髋关节假肢的制作方法

专利名称：髋关节假肢的制作方法
髋关节假肢
本发明涉及一种用于人造腿的髋关节假肢，具有一些用于固定在上部 固定装置上的和用于固定在与该髋关节假肢相连接的人造腿上的连接机 构。本发明尤其是可在髋关节离断时使用。
用具有固定在其上的人造腿的髋关节假肢行走是困难的，因为必须控 制三个关节，即髋关节、膝关节和脚关节，而假肢穿戴者不具有对这些关 节的主动影响措施的可能性。尤其是髋关节运动的控制对于走动以及对于 站立时相中的稳定性是重要的。
为了保证在脚后跟登地之后髋关节实施伸展，目前的髋关节假肢的关
节轴相对于真髋关节的关节轴设置在前面。US 3,090,964 Al中描述了这种 设计，在该文献中描述了一种可调节的髋关节，以便可提供动态结构。所 建议的布置保证在脚后跟登地之后不久就占据髋关节的最大程度伸展的位 置。
US4，215，441描述了一种固定在骨盆(Beckenkorb)上的腿假肢，该腿 假肢具有一个弹簧，该弹簧在站立时相期间通过轴向作用的力、例如基于 假肢使用者重量的力而被预加载。如果现在假膝关节屈曲，则弹簧松弛并 且引起髋关节中的屈曲，其结果是引起膝关节继续屈曲和假脚向前运动。 US 4,051,558中描述了类似的装置。
由WO01/17466A2公知了一种具有气动能量储存器单元的腿假肢。在 髋关节中的伸展运动期间储存能量，在紧接其后的屈曲运动期间该能量再 被释放。能量储存器装置具有一个电子控制的活塞/缸单元，其中，活塞杆 是可伸縮的，以便限制摆动时相的髋关节的屈曲。为了保证稳定且可靠的 脚后跟踩地，选择短步幅。
用于限制步幅的公知装置需要手动操作，以便可实现继续的屈曲，例 如以便坐下。
通过由现有技术公知的假肢不能实现尽可能自然的行走步态。在脚后 跟登地之后髋关节的快速伸展不是自然运动。该运动对于患者来说不可控
制，因为在处于重力线前面的自由关节上不能平衡。在人造髋关节的伸展 期间对侧的腿的自然抬离和摆动在公知现有技术的髋关节中被排除。以固 定的步幅不可实现不同的行走速度，因为随之而来需要不同的步幅。在此， 在与假肢使用者行走速度相关的步幅可变的情况下，必须保证可靠且稳定 的脚后跟踩地，而不必容忍继续的不受控制的髋屈曲的风险。不仅伸展运 动的而且屈曲运动的阻尼在现有技术中没有提出。
本发明的任务在于，提供一种髋关节假肢，通过该髋关节假肢可使上 述问题得到避免或降低最小程度。
根据本发明，这通过具有权利要求1的特征的髋关节假肢和根据权利 要求11的特征的控制方法来解决。本发明的有利构型和进一步构型在从属 权利要求中描述。
根据本发明的髋关节假肢具有一些用于固定在固定装置上的和用于人 造腿上的连接机构。此外，设置有一个用于控制髋关节中的伸展运动和步 幅的控制单元。通过该控制单元可控制站立时相中的伸展运动和腿假肢的 步幅，例如通过一个液压控制系统来控制。
本发明的一个进一步构型提出，控制单元具有至少一个用于阻尼髋关 节中的屈曲运动和/或伸展运动的阻尼器装置，以便可控制步幅以及髋屈曲 或髋伸展的形式。阻尼器装置优选构造成液压阻尼器并且具有用于在假肢 伸展方向上或假肢屈曲方向上调节阻尼的装置或机构。优选控制单元配备 有相应的阻尼器特性曲线，由此在行走速度提高时以相应较高的能量水平 进行与自然行走步态相适配的步幅增大。
控制单元优选组合在髋关节中，以便提供紧凑的结构形式，并且优选 具有可调节的阀或阻力，以便可将阻尼器特性曲线设计得可变。
为了特别自然的行走步态，设置有用于调节伸展和屈曲中的阻尼的调 节装置或机构。在伸展中设置高的阻尼，可这样调节该高的阻尼，使得患 者的骨盆在假肢上滚动时几乎保持水平。在脚后跟登地之后突然的伸展得 到避免。由此，对于患者可实现在人造髋关节伸展期间对侧的腿抬起或摆 动。阻尼的大小可调节，由此，视个别期望而定，可实现较快速或较缓慢 的伸展。如果存在高的可靠性要求，则可调节较快速的伸展，但如果期望 高程度的舒适性和自然的行走，则可将阻尼调节得这样高，使得在假肢抬
离前不久才进行最终止挡。
对于屈曲运动提出，通过调节装置或机构来确定第一运动段，在该第 一运动段中不存在或仅存在很小的阻尼。在第二运动段，阻尼上升，优选 渐增地上升，直到上升到确定的极限值，该极限值可与假肢使用者的生物 统计学数据及其期望相关地调节。在紧接其后的第三运动段中，阻尼恒定 地保持在第二运动段的最终水平上并且保证稳定的脚后跟踩地而无进一步 的不受控制的髋屈曲的危险。屈曲角度、即对应的运动段的长度可调节， 由此，视个别的期望而定，几乎未被阻尼的第一运动段可延长或縮短。与 此相应，具有上升的阻尼器特性曲线的第二运动段在阻尼器特性曲线的斜 率方面可设计得可变，以便例如当假肢使用者对稳定性具有高要求时縮短 步幅。另一方面，也可这样选择对应的区域，使得允许较大的步幅，以便 满足主动假肢使用者的要求。
该髋关节假肢可设置有一个能量储存器单元，该能量储存器单元在人 造腿伸展时在髋关节中储存能量并且为了支持屈曲运动而将该能量至少部 分地释放给人造腿。作为能量储存器单元设置了一些弹簧元件、尤其是塑 料弹簧元件、钢或碳弹簧或其它具有相应弹性特性的材料。
根据本发明的用于通过至少一个用于阻尼人造腿的屈曲运动和伸展运 动的阻尼器单元来控制髋关节假肢的方法提出，这样调节伸展运动的阻尼， 使得当在正常行走模式下对侧的腿已经抬起时伸展止挡还未被达到。可与 对应的患者相协调地来调节伸展运动的所需阻尼。由此可考虑对应的假肢 穿戴者的偏好并且使髋关节假肢与对应的行走步态相适配。作为补充或替 换方案，这样实施控制，使得在第一运动段中屈曲不被阻尼，即可在运动 阻力没有提高的情况下发生屈曲，以致由此可基于屈曲角度调节步幅。在 第二运动段期间阻尼提高，或者线性地或者渐增地提高，以便然后在第三 运动段中恒定地保持在最终水平上，该最终水平与第二运动段的阻尼的最 终水平相应。
由此，站立时相阻尼的控制可与摆动时相阻尼的控制相组合地或与其 分开地来实施，以便可实现与自然行走步态相适配的运动。
本发明的一个进一步构型提出，作为用于阻尼器单元的控制参数测量 人造腿的屈曲角度、运动方向、屈曲速度和/或施加在人造腿上的力。然后
与所测量的控制参数相关地以相应期望的程度进行阻尼或阻尼特性曲线的 自动适配。控制参数在此通过传感器测定并且输入给一个电子分析处理单 元，该电子分析处理单元基于所测定的值来通过执行机构引起阻尼器单元、 例如阀的调节。
下面借助于附图来对本发明的实施例进行详细描述。附图表示


图1髋关节假肢的立体部分剖面视图2髋关节假肢在稍微屈曲中的剖面视图3 图2的细节视图4髋关节假肢在屈曲位置中的侧视图； 图5在伸展位置中的髋关节假肢； 图6至图9髋关节液压系统的线路图；以及 图10用于摆动时相控制的阻尼力曲线图。
图1中示出了一个髋关节假肢1的立体部分剖面视图，具有一个上部
件2和一个被部分地剖切的下部件3，该上部件与该下部件通过一个前导杆 4和一个后导杆5彼此铰接地相连接。在上部件2上固定着一个用于固定在 假肢笼形件或类似装置上的上连接件21。通过转动轴25，上部件2铰接地 与后导杆5相连接。通过球铰链24，上部件2铰接地与前导杆4相连接。 前导杆4通过下部球铰链34连接在下部件3上，而后导杆5以其下部的转 动轴35支承在下部件3上。
在前导杆4上朝向关节内部、即朝向后导杆5构造有一个用于活塞杆 62的支承部位，该活塞杆可绕球铰链46摆动地被支承着。由于下部球铰链 34到活塞杆62的球铰链46的距离，当前导杆4绕下部球铰链34摆动时除 了相对于活塞杆62转动之外还在活塞杆62上发生移动，由此，该活塞杆 与前导杆4的转动方向相关地往复运动。
活塞杆62伸入到下部件3中并且在那里被一个控制单元6接收，该控 制单元在下部件3中可绕转动轴63转动地被支承着。在下部件3的下端部 上固定着一个用于与人造腿相连接的下连接件31。
控制单元6可绕摆动轴63运动地保持在下部件3中。控制单元6的摆 动轴63处于控制单元6的下端部上并且阻止在控制单元6内部在活塞杆62 上被导向的活塞歪斜，该歪斜在控制单元6被刚性支承的情况下会由于相
对于活塞杆取向垂直的运动分量而产生。相对于活塞杆62垂直的该第二运 动分量基于绕前导杆4的下部球铰链34的摆动运动和活塞杆62的摆动轴 46的由此实施的圆弧运动而给定。
图2在总体视图中示出了髋关节假肢1的剖面视图。 图3中在稍微屈曲的位置中示出了髋关节假肢1的放大细节视图，在 该稍微屈曲的位置中活塞8布置在通过缸壁9构成的缸室的上端部上。
在图3中可看到设置在槽91中的、在圆周方向上彼此相对错位地取向 的孔92，这些孔各可朝返回通道94取向。最下部的槽91与一个环形通道 95处于持续连接并且形成最小的液压回流，该最小的液压回流始终得到保 证。由此，阻尼恒定地保持在最终水平上。直到达到也与返回通道94通过 一个孔92处于连接的那个槽91，相应降低的阻尼水平基于流过这两个孔 92的液压液体的较高的回流量而得到保证。只要活塞8达到与回流通道94 相连通的孔92，该孔就逐渐闭合，由此得到用于该第二区域的上升的阻尼 器特性曲线。通过控制单元6中的这种可调节的阻尼，可控制髋关节中的 伸展运动。通过设置弹簧元件7和在屈曲运动中阻尼的可调节性，可调节 步幅。
控制单元6是一个分开地构造的、可摆动地被支承着的液压阻尼器单 元，该液压阻尼器单元组合地安置在髋关节1的下部件3中。作为替换方 案，控制或阻尼器单元6也可设置在髋关节1的其它位置上。通过阀64、 65的外部的可接近性，可个别地调节对应的阻尼器特性曲线和运动段。这 尤其是也通过孔92的布置的可调节性而有效。
最好应借助于图3中的放大视图来描述控制单元6的工作方式。在活 塞杆62上在下端部上固定着活塞8。缸内壁9在控制单元6内部构造得被 可转动地支承着并且具有槽91。每个槽91具有一个所属的开口 92，该开 口可通过借助于工具使缸壁9扭转来转动，该工具在下端部上插入到一个 凹部93中，例如插入到一个缝隙或一个内六角中，直到孔92与垂直地取 向的返回通道94对准。通过缸壁9的扭转来确定哪个孔92与返回通道 94对准并且打开以及由此活塞8在屈曲中可自由运动直到哪个槽91 。如果 髋关节假肢l屈曲，则活塞杆62向下运动，如果髋关节伸展，则活塞8相 应地向上运动。可从外部通过一个接近开口接近凹部93，由此可与缸壁9
的位置和与返回通道94相应对准的孔92的位置相关地调节屈曲角度。
在活塞8中可铣入一个槽，该槽在达到缸壁中的对应的槽91之后使得 阻尼渐增地上升。当活塞槽完全移动到缸壁槽91前面之后，高的阻尼起作 用，该高的阻尼可通过一个伸开阀64来调节。
伸展通过恒定的或稍微上升的阻尼来缓和。阻尼可通过液压系统上的 第二阀65来调节。
控制单元6由此构造成一个液压阻尼器，该液压阻尼器具有渐增的阻 尼器特性曲线，不仅可阻尼髋关节中的屈曲运动，而且可阻尼伸展运动， 并且可通过阀64、 65机械地控制屈曲角度和伸展运动。直到达到与返回通 道94对准的对应的孔92不存在阻尼或仅存在最小的阻尼，而从活塞8达 到缸壁槽91起，阻尼上升。从达到该孔并且该孔完全闭合起，由于最后的 槽91中的孔92而存在高的阻尼，该高的阻尼直到屈曲运动结束保持恒定。 在伸展中，油通过一个在该图中未示出的上部的孔92流动到上部的槽91 中，其中，阻尼特性曲线可通过阀65或节流器来调节。
在图4中在屈曲位置中示出了髋关节假肢1。在该图中可看到，活塞杆 62的球铰链46同时表示一个用于弹簧元件7的作用点，该弹簧元件以其下 端部在下部件3上设置在摆动轴73上。弹簧元件7尤其是可构造成塑料弹 簧或其它弹性的带，在髋关节假肢1的屈曲位置中，该弹簧元件几乎未扩 张，因为已经在伸展位置中储存在弹簧元件7中的全部能量释放给了下部 件3并且由此释放给了未示出的人造腿。弹簧元件7支持髋关节假肢1的 屈曲运动，其方式是该弹簧元件使固定在前导杆4上的活塞杆62的球铰链 46向下在朝下部件3的方向上承受力。
图5中示出了髋关节假肢1的伸展位置，该髋关节假肢的位置基本上 相当于图1中的位置。其中，弹簧元件7最大程度地伸展并且具有相应高 的能量含量，因为前导杆4上的上部的作用点46相对于弹簧元件7的下部 的摆动轴73处于最大距离上。在也可构造成传统拉簧的弹簧单元7中在此 所使用的能量在人造腿伸展时在髋关节中被储存并且在屈曲运动时至少部 分地再释放给人造腿。
原则上，控制或阻尼器单元不仅可安置在与髋关节假肢1的所示位置 不同的位置上，而且可在髋关节假肢的其它构型中、例如在单轴的髋关节 中安置。控制单元的工作方式必要时也可换向，其方式是活塞在屈曲运动 时移出，在伸展运动时移入。
图6至图9中示意性地示出了具有活塞杆62、活塞8、液压缸9以及 可调节的屈曲阀64和可调节的伸展阀65的阻尼器装置。可调节的阀64、 65作为节流部位起作用，通过这些节流部位可调节髋关节的阻尼。、没有示 出液压缸9中的槽91。下部的孔92表示与返回通道94的连接；配置给孔 92的双箭头代表垂直的可调节性并且由此代表在屈曲阀64不起作用的情 况下屈曲角度的可调节性。
在图6中，活塞8由于人造腿的屈曲运动而向下运动。由此，液压液 体在无大的阻力的情况下流动通过可垂直调节的孔92——通过该孔可调节 步幅，通过一个上部的、垂直调节得固定的上部的孔92流动返回到缸9的 上分室中。在返回通道94中可设置一个止回阀97，该止回阀可在屈曲运动 时实现液压液体流入到上分室中，但在伸展运动时阻止回流。
图7中示出了这样的状态，在该状态中活塞8达到并且超过了下部的 孔92。在达到下部的孔92之后，液压液体通过与回流通道94分开的连接 通道96流到阀64、 65。在达到下部的孔92和通过活塞8闭合之前，由于 连接通道96中的较高的流动阻力并且由于存在于该连接通道中的阀64、 65、 97，几乎没有或者根本没有液压液体在那里穿流。在可垂直调节的孔 92闭合之后，液压液体仅仅通过连接通道96引导。通过阻尼髋关节弯曲的 屈曲阀64使阻尼器力提高，由此，阻尼器特性曲线上升。伸开阀65不被 穿流，因为具有一个流动阻力较小的止回阀97的旁路被并联连接。
如果现在开始伸展，贝赔塞8如图8中所示向上运动。伸展运动于是 通过伸开阀65阻尼，而与液压液体是否流动穿过上部的或下部的孔92无 关。箭头代表液压液体的流动方向。回流通道94中的止回阀97保证，全 部液压液体流过伸开阀65。弯曲阀64具有一个带有止回阀97的旁路并且 在伸展运动中不影响阻尼特性曲线。
图10中示出了一个关于屈曲角度《p的阻尼器力曲线图，在该阻尼器力 曲线图中示出了在屈曲期间不同的阻尼阶段和起作用的力。在第一运动段 A中，阻尼器力Fd可忽略地小并且由系統固有的阻尼因子形成，例如轴承 部位上的摩擦阻力或液压液体的始终存在的流动阻力。期望的阻尼在第一
运动段A中不发生。在第二运动段B中，阻尼提高并且占优势的阻尼器力 提高，在所示例子中线性提高，确切地说提高到在第三运动段C中戶万达到 和保持的最终水平上。这种阻尼器力曲线可通过接入相应的阻尼器元件或 流动阻力来实现。如果髋关节在屈曲运动结束之后伸展，则可这样调节伸 展运动的阻尼，使得当在正常行走模式下、即在正常行走速度下对侧的腿 已抬起或被抬起时，最大伸展或伸展止挡还未被达到。
权利要求
1. 髋关节假肢，具有一些用于固定在上部固定装置上的和用于固定在与该髋关节假肢相连接的人造腿上的连接机构，其特征在于设置有一个用于控制该髋关节中的伸展运动和步幅的控制单元(6)。
2. 根据权利要求1的髋关节假肢，其特征在于该控制单元(6)具有至少一个用于阻尼该髋关节中的屈曲运动和伸展运动的阻尼器装置(8，64， 65， 91， 92， 94)。
3. 根据权利要求1或2的髋关节假肢，其特征在于该控制单元(6) 构造成液压阻尼器。
4. 根据权利要求2或3的髋关节假肢，其特征在于该控制单元(6) 具有渐增的阻尼器特性曲线。
5. 根据上述权利要求中一项的髋关节假肢，其特征在于:该控制单元(6) 组合在该髋关节中。
6. 根据权利要求2至5中一项的髋关节假肢，其特征在于该阻尼器特 性曲线可通过可调节的阀(64， 65)或者阻力而变化。
7. 根据权利要求2至6中一项的髋关节假肢，其特征在于对于第一运 动段在屈曲期间不存在阻尼，在第二运动段期间阻尼上升并且在第三运动 段中阻尼恒定地保持在该第二运动段的最终水平上。
8. 根据上述权利要求中一项的髋关节假肢，其特征在于阻尼在伸展中恒定。
9. 根据上述权利要求中一项的髋关节假肢，其特征在于设置有一个能量储存器单元，该能量储存器单元在该人造腿伸展时在该髋关节中储存能 量并且为了支持屈曲运动而将该能量至少部分地释放给该人造腿。
10. 根据权利要求9的髋关节假肢，其特征在于作为能量储存器单元 设置了一些弹簧元件(7)、尤其是塑料弹簧元件。
11. 用于通过至少一个用于阻尼人造腿的屈曲运动和伸展运动的阻尼器单元来控制髋关节假肢的方法，其特征在于这样调节伸展运动的阻尼， 使得当在正常行走模式下对侧的腿已经抬起时伸展止挡还未被达到，和/或 在第一运动段中屈曲不被阻尼，在第二运动段期间阻尼提高并且在第三运动段中阻尼恒定地保持在该第二运动段的最终水平上。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于作为控制参数测量人造腿的 屈曲角度、运动方向及速度和/或施加在人造腿上的力并且与所测量的控制 参数相关地进行阻尼的自动适配。
全文摘要
本发明涉及一种髋关节假肢(1)，具有一些用于固定在固定装置上的和用于人造腿的连接机构(21，31)。此外，设置有一个用于控制该髋关节中的伸展运动和步幅的控制单元(6)。通过该控制单元可控制站立时相中的伸展运动和腿假肢的步幅，例如通过一个液压控制系统来控制。
文档编号A61F2/60GK101389291SQ200780006901
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月22日 优先权日2006年2月27日
发明者H·博伊滕 申请人:奥托·博克保健Ip两合公司