JP6767505B2 - プロテーゼ - Google Patents

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Description

本発明は、生物、特に人間の四肢欠損部を置換する為のプロテーゼに関連する。プロテーゼは、アクチュエータによって駆動されるプロテーゼ部材を有する。
今日入手できるアクチュエータ駆動のプロテーゼ、例えば手／腕のプロテーゼは、高い購入コストがかかる。更には、これらのプロテーゼはその機能が限定されている。
本発明の主題は、経済的に製造でき、機能が拡張された、生物、特に人間の四肢欠損部を置換する為の、改良されたプロテーゼを提供する事である。
本発明は、独立項の特徴から明らかになる。有利な変更と実施形態が従属項の主題である。更なる特徴、応用可能性、また発明の利点は続く明細書および図に示されている発明の実施形態の例の考察により明らかになる。
本発明は、生物、特に人間の四肢欠損部を置換する為にプロテーゼによって解決される。提案のプロテーゼは、アクチュエータで駆動される一つ又は複数のプロテーゼ部材を含み、近位プロテーゼ部材は、近位プロテーゼ部材を生物に固定するための機械的インターフェイスを有する。
プロテーゼは更に、プロテーゼの現在の状態ＺＵＳ（ｔ）、特にプロテーゼと環境との接触状態を感知する第１センサを有する。有利には、第１センサは以下のセンサを一つ又は複数備える：モータ位置及び／又はモータ速度及び／又はモータ加速度を感知する継ぎ手センサ、出力位置及び／又は出力速度及び／又は出力加速度を感知する出力センサ、例えばプロテーゼの継ぎ手での加速度又はプロテーゼ部材での加速度、重力のための加速度、近位プロテーゼ部材を固定するための機械的インターフェイスの加速度と運動、残肢でのプロテーゼの相対加速度と運動を感知する加速度センサ、個々のプロテーゼ部材によって環境へ伝達される力を決定する、また、個々のプロテーゼ部材へ環境から伝達される力を決定する、また、プロテーゼとプロテーゼ着用者の相互作用力を決定する力センサ、個々のプロテーゼ部材によって環境へ伝達されるトルクを決定する、また、個々のプロテーゼ部材へ環境から伝達されるトルクを決定するトルクセンサ、作用している力とトルクをローカルセンシングする、特に人工皮膚である、触覚センサ、プロテーゼに作用する温度を感知する温度センサ、プロテーゼに作用する湿度を感知する湿度センサ。全てのセンサは(個々のものも含む)、有利には、力学的関係（力、加速度等）を決定するのに利用される。
プロテーゼは更に、四肢欠損部を制御する為の生物内の生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）を感知する、第２センサへのインターフェイスを備える。第２センサは有利には、一つ又は複数の筋電センサ及び／又は一つ又は複数の脳波センサを備える。個々の第２センサは有利には、生物に適用されるか、生物に埋め込まれる。
プロテーゼは更に、プロテーゼの現在の環境、特に環境にある物体及び／又は他の生物を説明するデータＤＵＭＧ（ｔ）を感知する第３センサを備える。第３センサは以下のセンサを一つ又は複数備え得る：例えばカメラ又はビデオセンサ等の光学センサ、超音波センサ、レーザーセンサ等。
プロテーゼは更に、プロテーゼの生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）と状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）を基にしたプロテーゼによって実行される作動ＡのモデルＭＡ（ｔ）を決定し、「ｔ， ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭＡ（ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））を予測する為の予測ユニットを備える。最も単純なケースでは、次の期間同じパターンが起こる。これがコントロールサイクル又はプロテーゼのコントロールサイクルとなりうる。予測期間Δｔは、有利には０．３から３０秒の範囲から選択される。予測期間Δｔは有利には予測ユニットのプロセッサ負荷次第で変化し得る。有利には、予測ユニットは、作動Ａ／Ａ’を実行する為に、モデルＭＡ（ｔ）／モデルＭＡ’（ｔ）の感知が、自律的に履歴データに基づいたプロテーゼ部材の動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））／ Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ’（ｔ））を学習する学習可能プロセスとして実装されるように設計・設定されている。これらは予測／推測されたコンタクト及び／又は他の多様式の情報を考慮し得る。
プロテーゼは更に、所定の評価スキームに従って、生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）、状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）そして予測された動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））の査定に基づいて、作動Ａを別の作動Ａ’（Ｅ）に置き換えるという離散的決定Ｅを決定できる査定ユニットを備え、作動Ａ’（Ｅ）は、開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定でき、もし作動Ａ’（Ｅ）がそのような開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定しないならば、予測ユニットが、プロテーゼによって実行される作動Ａ’のモデルＭＡ’（ｔ）を決定し、「ｔ，ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭ Ａ’ （ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（Ｍ Ａ’ （ｔ））を予測する。
査定ユニットは有利には、生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）とは無関係に開ループ／閉ループで自律的に制御されているプロテーゼの反射的／保護的動作を規定する、作動Ａ’（Ｅ）の決定Ｅが、現在の状態ＺＵＳ（ｔ）及び／又はデータＤＵＭＧ（ｔ）に基づいて決定されるように設計・設定されている。
Figure 0006767505
プロテーゼは最後に、現在有効な予測動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））又はＢｅｗｅｇ（ＭＡ’（ｔ））又は、開ループ／閉ループで自律的に制御された反射的及び／又は保護的動作に基づいて、アクチュエータを制御する為の制御信号Ｓｉｇ（ｔ）を導出し、制御信号Ｓｉｇ（ｔ）に基づいてアクチュエータを制御／規制する制御ユニットを備える。
ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）の評価、プロテーゼの現在の状態ＺＵＳ（ｔ）とプロテーゼの環境の状態を感知する為の記載のセンサと、モデル形成及び予測を通し、提案のプロテーゼは、プロテーゼの、改善されより自然な制御を可能にし、プロテーゼは自律的動作と作動、特に反射的及び／又は保護的な自律動作を実行可能である。
プロテーゼの有利な改良は、プロテーゼの使用者が入力によってプロテーゼのどのような動作をも停止するように制御ユニットを促すような入力ができる入力インターフェイスを制御ユニットが有する事を特徴とする。これによりプロテーゼの着用者は、プロテーゼの動きをいつでも停止する事ができる。
プロテーゼの有利な改良は、制御ユニットが、反射的及び／又は保護的な自律的動作の実行後に、現在感知された生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）及び／又は、制御ユニットのインターフェイスによる使用者のプロテーゼの入力に基づいてプロテーゼの更なる動作が行われるように設計及び設定されている事を特徴とし、インターフェイスは手動の視覚及び／又は、聴覚及び／又は、触覚入力の為に設計及び設定されている。有利には、制御ユニットは複数の多様式制御ユニットで構成されている。更に有利には、制御ユニットは、アクチュエータの制御システムが、摩擦補償及び／又はインピーダンス規制及び／又は力規制を有したトルク制御であるように設計及び設定されている。
プロテーゼの有利な改良は、制御ユニットがプロテーゼを制御する為の複数のアプリ（制御プログラムおよび制御パラメータのセット）を提供する事を特徴とし、それぞれのアプリはプロテーゼの動作モードを規定し、制御ユニットはモバイルユニットへのインターフェイス、特にワイヤレスのインターフェイスを有し、それによってプロテーゼを制御するようにめいめいのアプリが選択され構成される事ができる。モバイルユニットは有利には、ノートブックか、スマートフォンか、モバイルタブレットコンピュータである。
プロテーゼの有利な改良は、機械能動及び／又は受動インピーダンス、特にプロテーゼの剛性の自動適合が、現在の状態ＺＵＳ（ｔ）とデータＤＵＭＧ（ｔ）に基づいた制御信号Ｓｉｇ（ｔ）の対応する変化を通して行われるように、制御ユニットが設計及び設定されている事を特徴とする。
提案のプロテーゼは有利には、手部プロテーゼ、肘有り及び肘無しの脇下プロテーゼ、完全腕プロテーゼ、脚プロテーゼ、又は外骨格を有するプロテーゼとして設計される。提案のプロテーゼの、一つ、複数、又は全てのプロテーゼ部材は、アクチュエータによって駆動される事ができる。
プロテーゼの有利な改良は、プロテーゼの着用者に伝達されているプロテーゼの現在の状態ＺＵＳ（ｔ）とその環境との相互作用のフィードバックによって、応答インターフェイスが利用できる事を特徴とする。このフィードバックは、好ましくは、触覚的に又は電気的刺激を通して生じる。
更なる利益、特徴及び詳細は、随意的に図を参照する少なくとも一つの実施形態例が詳細に説明されている以下の説明にて明らかとなる。同一、類似及び／又は機能的に同一の部位は同じ参照番号が与えられている。
図１は、提案のプロテーゼの模式図である。
図１は、生物、特に人間の四肢欠損部を置換する提案のプロテーゼの模式図であり、プロテーゼは：アクチュエータ１０１で駆動される一つ又は複数のプロテーゼ部材を含み、近位プロテーゼ部材は、近位プロテーゼ部材を生物に固定するための機械的インターフェイスを有し；プロテーゼの現在の状態ＺＵＳ（ｔ）、特にプロテーゼと環境との接触状態を感知する第１センサ１０２を有し；四肢欠損部を制御する生物内の生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）を感知する、第２センサ１０３へのインターフェイスを有し；プロテーゼの現在の環境、特に環境内の物体及び／又は他の生物を説明するデータＤＵＭＧ（ｔ）を感知する第３センサ１０４を有し；プロテーゼの生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）と状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）を基にしたプロテーゼによって実行される作動ＡのモデルＭＡ（ｔ）を決定し、「ｔ，ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭＡ（ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））を予測する為の予測ユニット１０５を有し；所定の評価スキームに従って、生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）、状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）そして予測された動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））の査定に基づいて、作動Ａを別の作動Ａ’（Ｅ）に置き換えるという離散的決定Ｅを決定できる査定ユニット１０６を備え、作動Ａ’（Ｅ）は、開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定でき、もし作動Ａ’（Ｅ）がそのような開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定しないならば、予測ユニット１０５が、プロテーゼによって実行される作動Ａ’のモデルＭＡ’（ｔ）を決定し、「ｔ，ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭ Ａ’ （ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（Ｍ Ａ’ （ｔ））を予測し；現在有効な予測動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））又はＢｅｗｅｇ（ＭＡ’（ｔ））又は、開ループ／閉ループで自律的に制御された反射的及び／又は保護的動作に基づいてアクチュエータを制御する為の制御信号Ｓｉｇ（ｔ）を導出し、制御信号Ｓｉｇ（ｔ）に基づいてアクチュエータを制御／規制する制御ユニット１０７を有する。
以上、好適な例示的実施形態によって本発明を詳細に説明したが、本発明は開示された例によって限定されるものではなく、当業者には、本発明の保護の範囲を逸脱することなくその他の変形例を導くことができる。したがって、多数の変形例が存在し得ることは明らかである。また、例えば、上記の実施形態が実際には例を示すに過ぎず、例えば、保護の範囲、適用可能性、本発明の構成を限定するものとして解釈されるべきではないことも明らかである。むしろ、上記の説明や図の説明は、当業者が具体的に例示的実施形態を実施することを可能とするものであり、開示された本発明の知識を持つ当業者には、機能または構成に関して、本明細書に更に説明されている請求項とその法的同等物により定義される保護の範囲を逸脱することなく、上記の各要素の例示的実施形態に様々な変更を行うことが可能である。
１０１；アクチュエータ
１０２；第１センサ
１０３；第２センサ
１０４；第３センサ
１０５；予測ユニット
１０６；査定ユニット
１０７；制御ユニット

Claims (10)

  1. 生物、特に人間の四肢欠損部を置換する為のプロテーゼであり、
    ・近位プロテーゼ部材は、近位プロテーゼ部材を生物に固定するための機械的インターフェイスを有する、アクチュエータ（１０１）で駆動される一つ又は複数のプロテーゼ部材、
    ・プロテーゼの現在の状態ＺＵＳ（ｔ）、特にプロテーゼと環境との接触状態を感知する第１センサ（１０２）、
    ・四肢欠損部を制御する為の生物内の生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）を感知する、第２センサ（１０３）へのインターフェイス、
    ・プロテーゼの現在の環境、特に環境にある物体及び／又は他の生物を説明するデータＤＵＭＧ（ｔ）を感知する第３センサ（１０４）、
    ・プロテーゼの生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）と状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）を基にしたプロテーゼによって実行される作動ＡのモデルＭＡ（ｔ）を決定し、「ｔ，ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭＡ（ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））を予測する為の予測ユニット（１０５）、
    ・作動Ａ’（Ｅ）は、開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定でき、もし作動Ａ’（Ｅ）がそのような開ループ／閉ループで自律的に制御されたプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定しないならば、予測ユニット（１０５）が、プロテーゼによって実行される作動Ａ’のモデルＭＡ’（ｔ）を決定し、「ｔ，ｔ＋Δｔ」の期間、プロテーゼ部材のモデルＭ Ａ’ （ｔ）に依存している動作Ｂｅｗｅｇ（Ｍ Ａ’ （ｔ））を予測し、所定の評価スキームに従って、生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）、状態ＺＵＳ（ｔ）、データＤＵＭＧ（ｔ）そして予測された動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））の査定に基づいて、作動Ａを別の作動Ａ’（Ｅ）に置き換えるという離散的決定Ｅを決定できる査定ユニット（１０６）、
    ・現在有効な予測動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））又はＢｅｗｅｇ（ＭＡ’（ｔ））又は、開ループ／閉ループで自律的に制御された反射的及び／又は保護的動作に基づいてアクチュエータを制御する為の制御信号Ｓｉｇ（ｔ）を導出し、制御信号Ｓｉｇ（ｔ）に基づいてアクチュエータを制御／規制する制御ユニット（１０７）、
    を有する、プロテーゼ。
  2. 請求項１に記載のプロテーゼであって、
    プロテーゼの使用者が入力によってプロテーゼのどのような動作をも停止するように制御ユニット（１０７）を促すような入力ができる入力インターフェイスを制御ユニット（１０７）が有する、プロテーゼ。
  3. 請求項１又は２に記載のプロテーゼであって、
    査定ユニット（１０６）は、生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）とは無関係に開ループ／閉ループで自律的に制御されているプロテーゼの反射的及び／又は保護的動作を規定する、作動Ａ’（Ｅ）の決定Ｅが、現在の状態ＺＵＳ（ｔ）及び／又はデータＤＵＭＧ（ｔ）に基づいて決定されるように設計・設定されている、プロテーゼ。
  4. Figure 0006767505
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    制御ユニット（１０７）が、反射的及び／又は保護的な自律的動作の実行後に、現在感知された生体信号ＳＩＧＢＩＯ（ｔ）及び／又は、制御ユニットのインターフェイスによる使用者のプロテーゼの入力に基づいてプロテーゼの更なる動作が行われるように設計及び設定され、インターフェイスは手動の視覚及び／又は、聴覚及び／又は、触覚入力の為に設計及び設定されている、プロテーゼ。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    第１センサは以下のセンサ：
    ・モータ位置、モータ速度、及び／又はモータ加速度を感知する継ぎ手センサ
    ・出力センサ、
    ・加速度センサ、
    ・個々のプロテーゼ部材によって環境へ伝達される力を決定する、また、個々のプロテーゼ部材へ環境から伝達される力を決定する、また、プロテーゼとプロテーゼ着用者の相互作用力を決定する力センサ、
    ・個々のプロテーゼ部材によって環境へ伝達されるトルクを決定する、また、個々のプロテーゼ部材へ環境から伝達されるトルクを決定するトルクセンサ、
    ・作用している力とトルクをローカルセンシングする、特に人工皮膚である、触覚センサ、
    ・プロテーゼに作用する温度を感知する温度センサ、
    ・プロテーゼに作用する湿度を感知する湿度センサ、
    を一つ又は複数含む、プロテーゼ。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    制御ユニット（１０７）がプロテーゼを制御する為の複数のアプリ（制御プログラムおよび制御パラメータのセット）を提供し、それぞれのアプリはプロテーゼの動作モードを規定し、制御ユニットは、プロテーゼを制御するようにめいめいのアプリが選択され構成される事ができるモバイルユニットへのインターフェイス、特にワイヤレスのインターフェイスを有する、プロテーゼ。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    第２センサ（１０３）は、一つ又は複数の筋電センサ及び／又は一つ又は複数の脳波センサを備え、個々のセンサは、生物に適用されるか、生物に埋め込まれる、プロテーゼ。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    機械能動及び／又は受動インピーダンス、特にプロテーゼの剛性の自動適合が、現在の状態ＺＵＳ（ｔ）とデータＤＵＭＧ（ｔ）に基づいた制御信号Ｓｉｇ（ｔ）の対応する変化を通して行われるように、制御ユニットが設計及び設定されている、プロテーゼ。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のプロテーゼであって、
    予測ユニット（１０５）は、作動Ａ又はＡ’を実行する為に、モデルＭＡ（ｔ）又はＭＡ’（ｔ）の感知が、自律的に履歴データに基づいたプロテーゼ部材の動作Ｂｅｗｅｇ（ＭＡ（ｔ））又はＢｅｗｅｇ（ＭＡ’（ｔ））を学習する学習可能プロセスとして実装されるように設計・設定されている、プロテーゼ。
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