WO2011069495A1

WO2011069495A1 - Mechanisch belastetes bauelement, insbesondere orthopädisches hilfsmittel

Info

Publication number: WO2011069495A1
Application number: PCT/DE2010/001440
Authority: WO
Inventors: Lüder MOSLER; Wulf Wulff; Simon Gallinger
Original assignee: Otto Bock Healthcare Gmbh
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2011-06-16
Also published as: DE102009057474B4; DE102009057474A1

Abstract

Bei einem Bauelement, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraftfluss (F) ausgelegt ist, lässt sich eine potentielle weitere Einsatzzeit für das Bauelement in einfacher Weise dadurch feststellen, dass in dem Kraftfluss (F) ein mechanisch-elektrischer Wandler (6) als Belastungssensor (1) eingeschaltet ist, der ein der Amplitude des Kraftflusses (F) entsprechendes elektrisches Signal abgibt und dem eine Anzeigeeinrichtung (8) nachgeschaltet ist, die zur langfristigen Aufsummierung der elektrischen Signale ausgelegt ist. Hierdurch kann insbesondere für Prothesen oder Orthesen eine Weiterverwendung ermöglicht werden.

Description

MECHANISCH BELASTETES BAUELEMENT, INSBESONDERE ORTHOPÄDISCHES HILFSMITTEL

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Die Erfindung betrifft ein Bauelement, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraftfluss ausgelegt ist. 0 Mechanisch belastete Bauelemente haben grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer, da durch die mechanischen Belastungen, insbesondere wenn sie pulsierende Belastungen sind, Veränderungen ihres Gefüges erfahren, die in Abhängigkeit von der Intensität der Belastung zunächst zu dem Auftreten von Haarrissen führen können,5 die im Laufe der weiteren Belastung zum Funktionsversagen des Bauelements führen können.

Tragende Bauelemente, wie beispielsweise aus Stahl hergestellte Brückenkonstruktionen, haben daher eine konstruktiv vorgesehene0 maximale Standzeit, bevor sie ausgewechselt werden müssen. Dabei wird ein erhebliches Sicherheitspolster verwendet, da das Risiko eines Brückensturzes mit Sicherheit vermieden werden soll. Die Vorgabe einer Standzeit für ein Bauelement ist jedoch unbefriedigend, weil sie unabhängig von der tatsächlichen Belastung des Bauelements ist.5 Für eine Brückenkonstruktion ist es erheblich, ob eine Dauerbelastung stattfindet und ob beispielsweise häufig Fahrzeuge mit einem hohen Gewicht über die Brücke fahren oder die Brücke eher von Personenkraftwagen benutzt wird. Es werden daher beispielsweise für aufwendige Brückenkonstruktionen zerstörungsfreie Materialprüfun-0 gen vorgenommen, indem die Brückenkonstruktionen mit Röntgenstrahlen, Ultraschall o. ä. untersucht werden, um das Auftreten von Rissen oder sonstigen die Statik beeinträchtigenden Vorkommnissen

BESTÄTIGUNGSKOPIE zu ermitteln. Hierfür müsse eine aufwendige Messvorrichtung zur Brücke transportiert und dort eingesetzt werden. Eine Prognose über die noch verfügbare Lebensdauer eines Bauelements innerhalb einer Brückenkonstruktion ist dabei nur bedingt möglich, da beispielsweise die Freiheit von mit dem Messverfahren erkennbaren Rissen keine Aussage darüber erlaubt, ob nicht kurz darauf ein derartiger Riss auftritt.

Ein ähnliches Problem ergibt sich für Bauelemente, die in sicherheits- relevanter Form von einem Menschen benutzt werden. Solche sicherheitsrelevanten Bauelemente sind Prothesen oder Orthesen, die einem Patienten ermöglichen, Tätigkeiten auszuüben, die er ohne diese Hilfsmittel nicht bewältigen könnte. Bei einer Prothese ersetzt ein Bauelement in Form eines künstlichen Beins, eines künstlichen Arms usw. ein amputiertes Glied des menschlichen Körpers. Insbesondere für Bein- oder Fußprothesen ergibt sich eine erhebliche mechanische Belastung durch das Körpergewicht des Patienten beim Gehen oder auch beim Stehen. Ähnliches gilt für Orthesen, wenn ein Patient, beispielsweise nach einer Operation seine natürlichen Gliedmaßen, wie ein Bein, oder einen Fuß, nicht oder nicht vollständig belasten kann, ohne die Kontrolle über sein Körpergewicht zu verlieren. Eine Orthese hilft dann, mit dem behinderten Glied eine kontrollierte Bewegung auszuüben, sodass die Kontrolle über das Körpergewicht erhalten bleibt.

Für Prothesenträger besteht manchmal die Veranlassung, eine bisher getragene Prothese durch eine andere Prothese zu ersetzen, beispielsweise weil mit der neuen Prothese zusätzliche Bewegungsmöglichkeiten eröffnet werden, die nach einer Übungsphase mit der bis- herigen Prothese nunmehr von dem Pro-thesenträger ausgeübt werden können. Für Orthesen ergibt sich eine begrenzte Tragzeit dadurch, dass Orthesen häufig für die Rehabilitation nach einer Erkrankung, Operation u. dgl. eingesetzt werde und daher nur so lange benötigt werden, wie der Patient sie benötigt, um seine natürlichen Körperkräfte und seine natürliche Kontrollmöglichkeit über das betreffende Körperglied wieder zu erlangen. Es ist üblich, derartige für eine gewisse Zeit benutzte Prothesen oder Orthesen zu entsorgen, weil eine Weiterbenutzung durch einen anderen Patienten nicht zumutbar ist, wenn der neue Patient nicht weiß, wie die entsprechende Orthese / Prothese von dem Vorbenutzer belastet worden ist. Die Gefahr, dass eine so starke Belastung stattge- funden hat, dass die entsprechende Prothese / Orthese beim neuen Nutzer nicht für die vorgesehene Einsatzzeit hält, schließt bisher eine Weitergabe benutzter Prothesen oder Orthesen praktisch aus. Eine zerstörungsfreie Materialprüfung, wie sie für aufwendige Tragkonstruktionen, beispielsweise bei Brückenbauwerken, üblich ist, ist für Prothesen oder Orthesen aus wirtschaftlichen Gründen ausgeschlossen. Der Untersuchungsaufwand wäre so hoch, dass der Einsparungseffekt für die Weiterbenutzung einer zeitweise gebrauchten Prothese oder Orthese weitgehend oder vollständig aufgezehrt werden würde. Für mit Motoren, insbesondere Elektromotoren, arbeitende Maschinen ist es bekannt, die Betriebsstunden der Maschine zu messen (AT 240 201 ). Hierzu wird insbesondere aus dem Primärstromkreis der Maschine ein Strom ausgekoppelt und in Abhängigkeit von der Einschaltdauer der Maschine ein Strom durch eine elektrochemische Zelle geleitet. In dieser elektrochemischen Zelle wird beispiels- weise durch den Strom eine Trennwand korrodiert, sodass nach einer bestimmten Betriebszeit zwei Zellen einer Elektrolysezelle, die durch die Trennwand voneinander getrennt waren, nunmehr zu einer Kammer vereinigt werden. Wenn dabei in einer Kammer eine farbige Flüssigkeit und in der anderen Kammer eine durchsichtige Flüssigkeit vorhanden waren, kann an dem Kammerteil, in dem sich die durchsichtige Flüssigkeit befunden hat, die Zerstörung der Trennwand dadurch erkannt werden, dass plötzlich eine farbige Flüssigkeit in dieser Kammer vorhanden ist. Ähnliche weitere Anzeigeeffekte sind denkbar. Eine derartige Überwachung kann daher beispielsweise einem Automobilbenutzer anzeigen, wann ein Wartungsintervall abgelaufen ist. Demzufolge ist die Anzeigeeinrichtung nicht für eine Prognose einer weiteren Benutzungszeit vorgesehen oder geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass in einfacher Weise eine Überprüfung des Materialzustands und eine Prognose über eine wei- tere Verwendungszeit des Bauelements möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Bauelement der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch einen Belastungssensor, der in den Kraftfluss durch das Bauelement eingeschaltet ist und eine der Anzahl und Amplitude des Kraftflusses entsprechende Aktion generiert und dem eine Auswertungseinrichtung nachgeschaltet ist, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors eine Anzeige der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt.

Durch den vorzugsweise in dem Bauelement integriert angeordneten Belastungssensor und die ihm nachgeschaltete Auswertungseinrichtung ist es somit möglich, an dem Bauelement selbst den Ablauf der sicheren Benutzungsdauer oder die Information zu entnehmen, wel- eher kumulierten Belastung das Bauelement während der bisherigen Benutzungszeit ausgesetzt war. Im letzteren Fall ist es durch die Kenntnis des Bauelements und dessen Materials möglich, - auch unter Wahrung von Sicherheitsmargen - zu prognostizieren, welche kumulierte Belastung für das Bauelement noch risikolos möglich ist. Es kann daher beispielsweise bei einer Orthese die Aussage gemacht werden, dass eine gefahrlose Benutzung für eine Rehabilitation über jeweils vier Wochen noch für mindestens zwei Patienten risikolos möglich ist. Für eine benutzte Prothese kann beispielsweise die Aus- sage gemacht werden, dass ein nicht mehr sehr beweglicher Prothesenträger diese benutzte Prothese im Rahmen seiner eingeschränkten Mobilität noch für beispielsweise zwei Jahre benutzen kann. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass dadurch die von den Krankenkassen zu erbringenden Leistungen deutlich reduzierbar sind, wenn mit einer einzigen Prothese nacheinander beispielsweise drei Patienten versorgt werden können, die sonst eine neue Prothese erhalten hätten. Es ist grundsätzlich denkbar, dass die Funktion des Belastungssensors mit einer ggf. aufladbaren Batterie ermöglicht wird. Dies erfordert jedoch ggf. Maßnahmen für eine Missbrauchsverhinderung. Es ist daher bevorzugt, wenn der Belastungssensor zur Funktion ohne Fremdenergie ausgelegt ist. Ebenso ist es bevorzugt, auch die Aus- wertungseinrichtung so auszubilden, dass sie ohne Fremdenergie betrieben wird. Die Auswertungseinrichtung kann in vielen Fällen auch als Anzeigeeinrichtung dienen und verwendet werden.

Vorzugsweise ist der Belastungssensor ein in den Kraftfluss einge- setzter mechanisch-elektrischer Wandler, der ein der Amplitudendauer des Kraftflusses entsprechendes elektrisches Signal abgibt, wobei die Auswertungseinrichtung zur langfristigen Aufsummierung der elektrischen Signale ausgelegt ist. Ein hierfür verwendbarer mechanisch-elektrischer Wandler wandelt somit die auf ihn einwirkende me- chanische Kraft in ein entsprechendes elektrisches Signal, sodass die Dauer und Intensität der einwirkenden Kraft durch die Dauer und Amplitude des elektrischen Signals proportional, insbesondere linear proportional widergespiegelt und durch die Auswertungseinrichtung aufintegriert wird.

Auch der mechanisch-elektrische Wandler kann mit einer Spannungsquelle zusammenwirken, um das dem Kraftfluss entsprechende elektrische Signal zu erzeugen. Bekannt sind hierfür beispielsweise Dehnungsmessstreifen, deren Widerstand sich durch die ausgeübte mechanische Kraft gut messbar ändert, sodass das abgegebene e- lektrische Signal der Dauer und Amplitude des Kraftflusses entspricht. Bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung, bei der auch der mechanisch-elektrische Wandler ohne eine Fremdspannungsquelle auskommt, wie dies beispielsweise bei einem Piezoelement oder einer Induktionsspule der Fall ist. Wenn der Wandler, wie beispielsweise das Piezoelement, eine Wechselspannung generiert, ist es zweckmäßig, dem Wandler einen Gleichrichter nachzuschalten, so- dass für die Anzeigeeinrichtung ein pulsierendes Gleichspannungssignal zur Verfügung steht.

Die Auswertungseinrichtung ist vorzugsweise eine Elektrolysezelle, der das von dem mechanisch-elektrischen Wandler abgegebene elektrische Signal zugeführt wird und an der das jeweilige Maß der aufsummierten Belastung durch eine proportionale Materialveränderung aufgrund einer durch das elektrische Signal verursachten elektrolytischen Reaktion ablesbar ist. Vorzugsweise ist die Elektrolysezelle so ausgebildet, dass die elektrolytische Reaktion zu einer ablesbaren Materialansammlung oder Materialentfernung führt.

Bei der Verwendung einer Elektrolysezelle als Auswertungseinrich- tung ist das von dem Belastungssensor generierte elektrische Signal vorzugsweise ein dem Kraftfluss entsprechender elektrischer Strom.

Für andere Auswertungseinrichtungen kann das elektrische Signal auch eine dem Kraftfluss entsprechende elektrische Spannung sein.

Als Auswertungseinrichtung können auch solche Geräte verwendet werden, die elektrische Signale aufsummieren, ins besondere auch

Zähler, die pro vorgegebener elektrischer Leistung weiterzählen. Für die Aufsummierung elektrischer Spannungen kommen auch, ggf. nach einer Analog-Digital-Wandlung, digitale Speicher, beispielswei- se digitale Zähler oder Flash-Speicher, in Frage.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann es sinnvoll sein, die Amplituden der elektrischen Signale zu differenzieren, um beispiels- weise elektrische Signale mit geringen Amplituden gar nicht zur Auswertung heranzuziehen. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, hohe Belastungsspitzen in der Auswertung anders zu wichten als zwar merkbare, jedoch deutlich geringere Belastungsamplituden. Es kann daher sinnvoll sein, wenigstens eine Gruppe von Amplituden separat auszuwerten, wobei unterschiedliche Amplitudengruppen unterschiedlich ausgewertet werden können und/oder geringfügige Amplituden außer Betracht bleiben.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für Bauelemen- te, die durch den Kraftfluss überwiegend zyklisch und/oder impuls- förmig belastet werden, wie dies beispielsweise bei Prothesen oder Orthesen während des Gehens der Fall ist. Eine sinnvolle Verwendung ergibt sich auch für andere orthopädietechnische Hilfsmittel, beispielsweise Gehhilfsmittel in Form von Stützen, Rollatoren u. ä.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt:

Figur 1 - eine schematische Darstellung eines mechanisch- elektrischen Wandlers mit einem nachgeschalteten

Gleichrichter und einer daran angeschlossenen Anzeigeeinrichtung.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist beispiel- haft eine lineare Belastung mit einer Kraft F auf einem Belastungssensor 1 in Form eines mechanisch-elektrischen Wandlers 6, der vorzugsweise durch ein Piezoelement gebildet ist, dargestellt. Der Belastungssensor ist dabei so angeordnet, dass er in dem Kraftfluss durch das zu überwachende Bauelement beaufschlagt wird, wodurch die Kraft F auf den Belastungssensor 1 einwirkt.

Ist das zu überwachende Bauelement ein orthopädietechnisches Hilfsmittel, beispielsweise eine Prothese oder Orthese, wird der Belastungssensor 1 zyklisch be- und entlastet. Der mechanischelektrische Wandler 6 in Form des Piezoelements gibt dabei ein Wechselspannungssignal ab, das in einem nachgeschalteten Gleichrichter 7 zu einer pulsierenden Gleichspannung gewandelt wird. Mit der pulsierenden Gleichspannung wird eine Elektrolysezelle 8 beaufschlagt, in der die zugeführte pulsierende Gleichspannung zu einem entsprechenden pulsierenden Strom zwischen einer Anode 9 und einer Kathode 10 führt. Der Strom wird durch Ionen 11 in einem Elektrolyt 12 transportiert. Bei geeignet gewählten Materialien für die Anode 9 und die Kathode 10 führt der Stromfluss zu einer Materialabscheidung an einer der Elektroden und / oder zu einer Materialentfernung (Materialabtrag) an der anderen Elektrode.

Durch ein zweckmäßigerweise vorgesehenes (nicht dargestelltes) Sichtfenster, das mit einer Skalierung versehen sein kann, kann die Materialabscheidung, die Materialentfernung quantitativ erkannt werden. Da das von dem mechanisch-elektrischen Wandler 6 abgegebene elektrische Signal eine elektrische Leistung transportiert, die von der Häufigkeit der Belastungszyklen und der Dauer und Amplitude der Belastungsimpulse (Kraft F) abhängt, entsteht eine elektrolytische Reaktion, die der Dauer und der Amplitude der Belastungen durch die Kraft F entspricht. In Abhängigkeit von dem Stromfluss entsteht die gemessene Materialveränderung in Form der Materialanlagerung bzw. der Materialentfernung. Die kumulierte Belastung ist daher un- mittelbar an der Elektrolysezelle 8 ablesbar.

Die erfindungsgemäßen Belastungssensoren 1 eignen sich insbesondere zur Überwachung von Prothesen- und Orthesenkomponenten, aber auch zur Überwachung von Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeugkomponenten, Hebezeugen, Straßen und Bauwerken.

Die Belastungssensoren 1 können an beliebige Formen eines zu überwachenden Bauelements angepasst sein. Insbesondere die Ausführung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler 6 und einer Elektrolysezelle 8 lässt sich auf kleinstem Raum und an geeigneter Stelle eines zu überwachenden Bauelements realisieren.

Claims

Ansprüche

1. Bauelement, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraft- fluss (F, M) ausgelegt ist, gekennzeichnet durch einen Belastungssensor (1), der in den Kraftfluss (F, M) durch das Bauele- ment eingeschaltet ist und eine der Anzahl und Amplitude des

Kraftflusses (F, M) entsprechende Aktion generiert und dem eine Auswertungseinrichtung (3, 8) nachgeschaltet ist, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors (1) eine Auswertung der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt.

2. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Belastungssensor (1 ) zur Funktion ohne Fremdenergiequelle ausgelegt ist.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, das zur Belastung mit einem mechanischen Kraftfluss (F) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kraftfluss (F) ein mechanischelektrischer Wandler (6) als Belastungssensor (1) eingeschaltet ist, der ein der Amplitude des Kraftflusses (F) entsprechendes elektrisches Signal abgibt und dem eine Auswerteeinrichtung (8) nachgeschaltet ist, die zur langfristigen Aufsummierung der e- lektrischen Signale ausgelegt ist.

4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung eine Elektrolysezelle (8) ist, der das von dem mechanisch-elektrischen Wandler (6) abgegebene elektrische Signal zugeführt wird und an der das jeweilige Maß der aufsummierten Belastung durch eine proportionale Materialveränderung aufgrund einer durch das elektrische Signal verursachten elektrolytischen Reaktion erkennbar ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialveränderung linear proportional zur aufsummierten Belastung ist.

6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 5, gekennzeichnet durch einen eine Wechselspannung generierenden Wandler (6), dem ein Gleichrichter (7) nachgeschaltet ist.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Wandler (6) durch wenigstens ein Pie- zoelement gebildet ist.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle (8) so ausgebildet ist, dass die elektrolytische Reaktion zu einer detektierbaren Materialabscheidung oder Materialentfernung führt.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolysezelle so ausgebildet ist, dass die elektrischen Signale zu einer pH-Wert-Änderung führen und dass der pH-Wert ablesbar ist.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 3 bis 9, gekennzeichnet durch einen Amplitudendiskriminierungseinrichtung, durch die wenigstens eine Gruppe unterschiedlicher Amplituden der elektrischen Signale separat auswertbar ist.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Form eines orthopädietechnischen Hilfsmittels.