TWI542335B - 用於控制人工矯正體式或修復體式關節的方法與裝置（五） - Google Patents

用於控制人工矯正體式或修復體式關節的方法與裝置（五） Download PDF

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Description

用於控制人工矯正體式或修復體式關節的方法與裝置(五)
本發明關於一種用於控制人工矯正體式(orthetisch，英：osthetic)或修復體式(義肢式)(prothetisch，英：prosthetic)的關節的方法與裝置，它具有一阻力裝置，至少有一動作器(Aktuator，英：actuator)與該阻力裝置相配合，利用該動作器可將彎曲阻力及/或伸直阻力依感測器資料而定作改變，這種方法與這種裝置特別適用於控制下肢的關節，即髖關節、膝關節、或踝關節。但基本上，也可將這種裝置及這種方法用於操作其他修復式或矯正體式的人工關節。例如肘關節或義手中的關節。
具有阻力裝置的人工關節(其撓曲阻力或伸直阻力可改變)越來越多。阻力可改變有優點，即：可在運動過程時使阻力配合不同的需求。舉例而言，為了在走一步的不同階段時儘量自然地達成或幫助不同的需求，故設有可控制的阻力裝置，它們提供一種配合之可改變的撓曲阻力與伸直阻力。利用撓曲阻力可作調整，看小腿幹軸(Unterschenkelschaft，英：lower leg shaft)或小腿軌(Unterschenkelschiene，英：lower leg rail)在施一力量時如何相對於大腿幹軸(Oberschenkelschaft，英：thigh shaft)或大腿軌向後擺動。伸直阻力將小腿幹軸或小腿軌的向前運動剎止住，且還形成一種伸直的止擋部。
在德專利DE 10 2008 008 284 A1發表了一種整形技術(orthopadietechnich，英：orthopedic technical)膝關節，它具有一個上部分及一個以可樞轉方式設在該上部分上的下部分，有數個感測器(例如：一彎曲角度感測器、一加速度感測器、一斜度感測器、及/或一力量感測器)與該下部分配合，「伸直止擋部」依所求得的感測器資料而定作調整。
德專利DE 10 2006 021 802 A1提到一種被動式義膝關節的控制手段，其沿撓曲方向的緩衝作用(Dmpfung，英：damping)可調整，以配合一個義肢裝置，該義肢裝置具有一上側接頭手段以及一個接到一義肢腳的連接元件。這種配合作用係配合上樓梯(Treppaufgehen)的動作，其中將義足之應無力矩的上升動作(Anhebbn)檢出，且在上升階段的撓曲緩衝作用降低到一位準以下(此位準適合在平面步行)，此撓曲緩衝作用可依膝角度的變化而定及依作用到小腿的軸向力量而定而提高。
德專利DE 10 2007 053 389 A1提到一種用於控制一下肢的整形關節的方法與裝置，它具有至少一種自由度，且具有一可調整的動作器以使整形裝置配合一些與在平面步行時不同的步行狀況，該整形裝置具有接到一肢體(Gliedmaβe，英：limb)的上側接頭手段及一整形關節(它以樞接方式設在接頭手段的遠體端)。在此，該整形裝置的數個參數利用一些感測器檢出，這些檢出的參數與一些基準(Kriterium)(這些基準係利用數個參數及/或參數走勢得到且儲存在一電腦單元中)比較，並選出一適合的基準(它適合利用求得的參數或參數走勢)。根據此選出的基準可調整彎曲阻力、運動範圍(Bewegungsumfang)、驅動力量、及/或其走勢，以控制特別的與在平面步行時不同的功能。
US RE 39 761 E提到一種義肢用的電腦控制的油壓阻力裝置它具有壓力感測器。在高壓側及在低壓側，該壓力利用一受彈簧力負荷的磁鐵及一用磁性動作的電子感測器檢出，且在一封閉的調節回路中利用一微控制器處理，以將裝置中及油壓液的粘度的自動變化作補償，這種補償作用係根據壓力測量的結果為基礎而作。
關於人工膝關節的修復體或矯正體方面，事實顯示：在步行或在站定時，關節在站力階段提供高的撓曲阻力，其中關節不完全鎖固住。在此情形，在站立時，關節緩慢的彎曲作用係用以下方式防止：該力量向量位在關節軸前方，因此將關節壓到伸直作用的止擋部中。是否該力量向量位在關節軸前方，係利用修復或矯正體的構造確定。
關節在上述情況不完全鎖固住有一好處：使用者還有可能進到關節運動。舉例而言，如果他站在一階梯上且失去平衡，則他會由於關節鎖固住而失控跌倒，而如果關節不鎖固住只是阻力較大，則他還可利用殘肢力量使關節彎曲。如此可減少或完全防止跌倒之虞。同樣地，大的彎曲阻力可使關節在狹小空間內的操縱或坐下較容易。高彎曲阻力同樣地可利用交替地走下坡道/及樓梯，在此，關節的阻力負責支持身體且因此該對側(kontralateral，英：contralateral)，(亦即健全的腿)解除負荷，該健全－側解除負荷的作用可直接由該阻力裝置所散失的能量表現出來，這種能量散失會導致阻力裝置強力發熱。如果阻力裝置在擺動階段將腿的擺動剎止(減速)到一所要的值或如果義肢裝配直在設立階段時將關節頂逆著一大阻力作彎曲及伸直，則這種發熱即使在平地走路也會發生。基本上，阻力裝置的發熱也會在其他關節發生，例如在踝關節或髖關節中，或在其他關節裝置(例如當該處有高負荷時)。
溫度升高會導致阻力性質改變，且可能造成關節裝置的元件損壞。
本發明的目的在提供一種裝置與方法，利用它可減少或防止這些問題。
依本發明這種目的係利用具有申請專利範圍主項的特點的方法及具有平位的申請專利範圍的特徵的裝置達成。有利的特點及進一步特色見於申請專利範圍附屬項。
依本發明的一種用於控制一人工矯正體或修復體式關節的方法中，該關節具有一阻力裝置，至少有一動作器與該阻力裝置配合，利用該動作器可將彎曲及/或伸直阻力依感測器資料而定作改變，其中，將阻力依至少一測量到的溫度信號而定作改變，其中將阻力至少一測量值的溫度信號而定作改變。如此，可將該人工矯正體或修復體式關節的阻力裝置或其他元件作保護以防止大幅熱。發熱會使關節損壞，因為關節的部分會喪失形狀或喪失構造強度，或者因為電子電路會在容許的操作參數之外操作而損壞。在此，阻力的變化宜使散失的能量減少。由於要轉換成熱的能量減少，故該人工關節的阻力裝置或其他元件可冷卻且在為它們規定的溫度範圍內的操作。此外，阻力裝置可作配合，使得溫度變化發生的其他變化能作補償。舉例而言，如果油壓液的粘度由於發熱而減少，則該阻力裝置可作調整，俾再提供適當的撓曲阻力和伸直阻力，俾使該修復體或矯正體的使用者可適應這種人工關節之他所習知的性質。
如果人工關節設計成下肢的關節，則在一變更例中，則對於站立階段(例如在步行時的站立階段)在溫度上升時將阻力提高。在此，可將伸直阻力及撓曲阻力都提高。由於阻力增加，使用者被迫走得較，因此較少能量進入關節中。如此關節可冷卻，因此它可在容許的操作參數內操作。
當使用一人工關節在一下肢中時，另一變更例中，在步行時，對於擺動階段，在溫度增高時將阻力減少。如果在擺動階段中或對擺動階段將彎曲阻力減少，則這點會使關節繼續外擺，因此義足較遲向前移以使足跟踏地。如此用者再被迫走得較慢，這點使較少能量轉換成熱。
此阻力可在達到或超過一溫度臨限值時改變，在此，阻力在溫度達到或超過該臨限值時可驟然改變，使阻力值切換。最好在達到該溫度臨限值後，將阻力隨溫度連續地改變，至於溫度臨限值要設在多高，係取決該修復體或矯正體的各種結構參數，使用的材料，以及阻力性質之所定義的均勻性。在站立階段中，阻力還可不升得太高，使得例如在下樓梯時產生一種對安全性緊要的情況。
此溫度引發的阻力變化並非阻力變化的單一控制參數。而係將這種溫度引發的阻力變化和一功能性的阻力變化重疊。一人工關節(例如一膝關節或一踝關節)係利用多數參數依情況而定作控制。因此所謂的「功能性阻力變化」(舉例而言)，係由於步行速度、步行狀況或類似因素引起者)利用根據温度的阻力變化作補充。
此外可在達到或超一溫度臨限值時輸出一警告信號，俾使修復體或矯正體的使用者知番，該關節或阻力裝置在一緊要的溫度範圍。此警告信號可呈觸覺式，光學式或聲音式的警告信號方式輸出。同樣地，可將不同的輸出可能方式作組合。
最好將阻力裝置的溫度作測量並當作控制的根據。如不採此方式，也可用其他裝置測量程度──如果這些裝置對溫度有緊急反應的話，舉例而言，如果一種「控制電子電路」對溫度特別敏感，則不監視阻力裝置而(或除了監視阻力裝置外同時另外還)監視此控制電子電路，並在該處設一相關的溫度感測器。如果個別的元件對溫度敏感(例如由於所用材料之故)，則宜在相關的位置設一測量裝置，俾能得到相關的溫度信號。
可設一調整裝置，利用它可改變阻力變化的程度。舉例而言，可根據所求得的資料(例如該矯正體或修復體的使用者的體重或在踏步時求得的軸向力)而得知：它須作超比例地高的阻力變化，同樣地，可設一手動裝置，利用它可將阻力變化作配合。如此可依所調整或求得的資料將阻力作傾向於較高或較低的變化。
本發明的一種用於實施前述方法的裝置，具有一可調整的阻力裝置、一控制裝置、以及感測器，該阻力裝置設在一人工矯正體式或修復式的關節的二互相樞接支承的元件之間，這些感測器將該裝置的一元件的慣性角度及/或一關節角檢出。其中，至少設有一溫度感測器一調整裝置，藉該調整裝置可將阻力依位置而定的變化作用活化及/或去活化。如此可選擇性地用溫度控制改變阻力，且將(例如一種控制膝的方法的)這種功能或附加功能刻意地活化或去活化。
以下利用附圖詳細說明本發明的一實施例。
在圖1坐標圖中顯示在一義膝關節的場合在站立階段時該特性值：膝力矩M、功率P及速度v對阻力R的關係。在此，在義膝關節中設有一阻力裝置及一動作器，利用動作器可將抗拒彎曲及/或伸直的阻力改變。除了一修復體外也可使用一相關設計的矯正體。同樣使用領域也可包含其他關節裝置。例如髖關節或足關節。在阻力裝置中，一般機械能轉換成熱能，以將小腿部相對於大腿部的運動作剎止。對其他關節情形也是如此。
在此，阻力裝置的溫度取決於在站立階段時施加的功率P有多大。功率P取決於有效膝力矩M及膝關節彎曲的速度。此速度又取決於阻力R，該阻力係利用該阻力裝置對抗在站立階段時的各種運動的阻力。如果-特別是在坡道或樓梯向下走時(在這種場合，該阻力裝置典型的情形發熱最厲害-在站立階段足跟碰地後，撓曲阻力提高，且在進一步的過程在作伸直運動時，伸直阻力提高)各關節元件互相的相對運動速度減少。因此阻力裝置的運動速度也減少。由於速度v作超比例的大幅減少，故在站立階段時，儘管力矩增加，但功率P減少，因此所要轉換的能量對應於減少的功率P而減少。對應於此，在保持相同的冷卻作用的情形下，阻力裝置或那些溫度受監視的元件的溫度都降低。
在圖2顯示在擺動階段時上述特性值和阻力R的關聯，在擺動時，當阻力R減少時，速度v、膝力矩M以及所施的功率P減少，因此所要轉換的能量減少。對應於此，當擺動階段阻力減少時，阻力裝置的溫度降低。
圖3上方的坐標圖顯示膝角度KA對時間作圖，從所謂的「足跟碰地」(heel strike)開始，一般係在膝伸直時足跟碰地，在腳踏地時，膝關節稍微作撓曲-所謂的站立階段的撓曲－俾將足踏地的衝力及足跟碰地的衝力作緩衝。在腳完全踏地後，膝完全伸直，直到所謂的「折膝」(knee break)為止。在折膝時，膝關節彎入，以使膝關節向前運動並擺動越過足前部。從「折膝」開始，膝角度KA一直提高到擺動階段的最大膝角度為止，俾隨後在彎曲的腿及義足前移後，過渡到一伸直位置，然後再用足跟踏地。這種膝角度的走劫係在平地走路的典型情形。
在圖3下方的坐標圖顯示阻力R對時間作圖。它對應於相關的膝角度，是否有伸直阻力或撓曲阻力，係取決於膝角度走勢。當膝角度增加時，撓曲阻力起作用。當膝角度減少時，伸直阻力起作用。在「足跟碰地」後，有相對地高的撓曲阻力；在運動反過來後，在較大的伸直阻力。在「折膝」時，阻力減少，以使膝較易彎入及前移。如此可使步行容易。在「折膝」時在阻力降低後，在擺動階段的一部分過程時將阻力維持在低位準，俾使義足較易向後擺動。為了使擺動運動不致變得太大，故在達到膝角度最大值前將捲曲阻力提高，且在達到膝角度最大值後以及運反過來後，將伸直阻力減少到擺動階段彎曲的低位準。伸直力的減少作用在擺動階段的伸直運動的過程保持。直到「足跟碰地」不久前為止。在達到完全伸直前不久，將阻力重新提高，以避免在伸直時硬硬地踫到止擋部，為了在義足踏地時有充分安全性，防止失控地折入，故也將撓曲阻力設在高位準。
如果此時撓曲阻力提高(這點利用虛線表示)，則膝角速度以及修復體使用者的步行都變慢，在「足跟碰地」後，隨後在站立階段的捲曲只有較小的運動以及慢慢的伸直，這點使散失的能量較少，在達到膝角度最大值前，撓曲阻力的提高比起在標準緩衝作用時較不明確。這點利用朝下的箭頭表示。如此小腿及義足繼續外擺，因此在二次「足跟碰地」之間有較大的時間空檔。又，在擺動階段撓曲時，撓曲阻力減少也使步行速度減少。
在擺動階段伸直的結束時，亦即在「踏地」及「足跟碰地」不久前，將伸直阻力減到比標準位準更少。因此，將伸直阻力減少，如此小腿部較快變伸直，因此功率P及所要散失的能量減少。在站立階段時，在「足跟碰地」與「折膝」之間，可將撓曲阻力及伸直阻力提高，俾將站立階段的彎入的情事減少，且因此散失的能量減少。
圖4中在上方的圖中顯示在一坡道上步行時膝角度的走勢(此處係在一坡道)。在「足跟碰地」後，膝角度KA連續加力直到膝角度最大值為止。此角度走勢圖係在交替走下坡道時發生者，膝承受義肢裝配者的體重，慢慢降下且因此對側(kontralateral)的負荷解除。在達到膝角度最大值時，膝和小腿迅速前移直到完全伸直為止。此完全伸直係從重新「足跟碰地」開始。在此，撓曲阻力在繼續的過程中保持在一恆定高位準，直到它隨後降低為止(俾使膝能大幅彎入且因此義足能上升及回擺)。這種回擺係在達到阻力小值後一直到達到膝角度最大值時發生。然後，伸直阻力維持在一低阻力位準，直到阻力在踏步時重新升高為止。
如果此時在阻力裝置中溫度升高，則將站立階段中的阻力提高，以確保步行速度緩慢及緩慢彎入。在達到擺動階段後以及義足向前移後，也將伸展阻力減少，這點同樣使所要散失的能量減少。
M．．．膝力矩
P．．．功率
v．．．速度
R．．．阻力
圖1係在站立階段時由阻力增加時的特性值的性質；
圖2係在擺動階段時由阻力降低時的特性值的性質；
圖3係在平地步行時的膝角度走勢及阻力曲線；
圖4係在陡平面步行時的膝角度走勢及阻力曲線。
KA．．．膝角度

Claims (9)

  1. 一種用於控制一人工矯正體或修復體式關節的方法，該關節具有一阻力裝置，至少有一動作器與該阻力裝置配合，利用該動作器可將彎曲及/或伸直阻力依感測器資料而定作改變，其中，將阻力依至少一測量到的溫度信號而定作改變，其特徵在：測量阻力裝置的溫度，且當作根據作控制。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中：該人工關節設計成一下肢的關節形式，且在站立階段時，當溫度增加就將阻力減少。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中：該人工關節設計成一下肢的關節形式，且在站立階段時，當溫度增加就將彎曲阻力減少。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中：當達到或超過一溫度臨限值時就將阻力改變。
  5. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中：將阻力隨著溫度變化而連續地改變。
  6. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中：將這種溫度引發的阻力改變作用與一種功能的阻力改變作用相重疊。
  7. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中：當達到或超過一溫度臨限值時就發生一警告信號。
  8. 如申請專利範圍第1或第2項的方法，其中：設有一調整裝置，利用它將阻力改變的程度作改變。
  9. 一種用於實施前述任一項申請專利範圍的方法的裝置，具有一可調整的阻力裝置，該阻力裝置設在一人工矯正體或修復式關節的二個互相以樞接方式支承的元件之間，且具有一控制裝置及一些感測器，這些感測器將此裝置的狀態資訊檢出，其特徵在：至少設有一溫度感測器和一調整裝置，且利用該調整裝置將一種和溫度有關的阻力變化作用活化及/或去活化。
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