具有關節的矯形外科裝置以及用於控制該矯形外科裝置的方法

2023-05-08 14:55:11

專利名稱：具有關節的矯形外科裝置以及用於控制該矯形外科裝置的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有關節的矯形外科裝置，該矯形外科裝置具有上部件和可擺動 地支承在該上部件上的下部件以及鎖止裝置，其中，在所述上部件上設置有用於固定在肢 體上的上連接機構，所述鎖止裝置防止所述上部件相對於所述下部件進行屈曲運動，其中， 所述鎖止裝置被構造成能夠通過該矯形外科裝置的使用者主動操作。本發明還涉及一種用 於控制矯形外科裝置的方法。這種矯形外科裝置特別是用作矯正器或假肢，優選用作膝關 節矯正器或膝關節假肢。
背景技術：
具有兩個可彼此相對運動的部件和一個設置在所述兩個部件之間的用於將所述 兩個部件鎖止在預確定的相對位置中以及用於使所述部件解鎖以釋放所述部件彼此間的 運動的矯形外科裝置被用於大量應用，以便補償人體上短時或持久存在的缺陷或者允許否 則不可實施的功能。在照料具有低移動度的患者、即大多處於室內並且有時其肌肉和機能 的功能能力受限的患者時，即在所謂的老年患者的情況下常常設置具有閉鎖關節的矯形外 科裝置，其中，這種設備特別是用來支持腿腳功能。因此例如將膝關節矯正器或者膝關節 假肢用作閉鎖關節，它們在完全伸展時由於閉鎖機構而自動鎖止並且為了屈曲必須手動解 鎖。膝關節是被閉鎖的膝關節，其可以是假肢或矯正器，其對於站立和行走是可靠的構型。 特別是在照料老年患者時，防跌倒是一個重要的目標，其中，解鎖主要通過牽拉牽引繩進 行，該牽引繩從所述膝關節向上鋪設至大腿，使得在站立時也能良好地夠到該牽引繩。即站 立和行走通過僵硬的膝關節進行，而坐下在屈曲的可自由運動的膝關節的情況下進行，只 要所述膝關節在坐下時沒有完全伸展。DE 103 11 187 Al描述了一種矯形外科技術方面的輔助裝置，其具有用於使兩個 可彼此運動地支承的部件鎖止和解鎖的鎖止裝置，其中，該鎖止裝置可由機電式控制模塊 操縱，操縱信號被從操縱單元無線地傳遞給所述控制模塊。所述操縱單元可以集成在行走 輔助裝置中，使得所述鎖止裝置可藉助於遠程操作解鎖。DE 103 51 916 Al描述了一種用於老年患者的膝關節假肢，其設有液壓式阻尼單 元，該阻尼單元可作為鎖止裝置運行。在固定的角度範圍之內，所述關節裝置的屈曲被阻 止，其中，在所述固定的角度範圍之外，下部件在屈曲方向上可自由擺動。所述下部件的伸 展應在任何時間都可以。這種膝關節假肢用作站起-和坐下輔助。EP 1 237 513 Bl涉及一種代替肢體的支持裝置的存在或功能，所述支持裝置包 括傳感器，其中，該傳感器檢測一個與關節連接的元件相對於固定線的位置，其中，該傳感 器與控制裝置耦合，該控制裝置用於基於所述傳感器的位置數據來控制所述關節。用於控 制膝關節的裝置在最簡單的形式中是鎖止或制動裝置。

發明內容
本發明的任務在於，提供一種矯形外科裝置和一種用於控制矯形外科裝置的方 法，用其可以在足夠可靠性的情況下在行走和站立期間實現更高程度的舒適性。根據本發明，該任務通過一種具有主權利要求特徵的矯形外科裝置以及一種具有 權利要求10特徵的用於控制這種矯形外科裝置的方法來解決。本發明的有利構型和進一 步方案在從屬權利要求中描述。根據本發明提出了一種具有關節的矯形外科裝置，該矯形外科裝置具有上部件 和可擺動地支承在該上部件上的下部件以及鎖止裝置，其中，在所述上部件上設置有用於 固定在肢體上的上連接機構，所述鎖止裝置防止所述上部件相對於所述下部件進行屈曲運 動，其中，所述鎖止裝置被構造成能夠通過該矯形外科裝置的使用者主動操作，本發明提 出，給所述鎖止裝置配置控制裝置，該控制裝置與安置在所述裝置上的至少一個傳感器連 接並且根據傳感器信號使所述鎖止裝置自動地解鎖或鎖止。在傳統的矯形外科裝置中、特 別是在膝關節假肢或膝關節矯正器中為了使所述關節屈曲必須主動地解除鎖止，而本發明 的矯形外科裝置提出，除了關節裝置的隨心所欲的鎖止和解鎖之外，該關節裝置也可以根 據安置在所述矯形外科裝置上的傳感器的傳感器信息不由自主地解鎖或鎖止。除了隨心所 欲地激活鎖止和解鎖之外，也可以根據上部件的或下部件的位置或者其他參數自動解除鎖 止或者降低所述關節的阻力，使得恰恰在機能受限的使用者的情況下簡化使用操作。因此 在膝關節假肢方面可以的是，使用者能夠以鎖止的關節坐下，而無需將鎖止裝置主動解鎖， 其中，在達到所述上部件和/或下部件的預給定方位時所述關節自動解鎖，使得在坐姿中 可自由運動。此外，在坐姿中當腿完全伸開時防止所述關節鎖止，這在假肢佩戴者的坐姿中 是不方便的。對於關節矯正器的相應應用也是可以的，其中，在此在所述下部件上設置用於 固定在肢體上、例如小腿或小臂上的固定裝置。在所述矯形外科裝置構造為關節假肢的構 型中在所述下部件上安置另外的矯形外科部件或假肢部件。本發明的一個進一步方案提出，所述傳感器構造為用於檢測所述上部件和/或所 述下部件在空間中的方位的位置傳感器、構造為用於檢測所述上部件與所述下部件之間的 角度的角度傳感器、構造為用於檢測在所述矯形外科裝置中起作用的力的力傳感器和/或 構造為用於檢測在所述矯形外科裝置中起作用的力矩的力矩傳感器並且與所述控制裝置 耦合。例如在已知上部件與下部件之間的角度變化的情況下，根據旋轉方向結合上部件和 下部件的絕對位置可推斷出，患者是否想要站起，從而在站起時在關節完全伸展之前所述 關節就可以自動地鎖止。所述鎖止也可以僅僅在一個方向上進行，使得始終允許伸展，但是 屈曲已經在所述站起的第一階段中被禁止以避免患者在站起時意外地向後倒。由此例如可 以的是，當所述伸展僅僅被近似達到時、例如在達到伸展止擋前的15°，當小腿近似豎直定 向時，膝關節在站起期間被鎖止。除了考慮上部件與下部件之間的角度之外也可以設置用 於檢測所述上部件和/或所述下部件在空間中的方位的傳感器，以便能夠單獨地或結合所 述角度傳感器數據引起所述鎖止裝置的自動解鎖或鎖止。因此在膝關節假肢的構型中當上 部件水平地取向時，在所述上部件基本上水平地取向時當上部件與下部件之間的角度同時 接近直角的情況下可推斷出使用者處於坐姿中，從而自動地進行解鎖。同樣可以的是，構造 用於求得在所述矯形外科裝置中起作用的力或者在所述矯形外科裝置中起作用的力矩的 力-或力矩傳感器，其中，所述力-和/或力矩傳感器也可以附加於所述角度傳感器或所述位置傳感器使用。在所述下部件中優選設置一個用於檢測在所述下部件中起作用的力、特 別是軸向力的力傳感器，其與所述控制裝置連接。通過這種方式可以識別，所述下部件是否 承受載荷，例如，患者是否站立並且所述矯形外科裝置、特別是假肢是否承受載荷。因此在 坐姿中當不存在軸向載荷或者軸向載荷很小時在所述下部件豎直定向的情況下保持鎖止， 而當軸向負載時、例如在站立或站起期間可開始屈曲方向的鎖止以防止患者向後倒。由此 也防止當腿或假肢完全伸展時所述關節在坐下期間鎖止並且同時識別出在下部件中沒有 軸向力起作用。可設置用於檢測關節中上部件與下部件之間的有效力矩的關節力矩傳感 器，其中，該關節力矩傳感器也與所述控制裝置連接。通過關節力矩傳感器可以求得關於所 述矯形外科裝置內部的有效力的另外信息，使得可更精確地進行控制。所述矯形外科裝置優選構造為膝關節矯正器或膝關節假肢，但是原則上也可以用 作例如肘矯正器或小臂假肢。優選所述鎖止裝置是液壓阻尼器，其具有至少一個能夠通過執行機構轉換的閥或 能夠通過執行機構轉換的節流部位，其中，所述執行機構與所述控制裝置連接。由此可以提 高或降低液壓阻尼，以便當相應的閥完全閉合時鎖止關節或當閥或節流部位以確定的程度 打開或閉合時提供期望的阻尼阻力。本發明的一個進一步方案提出，給所述控制裝置配置定時開關機構，該定時開關 機構在相應的傳感器信號後使所述鎖止裝置的解鎖或鎖止或者說閉鎖延遲。通過所述定時 開關機構允許大量控制變型方案，例如自動解鎖後的時間控制的保持打開或控制信號解鎖 之後的時間控制的再次鎖止。同樣也可以的是，在隨心所欲的解鎖後在一定時間內不能重 新鎖止，從而使用者有足夠的時間在解鎖後例如實施附加的保持並且坐下。同樣，在隨心所 欲的解鎖後可以在一定時間之後自動進行重新鎖止，只要這個傳感器信號或這些傳感器信 號沒有識別出鎖止、即解鎖後的使用的話，使得可以假定，使用者忘了解鎖。因此為了安全 性而進行自動鎖止。可以給所述矯形外科裝置配置阻尼元件，該阻尼元件這樣地作用於所述執行機 構，使得解鎖連續地進行，即在解鎖時所述閥或節流部位只能緩慢打開，而不是衝擊式地打 開，從而解鎖不是立即進行，這對於大多使用者來說將是不安全的。所述鎖止裝置作為液壓阻尼器的構造可以這樣進行，使得該液壓阻尼器從伸展止 擋到固定的屈曲角度允許受阻尼的屈曲，而從達到所述固定的屈曲角度起阻止進一步的屈 曲。這可以通過機械控制裝置進行，所述機械控制裝置允許鎖止裝置內的間隙，例如其方式 是從所述伸展止擋起在5°至10°的範圍上保持一旁路打開，該旁路在達到所述屈曲角度 後通過控制盤或類似物閉合。對此替代地，所述阻止可通過控制裝置進行。為了提高舒適性提出，所述控制裝置也被構造成能夠遠程操作，以便除了所述關 節的自動控制之外還可以進行個性化的控制。由此將保證矯形外科裝置的使用者在任何時 間都能主動影響所述關節的鎖止狀態。可以在該裝置上設置信號發出器，該信號發出器顯示或預示所述鎖止裝置的打 開，使得矯形外科裝置的使用者在所述關節打開、即解鎖時或前不久得到通知可靠的鎖止 已被取消或將被取消。本發明還提出了一種用於控制根據上述矯形外科裝置的方法，所述鎖止裝置根據 所述上部件和/或所述下部件在空間中的、求得的方位被解鎖或閉鎖。特別是當下部件基本上水平定向時所述鎖止裝置解鎖，因為由此假定當所述矯形外科裝置構造為膝矯形器 或膝關節假肢時患者是坐下的並且所述下部件或小腿應可自由活動。同樣可以求得上部件與下部件之間的角度，並且所述鎖止裝置根據求得的所述角 度被解鎖或閉鎖，其中，可求得在所述下部件中起作用的力，並且所述鎖止裝置可根據求得 的所述力被解鎖或閉鎖。特別是對於膝關節假肢來說有利的是，從伸展止擋起在固定的屈 曲範圍上在所述鎖止裝置中提供阻尼阻力，該阻尼阻力允許受阻尼的屈曲，並且在超過所 述固定的屈曲角度時所述鎖止裝置被閉鎖。由此能夠以輕微屈曲的膝關節假肢站立，這更 好地相應於自然形象。同樣可提出，在所述鎖止裝置解鎖之前發出報警信號，從而可聲響 地、視覺地或觸覺地進行所述關節的反饋，以便可以通知患者將進行或已進行實際的解鎖。 所述解鎖可以連續進行、特別是在所述鎖止裝置構造為液壓阻尼器的情況下，其方式是，相 應的閥或節流部位緩慢打開。通過定時開關可以防止所述關節在解鎖後又馬上閉鎖，從而 使得患者有時間準備坐下或所述關節的屈曲。在預給定時間之後，所述鎖止裝置自動鎖止， 以便使得所述關節的鬆脫狀態不會保持較長的時間，因為會出現下述情況雖然進行了所 述關節的主動觸發和解鎖，但是患者又把這事忘了。由此保證在預先確定的持續時間之後 當所述關節不屈曲時又自動地自行鎖止，由此所述關節又處於保險狀態中。此外提出，所述控制方法在所述關節的伸展運動期間在超過所述固定的關節角度 時鎖止屈曲運動，而進一步的伸展運動仍然被允許，這特別是對於下肢假肢或矯正器是有 利的，但是原則上也可以的是，在屈曲姿態被視為保險姿態的情況下顛倒運動方向。


下面藉助於附圖對本發明的實施例進行詳細說明。唯一的附圖示出呈膝關節假肢 構型的矯形外科裝置的示意圖。
具體實施例方式附圖示出呈膝關節假肢構型的矯形外科裝置的示意圖，該膝關節假肢具有關節上 部件1和關節下部件2，所述關節上部件具有用於假肢筒的連接機構，所述關節下部件可擺 動地固定在所述關節上部件1上。呈液壓阻尼器構型的鎖止裝置3固定在所述關節下部件 2上並且通過活塞杆31與所述上部件耦合。所述液壓阻尼器31設有執行機構4，該執行機 構使配置給所述液壓阻尼器3的閥5打開或閉合以便使所述鎖止機構3閉鎖或解鎖。所述 閉鎖或解鎖通過所述閥5的打開或閉合進行，其中，除了所述閥5的突變式打開或閉合之外 還可以在狀態「打開」與「閉合」之間實現持續時間相應較長的過渡。在所述下部件2中設置多個傳感器6、7、8，它們與控制裝置9耦合，所述控制裝置 基於傳感器信號來控制呈馬達或開關元件構型的執行機構4。在所述下部件2中設置一位 置傳感器6，以便檢測該下部件2在空間中的方位。在此，優選獲得相對於重力的定向，使得 可容易地確定所述下部件2的位置。除了所述位置傳感器6之外，在所述下部件2的遠中 區域中設置一個力和力矩傳感器7，以便能夠檢測該下部件2內部的有效力和力矩，例如以 便能夠檢測在下部件2中起作用的軸向力或者檢測在行走或站立時出現的彎曲力矩。在所 述上部件1的區域中設置膝角傳感器8，該膝角傳感器獲得所述上部件1和位於其上的連接 至人體肢體的連接元件與所述下部件2的相對位置。然後在所述控制裝置9中由所述傳感器6、7、8的數據計算所述鎖止裝置3是否被解鎖、被鎖止或者被轉換到阻尼模式中，該阻尼 模式與檢測到的狀況最好地適配。因此在期望的站起時允許所述上部件1相對於所述下部 件2伸展，但是防止向後倒下，其方式是在顛倒的膝角和/或下部件內相應的力時閉鎖相應 的控制迴路。除了所述假肢之外，示出了一個遠程操作裝置10，其具有用於輸入一個或多個控 制指令的按鍵，使得除了所述鎖止裝置3的自動解鎖或閉鎖之外該鎖止裝置也可以由使用 者隨意閉鎖或解鎖。將操作裝置10構造為遠程操作裝置的優點是，其可以放置在任意的地 方，使得所述鎖止裝置3能夠與當前的位置並且與使用者的能力無關地閉鎖或解鎖。除了聲響式信號發出器11之外(其同樣設置在所述下部件2中以便顯示解鎖或 者即將來臨的解鎖)，在所述假肢上還可以設置一個振動信號發出器12，由此即使在嘈雜 的環境中或者在該假肢使用者的聽覺能力受限時發出信息觸發已被實施或者即將實施。利用所示假肢，即使在載荷下也能執行解鎖，同樣也可以在載荷下實現鎖止，使得 在任何時間都能閉鎖屈曲運動，以便對於使用者最大限度地保證安全。除了遠程操作裝置 10之外，也可以在該矯形外科裝置本身上設置相應的操作裝置。除了作為膝關節假肢的構 型之外，該矯形外科裝置也可以設置為膝關節矯正器或用於上肢的假肢或矯正器。
權利要求
1.一種具有關節的矯形外科裝置，該矯形外科裝置具有上部件(1)和可擺動地支承在 該上部件上的下部件O)以及鎖止裝置(3)，其中，在所述上部件(1)上設置有用於固定在 肢體上的上連接機構，所述鎖止裝置防止所述上部件(1)相對於所述下部件O)的屈曲運 動，其中，所述鎖止裝置C3)被構造成能夠通過該矯形外科裝置的使用者主動操作，其特徵 在於，給所述鎖止裝置C3)配置控制裝置(9)，該控制裝置與安置在所述裝置上的至少一個 傳感器(6，7，8)連接並且根據傳感器信號使所述鎖止裝置(3)自動地解鎖或閉鎖。
2.根據權利要求1的矯形外科裝置，其特徵在於，所述傳感器構造為用於檢測所述上 部件(1)和/或所述下部件(2)在空間中的方位的位置傳感器(6)、構造為用於檢測所述上 部件(1)與所述下部件( 之間的角度的角度傳感器(8)、構造為用於檢測在所述矯形外科 裝置中起作用的力的力傳感器(7)和/或構造為用於檢測在所述矯形外科裝置中起作用的 力矩的力矩傳感器(7)並且與所述控制裝置(9)耦合。
3.根據權利要求1或2的矯形外科裝置，其特徵在於，所述矯形外科裝置構造為膝關節 矯正器或膝關節假肢。
4.根據上述權利要求之一的矯形外科裝置，其特徵在於，所述鎖止裝置C3)是液壓阻 尼器，其具有至少一個能夠通過執行機構(4)轉換的閥( 或節流部位，其中，所述執行機 構(4)與所述控制裝置(9)連接。
5.根據上述權利要求之一的矯形外科裝置，其特徵在於，所述鎖止裝置(3)構造為液 壓阻尼器，其從伸展止擋到固定的屈曲角度允許受阻尼的屈曲並且從達到所述固定的屈曲 角度起阻止進一步的屈曲。
6.根據上述權利要求之一的矯形外科裝置，其特徵在於，給所述控制裝置(9)配置定 時開關機構，該定時開關機構在相應的信號後使解鎖或鎖止延遲。
7.根據權利要求4的矯形外科裝置，其特徵在於，給所述執行機構(4)配置阻尼元件， 該阻尼元件使解鎖連續地進行。
8.根據上述權利要求之一的矯形外科裝置，其特徵在於，所述控制裝置(9)被構造成 能夠遠程操作。
9.根據上述權利要求之一的矯形外科裝置，其特徵在於，在該裝置上設置信號發出器 (11，12)，該信號發出器顯示或預示所述鎖止裝置(3)的打開。
10.一種用於控制根據上述權利要求之一的矯形外科裝置的方法，其特徵在於，所述鎖 止裝置C3)根據所述上部件(1)和/或所述下部件( 在空間中的求得的方位被解鎖或閉 鎖。
11.根據權利要求10的方法，其特徵在於，在所述下部件( 基本上水平地定向時，所 述鎖止裝置( 被解鎖。
12.根據權利要求10或11的方法，其特徵在於，求得上部件(1)與下部件( 之間的 角度，並且所述鎖止裝置C3)根據求得的所述角度被解鎖或閉鎖。
13.根據權利要求10至12之一的方法，其特徵在於，求得在所述下部件O)中起作用 的力，並且所述鎖止裝置C3)根據求得的所述力被解鎖或閉鎖。
14.根據權利要求10至13之一的方法，其特徵在於，從伸展止擋起在固定的屈曲範圍 上在所述鎖止裝置(3)中調節出阻尼阻力，該阻尼阻力允許受阻尼的屈曲，並且在超過所 述固定的屈曲角度時所述鎖止裝置(3)被閉鎖。
15.根據權利要求10至14之一的方法，其特徵在於，在所述鎖止裝置C3)解鎖之前輸出報警信號。
16.根據權利要求10至15之一的方法，其特徵在於，在所述關節的伸展運動期間在超 過所述固定的屈曲角度時鎖止屈曲運動，而進一步的伸展運動仍然被允許。
全文摘要
本發明涉及一種矯形外科裝置和一種用於控制矯形外科裝置的方法，具有關節和鎖止裝置(3)，該矯形外科裝置具有上部件(1)和可擺動地支承在該上部件上的下部件(2)，其中，在所述上部件(1)上設置有用於固定在肢體上的上連接機構，所述鎖止裝置防止所述上部件(1)相對於所述下部件(2)進行屈曲運動，其中，所述鎖止裝置(3)被構造成能夠通過該矯形外科裝置的使用者主動操作，其中，給所述鎖止裝置(3)配置控制裝置(9)，該控制裝置與安置在所述裝置上的至少一個傳感器(6，7，8)連接並且根據傳感器信號使所述鎖止裝置(3)自動地解鎖或鎖止。
文檔編號A61F2/64GK102076284SQ200980124147
公開日2011年5月25日 申請日期2009年5月19日 優先權日2008年5月20日
發明者P·肯帕斯, R·帕弗利克 申請人:奧託·博克保健產品有限公司