假脚的制作方法

专利名称：假脚的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种模仿人脚功能的假脚。该假脚具有后脚三平面运动能力，中脚和前脚双平面运动能力，以及高低动态响应特性，用于改进截肢者在行走、奔跑和跳跃活动时的步态和舒适性。本发明还公开了一种踝部支架部件，该部件可以提供后脚三平面运动能力，用于升级现有的低型面假脚。
背景技术：
在假体修复领域，过去制造的假脚可以实现不同程度的运动能力。大多数已知的假脚使用了带有橡胶缓冲器的金属铰链，以实现这种运动能力。这些部件是机械故障和磨损的起源。已知的假脚通常生产和维护较昂贵。普通假脚中没有一个模仿人的步态特点，例如，虽然已知的设计方案可以实现部分运动能力，但普通假脚并没有反应出人类的特点。这些特点涉及人脚和踝关节在步态中的生物力学功能。现有技术中的假脚不能实现真正的人类步态特点，因为它们的设计特征并没有模仿人脚。
人脚是由26块互相独立的骨构成的集合体。脚骨互相连接而形成关节。脚部关节通过这些接合实现运动。特定关节的运动能力取决于骨间接合、韧带增强和肌肉控制。在历史上，已经对脚部具体关节的运动能力进行了广泛的研究。这些科学研究已经确定了人脚所有关节的十四个不同的旋转轴。通过仔细分析，已经确定出这些旋转轴和运动功能在人的步态和奔跑、跳跃活动中是怎样的。本发明的假脚是根据这些科学研究，为提供一种能够模仿人脚功能的改进的假脚，以使截肢者具有正常人的步态特点，并提高截肢者的生活质量而作出的。

发明内容
本发明的假脚包括前脚部分、中脚部分和后脚部分，其中该后脚部分包括可以在步态中实现假脚的封闭式动力链运动的第一、第二关节。该第一关节具有关节轴，该关节轴为实现至少主要在矢状平面内的该后脚部分绕该第一关节轴的运动而确定方位。该第二关节具有关节轴，该关节轴为实现至少主要在正平面和横平面内的该后脚部分绕该第二关节轴的运动而确定方位。在公开的示例性实施例中，该第一、第二关节与后脚部分通过后脚部分的弹性材料制成的相应支柱形成为一个整体。具体而言，在一个示例性实施例中，该假脚的前脚、中脚和后脚部分是由一块塑料通过模制和/或机加工制成的。
在第二实施例中，本发明的改进的假脚通过使用本发明的踝部支架部件构成，该踝部支架部件连接于现有的低型面假脚上，作为功能的升级。该踝部支架部件包括形成该假脚的后脚部分的一部分的第一和第二关节。在两实施例中，该后脚部分的第一关节模仿踝关节，而该第二关节模仿距骨下(subtalar)关节，使该假脚可以具备与正常脚一样的功能。
在公开的实施例中，后脚部分的距骨下关节构成在步态中实现假脚的三平面封闭式动力链运动的装置。这种三平面运动能力在步态的站姿阶段改进了该假脚保持脚底坡度的能力。还减少了套接与横平面内的运动相应的剪切作用力的其余部分。
在本发明的假脚的第一示例性实施例中，该中脚部分的脚底表面具有纵向的脚弓，该脚弓形成有凹陷，该凹陷具有纵轴，该纵轴在正平面内从横平面偏移25°-42°，而产生正平面和矢状平面运动能力。该纵向脚弓的内侧部分半径较大，且比该凹陷的外侧部分更接近。该纵向脚弓的形状可以使假脚在步态中产生高低动态响应能力，从而使该纵向脚弓的内侧部分具有较高的动态响应能力，而该纵向脚弓的外侧部分具有较低的动态响应能力。
该假脚的前脚部分的后部包括至少一个延伸穿过脚背和脚底表面之间的前脚部分的伸缩关节孔。伸缩关节从该伸缩关节孔向前延伸至前脚部分的前边缘，形成多个伸缩支柱，这些伸缩支柱改进了前脚部分的双平面运动能力。凹陷和凸起在该假脚的单件式本体的表面区域上使用，它们具有确定方位的纵轴，该方位的选择可以产生模仿人脚的动态响应和运动能力。
从下面结合附图公开的示例性实施例的详细描述中，本发明这些及其他目的、特征和优点将更为明显。


当结合附图阅读时，从下面对示例性实施例的详细描述和权利要求书中，前述内容会变得明显，且可以更好地理解本发明，其中全部附图构成本发明的公开内容的一部分。虽然前述内容和下述书面和图示公开的内容集中在本发明的几个示例性实施例，但可以清楚地理解上述内容仅是说明和示例性的，本发明并不仅限于此。本发明的主旨和范围仅受所附的权利要求书的限制。
下文给出附图的简要说明，其中图1是从右前方稍稍偏上观察到的本发明的第一示例性实施例的右假脚透视图；图2是图1的假脚的侧视图，该假脚位于以虚线表示的脚部装饰性覆盖物中，且处于与以虚线表示的截肢者的腿部相连的连接假体的状态；图3是图1的假脚的内侧视图；图4是图1的假脚的顶视图；图5是图1的假脚的底视图；图6是该假脚的踝关节轴投影在正平面上的示意图，其中可以看出，该踝关节轴从横平面偏移角度β，使内侧比外侧更接近；图7是沿图3的VII-VII剖面所作的踝关节支柱的剖面图；图8是该假脚的踝关节轴投影在矢状平面上的示意图，其中可以看出，该踝关节轴从横平面偏移角度θ，使前部比后部更接近；图9是该假脚的距骨下关节轴投影在矢状平面上的示意图，示出该距骨下关节轴与横平面形成角度ψ，使前部比后部更接近；图10是该假脚的距骨下关节轴投影在正平面上的示意图，其中该距骨下关节轴与横平面形成角度ω，使内侧比外侧更接近；图11是图1中假脚的放大的脚背顶视图，其中添加了阴影线，以示出假脚本体的脚背表面上的凹陷和凸起的位置，用于实现假脚在步态中的运动；图12是图1中假脚本体的放大的脚底底视图，其中添加了线，以示出步态中在水平表面上的假脚站姿态之间的接触区域，且还添加了阴影线，以示出用于实现假脚在步态中的运动的该本体的脚底表面上的凹陷；
图13是沿图2的线VIII-VIII作出的经该假脚本体的中脚部分下部的剖面图，示出该纵向脚弓与该横平面形成角度ε的斜度，使内侧比外侧更接近；图14是用于假脚的整体形成的金属连接装置的侧视图；图15是图14所示装置的顶视图；图16是图14所示装置的下部连接板的顶视图；图17是本发明的踝部设备的透视图，带有连接在其上表面的支架，该踝部设备用作现有低型面的Seattle式假脚或类似假脚的附件，作为假脚的功能升级部件，这种组合形成了本发明的改进假脚的另一实施例；图18是图17所示踝部设备的右视图；图19是图17所示踝部设备的正视图；图20是图17所示踝部设备的左视图；图21是图17所示踝部设备的后视图；图22是如图21所示定向的踝部设备的底视图；图23是类似图21的踝部设备的后视图，但以虚线示出了T型螺母，该螺母嵌入到该踝部设备的弹性本体内，用于将该踝部设备用螺栓连接到假脚上；图24是图23中虚线所示的T型螺母的顶视图；图25是图24中T型螺母的侧视图，其中容纳着螺栓；图26是沿线XXVII-XXVII纵剖的普通低型面Seattle式假脚或类似假脚的一部分的顶视图；图27是图26所示假脚的侧视图；以及图28是图27所示假脚的侧视图，该假脚已经通过连接图17-23所示踝部设备而在功能上得到改进，形成了本发明另一实施例的改进的假脚。
具体实施例方式
现在参照附图，本发明的第一示例性实施例的假脚1包括由公开的实施例中的弹性、半刚性材料、塑料制成的本体2，该本体分别形成有前脚、中脚和后脚部分2A、2B和2C。该假脚的装饰性覆盖物3围绕该本体2，如图2所示。在公开的实施例中，该本体2通过模制或者将本体材料倒入阴模中制成。然而，也可以采用其他工艺形成该本体2，比如使用弹性、半刚性材料的固体件机加工成该本体，或者例如使用模制和机加工的组合。在图示的示例中，本体2的塑料是合成橡胶、聚氨酯，但是也可以使用其他塑料或复合材料。假脚的本体2的形状和设计模仿如本文所述的人脚的后脚三平面、前脚双平面和后脚、中脚及前脚的动态响应平稳效果的运动能力。
后脚三平面运动能力是通过后脚部分2C实现的，该后脚部分2C包括允许步态中假脚的封闭式动力链(或运动链)运动的第一和第二关节4和5。第一关节4用作踝关节。第二关节5用作距骨下关节(subtalarjoint)。该踝关节的旋转轴4A为实现至少主要在矢状平面内的该后脚部分2C围绕该关节轴4A的运动而确定方位。具体而言，该踝关节轴4A最好从正交于假脚的长轴X-X引出的线向外转动8°～30°的角度α，参见图4。该踝关节轴4A也从横平面偏移8°的角度β，使内侧比外侧更接近，参见图6。这种踝关节旋转轴的方位可以使假脚模仿人脚踝关节的矢状平面和正平面运动能力。
因为缺乏肌肉的控制，假脚中不能出现开链式运动。然而，在封闭式动力链运动中，随着腿的内旋，假脚上的腿向前运动时出现外展的背屈。随着腿的外旋，假脚上的腿向后运动时出现内收的脚底弯曲。地面反作用力通过假脚1产生这些运动。
踝关节4和距骨下关节5通过后脚部分的弹性材料制成的相应支柱4B和5B与后脚部分2C整体形成。该支柱的每一个在其相应关节轴的方向上是细长的。该踝关节支柱4B的前侧和后侧表面，和该距骨下关节支柱5B的内侧和外侧表面凹入弯曲，用于传递和吸收后脚部分绕该踝关节轴和距骨下关节轴运动时的作用力。该支柱4B的凹入弯曲的前侧表面由孔6的周边形成，该孔沿该支柱4B的前侧延伸穿过后脚部分2C。在假脚1中，孔6的直径d1为5/8英寸，但这可以根据假脚1的本体2的整体尺寸而变化。
孔6前面是间隙7，该间隙可以实现后脚部分2C绕关节轴4A的运动。间隙7的高度8是这样选择的，使得邻近间隙7的本体2的下表面作为低靠形成该间隙的相对上表面的阻挡件，以限制背屈过程中后脚部分2C绕踝关节轴4A的运动量。该前间隙越宽，背屈的运动范围潜力越大。在该实施例中，孔6沿平行于关节轴4A的方向延伸。
后脚部分2C的踝关节支柱4B的后部是凹陷，在该示例性实施例中，该凹陷具有1-2英寸的直径d2，但该值可以改变，且由本体2的整体尺寸确定。例如，对于婴儿或幼儿的脚，直径d2会更小。凹陷9的近侧最好沿平行于踝关节轴4A的方向延伸。凹陷9的远侧可以沿平行于踝关节轴4A的方向延伸，或沿平行于正平面的方向延伸。这一曲率必须能吸收冲击，并可以实现更自由的绕踝关节脚底弯曲运动的范围。为了产生踝关节运动能力，塑料踝部支柱4B的宽度w和厚度t，参见图7，可以随所使用的材料的密度、硬度和其他性能而改变。例如，膝盖上方的假脚需要与膝盖下方的假脚不同的运动特性。
容易理解的是，在假体修复业中，脚跟杠杆产生弯曲扭矩，而脚趾杠杆产生延伸扭矩。所以，对于膝盖上方和膝盖下方的假脚，运动要求是不同的。结果，膝盖上方的假脚可具有不同的假脚踝关节凹陷的曲率半径，且可以由低密度材料制成。这样可以有效地减小脚跟杠杆和与之相关的合成弯曲扭矩。踝关节轴4A投影在矢状平面上时从横平面倾斜角度θ，使前侧比后侧更接近，参见图8。在所附实施例中的角θ与图6中的角β相同，为8°。
在假脚1上的距骨下关节5在下方间隔开，且沿与该踝关节4不同的方向延伸。距骨下关节轴5A沿距骨下关节支柱5B延伸，且取向为用于实现后脚部分2C绕关节轴5A在正平面、横平面和矢状平面三者内的运动，但主要是在正平面和横平面内。关节轴5A在后脚部分2C中从后侧、脚底和外侧延伸到前侧、脚背和内侧。可取的是，关节轴5A投影在横平面上时与假脚的纵轴，图4中的X-X以9°至23°的角度Δ1倾斜。在该示例性实施例中角度Δ1为23°。关节轴5A投影在矢状平面上时(关节5的斜轴)，如沿图1的箭头B的方向所看到的，相对于横平面形成29°至45°的角ψ，见图9。在公开的实施例中，角度ψ为30°。
距骨下关节5通过相应的孔10和11在内侧和外侧受到约束，其中这些孔平行于关节轴5A延伸。该孔的直径d3可以根据本体2的整体尺寸变化。在该示例性实施例中该直径为3/16英寸。内侧和外侧间隙12和13分别沿距骨下关节从孔10和11向外延伸到假脚本体2的周边，以实现后脚部分2c绕距骨下关节轴5A的运动。内侧间隙12的高度14和外侧间隙13的高度15是这样选择的，使得限定每一间隙的后脚部分2C的下表面作为低靠限定该间隙的相对上表面的阻挡件，以限制在步态的外翻和内翻中后脚部分绕关节轴5A的弯曲或转动运动量。内侧间隙的高度14最好较大，比如是外侧间隙15的高度的两倍。在该示例性实施例中，高度14为1/8英寸，高度15为1/16英寸。从图2所示的箭头A的方向看，该关节轴5A投影在正平面上时相对于横平面以角度ω倾斜，使内侧比外侧更接近，参见图10。
在假脚1中，距骨下关节旋转轴5A在功能上模仿人脚的距骨下关节。关节5的纵向旋转轴5A从假脚长轴向外部偏9-23°而定向的意义在于可以实现内侧和外侧或正平面运动能力。在关节5处假脚的正平面的可能运动量由内侧和外侧的距骨下关节间隙高度14和15决定。因为人脚通常具有绕人脚距骨下关节20°的内翻和10°的外翻运动能力，所以假脚1的内侧间隙14，如上所述，最好为外侧间隙15的宽度的两倍，以使内翻的范围比外翻更大。
由孔10和11提供的支柱5B的内侧和外侧侧面上的曲率通过降低应力集中，避免了塑料断裂。距骨下关节的倾斜旋转轴，图9，使该关节可以起斜接铰链的作用。这样产生了一种简单的扭矩转换器，且腿或连接于假脚1的竖直段的旋转将会导致水平段产生大致相等的转动(在这种情况下ψ为45°)。这种取向会改善横平面和正平面的运动能力。当距骨下关节5的斜轴的角度ψ是30°而不是45°时，该轴与水平面之间的距离是与竖直面之间的距离的一半，并且在给定的腿绕其纵轴的转动下，发生在正平面内的假脚运动是横平面内的假脚运动的两倍。在距骨下关节5处的横平面运动能力的重要性在于吸收横平面扭矩，减小套接界面的其余分支部分处的剪切作用力，避免为假脚增加分离的转距吸收器。
在步态中人的小腿的横向平面的平均旋转为19°。距骨下关节是人脚上的机构，也是假脚1上的机构，可以实现上述19°的旋转。在正平面内，假脚1的距骨下关节5的封闭式动力链运动保持带有外旋的内翻，和带有内旋的外翻。在步态中距骨下关节的运动功能范围是6°的完全运动。在假脚1的正平面仅需要运动6°的情况下，可以使关节5的斜轴向范围30～45°的上端倾斜，以产生舒适感。
假脚1的后脚部分2C还形成有脚跟16，该脚跟具有后部外侧拐角17，该拐角比脚跟的内侧拐角更靠后侧和外侧，而在步态的初始接触阶段，促使后脚外翻。如图4和5所示，脚跟16的后侧是鸭尾形扭杆，该扭杆具有外侧后部拐角17，偏移1/2到3/4英寸的距离l1，比内侧拐角更靠后。例如，使用16°的较小角度Δ，或距骨下关节支柱5B更靠内侧，如下所述，会导致脚跟拐角17偏移1/2英寸的距离l2，比距骨下关节的投影轴更靠近外侧。此1/2英寸的外侧偏移倾向于使后脚在脚跟处的撞击，导致距骨下关节外翻。这种初始接触距骨下关节外翻起冲击吸收器的作用，用于缓冲脚跟撞击带来的冲击。此外，假脚的后部外侧拐角在矢状平面内的形状是向上弯曲的，参见图2和图3，在所公开的实施例中曲率半径为1到3英寸。该曲率半径可以根据假脚的总体尺寸变化。这种大曲率半径可以使后部外侧拐角在脚跟撞击处最接近地偏转，也可以作为冲击吸收器。在假脚1的本体2的后部的塑料密度也可以选择低于假脚的本体的其余部分，以产生更大的冲击吸收能力。
假脚1的后脚部分2C的顶部23制成平坦的，并且具有嵌入塑料中的金属连接装置18。在假脚1中金属装置18由不锈钢制成，但是也可以使用其它高强度的轻型金属合金，例如钛合金。该装置18可以使假脚连接在固定于假脚上方的人体的下肢上的假体部件24上，如图2示意性表示的。连接装置18的下部19在模制过程中嵌入到后脚部分2C的材料中。可取的是，该下部19具有几个通孔，以有助于在模制时使该装置锚固在本体2的模制弹性体中。在所公开的示例性实施例中，该连接装置包括上角锥形连接板20，其如图所示通过多个紧固件21以分隔的关系连接于下连接板19。或者，该上、下连接板和连接元件可以如图14所示整体地形成。该连接装置18沿假脚1的纵轴X-X位于后脚部分2C上，如图所示。
在图14中，金属连接装置18’包括整体形成的下连接板19’，上角锥形连接板20’和连接支柱21’。该下板19’在前叶上形成1/8英寸的接近偏移41，以及在内侧和外侧形成的内侧和外侧偏移42和43。内侧和外侧的孔44和45与前部和后部的孔46和47有助于在模制中将该装置锚固在塑料本体2上。穿过孔44和45的线C-C从矢状平面的法线X-X向外偏转8°至30°，使内侧比外侧更靠前。可取的是，该线C-C从中部向后偏移距离x’，或与方位D-D相同，从而使孔44和45落入踝关节轴支柱4B的中部。孔44和45的向后偏移，与后孔47一起形成脚趾的杠杆长度。这些特征也可用在该装置18中，其中紧固件将分离的上、下连接板20和19连接在一起。
位于该间隙7前的中脚部分2B的脚背表面形成有脚背凹陷25，该凹陷可以使中脚部分2B和前脚部分2A在步态中重量传递到假脚的前部时背屈。在脚背凹陷25的前面和内侧的中脚部分2B的脚背表面上设有跖弓凸起26。此外，中脚部分2B和前脚部分2A的脚背部分形成有凹陷27，该凹陷模仿人脚的运动的第五辐射轴(ray axis)的功能。参见图11的不同阴影部分，示出了凹陷25和27和凸起26在本体2的脚背表面上的位置。凹陷27具有纵轴Y-Y，该轴相对于假脚的纵轴X-X以35°的角度γ确定方位，使内侧比外侧更靠前，以在功能上模仿步态中第五辐射轴的运动，作为人脚的第二至第五跖骨的低速倾斜旋转轴。该角γ可以小于35°，但最好在15°到35°的范围内。
假脚1的本体2的脚底表面具有纵向脚弓28，参见图12，在对应人脚的内侧舟骨和外侧的第四跖骨的基部的位置附近，该纵向脚弓包括凹陷29，其纵轴垂直于轴Z-Z而定向，和人脚运动的第一辐射轴，以模仿人脚的功能，参见图12，其中凹陷的位置通过在附图中在假脚1的本体2的脚底表面添加阴影而示出。在该示例性实施例中，轴Z-Z与假脚的纵轴X-X形成45°的夹角∑，使内侧比外侧更靠后。该角度∑可以小于45°，但最好在30°到45°的范围内。对于角γ和∑来说，使用规定范围下端的角度将会减小高、低速档模式之间的差异。例如，后者可以用于高活动级d的截肢者。在该纵向脚弓凹陷的前部的假脚1的脚底表面还包括通常环形的跖弓凹陷或杯形区域30，它们圈定了前脚脚底表面接触区域的后部平面，如图12所示，已经在附图标记31处示出轮廓。后脚接触区域在附图标记31’处示出轮廓。
纵向脚弓28本身形成具有纵轴A-A的凹陷，参见图12，该纵轴投影在正平面上时偏转25°到42°的角度ε，参见图13，其内侧高于外侧，以产生正平面和矢状平面运动能力，如同人脚的跖关节一样。该纵向脚弓的凹陷的内侧部分32比凹陷的外侧部分33半径稍大，并且更接近。该纵向脚弓的凹陷的前部具有纵轴B-B，以相对于假脚的纵轴X-X成35°的角度η定向，使内侧比外侧更靠前。该纵向脚弓的凹陷的中部具有纵轴A-A，该轴垂直于假脚的纵轴X-X定向。
纵向脚弓28具有这种三维扇形形状，用于在步态中产生假脚的特定运动效果。该纵向脚弓的凹陷前部与第一辐射轴和跖弓凹陷29和30融合。这种形状的融合使得该纵向脚弓的凹陷前部更靠前部和内侧定向，用于改善本体2的高速档动态响应能力。该纵向脚弓的凹陷的后部具有纵轴C-C，该轴相对于正平面偏移30°的角κ，使内侧比外侧更靠后，参见图12。
中脚部分2B由半弹性材料制成，如上所述，并且弹性本体2的纵向脚弓28的形状制成在步态中可以产生假脚的动态响应能力，从而使该纵向脚弓的内侧部分32具有比该纵向脚弓的外侧部分33更高的动态响应能力。作为假脚1的上述特征的结果，在对应人脚的跖骨区域的中脚部分2B上存在双平面运动潜力，其中运动发生在正平面和矢状平面上，能在步态中使前脚保持脚底坡度，同时适应后脚的位置。中脚部分2B的斜轴在步态的推进阶段外转。在推进期间，随脚跟提升而启动的脚底腱膜的平稳效果有助于这些斜轴的外转。为保持脚底坡度，在步态中仅需4～6°的正平面运动。假脚的物理特性及其表面形状决定了运动潜力。假脚1的纵向脚弓区域是特定形状，以获得优良的功能运动输出。如上所述，该纵向脚弓从矢状平面的偏移提高了假脚1的正平面运动和动态响应特性。
中脚部分2B的接近部分加工成平面，以接收邻近间隙7的前部踝关节背屈阻挡件的作用力。中脚部分2B的比前脚部分2A更厚。中脚部分的内侧部分32和26比外侧部分33和27更厚。假脚1的底部做成可以容纳3/8英寸或3/4英寸的脚跟高度。本体2的脚底表面在前脚和中脚连接的区域具有跖骨凹陷或杯形区域30，如上所述。这种杯形区域起在该杯形的外侧边缘产生接触的作用。这一升高区域31平行于第五辐射轴的运动轴，图11的Y-Y，延伸。
本体2的前脚部分2A具有两个伸缩关节34和35，切入前脚的后端。内侧伸缩关节34纵向延伸至刚好越过中脚部分的脚底表面上的后部地面接触点，进入杯形凹入区域30，在此它终止于伸缩关节孔36。外侧的伸缩关节35比内侧伸缩关节34延伸得更远，进入前脚，在此它终止于伸缩关节孔37。结果，两伸缩关节在人脚上起高、低速档的作用。如图12所示，连接两伸缩关节36和37的直线B-B从假脚的长轴向外偏移35°的角η。因为从踝关节到斜轴B-B的距离在外侧比在内侧更短，所以该轴首先用于在转换到高速档功能之前提起脚跟。越过高速档或内侧，推出的功能导致形成内转的前脚-后脚位置，且增加了前脚内侧下承受的重量。因此，前脚部分2A可以使双平面前脚运动产生。
具体而言，伸缩关节34和35独立地使前脚背屈和内翻，以及脚底弯曲和外翻。这种双平面运动能力保持了在不平地面上的前脚脚底坡度。在这方面，假脚1模仿了人脚。当后脚部分2C改变位置时，前脚和中脚部分需要沿相反的方向改变位置。这种相反的扭转保持了脚底的坡度。
由截肢者佩带的假脚1作为一种闭链式假体装置，该装置响应于人的步态中产生的地面作用力。在步态的初始接触期间，后外侧脚跟触击地面。如上所述，后外侧脚跟区域的设计是偏置的，从而经鸭尾形延伸部分传递重量，该鸭尾形部分向上偏转，以吸收产生小腿的弯曲扭矩的脚跟杠杆作用力。通过脚跟的后部的凹陷9和相对于距骨下关节5的旋转轴的外侧偏移l2提供假脚1的这种扭矩吸收和且改进的冲击吸收特性，从而在施加作用力时，距骨下关节外翻。这种外翻作为冲击吸收器，以缓冲步态中最初接触的重量传递阶段。此外，作用力施加在假体踝关节4的旋转轴4A的后部，导致踝关节脚底弯曲，且假脚的中脚和前脚部分2B和2C下降到地面。
参照图12所示的假脚的脚底承重表面31和31’，当在步态的整个站立阶段，重量首先从脚跟部分传递到前脚部分时，地面反作用力顶推假脚1的脚底表面。当重量经后脚部分2C传递时，距骨下关节5可以使脚1在对应于人体动作的三个主要平面内运动，即横平面、正平面和矢状平面。如上所述，由于假脚的距骨下关节旋转轴5A的方位与横平面、正平面和矢状平面偏移，所以实现了这种三平面运动能力。这种方位可以实现在三个平面上的运动能力。矢状平面分量小于正平面和横平面上的分量。距骨下关节5的减小的矢状平面运动由位于距骨下关节附近的踝关节4来补偿。
距骨下关节的能在横平面上实现运动的能力是很重要的，在步态的站立阶段，主要通过距骨下关节的下部末端必须吸收经胫骨和腓骨传递到踝关节然后传递到距骨下关节的19°的横平面运动。距骨下关节5作为斜接的铰链，将这种运动传递到后脚和中脚部分2C和2B。这种运动集中在中脚动态响应特性和中脚-前脚双平面运动能力上。结果，实现了脚底表面承重特性的改变。在步态的站立阶段假脚放平之前，随着重量传递线在假脚前部移动，然后接近踝关节4，地面反作用力致使踝关节脚底弯曲，直到整个脚接触地面。这种脚底弯曲运动是通过踝关节前部间隙7进一步扩展或张开，并通过后部踝关节凹陷9压缩实现的。
一旦假脚1在地面上放平，则重量传递到踝关节4。随着重量传递在假脚更靠前地移动，前部背屈间隙7接合，并阻止继续背屈运动。即，这种运动通过形成前部踝关节间隙的相对表面靠在一起而阻止。间隙7越大，背屈运动的潜力越大。重量传递到相邻间隙7的前部踝关节阻挡是很重要的。所以，重量传递到假脚1的中脚部分2B。因此，假脚1的纵向脚弓28的区域承载，且其对其凹陷伸缩和吸收这些垂直作用力作出响应。结果是更大的冲击吸收特性和动态响应能力。
接近的内侧纵向脚弓区域在半径上比外侧远端更大。因此，与该脚弓的远端外侧的纵向凹陷相比，内侧具有增大的扩展潜力和更高的动态响应。随着重量在假脚1上向前移动，接近图12的第一纵向旋转轴Z-Z的内侧部分，重量传递接近假脚的中间正平面。
假脚的脚底和脚背设计成用于允许或促使特定的运动出现。具体而言，通过前脚部分2A的脚底表面形成为凹陷29，第一旋转辐射轴Z-Z和在人脚上与该轴相关的运动能力在假脚1上得到模仿。凹陷29的纵轴Z-Z平行于人脚的第一纵向旋转辐射轴定向。这种方位相对于假脚的长轴向内转动45°，参见图12的角∑。
来自于施加到这一凹陷上的作用力及其具体度数方位的运动结果是垂直冲击吸收能力和改进的动态响应能力。第一凹陷29，以及该纵向脚弓凹陷28产生动态响应能力。这些动态响应能力是通过地面作用力将重量传递到该凹陷的侧面以及该凹陷的扩展体现的。因此，在步态中假脚1上出现凹陷扩展，且一旦去除作用力，假脚1弹性回复其原来形状，释放储存的能量。
假脚1上的踝关节和距骨下关节4和5也具有产生动态响应能力的潜力。例如，当踝关节4脚底弯曲，前背屈间隙7扩展，而后凹陷9压缩时，能量储存在踝关节支柱4B上。一旦垂直作用力去除，支柱4B将恢复其初始位置。
因此，响应于地面反作用力的假脚1的动态响应，与凹陷和凸起的扩展和压缩有关，且借助于出现的运动和具体关节支柱的设计特征达到较小的程度。支柱4B和5B构成后脚部分2C上的1类杠杆的中间枢接点。踝关节和距骨下关节的支柱分别具有能量存储能力。物理性能，以及设计特点产生动态响应能力。作用力的施加将导致运动。一旦作用力去除，支柱的物理性能使其恢复到其最初的静止形状，因此，出现动态响应。虽然假脚的第一辐射轴和第五辐射轴不是截然不同的关节轴，但假脚的本体2的表面特征的形状和设计决定了功能运动能力，所以促使这些具体的运动出现，如上所述。
在理解存在的动态响应能力时，中脚脚底和脚背形状之间的内在联系是很重要的。在假脚1的这一区域，内侧和外侧表面的形状是特定形状，这些形状提供了功能运动输出。在步态中，外侧脚背第五凹陷27受到压缩，使阻挡运动的潜力更小。这涉及到低速档原理。如上所述，内侧的中脚脚底和脚背表面区域(功能上的第一辐射(first ray))通过扩展而响应作用力的施加。扩展增加了阻力，结果，动态响应能力增强。这种增强的动态响应能力与高速档原理相应。
高速和低速档原理涉及步态加速、减速和速度分量。高速档增加的动态响应能力可以在步态加速和减速阶段使用。低速档原理更涉及步态的速度，而不是上述的加速和减速。假脚1的低速分量将使截肢者以较小的能量消耗走动，同时以较慢的速度行走。这种能量消耗的降低与两个原理相关，即脚趾杠杆的长度，因为这些脚趾杠杆长度涉及小腿的伸展扭矩，以及假脚内侧和外侧区域的动态响应能力。
高速档具有比低速档更长的脚趾杠杆。当截肢者缓慢行走时，产生较小的动量和惯性。有效地克服长脚趾杠杆的能力较低。在缓慢行走时，在步态的站立阶段，身体的重心移向外侧。利用假脚1的改进的正平面运动能力，患者的小腿可以定位而移动到中脚和前脚区域的低速档或高速档部分。如果佩带假脚1的截肢者加速或减速，他将利用高速档功能，一旦达到舒适的步态速度。截肢者将寻求可以继续保持舒适的步态速度的前脚2A的区域。如果截肢者希望更大的动态响应特性，作用力的传递将多在内侧部分出现，或者对于较小的动态响应特性，作用力的传递将多在外侧部分出现。利用假脚1，截肢者具有功能运动输出的选择权。
截肢者的总体步态模式改进是这种选择性控制的结果。随着重量传递在假脚1上更靠前地移动，通过两伸缩关节孔36和37的配置以及脚本体2的脚底和脚背表面的形状和设计，第五辐射轴折回。即，本体2的脚背绕第五旋转辐射轴Y-Y形成为凹陷27。该凹陷促使出现垂直于纵轴Y-Y的运动。已知在正常步态时，小腿，胫骨和腓骨不在矢状平面内单独前进。已知在站立中间时，膝盖或小腿向外侧移动，且还出现正平面运动。这在人的膝盖上通过中间的大腿骨骨节的较大表面积体现。
假脚1上的第五旋转辐射轴Y-Y的功能是很重要的。随着重量向前且向假脚1的外侧传递，第五辐射纵轴Y-Y使垂直于其纵轴的运动出现。此外，两伸缩关节孔36和37定位而促使前脚运动，该运动位于第五纵向旋转辐射轴上，因此，产生增强的双平面运动能力。上述的低速档和高速档作用也得到增强。结果，假脚的步态特性增强，模仿了人的步态。
通过上述的伸缩关节和伸缩关节孔，假脚1的双平面前脚特性得到增强。该两伸缩关节孔关键地放置，以产生特定的运动能力。即，投影在矢状平面上时两孔相对于与正平面平行的线B-B成45°的角b纵向地确定方位，见图2。这种方位起斜接铰链的作用，更像距骨下关节的斜接铰链。结果是增强了双平面运动能力。
前脚部分2A的脚底承重表面31和后脚部分2C的脚底承重表面31’也是特定的设计和形状。脚底表面伸缩关节孔36和37位于跖弓区域30内。因此，当重量传递到假脚1的等效于跖骨头部的区域时，重量由伸缩关节支柱38、39和40承担。当假脚1的脚底承重表面接触地面时，重量由伸缩支柱承载，导致产生悬挂腹板效应。这样可以有较大的成形能力，同时保持假脚所需的稳定可靠的结构稳定性。利用改进的假脚双平面前脚运动能力，使人的步态得到改进。
随着重量在步态中继续向前移动到伸缩关节支柱和辐射区域(rayarea)，假脚1的形状设计成用于产生特定的运动输出。本体2的上述区域的脚背和脚底为向上延伸的弓形，见图2。脚背的凹陷取向汇入第五凹陷27。这种一个汇入另一个的形状汇合在步态的最近站立阶段和摆动阶段之间形成平顺的过渡。在上述步态顺序中，向上成形的辐射区域起背屈的脚趾的作用。
虽然已经结合第一实施例描述了本发明的假脚，但替代实施例也是可行的。例如，存在着假脚踝关节高度的空间关系，以及该高度如何影响假脚的距骨下关节支柱的斜轴的潜在方位。在公开的实施例中，后脚的高度(脚底表面到角锥形连接表面)为3-3英寸。该高度可以更大，踝关节的方位更接近。踝关节的这种方位变化使距骨下关节的斜轴接近，并例如从29-30°变化到42-45°。在公开的实施例中30°的方位增加了内翻和外翻(正平面运动)，减小了外展和内收(横平面运动)。对于具有更接近的踝关节的替代实施例，45°倾斜的距骨下关节轴可以实现相等的横平面和正平面运动。该后一方位的净效果是与所述示例性实施例相比，减小了内翻/外翻正平面运动，增加了脚的外展和内收。这种在外展和内收上的增加将受到地面反作用力的阻止，因此，内翻和外翻能力减小，横平面运动增加。
另一可能的变型是移动距骨下关节支柱，使其更靠近脚1的内侧，从而增加图4的外侧偏移l1。这将使距骨下关节偏向，增加步态最初接触阶段的外翻。实际效果是改进了冲击吸收能力。而且，两伸缩关节孔的矢状平面方位可以与第一示例性实施例变化。这些孔可以在正平面内向内侧或外侧偏移。这两个孔的非矢状平面方位的结果是伸缩关节和伸缩支柱沿靠近内侧和外侧的方向移动。例如，如果两伸缩关节孔的脚背端从矢状平面向外侧偏移20-30°，那么当地面反作用力作用时，该三个伸缩关节支柱偏向，促使背屈和内收。使伸缩关节孔的脚背部分的方位从矢状平面向内侧偏移20-30°，将促使支柱背屈和外翻。此外，可以确定两伸缩关节孔的方位，使一个孔向内侧偏移，另一个孔向外侧偏移。例如，外侧伸缩关节孔的脚背部分可以从矢状平面向内侧偏移35°。该方位将使外侧伸缩关节支柱偏向，更容易移动而背屈和外展——改进了低速档效果。内侧关节孔的脚背部分可以从矢状平面向外侧偏移45°。该方位将使内侧伸缩支柱偏向，从而移动形成背屈和内收。实际效果是改进了内侧伸缩关节支柱的运动能力，因为它的运动涉及高速档效果。
假脚的另一替代实施例具有一个伸缩关节和伸缩关节孔，所以仅形成内侧和外侧的伸缩关节支柱。这将增加前脚的刚度，减小其双平面运动能力。如前所述，这种单个伸缩关节孔的设计可以如所述从矢状平面偏移。也可以在假脚的脚跟区域设置伸缩关节，以改进脚跟的脚底平面，在不平表面上保持脚底坡度。踝关节也可在假脚的距骨下关节下方移动。这将使距骨下关节的斜度增加，而没有影响假脚的整体高度-低型面假脚的优点。
假脚1的本体2也可以使用在前脚和中脚部分2A和2B以及后脚部分2C上密度和硬度不同的材料模制成的混合类型的假脚。假脚的物理性能以及设计特点形成其动态响应能力。
在图28中示出了本发明的第二示例的假脚50。根据本发明，假脚50包含踝部设备，例如踝部支架部件51，该部件连接于普通的低型面Seattle式假脚或类似的假脚52上，以改进假脚的后脚功能特性。该踝部支架部件具有T形螺母53(见图23-25)，嵌入在其末端，用于通过螺栓55将该部件连接于假脚52的假脚龙骨54上。螺栓延伸穿过假脚龙骨上的台阶孔56和假脚52的装饰用覆盖物57。
踝部支架部件的形状和功能特性类似于第一示例性实施例的假脚1的后脚2C。一旦连接于假脚的顶部，则形成后部凹陷57。如图所示，还形成具有平滑流线的前部凹陷58。由于结合第一示例性实施例的假脚的后脚部分2C描述的上述特征，该支架部件51具有三平面后脚运动能力。这些特征包括存在分别作为踝关节和距骨下关节的第一和第二关节60和61。在制造时，该T形螺母或类似紧固件嵌入该部件51的弹性塑料的末端表面中。
至此结束对示例性实施例和可能的变型或替代实施例的描述。然而，应当理解，对于本领域的技术人员而言，可以作出多种其他的改进和实施例，而落入本发明原理的主旨和范围内。尤其是，在上述公开内容、附图和所附权利要求的范围内，在零部件和/或组合装置上的合理变化和改进是可能的，而没有脱离本发明的思想。
权利要求
1.一种假脚，其包括前脚部分、中脚部分和后脚部分，所述后脚部分包括用于在步态中实现假脚的三平面封闭式动力链运动的装置，所述中脚部分的脚底平面具有纵向脚弓，所述纵向脚弓形成有凹陷，所述凹陷具有纵轴线，所述纵轴线在正平面内与横平面偏移25°至42°，从而产生正平面和矢状平面运动能力，所述纵向脚弓凹陷的内侧部分比所述凹陷的外侧部分在半径上更大且更接近。
2.如权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述前脚部分的后部包括至少一个延伸穿过其脚背和脚底表面之间的所述前脚部分的伸缩关节孔，伸缩关节从所述伸缩关节孔向前延伸到所述前脚部分的前边缘，而形成多个伸缩支柱，所述伸缩支柱产生改进的所述假脚前脚部分的双平面运动能力。
3.如权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述中脚部分由半刚性材料制成，所述纵向脚弓的形状制成在步态中产生所述假脚的动态响应能力，从而使所述纵向脚弓的内侧部分具有较高的动态响应能力，且所述纵向脚弓的外侧部分具有较低的动态响应能力。
4.如权利要求1所述的假脚，其特征在于，所述前脚、中脚和后脚部分由单件弹性材料制成。
5.如权利要求4所述的假脚，其特征在于，所述弹性材料是半刚性材料。
6.一种假脚，其包括前脚部分、中脚部分和后脚部分，所述后脚部分包括用于在步态中实现假脚的三平面封闭式动力链运动的装置，所述前脚部分的后部包括至少一个延伸穿过其脚背和脚底表面之间的所述前脚部分的伸缩关节孔，伸缩关节从所述伸缩关节孔向前延伸到所述前脚部分的前边缘，而形成多个伸缩支柱，所述伸缩支柱产生改进的所述假脚前脚部分的双平面运动能力。
7.如权利要求6所述的假脚，其特征在于，所述中脚部分由半刚性材料制成，所述纵向脚弓的形状制成在步态中产生所述假脚的动态响应能力，从而使所述纵向脚弓的内侧部分具有较高的动态响应能力，而所述纵向脚弓的外侧部分具有较低的动态响应能力。
8.如权利要求7所述的假脚，其特征在于，所述前脚、中脚和后脚部分由单件弹性材料制成。
9.如权利要求8所述的假脚，其特征在于，所述弹性材料是半刚性塑料。
全文摘要
一种假脚(1)，用于改进进行行走、奔跑和跳跃活动的截肢者的步态和舒适感。该假脚可以实现后脚三平面运动，且具有后脚、中脚和前脚动态响应，以及中脚和前脚双平面运动能力。后脚(2C)上的踝关节(4)和距骨下关节(5)实现假脚的封闭式动力链运动。在一种形式中，踝关节和距骨下关节与后脚通过后脚的弹性材料制成的相应支柱(4B和5B)形成为一体。在另一种形式中，踝关节和距骨下关节位于连接于假脚(50)的假脚龙骨(54)的踝部支架部件(51)上。踝部支架部件例如可以用作现有低型面假脚的功能升级部件。
文档编号A61F2/42GK1781464SQ20051013583
公开日2006年6月7日 申请日期2001年12月21日 优先权日2000年12月22日
发明者巴里·W·汤森, 拜伦·肯特·克劳丁诺 申请人:巴里W·汤森, 拜伦·肯特·克劳丁诺