(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗手段を有する、下肢の矯正用または補装用の人工の関節を、制御するための方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および／または伸展抵抗を変化させる少なくとも１つのアクチュエータが設けられており、前記関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法において、
下腿部分の、垂直線の方向に減少する慣性角度と、同時に負荷された前足とを決定するとき、屈曲抵抗を、立脚期において増加させ、または減少させないことを特徴とする方法。
【請求項２】
関節部分の慣性角速度がしきい値を下回るときは、前記抵抗を増加させ、または減少させないことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前足への負荷の挙動が決定され、前記下腿部分の慣性角度が減少する際に前足への負荷が増大するとき、前記抵抗が増加され、または減少されないことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
膝角度が１５°未満であるとき、前記抵抗が増加され、または減少されないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
膝モーメントが検出され、屈曲方向に作用する膝モーメントが決定されるとき、前記抵抗が増加され、または減少されないことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記下腿部分の前記慣性角度は、直接に、または他の接続部分の慣性角度および関節角度から決定されることを特徴とする請求項1ないし５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
関節部分の前記慣性角度の変化は、ジャイロスコープによって、または、前記関節部分の慣性角度信号の差分から、または接続部分の慣性角度信号からおよび関節角度から直接決定されることを特徴とする請求項1ないし６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記下腿分部の、垂直線に対し増加する慣性角度が決定されるとき、前記抵抗は、前記立脚期において減少されることを特徴とする請求項1ないし７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記大腿部分に相対的な前記下腿部分の動きが固いときは、前記抵抗は減少されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
膝伸展モーメントが存在するときには、前記抵抗は減少されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
床(地面)反力ベクトルと、関節部分との距離が決定され、該距離がしきい値を上回るとき、前記抵抗が減少されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記抵抗の減少後の所定の時間内に、関節構成要素の慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、または、力ベクトルと関節構成要素との距離に関するしきい値が達成されないときは、前記抵抗が、減少後に再度、立脚期の値に増加されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記抵抗の減少後に、および、関節構成要素の慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、関節角度に関する、または、力ベクトルと関節構成要素との距離に関するしきい値が、前記減少に続いて達成された後に、所定の時間内には、慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、関節角度に関する、または力ベクトルと関節構成要素との距離に関するしきい値が達成されないことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
関節角度の増加が検出されるとき、前記抵抗は減少されたままであることを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
モーメント、力および／または関節角度を検出するための手段が故障の場合に、屈曲抵抗および／または伸展抵抗を変化させるための残りの手段をベースにした代替の制御アルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、矯正用または補装用の人工の膝関節の２つの連節された構成要素の間に設けられた調整可能な抵抗手段と、制御手段と、前記装置の状態情報を検出するセンサとを具備する装置において、
調整手段が設けられていること、および、該調整手段によって、負荷依存の抵抗変化が、活発化可能および／または非活発化可能であることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗手段を有する、下肢の矯正用または補装用の人工の関節を、制御するための方法および装置に関し、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および／または伸展抵抗を変化させる少なくとも１つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供される。方法および装置は、人工膝関節における使用のほかに、取り分け股関節の場合でも、有効に用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
人工股関節において足を前方へ運ぶためのばねの使用の際に存在する問題は、股関節が負荷の軽減の際に曲がり、このことが、通常の歩行サイクルでは、屈曲を容易にすることとして望ましいが、補装具着用者を、後方歩行の際に、望ましくない状況にもたらすという問題が存在する。
【０００３】
特に矯正具または補装具のための、人工関節、特に膝関節は、上方の接続部分および下方の接続部分を有する。双方の接続部分は、関節手段によって、互いに接続されている。上方の接続部分には、膝関節の場合に、大腿部の断端または大腿部の副木のための収容部が設けられており、他方、下方の接続部分には、下腿部シャフトまたは下腿部副木が設けられている。最も簡単な場合には、上方の接続部分は、下方の接続分部と、単軸の関節によって回動可能に互いに接続されている。このような装置は、矯正具の使用の際に、望ましい成功、例えば支持を保証し、あるいは、補装具での使用の際には自然の歩行パターンを保証するためには、例外的な場合にのみ十分である。
【０００４】
歩行の種々の段階中にまたは他の装置の場合では種々の要求をできる限り自然に示すか支援するために、屈曲抵抗および／または伸展抵抗を提供する抵抗手段が設けられている。下方の接続部分が、上方の接続部分に対し、どの程度容易に屈曲方向に回動自在であることが、屈曲抵抗によって、調整される。従って、膝関節の場合に、力が加えられるとき、下腿部シャフトまたは下腿部副木が、大腿部シャフトまたは大腿部副木に比較してどの程度容易に後方に揺動するかが、屈曲抵抗によって調整される。伸展抵抗は、下腿部シャフトまたは下腿部副木の前進歩行を制動し、かつ、伸展停止を形成することができる。股関節または足関節のような関節の他のタイプでは、これらの実施の形態は、運動学的な条件に従って適用される。
【０００５】
条件が変化するとき、適合された抵抗を提供することができるためには、調整可能な抵抗手段によって、各々の屈曲抵抗および／または伸展抵抗を、矯正用または補装用の手段の使用者に適合させ、あるいは種々の歩行状況または運動状況に関係づけることが可能である。
【０００６】
特許文献１からは、上部と、該上部に回動可能に設けられている下部とを有する整形外科用の膝関節が公知である。この下部に関連して、複数のセンサ、例えば、曲げ角度センサ、加速度センサ、傾斜センサおよび／または力センサが設けられている。伸展停止が、決定されたセンサデータに従って調整される。
【０００７】
特許文献２は、上側の接続手段と、義足足部へ接続するための接続要素とを有する補装具手段を適合させるための受動人工膝関節を、屈曲方向に調整可能な制動機能で制御する方法を記載する。適合は、階段昇りへなされる。義足足部の、低モーメントのリフティングが検出され、リフティング段階での屈曲の制動が、平面歩行のために適切であるレベルより下のレベルに低下される。屈曲制動は、膝関節角度の変化に従っておよび下腿部に作用する軸力に従って増加される。
【０００８】
特許文献３は、少なくとも１つの自由度および調整可能なアクチュエータを有する、下肢の整形外科関節、この整形外科関節を制御するための方法および装置を記載する。アクチュエータは、下肢に接続される上側の接続手段と、該接続手段の末端に連節された整形外科用の関節とを有する整形外科手段を、平面歩行と異なる歩行状況に適合させる。ここでは、整形外科手段の複数のパラメータが、複数のセンサによって検知され、検知されたパラメータは、複数のパラメータおよび／またはパラメータの挙動に基づいて作成されてからコンピュータユニットに格納されている判定基準と比較され、かつ、決定されたパラメータまたはパラメータの挙動に基づいて適切な１つの判断基準が選択される。選択された判断基準に基づいて、屈曲抵抗、可動域、駆動力および／または該屈曲抵抗、可動域および駆動力の挙動が調整される。その目的は、平面歩行とは異なる特別な機能を制御するためである。空間における整形外科手段の１つの部分の傾斜角および／または整形外科手段の１つの部分の傾斜角の変化の経過を、パラメータとして用いることができる。
【０００９】
特許文献４は、制御手段と、該制御手段に結合されたセンサとを有し、該センサは、関節に接続された部分の垂直線に対する傾斜角を検出してなる補装具または矯正具を記載する。傾斜角のデータに基づいて、関節の運動特性が変化され、従って、関節が制動減速され、または解放される。
【００１０】
更に、従来の技術からは、軸方向負荷の増加の際に屈曲抵抗および伸展抵抗が機械的に増大されてなるいわゆるブレーキ膝関節が知られている。このことは、最も簡単な場合には、床（地面）反力によって互いに押圧され合う２つの制動面が設けられていることによって、達成される。制動装置のこのような実施の形態は、制御された抵抗手段を有するモダンな人工膝関節のためには使用不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】DE 10 2008 008 284 A1
【特許文献２】DE 10 2006 021 802 A1
【特許文献３】DE 10 2007 053 389 A1
【特許文献４】EP 1237513 B1
【発明の概要】
【００１２】
本発明の課題は、モードの意図的な作動または非作動を行なう必要なしに、後方歩行の際に、膝関節を、増加された抵抗で負荷し、またはブロックすることができる方法および装置を提供することである。
【００１３】
本発明によれば、この課題は、主請求項に記載の方法および独立請求項に記載の装置によって達成される。本発明の好都合な実施の形態および改善は、従属請求項に記載されている。
【００１４】
抵抗手段を有する、下肢の矯正用または補装用の人工の関節を、制御するための方法であって、該抵抗手段に関連して、センサデータに従って屈曲抵抗および／または伸展抵抗を変化させる少なくとも１つのアクチュエータが設けられており、関節の使用の最中に、センサによって、状態情報が提供されてなる方法は、下腿部分の、垂直線の方向に減少する慣性角度と、同時に負荷された前足とを決定するとき、屈曲抵抗を立脚期において増加させ、または減少させないこと意図する。下腿部分の、垂直線の方向に減少する慣性角度であるセンサ変数を、前足への負荷の有無と結びつけることによって、後方歩行を安全に検出し、かつ、遊脚期を解除せず、従って、屈曲抵抗を減少させないことが可能である。その目的は、後方歩行の際に、治療された脚が後方へ立たされおよび着地されるとき、膝関節の望まない動きを回避するためである。このことによって、折れ曲がることなく、治療された脚を屈曲方向に負荷することが可能である。それ故に、補装具または矯正具を装着している患者は、特別なロック装置を作動させる必要なしに、後方に歩行することができる。万が一後方歩行が認識されるときは、遊脚期の解除がいずれの場合でも生じないように、屈曲抵抗が増加または減少されないことは有利である。
【００１５】
本発明の実施の形態は、関節部分の慣性角速度がしきい値を下回るときに、抵抗を増加または少なくとも減少させないこと、または、換言すれば、慣性角速度が所定のしきい値を上回るとき、屈曲抵抗の低下と共に遊脚期が導入されることを意図する。同様に、関節部分の、特に下腿部分の慣性角度および関節部分の、特に下腿部分の惰性角速度の決定によって、補装具使用者または矯正具使用者が後方に動きかつ、屈曲に対してロックされまたは高制動された膝関節を必要とすることが決定されることが可能である。このことに応じて、抵抗は、膝関節を必要な場合にはブロックすることができるように、抵抗がまだ十分に高くないときは、増加される。
【００１６】
更に、前足への負荷のコースが決定され、下腿部分の慣性角度が減少する際に前足への負荷が減少するとき、抵抗が増加され、または減少されないことが意図されている。かかとの衝撃の後の前方歩行の際に、下腿部分が垂直線を越えて前方へ旋回されたときにはじめて、前足への負荷が増加し、他方、後方歩行の際の前足の負荷が、慣性角度の減少の際に、減少する。それ故に、２つの状態、すなわち、減少する慣性角度および前足への減少する負荷が存在するとき、後方歩行を推論することができる。これに従って、このとき、抵抗は、後方歩行のために考慮されている値に増大される。
【００１７】
更に、膝角度が１５°未満であるとき、抵抗が増加され、または減少されないことが意図されている。このことによって、遊脚期中におよび膝関節の屈曲の際に、対応の角度または角度速度の際に、膝関節がロックされかつ最早屈曲されることがないことが排除される。従って、後方歩行は、治療された脚が、伸展されたか、ほぼ伸展された位置にあるときにのみ、なされることができる。同様に、膝角度速度が非常に低いか、あるいは、静的な状態が存在するとき、従って、治療された脚が、後方へもたらされており、かつ、歩行運動が導入されないとき、膝角度が１５°よりも大きいにも拘わらず、抵抗は増加され、または減少されないことが意図されていることができる。この静的な場合には、前方移動または後方移動がなされるかを識別することは困難である。
【００１８】
他のパラメータは、検出され、かつ、抵抗が増加されるか、減少されるかのための基礎として用いられる膝モーメントであってもよい。屈曲方向に作用する膝モーメントが決定されるとき、従って、義足足部が着地されたとき、膝における屈曲モーメントが検出されるとき、後方歩行が想定されることができてなる状況が存在する。それ故に、このとき、屈曲の停止、従って、抵抗の上昇の、屈曲が容易に可能にならない値への増加が、根拠づけされている。
【００１９】
下腿部分の慣性角度は、下腿部分に設けられているセンサ装置によって直接決定され、あるいは、他の接続部分の、特に大腿部分の慣性角度と、同様に決定された関節角度から直接決定されることが可能である。大腿部分と下腿部分の間の関節角度が、他の制御信号のためにも用いられることができるので、センサの複数の配置および信号の複数回使用によって、冗長性が与えられている。それ故に、センサの故障の場合でも、補装具または矯正具の機能性は更に維持されている。関節部分の慣性角度の変化は、ジャイロスコープによって、または、関節部分の慣性角度信号の差分から、または接続部分の慣性角度信号からおよび関節角度から直接決定される。
【００２０】
下腿部分の、垂直線に対し増加する慣性角度が決定されるとき、屈曲抵抗を、立脚期で、遊脚期に適切な値に減じることができる。下腿部分の、増加する慣性角度は、補装具使用者または矯正具使用者が前進移動にあって、下腿部分の末端部が支点として見なされることを示す。慣性角度の増加がしきい値を上回っているときにのみ、減少がなされることが意図されている。更に、抵抗が減少されることができるのは、大腿部分に相対する下腿部分の動きが固く、従って伸展しおり、または一定であるときである。このことは、前進移動を示す。同様に、膝伸展モーメントが存在するときは、抵抗は減少されことができる。
【００２１】
更に、床（地面）反力ベクトルと、関節部分との距離が決定され、該距離がしきい値を上回るとき、従って、床（地面）反力ベクトルと、関節部分との、例えば、一定の高さで下腿部分の縦軸との、あるいは、膝関節の旋回軸との距離が最短距離より大きいとき、抵抗が減少される。
【００２２】
膝モーメントが伸展から屈曲に変化したことが決定されたときに、抵抗は、再度、遊脚期に適切な値に減少されることができる。この場合、減少は、膝モーメントの、伸展から屈曲への変化の直後に、なされる。
【００２３】
更に、抵抗の減少後に、所定の時間内に、関節構成要素の慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、関節角度に関する、または、力ベクトルと関節構成要素との距離に関するしきい値が達成されないときに、減少後の抵抗が、再度、立脚期において増加されることが、意図されていることができる。換言すれば、関節は、再度、立脚期の状態に調整され、遊脚期の状態への転換後に所定の時間内には、実際に遊脚期が検出されないほうがよい。このことは、遊脚期の解除が既に生じ、その後に、適時の遊脚期の導入を可能にするために、足先は床（地面）を離れることに基づいている。しかし、このとき、例えば分回し運動の場合のように、遊脚期が導入されないほうがよいときは、再度、抵抗を、立脚期における安全な抵抗に変換しなければならない。この目的のために、所定の時間内に、上記の変数に関する期待される値が存在するか否かをチェックするタイマが設けられている。抵抗が減少されたままであり、すなわち、遊脚期が開始されているのは、関節角度の増加が検出されるとき、従って、実際に、遊脚期が導入されるときである。同様に、第１のしきい値よりも小さい第２のしきい値が、第１のしきい値を下回るときにはじめて、タイマは、しきい値が達成され、かつ遊脚期が解除された後に、オンにされることが可能である。従って、抵抗の減少後、および、該減少に続いて、関節構成要素の慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、関節角度に関する、または、力ベクトルと関節構成要素との距離に関するしきい値が達成された後に、所定の時間内には、慣性角度に関する、慣性角速度に関する、床（地面）反力に関する、関節モーメントに関する、関節角度に関する、または力ベクトルと関節構成要素との距離に関する他のしきい値が達成されないときには、減少後の抵抗が、再度、立脚期の値に増加される。
【００２４】
人工関節をセンサデータに基づいて制御するためには、歩行期移行の検出の際に安全基準を保証するために、まさしくこのために必要である複数のセンサが設けられている。例えば、安全基準を高めるために、最低限度を越えるセンサが用いられるとき、センサのこの冗長性が、関節の中または上に設けられたすべてのセンサを用いるわけではないが、安全の最低基準を維持する制御を実現することができる。センサの故障の場合でも、まだ作動しているセンサによって、依然として遊脚期による歩行を可能にし、かつ、安全の最低基準を提供する他の制御を実現するために、センサの冗長が用いられることが意図されている。
【００２５】
矯正用または補装用の人工の膝関節の２つの連節された構成要素の間に設けられた調整可能な抵抗手段と、制御手段と、装置の状態情報を検出するセンサとを具備する、上記方法を実行するための装置は、調整手段が設けられていること、および、該調整手段によって、負荷依存の抵抗変化が、活発化可能および／または非活発化可能であることを意図する。前足の負荷の有無に応じて、抵抗手段が作動または非作動される。このことによって、後方歩行、および抵抗の夫々調整される値への自動的な適合のほかに、後方歩行モードの意識的な作動も、達成されることができる。同様に、このモードをオフにし、かつ、膝制御の標準プログラムから取り出すことを可能である。
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】後方歩行中の補装具の略図を示す。
【図２】屈曲した位置にある補装具の略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１には、大腿部分１と、該大腿部分に連節された下腿部分２とを有する補装具が示されている。下腿部分２の遠位端には、義足足部３が設けられている。下腿部分２は、人工膝関節４を介して、大腿部分１に連節されている。大腿部分１は、大腿部用ソケットの形態に形成されている。それ故に、大腿部の断端を挿入しかつソケットに固定することができる。慣性角度（Inertialwinkel）αＩは、垂直線に対する関節構成要素の絶対角である。このことから、慣性角速度ωＩが、時間に応じた慣性角度の導関数として生じる。立っている状態から出発して、後方歩行の際には、治療された脚、ここでは補装具が、後方へ、すなわち補装具使用者の通常の視線の方向と逆方向に運ばれる。このことによって、重力ベクトルｇで示されている重力方向に対する下腿部分２の慣性角度αＩは、まずは、義足足部３が床（地面）の上に着地されるまで、増加する。着地後、回転点は、義足足部である。患者が後方歩行するとき、着地後、慣性角度αＩは減少し、従って、慣性角速度ωＩは、マイナスになることがある。従って、この状況で、慣性角速度ωＩによって、前方歩行と後方歩行とが区別される。かような状況における前方歩行の際には、すなわち、前足および前方へ傾動した補装具への負荷の際におよび慣性角速度ωＩがプラスの際に、遊脚期のための抵抗を減少することが意図され、他方、この状況における後方歩行の際には、すなわち、前足および前方へ傾動した補装具への負荷の際におよび慣性角速度ωＩがマイナスの際に、遊脚期のための抵抗を減少する意図はない。この場合、増加する慣性角度αＩを決定するための回転点または支点として、下腿部分２の遠心端が仮定される。それ故に、慣性角度αＩは、例えば、図示のように、垂直線から下腿部分２の長手方向延びて生じる。下腿部分２の長手方向延びまたは縦軸線は、人工膝関節４の回動軸を通って、および好ましくは同様に、足関節の回動軸を通って延びており、しかし、義足足部３と下腿部分２との間の接続箇所の中心を通って延びている。下腿部分２の慣性角度αＩを、下腿部分２に設けられたセンサ装置によって、直接に決定することができる。その代わりに、このことを、大腿部分１のセンサおよび膝関節センサによって決定することができる。膝関節センサは、大腿部分１と下腿部分２の間の角度を検出する。
【００２９】
慣性角速度を決定するために、慣性角度αＩの経時変化を測定する。それ故に、角速度の数値および方向によって算出されることができる角速度が生じる。今や、所定の慣性角度αＩおよび所定の慣性角速度ωＩが存するときに、遊脚期が導入されるのは、慣性角速度ωＩが所定のしきい値を上回る場合である。減少する慣性角度αＩが、更に、前足の負荷も存在するとき、後方歩行を推定することができる。それ故に、遊脚期の屈曲を導入しないように、屈曲抵抗は減少されず、維持または増大される。
【００３０】
図２には、補装具が、床(地面)に平らに着地された状態で示されており、この明細書では、符号の取り決めのために用いられる。符号の他の取り決めでは、これに応じて、他の記号が生じる。ここでは、慣性角度αＫは、下腿部分２に対する大腿部分１の角度に対応する。これに応じて、慣性角速度ωＫは、慣性角度αＫの時間導関数から生じる。人工膝関節４の関節軸を中心として、伸展方向にプラスに作用すると仮定される膝モーメントＭＫが働く。関節角度の速度が存在しているとき、関節は、負荷下で屈曲されることが前提とされる。従って、抵抗の減少は、急に不安定な状態を引き起こすであろうし、従って、中止しなくてはならない。同様なことは、余りに大きな膝角度αＫに当てはまる。該膝角度は、補装具が既に屈曲されており、かつ、同様に、抵抗の低下が、急に不安定な状況を引き起こすであろうし、従って、中止しなくてはならないことを示す。
【００３１】
更に、後方歩行か、遊脚期の導入かに関する決定がなされるように、所定のしきい値に達しなければならない他の慣性角度も、定めることができる。この場合、下腿部分２の、義足足部３のまたは大腿部分１の慣性角度を用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  大腿部分
２  下腿部分
３  義足足部
４  人工膝関節
αＩ  慣性角度
ｇ  重力ベクトル
【図１】
0005394579.tif 000002
【図２】
0005394579.tif 000003