JP2011510766A - 整形外科用膝関節ならびに整形外科用膝関節を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、上方の接続手段（２０）が設けられていてなる上部（２）と、この上部（２）に枢動可能に取り付けられておりかつ整形外科用構成要素（４）のための接続手段を有する下部（３）と、伸展運動を制限するためのストッパ（７）とを具備する整形外科用膝関節に関する。ストッパ（７）は、移動可能に形成されており、かつ調整手段（６４）に接続されており、この調整手段は、センサデータに従って調整手段（６４）を作動しかつストッパ（７）の位置を変える制御手段（６）に接続されている。
【選択図】 図８

Description

本発明は、上方の接続手段が設けられていてなる上部と、この上部に枢動可能に取り付けられておりかつ整形外科用構成要素のための接続手段を有する下部と、伸展運動を制限するためのストッパとを具備する整形外科用膝関節、ならびに整形外科用膝関節を制御するための方法に関する。

義肢を備えるという目標は、基本的には、失われた四肢のできるかぎり良好な代用を、できるかぎり機能的な制限なしに提供することである。或る患者の場合、大腿義足に人工膝関節を備えねばならないとき、かような人工膝関節を構成する、多くの構造的な可能性が生じる。

簡単な、受動的な、モノセントリックな人工膝関節が、構造および製造の点で特に簡単であるが、自然な膝関節を不完全に模倣しているだけであり、特に自然な歩行パターンを可能にしない。人工膝関節の座屈に対する防止は、相応に安定的なセットアップによって、すなわち、個々の義肢構成要素の、互いに対するおよび身体に対する関係によって、場合によっては、いわゆるロック式膝関節の場合のロック手段によって支援されつつ、なされることができる。このような人工膝関節の場合、膝は、遊脚相の最後に、常に完全に伸展される。このことによって、モノセントリックな膝関節は、静的に安定的なセットアップの必要の故に、踵接地の際でも、内側へ曲がる傾向を全然有しないか、僅かな傾向を有するのみである。このことは、踵接地の際の衝撃による負荷が、大腿の断端または腰へ直接導き入れられ、他方、生理学的に見て、踵接地の際に、自然な膝関節の約２５°の曲がりがなされることをもたらす。このことは、結果として、接地の際の著しい緩衝を伴う。

モノセントリックな人工膝関節のほかに、ポリセントリック人工膝関節がある。ポリセントリック人工膝関節は、伸展位置の瞬間回転中心の相応に高い位置では、立っている最中のみならず、踵の負荷の下でも、歩行の立脚相の初めに、際立った固有安定性を有する。それ故に、人工膝関節は、伸展した位置では、腰伸展トルクが加えられなくても、安定的である。同様に、このようなポリセントリック人工膝関節によって、立脚相へのスムーズな移行、および前足部への負荷の下での膝屈曲の導入を達成することができる。このことによって、自然な歩行パターンへの近似がなされる。ポリセントリックな人工膝関節は、しばしば、ダンパ手段を有する。ダンパ手段を用いて、安定性を失うことなく、ばねのよく効いたまたは制動された膝屈曲を導入することが可能である。調整可能な枢動ストッパを有するポリセントリック人工膝関節が、特許文献１に記載されている。

更に、センサデータに基づいて、モータの支援によって屈曲および伸展の導入を引き起こす、いわゆる能動的な人工膝関節が知られている。同様に、制動を各々の要求に適合させるために、能動的なダンパ手段がある。このような人工膝関節は、構造および製造の点で極めて面倒である。

DE 40 04 988 A1

従来の技術を前提として、使用者に、快適な歩行およびリラックスした直立を可能にするために用いられる、安価な人工膝関節と、人工膝関節を制御する方法とを提供するという課題が、本発明の基礎になっている。

本発明では、上記課題は、請求項１の特徴を有する整形外科用膝関節および請求項７の特徴を有する整形外科用膝関節を制御する方法によって解決される。本発明の好都合な実施の形態および改善は、各々の従属請求項に記載されている。

上方の接続手段が設けられていてなる上部と、この上部に枢動可能に取り付けられておりかつ整形外科用構成要素のための接続手段を有する下部と、伸展運動を制限するためのストッパとを具備する、本発明に係わる整形外科用膝関節は、ストッパが、移動可能に形成されており、かつ調整手段に接続されており、この調整手段は、同様に、センサデータに従って調整手段を作動しかつストッパの位置を変える制御手段に接続されていることを提案する。整形外科用膝関節とは、人工膝関節のみならず、膝関節装具をも意味する。以下、膝関節について述べるとき、膝関節は、膝関節装具および人工膝関節を意味している。これに対し、自然の膝関節を、別個に、自然な膝関節として述べる。膝関節の場合、特に単軸の膝関節の場合、伸展ストッパの調整可能な位置があるとき、歩行のためには、伸展ストッパが前方へ移動されることができる。このことによって、踵接地の際の、膝関節の屈曲のための、前方へ移動しない場合より大きな傾斜が、従ってまた、立脚相の導入の際の、増大した制動が実現される。立っているために、調整手段は、伸展ストッパが後方へ移動され、それ故に、後方へ移動されない場合よりも静的に安定的な、装具セットアップまたは義肢セットアップが実現されるように、作動されることが可能である。伸展ストッパの動作位置の能動的な調整によって、使用者には、従って、動的な前方移動および接地緩衝による快適な歩行と、安定的なセットアップに基づいてリラックスして立っていることが提供される。

調整手段が、電気モータ、例えば、ステップモータを備えることは好都合である。ステップモータは、適切な制御によって、センサデータに従って、ストッパの極めて正確な位置決めを実現させる。

この代わりに、調整手段は、ストッパを液圧で調整することができる。液圧式の調整システムの基本的なダンパ特性に基づき、同時に、ストッパの緩衝が実現される。電気モータのみによる調整の際には、ストッパは、同様に、ストッパ用ダンパ手段を有することが可能である。その目的は、膝関節の機械的な構成要素のみならず、大腿断端への負荷を軽減するためである。

センサデータが、曲げ角度センサ、加速度センサ、傾斜センサおよび／または力センサとして形成されているセンサによって算出されることは好ましい。その目的は、その時々の運動状態の検出に必要なデータを、出来る限り高い正確性および使用可能性をもって提供することができるためである。

ストッパは、ネジを介して、調整手段に接続されている。それ故に、スピンドルの調整がなされることができる。スピンドル自体またはスピンドルナット、従って雌ネジまたは雄ネジが駆動されることが可能である。その時々に直接に駆動されない要素が、対応の方向に移動される。

膝関節装具または人工膝関節は、しばしば、ダンパ手段または他の液圧手段を有する。これらの手段の場合には、下部が上部に対して移動されるとき、圧液が導管を通って動かされる。従って、このような膝関節の場合、伸展ストッパを調整することができるのは、膝関節が伸展移動の際に所望のまたは計算された角度位置に達したとき、液圧回路に設けられている遮断手段を、調整手段によって閉じることによってである。遮断手段、スロットルまたはバルブは、膝関節が伸展位置に達するとき、場合によっては、調整による遅れを算入しつつ、閉じられることができる。それ故に、圧液が最早流れ続けることができない。このことによって、伸展運動が停止される。伸展ストッパを液圧ストッパとして構成することは、更に、膝関節の機械的な構成要素が損傷を受けないという利点を有する。

伸展ストッパと、伸展ストッパの位置を変えるために用いられる調整手段とを有する整形外科用膝関節を制御するための、本発明に係わる方法は、伸展ストッパの位置を、特に歩行速度および／または歩幅に関するセンサデータに従って変えることを提案する。歩行速度および／または歩幅は、この場合、センサによって算出される。調整ルーチンまたは制御ルーチンは、歩行速度が０であるときに、従って、立っているときに、出来る限り確かなセットアップを供するように、最大限の伸展を調整することを意図する。

出来る限り少ないエネルギを消費し、かつ均等な歩行パターンを達成するために、遊脚相中に、伸展ストッパの位置の変更を行なう。エンドストッパの位置の連続的な適合を実行することは好ましい。この結果、歩行速度および／または歩幅の変化も考慮される。従って、立っている際に好ましい安定的なセットアップが、歩行中に変えられることができて、立脚相中に動的な膝関節が、歩行速度が通常より速い場合でも、接地緩衝に貢献することができる。

伸展ストッパの位置の変化は、屈曲方向または伸展方向における運動抵抗の万が一の変化とは関係なくなされる。伸展ストッパは、ストッパ用肩部、ボルト等の形態で形成されていてもよい機械的なストッパの調整のほかに、バルブを閉じることによっても、なされる。調整可能なダンパ手段を有する膝関節は、制御手段が、収集されたセンサデータに従って、上部に対する下部の所定の位置で、伸展制動弁を閉じて、このことによって、枢動運動の限定を達成するように、形成されていてもよい。バルブが、膝関節が予め設定された位置に達する際に閉じられる遮断弁として、形成されていることは好ましい。場合によっては、伸展ダンパ手段の適合の際に用いられる調整可能なスロットルを、遮断弁として用いることができる。

僅かに屈曲した位置にある大腿義足の略図を示す。 完全に伸展した位置にある大腿義足を示す。 長さ可変の制御ユニットを有する大腿義足を示す。 モータで調整可能な制御ユニットを有する、図３に示した大腿義足を示す。 長さ可変の連結要素を有する大腿義足を示す。 モータで長さ可変の連結要素を有する大腿義足を示す。 制御ユニットの中で移動可能に取り付けられた連結要素を有する大腿義足を示す。 モータで調整可能な機械的なストッパを有する大腿義足を示す。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。図面の同一の参照符号は、同一の構成部材を表わす。

図１は、上部２および下部３を有し、下部に義足足部４が取り付けられてなる大腿義足１の形態をとる整形外科用膝関節の、その基本的なセットアップを示す。上部２および下部３は枢動軸５を中心として枢動可能に互いに結合されている。上部２の近位端には、義肢用ソケットの形態をとる上方の接続手段２０が設けられている。整形外科用膝関節を装具として形成する際に、接続手段は、大腿を部分的に取り囲むソケットの形態で、あるいは、ストラップまたは他の取付手段の形態でデザインされている。上部２および下部３は、自然の脚の内側または外側に延びており、整形外科用構成要素４は、自然の足が挿入される相手である足用ソケットである。

上部３と下部３との間には、制御ユニット６が設けられている。制御ユニットは、上方の取付点２１および下方の取付点３１を有する。上方の取付点は上部２に割り当てられており、他方、下方の取付点３１は下方に割り当てられている。制御ユニット６は、取付点２１，３１に関節式に取り付けられていてもよい。

制御ユニット６は、この例では、互いに対して移動可能に取り付けられているシリンダ６１およびピストンロッド６２を有する。ピストンロッド６２は、上方の取付点２１に設けられており、他方、シリンダ６１は、下方の取付点３１に設けられている。下部３が、上部２に対し枢動される、例えば曲げられるとき、ピストンロッド６２は、シリンダ６１の中に入り込む。伸展運動の際に、構成要素６１，６２が互いから離れる。制御ユニット６の中では、ピストンロッド６２がシリンダ６１からどの位引き出されることができるか、という程度が調整される。図示した位置では、膝関節が最大限伸ばされている。上部２のおよび下部３の縦軸２２，３３が、１８０°と異なる角度で互いに位置している。この場合には、上部２は、義肢が完全に伸ばされているにもかかわらず、下部３に対し僅かに曲げられている。義肢は、シリンダ６１の中のピストンロッド６２によって形成されるストッパに接触している。

下部３のみならず上部２にも、センサ８，９が設けられている。これらのセンサは、義肢１内に生じるモーメント、力または加速度を測定することができる。同様に、これらのセンサ８，９が、上部２および下部３の、相対的または絶対的な傾斜に関する情報を収集することが提案されている。同様に、膝関節１の内部に、曲げ角度センサ１０が、回転軸５の領域に設けられている。その目的は、軸２２，２３相互の従ってまた下部３に対する上部の角度位置を定めるためである。これらのセンサ８，９，１０は、制御手段６に接続されている。それ故に、センサデータに基づき、図示しない調整手段を用いて、ピストンロッド６２の繰り出し長さを変化することによって、伸展の程度に影響を与えることができる。制御手段６には、適切なデータ加工手段が設けられている。これらのデータ加工手段は、今あるデータに基づいて、ストッパの位置および調整距離を算出する。

図２には、図１の膝関節に実質的に対応する膝関節が示されている。ここでは、ピストンロッド６２は、スリーブ６３を有する。このスリーブは、移動可能にまたは回転自在にピストンロッド６２に取り付けられており、スリーブによって、長さの調整がなされることができる。例えば、ピストンロッド６２が調整手段によって回転されるとき、ピストンロッドは、ねじを有するスリーブ６３の中を右回りにまたは左回りに回転することができる。その目的は、シリンダ６１の中でエンドストッパが一定である際に、膝角度の変化を実現するためである。図２の図示した実施の形態では、膝関節１が、完全に伸びた位置で示されている。このことは、縦軸２２，３３が、互いに１８０°の角度に位置していることを意味する。このことは、立っている最中の好ましい位置を示す。何故ならば、このことによって、安定的なセットアップが達成されるからである。

図３で示した義肢は、図１に示した義肢とは、以下のことにより、すなわち、制御ユニット６の長さが、例えば、ねじスリーブ６５によっておよび互いに反対方向に形成されたねじ手段によって、変化可能であり、それ故に、膝関節１の左脇に拡大して示されているねじスリーブ６５の、その回転によって、制御手段６の一部分が、二重矢印によって略示されているように、上方の取付点２１の方向に移動され、またはこの取付点から離されることができることにより、異なる。このことは、ねじスリーブ６５の適切な回転によってなされる。それ故に、制御ユニット６の長さの変化によって、ストッパの位置の移動が引き起こされる。このことは、同様に、伸ばされた位置での最大限の膝角度の変化をもたらす。下方の取付点３１に接続されている、制御ユニット６の一部分が、ここでは、定めた位置にとどまる。

図４には、この移動が、電動式に、調整手段を表わす駆動モータ６４によって、引き起こされることが可能であることが示されている。次に、調整は、制御ユニット６の中での計算に基づいてなされる。この計算は、センサ８ないし１０によって供給されたデータに基づいて実行される。

図５には、制御ユニット６の拡大図を伴う、図２に示す実施の形態が示されている。ねじスリーブ６５は、ピストンロッド６２の、従って、下部３と上部２との間の連結要素の、その長さの変化を引き起こすことができる。ここでも、ストッパが制御ユニット６の中で実現されている。それ故に、上部２と下部３との間の連結要素の長さの変化の際に、ストッパの位置の変化がなされることができる。図６には、連結要素の、ここではピストンシリンダ６２の長さの変化が、電気モータ６４によってなされることが示されている。ここでも、調整が、回転可能なネジロッドによって、または、ピストンロッド６２の雄ねじに係合する回転可能なネジスリーブ６３によって、なされることができる。

図７には、ストッパの変化の変形例が示されている。ここでも、ストッパを、制御ユニット６の中で実現するのは、ピストンロッド６２の最大限の繰り出し長さを変化させることによってである。このことは、ピストンロッド６２すなわち連結要素６２を下方の取付点３１の方向にシリンダ６１へ移動させることによって、例えば、バイパスライン６７の中のバルブ６６を開くことによってなされる。それ故に、圧液が、上方のシリンダチャンバに入り込むことが可能であり、それ故に、ピストンロッド６２がシリンダ６１の中に更に入っていくことができる。同時に、ストッパの位置が、伸展方向に変化される。何故ならば、ピストンロッド６２が、位置が変化されない場合よりも早くに、シリンダ６１の中の最大限のストッパにぶつかり、または圧液を押圧するからである。従って、制御ユニット６の中で連結要素すなわちピストンロッド６２を移動することによって、膝関節１が完全に伸展される際には、変化した膝角度への限定がなされる。膝関節が完全に伸びるのは、下部３が最早更に伸ばされることができないときであり、膝関節が１８０°の角度位置にまだ達していないときでさえある。

代替の実施の形態が図８に示されている。この実施の形態では、ストッパは、通常は圧液式のダンパユニットとして形成された制御ユニット７と関係なく形成されている。別個のストッパ７は、モータによるスリーブの移動によって、膝角度が種々であっても、最終伸展が達成されることをもたらす。調整手段である電気モータ６４の制御信号が、センサ８ないし１０に接続されている制御手段６によって供給される。収集されたセンサデータに従って、例えば、上部２または下部３の傾斜、義足足部または足装具４の接地による軸方向の負荷または曲げ角度センサ６によって算出される膝角度に従って、ストッパの種々の位置が調整される。それ故に、通常の歩行パターンへの改善された適合を達成することができる。図８では、ストッパスリーブ７１およびストッパ７全体の調整が１つのネジ７２によってなされる。このネジは、電気モータ６４に接続されている。

実施の形態に示した人工膝関節１のためになされたデザインは、関節装具にも適切に当てはまる。関節装具の最大限の伸展角度を、同様に、センサデータに従って変えることができる。

電気モータとしての調整手段６４の、図示した実施の形態のほかに、図７に略示されている液圧式のストッパ調整を行なうことができる。バルブ６６の作動は、液圧式にまたは電気機械式に、例えば、スイッチによって、または切換可能なバルブによってなされることができる。同様に、前記センサデータに加えて他のデータを制御手段に供給する他のセンサ手段が設けられていてもよい。同時にダンパ手段として形成されている制御手段６の中に、複数の計算手段がある。これらの計算手段は、ストッパの位置の適切な調整を算出し、調整手段のための制御データを出力する。

２ 上部
３ 下部
４ 整形外科用構成要素
６ 制御手段
７ ストッパ
６４ 調整手段

Claims (12)

1. 上方の接続手段（２０）が設けられていてなる上部（２）と、この上部（２）に枢動可能に取り付けられておりかつ整形外科用構成要素（４）のための接続手段を有する下部（３）と、伸展運動を制限するためのストッパ（７）とを具備する整形外科用膝関節において、
   前記ストッパ（７）は、移動可能に形成されており、かつ調整手段（６４）に接続されており、この調整手段は、センサデータに従って前記調整手段（６４）を作動しかつ前記ストッパ（７）の位置を変える制御手段（６）に接続されていることを特徴とする整形外科用膝関節。
2. 前記調整手段（６４）は電気モータであることを特徴とする請求項１に記載の整形外科用膝関節。
3. 前記調整手段（６４）は前記ストッパ（７）を液圧で調整することを特徴とする請求項１に記載の整形外科用膝関節。
4. 前記センサデータは、曲げ角度センサ、加速度センサ、傾斜センサおよび／または力センサとして形成されている複数のセンサ（８，９）によって収集されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の整形外科用膝関節。
5. 前記ストッパ（７）は、ネジ（７２）を介して、前記調整手段（６４）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の整形外科用膝関節。
6. 前記ストッパ（７）は、圧液導管の中で遮断手段として形成されており、この遮断手段は、前記調整手段（６４）に接続されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の整形外科用膝関節。
7. 伸展ストッパと、この伸展ストッパの位置を変えるために用いることができる調整手段とを有する整形外科用膝関節を制御する方法において、
   前記伸展ストッパの位置をセンサデータに従って変えることを特徴とする方法。
8. 前記センサデータから、歩行速度および／または歩幅を算出し、前記伸展ストッパの位置を、歩行速度および／または歩幅に従って変えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 歩行速度が０であるとき、最大限の伸展を調整することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記伸展ストッパの位置の変化を、遊脚相中に行なうことを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記伸展ストッパの位置の連続的な適合を行なうことを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記伸展ストッパを、圧液導管の中で遮断手段を閉じることによって、調整することを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載の方法。

Images