專利名稱：髖關節(jié)假肢的制作方法
髖關節(jié)假肢
本發(fā)明涉及一種用于人造腿的髖關節(jié)假肢，具有一些用于固定在上部 固定裝置上的和用于固定在與該髖關節(jié)假肢相連接的人造腿上的連接機 構。本發(fā)明尤其是可在髖關節(jié)離斷時使用。
用具有固定在其上的人造腿的髖關節(jié)假肢行走是困難的，因為必須控 制三個關節(jié)，即髖關節(jié)、膝關節(jié)和腳關節(jié)，而假肢穿戴者不具有對這些關 節(jié)的主動影響措施的可能性。尤其是髖關節(jié)運動的控制對于走動以及對于 站立時相中的穩(wěn)定性是重要的。
為了保證在腳后跟登地之后髖關節(jié)實施伸展，目前的髖關節(jié)假肢的關
節(jié)軸相對于真髖關節(jié)的關節(jié)軸設置在前面。US 3,090,964 Al中描述了這種 設計，在該文獻中描述了一種可調節(jié)的髖關節(jié)，以便可提供動態(tài)結構。所 建議的布置保證在腳后跟登地之后不久就占據(jù)髖關節(jié)的最大程度伸展的位 置。
US4，215，441描述了一種固定在骨盆(Beckenkorb)上的腿假肢，該腿 假肢具有一個彈簧，該彈簧在站立時相期間通過軸向作用的力、例如基于 假肢使用者重量的力而被預加載。如果現(xiàn)在假膝關節(jié)屈曲，則彈簧松弛并 且引起髖關節(jié)中的屈曲，其結果是引起膝關節(jié)繼續(xù)屈曲和假腳向前運動。 US 4,051,558中描述了類似的裝置。
由WO01/17466A2公知了一種具有氣動能量儲存器單元的腿假肢。在 髖關節(jié)中的伸展運動期間儲存能量，在緊接其后的屈曲運動期間該能量再 被釋放。能量儲存器裝置具有一個電子控制的活塞/缸單元，其中，活塞桿 是可伸縮的，以便限制擺動時相的髖關節(jié)的屈曲。為了保證穩(wěn)定且可靠的 腳后跟踩地，選擇短步幅。
用于限制步幅的公知裝置需要手動操作，以便可實現(xiàn)繼續(xù)的屈曲，例 如以便坐下。
通過由現(xiàn)有技術公知的假肢不能實現(xiàn)盡可能自然的行走步態(tài)。在腳后 跟登地之后髖關節(jié)的快速伸展不是自然運動。該運動對于患者來說不可控
制，因為在處于重力線前面的自由關節(jié)上不能平衡。在人造髖關節(jié)的伸展 期間對側的腿的自然抬離和擺動在公知現(xiàn)有技術的髖關節(jié)中被排除。以固 定的步幅不可實現(xiàn)不同的行走速度，因為隨之而來需要不同的步幅。在此， 在與假肢使用者行走速度相關的步幅可變的情況下，必須保證可靠且穩(wěn)定 的腳后跟踩地，而不必容忍繼續(xù)的不受控制的髖屈曲的風險。不僅伸展運 動的而且屈曲運動的阻尼在現(xiàn)有技術中沒有提出。
本發(fā)明的任務在于，提供一種髖關節(jié)假肢，通過該髖關節(jié)假肢可使上 述問題得到避免或降低最小程度。
根據(jù)本發(fā)明，這通過具有權利要求1的特征的髖關節(jié)假肢和根據(jù)權利 要求11的特征的控制方法來解決。本發(fā)明的有利構型和進一步構型在從屬 權利要求中描述。
根據(jù)本發(fā)明的髖關節(jié)假肢具有一些用于固定在固定裝置上的和用于人 造腿上的連接機構。此外，設置有一個用于控制髖關節(jié)中的伸展運動和步 幅的控制單元。通過該控制單元可控制站立時相中的伸展運動和腿假肢的 步幅，例如通過一個液壓控制系統(tǒng)來控制。
本發(fā)明的一個進一步構型提出，控制單元具有至少一個用于阻尼髖關 節(jié)中的屈曲運動和/或伸展運動的阻尼器裝置，以便可控制步幅以及髖屈曲 或髖伸展的形式。阻尼器裝置優(yōu)選構造成液壓阻尼器并且具有用于在假肢 伸展方向上或假肢屈曲方向上調節(jié)阻尼的裝置或機構。優(yōu)選控制單元配備 有相應的阻尼器特性曲線，由此在行走速度提高時以相應較高的能量水平 進行與自然行走步態(tài)相適配的步幅增大。
控制單元優(yōu)選組合在髖關節(jié)中，以便提供緊湊的結構形式，并且優(yōu)選 具有可調節(jié)的閥或阻力，以便可將阻尼器特性曲線設計得可變。
為了特別自然的行走步態(tài)，設置有用于調節(jié)伸展和屈曲中的阻尼的調 節(jié)裝置或機構。在伸展中設置高的阻尼，可這樣調節(jié)該高的阻尼，使得患 者的骨盆在假肢上滾動時幾乎保持水平。在腳后跟登地之后突然的伸展得 到避免。由此，對于患者可實現(xiàn)在人造髖關節(jié)伸展期間對側的腿抬起或擺 動。阻尼的大小可調節(jié)，由此，視個別期望而定，可實現(xiàn)較快速或較緩慢 的伸展。如果存在高的可靠性要求，則可調節(jié)較快速的伸展，但如果期望 高程度的舒適性和自然的行走，則可將阻尼調節(jié)得這樣高，使得在假肢抬
離前不久才進行最終止擋。
對于屈曲運動提出，通過調節(jié)裝置或機構來確定第一運動段，在該第 一運動段中不存在或僅存在很小的阻尼。在第二運動段，阻尼上升，優(yōu)選 漸增地上升，直到上升到確定的極限值，該極限值可與假肢使用者的生物 統(tǒng)計學數(shù)據(jù)及其期望相關地調節(jié)。在緊接其后的第三運動段中，阻尼恒定 地保持在第二運動段的最終水平上并且保證穩(wěn)定的腳后跟踩地而無進一步 的不受控制的髖屈曲的危險。屈曲角度、即對應的運動段的長度可調節(jié)， 由此，視個別的期望而定，幾乎未被阻尼的第一運動段可延長或縮短。與 此相應，具有上升的阻尼器特性曲線的第二運動段在阻尼器特性曲線的斜 率方面可設計得可變，以便例如當假肢使用者對穩(wěn)定性具有高要求時縮短 步幅。另一方面，也可這樣選擇對應的區(qū)域，使得允許較大的步幅，以便 滿足主動假肢使用者的要求。
該髖關節(jié)假肢可設置有一個能量儲存器單元，該能量儲存器單元在人 造腿伸展時在髖關節(jié)中儲存能量并且為了支持屈曲運動而將該能量至少部 分地釋放給人造腿。作為能量儲存器單元設置了一些彈簧元件、尤其是塑 料彈簧元件、鋼或碳彈簧或其它具有相應彈性特性的材料。
根據(jù)本發(fā)明的用于通過至少一個用于阻尼人造腿的屈曲運動和伸展運 動的阻尼器單元來控制髖關節(jié)假肢的方法提出，這樣調節(jié)伸展運動的阻尼， 使得當在正常行走模式下對側的腿已經(jīng)抬起時伸展止擋還未被達到?？膳c 對應的患者相協(xié)調地來調節(jié)伸展運動的所需阻尼。由此可考慮對應的假肢 穿戴者的偏好并且使髖關節(jié)假肢與對應的行走步態(tài)相適配。作為補充或替 換方案，這樣實施控制，使得在第一運動段中屈曲不被阻尼，即可在運動 阻力沒有提高的情況下發(fā)生屈曲，以致由此可基于屈曲角度調節(jié)步幅。在 第二運動段期間阻尼提高，或者線性地或者漸增地提高，以便然后在第三 運動段中恒定地保持在最終水平上，該最終水平與第二運動段的阻尼的最 終水平相應。
由此，站立時相阻尼的控制可與擺動時相阻尼的控制相組合地或與其 分開地來實施，以便可實現(xiàn)與自然行走步態(tài)相適配的運動。
本發(fā)明的一個進一步構型提出，作為用于阻尼器單元的控制參數(shù)測量 人造腿的屈曲角度、運動方向、屈曲速度和/或施加在人造腿上的力。然后
與所測量的控制參數(shù)相關地以相應期望的程度進行阻尼或阻尼特性曲線的 自動適配。控制參數(shù)在此通過傳感器測定并且輸入給一個電子分析處理單 元，該電子分析處理單元基于所測定的值來通過執(zhí)行機構引起阻尼器單元、 例如閥的調節(jié)。
下面借助于附圖來對本發(fā)明的實施例進行詳細描述。附圖表示


圖1髖關節(jié)假肢的立體部分剖面視圖2髖關節(jié)假肢在稍微屈曲中的剖面視圖3 圖2的細節(jié)視圖4髖關節(jié)假肢在屈曲位置中的側視圖； 圖5在伸展位置中的髖關節(jié)假肢； 圖6至圖9髖關節(jié)液壓系統(tǒng)的線路圖；以及 圖10用于擺動時相控制的阻尼力曲線圖。
圖1中示出了一個髖關節(jié)假肢1的立體部分剖面視圖，具有一個上部
件2和一個被部分地剖切的下部件3，該上部件與該下部件通過一個前導桿 4和一個后導桿5彼此鉸接地相連接。在上部件2上固定著一個用于固定在 假肢籠形件或類似裝置上的上連接件21。通過轉動軸25，上部件2鉸接地 與后導桿5相連接。通過球鉸鏈24，上部件2鉸接地與前導桿4相連接。 前導桿4通過下部球鉸鏈34連接在下部件3上，而后導桿5以其下部的轉 動軸35支承在下部件3上。
在前導桿4上朝向關節(jié)內部、即朝向后導桿5構造有一個用于活塞桿 62的支承部位，該活塞桿可繞球鉸鏈46擺動地被支承著。由于下部球鉸鏈 34到活塞桿62的球鉸鏈46的距離，當前導桿4繞下部球鉸鏈34擺動時除 了相對于活塞桿62轉動之外還在活塞桿62上發(fā)生移動，由此，該活塞桿 與前導桿4的轉動方向相關地往復運動。
活塞桿62伸入到下部件3中并且在那里被一個控制單元6接收，該控 制單元在下部件3中可繞轉動軸63轉動地被支承著。在下部件3的下端部 上固定著一個用于與人造腿相連接的下連接件31。
控制單元6可繞擺動軸63運動地保持在下部件3中?？刂茊卧?的擺 動軸63處于控制單元6的下端部上并且阻止在控制單元6內部在活塞桿62 上被導向的活塞歪斜，該歪斜在控制單元6被剛性支承的情況下會由于相
對于活塞桿取向垂直的運動分量而產(chǎn)生。相對于活塞桿62垂直的該第二運 動分量基于繞前導桿4的下部球鉸鏈34的擺動運動和活塞桿62的擺動軸 46的由此實施的圓弧運動而給定。
圖2在總體視圖中示出了髖關節(jié)假肢1的剖面視圖。 圖3中在稍微屈曲的位置中示出了髖關節(jié)假肢1的放大細節(jié)視圖，在 該稍微屈曲的位置中活塞8布置在通過缸壁9構成的缸室的上端部上。
在圖3中可看到設置在槽91中的、在圓周方向上彼此相對錯位地取向 的孔92，這些孔各可朝返回通道94取向。最下部的槽91與一個環(huán)形通道 95處于持續(xù)連接并且形成最小的液壓回流，該最小的液壓回流始終得到保 證。由此，阻尼恒定地保持在最終水平上。直到達到也與返回通道94通過 一個孔92處于連接的那個槽91，相應降低的阻尼水平基于流過這兩個孔 92的液壓液體的較高的回流量而得到保證。只要活塞8達到與回流通道94 相連通的孔92，該孔就逐漸閉合，由此得到用于該第二區(qū)域的上升的阻尼 器特性曲線。通過控制單元6中的這種可調節(jié)的阻尼，可控制髖關節(jié)中的 伸展運動。通過設置彈簧元件7和在屈曲運動中阻尼的可調節(jié)性，可調節(jié) 步幅。
控制單元6是一個分開地構造的、可擺動地被支承著的液壓阻尼器單 元，該液壓阻尼器單元組合地安置在髖關節(jié)1的下部件3中。作為替換方 案，控制或阻尼器單元6也可設置在髖關節(jié)1的其它位置上。通過閥64、 65的外部的可接近性，可個別地調節(jié)對應的阻尼器特性曲線和運動段。這 尤其是也通過孔92的布置的可調節(jié)性而有效。
最好應借助于圖3中的放大視圖來描述控制單元6的工作方式。在活 塞桿62上在下端部上固定著活塞8。缸內壁9在控制單元6內部構造得被 可轉動地支承著并且具有槽91。每個槽91具有一個所屬的開口 92，該開 口可通過借助于工具使缸壁9扭轉來轉動，該工具在下端部上插入到一個 凹部93中，例如插入到一個縫隙或一個內六角中，直到孔92與垂直地取 向的返回通道94對準。通過缸壁9的扭轉來確定哪個孔92與返回通道 94對準并且打開以及由此活塞8在屈曲中可自由運動直到哪個槽91 。如果 髖關節(jié)假肢l屈曲，則活塞桿62向下運動，如果髖關節(jié)伸展，則活塞8相 應地向上運動?？蓮耐獠客ㄟ^一個接近開口接近凹部93，由此可與缸壁9
的位置和與返回通道94相應對準的孔92的位置相關地調節(jié)屈曲角度。
在活塞8中可銑入一個槽，該槽在達到缸壁中的對應的槽91之后使得 阻尼漸增地上升。當活塞槽完全移動到缸壁槽91前面之后，高的阻尼起作 用，該高的阻尼可通過一個伸開閥64來調節(jié)。
伸展通過恒定的或稍微上升的阻尼來緩和。阻尼可通過液壓系統(tǒng)上的 第二閥65來調節(jié)。
控制單元6由此構造成一個液壓阻尼器，該液壓阻尼器具有漸增的阻 尼器特性曲線，不僅可阻尼髖關節(jié)中的屈曲運動，而且可阻尼伸展運動， 并且可通過閥64、 65機械地控制屈曲角度和伸展運動。直到達到與返回通 道94對準的對應的孔92不存在阻尼或僅存在最小的阻尼，而從活塞8達 到缸壁槽91起，阻尼上升。從達到該孔并且該孔完全閉合起，由于最后的 槽91中的孔92而存在高的阻尼，該高的阻尼直到屈曲運動結束保持恒定。 在伸展中，油通過一個在該圖中未示出的上部的孔92流動到上部的槽91 中，其中，阻尼特性曲線可通過閥65或節(jié)流器來調節(jié)。
在圖4中在屈曲位置中示出了髖關節(jié)假肢1。在該圖中可看到，活塞桿 62的球鉸鏈46同時表示一個用于彈簧元件7的作用點，該彈簧元件以其下 端部在下部件3上設置在擺動軸73上。彈簧元件7尤其是可構造成塑料彈 簧或其它彈性的帶，在髖關節(jié)假肢1的屈曲位置中，該彈簧元件幾乎未擴 張，因為已經(jīng)在伸展位置中儲存在彈簧元件7中的全部能量釋放給了下部 件3并且由此釋放給了未示出的人造腿。彈簧元件7支持髖關節(jié)假肢1的 屈曲運動，其方式是該彈簧元件使固定在前導桿4上的活塞桿62的球鉸鏈 46向下在朝下部件3的方向上承受力。
圖5中示出了髖關節(jié)假肢1的伸展位置，該髖關節(jié)假肢的位置基本上 相當于圖1中的位置。其中，彈簧元件7最大程度地伸展并且具有相應高 的能量含量，因為前導桿4上的上部的作用點46相對于彈簧元件7的下部 的擺動軸73處于最大距離上。在也可構造成傳統(tǒng)拉簧的彈簧單元7中在此 所使用的能量在人造腿伸展時在髖關節(jié)中被儲存并且在屈曲運動時至少部 分地再釋放給人造腿。
原則上，控制或阻尼器單元不僅可安置在與髖關節(jié)假肢1的所示位置 不同的位置上，而且可在髖關節(jié)假肢的其它構型中、例如在單軸的髖關節(jié) 中安置?？刂茊卧墓ぷ鞣绞奖匾獣r也可換向，其方式是活塞在屈曲運動 時移出，在伸展運動時移入。
圖6至圖9中示意性地示出了具有活塞桿62、活塞8、液壓缸9以及 可調節(jié)的屈曲閥64和可調節(jié)的伸展閥65的阻尼器裝置。可調節(jié)的閥64、 65作為節(jié)流部位起作用，通過這些節(jié)流部位可調節(jié)髖關節(jié)的阻尼。、沒有示 出液壓缸9中的槽91。下部的孔92表示與返回通道94的連接；配置給孔 92的雙箭頭代表垂直的可調節(jié)性并且由此代表在屈曲閥64不起作用的情 況下屈曲角度的可調節(jié)性。
在圖6中，活塞8由于人造腿的屈曲運動而向下運動。由此，液壓液 體在無大的阻力的情況下流動通過可垂直調節(jié)的孔92——通過該孔可調節(jié) 步幅，通過一個上部的、垂直調節(jié)得固定的上部的孔92流動返回到缸9的 上分室中。在返回通道94中可設置一個止回閥97，該止回閥可在屈曲運動 時實現(xiàn)液壓液體流入到上分室中，但在伸展運動時阻止回流。
圖7中示出了這樣的狀態(tài)，在該狀態(tài)中活塞8達到并且超過了下部的 孔92。在達到下部的孔92之后，液壓液體通過與回流通道94分開的連接 通道96流到閥64、 65。在達到下部的孔92和通過活塞8閉合之前，由于 連接通道96中的較高的流動阻力并且由于存在于該連接通道中的閥64、 65、 97，幾乎沒有或者根本沒有液壓液體在那里穿流。在可垂直調節(jié)的孔 92閉合之后，液壓液體僅僅通過連接通道96引導。通過阻尼髖關節(jié)彎曲的 屈曲閥64使阻尼器力提高，由此，阻尼器特性曲線上升。伸開閥65不被 穿流，因為具有一個流動阻力較小的止回閥97的旁路被并聯(lián)連接。
如果現(xiàn)在開始伸展，貝賠塞8如圖8中所示向上運動。伸展運動于是 通過伸開閥65阻尼，而與液壓液體是否流動穿過上部的或下部的孔92無 關。箭頭代表液壓液體的流動方向。回流通道94中的止回閥97保證，全 部液壓液體流過伸開閥65。彎曲閥64具有一個帶有止回閥97的旁路并且 在伸展運動中不影響阻尼特性曲線。
圖10中示出了一個關于屈曲角度《p的阻尼器力曲線圖，在該阻尼器力 曲線圖中示出了在屈曲期間不同的阻尼階段和起作用的力。在第一運動段 A中，阻尼器力Fd可忽略地小并且由系統(tǒng)固有的阻尼因子形成，例如軸承 部位上的摩擦阻力或液壓液體的始終存在的流動阻力。期望的阻尼在第一
運動段A中不發(fā)生。在第二運動段B中，阻尼提高并且占優(yōu)勢的阻尼器力 提高，在所示例子中線性提高，確切地說提高到在第三運動段C中戶萬達到 和保持的最終水平上。這種阻尼器力曲線可通過接入相應的阻尼器元件或 流動阻力來實現(xiàn)。如果髖關節(jié)在屈曲運動結束之后伸展，則可這樣調節(jié)伸 展運動的阻尼，使得當在正常行走模式下、即在正常行走速度下對側的腿 已抬起或被抬起時，最大伸展或伸展止擋還未被達到。
權利要求
1. 髖關節(jié)假肢，具有一些用于固定在上部固定裝置上的和用于固定在與該髖關節(jié)假肢相連接的人造腿上的連接機構，其特征在于設置有一個用于控制該髖關節(jié)中的伸展運動和步幅的控制單元(6)。
2. 根據(jù)權利要求1的髖關節(jié)假肢，其特征在于該控制單元(6)具有至少一個用于阻尼該髖關節(jié)中的屈曲運動和伸展運動的阻尼器裝置(8，64， 65， 91， 92， 94)。
3. 根據(jù)權利要求1或2的髖關節(jié)假肢，其特征在于該控制單元(6) 構造成液壓阻尼器。
4. 根據(jù)權利要求2或3的髖關節(jié)假肢，其特征在于該控制單元(6) 具有漸增的阻尼器特性曲線。
5. 根據(jù)上述權利要求中一項的髖關節(jié)假肢，其特征在于:該控制單元(6) 組合在該髖關節(jié)中。
6. 根據(jù)權利要求2至5中一項的髖關節(jié)假肢，其特征在于該阻尼器特 性曲線可通過可調節(jié)的閥(64， 65)或者阻力而變化。
7. 根據(jù)權利要求2至6中一項的髖關節(jié)假肢，其特征在于對于第一運 動段在屈曲期間不存在阻尼，在第二運動段期間阻尼上升并且在第三運動 段中阻尼恒定地保持在該第二運動段的最終水平上。
8. 根據(jù)上述權利要求中一項的髖關節(jié)假肢，其特征在于阻尼在伸展中恒定。
9. 根據(jù)上述權利要求中一項的髖關節(jié)假肢，其特征在于設置有一個能量儲存器單元，該能量儲存器單元在該人造腿伸展時在該髖關節(jié)中儲存能 量并且為了支持屈曲運動而將該能量至少部分地釋放給該人造腿。
10. 根據(jù)權利要求9的髖關節(jié)假肢，其特征在于作為能量儲存器單元 設置了一些彈簧元件(7)、尤其是塑料彈簧元件。
11. 用于通過至少一個用于阻尼人造腿的屈曲運動和伸展運動的阻尼器單元來控制髖關節(jié)假肢的方法，其特征在于這樣調節(jié)伸展運動的阻尼， 使得當在正常行走模式下對側的腿已經(jīng)抬起時伸展止擋還未被達到，和/或 在第一運動段中屈曲不被阻尼，在第二運動段期間阻尼提高并且在第三運動段中阻尼恒定地保持在該第二運動段的最終水平上。
12.根據(jù)權利要求11的方法，其特征在于作為控制參數(shù)測量人造腿的 屈曲角度、運動方向及速度和/或施加在人造腿上的力并且與所測量的控制 參數(shù)相關地進行阻尼的自動適配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種髖關節(jié)假肢(1)，具有一些用于固定在固定裝置上的和用于人造腿的連接機構(21，31)。此外，設置有一個用于控制該髖關節(jié)中的伸展運動和步幅的控制單元(6)。通過該控制單元可控制站立時相中的伸展運動和腿假肢的步幅，例如通過一個液壓控制系統(tǒng)來控制。
文檔編號A61F2/60GK101389291SQ200780006901
公開日2009年3月18日 申請日期2007年2月22日 優(yōu)先權日2006年2月27日
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