(57)【要約】人工膝関節は、足部が取着されている下腿シャフトを、人工膝関節を大腿の断端に取着するための大腿シャフトと、関節軸を中心として旋回自在に結合しており、大腿シャフトは、関節軸に対し移動可能である。膝モーメントと、下腿シャフトに作用する軸方向力とが、補装具の使用中に、複数のセンサによって測定される。これらの変数からは、大腿シャフトに作用点を有する、合成された力ベクトルが算出される。更に、垂直距離と、関節軸に対する合成された力ベクトルの位置とが算出される。合成された力ベクトルが、矢状面で、関節軸の前方または後方にどの程度に位置しているかが検査される。更に、本発明は、接続手段が、人工膝関節の上部と大腿シャフトの間で、矢状面で移動可能に上部に取り付けされており、かつ膝力またはモーメントを検知するための手段が、接続用のアダプタまたは上部に取着されてなる方法，並びにこの方法を実行するための装置に関する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工膝関節を有する義足の調整を検査する方法であって、前記人工膝関節は、前記義足を補装具着用者に取着するための上側の接続部と、足部が取着されている下腿シャフトとを互いに旋回可能に結合しており、前記上側の接続部は、前記人工膝関節の関節軸に対し移動可能である方法において、
膝モーメントおよび軸方向力を、補装具の使用中に、複数のセンサによって測定し、前記膝モーメントおよび軸方向力から、合成された力ベクトルを算出されること、および前記関節軸との垂直距離と、前記関節軸に対する前記合成された力ベクトルの位置とを算出し、および、前記合成された力ベクトルが、矢状面で、前記関節軸の前方または後方にどの程度に位置しているかを検査することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記上側の接続部に作用点を有する前記合成された力ベクトルを算出することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記合成された力ベクトルと、前記関節軸との前記垂直距離を確定する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】
踝モーメントを踝モーメント用センサによって検知すること、および、前記踝モーメントと、前記膝モーメントと、軸方向力と、下腿シャフトの長さとを算入して、前記合成された力ベクトルを確定することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項５】
前記合成された力ベクトルの、力の作用点を、前記踝モーメントと、前記下腿シャフトでの前記軸方向力との商から算出することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記踝モーメントおよび前記軸方向力を、歩行中に測定することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項７】
前記合成された力ベクトルを、垂直線に対する実際の膝角度および／または大腿角度の算出の下で、算出することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項８】
前記下腿シャフトと前記足部との間の角度を算出すること、および、前記膝モーメントおよび／または踝モーメントを、算出した角度の検知に基づいて算出することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項９】
センサデータからは、軸方向力と、膝モーメントと、踝モーメントとを算出し、これらの変数から、矢状面における地面反力のベクトルを算出することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項１０】
合成された力ベクトルが立脚相において前記関節軸の後方に位置しているとき、前記関節軸を、前記合成された力ベクトルの後方まで移動させることを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項１１】
前記関節軸の移動前には、前記足部の、前記下腿シャフトに対する相対位置をマーキングし、前記関節軸の移動後には、前記足部の、前記下腿シャフトに対する相対位置を再度形成することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記大腿シャフトに固設されたレーザポインタによってレーザビームを前記足部に向けることによって、前記足部の相対位置を確定し、衝突箇所をマーキングし、前記関節軸の移動後には、前記足部上のマーキングを、前記レーザビームと再度重ね合わせることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記関節軸の移動後に、前記足部の底屈の調整を修正することを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれか１に記載の方法。
【請求項１４】
前記関節軸の移動前に前記足部の底屈の位置を修正するために、前記下腿シャフトから始まって、前記足部および前記下腿シャフトに沿って基準線を描き、前記関節軸の移動後に、前記足部を、前記基準線が再度重ね合わされるように、向けることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記基準線を、前記人工膝関節の調整軸を通って付することを特徴する請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
実際の腰部モーメントを、前記合成された力ベクトルおよび補装具の所定の形状を算出しつつ、算出することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の方法。
【請求項１７】
人工膝関節を有する義足を調整する方法であって、前記人工膝関節は、前記義足を補装具着用者に取着するための上側の接続部と、足部が取着されている下腿シャフトとを互いに旋回可能に結合しており、前記上側の接続部は、前記人工膝関節の関節軸に対し移動可能であり、および／または足部の位置が前記下腿シャフトに対して移動可能である方法において、
膝モーメントおよび軸方向力を、補装具の使用中に、複数のセンサによって測定し、前記膝モーメントおよび軸方向力から、合成された力ベクトルを算出すること、および前記関節軸との垂直距離と、前記関節軸に対する前記合成された力ベクトルの位置とを算出し、および、前記合成された力ベクトルが、矢状面で、前記関節軸の前方または後方にどの程度に位置しているかを検査し、前記人工膝関の軸に対する調節前記上側の接続部の調整、および／または、人工膝関節および／または足部関節のための伸展ストッパの調整を、前記合成された力ベクトルの算出された位置に従って、行なうことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記合成された力ベクトルが立脚相中に膝関節軸の前方に位置しているように、前記膝関節軸、足関節軸および／または前記伸展ストッパを調整することを特徴する請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
補装具着用者に取着するための上側の接続部と連結するための上部と、この上部に関節式に連結された下部とを具備し、前記上部を前記上側の接続部に取着するための接続手段が、前記上部に設けられている、人工関節を具備する義足における力またはモーメントを測定するための装置において、
膝力または膝モーメントを検知するための手段（３７）が、前記接続手段（３０，３４，３５）または前記上部に取着されていることを特徴とする装置。
【請求項２０】
前記接続手段（３０，３４，３５）は、矢状面で移動可能に前記上部に取り付けされているアダプタ（３０）を有することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記アダプタ（３０）は、締付手段（３２）によって、ホルダ（３４）に取着されていることを特徴とする請求項１９または２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記上部と前記アダプタ（３０）との間には、支持体（３４）および      ／またはブリッジ要素（３５）が設けられており、これらの部材の一方または双方に、前記アダプタ（３０）は移動可能に取り付けられており、一方または双方が前記上部に取着されていることを特徴とする請求項１９ないし２１のいずれか１に記載の装置。
【請求項２３】
前記ブリッジ要素（３５）には、前記作用する膝力および膝モーメントを算出するためのストレーンゲージ（３７）が取着されていることを特徴とする請求項１９ないし２２のいずれか１に記載の装置。
【請求項２４】
前記アダプタ（３０）あるいは前記支持体（３４）および／または前記ブリッジ要素（３５）を有する前記アダプタ（３０）は、補装具の心合せの調整後に用いられる前記接続手段の取付高さに対応する取付高さを有することを特徴とする請求項１９ないし２３のいずれか１に記載の装置。
【請求項２５】
前記接続手段（３４，３５）には、マーキング手段、特にレーザポインタ（７）用の支持体（１７）が取着されていることを特徴とする請求項１９ないし２４のいずれか１に記載の装置。
【請求項２６】
前記上側の接続部は大腿シャフトとして形成されていることを特徴とする請求項１９ないし２５のいずれか１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工膝関節を有する義足の調整を検査するためのおよび義足を調整するための方法に関する。人工膝関節は、義足を補装具着用者に取着するための上側の接続部と、足部が取着されている下腿シャフトとを互いに旋回可能に結合しており、上側の接続部すなわち大腿シャフトは、関節軸に対し移動可能である。本発明は、同様に、義足、例えば、股関節の切断した脚のための補装具または大腿義足における力およびモーメントを算出するための装置に関する。
【０００２】
大腿シャフトと実際の人工膝関節との間の相対位置は、補装具の供給の機能性および快適性にとって、重要な意味を有する。この相対位置は、立脚相での補装具の不意の折れ曲がりを防止するための安全性へのならびに大腿シャフトと大腿断端との間の反力への強い影響を有する。この場合に特に重要なのは、矢状面における補装具の整列である。このことは、「心合せ」としても記述される。
【０００３】
補装具の如何なる心合せでも、立脚相での十分な安定性と、歩行の際の出来る限り少ない力の消費との間の妥協が見出されなくてはならない。立脚相での安定性が大きければ大きいほど、歩行中の力の消費も一層大きい。歩行中の力の消費が最小限に減じられるとき、人工膝関節の不安定な心合せが生じる。このことは、腰部の筋肉組織のアクティブな使用によって補償されねばならない。このことは、補装具着用者にとって不都合である。
【０００４】
立脚相での安定性は、原則的には、人工膝関節または関節軸の、大腿シャフトへの後方移動によって達成される。このことによって、直立中の補装具着用者の、身体から生じる重力ベクトルが、人工膝関節の関節軸の前方に延びていることが保証される。このことによって、補装具は、伸展した位置に留まっている。
【０００５】
歩行中に、補装具が遊脚相では折れ曲がることが意図される。この目的のために、重力ベクトルは、人工膝関節の関節軸の後方に延びていなければならない。このことは、患者によって、腰部モーメントの導入によって達成される。このために費やされる体力は、上記のように、人工膝関節の心合せに非常に左右される。心合せが余りにも安定しているときは、遊脚相での解除は、力の多くの消費を伴う。このことは、早すぎる疲労または大腿断端の痛みをもたらす。
【０００６】
現在では、人工膝関節の、大腿シャフトへの位置決めが、静的にかつ経験上の有用性に基づいてなされる。動的な効果、例えば、歩行中の装置のまたは大腿の変形は、考慮されない。
【背景技術】
【０００７】
DE 101 39 333 A１は、センサ手段ならびにセンサ手段を有する補装具を記載する。補装具では、センサ手段は、脛骨部分で、人工膝関節の下方に設けられている。センサ手段は、環状に閉じた状態で形成された外側本体と、外側本体の複数の向かい合う内面を接続する２つの内側本体とを有する。内側本体には、結合軸の方向に作用する力を測定するためのセンサ要素が設けられている。センサ手段によって、歩行分析のための地面反力を算出することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、補装具の心合せが大腿義足を改善し、特に、歩行の立脚相のための、補装具の好都合な心合せを、算出かつ調整することができるための方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上記課題は、請求項１および１７の特徴を有する方法と、請求項１９の特徴を有する装置とによって解決される。本発明の好都合な実施の形態および改善は、従属請求項で実施される。
【００１０】
本発明に係わる方法は、複数のセンサによって、膝モーメントと、下腿シャフトに作用する軸方向力とが、補装具の使用中に測定されることを提案する。このことは、好ましくは人工膝関節および下腿シャフトに設けられている複数のセンサによって、なされる。膝モーメントからおよび軸方向力から、軸方向力に対し直角をなす、合成された力ベクトルならびに力ベクトルと関節軸または膝軸との距離が算出される。力ベクトルは、上方の接続部、特に、大腿シャフトに作用点を有することができる。軸方向力と同一の方向を有する補装具縦軸に対する垂直距離と、関節軸に対する合成された力ベクトルの位置または方向づけとが算出され、この垂直距離に基づいて、合成された力ベクトルが、矢状面で、関節軸の前方または後方にどの程度に位置しているかが検査される。合成された力ベクトルが関節軸の前方に位置しているとき、膝関節は安定的であり、力ベクトルが後方に位置しているときは、不安定な人工膝関節である。歩行サイクルの間に生じる不安定な状況を観察することができるように、歩行サイクルの間に、最も後方に位置している力ベクトルを算出することも提案されている。かくして、安定的な状況と、不安定的な状況との間の区別のほかに、不安定性の度合に関する情報が的確に捉えられる。この場合、纏めれば、力ベクトルが軸方向力に平行に延びていることが仮定される。このことは、補綴学では、大部分当てはまる。上側での接続は、大腿断端に設けられた大腿シャフト、または骨に組み込まれたアダプタによってなされることができる。股関節の脚の切断の際には、膝関節と股関節とを結合する手段が、上側の接続部としてもなされる。
【００１１】
実施の形態では、踝モーメント用センサによって、足部と下腿シャフトの間で  踝モーメントを検知すること、および、踝モーメントおよび下腿シャフトの長さを算入して、合成された力ベクトルを確定することが提案されている。このことによって、地面反力の水平方向成分を、合成された力ベクトルの位置の算出へ流入させることも可能である。この場合、合成された力ベクトルの、足部における力作用点を、踝モーメントと、下腿シャフトでの軸方向力との商から算出することができる。このことによって、力ベクトルへの軸方向力の非平行な整列の際でも、力ベクトルの位置を算出することが可能である。このことによって、算出の際には、正確度の上昇が達成される。
【００１２】
心合せを算出し最適化する際に、大腿義足の使用の際の動的な効果を考慮することができるために、膝モーメントおよび軸方向力、場合によっては踝モーメントを、歩行中に測定し、力分析およびモーメント分析に基づき、一歩の時間の意味の歩幅によって、膝モーメントおよび合成された力ベクトルを算出することが提案されている。それ故に、歩行中の如何なる時点でも、心合せが安定的であるか不安定的であるかに関する情報を捕えることができる。かくして、歩行中に立脚相における補装具の心合せの安定性を確定することが可能である。その目的は、そのことによって、補装具の心合せの評価の際に動的な効果を共に考慮することができるようにするためである。センサデータからは、軸方向力、膝モーメントおよび踝モーメントを算出することができる。このことから、同様に、矢状面における地面反力のベクトルが算出される。慣性座標系の結果をより良く視覚化するために、および各々の数値を一歩の相に対して正確に割り当てるために、実際の膝角度を算出しつつ、合成された力ベクトルを、例えば、垂線に対する絶対角度を算出する膝角度センサまたは大腿角度センサによって、算出することが提案されている。大腿角度が知られている場合には、補装具に固定された座標系から慣性座標系への転換を行なうことができる。しかしながら、心合せの分析のためには、補装具に固定された座標系の観察で十分である。この観察は、実際の膝角度を考慮することなく、行なうことができる。遊脚相の同定は軸方向力の算出によって行なうことができる。軸方向の値がゼロであるとき、あるいは、圧縮力の代わりに、引張り力が測定されるとき、遊脚相が存在することが仮定されることができる。膝角度は、特に、腰部モーメントの評価のために用いられることが可能である。
【００１３】
更に、下腿シャフトに対する足部の底屈を検知するために、下腿シャフトと足部との間の角度が算出されることが提案されている。このことは、必要である。何故ならば、つま先の調整は、人工膝関節の安定性または不安定性への強い影響を有するからである。つま先角度を増大させることによって、過伸展方向のおよびこれによって安定的に作用するモーメントが、人工膝関節の内側で発生される。それ故に、つま先角度の変化によって、後方移動の良くない調整を部分的に補償することができる。特に、つま先の調整は、膝モーメントおよび踝モーメントの推移へ大きな影響を有する。つま先角度が小さくなるにつれて、遊脚相の解除のために必要な伸展要素が一層小さくなる。後で、伸展モーメントの発生が始まる。つま先角度が大きくなるにつれて、足部の踵は一層短く負荷される。
【００１４】
合成された力ベクトルが、歩行中の立脚相では、人工膝関節の関節軸の後方に移動されていること、従って、立脚相では、心合せが不安定であることが万一確認されるときは、合成された力ベクトルが関節軸の前方に延びているまで、あるいは、関節軸が、合成された力ベクトルの後方に設けられているまで、関節軸が調整または移動される。膝関節軸のほかに、足部の関節軸も移動することができる。その目的は、補装具の安定的な心合せを達成するためである。同様に、補足的にまたはその代わりに、膝関節の伸展ストッパおよび足関節の伸展ストッパ、従って背部ストッパを変え、特に同期的に変えることができる。足関節の背部ストッパおよび膝関節の伸展ストッパが互いに向かった調整されるとき、上側の接続部すなわち大腿シャフトの屈曲が変化される。このことは、回転軸の移動との比較で、互いに対応する結果をもたらさない。大腿シャフトの屈曲は、静的な心合せにとっては、理想的ではないだろうが、直立と歩行との間の区別のために用いられる。心合せを確定するためには、反復の評価過程が実行される。この過程では、合成された力ベクトルの、関節軸に対する位置が確定され、補装具の心合せは、十分に安定的な心合せが歩行サイクル中に立脚相で達成されるまで、変化される。患者が動的な心合せを望むとき、補装具は、力ベクトルが関節軸の直前に延びているように、調整される。しかしながら、方法および心合せ調整装置は、力ベクトルがどこに延びているかを示す。それ故に、人工膝関節の、適格な、量的に検知された、場合によって文書化された調整を行なうことができる。
【００１５】
特に、電子式に制御される膝関節または足関節の場合には、歩行と直立の間の区別をすることによって、関節軸の移動または伸展ストッパまたは背部ストッパの変化を効果的に用いることができる。力の消費を最小限に減じるために、歩行の最中に出来る限り少ない後方移動を得ようと努力がなされる一方、直立の際には、補装具の安定的な心合せおよび安定的な直立を保証するために、安定的な後方移動を得ようと努力がなされる。踵モーメントセンサおよび膝モーメントセンサによって、実際に効果的なモーメントが算出される。適切なアクチェータを有する調整可能なストッパ、例えば、遮断可能な液圧シリンダは、測定されたモーメントおよび算出されたベクトル位置に従って、関節軸またはストッパの最適な位置を調整する。経験的なデータまたは補装具着用者の個人的な好みに基づいて、占められる位置が事前設定される。
【００１６】
心合せの変化によって、特に、１つの関節軸または複数の関節軸あるいはストッパの移動によって、足部の整列が変わるので、関節軸の移動前に、足部の、下腿シャフトに対する相対位置をマーキングし、関節軸の移動後に、足部の、下腿シャフトに対する相対位置を再度形成することが提案されている。このことによって、関節軸の調整によって変化される幾何学比が、足の整列へ作用しないことが、保証される。
【００１７】
足部の元々の調整をマーキングしかつ再形成するための簡単な方法は、レーザポインタが大腿シャフトに固設されていることによって、足部の、下腿シャフトに対する相対位置を算出されることを提案する。レーザビームは、足部に向けられ、衝突箇所がマーキングされる。関節軸の移動後に、レーザポインタが変わらない場合でも、足部は、マーキングがレーザビームと再度重ね合わされるように、調整される。レーザポインタの代わりに、他の、特に光学式のマーキング手段を用いることもできる。
【００１８】
関節軸の移動および足部の整列後に、足部の底屈調整も修正することができる。この目的のためには、関節軸の移動前に、下腿シャフトから始まって、足部まで基準線を描き、関節軸の移動後に、足部を、基準線が再度重ね合わされるように、向けることが提案されている。それ故に、足部は、元通りに、水平方向面上にある。基準線が、人工膝関節と足部との間で、従って踝の領域で、調整コアの軸と一致する限り、シャフトの前屈におけるエラーを著しく回避することができる。基準線を、人工膝関節の末端の調整軸を通って付することができる。
【００１９】
方法の実施の形態は、実際の腰部モーメントが、合成された力ベクトルおよび補装具の所定の形状の算出の下で、算出されることを提案する。理想的な場合には、義足が、直立ですなわち立脚相中に、ごく僅かな腰部モーメントを有するほうがよい。このことが当てはまらないとき、これらのモーメントは、２つの股関節で同じではない。その結果、水平方向力が生じる。
【００２０】
人工膝関節を有する義足を調整する方法であって、人工膝関節は、義足を補装具着用者に取着するための上側の接続部と、足部が取着されている下腿シャフトとを互いに旋回可能に結合しており、上側の接続部は、人工膝関節の関節軸に対し移動可能であり、および／または足部の位置が下腿シャフトに対して移動可能である方法は、膝モーメントおよび軸方向力が、補装具の使用中に、複数のセンサによって測定され、膝モーメントおよび軸方向力からは、合成された力ベクトルが算出されること、および関節軸との垂直距離と、関節軸に対する合成された力ベクトルの位置とが算出され、および、合成された力ベクトルが、矢状面で、関節軸の前方または後方にどの程度に位置しているかが検査され、人工膝関節の軸に対する上側の接続部の調整、および／または、人工膝関節および／または足部関節のための伸展ストッパの調整が、合成された力ベクトルの算出された位置に従って、行なわれることを提案する。
【００２１】
合成された力ベクトルが、立脚相中に、膝関節軸の前方に位置しているように、膝関節軸、足関節軸および／または伸展ストッパを調整することができる。
【００２２】
補装具の心合せの調整を検査するためのまたは補装具の心合せを調整するための人工膝関節を有し、義足における、特に、大腿義足または股関節の切断した脚のための補装具における力またはモーメントを測定するための本発明に係わる装置は、上側の接続部、特に大腿シャフトと連結するための上部と、この上部に関節式に連結された下部とがあって、上部を上側の接続部に取着するための接続手段が、設けられており、この接続手段は、好ましくは、矢状面で移動可能に上部に取り付けされているアダプタを有し、膝力または膝モーメントを検知するための手段が、接続手段または上部に取着されていることを提案する。前記装置によって、人工膝関節の内部における、作用する力およびモーメントを検知し、更に、好ましくは、接続手段の調整によって、大腿シャフトに対する関節軸の位置を算出または変化させることが可能である。それ故に、補装具の最適な心合せを達成することができる。この場合、アダプタを、締付手段によって、上部に取着することができる。この代わりに、例えばスピンドルの形態の、外から接近可能な調整ねじが設けられている。これらの調整ねじによって、関節軸が、上部または上側の接続部に対し、特に大腿シャフトに対し快適に移動される。その目的は、補装具の心合せを変化させ、補装具の心合せに関するかようにして得られた知識を、実際に直接に検査することができるためである。
【００２３】
本発明の実施の形態は、上部とアダプタとの間には、アダプタが移動可能に取り付けられている支持体および／またはブリッジ要素が設けられていることを提案する。この場合、ブリッジまたは支持体が、好ましくはモーメントに対し動かないように（momentfest）上部に取着されており、大腿シャフトに直に設けられたアダプタと、上部との間に、中間部材を形成する。この中間部材は、膝関節に作用する力およびモーメントを算出するために、適切に形成されている。ブリッジには、測定バーが形成されており、この測定バーは、モーメントまたは力の負荷の際に、以下の程度に、すなわち、例えばストレーンゲージによって、作用する膝力および膝モーメントを、高い測定信号をもって明確に算出することができるほどに、変形される。双方向性の測定ユニットの安価な実施の形態が存する。しかしながら、測定バーは、ブリッジが機能し、最大荷重の値に達した際でも、構造が保たれている寸法でなければならない。取付高さが補装具の心合せの調整後に用いられる接続手段の取付高さに対応するように、アダプタ、またはブリッジおよび支持体を有するアダプタが構成されていることは好ましい。この変形例では、補装具の最適な心合せの調整後に、装置が取り外され、通常の接続手段と交換されることが提案されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述する。図１には、図示しない大腿断端に取付可能な大腿シャフト２を有する義足１が示されている。大腿シャフト２には、膝軸３１を中心として旋回可能に取り付けられている膝関節３が取着されている。人工膝関節３には、連結箇所５によって膝関節３を足部６に結合している下腿シャフト４が取着されている。膝関節３には、膝モーメントＭＫを測定するためのセンサ１０が取着されている。センサ１０の測定軸３１は、膝関節３の関節軸に対応している。膝角度Φは、センサ１０によって、あるいは、例えば下腿シャフト４に設けられた他のセンサによって算出されることが可能である。大腿シャフト２の代わりに、骨に取り付けられた、上側の接続部が設けられていてもよい。この接続部は、膝関節３を、大腿の断端に連結している。股関節の脚の切断の場合には、大腿の断端が存在しない。それ故に、膝関節３と股関節との連結部は、上側の接続部と見なされる。
【００２５】
踝モーメントＭＴを確定するために、下腿シャフト４と足部６との間の接続区域には、下腿シャフト４の内側で作用する軸方向力ＦＡＸと、踝モーメントＭＴとを測定するためのセンサ１１が設けられている。センサ１１の測定軸５１が膝軸３１に平行に位置している。
【００２６】
図２には、高さおよび長さならびに力およびモーメントの方向付けが示されている。踝モーメント用のセンサ１１従ってまたセンサの軸５１の高さには、Ｈｓが付されている。
【００２７】
膝軸３１と、踝モーメント用のセンサ１１の測定軸５１との間隔には、ＬＴが付されている。踝モーメントＭＴは、膝モーメントＭＫと同様に、時計と反対回りにプラスに示されており、軸方向力ＦＡＸと同様に下腿シャフト４で上方に作用しつつ、すなわち、膝関節３の方向にプラスに仮定される。
【００２８】
図３には、他の作用する力が、斜視図で示されている。接触力ＦＫは、地面反力ＦＧＲＦとして仮定される。この地面反力は、図４の座標系に示すように、常に、ｙ方向にプラスに作用すると見なされる。大腿シャフト２が、角度Φを中心として、時計と反対回りに旋回されているとき、合成された力ＦＲが、接触力ＦＫに反作用する。力ベクトルＦＲと膝軸３１との垂直間隔としての間隔λから導き出されるのは、人工膝関節３の現在の心合せが安定的であるか不安定的であるかである。モデルの情報は、各々の観察される座標系に、従って、下腿に固定された（unterschenkelfest）座標系にも当てはまる。腰部における比率の評価が必要でないか、重要でないならば、膝角度の情報は不要である。
【００２９】
補装具の縦軸と垂線との間の角度ξでの踵の踏み出しの、図４に示した状況では、λはマイナスである。それ故に、合成された力ベクトルＦＲは、矢状面で、関節軸３１の後方に位置している。かくして、人工膝関節３は不安定であろう。補装具の安定的な心合せを提供することができるためには、関節軸３１は、矢状面で、マイナスのｘ方向に移動されねばならないだろう。従って、関節軸３１の後方移動は、膝モーメント、踝モーメントおよび軸方向力の推移に重大な影響を有する。
【００３０】
補装具の心合せが安定的な場合には、膝モーメントは、所定の時点で、立脚相では、今ある機構に基づいて、すなわち、今あるレバー長さに基づいて、後方移動にリニアに左右されるほうがよい。補装具の心合せが非常に不安定的であるとき、補装具着用者は、腰部伸展モーメントの負荷によって、補装具が着用者の下で折れ曲がることを、アクティブに阻止しなければならない。このことは、理論的には、立脚相での最大限の膝モーメントの減少として作用する。原則的には、補装具は、立脚相の屈曲が可能でありように、構成されていることが意図される。何故ならば、このことによって、補装具を地面で踏ん張る際の接触衝撃が減少されるからである。この理由から、補装具の心合せは、所定の屈曲モーメントを可能にするために、しかし、補装具着用者に、補装具の更なる折れ曲がりをアクティブに阻止するように強制することなく、余り大きくは後方移動されていないほうがよい。しかしながら、補装具の心合せでは、補装具着用者の個々の望みに立ち入らねばならない。立脚相で許容される屈曲モーメントは、動的な影響下にもある非常に個別的な相違に委ねられている。それ故に、関節軸の最適な整列は、通常は、静的な状態での整列でなされるのではなく、これまでは、面倒な一連の実験によって算出されねばならなかった。この調整手続きは、本発明に係わる方法および本発明に係わる装置によって、著しく短縮されることができる。
【００３１】
図５には、膝モーメントの推移と、歩行サイクルに亘っての後方移動との間の関連が典型的に示されている。ここでは、時間は、百分率の歩幅として基準化されており、１００％は、完全な歩行サイクルに対応する。第２の水平軸上では、取付の基準線に対する、すなわち、下腿シャフトの中心から足部の中心へ結ぶ線に対する関節軸の後方移動がミリメートルの単位で示されている。膝モーメントがゼロの場合、安定的な補装具の心合せから非安定的な補装具の心合せへの移行が存在する。膝モーメントがプラスの場合、不安定的な心合せが得られる。安定的な心合せから不安定的な心合せへの移行の際に、立脚相の屈曲からの補装具の心合せを調整するための適切な近似値である安定限界が達成される。この安定限界の位置（Lage）が知られているときは、補装具使用者の個別的な要求に容易に立ち入ることができる。詳しくは、望ましい安定的な心合せの場合には、補装具は後方移動される。つまりは、所望の動的な心合せの場合には、前方移動が生じる。
【００３２】
補装具の心合せの安定性への影響を有する他のパラメータは、つま先の調整である。底屈を増大させてつま先角度を増大させることによって、過伸展方向のおよびこれによって安定的に作用するモーメントが、膝に発生される。原則的には、次善の後方移動調整を、つま先の調整を変化させることによって補償することができる。つま先角度が大きい場合には、人工膝関節が、非常に早く過伸展される。遊脚相を解除するために必要な伸展モーメントは、このとき大きくて、比較的長い時間加えられねばならない。つま先角度が小さければ小さいほど、遊脚相を解除するために必要な伸展モーメントは一層小さい。後でも、伸展モーメントの発生が始められる。実際また、つま先角度は、補装具を負荷する最中に、膝モーメントの推移への影響を有する。つま先角度の調整の目的は、膝モーメントの出来る限り均等な推移を供することにある。
【００３３】
使用中に人工膝関節の調整を検査するためには、合成された力ＦＲと、膝軸３１との垂直距離λを、如何なる時点でもすなわちスキャンの時点でも算出することが必要である。垂直距離λを得るためには、合成された力ＦＲまたは地面反力ＦＧＲＦの方向づけおよび作用点を算出することが必要である。立脚相にある補装具の心合せの状態が安定的であるか、不安定であるかの判断のためには、矢状面の内側での移動のみを観察すればよいので、２次元の問題が存する。踝モーメント用のセンサ１１から、軸方向力ＦＡＸを算出するためのセンサおよび膝モーメントＭＫを算出するためのセンサからおよび予め算出された長さＨＳおよびＬＴからは、位置および方向づけにおける、合成された力ベクトルＦＲまたは対応の接触力ＦＫを算出することが可能である。この場合、膝関節３の上方で生じるすべてを、合成された力ＦＲへ還元することができる。このことは、特に、アクティブに加えられる腰部モーメントＭＨが考慮されないこと、およびの水平方向成分による踝モーメントＭＴへの影響が無視できることを意味する。腰部モーメントＭＨが無視できるという仮定は、補装具の心合せが極端に不安定ではないときに、適切にも、的中されることが可能である。腰部モーメントＭＨを考慮することができるためには、少なくとも１つの他のセンサが設けられていればよい。このことは余りにもコストがかかるだろう。
【００３４】
腰部モーメントＭＨを評価することができるためには、股関節におけるモーメントのバランス（ＭＨ＝Ｌ２＊ＦＫ）および関係Ｌ２＝ＬＦ*ｓｉｎ（Φ−α）＋λによって、接触力ＦＫの算出の際に、算出を行なうことができる。但し、ＬＦは、測定された大腿の長さであり、Ｌ２は、合成された力ベクトルと、膝角度Φを有する腰部モーメントＭＨの作用点との距離である。踝モーメント用のセンサ１１の高さにおける有効なレバー長さＬ１を算出することができるためには、商は、測定された踝モーメントＭＴと、下腿シャフトでの測定された踝モーメントＭＴＡＸとから形成される。レバー長さＬ１は、力発生点と、踝モーメント用のセンサ１１の高さにある踝関節との距離を示す。足関節におけるモーメントのバランスは、ＭＴ＝−Ｌ１×ＦＫである。
【００３５】
接触力ＦＫのベクトル成分をはっきりと算出するためには、方程式ＭＴ＝ＦＡＸ・Ｌ１−ＦＫＸ・ＨＳが、適切に解かれる。膝モーメントＭＫは、垂直距離λおよび接触力ＦＫからなるマイナスの積に対応する。下腿シャフト４における力のバランス（ＦＫｃｏｓ(α)＋ＦＡＸ＝０）および幾何学関係ｓｉｎ（α）＝（λ−Ｌ１）／ＬＴから、非線形の連立方程式が生じる。この連立方程式から、求める値が算出される。
【００３６】
この場合、角度αは、力ベクトルと補装具の縦軸との間の角度である。ＦＫＸおよびＦＫＹは、Ｘ方向およびＹ方向における接触力成分である。必要な変数ＦＫＸ，ＦＫＹ，Ｌ１およびλの算出は、コンピュータ内でなされる。コンピュータへは、幾何学的大きさおよび寸法ならびに測定されたモーメント、角度および力が入力される。実際の測定値は、インタフェースを介して、コンピュータへ送られることができる。寸法は手動で入力することができる。地面反力ＦＧＲＦまたは接触力ベクトルＦＫと、膝軸３１との垂直距離λを、立脚相のいずれの時点でも算出することができるという事実からは、補装具の心合せが安定的であるか不安定であるかを、立脚相のいずれの時点でも算出することができる。安定的な心合せがあるか、不安定的な心合せがあるかは、安定的なまたは不安定的なすなわち動的な心合せに関して、算出された距離と所定の距離との比較から生じることが可能である。
【００３７】
補装具の心合せを更に最適化するためには、つま先の調整を、力ベクトルが直立状態で足部の中心に延びているように、選択しなければならない。このことは、ロッカー装置によって実現化することができる。補装具着用者が、プレートの真ん中が足部の所望の負荷導入位置にあるように、ロッカー装置の上に立つのである。プレート上でのマーキングによって、足部の真ん中を、回転点の上にもたらすことができる。踵および足の指は、マーキングから、同じ距離で、間隔をあけていなければならない。直立が緊張解除されているとき、底屈は、プレートがバランスにあって、マーキングの下方に取着されたバー上で揺動するまで、変えられる。バランスが達成されるや否や、力の原点が足の中心にある。
【００３８】
底屈の調整の実行と、補装具内のモーメントおよび力の測定と、補装具の心合せの特性の算出との後に、関節軸は、矢状面において、数値λ´だけ前方または後方へ移動される。立脚相での屈曲における膝関節３にあるＭ´で目標モーメントを得るために必要な移動λ´を、算出することができる。その代わりに、ａｒｃｔａｎ（λ´／ＬＴ）だけの複数の伸展ストッパの相互変化によって、移動を行なうこともできる。
【００３９】
図５ａには、義足の概略図が示されている。義足では、大腿シャフト２が、関節軸３１を有する人工膝関節によって、下腿シャフト４に連結されている。下腿シャフト４は、その末端部に、足部６を有する。この足部は、関節軸６１によって、旋回可能におよび場合によっては調整可能に、下腿シャフト４に取着されている。下腿シャフト４と大腿シャフト２との間には、矢印によって示されている調整可能な伸展ストッパ２４が取着されている。この伸展ストッパ２４は、例えば、足部６が更に前方移動されるようにして、変化されることができる。次に、足部６は、下腿シャフト４´が歩行方向前方へ旋回されている間に、破線で示された位置６´にある。膝関節３の、そのとき占められた伸展ストッパ２４´を適合したのは、合成された力ベクトルの算出された位置に従って、安定的なまたは動的な心合せを実現化するためである。同時に、足部６の背部ストッパ４６を調整することができる。そのときにある背部ストッパ４６´は、足部の位置の適合を引き起こす。伸展ストッパ２４，４６の調整は、電子的な制御方法で、アクチュエータ、例えば遮断可能な液圧シリンダによってなされることができる。かくして、適合は、種々の補装具使用者または種々の使用条件になされることができる。同様に可能であるのは、下腿シャフト４の移動の際に、関節軸３１に対し、足部の位置が自動的に修正され、それ故に、補装具の心合せが、補装具使用者の考えに応じて、実際に存する補装具の心合せと、使用条件と、補装具使用者における補装具の位置に従って、実現化されることができることである。
【００４０】
後方移動の適合の後に、関節軸３１の調整によって、足部の位置を従来通り整列するためには、図６に示すように、調整前に、大腿シャフト２に取着されたレーザポインタ７によって、光点が、足部６の上面に当てられかつマーキングされる。続いて、関節軸３が、算出された数値λ´だけ移動される。移動後に、補装具は、投影された点が再度マーキングと一致するまで、回転される。
【００４１】
同様に、後方移動前に、つま先の調整または足部６の底屈が制御されるほうがよい。このことが、上記のようにレーザポインタによって足部の整列後になされることは好ましい。元々の足底屈の再形成の際に、踝用錐体９において、ねじが緩められる。補装具使用者が快適に立っている。何故ならば、装置が沈んで、靴底がしっかり地面に載っているからである。次に、ねじが再度締め付けられる。この代わりに、底屈を調整するために、上記のロッカーを用いることができ、あるいは、後方移動の前に、貫通している基準線８がシャフト４および足部６に沿って描かれている。後方移動後に、場合によっては互いにずれた線部分が、互いに一直線に整列される。それ故に、つま先の元々の調整が再形成されている。第１の後方移動と、足部６の整列と、底屈の修正との後に、補装具の心合せが、平面上での複数の歩行サイクルに亘って、新たに評価されかつ場合によっては修正される。
【００４２】
最後に、生じる最大限度の負荷が制御される。満足のいく調整が見出された限りでは、人工膝関節３のモーメントセンサを、適切に調整されたスライドアダプタと交換することができる。
【００４３】
この場合、モーメントセンサが、図８に示すように構成されていることは好都合である。このモーメントセンサの傍には、大腿シャフトへ挿入するための錐体収容部３０が設けられている。錐体収容部３０は、図１０に詳細に示されている締付装置３２によって、支持体３４上の所望の位置に取着されている。錐体収容部３０は、二重矢印によって示すように、矢印の軸線に沿って移動可能である。錐体収容部３０は、くさびガイドによって縦軸に不変に保たれている。錐体収容部３０には、レーザポインタ７用のホルダ１７が設けられている。レーザポインタ７およびホルダ１７は、腹側に設けられており、ホルダ１７は、回転軸を中心として、横断面に旋回可能に取り付けられている。同様に、レーザポインタ７の回転は、軸を中心として、矢状面でなされる。締付装置３２は、矢状面に位置している複数の孔３３の中を通っている締付ねじ３９´によって、緩め可能かつ締付可能である。それ故に、錐体収容部３０は、支持体３４上で移動可能に取着されることができる。錐体収容部３０と、支持体３４と、ブリッジ要素３５とは、人工膝関節の図示されない上部を大腿シャフトに取着するための接続手段を形成する。
【００４４】
この支持体３４には、ブリッジ要素３５が取着されている。ブリッジ要素は、同様に、膝関節の図示しない上部に取着されている。このブリッジ要素３５には、図９に示されたストレーンゲージ３７が取着されている。その目的は、人工膝関節３に作用する力およびモーメントを算出するためである。ストレーンゲージ３７は、図８では、保護カバー３６によって保護されている。ブリッジ要素３５は、測定バー（Messbalken）を形成し、所要面積上の理由から、開いた脚部を末端に向けている。ブリッジ要素３５のすなわち測定バーの出来る限り均等な変形を達成するために、測定バーは、補装具の上部に関節式に結合されている。この目的のためには、回転ジョイント３８およびスライドジョイント３８´が、補装具の上部への結合部に形成されている。回転ジョイント３８は、弾性変形に基づいた回転を可能にする。他方、スライドジョイント３８´は、縦方向の補償を可能にし、従って、縦方向応力を阻止する。上部での取付部は、回転軸３１の下方に設けられている。
【００４５】
図９は、ストレーンゲージ３７を有するモーメントセンサを、背面図で示す。２つのストレーンゲージは、関節軸３１とスライドジョイント３８´との間におよび関節軸と回転ジョイント３８との間に設けられている。
【００４６】
図１０には、締付装置３２が、部分切欠きを有する平面図で示されている。締付装置は、締付ねじ３９´によって、締付用くさび部材３９を移動させる。レーザポインタ７に関連して設けられた締付ねじ３９´がねじ込まれるとき、締付用くさび部材３９によって、力が正面方向に加えられる。このことによって、ここではスライドアダプタとして形成されている錐体収容部３０が、支持体３４に取着される。締付ねじ３９´を逆回転させることによって、締付用くさび部材３９は、他の方向に動かされ、これに応じて、締付が緩められる。この場合、締付ねじ３９´は、両側からの接近が可能であるように、形成されている。締付ねじ３９´を適切に架け渡すこと（Lagerung）によって可能であるのは、両側からの固定、例えば締付により開閉が可能であることである。
【００４７】
ホルダ３４の上面には、センサデータの読み取りと、評価手段、例えばコンピュータへの伝送とを可能にする複数のコネクタ４０またはインタフェースが形成されている。図１１には、前面にデザインされている断面Ａ-Ａが示されている。ここには、錐体収容部３４のくさび形ガイドが、締付ねじ３９´と、パソコンへ通じるインタフェース４０とを有する締付装置３２と同様に、支持体３４に認められる。
【００４８】
錐体アダプタ３０と、支持体３４と、ブリッジ要素３５と、ストレーンゲージ３７とを有する、膝モーメントを検知する装置全体は、補装具の心合せの評価後に、人工膝関節３を大腿シャフト２に取着するための従来のアダプタと交換されていてもよい。この目的のために、この装置の寸法が、従来のアダプタの寸法と同じに形成されている。図示した装置を常に用いることも可能である。測定値は、常に、コンピュータによって評価され、場合によっては、制動手段を制御するために評価されることができる。交換の実行の際には、データは、インタフェース４０を介して、コンピュータに伝達される。このコンピュータは、安定的な、中立的なまたは動的な心合せが得られるために、錐体アダプタ３０を、関節軸３１へ、どの位の距離移動させねばならないかを、算出する。移動の程度または現在の組み込み状態を、ディスプレイに出力することができる。
【００４９】
図示した実施の形態の代わりに、他の膝モーメント用センサも設けられかつ用いられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】複数のセンサが設けられた義足の概略図を示す。
【図２】図１に示す装置における作用する力の図を示す。
【図３】モーメントと力の比率の斜視図を示す。
【図４】図３の概略図を示す。
【図５】膝モーメントの推移と後方移動との間の関連を示す。
【図５ａ】伸展ストッパの調整の概略図を示す。
【図６】足部の位置の再形成の概略図を示す。
【図７】底屈の再形成の概略図を示す。
【図８】本発明に係わる装置の、組み立てられた状態の実施の形態を示す。
【図９】図８の、回転した図での変形例を示す。
【図１０】装置の平面図を示す。
【図１１】図１０のＡ-Ａに沿った断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2009513199.tif 000013
【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月27日(2008.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
特許文献１は、センサ手段ならびにセンサ手段を有する補装具を記載する。補装具では、センサ手段は、脛骨部分で、人工膝関節の下方に設けられている。センサ手段は、環状に閉じた状態で形成された外側本体と、外側本体の複数の向かい合う内面を接続する２つの内側本体とを有する。内側本体には、結合軸の方向に作用する力を測定するためのセンサ要素が設けられている。センサ手段によって、歩行分析のための地面反力を算出することができる。  
【特許文献１】DE 101 39 333 A１
【特許文献２】EP 1 559 384 A1
【特許文献３】GB 1 208 421 A
【特許文献４】EP 1 285 640 A
【特許文献５】WO 96/00540 A
【国際調査報告】
2009513199.tif 000015
2009513199.tif 000016
2009513199.tif 000017
2009513199.tif 000018
2009513199.tif 000019
2009513199.tif 000020