JP2017538521A - 位置および変化速度に対する機械的反応システムを有する人工関節 - Google Patents

Abstract

人工関節および液圧人工足首関節の背屈と底屈とを制御する方法。この方法は、液圧人工足首を用いて地面反力を生成することと、ここにおいて、この人工液圧足首は第１のチャンバと第２のチャンバとを備え、足首が義足に接続される、地面反力に応答して義足を回転させることと、足の回転に応答して前部チャンバと後部チャンバとの間で流体を移送することと、チャンバ間の流体移送を閉塞させるまたは部分的に閉塞させるための特徴を提供することと、関節の位置と関節の位置の変化速度の両方に反応して流れを制御するための非電子的な機構を用意することとを含み、ここにおいて、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流路を閉塞させるように配置される。

Description

相互参照
[0001]本出願は、２０１４年１２月１８日に出願された「Ｐｒｏｓｔｈｅｔｉｃ Ｊｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ａ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ」という名称の米国仮特許出願第６２／０９４，００９号の利益を主張するものであり、この出願の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]義肢学の分野は、可動性を改善し、負傷したまたは失われた四肢に苦しむ人々に機能を取り戻させることによって、生活の質を高めるために、多くの進歩を経験してきた。義肢は、それが代わりとなる肢の動きを模倣することを試みる。たとえば、健康に機能する足首は、人が足首の動きを意識的に制御する必要はなく、歩容中に一連の底屈運動と背屈運動とを経験する。図８を参照されたい。したがって、患者の快適さと機能とを改善するために健康な足首の動きを模倣することができる人工足首関節を生み出すように、改善が求められてきた。

[0003]人工足首関節は、最も自然な歩容を可能にすることを許可するために、患者が歩くとき、十分であるが制御もされた背屈と底屈とを示さなければならない。一方、義肢使用者が立脚しているとき、安定した姿勢を許可するために、十分な安定性および支持が達成されなければならない。したがって、２つの異なる状態で、すなわち、一方は歩くために、他方では立つために、義肢が動作されることが必要である。故障の影響を受けることがほとんどなく、低コストで、エネルギーを節約する義肢を軽量に構築するために、義肢は、電子制御要素なしで機能することが可能であるべきである。義肢は、また、義肢の装着者が、人工関節、特に人工足首関節を、「歩行」という状態から「立脚」という状態に、またはその逆に切り換えるなどのために、義肢を１つの状態から他の状態に切り換えるために、何ら不自然な動きを実行する必要がなければ有用である。対応する動きまたは動きパターンは、それらに割り当てられた目的を満たす場合でも、その動きまたは動きパターンは、日常生活で不自然に見え、それによって、義肢使用者が、潜在的に不愉快な様式で義肢使用者であるということが居合わせた人に認識可能になり得る。

[0004]したがって、本発明は、人工関節、特に人工足首関節と、ならびに言及された欠点を軽減または除去する、人工関節の制御のための手順とを提案する課題に基づく。

[0005]２つの異なる状態で機能を提供することができる人工足首関節設計が開示される。第１の状態では、関節は、動的な制御された抵抗歩行歩容を提供するように適合され、第２の状態では、関節は、静的な、完全に支持された立脚状態を提供するように適合される。液圧で調節される人工関節は、マイクロプロセッサによる各状態の作動なしに、歩容中に足首を動的に実行することを優先して立脚安定性を犠牲にすることなく、これらの状態の両方を可能にする。

[0006]歩行歩容中に、健康な人間の足首は、一連の制御された背屈期間および底屈期間を通して、約３０度の範囲をカバーする。図８を参照されたい。立脚中に、体重を支持する地面反力（ＧＲＦ：ground-reaction-force）は、足の中央に置かれ、方向的に足首関節の前方側に進む。これは、安定性を達成するために相殺されなければならない足首関節上でのモーメントを作り出す。健康な足首において、足首は、足底屈筋によって支持される。機械的義肢では、堅固な取付けによってなどの、機械的支持の手段によってモーメントを相殺することが知られている。中立位置に対する背屈を可能にする液圧で減衰された足首では、このモーメントは支持されず、立脚という非常に一般的なタスクに関する足首の不安的で不満足なパフォーマンスにつながる。

[0007]本明細書で説明される人工関節は、一実施形態では、関節が足首として使用可能であるという利点を有する。関節は、自然に機能する関節を模倣する、歩行状態と立脚状態とを制御するために受動的な機械的反応システムを有する。人工足首関節は、歩行時の自然な足首の動きを模倣する背屈と底屈とを提供し、立脚時の支持も提供する。

[0008]本発明による人工関節は、第１のコネクタおよび第２のコネクタが互いに対して回転することを可能にする第１のコネクタと第２のコネクタとピボットデバイスと、第１のチャンバと第２のチャンバと、ここにおいて、これらのチャンバが１つまたは複数の流体流路を介して接続されている、チャンバ間の流体流れを制限するように構成された閉塞部と、流れを制御するための非電子的な機構と、この機構は、関節の位置および／または関節の位置の変化速度に反応する、を備える。好ましくは、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流路を閉塞させるように配置される。好ましくは、機構は、関節の位置と、この位置の変化速度の両方に反応する。

[0009]人工関節または義肢関節は、好ましくは、人工足首関節である。２つのコネクタが、ほとんどあらゆる知られている形を取ることができる関節を介して、互いに枢動的に接続される。これらの部分は、たとえば、下肢部のための足裏部または取付け要素などの足首関節の機能部分であってもよいし、義肢関節のさらなる部分が取付け可能な追加要素であってもよい。これらは、それぞれの人工関節、特に人工足首関節のために必要とされる領域を少なくともカバーする角度領域を介して枢動して、互いと位置合わせされる。

[0010]２つのチャンバは、流体で満たされ、流体接続を介して流れ技術的に（flow-technically）互いに接続される。関節の位置が変更されると、すなわち、内角が変化するように、第１のコネクタおよび第２のコネクタが互いに対して枢動されると、これが、２つのチャンバの一方からの流体をそれぞれの他方のチャンバに流入させる。互いに対する２つのコネクタの特定の位置は、以後、関節位置または関節の場所とも呼ばれる。

[0011]関節の技術的に特に単純なバージョンでは、２つのチャンバは、たとえば、実際の関節の２つの対向する側に設置可能である。このようにして、２つのチャンバのうちの１つは、実際の関節の前に設置可能であり、２つのチャンバのうちの１つは、関節の後ろに設置可能である。しかしながら、これは必須ではない。前および後はそれぞれ、人工関節が足首関節であるとき、前足部の方向において、および踵の方向において、を意味する。これらの位置は、関節またはピボットの前方および後方と呼ばれる。

[0012]閉塞部は、スロットル要素または閉鎖要素として形成可能である。それは、流体流路を通って流れることができる流体の量を制限する。本明細書で説明されるあらゆる実施形態では、閉塞部は、弁とすることもできる。

[0013]閉鎖は、関節の位置および位置の変化のスピードに反応する非電子制御システムまたは非電子制御デバイスによって制御される。流体接続を閉じるために、関節は、所定の期間にわたって所定の位置または所定の位置範囲にとどまらなければならない。この位置は、好ましくは、関節がその一部である義肢の装着者が立脚しているときに関節が保持する位置に対応する。

[0014]この位置では、制御機構は、関節が所定の期間にわたってこの位置にとどまる場合、閉塞部に流体接続を閉じさせる。これは通常、患者が関節を用いて立脚している場合のみである。歩行時、関節もこの位置を経験するが、所定の継続時間にわたってそこにとどまらず、その結果、閉鎖がない。

[0015]一実施形態では、関節は、枢動場所の両側に、関節に対向して作用する２つの液圧アクチュエータを含む。液圧アクチュエータ間の液圧流は、通路を通って生じる。この通路は、開いてもいいし、弁に結び付けられたカムなどの機械的デバイスを使用して閉塞されてもよい。関節は、足に回転可能に結合される。足は、踵接地期、立脚中期、および離地から始まる地面反力を経験するので、歩行に対する関節反応および足の回転は、アクチュエータ間を流れるように抵抗を調整するためのものである。しかしながら、抵抗は、立脚期全体を通じて同じではなく、回転位置および回転速度とともに変化する。

[0016]減衰と、発生した力に対向する抵抗の進行は、弁に接続されたカムの形状によって広範囲で自由に調整可能である。

[0017]いくつかの実施形態では、関節は、チャンバを接続する可変閉塞部を有する双方向性流路と、チャンバを接続する単方向性流路とを備え、流体流れに対する制限を遅延させるために外力によって作用されるとき、前記閉塞部上に減衰力を加えることをさらに備える。

[0018]いくつかの実施形態では、関節は、チャンバを接続する可変閉塞部を有する双方向性流路と、チャンバを接続する単方向性流路とを備え、ここにおいて、流れを制限するために閉塞部を駆動する力の１００％が地面反力からであることをさらに備える。

[0019]しかしながら、本明細書で説明される実施形態では、流れを制限するように閉塞部を駆動する力の少なくとも一部が、運動エネルギーを貯蔵するために適切なデバイス内に貯蔵されたこのエネルギーから生じることも可能である。これは、エラストマーおよびばねなどの弾性要素または弾力性要素であってよい。

[0020]いくつかの実施形態では、関節は、従動節を駆動するカムを含み、従動節位置は、流体流れを制限するために、閉塞部の、好ましくは対向する減衰要素に対する弁の、閉鎖を駆動する。

[0021]いくつかの実施形態では、カムは、機構の動力が中断するとき、またはその前に、カムが完全に閉鎖するために閉塞部を駆動する回転の少なくとも一部の間１つの部分中にドエル期間を誘導する。好ましくは、閉塞部は弁である。

[0022]いくつかの実施形態では、関節は磁気要素を含み、ここにおいて、この磁気要素は、流体流れを制限するために、対向する減衰要素に対する弁の閉鎖を駆動する。

[0023]いくつかの実施形態では、所定の関節場所における磁力は、閉鎖機構が定常状態に到達するとき、またはその前に、弁を完全に閉鎖させる。

[0024]いくつかの実施形態では、流体移送は、減衰要素によって決定される時間の期間にわたって関節の特定の角度で立脚するとき、制限される。

[0025]いくつかの実施形態では、関節によって支持される身体の重心がピボット位置の前方であり、機構が前記流路を閉塞させているとき、回転速度はゼロである。

[0026]いくつかの実施形態では、閉塞部は、閉塞部がチャンバ間の流体流れを制限するように動くとき閉塞部の動きに抵抗する減衰要素に接続される。

[0027]いくつかの実施形態では、関節は、従動節を駆動するカムをさらに備え、従動節の位置は、コンプライアンスのある要素を通して閉塞部の閉鎖を駆動する。

[0028]いくつかの実施形態では、カム形状は、単弦運動を提供する。

[0029]いくつかの実施形態では、カムおよび閉塞部機構は、機構の動力によって定義された時間の期間にわたって特定の角度場所で関節が停止される、またはほとんど停止されるとき、前方シリンダと後方シリンダとの間の通路を閉塞させるように構成される。

[0030]いくつかの実施形態では、関節は磁気要素を含み、ここにおいて、この磁気要素は、対向する減衰要素に対する閉塞部の閉鎖を駆動する。

[0031]いくつかの実施形態では、所定の関節場所における磁力は、機構が定常状態に到達するとき、またはその前に、弁を完全に閉鎖させる。

[0032]いくつかの実施形態では、関節は、第１のチャンバと第２のチャンバとを接続する双方向性流路を備える。

[0033]いくつかの実施形態では、関節は、第１のチャンバと第２のチャンバとを接続する単方向性流路を備える。

[0034]好ましくは、関節は、第１のチャンバおよび／または第２のチャンバ内に少なくとも部分的に設置される少なくとも１つのピストンを有し、この少なくとも１つのピストンは、一方のチャンバからの流体が他方のチャンバに移動されるように、第２のコネクタに対する第１のコネクタの動きによって移動される。それは、流体が、たとえば背屈時に、関節の一方向への動きの間に第１のチャンバから第２のチャンバ内へ移動されるが、流体が、関節の対向する動き、すなわち底屈において、第２のチャンバから第１のチャンバへと移動される場合に、有利である。

[0035]関節が、第１のチャンバ内に部分的に、および第２のチャンバ内に部分的に設置された正確に１つのピストンを備えることは、有利である。これは、たとえば、円環セグメントとして形成され、２つの端を有してよく、そのそれぞれは、２つのチャンバのうちの１つの中に突出する。２つのチャンバに対してピストンを移動させることによって、容積変化が存在し、２つのチャンバのうちの１つにおける容積が減少し、それぞれの他のチャンバの容積が増加する。これが、チャンバ内の流体を、流体接続を通して移動させる。

[0036]そのことは、それに対して閉鎖部が閉位置に移動可能である減衰要素も、液圧減衰要素または空気式減衰要素または異なる流体で満たされた減衰要素である場合、有益であることがわかっている。したがって、閉鎖部は、たとえば、流体接続を閉じ、弁を「歩行」モードから「立脚」モードにするためにそのニードルが流体接続に押し込まれるニードル弁であってよい。このために、ニードルが属する弁の一部は、減衰チャンバおよび減衰ピストンへの流体接続を有する空間へ押し込まれなければならない。好ましくは、減衰要素は、少なくとも１つの減衰チャンバと、少なくとも１つの減衰ピストンとを有し、流体接続の閉鎖を防止するために第２のコネクタに対する第１のコネクタの位置の所定の範囲内で作動される。

[0037]閉鎖部の１つの領域または空間と減衰チャンバとの間の流体接続は、減衰要素によって加えられる減衰の強度を設定するために使用可能である。スロットル弁または類似のデバイスも、このために存在してよい。１つの側に対して減衰チャンバを閉じさせる減衰ピストンは、カムまたはそれに取り付けられた要素と相互作用し得る作動要素を有してよい。これは特に、関節の最も遠い（extreme）位置において、すなわち第２のコネクタに対する第１のコネクタの強い枢動時に、それだけで第１のチャンバと第２のチャンバとの間の流体接続を比較的すばやく閉じるのに十分であろう大きな力が閉鎖部に加えられるときに有益である。しかしながら、これは、この位置では望ましくないことがあるので、この場合に作動要素が減衰ピストンにあることがある。次いで、減衰ピストンは、減衰チャンバの方に押され、したがって、その中の流体をさらなる流体接続を通って閉鎖部の方に押し、したがって２つのチャンバ間の流体接続の閉鎖を防止する。

[0038]いくつかの実施形態では、義肢システムは、上記の実施形態のいずれかの人工関節を含み、義足は、コネクタのうちの１つのところで関節に接続され、第２のコネクタは、義肢デバイスに接続される。好ましくは、このデバイスは、肢を受け入れるソケットを含む。

[0039]いくつかの実施形態では、人工関節の回転を制御する方法は、関節の回転を引き起こす外力を加えることと、ここにおいて、この関節は第１のチャンバと第２のチャンバとを備える、関節の回転に応答して第１のチャンバと第２のチャンバとの間で流体を移送することと、チャンバ間の流体を閉塞させるまたは部分的に閉塞させるための特徴を提供することと、前記関節の位置および／または関節の位置の変化速度に反応して流れを制御するための非電子的な機構を用意することとを含む。好ましくは、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流路を閉塞させるように配置される。

[0040]いくつかの実施形態では、液圧人工足首関節の背屈と底屈とを制御する方法は、液圧人工足首を用いて地面反力を生成することと、ここにおいて、人工液圧足首は第１のチャンバと第２のチャンバとを備え、足首は義足に接続される、地面反力に応答して義足を回転させることと、足の回転に応答して第１のチャンバと第２のチャンバとの間で流体を移送することと、チャンバ間の流体移送を閉塞させるまたは部分的に閉塞させるための特徴を提供することと、関節の位置および／または関節の位置の変化速度に反応して流れを制御するための非電子的な機構を用意することとを含む。好ましくは、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流路を閉塞させるように配置される。

[0041]好ましくは、流体流路は、所定の方向における第１のコネクタまたは第２のコネクタ上へのトルクの印加によって方法において再び開き得る。このようにして、「立脚」という動作モードまたは状態から「歩行」という動作モードまたは状態に関節を戻すことは、特に容易に可能である。

[0042]好ましくは、力が、流体上へのトルクによって加えられ、したがって、流体が、一方のチャンバからそれぞれの他方のチャンバに一方向接続によって移動され、これは、閉鎖部によって加えられたロックを解除する。

[0043]好ましい一実施形態では、第１のチャンバおよび第２のチャンバは、関節またはピボットの前方および後方に置かれる。このコンテキストでは、これは、もちろん、一方のチャンバのみが関節の前方に位置決めされ、他方のチャンバが関節の後方に位置決めされることを意味する。

[0044]関節の実施形態は、関節の位置と関節の位置の変化速度の両方に反応して流れを制御するための非電子的な機構の使用に依拠し、この機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流体流れを閉塞させるように配置される。この機構は、歩行時、立脚時、もしくは着座時など、たとえば、または変化する位置から、地面反力によって十分に動作することができる。非電気構成要素の使用を介して流体流れを制御することができる機構は、電源の排除により全体的な大きさを減少させ得る。

[0045]本発明の前述の態様および付随する利点の多くは、添付の図面と併せて取り上げる以下の詳細な説明への参照によってより良く理解されるので、より容易に諒解されよう。

[0046]本明細書で説明される関節のための一適用例の一実施形態を表す概略図。 [0047]本明細書で説明される関節のための一適用例の一実施形態を表す義肢の概略図。 [0048]一実施形態による関節の概略図。 [0049]関節の一実施形態に関する、立脚中の時間対閉鎖パーセントをプロットした時間応答グラフ。 [0050]関節の一実施形態に関する、歩行中の時間対閉鎖パーセントをプロットした時間応答グラフ。 [0051]立脚中の地面反力を有する一実施形態による関節の概略図。 [0052]一実施形態による関節に関する状態空間図の図。 [0053]健康な関節の底屈および背屈のグラフ。 [0054]歩容周期の異なる時期における、一実施形態による関節の概略図。 [0055]一実施形態による関節の部分の概略図。 [0056]一実施形態による関節の部分の概略図。 [0057]一実施形態による関節の部分の概略図。 [0058]一実施形態による関節の部分の概略図。 [0059]一実施形態による関節の概略図。 [0060]一実施形態による非電気的機構の概略図。 [0061]一実施形態による非電気的機構の概略図。 [0062]本発明の一実施形態による関節の概略図。 [0063]「歩行」中の異なる段階における非電気的機構の概略図。 「歩行」中の異なる段階における非電気的機構の概略図。 「歩行」中の異なる段階における非電気的機構の概略図。 「歩行」中の異なる段階における非電気的機構の概略図。 [0064]「立脚」中の異なる段階における、図１８から図２１の非電気的機構を示す図。 「立脚」中の異なる段階における、図１８から図２１の非電気的機構を示す図。 「立脚」中の異なる段階における、図１８から図２１の非電気的機構を示す図。

[0065]図１を参照すると、足首関節１００を有する下腿義足１１４を装着する人間の概略図が示されている。図２では、下腿義足１１４は、切断された肢を受け入れるためのソケット１０２と、ソケットの基部をコネクタ１０６に接続するシャンク（またはパイロン）１０４とを含む。コネクタ１０６は、「逆ピラミッド形」コネクタとすることができる。コネクタ１０６は、受容器１０８の中に受け入れられる。受容器１０８は、コネクタ１０６を所定の位置にロックするセットスクリューを有することができる。次いで、受容器１０８はひいては関節１００に接続され、関節１００はヒンジ１１０を介して義足１１２に接続される。ソケット１０２、シャンク１０４、コネクタ１０６、および足１１２はすべて、よく知られている構成要素とすることができる。足首として機能する関節１００が示されているが、関節は、膝関節または股関節などの他の適用例を有することができる。

[0066]図３を参照すると、図１および図２における足首関節１００として使用されるのに適した人工関節１００が示されている。図３の関節は、人工関節の一実施形態の主要構成要素を示すために非常に概略的である。関節１００は、外部液圧ケース１１６を含む。このケースは、内部の第１のチャンバ１２８と、内部の第２のチャンバ１３０と、第１のチャンバ１２８の中の第１のピストン１２０と、第２のチャンバ１３０の中の第２のピストン１２２とを備える。チャンバ１２８および１３０は、液圧流体で満たされている。第１のチャンバと第２のチャンバとの間の通路１３２が設けられる。第１のピストン１２０および第２のピストン１２２は各々、カム１１８、１４８の上にそれぞれ載るカム従動節１２４および１２６を含む。人工関節１００は、ピボット１３４を介して、足１１２に回転可能に接続される。足は、ピボット１３４の周りで、関節１００に関して背屈および底屈し得る。足は、たとえば、歩行歩容運動に従事することによって回転するように駆動される。もちろん、第１のピストン１２０および第２のピストン１２２は、環の一部の形に成形可能である唯一のピストンの２つの端であってもよい。１つのカムのみを使用することも可能である。

[0067]一実施形態では、カムアセンブリが、チャンバ間の流れを調節または停止するために用意される。カムアセンブリは、歩行時に、制御された背屈と底屈とを提供し、電子部品を使用しない立脚時には、安定性も提供することもできる。他の実施形態は、流れを調節および停止するために、磁気デバイスを使用することができる。

[0068]カムアセンブリは、カム１３６と、カム表面と接触する従動節１３８と、従動節とレバーアーム１４２との間に接続された一次ばね１４０とを含み得る。レバーアームは、減衰デバイス１４４と、この減衰デバイスに抵抗する二次ばね１４６に接続される。レバーアームは、閉塞部１５０にも接続される。閉塞部１５０は、チャンバ１２８と１３０との間の通路１３２を可変に遮蔽するように構成される。この通路１３２は、２つのチャンバ１２８、１３０間の流体流路である。したがって、遮蔽を増加させるにつれて、閉塞部１５０が通路１３２を完全に遮蔽するまで、チャンバ間の流体流れに対する抵抗が増加し、チャンバ１２８と１３０との間の流体移送が停止され、そのため、足首は適切な位置にロックされるようになる。流体流れに対する制限の量は、カム１３６の形状および構成に依存することができる。一実施形態では、生じる抵抗が小さくなるほど、底屈角度または背屈角度は大きい、または大きくなる。立脚中期すなわち身体の重心が関節の回転の中心と同一線上にあるときに対応する、（たとえば、足とシャンクとの間の）角度がゼロまたはゼロ近くに近づくにつれて、大きい抵抗が生じる。閉塞部は、より速い歩容が、抵抗を増加させる、より遅い歩容と比較して、流れに対するより少ない抵抗をもたらすように減衰される。減衰反応は、関節の使用者に基づいて、より遅くまたは速くするように調整可能である。カム１３６は、カムのノーズに関して対称であってもよいし、非対象であってもよい。カム側は、線形または非線形であってよく、複雑な形状を画定することができる。カム１３６のノーズは、回転点からのカムの上点または最大点である。突出長は、回転点から鼻の間の長さと定義される。カム１３６の寸法および設置ならびに形状は、使用者の歩行特性と一致するために、関節の特定の使用者に合うように修正可能である。立脚状態を達成するために、カム１３６は、足首の角度が、立脚中期またはその頃に対応するゼロまたはゼロ近くであり、回転速度が、静止して立脚することに対応するゼロまたはゼロ近くであるとき、カム１３６が、閉塞部１５０上の最大揚程（maximum lift）を行うように整列することができ、減衰応答と結合されることは、立位で関節を支持するようにチャンバ１２８と１３０との間の流れを完全に制限するように調整される。歩行歩容を再開することは、カム１３６を最大揚程から移動させ、閉塞部１５０がチャンバ間の流れをもう一度許可することを可能にする。図４は、人間が静止して立脚しているとき、すなわち、回転角度が、あらかじめ選択されたゼロであるまたはそれに近く、回転速度もゼロまたはゼロに近いときに生じる、定常状態における関節の応答の一実施形態のグラフを示す。グラフが示すように、完全に閉鎖された位置が、約０．５秒以内に到達される。しかしながら、関節の応答は、関節の意図された使用者に応じて変化可能であることが諒解されるべきである。

[0069]足は、地面反力などの外力の印加を介して、関節に対して回転する。歩行歩容は、立脚期と、遊脚期とを含む。立脚期、すなわち、足の任意の部分が地面と接触しているときは、踵の端が最初に接地する踵接地とともに始まる。これは、図８では負の回転として示されるように、最初に若干の底屈の動きを引き起こす。立脚期が続くにつれて、背屈が発生し、角度は、立脚中期では、ほぼゼロになる。しかしながら、ゼロ角度は相対的であり、人によって変動し得る。背屈は、立脚中期後に最大まで継続し、その後、趾離床に備えて底屈が生じる。底屈は、趾離床時に最大値に到達する。次いで、背屈が、趾を地面にぶつけることを回避するように遊脚期中に趾を持ち上げるために発生し、次の周期に備えてほぼゼロの角度で終わることができる。関節の底屈および背屈の期を制御するための図９を参照されたい。図５は、時間対チャンバ間の開口パーセントをプロットしたものである。理解できるように、目的は、弁が決して１００％完全に閉じず、歩行歩容全体を通じて開いたままである。

[0070]「発明の概要」セクションで言及されたように、足首関節は、歩行歩容および立脚定常状態に応答することが必要である。定常状態は、図６に示されるように、身体が静止して立脚しているときに生じる。地面反力は、足首を背屈させる傾向がある。しかしながら、立位を獲得すると、カム１３６は、閉塞部１５０に対して近づく、または最大揚力を及ぼす。すなわち、回転の角度がゼロであるまたはゼロに近く、回転速度もほぼゼロである場合、閉塞部１５０はチャネルを閉じ、したがって、その位置で足首をロックする。図７は、足首の定常状態または閉弁状態を表す。水平軸は回転度、ここで、負は底屈、正は背屈であり、垂直軸は回転の変化速度である。図７の楕円は、弁が閉鎖される条件を表す。中立位置で立脚しており（シータがゼロに近い場合）、関節の速さもゼロに近いとき、弁は、地面反力により誘発されたモーメントの完全な支持を提供するほど近い。歩行中に中立位置を通過するとき、関節の回転速度は、弁を閉鎖することを回避するのに十分なほど大きい。すなわち、歩行時、回転速度は決して、減衰デバイスの遅延により弁が完全に閉じるのを可能にするのに十分なほど小さくない。

[0071]図１０を参照すると、関節１００の一実施形態が示されている。関節１００は、液圧ケース３０８と、弁３０４と、受容器３０２と、カムアセンブリ３０６とを含む。関節は、ピボット軸を受け入れるためのアパーチャを含む。

[0072]図１１および図１２は、関節１００の主要部と、それらの関節１００上での設置とをより明確に示す。弁３０４は、２０１４年３月１４日に出願された米国出願第１４／２１３２９３号に開示されている弁であってよい。ピストンとチャネルとを有する液圧ケース３０８は、米国特許出願公開第２０１３／０１７３０２２号に記載されるピストンとチャネルとを有する足首関節本体１０４に類似してよく、修正形態が本明細書で言及される。両方の出願は、参照により明確に本明細書に組み込まれる。

[0073]米国特許出願公開第２０１３／０１７３０２２号に記載されている液圧システムの修正形態は、液圧システムを作動する電子部品の除去と、本明細書で説明されるカムアセンブリ３０６の設置を可能にする修正形態とを含む。本明細書で説明される関節は、たとえば、加速度計および角度センサなどの電子センサを有することができる。

[0074]図１３を参照すると、カムアセンブリが示されている。カム３１０は枢動軸に接続され、たとえば、回転の軸３３０の周りで枢動する。カムは、枢動軸に接続するためにクランプ３３４を有する。カムは、回転のラインに垂直な平面上に全体的にあるカム表面３１２を含む。カム表面は、最大揚程に到達するノーズ３３６を有する。カムアセンブリは、ローラボール３１４と、ばね３１７と、スリーブ３１６と、プランジャ３１８とを備えるカム従動節を有する。ボール３１４は、スリーブ３１６内に保持される。ボール３１４は、ばね３１７と接触し、ばね３１７は、ひてはプランジャ３１８の一端と接触する。プランジャの反対側の端は、本明細書では一般的に「閉塞部」と呼ばれるピン３３２を有する。ピン３３２は、図１２に示される弁３０４の上のアパーチャ３３８に内嵌する。弁のアパーチャ３３８の中でのピンの深さは、流れの方向だけでなく、流れに対する抵抗も決定する。ボール３１４はカム表面に乗り、ピン３３２の深さは、ばね３１５の特性に基づいて影響され得る。プランジャ３１８の弁への前進も、ばね３２２によって相殺され、減衰デバイス３２４は、プランジャの前進を減衰させる。プランジャは、図１１または図１２に示されるように、場所３４０においてレバーアーム３２０に接続される。レバーアームの反対側の端は、減衰デバイスに接続される。減衰デバイスは、次いで、ピン３２８を介して、液圧ケース３０８内の穴３４２に接続される。

[0075]図１１および図１２を参照すると、減衰アセンブリ３０６は、空洞３６０内で液圧ケース３０８に内嵌する。プランジャ３１８は、囲い板３４４に取り囲まれる。ピン３３２は、ピンが弁３０４のアパーチャ３３８と位置合わせされるように、プレート３４６を通って突き出す。液圧ケース３０８は、ポート３４８と３５０とを有し、各ポートはそれぞれ、チャンバ３５６および３５８につながる。ポート３４８および３５０は、液圧流体がチャンバおよび弁３０４に出入りすることを可能にするように双方向性である。

[0076]図１１では、カム従動節のボール３１４は、ボール容器３５４の穴３５２に内嵌する。ボール３１４は、カム表面に乗るように、ボール容器３５４から突き出す。容器３１４は、その中にばね３１７を含み、ばね３１７は、プランジャ３１８の一端に載置される。

[0077]説明された機構を介して、ボール３１４の直接運動は、ばね３１７によって弁開放／閉鎖に分離される。ばね３１７は、分離挙動の一部である。減衰要素が第１のばね３１７に抵抗するので、システムは、瞬時に反応しない。これは、カム従動節が高い位置を通過しても、弁は歩行中に解放されたままでいることを可能にする。

[0078]しかしながら、高ドエル（high dwell）の場所における立脚時には、減衰要素は、（やがて）第１のばね３１７に屈し、弁が閉鎖して、液圧流体移送を遮断する。これに要する時間の量は、減衰要素の速度係数によって調整可能である。

[0079]図１４は、図３に示される人工液圧関節の第２の実施形態であるが、図１４の関節は、第１の液圧チャンバ４３０を第２の液圧チャンバ４２８に接続する一方向弁４０４を有する液圧流体経路４０２を含む。

[0080]図１５は、人工関節の位置と関節の位置の変化速度の両方に反応して流れを制御するための非電子的な機構５００の概略図であり、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流体流れを閉塞させるように配置される。特定の機構は、上記の図１０〜図１３に関連してすでに説明されてきた。しかしながら、機構は、それによって制限されない。図１５は、カム従動節５０４と接触するカム表面５０２を使用する非電子的な機構を表す。カム表面は、部分的に、特定の使用者の歩容特性によって規定可能である。カム従動節５０４は、第１のばね５０６と接触し、第１のばね５０６は、ひいては減衰要素５０８および第２のばね５１０と接触する。機構は、図３または図１４のどちらかに示されている関節などの人工関節の第１のチャンバと第２のチャンバとの間の液圧流を制御するように、弁５１２を動作させる。諒解され得るように、一般にカム表面５０２の高ドエル５１４の場所にあるカム従動節５０４は、関節を有する人が立脚しているとき、一致するように構成される。高ドエル場所における十分な時間を仮定すれば、減衰要素５０８は第１のばね５０６に屈し、弁５１２は閉鎖して、液圧流体移送を遮断する。これに要する時間の量は、減衰要素５０８の速度係数によって調整可能である。

[0081]図１６は、関節の位置と関節の位置の変化速度の両方に反応して流れを制御するための非電子的な機構６００の概略図であり、機構は、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流体流れを閉塞させるように配置される。特定の機構は、上記の図１０〜図１３に関連してすでに説明されてきた。しかしながら、機構は、それによって制限されない。図１６は、第２の磁石６０４の近傍で移動する第１の磁石６０２を使用する非電子的な機構を表す。第１の磁石６０２は、矢印によって示される方向に沿って前後に移動する。第２の磁石６０４は、第１の磁石の運動に垂直に移動する。諒解され得るように、第１の磁石の北（または南）極が第２の磁石の北（または南）極の最も近傍に位置合わせされるとき、最大斥力が実現される。他の構成では、引力も使用され得る。第２の磁石６０４は、減衰要素６０８と、ばね６１０と接触する。機構は、図３または図１４のどちらかに示されている関節などの人工関節の第１のチャンバと第２のチャンバとの間の液圧流を制御するように、弁６１２を動作させる。諒解され得るように、一般に最大斥力（または引力）である磁石は、関節を有する人が立脚しているとき、一致するように構成される。最大斥力（または引力）である十分な時間を仮定すれば、減衰要素６０８は、ばね６１０に屈し、弁６１２は閉鎖して、液圧流体移送を遮断する。これに要する時間の量は、減衰要素６０８の速度係数によって調整可能である。

[0082]本発明の好ましい一実施形態が図示および説明されてきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更がその中に加えられ得ることが諒解されるであろう。

[0083]図１７は、本発明の一実施形態による足首関節を有する義足を示す。第１のコネクタ７０２と第２のコネクタ７０４は互いに接続され、関節７０６を介して枢動する。概略的にのみ示されている義足７０８も、第２のコネクタ７０４の上に設置される。義足７０８は、踵領域７１０と、前足部または前足領域とも呼ばれ得るつま先領域７１２とを有する。

[0084]第２のコネクタ７０４には、第１のチャンバ７１４および第２のチャンバ７１６がある。これらの中に、その上に第１のカムプランジャ７２０がある第１のピストン７１８と、第２のカムプランジャ７２４を有する第２のピストン７２２がある。カムプランジャは、従動節とも呼ばれ得る。

[0085]２つのチャンバ７１４、７１６は、流体接続７２６を介して互いに接続される。

[0086]流体接続２６は、閉鎖部７２８によって閉塞可能である。これはピン７３０を有し、ピン７３０は、キャリア要素７３２の上に設置される。

[0087]キャリア要素７３２は、その中に図１７の下部の第３のカムプランジャ７３６がある中空７３４の中に設置される。第３のカムプランジャ７３６は下側カム７３８に当接し、下側カム７３８は第１のコネクタ７０２の一部である。第１のコネクタ７０２が現在、下側カム７３８が上方に移動されるように第２のコネクタ７０４に対して枢動される場合、第３のカムプランジャ７３６も上方に移動され、このことが、ばね７４０を圧縮し、キャリア要素７３２上に上向きに力を及ぼす。キャリア要素７３２の上に、別のばね７４２と、キャリア要素７３２とピン７３０がその上で位置合わせされることを保証する減衰要素７４４が、時間遅延とともに、上方へ移動される。歩容周期の個々の期および立脚期は、さらなる図において、より詳細に説明される。

[0088]第１のチャンバ７１４と第２のチャンバ７１６の間には、一方向接続７４６があり、その中には逆止め弁７４８が設置される。

[0089]図１８〜図２４は、異なる状態における、図１７に示されたデバイスの拡大断面を示す。各図は、異なる位置にある下側カム７３８と、第３のカムプランジャ７３６とを示す。図１８はもう一度、異なる構造要素の正確な指定を果たす。下側カム７３８は、関節７０６の周りで枢動して支持され、第３のカムプランジャ７３６に当接する。第３のカムプランジャ７３６とキャリア要素７３２との間には、ばね７４０が中空７３４の中にある。この中空の上側部分は、ばね７４０がシールリング７５０によって置かれる下側部分から分離される。この上側部分は、流体接続７５２を通って、減衰ピストン７５６によって底部に対して閉鎖された減衰チャンバ７５４に流れ込むことができる流体で満たされる。その端には、さらなるばね７５８と、スラストロッド７６０が設置される。

[0090]減衰チャンバ７５４および中空７３４の上側部分の容積は、容積調整スクリュー７６２によって設定可能である。接続７５２と減衰チャンバ７５４との間の流量７６４は、スロットルスクリュー７６６によって設定可能である。図１７とは対照的に、減衰要素７４４は現在、ばね７５８とともに減衰チャンバ７５４および減衰ピストン７５６によって形成されるので、減衰要素７４４は除去されていることが諒解され得る。ピン７３０は、さらに、流体接続７２６を閉鎖するために上方に移動され得る。

[0091]図１９〜図２１は、歩容周期の異なる期における状況を示す。図１９は、約１０°底屈して足を下ろした直後の状況を示す。ピン７３０は、流体接続７２６を閉鎖しておらず、したがって、第１のチャンバ７１４からの流体は第２のチャンバ７１６に流れ込むことができ、その逆も同様である。

[0092]図２０は、立脚中期を示す。下側カム７３８が第２のコネクタ７０４に対して枢動されたことが諒解され得る。したがって、上向きの力が第３のカムプランジャ７３６に加えられ、そのとき、第３のカムプランジャ７３６は、破線で示される位置から新しい位置に移動した。したがって、ばね７４０は圧縮され、ばね７４２に逆らってキャリア要素７３２を上方へ押す。同時に、流体が、流体接続７５２を通り、スロットルスクリュー７６６を通り越して、減衰チャンバ７５４へと送られ、これが、減衰ピストン７５６を押し下げる。その結果生じる減衰が、第３のカムプランジャ７３６の動きと、その上にピン７３０を有するキャリア要素７３２との間の時間遅延をもたらす。

[0093]図２１は、背屈の状況を示す。下側カム７３８はさらに枢動され、したがって、第３のカムプランジャ７３６は、引き続き上向きの力を受け、上方に移動し、ばね７４０をさらに圧縮する。この強い偏向では、スラストロッド７６０も下側カム７３８に適用され、同様に、その動きによって押し上げられる。したがって、減衰ピストン７５６も押し上げられ、したがって、減衰チャンバ７５４内の流体を、背圧弁７６８を通り過ぎて、流体接続７５２に移動させる。したがって、上からキャリア要素７３２に圧力が加えられ、そのために、キャリア要素７３２は、ばね７４０の圧力に逆らって下方向に移動し、したがって、ピン７３０も下に移動させる。したがって、ピン７３０は、ステップ中に流体接続７２６を閉鎖することはできない。

[0094]これは、立脚時には異なる。図２２は図１９に対応し、約１０°の底屈における状況を示す。ピン７３０は、流体接続７２６を閉鎖しない。下側カム７３８は、第３のカムプランジャ７３６と接触する。

[0095]図２３は図２０に対応し、どのようにして下側カム７３８の枢動が第３のカムプランジャ７３６を上方に移動させ、したがって、キャリア要素７３２の周りのばね７４０を介して流体を減衰チャンバ７５４に押し込むかを示す。同時に、ピン７３０が押し上げられるが、まだ流体接続７２６を閉鎖しない。

[0096]義肢の装着者は、この状態のままであるので、ばね７４０は、さらに弛緩することができる。これは、図２４に示されている。下側カム７３８は、第２のコネクタ７０４に対して移動しておらず、したがって、第３のカムプランジャ７３６に対しても移動していない。しかしながら、ばね７４０を解放することによって、キャリア要素７３２が上に移動され、流体を、流体接続７５２を通して減衰チャンバ７５４へとさらに押す。スラストロッド７６０は、まだ下側カム７３８と接触しない。

[0097]ピン７３０は、この状況では移動されており、したがって、ピン７３０は流体接続７２６を閉鎖し、したがって、図１７に示されるように、さらなる流体が、第２のチャンバ７１６から第１のチャンバ７１４に流れ込むことはできない。したがって、背屈の方向における足のさらなる動きは、可能でない。

[0098]このロックとこの閉鎖とを解放し、足首関節を「立脚」というモードから「歩行」というモードにするために、図示の実施形態では、義肢の装着者は、第１のコネクタ７０２に対してトルクを時計回りに、または第２のコネクタ７０４に対してトルクを反時計回りに加えなければならないに。このことは、上側カム７７０を下降させ、第１のカムプランジャ７２０を介して第１のピストン７１８を押し下げ、したがって、第１のチャンバ７１４の容積が減少される。流体は、流体接続７２６を通過する必要はなく、背圧弁７４８を通って第２のチャンバ７１６に入る。図１８における下方向への下側カム７３８の枢動に対応する、第２のコネクタ７０４に対する第１のコネクタ７０２の枢動は、ばね７４０と７４２を解放することを許可し、それがキャリア要素７３２とピン７３０とを下降させ、したがって、流体接続７２６が再度解放される。

Claims (29)

1. 第１のコネクタおよび第２のコネクタが互いに対して回転することを可能にする第１のコネクタと第２のコネクタとピボットデバイスと、
   第１のチャンバと第２のチャンバと、ここにおいて、前記チャンバが１つまたは複数の流体流路を介して接続される、
   前記チャンバ間の流体流れを制限するように構成された閉塞部と、
   関節の位置および／または関節の位置の変化速度に反応して前記流れを制御するための非電子的な機構と
   を備える人工関節。
2. 前記機構が、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが前記流路を閉塞させるように配置される、請求項１に記載の人工関節。
3. 前記閉塞部が、前記閉塞部がチャンバ間の流体流れを制限するように動くとき前記閉塞部の動きに抵抗する減衰要素に接続される、請求項１に記載の人工関節。
4. 前記関節が、従動節を駆動するカムをさらに備え、前記従動節の位置が、コンプライアンスのある要素を通して前記閉塞部の閉鎖を駆動する、請求項１に記載の人工関節。
5. 前記カムの形状が単弦運動を提供する、請求項４に記載の人工関節。
6. 前記カムおよび閉塞部機構が、前記関節が、機構の動力によって定義された時間の期間にわたって特定の角度場所で停止される、またはほとんど停止されるとき、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の通路を閉塞させるように構成される、請求項４に記載の人工関節。
7. 前記第１のチャンバおよび前記第２のチャンバがピボットの前方および後方に置かれる、請求項１に記載の人工関節。
8. 前記関節が磁気要素を含み、ここにおいて、前記磁気要素が、対向する減衰要素に対する前記閉塞部の閉鎖を駆動する、請求項１に記載の人工関節。
9. 所定の関節場所における磁力が、前記機構が定常状態に到達するとき、またはその前に、前記閉塞部を完全に閉じさせる、請求項８に記載の人工関節。
10. 前記少なくとも１つの流体流路が、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを接続する双方向性流路を備える、請求項１に記載の人工関節。
11. 前記少なくとも１つの流体流路が、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとを接続する単方向性流路を備える、請求項１に記載の人工関節。
12. 前記関節が、前記第１のチャンバ内および／または前記第２のチャンバ内に少なくとも部分的に設置された少なくとも１つのピストンを備え、ここにおいて、前記少なくとも１つのピストンが、流体が一方のチャンバから他方のチャンバに移動されるような様式で前記第２のコネクタに対して前記第１のコネクタを移動させることによって移動されるように配置される、請求項１に記載の人工関節。
13. 前記関節が、前記第１のチャンバ内に部分的に、および前記第２のチャンバ内に部分的に設置された正確に１つのピストンを備える、請求項１２に記載の人工関節。
14. 前記減衰要素が液圧減衰要素または空気式減衰要素である、請求項３に記載の人工関節。
15. 前記減衰要素が、少なくとも１つの減衰チャンバと、少なくとも１つの減衰ピストンとを備え、前記流体流路の閉鎖を防止するために前記第２のコネクタに対する前記第１のコネクタの位置の所定の範囲内で作動される、請求項１４に記載の人工関節。
16. 請求項１に記載の前記人工関節を備える義肢システムであって、前記コネクタのうちの１つのところで前記関節に接続された義足を備え、前記第２のコネクタが義肢デバイスに接続される、義肢システム。
17. 人工関節の回転を制御する方法であって、
    関節の回転を引き起こす外力を加えることと、ここにおいて、前記関節が第１のチャンバと第２のチャンバとを備える、
    前記関節の回転に応答して前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で流体を移送することと、チャンバ間の前記流体の移送を閉塞させるまたは部分的に閉塞させるための特徴を提供することと、
    前記関節の位置および／または前記関節の位置の変化速度に反応して流れを制御するための非電子的な機構を用意することと
    を備える方法。
18. 液圧人工足首関節の背屈と底屈とを制御する方法であって、
    液圧人工足首を用いて地面反力を生成することと、ここにおいて、前記人工液圧足首が第１のチャンバと第２のチャンバとを備え、前記足首が義足に接続される、
    前記地面反力に応答して前記義足を回転させることと、
    足の回転に応答して前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で流体を移送することと、チャンバ間の前記流体の移送を閉塞させるまたは部分的に閉塞させるための特徴を提供することと、
    前記関節の位置および／または前記関節の位置の変化速度に反応して流れを制御するための非電子的な機構を用意することと
    を備える方法。
19. 前記機構が、１つまたは複数の特定の関節場所におけるドエルが流路を閉塞させるように配置される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記第１のチャンバおよび前記第２のチャンバが関節の前方および後方に置かれる、請求項１７に記載の方法。
21. 前記関節が、前記チャンバを接続する可変閉塞部を有する双方向性流路と、前記チャンバを接続する単方向性流路とを備え、流体流れに対する制限を遅延させるために前記外力によって作用されるとき、前記閉塞部上に減衰力を加えることをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
22. 前記関節が、前記チャンバを接続する可変閉塞部を有する双方向性流路と、前記チャンバを接続する単方向性流路とを備え、ここにおいて、流れを制限するために前記閉塞部を駆動する前記外力の１００％が地面反力から、および／または貯蔵された運動エネルギーからであることをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
23. カムが、機構の動力が中断するとき、またはその前に、前記カムが完全に閉じるために閉塞部を駆動する回転の少なくとも一部の間にドエル期間を誘導する、請求項１７に記載の方法。
24. 前記関節が磁気要素を含み、ここにおいて、前記磁気要素が、流体流れを制限するために、対向する減衰要素に対する弁の閉鎖を駆動する、請求項１７に記載の方法。
25. 所定の関節場所における磁力が、前記閉塞が定常状態に到達するとき、またはその前に、前記弁を完全に閉じさせる、請求項２４に記載の方法。
26. 流体移送が、減衰要素によって決定される時間の期間にわたって前記関節の特定の角度で立脚するとき、制限される、請求項１７に記載の方法。
27. 前記関節によって支持される身体の重心がピボット位置の前方であり、前記機構が流路を閉塞させているとき、回転速度がゼロである、請求項１７に記載の方法。
28. 前記流体の流路が、所定の方向に第１のコネクタまたは第２のコネクタ上にトルクを加えることによって再開可能である、請求項２７に記載の方法。
29. 前記流体が一方向接続を通って一方のチャンバからそれぞれの他方のチャンバへと動かされるように、力が、前記トルクによって前記流体に加えられる、請求項２８に記載の方法。

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