を参照して上述した実施形態と同様に、センサ５２Ａを、足キール１２Ａに取り付けられた形態で備える。

脛部接続インタフェース１７０は、従来の、ピラミッド型構造のものである。典型的には、脛部接続インタフェース１７０に脛管部が取り付けられ、この脛部材は、当業者に周知のように、その先端に、脛管部の向きを足首継手機構１６と相対的に調整するためのアライメントネジを有する環状のメスピラミッド型レセプタクルを備えている。中立アライメント位置では、脛管部（脛部軸）の軸が脛部接続軸１７２と一致する（図７に図示）。脛管部がこの中立位置足首ユニット１６に固定されている場合、ピストン２４の下シリンダチャンバ３２Ｂの下壁への当接により定められる足首および足の人工装具の背屈の限界は、ユーザが水平な面上に立っているときの垂線に対する脛部軸の前側へのチルトに対応する。ピストン２４の上シリンダチャンバ３２Ａの上壁に対する当接により定められる底屈限界は脛部軸の後側へのチルトに対応する。

この実施形態においては、背屈限界および底屈限界での脛部接続軸２２の前傾チルト角および後傾チルト角は、垂線に対してそれぞれ４度（前側）および８度（後側）である。

この実施形態において、ロック弁１７６が開放されている場合には、足首および足の人工装具が歩行運動中および立位中に自由に屈曲できる可縮範囲は、上下シリンダ壁に対するピストンの当接によって示される機械的終止点によって決まる。この点においては、上下シリンダ壁が、図６を参照して上述した機構のカラー１６０と同じ方法で可縮範囲を定める。踵高調整は、脛管部アライメントを変更することにより行われてもよい。角度の大きさはピストン行程によって決まるため、脛部接続インタフェース１７０での脛部材アライメントの変更は可縮範囲の角度の大きさを変化させないが、垂線に対する屈曲範囲限界の位置を変化させる。

従って、角度範囲の大きさは、足首および足の人工装具の構成および幾何学的形状、ならびに、その油圧継手機構によって固定されていることが理解されるであろう。背屈および底屈の程度は、それぞれ、上述のとおり脛部材接続部のアライメントによって変更される。代替的なアライメントインタフェースを用いて、背屈および底屈限界の位置を調整することが可能であることが理解されるであろう。例えば、前傾−後傾チルトアライメントインタフェースが、足首ユニット１６と足キール１２との間に設けられてもよい。このようなインタフェースは、ここで図８および９を参照して説明する本発明のさらなる実施形態によって提供される。

図８を参照すると、本発明のこのさらなる実施形態は、上記のものと同様に、脛管部（図示せず）との調整可能な接続のための脛部接続インタフェース１７０が取り付けられた足首ユニット本体１６Ａと、既知の種類の足キール（図８には図示されていない）のピラミッド型コネクタを受けるための足接続インタフェースが組み込まれた足取付部材１６Ｂとを有する、２部の足首継手−機構の形態である。継手機構は、屈曲ピボット２０およびピストンロッド接続ピボット４８が義足足部のキールに直接的に収納されるのではなく、足取付部材１６Ｂ内に収納されていること以外は、図７を参照して上述したものと同一である。図８の事例においては、図面は、脛部接続インタフェース１７０の軸と、ピストン２４を収納するシリンダと平行ではあるがこれらから離間した垂直な前側−後側面での断面である。従って、シリンダの下チャンバ３２Ｂから上チャンバ３２Ａへの作動流体流（背屈、すなわち、ピボット２０の周りの足取付部材１６Ｂの足首ユニット本体１６Ａに対する時計周りの回転に対応する）を可能にする迂回路が実線で示され、制御弁１７６と上チャンバ３２Ａとの間の共通連結路１７８が点線で示されている。

逆止弁３９は、底屈を可能にする迂回路（図示せず）に対応する逆止弁を備えているが、図７を参照して上述したとおり、この対応する弁の向きは図８に示されているものとは逆にされていることが理解されるであろう。

疑義を避けるために、上下ピストンロッド２４Ａ、２４Ｂを収納する足首ユニット本体１６Ａにおけるボアは、足取付部材１６Ｂの足首ユニット本体１６Ａに対する回転に伴う、シリンダに対するピストン２４およびピストンロッド２４Ａ、２４Ｂの一定範囲での揺動を許容するための十分な間隙がピストンロッドの周囲に設けられていることは指摘されておくべきである。ピストン２４の外周部は、この理由のためにも、弓状の断面を有するような形状とされている。同一の機構が図７の足首ユニットにも存在する。

足首ユニット本体１６Ａの先端側部分は、屈曲ピボット２０のピボット軸およびピストンロッド接続ピボット４８を収納するトラニオン１６ＡＡの形態とされている。足取付部材１６Ｂは、一体型の環状メスピラミッド型アライメントリンク１６ＢＡを備えている。この環状ピラミッド型コネクタは４本のネジ１８０を備え、そのうちの３本が図８に示されている。

足首ユニットトラニオン１６ＡＡは図９により明瞭に示されている。図９には、足首ユニット本体１６Ａの前面でアクセス可能な２つの弁調整スピンドル３６Ａ、３６Ｂもまた示されている。これらは、動的制動制御弁３６（または流れ抵抗アジャスター）の一部を形成している（これらの１つが弁３６として図８に示されている）と共に、背屈方向および底屈方向のそれぞれへの足首屈曲に対する制動抵抗の連続的な電子的調整を可能にする。サーボモータ３８は、弁スピンドル３６Ａ、３６Ｂの位置をより明確に見ることができるように、図９においては点線で示されている。

図８を再度参照すると、ロック弁１７６は、スプール弁ボア内を摺動可能であるスプール部材１８２を備えるスプール弁である。ボアは３つのポート（図示せず）を有する。第１のポートは、シリンダの上チャンバ３２Ａと連通する共通連結路１７８のものである。第２および第３のポートは、共通流路１７８に対して内側および外側方向にオフセットされて、迂回路３４へ連通をもたらしている。

スプール部材１８２の一端には手動で操作可能な押しボタン１８４（図９を参照のこと）があり、これは、スプール部材を覆うバネ座金のスタックの外方への付勢力に抗して押されると、図４に示されるようにスプール部材１８２を開位置に移動させる。

スプール部材１８２がその開位置にある場合、これは、迂回路３４と、シリンダの上チャンバ３２Ａに連通する共通流路１７８との間の流体流を可能にする。反対に、押しボタン１８４が解除された場合には、スプール部材１８２が動いて上シリンダチャンバ３２Ａと迂回路３６との間の流体流を防止する。結果として、押しボタン１８４が解除されると、解除の瞬間にどの屈曲角度にあろうと足首ユニットが油圧的にロックされる。押しボタン１８４は、押しボタンをその押圧位置に維持させるデテントを備えている。これが、迂回路３６（図８）を通る作動流体の流れを可能にするロック弁１７６の定常位置であり、その結果、足首ユニットの可縮性背屈および底屈が可能とされる。

同一のロック弁構造が、図７を参照して上述した足および足首の人工装具の足首継手機構に存在している。

足継手部が、図８および９を参照して上述したとおり足部材に取り外し可能に取り付けるための２部のアセンブリの形態であろうと、または、図７を参照して上述したとおり義足足部に直接ピボット的に取り付けられる足首継手機構の形態であろうと、継手機構は、図１０に図示されるように、可縮性足首屈曲を可能とする。点線は、脛部材５６の、足部材１０に対する屈曲の機械的な油圧可縮範囲の底屈（ＰＦ）および背屈（ＤＦ）限界を示す。角度範囲の大きさは、継手機構およびその制動ピストン・シリンダアセンブリの幾何学的形状によって一定である。これらの好ましい実施形態においては、範囲の大きさは一定であるが、図１０に鎖線で示される中立位置に対する両限界の位置は、上述のアライメント調整可能な接続インタフェースの１つを用いて、足部材に対する脛部材のアライメントを調整することにより変更可能である。このように、屈曲範囲を図１０に示される位置よりも前側または後側に付勢して、ＰＦまたはＤＦ方向のいずれかにより大きな運動範囲を形成してもよい。通常のアライメント設定では、とりわけ足趾バネの剛性にもよるが、中立軸に対して前側へ２度から６度のチルトでの背屈限界、ならびに、中立軸に対して後側への４度から１０度のチルトでの底屈限界がもたらされる（図１０に鎖線で図示されている）。

手動での油圧ロックがかかっていない場合には、ユニットは、連続的に、歩行および立位中の背屈限界以下の、背屈方向（および底屈方向）への可縮性を許容する。

本出願人らは、背面または足底方向への弾性付勢が最小、好ましくはゼロであり、かつ、屈曲限界が上記範囲内に設定された可縮性足首を提供することにより、階段の歩行中および傾斜地の歩行動作中、ならびに、立位中に利点がもたらされることを見出した。正常な体においては、立位バランス制御の生体力学は、関節の回転中心間での外部モーメントの自然なバランシングを特徴とする。関節の回転中心の幾何学的位置および体重心と反力ベクトルとの相対的位置が、安定化作用にとって重要である。肢人工装具を伴った肢安定性は、筋肉により発生する内部モーメントではなく、主に幾何学的形状に依存する。そのため、最小の筋肉活動で長時間の立位が可能である。わずかな上体の周期的な姿勢の揺動もまた安定性に寄与する。従って、自然な立位姿勢およびバランス制御を低レベルの内部抵抗トルクを示す継手で達成することが可能であり、股、膝および足首関節に対する床反力ベクトルの位置が肢安定性の主要源となる。上述の足首・足の組立体によってもたらされる様式で人工足首における可縮性を許容することで、下肢切断患者に対するこの機能が補助される。

ここで、上述の特徴を有する下肢人工装具における歩行の立脚相中の動的作用を、図１１を参照して説明する。踵接地（ａ）においては、足首は、前のステップのロールオーバ動作から背屈状態にある。足が足底接地状態（ｂ）に移行するに伴って、足踵バネおよび足首での油圧可縮性の作用下で足首は底屈する。普通、足首での底屈が、この段階では人工装具の継手機構による底屈限界に達することはない。ロールオーバの最中（ｃ）には、人工装具によってもたらされる油圧可縮性によって、足首は背屈し始めて滑らかなロールオーバ動作をもたらし、体運動量を保存すると共に、膝機能を向上させる。ロールオーバ相の終わり（ｄ）に向かうと、継手機構による背屈限界に達する。一旦これが生じると、機械的エネルギーが足のキールに向けられて（ｅ）、離地のためのエネルギー返還がもたらされる。背屈終止点に足を向けた状態で遊脚相が開始されて、この遊脚相の間に足趾間隙がもたらされる。

図７から１１を参照して上述した組立体は、底屈および背屈において一定の範囲にわたって可縮性が連続的に許容される足・足首システムである。可縮作用は、従来の足要素（すなわち、キール、保持体および独立した炭素繊維複合材製の踵−足趾バネ）に連結された油圧ダンパによってもたらされる。この足首は、従って、歩行および立位中の弾性要素からの干渉を最低限にして油圧ダンパにより、一定の底屈範囲および背屈範囲にわたって自由に連続的に屈曲することができる。立位中には、股、膝および足首関節中心の相対的位置が実質的に正常な立位姿勢を維持することができるようになり、各関節周りのモーメントが自動的にバランシングされ、これにより、肢安定性がもたらされる。しかも、足・足首システムのセルフアライメント作用が、歩行運動中における、肢の各部間でのエネルギー移動制御の向上を促進し、ユーザの股関節が機械的エネルギー移動の主要な原動力となり、および膝関節が主要な推進役となる。立位安定性およびバランス制御の安定化のこのバイオミメティックな方法は、傾斜地での立位でも、油圧部材の可縮作用によって、関節間のアンバランスおよび不快感を生じさせる恐れのある著しい反力モーメントが足首の周りに発生しないというさらなる利点を有する。一定範囲での油圧可縮性により、足首は自由に動けるため、傾斜面での歩行および立位、ならびに、種々の踵高の履物への変更に対する対応が自動的に達成される。このシステムのさらなる利点は、多様な地形でのロールオーバの最中のよりスムーズで、かつ、より連続的な移行である。

上述したすべての制御実施形態において、底屈および背屈抵抗レベル、プロファイル（すなわち、時間に対する抵抗変化勾配）およびタイミングなどの関数パラメータ、ならびに、背屈可動範囲はプラグラム的に調整可能であることが好ましい。実施形態の各々は、制御系５２内に、無線プログラムデバイス（図示せず）との通信用レシーバを備えていてもよい。無線プログラミングは、補てつ外科医によって、切断患者歩行試験および異なる地形（例えば階段および傾斜面）での試験の最中に実施されて、ルックアップ表などの手段により予め選択されていてもいなくてもよい制御パラメータを調整して、特定の切断患者の特定の歩行運動スタイルおよび取り付けた足および膝部材の機械特性に合わせてもよい。同様に、歩行速度、歩行表面勾配、および階段の昇降などの動作などの歩行運動および使用中に上記関数パラメータがいかに連続的に適応されているかを判定する適応制御パラメータもまた、補てつ外科医の制御下で制御ソフトウェアを用いて調整可能である。指定されたおよび／または計測された適応制御パラメータ値が入力される。これは、ティーチング／プレイバックシステムを用いて達成される。制御パラメータが、既知の歩行条件下で特定の値に向かって自動的に調整される自己同調システムを組み込むこともまた可能である。制動応答における変化は事前に定義され、制御系５２の一部を形成する記憶装置に保存されるデータベースに含まれていてもよく、このデータベースは臨床的経験および複数の切断患者での試験から導かれる。ティーチング／プレイバック、データベース、および自己同調ルックアップ法は組み合わせて用いられる。

弁機能および／または他の関連する背屈規定手段を制御するタイミングは、システムセンサから、および有限状態制御原理を用いて判定される歩行周期の特定の相で行われるように、歩行運動中に同調されることが好ましい。このように、制御系は、人工装具の機械的特徴を最適化し、これにより、歩行運動の生体力学を最適化するように容易に適応されることが可能である。

ここで図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、油圧屈曲制動抵抗および終止点制御は、単一の電子的に制御される弁を用いて達成される。図１２Ａは、ジャイロセンサから入手した歩行運動中の矢状面における脛部材の角速度をプロットしたグラフである。制御弁およびアクチュエータ調整は、図１２Ａに示されているとおり、例えば、脛部材の反時計方向（ＣＣＷ）角度移動と時計方向（ＣＷ）角度移動と間の移行を表すゼロ交差トリガーポイントＢ、Ｃを用いて、踵接地（ＨＳ）および足指離地（ＴＯ）などの歩行事象の検知に対して同調されている。図１２Ａにおいては、縦軸は脛角速度を表し、横軸は時間を表し、このグラフは、完全な歩行周期を示す。それ故、制御弁およびアクチュエータ調整は、シグナルのゼロ交差事象または局所的シグナル最大値および最小値などの検知された歩行事象に関して同調されることが可能である。

図１２Ｂは、ベース抵抗レベルＢから、関連するピストンがロックされている完全閉位置Ｄまでの制動制御弁動作を示す。陰影領域Ａは立脚相中のロック状態の開始についての調整範囲を示し、背屈方向への屈曲に対する抵抗は、踵接地を過ぎて、踵接地ＨＳより前の脛角速度特徴のゼロ交差により表されるトリガーポイントＣの後の所定の時間間隔にある時間Ａまで増加する。時間Ａでのロックの開始は、制御系５２が傾斜または階段（水平歩行と比して）での歩行を検知した場合には遅延される。それ故、屈曲は、踵接地に対して角度的に制限されおよび／または限定される。実際には、図１２Ｂに示される歩行周期毎の弁の動作は、可変背屈角度制限をもたらす。図１２Ｂにおける点線は、検出された歩行運動特徴に応じた抵抗勾配の変更を示す。

可動範囲制限は、脛部材チルト角、速度または加速度などの歩行運動の計測された特徴に応じて生じるよう指定される。歩行運動中になされた他の運動学的または動力学的計測が用いられてもよい。

足首動作の範囲の少なくとも主要部にわたって、背屈方向における制動抵抗は、歩行運動周期の各ステップ中は実質的に一定に維持される。しかしながら、制動抵抗のレベルは、センサ出力に応じて制御系において生成されたシグナルに基づいてステップ毎に変更させられる。底屈方向への制動抵抗についても同様である。通常、足首動作の範囲内のいずれの点でも、制動抵抗をこのような制御系シグナルに応じて数々の異なる値のいずれかに設定することが可能である。実際には、背屈方向および底屈方向の両方における制動抵抗のレベルは、抵抗レベル値の範囲にわたって連続的に変更可能であり、抵抗レベル範囲の制限は、動的制動制御弁の最大および最小開口面積によって決定される。

制御系は、制動抵抗をステップ毎に変更するよう多数の異なる方法でプログラムされる。一構成において、背屈方向および底屈方向の両方での制動抵抗における変化は検出されるパラメータと直線的に関連している。例えば、図１３Ａに示されるとおり、制動制御弁は、表面傾斜に基づいて開放と閉位置との間で直線的に調整されることが可能である。 図１１ＡにＡで示されている制動レベルおよび弁設定は、水平歩行用の動的底屈／背屈バランス設定を表す。

図１３Ｂを参照すると、制御系は、最適な背屈および底屈制動レベルが水平歩行について異なっているようプログラムされる。このようなレベルは、個別の切断患者の好ましい歩行特徴に適応するよう制御系制御系をプログラムすることにより判定される。図１３Ｂの例に示されているとおり、背屈方向への回転に対する抵抗の最適なレベルは、底屈方向のものより小さい。しかしながら、切断患者の要求に応じて逆もまた可能である。

背屈方向への抵抗および底屈方向への抵抗の一方または両方は、検出された表面傾斜に関して非線形であってもよい。図１３Ｃに示した例においては、底屈方向への応答は表面傾斜に関して非線形であり、一方で、背屈方向への応答は線形である。底屈応答および背屈応答の一方または両方は、検出パラメータの値に基づいて非線形であっても線形であってもよい。

上記例の各々において、底屈方向への抵抗は、上昇面傾斜の増加に伴って増加すると共に下降面傾斜の増加に伴って減少し、一方で、背屈方向への抵抗は反対方向で変化することに留意されたい。

歩行速度の変化に対する制動抵抗における典型的な応答が図１３Ｄに示されている。以下に見られるとおり、通常の歩行速度または歩調では、この例における背屈方向への抵抗は底屈に対する抵抗より大きい。歩行速度または歩調が増加するに伴って底屈方向への抵抗が増加し、その一方で、背屈方向への抵抗が低減する。より遅い歩行速度または歩調に対しては逆の変化が適用される。この場合、制動抵抗の変化は線形である。非線形関数もまた制御系においてプログラムされる。

好ましいシステムにおいては、制動抵抗の設定は、足首動作の範囲の少なくとも主要部にわたっては一定に維持され、検出パラメータの変化に基づいて、図１３Ａから１３Ｄを参照して上述した関数を用いてステップ毎に変化する。所与の踵高設定については、足首継手動作の範囲は固定されていてもよく、または、上述のとおり、機械的終止点の可変油圧を用いて変更されてもよい。

歩行要求における変化は個別のステップ毎ベースで判定されてもよく、または、これらは、歩行速度、歩調、表面傾斜または他の計測された歩行変数などの特定の変数の前の数ステップの計測された平均値に基づいて判定されてもよい。

制御系は、制動抵抗における変化が関連するパラメータ値が前とは異なる範囲に収まるような程度で変化したときにのみ生じるよう、検出または算出パラメータ値の範囲をバンドまたはサブ範囲に分割するようプログラムされる。検出または算出パラメータの値の全範囲は、図１３Ａから１３Ｄのグラフにおける表面傾斜または歩行速度値の均一な間隔によって示されるとおり線形に分割されてもよいが、または、例えば二乗または対数関数に基づく非線形であってもよい。換言すると、バンド間の境界は均一であっても不均一であってもよい。これらはまた、プリセットされていても、保存された歩行特徴履歴に基づいて連続的に適応性であってもよい。制動抵抗と、検出または算出パラメータとの間の非線形の関係は、典型的には、制御パラメータの値が中央値（すなわち、例えば水平表面傾斜または通常歩行速度）からさらに偏向するに伴って、抵抗レベルにますます大きな変化をもたらす。

制御系は、検出または算出パラメータの変化に応じて弁開度を調整する目的のために、様々なシーケンスに従うようプログラムされる。図１４Ａを参照すると、検出された歩行面傾斜に弁開度を適用させるための第１の典型的なシーケンスは、動力学的または運動学的パラメータ値を示すセンサシグナルを読み取るステップ（ステップ２００）、歩行面傾斜を、好ましくはステップ毎ベースで計算するステップであって、傾斜が予め設定した傾斜バンドで比較されるステップ（ステップ２０２）を含み、その上で、制御系は、次いで、傾斜に変化が生じたかどうかを判定する（ステップ２０４）。変化が生じていない場合には、シーケンスは、表面傾斜の判定および比較ステップ２０２、２０４を繰り返すよう戻され（ループ２０６）、このプロセスは変化が検知されるまで継続される。変化が検知された場合、例えばパラメータバンドに対する抵抗レベルが割り当てられているルックアップ表を参照することにより必要な制動抵抗レベルが計算され（ステップ２０８）、その上で、作動シグナルが、それぞれ底屈方向および背屈方向への足首回転に対する制動抵抗を制御する弁に接続されたサーボモータ（またはステップモータ）に供給される（ステップ２１０Ａ、２１０Ｂ）。

図１４Ｂのフローチャートに示されるより高度な制御シーケンスにおいては、同様のステップが実施される。この場合、初期の判定ステップ３０２には、表面傾斜、歩行速度、歩調、歩幅長およびステップ高（階段の昇降のための）を含む多数のパラメータのいずれかの計算が関与する。導かれたパラメータの各々は、次いで、過去に保存された値と比較され（ステップ３０４）、および、変化が生じている場合には、必要な総制動レベルが、制動制御弁を作動させるために、予めプログラムされたルールに基づいて計算される（ステップ３１０Ａ、３１０Ｂ）。

上述の人工装具には、足部材のキールに取り付けられた加速度計およびピストン位置検出用の磁気位置センサの一方または両方が組み込まれている。加速度計は、例えば脛管部といった他の位置に取り付けられてもよい。回転または線形位置センサが用いられる。ゆがみゲージセンサが、足首力およびモーメントを計測するために用いられる。圧電曲げセンサが、足バネへのエネルギー保存を計測するために組み込まれていてもよい（例えば足趾バネ１２Ｂ（図１））。このような圧電素子は、電気エネルギーを発電するために用いられてもよい（例えば、制御系５２に電源を供給するバッテリーを充電するため（図１））。この場合、電気エネルギーは各ステップで発電される。

本発明の好ましい実施形態においては、底屈方向および背屈方向への制動抵抗の最適なレベルが、異なる状況における、および異なる歩行要求に対する個別の切断患者の歩行に適した適応性の動的バランスを提供するために得られる。適応性の動的バランスの性質は、脛の動作に対して制動機および加速機のように作用する効果を有するものである。異なる歩行状況に対するこれらの効果を最適化することで、より安定した歩行がもたらされ、筋肉制御によって基端側関節、すなわち、膝および／または股関節部を制御するための切断患者に対する生理学的要求が低減され、断端インタフェースでの応力もまた低減される。

Claims (27)

1. 足部材および足首継手機構を備える足首および足の人工装具組立体であって、前記足首継手機構は、脛部材を含むと共に内外継手屈曲軸周りの前記脛部材に対する前記足部材の制動された回転運動を可能にするよう構成されており、
   前記足首継手機構が、底屈方向および背屈方向のそれぞれにおける足首動作に関連する動的可変制動抵抗を伴う、歩行中の足首動作の連続的に油圧制動される範囲を提供するよう構成されており、
   前記足首および足の人工装具組立体が、歩行運動の動力学的パラメータ、歩行運動の運動学的パラメータ、および歩行環境の少なくとも１つを示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを備える前記足首継手機構に連結された制御系をさらに含み、
   前記足首継手機構および前記制御系が、前記可動範囲にわたって有効であると共に底屈方向および背屈方向への動作に関連する前記制動抵抗が前記シグナルに応じて自動的に適応されるよう構成されている足首および足の人工装具組立体。
2. 制動抵抗が、足首動作の前記範囲の少なくとも一部にわたって足首継手屈曲に対する優勢抵抗であるように構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
3. 前記制御系が、地形を示すシグナルを生成すると共に、これに応じて足首背屈方向における制動抵抗の大きさを変更するよう構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
4. 前記制御系が、地面の傾斜を示すシグナルを生成すると共に、傾斜を降りる歩行を示すようなシグナルに応じて、背屈方向における前記制動抵抗を歩行中に増加させるよう構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
5. 前記制御系が、地面の傾斜を示すシグナルを生成すると共に、傾斜を降りる歩行を示すようなシグナルに応じて底屈方向における前記制動抵抗を歩行中に変更させるよう構成されており、このような変更は、膝を不安定にさせる実質的な外部膝モーメントを発生させることなく、歩行面に対する前記足部材の再調整を可能とする請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
6. 前記制御系が、地面の傾斜を示すシグナルを生成すると共に、傾斜を降りる歩行を示すようなシグナルに応じて、底屈方向における前記制動抵抗を歩行中に低減させるよう構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
7. 前記制御系が、地面の傾斜を示すシグナルを生成すると共に、背屈方向および底屈方向における前記制動抵抗を、前記シグナルが傾斜を降りる歩行を示す場合に、それぞれ、増加および低減させ、前記シグナルが傾斜を昇る歩行を示す場合に、それぞれ、低減および増加させるよう構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
8. 前記少なくとも１つのセンサが前記足部材に取り付けられた加速度計である請求項３から請求項６のいずれかに記載の足首および足の人工装具組立体。
9. 前記制御系が、歩行運動速度を示すシグナルを生成すると共に、背屈に対する前記制動抵抗をこれに応じて歩行運動中に調整するよう構成されている請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
10. 前記制御系が、背屈方向における前記制動抵抗が、歩行運動速度の増加を示す前記シグナルに応じて低減されるよう構成されている請求項９に記載の足首および足の人工装具組立体。
11. 前記継手機構が、前記足部材および前記脛部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された油圧ピストンおよびシリンダアセンブリ、ならびに、関連するリンケージを備え、前記ピストンおよび前記シリンダアセンブリが、前記並進ピストン運動に対する油圧制動抵抗の大きさを変更するよう構成された前記少なくとも１つの調節可能な制動制御弁を含み、前記継手機構が、歩行運動中に前記弁を調整するための少なくとも１つの弁に連結されたアクチュエータをさらに備える請求項１に記載の足首および足の人工装具組立体。
12. 足部材および油圧足首継手機構を備え、前記足首継手機構が基端側脛部材を含むと共に内外継手屈曲軸周りの脛部材に対する前記足部材の制動された回転運動を可能にするよう構成されている足首および足の人工装具組立体であって、前記足首継手機構が、ａ）歩行中に、前記脛部材に対して予め設定された前記足部材の基準角度位置に対して連続的に油圧制動される足首屈曲、（ｂ）前記基準角度位置の調整を提供するよう構成されている足首および足の人工装具組立体。
13. 前記機構が、シリンダ内を移動可能であって、前記脛部材に対する前記足部材の回転に応じて、開口を通して作動流体を流す第１のピストン要素を備えるピストンおよびシリンダアセンブリを備え、この機構が、前記開口を定める第１の弁と、該弁を駆動させて前記開口の面積を変更し、これにより、歩行中に、足首屈曲に動的可変油圧制動をもたらす電気的アクチュエータとをさらに備える請求項１２に記載の足首および足の人工装具組立体。
14. 前記機構が、前記第１のピストン要素が前記脛部材に対する前記足部材の回転に応じて移動するときに作動流体が流される他の開口を定める第２の弁要素を備え、前記第１および第２の弁が、独立して、それぞれ、背屈方向および底屈方向における屈曲に対する機構の前記制動抵抗を決定するよう構成され、かつ、配置されている請求項１３に記載の足首および足の人工装具組立体。
15. 前記足首継手機構が前記基準角度位置の制動された調整を提供するよう構成されており、機構が、第２のピストン要素およびロック弁をさらに備え、前記第２のピストン要素は、前記脛部材に対する前記足部材の回転に応じて前記ロック弁を通して作動流体を流すよう構成されており、ならびに、前記ロック弁は、閉鎖されて第２のピストン要素をロックし、これにより、前記脛部材に対する前記足部材の前記基準角度位置を設定することが可能である請求項１３に記載の足首および足の人工装具組立体。
16. 前記足首継手機構が、前記脛部材および前記足部材の並進ピストン運動と回転相対運動とを変換するよう構成された油圧ピストンおよびシリンダアセンブリ、ならびに、関連するリンケージを備え、
    前記およびシリンダアセンブリが、脛部軸と実質的に同軸であると共に実質的にアラインされている第１および第２のピストン要素を備え、第１のピストン要素は、前記アセンブリに中立位置を有すると共に、前記脛部材に対する既定の前記基準角度位置からの前記足部材の回転に応じて前記中立位置から移動されたときに開口を通して作動流体を流すようシリンダ中に位置されており、前記開口を通る前記流体流が前記回転を制動し、
    前記第２のピストン要素が、前記脛部材に対する前記足部材の回転に応じてロック弁を通して作動流体を流すよう構成されており、この弁は、閉鎖されて前記第２のピストン要素をロックし、これにより、前記第１のピストン要素の前記中立位置に相当する前記基準角度位置を設定することが可能である請求項１２に記載の足首および足の人工装具組立体。
17. 前記ピストン要素の一方が、他方ピストン要素中に形成されたボア中を摺動可能である請求項１６に記載の足首および足の人工装具組立体。
18. 前記ピストン要素の一方が、他方のピストン要素を収納するチャンバの横方向に延びる可動壁を形成する請求項１７に記載の足首および足の人工装具組立体。
19. 前記一方のピストン要素が、ピストンロッドによって相互接続されていると共に前記シリンダ内を摺動可能である２つのピストンを備え、前記２つのピストンの間の空間が、該空間、弁要素を備える第１の流路によって相互に接続されている２つの可変容量チャンバに分割する隔壁を含む請求項１７に記載の足首および足の人工装具組立体。
20. 前記他方のピストン要素が前記隔壁の少なくとも一部を構成し、ピストン要素の両方が前記シリンダと摺動可能であり、
    前記他方のピストン要素がまた、対応するピストンロッドによって相互接続された２つのピストンを有し、および、前記シリンダが前記他方のピストン要素のピストンの間の空間を分割する横断壁を有し、
    該横断壁が、反対側に形成された前記チャンバを連結する弁を備える第２の流路を含み、
    前記弁を備える第２の流路が前記ロック弁を備え、前記第１の流路が前記開口を備える請求項１９に記載の足首および足の人工装具組立体。
21. 前記ピストンおよびシリンダアセンブリが回動可能に相互接続されていると共にそれぞれ前記第１および第２のピストン要素を収納する２つのシリンダユニットを含み、一方の前記シリンダユニット中の前記ピストン要素が、前記一方のシリンダユニット中の前記ピストン要素の運動が一方のシリンダユニットの他方に対する回動に関連しているよう、他方のシリンダユニットとピボット接続されており、ならびに、前記他方のシリンダユニットおよびその中に収納された前記ピストン要素が、対応するピストン要素の運動がピボット接続されている前記足または脛部材に対する前記他方のシリンダユニットの回動に関連するよう、足および脛部材の一方にピボット接続されており、前記一方のシリンダユニットが他方の足および脛部材の一部を形成している請求項１６に記載の足首および足の人工装具組立体。
22. 前記ピストンおよびシリンダアセンブリが前記開口を通る流体流を防止するよう作動可能な弁要素を含み、前記人工装具が、前記ロック弁および前記弁要素の同時開放を防止する、前記弁要素および前記ロック弁に関連するインターロック装置をさらに備える請求項１６に記載の足首および足の人工装具組立体。
23. 地形を示すシグナルを生成すると共に、これに応じて前記足首継手機構を調整して足首動作に対する油圧制動抵抗を変更するよう構成された制御系を含む請求項１２に記載の足首および足の人工装具組立体。
24. 前記制御系が、傾斜地を降りる歩行を検知すると共に、このような検知に応じて、底屈に対する前記制動抵抗を低減するよう前記足首継手機構を調整するよう構成されている請求項２３に記載の足首および足の人工装具組立体。
25. 請求項１に記載の足首および足の組立体を含む下肢人工装具。
26. 請求項１２に記載の足首および足の組立体を含む下肢人工装具。
27. 基端側取付インタフェースと、先端側取付インタフェースと、前記基端側取付インタフェースと前記先端側取付インタフェースとを相互に接続すると共に、前記先端側取付インタフェースの前記基端側取付インタフェースに対する内外継手屈曲軸周りの制動された回転運動を可能にするよう構成された継手機構とを備える人工足首継手アセンブリであって、
    前記継手機構が、前記底屈方向および背屈方向のそれぞれにおける足首動作に関連する動的可変制動抵抗での、歩行中の足首動作の連続的な油圧制動される範囲を提供するよう構成されており
    前記足首継手アセンブリが、歩行運動の動力学的および／または運動学的パラメータを示すシグナルを生成するための少なくとも１つのセンサを備える前記足首継手機構に連結された制御系をさらに備え、
    継手機構および制御系が、前記可動範囲にわたって有効な制動抵抗、ならびに底屈方向および背屈方向への動作に関連する制動抵抗が前記シグナルに応じて自動的に適応されるよう構成されている人工足首継手アセンブリ。

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