WO1994022411A1 - Bewegungsgerät für das obere sprunggelenk - Google Patents

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WO1994022411A1
WO1994022411A1 PCT/EP1994/000740 EP9400740W WO9422411A1 WO 1994022411 A1 WO1994022411 A1 WO 1994022411A1 EP 9400740 W EP9400740 W EP 9400740W WO 9422411 A1 WO9422411 A1 WO 9422411A1
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WO
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torque
foot pedal
motor
movement
motor shaft
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PCT/EP1994/000740
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Jochen Staubesand
Josef Anton Grotenhuis
Bernd Holz
Original Assignee
Medireha Gmbh
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    • A61H2201/16—Physical interface with patient
    • A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
    • A61H2201/1676—Pivoting

Definitions

  • the invention relates to a device for moving the upper ankle, according to the preamble of claim 1.
  • Devices of the type mentioned are used for passive and active joint mobilization. Most of these are devices that were designed without taking into account the special features of the upper ankle.
  • the situation in the upper ankle is a very special one.
  • the tibia and fibula extend to the clearly visible and palpable ankles (malleolus lateralis et medialis).
  • the role (trochlea) of the anklebone (talus) moves in this Malleolen fork. It is therefore a hinge joint that allows both extension (dorsiflexion) and flexion (plantar flexion) of the foot against the lower leg and vice versa about an axis running across the inner and outer ankle and referred to as the upper ankle joint (articulatio talocruralis) becomes.
  • a movement amplitude of a total of 70 ° - 80 ° is possible, whereby it must be taken into account that the movement deflection considerable individual, e.g. training-related fluctuations, and becomes significantly smaller with increasing age and with joint-stiffening processes.
  • the upper ankle is enclosed in a capsule that is relatively thin and limp at the front and back, while it is reinforced on both sides by strong ligaments. Upper ankle movements that occur when walking, running, jumping, etc. take place, additionally affect the venous return flow.
  • the upper ankle is of particular importance. In its environment there are dense skin vein networks and, in addition, numerous blood vessels in the fat body between the Achilles tendon and Malleolenkabel, which - like a sponge - are filled distally with every movement in the articulatio talocruralis or squeezed outwards.
  • the maximum torque that can occur in the device when the pedals are at a standstill as a result of the end of a possible extension or flexion from the reversing movement must be significantly below the pain limit and must not increase when the two foot pedals or one of them is at a standstill.
  • the selected maximum torque should represent a break point in the almost straight-line characteristic curve in the force / displacement diagram, in the sense that after this break point is exceeded, the characteristic curve continues essentially flat.
  • a foot movement device according to the preamble of claim 1 is known, in which the drive shaft of the motor is connected to the pedal shaft by means of a resiliently contractible connecting linkage.
  • This fulfills the requirement that when a foot pedal is forced to stand still as a result of reaching an end position in the range of motion of the upper ankle, the motor shaft can continue to run.
  • the second much more important requirement that when a foot pedal is at a standstill the maximum torque when the motor shaft continues to run must not be met.
  • the coil springs disclosed are conventional type, so that even after reaching an end position in the range of motion of an upper ankle, the characteristic curve of these helical springs continues to rise in a straight line and thus the force acting on the ankle further increases.
  • the device Since patients waking up from anesthesia are often very restless, the device should be easy to attach to any bed.
  • the foot pedals can also be adjusted to the left and to the right in the attachment pivot point.
  • the device according to the invention From the basic position, in which the foot is at a right angle to the lower leg, the device according to the invention provides a lifting (dorsiflexion) of 20 ° and a lowering (plantar flexion) of 40 * , ie a swivel range of 60 ° in total. If the patient's right foot (starting from said basic position) allows a dorsiflexion of 6 ° and the left foot allows a plantar flexion of 32 °, then the right foot pedal stops at "6 ° lifting" and the left pedal swivels until "32 ° Lower "further.
  • the right foot with the specified maximum torque remains as pressure on the sole of the foot, and the left foot with the same maximum torque loaded as a train on the instep.
  • the motor shaft that continues rotates the pedals by reversing the crank movement.
  • the individual end position of the plantar flexion e.g. 28 °
  • a tensile or compressive load on the instep and sole is guaranteed with the specified maximum torque. According to the invention, this maximum value can never be exceeded.
  • the device should be convertible in a few simple steps for a single leg, either for the left or the right. This applies e.g. for accident injuries with leg surgery and for some orthopedic surgery on one leg.
  • the foot pedal that is not in use must not swivel, and therefore it is best not to be present.
  • the invention has for its object to provide a device for moving the upper ankle, which overcomes the disadvantages described and in particular the pivoting range of the two foot pedals automatically the possible, possibly limited by illness or age and often also left and right different, movement adjusts the circumference of the patient's feet.
  • the invention achieves the stated object with a device which has the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are characterized in the dependent claims.
  • the advantage of the device according to the invention is, above all, that when a foot pedal is forced to stand still due to reaching an end position in the range of motion of a foot, the torque on the stationary foot pedal shaft reaches a predetermined maximum value and remains almost constant while the motor shaft continues to run, so that the foot In its possible end position, both in the plantar flexion and in the dorsiflexion, the predetermined, almost constant torque remains applied, irrespective of the angle at which a foot pedal comes to a standstill in the swivel range.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a cross section through the device according to the invention
  • 3 shows a front view of the device according to the invention
  • FIG. 5 shows a push rod designed as a hollow rod of the device according to FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of the mode of operation of the hollow rod according to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a diagram with the characteristic curve of the disc springs contained in the push rod according to FIG. 5;
  • FIG. 8 shows a schematic partial illustration of a variant of the push rod for the device according to the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic partial illustration of a second variant of the push rod for the device according to the invention.
  • FIGS. 1 to 4 for moving the upper ankle comprises within a housing 7 two foot pedal shafts la, lb lying horizontally in a bearing 6a, 6b, coaxially extending left and right, on each of which radially a left and right foot pedal 2a, 2b are mounted in a rotationally fixed manner.
  • each foot pedal 2a, 2b can be axially displaced on an angled rail 23a, 23b in a slot 24a, 24b, so that the foot pedals 2a, 2b can be adjusted further apart axially in patients with obese thighs.
  • each pedal 2a, 2b can also be pivoted to the left or right at the pivot point of rotation, as indicated by arrow 25, by about 10 ° to adapt the device to patients with X or O legs.
  • the foot pedals 2a, 2b are fixed by means of an eccentric tensioning lever 29.
  • the above-mentioned, angled rails 23a, 23b - in the form of angle plates - are each provided on the housing side with an adapter 27a, 27b with integrated index bolts 26.
  • the shafts la, lb mounted within the housing 7 are also provided with an adapter plate 21a, 21b at the housing outlet and can be connected to one another by means of a knurled screw 28 with the adapters 27a, 27b of the angle rails 23a, 23b in three positions defined by the above-mentioned index bolts. so that two further zero positions can be set in addition to the main zero position (hatched positions in FIG. 4).
  • the motor shaft 4 is driven by means of a geared motor 3 controlled by the power pack 34 via the clutch 31 and the bevel gear 32.
  • a push rod 51a or 51b designed as a hollow rod is fastened via a mandrel 35a or 35b.
  • the push rod 51a or 51b engages at its other end - again eccentrically - on the mandrel 22a or 22b of an adapter plate 21a, 21b connected to the foot pedal shaft la or lb in a rotationally fixed manner.
  • the push rod 51b is in the top dead center position, which corresponds to the plantar flexion of approximately 40 °.
  • the push rod 51a is in the bottom dead center position, which corresponds to the dorsiflexion of approximately 20 °.
  • two disk spring assemblies 52, 58 with opposing spring travel are arranged in the push rod 51a, which are preloaded in the characteristic curve shortly before the break point.
  • the plate spring assembly 58 is arranged in the chamber 57 for the compression stage and the plate spring assembly 52 is arranged in the chamber 53 for the rebound stage.
  • the plate spring assembly 58 is connected to the pressure anchor 56, the plate spring assembly 52 with the tie rod 54.
  • Tie rods 54 and 56 both have a bearing eye 55 at their free end, into which the mandrels 22a and 35a can engage.
  • the push rod is in the rest position for forces within the range of 0-220 Newtons. This value corresponds to a disengagement torque of approx. 5 Nm.
  • the plate spring assembly 52 is mounted on the sleeve 62 with an end plate 65.
  • the tie rod 54 is slidably disposed within the sleeve 62 and abuts the ring 64 with its disk 61.
  • the plate spring assembly 58 is mounted on the hollow pressure anchor 56 with washer 63 and also abuts the ring 64.
  • the upper picture in FIG. 6 shows how, in the case of expansion with a tensile force of 220 N or greater, the plate spring assembly 52 through the tie rod 54 slidably arranged in the sleeve 62, by means of its firmly connected disk 61, which abuts the sleeve 62, is compressed. Since the tie rod 54 is slidably mounted within the hollow tie rod 56, no forces are exerted on the plate spring assembly 58. The expansion of the push rod 51a is 8 mm in the dimensions provided.
  • the lower picture in FIG. 6 shows how, in the case of compression with a compressive force of 220 N or greater, the plate spring assembly 58 is firmly connected to the tie rod 56 Disk 63 is compressed while the plate spring assembly 52 remains unloaded.
  • the compression of the push rod 51a is also 8 mm given the dimensions provided.
  • the characteristic curve of the plate springs used in the plate spring assemblies 52, 58 according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 7.
  • the disc spring stroke s is given on the abscissa in millimeters, the force F is given in Newtons on the ordinate.
  • the unshaded area represents the preload area, the hatched area the working area of the disc spring.
  • the thickly drawn characteristic curve of the disc spring is preloaded just before its break point.
  • the essentially constant maximum torque when the foot pedal shaft la; lb is forced to stand still lies on the essentially flat characteristic curve after the break point.
  • the means 8 for torque limitation consists of two hydraulic cylinders 83 connected to one another in the axial direction, with opposite stroke movement of the pistons 85 and lateral hydraulic cylinders 83, each with an accumulator 84.
  • the two pistons 85 are in an end position and the piston rods 86 are each connected to the adapter plates 2la, 21b of the foot pedal shafts 6a, 6b and the eccentric discs 33a, 33b of the motor shaft 4 via the mandrels 22a, 22a and 35a, 35b.
  • the two surfaces h and A 2 of the pistons 85 are of the same size.
  • the gas pressure of the accumulators 84 corresponds to the selectable maximum value for the torque to be transmitted.
  • the torque-limiting means 9 consists of two pneumatic cylinders 93 connected to one another in the axial direction and equipped with counter-stroke movement of the pistons 95 and gas-filled displacement 97.
  • the two pistons 95 are in an end position and the piston rods 96 are connected via the mandrels 22a, 22b and 35a, 35b to the adapter plates 21a, 21b of the foot pedal shafts la, lb and the eccentric discs 33a, 33b of the motor shaft 4.
  • the two surfaces A- ⁇ and A 2 of the piston 95 are of equal size.
  • the gas pressure in the displacement 97 corresponds to the selectable maximum value for the torque to be transmitted.
  • the torque-limiting means can also consist of suitable electronics.
  • two motors instead of a single motor, since the range of motion of the two feet should be controlled independently of one another.
  • two direct drives are provided in the ankle axis itself.
  • Electric motors with position or position detection, in particular stepper motors or servo motors, are suitable as motors.
  • the two motors must be able to communicate with each other (synchronization) in order not to get out of step, i.e. a real 2-axis card is required, which regulates or controls the two motors.
  • the basic mode of operation for electronic torque limitation can be divided into the following steps:
  • the two motors move to their respective limit switches for reference.
  • This step can be carried out when using an absolute position measuring system (e.g. potentiometer or resolver) omitted.
  • an absolute position measuring system e.g. potentiometer or resolver
  • relative displacement measuring systems e.g. encoders
  • the electronics control the amplifiers of the two motors with slow speed and low torque.
  • the individual limit values for the patient's range of motion are recorded via the power increase (current and / or voltage) or the following error of the two motors and stored in the electronics.
  • the two motors run at full power within the measured angular range in reversing operation, the synchronization being able to be achieved either via different angular velocities on the left and right side of the foot or through different pause lengths in the reverse positions (programming).
  • FIG. 10 A further embodiment of the invention is described in FIG. 10, in which the means for torque limitation comprise a hydraulic cylinder 10 with a continuous piston rod 103 and a rectifier circuit 104 on the side, consisting of four check valves 105 and a controllable pressure relief valve 106.
  • the continuous piston rod 103 on one side and the housing 107 on the other side are provided with a swivel eye 108 for connection to the Adapter plates 21a, 21b by means of the mandrels 22a and 35a, the set spring pressure of the pressure relief valve 106 corresponding to the selectable maximum value for the transmitted torque.

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Abstract

Die Vorrichtung dient zur Bewegung des oberen Sprunggelenkes. Sie umfasst zwei horizontal in einer Lagerung (6a, 6b) liegende, links und rechts koaxial sich erstreckende Fusspedalwellen (1a, 1b), auf denen radial je ein linkes und rechtes Fusspedal (2a, 2b) drehfest montiert sind und mittels eines Getriebemotors (3) derart antreibbar sind, daß die rotierende Bewegung der Motorwelle (4) in eine alternierende, gegenläufige Schwenkbewegung des linken und rechten Fußpedals (2a, 2b) zwischen zwei Endlagen innerhalb eines beschränkten Winkelbereiches umgesetzt wird. Im weiteren sind Mittel (5; 8; 9; 10) vorgesehen, welche das beim erzwungenen Stillstand eines Fußpedales (2a, 2b), infolge Erreichens einer Endlage im Bewegungsumfang eines Sprunggelenkes, von der Motorwelle (4) auf die Fußpedalwelle (1a; 1b) übertragene Drehmoment auf einen wählbaren Höchstwert begrenzen, wobei das Kraft/Weg-Diagramm der Mittel (5; 8; 9; 10) zur Drehmomentbegrenzung vorzugsweise eine Kennlinie aufweist, welche nach Überschreiten des vorgesehenenKnickpunktes im wesentlichen flach verläuft.

Description

Beweσungsgerät für das obere Sprunggelenk
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bewegung des oberen Sprunggelenkes, gemäss der Gattung des Patentanspruchs l.
Geräte der genannten Art werden zur passiven und aktiven Gelenkmobilisation eingesetzt. Zumeist handelt es sich dabei um Geräte, welche ohne Berücksichtigung der Besonderheiten des oberen Sprunggelenkes konstruiert wurden.
Die Situation im oberen Sprunggelenk ist aber eine sehr spezielle. An ihren distalen Enden laden Schien- und Wadenbein aus zu den gut sieht- und tastbaren Knöcheln (malleolus lateralis et medialis). In dieser Malleolengabel bewegt sich die Rolle (trochlea) des Sprungbeins (talus). Es handelt sich somit um ein Scharniergelenk, welches sowohl eine Streckung (Dorsalextension) als auch eine Beugung (Plantarflexion) des Fusses gegen den Unterschenkel und umgekehrt um eine quer durch den inneren und äusseren Knöchel verlaufende Achse erlaubt und als oberes Sprunggelenk (articulatio talocruralis) bezeichnet wird.
Durch den engen Kontakt der Malleolengabel mit der Sprungbeinrolle sind andere Bewegungsarten nicht möglich, abgesehen von gewissen Wackelbewegungen, die bei zunehmender Plantarflexion grösser werden, da in dieser Stellung der hintere, schmalere Abschnitt der Sprungbeinrolle in der Malleolengabel liegt.
Aus der Grundstellung, in welcher der Fuss zum Unterschenkel in einem rechten Winkel steht, ist eine Bewegungsamplitude von insgesamt 70° - 80° möglich, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Bewegungsausschlag erheblichen individuellen, z.B. trainingsbedingten Schwankungen unterliegt, und mit zunehmendem Alter sowie bei gelenkversteifenden Prozessen deutlich kleiner wird. Umschlossen wird das obere Sprunggelenk von einer Kapsel, die nach vorn und hinten relativ dünn und schlaff ist, während sie an beiden Seiten durch kräftige Bänder verstärkt wird. Bewegungen im oberen Sprunggelenk, die beim Gehen, Laufen, Springen u.s.w. erfolgen, wirken zusätzlich auf den venösen Rückstrom ein.
Allgemein ist bekannt, dass die Rückkehr des Blutes aus den Beinvenen zum Herzen durch sogenannte "Muskel- und Gelenkpumpen" gefördert wird. Infolge der aufrechten Körperhaltung des Menschen und der damit verbundenen hydrostatischen Druck¬ belastung erhalten die Venen der unteren Extremitäten eine Sonderstellung. Die vom Herzen über die Arterien vermittelte Energie reicht zunächst, jedoch nicht auf Dauer aus, um die Strömung im venösen Gefässgebiet der Beine zu gewährleisten. Zu treibenden Kräften des venösen Rückstroms werden vor allem die Kontraktionen der Muskulatur des Beines. Sie führen zur Kompression der Venen, deren Klappenventile dafür sorgen, dass das Blut nicht peripherwärts, sondern nur zentralwärts - also zum Herzen hin - fHessen kann. Aber auch die Bewegung in den Gelenken, von den Zehen- über die Fuss-, die Knie- bis zu den Hüftgelenken, führt zu Dilatationen und Kompressionen der Venen. Dadurch wird die Wirkung der Muskelpumpe entscheidend unterstützt. Besonders zu beachten ist, dass aktive wie passive Bewegungen in den Gelenken blut- strömungsfördernd wirken. Dadurch besteht die Möglichkeit, auch bei durch Narkose, Bewusstlosigkeit, Lähmung oder Fixierung durch Gips- und andere Verbände muskelinaktiven Patienten die Gelenkpumpen mit Hilfe "von aussen" kommender Kräfte wirksam werden zu lassen.
Eine herausragende Bedeutung kommt hierbei dem oberen Sprunggelenk zu. In seiner Umgebung finden sich dichte Haut¬ venennetze und zusätzlich zahlreiche Blutgefässe im Fettkörper zwischen Achillessehne und Malleolengabel, die - geradezu wie ein Schwamm - mit jeder Bewegung in der Articulatio talocruralis von distal her gefüllt bzw. herzwärts ausgepresst werden.
Da Blutstillstand in den Venen (= Stase) unstrittig einer der wesentlichen thrombosefördernden Faktoren darstellt, ist jede Massnahme, die der Stase entgegenwirkt, von vorbeugender Bedeutung, weil sie das Thrombose-Embolie-Risiko senkt.
Eine physikalische Thromboseprophylaxe allein oder zur Unterstützung medikamentöser Therapien ist also ganz allgemein bei bettlägerigen Patienten angezeigt. Bekannt ist auch, dass Bewegungen in den oberen Sprunggelenken Folgezustände der chronischen venösen Insuffizienz (z.B. "offene Beine") und gelenkversteifende Prozesse günstig beeinflussen können. Die durch diese Bewegungen bewirkte Beschleunigung des venösen Rückstroms im oberflächlichen und tiefen Venensystem der unteren Extremitäten geht mit einer Steigerung des arteriellen Inflows einher. Dies wirkt sich auch bei arteriellen Durchblutungs¬ störungen im Bereich der Beine positiv aus. Erste Versuche weisen auch darauf hin, dass solche Bewegungen die Ergebnisse von Lymphographien durch Kompression der Lymphgefässe in der Umgebung des Sprunggelenkes verbessern können.
Da durch Pflegepersonal oder Krankengymnasten ausgeführte passive Bewegungen im oberen Sprunggelenk meist nur begrenzt möglich sind, besteht Bedarf an einem mechanischen Gerät, das diese Funktionen weitgehend übernehmen kann.
Derartige mechanische mit Fusspedalen (= Fussauflagen) versehene Geräte mit elektrischem oder pneumatischem Antrieb, wobei die rotierende bzw. die lineare Bewegung des Antriebes in eine hin- und hergehende Schwenkung des Fusspedals umgesetzt wird, sind bekannt. Ebenso ist bekannt, dass die Drehwinkelgesσhwindigkeit regelbar und der Schwenkbereich verstellbar ist. Alle bekannten Geräte werden zudem den praktischen Anforderungen der Klinik nicht gerecht. Sie sind entweder zu umständlich, zu schwer, zu laut, zu unhandlich oder zu störanfällig. Deshalb werden sie von Patienten, Pflegepersonal bzw. Beschaffungs¬ stellen nicht angenommen. Sie haben sich deshalb auf dem Markt nicht durchsetzen können. Ein weiterer Nachteil der bekannten Geräte besteht darin, dass der Schwenkbereich der Pedale oder Fussauflagen von Patient zu Patient auf die Beweglichkeit des Fusses eingestellt werden muss, denn es gibt grosse individuelle Variationen des Bewegungsumfanges im oberen Sprunggelenk.
Klinische Messungen haben Unterschiede ergeben von 0 bis 35 Grad bei der Dorsalextension und von 27 bis 65 Grad bei der Plantar¬ flexion in Abhängigkeit vom Alter, vom Geschlecht und vom Einfluss von Venenkrankheiten und Versteifungen. Auch Seitendifferenzen kommen häufig vor, d.h. dass Extension und Flexion linksseitig und rechtsseitig verschieden sind.
Beim Einstellen des Schwenkbereiches auf den Bewegungsausschlag des Fusses können Fehler gemacht werden, oder während des Betriebes durch ein unbeabsichtigtes Verstellen Änderungen auftreten, die zu Verletzungen oder Überbeanspruchung führen.
Sowohl aus Gründen der Sicherheit als auch der praktischen Handhabung stellt sich die Forderung nach einem Gerät, das so konstruiert ist, dass der Schwenkbereich des Fusspedals sich automatisch auf das Höchstmass an Beweglichkeit eines Fusses einstellt, so dass auch für einen alters- oder krankheitsbedingt eingeschränkten Bewegungsumfang im oberen Sprunggelenk keine Einstellung durch das Pflegepersonal erforderlich ist. Diese automatische Einstellung soll für beide Füsse getrennt erfolgen können, sodass eine selbsttätige Anpassung auch dann erfolgt, wenn der Bewegungsumfang im oberen Sprunggelenk des rechten und linken Fusses ungleich ist.
Weitere Forderungen in Bezug auf Sicherheit und praktische Handhabung sind folgende:
Das Höchstdrehmoment, das im Gerät beim Stillstand der Pedale infolge des Erreichens des Endes einer möglichen Extension oder Flexion von der Umkehrbewegung auftreten kann, muss deutlich unterhalb der Schmerzgrenze liegen und darf beim Stillstand der beiden Fusspedale oder eines davon nicht ansteigen. Mit anderen Worten: Das gewählte Höchstdrehmoment soll in der nahezu geradlinigen Kennlinie im Kraft/Weg-Diagramm einen Knickpunkt darstellen, in dem Sinne, dass nach Überschreiten dieses Knickpunktes die Kennlinie im wesentlichen flach weiterläuft.
Aus der US-A-3 695 255 ist ein Fussbewegungsgerat gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welchem die Antriebswelle des Motors mit der Pedalwelle mittels eines federnd zusammenziehbaren Verbindungsgestänges verbunden ist. Dadurch wird die Forderung erfüllt, dass beim erzwungenen Stillstand eines Fusspedals infolge Erreichens einer Endlage im Bewegungsumfang des oberen Sprunggelenkes die Motorwelle weiterlaufen kann. Die zweite wesentlich wichtigere Forderung, dass beim Stillstand eines Fusspedals das Höchstdrehmoment beim Weiterlaufen der Motorwelle nicht mehr ansteigen darf, wird jedoch nicht erfüllt. Die offenbarten Schraubenfedern sind konventioneller Art, so dass auch nach Erreichen einer Endlage im Bewegungsumfang eines oberen Sprunggelenkes die Kennlinie dieser Schraubenfedern geradlinig weiter ansteigt und somit die Krafteinwirkung auf das Sprunggelenk weiter ansteigt.
Da aus der Narkose aufwachende Patienten häufig sehr unruhig sind, sollte das Gerät in einfacher Weise an jedem Bett befestigt werden können.
Bei Patienten mit dicken Oberschenkeln ist es notwendig, dass die Fusspedale axial verstellbar sind, sodass die Füsse weiter auseinander kommen.
Für Patienten mit X- oder O-Beinen ist es wünschenswert, dass die Fusspedale ausserdem im Befestigungsdrehpunkt nach links und nach rechts verstellbar sind.
Aus der Grundstellung, in welcher der Fuss zum Unterschenkel in einem rechten Winkel steht, ist bei dem erfindungsgemässen Gerät ein Heben (Dorsalextension) von 20° und ein Senken (Plantar¬ flexion) von 40*, d.h. ein Schwenkbereich von insgesamt 60° vorgesehen. Wenn nun bei einem Patienten der rechte Fuss (ausgehend von besagter Grundstellung) eine Dorsalextension von 6° und der linke Fuss eine Plantarflexion von 32° zulässt, dann bleibt das rechte Fusspedal bei "6° Heben" stehen und das linke Pedal schwenkt bis "32° Senken" weiter. Im Stillstand bleibt der rechte Fuss mit dem vorgegebenen Höchstdrehmoment als Druck auf der Fusssohle, und der linke Fuss mit demselben Höchstdrehmoment als Zug auf dem Rist belastet. Die weiterlaufende Motorwelle nimmt durch Umkehr der Kurbelbewegung beide Pedale wieder in die Schwenkbewegung auf. Beim Erreichen der individuellen Endlage der Plantarflexion (z.B. 28°) bleibt alsdann des rechte Pedal stehen, während das linke Pedal beim Erreichen der individuellen Endlage der Dorsalextension (z.B. 10°) steht. In beiden Fällen ist eine Zug-, bzw. Druck-Belastung auf Rist und Sohle mit dem vorgegebenen Höchstdrehmoment gewährleistet. Dieser Höchstwert kann erfindungsgemäss niemals überschritten werden.
Im weiteren soll das Gerät mit wenigen Handgriffen in einfacher Weise umrüstbar sein für ein einzelnes Bein, wahlweise für das linke oder das rechte. Dies gilt z.B. für Unfallverletzte mit Beinoperationen und für manche orthopädischen Operationen an einem Bein. In diesem Falle darf das nicht benutzte Fusspedal nicht mitschwenken, und daher am besten nicht vorhanden sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bewegung des oberen Sprunggelenkes zu schaffen, welche die beschriebenen Nachteile überwindet und insbesondere den Schwenkbereich der beiden Fusspedale automatisch dem jeweils möglichen, durch Krankheit oder Alter eventuell eingeschränkten und oftmals auch links und rechts unterschiedlichen, Bewegungs¬ umfang der Patientenfüsse anpasst. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe mit einer Vorrichtung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weitere vorteil¬ hafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung liegt vorallem darin, dass beim erzwungenen Stillstand eines Fusspedals, infolge des Erreichens einer Endlage im Bewegungsumfang eines Fusses, das Drehmoment an der stillstehenden Fusspedalwelle einen vorgegebenen Höchstwert erreicht und nahezu konstant beibehält, während die Motorwelle weiterläuft, so dass der Fuss in seiner möglichen Endlage, sowohl in der Plantarflexion als auch in der Dorsalextension, mit dem vorgegebenen, nahezu konstanten Drehmoment beaufschlagt bleibt, unabhängig davon bei welchem Gradwinkel im Schwenkbereich ein Fusspedal zum Stillstand kommt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches zugleich das Funktionsprinzip erläutert, ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung; Fig. 3 zeigt eine Ansicht von vorne der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 5 zeigt eine als Hohlstange ausgebildete Schubstange der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsweise der Hohlstange nach Fig. 5;
Fig. 7 zeigt ein Diagramm mit der Kennlinie der in der Schubstange nach Fig. 5 enthaltenen Tellerfedern;
Fig. 8 zeigt eine schematische Teildarstellung einer Variante der Schubstange für die erfindungsgemässe Vorrichtung;
Fig. 9 zeigt eine schematische Teildarstellung einer zweiten Variante der Schubstange für die erfindungsgemässe Vorrichtung; und
Fig. 10 zeigt eine schematische Teildarstellung einer dritten Variante der Schubstange für die erfindungsgemässe Vorrichtung. Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Vorrichtung zur Bewegung des oberen Sprunggelenkes umfasst innerhalb eines Gehäuses 7 zwei horizontal in einer Lagerung 6a,6b liegende, links und rechts koaxial sich erstreckende Fusspedalwellen la,lb, auf denen radial je ein linkes und rechtes Fusspedal 2a,2b drehfest montiert sind.
Jedes Fusspedal 2a,2b ist - wie in Fig. 3 dargestellt - auf einer abgewinkelten Schiene 23a,23b in einem Schlitz 24a,24b axial verschiebbar, so dass die Fusspedalen 2a,2b bei Patienten mit adiposen Oberschenkeln axial weiter auseinander eingestellt werden können. An beliebiger Stelle im besagten Schlitz 24a,24b ist jedes Pedal 2a,2b ausserdem im Befestigungsdrehpunkt nach links oder rechts - wie durch den Pfeil 25 angedeutet - um etwa 10° schwenkbar zur Anpassung des Gerätes an Patienten mit X- oder O-Beinen. Die Fusspedalen 2a,2b werden mittels eines ExzenterSpannhebels 29 fixiert.
Die obengenannten, abgewinkelten Schienen 23a,23b - in Form von Winkelblechen - sind an der Gehäuseseite mit je einem Adapter 27a,27b mit integrierten Indexbolzen 26 versehen. Die innerhalb des Gehäuses 7 gelagerten Wellen la,lb sind am Gehäuseaustritt ebenfalls mit einer Adapterplatte 21a,21b versehen und können mittels einer Rändelschraube 28 mit den Adaptern 27a,27b der Winkelschienen 23a,23b in drei durch die obengenannten Indexbolzen definierten Stellungen miteinander verbunden werden, so dass noch zwei weitere Nullagen neben der Hauptnullage einstellbar sind (schraffierte Stellungen in Fig. 4). Mittels eines über das Netzteil 34 gesteuerten Getriebemotors 3 wird über die Kupplung 31 und das Kegelradgetriebe 32 die Motorwelle 4 angetrieben. An der drehfest mit der Motorwelle 4 verbundenen Exzenterscheibe 33a, bzw. 33b ist über einen Dorn 35a, bzw. 35b eine als Hohlstange ausgebildete Schubstange 51a, bzw. 51b befestigt. Die Schubstange 51a, bzw. 51b greift an ihrem anderen Ende - wiederum exzentrisch - am Dorn 22a, bzw. 22b einer drehfest mit der Fusspedalwelle la, bzw. lb verbundenen Adapterplatte 21a,21b an.
Auf diese Weise wird eine alternierende, gegenläufige Schwenkbewegung des linken und rechten Fusspedals 2a,2b zwischen zwei Endlagen innerhalb eines beschränkten Winkelbereiches umgesetzt. In Fig. 2 befindet sich links die Schubstange 51b in der oberen Totpunkt-Stellung, welche der Plantarflexion von ca. 40° entspricht. Rechts in der Figur befindet sich die Schubstange 51a in der unteren Totpunkt-Stellung, welche der Dorsalextension von ca. 20° entspricht.
Wie in Fig. 5 gezeigt, sind in der Schubstange 51a zwei Tellerfederpakete 52,58 mit gegenläufigem Federweg angeordnet, welche kurz vor dem Knickpunkt in der Kennlinie vorgespannt sind. Das Tellerfederpaket 58 ist in der Kammer 57 für die Druckstufe angeordnet und das Tellerfederpaket 52 ist in der Kammer 53 für die Zugstufe angeordnet. Das Tellerfederpaket 58 ist mit dem Druckanker 56 verbunden, das Tellerfederpakte 52 mit dem Zuganker 54. Zug- und Druckanker 54 und 56 weisen an ihrem frei Ende beide ein Lagerauge 55 auf, in welches die Dorne 22a, bzw. 35a eingreifen können.
In Fig. 6 ist der Aufbau und die Funktionsweise der Schubstange 51a näher beschrieben.
Im mittleren Bild der Fig. 6 befindet sich die Schubstange in Ruhelage für Kräfte innerhalb des Bereiches von 0 - 220 Newton. Dieser Wert entspricht einem Ausrastdrehmoment von ca. 5 Nm. Das Tellerfederpaket 52 ist auf der Hülse 62 mit endständiger Scheibe 65 gelagert. Innerhalb der Hülse 62 ist der Zuganker 54 gleitbar angeordnet der mit seiner Scheibe 61 am Ring 64 anstösst. Das Tellerfederpaket 58 ist auf dem hohl ausgebildeten Druckanker 56 mit Scheibe 63 gelagert und stösst ebenfalls an den Ring 64.
Im oberen Bild der Fig. 6 ist dargestellt, wie bei einer Expansion mit einer Zugkraft von 220 N oder grösser das Tellerfederpaket 52 durch den in der Hülse 62 gleitbar angeordneten Zuganker 54, mittels dessen fest verbundener Scheibe 61, welche an der Hülse 62 anstösst, komprimiert wird. Da der Zuganker 54 gleitbar innerhalb des hohl ausgebildeten Zugankers 56 gelagert ist, werden keine Kräfte auf das Teller¬ federpaket 58 ausgeübt. Die Expansion der Schubstange 51a beträgt bei den vorgesehenen Abmessungen 8 mm.
Im unteren Bild der Fig. 6 ist dargestellt, wie bei einer Kompression mit einer Druckkraft von 220 N oder grösser das Tellerfederpaket 58 von der fest mit dem Zuganker 56 verbundenen Scheibe 63 komprimiert wird, währenddem das Tellerfederpaket 52 unbelastet bleibt. Die Kompression der Schubstange 51a beträgt bei den vorgesehenen Abmessungen ebenfalls 8 mm.
Die Kennlinie der in den erfindungsgemässen Tellerfederpaketen 52,58 verwendeten Tellerfedern ist diagrammässig in Fig. 7 dargestellt. Auf der Abszisse ist der Tellerfederhub s in Millimetern angegeben, auf der Ordinate ist die Kraft F in Newton angegeben. Die unschraffierte Fläche stellt den Vorspannbereich, die schraffierte Fläche den Arbeitsbereich der Tellerfeder dar. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist die dick ausgezogene Kennlinie der Tellerfeder kurz vor ihrem Knickpunkt vorgespannt. Das im wesentlichen konstante maximale Drehmoment beim erzwungenen Stillstand der Fusspedalwelle la;lb liegt auf der, im wesentlichen flachen Kennlinie nach dem Knickpunkt.
Statt der in den Figuren 1 - 7 erläuterten Ausführungsform, in welcher Tellerfedern zur Drehmomentbegrenzung verwendet werden, sind auch andere Mittel 5,8,9 zu diesem Zweck einsetzbar.
Beispielsweise sind auch andere mechanische Federn einsetzbar, die eine vergleichbare Kennlinie aufweisen, so z.B. spezielle gewickelte Spiralfedern mit stark degressiver Kennlinie., Gummifederelemente u.a. Allerdings bedingen andere mechanische Federelemente einen wesentlich grösseren Bauraum als Teller¬ federpakete beanspruchen. Dies deshalb, weil verschiedene Federn derart zu einem System zusammengestellt werden müssen, dass die Aufeinanderfolge der jeweils geradlinigen Kennlinien des Kraft/Weg-Diagramms der Einzelfedern Knickungen aufweist, welche zu einer Abflachung des Gesaratsystems führen.
Besonders muss betont werden, dass mit Federn, welche eine im wesentlichen geradlinige Kennlinie aufweisen, das Beibehalten eines nahezu konstanten Drehmomentes über den gesamten Schwenkbereich beim erzwungenen Stillstand nicht erreichbar ist. Handelsübliche zylindrische Druckfedern mit einer gleichbleibenden Federrate c in N/mm sind für die vorliegende erfindungsgemässe Lösung somit nicht brauchbar.
In Fig. 8 besteht das Mittel 8 zur Drehmomentbegrenzung aus zwei in axialer Richtung miteinander verbundenen, mit gegenläufiger Hubbewegung der Kolben 85 und seitliche mit je einem Akkumulator 84 versehenen Hydraulikzylindern 83. Die beiden Kolben 85 befinden sich dabei in einer Endlage und die Kolbenstangen 86 sind jeweils über die Dornen 22a,22a und 35a,35b mit den Adapterplatten 2la,21b der Fusspedalwellen 6a,6b bzw. den Exzenterscheiben 33a,33b der Motorwelle 4 verbunden. Die beiden Flächen h und A2 der Kolben 85 sind gleich gross ausgebildet. Der Gasdruck der Akkumulatoren 84 entspricht dabei dem wählbaren Höchstwert für das zu übertragende Drehmoment.
In Fig. 9 besteht das drehmomentbegrenzende Mittel 9 aus zwei in axialer Richtung miteinander verbundenen, mit gegenläufiger Hubbewegung der Kolben 95 und mit gasgefülltem Hubraum 97 ausgerüsteten Pneumatikzylindern 93. Die beiden Kolben 95 befinden sich dabei in einer Endlage und die Kolbenstangen 96 sind über die Dornen 22a,22b und 35a,35b mit den Adapterplatten 21a,21b der Fusspedalwellen la,lb bzw. den Exzenterscheiben 33a,33b der Motorwelle 4 verbunden. Die beiden Flächen A-^ und A2 der Kolben 95 sind gleich gross ausgebildet. Der Gasdruck im Hubraum 97 entspricht dabei dem wählbaren Höchstwert für das zu übertragende Drehmoment.
Grundsätzlich kann das drehmomentbegrenzende Mittel auch aus einer geeigneten Elektronik bestehen. In einem solchen Fall sind zweckmässigerweise - statt eines einzigen Motors - zwei Motoren vorzusehen, da die beiden Füsse voneinander unabhängig in ihrem Bewegungsumfang angesteuert werden sollen. Vorzugsweise werden zwei Direktantriebe in der Sprunggelenkachse selbst vorgesehen. Als Motoren kommen Elektromotoren mit Positions-, bzw. Lageerkennung in Frage, insbesondere Schrittmotoren oder Servo¬ motoren. Die beiden Motoren müssen miteinander kommunizieren können (Synchronisation), um nicht ausser Tritt zu kommen, d.h. es ist eine echte 2-Achskarte erforderlich, welche die zwei Motoren regelt, bzw. steuert.
Die grundsätzliche Arbeitsweise bei einer elektronischen Drehmomentbegrenzung kann in folgende Schritte unterteilt werden:
1. Referenzfahrt:
Die beiden Motoren fahren auf ihre jeweiligen Endschalter zum referenzieren. Dieser Schritt kann bei Einsatz eines Absolutwegmesssystems (z.B. Potentiometer oder Resolver) entfallen. Bei Relativwegmesssystemen (z.B. Encoder) muss dieser Schritt nach dem Einschalten des Gerätes ohne Patient durchgeführt werden.
2. Einmessen:
Die Elektronik (Mikroprozessor) steuert die Verstärker der beiden Motoren mit langsamer Drehzahl und kleinem Drehmoment an. Die für den Patienten individuellen Grenzwerte seines Bewegungs- umfanges werden über den Leistungsanstieg (Strom und/oder Spannung) oder den Schleppfehler der beiden Motoren erfasst und in der Elektronik gespeichert.
3. Behandlungsstart:
Die beiden Motoren fahren mit ihrer vollen Leistung innerhalb des gemessenen Winkelbereiches im Reversierbetrieb, wobei die Synchronisation entweder über unterschiedliche Winkel¬ geschwindigkeiten der linken und rechten Fussseite oder durch unterschiedliche Pausenlänge in den Umkehrlagen erreicht werden kann (Programmierung).
In Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher die Mittel zur Drehmomentbegrenzung einen hydraulischen Zylinder 10 mit durchgehender Kolbenstange 103 und seitliche eine Gleichrichterschaltung 104, bestehend aus vier Rückschlagventilen 105 und einem regelbaren Überdruckventil 106 umfasst. Die durchgehende Kolbenstange 103 auf der einen Seite und das Gehäuse 107 auf der anderen Seite sind mit einem Schwenkauge 108 versehen zur Verbindung mit den Adapterplatten 21a,21b mittels der Dornen 22a und 35a, wobei der eingestellte Federdruck des Überdruckventils 106 dem wählbaren Höchstwert für das übertragende Drehmoment entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bewegung des oberen Sprunggelenkes, die zwei horizontal in einer Lagerung (6a,6b) liegende, links und rechts koaxial sich erstreckende Fusspedalwellen (la,lb) umfasst, auf denen radial je ein linkes und rechtes Fusspedal (2a,2b) drehfest montiert sind und mittels eines Motors (3) derart antreibbar sind, dass die rotierende Bewegung der Motorwelle (4) in eine alternierende, gegenläufige Schwenkbewegung des linken und rechten Fusspedals (2a,2b) zwischen zwei Endlagen innerhalb eines beschränkten Winkel¬ bereiches umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (5;8;9;10) vorgesehen sind, welche bewirken, dass beim erzwungenen Stillstand eines Fusspedales (2a,2b), infolge Erreichens einer Endlage im Bewegungsumfang eines oberen Sprunggelenkes, das von der Motorwelle (4) auf die Fusspedalwelle (la;lb) übertragene Drehmoment einen wählbaren Höchstwert nicht überschreiten kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die NichtÜberschreitung des Drehmomentes vorgesehenen Mittel (5;8;9;10) derart ausgebildet sind, dass deren Kennlinie in ihrem Kraft/Weg-Diagramm bis zu einem Knickpunkt, welcher dem gewählten Höchstwert entspricht, im wesentlichen geradlinig ansteigt und danach im wesentlichen flach verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Fusspedal (2a,2b) auf einer Winkelschiene (23a,23b) in einem Schlitz (24a,24b) axial verschiebbar angeordnet ist, und an beliebiger Stelle im Schlitz (24a,24b) ausserdem im Befestigungsdrehpunkt nach links und nach rechts um etwa 10° schwenkbar ist, und die Winkelschiene (23a,23b) gehäuseseitig mit einem Adapter (27a,27b) versehen ist, der mittels einer Rändelschraube (28) befestigt werden kann mit einem Adapter (21a,21b) der Wellen (la,lb) derart, dass beide Adapter in drei verschiedenen Positionen zueinander indexiert und verbunden werden können, so dass ausser der senkrechten Nullage noch zwei weitere Nullagen einstellbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung eine die Motorwelle (4) und die Fusspedalwelle (la;lb) verbindende, als Hohlstange ausgebildete Schubstange (51a,51b) umfassen, in welcher zwei bis kurz vor dem Knickpunkt in der Kennlinie des Kraft/Weg-Diagramms vorgespannte Tellerfederpakete (52,58) mit gegenläufigem Federweg angeordnet sind, wobei das im wesentlichen konstante maximale Drehmoment beim erzwungenen Stillstand der Fusspedalwelle (la;lb) auf der, im wesentlichen flachen Kennlinie nach dem Knickpunkt liegt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung zwei in axialer Richtung miteinander verbundene, mit gegen¬ läufiger Hubbewegung der Kolben (85) und seitlich mit einem Akkumulator (84) versehenen Hydraulikzylinder (83) umfasst, derart dass die beiden Kolben (85) sich in einer Endlage befinden und die Kolbenstangen (86), über die Dornen (22a) und (35a) mit den Adapterplatten (21a,21b) der Fusspedalwellen (la,lb) bzw. den Exzenterscheiben (33a,33b) der Motorwelle (4) verbunden sind und wobei der Gasdruck des Akkumulators (84) dem wählbaren Höchstwert für das zu übertragende Drehmoment entspricht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche l - 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung zwei in axialer Richtung miteinander verbundene, mit gegenläufiger Hubbewegung der Kolben (95) und mit gasgefülltem Hubraum (97) ausgerüstete Pneumatikzylinder (93) umfasst, derart, dass die beiden Kolben (95) sich in einer Endlage befinden und die Kolbenstangen (96) über die Dornen (22a) und (35a) mit den Adapterplatten (21a,21b) der Fusspedalwellen (la,lb) bzw. den Exzenterscheiben 33a,33b der Motorwelle 4 verbunden sind und wobei der Gasdruck im Hubraum (97) dem wählbaren Höchstwert für das zu übertragende Drehmoment entspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Motor (3) ein Getriebemotor ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung eine elektronische Steuerung für den Motor (3) , vorzugsweise mit einem Mikroprozessor umfassen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (3) aus zwei einzelnen Elektromotoren besteht.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung einen hydraulischen Zylinder mit durchgehender Kolbenstange (103) und seitlich eine Gleichrichterschaltung (104), bestehend aus vier Rückschlagventilen (105) und einem regelbaren Überdruckventil (106) umfasst, derart dass einerseits die durchgehende Kolbenstange (103) und anderseits das Gehäuse (107) mit einem Schwenkauge (108) versehen ist zur Verbindung mit den Adapterplatten (21a,21b) mittels der Dornen (22a) und (35a), und wobei der eingestellte Federdruck des Überdruckventils (106) dem wählbaren Höchstwert für das zu übertragende Drehmoment ent¬ spricht.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung ein Druckfedersystem umfasst, das derart gewickelt ist, dass es eine stark degressive Kennlinie des Kraft/Weg-Diagramms aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Mittel (5;8;9;10) zur Drehmomentbegrenzung ein System aus Gummi- oder Kunststoff-Federn umfasst, deren Formgebung derart gewählt ist, dass das System eine stark degressive Kennlinie des Kraft/Weg-Diagramms aufweist.
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