专利名称：具有可调性能的假足的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可提供增强的动态响应能力的高性能假足，而这些动态响应能力涉及到应用力学。
背景技术：
在Martin等人的美国专利No.5897594中公开了一种用于假腿的无关节式人造足。在早期的解决方案中，人造足具有设置了关节以模仿脚踝功能的刚性结构；与这些早期解决方案不同，Martin等人的无关节式人造足采用了设在足模制件内部的弹性足嵌件(foot insert)。该嵌件在纵向截面上为大致C形设计，具有朝向后方的开口，并且该嵌件用其C形的上分支来承接假肢的负载，并通过其C形的下分支将该负载传递到与之相连的板簧上。该板簧从下方看去时为凸起的设计，并且近似平行于脚底区域延伸，向前超过该足嵌件而进入到足尖区域中。Martin等人的发明的目的是针对减小脚跟的冲击、弹性、脚跟至脚趾的行走以及横向稳定性来改善该无关节式人造足，从而允许穿用者可自然地行走，其意图是允许穿用者既能正常行走，又能进行身体锻炼以及进行体育运动。然而，这种已知的人造足的动态响应特性是有限的。需要提供一种具有增强的应用力学设计特征的高性能假足，这些应用力学设计特征可增强截肢者进行例如行走、跑步、跳跃、短跑、起动、停止以及急转活动的能力。
Van L.Philips提出了另外的假足，据称其能够给截肢者提供可从事多种活动的灵活性和机动性，这些活动在过去因现有假肢的结构限制以及相应性能而无法进行。这些已知的假足据称可支持跑步、跳跃和其它活动，据报道，它们可以与穿用者正常足相同的方式来使用。例如可参见美国专利No.6071313、No.5993488、No.5899944、No.5800569、No.5800568、No.5728177、No.5728176、No.5824112、No.5593457、No.5514185、No.5181932和No.4822363。
发明内容
为了允许截肢者得到更高水平的性能，需要有具有增强的应用力学特性的高性能假足，该足在性能上优于人足和现有技术中的假足。具有高性能假足对截肢运动员来说是有意义的，其可具有增强的应用力学特性、高低动态响应、以及可以进行微调以提高活动的水平和竖直分量的定位可调性，这些在本质上是任务特定型的。
本发明的假足旨在满足这些需求。根据这里所公开的一个示例性实施例，本发明的假足包括纵向延伸的足龙骨件，其具有位于一端的前足部分、位于另一端的后足部分、以及在前足和后足部分之间延伸并从中向上拱起的相对较长的中足部分。还提供了包括向下凸出弯曲下端的小腿胫骨件(calf shank)。可调节的紧固装置将小腿胫骨件的弯曲下端连接到足龙骨件的向上拱起的中足部分上，从而形成了假足的踝关节区域。
该可调紧固装置允许在足龙骨件的纵向上调整小腿胫骨件和足龙骨件相互之间的定位，以便调节该假足的性能。通过在足龙骨件的纵向上调整足龙骨件的反向向上拱起的中足部分和小腿胫骨件的向下凸出弯曲下端相互之间的定位，就可将假足的动态响应特性和运动输出改变成针对所需/所希望的水平和竖直线速度的任务特定型。公开了一种具有高和低动态响应能力以及双平面运动特性的多用途假足，其增强了参与体育和/或娱乐活动的截肢者的功能输出。还公开了一种尤其用于短跑的假足。
该假足也可包括这样的装置，该装置在使用假足期间限制小腿胫骨件的上端响应于对该小腿胫骨件进行力加载和力卸载而运动的范围。在一个实施例中，该装置是活塞-汽缸单元，其连接在小腿胫骨件的上端和下端之间并且装有至少一种压缩流体，以限制运动范围并且还阻尼在小腿胫骨件压缩和伸展过程中所存储或释放的能量。在其它实施例中，该后部小腿装置在假肢的力加载过程中储存其自身的势能，并且在力卸载过程中返回出所储存的能量，以提高总的弹性能储存能力，从而提高由假肢在步态中所产生的用于推进力的动力学功率。
通过对本发明的所公开示例性实施例的详细描述并参照附图，可以更加清楚本发明的这些和其它的目的、特征及优点。
图1是示意性图示，显示了本发明假足的足龙骨件和小腿胫骨件的两个相邻并相互靠着的曲率半径范围R1和R2，其在步态中产生了该足在箭头B方向上的动态响应能力和运动输出，该箭头B的方向垂直于连接两个半径范围的切线A。
图2是类似于图1的视图，但是显示了在根据本发明的假足中改变了这两个半径范围的定位，以提高该足在步态中的动态响应能力和运动输出的水平分量而降低其竖直分量，因此，垂直于切线A1的箭头B1比图1所示的情形更朝向水平。
图3是根据本发明一个示例性实施例的假足的侧视图，其具有用于将假足紧固到截肢者下肢上的假腿转接器和与之相连的假腿。
图4是带有图3所示的假腿转接器和假腿的假足的正视图。
图5是图3和4所示实施例的顶视图。
图6是本发明的尤其用于短跑的另一足龙骨件的侧视图，其可应用在本发明的假足中。
图7是图6所示足龙骨件的顶视图。
图8是图3所示假足中的足龙骨件的底视图，其提供了高低动态响应特性和双平面运动性能。
图9是用于假足的本发明另一足龙骨件的侧视图，其尤其适用于做过足Symes切断术的截肢者进行短跑。
图10是图9所示足龙骨件的顶视图。
图11是用于Symes截肢者的本发明假足的足龙骨件的另一变型，该足龙骨件为假足提供了高低动态响应特性以及双平面运动性能。
图12是图11所示足龙骨件的顶视图。
图13是本发明足龙骨件的侧视图，其中龙骨件的厚度从其中足部分到后足部分渐缩，例如逐渐减小。
图14是足龙骨件的另一形式的侧视图，其中该厚度从龙骨件的中足朝向前足和后足均渐缩。
图15是本发明假足的抛物线形小腿胫骨件的从稍上方到正面看去的侧视图，小腿胫骨件的厚度朝向其上端渐缩。
图16是与图15类似的侧视图，但显示了从中间朝向其上端和下端均渐缩的另一小腿胫骨件。
图17是用于假足的C形小腿胫骨件的侧视图，该小腿胫骨件的厚度从中间朝向其上端和下端渐缩。
图18是用于假足的C形小腿胫骨件的另一实例的侧视图，该小腿胫骨件的厚度从其中间部分到其上端逐渐减小。
图19是用于假足的S形小腿胫骨件的侧视图，其厚度从其中间到两个端部逐渐减小。
图20是S形小腿胫骨件的另一实例，其厚度仅在其上端处渐缩。
图21是用于本发明假足的在各端处渐缩的J形小腿胫骨件的侧视图。
图22是与图21类似的视图，但是显示了在厚度上仅朝向其上端逐渐减小的J形小腿胫骨件。
图23是从稍上方看去的金属合金或塑料连接件的侧视图，其用在如在图3所示的将小腿胫骨件紧固到足龙骨件上的本发明的可调紧固装置中。
图24是应用在图3-5所示假足上的假腿转接器的从侧面和稍靠正面看去的视图，该转接器还可应用在图28和29所示的足上，以将足连接到附在截肢者腿上的假腿上。
图25是与图3所示类似的本发明另一假足的侧视图，但其显示了带有两个纵向隔开的可松开紧固件的连接件，这两个紧固件分别将连接件连接到小腿胫骨件和足龙骨件上。
图26是图25所示连接件的放大侧视图。
图27是图25所示假足的小腿胫骨件的放大侧视图。
图28是类似于图3和25的假足的又一实施例的侧视图，其中，运动限制阻尼装置连接在小腿胫骨件的两端之间，以便在使用假足期间限制小腿胫骨件的上端响应于力加载和卸载该小腿胫骨件而运动的范围。
图29是图28所示假足从左侧看上去的前视图，示出了该足的小腿胫骨件中的纵向狭缝。
图30是图28所示假足从右侧看上去的后视图。
图31是图28所示假足的底视图。
图32是图28的假足的小腿胫骨件和足龙骨件的侧视图，示出了假足使用期间由于对小腿胫骨件的力加载和力卸载所导致的小腿胫骨件上端的运动示例。
图33是类似于图28-32的假足的再一实施例的侧视图，不同之处在于使用了柔性带来仅对小腿胫骨件上端的伸展运动范围作出限制。
图34是另一实施例的带有定位连接器装置的假足侧视图，其中，该定位连接器装置位于转接器上，该转接器连接至小腿胫骨件的上端，以便将该足固定至装在截肢者腿上的假肢承窝，该定位连接器装置允许从内侧到外侧以及从前向后地滑动调节该足相对于假肢承窝的位置。
图35是图34所示假足从左侧看上去的前视图。
图36是图34所示假足从右侧看上去的后视图。
图37是本发明的用于假肢右足的另一足龙骨件的顶视图，其中，该足的后端平行于额状面，例如垂直于该足的纵向轴线A-A，并且近端后足凹面的纵向轴线F-F也垂直于该纵向轴线A-A。
图38是图37的足龙骨件从其外侧看上去的侧视图。
图39是类似于图37和38的本发明又一足龙骨件的顶视图，但是近端后足凹面的纵向轴线F’-F与该纵向轴线A-A成钝角Δ’，这使得该后足的外侧支撑比内侧支撑有效地更长且更具柔性，以在步态中脚跟触地时帮助该足外翻。
图40是图39的足龙骨件从其外侧看上去的侧视图。
图41是再一实施例中带有弹性后部小腿装置的假足的侧视图，该弹性后部小腿装置连接在小腿胫骨件的上端和连接件之间，该连接件将该小腿胫骨件连接至足龙骨件，该装置在步态的力加载过程中在其弹簧中储存能量，并且在力卸载过程中返回所储存的能量，以提高该假肢在步态中所产生的用于推进力的动力学功率。
图42是图41的假肢的后视图。
图43是带有后部小腿装置的假足的又一实施例的侧视图，用于提高该假肢在步态中所产生的用于推进力的动力学功率，其中，该装置的长度可调的带在小腿胫骨件的上端和该足龙骨件的前端之间被张紧。
图44是图43的假肢的后视图。
图45是图43和44的假肢的底视图，示出了连接至足龙骨件的两侧并向后延伸的张紧缆绳。
图46为另一实施例的假足的侧视图，其中，小腿胫骨件和足龙骨件以及后部小腿装置为一体形成的，该装置的弹簧的远端枢轴连接到足龙骨件的后部。
图47为图46的假肢的后视图。
图48为一种实施例的假足的侧视图，与图46和47中的类似，但足龙骨件、小腿胫骨件和后部小腿装置是由三个并排的纵向部分一体形成的，这些纵向部分可在它们的远端处相互自由移动，但在小腿胫骨件的近端处连接起来；相比于处于外面的部分，该中央部分较宽，并且在其远侧表面较高。
图49为图48的假肢的顶视图。
图50为图48和49的假肢的前视图。
图51为图48-50的假肢的后视图。
图52为本发明另一形式的小腿胫骨件和足龙骨件的侧视图，其中，小腿胫骨件是与足龙骨件的后部一体形成的，由紧固件将该小腿胫骨件连接到由假肢的前足和中足所形成的部件上。
图53为图52的小腿胫骨件和足龙骨件的顶视图。
图54为图52和53的小腿胫骨件和足龙骨件的后视图。
实施本发明的最佳方式下面来看附图，从图3到5中的示例性实施例中可以看到，假足1包括纵向延伸的足龙骨件2，该足龙骨件2具有位于一端的前足部分3、位于另一端的后足部分4、以及在前足部分和后足部分之间延伸的向上拱起的中足部分5。在该示例性实施例中，中足部分5在前足部分和后足部分之间在其整个纵向范围上向上凸出式弯曲。
足1的直立小腿胫骨件6通过可松开的紧固件8和连接件11而在其向下凸出的弯曲下端7的一部分处连接到龙骨件中足部分5的近侧后表面上。在该示例性实施例中，紧固件8是带有螺母和垫圈的单个螺栓，然而它也可以是可松开的夹具或其它紧固件，用来在拧紧紧固件时将该小腿胫骨件可靠地定位和保持在足龙骨件上。
参见图8，在龙骨件中足部分5的近侧后表面中形成有纵向延伸的开口9。在小腿胫骨件6的弯曲下端7内也形成有例如图15所示的纵向延伸的开口10。可松开的紧固件8延伸穿过开口9和10，这样，在将紧固件8松开或释放时，便可在图5中A-A所示的纵向方向上调整小腿胫骨件和足龙骨件相互之间的定位，从而根据特定的任务来调节假足的性能。这样，紧固件8、连接件11以及纵向延伸的开口9和10构成了用于将小腿胫骨件连接到足龙骨件上的可调紧固装置，以形成假足的踝关节区域。
从图1和图2中可以看到调整小腿胫骨件6和足龙骨件2的定位的效果，其中两个相互紧邻的半径范围R1和R2代表足龙骨件中间部分5和小腿胫骨件6的相邻且相互面对的拱形或凸出的曲面。当把这样两个半径范围看作相互紧邻时，在与画在两个半径范围之间的切线(图1中为A，图2中为A1)相垂直的方向上存在运动能力。这两个半径范围之间的相互关系决定了运动输出的方向。因此，足1的动态响应力的施加取决于这种关系。凹面的半径越大，动态响应能力就越强。然而，半径越小，响应就越快。
在本发明的假足中，小腿胫骨件和足龙骨件的这种定位能力允许这些半径范围发生移动，从而影响体育运动中该假足的水平或竖直线速度。例如，为了增强假足1的水平线速度能力，可改变定位以影响小腿胫骨件半径范围和足龙骨件半径范围的关系。换句话说，为了增强水平线速度特性，如将图2与图1对比所显示的那样，底部的足龙骨件半径范围R2比其起始位置更远。这就将足1的动态响应特性和运动输出改变成更靠近水平方向，从而可通过相同的作用力来获得更大的水平线速度。
当截肢者的需求涉及到水平和竖直的线速度时，他/她可通过实践来找到能满足其需求的用于各种运动的设置。例如，跳高运动员和篮球运动员比短跑运动员需要更多的竖直升程。连接件11是夹在相连的足龙骨件2和小腿胫骨件6之间的塑料或金属合金的定位连接件(参见图3、4和23)。可松开的紧固件8延伸穿过该连接件中的孔12。该连接件沿小腿胫骨件和龙骨件中足部分5的近侧后表面的相连部分而延伸。
小腿胫骨件6的弯曲下端7为抛物线形，该抛物线的最小曲率半径位于下端，并且以抛物线形先向前再向上延伸。如图3所示，小腿胫骨件的曲率形成了朝后的凹度。抛物线形状是有利的，因为它在两方面增强了动态响应特性，一方面提高了与其相对更大半径的近端相关联的水平线速度，另一方面在其下端具有更小的曲率半径，以实现更快的响应特性。抛物线形状的上端处的更大曲率半径使得切线A(参见图1和2)能通过定位变化而保持为更加竖直的定向，这可以产生提高的水平线速度。
抛物线形的小腿胫骨件通过其自身的压缩或卷曲而在人的步态中对初始触地力作出响应。这就使抛物线的半径变小，因而降低了对压缩的阻力。相反，由于抛物线形小腿胫骨件通过伸展而在人的步态中对脚跟离地的地面反作用力(GRF)作出响应，这就使抛物线的半径变大，因此阻力比前述压缩阻力更大。这些阻力与在人步态中人的小腿前、后部小腿肌肉的功能相关。在人的步态中脚掌初始接触时，较小的小腿前部肌肉群通过偏心收缩来对GRF作出响应，从而将足放到地面上，并且产生了背屈力矩。在从脚掌到脚趾离地时，较大的小腿后部肌肉群同样通过偏心收缩来对GRF作出响应，并产生了更大的足底屈曲力矩。这种力矩的大小与小腿前部和后部肌肉群的大小差异有关。因此，可以模仿假肢小腿胫骨件对人步态中的背屈力矩和足底屈曲力矩的阻力，并可实现正常的步态。抛物线形式的可变阻力性能可以模仿人步态以及跑步和跳跃活动中的人体小腿肌肉组织功能，结果就可实现假肢的功效。
人大约每小时行走3英里。可4分钟跑一英里的赛跑运动员每小时可跑12英里，可10秒钟跑100米的短跑运动员每小时可跑21英里。这是一个1∶4∶7的比例。随着运动速度的提高，每项任务的水平分量变得更大。因此，可以预先确定假肢小腿胫骨件的半径的大小。行走者需要比一英里赛跑运动员和短跑运动员更小半径的抛物线形小腿胫骨件。短跑运动员需要有七倍大的抛物线形小腿胫骨件。这种关系显示了对于行走者、跑步者和短跑运动员来说如何确定抛物线的半径。这是很重要的，因为短跑运动员具有增大的运动范围要求，并且他们的小腿胫骨件必须更强壮，以接受与此活动有关的增大负载。更宽或更大的抛物线形小腿胫骨件将会是相对更平的曲线，其相当于具有增大运动范围的更大的结构强度。
在小腿胫骨件6的上端通过紧固件14连接了假腿转接器13。该转接器13又通过紧固件16紧固到假腿15的下端上。假腿15通过连接到腿残端上的支承结构(未示出)紧固到截肢者的下肢上。
在该示例性实施例中，足龙骨件2的前足、中足和后足部分由单片弹性材料形成。例如，可以采用本身具有弹性的实心材料片，其具有在被地面反作用力偏转时保持形状的特性。更具体地说，足龙骨件以及小腿胫骨件可由层压复合材料来形成，该层压复合材料具有由聚合母体材料层压而成的强化纤维。尤其是，可采用与热固性环氧树脂、或商品名称为Delran的挤压塑料、或脱气的聚氨酯共聚物层压在一起的高强度石墨来形成足龙骨件以及小腿胫骨件。与这些材料相关的功能特点提供了具有较低重量和最小蠕变的高强度。利用假肢工业标准在真空下层压热固性环氧树脂。可将聚氨酯共聚物浇注到阴模中，并且可对挤压塑料进行机械加工。每种材料的使用都具有其优点和缺点。已经发现，用于足龙骨件和小腿胫骨件的层压复合材料还可优选为由强化纤维和热塑性聚合母体材料按照工业标准制成的热成型(预浸渍)层压复合材料，以实现优良的机械伸展性质。合适的可买到的这种复合材料为由美国马里兰州Havre de Grace的Cytec Fiberite公司制造的CYCLON。该小腿紧固件和足龙骨件也可是弹性金属部件，该弹性金属部件例如是由弹簧钢、不锈钢、钛合金或其它金属合金形成。
弹性材料的物理性质如涉及硬度、挠度和强度全部由材料的厚度决定。较薄材料比同样密度的较厚材料更容易偏转。所采用的材料及物理性质与假足龙骨件和小腿胫骨件的硬度和挠度特性相关。在图3到5所示的示例性实施例中，足龙骨件和小腿胫骨件的厚度是均匀的或对称的，但是，厚度可在这些部件的长度上以下面将讨论的方式那样变化，例如可使后足和前足区域更薄一些，并且可使得对中足区域的偏转更敏感。
为了帮助向假足1提供高、低动态响应能力，将中足部分5形成为纵向的拱形，使得该纵向拱形的内侧比纵向拱形的外侧具有相对更高的动态响应能力。为此，在该示例性实施例中，纵向拱形的凹面的内侧在半径上比其外侧更大。
中足部分5的纵向拱形凹面的内侧与外侧半径大小之间的相互关系可进一步限定为足龙骨件2的前后足底面的承重表面区域。在图8中中，中足部分5的前部上的线T1-T2代表前足底面承重区。线P1-P2代表中足部分5的后足底面承重区。T1-P1之间的距离代表足外侧上的足底承重表面。P2-T2之间的距离代表足2内侧上的足底承重表面。T1-P1和P2-T2所代表的距离决定了半径大小，结果，可通过使这两条线T1-T2和P1-P2会聚或发散来确定并影响高、低动态响应的相互关系。结果，可在结构设计中确定高、低动态响应。在图8中，该T1-T2前足底面承重表面可以只偏离足龙骨件纵向轴线A-A的垂线5°大小，以便产生该高低动态响应。
后足部分4的后端17成形为向上弯曲的拱形，可在脚跟着地期间通过压缩减震来对地面反作用力作出反应。后足部分4所形成的脚跟形成有后外角部18，该角部18比内侧角部19更靠后侧和更靠外侧，以促进后足在步态的初始触地期间进行外翻。前足部分3的前端20成形为向上弯曲的拱形，以模拟在步态的站立后期中脚跟抬起脚趾离地位置中处于背屈状态下的人脚趾。在前足和后足的下部设有作为缓冲垫的橡胶或泡沫衬垫63和64。
在前足部分3的背面和足底面之间延伸穿过前足部分3的内侧伸展关节孔21和外侧伸展关节孔22产生了假足的增强的双平面运动能力。伸展关节23和24从各自的孔向前延伸到前足部分的前边沿，以形成内侧、中部和外侧的伸展支撑25-27，其形成了足龙骨件的前足部分的增强的双平面运动能力。伸展关节孔21和22沿图5中的线B-B设置在相对于足龙骨件纵向轴线A-A成35°的α角延伸的横向平面内，其中内侧伸展关节孔21比外侧伸展关节孔22更靠前。
在图5中，线B-B相对纵向轴线A-A的角α可小至5°，并仍然可得到高、低动态响应。随着该角α的变化，图8中的线T1-T2的角Z也会改变。投射在矢状面上的伸展关节孔21和22相对于该横向平面倾斜成45°角，其中孔的背面比足底面更靠前。采用这种设置，从可松开的紧固件8到外侧伸展关节孔22的距离比从可松开的紧固件到内侧伸展关节孔21的距离更短，使得假足1的外侧部分比内侧具有更短的脚趾杠杆(toe lever)，以实现中足的高和低的动态响应。此外，线T1所代表的从可松开的紧固件8到外侧足底承重表面的距离比线T2所代表的从可松开的紧固件到内侧足底承重表面的距离更短，使得假足1的外侧部分具有比内侧更短的脚趾杠杆，以实现中足的高低动态响应。
足龙骨件2的后足部分4的前部还包括在后足部分4的背面和足底面之间延伸穿过后足部分4的伸展关节孔28。伸展关节29从孔28向后延伸到后足部分的后边沿，以形成伸展支撑30和31。这样就为假足的后足部分带来了增强的双平面运动能力。在图8中，作为一种变化，各伸展关节孔28、21和22可带有另一小孔28A、21A和22A，这些小孔钻穿邻近于该伸展关节的区域，以便作为应力缓减孔。这些附加的小孔使得该工作波型重新定向，并降低了足龙骨件撕裂和/或破裂的可能性。
如图3所示，足龙骨件2的中足部分5和前足部分3的背面形成了朝上的凹面32，使得它能够在功能上模仿人足的第五跖列(fifth ray)的运动轴线。也就是说，凹面32的纵向轴线C-C定位成相对于足龙骨件纵向轴线A-A成5°到35°的角β，其中，内侧比外侧更靠前，以便促进步态的第五跖列运动，如同在人足中的第二到第五跖骨的倾斜的低速档旋转轴线中一样。
当截肢者在不平的地势上行走或运动员在足上向内或向外急转时，便可理解到双平面运动能力的重要性。地面作用力矢量的方向从矢状定位改变到具有额状面分量。地面将在与足向外作用相反的方向上向内作用。结果，小腿胫骨件向内侧倾斜，并且重量施加到足龙骨件的内侧结构上。响应于这些压力，足龙骨件2的内侧伸展关节支撑25和31背屈(向上偏转)并内翻，而外侧伸展关节支撑27和30足底屈曲(向下偏转)并外翻。这一运动用来将脚掌的足底面放在地面上(足底触地)。
参见图6和7，在本发明的假足中可以使用本发明的另一足龙骨件33，其尤其适用于短跑。在短跑中，身体的重心变成基本上仅沿矢状面定位。假足不需要具有低动态响应特性。结果，不需要像在足龙骨件2中那样使前足、中足凹面的纵向轴线定位在5°到35°的外部旋转方位上。相反，如在图6和7中所示，凹面的纵向轴线D-D的方位应当变成与额状面平行。这就使得短跑足仅在矢状方向作出反应。另外，前足和中足部分中的伸展关节孔34和35的方位沿着线E-E平行于额状面，即外侧孔35向前移动到与内侧孔34成一直线，并平行于额状面。足龙骨件33的前末端36也制成为与额状面平行。足龙骨件的后末端脚跟区域37也平行于额状面。这些修改会对假足的多用途性能带来不利影响。然而，它的性能特征是针对特定任务的。短跑足龙骨件33的另一个变型在该假足的前足部分的脚趾跖列区域中，其中将足龙骨件2中的15°背屈增大为足龙骨件33中的25-40°背屈。
图9和10显示了本发明的另一足龙骨件38，它可用在尤其适用于做过Symes截足术的截肢者进行短跑的假足中。为此，足龙骨件38的中足部分包括靠后的向上凹面39，其中可通过可松开的紧固件来将小腿胫骨件的弯曲下端连接到足龙骨件上。所有的下肢截肢者都可采用这种足龙骨件。足龙骨件38可适用于与Symes级截肢者相关的较长余肢。它在动态响应性能方面的性能特征要快得多。它的应用并不专门用于这种程度的截肢。可将其应用在所有穿过胫骨和穿过股骨的截肢状况中。在图11和12的示例性实施例中，足龙骨件40还具有用于Symes截肢者的凹面41，该足龙骨件向假足提供了与图3-5和8所示示例性实施例中的相似的高、低动态响应特性以及双平面运动性能。
用于假足1的几个足龙骨件的功能特征与形状和设计特征相关，它们涉及凹面、凸面、半径大小、伸展、压缩以及材料的物理性质，所有这些性质涉及到对行走、跑步和跳跃活动中的地面作用力作出反应。
图13中的足龙骨件42与图3-5和8所示示例性实施例中的相类似，不同之处在于，足龙骨件的厚度从中足部分朝向后足的后部渐缩。图14中的足龙骨件43的厚度在其前端和后端处逐渐降低或渐缩。图15中的小腿胫骨件44和图16中的小腿胫骨件45显示了厚度上的类似变化，它们都可以用在假足1中。足龙骨件和小腿胫骨件的每一项设计都会产生不同的功能输出，这些功能输出涉及到水平和竖直的线速度，而这些速度在不同的运动任务中对于提高性能来说是特定的。多种小腿胫骨件结构的能力以及足龙骨件和小腿胫骨件之间的设置调整产生了假足小腿胫骨件的关系，该关系使得截肢者和/或修复学家具备在各种各样的体育和休闲活动中的一种选出活动中将假足调节到最高性能的能力。
在图17-22中显示了用于假足1的其它小腿胫骨件，包括C形小腿胫骨件46和47、S形小腿胫骨件48和49、以及J形小腿胫骨件50和51。小腿胫骨件的上端还可具有直的竖直端，其中，锥体安装板连接到该近端上。如图28-30和33-36中所示，一公锥体穿过该小腿胫骨件的竖直端并用螺栓固定至该竖直端上。胫骨件近端的安装件的其它实施例可以位于截肢者的承窝和/或其它部件的前侧或后侧。还可在小腿胫骨件的近端和远端处的长型开口内设置塑料或铝填充物，用以接收近端的公锥体和远端的足龙骨件。本发明的假足优选是由标准化的单元或尺寸构造成的模块化系统，以便满足使用中的灵活性和多样性。在图28的实施例中，用标号88示出了连接于小腿胫骨件近端的锥体安装板的一个示例。
所有与轨道相关的赛跑运动都是以逆时针方向进行的。本发明的另一可选特征考虑到了沿着这种弯曲路径前进时作用在足上的力。当物体沿弯曲路径运动时，向心加速度朝向旋转中心起作用。牛顿第三定律适合于能量作用。存在有相等且相反的反作用力。因此，对每一“向心”力来说，都存在有一个“离心”力。向心力朝向旋转中心作用，而离心力即反作用力远离旋转中心作用。当运动员围绕跑道上的曲线跑步时，向心力会朝着曲线的中心的拉动跑步者，而离心力会朝着远离曲线中心的方向拉动跑步者。为了抵消试图让跑步者向外倾斜的离心力，跑步者要向内倾斜。如果跑步者在跑道上的旋转方向一直是逆时针的，则左侧是跑道的内侧。结果，根据本发明的特征，可将左、右假足小腿胫骨件的左侧制成为比右侧更薄，以增强截肢跑步者的弯道表现。
在若干实施例中，足龙骨件2，33，38，42和43均是29厘米长，其与鞋子1的长度成一定比例，并且在图3、4和5以及不同小腿胫骨件和足龙骨件的若干视图中按比例示出。然而，本领域的普通技术人员容易理解，假足的具体尺寸可根据要配备此足的截肢者的大小、重量和其它特征的情况而变。小腿胫骨件的长度及其弹性模量形成了其储存弹性能的潜能。所储存的弹性能通过机械结构而转化成动力学功率，而该动力学功率又变成具有方向和大小的矢量力。因此，胫骨件的长度越长，推进力就越大。对于最高水平的运动员来说，胫骨件近侧的安装点应该保持在假肢部件所允许的尽可能近的位置。
下面来看假足1在行走和跑步站立期的步态周期内的工作情况。牛顿的涉及到惯性、加速度以及作用力与反作用力的运动三定律是足2的运动动力学基础。从牛顿第三定律即作用力与反作用力定律中已知，地面对足的作用力与足对地面的作用力大小相等且方向相反。它们称为地面反作用力。关于人的步态、跑步以及跳跃活动已经进行了许多科学研究。测力板的研究表明，在步态中遵循牛顿第三定律。从这些研究中可以知道地面对足的作用力的方向。
可将行走/跑步活动的站立阶段进一步分解成减速和加速阶段。当假足接触地面时，足向前作用于地面，地面以相等且方向相反的方向进行反作用，也就是说，地面对假足向后施加作用。这一作用力使假足运动。行走和跑步活动的站立阶段分析从图5和8中的后外角部18成为接触点开始，其比足的内侧更向后和向外偏移。这种在初始接触时的偏移导致足向外翻，并使得小腿胫骨件向足底屈曲。小腿胫骨件总是在寻找可通过其胫骨来传递体重的位置，例如，其倾向于将其较长的竖直件置于可抵抗地面作用力的位置。这就是为何它使向后的足底屈曲移动到可抵抗向后作用在足上的地面反作用力。
地面作用力导致小腿胫骨件44，45，46，47，50和51压缩，并且其近端向后移动。对于小腿胫骨件48和49而言，小腿胫骨件的远侧1/2可根据远侧凹面的方位而压缩。如果远侧凹面响应于GRF而压缩，则近侧凹面会伸展，且整个小腿胫骨件单元将向后移动。地面作用力导致小腿胫骨件压缩，并且其近端向后移动。小腿胫骨件下端的较小半径压缩，以模拟人的踝关节足底屈曲，并且通过压缩来将前足放在地面上。同时，龙骨件的后侧17即后足4通过压缩而向上压。这两种压缩作用力起作吸震的作用。一旦小腿胫骨件停止运动到足底屈曲中并且地面对足向后施加作用，那么后外侧脚跟18的偏移可进一步增强这种吸震作用，该偏移会导致足外翻，也起到吸震的作用。
然后，足龙骨件和小腿胫骨件的已压缩部件开始卸载，即它们设法回到其初始形状并释放掉所储存的能量，这导致小腿胫骨件的近端以加速的方式向前移动。当小腿胫骨件接近其竖直初始位置时，地面作用力由对足向后作用改变为对足竖直向上作用。由于假足具有后侧和前侧足底面承重区域，并且这些区域是由非承重的长拱形中间部分相连，因此来自假肢的竖直方向的作用力促使该长拱形中间部分通过伸展来承受负荷。后侧和前侧承重表面变得分开。由于地面作用力在性质上从竖直方向转变成朝向前侧，因此这些竖直方向的作用力存储在该足的长拱形中间部分内。小腿胫骨件可伸展，以模拟踝的背屈。这会导致假足枢轴转动而离开前侧足底承重表面。当发生重量卸载时，中足部分5的纵向拱形和伸展的胫骨件从伸展态开始变化，试图回到它们的初始形状，这样可产生模拟的足底屈肌肌肉群移动模型和输出。结果是，该机械假肢结构释放出所储存的弹性能，并转化成动力学功率。
长拱形的足龙骨件和小腿胫骨件可阻碍它们各自结构的伸展。结果，小腿胫骨件的向前运动被阻止，足就开始枢轴转动而离开前侧足底承重表面。在图3-5和8、图11和12、图13和图14的示例性实施例所示的足龙骨件中，足龙骨件的中足部分的伸展具有高、低响应能力。由于这些足龙骨件的中足与前足的过渡区域从足的纵向轴线向外偏离15°到35°，因此内侧长拱形部分比外侧长拱形部分更长。这是很重要的，因为在正常的足中，足的内侧在加速或减速期间要被用到。
假足的更长内侧拱形具有比外侧更大的动态响应特性。在慢速的行走或跑步中采用了外侧更短的脚趾杠杆。身体的重心以正弦曲线在空间中运动。它向内侧、外侧、近侧和远侧运动。在慢速地行走或跑步时，身体的重心比在快速行走或跑步时更向内侧和外侧运动。此外，动量或惯性更小，并且克服更高动态响应能力的能力更小。本发明的假足适合于适应这些应用力学中的原理。
此外，在人的步态周期内，在站立中期，身体的重心位于尽可能远的外侧。从站立中期到脚趾离地，身体的重心(BCG)从外侧移向内侧。结果，身体的重心运动越过足龙骨件2的外侧。首先(低速档)，当BCG向前运动时，其在足龙骨件2上向内侧移动(高速档)。因此，假足龙骨件2具有自动变速的作用。也就是说，截肢者所走的每一步均从低速档开始，并运动到高速档。
当地面作用力在假足上施加向前作用且假足向地面施加向后作用时，由于脚跟开始提升，因此中足部分的长拱形的前部的轮廓形成为可垂直于足底面来施加这些朝后的作用力。这是施加这些作用力的最有效和最有效率的方法。关于假足的后侧后足部分存在相同的情况。它还成形为使得在初始接触时朝后的这些地面作用力与垂直它们的施力方向的足龙骨件的足底面相反。
在脚跟提升、脚趾离地的行走和跑步活动的后期中，前足部分的跖列区域产生15°-35°的背屈。这种向上延伸的弓形允许朝前的地面作用力来压缩足的该区域。这种压缩比伸展受到更少的阻力，并且在假足的步态和跑步的摆动期中实现平稳的过渡。在步态站立期的后期中，伸展的小腿胫骨件和伸展的中足长拱形部分将它们所储存的能量释放出来，以便向前且向上推进该拖曳腿以及截肢者的身体重心。
在人步态中的一个主要推进机理称作主动推进阶段。当脚跟抬起时，身体重量处于支撑下肢之前，且重心下降。当身体重量落在图5中的线C-C处的前足摇轴时，存在有向下的加速度，这会导致身体受到最大的竖直作用力。在脚踝之前的腿的与脚跟提起相关的加速度会带来作用于地面上的向后剪力。当压力中心向前侧移动到跖骨头部的旋转轴线时，其结果会是产生还更大的背屈扭矩。这会产生完全向前下落的情况，该情况产生了在行走中所用的主要前进作用力。在主动推进期间，有效踝功能的标志是脚跟抬起、较小的关节运动，以及大致居中的踝位置。稳定的中足对于正常顺序的脚跟抬起是必需的。
在前面提到的几个实施例中，足龙骨件的后足和前足区域的后侧具有伸展关节孔和伸展关节支撑。伸展关节孔的方位起到斜接铰链的作用，增强了在不平坦的地势上行走时的双平面运动性能，以便改善足底面的整体接触特性。
图9-12中的Symes足龙骨件在动态响应性能方面是显著不同的，这是因为这些性能与行走、跑步和跳跃活动相关。这些足龙骨件在四个显著特征上不同。这些情况包括在中足部分的近侧后部中存在有凹面，其可比平坦表面更好地适应Symes远侧残肢形状。这种凹面还降低了足龙骨件的高度，其可适应与Symes级截肢者相关的更长残肢。该定位凹面要求拱形足龙骨件的中间部分的对应前侧和后侧半径具有更积极的反应，并且尺寸更小。因此，所有中足长拱形半径和后足半径都是更紧密且更小的。这会显著地影响动态响应特性。更小的半径导致更小的动态响应。然而，假足对所有上述行走、跑步和跳跃的地面作用力的响应更快。结果是更快的足具有更小的动态响应。
采用本发明的假足可通过定位变化来实现增强的任务特定型运动性能，这是因为这些定位变化会影响各任务的竖直和水平分量。人足是多功能的单元，其可行走、跑步和跳跃。另一方面，人的胫腓骨小腿胫骨结构不是多功能的单元。它是可在行走、跑步和跳跃活动中平行于其较长的近侧-远侧方位施加其作用力的简单杠杆。它是不可压缩的结构，并且不能存储能量。另一方面，本发明的假足具有动态响应能力，这些动态响应能力与运动员的行走、跑步和跳跃活动的水平和竖直线速度分量相关，并且优于人的胫骨和腓骨。结果就可以增强截肢者的运动性能。为此，根据本发明，将紧固件8松开并沿足龙骨件的纵向方向来调整小腿胫骨件和足龙骨件相互之间的定位。在图1和2中显示了这种变化。然后，在调整后的位置上用紧固件8将小腿胫骨件紧固到足龙骨件上。在调整期间，紧固件8的螺栓可相对于分别位于足龙骨件和小腿胫骨件内的相对且较长的纵向延伸开口9和10中的一个或两个滑动。
一种定位变化是增强了跑步者的性能特征，跑步者以脚掌来与地面进行初始接触(如同中足触地的跑步者一样)，在该定位变化中，足龙骨件相对于小腿胫骨件以及在小腿胫骨件上屈曲的足底向前滑动。这种新的关系提高了跑步的水平分量。换句话说，随着小腿胫骨件的底面向足屈曲，并且，与最初的脚跟接触相反，足以脚掌着地的位置与地面接触，地面会直接对足施加向后的作用，而足会对地面施加向前的作用。这会使得小腿胫骨件快速地向前(通过伸展)和向下运动。通过会通过阻止小腿胫骨件的初始运动方向的伸展而产生动态响应力。结果，足就在跖骨足底面承重区域上枢轴转动。这会导致龙骨件的中足区域伸展，伸展比压缩受到的更大阻碍。小腿胫骨件的伸展和中足的伸展的总效应是小腿胫骨件的进一步向前运动受到阻碍，这便允许使用者体内的膝伸展结构和臀伸展结构以更有效的方式向前和朝向近侧来移动身体的重心(即水平速度增加)。在这种情况下，与跟趾跑步者相比，重心更向前而非更向上，跟趾跑步者的小腿胫骨件的向前运动受到小腿胫骨件的更少阻碍，并且开始受到比脚掌着地跑步者更多的背屈(竖直的)。
为在功能上分析该短跑用足，对小腿胫骨件和足龙骨件进行了定位变化。可以利用所有凹面均具有平行于额状面的纵向轴线方位的足龙骨件的优点。小腿胫骨件是足底屈曲的，并可在足龙骨件上向后滑动。与带有类似于例如在图3-5和8中所示的多用途足龙骨件的平足跑步者相比，这使远侧圆进一步减小。结果，实现了进一步增强的水平运动，并且动态响应融入到这种增强的水平能力中。
短跑运动员具有增加的运动、作用力和动量(惯性)的范围，其中动量是主导力。由于他们的站立期中的减速阶段短于其加速阶段，因此可实现增加的水平线速度。这意味着在初始接触中，当脚趾接触地面时，地面会对足施加向后作用，而足会对地面施加向前作用。与脚掌着地跑步者的初始接触相比，具有增加的作用力和动量的小腿胫骨件就被迫进入到还更大的屈曲和向下运动中。由于这些作用力，通过伸展来对足的长拱形凹面进行加载，并且通过伸展来对小腿胫骨件进行加载。这些伸展作用力比与跑步相关的所有其它上述作用力受到更大程度的阻碍。结果，足的动态响应能力与所施加的力成比例。人的胫腓骨小腿胫骨响应只与能量力势能有关，它是笔直的结构且不能储存能量。在短跑中，本发明假足内的这些伸展力比所有其它与行走和跑步相关的上述力更大。结果，足的动态响应能力与所施加的力成比例，并且与人体功能相比，有可能实现增强的截肢者运动性能。
除了在小腿胫骨件和足龙骨件之间的可调紧固结构以及用于与假腿下端相连的小腿胫骨件上端结构之外，图25所示的假足53与在图3所示的类似。在该示例性实施例中，足龙骨件54通过塑料或金属合金的连接件56可调节地连接到小腿胫骨件55上。该连接件通过相应的可松开紧固件57和58连接到足龙骨件和小腿胫骨件上，这些紧固件57和58沿着足龙骨件纵向方向在该连接件中相互间隔开。将连接件连接到小腿胫骨件上的紧固件58比将足龙骨件和连接件相连的紧固件57更靠后。通过以这种方式提高小腿胫骨件的有效长度，可以增加小腿胫骨件本身的动态响应能力。与其它示例性实施例中的一样，可以与在小腿胫骨件和足龙骨件中的纵向延伸开口协同操作，以便进行定位变化。
小腿胫骨件55的上端形成了用于接纳假腿15的长型开口59。一旦将该假腿接纳到该开口中，就可将假腿可靠地夹紧到小腿胫骨件上，这可通过上紧螺栓60和61以沿着开口将小腿胫骨件的自由侧边62和63拉到一起来实现。通过松开螺栓、使假腿相对于小腿胫骨件滑入到所需位置，并通过上紧螺栓来将假腿重新夹紧到调整后的位置上，就可以容易地调整这种假腿的连接。
图28-32所示的假足70类似于图3-5、图8、图23和24以及图25-27中所示的假足，但是进一步包括位于该足上的小腿胫骨件运动范围限制器和阻尼器装置71，以便在截肢者使用该足期间随着小腿胫骨件的力加载和力卸载来限制小腿胫骨件上端的运动范围。该特征对于带有相对较长的小腿胫骨件的假足来说尤其是有用的，穿用者使用这样的假足来进行诸如跑和跳的活动，这些活动在小腿胫骨件中产生的力是穿用者身体重量的很多倍，例如，在跑步时产生的力是身体重量的5-7倍，跳跃时产生的力是身体重量的11-13倍。相反，在步行时所产生的力仅为身体重量的1-1.5倍。
在该示例实施例中，装置71是双向作用的活塞缸单元，其中的加压流体、诸如空气的气体、或液压液是通过各个配件73和74来提供的。该装置具有两个可变控制器，一个用于压缩，一个用于伸展，对于力加载和力卸载过程中小腿紧固件的压缩和伸展，这两个控制器可以对小腿紧固件72上端的允许运动范围进行调节。该装置71也衰减了在小腿胫骨件的压缩和伸展过程中所储存或释放的能量。该活塞缸装置71的相反两端部连接至小腿胫骨件的上端和足的下部，并且在该示例实施例中优选是连接至小腿胫骨件在枢轴连接器75和76处的相应端部，该枢轴连接器75和76优选是球形接头。
图32示出了足70的小腿胫骨件72的上端在小腿胫骨件压缩和伸展时的运动。随着小腿胫骨件在其力加载和力卸载过程中的压缩和伸展，总体呈抛物线形的小腿胫骨件的上端相对于足龙骨件77和连接到该足龙骨件的小腿胫骨件下端作纵向移动，例如沿着图5和图32中的方向A-A移动。这样，在图28-32的示例实施例中，该假足的增强的动态响应能力得以保持。
该装置71不限于所述的活塞缸单元，而是可以是不同的速度控制和/或运动限制装置。例如，可以考虑，在该假足的小腿胫骨件上所使用的该后部的运动范围限制阻尼装置71可以是具有压缩和伸展状态控制的微处理器控制液压单元，诸如目前用于控制人造膝关节的运动的那些单元。在这种情况下，提供了适合于检测人体运动的板载传感器。通过使用专用软件和PC，可以进行一些微调，以使得该微处理器控制液压单元适合于截肢者。力矩的测量可以达到每秒50次之多，从而确保该动态步态尽可能类似于自然行走。由于该液压单元的响应性，其适合于范围很广的下肢截肢者。装于该单元的锂离子电池所提供的电能足够使得该液压单元工作一整天。压缩阻力的调节是独立于伸展调节而进行的。多个集成传感器将步态分析数据送至板载微处理器，该微处理器以每秒50次的频率自动调节该单元的站立期和摆动期的特性。
该装置71的该微处理器控制液压单元比机械式液压单元更敏感。一种电控压缩(足底屈曲)阀可进行每秒50次的调节。该单元中的该压缩阀在预摆动期间自动完全打开。因此，该单元非常容易在低速和类似状态下对承压区域来压缩屈曲。该单元的伺服马达的速度允许其响应于微处理器以每秒50次发送的指令而非常快地关闭该压缩(足底屈曲)阀和伸展背屈阀。当这些阀几乎关闭时，该单元的阻尼力变得非常大，从而能进行快速行走甚至于跑步。这种可由修复学家进行调节的独特动态因素可以将该液压单元优化成适用于从低速步态到快速步态移动的所有步态模型。这种能将微处理器控制控制液压单元“调节”成适用于个人的独特步态模型的能力能在假足中获得较宽范围的步频，同时还能具有高效和高舒适度的步态。也就是说，使用作为装置71的微处理器液压单元增强了运动截肢者使用的假足所需的可变步频。
类似于图3和图25，在图28-32中，假足70的纵向延伸足龙骨件77具有前足部分、中足部分和后足部分。该足的小腿胫骨件72借助连接件78安装至足龙骨件，两个沿纵向间隔开的可松开紧固件79和80将该连接件分别连接至小腿胫骨件和足龙骨件，正如图25-27的示例实施例那样。该小腿胫骨件72包括位于其端部之间的纵向延伸的伸展狭缝81。伸展关节孔82和83位于该伸展狭缝的端部处。足龙骨件的前足部分和后足部分也形成有各自的伸展狭缝，如图29、30和31所示。
安装在截肢者下腿残端上的假肢承窝通过转接器85连接至小腿胫骨件72的上端，该转接器85借助紧固件86和87固定至小腿胫骨件的上端，如图所示。该转接器具有倒锥体形的安装配件88，该安装配件88连接至一安装板，该安装板安装于转接器上表面。该锥体配件容纳在悬垂假肢承窝上的具有互补形状的槽形配件中，用于将该假足与该假肢承窝相连接。图34-36的实施例中示出了这种类型的连接。
尽管图28-32的实施例中的运动限制阻尼装置71在小腿胫骨件的压缩和伸展两个过程中都限制其上端的运动范围，但是，可以使用类似装置来只在压缩和伸展之一过程中限制小腿胫骨件上端的运动范围。图33的实施例中示出了一种运动限制阻尼装置84，其对于力加载和力卸载来说仅限制小腿胫骨件上端的伸展。其中，该装置84是一种柔性带，该带能够进行有限的弹性伸长，从而允许小腿胫骨件的上端进行伸展，同时，它不会在小腿胫骨件的压缩加载过程中限制小腿胫骨件上端的运动。该弹性装置84在使用时被张紧，由此，该弹性装置就将胫骨件的近端预先布置成向后移动。
图34-36示出了本发明的另一种小腿胫骨件90，其可以与图28-32中假足的足龙骨件77一起使用，或者这里所公开的其它足龙骨件之一一起使用。该小腿胫骨件90具有总体为抛物线的形状，其最小的曲率半径位于下端部并向上延伸，并且在其近端处初始向前延伸成相对较大的半径。如图34所示，小腿胫骨件的曲率形成了朝后的凹度。小腿胫骨件的远端具有纵向延伸的开口91，该开口91与连接件78、可松开紧固件79和80以及足龙骨件中的纵向延伸开口一起来调节小腿胫骨件和足龙骨件相互之间沿纵向方向的定位，此时，可以松开或紧固件79或80以便针对特定任务来调节该假足的性能。
该小腿胫骨件90的远端的弯曲非常陡峭，例如，其具有比图28-32的小腿胫骨件72更小的曲率半径，并且，该小腿胫骨件90的远端在更短的纵向距离上向上且向前延伸。该小腿胫骨件的形状更适合于进行装饰。也就是说，其远端的位置更多地位于脚踝区域，其中，形状为人足的内侧和外侧平衡部的假足外罩可以自然地定位。小腿胫骨件在假足外罩中隐藏得更好。其功能特性在于，其能更快地响应初始触地反作用力，尽管其动态响应能力比具有更宽抛物线形(例如如上所述具有较长的曲率半径)的小腿胫骨件要低。这样，那些用假足进行跑和跳的运动人员将受益于使用能提供更大水平速度的较宽抛物线形或曲率半径。
图34-36的小腿胫骨件90还包括定位连接器装置92，该装置92位于塑料或金属转接器93和假肢承窝96的下端之间，该转接器93借助于紧固件94和95连接至小腿胫骨件的上端，假足承窝96固定至使用者的腿残端。该使用者例如可以为膝上和膝下截肢者。定位连接器装置包括一对滑块97和98，该对滑块97和98彼此布置成直角并处于与地面平行的平面内。各滑块部件的相对位置可以通过松开螺纹紧固件99来进行调节，以便调节相应的滑块97和98，从而改变假肢承窝相对于假足的小腿胫骨件和足龙骨件的朝向。转接器93的顶部支撑着该装置92，该顶部优选在假足的步态站立期中平行于地面。
该装置92的上滑块98的顶部具有固定于其上的倒锥体形配件101，该配件101借助螺纹紧固件103而可调节地夹持在假肢承窝96上的对应配件102内。配件101和102之间的这种连接允许在假肢承窝和足之间进行改变角度的屈曲/伸长和外展/内收。该装置92的滑块允许进行从内侧到外侧以及从前向后的直线滑动调节。这样，该装置92是一种允许该假肢承窝在各个方向上运动的定位固定器，其影响了地面反作用力如何对小腿胫骨件和足龙骨件的机械结构起作用。
图37和38中的足龙骨件110以及图39和40中的足龙骨件120是足龙骨件的其它示例实施例，它们能用在本发明的假足中。这些足龙骨件是用于右足，并且除后足部分外具有类似的结构。这两种足龙骨件的内侧和外侧具有相同的形状。足龙骨件110在后足区域中沿矢状面切割成相同的外侧伸展支撑111和内侧伸展支撑112，它们利用纵向延伸的伸展关节或狭缝113分开。足龙骨件110的后侧脚跟区域114平行于额状面，例如，垂直于该足龙骨件的纵向轴线A-A。类似地，该后足的背部凹面115的纵向轴线F-F平行于额状面，例如与纵向轴线A-A成直角，即角度Δ为90°。
与足龙骨件110不同，足龙骨件120在后足区域中不是沿矢状面切割，而是将其后足背部凹面121切割成这样，即，使得该凹面的纵向轴线F’-F’相对于额状面横向偏斜，例如，与纵向轴线A-A之间具有钝角Δ’，该钝角Δ’优选为110-125°，其中外侧比内侧更靠前。该背部凹面的这种朝向使得外侧的伸展支撑122在比内侧伸展支撑123更长的长度上较薄，从而有效地比支撑123更长且更具柔性。这种在柔性方面的提高将使得后足易于通过外翻来响应初始触地反作用力，这是一种吸震机构。这有助于在步态中通过该足龙骨件的后足来高效传递该人体重心的力，以便获得更自然的步态模型。
图41和42中的假足124具有足龙骨件165、小腿胫骨件126和后部小腿装置125，该后部小腿装置125利用小腿胫骨件上端在步态中的向前运动而储存额外的能量。也就是说，在步态的主动推进期，弹性假肢的力加载过程使得该胫骨件126的矢状面凹面伸展，其中该矢状面凹面是由小腿胫骨件的朝前凸出弯曲部127形成，这导致小腿胫骨件上端的向前运动。该装置125的柔性带128连接至小腿胫骨件的上部以及假足的下部(也就是如上所述的用于连接小腿胫骨件和足龙骨件的连接件129)。该柔性带可以是弹性和/或非弹性的，该柔性带的长度在步态中被张紧，并且能用位于该带的交叠长度之间的滑动调节装置130来进行调节。
两个弹簧131和132的基部可调节地支撑在小腿胫骨件的上端部上，并且位于小腿胫骨件与转接器133之间，该转接器133借助紧固件134固定于该小腿胫骨件。该弹簧的自由下端部定位成与柔性带相互作用。当该带被张紧时，该弹簧改变了该带的纵向延伸方向。小腿胫骨件上端在步态中的向前移动张紧/进一步张紧(如果该带一开始就被预加载成张紧状态)了该带，并且加载/进一步加载该弹簧，以便在步态中在假足的力加载过程中储存能量。在假足的力卸载过程中，由弹簧将所储存的能量返回，以便提高由假足在步态中所产生的用于推进力的动力学功率。
当为了在使用该假足之前初始就将该带预加载成张紧状态而将该带128缩短时，该带的张力用于帮助该弹性胫骨件的上端向后移动，并且控制小腿胫骨件在假肢的使用期间向前移动。对该向后移动进行帮助有利于在步态的站立初期在脚跟触地时获得假足的快速脚掌响应，这类似于在人足发生足底屈曲的脚跟触地时在步态中的人足和踝所发生的情况。
使用该后部小腿装置125在使用假肢期间对弹性小腿胫骨件的上端的向后移动进行帮助并对其向前的移动进行控制，上述帮助和控制都能通过影响矢状面屈曲特性的改变来有效地改变步态中假足的脚踝扭矩比，该矢状面屈曲特性是指在人使用假足期间小腿胫骨件的上端响应于力加载和力卸载而纵向移动的矢状面屈曲特性。在步态中人足的自然生理脚踝扭矩比定义为在步态站立末期中出现的最大背屈脚踝扭矩除以在步态的脚跟触地之后在初始脚掌加载响应中产生的足底屈曲脚踝扭矩所得的商，有报道该商为11.33～1。使用后部小腿装置125改变小腿胫骨件上端的纵向移动的矢状面屈曲特性的目的在于提高假肢的脚踝扭矩比，以模仿人足在步态中所出现的脚踝扭矩比。这对于用该假肢来实现适当的步态、对于具有一只自然足和一只假足的人、以及对于实现步态的对称来说都是重要的。优选地，通过使用后部小腿装置125来控制向前移动以及有可能对向后移动进行帮助，将该假肢的脚踝扭矩比提高成使得该假肢的最大背屈脚踝扭矩的数量级大于所述足底屈曲脚踝扭矩。更优选地，该脚踝扭矩比被提高到大约11～1，这就能比得上所报道的11.3～1的自然脚踝扭矩比。
该后部小腿装置的另一目的是提高该假足在步态中的效率，它是通过这样来实现，即在力加载过程中在该装置的弹簧131和132中储存额外的弹性能，并且在力卸载过程中返回所储存的弹性能，以便提高假足在步态中所产生的用于推进力的动力学功率。该装置125在假足中的作用可被认为是人的小腿肌肉组织在步态中在人的足、踝和小腿中的作用，即，利用在足的力加载过程中在人体中所形成的势能并在足的力卸载过程中将该势能转化成用于推进力的动能，从而在步态中有效地产生作用在人体上的推进力。例如对于恢复截肢者的“正常功能”来说，重要的是要让本发明带有后部小腿装置的假足的效率接近甚至超过人足的效率。
通过后部小腿装置125来对小腿胫骨件126上端的向前移动进行控制可以有效地限制小腿胫骨件的上端向前移动的范围，这就像先前图28-33的实施例那样。假足124中的足龙骨件通过伸展其弹性纵向拱形也有助于在步态中的力加载过程中储存能量。该势能以动力学功率的方式返回，以便在步态的力卸载过程中产生推进力。在该实施例中，如上文结合图3-5和图8所讨论的那样，由于足龙骨件中足部分是由纵向拱形形成，并且该拱形的内侧相比于外侧来说半径更大且动态响应能力相对更高，因此，这就有了高低动态响应能力。然而，如图6和7所示的用于短跑的足龙骨件或者如图9和10所述的用于足的Symes截肢术的足龙骨件可用在该假足124中。
图43-45所示的假足135具有后部小腿装置136，其类似于图41和42的实施例中后部小腿装置，不同之处在于该长度可调的柔性带137经由连接缆绳138而连接在小腿胫骨件的上端和足龙骨件的前部之间。该缆绳138的两个端部分别连接至由伸展关节141分开的内侧前部支撑139和外侧前部支撑140。该缆绳朝后延伸，然后经由安装在连接件144上的滑轮142和143向上延伸到半圆形返回件145，该返回件145连接至该带137的远端。该足龙骨件的弹性拱形以及弹簧146用来储存和返回能量，以便如上所述那样加入到由假足在步态中所产生的推进力，在图41和42的实施例中，该弹簧146安装在小腿胫骨件的上端并且与该带相接合。
图43中的转接器133是公锥体转接器，而图41和42中的转接器是本发明的母转接器，该母转接器在其近端具有带圆角的正方形承窝，用于带间隙地容纳一形状与正方形互补的凸出部，该凸出部位于截肢者腿残端上的下端承窝或其它部分上。参见图41中的虚线。有四个螺丝(未标号)，在正方形承窝的每一侧壁的中部有一个，可将这四个螺丝拧成与该凸起部啮合或脱啮，以便将该假肢连接到截肢者的腿残端上的支撑结构。该凸起部与该承窝之间的间隙以及该母转接器的这四个螺丝的位置可调性允许进行前后方向以及内外侧方向的调节，并且还能对假肢和支撑结构的角度或倾斜进行调节。按照该母转接器的另一特征，螺纹紧固件可松开地将该转接器上部的含承窝的部件与该转接器的下基部相连接。该螺纹紧固件的顶部暴露在该转接器的承窝的底部，该螺纹紧固件的顶部具有用于接纳六角形扳手的六角形槽，以便松开该转接器的基部上的含槽部件，使其能相对于该基部和该假肢进行旋转。这样，该转接器提供了横向平面转动能力；一种特性，该特性允许该足容易斜入或斜出至临界极限的范围内，例如，在1/8英寸的范围内。
图46和47的实施例中的假足147的特征在于小腿胫骨件148、足龙骨件149和后部小腿装置150，它们是一体成形的。小腿胫骨件148具有一朝前凸出弯曲的下部，该下部从足龙骨件开始向上延伸，如在先前描述的实施例中的那样。该后部小腿装置150为长型的弹性弯曲弹簧的形式，其近端连接到小腿胫骨件的上部，而在其远端，该弹簧通过具有枢销151的支架而枢轴连接到足龙骨件的后部，枢销151安装在该弹簧的远端上，并且该枢销延伸穿过足龙骨件后端中的开口152。该销151的端部锚定在足龙骨件的开口152中，如附图中所示。随着小腿胫骨件上端在步态中向前或向后运动，该弯曲弹簧的凹形将伸展或压缩，以在该弹簧的运动范围内储存能量。然后，所储存的能量在步态的力卸载过程中被返回，以加入到为使用者身体推进力可用的动力学功率中。
图48-51中的实施例为具有三个纵向部分153-155的假足152。每个纵向部分都一体成形有足龙骨件156、小腿胫骨件157和后部小腿装置158。这些部分153-155在它们的远端处可相互独立地移动的，在那里它们由间隙159分开，但这些部分在它们的近端处(例如在小腿胫骨件的上端处)是成整体的。可以通过使用紧固件将各个独立形成的纵向部分的近端相互连接而提供这种整体结构。或者可选择地，这些弹性纵向部分可以相互一体成形，使得它们在它们的上端部处连接，同时可在它们的远端处相互自由移动，在那里，间隙159将这些纵向部分分开。
假肢152的中央纵向部分154比内侧纵向部分153和外侧纵向部分155宽，并且在其远端也比纵向部分153和155高。这种结构提供了在不平坦或倾斜表面上支撑的优势，正如先前结合使用多个由伸展关节分开的纵向向前和向后的足龙骨件支撑所讨论的那样。在假肢中采用的多个纵向部分的数目可以不同于三个，并且这些部分的相对宽度也可以不同于在该实施例中所显示的那样。每个纵向部分的后部小腿装置158的弯曲弹簧的远端与其足龙骨件156的后足整体形成，而不是如图46和47的实施例中那样枢轴连接于此。合适的转接器(未示出)连接到该假肢152的小腿胫骨件的上端，用于与使用者的腿残端上的下端承窝相连接，如在其它实施例中所描述和说明的那样。
用于本发明假足的其它形式的结构显示在图52-54中，其中，假足160包括小腿胫骨件161，其与足龙骨件163的后部162一体成形。由小腿胫骨件和后足构成的弹性元件通过紧固件165和166连接到弹性元件164，该弹性元件164形成了足龙骨件的前足部分和中足部分，如在附图中所显示的。后部小腿装置(在图52-54中未示出)可以被形成为如上所述的假肢的一部分。类似地，用于连接到下端承窝的转接器将被连接到小腿胫骨件161的上端。
现在总结对示例性实施例的说明。尽管已经参照多个示例性实施例来对本发明进行了描述，但是应当理解，本技术领域的普通技术人员可以设计出许多落入本发明原理的精神和范围内的其它修改和实施例。例如，本发明假足中的小腿胫骨件的下端并不局限于抛物线形或大致抛物线形，而可以是其它向下凸出弯曲的构造，以便在连接到足龙骨件上以形成足的踝关节区域时能够产生出所需的足运动输出。不同实施例中的特征可以互用。尤其是，在不脱离本发明精神的前提下，在前述公开内容、附图和所附权利要求范围内，可以对所述组合装置的零件和/或布置进行合理的变型和修改。除了对零件和/或布置进行变型和修改之外，对于本技术领域的普通技术人员，替换性使用也是显而易见的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1、一种假足，包括纵向延伸的足龙骨件；一体形成的弹性胫骨件，所述弹性胫骨件从足龙骨件向上延伸，其借助于向前连续凸出弯曲的表面而且该表面具有渐增的曲率半径，从而形成下部踝关节区域部分和上部弹性胫骨件部分，用于与固定至人残肢的下端假肢结构相连接；其中，从足龙骨件向上延伸的胫骨件的下部和上部为向前凸出弯曲的；和其中，所述胫骨件和至少一部分足龙骨件为一体形成的。
2、根据权利要求1所述的假足，其中，整个足龙骨件和该胫骨件为一体形成的。
3、根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件和该足龙骨件的后部为一体形成的，该足龙骨件的前部被连接到所述后部以形成所述足龙骨件。
4、(删除)5、(删除)6、根据权利要求1所述的假足，还包括连接到胫骨件上部的转接器，用于将假足连接到与人残肢相固定的下端假肢结构。
7、根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件在踝关节区域上方在该足的纵向范围的方向上以基本上为曲线的方式向上延伸，以形成所述上部弹性胫骨件部分。
8、根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件具有一竖直上端。
9、根据权利要求1所述的假足，其中，所述一体形成的胫骨件和足龙骨件由金属形成。
10、一种假肢，包括足；踝；位于踝上方的长型的竖立的胫骨件；其中，所述踝、胫骨件和至少一部分足一体形成为一弹性元件，以提高假肢的动态响应，所述弹性元件包括上部和下部，所述上部和下部向前凸出弯曲，所述上部包括向前凸出弯曲的上端部分。
11、根据权利要求10所述的假肢，其中，所述足包括纵向延伸的足龙骨件，所述足龙骨件与所述踝和胫骨件一体形成为所述弹性元件。
12、根据权利要求10所述的假肢，其中，所述踝、胫骨件与足龙骨件的后部是一体形成的，所述足的前部连接到所述后部以形成所述足。
13、根据权利要求10所述的假肢，其中，随着所述弹性元件从所述足开始向上延伸，所述向前凸出弯曲的弹性元件的曲率半径逐渐增加。
14、(删除)15、根据权利要求10所述的假肢，还包括连接到所述胫骨件的所述上部的转接器，用于将假肢连接到人腿残端上的下端假肢承窝。
16、根据权利要求10所述的假肢，其中，所述踝上方的胫骨件在所述足的纵向范围的方向上基本为曲线形的。
17、(删除)18、根据权利要求10所述的假肢，其中，所述弹性元件由金属形成。
19、一种假足，包括纵向延伸的足龙骨件；弹性小腿胫骨件，其具有连接到足龙骨件的下端、从足龙骨件向上延伸并向前凸出弯曲的下部、以及与人腿残端上的下端假肢承窝相连接的上端，所述上端是向前凸出弯曲的，并且，在使用假足期间，所述上端响应于对小腿胫骨件的力加载和力卸载而可沿足龙骨件的纵向移动；其中，所述假足包括多个纵向部分，每个纵向部分各自包括一体形成的足龙骨件部分和小腿胫骨件部分，这些纵向部分在它们的远端处可相互独立地移动，并且在它们的近端处相互构成为整体。
20、根据权利要求19所述的假足，其中，所述纵向部分包括这样一些纵向部分，即，它们的足龙骨件的远侧表面处于不同高度处。
21、根据权利要求19所述的假足，其中，有三个并排布置的纵向部分，中央部分的足龙骨件的远侧表面的高度高于相邻部分的远侧表面。
22、根据权利要求19所述的假足，其中，所述纵向部分在它们的小腿胫骨件部分的近端处为相互一体形成的。
权利要求
1.一种假足，包括纵向延伸的足龙骨件；一体形成的弹性胫骨件，其从足龙骨件向上延伸，以形成假足的踝关节区域以及腿的假肢下部，该假肢下部位于所述踝关节区域的上方，用于与人腿残端上的下端假肢承窝相连接；其中，至少该从足龙骨件向上延伸的胫骨件的下部为向前凸出弯曲的；并且其中，所述胫骨件和至少一部分足龙骨件为一体形成的。
2.根据权利要求1所述的假足，其中，整个足龙骨件和该胫骨件为一体形成的。
3.根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件和该足龙骨件的后部为一体形成的，该足龙骨件的前部被连接到所述后部以形成所述足龙骨件。
4.根据权利要求1所述的假足，其中，随着所述胫骨件从足龙骨件向上延伸，所述胫骨件的向前凸出弯曲部分的曲率半径逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的假足，其中，在所述踝关节区域和所述位于踝关节区域上方的腿的假肢下部内的所述胫骨件为向前凸出弯曲的。
6.根据权利要求1所述的假足，还包括连接到胫骨件上部的转接器，用于将假足连接到人腿残端上的下端假肢承窝。
7.根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件在踝关节区域上方在该足的纵向范围的方向上以基本上为曲线的方式向上延伸，以形成腿的所述假肢下部。
8.根据权利要求1所述的假足，其中，所述胫骨件具有一竖直上端。
9.根据权利要求1所述的假足，其中，所述一体形成的胫骨件和足龙骨件由金属形成。
10.一种假肢，包括足；踝；位于踝上方的长型的竖立的胫骨件；其中，所述踝、胫骨件和至少一部分足一体形成为一弹性元件，以提高假肢的动态响应，所述弹性元件至少在踝区域中为向前凸出弯曲的。
11.根据权利要求10所述的假肢，其中，所述足包括纵向延伸的足龙骨件，所述足龙骨件与所述踝和胫骨件一体形成为所述弹性元件。
12.根据权利要求10所述的假肢，其中，所述踝、胫骨件与足龙骨件的后部是一体形成的，所述足的前部连接到所述后部以形成所述足。
13.根据权利要求10所述的假肢，其中，随着所述弹性元件从所述足开始向上延伸，所述向前凸出弯曲的弹性元件的曲率半径逐渐增加。
14.根据权利要求10所述的假肢，其中，在所述踝区域中和在所述胫骨件中，所述弹性元件为向前凸出弯曲的。
15.根据权利要求10所述的假肢，还包括连接到所述胫骨件的上部的转接器，用于将假肢连接到人腿残端上的下端假肢承窝。
16.根据权利要求10所述的假肢，其中，所述踝上方的胫骨件在所述足的纵向范围的方向上基本为曲线形的。
17.根据权利要求10所述的假肢，其中，所述胫骨件具有一竖直上端。
18.根据权利要求10所述的假肢，其中，所述弹性元件由金属形成。
19.一种假足，包括纵向延伸的足龙骨件；弹性小腿胫骨件，其具有连接到足龙骨件的下端、从足龙骨件向上延伸并向前凸出弯曲的下部、以及与人腿残端上的下端假肢承窝相连接的上端，在使用假足期间，所述上端响应于对小腿胫骨件的力加载和力卸载而可沿足龙骨件的纵向移动；其中，所述假足包括多个纵向部分，每个纵向部分各自包括一体形成的足龙骨件部分和小腿胫骨件部分，这些纵向部分在它们的远端处可相互独立地移动，并且在它们的近端处相互构成为整体。
20.根据权利要求19所述的假足，其中，所述纵向部分包括这样一些纵向部分，即，它们的足龙骨件的远侧表面处于不同高度处。
21.根据权利要求19所述的假足，其中，有三个并排布置的纵向部分，中央部分的足龙骨件的远侧表面的高度高于相邻部分的远侧表面。
22.根据权利要求19所述的假足，其中，所述纵向部分在它们的小腿胫骨件部分的近端处为相互一体形成的。
全文摘要
假足(147)具有纵向延伸的足龙骨件(149)和一体形成的弹性小腿胫骨件(148)，该小腿胫骨件从足龙骨件向上延伸，以便形成所述假足的踝关节区域以及位于踝关节区域上方的腿的下假肢部分，该下假肢部分用于与人腿残端上的下端假肢承窝相连接。至少是从足龙骨件向上延伸的小腿胫骨件的下部为向前凸出弯曲的。该小骨件和至少一部分足龙骨件为一体形成的。
文档编号A61F2/50GK1964682SQ200580017785
公开日2007年5月16日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年4月1日
发明者巴里·W·汤森, 拜伦·K·克劳丁诺 申请人:巴里·W·汤森, 拜伦·K·克劳丁诺