WO2018215921A1 - Gelenkprothese - Google Patents

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WO2018215921A1
WO2018215921A1 PCT/IB2018/053596 IB2018053596W WO2018215921A1 WO 2018215921 A1 WO2018215921 A1 WO 2018215921A1 IB 2018053596 W IB2018053596 W IB 2018053596W WO 2018215921 A1 WO2018215921 A1 WO 2018215921A1
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WO
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joint prosthesis
axle structure
monocentric
polycentric
prosthesis according
Prior art date
Application number
PCT/IB2018/053596
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English (en)
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Inventor
Christian Stentzel
Ralph Scharpenberg
Daniel Merbold
Thomas Bartsch
Original Assignee
Ralph Scharpenberg E.K.
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
Application filed by Ralph Scharpenberg E.K. filed Critical Ralph Scharpenberg E.K.
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    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/60—Artificial legs or feet or parts thereof
    • A61F2/64—Knee joints
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61F2/582—Elbow joints
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    • A61F2002/5006—Dampers, e.g. hydraulic damper
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/68—Operating or control means
    • A61F2002/6845—Clutches

Definitions

  • the present invention relates to a joint prosthesis for an orthopedic aid.
  • Polycentric knee joints have a very secure stance phase, but if the polycentric knee joint is in full extension and the heel contact comes, the movement of the respective user towards the end of the stance phase becomes uncertain and unpredictable.
  • Prosthetic knee joints must be initiated by muscle power.
  • the existing musculature provides the necessary momentum to stretch the joint, as well as supportive stability in the stance phase.
  • the applied energy increases the already increased strength of an amputee. It is therefore attempted to form active prosthetic knee joints in such a way that the remaining musculature is relieved or the energy required for joint operation is minimized.
  • a low total mass and a favorable mass distribution within the prosthetic knee joint are necessary. which requires lightweight construction materials such as high strength aluminum alloys and steels, GRP or CFRP.
  • Previous microprocessor-controlled prosthetic joints adapt the swing and stance phases adaptively by means of hydraulic damping.
  • Various sensors measure data on the prosthesis.
  • the currently performed knee joint action is based on data from the past. This is advantageous as long as the environment does not change. However, if the environment changes, such prosthetic joints are not adjusted to it, and it can lead to falls or the like.
  • the publications DE 10 2009 053 128 A1, DE 203 18 393 U1 and DE 10 2012 100 931 A1 include knee joint prostheses with polycentric axle geometry, which each allow a limited compression over a very small angle about a single axis.
  • the flexion and extension movement of the artificial knee joint takes place via an upper and a lower connecting shaft, a positioning bolt and the axles on an upper connecting lever.
  • the joint can deflect around the lower connecting shaft against a spring element by a few degrees and limited by the positioning pin.
  • the artificial knee joint which is described in the document DE 203 18 393 U1, its flexion and extension movement via a rotatably mounted within a support body axis of rotation and via the front and rear connections provided axes.
  • a support plate of the knee joint can rotate around bolts by a few degrees and presses against a freely movable plate part under load and locks or brakes the polycentric at the axis of rotation.
  • the flexion and extension movement takes place via axes in a front, a rear, an upper and a lower bore.
  • the upper part of the knee prosthesis can deflect under load by a few degrees about the axis of the lower bore, thereby compressing a gap, whereby the polycentric in the axis of the upper bore is locked or braked. It is therefore the object of the present invention to propose a joint prosthesis for an orthopedic aid, such as a knee joint prosthesis, with which different movement sequences can be realized safely and energy-efficiently in a simple manner.
  • a joint prosthesis for an orthopedic aid which has a monocentric axle structure and a polycentric axle structure, wherein the monocentric axle structure is coupled or couplable to the polycentric axle structure, and a control unit is provided which has either the monocentric axle structure or the polycentric axle structure at the same time or with a time delay blocks or limits the respective other axle structure, the monocentric axle structure and the polycentric axle structure each having at least one non-positive and / or positive coupling device for releasing and blocking or limiting the monocentric axle structure and / or the polycentric axle structure.
  • the joint prosthesis according to the invention has a variable axis geometry, which allows the use of specific advantages of both the monocentric and the polycentric axle geometry of joint prostheses in a single joint prosthesis. In this case, if required, between a uniaxial axle geometry - by the mono-centered - and a multi-axis axle geometry by the polycentric - can be varied.
  • the polycentric axle structure is released in the case of the joint prosthesis according to the invention, then a secure stance phase can be achieved if, for example, the joint prosthesis is a knee joint prosthesis. Due to the possibility of releasing the multi-axis, polycentric axle structure in the joint prosthesis according to the invention, a shortening of the distance between a shaft end of the joint prosthesis and a floor in the swing phase is possible. The user of the joint prosthesis can thus achieve a more natural and efficient gait pattern, since a lifting of the hip can be avoided.
  • the user can easily walk on stairs and inclined planes.
  • a monocentric and a polycentric axle structure within a joint prosthesis, it can be used in all everyday situations without adversely affecting the respective user of the joint prosthesis. Even a prosthesis change depending on the situational circumstances is no longer necessary.
  • knee joint prostheses which are either monocentric or polycentric and are therefore suitable either for climbing stairs and walking on inclined planes or for running on even planes, this is a decisive advantage.
  • the joint prosthesis according to the invention makes it possible for a denture user to use a single prosthesis in a wide variety of situations without changing the prosthesis or having massive limitations.
  • joint prosthesis for example, an amputee can be optimally integrated again into a complex everyday occurrence after a thigh amputation.
  • the joint prosthesis of the invention makes it possible to provide the functional extent of the limb lost according to the abilities and requirements of the amputee.
  • the joint prosthesis according to the invention is worn directly on the body, thereby substituting lost functionalities and supporting the prosthesis user during walking and standing.
  • the joint prosthesis according to the invention serves primarily for the rehabilitation and reintegration of patients, but can also be used for aftercare and / or therapy.
  • the use of the joint prosthesis according to the invention can better treat problems of limb loss than heretofore. So also secondary diseases, which are caused for example by incorrect workloads, inactivity, falls or also changed or deteriorated psychosocial interaction, can be reduced or avoided altogether.
  • the coupling device of the monocentric axle structure and / or the coupling device of the polycentric axle structure is designed as a switchable, positive and / or non-positive coupling.
  • the switchable, positive and / or non-positive coupling has a Lammellenkupplung.
  • the multi-plate clutch advantageously has inner and outer disks and is controlled by a control unit.
  • the coupling device of the monocentric axle structure is connected to the coupling device of the polycentric axle structure by means of at least one lever and / or at least one axle. It has proven to be particularly advantageous when the lever is connected to a shaft of the monocentric axle structure and a shaft of the polycentric axle structure. Optimally, a lever is provided in each case at the opposite ends of the shaft of the monocentric axle structure and the polycentric axle structure.
  • the function of the coupling device of the monocentric axle structure and the function of the coupling device of the polycentric axle structure are integrated in a common coupling device.
  • the joint prosthesis has four or more joints, wherein at least one of these joints is switchable.
  • the joint prosthesis on a four-bar linkage for the polycentric axle structure and an additional joint for the monocentric axle structure is provided.
  • the monocentric axle structure and / or the polycentric axle structure is / are connected to a housing which has a clamping connection and / or a receptacle for a rod-shaped element.
  • the clamping connection and / or the receptacle for a rod-shaped element the joint prosthesis can be easily connected to a prosthetic foot.
  • the coupling of monocentric and / or poly- Centric axle structure, housing and clamp connection or receptacle for a rod-shaped element which are introduced by the prosthesis user in joint prosthesis force optimally forwarded to the hand or foot prosthesis.
  • other components such as sensors, accumulators, signal processing equipment, data storage, gyroscopes or the like can easily be attached to and in the frame.
  • the joint prosthesis according to the invention if the monocentric axle structure and / or the polycentric axle structure is coupled or coupleable to at least one hydraulic, pneumatic, electromagnetic or rheological damping element with which movement of the joint prosthesis during a movement Swing and / or stand or resting phase of the orthopedic aid is delayable.
  • the damping element is designed as a hydraulic cylinder.
  • the damping element can also have a plurality of hydraulic cylinders. The amount of joint damping and / or braking can be varied as needed in the joint prosthesis according to the invention.
  • the damping element is provided in or on the housing.
  • the attachment of the damping element in the housing has proven to be space-saving and the prosthesis user not influencing.
  • the individual components of the joint prosthesis, insofar as they are arranged in the interior of the housing, are protected by the housing from environmental influences.
  • the joint prosthesis is designed such that it is splash-proof and dust-proof and showers and knee-deep wading with the joint prosthesis is possible.
  • the joint prosthesis is pivotable in at least two positions, on which damped stops are provided, whereby a smooth and natural movement of the joint prosthesis is made possible.
  • the joint prosthesis according to the invention at least one mechanical, electrical, hydraulic or pneumatic energy storage for storing and releasing energy from braking and damping processes of the joint prosthesis and / or Touching up and repelling operations of the orthopedic aid, the energy to be applied by a joint prosthesis user for moving and / or braking the joint prosthesis can be reduced.
  • the storage and / or release of energy by the energy store is preferably short-term, ie in the millisecond, second and / or minute range.
  • the movement of a prosthetic knee joint is basically the free oscillation around the axis of rotation). Since this would initially cause a very unnatural gait, in the joint prosthesis, the rotation, so the diffraction and extension, braked or damped. While in the prior art, the released energy was usually converted into heat and released into the environment, resulting in about 45 to 70% higher energy consumption when walking with a thigh prosthesis than non-amputees, is in the present embodiment of the Invention, the resulting energy stored in the energy storage and reintegrated into the movement.
  • Such an embodiment of the joint prosthesis according to the invention is preferably controlled electronically.
  • the energy store has at least one accumulator provided in or on the housing or on the orthopedic aid.
  • the energy storage for example, have at least one spiral or torsion spring, wherein the spiral or torsion spring is conveniently integrated in the multi-plate clutch of the monocentric or Polyzent- witz axle structure.
  • a further advantageous embodiment of the invention includes the use of the aforementioned hydraulic, electromagnetic or hydraulic damping element as an actuator, which is coupled to the energy storage.
  • a particularly suitable coupling of the joint prosthesis according to the invention to a body part of the joint prosthesis user can then take place if at least one connecting element for a connection of the joint prosthesis to the joint prosthesis a body part is provided, which is coupled to the coupling device of the monocentric axle structure and / or the coupling device of the polycentric axle structure or coupled.
  • the connecting element may for example have a releasable screw and / or clamp connection.
  • the joint prosthesis can be attached to a stump of the prosthesis user, which has a holding element which is complementary to the connecting element, in a particularly simple, quick and reliable manner.
  • the joint prosthesis has at least one or more sensors for acquiring biometric data of a joint prosthesis user.
  • the joint prosthesis has at least one or more sensors for acquiring physiological data of a prosthesis user.
  • physiological data of the prosthesis user such as data that reflect the circulation of the shaft, the shaft load, the temperature of the prosthesis user and / or the fitness state of the prosthesis user, an overload of the leg stump and a resulting subsequent amputation can be avoided.
  • the degree of perfusion of the stump tissue can be determined, for example, in the present invention by means of plethysmographic methods.
  • Information about fatigue symptoms of the leg stump can be obtained in the joint prosthesis according to the invention by evaluating a spectral analysis of electromyographic signals of the leg stump musculature and / or detecting a pressure load on the stump of the leg.
  • the movements of a user wearing the joint prosthesis according to the invention are particularly well controlled, if the joint prosthesis has at least one sensor for detecting at least one angle and / or at least one position and / or at least one acceleration on the joint prosthesis.
  • the motion sequences of a user carrying the joint prosthesis according to the invention can be adapted particularly well to the environment when the joint prosthesis has a distance measuring system with which a distance between a ground contact element of the joint prosthesis and a bottom can be detected.
  • the joint prosthesis has an obstacle detection device.
  • the obstacle detection device obstacles that are in the direction of movement, detected in time and a collision with these and a resulting tripping can be prevented. It can act proactively, increasing confidence in the prosthetic joint.
  • the joint prosthesis is controlled not only by the intervention of the prosthesis user, but also auto-adaptive.
  • the joint prosthesis according to the invention has a location determination device for the joint prosthesis.
  • location information can be obtained, for example, by interacting with location services of smartphones or by means of WLAN or Bluetooth.
  • an activation can also take place by means of an app, that is to say via an application program on a smartphone, and not automatically by determining the position of the joint prosthesis.
  • At least one strain gauge sensor for detecting strains and / or stresses on the joint prosthesis may be provided on the joint prosthesis. Quantitative and / or qualitative conclusions about forces acting on the joint prosthesis can be drawn from the values measured by such a sensor. As a result, for example, a stance or a swing phase or a touchdown or a repulsion of a limb can be detected.
  • the joint prosthesis has at least one or more processors for data acquisition and processing.
  • the joint prosthesis can be coupled or coupled to a data management system.
  • the joint prosthesis can be controlled by means of a mobile phone, for example by means of a special app.
  • FIG. 1 schematically shows a basic structure of a possible embodiment variant of a joint prosthesis according to the invention in a perspective view
  • Figure 2 shows schematically the energy and force flow at the joint prosthesis of Figure 1;
  • Figure 3 schematically shows a possible embodiment of a coupling device of a
  • Figure 4 schematically shows a coupling and storage unit on a polycentric in one embodiment of the joint prosthesis according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 1 shows schematically a basic structure of a possible embodiment variant of a joint prosthesis 1 according to the invention in a perspective view, wherein the joint prosthesis 1 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 is a knee joint prosthesis, in particular an expo-prosthetic knee joint, which serves to supply after a thigh amputation.
  • the joint prosthesis 1 according to the invention can also be a wrist prosthesis, a shoulder joint prosthesis, an elbow prosthesis, an ankle prosthesis or a hip joint prosthesis.
  • the joint prosthesis 1 has a monocentric axle structure 2 and a polycentric axle structure 3 coupled to the monocentric axle structure 2, whereby the advantages of polycentric and monocentric prosthesis designs in a single joint prosthesis 1 are combined.
  • a user of the joint prosthesis 1 is thus able to handle stairs, inclined planes, but also straight stretches, squat, standing and sitting movements and emergency situations such as tripping, without having to change the joint prosthesis 1 or a worse motion picture having to accept the risk of unintentional movement or even injury.
  • either the monocentric axle structure 2 or the polycentric axle structure 3 can be released for the specific application and the respective other axle structure 2, 3 can be locked.
  • the locking of the first axle structure and the unlocking of the second axle structure takes place simultaneously, the Locking and unlocking of the two axle structures, however, can also take place with a time delay to each other.
  • a non-positive coupling device 21, 31 is provided on the monocentric or polycentric axle structure 2, 3.
  • a positive coupling device can also be used instead of a non-positive coupling device 21, 31, a positive coupling device can also be used.
  • a possible structure and the respective function of the coupling devices 21, 31 will be explained in more detail below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the monocentric axle structure 2 and the polycentric axle structure 3 are coupled together by means of levers 33, 33 ', the levers 33, 33' being provided on shafts 22, 32 of the monocentric or polycentric axle structure 2, 3.
  • the polycentric axle structure 3 has four joints 11, 12, 13, 14, wherein the monocentric axle structure 2 is arranged on a joint 12 which is in front in functionally correct orientation of the joint prosthesis 1.
  • the monocentric axle structure 2 can be provided on each joint 11, 12, 13, 14 of the polycentric axle structure 3.
  • a hydraulic damping element 6 is provided on the monocentric axle structure 2.
  • the hydraulic damping element 6 is designed as a hydraulic cylinder and connected to the monocentric axle structure 2 by means of a coupling element 28.
  • the damping element 6 can also be designed as a pneumatic, electromagnetic and / or rheological component, which is provided additionally or alternatively to the hydraulic damping element 6.
  • more than one hydraulic cylinder can also be mounted in or on the housing 4.
  • the damping element 6, such as the hydraulic cylinder to the polycentric axle structure 3 be connected.
  • a plurality of damping elements 6 can also be used.
  • the joint prosthesis 1 can be brought into at least two positions, namely into a first position, in which the knee joint prosthesis is stretched, and into a second position, in which the knee joint prosthesis is angled.
  • damped stops are provided at the two positions in the figures, so that as natural as possible movement of the joint prosthesis 1 is generated.
  • the hydraulic cylinder 6 is integrated in a housing 4, on and / or in which the monocentric and the polycentric axle structure 2, 3 are provided.
  • a releasable clamping connection 41 is attached to a side of the housing 4 facing the bottom, which establishes a connection between the joint prosthesis 1 and a prosthetic foot (not shown).
  • the joint prosthesis 1 has a connecting element 5, which is designed, for example, as a screw connection and is arranged on the housing 23 of the coupling device 21 of the monocentric axle structure 2. Furthermore, the connecting element 5 may also be designed as a clamping connection.
  • the joint prosthesis 1 shown in FIG. 1 is designed such that it is splash-proof and dust-proof in such a way that, for example, knee-deep traversing of water and showers with the joint prosthesis 1 is possible for the user.
  • the joint prosthesis 1 has a multiplicity of different sensors, not illustrated in the figures, which, for example, provide information about the perfusion, the fitness state and / or the pulse of the respective user, the shaft load and / or the travel distance.
  • the joint prosthesis 1 is coupled to an output device, for example a mobile phone, which outputs the processed data via a special app, for example.
  • a fine adjustment of the system behavior of the joint prosthesis 1 can be made by this app.
  • a distance of the prosthetic foot to the ground is preferably detected continuously by means of an ultrasonic distance measuring system.
  • a further ultrasonic sensor for example, obstacles in the foot area, which are located in the direction of walking, can be detected.
  • the acquired data is forwarded to a control device in the form of a kinematic control, which uses the data inter alia to switch between the monocentric and the polycentric axle structure 2, 3.
  • a bending position of the joint prosthesis 1 can also be detected, by means of which the joint prosthesis 1 can be controlled quickly, safely and efficiently in different environments.
  • the ultrasonic sensor used for this purpose may, for example, be an ultrasonic clamp-on sensor with which the bending position can be detected independently of the respective released axle geometry of the joint prosthesis 1.
  • the joint prosthesis 1 can be controlled quickly, safely and efficiently in different environments. So it is possible through these sensors, predictive for example, to respond to a slope, stairs or curb, a change in the nature of the ground or to respond to impending collisions.
  • FIG. 2 schematically shows an energy and force flow on the joint prosthesis 1 of FIG. 1, wherein the same reference numerals as in FIG. 1 denote the same components, for which reason reference is made to the above explanations concerning these components.
  • the force introduced into the connecting element 5 by the user of the joint prosthesis 1 flows in a force flow direction A via the monocentric axle structure 2 or in a force flow direction B via the polycentric axle structure 3 in the direction of the housing 4.
  • the releasable clamping connection 41 generates force in a force flow direction C forwarded in the direction of the prosthetic foot.
  • FIG. 3 schematically shows a possible embodiment of a coupling device 21 of a monocentric axle structure 2 of an embodiment of the invention.
  • the same reference numerals as in Figures 1 and 2 designate the same components, which is why reference is made to the preceding description of these.
  • the coupling device 21 of the monocentric axle structure 2 is formed in the embodiment shown as a multi-plate clutch, in which a movement of the monocentric axle 2 is locked non-positively.
  • the multi-plate clutch has an outer disk 24, an inner disk 25 and a control unit 26.
  • the outer and inner disks 24, 25 are acted upon by the control unit 26 with a force, whereby a movement via a shaft 22 can be transmitted.
  • the control can be done electromagnetically, pneumatically or hydraulically.
  • a mechanical, pneumatic, hydraulic or electromagnetic energy conversion may take place at the same time, wherein energy is stored in a memory.
  • memory for example, a spiral or a torsion spring can be used.
  • the shaft 22 is held in the embodiment shown in Figure 3 by means of a fixed-lot bearing 26, but in other embodiments by means of a support bearing or a floating bearing, which is realized for example by means of a rolling or sliding bearing, held.
  • the levers 33, 33 ' are connected on both sides of the shaft 22 by rolling or sliding bearing 27 to the shaft 22. Furthermore, the levers 33, 33 'can also be rigidly attached to the shaft 22.
  • FIG. 4 schematically shows a coupling and storage unit on a polycentric axle structure 3 in an embodiment of the joint prosthesis 1 according to the invention in a perspective view, wherein the same reference numbers here designate identical components, for which reason reference is made to the previous description of these components.
  • the coupling device 31 shown in Figure for the polycentric axle 3 is formed as a multi-plate clutch.
  • This multi-plate clutch also has inner disks 34 and outer disks 35, which are actuated by a control unit 36.
  • the multi-plate clutch locks and releases the polycentric axle structure 3 in each position of the joint prosthesis 1.
  • the coupling device 31 also has a coil spring 37, which allows a clamping between the shaft 32 and a housing 38 of the coupling device 31, whereby energy is absorbed in a first rotational direction and released in a second, opposite direction of rotation. The released energy supports the movement of the joint, which makes walking easier for the prosthesis user.
  • the coupling device 31 is mounted on the shaft 32 via a rolling or sliding bearing 39.
  • a fixed-lot bearing, a support bearing or a floating bearing can also be used.
  • the shaft 32 is rigid or connected by means of a rotatable connection with the levers 33, 33 '.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkprothese für ein orthopädisches Hilfsmittel. Um an einer Gelenkprothese auf einfache Weise unterschiedliche Bewegungsabläufe sicher realisieren zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Gelenkprothese eine monozentrische Achsstruktur und eine polyzentrische Achsstruktur aufweist, wobei die monozentrische Achsstruktur mit der polyzentrischen Achsstruktur gekoppelt oder koppelbar ist, und eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, welche entweder die monozentrische Achsstruktur oder die polyzentrische Achsstruktur freigibt und gleichzeitig oder zeitversetzt die jeweils andere Achsstruktur blockiert oder limitiert, wobei die monozentrische Achsstruktur als auch die polyzentrische Achsstruktur jeweils wenigstens eine kraft- und/oder formschlüssige Kupplungsvorrichtung zum Freigeben und Blockieren oder Limitieren der monozentrischen Achsstruktur und/oder der polyzentrischen Achsstruktur aufweist.

Description

Gelenkprothese
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkprothese für ein orthopädisches Hilfsmittel.
Aus dem Stand der Technik sind monozentrische als auch polyzentrische Kniegelenkprothesen, die zum Teil mikroprozessorgesteuert arbeiten, bekannt.
Polyzentrische Kniegelenke haben eine sehr sichere Standphase, sofern das polyzentrische Kniegelenk jedoch in voller Streckung ist und der Fersenkontakt kommt, wird die Bewegung des jeweiligen Nutzers zum Ende der Standphase hin unsicher und nicht berechenbar.
Die meisten am Markt relevanten Gelenkprothesen sind daher monozentrisch. Deren Nachteil ist, dass sie während einer Schwungphase bauartbedingt zu einer Verlängerung des Prothesenbeins führen und somit das Sturzrisiko des Gelenkprothesenanwenders erhöhen. Um dies zu verhindern, muss ein Nutzer einer monozentrischen Kniegelenkprothese die Hüfte anheben, um ein Anstoßen der Fußspitze auf dem Boden beim Gehen zu vermeiden. Um dies zu umgehen, wird bei neueren monozentrischen Gelenkprothesen versucht, durch die zur Steuerung der monozentrischen Gelenkprothese verwendete Elektronik ein unsymmetrisches Schwungverhalten zu initiieren. Da die Monozentrik aber den sehr wichtigen Vorteil aufweist, mit ihr alternierend Treppen und schiefe Ebenen gehen zu können, wird dieser Nachteil akzeptiert. Es gibt keine adaptiv gesteuerten polyzentrischen Gelenke, vielmehr wird die Dämpfung der einzelnen Phasen für eine feste Geschwindigkeit eingestellt.
Prothesenkniegelenke müssen durch Muskelkraft initiiert werden. Die vorhandene Muskulatur sorgt für den nötigen Schwung, um das Gelenk in Streckung zu bringen, sowie für eine unterstützende Stabilität in der Standphase. Die aufgebrachte Energie dafür steigert den ohnehin schon erhöhten Kraftaufwand eines Amputierten. Man versucht daher, aktive Prothesenkniegelenke derart auszubilden, dass die verbliebene Muskulatur entlastet wird bzw. der Energieaufwand zur Gelenkbetätigung minimiert wird. Um die Anforderung eines geringen Energieaufwandes zu erfüllen, sind eine geringe Gesamtmasse sowie eine günstige Masseverteilung innerhalb des Prothesenkniegelenkes not- wendig, was Leichtbaumaterialien, wie beispielsweise hochfeste Aluminiumlegierungen und Stähle, GFK oder CFK, erfordert.
Bisherige mikroprozessor-gesteuerte Prothesengelenke (MP) beeinflussen die Schwung- und Standphasen adaptiv mittels hydraulischer Dämpfung. Hierbei messen verschiedene Sensoren Daten an der Prothese. Die gerade ausgeführte Aktion des Kniegelenks basiert also dabei auf Daten aus der Vergangenheit. Dies ist vorteilhaft, solange sich die Umgebung nicht ändert. Ändert sich jedoch die Umgebung, sind solche Prothesengelenke nicht darauf eingestellt, und es kann zu Stürzen oder dergleichen kommen.
Die Druckschriften DE 10 2009 053 128 A1 , DE 203 18 393 U1 und DE 10 2012 100 931 A1 beinhalten Kniegelenksprothesen mit polyzentrischer Achsgeometrie, welche jeweils ein begrenztes Einfedern über einen sehr kleinen Winkel um eine einzelne Achse ermöglichen.
In der Druckschrift DE 10 2009 053 128 A1 erfolgt die Flexions- und Extensionsbewe- gung des künstlichen Kniegelenks über eine obere und eine untere Verbindungswelle, einen Positionierbolzen und die Achsen an einem oberen Verbindungshebel. Das Gelenk kann um die untere Verbindungswelle gegen ein Federelement um wenige Grad und begrenzt durch den Positionierbolzen einfedern.
In dem künstlichen Kniegelenk, das in der Druckschrift DE 203 18 393 U1 beschrieben ist, erfolgt dessen Flexions- und Extensionsbewegung über eine drehbar innerhalb eines Auflagekörpers gelagerte Drehachse sowie über die an vorderen und hinteren Verbindungen vorgesehenen Achsen. Ein Auflageteller des Kniegelenks kann sich um Bolzen um wenige Grad drehen und drückt bei Belastung gegen ein frei bewegliches Plattenteil und sperrt bzw. bremst dabei die Polyzentrik an der Drehachse.
Bei der aus der Druckschrift DE 10 2012 100 931 A1 bekannten Knieprothese erfolgt die Flexions- und Extensionsbewegung über Achsen in einer vorderen, einer hinteren, einer oberen und einer unteren Bohrung. Der obere Teil der Knieprothese kann bei Belastung um wenige Grad um die Achse der unteren Bohrung einfedern und drückt dabei einen Spalt zusammen, wodurch die Polyzentrik in der Achse der oberen Bohrung gesperrt bzw. gebremst wird. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gelenkprothese für ein orthopädisches Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Kniegelenkprothese, vorzuschlagen, mit der auf einfache Weise unterschiedliche Bewegungsabläufe sicher und energieeffizient realisiert werden können.
Die Aufgabe wird durch eine Gelenkprothese für ein orthopädisches Hilfsmittel gelöst, welche eine monozentrische Achsstruktur und eine polyzentrische Achsstruktur aufweist, wobei die monozentrische Achsstruktur mit der polyzentrischen Achsstruktur gekoppelt oder koppelbar ist, und eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, welche entweder die monozentrische Achsstruktur oder die polyzentrische Achsstruktur freigibt und gleichzeitig oder zeitversetzt die jeweils andere Achsstruktur blockiert oder limitiert, wobei die monozentrische Achsstruktur als auch die polyzentrische Achsstruktur jeweils wenigstens eine kraft- und/oder formschlüssige Kupplungsvorrichtung zum Freigeben und Blockieren oder Limitieren der monozentrischen Achsstruktur und/oder der polyzentrischen Achsstruktur aufweist.
Die erfindungsgemäße Gelenkprothese besitzt eine variable Achsgeometrie, welche die Nutzung spezifischer Vorteile sowohl der monozentrischen als auch der polyzentrischen Achsgeometrie von Gelenkprothesen in einer einzigen Gelenkprothese erlaubt. Dabei kann bedarfsweise zwischen einer einachsigen Achsgeometrie - durch die Monozentrik - und einer mehrachsigen Achsgeometrie- durch die Polyzentrik - variiert werden.
Wird bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese die polyzentrische Achsstruktur freigegeben, kann dann, wenn es sich beispielsweise bei der Gelenkprothese um eine Kniegelenkprothese handelt, eine sichere Standphase realisiert werden. Durch die Freigabemöglichkeit der mehrachsigen, polyzentrischen Achsstruktur bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist eine Verkürzung des Abstandes zwischen einem Schaftende der Gelenkprothese und einem Boden in der Schwungphase möglich. Der Nutzer der Gelenkprothese kann so ein natürlicheres und effizienteres Gangbild verwirklichen, da ein Anheben der Hüfte vermieden werden kann.
Durch ein Freigeben der monozentrischen Achsstruktur kann der Nutzer hingegen problemlos auf Treppen und schiefen Ebenen gehen. Durch die Integration einer monozentrischen und einer polyzentrischen Achsstruktur innerhalb einer Gelenkprothese kann diese ohne Beeinträchtigung des jeweiligen Nutzers der Gelenkprothese in allen Alltagssituationen genutzt werden. Auch ein Prothesenwechsel in Abhängigkeit von den situativen Gegebenheiten ist damit nicht mehr erforderlich. Insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Kniegelenkprothesen, welche entweder monozentrisch oder polyzentrisch ausgebildet sind und damit entweder für das Treppensteigen und Laufen über schiefe Ebenen oder für das Laufen auf geraden Ebenen geeignet sind, ist dies ein entscheidender Vorteil. Die erfindungsgemäße Gelenkprothese ermöglicht es einem Prothesennutzer, ohne Prothesenwechsel oder massive Einschränkungen eine einzige Prothese in unterschiedlichsten Situationen zu nutzen.
Mit der erfindungsgemäßen Gelenkprothese kann beispielsweise ein Amputierter nach einer Oberschenkelamputation optimal wieder in ein komplexes Alltagsgeschehen integriert werden. Die erfindungsgemäße Gelenkprothese ermöglicht dabei, den funktionellen Umfang der verlorenen Gliedmaße entsprechend der Fähigkeiten und Anforderungen des Amputierten bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Gelenkprothese wird unmittelbar am Körper getragen, substituiert dabei verlorene Funktionalitäten und unterstützt den Prothesennutzer während des Gehens und Stehens.
Die erfindungsgemäße Gelenkprothese dient primär der Rehabilitation und Wiedereingliederung von Patienten, kann jedoch auch zur Nachsorge und/oder Therapie eingesetzt werden.
Da die erfindungsgemäße Gelenkprothese eine sehr realitätsnahe Nachbildung von tatsächlichen Bewegungsverläufen ermöglicht, können durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Gelenkprothese Probleme eines Gliedmaßenverlustes besser als bisher behandelt werden. So können auch Folgeerkrankungen, die beispielsweise durch Fehlbelastungen, Inaktivität, Stürze oder auch veränderte bzw. verschlechterte psychosoziale Interaktion bedingt sind, vermindert oder ganz vermieden werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist die Kupplungsvorrichtung der monozentrischen Achsstruktur und/oder die Kupplungsvorrichtung der polyzentrischen Achsstruktur als schaltbare, form- und/oder kraftschlüssige Kupplung ausgebildet.
Bei einer favorisierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gelenkprothese weist die schaltbare, form- und/oder kraftschlüssige Kupplung eine Lammellenkupplung auf. Die Lamellenkupplung besitzt vorteilhafterweise Innen- und Außenlamellen und wird durch eine Steuerungseinheit gesteuert.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese die Kupplungsvorrichtung der monozentrischen Achsstruktur mittels wenigstens eines Hebels und/oder wenigstens einer Achse mit der Kupplungsvorrichtung der polyzentrischen Achsstruktur verbunden. Als ganz besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Hebel mit einer Welle der monozentrischen Achsstruktur und einer Welle der polyzentrischen Achsstruktur verbunden ist. Optimalerweise ist jeweils ein Hebel an jeweils den gegenüberliegenden Enden der Welle der monozentrischen Achsstruktur und der polyzentrischen Achsstruktur vorgesehen. In einer anderen Variante der Erfindung ist die Funktion der Kupplungsvorrichtung der monozentrischen Achsstruktur und die Funktion der Kupplungsvorrichtung der polyzentrischen Achsstruktur in einer gemeinsamen Kupplungsvorrichtung integriert.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Gelenkprothese vier oder mehr Gelenke aufweist, wobei wenigstens eines dieser Gelenke schaltbar ist.
Beispielsweise weist in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Gelenkprothese ein Viergelenk für die polyzentrische Achsstruktur und ein zusätzliches Gelenk für die monozentrische Achsstruktur auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist/sind die monozentrische Achsstruktur und/oder die polyzentrische Achsstruktur mit einem Gehäuse verbunden, das eine Klemmverbindung und/oder eine Aufnahme für ein stabförmiges Element aufweist. Durch die Klemmverbindung und/oder die Aufnahme für ein stabförmiges Element kann die Gelenkprothese einfach mit einer Fußprothese verbunden werden. Ferner kann durch die Kopplung von monozentrischer und/oder poly- zentrischer Achsstruktur, Gehäuse und Klemmverbindung bzw. Aufnahme für ein stab- förmiges Element die durch den Prothesennutzer in Gelenkprothese eingeleitete Kraft optimal an die Hand- oder Fußprothese weitergeleitet werden. Auch können an und in das Gestell problemlos weitere Komponenten, wie beispielsweise Sensoren, Akkumulatoren, Signalverarbeitungsgeräte, Datenspeicher, Gyroskope oder ähnliches angebracht werden.
Besonders realitätsnahe Bewegungsabläufe lassen sich an der erfindungsgemäßen Gelenkprothese dann erzielen, wenn die monozentrische Achsstruktur und/oder die poly- zentrische Achsstruktur mit wenigstens einem hydraulischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder rheologischen Dämpfungselement gekoppelt oder koppelbar ist/sind, mit dem eine Bewegung der Gelenkprothese während einer Schwung- und/oder Standoder Ruhephase des orthopädischen Hilfsmittels verzögerbar ist. In einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist das Dämpfungselement als Hydraulikzylinder ausgebildet. Ferner kann das Dämpfungselement auch mehrere Hydraulikzylinder aufweisen. Die Höhe der Gelenkdämpfung und/oder -bremsung kann bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese bedarfsweise variiert werden.
Besonders günstig ist es hierbei, wenn das Dämpfungselement in oder an dem Gehäuse vorgesehen ist. Insbesondere das Anbringen des Dämpfungselementes in dem Gehäuse hat sich als platzsparend und den Prothesennutzer nicht beeinflussend herausgestellt. Ferner können die einzelnen Komponenten der Gelenkprothese, insofern diese im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, durch das Gehäuse vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. So hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Gelenkprothese derart ausgebildet ist, dass diese spritzwasser- und staubgeschützt ist und Duschen und knietiefes waten mit der Gelenkprothese möglich ist.
Vorzugsweise ist die Gelenkprothese in wenigstens zwei Positionen verschwenkbar, an welchen gedämpfte Anschläge vorgesehen sind, wodurch eine sanfte und natürliche Bewegung der Gelenkprothese ermöglicht wird.
Wenn die erfindungsgemäße Gelenkprothese wenigstens einen mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher zum Speichern und Freigeben von Energie aus Brems- und Dämpfungsvorgängen der Gelenkprothese und/oder Aufsetz- und Abstoßvorgängen des orthopädischen Hilfsmittels aufweist, kann die von einem Gelenkprothesennutzer aufzubringende Energie zum Bewegen und/oder Abbremsen der Gelenkprothese verringert werden. Die Speicherung und/oder Freigabe von Energie durch den Energiespeicher ist vorzugsweise kurzfristig, also im Millisekunden-, Sekunden- und/oder Minutenbereich.
Durch die erfindungsgemäße Gelenkprothese kann hierdurch beispielsweise die Energieeffizienz beim Gehen mit einer Oberschenkelprothese verbessert werden. So ist die Bewegung eines Prothesenkniegelenks grundsätzlich das freie Pendeln um die Rotationsachsein). Da dies zunächst ein sehr unnatürliches Gangbild bewirken würde, wird bei der Gelenkprothese die Rotation, also die Beugung und Streckung, gebremst bzw. gedämpft. Während im Stand der Technik die dabei frei werdende Energie meist in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgegeben wurde, was zu einem um ca. 45 bis 70 % höheren Energiebedarf beim Gehen mit einer Oberschenkelprothese als bei nicht Amputierten führte, wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die dabei entstehende Energie in dem Energiespeicher gespeichert und in den Bewegungsablauf reintegriert. Eine solche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist vorzugsweise elektronisch gesteuert.
Besonders praktisch ist es, wenn der Energiespeicher wenigstens einen in oder an dem Gehäuse oder an dem orthopädischen Hilfsmittel vorgesehenen Akkumulator aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Energiespeicher beispielsweise wenigstens eine Spiral- oder Drehfeder aufweisen, wobei die Spiral- oder Drehfeder günstigerweise in der Lamellenkupplung der monozentrischen oder polyzent- rischen Achsstruktur integriert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung beinhaltet die Nutzung des bereits erwähnten hydraulischen, elektromagnetischen oder hydraulischen Dämpfungselementes als Aktuator, der mit dem Energiespeicher gekoppelt ist.
Eine besonders geeignete Ankopplung der erfindungsgemäßen Gelenkprothese an ein Körperteil des Gelenkprothesenanwenders kann dann erfolgen, wenn an der Gelenkprothese wenigstens ein Verbindungselement für eine Verbindung der Gelenkprothese mit einem Körperteil vorgesehen ist, das mit der Kupplungsvorrichtung der monozentrischen Achsstruktur und/oder der Kupplungsvorrichtung der polyzentrischen Achsstruktur gekoppelt oder koppelbar ist.
Das Verbindungselement kann beispielsweise eine lösbare Schraub- und/oder Klemmverbindung aufweisen. Hierdurch kann die Gelenkprothese besonderes einfach, schnell und sicher an einem Stumpf des Prothesennutzers, welcher ein zu dem Verbindungselement komplementäres Halteelement aufweist, angebracht werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Gelenkprothese wenigstens einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung biometrischer Daten eines Gelenkprothesenanwenders aufweist.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Gelenkprothese wenigstens einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen physiologischer Daten eines Prothesennutzers aufweist. Durch die Erfassung von physiologischen Daten des Prothesennutzers, wie beispielsweise Daten, die die Durchblutung des Schaftes, die Schaftbelastung, die Temperatur des Prothesennutzers und/oder den Fitnesszustand des Prothesennutzers widergeben, kann eine Überlastung des Beinstumpfes und eine daraus häufig resultierende Nachamputation vermieden werden. Durch die kontextbezogene Bereitstellung von Informationen u. a. über Fitness, Ermüdung, Aktivität usw. kann die Handhabung der Gelenkprothese verbessert und die Gelenkprothese besonders effizient genutzt werden.
Der Grad der Durchblutung des Beinstumpfgewebes kann beispielsweise bei der vorliegenden Erfindung mittels plethysmographischer Methoden ermittelt werden. Informationen über Ermüdungserscheinungen des Beinstumpfes können bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese durch Auswertung einer Spektralanalyse von elektromyographi- schen Signalen der Beinstumpfmuskulatur und/oder einer Erfassung einer Druckbelastung am Beinstumpf gewonnen.
Die Bewegungsabläufe eines die erfindungsgemäße Gelenkprothese tragenden Anwenders sind besonders gut steuerbar, wenn die Gelenkprothese wenigstens einen Sensor zum Erfassen wenigstens eines Winkels und/oder wenigstens einer Lage und/oder wenigstens einer Beschleunigung an der Gelenkprothese aufweist. Zudem können die Bewegungsabläufe eines die erfindungsgemäße Gelenkprothese tragenden Anwenders besonders gut auf die Umgebung abgestimmt werden, wenn die Gelenkprothese ein Abstandsmesssystem aufweist, mit dem ein Abstand zwischen einem Bodenkontaktelement der Gelenkprothese und einem Boden erfassbar ist. Indem die kinematische Kette der situativen und geforderten Bewegungsform bei der erfindungsgemäßen Gelenkprothese automatisch der Umgebung angepasst wird, ist die Gelenkprothese in der Lage, weitgehend selbstständig mit dem Nutzer der Gelenkprothese zu interagieren
Für eine vorausschauende Bewegung der erfindungsgemäßen Gelenkprothese ist es auch von Vorteil, wenn die Gelenkprothese eine Hinderniserfassungsvorrichtung aufweist. Durch die Hinderniserfassungsvorrichtung können Hindernisse, welche sich in Bewegungsrichtung befinden, rechtzeitig erkannt und eine Kollision mit diesen sowie ein daraus resultierendes Stolpern verhindert werden. Es kann vorausschauend agiert werden, wodurch das Vertrauen in die Gelenkprothese erhöht wird. So wird die Gelenkprothese nicht nur durch das Zutun des Prothesennutzers, sondern zusätzlich autoadaptiv gesteuert. Indem Echtzeitinformationen über die Beschaffenheit des Weges in Gehrichtung durch die Sensoren an der Gelenkprothese genutzt werden, wird eine ähnliche Kopplung zwischen den beweglichen Komponenten der Gelenkprothese und den entsprechenden Sensoren erreicht, wie sie beim natürlichen Gang intuitiv zwischen Bein und Auge besteht, wodurch die Gelenkprothese schneller, sicherer und effizienter in allen Umgebungen gesteuert werden kann. Der Vorteil dieser natürlichen Anordnung ist vor allem die Fähigkeit zur direkten, unbewussten, prädiktiven Anpassung von Bewegungsabläufen.
Günstig ist es ferner, wenn die erfindungsgemäße Gelenkprothese eine Standortbestimmungseinrichtung für die Gelenkprothese aufweist. Derartige Standortinformationen können beispielsweise durch Interaktion mit Ortungsdiensten von Smartphones oder mittels WLAN oder Bluetooth gewonnen werden. Durch die Ortung der Gelenkprothese und die Verknüpfung verschiedener Orte mit speziellen Anforderungen kann in der erfindungsgemäßen Gelenkprothese vorausschauend entweder die monozentrische oder die polyzentrische Achsstruktur freigegeben werden. Während es beim kontinuierlichen Laufen in der Öffentlichkeit auf ein natürliches und unauffälliges Gangbild ankommt, sind die Anforderungen an die Gelenkprothese bei deren Verwendung in einem Büro, einer Werkstatt, einer Küche oder im Garten völlig andere. Werden einzelnen Orten spezielle Anforderungen zugewiesen und im Hinblick darauf die Information zugeteilt, ob die poly- zentrische oder die monozentrische Achsstruktur freizugeben ist, kann durch die Ortung der Gelenkprothese automatisch die entsprechende Achsstruktur freigegeben werden. In alternativen Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Gelenkprothese kann eine Aktivierung auch per App, also über ein Anwendungsprogramm auf einem Smartphone, erfolgen und nicht automatisch durch die Ortsbestimmung der Gelenkprothese.
Darüber hinaus kann an der Gelenkprothese wenigstens ein Dehnungsmessstreifen- Sensor zur Detektion von Dehnungen und/oder Spannungen an der Gelenkprothese vorgesehen sein. Aus den von einem solchen Sensor gemessenen Werten können quantitative und/oder qualitative Rückschlüsse auf an der Gelenkprothese wirkende Kräfte gezogen werden. Dadurch kann beispielsweise eine Stand- oder eine Schwungphase oder ein Aufsetzen oder ein Abstoßen einer Gliedmaße detektiert werden.
Um von Sensoren an der Gelenkprothese erfasste Daten schnell und effizient verarbeiten und für Bewegungsabläufe an der Gelenkprothese nutzen zu können, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Gelenkprothese wenigstens einen oder mehrere Prozessoren zur Datenerfassung und -Verarbeitung aufweist.
Auch ist es von großem Vorteil, wenn die Gelenkprothese mit einem Datenmanagementsystem gekoppelt oder koppelbar ist. In einem ganz besonders bevorzugten Fall kann die Gelenkprothese beispielsweise mittels spezieller App per Handy gesteuert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
Figur 1 schematisch einen Grundaufbau einer möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Gelenkprothese in einer perspektivischen Ansicht zeigt, Figur 2 schematisch den Energie- und Kraftfluss an der Gelenkprothese von Figur 1 zeigt;
Figur 3 schematisch eine mögliche Ausbildung einer Kupplungsvorrichtung einer
Monozentrik mit Anbindung an einen Hydraulikzylinder bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese in einer perspektivischen Ansicht zeigt; und
Figur 4 schematisch eine Kupplungs- und Speichereinheit an einer Polyzentrik bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese in einer perspektivischen Ansicht zeigt.
In Figur 1 zeigt schematisch einen Grundaufbau einer möglichen Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 in einer perspektivischen Ansicht, wobei die Gelenkprothese 1 in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Kniegelenkprothese, insbesondere ein expoprothetisches Kniegelenk, welches der Versorgung nach einer Oberschenkelamputation dient, ist. In anderen, nicht gezeigten Varianten der vorliegenden Erfindung kann die erfindungsgemäße Gelenkprothese 1 auch eine Handgelenkprothese, eine Schultergelenkprothese, eine Armbeugenprothese, eine Fußgelenkprothese oder eine Hüftgelenksprothese sein.
Die Gelenkprothese 1 weist eine monozentrische Achsstruktur 2 und eine mit der mono- zentrischen Achsstruktur 2 gekoppelte polyzentrische Achsstruktur 3 auf, wodurch die Vorteile von polyzentrischen und monozentrischen Prothesenbauarten in einer einzigen Gelenkprothese 1 vereint werden. Ein Nutzer der Gelenkprothese 1 ist somit in der Lage, Treppen, schiefe Ebenen, aber auch gerade Strecken, Kniebeuge, Aufsteh- und Sitzbewegungen und Notsituationen, wie beispielsweise ein Stolpern, problemlos zu bewältigen, ohne die Gelenkprothese 1 wechseln zu müssen oder ein schlechteres Bewegungsbild mit der Gefahr einer unbeabsichtigten Bewegung oder gar einer Verletzung in Kauf nehmen zu müssen. Hierzu kann anwendungsfallspezifisch entweder die monozentrische Achsstruktur 2 oder die polyzentrische Achsstruktur 3 freigegeben und die jeweilige andere Achsstruktur 2, 3 gesperrt werden kann. Bevorzugt erfolgt das Sperren der ersten Achsstruktur und das Entsperren der zweiten Achsstruktur zeitgleich, der Sperr- und Entsperrvorgang der beiden Achsstrukturen kann jedoch auch zeitversetzt zueinander erfolgen.
Zum Sperren und Entsperren der monozentrischen Achsstruktur 2 und der polyzentri- schen Achsstruktur 3 ist an der monozentrischen bzw. polyzentrischen Achsstruktur 2, 3 jeweils eine kraftschlüssige Kupplungsvorrichtung 21 , 31 vorgesehen. In alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 kann an Stelle einer kraftschlüssigen Kupplungsvorrichtung 21 , 31 auch eine formschlüssige Kupplungsvorrichtung verwendet werden. Ein möglicher Aufbau und die jeweilige Funktion der Kupplungsvorrichtungen 21 , 31 werden nachfolgend anhand der Figuren 3 und 4 noch näher erläutert.
Die monozentrische Achsstruktur 2 und die polyzentrische Achsstruktur 3 sind mittels Hebeln 33, 33' miteinander gekoppelt, wobei die Hebel 33, 33' an Wellen 22, 32 der monozentrischen bzw. polyzentrischen Achsstruktur 2, 3 vorgesehen sind.
Die polyzentrische Achsstruktur 3 weist in dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vier Gelenke 1 1 , 12, 13, 14 auf, wobei an einem in funktionsgerechter Ausrichtung der Gelenkprothese 1 vorderen Gelenk 12 die monozentrische Achsstruktur 2 angeordnet ist. Prinzipiell kann die monozentrische Achsstruktur 2 jedoch an jedem Gelenk 1 1 , 12, 13, 14 der polyzentrischen Achsstruktur 3 vorgesehen sein.
Zur Verzögerung der Bewegung der Gelenkprothese 1 während einer Schwung- und Standphase, ist an der monozentrischen Achsstruktur 2 ein hydraulisches Dämpfungselement 6 vorgesehen. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform der Gelenkprothese 1 ist das hydraulische Dämpfungselement 6 als Hydraulikzylinder ausgebildet und mittels eines Koppelelementes 28 mit der monozentrischen Achsstruktur 2 verbunden. In alternativen Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 kann das Dämpfungselement 6 auch als pneumatisches, elektromagnetisches und/oder rheologi- sches Bauelement, welches zusätzlich oder alternativ zu dem hydraulischen Dämpfungselement 6 vorgesehen ist, ausgebildet sein. Ferner können in weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 auch mehr als ein Hydraulikzylinder in oder an dem Gehäuse 4 angebracht sein. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann das Dämpfungselement 6, wie beispielsweise der Hydraulikzylinder, an die polyzentrische Achsstruktur 3 angebunden sein. In weiteren Varianten der Erfindung können auch mehrere Dämpfungselemente 6 verwendet werden.
Die Gelenkprothese 1 kann in wenigstens zwei Positionen, nämlich in eine erste Position, in welcher die Kniegelenkprothese gestreckt ist, und in eine zweite Position, in welcher die Kniegelenkprothese angewinkelt ist, gebracht werden. Hierbei sind an den beiden Positionen in den Figuren nicht dargestellte, gedämpfte Anschläge vorgesehen, sodass eine möglichst natürliche Bewegung der Gelenkprothese 1 erzeugt wird.
Der Hydraulikzylinder 6 ist in einem Gehäuse 4 integriert, an und/oder in welchem die monozentrische und die polyzentrische Achsstruktur 2, 3 vorgesehen sind. Zur Ausleitung der aus der Gelenkprothese 1 wirkenden Kraft ist an einer zum Boden zeigenden Seite des Gehäuses 4 eine lösbare Klemmverbindung 41 angebracht, welche eine Verbindung zwischen der Gelenkprothese 1 und einem nicht dargestellten Prothesenfuß herstellt.
Zur Anbindung der Gelenkprothese 1 an ein amputiertes Bein eines Nutzers weist die Gelenkprothese 1 ein Verbindungselement 5 auf, welches beispielsweise als Schraubverbindung ausgebildet und an dem Gehäuse 23 der Kupplungsvorrichtung 21 der mo- nozentrischen Achsstruktur 2 angeordnet ist. Ferner kann das Verbindungselement 5 auch als Klemmverbindung ausgebildet sein.
Die in Figur 1 gezeigte Gelenkprothese 1 ist derart ausgebildet, dass sie derart spritz- wasser- und staubgeschützt ist, dass beispielsweise ein knietiefes Durchqueren von Wasser und Duschen mit der Gelenkprothese 1 für den Nutzer möglich ist.
Ferner weist die Gelenkprothese 1 eine Vielzahl an verschiedenen, nicht in den Figuren veranschaulichten Sensoren auf, welche beispielsweise Informationen über die Durchblutung, den Fitnesszustand und/oder den Puls des jeweiligen Nutzers, die Schaftbelastung und/oder die Wegstrecke liefern. Für eine anschauliche und einfache Darstellung dieser Informationen ist die Gelenkprothese 1 mit einem Ausgabegerät, beispielsweise einem Handy, gekoppelt, welches beispielsweise über eine spezielle App die aufbereiteten Daten ausgibt. Zudem kann durch diese App auch eine Feinjustierung des Systemverhaltens der Gelenkprothese 1 vorgenommen werden. So wird beispielsweise ein Abstand des Prothesenfußes zum Boden mittels eines Ultra- schallabstandmesssystems vorzugsweise kontinuierlich erfasst. Mittels eines weiteren Ultraschallsensors können beispielsweise Hindernisse im Fußbereich, welche sich in Gehrichtung befinden, erkannt werden. Die erfassten Daten werden an eine Steuerungseinrichtung in Form einer Kinematiksteuerung weitergegeben, welche die Daten unter anderem dazu nutzt, um zwischen der monozentrischen und der polyzentrischen Achsstruktur 2, 3 umzuschalten.
Mittels eines im Kniegelenk angeordneten Ultraschallsensors kann zudem eine Beugeposition der Gelenkprothese 1 erfasst werden, anhand welcher die Gelenkprothese 1 schnell, sicher und effizient in unterschiedlichen Umgebungen gesteuert werden kann. Der hierzu verwendete Ultraschallsensor kann beispielsweise ein Ultraschall-Clamp-on- Sensor sein, mit dem die Beugeposition unabhängig von der jeweils freigeschalteten Achsgeometrie der Gelenkprothese 1 erfasst werden kann.
Mit den von den oben genannten Sensoren erfassten, ergänzenden, multimodal zu verarbeitenden Daten kann die Gelenkprothese 1 schnell, sicher und effizient in unterschiedlichen Umgebungen gesteuert werden. So wird es durch diese Sensoren ermöglicht, prädiktiv beispielsweise auf eine Schräge, Treppe oder Bordsteinkante, eine Änderung der Untergrundbeschaffenheit oder auch bevorstehende Kollisionen zu reagieren.
Figur 2 zeigt schematisch einen Energie- und Kraftfluss an der Gelenkprothese 1 von Figur 1 , wobei gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 gleiche Komponenten bezeichnen, weshalb auf die obigen Ausführungen zu diesen Komponenten verwiesen wird.
Die durch den Nutzer der Gelenkprothese 1 in das Verbindungselement 5 eingeleitete Kraft fließt in einer Kraftflussrichtung A über die monozentrische Achsstruktur 2 oder in einer Kraftflussrichtung B über die polyzentrische Achsstruktur 3 in Richtung des Gehäuses 4. Über die lösbare Klemmverbindung 41 wird Kraft in einer Kraftflussrichtung C in Richtung des Prothesenfußes weitergeleitet.
Figur 3 zeigt schematisch eine mögliche Ausbildung einer Kupplungsvorrichtung 21 einer monozentrischen Achsstruktur 2 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ge- lenkprothese 1 mit Anbindung an einen Hydraulikzylinder in einer perspektivischen Ansicht. Auch hier bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 gleiche Komponenten, weshalb auf die vorangegangene Beschreibung zu diesen verwiesen wird.
Die Kupplungsvorrichtung 21 der monozentrischen Achsstruktur 2 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Lamellenkupplung ausgebildet, bei welcher eine Bewegung der monozentrischen Achsstruktur 2 kraftschlüssig gesperrt wird. Die Lamellenkupplung weist eine Außenlamelle 24, eine Innenlamelle 25 und eine Steuerungseinheit 26 auf. Zur Freigabe der monozentrischen Achsstruktur 2 werden die Außen- und Innenlamellen 24, 25 durch die Steuerungseinheit 26 mit einer Kraft beaufschlagt, wodurch eine Bewegung über eine Welle 22 übertragen werden kann. Die Ansteuerung kann hierbei elektromagnetisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. Optional kann gleichzeitig auch eine mechanische, pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Energieumwandlung stattfinden, wobei Energie in einem Speicher gespeichert wird. Als Speicher kann beispielsweise eine Spiral- oder eine Drehfeder zur Anwendung kommen.
Die Welle 22 wird in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Fest- Los-Lagers 26 gehalten, kann in weiteren Ausführungsformen jedoch auch mittels eines Stützlagers oder einer schwimmenden Lagerung, welche beispielsweise mittels eines Wälz- oder Gleitlagers realisiert wird, gehalten werden.
Die Hebel 33 ,33' sind beidseitig der Welle 22 durch Wälz- oder Gleitlager 27 an die Welle 22 angebunden. Ferner können die Hebel 33, 33' aber auch starr an der Welle 22 angebracht sein.
Figur 4 zeigt schematisch eine Kupplungs- und Speichereinheit an einer polyzentrischen Achsstruktur 3 bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 in einer perspektivischen Ansicht, wobei auch hier gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, weshalb auf die vorherige Beschreibung zu diesen Komponenten verwiesen wird. Auch die in Figur gezeigte Kupplungsvorrichtung 31 für die polyzentrische Achsstruktur 3 ist als Lamellenkupplung ausgebildet. Auch diese Lamellenkupplung weist Innenlamellen 34 und Außenlamellen 35 auf, welche durch eine Steuerungseinheit 36 betätigt werden. Durch die Lamellenkupplung wird eine Sperrung und Freigabe der polyzentrischen Achsstruktur 3 in jeder Position der Gelenkprothese 1 .
Die Kupplungsvorrichtung 31 weist zudem einen Spiralfeder 37 auf, welche eine Ver- spannung zwischen der Welle 32 und einem Gehäuse 38 der Kupplungsvorrichtung 31 ermöglicht, wodurch Energie in eine erste Drehrichtung aufgenommen und in eine zweite, entgegengesetzte Drehrichtung freigegeben wird. Durch die freiwerdende Energie wird die Bewegung des Gelenkes unterstützt, wodurch das Gehen für den Prothesennutzer erleichtert wird.
Die Kupplungsvorrichtung 31 ist über ein Wälz- oder Gleitlager 39 an der Welle 32 gelagert. In alternativen Ausgestaltungsvarianten der erfindungsgemäßen Gelenkprothese 1 kann jedoch auch ein Fest-Los-Lager, ein Stützlager oder eine schwimmende Lagerung verwendet werden. Die Welle 32 hingegen ist starr oder mittels einer drehbaren Verbindung mit den Hebeln 33, 33' verbunden.

Claims

Patentansprüche
1 . Gelenkprothese (1 ) für ein orthopädisches Hilfsmittel,
wobei die Gelenkprothese (1 ) eine monozentrische Achsstruktur (2) und eine poly- zentrische Achsstruktur (3) aufweist, und
die monozentrische Achsstruktur (2) mit der polyzentrischen Achsstruktur (3) gekoppelt oder koppelbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, welche entweder die monozentrische Achsstruktur (2) oder die polyzentrische Achsstruktur (3) freigibt und gleichzeitig oder zeitversetzt die jeweils andere Achsstruktur (2, 3) blockiert oder limitiert, wobei die monozentrische Achsstruktur (2) als auch die polyzentrische Achsstruktur (3) jeweils wenigstens eine kraft- und/oder formschlüssige Kupplungsvorrichtung (21 , 31 ) zum Freigeben und Blockieren oder Limitieren der monozentrischen Achsstruktur (2) und/oder der polyzentrischen Achsstruktur (3) aufweist.
2. Gelenkprothese nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (21 ) der monozentrischen Achsstruktur (2) und/oder die Kupplungsvorrichtung (31 ) der polyzentrischen Achsstruktur (3) als schaltbare, form- und/oder kraftschlüssige Kupplung ausgebildet ist.
3. Gelenkprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare, form- und/oder kraftschlüssige Kupplung eine Lammellenkupplung aufweist.
4. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsvorrichtung (21 ) der monozentrischen Achsstruktur (2) mittels wenigstens eines Hebels (33, 33') und/oder wenigstens einer Achse mit der Kupplungsvorrichtung (31 ) der polyzentrischen Achsstruktur (3) verbunden ist oder die Funktion der Kupplungsvorrichtung (21 ) der monozentrischen Achsstruktur (2) und die Funktion der Kupplungsvorrichtung (31 ) der polyzentrischen Achsstruktur (3) in einer gemeinsamen Kupplungsvorrichtung integriert sind.
5. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) vier oder mehr Gelenke (1 1 , 12, 13, 14, 15) aufweist, wobei wenigstens eines dieser Gelenke (1 1 , 12, 13, 14, 15) schaltbar ist.
6. Gelenkprothese nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) ein Viergelenk für die polyzentrische Achsstruktur (3) und ein zusätzliches Gelenk (15) für die monozentrische Achsstruktur (2) aufweist.
7. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monozentrische Achsstruktur (2) und/oder die polyzentrische Achsstruktur (3) mit einem Gehäuse (4) verbunden ist/sind, das eine Klemmverbindung (41 ) und/oder eine Aufnahme für ein stabförmiges Element aufweist.
8. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monozentrische Achsstruktur (2) und/oder die polyzentrische Achsstruktur (3) mit wenigstens einem hydraulischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder rheologischen Dämpfungselement (6) gekoppelt oder koppelbar ist/sind, mit dem eine Bewegung der Gelenkprothese (1 ) während einer Schwung- und/oder Stand- oder Ruhephase des orthopädischen Hilfsmittels verzögerbar ist.
9. Gelenkprothese nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6) in oder an dem Gehäuse (4) vorgesehen ist.
10. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) in wenigstens zwei Positionen verschwenkbar ist, an welchen gedämpfte Anschläge vorgesehen sind.
1 1 . Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) wenigstens einen mechanischen, elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Energiespeicher zum Speichern und Freigeben von Energie aus Brems- und Dämpfungsvorgängen der Gelenkprothese (1 ) und/oder Aufsetz- und Abstoßvorgängen des orthopädischen Hilfsmittels aufweist.
12. Gelenkprothese nach Anspruch 1 1 und einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher wenigstens einen in oder an dem Ge- häuse (4) oder an dem orthopädischen Hilfsmittel vorgesehenen Akkumulator aufweist.
13. Gelenkprothese nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher wenigstens eine Spiral- oder Drehfeder aufweist.
14. Gelenkprothese nach einem der Ansprüche 8 oder 9 und einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6) mit dem Energiespeicher gekoppelt ist.
15. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gelenkprothese (1 ) wenigstens ein Verbindungselement (5) für eine Verbindung der Gelenkprothese (1 ) mit einem Körperteil vorgesehen ist, das mit der Kupplungsvorrichtung (21 ) der monozentrischen Achsstruktur (2) und/oder der Kupplungsvorrichtung (31 ) der polyzentrischen Achsstruktur (3) gekoppelt oder koppelbar ist.
16. Kniegelenkprothese nach Anspruch 1 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) eine lösbare Schraub- und/oder Klemmverbindung aufweist.
17. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) wenigstens einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung biometrischer Daten eines Gelenkprothesenanwenders aufweist.
18. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) wenigstens einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen physiologischer Daten eines Prothesennutzers aufweist.
19. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) wenigstens einen Sensor zum Erfassen wenigstens eines Winkels und/oder wenigstens einer Lage und/oder wenigstens einer Beschleunigung an der Gelenkprothese (1 ) aufweist.
20. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) ein Abstandsmesssystem aufweist, mit dem ein Abstand zwischen einem Bodenkontaktelement der Gelenkprothese (1 ) und einem Boden erfassbar ist.
21 . Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) eine Hinderniserfassungsvorrichtung aufweist.
22. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) eine Standortbestimmungseinrichtung für die Gelenkprothese (1 ) aufweist.
23. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) wenigstens einen oder mehrere Prozessoren zur Datenerfassung und -Verarbeitung aufweist.
24. Gelenkprothese nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkprothese (1 ) mit einem Datenmanagementsystem gekoppelt oder koppelbar ist.
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