(57)【要約】  足首プロテーゼは、義足を含む。下足首部は、足首関節部において旋回できるように義足に固定されている。上足首部は、下足首部に対して上足首部の垂直運動を可能にするように下足首部に連結されている。結合バネは、伸された条件で付勢される。結合バネは、上足首部の第１端部で連結されている。結合バネの第２端部は、下足首部に係合している第１条件と、義足に係合している第２条件で可動である。結合バネが第１条件にあるとき、結合バネの圧縮でエネルギが蓄積され、結合バネが第２条件にあるとき、結合バネからエネルギが放出される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
足首プロテーゼにおいて、
義足と、
足首関節部において、旋回できるように前記義足に固定された下足首部と、
前記下足首部に対して垂直運動を可能にするように前記下足首部に連結された上足首部と、
伸ばされた条件で付勢される結合バネであって、第１端部で前記上足首部に連結され、
前記結合バネの第２端部は、下足首部と係合される第１条件、義足と係合される第２条件で可動であり、前記結合バネが前記第１条件にあるとき、前記結合バネの圧縮でエネルギが蓄積され、前記結合バネが前記第２条件にあるとき、前記結合バネからエネルギが放出される、前記結合バネと、
を備える、足首プロテーゼ。
【請求項２】
前記上足首部は、前記下足首部内部で伸縮自在に移動可能なボールスプラインを備え、前記足首プロテーゼは、
前記下足首部に移動できるように固定され、前記ボールスプラインのシャフトと係合可能な少なくとも一つのスプラグを更に備え、前記ボールスプラインと前記少なくとも一つのスプラグの操作可能な係合は、前記上足首部が前記下足首部に向かって移動することを可能にし、前記下足首部から前記上足首部が離れて移動することを防止する、請求項１に記載の足首プロテーゼ。
【請求項３】
スプラグ戻しバネおよび少なくとも一つのスプラグワイヤを更に備える、請求項２に記載の足首プロテーゼであって、
前記スプラグ戻しバネは、第１端部を前記下足首部に固定され、前記スプラグ戻しバネの第２端部が前記上足首部と選択的に係合され、前記スプラグ戻しバネの前記第２端部は、前記上足首部と係合され、前記上足首部の、前記下足首部に向かう平行移動が、前記スプラグ戻しバネの圧縮でエネルギを蓄積し、
前記少なくとも一つのスプラグワイヤは、前記スプラグ戻しバネの前記第２端部および前記少なくとも一つのスプラグの間に固定され、前記スプラグ戻しバネの前記第２端部および前記上足首部の間の係合解除は、前記少なくとも一つのスプラグワイヤを介して前記少なくとも一つのスプラグに回転力を伝え、前記上足首部の前記ボールスプラインから前記少なくとも一つのスプラグの係合を解除する、足首プロテーゼ。
【請求項４】
下足首部に可動連結された錐体アダプタと、
複数のリンクを備えたスプラグ解除機構であって、前記複数のリンクの少なくとも一つは、前記スプラグ解除機構および前記上足首部の間で選択的に係合を与える、前記スプラグ解除機構と、
を備え、
前記錐体アダプタの、前記上足首部から離れる移動が、前記少なくとも一つのリンクおよび前記スプラグ解除バネからの係合を解除する、請求項１−３のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項５】
前記下足首部は、棚部を備え、前記足首プロテーゼは、
前記結合バネの前記第２端部でブロック部であって、前記結合バネが前記第１条件にあるとき、前記下足首部の前記棚部と係合する、前記ブロック部と、
前記ブロック部に連結されたジャミング機構であって、前記結合バネの前記第１条件における前記ブロック部を前記下足首部の前記棚部との係合から、前記結合バネの前記第２条件における前記義足との係合に移行させるために前記義足と係合する、前記ジャミング機構と、
を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項６】
遊脚相の間、前記結合バネの前記第２端部を持ち上げる前記上足首部の移動および前記足首関節部周りの前記義足の回転は、前記足首プロテーゼを再設定させるために前記下足首部の前記棚部に前記ブロック部を係合させる、請求項５に記載の足首プロテーゼ。
【請求項７】
前記下足首部に固定された背屈接触片と、
前記義足に固定された背屈屈曲部であって、前記背屈接触片は前記背屈屈曲部の変位端部に選択的に係合するように構成され、前記義足および前記下足首部の間で前記足首関節部周りの角度を減少させる回転から、前記背屈屈曲部にエネルギを蓄積する、前記背屈屈曲部と、
を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項８】
前記背屈接触部は、前記下足首部の下部分に固定され、前記背屈屈曲部は、前記背屈屈曲部の固着端部で前記義足に固着され、無荷重条件の前記背屈屈曲部は、前記義足に対して略平行に延びている、請求項７に記載の足首プロテーゼ。
【請求項９】
前記背屈屈曲部は、第１突起部および第２突起部に二叉に分かれており、前記背屈接触片は、第１背屈接触片であり、前記下足首部は、第２背屈接触片を更に備え、前記第１背屈接触片および第２背屈接触片は、前記第１突起部および第２突起部と選択的に係合する、請求項７または８に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１０】
前記背屈屈曲部は、内部に蓄積されたエネルギを放出し、前記義足および前記下足首部の間の前記足首関節部周りの角度を増加させる、請求項７−９のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１１】
荷重相において、変換して入力された力（translative input force）は、前記結合バネに蓄積され、回転で入力する力は、前記背屈屈曲部に蓄積される、請求項７−１０のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１２】
プッシュオフ相において、前記結合バネおよび前記背屈屈曲部に蓄積されたエネルギは、前記足首プロテーゼを使用する患者を前方に進ませるように放出される、請求項１１に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１３】
前記足首プロテーゼは、
前記下足首部に固定された底屈接触片と、
前記義足に固定された底屈屈曲部であって、前記底屈接触片は、前記底屈屈曲部の変位端部と選択的に係合するように構成され、前記義足および前記下足首部の間の前記足首関節部周りの角度を増加させる回転から前記底屈屈曲部にエネルギを蓄積させる、前記底屈屈曲部と、
を更に備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１４】
前記底屈屈曲部は、内部に蓄積されたエネルギを放出し、前記義足および前記下足首部の間の角度を減少させる、請求項１３に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１５】
荷重相において、前記底屈屈曲部は、内部に蓄積されたエネルギを放出し、爪先離地相において、前記足首関節部における、前記上足首部および前記下足首部の、垂直整列への移動を助力し、遊脚相の間、前記底屈屈曲部は、内部に蓄積されたエネルギを放出し、前記義足を持ち上げる、請求項１４に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１６】
前記義足に移動できるように固定された少なくとも一つの足指プロテーゼを更に備える、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の足首プロテーゼ。
【請求項１７】
歩行速度の増加と共にエネルギ還元を有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の受動型足首プロテーゼ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の足首プロテーゼにおいて受動型エネルギを還元する方法。
【請求項１９】
前記下足首部と係合した前記結合バネの前記第２端部を用いて、前記第１条件において、前記結合バネを操作するステップと、
前記上足首部において並進力（translational force）を受けるステップと、
前記結合バネの圧縮でエネルギを蓄積するステップと、
前記義足と係合した結合バネの前記第２端部を用いて、前記第２条件において、前記結合バネを操作するステップと、
前記上足首部に対する前記義足の回転を助力する為に、前記結合バネに蓄積されたエネルギを放出するステップと、
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
エネルギ還元が、歩行速度に伴って増加する、請求項１８または１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【連邦政府主催の研究または開発に関する声明】
【０００１】
[0001]本発明は、国立衛生研究所によって授与されたH133G120256-13の下で政府援助によって製作された。政府は、本発明について一定の権利を有する。
【０００２】
【関連出願の相互参照】
【０００３】
[0002]本願は、２０１６年４月１４日に提出された米国仮特許出願第62/322,524号の優先権を主張し、その内容は、全体が参考のために本願に組み込まれる。
【０００４】
【背景】
【０００５】
[0003]本発明の分野は、足首、足、下脚プロテーゼ装置に関する。特に、本発明の分野は、受動型の足首、足、下脚プロテーゼ装置に関する。
【０００６】
[0004]プロテーゼ足首、足装置が記載されてきた。（以下の米国特許第7,955,399; 7,862,622; 7,819,926; 7,648,533; 7,611,543; 7,578,852;7,101,403; 6,942,704; 6,929,665; 6,436,149; 6,280,479; 6,206,934; 6,071,313;5,913,901; 5,728,175; 5,593,455; 5,571,212; 5,509,936; 5,486,209; 5,425,781;5,425,780; 5,405,411; 5,181,932; 5,156,630; 5,066,305; 4,764,172; 4,645,509;4,605,417; 4,547,913; 4,442,554; 20110106274; 20090319055; 20090281638;20090265018; 20080281436; 20080262635; 20080228288; 20080188950; 20080033579;20070299544; 20070219643; 20070213841; 20070061016; 20060178754; 20060064176;20050267601; 20050203640; 20050049721; 20050038525; 20050033451; 20050033450;20040236435; 20040225375; 20040186590; 20030105531を参照、これらの内容は本願に全体が参考の為に組み込まれる）。
【０００７】
[0005]米国には、推定で６２３，０００人が、（爪先の切断より大きな下脚切断として定義される）重大下脚切断を伴って生きている。これらの切断の中で、７８％は、末梢血管疾患（ＰＶＤ）によるものであり、４５％は、Ｉ型またはＩＩ型糖尿病を伴う個人のＰＶＤによるものである。糖尿病とＰＶＤの発生率が上昇しており、社会経済的状況が標準より低い人々は、ＩＩ型糖尿病を受けやすくなり、手頃な価格で高品質の下肢プロテーゼの需要は、これまで高くなかった。市場で現在利用可能なプロテーゼは、受動型および能動型装置を含むが、いずれも、完全にユーザの要求を満足させていない。
【０００８】
[0006]現在商業上利用可能な受動型プロテーゼ足首／脚部は、歩行中にエネルギを吸収および放出する板バネに基づく。これらのバネは、歩行中に生じる地面反力の衝撃を減少させ、吸収されたエネルギの一部を、体を前方に進める為に使用されるエネルギに変換する。しかしながら、蓄積されたエネルギは、損なわれていない歩行において押出し（pushoff）の間に体を前方に進めるために普通に必要なものより著しく小さい。これらの既存の受動型装置を使用する切断患者は、ゆっくりと歩く傾向にあり、正常な歩行者より多くのエネルギを消費する。所望の機械的特徴を得るため、足首関節部は、能動型プロテーゼを表示しなければならない。より多くのエネルギは、足首の撓みに与えられたものより、足首から引き出されなければならない。
【０００９】
[0007]受動型プロテーゼ足首は、より一般的に処方されるやり方であり、経済的に価格が付けられているが、アクチュエータが無いため、本来の足首で観察される原動力となるプッシュオフが欠けている。その結果、受動型プロテーゼは、（片側切断者の為の）非対称歩行、遅い自己選択歩行速度、移動距離当たりの高い代謝コスト、残存肢における痛みの増加を含む複数の生活の質の低下をエンドユーザに引き起こす。
【００１０】
[0008]大学研究室で以前に開発された能動型足首は、現在、商業化されている。BionXによるBiOM（商標）、SpringActiveによるOdyssey（商標）および Jackspring（商標）は、現在、比較的初期の商業化段階にある。これらの以前の研究のプロテーゼ足首設計は、体を前方に進める為に、プッシュオフ中に必要な多くのエネルギに対処する。これらの能動的（生物工学的な）設計の限界は、足首のサイズ、重量、コストの増加である。サイズ、重量が増加する程度は、体を前方に進める為に、アクチュエータによって与えられる動力の量によって大雑把に決定される。増加したサイズおよび重量を最小限に抑えるため、良好なプロテーゼ設計は、大半の所望の挙動が受動的要素によって得られ、限定された寄与にモータを必要とする設計である。
【００１１】
[0009]異なる形式の足首プロテーゼの検討は、アメリカ義肢装具アカデミーの為のオンライン学習センターの為のウェブサイト、第３章：人間の足および足首とプロテーゼ足／足首機構機能、その内容は、本願に参考のため全体が組み込まれる。（米国公開出願第2007/0061016；“SPARKy 3: Design of an activerobotic ankle prosthesis with two actuated degrees of freedom usingregenerative kinetics”, Bellman, R.D., Holgate, M.A.,Sugar, T.G., Proceedings of the 2nd Biennial IEEE/RASEMBS InternationalConference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, 2008; and “Powered Ankle-Foot Prosthesis”, Au, S.K.,Herr, H.M., IEEE Robotics and Automation Magazine. Vol. 15(3) (pp 52-59), 2008;その内容は、本願に参考のため全体が組み込まれる。）
【００１２】
[0010]このように、受動型プロテーゼ足首／足の為の新しい設計、特に、歩行速度の増加に伴って増加するエネルギ還元を呈する新しい設計が望ましい。また、特に望ましいのは、受動型プロテーゼ足首／足の為の新しい設計であり、これらは、正常な歩行に伴う能動的挙動を達成するためにセンサ又はアクチュエータを必要としない。
【００１３】
【概要】
【００１４】
[0011]開示されているのは、少なくとも２つの自由度機構を備える下肢プロテーゼ装置である。例示的装置は、従来のバネ及び弾性梁の正味仕事を含む。開示された装置において、一つの自由度に沿って蓄積されるエネルギ（例えば、切断者の重量によって発生されるエネルギ）は、異なる自由度に沿って放出され、本来の足首の機械的特徴に類似した機械的特徴を達成する。このように、足首は「能動的挙動」を示すことができ、この能動的挙動において、足首の撓みだけで蓄積されるエネルギより足首関節部において、より多くのエネルギが放出される。脚部の撓みで蓄積されるエネルギは、足首の撓みで蓄積されるエネルギに追加される。その後、この全エネルギが、プッシュオフ中に足首部で放出される。
【００１５】
[0012]特許番号第8,721,737号に記載された関連装置の他、受動型構成要素だけを使用する能動的挙動は、以前にプロテーゼ足首設計において達成されていなかった。従来の受動型設計は、本来の足首機械的特徴に整合せず、従来の能動的設計は、同様の機械的特徴を達成するため、大きくて重いアクチュエータを必要とする。本書に開示された装置は、通常、正常歩行に関連付けられた能動的挙動を達成する為のセンサおよびアクチュエータを必要としない。
【００１６】
[0013]本書で開示された装置は、米国特許第8,721,737号に開示されたような発明者の初期動作を基にするが、これは、本書に参考のために全体が組み込まれ、脚部に沿った撓みにより蓄積されたエネルギが、足首におけるプッシュオフの為に、どのように使用可能であるかを記載する。
【００１７】
[0014]ここに記載されたような装置は、脚部に沿った撓みとエネルギ蓄積が踵の衝突において（地面に足が当たるとき）起こることを可能にする。エネルギは、バネに蓄積され、その後、足首が適時のプッシュオフの為に最大背屈を達成した後に放出される。ここで開示された設計の実施形態において発見された追加の改善は、プッシュオフ中に与えられたエネルギ量が歩行者の速度に関連していることである。歩行速度および足首で発生されたエネルギとの関係は、最近、正常な健康歩行者の分析において書面化されている。ここで開示されたような実施形態は、本来の足首関節の幾つかの重要な態様（例示的に、非線形回転安定性と、歩行速度と共に増加する回転動作出力（例えば、原動力となるプッシュオフ））を模倣できる受動型足首装置を提供する。
【００１８】
[0015]足首プロテーゼの例示的実施形態は、義足を含む。下足首部は、足首関節部で旋回できるように義足に固定される。上足首部は、下足首部に連結され、上足首部が下足首部に対して垂直移動することを可能にする。結合バネは、伸びされた条件で付勢される。結合バネは、第１端部で上足首部に連結される。結合バネの第２端部は、下足首部に係合された第１条件と、義足に係合された第２条件との間で移動できる。エネルギは、第１条件に結合バネがあるとき、結合バネの圧縮で蓄積される。エネルギは、第２条件に結合バネがあるとき、結合バネから放出される。
【００１９】
[0016]更なる例示的な実施形態において、上足首部は、下足首部の内部で伸縮自在に移動できるボールスプラインを含む。足首プロテーゼは、例示的に、下足首部に移動できるように固定された少なくとも一つのスプラグも含む。少なくとも一つのスプラグは、ボールスプラインと係合可能である。少なくとも一つのスプラグの、ボールスプラインとの操作可能な係合は、下足首部に向かう上足首部の移動を許容する。少なくとも一つのスプラグの、ボールスプラインとの操作可能な係合は、下足首部から離れる上足首部の移動を更に防止する。例示的実施形態において、足首プロテーゼは、下足首部に第１端部で固定されたスプラグ解除バネを更に含む。スプラグ解除バネの第２端部は、上足首部と選択的に係合し、スプラグ解除バネの第２端部が上足首部と係合するとき、下足首部に向かう上足首部の並進は、スプラグ解除バネの圧縮でエネルギを蓄積する。例示的実施形態において、少なくとも一つのスプラグワイヤが、スプラグ解除バネの第２端部および少なくとも一つのスプラグの間に固定されている。スプラグ解除バネの第２端部および上足首部の間の係合解除は、少なくとも一つのスプラグワイヤを介して回転性の力を少なくとも一つのスプラグに伝え、上足首部のボールスプラインからの少なくとも一つのスプラグの係合を解除する。
【００２０】
[0017]更なる実施形態において、下足首部は、棚部を含む。ブロック部は、結合バネの第２端部に置かれている。ブロック部は、結合バネが第１条件にあるとき、下足首部の棚部と係合する。ジャミング機構は、ブロック部と連結されている。ジャミング機構は、義足と係合し、結合バネの第１条件の下足首部の棚部との係合から結合バネの第２条件の義足との係合にブロック部を移行させる。
【００２１】
[0018]更なる例示的実施形態において、足首プロテーゼは、下足首部に固定された背屈接触片を含む。背屈屈曲部は、義足に固定されている。背屈接触片は、背屈屈曲部の変位端部と選択的に係合するように構成され、義足および下足首部の間の角度が減少する、足首関節部周りの回転から背屈屈曲部にエネルギを蓄積する。
【００２２】
[0019]更なる例示的実施形態において、足首プロテーゼは、下足首部に固定された底屈接触片を含む。底屈屈曲部は、義足に固定されている。底屈接触片は、底屈屈曲部の変位端部と選択的に係合するように構成され、義足および下足首部の間の角度が増加する、足首関節部周りの回転から底屈屈曲部にエネルギを蓄積する。
【００２３】
[0020]更なる例示的実施形態において、足首プロテーゼは、受動型足首プロテーゼであり、ここで、患者の歩行速度に伴い、還元されるエネルギは増加する。例示的実施形態において、エネルギは、足首プロテーゼを使用して受動的に還元される。受動型エネルギの還元方法の例示的実施形態において、結合バネは、下足首部と係合された結合バネの第２端部を用いて、第１条件で操作される。並進力は、上足首部で受け止められる。エネルギは、結合バネの圧縮で蓄積される。結合バネは、義足と係合された結合バネの第２端部を用いて第２条件で操作される。結合バネに蓄積されたエネルギが放出され、上足首部に対する足首関節部周りの義足の回転を助力する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、受動型足首プロテーゼの例示的実施形態の概略図である。
【図２】図２は、受動型足首プロテーゼの作用の例示的実施形態のフローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、作用中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、動作中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図３Ｃ】図３Ｃは、動作中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図３Ｄ】図３Ｄは、動作中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図３Ｅ】図３Ｅは、動作中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図３Ｆ】図３Ｆは、動作中の受動型足首プロテーゼの例示的な機能状態を描写する。
【図４】図４は、受動型足首プロテーゼの例示的実施形態の斜視図である。
【図５】図５は、モデル化された受動型足首および被験者に対する足首モーメント（Ｎｍ）と足首角度の例示的実験データを呈するグラフである。
【詳細な開示】
【００２５】
[0026]特に文脈によって特定または表示されない限り、用語「一つの」（"a", "an"）および「その」（"the"）は、「一つ又は複数」を意味する。たとえば、「一つの機構」は、「一つ又は複数の機構」を意味するように解釈されるべきである。
【００２６】
[0027]本願で使用されるように、用語「含む」（"include","including"）は、用語「備える」（"comprise", "comprising"）と同じ意味である。用語「備える」（"comprise", "comprising"）は、特許請求の範囲に記載された構成要素に更に追加の構成要素を含むことを許容する開放されたつなぎことば（“open” transitional terms）であるように解釈される。用語「成る」（"consist"）及び「から成る」（"consistingof"）は、特許請求の範囲に記載された構成要素に追加の構成要素を含むことを許容しない閉鎖されたつなぎことば（“closed” transitional terms）であるように解釈される。用語「から本質的に構成される」（“consisting essentially of”）は、特許請求された対象を根本的に変更しない追加の構成要素だけを含めることを許容する部分的に閉鎖されるように解釈される。
【００２７】
[0028]図１は、受動型足首プロテーゼ１０の例示的実施形態の概略図である。図４も、受動型足首プロテーゼの例示的実施形態の斜視図を与える。受動型足首プロテーゼ１０は、義足１２を含む。義足１２は、弾性材料、特に、義足１２の底部に置かれる弾性材料を含む。図４に描写されるように、受動型足首プロテーゼ１０の例示的実施形態は、旋回できるように義足１２と連結された一つ又は複数の足指プロテーゼ１４を含んでもよいが、他の形式の足指プロテーゼが使用されること、或いは、固定されて義足１２の一体部である足指プロテーゼを他の実施形態が有することが認識される。
【００２８】
[0029]受動型足首プロテーゼ１０は、上足首部１６および下足首部１８を更に含む。下足首部１８は、足首関節部２０で義足１２と旋回できるように連結されている。足首関節部２０は、旋回ピン２２を例示的に含み、この周りを、下足首部１８および義足１２が互いに回転できる。
【００２９】
[0030]上足首部１６は、下足首部１８に対して、平行移動が可能である。ボールスプラインシャフト２４は、上足首部１６から伸び、下足首部１８の内部に画成されたスプラインチャンバ２６内部で受け入れられる。一対のスプラグ２８は、スプラインチャンバ２６内部で下足首部１８と旋回できるように固定され、ボールスプラインシャフト２４の舌部３２と共にジャミング機構３０を形成する。スプラグは、機械的ダイオードとして作用し、本書で更に詳細に説明されるように、荷重がかけられたときには、上足首部１６が下足首部１８に対して矢印方向３４に移動することを許容し、スプラグ２８は、受動型足首プロテーゼ１０が無荷重になり機械的に再設定されるまで、反対方向に上足首部１６が移動することに抵抗または移動することを防止する。上足首部１６は、スプラグ解除機構３６を更に含む。スプラグ解除機構３６は、錐体アダプタ３８を含み、この錐体アダプタ３８は、切断患者の残りの下肢および受動足首プロテーゼの間の機械的連結を容易にする。スプラグ解除機構３６の機械的リンク４０は、錐体アダプタ３８を上足首部１６に連結させる。スプラグ解除バネ４２は、連結…４４で下足首部１８に固定され、伸びた位置で付勢される。スプラグ解除バネ４２は、バネアダプタ４６において、連結点４４の反対側にある端部で終わる。バネアダプタ４６は、本書で更に詳細に説明されるように、スプラグ解除機構３６のリンク４０によって選択的に係合される。
【００３０】
[0031]結合バネ４８は、上足首部１６の結合アーム５０との間に固定され、連結点５２で結合アーム５０に移動できるように連結されている。結合バネ４８は、伸ばされた構成で、例示的に付勢される。結合バネ４８の下端部は、可動ブロック部５４に固定され、可動ブロック部５４は、義足１２内のチャネル内部に移動できるように保持されている。ブロック部５４は、ジャミング機構６０を含み、ジャミング機構６０は、本書で説明されるように作用し、義足１２に対する位置で結合バネ４８の下端部を解除できるようにロックする。ブロック部５４は、下足首部１８の棚部６２で、移動できるように保持されている。
【００３１】
[0032]下足首部１８は、スプラインチャンバ２６を画成する上部位置６４を例示的に含む。下足首部１８は、足首関節部２０を画成するように旋回ピン２２が貫通して伸びる足首位置６６を更に含む。下足首部１８は、棚部６２を備えた下部分６８を更に含む。背屈接触片７０は、下部分６８に置かれている。背屈接触片７０は、義足１２の背屈屈曲部７２の端部と係合する。例示的実施形態において、背屈屈曲部は、図１の挿入図に例示的に描写されるように、二叉に分かれている。背屈屈曲部７２は、例示的に２つの突起７４を備えてもよい。突起７４は、義足１２に固定された固定端部７６から変位端部７８まで背屈屈曲部７２が延びるにつれて、描写されるように幅にテーパが付けられてもよい。複数の実施形態で認識されることは、下足首部１８の下部分６８が、背屈屈曲部７２の突起７４の各々と例示的に係合するように、２つ以上の背屈接触片７０を備えてもよいことである。
【００３２】
[0033]下足首部１８は、底屈接触片８０を更に含む。底屈接触片は、固定端部８４から変位端部８６まで延びる底屈屈曲部８２と選択的に係合するように構成されている。固定端部８４は、義足１２に固定されている。底屈接触片８０は、底屈屈曲部の変位端部８６で底屈屈曲部８２と選択的に係合するように構成されてもよい。実施形態において背屈接触片７０を備えるように、下足首部１８は、一つの底屈接触片８０または二つ以上の底屈接触片８０を含んでもよい。複数の底屈接触片は、下足首部１８および底屈屈曲部８２の間で係合を分配する為に例示的に使用されてもよい。例示的実施形態において、下足首部１８は、２つ以上の底屈接触片８０、例示的には下足首部１８の片側に一つを備えてもよい。そのような底屈接触片８０は、同数の、向きが定められた、義足１２の底屈屈曲部８２に対応してもよい。
【００３３】
[0034]図２は、受動型足首プロテーゼにおける動作の変換方法１００の例示的実施形態を描写するフローチャートである。この方法１００の実施は、本書で更に詳細に説明されるように例示的であり、前述したような受動型足首プロテーゼ１０の実施形態を使用して例示的に実施されてもよい。この方法の実施形態は、歩行速度の増加中にエネルギ還元が増加する方式で原動力となるプッシュオフを達成するために、２つの素直に結合された自由度を使用するように作用する。
【００３４】
[0035]ステップ１０２で、並進動作（translationalwork）の入力を受け取られる。本書で更に詳細に説明されるように、受動型足首プロテーゼは、脚部に沿った撓み（ｒ）を与える脚部に沿った力（Ｆ）によって生み出されるような並進動作を使用する。並進動作の入力は、（１）式によって例示的に与えられる。
【００３５】
∫F(r)・dr   (1)
【００３６】
[0036]次に、ステップ１０４で、入力された並進動作を変換バネ（バネ定数（ｋ）、撓み（ｘ）、ｘはｒの関数）に受動型足首プロテーゼが蓄積するとき、当該方法は継続する。これは、例示的に（２）式で表現される。
【００３７】
∫kx2／２  (2)
【００３８】
[0037]受動型足首プロテーゼ設計においてパワープッシュオフを達成するため、蓄積されたエネルギは、足首関節部の周りの回転動作に変換され、ステップ１０６で、回転動作として出力される。これは、（３）式によって例示的に示される。
【００３９】
∫M(θ)・dθ  (3)
【００４０】
[0038]ここで、出力される回転動作は、角度θを介する足首関節部周りのモーメント（Ｍ）の積分になる。この方法の実施形態および受動型足首プロテーゼ１０の実施形態の例示的作用において、変換エネルギは、立脚相の初期に、最大脚力で蓄積される。受動型足首プロテーゼは、プロテーゼの最大背屈で、その並進エネルギを回転動作に変換する。初期の姿勢蓄積および増加された動作出力は、たとえば、立脚相の初期に生じる最大値Ｆの為に達成される。Ｆの最大値は、歩行速度と共に増加するので、本書に開示された実施形態において、蓄積される並進エネルギと回転動作の出力は、歩行速度の増加に伴って増加する。
【００４１】
[0039]図３Ａ−図３Ｆは、受動型足首プロテーゼの作用を描写し、同様に、図２の方法１００を実施する例示的実施形態を描写する。認識されることは、前述された構造および機能が、特に、図１に関して、図３Ａ−図３Ｆに同様に適用されること、単純化のため、各図は、前述した受動型足首プロテーゼ１０の特徴を識別する参照符号の全てを含まないことである。
【００４２】
[0040]参照すると、図１は、中立または無荷重位置における受動型足首プロテーゼ１０の例示的実施形態の機能的構成要素を描写する。図３Ａ−図３Ｆは、歩行周期の生理学的状態を介して受動型足首プロテーゼ１０の機能を描写する。図３Ａは、踵接地における受動型足首プロテーゼ１０を描写する。踵接地において、義足１２は、特に、義足１２の踵Ｈにおいて、地面Ｇと接触する。義足１２の地面Ｇとの接触は、患者の並進上足首部１６に伝達され、結合バネ４８およびスプラグ解除バネ４２を矢印方向８８に圧縮させる。上足首部１６も下足首部１８に対して矢印方向８８に移動する。義足１２が地面Ｇと完全に接触するように移動し続けると、底屈接触片８０は、底屈屈曲部８２と係合し、底屈屈曲部８２の変位端部８６を移動させる。このように、踵接地の間に、矢印方向８８の並進力は、スプラグ解除バネ４２、結合バネ４８、底屈屈曲部８２に蓄積される。
【００４３】
[0041]図３Ｂにおいて、義足１２は、地面Ｇに対して平坦である。義足１２は、患者の質量中心が足首関節部２０の後方の方向に置かれるので、僅かに荷重がかけられている。患者が前方に移動し続けると、上足首部１６および下足首部１８は、患者の脚部（図示せず）に沿って、矢印方向８９で、足首関節部２０を中心として旋回し続ける。患者の質量中心が足首関節部２０と垂直に整列し続けると、更なる並進力が矢印方向８８で受動型足首プロテーゼ１０に加えられ、これが、矢印方向８８で上足首部１６を下足首部１８へと更に圧縮する。これは、順番にスプラグ解除バネ４２および結合バネ４８を更に圧縮し、それらの中にエネルギを蓄積する。地面Ｇと完全接触する義足１２の回転は、底屈屈曲部８２の変位端部８６を更に変位させ、この中にもエネルギを蓄積する。
【００４４】
[0042]図３Ｃにおいて、受動型足首プロテーゼ１０は、足首関節部２０の垂直上方の患者の質量中心に全荷重がかけられている。これが、患者の全重量で、受動型足首プロテーゼ１０に荷重を与える。全荷重がかけられた脚部の平坦条件において、結合バネ４８は、完全に圧縮された状態にあり、最大に利用可能な並進力を蓄積する。全荷重がかけられた条件において、結合バネ４８は結合バネ４８の膨張を介して圧縮を下げるように見え、結合バネ４８の下端部のブロック部５６と下足首部１８の棚部６２の間の係合によって、矢印方向８８で下足首部１８に力を例示的に配置する。結合バネ４８は、矢印方向９０で上足首部１６に力を例示的に加える。スプラグ解除バネ４２も、同様の伸張性の力を下足首部１８および上足首部１６に伝える。しかしながら、上足首部１６が下足首部１８に対して矢印方向８８に並進すると、ボールスプライン２４，より具体的には、ボールスプライン２４の舌部３２がスプラグ２８と係合し、スプラグ２８を回転させ、その最大圧縮状態で結合バネ４８をロックするが、スプラグ２８は、上足首部１６および下足首部１８の間の相対位置を摩擦でロックする。背屈接触片７０は、背屈屈曲部７２の変位端部７８と係合し始める。これが、回転エネルギを背屈屈曲部７２に回転性エネルギを蓄積する。
【００４５】
[0043]図３Ｄは、最大背屈の直後の条件における受動型足首プロテーゼ１０を描写する。患者の脚部、上足首部１６、下足首部１８は、次に、先の回転方向の反対側にある矢印方向８９において、足首関節部２０の周りに旋回する。
【００４６】
[0044]上足首部１６、下足首部１８の、足首関節部２０の矢印方向８９の回転は、地面Ｇから離れる方向に、下足首部１８の下部分６８を移動させる。
【００４７】
[0045]さらに、下部分６８の、地面Ｇから離れる移動は、同様に、棚部６２を同一方向に移動させる。スプラグ９２を含むジャミング機構６０がチャネル５８の下面９４と係合するまで、この方向に棚部６２によって支持されるブロック部５８も移動する。義足１２と係合するジャミング機構６０（例えば、チャネル５８の下面９４）のスプラグ９２によって、ブロック部５６は、棚部６２との係合から解除される。ブロック部５６は、結合バネ４８の伸張性の力の下に、チャネル５８内部の平衡点に落ちつくが、それでも結合バネ４８の圧縮に蓄積されたエネルギを維持するが、次に、結合バネ４８は、義足１２および上足首部１６の間に伸張性の力を加える。上足首部１６および義足１２の間の、この機械的結合は、脚部の撓みに蓄積されたエネルギを、プッシュオフ相の間の足首の回転として、放出可能なエネルギに伝達する。
【００４８】
[0046]図３Ｅは、原動力となるプッシュオフの終わりに向かう受動型足首プロテーゼ１０を描写する。原動力となるプッシュオフの間、結合バネ４８および背屈屈曲部７２は、これらのバネの内部に蓄積されたエネルギを放出し、矢印方向９１で足に足首関節部２０の周りにトルクを発生させる。これが、歩行者を前方に進ませる。原動力となるプッシュオフが続くと、足首関節部２０の周りの下足首部１８の回転は、底屈屈曲部８２を底屈接触片８０と係合させ、底屈屈曲部８２内に一部の回転エネルギを蓄積する。ジャミング機構３０はボールスプライン２４をスプラグ２８でロックするので、図３Ｅに描写されるように、爪先離地の直前に、結合バネ４８は、内部に蓄積されたエネルギの全てを放出しなくてもよいが、これは、上足首部１６の解除および上方移動を防止し、同様に、上足首部１６の更なる上方移動を防止する。そのため、一部のエネルギは、結合バネ４８内に蓄積されたままでもよい。例示的実施形態において、図３Ｅには描写されていないが、エネルギは、同様に、背屈屈曲部７２の内部に蓄積されたままでもよい。
【００４９】
[0047]図３Ｆは、爪先離地および遊脚相（swingphase）のリセット中の受動型足首プロテーゼを描写する。いったん足が地面との接触を断つと（爪先離地）、足を前方に移動させる為に脚部によって与えられる力は、錐体アダプタ３８を上足首部１６に対して上方に移動させ、少なくとも部分的に上足首部１６から分離させる。これが、スプラグ解除バネ４２のバネアダプタ４６との係合から外すようにリンク４０を移動させることによって、スプラグ解除機構３６を操作する。スプラグ解除バネ４２に蓄積されたエネルギは、矢印方向９０で上方にバネアダプタ４６を移動させる。バネアダプタ４６が矢印方向９０で上方に移動すると、バネアダプタ４６およびスプラグ２８の間に連結されたスプラグワイヤ５４は、スプラグ２８に解除する力を加える。スプラグ２８は、回転し、ボールスプラインシャフト３４の舌部３２からスプラグ２８の係合を解除する。もはやボールスプライン２４をロックしないスプラグ２８によって、上足首部１６は、矢印方向９０の移動の為に解放される。結合バネ４８に蓄積された残りのエネルギは、舌足首部１８に対して矢印方向９０に上足首部１６を移動させる為に放出される。
【００５０】
[0048]底屈屈曲部８２に貯蔵されたエネルギは、固定端部８４を介して放出され、足１２および爪先を持ち上げる足首関節部２０の周りに義足１２を回転させる。放出された結合バネ４８内のエネルギによって、ブロック部５６は、チャネル５８内部移動の為に解放され、矢印方向９１における義足１２の足首関節部２０の周りの回転は、チャネル内部でブロック部５６を矢印方向９３に移動させる。義足１２およびブロック部５６の、この移動は、舌足首部１８の棚部６２にブロック部５６を復座させる（reseats）。このように、受動型足首プロテーゼは、図１に描写されるように無荷重位置にリセットされ、患者による後のステップの準備が整う。
【００５１】
[0049] 図５は、受動型足首プロテーゼ１０８の例示的実施形態およびヒト被験者１１０のＭ（θ）の例示的データを描写するグラフである。図５のグラフから分かるように、受動型足首プロテーゼの動作出力は、本来の足首のものを密接にモデル化している。
【００５２】
[0050] 本書で説明されるように、受動型足首プロテーゼおよび操作方法において、受動的に得られるエネルギ還元は、歩行速度の増加に伴い増加する。増加した歩行速度が大きな力を生み出すことから、この増加した力が、本書で開示された実施形態によって、捕捉され、蓄積され、放出されるので、受動型足首プロテーゼを生み出すが、ここでは、歩行速度の増加に伴って動作出力が増加するので、広範囲の歩行速度にわたる足首動作の還元を用いて歩行を受動的に助力する。
【００５３】
[0051] 当業者にとって容易に明らかなことは、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な置換および変更が本書に開示された発明に対してなされてもよいことである。本書で実例として適切に説明された発明は、本書に特に開示されなかった任意の要素、複数の要素、限定、複数の限定が存在せずに実行されてもよい。使われてきた用語および表現は、説明の用語として使用されており、限定の用語ではないので、そのような用語および表現の使用において、示され、説明された特徴の任意の均等物の排除、その部分の排除を意図するものではなく、本発明の範囲内で様々な変更が可能である。そのため、本発明は、特定の実施形態および選択的な特徴によって例示されてきたが、本書に開示された概念の、変更例および／または変形例は、当業者に頼ってもよく、そのような変更例および変形例は本発明の範囲内にあると考えられることが理解されるべきである。
【００５４】
[0052]多くの特許および非特許文献が本書で列挙された。列挙された文献は、それらの全体が参考の為に組み込まれる。明細書内の用語の定義と、列挙された文献における用語の定義との間に矛盾が存在する場合、その用語は、明細書の定義に基づいて解釈されるべきである。
【００５５】
[0053]上記説明において、一定の用語は、簡潔さ、明瞭性、理解のために使用されてきた。従来技術の要件を越えて、そこから不必要な制限が推測されるべきではない。なぜなら、そのような用語は、説明の目的で使用され、広く解釈されることが意図されているからである。本書で説明された異なるシステムおよび方法のステップは、単独または他のシステムおよび方法と組み合わせて使用されてもよい。添付された特許請求の範囲内で、様々な均等物、代替物、変更が可能であることが期待されている。
【００５６】
[0054]図で提供された機能ブロック図、操作シーケンス、フローチャートは、開示内容の新規な態様を行う為の代表的な例示の構成、周囲状況、方法論である。説明の簡潔さのため、本書に含まれる方法論は、機能ブロック図、操作シーケンス、フローチャート形式でもよく、一連の作動として説明されてもよいが、この方法論は、動作の順序によって制限されるものではなく、一部の作動は、異なる順序で、さらに／または、本書で示され説明された他の作動と同時に起こり得ることが理解され、認識されるべきである。たとえば、当業者は、方法論が代替的に、一連の相互に関連付けられた状態または現象（例えば、状態図）として表示され得ることを理解し、認識するであろう。さらに、方法論に例示された動作の全てが、新規な実現に必要とされることはない。
【００５７】
[0055] この説明書は、本発明を開示する為に実施例を使用し、最良の形態を含み、当業者が本発明を製作し、使用することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に起こり得る他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが請求項の文字通りの文言とは異ならない構造的要素を有する場合、あるいは、それらが、請求項の文字通りの文言から、かすかな差異を持つ均等な構造的要素を含む場合、請求項の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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