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Dokumentenidentifikation DE102005051646A1 10.05.2007
Titel Verfahren zur Überprüfung der Einstellung eines Prothesenkniegelenks
Anmelder Otto Bock HealthCare IP GmbH & Co. KG, 37115 Duderstadt, DE
Erfinder Auberger, Roland, Wien, AT;
Pusch, Martin, 37115 Duderstadt, DE
Vertreter GRAMM, LINS & PARTNER GbR, 38122 Braunschweig
DE-Anmeldedatum 26.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051646
Offenlegungstag 10.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.05.2007
IPC-Hauptklasse A61F 2/76(2006.01)A, F, I, 20051026, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61F 2/64(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   A61F 2/60(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   G01L 1/00(2006.01)A, L, I, 20051026, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Einstellung eines Prothesenkniegelenkes, das einen Unterschenkelschaft, an dem ein Prothesenfuß befestigbar ist, um eine Gelenkachse schwenkbar mit einem Oberschenkelschaft zur Befestigung des Prothesenkniegelenkes an einem Oberschenkelstumpf verbindet, wobei der Oberschenkelschaft relativ zu der Gelenkachse verlagerbar ist. Über Sensoren wird ein Kniegelenk und eine in dem Unterschenkelschaft wirkende Axialkraft bei einer Prothesennutzung gemessen. Aus diesen Größen wird ein resultierender Kraftvektor mit einem Angriffspunkt an dem Oberschenkelschaft errechnet. Weiterhin wird der Horizontalabstand und die Lage des resultierenden Kraftvektors zu der Gelenkachse errechnet und überprüft, ob und wie weit der resultierende Kraftvektor in Sagittalebene vor oder hinter der Gelenkachse liegt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, bei dem Anschlussmittel zwischen einem Prothesengelenkoberteil und einem Oberschenkelschaft in Sagittalebene verschieblich an dem Oberteil gelagert sind und Einrichtungen zur Erfassung von Kniekräften oder Momenten an einem Anschlussadapter oder an dem Oberteil angebracht sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Einstellung eines Prothesenkniegelenkes, das einen Unterschenkelschaft, an dem ein Prothesenfuß befestigbar ist, um eine Gelenkachse schwenkbar mit einem Oberschenkelschaft zur Befestigung des Prothesenkniegelenkes an einem Oberschenkelstumpf verbindet, wobei der Oberschenkelschaft relativ zu der Gelenkachse verlagerbar ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Ermittlung von Kräften und Momenten in einer Oberschenkelprothese.

Die relative Position zwischen einem Oberschenkelschaft und dem eigentlichen Prothesenkniegelenk ist von einer zentralen Bedeutung für die Funktionalität und den Komfort einer Prothesenversorgung. Diese relative Position hat einen starken Einfluss auf die Sicherheit gegenüber einem unbeabsichtigten Einknicken der Prothese in der Standphase sowie auf die Reaktionskräfte zwischen dem Oberschenkelschaft und dem Oberschenkelstumpf. Besonders wichtig ist dabei die Ausrichtung der Prothese in der Sagittalebene, was auch als „Aufbau" beschrieben wird.

Bei jedem Prothesenaufbau muss ein Kompromiss zwischen einer ausreichenden Sicherheit in der Standphase und einem möglichst geringen Kraftaufwand beim Gehen gefunden werden. Je größer die Sicherheit in der Standphase ist, desto größer ist der Kraftaufwand beim Gehen. Wird der Kraftaufwand beim Gehen minimiert, kann es zu einem instabilen Aufbau des Prothesenkniegelenkes kommen, was durch aktiven Einsatz der Hüftmuskulatur ausgeglichen werden muss. Dies ist für den Prothesennutzer nachteilig.

Die Sicherheit in der Standphase wird grundsätzlich durch eine Rückverlagerung des Prothesenkniegelenkes oder der Gelenkachse relativ zum Oberschenkelschaft erreicht. Dadurch wird garantiert, dass der vom Körper entspringende Gewichtsvektor des Prothesenträgers beim Stehen vor der Gelenkachse des Prothesenkniegelenkes verläuft, wodurch die Prothese in der gestreckten Position verbleibt.

Während eines Schrittes soll die Prothese in die Schwungphase einknicken, dazu muss der Gewichtskraftvektor hinter der Gelenkachse des Prothesenkniegelenkes verlaufen. Dies wird vom Patienten durch Einbringen eines Hüftmomentes erreicht. Die hierzu aufzubringende Körperkraft hängt, wie oben ausgeführt, stark vom Aufbau des Prothesenkniegelenkes ab. Ist der Aufbau zu sicher, so ist das Auslösen in der Schwungphase mit einem großen Kraftaufwand verbunden. Dies führt zu einer vorzeitigen Ermüdung oder auch zu Schmerzen im Oberschenkelstumpf.

Gegenwärtig erfolgt die Positionierung des Prothesenkniegelenkes relativ zu dem Oberschenkelschaft statistisch und aufgrund von Erfahrungswerten. Dynamische Effekte, zum Beispiel die Verformung des Systems oder des Oberschenkels während des Gehens, werden nicht berücksichtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen ein Prothesenaufbau eine Oberschenkelprothese verbessert und insbesondere ein günstiger Prothesenaufbau für die Standphase des Gehens ermittelt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung in der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass über Sensoren ein Kniemoment und eine in dem Unterschenkelschaft wirkende Axialkraft bei einer Prothesennutzung gemessen werden. Dies geschieht über Sensoren, die bevorzugt im Prothesenkniegelenk und im Unterschenkelschaft angeordnet sind. Aus dem Kniemoment und aus der Axialkraft werden ein resultierender Kraftvektor und die Entfernung des Kraftvektors von der Gelenk- oder Knieachse normal zur Axialkraft errechnet. Der Kraftvektor kann einen Angriffspunkt an dem Oberschenkelschaft haben. Der Normalabstand relativ zu der Prothesenlängsachse, die die gleiche Richtung wie die Axialkraft hat, und die Lage oder Orientierung des resultierenden Kraftvektors relativ zu der Gelenkachse wird errechnet und aufgrund des Normalabstandes überprüft, ob und wie weit der resultierende Kraftvektor in der Sagittalebene vor oder hinter der Gelenkachse liegt. Liegt der resultierende Kraftvektor vor der Gelenkachse ist das Kniegelenk stabil, liegt er dahinter, spricht man von einem instabilen Prothesenkniegelenk. Es ist auch vorgesehen, im Laufe eines Schrittzyklusses den am weitesten posterior liegenden Kraftvektor zu ermitteln, um die instabilste Situation, die im Laufe des Schrittzyklusses auftritt, betrachten zu können. So können neben der Unterscheidung zwischen einer stabilen und einer instabilen Situation auch Aussagen über den Grad der Instabilität getroffen werden.

In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass über einen Knöchelmomentsensor das Knöchelmoment zwischen einem Prothesenfuß und dem Unterschenkelschaft erfasst und dass unter Einbeziehung des Knöchelmomentes und der Unterschenkelschaftlänge der resultierende Kraftvektor bestimmt wird. Dadurch ist es möglich, eine Horizontalkomponente einer Bodenreaktionskraft in die Berechnung der Lage des resultierenden Kraftvektors einfließen zu lassen. Der Kraftangriffspunkt des resultierenden Kraftvektors an dem Fuß kann dabei aus dem Quotienten des Knöchelmomentes und der Axialkraft im Unterschenkelschaft errechnet werden.

Um die Berücksichtigung der dynamischen Effekte beim Benutzen einer Oberschenkelprothese bei der Ermittlung und Optimierung des Aufbaues zu ermöglichen, ist vorgesehen, das Kniemoment und die Axialkraft, gegebenenfalls auch das Knöchelmoment, während des Gehens zu messen und aufgrund einer Kraft- und Momentenanalyse über die Schrittlänge, im Sinne von Schrittdauer, das Kniemoment bzw. den resultierenden Kraftvektor zu ermitteln, so dass zu jedem Zeitpunkt während des Gehens eine Aussage darüber getroffen werden kann, ob der Aufbau stabil oder instabil ist. So ist es möglich, die Stabilität des Aufbaues der Prothese in der Standphase während des Gehens zu bestimmen, um dadurch dynamische Effekte bei der Evaluierung des Prothesenaufbaues mitberücksichtigen zu können. Für eine bessere Visualisierung der Ergebnisse in einem Inertialkoordinatensystem und eine genaue Zuordnung der jeweiligen Werte zu den Phasen eines Schrittes ist es vorgesehen, dass der resultierende Kraftvektor unter Ermittlung des aktuellen Kniewinkels ermittelt wird, beispielsweise über einen Kniewinkelsensor oder einen Oberschenkelwinkelsensor, die die Absolutwinkel relativ zu einer Lotlinie ermitteln. Bei einem bekannten Oberschenkelwinkel kann eine Umwandlung von einem prothesenfesten Koordinatensystem in ein Inertialkoordinatensystem erfolgen. Für die Aufbauanalyse genügt jedoch die Betrachtung eines prothesenfesten Koordinatensystems, die ohne Berücksichtigung des aktuellen Kniewinkels durchgeführt werden kann, wobei eine Identifizierung der Schwungphase über die Axialkraftermittlung durchgeführt werden kann. Ist der Axialkraftwert Null oder werden Zug- statt Druckkräfte gemessen, ist anzunehmen, dass eine Schwungphase vorliegt. Der Kniewinkel kann insbesondere für die Abschätzung des Hüftmomentes eingesetzt werden.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Winkel zwischen dem Unterschenkelschaft und dem Prothesenfuß ermittelt wird, um eine Plantarflexion des Fußes im Verhältnis zum Unterschenkelschaft zu erfassen. Dies ist erforderlich, da die Spitzfußeinstellung einen starken Einfluss auf die Stabilität oder Instabilität des Prothesenkniegelenkes hat. Durch die Erhöhung des Spitzfußwinkels wird ein überstreckendes und dadurch stabilisierend wirkendes Moment innerhalb des Prothesenkniegelenkes erzeugt, so dass durch eine Änderung des Spitzfußwinkels eine schlechte Rückverlagerungseinstellung teilweise kompensiert werden kann. Insbesondere hat die Spitzfußeinstellung einen großen Einfluss auf den Verlauf des Knie- und des Knöchelmomentes, wobei bei kleiner werdendem Spitzfußwinkel das zum Auslösen der Schwungphase nötige Extensionselement kleiner wird und später mit dem Aufbau des Extensionsmomentes begonnen wird. Je größer der Spitzfußwinkel ist, desto kürzer wird die Ferse des Prothesenfußes belastet.

Sollte festgestellt werden, dass der resultierende Kraftvektor in der Standphase beim Gehen hinter der Gelenkachse des Prothesenkniegelenkes angesiedelt ist, also dass es sich in der Standphase um einen instabilen Aufbau handelt, ist vorgesehen, dass die Gelenkachse verstellt bzw. verschoben wird, bis der resultierende Kraftvektor vor der Gelenkachse verläuft oder bis die Gelenkachse hinter dem resultierenden Kraftvektor angeordnet ist. Es wird also ein iterativer Evaluierungsprozess durchgeführt, bei dem die Lage des resultierenden Kraftvektors relativ zu der Gelenkachse bestimmt und der Prothesenaufbau solange verändert wird, bis ein hinreichend stabiler Aufbau in der Standphase im Verlauf des Gangzyklusses erreicht ist. Wünscht der Patient einen dynamischen Aufbau, wird die Prothese so eingestellt, dass der Kraftvektor vor der Gelenkachse verläuft. Das Verfahren und das Aufbaueinstellsystem zeigen jedoch, wo der Kraftvektor verläuft, so dass eine qualifizierte und quantitativ erfasste, ggf. dokumentierte Einstellung des Prothesenkniegelenkes vorgenommen werden kann.

Da sich durch die Veränderung des Aufbaues, insbesondere durch die Verschiebung der Gelenkachse, die Ausrichtung des Prothesenfußes verändert, ist es vorgesehen, vor der Verschiebung der Gelenkachse die relative Position des Prothesenfußes zum Unterschenkelschaft zu markieren und nach der Verschiebung der Gelenkachse die relative Position des Prothesenfußes zum Unterschenkelschaft wieder herzustellen. Dadurch wird gewährleistet, dass die sich durch die Verstellung der Gelenkachse geänderten geometrischen Verhältnisse sich nicht auf die Fußausrichtung auswirken.

Ein einfaches Verfahren zur Markierung und Wiederherstellung der ursprünglichen Prothesenfußeinstellung sieht vor, dass die Relativposition des Prothesenfußes zum dem Unterschenkelschaft ermittelt wird, indem ein Laserpointer fest an dem Oberschenkelschaft angeordnet ist. Ein Laserstrahl wird auf den Prothesenfuß gerichtet und die Auftreffstelle markiert. Nach der Verlagerung der Gelenkachse wird bei einem unveränderten Laserpointer der Prothesenfuß so verstellt, dass die Markierung wieder zur Deckung mit dem Laserstrahl gebracht wird. Statt eines Laserpointers können auch andere, insbesondere optische Markierungsmittel eingesetzt werden.

Nach der Gelenkachsenverschiebung und Ausrichtung des Prothesenfußes kann auch die Plantarflexionseinstellung des Prothesenfußes korrigiert werden. Dazu ist vorgesehen, dass vor der Gelenkachsenverschiebung von dem Oberschenkelschaft ausgehend eine Referenzlinie bis auf den Prothesenfuß angezeichnet und nach der Verschiebung der Gelenkachse der Prothesenfuß so ausgerichtet wird, dass die Referenzlinie wieder zur Deckung gebracht wird, so dass sichergestellt ist, dass der Prothesenfuß wie ursprünglich auf einer Horizontalebene steht. Sofern die Referenzlinie mit der Achse eines Justierkernes zwischen der Kniegelenksprothese und dem Prothesenfuß, also im Bereich des Knöchels, zusammenfällt, kann ein Fehler in der Schaftvorflexion weitgehend vermieden werden. Die Referenzlinie kann durch eine distale Justierachse des Prothesenkniegelenkes gelegt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Kräften oder Momenten in einem Prothesenkniegelenk zur Überprüfung der Einstellung eines Prothesenaufbaues sieht vor, dass ein Oberteil zur Verbindung mit einem Oberschenkelschaft und ein mit dem Oberteil gelenkig verbundenes Unterteil vorhanden ist, wobei Anschlussmittel zur Befestigung des Oberteiles an dem Oberschenkelschaft vorgesehen sind, wobei die Anschlussmittel bevorzugt einen in der Sagittalebene verschieblich an dem Oberteil gelagerten Adapter aufweisen und Einrichtungen zur Erfassung von Kniekräften oder Kniemomenten an den Anschlussmitteln oder an dem Oberteil angebracht sind. Durch die Vorrichtung ist es möglich, die wirksamen Kräfte und Momente innerhalb eines Prothesenkniegelenkes zu erfassen und darüber hinaus bevorzugt durch die Einstellung der Anschlussmittel die Lage der Gelenkachse relativ zu dem Oberschenkelschaft so zu ermitteln oder zu verändern, dass ein optimaler Prothesenaufbau erzielt werden kann. Der Adapter kann dabei an dem Oberteil über eine Klemmeinrichtung festgelegt werden. Alternativ dazu sind von außen zugängliche Einstellschrauben beispielsweise in Gestalt einer Spindel vorgesehen, über die bequem die Gelenkachse relativ zu dem Oberschenkelschaft verschoben, damit der Prothesenaufbau verändert und die somit gewonnenen Erkenntnisse über den Prothesenaufbau unmittelbar in der Praxis überprüft werden können.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Oberteil und dem Adapter ein Brückenelement und/oder ein Träger angeordnet ist, auf der der Adapter verschieblich gelagert ist. Die Brücke oder der Träger ist dabei bevorzugt momentenstarr an dem Oberteil festgelegt und bildet zwischen dem unmittelbar dem Oberschenkelschaft angeordneten Adapter und dem Oberteil ein Zwischenstück, das zur Ermittlung der in dem Kniegelenk wirksamen Kräfte und Momente entsprechend ausgestaltet ist. An der Brücke kann ein Messbalken ausgebildet sein, der sich bei Beaufschlagung mit Momenten oder Kräften in einem solchen Maße verformt, dass beispielsweise über Dehnungsmessstreifen die wirksamen Kniekräfte und Kniemomente eindeutig mit einem hohen Messsignal ermittelt werden können. Es entsteht so eine preisgünstige Ausgestaltung einer bidirektionalen Messeinheit. Der Messbalken muss jedoch so dimensioniert sein, dass die Brücke nicht versagt und auch bei Erreichen von Werten der Maximalbelastung die Struktur erhalten bleibt. Bevorzugt sind der Adapter bzw. der Adapter mit der Brücke und dem Träger so gestaltet, dass die Einbauhöhe der Einbauhöhe der Anschlussmittel entspricht, die nach der Einstellung des Prothesenaufbaues eingesetzt werden. Bei dieser Variante ist vorgesehen, dass nach Ermittlung des optimalen Prothesenaufbaus die Vorrichtung entfernt und durch die normalen Anschlussmittel ersetzt wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 – eine schematische Darstellung einer Beinprothese mit darin angeordneten Sensoren;

2 – eine Darstellung der wirksamen Kräfte in einer Anordnung gemäß 1;

3 – eine perspektivische Darstellung der Momente und Kräfteverhältnisse sowie Winkel;

4 – eine schematische Darstellung der 3;

5- den Zusammenhang zwischen einem Kniemomentenverlauf und einer Rückverlagerung;

6 – eine schematische Darstellung der Wiederherstellung der Fußposition;

7 – eine schematische Darstellung der Wiederherstellung der Plantarflexion;

8 – ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im zusammengebauten Zustand;

9 – eine Variante der 8 in gedrehter Darstellung;

10 – eine Draufsicht auf die Vorrichtung; sowie

11 – eine Schnittdarstellung entlang A-A der 10.

In der 1 ist eine Beinprothese 1 mit einem Oberschenkelschaft 2, der an einem nicht dargestellten Oberschenkelstumpf befestigbar ist, dargestellt. An dem Oberschenkelschaft 2 ist ein Kniegelenk 3 befestigt, das um eine Knieachse 31 verschwenkbar gelagert ist. An dem Prothesenkniegelenk 3 ist ein Unterschenkelschaft 4 befestigt, der das Kniegelenk 3 mit einem Prothesenfuß 6 über eine Koppelstelle 5 verbindet. In dem Kniegelenk 3 ist ein Sensor 10 zur Messung des Kniemomentes MK angebracht, wobei die Messachse 31 des Sensors 10 der Gelenkachse des Knies 3 entspricht. Der Kniewinkel &PHgr; kann entweder über den Sensor 10 oder einen anderen, beispielsweise in dem Unterschenkelschaft 4 Sensor ermittelt werden.

Zur Bestimmung eines Knöchelmomentes MT ist im Anschlussbereich zwischen dem Unterschenkelschaft 4 und dem Prothesenfuß 6 ein Sensor 11 zur Messung einer innerhalb des Unterschenkelschaftes 4 wirksamen Axialkraft FAX und des Knöchelmomentes MT angeordnet, die Messachse 51 des Sensors 11 liegt parallel zu der Knieachse 31.

In der 2 sind die Höhen und Längen sowie die Orientierungen der Kräfte und Momente eingezeichnet, die Höhe des Knöchelmomentsensors 11 bzw. der Sensorachse 51 wird mit HS bezeichnet.

Der Abstand der Knieachse 31 zur Messachse 51 des Knöchelmomentsensors 11 wird mit LT bezeichnet. Das Knöchelmoment MT ist ebenso wie das Kniemoment MK entgegen dem Uhrzeigersinn positiv eingezeichnet, ebenso wie die Axialkraft FAX im Unterschenkelschaft 4 nach oben wirkend, also in Richtung des Kniegelenkes 3 positiv angenommen wird.

In der 3 sind weitere wirksame Kräfte perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei die eine Kontaktkraft FK als die Bodenreaktionskraft FGRF angenommen wird, die immer, gemäß dem Koordinatensystem in der 4, als in y-Richtung positiv wirksam angesehen wird. Ist der Oberschenkelschaft 2 um einen Winkel &PHgr; entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, wirkt eine resultierende Kraft FR der Kontaktkraft FKentgegen, wobei sich aus dem Abstand &lgr; als Normalabstand des Kraftvektors FR von der Knieachse 31 ableiten lässt, ob der momentane Aufbau des Prothesenkniegelenkes 3 stabil oder instabil ist. Die Aussagen des Modells gelten für jedes betrachtet Koordinatensystem, also auch für ein unterschenkelfestes Koordinatensystem. Sofern eine Abschätzung der Verhältnisse an der Hüfte nicht erforderlich oder uninteressant ist, werden keine Kniewinkelinformationen benötigt.

In der in der 4 dargestellten Situation eines Fersenauftrittes mit einem Winkel &xgr; zwischen der Prothesenlängsachse und dem Lot ist &lgr; negativ, so dass der resultierende Kraftvektor FR in Sagittalebene hinter der Gelenkachse 31 liegt. Das Prothesenkniegelenk 3 wäre somit instabil. Um einen stabilen Prothesenaufbau bereitstellen zu können, müsste die Gelenkachse 31 in negative x-Richtung in der Sagittalebene verlagert werden. Eine Rückverlagerung der Gelenkachse 31 hat somit auf die Verläufe von Kniemoment, Knöchelmoment und Axialkraft wesentlichen Einfluss.

Bei einem stabilen Prothesenaufbau sollte das Kniemoment zu einem gegebenen Zeitpunkt in der Standphase aufgrund der vorliegenden Mechanik, also aufgrund der vorliegenden Hebellängen, linear von der Rückverlagerung abhängen. Ist der Prothesenaufbau sehr instabil, muss der Prothesenträger durch Aufbringen eines Hüftstreckmomentes aktiv verhindern, dass die Prothese unter ihm wegknickt. Dies wirkt sich theoretisch als eine Reduktion des maximalen Kniemomentes in der Standphase aus. Grundsätzlich soll eine Prothese so aufgebaut sein, dass eine Standphaseflexion möglich ist, da dadurch ein Kontaktstoß beim Aufsetzen der Prothese auf dem Boden reduziert wird. Aus diesem Grunde sollte der Prothesenaufbau nicht zu weit rückverlagert sein, um ein gewisses Beugemoment zu ermöglichen, jedoch ohne den Prothesenträger dazu zu zwingen, aktiv ein weiteres Einknicken der Prothese zu verhindern. Jedoch ist bei einem Prothesenaufbau auf die individuellen Wünsche des Prothesennutzers einzugehen. Das in der Standphase zulässige Flexionsmoment ist stark individuellen Unterschieden unterworfen, die auch dynamischen Einflüssen unterliegen, so dass die optimale Ausrichtung der Gelenkachse in der Regel nicht in einem Ausrichten in statischem Zustand erfolgen kann, sondern bislang durch mühsame Versuchsreihen ermittelt werden musste. Diese Einstellprozedur kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wesentlich verkürzt werden.

In der 5 ist exemplarisch der Zusammenhang zwischen einem Kniemomentenverlauf und einer Rückverlagerung über einen Schrittzyklus gezeigt. Die Zeit ist hierbei normiert als prozentuale Schrittlänge, wobei 100% einem vollen Schrittzyklus entspricht. Auf der zweiten Horizontalachse ist die Rückverlagerung der Gelenkachse bezüglich einer Montagebezugslinie, also der Verbindungslinie von der Unterschenkelschaftmitte zur Prothesenfußmitte, in Millimetern dargestellt. Bei einem Kniemomentwert von Null liegt der Übergang von einem stabilen zu einem instabilen Prothesenaufbau vor. Bei einem positiven Kniemoment ist ein instabiler Prothesenaufbau erreicht. Bei einem Übergang von einem stabilen zu einem instabilen Aufbau wird eine Stabilitätsgrenze erreicht, die ein sinnvoller Richtwert für die Einstellung des Prothesenaufbaues ab der Standphasenflexion ist. Ist die Lage dieser Stabilitätsgrenze bekannt, kann leicht auf die individuellen Bedürfnisse eines Prothesennutzers eingegangen werden, indem bei einem gewünschten stabilen Aufbau die Prothese rückverlagert wird; bei einem gewünschten dynamischen Aufbau kann eine Vorverlagerung stattfinden.

Ein weiterer Parameter mit einem Einfluss auf die Stabilität des Prothesenaufbaues ist die Spitzfußeinstellung. Durch eine Erhöhung des Spitzfußwinkels mit mehr Plantarflexion wird ein überstreckendes und dadurch stabilisierend wirkendes Moment im Knie erzeugt. Grundsätzlich kann man eine suboptimale Rückverlagerungseinstellung durch Änderung der Spitzfußeinstellung kompensieren, wobei bei einem großen Spitzfußwinkel das Prothesenkniegelenk sehr früh überstreckt wird. Das erforderliche Extensionsmoment zum Auslösen der Schwungphase ist dann groß und muss für eine verhältnismäßig lange Zeit aufgebracht werden. Je kleiner der Spitzfußwinkel ist, desto kleiner ist das zum Auslösen der Schwungphase nötige Extensionsmoment, wobei auch später mit dem Aufbau eines Extensionsmomentes begonnen wird. Auch hat der Spitzfußwinkel einen Einfluss auf den Kniemomentverlauf während des Belastens der Prothese, wobei das Ziel der Einstellung des Spitzfußwinkels darin besteht, einen möglichst gleichmäßigen Kniemomentverlauf bereitzustellen.

Um die Einstellung eines Prothesenkniegelenkes während der Benutzung überprüfen zu können, ist es notwendig, den Normalabstand &lgr; des resultierenden Kraftvektors FR von der Knieachse 31 zu jedem Zeitpunkt bzw. Abtastzeitpunkt während der Standphase zu ermitteln. Um den Normalabstand &lgr; zu erhalten, ist es notwendig, die Orientierung und den Angriffspunkt des resultierenden Kraftvektors FR bzw. der Bodenreaktionskraft FK zu ermitteln. Da für die Beurteilung, ob ein stabiler oder instabiler Zustand des Prothesenaufbaus in der Standphase vorhanden ist, nur eine Verlagerung innerhalb der Sagittalebene zu betrachten ist, liegt ein ebenes Problem vor. Aus dem Knöchelmomentsensor 11 sowie dem Sensor zur Ermittlung der Axialkraft FAX und dem Sensor 10 zur Ermittlung des Kniemomentes MK sowie die vorher ermittelten Längen HS und LT ist es möglich, den resultierenden Kraftvektor FR oder die korrespondierende Kontaktkraft FK in Lage und Orientierung zu ermitteln. Dabei kann alles, was oberhalb des Kniegelenkes 3 passiert, auf die resultierende Kraft FR reduziert werden, was insbesondere bedeutet, dass keine aktiv aufgebrachten Hüftmomente MH berücksichtig werden und dass der Einfluss eines Horizontalanteiles der Bodenreaktionskraft FGRF auf das Knöchelmoment MT vernachlässigbar ist. Die Annahme, dass das Hüftmoment MH vernachlässigbar ist, kann dann zutreffenderweise getroffen werden, wenn der Prothesenaufbau nicht extrem instabil ist. Um Hüftmomente MH berücksichtigen zu können, müsste zumindest ein weiterer Sensor vorgesehen sein, was zu aufwändig wäre.

Um das Hüftmoment MH abschätzen zu können, kann über das Momentengleichgewicht am Hüftgelenk mit MH = L2·FK und der Beziehung L2 = LF·sin(&PHgr; – &agr;) + &lgr; eine Berechnung bei ermittelter Kontaktkraft FK erfolgen, mit LF als der gemessenen Oberschenkellänge und L2 als Abstand des resultierenden Kraftvektors vom Angriffspunkt des Hüftmomentes MH mit dem Kniewinkel &PHgr;.

Um die effektive Hebellänge L1 auf Höhe des Knöchelmomentsensors 5 berechnen zu können, wird der Quotient aus dem gemessenen Knöchelmoment MT und der Axialkraft FAX im Unterschenkelschaft gebildet. Die Hebellänge L1 gibt die Entfernung des Krafteintrittspunktes vom Knöchelgelenk auf der Höhe des Knöchelmomentsensors 11 an. Das Momentengleichgewicht am Sprunggelenk lautet MT = – L1 × FK Zur expliziten Berechnung der Vertikalkomponente der Kontaktkraft FK wird die Gleichung MT = FAX·L1 – FKX – HS entsprechend aufgelöst. Das Kniemoment MK entspricht dem negativen Produkt aus Normalabstand &lgr; und der Kontaktkraft FK. Aus dem Kräftegleichgewicht an dem Unterschenkelschaft 4 mit FK cos(&agr;) + FAX = 0 und der geometrischen Beziehung sin(&agr;) = (&lgr; – L1)/LT ergibt sich ein nichtlineares Gleichungssystem, aus dem sich die gesuchten Werte errechnen lassen.

Dabei ist der Winkel &agr; der Winkel zwischen dem Kraftvektor und der Prothesenlängsachse. FKX sowie FKY sind Kontaktkraftkomponenten in X- und Y-Richtung. Die Errechnung der benötigten Größen FKX, FKY, L1 und &lgr; erfolgt in einem Computer, in den die geometrischen Größen und Abmessungen sowie die gemessenen Momente, Winkel und Kräfte eingegeben werden. Die aktuellen Messwerte können über eine Schnittstelle in den Rechner gesendet werden, die Abmessungen können manuell eingegeben werden. Aus der Tatsache, dass der Normalabstand &lgr; des Bodenreaktionsvektors FGRF oder des Kontaktkraftvektors FK von der Knieachse 31 zu jedem Zeitpunkt der Standphase berechnet werden kann, kann auch zu jedem Zeitpunkt der Standphase ermittelt werden, ob ein stabiler oder instabiler Prothesenaufbau vorhanden ist. Ob ein stabiler oder instabiler Aufbau vorliegt, kann aus einem Vergleich des ermittelten Abstandes mit einem definierten Abstand für einen stabilen oder instabilen bzw. dynamischen Aufbau erfolgen.

Um den Prothesenaufbau weiter zu optimieren, muss die Spitzfußeinstellung so gewählt werden, dass der Kraftvektor im Stehen durch die Fußmitte verläuft. Dies kann durch eine Wippenanordnung realisiert werden, auf die sich eine Person mit der Prothese dergestalt stellt, dass sich die Plattenmitte an der gewünschten Lastanleitungsposition des Prothesenfußes befindet. Mittels einer Markierung auf der Platte kann die Fußmitte über den Drehpunkt gebracht werden, wobei Ferse und Zehe gleichweit von der Markierung beabstandet sein müssen. Bei einem entspannten Stehen wird die Plantarflexion solange geändert, bis die Platte im Gleichgewicht ist und auf einem unterhalb der Markierung angebrachten Stab wippt. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, liegt der Kraftursprungspunkt in der Fußmitte.

Nach der durchgeführten Plantarflexionseinstellung und der Messung der Momente und Kräfte innerhalb der Prothese und der Ermittlung des Prothesenaufbaucharakters wird die Gelenkachse um einen Betrag &lgr;' in der Sagittalebene nach vorn oder hinten verschoben. Die notwendige Verschiebung &lgr;' zum Erreichen eines Zielmomentes im M' im Kniegelenk 3 in der Standphasenflexion kann errechnet werden.

Nach einer Anpassung der Rückverlagerung durch Verstellung der Knieachse 3 die Fußposition wie gehabt auszurichten, wird wie in der 6 gezeigt, vor der Verstellung über einen an dem Oberschenkelschaft 2 befestigten Laserpointer 7 ein Lichtfleck auf der Oberseite des Prothesenfußes 6 aufgebracht und markiert. Anschließend wird die Gelenkachse 3 um den errechneten Betrag &lgr;' verschoben. Nach der Verschiebung wird die Prothese solange gedreht, bis der projizierte Punkt wieder mit der Markierung zusammenfällt.

Ebenfalls sollte vor der Rückverlagerung die Spitzfußeinstellung bzw. Plantarflexion des Prothesenfußes 6 kontrolliert werden. Dies erfolgt vorteilhafterweise nach der Ausrichtung des Prothesenfußes wie oben beschrieben über einen Laserpointer. Bei der Wiederherstellung der ursprünglichen Plantarflexion werden Schrauben an einer Knöchelpyramide 9 gelockert, der Prothesenträger steht bequem, damit sich das System setzen kann und die Schuhsohle satt auf dem Boden aufliegt. Dann werden die Schrauben wieder angezogen. Alternativ kann zur Einstellung der Plantarflexion auch die oben beschriebene Wippe verwendet oder vor der Rückverlagerung eine durchgehende Referenzlinie 9 an dem Schaft 4 und dem Prothesenfuß 6 angezeichnet werden. Nach der Rückverlagerung werden die ggf. zueinander versetzten Linienteile zueinander fluchtend ausgerichtet, so dass die ursprüngliche Spitzfußeinstellung wiederhergestellt ist. Nach der ersten Rückverlagerung, der Ausrichtung des Prothesenfußes 6 sowie der Plantarflexionskorrektur wird der Prothesenaufbau erneut über mehrere Schrittzyklen auf einer ebenen Fläche evaluiert und gegebenenfalls korrigiert.

Abschließend werden die auftretenden Maximalbelastungen kontrolliert. Sofern eine zufriedenstellende Einstellung gefunden wurde, kann der Momentensensor im Prothesenkniegelenk 3 durch einen passend eingestellten Verschiebeadapter ersetzt werden.

Der Momentensensor ist dabei vorteilhafterweise gemäß der 8 aufgebaut, bei dem eine Pyramidenaufnahme 30 zum Einbringen in den Oberschenkelschaft angeordnet ist. Die Pyramidenaufnahme 30 wird über eine Klemmvorrichtung 32, die in der 10 im Detail dargestellt ist, in einer gewünschten Position auf einem Träger 34 fixiert. Die Pyramidenaufnahme 30 ist, wie durch die Doppelpfeile angedeutet, entlang der Pfeilachse verschieblich, wobei die Pyramidenaufnahme 30 über eine Keilführung in Längsachse unveränderlich gehalten ist. An der Pyramidenaufnahme 30 ist ein Halter 17 für einen Laserpointer 7 angeordnet. Der Laserpointer 7 und der Halter 17 sind ventral angeordnet, wobei der Halter 17 schwenkbar um eine Drehachse in Transversalebene gelagert ist. Ebenfalls ist eine Verdrehung des Laserpointers 7 um eine Achse in Sagittalebene gelagert. Die Klemmvorrichtung 32 ist über Klemmschrauben 39', die durch in Sagittalebene liegende Bohrungen 33 zugänglich sind, lösbar und verriegelbar, so dass die Pyramidenaufnahme 30 auf den Träger 34 verlagerbar fixiert werden kann. Die Pyramidenaufnahme 30, der Träger 34 und das Brückenelement 35 bilden die Anschlussmittel zur Befestigung des nicht dargestellten Oberteiles des Prothesenkniegelenkes mit dem Oberschenkelschaft.

An diesem Träger 34 ist ein Brückenelement 35 festgelegt, das wiederum an dem nicht dargestellten Oberteil des Kniegelenkes befestigt ist. Auf diesem Brückenelement 35 sind Dehnmessstreifen 37, wie sie in der 9 gezeigt sind, aufgebracht, um die auf das Prothesenkniegelenk 3 wirkenden Kräfte und Momente zu ermitteln. Die Dehnmessstreifen 37 sind in der 8 von einer Schutzabdeckung 36 geschützt. Das Brückenelement 35 bildet den Messbalken und ist aus Platzgründen mit den offenen Schenkeln distal ausgerichtet. Um eine möglichst homogene Verformung des Brückenelementes 35 bzw. des Messbalkens zu erreichen, ist dieser gelenkig mit dem Prothesenoberteil verbunden. Dazu sind ein Drehgelenk 38 sowie ein Schiebegelenk 38' an der Verbindung zu dem Prothesenoberteil ausgebildet, wobei das Drehgelenk 38 eine Verdrehung aufgrund von elastischen Verformungen ermöglicht, während das Schiebegelenk 38' einen Längenausgleich zulässt und somit Längsspannungen verhindert. Die Lagerung an dem Oberteil ist unterhalb der Drehachse 31 angeordnet.

Die 9 zeigt in rückwärtiger Ansicht den Momentensensor mit den Dehnmessstreifen 37, die zwischen der Gelenkachse 31 und dem Schiebegelenk 38' bzw. Drehgelenk 38 angeordnet sind.

In der 10 ist in Draufsicht mit einem Teilausschnitt die Klemmvorrichtung 32 gezeigt, die über Klemmschrauben 39' einen Klemmkeil 39 verschieben. Wird die dem Laserpointer 7 zugeordnete Klemmschraube 39' eingedreht, wird über den Klemmkeil 39 eine Kraft in Richtung Frontalebene ausgeübt, wodurch die Pyramidenaufnahme 30, die hier als Verschiebeadapter ausgebildet ist, an dem Träger 34 fixiert wird. Durch eine umgekehrte Drehbewegung der Klemmschraube 39' wird der Klemmkeil 39 in die andere Richtung verfahren und dementsprechend wird die Klemmung gelöst. Die Klemmschraube 39' ist dabei so ausgebildet, dass ein Zugang von beiden Seiten möglich ist. Durch eine entsprechende Lagerung der Klemmschraube 39' ist es möglich, dass sowohl das Öffnen als auch das Schließen der Fixierung bzw. Klemmung von beiden Seiten aus möglich ist.

Auf der Oberseite des Halters 34 sind Stecker 40 oder Schnittstellen ausgebildet, die das Auslesen von Sensordaten und eine Übertragung an eine Auswerteeinrichtung, z.B. Computer, ermöglichen. In der 11 ist ein Schnitt A-A dargestellt, der in der Frontalebene ausgeführt ist. Darin ist die Keilführung der Pyramidenaufnahme 30 in dem Träger 34 ebenso zu erkennen, wie die Klemmvorrichtung 32 mit der Klemmschraube 39' und den Schnittstellen 40 zu einem PC.

Die gesamte Vorrichtung zur Erfassung der Kniemomente mit dem Pyramidenadapter 30, dem Träger 34, dem Brückenelement 35 und den Dehnmessstreifen 37 kann nach der erfolgten Evaluierung des Prothesenaufbaus gegen herkömmliche Adapter zur Befestigung des Prothesenkniegelenkes 3 an dem Oberschenkelschaft 2 ausgetauscht sind. Hierzu sind die Maße der Vorrichtung wie der der herkömmlichen Adapter ausgebildet. Es ist auch möglich, die dargestellte Vorrichtung ständig zu nutzen, wobei die Messwerte ständig durch einen Rechner ausgewertet und gegebenenfalls zur Steuerung von Dämpfereinrichtungen ausgewertet werden. Bei einem vorgesehenen Austausch werden die Daten über die Schnittstellen 40 an einem Computer übermittelt, der errechnet, um welche Strecke eine Verlagerung des Pyramidenadapters 3 relativ zu der Gelenkachse 31 erfolgen muss, damit ein stabiler, ein neutraler oder ein dynamischer Aufbau erreicht wird. Das Maß der Verstellung oder die gegenwärtige Einbausituation können auf einem Display ausgegeben werden.

Alternativ zu der dargestellten Ausführungsform können auch andere Kniemomentsensoren vorgesehen und eingesetzt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zur Überprüfung der Einstellung eines Prothesenkniegelenkes, das einen Unterschenkelschaft, an dem ein Prothesenfuß befestigbar ist, um eine Gelenkachse schwenkbar mit einem Oberschenkelschaft zur Befestigung des Prothesenkniegelenkes an einem Oberschenkelstumpf verbindet, wobei der Oberschenkelschaft relativ zu der Gelenkachse verlagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass über Sensoren ein Kniemoment und eine Axialkraft bei einer Prothesennutzung gemessen werden, aus denen ein resultierender Kraftvektor mit einem Angriffspunkt an dem Oberschenkelschaft errechnet wird, und dass der Normalabstand relativ zu der Gelenkachse und die Lage des resultierenden Kraftvektors zu der Gelenkachse errechnet und überprüft wird, ob und wie weit der resultierende Kraftvektor in Sagittalebene vor oder hinter der Gelenkachse liegt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalabstand des resultierenden Kraftvektors zu der Gelenkachse bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Knöchelmomentsensor das Knöchelmoment erfasst wird und dass unter Einbeziehung des Knöchelmomentes, des Kniemomentes, der Axialkraft und der Unterschenkelschaftlänge der resultierende Kraftvektor bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftangriffspunkt des resultierenden Kraftvektors aus dem Quotienten des Knöchelmomentes und der Axialkraft im Unterschenkelschaft errechnet wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kniemoment und die Axialkraft während des Gehens gemessen werden. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Kraftvektor unter Ermittlung des aktuellen Kniewinkels und/oder Oberschenkelwinkels zur Lotlinie ermittelt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen dem Unterschenkelschaft und dem Prothesenfuß ermittelt wird und das Kniemoment und/oder das Knöchelmoment auf der Grundlage der Erfassung des ermittelten Winkels errechnet wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Sensordaten eine Axialkraft, ein Kniemoment und ein Knöchelmoment ermittelt und daraus die Bodenreaktionskräfte in der Sagittalebene ermittelt wird. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem resultierenden Kraftvektor hinter der Gelenkachse in der Standphase die Gelenkachse bis hinter den resultierenden Kraftvektor verschoben wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verschiebung der Gelenkachse die relative Position des Prothesenfußes zum Unterschenkelschaft markiert und nach der Verschiebung der Gelenkachse die relative Position des Prothesenfußes zum Unterschenkelschaft wieder hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativposition des Prothesenfußes festgelegt wird, indem über einen fest an dem Oberschenkelschaft angeordneten Laserpointer ein Laserstrahl auf den Prothesenfuß gerichtet wird, die Auftreffstelle markiert wird und nach der Verlagerung der Gelenkachse die Markierung auf dem Prothesenfuß wieder zur Deckung mit dem Laserstrahl gebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Gelenkachsenverschiebung die Plantarflexionseinstellung des Prothesenfußes korrigiert wird. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der Prothesenfußplantarflexionsstellung vor der Gelenkachsenverschiebung von dem Unterschenkelschaft ausgehend eine Referenzlinie am Prothesenfuß und Unterschenkelschaft angezeichnet und nach der Verschiebung der Gelenkachse der Prothesenfuß so ausgerichtet, das die Referenzlinie wieder zur Deckung gebracht wird. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzlinie durch eine Justierachse des Prothesenkniegelenkes gelegt wird. Vorrichtung zur Messung von Kräften oder Momenten in einem Prothesengelenk, das ein Oberteil zur Verbindung mit einem Oberschenkelschaft und ein mit dem Oberteil gelenkig verbundenes Unterteil aufweist, wobei Anschlussmittel zur Befestigung des Oberteiles an dem Oberschenkelschaft an dem Oberteil vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (37) zur Erfassung von Kniekräften oder -momenten an dem Anschlussmittel (30, 34, 35) oder dem Oberteil angebracht sind. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussmittel (30, 34, 35) einen in Sagittalebene verschieblich an dem Oberteil gelagerten Adapter (30) aufweisen. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (30) an einem Halter (34) über eine Klemmeinrichtung (32) festgelegt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oberteil und dem Adapter (30) ein Träger (34) und/oder Brückenelement (35) angeordnet ist, auf dem oder denen der Adapter (30) verschieblich gelagert ist und das oder die an dem Oberteil festgelegt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Brückenelement (35) Dehnungsmessstreifen (37) zur Ermittlung der wirksamen Kniekräfte und -momente angebracht sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (30) oder der Adapter (30) mit dem Träger (34) und/oder dem Brückenelement (35) eine Einbauhöhe aufweist, die der Einbauhöhe der Anschlussmittel entspricht, die nach der Einstellung des Prothesenaufbaues eingesetzt werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlussmitteln (34, 35) ein Träger (17) für eine Markierungseinrichtung, insbesondere Laserpointer (7) befestigt ist.






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