(57)【要約】【課題】  ダイナミックでバイオニックな歩行を可能にする大腿義足を提供する。【解決手段】  本発明の大腿義足は、アダプタ（２）、膝関節（３）、義足下腿部（４）、及び、爪先を上げた状態の足部位置へ向って回動可能な義足足部（５）を有する。膝関節（３）は、伸張位置から屈曲位置への移行の間に、回動軸（６）の回りで回転と滑りが組み合わされた動きを行うように構成されている。回動軸（６）と義足足部（５）との間には、力伝達要素（８）が配置されている。膝関節（３）の屈曲位置は、コンバータによって一義的な電気信号に変換され、この電気信号はプログラマブル制御装置に送られ、そこでアクチュエータをコントロールするための信号が発生する。アクチュエータは、この信号に応じて、更なる屈曲に抗するまたは更なる屈曲のための膝関節（３）の抵抗を増大または減少させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大腿部の断端に取り付けられる大腿義足であって、
膝関節（３）のためのアダプタ（２）と、
このアダプタに取り付けられた膝関節（３）と、
この膝関節（３）に結合された義足下腿部（４）と、
この義足下腿部に取り付けられ、爪先を上げた状態の足部位置に向って回動可能な義足足部（５）と、を有し、
前記膝関節（３）は、伸張位置から屈曲位置への移行の間に、回動軸（６）の回りで回転と滑りが組み合わされた動きを行うように構成され、それによって、前記回動軸（６）の前方（背面から見たとき）の点（Ｄ）から、前記義足下腿部（４）の端部（７）までの間隔が、屈曲の増大に伴い次第に減少するか、あるいは、前記回動軸（６）の前方（前面から見たとき）の点（Ｖ）から前記義足下腿部（４）の端部までの間隔が、次第に増加するようになっており、
前記回動軸（６）の前方（背面から見たとき）の少なくとも１つの支持点、または、前記回動軸（６）の前方（前面から見たとき）の１つの支持点と、前記義足足部（５）との間に、力伝達要素（８）が配置され、
この力伝達要素（８）は、前記膝関節（３）を屈曲する間に、爪先を下げた状態の足部位置から爪先を上げた状態の足部位置へ、大きな程度で前記義足足部（５）を動かし、
前記膝関節の各屈曲位置はコンバータによって一義的な電気信号に変換され、この電気信号はプログラマブル制御装置に供給され、この制御装置は電気的に調節可能なアクチュエータをコントロールするために使用される信号を発生し、このアクチュエータは、この信号に対応して、更なる屈曲に抗してまたは更なる屈曲のための膝関節の抵抗を増大または減少させること、
を特徴とする大腿義足。
【請求項２】
前記力伝達要素（８）は、前記膝関節（３）及び前記義足足部（５）に取り付けられた連結ロッドを有することを特徴とする請求項１に記載の大腿義足。
【請求項３】
前記義足足部（５）は、前面側の回動点（９）の回りで回動することができるように、前記義足下腿部（４）に結合されており、
前記力伝達要素（８）は、背面側の支持点（１０）で前記義足足部（５）に取り付けられていること、
を特徴とする請求項２または３に記載の大腿義足。
【請求項４】
有効長さの調節可能なフレキシブルバンド（１２）が、前記義足足部（５）と前記義足下腿部（４）のサポート（１１）との間に張られ、たるみが、前記膝関節（３）の屈曲を増大させるために増大することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の大腿義足。
【請求項５】
前記義足足部（５）をオリジナル位置（爪先を下げた状態の足部位置）へ向って戻す復帰要素が、屈曲の後に前記膝関節（３）の伸張させるために、前記力伝達要素（８）に組み込まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の大腿義足。
【請求項６】
前記復帰要素は、螺旋バネを収容するガイドスリーブと、前記連結ロッドの一部として前記スリーブの中でガイドされるプランジャと、を有し、
それによって、前記膝関節（３）の屈曲を増大させるために、前記バネが次第に圧縮され、また、前記膝関節（３）を伸張させるために、バネ力が前記義足足部（５）を前記オリジナル位置へ回動させるようになっていること、
を特徴とする請求項５に記載の大腿義足。
【請求項７】
前記ガイドスリーブは、前記義足下腿部（４）に取り付けられたハウジング内に支持されていることを特徴とする請求項６に記載の大腿義足。
【請求項８】
前記アクチュエータは、数個の調節可能なバルブを有する液圧シリンダであることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の大腿義足。
【請求項９】
前記コンバータは、屈曲の動作をガイドレールの中でガイドされた測定ブロックの並進運動に変換し、
この測定ブロックは、前記膝関節の屈曲位置を表わす信号を、連結されたセンサの中に発生させること、
を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の大腿義足。
【請求項１０】
前記測定ブロックは磁石であり、前記センサはホールセンサであることを特徴とする請求項９に記載の大腿義足。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大腿部の断端に取り付けられる大腿義足（leg prosthesis）に係る。そのような大腿義足は、独国特許出願公開ＤＥ−Ａ−１９９５３９７２号明細書に記載されている。その大腿義足は、膝関節のためのアダプタを備え、このアダプタは、支柱（post）で患者の大腿骨の断端に固定される。このアダプタは、その末端部で大腿部の断端から出てきており、そこで、人工膝関節に結合することができる。それは、例えば、欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３５８０５６号明細書に記載されている。
【背景技術】
【０００２】
義足下腿部（prosthetic lower leg）は、その末端部に義足足部（prosthetic foot）（以下において、足首から先の部分を足部と呼ぶ）が取り付けられ、膝関節に結合される。この義足足部は、前に向いた足部位置（爪先を下げた状態）から、上に向いた足部位置（爪先を上げた状態）に回動することができる。
【０００３】
欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３５８０５６号明細書の中で提案されている膝関節は、伸張位置から屈曲位置への移行のために、回動軸の回りでの回転と滑りが組み合わされた動きを行うように構成されている。純粋なヒンジ関節と対比すると、大腿義足のこの一般的なタイプの膝関節は、回動軸の前方（背面から見たとき）に位置している膝関節のポイントと義足下腿部の端部との間の距離が、連続的に減少するように構成されている。別の言い方をすれば、回動軸の前方（替わりに、前面から見たとき）に位置するポイントと義足下腿部の端部との間の距離が、連続的に増加するように形成されている。
【０００４】
部分的に切断された大腿を有する患者にとっての１つの問題は、数ある中でも、新しい一歩のために大腿義足で義足足部を前方へ振り出すために、患者が、強く爪先を下げた状態の足部位置（toes-down foot position）で、健康な方の足で歩かなければならないことである。このことは、義足足部が義足下腿部で回動可能か、あるいはリジッドに固定されているかどうかに関係なく、当てはまる。義足足部を振り出すことを可能にすべく、健康な方の人の足部（natural foot）に、過度なあるいは極端な爪先を下げた状態の足部位置を取らせる必要性は、むしろ、非生理学的なタイプの動きを生じさせ、従って、歩いている間に大きな応力が脊柱にかかることになる。
【０００５】
上記公報に示されている一般的なタイプから、回動軸の前方（背面から見たとき）に位置する少なくとも１つの支持点、および／または、回動軸の前方（前面から見たとき）に位置する支持点と、義足足部との間に力伝達要素を配置し、膝関節を屈曲する際に、この力伝達要素で、義足足部を、爪先を下げた状態の足部位置（または、人工足部の中立位置）から、爪先を上げた状態の足部位置（toes-raised foot position）へ大きく動かすことを思い付くことができる。このようにすれば、人工の下腿を振り出すことを可能にすべく、健康な方の人の足部に、非生理学な爪先を下げた状態の足部位置を取らせる必要性がもはや存在せず、動きのシーケンスがより自然になる。
【０００６】
一般的なタイプの大腿義足は、既に、基本的な技術水準に対して明確な進歩を実現しているとは言え、ダイナミックでバイオニックな歩行の生成、即ち、自然で心地良い歩行を可能とするまでには至っていない。その理由は、義足下腿部を振り出す動きが、広範囲に渡って同じであることによる。これとは異なり、人の下腿では、膝関節の動きはその屈曲位置の関数として変化する。従って、屈曲した状態において、即ち、約９０°の範囲において、膝は比較的自由に動くことができる。屈曲角度を減少するに従って、即ち、下腿の伸張のために、更なる屈曲に抗する抵抗が増大する。下腿が伸びた状態において、膝関節は事実上リジッドである。
【０００７】
膝の更なる屈曲に抗する抵抗力が変化しないので、上記公報に示されている一般的なタイプの大腿義足では、ダイナミックでバイオニックな歩行が損なわれることになる。
【特許文献１】独国特許出願公開ＤＥ−Ａ−１９９５３９７２号明細書
【特許文献２】欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３５８０５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上の背景に鑑みて、本発明の目的は、この問題に対する救済を実現すること、即ち、一般的なタイプの大腿義足を改良して、ダイナミックでバイオニックな歩行を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、膝関節の各屈曲位置がコンバータによって一義的な（unambiguous）電気信号に変換され、この電気信号がプログラマブル制御装置に供給され、それが信号を発生させ、この信号を用いて、電気的に調節可能なアクチュエータを制御することによって、実現される。このアクチュエータは、上記の信号に応じて、更なる屈曲に抗してまたは更なる屈曲のための膝関節の抵抗を増大または減少させる。
【００１０】
このようにして、前述の抵抗は、本発明による大腿義足（leg prosthesis）において電子的に制御される。１６０°から１８０°の範囲内で伸びた下肢に対して、抵抗は下肢が事実上リジッドであるように高く設定される。１２０°と１３５°の間の移行範囲において、膝はしっかり固定された状態に位置決めされるが、しかし、屈曲する動きが可能である。膝が屈曲した状態において、下腿は自然な外観に応じて比較的自由に動くことができる。制御のための必要条件は、膝関節の屈曲位置の検出及び電気信号の一義的な設定であり、それを用いて、更なる制御が行われる。一義的な屈曲位置とは、屈曲角度だけではなく、膝関節の屈曲を増大するための膝の下方部分に対する上方部分の後方への並進運動を意味する。
【００１１】
これは、この膝関節の特性であり、上述の欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３５８０５６号明細書に記載されている。単純な棒ヒンジは、欧州特許ＥＰ−Ｂ−０５４９８５５号明細書で使用されているが、このような特性を示すことができない。単純な棒またはヒンジ関節を有する膝関節は、上記の条件を満たしていない。即ち、回動軸の前方（背面から見たとき）に位置する点と義足下腿部（prosthetic lower leg）の端部との間の距離が、膝関節の屈曲の増大に伴い次第に減少する。予め定められたポール・カーブ（pole curve）は、伸張位置から屈曲位置へ向かう第一の動きのために、例えば、同様に距離の減少を伴う。
【００１２】
しかしながら、死点に到達した後、その距離が再び増加する。大腿義足が伸張位置から屈曲位置への膝関節の完全な動きを行うためには、このことは、足部が最初は爪先を上げた状態の足部位置まで容易に回動するが、上述の死点を通過した後、足部はオリジナル位置または爪先を下げた状態の足部位置へ回動して戻ろうとする。その結果、膝関節の完全な屈曲状態で、義足下腿部に対して足部の準−爪先を下げた状態の足部位置（quasi toes-down foot position）が存在することになる。従って、それぞれの屈曲位置ごとに一義的な電気信号を発生させることは不可能である。
【００１３】
好ましい実施形態によれば、力伝達要素は、膝関節と義足足部（prosthetic foot）とに取り付けられる連結ロッドとにより構成される。例えば、連結ロッドは、その基端部で膝関節の背面領域に取り付けられ、それによって、取り付け点から義足下腿部の端部までの間隔が減少するときに、オリジナル位置から所望の爪先を上げた状態の足部位置への義足足部の回動動作を行うために、それを使用することができるようになる。
【００１４】
もし、大腿義足が、有利な効果を生ずる下記の改良に従って形成された場合には、義足足部は、伸張位置から屈曲位置への膝関節の動きの間に、爪先を上げた状態の足部位置へ特に確実に動く。その改良では、義足足部が義足下腿部に連結され、それによって、義足足部が前面側の回動点の回りで回動することができるようになる。また、その改良では、力伝達要素が背面側の支持点で義足足部に取り付けられる。この力伝達要素は、前面側の回動点回りのトルクを発生させ、それによって、義足足部が爪先を上げた状態の足部位置へ確実に回動する。
【００１５】
特に好ましい実施形態によれば、フレキシブルバンドが設けられる。このフレキシブルバンドは、その有効長さを調節することが可能であり、義足足部と義足下腿部の支承部との間に張られ、そのたるみは、膝関節の屈曲が増大するのに伴い増大する。
【００１６】
このバンドは、本質的に人のアキレス腱の機能を担う。このバンドの主な機能は、膝関節が伸張した位置において足部をオリジナル位置に戻すことである。このバンドは、更に、義足足部の爪先を下げた状態の足部位置の個々の設定のために使用される。それは、例えば、バンドの有効長さがねじ付き止め具により調節可能であることに基づいており、このねじ付き止め具に、このバンドの適切な端部がねじで接続される。このような調節は、通常、踵の違いのために患者ごとに異なる。
【００１７】
好ましくは、力伝達要素の中に復帰要素が組み込まれる。この復帰要素は、膝が屈曲された後で伸ばされるとき、能動的に義足足部をそのオリジナル位置へ戻す。この能動的な復帰要素は、膝の屈曲位置から伸張位置への動きの開始の時に、上述のバンドの動きを支える。ここで、上述の力伝達要素は、第一に復帰効果を開始させ、これに対して、上記のバンドは、伸張位置に近付くときにその効果を第一に示す。
【００１８】
上述の改良において、好ましくは、上記の復帰要素は、螺旋バネを収容するガイドスリーブと、連結ロッドの一部としてこのスリーブの中でガイドされるプランジャと、を有する。それによって、膝関節の屈曲の増大に伴ない、バネが次第に圧縮され、また、膝関節の伸張に伴ない、バネ力が義足足部をオリジナル位置へ回動させるようになる。このようにして、膝が屈曲されれば屈曲されるほど、復帰要素の中で発生するバネ力が大きくなる。ガイドスリーブを、義肢大腿部に固定されたハウジング内に取り付けることが効果的である。これにより、小型のユニットが構成され、患者が操作することが容易になる。
【００１９】
特に好ましくは、電気的に調節可能なアクチュエータが、数個の調節可能なバルブを備えた液圧シリンダとして構成される。上述の電気信号は、膝関節の各屈曲位置を一義的に表わし、コンバータから送られる。この電気信号は、制御装置内で更に処理された後に、前記電気的に調節可能なバルブをコントロールするために使用され、それらのバルブは、シリンダ内の液圧流体の流れに影響を及ぼす。この液圧制御は、液圧シリンダのピストンを動かすために用いられる力を調整する。
【００２０】
液圧シリンダ以外のアクチュエータ、例えば、磁気ブレーキが考えられる。かなりユニークであることは、アクチュエータが、更なる屈曲のためまたは更なる屈曲に抗する膝関節の抵抗をコントロールすることである。アクチュエータが発生する力は、適切な機構、例えば、膝関節の上部部分に係合する少なくとも一つの連結バンドの配置によって実現化される。
【００２１】
膝の対応する屈曲位置に依存して、足部は、力伝達要素によって、爪先を下げた状態の足部位置から爪先を上げた状態の足部位置へ確実に回動され、各屈曲位置に対して、膝関節の更なる屈曲に抗するまたは更なる屈曲のための抵抗が設定される。これにより、構想されたダイナミックでバイオニックな動きのシーケンスが実現される。
【００２２】
好ましくは、コンバータは、各屈曲位置ごとに一義的な信号を発生する。このコンバータは、屈曲の動きを、ガイドレール内でガイドされている測定ブロックの並進運動に変換する。この測定ブロックは、膝関節の屈曲位置を表わす信号を、結合されたセンサの中に発生させる。
【００２３】
屈曲動作のための膝関節の複雑な動きの変換は、回転と滑りの動きを表わすものであって、簡単なものでない。例えば、膝の屈曲軸まわりの回転ポテンショメータの使用では、所望の目標には到達しない。その理由は、このようにして発生する信号では、下方部分に対する上方部分の並進運動の中のいずれの部分も、膝関節の後方への屈曲の増大を全く表さないからである。好ましくは、上記の測定ブロックは、少なくとも１つの連結バンドに連結され、この連結バンドによって、アクチュエータが、それにより発生した力を膝関節の中にガイドする。
【００２４】
コンバータで発生させた信号は、プログラマブル制御装置に供給され、そのプログラマブル制御装置は、患者特有の信号を発生する。各患者ごとに、動きのシーケンスを個々にプログラムすることが可能である。即ち、膝関節の各屈曲位置ごとに抵抗力を設定することが可能であり、その抵抗力は、アクチュエータにより発生し、患者に固有である。このテーブルは、一種のルックアップテーブルとして作られ、手動で決定される。そこでは、例えば、上記のフレキシブルバンドの有効長さ、及び、膝関節の特定の屈曲位置におけるアクチュエータの抵抗を設定することが可能である。このようして決定された値は、例えば、ラップトップによってプログラマブル制御装置に格納することが可能であり、それにより使用可能となる。
【００２５】
コンバータの特に好ましい構成では、測定ブロックは磁石であり、この磁石に組み合わされるセンサはホールセンサであり、このホールセンサを磁石が通過する。この磁石は、アクチュエータの力を伝達するための連結バンドに連結される。このような構成の大きな利点は、摩耗及び断裂のおそれが全くないことである。
【００２６】
制御装置、アクチュエータ、及びオプションであるコンバータへの電力の供給は、大腿義足に配置されるバッテリまたは蓄電池によって実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明を、図面を参照しながら、実施形態の中でより詳細に説明する。
【００２８】
以下において、同様な部分には同一参照符号が付されている。
【００２９】
大腿義足はアダプタ２を有し、そのアダプタ２が患者の大腿部の断端３０に連結される。それは、このアダプタ２を大腿骨の断端３１に固定することによりなされる。アダプタ２の結合要素３２に対して膝関節３が結合され、その膝関節３に末端部で義足下腿部４が連結され、最終的に、その義足下腿部４に義足足部５が接続される。それは、義足足部５を回動可能に義足下腿部４に連結することによりなされる。
【００３０】
膝関節３は、回動軸６を有し、その回動軸６の回りで膝関節３の大腿部分が下腿部分４に対して回動することができる。膝関節３は、特殊な特性を有しており、伸張位置から屈曲位置への移行の間に、回動軸６の回りで回転と滑りを組み合わせた動きを行う。これにより、回動軸６の前方（背面から見て）の点Ｄから義足下腿部４の端部７までの間の距離が、次第に減少する。これに対応して、回動軸６の前方（前面から見て）の点Ｖの上記間隔が、膝関節３の伸張位置から屈曲位置への動きを行う間に、次第に増加する。
【００３１】
義足足部５は、義足下腿部４の端部７に前面側の回動点９の周りで回動可能に取り付けられている。義足足部５が回動点９の回りで回動するとき、義足足部５は爪先を上げた状態の足部位置へ向けて動く。これは、図１の中に、足部の領域及び膝の領域の中の一連の放射線によって示されている。膝が示された矢印の方向へ屈曲するとき、義足足部は示された矢印の方向に持ち上げられる。
【００３２】
膝関節３の動きと義足足部５の動きとの結合は、力伝達要素８によって実現される。その力伝達要素８は、膝関節３に基部近くで取り付けられている。力伝達要素８の力は、背面からアタッチメント部品３３の中に支持点１０で導入される。アタッチメント部品３３は、ここで、人の足首関節の機能を担う。
【００３３】
これに加えて、ここに示された実施形態では、フレキシブルバンド１２が、義足下腿部４に固定されているサポート１１と義足足部５との間で、背面に張られている。このバンド１２は、例えば、フレキシブルなスチール・コードから作られている。このバンドは、人のアキレス腱の機能を担う。このバンドは、膝関節３の屈曲位置から伸張位置への移行の間に、義足足部５をオリジナル位置へ完全に振り戻す役割を担う。
【００３４】
それに加えて、このバンドは、義足足部５の爪先を上げた状態の足部位置の個々の調節のために使用される。この目的のために、このバンド１２は、その基端部にねじ付きスリーブを備え、そのスリーブは、内ネジを有するアタッチメント１９と相互作用し、また、サポート１１とも相互に作用し、それによって、アタッチメント１９がサポート１１上でのストップを形成する。アタッチメント１９のネジを回すことによって、オリジナルの足部位置（爪先を下げた状態の足部位置）を、患者に合わせて設定することができる。
【００３５】
図示されてはいないが、復帰要素が力伝達要素の中に収容され、この復帰要素は、屈曲の後に膝関節３が伸張する間に義足足部５をオリジナル位置に戻す。
【００３６】
ピストンロッド２２を備えた液圧シリンダ２１が義足下腿部４の中に配置されている。この液圧シリンダ２１は、更なる屈曲に抗するまたは更なる屈曲のために膝関節の抵抗を調節するためのアクチュエータとしての役割を担う。ここで、液圧シリンダ２１には、多室式バルブ（図示せず）によって適切に作動流体が供給される。この多室式バルブは、プログラマブル制御装置（図示せず）によって電子的に制御することができる。この制御装置は、コンバータ（図示せず）から信号を受け取り、膝関節３の現在の屈曲位置を一義的な電気信号に変換する。膝関節３の屈曲位置は、それに対応して、液圧シリンダ２１に適切な力を発生させ、その力はピストンロッド２２を介して伝達される。
【００３７】
少なくとも１つの連結バンド２３が膝関節３の背面側に取り付けられ、連結バンドのもう１つの端部は、液圧シリンダ２１のピストンロッド２２に連結されている。この少なくとも１つの連結バンド２３によって、液圧シリンダ２１は膝関節３の更なる屈曲に抗する抵抗をコントロールする。
【００３８】
測定ブロック（図示せず）は、ガイドレール内でガイドされ、センサの一部である。この測定ブロックは、連結バンド２３に連結される。膝関節３の屈曲が増大するとともに、この測定ブロックが連結バンド２３により更に下方に移動する。ここで、測定ブロックがセンサ（図示せず）、好ましくはホールセンサ、を通過する。この測定ブロックが磁石である場合、それによって信号が発生する。この信号は、膝関節３のそれぞれの位置を一義的に表わし、更なる処理のために既に述べた制御装置に送られる。
【００３９】
とりわけ、本発明による大腿義足において本質的な部分は、膝関節３の屈曲と義足足部５の回動との間の強制された結合の存在のみではなく、更なる屈曲に抗するまたは更なる屈曲のための膝関節の抵抗が、膝のそれぞれの屈曲位置に応じて増大または減少することである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】大腿義足の全体の概略側面図。
【図２】足部を備えていない義肢の前面図。
【図３】膝関節及び義足下腿部の背面図。
【符号の説明】
【００４１】
Ｄ・・・背面から見て回動軸の前方の点、Ｖ・・・前面から見て回動軸の前方の点、２・・・アダプタ、３・・・膝関節、４・・・義足下腿部、５・・・義足足部、６・・・回動軸、７・・・義足下腿部の端部、８・・・力伝達要素、９・・・前面側の回動点、１０・・・支持点、１１・・・サポート、１２・・・フレキシブルバンド、１９・・・アタッチメント、２１・・・液圧シリンダ、２２・・・ピストンロッド、２３・・・連結バンド、３０・・・大腿部の断端、３１・・・大腿骨の断端、３２・・・結合要素、３３・・・アタッチメント部品。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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