DE10053259A1 - Fussprothese - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Fußprothese offenbart. Die Fußprothese soll mit einem Stützelement verbunden werden, das das Schienenbein eines Amputierten ersetzt. Die Fußprothese enthält einen am Stützelement zu befestigenden Knöchelteil. Mehrere gekrümmte Teile erstrecken sich von einem Ende des Knöchelteils. Ein Sohlenteil erstreckt sich von einem Ende der gekrümmten Teile. Der Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der Sohlenteil bilden eine einzelne integrierte Blattfederkonstruktion.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
Fußprothesen, mit denen Unterschenkelamputierte gehen
können, und insbesondere eine Fußprothese, die einen
geeigneten Schub zum Nachvornetreiben der fehlenden
Gliedmaße eines Amputierten beim Gehen erzeugen kann.
Einem Unterschenkelamputierten steht aufgrund
des Verlustes von Plantarflexoren kein Schub zur
Verfügung, der durch Abstoßen der Zehen vom Boden
erhalten werden kann. Es heißt, daß ein Unterschenkel
amputierter beim Gehen mit einer Geschwindigkeit von 50
bis 90 m/min 20% mehr Sauerstoff verbraucht als eine
gesunde Person. Dies bedeutet, daß der
Unterschenkelamputierte beim Gehen mehr Energie
verbraucht als eine gesunde Person, so daß er auch
schneller erschöpft ist.
Um die obengenannte Schwierigkeit von
Unterschenkelamputierten zu vermindern, sind
verbesserte Fußprothesen entwickelt worden, die es den
Unterschenkelamputierten gestatten, auf natürliche
Weise und mit geringem Energieverbrauch zu gehen.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die
eine herkömmliche Fußprothese mit Energiespeicherung
zeigt.
Die in Fig. 1 gezeigte herkömmliche
Fußprothese wird in dem koreanischen Patent Nr. 0155591
mit dem Titel "Energiespeicherndes Stützelement einer
Fußprothese" offenbart.
Auf die Zeichnungen des Patents Bezug nehmend,
umfaßt das herkömmliche Fußprothesenstützelement ein
erstes Stützglied 18, ein zweites Stützglied 20, eine
oder mehrere Blattfedern 22, die mit dem ersten und dem
zweiten Stützglied 18 und 20 zur Steuerung der Axial-
und Rotationsbewegungen des ersten und des zweiten
Stützglieds 18 und 20 kombiniert sind, und ein Fußglied
14, das an dem zweiten Stützglied 20 befestigt ist.
Das herkömmliche Fußprothesenstützelement ist
dadurch gekennzeichnet, daß jede Blattfeder 22 mit dem
ersten und dem zweiten Stützglied 18 und 20 kombiniert
ist. Folglich werden auf die Stützglieder 18 und 20
ausgeübte Kräfte in der Blattfeder 22 als elastische
Energie gespeichert, und bei Entfernen der Kräfte wird
die in der Blattfeder 22 gespeicherte Energie zur
Erzeugung von Schub abgegeben.
Die US-PS 5,181,932; 5,486,209 und 5,593,457
mit dem Titel "Foot prosthetic having auxiliary ankle
construction" (Fußprothese mit zusätzlicher Knöchel
konstruktion) und US-PS 5,037,444 mit dem Titel
"Prosthetic foot" (Fußprothese) offenbaren typische
Fußprothesen und setzen Kiele mit
Blattfederkonstruktionen ein.
Die US-PS 5,158,570 mit dem Titel "Foot
prosthesis having auxiliary ankle construction"
(Fußprothese mit zusätzlicher Knöchelkonstruktion) und
die US-PS 5,258,038 mit dem Titel "Prosthetic foot with
ankle joint and toe member" (Fußprothese mit
Knöchelgelenk und Zehenglied) offenbaren Fußprothesen,
in denen jeweils ein Vorfußglied, ein Knöchelglied und
ein Fersenglied aus thermoplastischem Material oder
Verbundwerkstoff über Gelenke miteinander verbunden
sind. Hierbei handelt es sich um mehrteilige
Fußprothesen, bei denen unter Widerstand durch
elastomere Unterlagen eine Schwenkbewegung ausgeführt
wird.
Die US-PS 5,219,365 mit dem Titel "Prosthetic
foot" (Fußprothese) offenbart eine Fußprothese, bei der
ein Vorfußglied, ein Knöchelglied und ein Fersenglied
(aus gehärteten Acetal-Copolymeren) so hergestellt
sind, daß sie einen einzigen integrierten Kiel bilden.
Im Kiel ist ein vertikales Durchgangsloch ausgebildet,
das zur Verbindung des Kiels mit Beinanordnungen dient.
Durch die gekrümmte Konfiguration der Fußprothese
erhöhen sich die Festigkeit und die dynamischen
Eigenschaften des Fußes.
Die US-PS 5,443,527 mit dem Titel "Prosthetic
foot and three-way ankle joint" (Fußprothese mit
Dreiwege-Knöchelgelenk) und US-PS 5,695,526 mit dem
Titel "One-piece mechanically differentiated prosthetic
foot and associated ankle joint with syme modification"
(Einstückige, mechanisch differenzierte Fußprothese und
ihr zugeordnetes Knöchelgelenk mit Syme-Modifikation)
offenbaren Fußprothesen, die jeweils einen integrierten
Spann- und Sohlenteil enthalten und mit Gelenken
versehen sind, die eine Dreiachsendrehung,
Dorsalflexion und Plantarflexion ermöglichen.
Die US-PS 5,443,528 mit dem Titel "Coil spring
prosthetic foot" (Fußprothese mit Schraubenfeder),
US-PS 5,695,527 mit dem Titel "Coil prosthetic foot"
(Schraubenfeder-Fußprothese), US-PS 5,653,767 mit dem
Titel "Prosthetic foot" (Fußprothese) und US-PS
5,571,213 mit dem Titel "Prosthetic foot" (Fußprothese)
offenbaren Fußprothesen, die aus durchgehenden Federn
hergestellt sind. Jede Fußprothese umfaßt einen
mittleren Fußschraubenfederteil, einen Fersen
verlängerungsabschnitt und einen Vorfußverlängerungs
abschnitt, die aus einem epoxidartigen Polymer
hergestellt sind, das mit Graphitfaser, einer Mischung
aus Graphitfaser und Glasfaser, Kevlar, Spektra oder
einem anderen Fasermaterial verbunden ist. Die
Fußprothese gestattet eine laterale, mediale
Torsionsbewegung. Es wird ein mit dem
Vorfußverlängerungsabschnitt integrierter Fersen
verlängerungsabschnitt verwendet, so daß die
Fußprothese zur wirksamen Übertragung von Energie von
einer Ferse zu einem Vorfuß ausgeführt ist.
Die US-PS 5,258,039 mit dem Titel "Energy
storing composite prosthetic foot" (Verbundfußprothese
mit Energiespeicherung) offenbart einen λ-förmigen, χ-
förmigen und σ-förmigen Kiel, der aus einem
harzimprägnierten Kohlenstoffgewebe-Verbundwerkstoff
hergestellt ist.
Die US-PS 5,509,937 mit dem Titel "Prosthetic
foot with enhanced heel control" (Fußprothese mit
verbesserter Fersensteuerung) und US-PS 5,116,385 mit
dem Titel "Medio-lateral control enhancing, cantilever
spring type prosthetic foot" (Fußprothese mit
verbesserter mediolateraler Steuerung und
Auslegerfeder) offenbaren Fußprothesen, die jeweils ein
Vorfußglied, ein Hinterglied und ein das Vorfußglied
mit dem Hinterglied verbindendes, S-förmiges
Zwischenglied aufweisen. Bei den Fußprothesen nehmen
die Auslegerfederelemente Energie von den Fersenteilen
auf, wenn die Fersen in Bodenkontakt gebracht werden.
Die Fußprothesen bieten mediolaterale Steuerung und
geben beim Zehenabstoß Energie ab.
Wie oben beschrieben, sind weltweit die
verschiedensten Fußprothesen entwickelt worden. Bei
diesen Fußprothesen werden jeweils Kiele
unterschiedlicher Form eingesetzt.
Einige der Fußprothesen enthalten jedoch sowohl
Beinteile als auch Fußteile, so daß an den Fußprothesen
keine Stützelemente befestigt werden können und die
Fußprothesen aufgrund einer großen Anzahl von Teilen
komplizierte Konstruktionen aufweisen.
Darüber hinaus weisen die Fußprothesen enge
zulässige Änderungsbereiche auf, aufgrund derer die
Fußprothesen nicht so ausgeführt werden können, daß sie
den physischen Bedingungen der einzelnen Amputierten
entsprechen.
Demgemäß soll eine Fußprothese entwickelt
werden, die auf die individuellen physischen
Bedingungen des Amputierten einstellbare
Konstruktionsfaktoren aufweist und sich leicht
herstellen läßt.
Demgemäß wurden bei der vorliegenden Erfindung
die obengenannten Probleme des Stands der Technik
berücksichtigt, und eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht in der Bereitstellung einer
Fußprothese, mit der ein Unterschenkelamputierter auf
natürliche Weise gehen kann, wodurch der
Energieverbrauch beim Gehen verringert wird, und die
sich aufgrund ihrer einfachen Konstruktion leicht
tragen läßt.
Zur Erfüllung der obigen Aufgabe stellt die
vorliegende Erfindung eine Fußprothese zur Verbindung
mit einem Stützelement bereit, das das Schienbein eines
Amputierten ersetzen soll, mit folgendem: einem an dem
Stützelement zu befestigenden Knöchelteil; mehreren
sich von einem Ende des Knöchelteils erstreckenden,
gekrümmten Teilen; und einem sich von einem Ende der
gekrümmten Teile erstreckenden Sohlenteil; wobei der
Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der Sohlenteil
eine einzelne integrierte Blattfederkonstruktion
bilden.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
handelt es sich bei den gekrümmten Teilen um einen
ersten gekrümmten Teil und einen zweiten gekrümmten
Teil handelt, wobei der erste gekrümmte Teil einen
ersten vorbestimmten Krümmungsradius aufweist und sich
von dem inneren Ende des Knöchelteils erstreckt, wobei
der zweite gekrümmte Teil einen zweiten vorbestimmten
Krümmungsradius aufweist und den ersten gekrümmten Teil
mit dem Sohlenteil verbindet.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Prothese weiterhin einen planaren Teil, der
eine erste vorbestimmte Länge aufweist und zwischen dem
ersten und dem zweiten gekrümmten Teil angeordnet ist.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
weist der Sohlenteil eine zweite vorbestimmte Länge auf
und ist mit einer bestimmten Neigung angeordnet.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Prothese weiterhin einen Zehenteil, der
einen dritten vorbestimmten Krümmungsradius aufweist
und sich von dem äußeren Ende des Sohlenteils
erstreckt.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Prothese weiterhin einen ersten, zweiten und
dritten Verbindungsteil, wobei der erste Verbindungs
teil den ersten gekrümmten Teil mit dem planaren Teil
verbindet, der zweite Verbindungsteil den Fersenteil
mit dem Sohlenteil verbindet und der dritte
Verbindungsteil den Sohlenteil mit dem Zehenteil
verbindet, wobei der erste, der zweite bzw. der dritte
Verbindungsteil vorbestimmte Rundungshalbmesser
aufweisen, um die Spannungskonzentration zu verringern.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Prothese weiterhin eine Aluminiumunterlage,
die an einem Teil des Knöchelteils befestigt ist, der
mit dem Stützelement in Berührung gebracht wird.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
umfaßt die Prothese weiterhin eine elastische Polymer
unterlage, die zwischen dem Knöchelteil und der
Aluminiumunterlage angeordnet ist, um die Nachgiebig
keit des Knöchelteils zu vergrößern.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
sind der Knöchelteil, die Aluminiumunterlage und die
elastische Polymerunterlage mit einem oder mehreren
Durchgangslöchern zur Aufnahme einer Schraube versehen.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
sind der Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der
Sohlenteil aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
hergestellt.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
wird der faserverstärkte Verbundwerkstoff durch
Verbindung von epoxidartigem Polymer mit einer von
verschiedenen zerkleinerten oder durchgehenden Fasern,
wie zum Beispiel Kohlefaser, Kevlar, Graphitfaser und
Glasfaser, hergestellt.
Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
ist der faserverstärkte Verbundwerkstoff aus
unidirektionalem Prepreg oder Prepreg-Gewebe
hergestellt.
Die obigen und andere Aufgaben und Merkmale
sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher
hervor; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
herkömmlichen Fußprothese mit Energiespeicherung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der
Fußprothese mit Energiespeicherung gemäß der
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der
Anordnung der Fußprothese nach Fig. 1;
Fig. 4 eine als Schnitt ausgeführte
Seitenansicht der Fußprothese nach Fig. 2;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer
Kombination der Fußprothese mit Energiespeicherung mit
einem Stützelement; und
Fig. 6 ein Flußdiagramm, das den
Entwurfsprozeß der Fußprothese mit Energiespeicherung
zeigt.
Es sollte nunmehr auf die Zeichnungen Bezug
genommen werden, wobei die gleichen Bezugszahlen in
sämtlichen verschiedenen Zeichnungen zur Bezeichnung
der gleichen oder ähnlicher Komponenten verwendet
werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen eine Fußprothese mit
Energiespeicherung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich
beschrieben.
In den Zeichnungen ist Fig. 2 ein
perspektivische Ansicht der Fußprothese mit
Energiespeicherung gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 ist
eine perspektivische Ansicht der Anordnung der
Fußprothese nach Fig. 1. Fig. 4 ist eine als Schnitt
ausgeführte Seitenansicht der Fußprothese nach Fig. 2;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer
Kombination der Fußprothese mit Energiespeicherung mit
einem Stützelement. Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das
den Entwurfsprozeß der Fußprothese mit Energie
speicherung zeigt.
Wie in den Fig. 2 bis 5 gezeigt, umfaßt die
Fußprothese 100 mit Energiespeicherung einen Kiel 101
aus Verbundwerkstoff, ein Paar Aluminiumunterlagen 120
zur Verbindung des Kiels 101 mit einem Stützelement 155
und ein Paar elastischer Polymerunterlagen 130, die
jeweils zwischen dem Kiel 101 und den
Aluminiumunterlagen 120 angeordnet sind. Die beiden
elastischen Polymerunterlagen 130 sind jeweils auf der
oberen und unteren Fläche des Knöchelteils des Kiels
101 angeordnet, und die beiden Aluminiumunterlagen 120
sind jeweils auf der oberen Fläche einer elastischen
Polymerunterlage 130 und der unteren Fläche der anderen
elastischen Polymerunterlage 130 angeordnet. Demgemäß
sind die elastischen Polymerunterlagen 130 jeweils
zwischen dem Kiel 101 und einer der Aluminiumunterlagen
120 angeordnet.
Der Kiel 101 enthält einen Knöchelteil 105, der
ein Ende des Kiels 101 bildet und planar ist. Ein
gekrümmter Teil 106 mit dem Krümmungsradius R1
erstreckt sich von einem Ende des Knöchelteils 105. Ein
planarer Teil 108 mit einer Länge L1 erstreckt sich von
einem Ende des gekrümmten Teils 106. Ein Fersenteil 109
mit dem Krümmungsradius R2 erstreckt sich von einem
Ende des planaren Teils 108. Ein Sohlenteil 111 mit
einer Länge L2 und einer Neigung A erstreckt sich von
einem Ende des Fersenteils 109. Ein Zehenteil 113
erstreckt sich von einem Ende des Sohlenteils 111. Bei
Betrachtung von der Seite ist der Kiel 101 in etwa 5-
förmig.
Durch den Knöchelteil 105 des Kiels 101, die
Aluminiumunterlagen 120 und die Verbundpolymer
unterlagen 130 ist ein Durchgangsloch 140 ausgebildet.
Ein Zwischenstück 153 ist mittels einer in das
Durchgangsloch 140 eingeführten Schraube 151 an dem
Knöchelteil 105 des Kiels 101 befestigt, und der
pyramidenförmige Vorsprung des Zwischenstücks 153 ist
mit dem Stützelement 155 verbunden. Demgemäß wird die
obere Aluminiumunterlage 120 mit dem Zwischenstück 153
in Berührung gebracht, und die Verbundpolymerunterlagen
130 vergrößern die Nachgiebigkeit des Knöchelteils 105
des Kiels 101.
Ein solcher Kiel 101 besteht vorzugsweise aus
einem von verschiedenen faserverstärkten Verbundwerk
stoffen, wie zum Beispiel epoxidartigem Polymer, das
mit einer von verschiedenen Fasern verbunden ist, zum
Beispiel Kohlefaser, Kevlar, Graphitfaser und
Glasfaser. Als Verstärkungsfaser für den
faserverstärkten Verbundwerkstoff kann zerkleinerte
oder durchgehende Faser eingesetzt werden. Darüber
hinaus kann faserverstärkter, laminierter
Verbundwerkstoff, der aus unidirektionalem Prepreg oder
aus Prepreg-Gewebe besteht, als das Material des Kiels
101 verwendet werden. Da der Kiel 101 den planaren Teil
108 und die beiden gekrümmten Teile, das heißt den
gekrümmten Teil 106 und den Fersenteil 109, zur Bildung
einer Blattfederkonstruktion enthält, ist es von
Nutzen, daß der Kiel 101 aus faserverstärktem,
laminiertem Werkstoff besteht.
Obgleich der Kiel 101 aus faserverstärktem,
laminiertem Verbundwerkstoff besteht, läßt sich die
Gesamtdicke des Kiels 101 durch Regulieren der Anzahl
der laminierten Prepreg-Schichten variieren.
Obgleich der Kiel 101 aus unidirektionalem
Prepreg besteht ist es insbesondere von Nutzen, die
Laminierungswinkel von quasi-isotropem Verbundwerkstoff
zu benutzen. Beispielsweise können Laminierungsmuster
von 0°/60°/-60°/-60°/60°/0°/45°/-15°/
-75°/-15°/45° oder -30°/30°/90°/90°/30°/
-30°/ verwendet werden.
Zur Regulierung der Biegesteifigkeit des Kiels
101 mit einer Blattfederkonstruktion sollte die Dicke
des Kiels 101 variiert werde. Im allgemeinen erhöht
sich mit zunehmender Dicke des Kiels 101 auch seine
Steifigkeit, während seine Flexibilität vermindert
wird. Die optimale Dicke des Kiels 101 wird unter
Berücksichtigung des Gewichts des Benutzers, des
Aktivitätsbereichs des Benutzers, seiner Flexibilitäts
eigenschaften, seiner Energiespeicherungseigenschaften
und seiner Konstruktionsstabilität bestimmt.
Im folgenden wird die Energiespeicherung der
Fußprothese ausführlich beschrieben.
Der Knöchelteil 105 des Kiels 101 ist zur
Verbindung mit dem Zwischenstück 153 planar ausgeführt,
das Zwischenstück 153 ist mittels der in das
Durchgangsloch 140 eingeführten Schraube 151 an dem
Kiel 101 befestigt, und der pyramidenförmige Vorsprung
des Zwischenstücks 153 ist fest mit dem Stützelement
155 verbunden. Ein gekrümmter Teil 106 mit dem
Krümmungsradius R1, ein planarer Teil 108 mit einer
Länge L1 und ein Fersenteil 109 mit dem Krümmungsradius
R2 erstrecken sich so von einem Ende des gekrümmten
Teils 106, daß der gekrümmte Teil 106, der planare Teil
108 und der Fersenteil 109 ausreichend Energie
speichern können. Insbesondere wirkt sich die Länge L1
des planaren Teils 108 auf den Momentarm der durch auf
den Knöchelteil 105 des Kiels 101 über das Stützelement
155 wirkendes Gewicht erzeugten Last aus, so daß die
Länge L1 das Biegemoment des Kiels 101, das
Verformungsausmaß des Kiels 101 und den Grad der
Speicherung der elastischen Rückstellenergie des Kiels
101 beeinflußt. Die Größe des Krümmungsradius R1 des
gekrümmten Teils 106, der den Knöchelteil 105 mit dem
Fersenteil 109 verbindet, bestimmt die Länge des Kiels
101 und beeinflußt die Menge an gespeicherter Energie
und das Ausmaß der Stoßübertragung. Die Größe des
Krümmungsradius R2 des Fersenteils 109 bestimmt die
Länge des Kiels 101 und beeinflußt die Menge an
gespeicherter Energie. Der Krümmungsradius des
gekrümmten Teils 106 und des Fersenteils 109 beeinflußt
die Flexibilität des Kiels 101.
Ein typischer normaler Gangzyklus besteht aus
einer Standphase und einer Schwungphase. Die Standphase
umfaßt die Zeitdauer zwischen dem Auftritt des Fußes
und dem ipsilateralen Zehenabstoß und dauert vom
Bodenkontakt einer Ferse bis zum Entfernen der Zehen
vom Boden. Die Schwungphase folgt der Standphase. Die
Standphase wird gemeinhin in drei Phasen unterteilt:
initiale Zweibeinabstützung, Einbeinabstützung und
zweite Zweibeinabstützung. Die initiale Zweibein
abstützung ist die Zeitdauer zwischen dem Auftritt des
Fußes und gegenüberliegendem Zehenabstoß, Einbein
abstützung ist die Zeitdauer zwischen gegenüber
liegendem Zehenabstoß und gegenüberliegendem Auftritt
des Fußes und die zweite Zweibeinabstützung ist die
Zeitdauer zwischen gegenüberliegendem Auftritt des
Fußes und Zehenabstoß.
Der Sohlenteil 111 weist eine Neigung 8 und
eine Länge L2 auf. Die Neigung A ist ein Winkel des
Sohlenteils 111 zu einer horizontalen Ebene. Die Größe
der Neigung 6 und die Länge L2 beeinflussen eine
äquivalente Federkonstante auf der Sagittalebene des
Kiels 101 während der Standphase, wodurch die
Energiespeicherungsfähigkeit des Kiels 101 beeinflußt
wird. Der Zehenteil 113 weist einen Krümmungsradius R3
auf und dient als Drehmittelpunkt des Unterschenkel
teils des Beins. Der Zehenteil 113 weist eine
ausreichende Länge auf, um im Kiel 101 gespeicherte
elastische Energie durch Abstoßen vom Boden während der
zweiten Zweibeinabstützung wirksam abzugeben.
Ein erster Verbindungsteil 107 verbindet den
gekrümmten Teil 106 mit dem planaren Teil 108, ein
zweiter Verbindungsteil 110 verbindet den Fersenteil
109 mit dem Sohlenteil 111, und ein dritter
Verbindungsteil 112 verbindet den Sohlenteil 111 mit
dem Zehenteil 113. Der erste, der zweite und der dritte
Verbindungsteil 107, 110 und 112 sind jeweils gekrümmt
und weisen Rundungshalbmesser auf. Diese
Rundungshalbmesser sollen verhindern, daß aufgrund
plötzlicher Formänderungen Spannungen auf den Teilen
107, 110 und 112 konzentriert werden.
Die Breite des Kiels 101 kann variiert werden,
um dem Amputierten ein bequemeres Gehen zu ermöglichen.
Die Anzahl der im Kiel 101 ausgebildeten
Durchgangslöcher 140 kann ja nach Konstruktion des
Zwischenstücks 153, das am Stützelement 155 befestigt
ist, abgestimmt werden.
Wie oben beschrieben, sind die Krümmungsradien
R1, R2 und R3, die Längen L1 und L2 und die Neigung 6
wichtige Konstruktionsfaktoren. Die Faktoren haben
jeweils zulässige Bereiche, so daß sie je nach den
individuellen physischen Bedingungen, wie zum Beispiel
dem Gewicht und dem Aktivitätsbereich eines
Amputierten, eingestellt werden können. Die Form der
Fußprothese kann in einem gewissen Ausmaß variiert
werden, und die Leistung des Kiels 101 kann durch
Einstellen der Konstruktionsfaktoren innerhalb der
zulässigen Bereiche variiert werden.
Die Verbindung des Kiels mit dem Stützelement
wird ausführlich beschrieben.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wird das Zwischenstück
153 in das durch den Knöchelteil 105 des Kiels 101, die
Aluminiumunterlagen 120 und die elastischen
Polymerunterlagen 130 ausgebildete Loch 140 eingesetzt.
Das Zwischer stück 153 wird mittels der Schraube 151 am
Kiel 101 befestigt. Der pyramidenförmige Vorsprung, der
am oberen Teil des Zwischenstücks 153 ausgebildet ist,
wird am Stützelement 155 befestigt. Demgemäß wird das
Zwischenstück 153 zwischen der Aluminiumunterlage 120
und dem Stützelement 155 angeordnet. Unterdessen wird
eine Knieaufnahme 158 mit dem Stützelement 155
verbunden, wobei ein am unteren Teil der Aufnahme 158
ausgebildeter pyramidenförmiger Vorsprung auf die
gleiche Weise am Stützelement 155 befestigt wird wie
der am oberen Teil des Zwischenstücks 153 ausgebildete
pyramidenförmige Vorsprung am Stützelement 155. Bei dem
in der Aluminiumunterlage 120 ausgebildeten
Durchgangsloch 140 kann es sich, wie erforderlich, um
ein einfaches Loch, eine zylindrische Senkung, eine
kegelige Senkung oder um eine Gegenbohrung handeln.
Jede elastische Polymerunterlage 130 ist zwischen dem
Kiel 101 und der Aluminiumunterlage 120 angeordnet, um
die Nachgiebigkeit des Knöchelteils zu vergrößern.
Beim Gehen wird der beim Bodenkontakt der
Fußprothese erzeugte Aufschlag von der Blattfeder
konstruktion der Fußprothese aufgenommen, wodurch
verhindert wird, daß übermäßiger Aufschlag auf den
Körper eines Amputierten übertragen wird. Das im Kiel
101 durch das Gewicht eines Trägers und das Abstoßen
vom Boden erzeugte Biegemoment bewirkt die elastische
Verformung des Kiels 101 während der initialen
Zweibeinabstützung und des Einbeinstands. Zu diesem
Zeitpunkt wird elastische Rückstellverformungsenergie
in der Blattfederkonstruktion des Kiels 101
gespeichert. Die in der Blattfederkonstruktion des
Kiels 101 gespeicherte elastische Rückstellverformungs
energie wird während der Zehenabstoßphase wirksam
abgegeben, wodurch ein Schub für das Gehen erzeugt
wird.
Der Entwurfsprozeß der Fußprothese mit
Energiespeicherung wird ausführlich beschrieben.
Wie in Fig. 6 gezeigt, wird zunächst einmal
die Grundform des Kiels 101 entworfen. Danach werden in
Abhängigkeit von den physischen Bedingungen des
individuellen Amputierten Konstruktionsfaktoren
definiert. In diesem Fall sind die wichtigen
Konstruktionsfaktoren die Krümmungsradien R1, R2 und R3
des gekrümmten Teils 106, des Fersenteils 109 und des
Zehenteils 113, die Längen L1 und L2 des planaren Teils
108 und des Sohlenteils 111, und die Neigung θ des
Sohlenteils 111.
Nach der Definition der Konstruktionsfaktoren
erfolgt die dynamische Simulation des prothetischen
Gehens für die Fußprothese unter Verwendung einer
Orthogonalarray-Tabelle. Die Ergebnisse der Simulation
werden unter Verwendung einer Varianzanalyse
analysiert, und die Form der Fußprothese wird auf
Grundlage der Analyse entworfen. Dann folgt der Entwurf
der Fußprothesenform durch Minimieren der von dem Knie
ausgeführten äußeren Arbeit, wenn ein Amputierter auf
die gleiche Weise geht wie eine gesunde Person.
Zum Erhalt der Formfestigkeit der Fußprothese
wird die Endform der Fußprothese unter Berücksichtigung
der Ergebnisse einer dreidimensionalen Finite-Elemente-
Analyse und Ausfallbewertung konstruiert.
Durch dieses Verfahren wird eine den physischen
Bedingungen des individuellen Amputierten angepaßte
Fußprothese hergestellt.
Wie oben beschrieben, besteht der Kiel der
Fußprothese mit Energiespeicherung aus mit
zerkleinerten oder durchgehenden Fasern verstärktem
Verbundwerkstoff oder faserverstärktem, laminiertem
Verbundwerkstoff, so daß der Kiel eine hohe spezifische
Steifigkeit, eine hohe spezifische Festigkeit und ein
geringes Gewicht aufweist.
Der Kiel der Fußprothese mit Energiespeicherung
bildet eine einzelne Blattfederkonstruktion. Demgemäß
nimmt die Fußprothese bei Bodenkontakt den Aufschlag
auf, wodurch verhindert wird, daß ein übermäßiger
Aufschlag auf den Körper des Amputierten übertragen
wird. Darüber hinaus kann durch im Kiel durch das
Gewicht des Trägers und das Abstoßen vom Boden während
initialer Zweibeinabstützung und Einbeinabstützung
erzeugte Biegeverformung die Formänderungsrück
federungsenergie in der Blattfederkonstruktion des
Kiels gespeichert werden, und die Formänderungs
rückfederungsenergie wird während der Zehenabstoßphase
wirksam abgegeben, wodurch ein Schub für das Gehen
erzeugt wird.
Weiterhin bietet die Fußprothese mit
Energiespeicherung die biomechanischen Funktionen von
Füßen, um die beim Gehen mit der Prothese verbrauchte
Energie zu verringern und es einem Amputierten zu
gestatten, verschiedene Aktivitäten, wie zum Beispiel
Sport, auszuüben, wodurch die Rehabilitation und das
Wohlbefinden des Amputierten verbessert werden.
Obgleich die verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung
offenbart wurden, ist für Fachleute offensichtlich, daß
verschiedene Modifikationen, Zusätze und Äquivalente
möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und dem
Gedanken der Erfindung, wie in den beigefügten
Ansprüchen offenbart, abzuweichen.
Claims (12)
1. Fußprothese zur Verbindung mit einem
Stützelement, das das Schienbein eines Amputierten
ersetzt, mit folgendem:
einem an dem Stützelement zu befestigenden Knöchelteil;
mehreren sich von einem Ende des Knöchelteils erstreckenden, gekrümmten Teilen; und
einem sich von einem Ende der gekrümmten Teile erstreckenden Sohlenteil;
wobei der Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der Sohlenteil eine einzelne integrierte Blattfederkonstruktion bilden.
einem an dem Stützelement zu befestigenden Knöchelteil;
mehreren sich von einem Ende des Knöchelteils erstreckenden, gekrümmten Teilen; und
einem sich von einem Ende der gekrümmten Teile erstreckenden Sohlenteil;
wobei der Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der Sohlenteil eine einzelne integrierte Blattfederkonstruktion bilden.
2. Prothese nach Anspruch 1, bei der es sich bei
den gekrümmten Teilen um einen ersten gekrümmten Teil
und einen zweiten gekrümmten Teil handelt, wobei der
erste gekrümmte Teil einen ersten vorbestimmten
Krümmungsradius aufweist und sich von dem inneren Ende
des Knöchelteils erstreckt, und wobei der zweite
gekrümmte Teil einen zweiten vorbestimmten
Krümmungsradius aufweist und den ersten gekrümmten Teil
mit dem Sohlenteil verbindet.
3. Prothese nach Anspruch 2, weiterhin mit einem
planaren Teil, der eine erste vorbestimmte Länge
aufweist und zwischen dem ersten und dem zweiten
gekrümmten Teil angeordnet ist.
4. Prothese nach Anspruch 1 oder 2, bei der der
Sohlenteil eine zweite vorbestimmte Länge aufweist und
mit einer bestimmten Neigung angeordnet ist.
5. Prothese nach Anspruch 4, weiterhin mit einem
Zehenteil, der einen dritten vorbestimmten
Krümmungsradius aufweist und sich von dem äußeren Ende
des Sohlenteils erstreckt.
6. Prothese nach Anspruch 2, weiterhin mit einem
ersten, zweiten und dritten Verbindungsteil, wobei der
erste Verbindungsteil den ersten gekrümmten Teil mit
dem planaren Teil verbindet, der zweite Verbindungsteil
einen Fersenteil mit dem Sohlenteil verbindet und der
dritte Verbindungsteil den Sohlenteil mit dem Zehenteil
verbindet, wobei der erste, der zweite bzw. der dritte
Verbindungsteil vorbestimmte Rundungshalbmesser
aufweisen, um die Spannungskonzentration zu verringern.
7. Prothese nach Anspruch 1, weiterhin mit einer
Aluminiumunterlage, die an einem Teil des Knöchelteils
befestigt ist, der mit dem Stützelement in Berührung
gebracht wird.
8. Prothese nach Anspruch 7, weiterhin mit einer
elastischen Polymerunterlage, die zwischen dem
Knöchelteil und der Aluminiumunterlage angeordnet ist,
um die Nachgiebigkeit des Knöchelteils zu erhöhen.
9. Prothese nach Anspruch 8, bei der der
Knöchelteil, die Aluminiumunterlage und die elastische
Polymerunterlage mit einem Durchgangsloch zur Aufnahme
einer Schraube versehen sind.
10. Prothese nach Anspruch 1, bei der der
Knöchelteil, die gekrümmten Teile und der Sohlenteil
aus faserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt sind.
11. Prothese nach Anspruch 10, bei der der
faserverstärkte Verbundwerkstoff durch Verbindung von
epoxidartigem Polymer mit einer von verschiedenen
zerkleinerten oder durchgehenden Fasern, wie zum
Beispiel Kohlefaser, Kevlar, Graphitfaser und
Glasfaser, hergestellt wird.
12. Prothese nach Anspruch 10 oder 11, bei der der
faserverstärkte Verbundwerkstoff aus unidirektionalem
Prepreg oder Prepreg-Gewebe hergestellt ist.
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