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技術 矯正用または補装用の人工の関節を制御するための方法および装置

出願人 オットー・ボック・ヘルスケア・プロダクツ・ゲーエムベーハー
発明者 カンパス、フィリップザイル、マルティンパオリク、ローラントカルテンボルン、スフェン
出願日 2010年11月12日 (9年1ヶ月経過) 出願番号 2012-538240
公開日 2013年3月28日 (6年8ヶ月経過) 公開番号 2013-510603
状態 特許登録済
技術分野 補綴 マニプレータ
主要キーワード 特性要因 面モーメント 影響変数 運動シーケンス ブロッキング抵抗 制御挙動 ワンセット 持ち上げの
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題・解決手段

本発明は、抵抗手段を有する、下肢矯正用または補装用人工の関節を、制御するための装置および方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および/または伸展抵抗を変化させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法に関する。抵抗を、立脚期において、または立位保持の間に、床反力に応じて、初期値から、関節がロックされるまで増加させることが意図されている。

概要

背景

高齢患者への補装具による有用な手当ては、患者の要求への、各々の活動への、および医療ニーズへの適応を必要とする。しばしば、安全性への要求が重要である。それ故に、立位保持の間に、膝関節ロックが望まれる。ロックは、可能な限り、負荷に依存しておよび角度に依存して、活発化可能であり、あらゆる立位保持状況で、安定感を引き起こすことが意図される。何故ならば、かような患者の、協調性、敏捷性および体力が、時々制限することができるからである。

患者が動ける限りでは、歩行中に、立脚期では、高い屈曲抵抗があることが意図される。その目的は、望ましくない折り曲げを回避するためである。何故ならば、折り曲げは、しばしば、股関節伸展によって、十分に迅速に相殺することができないからである。

これに対し、座っていることは、患者がスムーズに動くことができるように、伸展方向および屈曲方向においても、低い抵抗を必要とする。

歩行を患者にとって遊脚期解除を有しない装置を用いた歩行より快適にするために、遊脚期の解除を準備することが必要であり得る。

矯正具または補装具のための、人工関節、特に膝関節は、上部の接続部分および下部の接続部分を有する。双方の接続部分は、関節手段によって、互いに接続されている。上部の接続部分には、膝関節の場合に、大腿部断端または大腿部の副木のための収容部が設けられており、他方、下部の接続部分には、下腿シャフトまたは下腿部副木が設けられている。最も簡単な場合には、上部の接続部分は、下部の接続分部と、単軸の関節によって回動可能に互いに接続されている。このような装置が、矯正具の使用の際に、望ましい成功、例えば支持を保証し、あるいは、補装具での使用の際には自然の歩行パターンを保証するために十分であるのは、例外的な場合のみである。

歩行の種々の段階中にまたは他の装置の場合では種々の要求をできる限り自然に示すか支援するために、屈曲抵抗または伸展抵抗を提供する抵抗手段が設けられている。下部の接続部分が、上部の接続部分に対し、どの程度容易に屈曲方向に回動自在であることが、屈曲抵抗によって、調整される。従って、膝関節の場合に、力が加えられるとき、下腿部シャフトまたは下腿部副木が、大腿部シャフトまたは大腿部副木に比較してどの程度容易に後方揺動するかが、屈曲抵抗によって調整される。伸展抵抗は、下腿部シャフトまたは下腿部副木の前進歩行制動し、かつ、伸展停止を形成することができる。股関節または足関節のような関節の他のタイプでは、これらの実施の形態は、運動学的な条件に従って適用される。

条件が変化するとき、適合された抵抗を提供することができるためには、調整可能な抵抗手段によって、各々の屈曲抵抗および/または伸展抵抗を、矯正用または補装用の手段の使用者に適合させ、あるいは種々の歩行状況または運動状況関係づけることが可能である。

特許文献1からは、上部と、該上部に回動可能に設けられている下部とを有する整形外科用の膝関節が公知である。この下部に関連して、複数のセンサ、例えば、曲げ角度センサ、加速度センサ傾斜センサおよび/または力センサが設けられている。伸展停止が、決定されたセンサデータに従って調整される。

特許文献2は、上側の接続手段と、義足足部へ接続するための接続要素とを有する補装具手段を適合させるための受動人工膝関節を、屈曲方向に調整可能な制動機能で制御する方法を記載する。適合は、階段昇りへなされる。義足足部の、低モーメントリフティングが検出され、リフティング段階での屈曲の制動が、平面歩行のために適切であるレベルより下のレベルに低下される。屈曲制動は、膝関節角度の変化に従っておよび下腿部に作用する軸方向力に従って増加される。

特許文献3は、少なくとも1つの自由度および調整可能なアクチュエータを有する、下肢整形外科関節、この整形外科関節を制御するための方法および装置を記載する。アクチュエータは、下肢に接続される上側の接続手段と、該接続手段の末端に連節された整形外科用の関節とを有する整形外科手段を、平面歩行と異なる歩行状況に適合させる。ここでは、整形外科手段の複数のパラメータが、複数のセンサによって検知され、検知されたパラメータは、複数のパラメータおよび/またはパラメータの挙動に基づいて作成された後に、コンピュータユニットに格納されている判定基準と比較され、かつ、決定されたパラメータまたはパラメータの挙動に基づいて適切な1つの判断基準が選択される。選択された判断基準に基づいて、屈曲抵抗、可動域駆動力および/または該屈曲抵抗、可動域および駆動力の挙動が調整される。その目的は、平面歩行とは異なる特別な機能を制御するためである。空間における整形外科手段の1つの部分の傾斜角および/または整形外科手段の1つの部分の傾斜角の変化の経過を、パラメータとして用いることができる。

更に、従来の技術からは、軸方向負荷の増加の際に屈曲抵抗および伸展抵抗が機械的に増大されてなるいわゆるブレーキ膝関節が知られている。このことは、最も簡単な場合には、床反力によって互いに押圧され合う2つの制動面が設けられていることによって、達成される。制動装置のこのような実施の形態は、制御された抵抗手段を有するモダンな人工膝関節のためには使用不可能である。

膝関節が、立脚期において、歩行中にまたは立位保持の最中に、高い抵抗を供し、関節が完全にはロックされないことが、適切であることが分かった。完全に伸展された膝関節では、関節の屈曲は、力ベクトル関節軸の前にあって、従って、関節が伸展ストッパへと押圧されることによって、阻止される。力ベクトルが関節軸の後方に移動するや否や、関節が折れ曲がる危険性がある。従って、僅かに曲がった位置で同様に抵抗の増加を提供することは、必要である。関節が、僅かに曲がった位置で完全にはロックしないことは、関節の使用者が関節の動きへの介入可能性を有するという利点を有する。万一、使用者が、例えば、階段上に立っており、かつ、バランスを失うときは、使用者は、ロックされた関節によって、無制御に倒れるであろう。他方、使用者は、関節を、断端が加える力による高い屈曲抵抗によって更に曲げ、従って、転倒の結果を緩和し、あるいは、転倒を全く阻止することができる。同様に、立位保持中の高い制動が、狭い空間での関節の操縦または着座を容易化する。

関節が高い抵抗のみを供し、かつ完全にはブロッキングしないとき、例えば、傾斜した面で立っている際に、補装具の負荷が、不可能であるのは、床反力ベクトルが、かかとに対し余りに遠くに移動し、従って、もはや膝軸の前方ではなく、膝軸の後方に位置しており、このことによってが曲がる場合である。実際また、屈曲した膝で立っていることは不可能である。何故ならば、膝の屈曲によって、膝関節軸が床反力ベクトルの前方に移動し、このことによって、膝が更に曲げられるからである。

更に、従来の技術からは、斜面上でまたは曲げられた膝上でブロックされた状態で立位保持を起動するために、特別なモードを調整する必要があってなる手段が知られている。このようなモードでは、関節を、調整可能な角度より大きく曲げることができない。歩行の継続または着座のためには、意図的に、他のモードへの変換を行なわねばならない。

概要

本発明は、抵抗手段を有する、下肢の矯正用または補装用の人工の関節を、制御するための装置および方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および/または伸展抵抗を変化させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法に関する。抵抗を、立脚期において、または立位保持の間に、床反力に応じて、初期値から、関節がロックされるまで増加させることが意されている。

目的

歩行の種々の段階中にまたは他の装置の場合では種々の要求をできる限り自然に示すか支援するために、屈曲抵抗または伸展抵抗を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

抵抗手段を有する、下肢矯正用または補装用人工の関節を、制御するための方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および/または伸展抵抗を変化させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられており、前記関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法において、抵抗を、立脚期においてまたは立位保持の間に、床反力GRFに応じて、初期値から、前記関節がロックされるまで増加させることを特徴とする方法。

請求項2

前記抵抗を、立脚期中に、負荷の増加につれて、連続的に増加させることを特徴とする請求項1に記載の方法。

請求項3

前記抵抗を、負荷がしきい値に達するかまたは上回る際に、増加させることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。

請求項4

前記抵抗を、関節構成要素関節角度および/または慣性角度に従って増加させることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。

請求項5

前記抵抗を、床反力と、前記関節の接続部分における基準点との距離に従って、または前記基準点を中心としたモーメントに従って、増加させまたはロックすることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。

請求項6

前記抵抗を、増加後に、前記関節の接続部分の慣性角度、慣性角度の変化および/または慣性角速度に従って、減少させることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の方法。

請求項7

前記接続部分の慣性角度は、直接に、または他の接続部分の慣性角度および関節角度から決定することを特徴とする請求項4または6に記載の方法。

請求項8

前記抵抗を、増加後に、測定された関節角度および/または測定された関節角速度に従って、減少させることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の方法。

請求項9

前記抵抗を、増加後に、前記床反力と、前記関節の接続部分における基準点との距離および/または距離の変化に従って、再度前記初期値に減少させることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の方法。

請求項10

前記抵抗を増加および/または減少させるための複数の基準を、特性要因の中で、直接互いに組み合わせることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の方法。

請求項11

複数の制御アルゴリズムがあって、該制御アルゴリズムは、角度および力を検出するための異なった手段からの測定値に基づいて作動し、その結果、角度および力を検出するための手段の故障の際には、伸展抵抗および/または屈曲抵抗の変化を制御するために、残りの測定値が用いられることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の方法。

請求項12

請求項1ないし11のいずれか1項に記載の方法を実施する装置であって、矯正用または補装用の人工の関節の、2つの互いに連節された構成要素の間に設けられた調整可能な抵抗手段と、前記装置の状態情報を検出する制御手段およびセンサとを具備する装置において、1つの調整装置が設けられていること、および、該調整手段によって、負荷依存の抵抗変化起動可能および/または停止可能であることを特徴とする装置。

技術分野

0001

本発明は、抵抗手段を有する、下肢矯正用または補装用人工の関節を、制御するための装置および方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および/または伸展抵抗を変化させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法に関する。

背景技術

0002

高齢患者への補装具による有用な手当ては、患者の要求への、各々の活動への、および医療ニーズへの適応を必要とする。しばしば、安全性への要求が重要である。それ故に、立位保持の間に、膝関節ロックが望まれる。ロックは、可能な限り、負荷に依存しておよび角度に依存して、活発化可能であり、あらゆる立位保持状況で、安定感を引き起こすことが意図される。何故ならば、かような患者の、協調性、敏捷性および体力が、時々制限することができるからである。

0003

患者が動ける限りでは、歩行中に、立脚期では、高い屈曲抵抗があることが意図される。その目的は、望ましくない折り曲げを回避するためである。何故ならば、折り曲げは、しばしば、股関節伸展によって、十分に迅速に相殺することができないからである。

0004

これに対し、座っていることは、患者がスムーズに動くことができるように、伸展方向および屈曲方向においても、低い抵抗を必要とする。

0005

歩行を患者にとって遊脚期解除を有しない装置を用いた歩行より快適にするために、遊脚期の解除を準備することが必要であり得る。

0006

矯正具または補装具のための、人工関節、特に膝関節は、上部の接続部分および下部の接続部分を有する。双方の接続部分は、関節手段によって、互いに接続されている。上部の接続部分には、膝関節の場合に、大腿部断端または大腿部の副木のための収容部が設けられており、他方、下部の接続部分には、下腿シャフトまたは下腿部副木が設けられている。最も簡単な場合には、上部の接続部分は、下部の接続分部と、単軸の関節によって回動可能に互いに接続されている。このような装置が、矯正具の使用の際に、望ましい成功、例えば支持を保証し、あるいは、補装具での使用の際には自然の歩行パターンを保証するために十分であるのは、例外的な場合のみである。

0007

歩行の種々の段階中にまたは他の装置の場合では種々の要求をできる限り自然に示すか支援するために、屈曲抵抗または伸展抵抗を提供する抵抗手段が設けられている。下部の接続部分が、上部の接続部分に対し、どの程度容易に屈曲方向に回動自在であることが、屈曲抵抗によって、調整される。従って、膝関節の場合に、力が加えられるとき、下腿部シャフトまたは下腿部副木が、大腿部シャフトまたは大腿部副木に比較してどの程度容易に後方揺動するかが、屈曲抵抗によって調整される。伸展抵抗は、下腿部シャフトまたは下腿部副木の前進歩行制動し、かつ、伸展停止を形成することができる。股関節または足関節のような関節の他のタイプでは、これらの実施の形態は、運動学的な条件に従って適用される。

0008

条件が変化するとき、適合された抵抗を提供することができるためには、調整可能な抵抗手段によって、各々の屈曲抵抗および/または伸展抵抗を、矯正用または補装用の手段の使用者に適合させ、あるいは種々の歩行状況または運動状況関係づけることが可能である。

0009

特許文献1からは、上部と、該上部に回動可能に設けられている下部とを有する整形外科用の膝関節が公知である。この下部に関連して、複数のセンサ、例えば、曲げ角度センサ、加速度センサ傾斜センサおよび/または力センサが設けられている。伸展停止が、決定されたセンサデータに従って調整される。

0010

特許文献2は、上側の接続手段と、義足足部へ接続するための接続要素とを有する補装具手段を適合させるための受動人工膝関節を、屈曲方向に調整可能な制動機能で制御する方法を記載する。適合は、階段昇りへなされる。義足足部の、低モーメントリフティングが検出され、リフティング段階での屈曲の制動が、平面歩行のために適切であるレベルより下のレベルに低下される。屈曲制動は、膝関節角度の変化に従っておよび下腿部に作用する軸方向力に従って増加される。

0011

特許文献3は、少なくとも1つの自由度および調整可能なアクチュエータを有する、下肢の整形外科関節、この整形外科関節を制御するための方法および装置を記載する。アクチュエータは、下肢に接続される上側の接続手段と、該接続手段の末端に連節された整形外科用の関節とを有する整形外科手段を、平面歩行と異なる歩行状況に適合させる。ここでは、整形外科手段の複数のパラメータが、複数のセンサによって検知され、検知されたパラメータは、複数のパラメータおよび/またはパラメータの挙動に基づいて作成された後に、コンピュータユニットに格納されている判定基準と比較され、かつ、決定されたパラメータまたはパラメータの挙動に基づいて適切な1つの判断基準が選択される。選択された判断基準に基づいて、屈曲抵抗、可動域駆動力および/または該屈曲抵抗、可動域および駆動力の挙動が調整される。その目的は、平面歩行とは異なる特別な機能を制御するためである。空間における整形外科手段の1つの部分の傾斜角および/または整形外科手段の1つの部分の傾斜角の変化の経過を、パラメータとして用いることができる。

0012

更に、従来の技術からは、軸方向負荷の増加の際に屈曲抵抗および伸展抵抗が機械的に増大されてなるいわゆるブレーキ膝関節が知られている。このことは、最も簡単な場合には、床反力によって互いに押圧され合う2つの制動面が設けられていることによって、達成される。制動装置のこのような実施の形態は、制御された抵抗手段を有するモダンな人工膝関節のためには使用不可能である。

0013

膝関節が、立脚期において、歩行中にまたは立位保持の最中に、高い抵抗を供し、関節が完全にはロックされないことが、適切であることが分かった。完全に伸展された膝関節では、関節の屈曲は、力ベクトル関節軸の前にあって、従って、関節が伸展ストッパへと押圧されることによって、阻止される。力ベクトルが関節軸の後方に移動するや否や、関節が折れ曲がる危険性がある。従って、僅かに曲がった位置で同様に抵抗の増加を提供することは、必要である。関節が、僅かに曲がった位置で完全にはロックしないことは、関節の使用者が関節の動きへの介入可能性を有するという利点を有する。万一、使用者が、例えば、階段上に立っており、かつ、バランスを失うときは、使用者は、ロックされた関節によって、無制御に倒れるであろう。他方、使用者は、関節を、断端が加える力による高い屈曲抵抗によって更に曲げ、従って、転倒の結果を緩和し、あるいは、転倒を全く阻止することができる。同様に、立位保持中の高い制動が、狭い空間での関節の操縦または着座を容易化する。

0014

関節が高い抵抗のみを供し、かつ完全にはブロッキングしないとき、例えば、傾斜した面で立っている際に、補装具の負荷が、不可能であるのは、床反力ベクトルが、かかとに対し余りに遠くに移動し、従って、もはや膝軸の前方ではなく、膝軸の後方に位置しており、このことによってが曲がる場合である。実際また、屈曲した膝で立っていることは不可能である。何故ならば、膝の屈曲によって、膝関節軸が床反力ベクトルの前方に移動し、このことによって、膝が更に曲げられるからである。

0015

更に、従来の技術からは、斜面上でまたは曲げられた膝上でブロックされた状態で立位保持を起動するために、特別なモードを調整する必要があってなる手段が知られている。このようなモードでは、関節を、調整可能な角度より大きく曲げることができない。歩行の継続または着座のためには、意図的に、他のモードへの変換を行なわねばならない。

先行技術

0016

DE 10 2008 008 284 A1
DE 10 2006 021 802 A1
DE 10 2007 053 389 A1

0017

本発明の課題は、モードを意図的に起動または停止する必要なしに、膝を、自動的に、所定の状況で、増加した抵抗で負荷しまたはブロックすることを可能にする方法および装置を提供することである。

0018

本発明によれば、上記課題は、主請求項に記載の方法および独立請求項に記載の装置によって達成される。本発明の好都合な実施の形態および改善は、従属請求項に記載されている。

0019

抵抗手段を有する、下肢の矯正用または補装用の人工の関節を、制御するための、本発明に係わる方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および/または伸展抵抗を変化させる少なくとも1つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法は、抵抗を、立脚期において、または立位保持中に、測定された床反力GRFに応じて、初期値から、関節がロックされるまで増加させることを意図する。立脚期または立位保持の検出後に、予め定められた床反力が存在する際には、関節抵抗は、関節がロックされるまで、増加される。その目的は、安全な状態または安全にされた状態に自動的に達するためである。抵抗は、立脚期中に、または立位保持中に、負荷が増加するにつれて、連続的に増加される。例えば床反力がしきい値に達するかまたは上回るときにのみ、増加が実行されることは好ましい。このとき、床反力を直接測定することができる。しかしながら、大抵の場合、床反力の有益な成分のみ、例えば、下腿方向における成分が測定される。初期抵抗は、抵抗が増加される元になり、かつ、抵抗が、必要な場合には、再度減少されるレベルが、患者に適合されるように、調整可能である。

0020

増加した屈曲抵抗の状態を、膝関節の折れ曲がりの危険性があるときにのみ、用いるためには、床反力ベクトルが膝軸の後方に延びているときにのみ、ロックがなされ、それ故に、治療された脚の、軸方向における継続する負荷の際に、屈曲の増加が生じるだろうことが意図される。このことは、矯正具の構造または補装具の構造に従って、種々の屈曲角度で行なうことができる。床反力ベクトルが、伸展された状態で、関節軸のはるか前方に位置していてなる特に安定的に構成された関節には、関節角度が増大するときにはじめて、増加した抵抗が加えられる。他方、余り安定的に構成されていない関節は、既に前もって、増加された抵抗を必要とする。例えば、膝関節を前方に移動することによる、余り安定的でなくかつ安全でない構造は、制御によって膝関節の折れ曲がりが阻止されかつ補装具が安全にされるとき、患者に、利点を与える。他のすべての条件が同一であるとき、膝関節の前方移動は、かかとの踏み出しの際の、前方移動のない方法より迅速なかつ大きな膝屈曲をもたらし、かつ衝撃を緩和する。更に、遊脚期を導入するための、および遊脚期で補装具を曲げるための、膝屈曲モーメントは、減少する。このことは、患者にとってプラスに作用する。膝関節の前方移動は、中間の遊脚期における補装具の長さの短縮をもたらす。このことは、患者にとっての転倒の危険性を減じる。従って、抵抗は、関節角度に、または、関節構成要素の、特に下腿部分および大腿部分慣性角度に従って、増加される。何故ならば、膝関節が伸展されており、かつ、斜面に立っている際の構造が安定的であるときに、床反力ベクトルが膝関節軸の後方に位置していることができるからである。このことは、膝関節の折れ曲がりをもたらすことがある。慣性角度は、取り分け、座っている最中に、すなわち大腿部がほぼ水平であるときに、ブロッキングを阻止するために、役に立つ。

0021

抵抗を、床反力と、関節の接続部分における基準点との距離に従って、または基準点を中心としたモーメントに従って、増加させまたはロックすることができる。

0022

関節がロックされるまでに抵抗を増加させた後に、立位保持とは違う活動のために関節手段を用いることができるために、抵抗を、関節の接続部分の慣性角度、慣性角度の変化および/または慣性角速度に従って、例えば初期値に減少させることが意図されている。従って、関節の1部分が動かされること、例えば、補装具が緩和されること、または使用者が、補装具を用いて前方または後方に移動することが、検出される。このことから、もはや立位保持が存在しないので、抵抗を減少する必要があることが認識される。

0023

義足足部が着地されており、補装具着用者が、前進運動または後退運動にないときは、立位保持について述べている。軸方向負荷または床反力が、補装具および義足足部に加えられる。人工膝関節は、大抵は伸展されている。しかし、本方法によって、立位保持も、曲げた膝によっても可能であることが意図される。この負荷依存の挙動は、「機能」として実現することが好ましい。或る機能を起動しまたは停止することができる。機能が起動されているときに、機能は、抵抗を増加するためのセンサ基準が満たされているときは常に活発化される。基準がもはや満たされていないときは、関節は、他の制御状態、例えば遊脚期制御に移行することができる。機能が停止されているとき、機能を起動することはできない。しかし、他の制御状態は、このことに関係していない。しかし、制御を「モード」として実現することも可能である。

0024

立位保持モードは、別個に作動されねばならない制御挙動である。永続的に存在し、かつ、立位保持機能のための基準が満たされているか否かを問い合わせ、次に、患者の立位への1つまたは複数の抵抗の適切な適合を実行する立位保持機能とは異なり、モードは、本方法では、立位保持モードは、意識的に実行される動作によって起動される。該方法がモードとして実行されるとき、関節の機能は、前記挙動のみに限定される。他の制御状態、例えば遊脚期制御への移行は、モードの意識的な停止後にのみ、可能である。

0025

同様に、関節構成要素の慣性角速度があって、従って、立位保持状態が存在しないときは、抵抗の増加が、相応の床反力および関節角度の存在にもかかわらず、全く導入されないことが可能である。同様に、慣性角度に従って、関節のブロッキングを排除することができるのは、例えば、大腿部分が、歩行方向で、前方へ傾斜しており、従って、大腿部分の近位端が、歩行方向で、大腿部分の遠位端の前方に位置しているときである。

0026

接続部分の慣性角度を決定するためには、接続部分の慣性角度を、直接に、または他の接続部分の慣性角度および対応の関節角度から決定することが可能である。

0027

関節の負荷緩和の際に、例えば、足の持ち上げの際に、ヒステリシスを提供することができる。該ヒステリシスは、負荷の減少の際にはじめて抵抗を再度減少させ、換言すれば、抵抗の減少を引き起こすためには、負荷がしきい値を著しく下回らねばならないのである。

0028

歩行の継続または着座の際に抵抗を再度減少させるためには、接続部分の慣性角速度、膝角度、膝角速度、床反力と、接続部分との距離の変化、および/または接続部分の慣性角度の変化を使用することができる。前方歩行を認識するためには、例えば、膝角度、膝角速度および慣性角速度が適切である。更に、膝関節が停止中にのみロックされることを保証するために、膝角速度がゼロまたはほぼゼロであるときに、屈曲のロックが導入されることが意図されている。この状態が、発生することができるのは、力ベクトルが膝軸の後方にあって、患者が、屈曲のロックが応答するまで、一時的に、しかし、屈曲を、股関節で補償し、それ故に、膝モーメントおよび膝角速度がゼロになるときである。次に、立位保持の際には、屈曲のロックが作動されることによって、膝が沈み込むことなく、膝(Kniemoment)が曲げられていることができる。

0029

床反力ベクトルと、接続部分との距離は、着座を検出するために、非常に適切である。このとき、抵抗の減少は、前記パラメータがしきい値を上回るとき、不連続的にまたは連続的になされることができる。

0030

抵抗の減少および増加を、複数のパラメータによって、例えば、負荷、関節角度および慣性角度によって、開始することができる。種々の形状関数が存在する。該形状関数によって、複数の条件の組み合わせにより、抵抗が増加されるか、減少されるかを、および抵抗が何倍に増大されまたは何分の一に減少されるかが決定される。かくして、複数の影響変数に従って、関節のソフトなロックおよびロック解除が生じる。

0031

着座状態の関節のブロッキングは、例えば、ロックされた膝関節および動かない関節を、自動車運転の際に阻止するために、時々望ましくないので、大腿部がほぼ水平であるときには、関節がロックされるまでは、抵抗を増加させることができないことが意図される。この目的のためには、大腿部分の慣性角度が決定される。関節がブロックされるまでの抵抗の上記増加は、関節の制御全体の一部である。抵抗の増加が只1つの機能であることも可能である。この場合、抵抗の増加は、調整手段によって起動または停止することができる起動されるべきモードを形成することができる。同様に、この機能が潜在的に存在し、それ故に、立脚期中にまたは立位保持の間、膝関節の通常の制御プログラムにおいて、この機能が、関節をロックするための前提が満たされていればいつでも、存在することは可能である。

0032

上記の方法を実施するための装置は、矯正用または補装用の人工の関節の2つの互いに連節された構成要素の間に設けられた調整可能な抵抗手段と、装置の状態情報を検出する制御手段およびセンサとを具備する。更に、負荷依存の抵抗変化を起動可能および/または停止可能にする調整装置が設けられている。

図面の簡単な説明

0033

抵抗の経過を示す。
抵抗の変化を制御するための基準を示す。
補装具の略図を示す。
距離を計算するための略図を示す。
複数のセンサ値を基づいて距離を計算するための略図を示す。
図6は、角度値が測定されている様を示す。

実施例

0034

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。図1には、床反力GRFによる負荷に対する、抵抗Rの、詳しくは抵抗変化の経過が示されている。立脚期では、または立位保持中に、通常の立脚期抵抗Rstanceが調整される。その目的は、歩行中に、補装具また矯正具によるできる限り自然な歩行パターンを得るためである。床反力GRFがしきい値を上回るとき、抵抗Rは増加される。立脚期の間に、床反力GRFによる負荷が増加するにつれて、ブロッキング抵抗Rblockまでの抵抗Rの連続的増加が達成される。このブロッキング抵抗Rblockは、膝関節の屈曲を効果的に阻止するが、しかしながら、補装具または矯正具の個々の構成要素が負荷限界を上回っても、機械的損傷が生じないほどの大きさであることは好ましい。次に、更なる過程で、床反力GRFが再度減少されるときは、負荷が、抵抗の増加を引き起こすために達成されたしきい値未満に達したときにはじめて、ブロッキング値Rblockが抵抗を減少させることが意図される。負荷がこのしきい値を下回った後に、抵抗Rは、立脚期抵抗Rstanceが達成されるまで、通常の立脚期レベルに減少される。

0035

調整される抵抗を決定することができる方法は、異なっている。図2には、抵抗Rを計算するための係数として使用することができる形状関数が示されている。ここでは、右側のカーブは、基準化されている床反力GRFによる負荷のための関数を示す。左側のカーブは、他の関数fNを基準抵抗の計算に含むことができる様を示す。これらの関数のための引き数として、関節の動きのための指標、例えば、膝関節角速度、慣性角度速度、床反力と関節部分との距離の、ロックの発生の時点からの偏差、あるいは、関節部分の慣性角度の、ロックの発生からの偏差が,用いられることができる。すべての関数f1ないしfNを、抵抗の基準値への操作によって結びつけることができるのは、該関数が、例えば、立脚期抵抗とブロッキング抵抗との差を重みづけし、かつ、かくして、立脚期抵抗Rstanceがどの程度増加されるかを決定することによってである。通常の立脚期抵抗Rstanceの値だけ減じられた、ブロッキング抵抗Rblockの最大値は、2つの引き数f1およびfNによって操作される。関数がゼロであるとき、立脚期抵抗Rstanceは変わらない。すべての関数f1ないしfNがゼロより大きいときは、立脚期抵抗Rstanceは増加され、あるいは、関数がゼロより小さいときは、増加された抵抗は減少される。従って、抵抗Rは、

0036

から、計算される。

0037

ロックの起動の後の抵抗の減少後に、ワンセットの関数fNも使用することができる。該ワンセットの関数は、ロックの起動のために使用されるものとは異なっている。

0038

図3には、大腿部断端を収容するための大腿部ソケット1を有する義足の略図が示されている。大腿部ソケット1は、上部の接続部分とも呼ばれる。上部の接続部分1には、抵抗手段を有する下腿部シャフトの形態をとる下部の接続部分2が設けられている。下部の接続部分2には、義足足部3が設けられている。下部の接続部分2は、関節4を介して、上部の接続部分1に回動可能に取り付けられている。関節4には、効果的な膝モーメントを決定するモーメントセンサが設けられている。下部の接続部分2には、義足足部3に接続されている接続部分5が設けられている。義足足部には、効果的な軸方向力および踝モーメントを決定するための手段が収容されている。義足にはすべてのセンサが存在しているわけではないことは可能である。必要な場合には、踝モーメントセンサまたは膝モーメントを省略することができる。

0039

下部の接続部2には、屈伸抵抗を提供する抵抗手段のほかに、制御手段がある。該制御手段によって、受信したセンサデータおよびセンサデータの評価に基づいて各々の抵抗を変化させることが可能である。すなわち、アクチュエータが、評価に応じて作動され、該アクチェータは、抵抗手段を、所望のまたは必要な抵抗が伸展方向および/または屈曲方向に存在するように、調整するのである、この目的のために、2つのまたは複数のセンサデータの数学的な組み合わせによって得られる少なくとも1つの補助変数を生成するために、センサデータが使用されることが意図されていることができる。このことによって、センサの領域で直接的に支配的でない力、距離および/またはモーメントを計算するために、複数の力センサまたはモーメントセンサを互いにリンクさせることが可能である。例えば可能であるのは、所定の基準面における断面力、断面モーメントまたは距離を計算して、該断面力、断面モーメントまたは距離から、どの機能が現時点で実現されるべきかを判断することができることである。その目的は、できる限り自然な歩行パターンを得ることができるためである。この場合、自然な動きの枠内で生じる制御シーケンスが、機能と呼ばれる。これに対し、モードは、任意の行為により、例えば、別のスイッチの操作により、または、動きの、意図的な、必要な場合には意図的に不自然シーケンスにより調整される制御状態である。

0040

図4には、床反力ベクトルGRFと膝軸との距離aが引き数として如何に使用されるかが略示されている。距離aは、膝モーメントMと軸方向力FAXの商から計算される。膝モーメントMが、軸方向力FAXとの比例で大きくなればなるほど、床反力ベクトルGRFの距離aは、ここでは膝軸を形成する基準高さにおいて一層大きい。引き数aを基準にして、伸展抵抗および/または屈曲抵抗を変えることが可能である。何故ならば、立位保持が今あるか、または立位保持が中断されたかを、引き数aによって計算することができるからである。それ故に、このことから、前に定められた屈曲抵抗および/または伸展抵抗が調整される。引き数aの変化によって、現在の動きが如何に進行するかが決定される。それ故に、動きの中で、立脚期または遊脚期内でも、屈曲抵抗および/または伸展抵抗の、患者にとっての快適性への適合がなされることができる。抵抗の変化が、連続的におよび1つの引き数または複数の引き数の変化に応じてなされることは好ましい。

0041

図5には、基準高さにおける床反力ベクトルGRFと、複数のモーメントセンサを接続する線との距離の形態をとる引き数bを、如何に計算することができるかが示されている。引き数bは、

0042

から計算される。但し、M1は、接続部分5における有効なモーメント、通常は、床からの高さl1における踝モーメントであり、モーメントM2は、床からのl2の距離にある膝軸4の高さにおける膝モーメントである。高さXは基準高さであり、力FAXは、接続部分5内でまたは下部の接続部分2に作用する軸方向力である。引き数bの変化によって、前述のように、遊脚期中におよび立脚期中に各々の抵抗を連続的に調整し、かつ、今ある変化に適合させることが可能である。このことによって、自動的に検出される種々の機能、例えば、膝関節が意図なく曲がってしまうことを防止するために用いる立位保持機能を活発化することが可能である。

0043

立脚期中のまたは立位保持の間の、抵抗の、特に屈曲抵抗の増加を、常に利用できる潜在的機能として、実行することができる。患者が立脚期にあるか、または立っているとき、屈曲に対する抵抗は、関節、特に膝関節がロックされるまで、自動的に増加される。この場合、膝角度も考慮される。例えば、膝が、伸展された位置にあるとき、通常は安定的な構造に基づき、屈曲運動の阻止は必要ない。しかしながら、膝関節が、僅かに屈曲した位置にあり、例えば、下腿部分の縦方向延在と大腿部分の縦方向延在の間で4°より大きくて、床反力側の負荷が加わるとき、膝関節は自動的にロックされる。何故ならば、膝の屈曲にもかかわらず、屈曲は望まれないことが想定されるからである。

0044

図6には、座っている位置にある補装具が略示されている。補装具使用者が、座っている位置にあるとき、抵抗手段の伸展抵抗および屈曲抵抗が僅かであることは快適である。それ故に、通常は僅かな運動範囲を有する、座っている間になされる運動を、損失なしに実行することができる。

0045

抵抗の変化および状態の決定を自動的に実行することができるために、慣性角度αTおよび/または膝角度αKが測定されることが意図されている。大腿部分1の慣性角度αTは、重力方向に作用すると想定される垂直線に対して測定される。図6では、このことは、重力ベクトルgによって示される。慣性角度αTの基準値として、人工膝関節4の回動軸を通る、大腿部分1の縦軸が想定される。この場合、縦軸は、ほぼ、自然の大腿骨の方向に対応し、かつ、通常は大腿部用ソケットとして形成されている大腿部分1の実質的に真中に延びている。

0046

膝角度αKは、下腿部分2の縦方向延在と、大腿部分1の縦方向延在との間に位置している。ここでも、下腿部分2の縦方向延在は、人工膝関節4の関節軸を通る。膝角度αKは、大腿部分1の慣性角度αTと、下腿部分2の慣性角度αiとから計算されることができる。重力ベクトルgから始まって慣性角度αTおよびαiを計算することに基づいて、適切な符号の規則が導入される。それ故に、大腿部分1の慣性角度αTは、膝角度αKと、下腿部分2の慣性角度αiとの差から生じる。

0047

更に、床反力ベクトルGRF、あるいは下腿部分2の縦方向に作用する軸方向力AXが、決定される。その目的は、今ある力に基づいて、補装具使用者が、座位にあるか、または立位にあるかを決定するためである。

0048

通常、補装具使用者が座っているとき、床反力GRFが大幅に減少する。従って、床反力GRFがしきい値を下回るとき、このことは、座っている状態が存在するか否かの判断の際の要因である。大きな床反力GRFが検出されるとき、立位を想定することができ、同様に、起立を想定することができる。2つの場合には、屈曲抵抗の増加は、高い床反力GRFの際に、望ましくない沈み込みまたは折れ曲がりを回避するためには、適切である。

0049

所定のしきい値に達した後の抵抗の急激な増加は、しばしば、不快と感じられる。従って、床反力GRFがしきい値に達した後に、抵抗が連続的に増加されることが意図されている。典型的には、抵抗の増加は、体重の20%と30%の間で実行され、減少は、体重の20%と10%の間で実行されるだろう。しかしながら、余りに大きい膝角度αKまたは慣性角度αTが存在するか、あるいは、関節4が動かされるとき、必要な場合には出発抵抗まで抵抗を減少させることができるように、立位保持状態が存在しないことが前提とされる。大腿部分1が、傾斜位置に、従って、実質的に水平な状態にあり、それ故に、慣性角度αTが、例えば70°と110°との間にあるとき、抵抗の増加が除外されることが意図される。必要な場合には、所定の時間の経過後に、立脚期抵抗下で、抵抗手段の抵抗の減少さえ行なうことができる。何故ならば、補装具使用者が座っていることが、想定されるからである。

0050

慣性角速度を決定するために、慣性角度αIの経時変化を測定する。それ故に、角速度の数値および方向によって算出することができる角速度が生じる。今や、所定の慣性角度αIおよび所定の慣性角速度ωIが存するときに、或る運動状況が存在し、従って、膝関節のロックまたはブロッキングが実行されるべきであるような、立位保持が存在しないことが前提とされる。

0051

本方法では、所定のしきい値を上回る負荷の直後に、時間の遅延なしに、ロックが発生するので、通常の運動シーケンスに対応しない特別の運動によって、抵抗の増加の特別な活性化を導入する必要がないことが意図されている。床反力GRFによって、負荷の大きさを表わす負荷信号が提供される。床反力GRFは、起立機能を活発化させるためには十分である。他の変数、例えばモーメントまたは慣性角度を、補助的に、すなわち、立位保持状況または立脚期が実際に存在するか否かの決定を保護するために、用いることができる。請求された方法によって、膝または他の関節を、屈曲した位置でまたは屈曲力下で、ロックすることが可能である。ロックが、僅かに曲がった膝においてのみ、例えば、膝角度として4°の膝屈曲から始まることは好都合である。

0052

1大腿部ソケット
2下腿部シャフト
3義足足部
4 関節
5 接続部分

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