(57)【要約】  足、足関節、および足関節上部の脛部を備えた弾性を有する下肢端部用補綴装具は、人の歩行中の活発な推進段階において補綴装具に力が負荷されるときエネルギーを蓄え、歩行の後期のスタンス段階において蓄えたエネルギーを放出して人のつれて動く下肢と身体の推進を補助するための人工筋肉（１９０）が脛部（１９１）に設けられている。
2007530237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性を有する足、弾性を有する足関節、および、長さが長く、足関節の上方に直立している弾性を有する脛部を含む弾性を有する下肢補綴装具に推進力のための運動力を発生させる方法であって、
補綴装具にエネルギーを蓄えるために、人の歩行の動的な推進段階において補綴装具に力を負荷するとき、弾性を有する補綴装具の少なくとも一つの矢状方向面の凹面部を伸長させることと、
つれて動く下肢と身体の推進力に追加するために、前記蓄えたエネルギーを歩行の後期のスタンス段階において放出することと、を含み、
歩行の動的な推進段階において前記補綴装具に力を負荷するとき、足、足関節、および、前記補綴装具の脛部の少なくとも一つに設けられた人工筋肉に付加的エネルギーを蓄え、前記歩行の後期のスタンス段階において前記付加的エネルギーを放出して、人のつれて動く下肢と身体との推進力にさらに加えられる方法。
【請求項２】
前記伸長が、前記弾性を有する足の上向きに湾曲した足中央部によって形成された凹面部を伸ばすことを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記伸長が、前記弾性を有する脛部の後方を向いた凹面部を伸ばすことを含む請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記補綴装具と一体的に形成された弾性部材が前記足関節および脛部を形成し、また、前記伸長が前記弾性部材の前方に向けて突出する湾曲部によって形成された凹面部を伸ばすことを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記人工筋肉に付加的エネルギーを蓄えることが、前記補綴装具の足、足関節、および脛部の少なくとも一つに設けられた粘弾性材に張力を掛けることを含む請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記補綴装具の使用前に、前記人工筋肉に張力を予め掛けることによって前記補綴装具のエネルギー蓄積能力を調節することを含む請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記張力を予め掛けることが、前記人工筋肉に張力を掛けるために、カム、パッド、および加圧流体が充填された袋の少なくとも一つを用いることを含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記補綴装具の足に人工筋肉を設けることを含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記足が足竜骨を含み、また、前記人工筋肉が、前記足竜骨の足底の後部と前部とを連結する請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記足が、前記補綴装具の下端部に装着された足型を含み、また、前記人工筋肉が、前記足型の足底の後部と前部とを連結する請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記補綴装具を人体の下肢端部のソケットに連結することを含み、また、前記補綴装具に設けられた前記人工筋肉が、前記補綴装具から前記ソケットまで延在している請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記補綴装具と一体的に形成された弾性部材が、前記足関節と前記脛部とを形成し、少なくとも前記足関節の領域の前記弾性部材が、前方に向けて突出するように湾曲しており、さらに、人工筋肉が前記弾性部材に設けられている請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記補綴装具の前記足に人工筋肉を設けることをさらに含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記人工筋肉をゴムとポリマーから成るグループから選択された粘弾性材を用いて形成することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記補綴装具に力を負荷したとき、前記補綴装具によって掛けられた力を検出することと、検出した力の関数として、前記力の負荷時の前記人工筋肉の前記エネルギー蓄積能力を調節することと、をさらに有する請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記補綴装具の位置エネルギーを増大させるために、歩行中の前記力の負荷の前に、前記人工筋肉に予め張力を掛けておくことを含む請求項１記載の方法。
【請求項１７】
長さ方向に延在する足と、
弾性を有する足関節と、
細長い前記足関節の上方に直立している弾性を有する脛部と、を含む弾性を有する下肢端部用補綴装具であって、
前記足関節と前記脛部とは弾性部材として形成されており、前記脛部は、前記足関節の上方に向けてほぼ曲線形状に上向きに延在して、歩行中に縦方向に屈曲してエネルギーを蓄え、また、放出することによって歩行中の義足の動的応答性を向上させ、
また、人の歩行の活発な推進段階において前記補綴装具に力を負荷するときエネルギーを蓄え、そして、歩行の後期のスタンス段階において前記エネルギーを放出して、人のつれて動く下肢と身体との推進を補助するために前記補綴装具の足、足関節、および脛部の少なくとも一つに人工筋肉が設けられている、弾性を有する下肢端部用補綴装具。
【請求項１８】
前記補綴装具の位置エネルギー増大させるために、前記人工筋肉に予め張力が掛けられている請求項１７記載の補綴装具。
【請求項１９】
前記人工筋肉に予め調節された張力を掛けることによって前記補綴装具のエネルギー蓄積能力を調節する手段をさらに有する請求項１７記載の補綴装具。
【請求項２０】
前記調節のための手段が、カム、パッド、および加圧流体が充填された袋から成るグループから選択される請求項１９記載の補綴装具。
【請求項２１】
前記補綴装具の前記足に装着された人工筋肉を含む請求項１７記載の補綴装具。
【請求項２２】
前記足が足竜骨を含み、また、前記足に装着された前記人工筋肉が、前記足竜骨の足底の後部と前部とを連結する請求項２１記載の補綴装具。
【請求項２３】
前記足が、前記補綴装具の下端部に装着された足型を含み、また、前記足に装着された前記人工筋肉が、前記足型の足底の後部と前部とを連結する請求項２１記載の補綴装具。
【請求項２４】
前記人工筋肉が、前記補綴装具の使用時に前記補綴装具と人体の下肢端部に装着されたソケットのあいだに延在し、かつ、前記補綴装具とソケットとを連結する請求項１７記載の補綴装具。
【請求項２５】
前記弾性部材は、少なくとも前記足関節の領域が前方に向けて突出するように湾曲する一体的に形成された部材である請求項１７記載の補綴装具。
【請求項２６】
前記人工筋肉が前記弾性部材に設けられている請求項２５記載の補綴装具。
【請求項２７】
人工筋肉が前記足にも設けられている請求項２６記載の補綴装具。
【請求項２８】
前記人工筋肉が、少なくとも部分的には、ゴムとポリマーから成るグループから選択されたヴァスコイラスチック材により形成されている請求項１７記載の補綴装具。
【請求項２９】
前記補綴装具に力を負荷したとき、前記補綴装具によって掛けられた力を検出するための検出器と、検出した力の関数として、前記力の負荷時の前記人工筋肉の前記エネルギー蓄積能力を調節する前記検出した力に応答する手段と、をさらに有する請求項１７記載の補綴装具。
【請求項３０】
前記人工筋肉が、前記筋肉の長さ方向の中間部においてより大きな断面積を有する請求項１７記載の補綴装具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応用力学に関連し、動作反応機能を向上させた高性能な義足に関する。
【背景技術】
【０００２】
足補綴用の無関節義足は、マーチン（Martin）らの米国特許第５８９７５９４号明細書に開示されている。剛性構造でありながら、義足が足関節の機能に似せるための接手を備えるようにされたそれ以前の解決策とは異なり、マーチンらの無関節義足は、足状成形物の内部に配置された弾性を有する足挿入体を用いている。挿入体は、縦断面が概ねＣ字形に設計されてその開口部が後方に向けて配置されており、補綴部に掛かる負荷をＣ字形の上端部で支承し、そして、Ｃ字形の下端部を介してその負荷を連結された板ばねに伝達する。板ばねは、下から見た形状は凸状であり、足挿入体を越えて足先端部にまで足底部に対して概ね平行に延在している。マーチンらの発明は、使用者が自然な状態で歩行ができるよう無関節義足の踵部に対する衝撃緩衝能力、弾性、および踵からつま先への歩行と横安定性を改良するという目的に基づいており、この発明は、使用者に通常の歩行だけではなく、肉体的運動をすることや、スポーツを楽しむことを可能にする。しかし、この公知の義足は、動的応答特性に制限があり、また、人体の足、足関節と脛骨部、および柔支持組織という人の生体力学上の機能を模倣してはいない。マーチンらの義足およびこの足関節設計と腓脛部に硬質の支柱を用いたその他の先行技術による義足は、歩行中に足関節の矢状方向面に通常の運動力を発生させるための充分な弾性エネルギーを蓄えることができない。テスト結果によると、先行技術によるこのような設計の義足は、歩行中に足関節の矢状方向面に通常の運動力の約２５％のみを発生させる。
【０００３】
別の義足がヴァン・Ｌ・フィリップスによって提案されており、それは、申し立てによると、先行技術による義足の構造上の制限とそれに対応した性能のために従来は不可能であった幅広い種々の運動に足切断者を従事できるようにするための機敏性と移動性とを与える。申し立てによると、ランニング、跳躍、およびその他の競技がこれらの公知の義足によって可能になり、また、これらの義足は、使用者の正常な側の足と同様に使用することができる、と報告されている。例として、米国特許第６０７１３１３号、同第５９９３４８８号、同第５８９９９４４号、同第５８００５６９号、同第５８００５６８号、同第５７２８１７７号、同第５７２８１７６号、同第５８２４１１２号、同第５５９３４５７号、同第５５１４１８５号、同第５１８１９３２号、および同第４８２２３６３号明細書を参照されたし。これらの義足は、複合材を用いて形成された足、足関節、および腓脛部を有し、足関節の機構は、後方に向けて突出するよう湾曲している。テスト結果によると、先行技術によるこの設計の義足は、歩行中に健常人が発生させる足関節の矢状方向面に運動力のほぼ４０％を発生させる。足切断者が行う歩行、ランニング、跳躍、および短距離走の内容を向上させることができる高性能義足が求められている。
【発明の開示】
【０００４】
足を切断した運動選手に高レベルの競技ができるようにするために、状況に適合するように改良された機構を備えた高性能義足が求められており、高性能義足は、健常人の足を凌ぐことが可能であり、また、先行技術による義足をも凌ぐことができる。足を切断した運動選手にとっては、状況に適合するように改良された機構、高低の動的応答能力、および具体的にはタスクに応じて変化する運動の水平成分と垂直成分を向上させるために調整が可能なアラインメントの調節能力を備えた高性能義足を入手することが関心事である。
【０００５】
本発明の義足は、これらの求めに応じたものである。ここに開示した実施形態の一例によると、本発明の義足は、一端に足前部、他端に足後部、および足前部と足後部のあいだに延在し、そして、足前部と足後部から上向きに湾曲した比較的長い足中央部を備えて長さ方向に延在する足竜骨を有する。また、下向きに突出するように湾曲した下部を含む腓脛部が設けられている。調節式締着構造によって、腓脛部の湾曲した下部が足竜骨の上向きに湾曲した足中央部に取り付けられて、義足の足関節部を形成している。
【０００６】
調節式締着構造は、義足の性能を調節するために、腓脛部と足竜骨とのアラインメントを足竜骨の長さ方向において互いに調節することを可能にする。互いに対向して配置されている足竜骨の上向きに湾曲した足中央部と腓脛部の下向きに突出するように湾曲した下部との足竜骨の長さ方向のアラインメントを調節することによって、動的応答特性と結果としての義足の動きとを、必要・所望の水平方向および垂直方向の線形速度に対して特定の機能を有するように変更することができる。高低の動的応答能力はもとより双方向への作動特性を有する多用途義足が開示されており、これらの能力と特性は、スポーツおよび／または娯楽活動に参加している足切断者の機能上の達成度を向上させる。特に短距離走用の義足も開示されている。
【０００７】
義足は、また、使用中に義足の腓脛部に力が負荷されたまたは力から解放されたことに対応して運動する腓脛部の上端部の運動範囲を制限するための装置を含むことができる。一実施形態において、この装置は、腓脛部の上端と下端とに連結されたピストンとシリンダのユニットであり、腓脛部の圧縮と伸長時に、運動範囲を制限し、また、蓄積されるまたは放出されるエネルギーを緩衝するために少なくとも一種類の加圧流体が収容されている。別の実施形態においては、後方の腓装置は、義足に力が負荷されたときそれ自身の位置エネルギーを蓄え、そして、力の解放時に蓄えたエネルギーを返還して弾性エネルギーの総蓄積能力に付加することによって、歩行中に義足によって生み出される推進力を発生させるための運動力を増大させる。さらに別の実施形態においては、人工筋肉が、義足の足、足関節、および脛部の少なくとも一つに設けられて、義足の位置エネルギーと歩行中の足関節の矢状方向面の運動力を増大させる。義足に装着された人工筋肉は、また、ソケットつまり義足の膝収容部のような人の下肢端部に装着される支持構造体に隣接する位置まで延出させることができる。
【０００８】
本発明のこれらの並びにその他の目的、特徴、および利点は、開示した本発明の例示としての実施形態についての以下の詳細な説明と添付図面とを検討することによってより明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで図を参照すると、図３から５の例示としての実施形態において、義足１は、一端に足前部３、他端に足後部４、および足前部と足後部のあいだに延在する上向きに湾曲した足中央部５を備えて長さ方向に延在する足竜骨２を有することが示されている。足中央部５は、この例示した実施形態においては、足前部と足後部のあいだの長さ方向の全長に亘って上向きに突出するように湾曲している。
【００１０】
足１の垂直な腓脛部６は、下向きに突出するように湾曲した下部７において竜骨の足中央部５の基部に隣接する後方の面に着脱式締着具８と連結要素１１によって取り付けられている。締着具８は、例示した実施形態においてはナットとワッシャを有する単一のボルトであるが、締着具が締め付けられたときに足竜骨に配置された腓脛部を確実に位置決めおよび保持可能な着脱式のクランプまたはその他の締着具であってもよい。
【００１１】
長さ方向に伸びた開口９が、竜骨の足中央部５の基部に隣接する後方の面に形成されている（図８参照）。また、たとえば図１５に示したような縦方向に伸びた開口１０が、腓脛部６の湾曲した下部７に形成されている。着脱式の締着具８は開口９，１０を貫通して延在しており、これにより、義足の性能が特定のタスクに適合するよう調整するために締着具８が緩められたときまたは取り外されたとき、腓脛部と足竜骨とを互いに図５に線Ａ−Ａで示した長さ方向のアラインメントの調節が可能になる。したがって、締着具８、連結要素１１、および長さ方向に伸びた開口９，１０は、腓脛部を足竜骨に取り付けるための調節可能な締着機構を構成して、義足の足関節部を形成する。
【００１２】
腓脛部６と足竜骨２とのアラインメントを調節することによる効果は、足竜骨の中央部５と腓脛部６の対向する位置に隣接して配置されたドーム状つまり突出するように湾曲した面を表す二つの曲率半径Ｒ1，Ｒ2が隣接して示されている図１と２を検討することによって理解できる。そのような隣接した二つの曲率半径を検討する場合、運動可能な方向は、二つの曲率半径のあいだに引かれた図１では接線Ａに、図２では接線Ａ1に直交する方向に存在する。これら二つの曲率半径の相互関係が、結果として生ずる運動の方向を決定する。したがって、足１に対する動的応答力の掛かり具合は、この関係に依存する。凹面の半径が大きければ大きいほど、動的応答能力が大きくなる。一方、半径の曲がりが急であればあるほど、急速な応答が発生する。
【００１３】
本発明による義足の腓脛部と足竜骨とのアラインメントが調節可能であるために、競技中の足の水平方向または垂直方向の線型速度に影響を与えるために曲率半径を移動させることができる。たとえば、義足１の水平方向における線型速度の性能を向上させるために、腓脛部の曲率半径と足竜骨の曲率半径との関係に影響を与えるようアラインメントを調節することが可能である。つまり、水平方向の線型速度特性を向上させるために、図１と対比させて図２に示すように、下側、即ち足竜骨、の曲率半径Ｒ2を出発位置より遠位に配置させることができる。これによって、足１の動的応答特性と結果としての運動を水平方向により強く振り向け、結果として、掛けられた力の大きさが同じ場合、水平方向により大きい線型速度を生み出すことができる。
【００１４】
足切断者は、水平方向または垂直方向の線型速度に関連する各人の必要性を満たすよう、各々の競技に合った設定を実践を介して見出すことができる。たとえば、ジャンパーとバスケットボールの選手は、短距離走者より垂直方向のより大きい跳躍を必要とする。連結要素１１は、プラスチック製または合金製のアラインメント用の連結部材であり（図３、４および２３参照）、取り付けられた足竜骨２と腓脛部６のあいだに挟み込まれている。着脱式の締着具８は、連結要素の孔１２を介して延在する。連結要素は、竜骨の足中央部５の腓脛部が取り付けられた部分と基部に隣接する後方の面に沿って延在する。
【００１５】
腓脛部６の湾曲した下部７は放物線形であり、放物線の最小曲率半径部が下部に配置されるとともに、下部は、上向きに、そして、最初は放物線形の前方に突出する。後方を向いた凹面部が、図３に示したように腓脛部が湾曲することによって形成されている。放物線形は、その終端部のあいだの近位に配置された比較的大きい曲率に付随する水平方向の線型速度と、下端に小さい曲率半径部を設けることによって可能になる敏速な応答特性との向上を生み出すことができる大きい動的応答特性を有するということが好都合である。放物線形の上部の大きい曲率半径部は、図１と２を参照して説明した接線Ａがアラインメントを変更したときにより大きく垂直方向を向くように維持することが可能であり、これにより、水平方向の線型速度の向上が行われる。
【００１６】
放物線形状の腓脛部は、人の歩行中にそれ自体を圧縮するまたはそれ自体がコイル状になることによって最初の接地力に対応する。この事は、放物線の曲率半径を小さくし、その結果として、圧縮に対する抵抗が低下する。逆に、人の歩行中に放物線形の腓脛部が踵が離れるときの地面からの反力（ＧＲＦｓ）に対して伸長することによって応答する場合、この事は、放物線の曲率半径を大きくし、その結果として、抵抗が、先に述べた圧縮時の抵抗よりはるかに大きくなる。これらの抵抗は、人の歩行中の人体の前方と後方の脛筋肉の機能に関係している。人の歩行において足が平坦に接地する最初の段階では、前方の小さい脛筋系が偏倚して収縮することによってＧＲＦｓに応答して足を地面にまで下げ、そして、背屈モーメントを生じる。足の平坦な接地からつま先が上がる段階においては、後方の大きい脛筋系が同様に偏倚して収縮することによってＧＲＦｓに応答し、そして、足底による大きい撓みモーメントが生じる。このモーメントの大きさは、脛の前方と後方の筋系の大きさの差に関係している。したがって、背屈に対する義足の腓脛部の抵抗と人の歩行中の足底による撓みモーメントとを模倣することによって、正常な歩行が可能になる。放物線の曲率を変えることによって抵抗を変更できるために、人が歩行、ランニング、および跳躍をするときの人体の腓筋系の機能を模倣し、そして結果として、義足の効率化を達成することが可能になる。
【００１７】
人はおおよそ時速３マイルで歩く。１マイルを４分で走る走者は時速１２マイルで走り、１００ｍを１０秒で走る短距離走者は時速２１マイルで疾走することになる。これは、１対４対７の割合である。各々のタスクの水平成分は、運動の速度が大きくなるにしたがって増大する。したがって、義足の腓脛部の曲率の大きさを予め決定することが可能である。歩行者は、腓脛部の放物線の曲率半径を中距離走者と短距離走者より小さくすることが必要である。短距離走者は、７倍も大きい腓脛部の放物線の曲率が必要である。この関係は、放物線の曲率を歩行者、ランナー、および短距離走者についてどのようにして決定するかを示している。短距離走者は大きい範囲の運動を行うことが求められているために、彼らの腓脛部はこの運動に関連して増大する負荷を受承するために強力でなければならないということは、重大なことである。広いまたは大きい放物線形の腓脛部は比較的平坦な曲率を有しており、この事は、幅広い範囲の運動に対してより大きい構造上の強度を有することに繋がる。
【００１８】
支柱用アダプタ１３は、腓脛部６の上端に締着具１４によって連結されている。同様に、アダプタ１３は、支柱１５の下端に締着具１６によって固定されている。支柱１５は、下肢端部に取り付けられた支持構造体（図示せず）によって足切断者の下肢に固定される。
【００１９】
足竜骨２の足前部、足中央部、および足後部は、例示した実施形態においては弾性を有する材料を用いて一体に形成されている。たとえば、地面からの反力によって変形させられたとき復元する特性を有する硬質の材料、具体的にはプラスチック、を用いることができる。より具体的には、足竜骨と腓脛部とは、ポリマー・マトリックスに積層された補強用ファイバを有する積層複合材を用いて形成することができる。特に、エポキシ系熱硬化性樹脂、デルラン（Ｄｅｌｒａｎ）の商標で射出成形プラスチック、または脱気したポリウレタン共重合体に積層された高強度グラファイトを、足竜骨と腓脛部との形成に用いてもよい。これらの材料に関係する機能上の品質は、軽量で最小のクリープを有しながら高い強度を備えることである。熱硬化性エポキシ樹脂は、義足業界の基準にしたがって真空下で積層される。ポリウレタン共重合体は凹型の金型に流し込まれ、押し出し成形されたプラスチックは、機械加工することができる。用いられるそれぞれの材料は、各々の好都合な点と不都合な点とを有する。足竜骨と腓脛部用の積層複合材は、また、補強用ファイバと機械的伸びを良好にするための熱可塑性ポリマー・マトリックスとを有し、業界の基準にしたがって製造された熱形成式（プレプレッグ）積層複合材であることが好都合であることが見出された。この種の好適で市販されている複合材は、メリーランド州アーヴル・デュ・グレースのサイテック・ファイバライト社（Cytec Fiberite Inc.）が製造しているＣＹＬＯＮ（登録商標）である。また、腓脛部と足竜骨は、たとえば、ばね鋼、ステンレス・スチール、チタン合金、または別の合金を用いて形成された弾性を有する金属部材であってもよい。
【００２０】
弾性を有する材料の物理的性質は、それらが剛性、可撓性、および強度に関する限り、材料の厚さによって全てが決定される。薄い材料は、同一の密度を有する厚い材料より容易に変形する。用いられた材料と物理的性質とは、義足の足竜骨と腓脛部の剛性と可撓性の特性に関係している。足竜骨と腓脛部の厚さは、図３〜５の例示としての実施形態においては一様であるまたは対称であるが、これらの構成部品の長さ方向の厚さは、以下で説明するように、足後部と足前部の領域を薄くし、足中央部の変形に対しての応答性が高まるよう変化させることができる。
【００２１】
義足に高低の動的応答能力を付与することを補助するために、足中央部５は長さ方向に湾曲して形成されており、長さ方向湾曲部の中央は、長さ方向湾曲部の側部と比較するとより高い動的応答能力を有する。この目的のために、例示した実施形態において、長さ方向湾曲部の中央の凹面は、その側部より大きい半径を有する。
【００２２】
足中央部５の長さ方向に湾曲した凹面の中央と側部における半径の大きさのあいだの相関関係は、足竜骨２に設けられた足底の体重を支承する領域の前方の面と後方の面としてさらに定義される。図８において、５の前部の線Ｔ1−Ｔ2は、足底の前方に位置する体重支承領域を表す。線Ｐ1−Ｐ2は、５の足底の後方に位置する体重支承領域を表す。足の外側に位置する足底の体重支承領域は、Ｔ1−Ｐ1間の距離によって表される。足２の内側に位置する足底の体重支承領域は、Ｐ2−Ｔ2間の距離によって表される。Ｔ1−Ｐ1とＰ2−Ｔ2によって表された距離は、曲率の大きさを決定し、よって、高低の動的応答相関関係が決定され、これら二つの線Ｔ1−Ｔ2とＰ1−Ｐ2を交わらせるまたは逸らせることによって影響を与えることができる。したがって、高低の動的応答性を、構造設計によって決定することができる。図８に示すように、足前部にＴ1−Ｔ2で示した足底の体重支承面を足竜骨の縦軸Ａ−Ａに直交した線から僅かに５°だけ偏倚させることによって、この高低の動的応答性を生み出すことが可能である。
【００２３】
足後部４の後端１７は、踵が接地するとき圧縮によって衝撃を吸収するために、接地したときの反力に応答することができるよう上向きに湾曲した曲線状に形成されている。足後部４によって構成される踵は、歩行の最初の接地段階に足後部が容易に上向きに湾曲できるようにするために、後方の外側角１８を内側角１９より後方、かつ、外側に配置して形成されている。足前部３の先端２０は、歩行後期の踵が上がり、次につま先が離れる直前の姿勢において背屈した人体のつま先を模倣するために、上向きに湾曲した曲線状に形成されている。ゴムまたは発泡材の当てもの６３，６４が、緩衝材として足前部と足後部の下面に取り付けられている。
【００２４】
義足の双方向への作動能力の向上は、足前部３の背側と足底側とを貫通して延在する伸張用の内側および外側の連結孔２１，２２によってもたらされる。伸張用の連結溝２３，２４が、対応する孔の各々から足前部の先端まで延在して、伸張用の内側、中央、および外側の突出片２５〜２７を形成し、これによって、足竜骨の足前部が双方向へ作動する能力の向上がもたらされる。伸張用の連結孔２１，２２は、図５において、伸張用の内側連結孔２１が伸張用の外側連結孔２２より前方に配置されている足竜骨の縦軸Ａ−Ａに対して３５°の角度αだけ傾斜した方向に延在する断面内の線Ｂ−Ｂに沿って配置されている。
【００２５】
図５の縦軸Ａ−Ａに対する線Ｂ−Ｂの角度αは僅かに５°であるが、それでも高低の動的応答性を生じさせることができる。この角度αが変化すると、図８の線Ｔ1−Ｔ2の角度Ｚも変化する。矢状方向面に突出した伸張用の連結孔２１，２２は、横方向面に対して４５°の角度だけ傾斜しており、また、孔の背側は、足底側より前方に位置している。この構成にすることにより、着脱式締着具８から伸張用の外側連結孔２２までの距離が、着脱式締着具から伸張用の内側連結孔２１までの距離より短くなることによって、義足１の側部が、足中央部に高低の動的応答性を付与することができるよう内側より短いつま先のレバー部を有することになる。さらに、着脱式締着具８から線Ｔ1で表された足底の外側に位置する体重支承面までの距離が、着脱式締着具から線Ｔ2によって表された足底の内側に配置された体重支承面までの距離より短くなり、義足１の側部が、足中央部に高低の動的応答性を付与することができるよう内側より短いつま先のレバー部を有することになる。
【００２６】
足竜骨２の足後部４の前部は、足後部４の背側と足底側とを貫通して延在する伸張用の連結孔２８をさらに含む。伸張用の連結溝２９が、孔２８から足後部の後縁まで延在して、伸張用の突出片３０，３１を形成する。これらの事が、足の後部における双方向への作動能力の向上をもたらす。変更例として、伸張用の連結孔２８，２１，２２は、図８に示すように、各々伸張用の連結孔に隣接する位置に穿孔され、応力解放孔として作用する別の小さい孔２８Ａ，２１Ａ，２２Ａを有することができる。追加された小さい孔は、使用時の波形の方向を変えて、足竜骨の無制動状態および／または破損を減少させる。
【００２７】
足中央部５の背側と足竜骨２の前部３は、図３に示すように、上方を向いた凹面部３２を形成して、人体の足の第５放射軸周りの運動を機能上模倣する。つまり、凹面部３２は、人体の足の第２から第５中足骨の低速時の回転軸と同様に、歩行中に第５放射軸周りの運動をより容易に行うことができるよう内側が外側より前方に配置されている足竜骨の縦軸Ａ−Ａに対して５°から３５°の角度βだけ傾斜した縦軸Ｃ−Ｃを有する。
【００２８】
双方向への作動能力の重要性は、足切断者が平坦ではない地面上を歩くとき、または、運動選手が足の内側または外側を切断したときに理解できるものである。地面からの反力ベクトルの方向は、矢状方向面から前方面への成分を有するように変化する。地面は、外側に向けて押圧している足の方向とは逆の内側に向けて押圧する。この結果、腓脛部は内側に傾斜し、そして、体重が足竜骨の内側構造部材に掛けられる。これらの圧力に対応して、足竜骨２の伸張用の内側連結突出片２５，３１は背屈して（上向きに反って）反転し、そして、伸張用の外側連結突出片２７，３０は足底のように屈曲して（下向きに反って）、次に、上向きに湾曲する。この運動は、足の足底面を地面に対して平らに配置しようと試みるものである（足底段階）。
【００２９】
本発明のもう一つの、とりわけ短距離走者用の足竜骨３３を、本発明の義足に用いてもよい（図６と７を参照）。短距離走中の体の重心は、殆ど完全に矢状方向面の方向を向くようになる。義足は、低い動的応答特性を有する必要はない。したがって、足竜骨２の場合のような足前部の縦軸の５°から３５°の外部回転の向きと、足中央部の凹面とは必要ない。その代わり、図６と７に示したように、凹面の縦軸Ｄ−Ｄの方向は前面に平行になるようにしなければならない。この事が、短距離走をするときの足を矢状方向だけに応答するようにさせる。さらに、線Ｅ−Ｅに沿った足前部と足中央部の伸張用の連結孔３４，３５の方向は、前面に対して平行である、即ち、外側の孔３５が前方に移動して内側の孔３４に並ぶことによって、前面に対して平行になっている。また、足竜骨３３の前方の終端部３６も前面に対して平行にされている。足竜骨の後方の終端部も、また、前面に対して平行である。これらの変更は、義足の多用途能力にはマイナスの方向の影響を与える。しかし、その性能は特定のタスクに適合するようになる。短距離走者用の足竜骨３３の別の変更例は、足の足前部のつま先と放射軸領域であり、足竜骨２の場合には背屈が１５°であるが、足竜骨３３においては背屈の大きさが２５〜４０°に拡大するようにされている。
【００３０】
図９と１０は、サイム式切断法により足を切断した足切断者が短距離走を行うときにとりわけ有利な、本発明による義足用の別の足竜骨３８を示す。この目的のために、足竜骨３８の足中央部は、腓脛部の湾曲した下部を着脱式締着具によって足竜骨に取り付けるための、後方に配置された上向きの凹面部３９を含む。この足竜骨は、全ての下肢切断者によって使用可能である。足竜骨３８は、サイム方式による足切断者にあり得る長い残肢に対しても使用可能である。その使用特性は、動的応答能力が際立って俊敏な事である。その使用は、このレベルの足切断者に特定されるものではない。それは、全ての脛側骨切断者および大腿部切断者に使用可能である。図１１と１２に示す例示としての実施形態の足竜骨４０も、また、サイム式足切断者用の凹面部４１を有し、この足竜骨は、高低の動的応答特性と、図３〜５と８に示した例示としての実施形態のように双方向への作動能力とを義足に与える。
【００３１】
義足１用の数種類の足竜骨の機能上の特性は形状と設計の特徴とに関係付けられており、それらは、凹面形状、凸面形状、半径の大きさ、拡張性、圧縮性、および材料の物的特性に関係し、そして、これら全ての性質が、歩行、ランニング、および跳躍運動をするときの地面からの力に関与している。
【００３２】
図１３の足竜骨４２は、足竜骨の厚さが足中央部から足後部の後方にかけて漸減していることを除くと、図３〜５と８の例示としての実施形態に類似している。図１４の足竜骨４３は、その厚さが、前端および後端の両方にかけて漸減、つまりテーパしている。同様な厚さの変更例が、図１５の腓脛部４４と図１６の腓脛部４５に示されており、両方とも義足１に用いてもよい。足竜骨と腓脛部の各々の設計は異なる機能上の結果をもたらし、これらの機能上の結果は、種々の競技のタスクに関連した動作を向上させるための特定の水平方向と垂直方向の線型速度に関係している。複数の腓脛部を組み込むことと、足竜骨と腓脛部のあいだの設定の調節とが可能であるために、足切断者および／または補綴技師が幅広い種類のスポーツとレクレーションの中から選択した一つの運動について義足の性能が最高になるよう調整することが可能な腓脛部を備えた義足が製作される。
【００３３】
義足１用の別の腓脛部は、図１７〜２２に示されており、Ｃ字形の腓脛部４６，４７、Ｓ字形の腓脛部４８，４９、およびＪ字形の腓脛部５０，５１を含む。腓脛部の上部は、また、直線状の垂直端部を有していてもよく、ピラミッド形の装着板が、この基部側終端部に取り付けられている。図２８〜３０と３３〜３６に示すように、雄型のピラミッドが、腓脛部のこの垂直端部にボルトで取り付けられている。基部側位置に取り付けられる別の実施形態において、脛部は、足切断者用のソケットおよび／またはその他の義足部品の前方および／または後方に取り付けられる。また、隣接した雄型のピラミッドを受承するためのプラスチックまたはアルミニウムの充填部材と、遠位の足竜骨とを、腓脛部の基部側と末端の長孔に取り付けることができる。本発明の義足は、柔軟性と多用途のために、好ましくは標準化されたユニットまたは大きさに形成されたモジュール式装置である。腓脛部の基部側の終端部に取り付けられたピラミッド形の装着板の例は、図２８に符号８８で示されている。
【００３４】
全てのトラック走行関連の競技は、反時計回りに行われる。本発明の別の、随意の特徴は、そのようなカーブした走路に沿って走行する足に作用する力を考慮に入れている。求心性の加速度は、物体がカーブした経路に沿って運動するとき、回転の中心に向けて作用する。ニュートンの第三の法則がエネルギーの作用に適用される。等しく、そして、反対方向に作用する反力が存在する。したがって、全ての“求心性”の力に対して、“中心から離脱する”力が存在する。求心力は回転の中心に向けて作用し、反力である遠心力は回転の中心から離れる方向に作用する。走者がトラックのカーブを走行しているとき、求心力は走者をカーブの中心に向けて引き付け、遠心力はカーブの中心から離れるように引っ張る。走者を外向きに傾けようとする遠心力を打ち消すために、走者は、内側に傾斜する。走者がトラックを走る方向が何時も反時計回りである場合には、左側が、トラックの内側にある。したがって、本発明の特長によると、右と左の義足の腓脛部の左側を右側より薄くして、足切断者のカーブ走行性を向上させることができる。
【００３５】
いくつかの実施形態における足竜骨２，３３，３８，４２，４３は、各々長さが２９ｃｍであり、図３，４，および５、並びに別の腓脛部と足竜骨を示したいくつかの図においては、足１の各部の大きさは正確な比を用いて示されている。しかし、当業者には容易に理解できるように、義足の特定の寸法は、義足を付ける足切断者の大きさ、体重、およびその他の特徴に応じて変更可能である。腓脛部の長さと弾性モジュラスが、弾性エネルギーを蓄える能力と容量を決定する。この蓄えられた弾性エネルギーが、機械的機構を介して方向性と大きさを有するベクトルで表される運動力に変換される。したがって、脛部の長さが長ければ長いほど、推進力が大きくなる。最高レベルの競技者のためには、脛部の基部側の取付け位置は、義足の構成部品に関連してできる限り、基部に接近させるべきである。
【００３６】
ここで、歩行とランニングのスタンス段階における歩行サイクルに基づいて、義足１の動作を検討する。慣性、加速、および作用・反作用に関するニュートンの運動の三つの法則が、足２の動的運動の基礎である。作用・反作用の法則であるニュートンの第三の法則から、足が地面を押すとき、地面は、大きさは同じであるが、足が地面を押す方向とは反対の方向に足を押すことが知られている。これらは、地面からの反力として知られている。人の歩行、ランニング、および跳躍運動に関しては多くの科学的研究がなされてきた。力板を用いた研究が、ニュートンの第三の法則が歩行中に見られることを示す。これらの研究から、我々は、地面が足を押す方向が分かっている。
【００３７】
歩行とランニング運動を行っているときのスタンス段階は、減速段階と加速段階とにさらに分割可能である。義足が地面に接触するとき、足が地面を前方に向けて押し、そして、地面は、大きさは同じであるが、反対の方向に押し返す、つまり、地面は義足を後方に向けて押す。この力が、義足を動かす。歩行とランニング運動を行っているときのスタンス段階の分析は、接地点が、図５と８に示したように、足の内側より後方の外側の位置に偏倚する後方の外側角１８であるところから開始される。最初の接地点がこのように偏倚しているために、足は上向きに湾曲し、また、腓脛部と足底が曲がる。腓脛部は、体重をその脛部を介して伝達できる位置を常に探している、換言すると、たとえば、その長い垂直部材を地面からの力に対向する位置に配置しようとする。これが、足を後方に向けて押している地面からの反力に対向するために、垂直部材が後方に移動するとともに足底が湾曲する理由である。
【００３８】
地面からの力が、基部側端部を後方に動かすようにして腓脛部４４，４５，４６，４７，５０，５１を縮ませる。腓脛部４８，４９の場合には、先端の凹面部の向きに応じて、腓脛部の先端の半分が縮む。先端の凹面部がＧＲＦｓに応答して縮んだ場合、基部側の凹面部は伸びて腓脛部全体が後方に向けて動く。地面からの力は、基部側端部を後方に動かすようにして腓脛部を縮ませる。腓脛部の小さい半径の下部は、人体の足関節の曲がりと足底の撓みとを模倣して縮み、そして、縮むことによって足前部が地面にまで下げられる。同時に、足後部４の符号１７で示された後端が圧縮されて上向きに曲がる。これらの圧縮力の両方が、緩衝機構として作用する。この衝撃吸収は、足を上向きに湾曲させる偏倚した後方の外側踵１８によってさらに高められ、外側踵１８は足を外転させることにより、また、腓脛部が一旦運動を停止して足底が撓む段階になって、地面が足を後方に向けて押すとき、緩衝機構とし作用する。
【００３９】
足竜骨と腓脛部の圧縮された部材は、次に、力から解放され、つまり、元の形状を求めて蓄えられたエネルギーが放出され、これにより、腓脛部の基部側端部が加速されて前方に向けて動く。腓脛部が垂直の出発位置に近づくと、地面からの力は、後方へ向けての押圧から、足に対する垂直上向きの押圧へと変化する。義足は足底の後方と前方に位置する体重支承領域を有し、そして、これらの領域が体重を支承しない長いアーチ形状の中央部によって連結されているために、義足からの垂直方向の力がこの長いアーチ形状の中央部を伸ばすことによって負荷されるようにする。後方と前方に位置する体重支承面は、分岐する。これらの垂直方向の力は、足の長いアーチ形状の中央部に蓄えられ、そして、地面からの力は、具体的には垂直方向から前方を向いた方向へと移動する。腓脛部は、足関節の背屈を模倣して伸長する。これにより、義足は枢動して足底の前方に配置された体重支承面が地面から離れる。力の解放が行われるために、足中央部５の長さ方向アーチと伸長した脛部は、伸長した状態から変化し、そして、足底の屈筋系の動きの模倣されたパターンと動きとを作り出すために元の形状を探す。このようにして、義足の機械的構造が、蓄えられた弾性エネルギーを解放して運動力に変換する。
【００４０】
足竜骨と腓脛部の長いアーチは、各々の構造が伸長されることに抵抗する。したがって、腓脛部の前方への運動が抑制され、足は、枢動を開始して、足底の前方に配置された体重支承領域が地面から離れる。足竜骨の足中央部の伸長は、図３〜５と８、図１１と１２、および図１３と１４の例示としての実施形態の足竜骨の場合には、高低の応答能力を有する。これらの足竜骨の足中央部から足前部にかけての遷移領域は、足の縦軸から外側に１５°から３５°逸れているために、内側の長いアーチは、外側の長いアーチより長い。通常の足では加速時または減速時に足の内側が使用されるために、これは重要な事である。
【００４１】
義足の長い内側のアーチは、外側より大きい動的応答特性を有する。外側の短いつま先レバーは、低速での歩行またはランニング中に使用される。体の重心は、正弦波曲線の空間を移動する。それは、内側、外側、近位、および遠位と移動する。遅いスピードで歩行するまたはランニングをするとき、体の重心は、速く歩くまたは走るときより、より大きく内側と外側のあいだを移動する。さらに、モーメントまたは慣性が小さいために、高い動的応答能力に対向するための能力も小さくて済む。本発明による義足は、これらの原則を応用力学を用いて取り込むようにされている。
【００４２】
さらに、人の歩行における足底接地時には、人体の重心は最大限外側にずれている。足底接地状態からつま先が離れるまでのあいだ、人体の重心（ＢＣＧ）は、外側から内側へと移動する。結果として、人体の重心は、足竜骨２の外側に移る。初めに（低速ギヤ）、そして前方へ移るにつれて、ＢＣＧは、足竜骨２の内側へと移動する（高速ギヤ）。したがって、義足の足竜骨２は、オートマチック・トランスミッションの効果を有する。つまり、それは、低速ギヤで始動して、足切断者が歩を進める毎に高速ギヤへと移っていく。
【００４３】
地面からの力が地面を後方に向けて押している義足を前方に向けて押すとき、踵が上がり始めるために、足中央部の長いアーチの前方部分が、輪郭を描かれて、これらの後方に向けられた力を足底面に対して直交する方向に掛ける。これが、これらの力を負荷するための最も効果的で効率のよい方法である。同じ事が、義足の足後部の後方についても当てはまる。また、それは、最初の接地時に後方を向いている地面からの力に、負荷された力の方向に対して直交している足竜骨の足底面が対向するように形成されている。
【００４４】
踵が上がってつま先が離れる歩行とランニング運動の後期段階において、足前部の放射領域は１５°〜３５°だけ背屈している。この上向きに突出したアーチは、前方を向いた地面からの力が足のこの領域を圧縮できるようにする。この圧縮は伸長に比べると制限が少なく、義足を付けての歩行とランニングのスイング段階にスムースに移行する。歩行のスタンス段階の後期において、伸長した腓脛部と伸長した足中央部の長いアーチは、各々蓄えていたエネルギーを放出して、つれて動く下肢と足切断者の重心を前方と上方へ運ぶことを補助する。
【００４５】
人の歩行の主推進機構の一つは、動的推進段階と呼ばれている。踵が離れるとき、体重は支持下肢の前方にあり、重心は下がる。体重が図５に線Ｃ−Ｃで示した足前部のロッカーに掛かって下向きの加速度が生じ、これにより、人体には最大の垂直方向の力が掛かる。踵が地面を離れるにつれて足が足関節より前方へと加速することが、地面に対する後方のせん断力になる。加圧の中心が前方の中足骨頭の回転軸に移動することの結果は、依然増大する背屈のトルクである。これは、前方への完全な転倒状態を引き起こしもするが、歩行に用いられる主たる前進力を発生する。積極的に前進しているときの効果的な足関節機能は、踵の上げ、関節部の最小移動、および殆ど中立的な足関節の位置に現われる。安定した足中央部が、踵の上げを正常に継続させるために必須である。
【００４６】
足後部の後方と足竜骨の足前部領域には、先に言及したいくつかの実施形態において、伸張用の連結孔と伸張用の突出片とが設けられている。位置が調節された伸張用の連結孔は、留め継ぎ式ヒンジとして作用し、そして、双方向への作動能力が向上されて、平坦ではない地面を歩行するときの足底面の総合的な接地特性が向上する。
【００４７】
図９〜１２に示したサイム方式用の足竜骨は、動的な応答能力が明らかに異なっているが、これらの能力は、歩行、ランニング、および跳躍運動に関係している。これらの足竜骨は、四つの特異な特徴において異なっている。これらは、サイム方式による残余の下肢部を平坦な面より都合よく連結できるよう足中央部の基部に隣接する後方に凹面部の存在を含む。また、この凹面部は、サイム方式のレベルでの足切断者に伴う長い残余の下肢に連結される足竜骨の高さを小さくする。このアラインメントのための凹面部は、足竜骨のアーチ形の足中央部の対応する前方と後方の湾曲部は曲がりが急であり、かつ、サイズも小さいことが必要である。したがって、全ての足中央部の長いアーチの半径と足後部の半径は、曲がりが急で、かつ、小さくされている。この事は、動的応答特性に大きい影響を与える。小さい曲率は、動的応答に関しては小さい能力を発生する。しかし、義足は、前述した歩行、ランニング、および跳躍を行うときの地面からの全ての力に対して迅速に応答する。結果として、小さい動的応答性を備えた迅速な足となる。
【００４８】
競技の特定のタスクの成績を向上させることは、本発明による義足を用い、そのアラインメントを変更する事によって達成可能であるが、それは、これらのアラインメントの変更が各々のタスクの垂直成分と水平成分に影響を与えるからである。人体の足は、多機能ユニットであり、それは、歩く、走る、および跳ぶために使用できる。これに対して、人体の脛骨と腓骨とから成る腓脛部構造は、多機能ユニットではない。それは、歩行、ランニング、および跳躍運動を行うときに、細長い基部と先端の方向に平行な力を掛ける単純なレバーである。それは非圧縮性の構造体であり、また、それはエネルギーを蓄える能力を有しない。これに対して、本発明による義足は、動的な応答能力を有し、これらの動的応答能力は、運動のための歩行、ランニング、および跳躍運動の水平方向と垂直方向の線型速度に関係しており、人の脛骨と腓骨の性能を凌ぐものである。したがって、足切断者が成績を向上させる可能性がある。このために、本発明においては、締着具８を緩め、そして、腓脛部と足竜骨との互いのアラインメントが足竜骨の長さ方向で調節される。そのような変更は、図１と２に関連して示されている。腓脛部は、次に、締着具８を用いて調節された位置で足竜骨に固定される。この調節を行うとき、締着具８のボルトは、対向して配置され、比較的長く、縦方向に伸びた足竜骨と腓脛部の各々の開口９，１０の一方または両方に対して摺動する。
【００４９】
たとえば、足中央部接地走者の場合のようにフット・フラットで最初に接地する走者の走行特性を向上させるアラインメントの変更は、足竜骨が腓脛部に対して前方に摺動し、そして、足底が腓脛部に取り付けられて屈曲するという変化をもたらす。この新しい関係が、走者の水平成分を向上させる。つまり、腓脛部と足底とが足に向けて屈曲し、まず踵から接地することに反して、足がフット・フラット位置で接地するとき、地面は、地面を前方に向けて押している足を直ちに後方に向けて押す。これにより、腓脛部が（伸長によって）急速に前に、かつ、下向きに動かされる。動的応答力が、最初の動きが腓脛部の方向になることに抵抗する伸長によって発生させられる。その結果、足は、中足骨の足底面にある体重支承領域を中心にして枢動する。これにより、竜骨の足中央部に圧縮時よりも抵抗が大きい伸長を引き起こす。腓脛部の伸長と足中央部の伸長とがもたらす総合的な効果は、腓脛部のさらなる前方への移動に抵抗が生ずる事であり、これにより、使用者の体内の膝エキステンダーと尻エキステンダーとが、体の重心をより効率的な方法で前方かつ基部方向に移動させることを可能にする（即ち、水平速度の向上）。この場合、腓脛部の前への運動が、フット・フラット走者よりより大きく背屈（垂直方向）を開始した腓脛部によって強い抵抗を受けないヒール・トウ走者の場合より、上へよりも前へと。
【００５０】
短距離走用の足の機能を分析するために、腓脛部と足竜骨とのアラインメントの変更を行った。全ての凹面部の縦軸が前面に対して平行に配置されている足竜骨を有効利用した。腓脛部は、足底に対して曲げられ、また、足竜骨上で後方へと摺動させられる。これにより、たとえば、図３〜５と８のような多用途足竜骨を装着したフラット・フット走者の場合より遠位の円の高さがさらに小さくなる。この結果、水平運動の能力がさらに大きくなり、そして、動的応答性が、この向上した水平能力に組み入れられる。
【００５１】
短距離走者は、大きい範囲の運動、力、およびモーメントを有し、モーメントが、主たる媒体である。スタンス段階における減速は、加速のときよりも短時間であるために、大きい水平方向の線型速度が達成される。この事は、最初の接地時に、つま先が接地して地面が足を後方に向けて押し、そして、足が地面を前方に向けて押すことを意味する。大きい力とモーメントとを有する腓脛部は、フット・フラット走者の最初の接地時よりさらに大きい屈曲と下向きの運動をさせられる。これらの力は結果として、足の長いアーチ形の凹面部を伸ばす力として掛かり、また、腓脛部を伸ばす力として掛かる。これらの伸長力は、先に述べたその他全てのランニングに関連した力よりより強い抵抗を受ける。したがって、足の動的応答能力は、負荷される力に比例する事になる。人の脛骨と腓骨とから成る腓脛部の応答性は、エネルギーの大きさだけに関連しており、また、それは、構造が単純でエネルギーを蓄えることができない。本発明の義足がもたらす短距離走中のこれらの伸長力は、先に述べたその他全ての歩行とランニングに付随した力より強力である。したがって、足の動的応答能力は、負荷された力と、人の機能との比較において、足切断者が達成可能な向上した競技上の成績とに比例する事になる。
【００５２】
図２５に示した義足５３は、腓脛部と足竜骨のあいだの調節可能な締着構造と、支柱の下端に連結するための腓脛部の上端部の構造を除いて、図３のそれに類似している。この例示としての実施形態において、足竜骨５４は、プラスチック製または合金製の連結要素５６を介して腓脛部５５に調節可能に取り付けられている。連結要素は、足竜骨の縦方向に沿った方向で互いに離間した連結要素内部の位置において着脱式の各々の締着具５７，５８によって足竜骨と腓脛部とに取り付けられている。連結要素を腓脛部に結合する締着具５８は、足竜骨と連結要素を結合する締着具５７より後方にある。腓脛部の作動長さをこのようにして伸長させることにより、腓脛部自体の動的応答能力が増大する。アラインメントの変更は、別の例示としての実施形態と同様に、縦方向に伸びた腓脛部と足竜骨の開口と協働して行われる。
【００５３】
腓脛部５５の上端部には、支柱１５を受承するための細長い開口５９が形成されている。一旦開口に受承されると、支柱は、ボルト６０，６１を締め付け、そして、腓脛部の開口に沿った自由端側の縁６２，６３を引き寄せることによって腓脛部に確実に締め付けることが可能である。この支柱との連結構造は、ボルトを緩め、支柱を腓脛部に対して所望の位置まで引き出し、そして、ボルトを締め付けて調節した位置で支柱を再度締着することによって容易に調節可能である。
【００５４】
図２８〜３２に示した義足７０は、図３〜５，８，２３，２４、および図２５〜２７の義足に類似しているが、足切断者が足を使用中に腓脛部に力が掛かったときまたは力から解放されたときの腓脛部上端部の運動範囲を制限するために、足に取り付けられた腓脛部の運動範囲制限・減衰装置７１をさらに含む。この機能は、比較的長い腓脛部を有する義足にはとりわけ好都合であり、この場合、装着者はランニングや跳躍のような運動を行い、腓脛部に装着者の体重の何倍もの、たとえば、ランニングの場合には体重の５〜７倍であり、跳躍の場合には体重の１１〜１３倍、の力が発生する。これに対して、歩行中に発生する力は体重の単に１〜１ 1/2倍である。
【００５５】
例示としての実施形態において装置７１は、空気のような気体または液圧用の流体などの加圧流体が各々の取付け部品７３，７４を介して充填されている双方向に作動するピストン・シリンダ・ユニットである。装置は、力の負荷時と力からの解放時に腓脛部を圧縮と伸長の両方をさせるときの腓脛部７２の上端部の許容運動範囲を調節可能にする圧縮用と伸長用の二つの可変制御器を有する。また、装置７１は、腓脛部の圧縮と伸長時に蓄えられるまたは放出されるエネルギーを減衰させる。ピストン・シリンダ装置７１の両端部は、腓脛部の上端部と足の下部に連結されており、例示としての実施形態においては、玉継手が好ましいが枢動式連結具７５，７６を用いて腓脛部の各々の端部に連結されている事が好ましい。
【００５６】
腓脛部の圧縮と伸長時の足７０の腓脛部７２の上端部の動作が図３２に示されている。腓脛部が概ね放物線形であるために、腓脛部の上端部は、力の負荷時と解放時の腓脛部の圧縮と伸長に伴って足竜骨７７の長さ方向、たとえば図５と３２の線Ａ−Ａの方向、に動き、そして、腓脛部の下端部は足竜骨に連結されている。したがって、義足の向上した動的応答能力は、図２８〜３２に示した例示としての実施形態において維持されることになる。
【００５７】
装置７１は、説明したピストン・シリンダ・ユニットに限定されるものではなく、別の速度制御装置および／または運動制限装置であってもよい。たとえば、義足の腓脛部に用いられる運動制限・減衰装置７１の後方の部分を、現在、人口膝関節の運動を制御するために用いられているような圧縮段階と伸長段階とを制御することができるマイクロプロセッサ制御式の流体ユニットにすることも想定されている。特殊なソフトウェアとＰＣとを用いて、マイクロプロセッサ制御式の流体ユニットを足切断者に適合させるために調整することが可能である。モーメントを１秒間に５０回測定して、動力補助式歩行を、できる限り自然な歩行に近づけることが可能である。流体ユニットの良好な応答性のために、この装置は、幅広い範囲の下肢切断者に好適である。ユニットに組み込まれたリチウム・イオン電池は、流体ユニットを丸一日動作させるのに充分なエネルギーを供給する。圧縮に対する抵抗力は、伸長に関する調節からは独立して行われる。複数の統合されたセンサが、ユニットのスタンス段階とスイング段階の特性を１秒間に５０回自動的に調節することができる基板上のマイクロプロセッサに歩行分析データを連続的に送信する。
【００５８】
装置７１のマイクロプロセッサ制御式の流体ユニットは、機械的な流体ユニットより応答性が高い。電気制御の圧縮（足底の屈曲）弁は、１秒間に５０回調節する。ユニットの圧縮弁は、スイング前に自動的に全開する。したがって、ユニットは、制限された領域で、そして、同様の条件の下、低速で圧縮と屈曲とを行うことがきわめて容易である。ユニットのサーボ・モータのスピードは、１秒間に５０回送られてくるマイクロプロセッサからの命令に応答して、圧縮（足底の屈曲）弁と伸長時の背屈用弁とを非常に速く閉めることを可能にする。弁が殆ど閉まるとき、ユニットの減衰力が非常に高くなって、早足での歩行とランニングさえもが可能になる。義足技師が調節可能な独特な動的要素は、ゆっくりとした歩行から活発で、速い歩行までの全ての歩行パターンについて流体ユニットの動作を最適化させることを可能にする。マイクロプロセッサ制御式の流体ユニットを個別の独特な歩行パターンに合わせて「調整」するこの能力は、歩行の効率と快適度を高めるために幅広いリズムを義足に取り入れることが可能である。つまり、装置７１のようにマイクロプロセッサ制御式の流体ユニットを用いることによって、義足が活動的な足切断者によって使用されるときに必要な種々のリズムに対応できる能力が向上される。
【００５９】
図２８〜３２の義足７０の長さ方向に延在する足竜骨７７は、図３と２５の足竜骨と同様に足前部、足中央部、および足後部を有する。足の腓脛部７２は、図２５〜２７の例示としての実施形態と同様に、長さ方向に離間して配置され、連結要素７８を各々腓脛部と足竜骨とに連結するための着脱式の二つの締着具７９，８０有する連結要素７８により足竜骨に取り付けられる。腓脛部７２は、腓脛部の両端部のあいだに長さ方向に伸長する伸張用溝８１を有する。伸張用の連結孔８２，８３が、伸張用溝の両端に設けられている。足竜骨の足前部と足後部にも、また、図２９，３０および３１に示すように、各々伸張用溝が形成されている。
【００６０】
足切断者の下肢端部に取り付けられた義足用ソケットは、図示したように、腓脛部の上端部に締着具８６，８７によって固定されたアダプタ８５を介して腓脛部７２の上端部に連結される。アダプタは、アダプタの上面に取り付けられた取付け用板に連結された逆さのピラミッド形の取付け具８８を有する。義足と義足用ソケットとを連結するとき、ピラミッド形の取付け具は、懸架された義足用ソケット上の相補的形状のソケット式取付け具によって受承される。この種の連結構造は、図３４〜３６の実施形態に示されている。
【００６１】
図２８〜３２に示した例示としての実施形態の運動制限・減衰装置７１は、腓脛部の圧縮と伸長の両方のケースにおいて腓脛部の上端部の運動範囲を制限するが、腓脛部の上端部の運動範囲を圧縮時または伸長時だけ制限する同様の装置を用いることもできる。力の負荷と力からの解放時に腓脛部の上端部の伸長だけを制限する運動制限・減衰装置８４が、図３３の例示としての実施形態に示されている。この装置８４は柔軟な帯であり、帯は、制限された弾性伸びだけが可能であり、これにより、腓脛部に力が掛かって圧縮されるとき腓脛部の上端部の動きは制限されないが、腓脛部の伸長は制限される。この弾性装置８４は伸ばして装着することが可能であり、この場合、弾性装置は、腓脛部の基部側端部を後方に向けて付勢する。装置８４は、帯の形状である必要はなく、たとえば、一条のコイルばねまたは複数のコイルばねのような別の形状の構成部品を、弾性伸びが制限されており、また、歩行を行うとき、力の負荷時にエネルギーを蓄え、そして、力の解放時に蓄えたエネルギーを放出することができる運動制限・減衰装置として用いることが可能である。
【００６２】
図３４〜３６は、図２８〜３２の義足の足竜骨７７またはここで開示した別の足竜骨の一つとともに用いることができる本発明による別の腓脛部９０を示す。腓脛部９０は、その曲率半径の最も小さい部分が下端部に配置され、そして、上向きに、かつ、その遠位の終端部の比較的大きい曲率の部分へと初めは前方に延出する概ね放物線形である。後方を向いた凹面部が、図３４に示すように腓脛部の曲がりによって形成されている。腓脛部の末端部は、連結要素７８、着脱式締着具７９，８０、および足竜骨の長さ方向に伸長する開口と協働して、特定のタスクに適合するよう義足の特性を調整するために、締着具７９または８０が緩められるか取り外されたとき、腓脛部と足竜骨との互いの長さ方向のアラインメントを調節可能にする縦方向に伸びる開口９１を有する。
【００６３】
腓脛部９０の遠位部は、図２８〜３２の腓脛部７２より鋭く湾曲しており、たとえば、小さい曲率半径を有し、そして、長さ方向の短い距離だけ上向き、かつ、前方に延在している。この腓脛部の形状は、外面上はより好ましい。つまり、人の足の踝の内側と外側の形状をした義足の外被が通常配置される足関節近辺の領域に末端部が位置されることである。この腓脛部は、義足の外被により上手く収まる。その機能上の特性は、広い放物線形、たとえば、先に言及したような大きい曲率半径、を有する腓脛部より保有する動的応答能力は小さいが、それが最初の接地時に地面から受ける反力に迅速に応答することである。したがって、義足を付けて走り、また、ジャンプをするような活動的な人は、より大きい水平方向の速度を付与してくれる広い放物線形または大きい曲率半径を用いることによって便益を受ける。
【００６４】
図３４〜３６の腓脛部９０は、締着具９４，９５によって腓脛部の上端部に連結されたプラスチック製または金属製のアダプタ９３と、使用者の下肢端部に固定された義足用ソケット９６のあいだに配置されたアラインメントの調節が可能な連結装置９２をさらに含む。使用者は、たとえば、膝上または膝下での切断者である。アラインメントの調節が可能な連結装置は、互いに直交して配置され、地面に対して平行な面にある一対の摺動部９７，９８を有する。摺動部の各々の構成部品の相対位置は、各々の摺動部９７，９８を調節して、義足の腓脛部と足竜骨に対する義足用ソケットの相対的な向きを変更するためのねじ付き締着具９９を緩めることによって調節することができる。装置９２を支持するアダプタ９３の頂部は、義足を付けての歩行のスタンス段階においては地面に対して平行であることが好ましい。
【００６５】
装置９２の上方の摺動部９８の頂部は、そこに固定された逆さのピラミッド形の取付け部品１０１を有し、それは、義足用ソケット９６の対応した取付け部品１０２にねじ付き締着具１０３によって締着されている。二つの取付け部品１０１，１０２のあいだをこのように連結することによって、義足用ソケットと足のあいだの角度変化が伴う屈曲・伸長と外転・内転とが可能になる。装置９２は、摺動することによって、内外と前後の直線的な摺動式調節を可能にする。したがって、装置９２は、義足を全ての方向に運動可能にするアラインメント用装備品であり、これは、地面からの反力が腓脛部と足竜骨から成る機械的構造体に応答する方法に影響を与える。
【００６６】
図３７と３８の足竜骨１１０と図３９と４０の足竜骨１２０は、本発明による義足に使用可能な足竜骨のさらに別の例示としての実施形態である。足竜骨は右足用であり、足後部を除いて類似の構造を有する。二つの足竜骨の内側と外側は、同一形状である。足竜骨１１０は、足後部領域が矢状方向に切断されて、長さ方向に伸長する伸張用連結部または溝１１３によって分離された伸張用の外側と内側の突出片１１１，１１２を備える。足竜骨１１０の踵部の後端１１４は、前面に平行である、たとえば、足竜骨の縦軸Ａ−Ａに対して直交している。同様に、足竜骨の足後部の背側の凹面部１１５は、前面に対して平行である、たとえば、縦軸Ａ−Ａに対して直角、つまりΔが９０°である、縦軸Ｆ−Ｆを有する。
【００６７】
足竜骨１１０に反して足竜骨１２０は、足後部領域が矢状方向に切断されることもなく、足後部の背側の凹面部１２１は、外側を内側より前方に配置して、凹面部の縦軸Ｆ’−Ｆ’が前面に対して傾斜している、たとえば、縦軸Ａ−Ａとのあいだに好ましくは１１０〜１２５°の鈍角Δ’を形成している。背側の凹面部をこのような向きに配置することによって、伸張用の外側の突出片１２２を、伸張用の内側の突出片１２３より長い範囲に亘って薄くし、これにより、突出片１２３より実効上長く、そして、より大きい柔軟性を有するようにすることができる。このように柔軟性を向上させることによって、足後部を最初の接地時の地面からの反力に対して上向きに湾曲するように予めさせるが、これは衝撃吸収機構である。この事が、体の重心が生み出す力を歩行中に足竜骨の足後部を介して効率良く伝達して、より通常の歩行パターンが達成されることを補助する。
【００６８】
図４１と４２の義足１２４は、足竜骨１６５、腓脛部１２６、および歩行中に腓脛部の上端部の前方への運動に伴うエネルギーを追加して蓄えるための後方の腓装置１２５を有する。これにより、歩行が推進段階にあるとき、弾性を有する義足に力を負荷することによって、腓脛部の前方を向いた凸状湾曲部１２７によって形成された脛部１２６の矢状方向面の凹面部が伸長し、腓脛部の上端部の前方への運動が引き起こされる。装置１２５の可撓性を有する帯１２８は、腓脛部の上端部と、義足の下部、つまり、先に開示したように腓脛部と足竜骨を結合する連結要素１２９、に接続されている。弾性体および／または非弾性体であり、また、歩行中に伸長される柔軟な帯の長さは、摺動式調節具１３０を用いて帯の重複部分の長さを変えることによって調節可能である。
【００６９】
二つのばね１３１，１３２の基部が、締着具１３４によって腓脛部に固定されたアダプタ１３３と腓脛部のあいだで、腓脛部の上端部に調節可能に支持されている。ばねの下方の自由端は、柔軟な帯と相互作用するように配置されている。帯が伸長されたとき、ばねは、帯の縦方向範囲の方向を変更する。歩行中に腓脛部の上端部が前方に向けて運動することによって、帯が伸長されまたは（帯に予め張力が掛けられている場合には）さらに伸長され、そして、歩行中に義足に力が負荷されるとき、ばねがエネルギーを蓄えるよう力が負荷されるまたはさらに負荷される。この蓄えられたエネルギーは、義足が力を解放するときばねから返還されて、歩行中に義足によって推進力として生み出された運動力を増加させる。
【００７０】
義足の使用前に帯に予め張力を掛けるために帯１２８が短くされたとき、この帯に掛けられた張力は、弾性部材の上端部が後方に向けて運動することを手助けするとともに、使用時に義足の腓脛部の前方に向けての運動を制御する。後方に向けての運動を補助することによって、歩行の最初のスタンス段階において、踵が接地するときの義足の迅速なフット・フラット応答を達成することが容易になるが、それは、歩行中に踵が接地するとき、人の足と足関節に生ずる足底が屈曲する現象に類似している。
【００７１】
義足の使用中に後方の腓装置１２５を用いることによって、弾性を有する腓脛部の上端部の後方に向けての運動を補助することと、弾性を有する腓脛部の上端部の前方に向けての運動を制御することとは、義足の使用中に力の負荷または力からの解放に応答して腓脛部の上端部の縦方向運動に関する矢状方向面の屈曲特性の変化に影響を与えることによって歩行中の義足の足関節のトルク比を変更することに各々効果的である。歩行の後期のターミナル・スタンスにおいて発生する足関節の最大背屈トルクを、歩行中に踵が接地した後に最初に力が掛けられるフット・フラット応答時に生ずる足関節の足底屈曲トルクによって割った分担率として定義された歩行中の人の足関節の自然な自然トルク比は、１１．３３対１であると報告されている。後方の腓装置１２５を用いて腓脛部の上端部の縦方向の運動についての矢状方向面の屈曲特性を変更することの目的は、歩行中に人の足に生ずる現象を模倣するために、義足の足関節のトルク比を増大させることである。この事は、義足を用いての適切な歩行を達成するため、また、一方が自分の足であり、他方が義足の人にとっては歩行に対称性を達成するために重要である。前方に向けての運動を制御し、また、後方の腓装置１２５を用いて可能性としては後方に向けての運動を補助することによって、義足に発生する足関節の最大背屈トルクがその中の足関節の足底屈曲トルクより一桁大きくなるよう、足関節のトルク比が増大されることが好ましい。足関節のトルク比は、報告されている足関節の自然トルク比である１１．３３対１に対して約１１対１の値になるよう大きくされることがより好ましい。
【００７２】
後方の腓装置の別の目的は、義足に力を負荷するとき装置のばね１３１，１３２に弾性エネルギーを追加して蓄え、そして、力の解放時に蓄えた弾性エネルギーを返還して歩行中の義足によって推進力として発生させられた運動力を増加させることによって歩行中の義足の効率を向上させることである。装置１２５は、足に力を負荷するとき人体に位置エネルギーを発生させ、そして、足から力を解放するときその位置エネルギーを動的エネルギーに変換することを利用して、人の腓筋肉系が歩行中に人の足、足関節、および腓に作用する、つまり、歩行中に人体に効率よく推進力を発生させる、のと同様に義足の目的に適うものであると考察される。義足の効率を本発明による後方の腓装置を用いることによって人の足のそれに近づけるまたはむしろ超えるようにすることは、たとえば、足切断者が「通常の機能」を取り戻すために重要である。
【００７３】
後方の腓装置１２５によって腓脛部１２６の上端部の前方への運動を制御することは、図２８〜３３に示した先の実施形態と同様に腓脛部の上端部の前方への運動範囲を制限することに効果がある。また、義足１２４の足竜骨は、歩行中に力を負荷するとき、長さ方向の弾性を有するアーチを伸長させることによってエネルギーを蓄えることに貢献する。この位置エネルギーは、歩行中に力から解放するとき推進力を発生させるために運動力として返還される。図３〜５と８の実施形態に関連して先に説明したように、足竜骨の足中央部がアーチの外側より内側が大きい曲率と、比較的高い動的応答能力とを備える縦方向のアーチを有するように形成されているために、この実施形態は、高低の動的応答能力を備える。しかし、図６と７のような短距離走用の足竜骨または図９と１０の説明時に言及したサイム方式による足切断者用の足竜骨を義足１２４に使用することも可能である。
【００７４】
図４３〜４５に示した義足１３５は、長さが調節可能な柔軟な帯１３７が連結索１３８を介して腓脛部の上端部と足竜骨の前部に接続されていること以外は図４１と４２の実施形態に類似した後方の腓装置１３６を有する。索１３８の端部は、伸張用の連結溝１４１によって分離され、前方に位置する内側と外側の突出片１３９，１４０の各々に接続されている。索は、後方に向かい、次に、連結要素１４４に装着されたプーリ１４２，１４３を介して帯１３７の先端に接続された半円形の戻し部材１４５へと上向きに延出する。足竜骨の弾性を有するアーチと、図４１と４２の実施形態において腓脛部の上端部に装着されて、帯に係合するばね１４６は、先に説明したように歩行中に義足によって発生させられる推進力に追加するようエネルギーを蓄えることと、返還することとに用いられる。
【００７５】
図４１と４２のアダプタは雌アダプタであるが、本発明による図４３のアダプタ１３３は、雄のピラミッド型アダプタであり、ソケットの下端または足切断者の下肢端部のその他の部品に取り付けられた矩形の相補形突起を間隙を設けて受承するための基部に隣接した端部に角が丸められた矩形のソケットを有する。図４１の破線を参照されたし。符号は付されていないが、矩形ソケットの側壁の中央に各々配置された四つのねじを用いて義足を足切断者の下肢端部の支持構造体に連結するために、ねじ込んで突起との係合を行う、または、解除することが可能である。突起とソケットのあいだに間隙があり、また、雌アダプタの四つのねじの位置の調節が可能であるために、義足と支持構造体とを前後方向と内外方向に調節すること、並びに、義足と支持構造体との角度つまり傾斜を調節することができる。雌アダプタの別の形態によると、ねじ付き締着具を用いて、アダプタ上部のソケット収容部材がアダプタの下方の基部に着脱可能に結合される。アダプタのソケットの基部に露出されているねじ付き締着具の頂部は、基部に装着されたアダプタのソケット収容部材を緩めて基部と義足に対して回動できるようにするために、アレンレンチを受承するアレンソケットを有する。このように、アダプタは、横方向の面上の回転能力を付与するが、それは、足のトウインとトウアウトとを重大な範囲内、たとえば１／８インチの範囲内、に容易に収めることを可能にする特徴である。
【００７６】
歩行中に足関節の矢状方向面の運動力を向上させることによって通常の人の足関節に近づけられた高性能義足は、人工筋肉が義足の足、足関節、および脛部の少なくとも一つに設けるという本発明の別の形態を用いることによって得られる。人工筋肉は、歩行中の活発な推進段階において義足に力が負荷されるときエネルギーを蓄え、その後の歩行のスタンス段階において蓄えたエネルギーを返還して、つれて動く下肢と身体の推進に対して補助する。人工筋肉は、ゴムまたはポリマーのような粘弾性材、あるいは、粘弾性材を含有した複合材を用いて形成されていることが好ましい。人工筋肉を形成するために、粘弾性材を一つのまたは複数の機械的要素と組み合わせたハイブリッド構造を用いることが可能である。高い弾性を有し、好適で、使用可能な生物学的材料は、レジリンである。本発明の目的は、本発明による義足に設けられた一条のまたは複数条の筋肉が、歩行中の義足の足関節に係わる矢状方向面の運動力を、歩行中の少なくとも健常人の足関節に係わる矢状方向面の運動力に近づけるために増加させることである。
【００７７】
人工筋肉は図５０に符号１７０で示したような固形の弾性を有する帯であってよく、図では、筋肉は本発明による義足の足竜骨１７１に設けられている。代替としては、図４９に符号１７２，１７２で示したように、人工筋肉１７３を形成するために複数層の帯を用いることができる。筋肉１７３は、本発明による義足の足型１７４に設けられている。各々の帯の材料および／または弾力性は異なっていてよい。例示としての実施形態の人工筋肉は、パッシブな材料であるが、アクティブな人工筋肉、たとえば、電気的活性の高いポリマーを基材とする人工筋肉、を使用可能であると想定されている。歩行中に後方の腓筋系の機能を模倣するために用いるとき、例示としての実施形態の人工筋肉は、基部から先端へと方向をそろえて、端から端へと配列される。足に装着される場合、人工筋肉は、前部から後部へと向けられる。しかし、人の足の場合と同様に、人工筋肉を内側から外側へと配列する、または、別の方向あるいは異なる方向を組み合わせて配列することも可能である。
【００７８】
粘弾性材の人工筋肉の形状と大きさは、特定の運動特性を決定付ける。例示としての実施形態のパッシブな人工筋肉については、筋肉の断面積と長さの積で表される筋肉の大きさが、力に関するポテンシャルを決定する。大きい人工筋肉は、大きさが小さい筋肉より力に関して大きいポテンシャルを有する。同一の大きさの二つの人工筋肉１８０，１８１が、図４８Ａと４８Ｂに模式的に示されており、その各々は、図に１から１２の番号を付した１２平方ユニットの断面積を有するように示されている。図４８Ａの人工筋肉１８０は、長さ方向の断面積が均一で、長くて細い断面形状の帯である。図４８Ｂの筋肉１８１は、短く、そして、両端部の中間に大きい断面積部を有する。所定の粘弾性材について、長くて、小さい断面積を備えた人工筋肉１８０は、短くて、大きい断面積を備えた人工筋肉１８１と比較した場合、大きい運動範囲のポテンシャルを有する。短くて、大きい断面積を備えた人工筋肉１８１は、同一大きさで、長くて、細い人工筋肉１８０より、長さ方向の所定の伸長に対して短時間のうちに大きい張力の値を発生させる。人工筋肉１８１のこれらの特性は、歩行中の人の足、足関節、および脛部の動きを最も近似するように模倣するために本発明の義足に設けられる人工筋肉にとっては好ましいものである。
【００７９】
異なる構成の人工筋肉を別の人工筋肉に積層することによって、異なる運動の結果を生み出すようにすることができる。各々の運動の結果は、一定範囲の運動に伴う張力、力からの解放、およびタイミングに関する特性を有する。人工筋肉に用いられる一種類の粘弾性材または複数の種類の粘弾性材の密度と硬さとを変化させることによって、これらの特性をさらに制御することが可能になる。層１９０Ａと１９０Ｂを有する積層式の人工筋肉１９０の例は、図５１に示されており、人工筋肉の基部側端部と先端部は、本発明による腓脛部１９１に腓脛部の上端部と下部で固定されている。腓脛部の下部への接続は、先に説明したように、腓脛部を足竜骨（図示せず）に連結するための義足の連結要素１９２にまたはそれに隣接する位置に対して行われている。人工筋肉の端部は、着脱可能なようにボルトによって互いに留められた、長さが調節可能な締着構造体の当接部材（図示せず）のあいだに挟持することによって義足に固定することができる。また、人工筋肉の端部を義足に固定するために、あり継ぎ構造体またはその他の締着構造体を用いることもできる。
【００８０】
図５１の人工筋肉１９０の層１９０Ａと１９０Ｂは、先に説明したように張力の値を増加させ、そして、応答時間を短縮するために、図５１の縦軸に直交する断面図から判るように筋肉の長さ方向の中間部で大きい断面積を有する積層構造を形成する。これらと同等の好都合な特徴を備えた別の形状の人工筋肉の例は、図４７Ａ〜４７Ｅに符号２２０〜２２４を付して示されている。人工筋肉２２２と２２４は、両側に羽状複葉の切抜き部２２２Ａと２２４Ａを有する。これらの切抜き部は、力が負荷されたために人工筋肉の張力が増大する前に筋肉の伸びを増加させることを可能にする。本発明による義足に用いられる四つの異なる人工筋肉の形態は、図４６Ａ〜４６Ｄに符号１５０，１５１，１５２，１５３を付して示されている。図４６Ａの人工筋肉１５０は中央の粘弾性ボール１５４を用いて形成されており、そして、その周りに弾性または非弾性の複数の索１５５が配置され、それは、筋肉の上部索と下部索１５６，１５７のあいだでボールの周りに１８０°延在する。人工筋肉を縦軸方向に張力を掛けることによって、ボールは、弾性圧縮されてエネルギーを蓄える。
【００８１】
図４６Ｂの人工筋肉１５１は、両端を離間した基板１５９，１６０に固定された複数の粘弾性材の円筒形分割体１５８を用いて形成されている。分割体は、図４６Ｂに示すように編まれている。図４６Ｃの構成は、円筒形分割体１５８を編む替わりに平行にし、張力が掛けられて筋肉が縦軸方向に伸ばされたとき弾性的に伸長する粘弾性材のリング１６１によって囲まれていることを除くと、図４６Ｂに類似している。図４６Ｄの円筒形分割体１６２は、平行に配置されて、共通の端部用基板１６３，１６４のあいだに延在し、そして、端部が基板に接続されている。
【００８２】
図４９の足型１７４は、たとえばプラスチックまたはポリウレタンのような弾性を有する材料を用いて形成されている。足型は、本発明による義足の少なくとも下端部をぴったりと収めて、人の足のような外観を与えるとともに、当てものとして作用して要素から義足を保護する。足型の人工筋肉１７３は、足型の足底前部と足底後部とを連結するために、その両端が足型に固定されている。歩行中に足／足型が屈曲することによって、人工筋肉に張力が掛けられてエネルギーを蓄え、それは、切換え時の効果と人の足と下肢の前方への送りを補助するために歩行の後期に放出される。同様の結果が、図５０に示した本発明による義足の足竜骨１７１の前部と後部にその両端部が固定された人工筋肉１７０によって得られる。図５１の腓脛部１９１に装着された人工筋肉１９０は、歩行中の腓脛部の上端部の前方への運動によって伸長されて、図３３と４１〜４５の後方の腓装置との関連で説明したようにエネルギーの蓄積と放出を行う。
【００８３】
本発明によるこれらの人工筋肉を一つまたはそれ以上備えた義足の位置エネルギーは、さらに増大させることが可能であり、それは、伸長時に人工筋肉に予め力を掛けることによって、歩行中の義足の動的エネルギーと、足関節に係わる矢状方向面の運動力とを増加させて行われる。この事は、当てもの、カム、圧縮空気または他の流体を収容した袋、またはこれらの装置を組み合わせて用いることにより、本発明による義足の使用者によって達成することができる。図５２Ａ〜５２Ｄは、四つの異なる大きさの当てもの２３０〜２３３を示す。選択した当てものは、義足構造部とその人工筋肉のあいだに配置されて、当てもののサイズに比例した大きさの張力を人工筋肉に掛ける。たとえば、図５１のように、図示されているカム構造を除いて人工筋肉が義足の腓脛部の後方に設けられたとき、当てものは、腓脛部と筋肉のあいだに配置される。
【００８４】
図５１のカム１９２は、人工筋肉１９０の前方の腓脛部の上端部の連結部から垂下しているカム支持構造１９４によって担持された円筒形のピン１９３を中心にして枢動できるように装着されている。空気圧、液圧、および／または電気駆動によるシリンダ（ソレノイド）装置１９５がピン１９３を中心にしてカムを調節しながら枢動させて筋肉に張力を掛ける。このシリンダ（ソレノイド）装置は、歩行のスタンス段階のミッドスタンス段階において使用者が身体の活動を行うとき、腓脛部に発生する運動によって起動される。使用者が義足に力を負荷するとき、腓脛部の先端が下部シリンダ（ソレノイド）の押進棒１９６に係合し、これにより、上部シリンダ（ソレノイド）の押進棒がカムに係合させられる。作動時に前方に向けての力が増大すると、それに比例して下部シリンダの圧力が増加させられるが、それは、比例した圧力でもって上部シリンダに係合して、カム１９２を筋肉と係合させ、そして、人工筋肉に比例した大きさの張力を予め掛ける。負荷された力が増大するおよび／または減少すると、人工筋肉に掛かる張力も同様に影響を受ける。したがって、足竜骨の前方に向けて負荷された力の変動が、人工筋肉に掛かる張力の変動を決定付け、そして、義足の結果としての運動は、使用者の活動に関連して変化する。この実施形態の変更例として、カム１９２を作動させるためのソレノイドの替わりに、ウォーム・ギヤまたは単純なねじ装置を動作させ、検出した力に応じてカムと筋肉に掛かる張力とを調節することができる。
【００８５】
圧縮流体または空気が充填された図５４の袋２１０は、下肢のソケット２１１に装着されている。袋は、ソケットとのあいだに延在し、そして、ソケットに接続されている図５３の人工筋肉２１３と、図５３に示すような形状の本発明による義足とのあいだに配置されている。使用者は、義足の性能が最適になるよう活動の前に調節した張力を筋肉に掛けるために、弁２１４を介して袋内の流体の圧力を変更することができる。この実施形態の変更例として、人工筋肉の基部側端部を膝下方のソケットの基部側縁または義足の人工膝ハウジングに取り付けることもできる。さらに別の変更例においては、人工筋肉は、人のまたは人工の膝の基部に取り付けられる。この後者の方法の場合、人工筋肉は、膝と足関節の二つの関節に影響を及ぼす。
【００８６】
これにより、例示としての実施形態の説明を終える。本発明について数多くの実施形態についての図面を参照して説明したが、当業者はその他の数多くの修正例や実施形態を案出することが可能であり、それらは、この発明の原理の精神と範囲に含まれると了解されるものとする。たとえば、本発明による義足の腓脛部の下部は、放物線形または概ね放物線形に限定されるものではなく、それに替えて、足の足関節連結部を形成するために足竜骨に連結したとき、足が結果として所望の運動をするよう下向きに突出した、曲線形に構成することができる。また、種々の実施形態の特徴は、互いに組み合わせて用いることができる。より具体的には、本発明の精神から逸脱することなく、前述の開示の範囲、図面、および添付特許請求の範囲に含まれる構成部品および／または主題の組合せ構成に合理的な変更と修正を行うことが可能である。構成部品および／または構成配置について変更と修正を行うことが可能であることに加えて、当業者には、別の使用方法も明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明による義足の足竜骨と腓脛部の各々の曲率Ｒ1とＲ2を二つの隣接した円によって表した模式図であり、これにより、動的な応答能力と、歩行中の足の結果としての矢印Ｂ方向の運動、それは、二つの円を結んだ接線Ａに対して直交している、とが生み出される。
【図２】図１に類似の図であるが、接線Ａ1に直交した矢印Ｂ1が図１の場合より水平方向を向くよう、歩行中の足の動的応答能力と結果としての運動の水平成分を増大させ、かつ、垂直成分を減少させるために本発明による義足の二つの円のアラインメントを変更した形態を示す。
【図３】足切断者の下肢に足を固定するための支柱用アダプタと、それに接続された支柱とを備えた本発明の例示としての実施形態による義足の側面図である。
【図４】図３の支柱用アダプタと支柱を備えた義足の正面図である。
【図５】図３と４に示した実施形態の平面図である。
【図６】本発明による義足に用いることができ、とりわけ短距離走用の本発明による別の足竜骨の側面図である。
【図７】図６の足竜骨の平面図である。
【図８】図３に示した高低の応答特性とともに双方向への運動性が備えられた義足の足竜骨の下面図である。
【図９】サイム式足切断手術を受けた足切断者が短距離走を行うときにとりわけ好都合な、本発明による義足用の別の足竜骨の側面図である。
【図１０】図９の足竜骨の平面図である。
【図１１】サイム式による足切断者用であり、高低の応答特性とともに双方向への運動性が備えられている本発明による義足用の足竜骨のさらなる変更例である。
【図１２】図１１の足竜骨の平面図である。
【図１３】足竜骨の厚さにテーパが付けられ、たとえば、厚さが竜骨の足中央部から足後部にかけて漸減している本発明による足竜骨の側面図である。
【図１４】足竜骨の足中央部から足前部と足後部の両方にかけて厚さにテーパが付けられている別の形状の足竜骨の側面図である。
【図１５】腓脛部の上端にかけて厚さにテーパが付けられている、本発明による義足の放物線形の腓脛部を僅かに上部前方から見たときの側面図である。
【図１６】図１５に類似しているが、中央部から上端と下端の両方にかけてテーパが付けられている別の腓脛部を示す側面図である。
【図１７】腓脛部の厚さに中央部から上端と下端の両方にかけてテーパが付けられている、義足用のＣ字形腓脛部の側面図である。
【図１８】腓脛部の厚さが中央部から上端にかけて漸減している、義足用の別例としてのＣ字形腓脛部の側面図である。
【図１９】両端部から中央にかけて厚さが漸減している、義足用のＣ字形腓脛部の側面図である。
【図２０】上端部においてだけ厚さにテーパが付けられているＳ字形腓脛部の別例である。
【図２１】両端にかけてテーパが付けられている、本発明による義足用のＪ字形腓脛部の側面図である。
【図２２】図２１に類似しているが、厚さが上端にかけてだけ漸減しているＪ字形腓脛部を示す。
【図２３】図３に示したように腓脛部を足竜骨に取付けるための、本発明による調節式締着構造に用いられる合金製またはプラスチック製の連結要素を僅かに上方から見たときの側面図である。
【図２４】足切断者の下肢に取り付けられる支柱に足を連結するために、図３〜５に示した義足に用いられ、また、図２８と２９の足に用いても有用である支柱用アダプタを僅かに側部前方から見たときの図である。
【図２５】図３のそれに類似しているが、縦方向に離間して配置され、連結要素を腓脛部と足竜骨の各々に結合する二つの着脱式締着具とともに連結要素が用いられている状態を示す本発明による別の義足の側面図である。
【図２６】図２５の連結要素の拡大側面図である。
【図２７】図２５の義足の腓脛部の拡大側面図である。
【図２８】義足の使用時に、腓脛部に対する力の負荷と力からの解放に応答して腓脛部の上端部の運動範囲を制限するための運動制限・減衰装置が腓脛部の各々の端部に接続されていて、図３と２５に類似の義足の例示としてのさらなる実施形態の側面図である。
【図２９】図２８に示した義足を左側から見たときの当該義足の正面図であり、足の腓脛部の縦方向長孔が示されている。
【図３０】図２８に示した義足を右側から見たときの当該義足の背面図である。
【図３１】図２８に示した義足の底面図である。
【図３２】義足の使用時に、腓脛部に対する力の負荷と力からの解放の結果として生ずる腓脛部の上端部の運動の例を示す図２８に示された義足の腓脛部と足竜骨の側面図である。
【図３３】腓脛部の上端部の伸長運動の範囲だけを制限するために柔軟な帯が用いられていることを除くと図２８〜３２に類似の義足の例示としてのさらに別の実施形態の側面図である。
【図３４】足切断者の下肢に取り付けられた義足用ソケットに足を固定するために腓脛部の上端部に結合されたアダプタに配置されたアラインメント用連結装置を備え、アラインメント用連結装置は、義足用ソケットに対する足の内外方向および前後方向の摺動による調節ができるようにされている義足の別の実施形態の側面図である。
【図３５】図３４に示した足を左側から見たときの図３４に示された義足の正面図である。
【図３６】図３４に示した足を後方から見たときの図３４に示された義足の背面図である。
【図３７】本発明による右足用義足の別の足竜骨の平面図であり、足の後端が前面に対して平行であり、たとえば、足の縦軸Ａ−Ａに直交しており、さらに、足後部の基部に隣接した凹面部の縦軸Ｆ−Ｆも縦軸Ａ−Ａに直交している。
【図３８】図３７の足竜骨を外側の方向から見たときの当該足竜骨の側面図である。
【図３９】図３７と３８の足竜骨に類似しているが、縦軸Ａ−Ａに対して鈍角Δ’を成す足後部の基部に隣接した凹面部の縦軸Ｆ’−Ｆ’を有し、これにより、足後部の外側の突出片が内側の突出片より実質上長く、そして、柔軟になって、歩行するとき踵の接地時に足の上向きの屈曲を補助するようにされた本発明による別の足竜骨の平面図である。
【図４０】図３９に示した足竜骨を側方から見たときの当該足竜骨の側面図である。
【図４１】腓脛部の上部と腓脛部を足竜骨に連結する連結要素のあいだに接続されていて、弾性を備えるとともに、後方に配置の腓装置を有し、当該装置は、歩行中の力の負荷時に装置のばねにエネルギーを蓄え、力から解放されるときに蓄えたエネルギーを返還して、歩行中の義足によって推進力ために発生させられた運動力を増大させるようにされた義足の別の実施形態の側面図である。
【図４２】図４１に示した義足の背面図である。
【図４３】歩行中に推進力ために義足によって発生させられた運動力を増大させるための後方の腓装置を有する義足の別の実施形態の側面図であり、当該装置の長さ調節式帯が、腓脛部の上端部と足竜骨の前端とのあいだに張られている。
【図４４】図４３の義足の背面図である。
【図４５】足竜骨の各々の側部に接続されて後方に向けて延在する伸長用索が示されている、図４３と４４の義足の底面図である。
【図４６Ａ】歩行中に義足の位置エネルギーと足関節の矢状方向面の運動力とを増大させるために本発明の義足に用いられる人工筋肉の構成の各々の例を示す側面図である。
【図４６Ｂ】歩行中に義足の位置エネルギーと足関節の矢状方向面の運動力とを増大させるために本発明の義足に用いられる人工筋肉の構成の各々の例を示す側面図である。
【図４６Ｃ】歩行中に義足の位置エネルギーと足関節の矢状方向面の運動力とを増大させるために本発明の義足に用いられる人工筋肉の構成の各々の例を示す側面図である。
【図４６Ｄ】歩行中に義足の位置エネルギーと足関節の矢状方向面の運動力とを増大させるために本発明の義足に用いられる人工筋肉の構成の各々の例を示す側面図である。
【図４７Ａ】本発明の義足に用いられる、各々異なる形状の人工筋肉の側面図である。
【図４７Ｂ】本発明の義足に用いられる、各々異なる形状の人工筋肉の側面図である。
【図４７Ｃ】本発明の義足に用いられる、各々異なる形状の人工筋肉の側面図である。
【図４７Ｄ】本発明の義足に用いられる、各々異なる形状の人工筋肉の側面図である。
【図４７Ｅ】本発明の義足に用いられる、各々異なる形状の人工筋肉の側面図である。
【図４８Ａ】断面積が直線状に配置された１２個のユニットつまり面積単位によって表された長い人工筋肉の側面図である。
【図４８Ｂ】断面積は図４８Ａの人工筋肉と同数である１２個のユニットつまり面積単位を有しながらも、短くて、幅広い人工筋肉の側面図である。
【図４９】本発明による義足の足型つまり外被を側部下方から見たときの立面図であり、足型は、足型の足底の前部と後部とに接続された人工筋肉を有する。
【図５０】本発明による義足の足竜骨の側面図であり、足竜骨には、足竜骨の足底の前部と後部とに接続された人工筋肉が設けられている。
【図５１】人工筋肉、人工筋肉に張力を調節して掛けるためのカム、および、歩行中に義足によって掛けられた力を検出し、そして、検出した力に応答し、かつ、力の関数としてカムと人工筋肉に掛けられる張力を制御するための検出器を有する、本発明による義足の腓脛部と連結要素との側面図である。
【図５２Ａ】異なる大きさの各々の当てものの側面図であり、当てものは、義足と人工筋肉のあいだに選択的に用いることによって、使用者に義足の使用前に筋肉に予め張力を掛けて、義足の位置エネルギーを変化させることが可能なようにする。
【図５２Ｂ】異なる大きさの各々の当てものの側面図であり、当てものは、義足と人工筋肉のあいだに選択的に用いることによって、使用者に義足の使用前に筋肉に予め張力を掛けて、義足の位置エネルギーを変化させることが可能なようにする。
【図５２Ｃ】異なる大きさの各々の当てものの側面図であり、当てものは、義足と人工筋肉のあいだに選択的に用いることによって、使用者に義足の使用前に筋肉に予め張力を掛けて、義足の位置エネルギーを変化させることが可能なようにする。
【図５２Ｄ】異なる大きさの各々の当てものの側面図であり、当てものは、義足と人工筋肉のあいだに選択的に用いることによって、使用者に義足の使用前に筋肉に予め張力を掛けて、義足の位置エネルギーを変化させることが可能なようにする。
【図５３】本発明による義足を後方側部から見たときの立面図であり、使用者の下肢端部用のソケットと義足の腓脛部の下端とを接続するようにして義足に設けられた人工筋肉を示す。
【図５４】人の下肢端部用のソケットを後方側部から見たときの立面図であり、ソケットは、本発明による義足に用いると有用であり、また、義足に装着されるとともに、ソケットと人工筋肉（図示せず）のあいだに配置されて使用前に筋肉に予め調節された張力を掛けるために用いられる加圧流体が充填された袋を有する。
【図１】
2007530237.tif 000003
【図２】
2007530237.tif 000004
【図３】
2007530237.tif 000005
【図４】
2007530237.tif 000006
【図５】
2007530237.tif 000007
【図６】
2007530237.tif 000008
【図７】
2007530237.tif 000009
【図８】
2007530237.tif 000010
【図９】
2007530237.tif 000011
【図１０】
2007530237.tif 000012
【図１１】
2007530237.tif 000013
【図１２】
2007530237.tif 000014
【図１３】
2007530237.tif 000015
【図１４】
2007530237.tif 000016
【図１５】
2007530237.tif 000017
【図１６】
2007530237.tif 000018
【図１７】
2007530237.tif 000019
【図１８】
2007530237.tif 000020
【図１９】
2007530237.tif 000021
【図２０】
2007530237.tif 000022
【図２１】
2007530237.tif 000023
【図２２】
2007530237.tif 000024
【図２３】
2007530237.tif 000025
【図２４】
2007530237.tif 000026
【図２５】
2007530237.tif 000027
【図２６】
2007530237.tif 000028
【図２７】
2007530237.tif 000029
【図２８】
2007530237.tif 000030
【図２９】
2007530237.tif 000031
【図３０】
2007530237.tif 000032
【図３１】
2007530237.tif 000033
【図３２】
2007530237.tif 000034
【図３３】
2007530237.tif 000035
【図３４】
2007530237.tif 000036
【図３５】
2007530237.tif 000037
【図３６】
2007530237.tif 000038
【図３７】
2007530237.tif 000039
【図３８】
2007530237.tif 000040
【図３９】
2007530237.tif 000041
【図４０】
2007530237.tif 000042
【図４１】
2007530237.tif 000043
【図４２】
2007530237.tif 000044
【図４３】
2007530237.tif 000045
【図４４】
2007530237.tif 000046
【図４５】
2007530237.tif 000047
【図４６Ａ】
2007530237.tif 000048
【図４６Ｂ】
2007530237.tif 000049
【図４６Ｃ】
2007530237.tif 000050
【図４６Ｄ】
2007530237.tif 000051
【図４７Ａ】
2007530237.tif 000052
【図４７Ｂ】
2007530237.tif 000053
【図４７Ｃ】
2007530237.tif 000054
【図４７Ｄ】
2007530237.tif 000055
【図４７Ｅ】
2007530237.tif 000056
【図４８Ａ】
2007530237.tif 000057
【図４８Ｂ】
2007530237.tif 000058
【図４９】
2007530237.tif 000059
【図５０】
2007530237.tif 000060
【図５１】
2007530237.tif 000061
【図５２Ａ】
2007530237.tif 000062
【図５２Ｂ】
2007530237.tif 000063
【図５２Ｃ】
2007530237.tif 000064
【図５２Ｄ】
2007530237.tif 000065
【図５３】
2007530237.tif 000066
【図５４】
2007530237.tif 000067
【国際調査報告】
2007530237.tif 000068