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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fußprothese zur Versorgung von
Beinamputierten nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
biomechanischen Abläufe
des menschlichen Gangs setzen sich aus einer Vielzahl von Bewegungen
der einzelnen Körperteile
zusammen. Äußerst komplexe
Abläufe
spielen sich dabei im Bereich der unteren Extremitäten ab.
Hier wirken verschiedene Gelenke synchron und synergetisch zusammen, um
die auftretenden Reaktionskräfte
nahe dem Entstehungsort, das heißt der Auftrittsfläche des
Fußes, abzufedern,
um ferner in den Untergrund effizient Vortriebskräfte einzuleiten
und um eventuelle Unebenheiten im Untergrund derart auszugleichen,
dass der übrige
Körper
keine energieaufwendigen Ausgleichsbewegungen vollziehen muss. Eine
tragende Rolle nehmen dabei die Gelenke innerhalb des Fußes ein,
insbesondere das obere Sprunggelenk (OSG) und das untere Sprunggelenk
(USG). Diese beiden im knöchelnahen
Bereich eines menschlichen Fußes
liegenden Sprunggelenke weisen jeweils eine Drehachse auf, die eine
bestimmte Ausrichtung zueinander haben. 12a bis 12h zeigen, wie die Drehachse A des oberen Sprunggelenks
und die Drehachse B des unteren Sprunggelenks relativ zu dem menschlichen
Fuß verlaufen.
Zur Vereinfachung der Erläuterung
wird hier ein räumliches
Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z eingeführt, wobei
die x-y-Ebene durch die Fixpunkte 10, 12 und 14 des
menschlichen Fußes
und die Richtung der x-Achse durch dessen Längserstreckung definiert werden,
wobei weiter die y-Achse immer zur Fußaußenseite hin gerichtet ist
und wobei die zu den Achsen x und y orthogonale z-Achse im Wesentlichen
in Längsrichtung
des Unterschenkels bei einer entspannten Ruhestellung des Fußes 16 verläuft.
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Setzt
man ein derartiges Koordinatensystem voraus, so erkennt man, dass
die Drehachse A des oberen Sprunggelenks in der x-z-Ebene gemäß 12c im Wesentlichen um 10° relativ zu der x-Achse geneigt
ist, in der y-z-Ebene entsprechend 12d im
Wesentlichen um 82° relativ
zu der z-Achse geneigt ist und in der x-y-Ebene entsprechend 12e im Wesentlichen um 6° bezüglich der y-Achse geneigt ist.
Ferner erkennt man, dass die Drehachse B des unteren Sprunggelenks
in der x-z-Ebene gemäß 12f um im Wesentlichen 41° bezüglich einer Parallelen zur
x-Achse geneigt ist, in der y-z-Ebene entsprechend 12g im Wesentlichen um 45° bezüglich der y-Achse geneigt ist
und in der x-y-Ebene entsprechend 12h im
Wesentlichen um 23° bezüglich der
x-Achse geneigt ist.
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Diese
Verläufe
der Drehachsen A, B des oberen Sprunggelenks OSG und des unteren Sprunggelenks
USG führen
bei einem normalen Gangbild eines gesunden menschlichen Fußes zu bestimmten
Bewegungsabläufen,
insbesondere zu Relativbewegungen zwischen dem Unterschenkel und
dem Fuß.
Zur Erläuterung
dieser Bewegungsabläufe
sei auf 13a und 13b verwiesen. 13a zeigt die Bewegungen beim Aufsetzen des Fußes 16 auf
einem Untergrund U bis hin zur mittleren Standphase. 13b zeigt den weiteren Bewegungsablauf beim Abrollen über den
Fußballen
des Fußes 16.
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Beim
Aufsetzen des Fußes 16 gemäß 13a kommt es bedingt durch eine Drehung der Hüfte zu einer
Innenrotation des Unterschenkels entsprechend Pfeil 18 und
einer gleichzeitigen Eversion (Auswärtsdrehung) des Fußes 16 entsprechend
Pfeil 20, bis die mittlere Standphase gemäß 13a erreicht ist. Bei dem darauffolgenden Abrollen
und Abstoßen
entsprechend 13b kommt es hingegen zu einer
Außenrotation
des Unterschenkels entsprechend Pfeil 22 und einer synchron
hierzu ablaufenden Inversion des Fußes 16 entsprechend
Pfeil 24. Diese zusammenwirkenden Bewegungen entsprechend 13a und 13b im
Bereich des oberen und unteren Sprunggelenks des menschlichen Fußes 16 sind
maßgeblich
für ein
effizientes Abfedern von Bodenreaktionskräften und eine schonende Übertragung
der Rotation der menschlichen Hüfte auf
den Boden und umgekehrt während
des menschlichen Ganges, so dass der Bewegungsapparat effizient
und schonend genutzt werden kann.
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Es
stellt sich im Bereich der Prothetik seit langem die Aufgabe, die
komplizierten biomechanischen Vorgänge innerhalb der unteren Extremitäten möglichst
exakt in einer Prothesenvorrichtung nachzuvollziehen, um beinamputierten
Patienten Prothesenvorrichtungen bereitstellen zu können, die
eine möglichst
authentische Nachbildung des komplexen menschlichen Gangbildes ermöglichen.
Hierzu ist es erforderlich, die einzelnen Prothesenvorrichtungen mit
Gelenken zu versehen, die einerseits eine hinreichende Stabilisierung
für die
beinamputierte Person gewährleisten,
andererseits jedoch derart flexibel sind, dass sie eine möglichst
unbeschwerte Fortbewegung der Person ermöglichen. Ein wesentlicher Aspekt
hierbei ist, dass ein möglichst ökonomischer Gang
erreicht wird, um die Anstrengungen bei der Fortbewegung der beinamputierten
Person gering zu halten. Es ist dabei zu berücksichtigen, dass es sich bei
beinamputierten Personen oftmals um Patienten mit zumindest eingeschränktem Mobilitätsgrad handelt,
deren Trainingszustand entsprechend schwach ausgebildet ist, so
dass durch das dynamische Verhalten der Prothesenvorrichtung hervorgerufene
zusätzliche
Anstrengungen den Mobilitätsgrad
weiter einschränken
können.
Darüber
hinaus ist zu berücksichtigen,
dass bei einem durch das dynamische Verhalten der Prothesenvorrichtung
bedingten unsymmetrischen Gangbild Schäden an der Wirbelsäule, insbesondere
der Lendenwirbelsäule,
auftreten können.
Darüber
hinaus kann ein prothesenbedingt unsymmetrisches Gangbild zu einer
ungewohnt starken Beanspruchung oder gar zu Verschleißerscheinungen
am gesunden Bein sowie an dem noch vorhandenen Kniebandapparat des
amputierten Beins führen.
Als Folge derartiger unnatürlicher
Beanspruchungen können
sich zusätzlich
zu der durch die Amputation vorhandenen Behinderung noch Hüftschäden, Bandscheibenschäden, Gelenkinstabilitäten oder
gar Arthrose ergeben.
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Daher
wurde im Stand der Technik bereits versucht, durch verschiedene
Maßnahmen
Prothesenvorrichtungen bereitzustellen, die zumindest annähernd ähnliches
dynamisches Verhalten wie ein natürlicher menschlicher Fuß während eines
normalen menschlichen Ganges zeigen.
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Aus
US 5,425,780 A ist
eine Unterschenkelprothese der eingangs bezeichneten Art bekannt,
bei der über
ein kardanisches Gelenk ein Fußabschnitt mit
einem Unterschenkelschaft verbunden ist. Die dort gezeigte Vorrichtung
ist verhältnismäßig kompliziert
und raumfordernd aufgebaut, was insbesondere im Hinblick auf deren
Gewicht und Tragekomfort nachteilig ist. Darüber hinaus zeigt diese Prothese gemäß dem Stand
der Technik ein von dem natürlichen
dynamischen Verhalten eines menschlichen Fußes stark abweichendes dynamisches
Verhalten, da die Orientierung der kardanischen Achsen signifikant
von der Orientierung der biomechanischen Achsen des oberen und des
unteren Sprunggelenks abweichet.
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Aus
WO 94/22399 A1 ist
ein Fußprothese bekannt,
die ebenfalls mit einem Kreuzgelenk versehen ist. Bei dieser Fußprothese
ist das Kreuzgelenk durch einen Lagerbolzen sowie ein den Lagerbolzen orthogonal
zu seiner Längserstreckung
drehbar aufnehmendes Schwenklager gebildet. Dadurch lässt sich
zwar eine Bewegung der Fußprothese
relativ zu dem Schaft um zwei Achsen realisieren, allerdings sind
die Achsen wiederum signifikant abweichend von den biomechanischen
Achsen des oberen und des unteren Sprunggelenks ausgerichtet. Darüber hinaus
weicht die Achslage auch deutlich von der Achslage des oberen und
unteren Sprunggelenks ab. Die beiden Drehachsen sind nicht etwa
in einem der Auftritteinrichtung nahen Bereich, sondern deutlich oberhalb
der Auftritteinrichtung angeordnet, das heißt an einer Stelle, an der
bei einem natürlichen menschlichen
Fuß keine
Drehbewegungen stattfinden. Auch diese Fußprothese führt zu einem unnatürlichen
Gangbild und zu den vorstehend geschilderten Nachteilen hinsichtlich übermäßiger Belastungen
für den
Patienten.
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Als
weiterer Stand der Technik ist auf
US 5,314,499 A zu verweisen. Dieser Stand
der Technik sieht eine Fußprothese
mit einem einzigen Schwenkgelenk zur Verbindung des Schaftes mit
der Auftritteinrichtung vor. Die vorstehend geschilderten korrespondierenden
Relativdrehbewegungen während
des Ablaufs des natürlichen
Gangs sind mit einem derartigen Einachsgelenk nicht nachbildbar.
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Ferner
ist aus
DE 42 08 941
C2 eine Fußprothese
bekannt, die zu Gunsten eines mechanisch einfachen Aufbaus ganz
ohne Gelenkelement auszukommen versucht.
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Aus
dem gattungsbildenden Stand der Technik gemäß
DE 818 677 B ist eine Fußprothese bekannt, bei der
eine Kreuzgelenkeinrichtung einen Auftrittkörper mit einem Schaft koppelt.
Auch bei dieser Anordnung ist die Kreuzgelenkeinrichtung signifikant
abweichend von den biomechanischen Achsen des oberen und des unteren
Sprunggelenks angeordnet und ausgerichtet, so dass die Fußprothese
zu einem unnatürlichen
Gangbild und zu den vorstehend bereits mehrfach angesprochenen unnatürlichen
Belastungen für
den Patienten führt.
Darüber
hinaus ist ein Dämpferelement
vorgesehen, das um die Kreuzgelenkeinrichtung herum angeordnet ist
und mit dem Schaft zusammenwirkt, um eine Relativbewegung des Schafts
relativ zu dem Auftrittkörper
zu dämpfen.
Diese Anordnung des Dämpferelements sorgt
zum einen für
ein biomechanisch unnatürliches Dämpfungsverhalten
der Fußprothese
und führt
darüber
hinaus zu einer verhältnismäßig raumfordernden
Bauform.
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Es
ist demgegenüber
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prothese der eingangs
bezeichneten Art bereitzustellen, die bei kompaktem Aufbau dazu
in der Lage ist, die biomechanischen Abläufe des natürlichen Gangbildes des Menschen im
Bereich eines oberen und unteren Sprunggelenks möglichst authentisch nachzubilden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Prothese – im
Folgenden auch ”Prothesenvorrichtung” bezeichnet – mit den
Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Prothese,
insbesondere die erfindungsgemäße Ausbildung
der Kreuzgelenkeinrichtung, lässt
sich eine äußerst kompakte
Nachbildung des menschlichen Fußes
erzielen, die derart ausrichtbar ist, dass die beiden Drehachsen
in entsprechend dem menschlichen Fußgelenk zueinander ausgerichteter
Lage angeordnet werden können.
Somit kann mit der erfindungsgemäßen Fußprothese
eine den biomechanischen Vorgängen
während
des natürlichen
Ganges nachgebildete Dynamik erreicht werden. Die Integration des wenigstens
einen Dämpferelements
in einen achsnahen Bereich zwischen dem Gelenkelement und einer der
Gelenkgabeln ermöglicht
darüber
hinaus einen äußerst kompakten
und stabilen Aufbau der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung, wobei
die Dämpfungswirkung – ähnlich wie
beim menschlichen Fußgelenk – auch tatsächlich nahe
der Drehachsen auftritt.
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Insgesamt
lässt sich
erfindungsgemäß eine gegenüber dem
vorstehend beschriebenen Stand der Technik deutlich vereinfachte
und kompaktere Prothesenvorrichtung erreichen, die sich, wie nachfolgend
noch im Detail erläutert
wird, entsprechend der Orientierung der Drehachsen des oberen und
des unteren Sprunggelenks des natürlichen Fußes anordnen lässt und
sich während
des Gangablaufs weitestgehend wie ein natürlicher menschlicher Fuß verhält. Dadurch
kann die vorstehend genannte Zielsetzung einer naturgemäßen Abfederung
von Bodenreaktionskräften
und Übertragung
der Hüftrotation
auf den Fuß unter ökonomischer
Nutzung des noch vorhandenen natürlichen
Bewegungsapparats des Patienten sowie unter Vermeidung von unnatürlichen
Beanspruchungen an der Wirbelsäule,
an der Hüfte,
an dem noch gesunden Bein oder an den noch vorhandenen Resten des
verkürzten
Beines erreicht werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gelenkelement scheibenförmig ausgebildet ist
und an seiner Stirnfläche
von den Drehachsen durchsetzt wird. Dadurch wird der Aufbau der
Kreuzgelenkeinrichtung vereinfacht und auch die Anfälligkeit
hinsichtlich Defekten reduziert.
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Ferner
kann hinsichtlich des mechanischen Aufbaus der Kreuzgelenkeinrichtung
vorgesehen sein, dass jede Gelenkgabel jeweils zwei Gabelbacken
aufweist, die das Gelenkelement an jeweils entgegengesetzten Seiten
seiner Stirnfläche
umgreifen. Die beiden Gelenkgabeln greifen im Stil eines Kardangelenks
ineinander ein und sind über
das Gelenkelement um die beiden Drehachsen zueinander drehbar gelagert.
Zur Verschleißreduzierung
und zur Minimierung unerwünschter
Reibungseffekte sieht eine Weiterbildung der Erfindung Drehlager
vor, die das Gelenkelement drehbar relativ zu den Gelenkgabeln lagern.
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Die
Drehlager können
in an sich bekannter Weise mit Wälzkörpern ausgebildet
sein. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass wenigstens eines der Drehlager
als Gleitlager ausgebildet ist. Die Lagereigenschaften von Gleitlagern
hinsichtlich Reibungsarmut sind für den vorliegenden Fall einer
Fußprothe ausreichend.
Durch die Verwendung von Gleitlagern lässt sich der Wartungsaufwand
der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
in erheblichem Maße reduzieren
und gleichzeitig deren Stabilität
und Lebensdauer erhöhen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass jeder Drehachse ein axial fluchtendes
Drehlagerpaar zugeordnet ist, wobei in jeder der Gabelbacken jeweils
ein Drehlager angebracht ist. Dabei können die Drehlager in den jeweiligen
Gabelbacken in Aufnahmeöffnungen
aufgenommen und in diesen eingepresst oder anderweitig festgelegt
sein, beispielsweise durch Verspannen, Verkleben oder Einschrauben.
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Hinsichtlich
der Drehbeweglichkeit von Gelenkelement und Gelenkgabeln zueinander
sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zum schwenkbaren
Lagern des Gelenkelements relativ zu wenigstens einer der Gelenkgabeln
Lagerbolzen vorgesehen sind, wobei insbesondere sich jeder Lagerbolzen an
einer Gabelbacke axial abstützt,
drehbar in dem Drehlager der jeweiligen Gabelbacke aufgenommen ist
und drehfest mit dem Gelenkelement verbunden ist. Ein derartiger
Aufbau ermöglicht
eine einfache Herstellung und Montage, sowie eine leichte Wartbarkeit
der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung.
Selbstverständlich
sind aber auch andere Konstruktionsvarianten denkbar, beispielsweise
derart, dass die Gelenkgabeln geteilt ausgeführt sind und das Gelenkelement
an seinen Stirnflächen
vorspringende Lagerzapfen aufweist, die in entsprechenden Bohrungen
innerhalb der Gelenkgabeln gelagert sind. Bei der erfindungsgemäß bevorzugten
Ausführungsform
mit Lagerbolzen sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
vor, dass der Lagerbolzen einen Lagerkopf aufweist, der sich vermittels
einer Stützscheibe
reibungsarm an der diesem zugeordneten Gabelbacke abstützt. Ferner
kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Lagerkopf
und die Stützscheibe
wenigstens eines der Lagerbolzen in einer Senkvertiefung in der
jeweiligen Lagergabel zumindest teilweise aufgenommen ist. Dadurch
kann die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung
noch kompakter gestaltet werden.
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Das
vorstehend bereits mehrfach angesprochene wenigstens eine Dämpferelement
stellt eine wesentliche Komponente für die Erfindung dar. Grundsätzlich ist
es möglich,
die Relativbewegung der Achsen beispielsweise durch Torsionsfedern oder
dergleichen zu federn bzw. zu dämpfen.
Dies führt
jedoch zu einem verhältnismäßig hohen
technischen Aufwand und ist in der Regel wartungsunfreundlich. Gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass das Dämpferelement
unmittelbar an den zueinander beweglichen Teilen, nämlich der
Gelenkgabel und dem Gelenkelement angreift. Auch im natürlichen
menschlichen Fuß greifen
die jeweiligen Bänder
und Muskeln in entsprechender Weise an den relativ zueinander beweglichen
Teilen an, so dass die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung den
biomechanischen Aufbau des natürlichen
menschlichen Fußes
auch in dieser Hinsicht nachbildet.
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Hinsichtlich
der Kompaktheit der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung in
Bezug auf die Anordnung des Dämpferelements
sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das wenigstens
eine Dämpferelement
in einer Aufnahmeöffnung
in einer der Gelenkgabeln aufgenommen ist. Dadurch kann zusätzlich eine
räumliche
Fixierung des Dämpferelements
erreicht und verhindert werden, dass dieses beispielsweise nach
langen Betriebszeiten in eine die Funktion der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
beeinträchtigende
Lage verrutscht.
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Eingangs
wurde mit Bezug auf 12a bis 12h und 13a sowie 13b die
Lage der Drehachsen von oberem und unterem Sprunggelenk und der
Ablauf von Relativbewegungen während
des natürlichen
Gangs des Menschen an einem ”Normfuß” diskutiert.
Es ist für
den Fachmann jedoch klar, dass kein menschliches Fußpaar einem
anderen gleicht und dass es in der Praxis durchaus von den geschilderten
Ausrichtungen eine Vielzahl möglicher abweichender
Ausrichtungen und biomechanischer Charakteristiken gibt. Demzufolge
ist es vorteilhaft, dass die Prothesenvorrichtung der erfindungsgemäßen Art
gemäß einer
Weiterbildung an die jeweils individuellen Bedürfnisse des mit der Prothesenvorrichtung
zu versorgenden Patienten angepasst werden kann. Eine Feinabstimmung
der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
ist beispielsweise dadurch möglich,
dass das wenigstens eine Dämpferelement über eine
Zustellvorrichtung, vorzugsweise über eine gewindemäßig verstellbare
Druckscheibe, relativ zu der Gelenkgabel und dem Gelenkelement verlagerbar
und/oder auf das Gelenkelement zustellbar ist. Dadurch kann die
Vorspannung des Dämpferelements
eingestellt werden und so die Prothesenvorrichtung an den noch gesunden
anderen Fuß adaptiert
werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine
Dämpferelement
von einem elastisch deformierbaren Dämpferkörper, vorzugsweise einem hohlzylindrischen
Dämpferkörper, gebildet
ist. Selbstverständlich
können
auch andersartige Dämpferelemente
verwendet werden, beispielsweise kombinierte Feder-Dämpfer-Elemente, die eine Druckfeder,
Torsionsfeder, Zugfeder oder dergleichen aufweisen. Je nach Bedarf
zur Anpassung der Prothesenvorrichtung an den Patien ten können die
Feder- und Dämpferelemente
lineare, progressive oder degressive Feder- und Dämpfercharakteristiken
aufweisen oder ein Hystereseverhalten zeigen.
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Für den Fall,
dass die vorstehend geschilderte Anpassung durch Veränderung
der Vorspannung des Dämpferelements über die
Zustellvorrichtung nicht zu einem optimalen Adaptierungsergebnis
der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
an den zu versorgenden Patienten führt, kann erfindungsgemäß weiter
vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Dämpferkörpern mit jeweils unterschiedlicher
Härte oder/und
unterschiedlichem Dämpfungsverhalten
als Dämpferelement
wahlweise in die Prothesenvorrichtung einsetzbar ist. Die vorstehend
angesprochenen Dämpferkörper mit
unterschiedlichster Charakteristik können demnach untereinander
ausgetauscht und in die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung eingesetzt
werden, um somit eine Vielzahl von Adaptierungsmöglichkeiten bereitzustellen.
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Eine
hinsichtlich der Herstellungskosten, der Verschleißunempfindlichkeit
und damit der Lebensdauer, vorteilhafte Gestaltung der Dämpferelemente ergibt
sich beispielsweise dann, wenn das wenigstens eine Dämpferelement
aus einem gummielastischen Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus
Polyurethan hergestellt ist.
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Hinsichtlich
des Achsverlaufs ergeben sich ebenfalls unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten.
So ist es gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung möglich,
dass sich die beiden Drehachsen im Gelenkelement schneiden. Alternativ
hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Drehachsen windschief
zueinander verlaufen. Letztere Variante entspricht insbesondere
dem Verlauf der Drehachsen des oberen und des unteren Sprunggelenks
des natürlichen
menschlichen Fußes.
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Bezüglich des
Zusammenwirkens des wenigstens einen Dämpferelements mit dem Gelenkelement
sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass das wenigstens
eine Dämpferelement
zumindest bei Auslenkung des Gelenkelements aus einer Ruhestellung
in seitlichem Abstand von dem Schnittpunkt oder dem Punkt des geringsten
Abstandes der Drehachsen mit einer Kraftkomponente gegen das Gelenkelement
drückt,
die orthogonal zu beiden Drehachsen verläuft. Dadurch kann erreicht
werden, dass die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung,
insbesondere die darin vorgesehene Kreuzgelenkeinrichtung, in einer
Ruhestellung verharrt und in dieser Ruhestellung, beispielsweise
während
einer Standphase oder während
der mittleren Standphase des Gangablaufs, dem Patienten hinreichende
Stabilität bereitstellt
und diesen stützt.
Sobald jedoch der Fuß eine
Stellung einnimmt, die von der zu der Standphase korrespondierenden
Stellung abweicht, beispielsweise beim Auftreten mit dem zur Ferse
korrespondierenden Bereich der Fußprothese oder beim Abstoßen über den
zum Ballen bzw. zu den Zehen korrespondierenden Bereich der Fußprothese,
wird die Prothesenvorrichtung aus ihrer Ruhestellung ausgelenkt,
so dass das Dämpferelement
unabhängig
von der Art der Auslenkung dämpfend
an dem Gelenkelement angreift. In diesem Zusammenhang sei nochmals
auf die Form des Dämpferelements
zurückgekommen,
das bei zylindrischer oder insbesondere hohlzylindrischer Ausbildung
derart angeordnet ist, dass es den vorstehend genannten Schnittpunkt oder
den Punkt des geringsten Abstands der Drehachsen in Projektion umgibt
und somit bei jeder beliebigen Drehbewegung des Gelenkelements relativ
zu den Gelenkgabeln dämpfend
an dem Gelenkelement angreift.
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Grundsätzlich reicht
ein Dämpferelement aus,
um die Bewegungen des Gelenkelements zu dämpfen. Um die mechanischen
Belastungen und damit mögliche
Verschleißerscheinungen
zu reduzieren, so dass insgesamt die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
verlängert werden
kann, sieht eine Weiterbildung der Erfindung zwei Dämpferelemente
vor, die von entgegengesetzten Seiten auf das Gelenkelement einwirken.
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Eingangs
wurde dargelegt, dass durch erfindungsgemäße Lösung eine entsprechend den
natürlichen
Verläufen
der Drehachsen des oberen Sprunggelenks und des unteren Sprunggelenks
gewählte Ausrichtung
der Drehachsen in der Kreuzgelenkeinrichtung möglich ist. In diesem Zusammenhang
sieht eine Weiterbildung vor, dass in einer Ruhestellung der Prothesenvorrichtung
die erste Drehachse in einem durch die Fixpunkte des menschlichen
Fußes vorgegebenen
räumlichen
Koordinatensystem, nach dem sich die Ausrichtung des im Folgenden
auch allgemein mit ”Auftritteinrichtung” bezeichneten
Auftrittkörpers
bei Anbringung an der auftrittkörperseitigen Gelenkgabel
bestimmt, in der von der x- und z-Achse aufgespannten Ebene um einen
Winkel von –10° bis 30°, vorzugsweise
von etwa 10°,
relativ zur x-Achse geneigt ist, in der von der y- und z-Achse aufgespannten
Ebene um einen Winkel von 60° bis
100°, vorzugsweise
von etwa 82°,
relativ zur z-Achse geneigt ist und in der von der x- und y-Achse
aufgespannten Ebene um einen Winkel von –10° bis 20°, vorzugsweise von etwa 6°, relativ
zur y-Achse geneigt ist. Das Koordinatensystem ist dabei derart
gewählt,
wie eingangs mit Bezug auf die 12a bis 12h erläutert,
nämlich
die x- und die y-Achse sind durch die Fixpunkte des Fußes vorgegeben,
auf denen sich der Fuß in
einer Standphase auf einem Untergrund abstützt, wobei die x-Achse die
Längsrichtung
des Fußes
wiedergibt und die y-Achse in der durch die Fixpunkte vorgegebenen
Ebene verläuft, zur
x-Achse orthogonal ist und jeweils zur Fußaußenseite hin weist. Die z-Achse
ist dann zur x- und zur y-Achse jeweils orthogonal. Der ge meinsame Schnittpunkt
der Achsen ist derart gewählt,
dass die z-Achse im Wesentlichen in Längsrichtung des Unterschenkels
oder – im
Falle der Prothese – in
Längsrichtung
eines Schaftelements verläuft.
Die beiden Koordinatensysteme von linkem und rechtem Fuß sind jeweils
spiegelsymmetrisch bezüglich
der Sagittal ebene des Körpers.
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Bei
einer derartigen Wahl des Koordinatensystems kann erfindungsgemäß ferner
vorgesehen sein, dass in einer Ruhestellung der Prothesenvorrichtung
die zweite Drehachse in einem durch die Fixpunkte des menschlichen
Fußes
vorgegebenen räumlichen
Koordinatensystem, nach dem sich die Ausrichtung des im Folgenden
auch allgemein mit ”Auftritteinrichtung” bezeichneten
Auftrittkörpers
bei Anbringung an der auftrittkörperseitigen
Gelenkgabel bestimmt, in der von der x- und z-Achse aufgespannten
Ebene um einen Winkel von –15° bis 60°, vorzugsweise
von etwa 41°,
relativ zur x-Achse geneigt ist, in der von der y- und z-Achse aufgespannten Ebene
um einen Winkel von 30° bis
60°, vorzugsweise
von etwa 45°,
relativ zur y-Achse
geneigt ist und in der von der x- und y-Achse aufgespannten Ebene
um einen Winkel von 0° bis
40°, vorzugsweise
von etwa 23°,
relativ zur x-Achse geneigt ist.
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Wie
vorstehend bereits im Hinblick auf die Adaptierbarkeit der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
an die natürlich
vorgegebenen Dämpfungseigenschaften
des zu versorgenden Patienten ausgeführt, kann auch der Achsverlauf
der Drehachsen des oberen und unteren Sprunggelenks des zu versorgenden
Patienten von dem geschilderten Normfuß abweichen. Daher sieht eine
Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Ausrichtung der ersten Drehachse
oder/und der zweiten Drehachse wahlweise einstellbar ist. Dies kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass unterschiedliche Gelenkgabeln
mit jeweils verschiedenen Verläufen
der zugeordneten Drehachsen im Stile eines Baukastensystems zur
Verfügung
gestellt werden, die dann je nach Bedarf miteinander kombinierbar
sind. Ferner können
verschiedene Gelenkelemente mit unterschiedlichen Achsausrichtungen
bereitgestellt werden, die je nach Bedarf mit passenden Gelenkgabeln kombiniert
werden können.
Dadurch ergeben sich vielfältige
Anpassungsmöglichkeiten
zur Adaptierung der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung an den
zu versorgenden Patienten.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Auftrittkörper mit
einer der menschlichen Fußwölbung nachempfundenen
Fußwölbung ausgebildet
ist. Hierzu sei verwiesen auf die europäische Patentschrift
EP 1 128 789 B1 ,
die diesen Gedanken im Detail weiter ausführt.
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Darüber hinaus
kann hinsichtlich des Auftrittkörpers
vorgesehen sein, dass dieser dämpfend oder/und
federnd ausgebildet ist. Dadurch können Bodenreaktionskräfte bereits
nahe ihres Entstehungsortes, nämlich
in dem Auftrittkörper,
abgefedert oder gedämpft
werden.
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Ferner
kann erfindungsgemäß vorgesehen sein,
dass der Auftrittkörper,
vorzugsweise über
Verbindungsschrauben, fest mit der auftrittseitigen Gelenkgabel
oder mit einem an dieser angebrachten Koppelelement koppelbar oder
gekoppelt ist. Darüber
hinaus kann in diesem Zusammenhang erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der
Auftrittkörper
mit einem Fersenelement und einer Trittfeder ausgebildet ist.
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Zur
Kopplung der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
an einen Schaft sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass
die schaftseitige Gelenkgabel mit einem Schaftadapter, vorzugsweise
mit einem Pyramidenadapter, ausgebildet ist. Eine hohe Verschleißbeständigkeit
bei gleichzeitig geringem Gewicht und geringem Wartungsaufwand ergibt
sich insbesondere dadurch, dass wenigstens eine der Gelenkgabeln
aus Metall oder Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus Edelstahl
oder sonstigen mechanisch stabilen Werkstoffen. Ferner kann in diesem
Zusammenhang vorgesehen sein, dass das Gelenkelement aus Metall
oder Kunststoff hergestellt ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Kreuzgelenkeinrichtung mit den kreuzgelenkspezifischen
Merkmalen der vorstehenden Beschreibung, insbesondere eine Kreuzgelenkeinrichtung
für eine
Prothesenvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, wobei die
Kreuzgelenkeinrichtung eine erste Gelenkgabel aufweist und eine über ein
Gelenkelement gelenkig mit der ersten Gelenkgabel gekoppelte zweite
Gelenkgabel aufweist, wobei die erste Gelenkgabel um eine erste
Drehachse C und die zweite Gelenkgabel um eine zweite Drehachse
D relativ zu dem Gelenkelement verschwenkbar sind und wobei die Schwenkbewegungen
von erster und zweiter Gelenkgabel relativ zu dem Gelenkelement
gegen den Widerstand von wenigstens einem gelenkelementnahen Dämpferelement
erfolgen. Derartige Kreuzgelenkeinrichtungen lassen sich für verschiedene
Prothesenvorrichtungen, insbesondere aber für eine Fußprothese einsetzen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft
erläutert.
Es stellen dar:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung mit
einem Schaft und einer Auftritteinrichtung;
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2 eine
Seitenansicht der Kreuzgelenkeinrichtung der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung
gemäß 1;
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3 eine
Ansicht in Blickrichtung III aus 2 (in leicht
verändertem
Maßstab);
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4 eine
Seitenansicht in Blickrichtung IV aus 2 (in leicht
verändertem
Maßstab);
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5 eine
perspektivische Darstellung der Kreuzgelenkeinrichtung;
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6 eine
Draufsicht der Kreuzgelenkeinrichtung entsprechend Blickrichtung
VI aus 2;
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7 eine
Unteransicht der erfindungsgemäßen Kreuzgelenkeinrichtung
gemäß Blickrichtung VII
aus 2;
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8 eine
Schnittansicht entsprechend Schnittlinie VIII-VIII aus 6;
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9 eine
Schnittansicht entsprechend Schnittlinie IX-IX aus 6;
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10 eine
weitere perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Kreuzgelenkeinrichtung;
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11 eine
semitransparente Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Kreuzgelenkeinrichtung
entsprechend 10;
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12a–12h Darstellungen eines Normfußes zur Erläuterung des Verlaufs der natürlichen
Drehachsen von oberem und unterem Sprunggelenk;
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13a–13b Darstellungen einer schematisiert gezeichneten
natürlichen
menschlichen unteren Extremität
zur Erläuterung
von Bewegungsabläufen.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung
allgemein mit 30 bezeichnet.
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Diese
umfasst eine Kreuzgelenkeinrichtung 32, die mit einem schematisch
gezeichneten Schaft 34 an einer schaftseitigen Gelenkgabel 36 gekoppelt ist.
Die Kreuzgelenk einrichtung 32 umfasst ferner eine auftrittseitige
Gelenkgabel 38, an der eine Auftritteinrichtung 40 mit
einem Fersenelement 42 befestigt ist. Die Auftritteinrichtung 40 und
das Fersenelement 42 sind federnd ausgebildet, beispielsweise in
Form von miteinander verbundenen Kohlestofffaserlagen.
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Die
beiden Gelenkgabeln 36 und 38 sind über ein
Gelenkelement 44 drehbar miteinander verbunden. Insbesondere
ist die schaftseitige Gelenkgabel 36 relativ zu dem Gelenkelement 44 um
eine erste Drehachse C drehbar. Die auftrittseitige Gelenkgabel 38 ist
relativ zu dem Gelenkelement 44 um eine zweite Drehachse
D drehbar. Die Drehachsen C und D aus 1 sind nur
schematisch eingezeichnet und geben nicht exakt den tatsächlichen
Verlauf dieser Drehachsen wieder. Dieser Verlauf ergibt sich aus der
nachfolgenden Beschreibung deutlicher.
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Der
Aufbau der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung,
insbesondere der in dieser vorgesehenen Kreuzgelenkeinrichtung wird
im Folgenden insbesondere mit Bezug auf 8 und 9 erläutert, wobei
die verschiedenen Ansichten entsprechend 2 bis 7 sowie 10 und 11 dem
Leser ein klares Bild über
die tatsächliche
Anordnung und räumliche
Lage der einzelnen Komponenten der Kreuzgelenkeinrichtung vermitteln.
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8 ist
entnehmbar, dass die schaftseitige Gelenkgabel 36 eine
Gabelbasis 46, sowie zwei von der Gabelbasis vorspringende
Gabelbacken 48 und 50 aufweist. Diese beiden Gabelbacken 48 und 50 umgreifen
eine Ausnehmung 52, die um einen Winkel α von etwa
8° zu der
in 8 gezeigten y-Achse geneigt ist.
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In
der Ausnehmung 52 ist das Gelenkelement 44 aufgenommen.
Das Gelenkelement 44 ist über zwei Lagerbolzen 54 und 56 drehbar
relativ zu der Gelenkgabel 36 gelagert. Die Lagerbolzen 54 und 56 weisen
jeweils einen Lagerkopf 58 auf, der sich drehbar an einer
Lagerscheibe 60 an einer die Gabelbacken 48 und 50 durchsetzenden
Stufenbohrung 62 abstützt.
In der Stufenbohrung 62 sind beidseits der Ausnehmung 52 Gleitlagerbuchsen 64 und 66 drehfest
eingepresst und stützen
sich über
Flansche ab. Die Lagerbolzen 54 und 56 weisen
an ihren in die Ausnehmung 52 hineinragenden Enden Außengewindeabschnitte 68, 70 auf.
Die Außengewindeabschnitte 68, 70 sind
in eine korrespondierende Gewindedurchgangsbohrung 72 in
dem Gelenkelement 44 fest eingeschraubt. Zwischen den beiden Außengewindeabschnitten 68, 70 ist
stirnseitig eine Pressscheibe 74 angeordnet.
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Durch
diese Anordnung ist das Gelenkelement 44 um die zur y-Achse
verschwenkte erste Drehachse C relativ zur ersten Gelenkgabel 36 verschwenkbar.
Auf gleiche Art und Weise ist, wie aus 2, 3 und 4 sowie 10 und 11 im Einzelnen
zu erkennen ist, das Gelenkelement 44 über Lagerbolzen 76, 78 relativ
zu der auftrittseitigen Gelenkgabel 38 gelagert.
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Es
ist noch darauf hinzuweisen, dass die einzelnen Lagerköpfe 58 der
Lagerbolzen 54, 56, 76, 78 in
entsprechend durchmessergroßen
Ausnehmungen in den Gelenkgabeln 36, 38 aufgenommen
sind und so zumindest teilweise in diesen versenkt sind, so dass
sie über
eine die jeweilige Gelenkgabel 36 bzw. 38 einhüllende Mantelfläche allenfalls
geringfügig
hinaus stehen.
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Ferner
ist darauf hinzuweisen, dass auch die auftrittseitige Gelenkgabel 38 eine
Gelenkbasis 80 sowie zwei Gabelbacken 82 und 84 aufweist,
die eine Ausnehmung 86 umgreifen. Die Ausnehmung 86 ist ebenfalls
relativ zu der y-Achse geneigt, nämlich um einen Winkel β von etwa
42°.
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Die
beiden Gelenkgabeln 36, 38 greifen im Stile eines
kardanischen Gelenks bzw. Kreuzgelenks mit ihren Gabelbacken 48, 50, 82, 84 in
die jeweilige Ausnehmung 52 bzw. 86 der jeweils
anderen Gelenkgabel 38 bzw. 36 ein, und umgreifen
somit an vier einander gegenüberliegenden
Seiten der Stirnfläche das
Gelenkelement 44.
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Aus
der gezeigten Anordnung ergibt sich ein Kreuzgelenk 32,
das bei einer Einbausituation entsprechend 1 in der
Ruhestellung derart ausgerichtet ist, dass die erste Drehachse C
in der von der x- und y-Achse aufgespannten Ebene um einen Winkel
von etwa 6° relativ
zur y-Achse geneigt ist, in der von der y- und z-Achse aufgespannten
Ebene um einen Winkel von etwa 82° relativ
zur z-Achse geneigt ist und in der von der x- und z-Achse aufgespannten Ebene
um einen Winkel von etwa 10° relativ
zur x-Achse geneigt ist, wenn sich die Prothesenvorrichtung in ihrer
entspannten Stellung befindet.
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Hinsichtlich
der zweiten Drehachse D ergibt sich bei einer derartigen Betrachtungsweise
des in der entspannten Stellung befindlichen Prothesenfußes 30 eine
Ausrichtung, bei der die zweite Drehachse D in der von der x- und
y-Achse aufgespannten Ebene um einen Winkel von etwa 23° relativ
zur x-Achse geneigt ist, in der von der y- und z-Achse aufgespannten
Ebene um einen Winkel von etwa 45° relativ
zur y-Achse geneigt
ist und in der von der x- und z-Achse aufgespannten Ebene um einen
Winkel von etwa 41° relativ
zur x-Achse geneigt ist.
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Die
beiden Drehachsen C und D liegen demnach bei der in 1 gezeigten
Einbausituation in der Ruhestellung in dem von der x-, y- und z-Achse aufgespannten
Koordinatensystem in im Wesentlichen gleicher Ausrichtung wie die
Drehachsen A und B des oberen Sprunggelenks OSG und des unteren Sprunggelenks
USG entsprechend der schematischen Darstellung des Normfußes gemäß 12a bis 12h.
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Darüber hinaus
sind die beiden Drehachsen C und D der Kreuzgelenkeinrichtung 32 auch
im Wesentlichen in der selben Höhe über dem
Untergrund angeordnet, wie dies bei dem in 12a bis 12h gezeigten Normfuß der Fall ist, das heißt in dessen Knöchelbereich.
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Mit
der erfindungsgemäßen Achsanordnung lassen
sich somit dieselben Drehbewegungen ausführen, wie dies mit dem oberen
und unteren Sprunggelenk eines natürlichen menschlichen Fußes 16 entsprechend
der 12a bis 12h gezeigt
und eingangs mit Bezug auf 13a und 13b erläutert
wurde.
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Vorstehend
wurden die Drehachsen C und D und die entsprechende Möglichkeit
zur Relativdrehbewegung von Gelenkgabeln 36 und 38 sowie
Gelenkelement 44 erläutert.
In der Folge wird dargestellt, wie derartige Bewegungen gedämpft bzw.
eingegrenzt werden.
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Hierzu
sind Dämpferelemente 90, 92 vorgesehen.
Die Dämpferelemente 90, 92 sind
von hohlzylindrischen Gummikörpern,
insbesondere Polyurethankörpern
gebildet, die auf die Seitenflächen 94, 96 des
Gelenkelements 44 drücken.
Die Dämpferelemente 90, 92 sind
in korrespondierenden Aufnahmeöffnungen 98, 100 aufgenommen.
An ihrer vom Gelenkelement 44 fernen Seite liegen die Dämpferelemente 90, 92 an
in den Aufnahmeöffnungen 98, 100 geführten Druckscheiben 102, 104 an.
Die Druckscheiben 102, 104 können über Gewindebolzen 106, 108 innerhalb
der Aufnahmeöffnungen 98 und 100 geführt verschoben
werden. Die Gewindebolzen 106 und 108 sind in
Verstellbohrungen 110 und 112 mit korrespondierenden
Innengewindeabschnitten eingeschraubt und in diesen von außen zugänglich verstellbar.
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Dadurch
ist es möglich,
die Dämpferelemente 90, 92 über die
Druckscheiben 102, 104 vermittels der Gewindebolzen 106 und 108 stärker oder
weniger stark auf die Seitenflächen 94, 96 des
Gelenkelements 44 zu pressen und damit dessen Beweglichkeit,
insbesondere Drehbarkeit um die Drehachsen C und D weniger stark
oder stärker
einzuschränken.
Mit anderen Worten wird durch Einschrauben der Gewindebolzen 106 und 108 die
jeweilige Druckscheibe 102 bzw. 104 stärker auf
das jeweili ge Dämpferelement 90, 92 gedrückt und
somit das jeweilige Dämpferelement 90, 92 stärker auf
die Stirnseite 94, 96 des Gelenkelements 44 gedrückt, das
heißt
zugestellt. Die Dämpferelemente 90, 92 greifen
dabei über
einen derart großen
Flächenbereich
an der Stirnfläche 94, 96 an,
dass der effektive Hebelarm der Angriffsstellen bezüglich der
jeweiligen Drehachse C bzw. D hinreichend lang ist, um einen von
der Anpresskraft des jeweiligen Dämpferelements 90, 92 abhängigen Widerstand
gegen jegliche Verlagerung des Gelenkelements 44 um die
jeweilige Drehachse C, D aus der Ruhestellung zu bewirken.
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Es
ist noch ergänzend
anzumerken, dass an der Oberseite 114 der schaftseitigen
Gelenkgabel ein Aufnahmering 116 sowie Befestigungsbohrungen 118 zur
Anbringung eines Schaftadapters, beispielsweise eines Pyramidenadapters,
vorgesehen sind, wie in 6 gezeigt. Darüber hinaus
sind an der Unterseite 120 der auftrittseitigen Gelenkgabel 38 vier Befestigungsöffnungen 122 zur
Anbringung der Auftritteinrichtung 40 angebracht.
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Ferner
ist noch anzumerken, dass die Gabelbasen 46 und 80 der
Gelenkgabeln 36 und 38 derart ausgebildet sind,
dass sie der jeweils anderen Gelenkgabel 38 bzw. 36 hinreichenden
Bewegungsspielraum entsprechend der Bewegungsmöglichkeiten einer Inversion,
Eversion, Plantarflexion, Dorsiflexion, Pronation und Supination
im Rahmen der natürlichen
Bewegung eines menschlichen Fußes
geben, ohne dass die beiden Gelenkgabeln 36, 38 direkt
aneinander anstoßen.
Ein derartiges gegenseitiges unmittelbares Berühren der beiden Gelenkgabeln 36 und 38 soll
erfindungsgemäß weitestmöglich verhindert
werden. Vielmehr soll – wie
vorstehend bereits erwähnt – eine Bewegungsbegrenzung
erfindungsgemäß durch
die Dämpferelemente 90, 92 erreicht werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung 30,
die mit der vorstehend ausführlich
beschriebenen Kreuzgelenkeinrichtung 32 entsprechend der
in 1 gezeigten Ausrichtung versehen ist, so dass
die Drehachsen C und D entsprechend der natürlichen Ausrichtung eines gesunden
Fußes im
Wesentlichen mit der Ausrichtung der Drehachsen des oberen Sprunggelenks
bzw. des unteren Sprunggelenks zusammenfallen, kann ein dem natürlichen Gangbild
in nahezu idealer Weise nachgebildeter dynamischer Ablauf erreicht
werden. Dies bedeutet, dass die vorstehend zum besseren Verständnis mit Bezug
auf 13a und 13b geschilderten,
während
des Gangs durchlaufenen Phasen und Relativbewegungen durch die erfindungsgemäße Prothesenvorrichtung 30 in
nahezu identischer Weise nachgebildet werden. Somit kann mit der
erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung 30 entsprechend 13a beim Aufsetzen bis hin zu einer mittleren Standphase
eine Innenrotation des Schaftes 34 (Pfeil 18)
und der mit diesem fest verbundenen schaftseitigen Gelenkgabel 36 bei
einer gleichzeitigen Eversion (Pfeil 20) der Auftritteinrichtung 40 erreicht
werden. Bei einem nachfolgenden Abrollen und Abstoßen von dem
kreuzgelenkfernen vorderen Ende der Auftritteinrichtung 40 erfolgt
mit der erfindungsgemäßen Prothesenvorrichtung 30 eine
Außenrotation
entsprechend 13b, dort Pfeil 22,
des Schaftes 34 und der mit diesem fest gekoppelten schaftseitigen Gelenkgabel 36 und
eine synchrone Inversion der Auftritteinrichtung 40 entsprechend
Pfeil 24.
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Dadurch
dass mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
eine nahezu identische Nachbildung des natürlichen Gangbildes möglich ist,
wird der Gang eines die erfindungsgemäße Protheseeinrichtung tragenden
Patienten dem natürlichen
Gangbild weitgehend angepasst, so dass sich ein symmetrischer Gang
ergibt und dadurch unnatürliche
Belastungen einzelner Teile des Bewegungsapparats, insbesondere
der Gelenke des gesunden Beins, der Hüfte sowie der Lendenwirbelsäule, verhindert
werden.