WO2009140955A1 - Verbindungselement für orthopädische komponenten - Google Patents

Verbindungselement für orthopädische komponenten Download PDF

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WO2009140955A1
WO2009140955A1 PCT/DE2009/000733 DE2009000733W WO2009140955A1 WO 2009140955 A1 WO2009140955 A1 WO 2009140955A1 DE 2009000733 W DE2009000733 W DE 2009000733W WO 2009140955 A1 WO2009140955 A1 WO 2009140955A1
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WO
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connecting element
element according
sensor
carrier
laminated
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Application number
PCT/DE2009/000733
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roland Auberger
Jeff Friesen
Original Assignee
Otto Bock Healthcare Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US12/992,012 priority patent/US9649215B2/en
Priority to PL09749497T priority patent/PL2276432T3/pl
Priority to AT09749497T priority patent/ATE542501T1/de
Priority to EP09749497A priority patent/EP2276432B1/de
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F5/00—Orthopaedic methods or devices for non-surgical treatment of bones or joints; Nursing devices; Anti-rape devices
    • A61F5/01—Orthopaedic devices, e.g. splints, casts or braces
    • A61F5/0102—Orthopaedic devices, e.g. splints, casts or braces specially adapted for correcting deformities of the limbs or for supporting them; Ortheses, e.g. with articulations

Definitions

  • the invention relates to a connection element between two rigidly coupled orthopedic components, in particular orthotic or prosthesis components, with an upper part and a lower part.
  • a rigid connection is present when no pivoting about a fixed pivot axis is possible.
  • the rigid connection is also given when the connecting element is resiliently mounted in a receptacle.
  • An elastic configuration of the connecting element, in particular a bending elasticity is not opposed to a rigid connection.
  • Such a connection element is particularly suitable for use in a so-called knee-ankle-foot orthosis and serves to connect a foot part with a lower leg structure, which is fixedly arranged on the lower leg of an orthosis wearer.
  • Such an orthosis serves to support the musculoskeletal system.
  • the invention also relates to an orthotic device with such a connecting element.
  • an orthosis with a frame whose proximal frame part can be fixed to the thigh of an orthosis wearer.
  • a distal frame part is pivotably mounted on the proximal frame part via a knee joint.
  • a foot part is hinged. About an actuator, the foot can be driven driven.
  • the proximal frame part can be displaced relative to the distal frame part via a knee actuator.
  • Such an orthosis serves to actively support the movement process.
  • WO 2005/058211 A2 describes a generic orthosis with struts arranged medially and laterally, which are each connected to one another via a knee joint.
  • the struts are held at a defined distance from each other via brackets, on which the medial and lateral struts are fastened.
  • the straps are configured to form a receptacle for a hydraulic cylinder.
  • the hydraulic cylinder is located dorsally when the orthosis is worn. The disadvantage of this is that the damper device requires a lot of space and can not be worn under normal pants in the rule.
  • the object of the present invention is to provide a connecting element, in particular for orthotic devices or prosthetic devices, with which an improved detection of effective forces between the connected components is achieved. According to the invention this object is achieved by a connecting element with the features of the main claim. Advantageous embodiments and further developments of the invention are listed in the subclaims.
  • the connecting element according to the invention between two orthopedic components rigidly coupled to each other with an upper part and a lower part provides that the connecting element has a laminate structure and at least one sensor for determining an effective moment or effective forces is arranged in the connecting element. Via the sensor or the sensors, the momentarily effective moment, e.g. Torsional or bending moment can be determined, from which conclusions about the current structural load or, for example, the current gear phase can be drawn.
  • a rigid connection exists when the upper part and the lower part are not hinged together.
  • the sensor for determining the forces or moments is preferably laminated within the connecting element, that is surrounded by the laminate layers, so that the sensor is largely shielded from external influences and detects only the effective forces and moments within the connecting element.
  • a laminated-in signal processing or amplifier circuit which is preferably located in the vicinity of the sensor system
  • each sensor is shielded from undesired shear forces of the laminate material, this is preferably done in that between the sensor and the laminate material, a release layer, in particular a film or a Heat shrink tubing is arranged. This avoids that shear forces are transferred within the laminate material in a bending of the connecting element to the sensor, whereby the measurement would be falsified.
  • the separating layer can be arranged on one side on the sensor and shield only one side of the sensor against shearing forces.
  • the sensor is preferably formed as a DehnmessstMailan extract which is arranged on a support, wherein also the carrier is preferably laminated in the connecting element.
  • the lamination of the carrier is carried out in particular such that the carrier participates in the deformations of the connecting element, so that it can be concluded from the deformation of the carrier to the load of the connecting element.
  • a module is provided which consists of the carrier and a strain gauge previously applied thereto, possibly together with a circuit for evaluation, processing and amplification of the sensor signal.
  • This module can be easily laminated into the connecting element during its manufacture, whereby connections for the transmission of the sensor data must be led out of the connecting element, for example in the form of cables or laminated sockets.
  • the transmission of the sensor data may also be wireless, e.g. via an inductive coupling or radio.
  • the use of strain gauges based on surface acoustic wave (SAW) technology is advantageous for radio transmission.
  • SAW surface acoustic wave
  • the entire sensor unit can be designed on a single board on which the transmitter is located. It is provided that the sensor, for example, a strain gauge, is applied to the board by means of thick film technology. There is no need for a separate carrier material, so that a total of a compact structure can be realized.
  • the board thus serves as a carrier of the sensor and the integrated circuits of the transmitter.
  • the data of the sensor may be transmitted after evaluation by the evaluation, to a control device which is connected to the sensor.
  • the control device can likewise be arranged on the circuit board.
  • the control device is coupled to an actuator, so that on the basis of the sensor data, the behavior of the actuator changes, that can be varied.
  • the release layer may be attached to the carrier so that an encapsulated sensor can be incorporated into the laminate material without the need for further operations.
  • the separating layer for example formed as a film, can be glued to the carrier, so that only the bending forces or bending moments transmitted to the carrier are measured by the sensor. Instead of a film and a shrink tube can be used.
  • a further development of the invention provides that the sensor and possibly the support are mounted floatingly in the connection element, in order to avoid that at a e.g. is deformed in a thermally induced expansion of the carrier during use of the carrier in itself, if the laminate material does not expand to the same extent. This would be the case, for example, for a material combination of fiber-reinforced composite materials and a metal carrier.
  • a floating storage avoids the one hand, the generation of a faulty signal and on the other hand, a blasting of the encapsulating material of the connecting element.
  • the carrier and thus also the strain gauges are preferably arranged in the neutral fiber of the connecting element, whereby a disturbance-free measurement of the bending of the connecting element is ensured.
  • Carriers of different thicknesses can be laminated in order to be able to vary the sensitivity of the sensors. The thicker the carrier, the more sensitive the sensor, since the distortions on the strain gauge are higher for a given deformation.
  • the carrier may be formed as a plate, for example a plastic or metal plate or as a rod-shaped, in particular cylindrical or sleeve-shaped carrier.
  • Several sensors or strain gauges can be arranged on a carrier, in particular strain gauges can be arranged on opposite sides of the carrier in order to be able to detect bending and torsion moments without interference.
  • a plurality of signal processing devices can be arranged on a carrier.
  • the sensors may be arranged along the longitudinal extent of the carrier spaced from each other on the carrier and on or in the connecting element.
  • An embodiment of the invention provides that the connecting element is designed as a heel spring, which is arranged laterally or dorsally to the orthosis carrier.
  • the sensor is arranged posterior to the ankle, which can be deduced from the distance to the actual ankle joint resulting misalignment, the offset, so that in a known mounting position a Estimation of the ankle moment can be done.
  • the connecting element is preferably made of a fiber-reinforced composite material, such as a glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced composite material and is formed for example as a beam spring element.
  • the connecting element can be exchangeably connected to the upper part and / or to the lower part, in order to ensure easy adaptation to different physiological conditions of the respective wearer of the orthopedic components, for example in order to be able to adapt to body weight, physical performance or body size.
  • the connecting element is formed as a part of the upper part and / or the lower part, so that, for example, a foot part and a Dorsalfeder are integrally formed with each other to be connected to the upper part in the form of a lower leg structure.
  • the connecting element can be integrally formed with the upper part, so that only the lower part has to be arranged on the connecting element.
  • Upper part and lower part have different structures and / or functions, such as knee joint and foot or forefoot and ankle, which must be coupled together. This coupling takes place via the connecting element.
  • the sensor can be designed to absorb axial forces in order to be able to detect a compressive or tensile load within the connecting element. If the sensor is based on the strain gauge technology, one or more strain gauges can be applied in an orientation oblique to the longitudinal extension of the carrier element. Depending on the desired measuring direction of the sensor element, the sensor can also be laminated obliquely to the longitudinal extent of the connecting element.
  • the connecting element as a connecting part between a lower part of a knee joint and a foot part and a corresponding arrangement of the connecting element in the lower leg region is preferably provided that the sensor or the sensors is located in the region of the ankle joint or are to determine the effective ankle moment as accurate as possible can.
  • a plurality of sensors may be disposed axially spaced from one another on the connecting element to increase the accuracy of the detection of the effective forces and moments.
  • at least one further sensor can be fastened to the surface of the connecting element, which supplies supplementary data.
  • the sensor data can also be transmitted wirelessly in addition to a signal transmission via cable in order to supply a corresponding controller with the required signals.
  • the invention also relates to an orthotic device having an upper part, which has a fastening device for attachment to a thigh, a lower part, which has a fastening device for attachment to a lower leg, and a lower part connected to the foot part for supporting a foot, wherein the upper part and the Lower part are pivotally connected to each other about a hinge axis and between the upper part and the lower part an actuator is arranged, with a connecting element, as described above, which is arranged between the foot part and the lower part and connects them together.
  • Figure 1- a knee-ankle-foot orthosis in side view
  • FIG. 2 shows a sensor on a carrier plate
  • Figure 3 shows an arrangement example of sensors according to Figure 2 in one
  • FIG. 4 shows a variant of the sensor according to FIG. 2; such as 5 shows an arrangement example of the sensor according to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a side view of a knee-ankle-foot orthosis 1.
  • the orthosis 1 has a thigh structure 2, on which a joint device 3 is provided for the articulated attachment of a lower leg structure 8.
  • the attachment of the hinge device 3 via hinge structure elements 31, 32.
  • the lower leg structure 8 pivots about the hinge axis 30 relative to the thigh structure 2, wherein the thigh and lower leg structure 2, 8 are fixed via fastening means 21, 81 on the upper and lower leg of the orthosis wearer.
  • a foot part 7 is connected via a connecting element 5, which is formed in the present embodiment as a beam spring element.
  • the foot part 7 is fastened to the connecting element 5 via an adapter 6.
  • the foot part 7 and the adapter 6 can either be formed in one piece or assembled from several components.
  • an adapter 10 is provided, with which it is possible to attach the bar spring element 5 replaceable on the brace 1, wherein the lower leg structure 8 is considered as the upper part and the foot part 7 as the lower part.
  • the ends of the connecting element 5 are inserted into the respective adapter 6, 10 and fixed there, for example via screws.
  • Klemmadaptern 6, 10 is preferable because the drilling of holes in fiber composites on the one hand consuming and on the other hand leads to a significant weakening of the strength of the fiber composite material of the connecting element 5.
  • the connecting element 5 may also be formed integrally with the foot part 7 and / or the lower leg structure 8.
  • the connecting element 5 is mounted dorsally, in principle it is also possible to provide such a connecting element 5 as a spring also frontal, medial and / or lateral, with an exchange of the springs remains possible.
  • the dorsal arrangement of the spring 5 has the advantage that a very slim silhouette is achieved in the orthosis wearer, so that the orthosis can be worn as inconspicuously as possible. Furthermore, this arrangement allows the realization of the longest possible beam spring, which has a positive effect on the spring properties and the durability of the spring element 5.
  • a sensor 20 for determining the bending moment or other effective forces within the connecting element 5 is arranged.
  • the sensor data can be transmitted to a control device 9, which can vary the behavior of the actuator 4.
  • the actuator 4 may be formed as an active actuator, also an embodiment as a purely passive damper or a combination thereof is possible.
  • An additional sensor 20 ' is arranged externally on the connecting element 5 and provides additional data about the forces and moments acting in the connecting element 5.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the embodiment of a sensor 20 with a strain gauge element 21 mounted on a carrier 22.
  • the strain gauge element 21 is fixed in a conventional manner on the carrier 22, for example glued, and shielded from the environment by separating layers 23.
  • the release layers 23 are fixed to the carrier 22 and may for example consist of a release film, a shrink tube or a silicone embedding or coating.
  • connecting regions 24 of the carrier 22 are provided, at which the carrier 22 can be connected to the surrounding composite material.
  • connection regions 24 come into contact with the binders of the fiber composite material and thus establish a connection to the fiber materials.
  • the carrier 22 is not connected to the fiber composite material, since thereby a better Temperature compensation can be achieved.
  • the entire sensor 20 is coated with a release layer 23, so that there is a floating storage within the fiber composite material.
  • FIG. 3 shows, in a schematic side view, the connecting element 5, for example in the form of a bar spring element.
  • a sensor 20 is laminated with a shielded strain gauge 21 on a support 22 each.
  • the carrier 22 is preferably made thin, for example between 0.1 mm and 0.5 mm, so that the entire arrangement of the sensor 20 with the strain gauges 21 and separating layers 23 has a thickness of less than 1 mm.
  • the sensitivity of the sensors can be adjusted by the position within the connecting element 5, the change resulting from the variation of the distance to the neutral fiber 55.
  • FIGS. 4 and 5 A variant of the invention is shown in FIGS. 4 and 5, in which strain gauges 21 are arranged on the carrier 22 on both sides and are surrounded by separating layers 23.
  • connecting regions 24 are provided in order to be laminated into the connecting element 5.
  • the connection areas 24 are not absolutely necessary.
  • FIG. 5 shows a sectional view of the arrangement of the sensor 20 according to FIG. 4 within the connecting element 5.
  • the arrangement of the sensor 20 takes place in the neutral fiber 55 of the connecting element 5, the cable 25 lead out of the connecting element 5.
  • the carrier 22 bends together with the connecting element 5 and generates an output signal. Due to the immediately adjacent to the neutral fiber 55 adjacent arrangement of the strain gauges 21, a relatively high amplification factor is required to achieve the necessary sensitivity of the sensor.
  • the sensitivity can also be varied across the thickness of the carrier 22.
  • a compromise between sensitivity, thickness of the sensor and gain factor is found.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement (5) zwischen zwei starr miteinander gekoppelten orthopädischen Komponenten, insbesondere Prothesen- oder Orthesenkomponenten, mit einem Oberteil (2) und einem Unterteil (8), wobei das Verbindungselement (5) einen Laminataufbau aufweist und in dem Verbindungselement (5) zumindest ein Sensor (20) zur Ermittlung eines wirksamen Momentes oder einer wirksamen Kraft angeordnet ist.

Description

VERBINDUNGSELEMENT FÜR ORTHOPÄDISCHE KOMPONENTEN
Die Erfindung betrifft Verbindungselement zwischen zwei starr miteinander gekoppelten orthopädischen Komponenten, insbesondere Orthesen- oder Prothesenkomponenten, mit einem Oberteil und einem Unterteil. Eine starre Verbindung liegt dann vor, wenn keine Verschwenkung um eine festgelegte Schwenkachse möglich ist. Die starre Verbindung ist auch dann gegeben, wenn das Verbindungselement nachgiebig in einer Aufnahme gelagert ist. Eine elastische Ausgestaltung des Verbindungselementes, insbesondere eine Biegeelastizität steht einer starren Verbindung nicht entgegen. Ein solches Verbindungselement ist insbesondere zum Einsatz in einer sogenannten Knie-Knöchel-Fuß-Orthese geeignet und dient zur Verbindung eines Fußteiles mit einer Unterschenkelstruktur, die fest an dem Unterschenkel eines Orthesenträgers angeordnet wird. Eine solche Orthese dient zur Unterstützung des Bewegungsapparates. Die Erfindung betrifft auch eine Ortheseneinrichtung mit einem solchen Verbindungselement.
Aus der US 2008/0039756 Al ist eine Orthese mit einem Rahmen bekannt, dessen proximaler Rahmenteil an dem Oberschenkel eines Orthesenträgers festgelegt werden kann. Ein distales Rahmenteil ist über ein Kniegelenk an dem proximalen Rahmenteil verschwenkbar gelagert. An dem distalen Ende des distalen Rahmenteils ist ein Fußteil gelenkig befestigt. Über einen Aktuator kann das Fußteil angetrieben verschwenkt werden. Das proximale Rahmenteil kann gegenüber dem distalen Rahmenteil über ein Knieaktuator verlagert werden. Eine solche Orthese dient zur aktiven Unterstützung des Bewegungsablaufes.
Die WO 2005/058211 A2 beschreibt eine gattungsgemäße Orthese mit medial und lateral angeordneten Streben, die jeweils über ein Kniegelenk miteinander verbunden sind. Die Streben werden über Bügel, an denen die medialen und lateralen Streben befestigt sind, in einem definierten Abstand zueinander gehalten. An dem distalen Ende des Oberschenkelteils und dem proximalen Ende des Unterteils sind die Bügel so ausgestaltet, dass sie eine Aufnahme für einen Hydraulikzylinder bilden. Der Hydraulikzylinder ist dorsal angeordnet, wenn die Orthese getragen wird. Nachteilig hieran ist, dass die Dämpfereinrichtung sehr viel Platz benötigt und in der Regel nicht unter einer normalen Hose getragen werden kann. Die Verwendung einer Balkenfeder aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff ist beispielsweise im Zusammenhang mit einer Fußheberorthese aus der DE 10 2004 027 252.2 bekannt. An der gebogen ausgebildeten Balkenfeder sind Befestigungseinrichtungen zur Festlegung der Feder an dem Fuß und dem Unterschenkel angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement insbesondere für Ortheseneinrichtungen oder Protheseneinrichtungen bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Erfassung von wirksamen Kräften zwischen den verbundenen Komponenten erreicht wird. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verbindungselement mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement zwischen zwei starr miteinander gekoppelten orthopädischen Komponenten mit einem Oberteil und einem Unterteil sieht vor, dass das Verbindungselement einen Laminataufbau aufweist und in dem Verbindungselement zumindest ein Sensor zur Ermittlung eines wirksamen Momentes oder wirksamer Kräfte angeordnet ist. Über den Sensor oder die Sensoren kann das jeweils momentan wirksame Moment, z.B. Torsions- oder Biegemoment ermittelt werden, woraus Rückschlüsse über die momentane Strukturbelastung oder beispielsweise die momentane Gangphase gezogen werden können. Eine starre Verbindung liegt vor, wenn das Oberteil und das Unterteil nicht gelenkig miteinander verbunden sind.
Die Sensorik zur Ermittlung der Kräfte oder Momente ist bevorzugt innerhalb des Verbindungselementes einlaminiert, also von den Laminatschichten umgeben, so dass der Sensor gegenüber äußeren Einflüssen weitestgehend abgeschirmt ist und nur die wirksamen Kräfte und Momente innerhalb des Verbindungselementes erfasst. Gleiches glt für eine einlaminierte Signalaufbereitung oder Verstärkerschaltung, die sich bevorzugt in der Nähe der Sensorik befindet
Um Störungen aufgrund des einlaminierten Zustandes zu minimieren, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass jeder Sensor gegenüber unerwünschten Scherkräften des Laminatwerkstoffes abgeschirmt ist, bevorzugt erfolgt dies dadurch, dass zwischen dem Sensor und dem Laminatwerkstoff eine Trennschicht, insbesondere eine Folie oder ein Schrumpfschlauch angeordnet ist. Dadurch wird vermieden, dass Scherkräfte innerhalb des Laminatwerkstoffes bei einer Biegung des Verbindungselements auf den Sensor übertragen werden, wodurch die Messung verfälscht werden würde. Die Trennschicht kann einseitig an dem Sensor angeordnet sein und nur eine Seite des Sensors gegenüber Scherkräften abschirmen. .
Der Sensor ist bevorzugt als eine Dehnmessstreifenanordnung ausgebildet, die auf einem Träger angeordnet ist, wobei auch der Träger bevorzugt in dem Verbindungselement einlaminiert ist. Das Einlaminieren des Trägers erfolgt dabei insbesondere dergestalt, dass der Träger die Verformungen des Verbindungselementes mitmacht, so dass aus der Verformung des Trägers auf die Belastung des Verbindungselementes geschlossen werden kann. Dadurch wird ein Modul bereitgestellt, das aus dem Träger und einem vorher darauf aufgebrachten Dehnmessstreifen, ggf. gemeinsam mit einer Schaltung zur Auswertung, Aufbereitung und Verstärkung des Sensorsignals besteht. Dieses Modul kann einfach in das Verbindungselement bei dessen Herstellung einlaminiert werden, wobei Anschlüsse zur Übermittlung der Sensordaten aus dem Verbindungselement heraus geführt werden müssen, beispielsweise in Gestalt von Kabeln oder einlaminierten Steckerbuchsen. Die Übermittlung der Sensordaten kann auch kabellos, z.B. über eine induktive Koppelung oder Funk erfolgen. Für die Funkübertragung ist insbesondere die Verwendung von auf SAW-Technologie (surface acoustic wave) basierenden Dehnmessstreifen vorteilhaft. Diese können kabellos abgefragt werden, ihr Messprinzip basiert auf der Tatsache, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer akustischen Oberflächenwelle in einem Kristall und daher die Signallaufzeit abhängig von dessen mechanischen Spannungszustand ist.
Die gesamte Sensoreinheit kann auf einer einzigen Platine ausgeführt sein, auf der sich auch die Auswerteelektronik befindet. Dabei ist vorgesehen, dass der Sensor, beispielsweise ein Dehnmessstreifen, auf der Platine mittels Dickschichttechnologie aufgebracht ist. Es wird dadurch kein separates Trägermaterial benötigt, so dass insgesamt ein kompakter Aufbau verwirklicht werden kann. Die Platine dient somit als Träger des Sensors und der integrierte Schaltkreise der Auswerteelektronik. Die Daten des Sensors werden ggf. nach der Auswertung durch die Auswerteelektronik, an eine Steuereinrichtung übermittelt, die mit dem Sensor verbunden ist. Die Steuereinrichtung kann ebenfalls auf der Platine angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist mit einem Aktuator gekoppelt, so dass auf der Grundlage der Sensordaten das Verhalten des Aktuators verändert, also variiert werden kann.
Die Trennschicht kann an dem Träger befestigt sein, so dass ein eingekapselter Sensor in den Laminatwerkstoff eingearbeitet werden kann, ohne dass es weiterer Arbeitsschritte bedarf. Die Trennschicht, beispielsweise als Folie ausgebildet, kann auf dem Träger aufgeklebt werden, so dass lediglich die auf den Träger übertragenden Biegekräfte oder Biegemomente von dem Sensor gemessen werden. Statt einer Folie kann auch ein Schrumpfschlauch eingesetzt werden. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Sensor und ggf. der Träger schwimmend in dem Verbindungselement gelagert sind, um zu vermeiden, dass bei einer z.B. bei einer thermisch bedingten Ausdehnung des Trägers während der Benutzung der Träger in sich verformt wird, wenn der Laminatwerkstoff sich nicht im gleichen Maß ausdehnt. Dies wäre beispielsweise bei einer Werkstoffpaarung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen und einem Metallträger der Fall. Eine schwimmende Lagerung vermeidet einerseits die Erzeugung eines fehlerhaften Signals und andererseits eine Sprengung des einkapselnden Werkstoffes des Verbindungselementes.
Der Träger und damit auch der Dehnmessstreifen sind bevorzugt in der neutralen Faser des Verbindungselementes angeordnet, wodurch eine störgrößenfreie Messung der Biegung des Verbindungselementes gewährleistet ist. Träger unterschiedlicher Dicke können einlaminiert werden, um die Empfindlichkeit des Sensoren variieren zu können. Je dicker der Träger ist, desto empfindlicher ist der Sensor, da die Verzerrungen an dem Dehnmessstreifen bei gegebener Verformung höher sind.
Der Träger kann als eine Platte, z.B. eine Kunststoff- oder Metallplatte oder als stabförmiger, insbesondere zylindrischer oder hülsenförmiger Träger ausgebildet sein. Es können mehrere Sensoren oder Dehnmessstreifen auf einem Träger angeordnet sein, insbesondere können Dehnmessstreifen an gegenüberliegenden Seiten des Trägers angeordnet sein, um Biege- und Torsionsmomente störungsfrei erfassen zu können. Ebenfalls können mehrere Signalaufbereitungseinrichtungen an einem Träger angeordnet sein. Die Sensoren können entlang der Längserstreckung des Träger beabstandet zueinander an dem Träger und an oder in dem Verbindungselement angeordnet sein. Eine Ausfiihrungsform der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungselement als eine Fersenfeder ausgebildet ist, die lateral oder dorsal zu dem Orthesenträger angeordnet ist. Insbesondere bei einer dorsal zu dem Orthesenträger angeordneten Fersenfeder ist es vorgesehen, dass der Sensor posterior zu dem Knöchel angeordnet ist, wobei die sich aus dem Abstand zu dem eigentlichen Knöchelgelenk ergebende Fehlmessung, der Offset, herausgerechnet werden kann, so dass bei einer bekannten Einbaulage eine Abschätzung des Knöchelmomentes erfolgen kann.
Das Verbindungselement besteht bevorzugt aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, beispielsweise einem glasfaserverstärkten oder kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoff und ist beispielsweise als ein Balkenfederelement ausgebildet.
Das Verbindungselement kann auswechselbar mit dem Oberteil und/oder mit dem Unterteil verbunden sein, um eine leichte Anpassung an unterschiedliche physiologische Gegebenheiten der jeweiligen Träger der orthopädischen Komponenten zu gewährleisten, beispielsweise um eine Anpassung an das Körpergewicht, die physische Leistungsfähigkeit oder die Körpergröße zu ermöglichen. Alternativ dazu ist das Verbindungselement als ein Teil des Oberteils und/oder des Unterteils ausgebildet, so dass beispielsweise ein Fußteil und eine Dorsalfeder einstückig miteinander ausgebildet sind, um mit dem Oberteil in Gestalt einer Unterschenkelstruktur verbunden zu werden. Umgekehrt kann das Verbindungselement mit dem Oberteil einstückig ausgebildet werden, so dass lediglich das Unterteil an dem Verbindungselement angeordnet werden muß. Oberteil und Unterteil haben unterschiedliche Strukturen und/oder Funktionen, beispielsweise Kniegelenk und Fuß oder Vorderfuß und Knöchel, die miteinander gekoppelt werden müssen. Diese Koppelung erfolgt über das Verbindungselement.
Der Sensor kann zu Aufnahme von Axialkräften ausgebildet sein, um eine Druck- oder Zugbelastung innerhalb des Verbindungselementes detektieren zu können. Sofern der Sensor auf der Dehnmessstreifentechnologie basiert, kann ein oder können mehrere Dehnmessstreifen in einer Orientierung schräg zu der Längserstreckung des Trägerelementes appliziert sein. Abhängig von der gewünschten Messrichtung des Sensorelements kann der Sensor auch schräg zur Längserstreckung der Verbindungselements einlaminiert sein. Bei einer Ausgestaltung des Verbindungselementes als Verbindungsteil zwischen einem Unterteil eines Kniegelenkes und einem Fußteil und einer dementsprechenden Anordnung des Verbindungselementes im Unterschenkelbereich ist bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor oder die Sensoren im Bereich des Knöchelgelenks angeordnet ist oder sind, um das wirksame Knöchelmoment möglicht genau bestimmen zu können.
Mehrere Sensoren können axial zueinander beabstandet an dem Verbindungselement angeordnet sein, um die Genauigkeit der Erfassung der wirksamen Kräfte und Momente zu erhöhen. Neben dem einlaminierten Sensor oder den einlaminierten Sensoren kann zumindest ein weiterer Sensor an der Oberfläche des Verbindungselementes befestigt sein, der ergänzende Daten liefert.
Die Sensordaten können neben einer Signalübertragung via Kabel auch kabellos übertragen werden, um eine entsprechende Steuerung mit den benötigten Signalen zu versorgen.
Die Erfindung betrifft auch eine Ortheseneinrichtung mit einem Oberteil, das eine Befestigungseinrichtung zur Festlegung an einem Oberschenkel aufweist, einem Unterteil, das eine Befestigungseinrichtung zur Festlegung an einem Unterschenkel aufweist, und einem mit dem Unterteil verbundenes Fußteil zur Abstützung eines Fußes, wobei das Oberteil und das Unterteil um eine Gelenkachse schwenkbar miteinander verbunden sind und zwischen dem Oberteil und dem Unterteil ein Aktuator angeordnet ist, mit einem Verbindungselement, wie es oben beschrieben wurde, das zwischen dem Fußteil und dem Unterteil angeordnet ist und diese miteinander verbindet.
Nachfolgend werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1- eine Knie-Knöchel-Fuß-Orthese in Seitenansicht;
Figur 2- einen Sensor auf einer Trägerplatte;
Figur 3- ein Anordnungsbeispiel von Sensoren gemäß Figur 2 in einem
Verbindungselement;
Figur 4- eine Variante des Sensors gemäß Figur 2; sowie Figur 5- ein Anordnungsbeispiel des Sensors gemäß Figur 4.
In der Figur 1 ist eine Knie-Knöchel-Fuß-Orthese 1 in Seitenansicht dargestellt. Die Orthese 1 weist eine Oberschenkelstruktur 2 auf, an der eine Gelenkeinrichtung 3 zur gelenkigen Befestigung einer Unterschenkelstruktur 8 vorgesehen ist. Die Befestigung der Gelenkeinrichtung 3 erfolgt über Gelenkstrukturelemente 31, 32. Über einen Aktuator 4, der im vorliegend Ausführungsbeispiel als eine Hydraulikeinrichtung ausgebildet ist, die gegebenenfalls mit einem weiteren Aktuator gekoppelt sein kann, kann die Bewegung zwischen der Oberschenkelstruktur 2 und der Unterschenkelstruktur 8 kontrolliert werden, beispielsweise indem unterschiedliche Dämpfungsgrade der Bewegung zwischen der Oberschenkelstruktur 2 und der Unterschenkelstruktur 8 eingestellt werden. Die Unterschenkestruktur 8 verschwenkt um die Gelenkachse 30 relativ zu der Oberschenkelstruktur 2, wobei die Oberschenkel- und Unterschenkelstruktur 2, 8 über Befestigungseinrichtungen 21, 81 an dem Ober- und Unterschenkel des Orthesenträgers festgelegt sind.
An der Unterschenkelstruktur 8 ist ein Fußteil 7 über ein Verbindungselement 5 verbunden, das in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Balkenfederelement ausgebildet ist. Das Fußteil 7 ist an dem Verbindungselement 5 über einen Adapter 6 befestigt. Das Fußteil 7 und der Adapter 6 können entweder einteilig ausgebildet oder aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden. Auch an der Unterschenkelstruktur 8 ist ein Adapter 10 vorgesehen, mit dem es möglich ist, das Balkenfederelement 5 auswechselbar an der Orthese 1 zu befestigen, wobei die Unterschenkelstruktur 8 als Oberteil und das Fußteil 7 als Unterteil angesehen wird. Zur Befestigung werden die Enden des Verbindungselementes 5 in den jeweiligen Adapter 6, 10 eingeschoben und dort fixiert, beispielsweise über Schrauben. Das Ausbilden von Klemmadaptern 6, 10 ist zu bevorzugen, da das Bohren von Löchern in Faserverbundwerstoffen einerseits aufwendig ist und andererseits zu einer erheblichen Schwächung der Festigkeit des Faserverbundwerkstoffes des Verbindungselementes 5 führt. Alternativ zu einer Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Verbindungselement 5 und dem Fußteil 7 und der Unterschenkelstruktur 8 über Adapter 6, 10 kann das Verbindungselement 5 auch einstückig mit dem Fußteil 7 und/oder der Unterschenkelstruktur 8 ausgebildet sein. Im dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist das Verbindungselement 5 dorsal angebracht, grundsätzlich ist es auch möglich, ein solches Verbindungselement 5 als Feder auch frontal, medial und/oder lateral vorzusehen, wobei ein Austausch der Federn weiterhin möglich bleibt. Die dorsale Anordnung der Feder 5 hat den Vorteil, dass eine sehr schlanke Silhouette beim Orthesenträger erreicht wird, so dass die Orthese so unauffällig wie möglich getragen werden kann. Weiterhin ermöglicht diese Anordnung die Realisierung einer möglichst langen Balkenfeder, was sich positiv auf die Federeigenschaften und die Haltbarkeit des Federelementes 5 auswirkt.
In dem Verbindungselement 5 ist ein Sensor 20 zur Ermittlung des Biegemomentes oder anderer wirksamer Kräfte innerhalb des Verbindungselementes 5 angeordnet. Die Sensordaten können einer Steuerungseinrichtung 9 übermittelt werden, die das Verhalten des Aktuators 4 variieren kann. Der Aktuator 4 kann als aktives Stellelement ausgebildet sein, ebenfalls ist eine Ausgestaltung als rein passiver Dämpfer oder eine Kombination davon möglich. Ein zusätzlicher Sensor 20' ist außen an dem Verbindungselement 5 angeordnet und stellt zusätzliche Daten über die in dem Verbindungselement 5 wirksamen Kräfte und Momente zur Verfügung.
In der Figur 2 ist in einer Querschnittsansicht schematisch die Ausgestaltung eines Sensors 20 mit einem Dehnmessstreifenelement 21 gezeigt, das auf einem Träger 22 befestigt ist. Das Dehnmessstreifenelement 21 ist in herkömmlicher Weise auf dem Träger 22 befestigt, beispielsweise verklebt, und gegenüber der Umgebung durch Trennschichten 23 abgeschirmt. Die Trennschichten 23 sind an dem Träger 22 festgelegt und können beispielsweise aus einer Trennfolie, einem Schrumpfschlauch oder einer Silikoneinbettung oder -beschichtung bestehen. Diese Trennschichten 23, die sowohl auf der Oberseite als auch der Unterseite des Trägers 22 angeordnet sind, verhindern, dass Scherkräfte auf den Träger 22 und den darauf befestigten Dehnmessstreifen 21 übertragen werden. Seitlich neben den Trennschichten 23 sind Verbindungsbereiche 24 des Trägers 22 vorgesehen, an denen der Träger 22 mit dem umgebenen Verbundmaterial verbunden werden kann. Diese Verbindungsbereiche 24 treten in Verbindung mit den Bindemitteln des Faserverbundwerkstoffes und stellen so eine Verbindung zu den Faserwerkstoffen her. In bestimmen Fällen ist es vorteilhaft, wenn der Träger 22 nicht mit dem Faserverbundwerkstoff verbunden ist, da dadurch eine bessere Temperaturkompensation erreicht werden kann. In diesem Fall ist der gesamte Sensor 20 mit einer Trennschicht 23 zu überziehen, so dass sich eine schwimmende Lagerung innerhalb des Faserverbundwerkstoffes ergibt.
In der Figur 3 ist in einer schematischen Seitenansicht das Verbindungselement 5 beispielsweise in Gestalt eines Balkenfederelementes dargestellt. Beidseitig der neutralen Faser 55 ist je ein Sensor 20 mit einem abgeschirmten Dehnmessstreifen 21 auf einem Träger 22 einlaminiert. Kabel 25, die mit dem Dehnmessstreifen 21 verbunden sind, fuhren aus dem Verbindungselement 5 heraus und zu einer Verstärker- und Signalaufbereitungselektronik, die ebenfalls einlaminiert sein kann, und gegebenenfalls einer Steuereinrichtung. Der Träger 22 ist bevorzugt dünn ausgebildet, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sodass die gesamte Anordnung des Sensors 20 mit den Dehnmessstreifen 21 und Trennschichten 23 eine Dicke von unter 1 mm aufweist. Die Empfindlichkeit der Sensoren kann durch die Lage innerhalb des Verbindungselementes 5 eingestellt werden, wobei die Veränderung sich durch die Variation der Entfernung zu der neutralen Faser 55 ergibt.
Eine Variante der Erfindung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt, bei der beidseitig auf dem Träger 22 Dehnmessstreifen 21 angeordnet und von Trennschichten 23 umgeben sind. Auch hier sind neben den Trennschichten 23 Verbindungsbereiche 24 vorgesehen, um in das Verbindungselement 5 einlaminiert zu werden. Die Verbindungsbereiche 24 sind jedoch nicht zwingend erforderlich. In der Figur 5 ist in Schnittdarstellung die Anordnung des Sensors 20 gemäß Figur 4 innerhalb des Verbindungselementes 5 dargestellt. Die Anordnung des Sensors 20 erfolgt in der neutralen Faser 55 des Verbindungselementes 5, die Kabel 25 führen aus dem Verbindungselement 5 heraus. Der Träger 22 biegt sich zusammen mit dem Verbindungselement 5 und erzeugt ein Ausgangssignal. Aufgrund der unmittelbar zu der neutralen Faser 55 benachbarten Anordnung der Dehnmessstreifen 21 wird ein verhältnismäßig hoher Verstärkungsfaktor benötigt, um die notwendige Empfindlichkeit des Sensors zu erreichen. Die Empfindlichkeit kann auch über die Dicke des Trägers 22 variiert werden. Beim Design der Sensoreinheit ist ein Kompromiss zwischen Empfindlichkeit, Dicke des Sensors und Verstärkungsfaktor zu finden. Jedoch ergibt sich der Vorteil, dass nur ein einziger Fremdkörper innerhalb des Verbundwerkstoffelementes 5 angeordnet werden muss. Dieser Fremdkörper in Gestalt des Sensors 20, ggf. zusammen mit der Verstärker- und Auswerteelektronik, kann als vollständig vorgefertigtes Modul einfach eingelegt und einlaminiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verbindungselement zwischen zwei starr miteinander gekoppelten orthopädischen Komponenten, insbesondere Othesenkomponenten, mit einem Oberteil und einem Unterteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) einen Laminataufbau aufweist und in dem Verbindungselement (5) zumindest ein Sensor (20) zur Ermittlung eines Momentes oder einer Kraft angeordnet ist.
2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) innerhalb des Verbindungselementes (5) einlaminiert ist.
3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) gegenüber Scherkräften des Laminatwerkstoffes abgeschirmt ist.
4. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensor (20) und dem Laminatwerkstoff eine Trennschicht (23), insbesondere eine Folie, angeordnet ist.
5. Verbindungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (23) einseitig an dem Sensor (20) angeordnet ist.
6. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) als Dehnmessstreifen (21) ausgebildet ist, der auf einem Träger (22) angeordnet ist.
7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnmessstreifen (21) auf einer Platine, die als Träger 22) dient, einer Auswerteelektronik angeordnet ist.
8. Verbindungselement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnmessstreifen (21) in Dickschichttechnologie ausgebildet ist.
9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) in dem Verbindungselement (5) dergestalt einlaminiert ist, dass er die Verformungen des Verbindungselementes (5) mitmacht.
10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (23) an dem Träger (22) befestigt ist.
11. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) in der neutralen Faser (55) des Verbindungselementes (5) angeordnet ist.
12. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) als eine Platte oder zylindrisch, insbesondere hülsenförmig ausgebildet ist.
13. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) schwimmend in dem Verbindungselement (5) gelagert ist.
14. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (20) auf einem Träger (22) angeordnet sind.
15. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Träger (22) unterschiedlicher Dicke eingesetzt werden, die in dem Verbindungselement (5) einlaminiert sind.
16. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) als eine Fersenfeder ausgebildet ist, die lateral oder dorsal zu einem Orthesenträger angeordnet ist.
17. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff ausgebildet ist.
18. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) auswechselbar mit dem Oberteil (8) und/oder dem Unterteil (7) verbunden ist.
19. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) einstückig mit dem Oberteil (8) und/oder dem Unterteil (7) ausgebildet ist.
20. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) als Biegemoment- oder Torsionsmomentsensor ausgebildet ist.
21. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) Axialkräfte erfassen kann.
22. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) als Dehnmessstreifen ausgebildet und schräg zu der Längserstreckung des Verbindungselements (5) orientiert einlaminiert ist.
23. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) im Unterschenkelbereich angeordnet und der Sensor (20) oder die Sensoren (20) im Bereich des Knöchelgelenks angeordnet ist oder sind.
24. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verstärkung und Aufbereitung der Sensorsignale in dem Verbindungselement (5) einlaminiert ist.
25. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren (20) axial zueinander beabstandet an dem Verbindungselement (5) angeordnet sind.
26. Verbindungselement nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Sensor (20') an der Oberfläche des Verbindungselements (5) angeordnet ist.
27. Ortheseneinrichtung mit einem Oberteil (2), das eine Befestigungseinrichtung (21) zur Festlegung an einem Oberschenkel aufweist, einem Unterteil (8), das eine Befestigungseinrichtung (81) zur Festlegung an einem Unterschenkel aufweist, und einem mit dem Unterteil (8) verbundenes Fußteil (7) zur Abstützung eines Fußes, wobei das Oberteil (2) und das Unterteil (8) um eine Gelenkachse (30) schwenkbar miteinander verbunden sind und zwischen dem Oberteil (2) und dem Unterteil (8) ein Aktuator (4) angeordnet ist, mit einem Verbindungselement (5) nach einem der voranstehenden Ansprüche, das zwischen dem Fußteil (7) und dem Unterteil (8) angeordnet ist und diese miteinander verbindet.
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