DE20217355U1

DE20217355U1 - Orthese

Info

Publication number: DE20217355U1
Application number: DE20217355U
Authority: DE
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2012-11-13

Description

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25.	G 22100 - September	leps 2002

FESTO AG & Co, 73734 Esslingen

Orthese

Die Erfindung betrifft eine Orthese, insbesondere eine Knie-Orthese zur äußeren Abstützung und Führung eines Kniegelenks, mit einem Fersen- und Fußteil und einer damit verbundenen Unterschenkelschiene, die über ein Schwenkgelenk mit Verriegelungsmechanismus mit einer Oberschenkelschiene schwenkbar verbunden oder verbindbar ist, und mit einem im Fersen- und Fußteil angeordneten Auslöseelement zur Betätigung des Verriegelungsmechanismus.

Derartige Orthesen dienen zur postoperativen Behandlung von Frakturen oder Gelenkoperationen im Kniebereich und stabilisieren das Kniegelenk durch eine mit dem Unterschenkel sowie dem Oberschenkel verbundene Abstützung. Um ein defektes Kniegelenk optimal abzustützen, muss eine solche Knieorthese mehrere Aufgaben erfüllen. Zum einen darf sie keine Verdrehungen zulassen, was durch ein um eine definierte Schwenkachse schwenkbares Gelenk erreicht werden kann. Zum anderen darf dieses Schwenkgelenk nur einen begrenzten Schwenkwinkel zulassen, um beispielsweise eine Überdehnung der Bänder im Knie zu verhindern. Insbesondere darf keine Schwenkbewegung züge-

lassen werden, die ein Durchdrücken des Kniegelenks nach hinten bedeuten würde.

Um beim Gehen eine ausreichende Stabilität zu gewährleisten, muss die Knieorthese einen entsperrbaren Verriegelungsmechanismus aufweisen, um einem Durchknicken des Beins beim Auftreten entgegen zu wirken. Derartige Verriegelungsmechanismen sind der Anmelderin als seilzugbetätigte Sperrklinken o. dgl. bekannt. Eine derartige Seilzugbetätigung weist jedoch mehrere Nachteile auf, Zum einen muss relativ viel Energie zum Auslösen der Betätigungselemente aufgewendet werden. Zum anderen ist eine derartige Seilzugführung nicht sehr präzise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Orthese der eingangs genannten Art mit einem ver- und entriegelbaren Schwenkmechanismus zur Verfügung zu stellen, die eine einfach und zuverlässig betätigbare Verriegelungsmechanik aufweist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird bei einer Orthese der eingangs genannten Art durch ein mittels Fußkraft betätigbares und mit einem fluidisch betätigbaren Aktor des Verriegelungsmechanismus in Verbindung stehendes fluidisches Auslöseelement gelöst.

Eine erfindungsgemäße Orthese, insbesondere eine Knieorthese zur äußeren Abstützung und Führung eines Kniegelenks weist

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einen Fersen- und Fußteil und eine vorzugsweise einstückig mit diesem ausgebildete Unterschenkelschiene auf, die über ein Schwenkgelenk mit Verriegelungsmechanismus mit einer 0-berschenkelschiene schwenkbar verbunden oder verbindbar ist. Im Fersen- und Fußteil ist ein Auslöseelement zur Betätigung des Verriegelungsmechanismus angeordnet, das erfindungsgemäß mittels Fußkraft betätigbar ist und mit einem fluidisch betätigbaren Aktor des Verriegelungsmechanismus zusammen wirkt. Vorzugsweise ist das Auslöseelement im Fersen- und Fußteil ein komprimierbares Fluidreservoir, beispielsweise in Form eines Flüssigkeits- oder Gasbalges, der durch Auftreten mit der Ferse komprimiert werden kann, wodurch das darin gespeicherte Druckfluid in Richtung zum Aktor bewegt wird und für dessen Betätigung sorgt. Gegenüber den bisher bekannten seilzugbetätigten Orthesen weist diese erfindungsgemäße Orthese den Vorteil einer äußerst geringen Betätigungskraft sowie einer sehr präzisen Ver- und Entriegelung des Schwenkgelenks auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das Auslöseelement kann eine mechanisch betätigte pneumatisch oder hydraulisch wirkende Pumpe, insbesondere ein Balg, sein. Für ein bestimmtes benötigtes Verdrängungsvolumen sind hierbei nur relativ kleine Hübe notwendig. Da die erfindungsgemä-

ße Orthese die Verwendung eines normalen Laufschuhs ermöglicht, ergibt sich durch den relativ geringen Hub ein sehr angenehmes Laufgefühl. Der Schuhverschleiß ist hierbei sehr gering, da eine nur geringe Relativbewegung zum Fersen- und Fußteil der Orthese auftritt.

Bei einer ausreichend großen Fläche des Auslöseelements ist zur Betätigung des Aktors nur eine sehr geringe Auslösekraft notwendig. Auch die typischerweise vorhandene Dämpfwirkung zwischen Schuh und Absatz vermag die Auslösung nicht zu beeinträchtigen. Bei einer Realisierung mittels einer Bowdenzugmechanik wäre eine sehr große Übersetzung notwendig, die relativ kompliziert wäre und ein großes Bauvolumen nach sich ziehen würde.

Der Verriegelungsmechanismus weist vorzugsweise eine in Kämmeingriff bringbare Verzahnung auf, die für eine Sperrwirkung des Schwenkmechanismus in einer bestimmten Winkelstellung sorgen kann. Vorzugsweise weist das Schwenkgelenk einen Schwenkwinkel von bis zu 90° oder leicht darüber hinaus auf. Der Verriegelungsmechanismus sorgt für eine Sperrwirkung des Schwenkgelenks in einer vorgegebenen Winkelstellung zwischen 0 und 90°.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Oberschenkel- und die Unterschenkelschiene jeweils mit einer Ver-

zahnung des Schwenkgelenks in Verbindung stehen. Eine Verriegelung bzw. Entriegelung des Schwenkgelenks in beliebiger Winkelstellung eines vorgegebenen Schwenkbereichs kann durch in Kämmeingriff bzw. aus dem Kämmeingriff gebrachte Verzahnungen ermöglicht werden. Eine mit der Oberschenkelschiene bzw. der Unterschenkelschiene verbundene Verzahnung zweier aufschwenkbarer Backenteile mit jeweils kreisringsegmentförmiger Innenverzahnung wirken mit einem mit der Unterschenkel- bzw. Oberschenkelschiene drehfest verbundenen Zahnradsegment zusammen, das eine mit der Innenverzahnung der Backenteile korrespondierende Außenverzahnung aufweist. Die Backenteile sind vorzugsweise mit Hilfe des Aktors aufschwenkbar. Der Aktor kann beispielsweise mit den Backenteilen über eine Kulissenführung gekoppelt sein. Der linear arbeitende Aktor kann beispielsweise mit einem Gleitstein zusammenwirken, der zwei schräge Führungen, zum Beispiel Führungsnuten oder Führungsschlitze aufweist, in denen jeweils ein Gleitzapfen jedes Backenteils gleitet.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Verzahnungen keine Selbsthemmung aufweisen, also bei nicht mit Druckfluid beaufschlagtem Aktor ohne Kraftanstrengung aus ihrem Verzahnungseingriff gebracht werden können.

Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das geschlossene hydraulische oder pneumatische System zu nennen,

das eine nahezu völlige Wartungsfreiheit ermöglicht. Als Druckfluid kann nahezu jedes geeignete Gas oder jede geeignete Druckflüssigkeit eingesetzt werden, beispielsweise Luft oder Wasser.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Orthese,

Figur 2 ein Prinzipschaltbild der Zusammenwirkung des Auslöseelements mit dem Aktor,

Figur 3 ein Schwenkgelenk der Orthese mit erfindungsgemäßem Verriegelungsmechanismus,

Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung des Schwenkgelenks entlang der Schnittlinie IV-IV der Figur 3,

Figuren perspektivische Schemadarstellungen des Schwenkge-5 und 6 lenks im ver- bzw. entriegelten Zustand und

Figur 7 das Schwenkgelenk in teilweise geschwenktem und verriegeltem Zustand.

Eine erfindungsgemäße Orthese 2 umfasst ein Fersen- und Fußteil 4, das entweder zur Aufnahme eines Schuhs oder eines Fußes ohne Schuh vorgesehen ist. Das Fersen- und Fußteil 4 ist in einer Verlängerung nach oben mit einer Unterschenkelschiene 8 verbunden, die beispielsweise durch eine Schnallenvorrichtung oder mittels Bändern an einem Unterschenkel befestigbar ist. Die Unterschenkelschiene 8 weist an einem oberen Ende einen unteren Verbindungsarm 12 eines erfindungsgemäßen Schwenkgelenks 10 auf, das eine Verschwenkung eines oberen Verbindungsarms 14 gegen den unteren Verbindungsarm 12 ermöglicht. Der obere Verbindungsarm 14 ist mit einer Oberschenkelschiene 9 (nur ansatzweise dargestellt) verbunden. Am Schwenkgelenk 10 ist ein fluidisch betätigbarer und vorzugsweise als Linearaktor ausgebildeter Aktor 18 vorgesehen, der über eine Fluidleitung 20 mit einem Auslöseelement 6 im Fersen- und Fußteil 4 verbunden ist. Das Auslöseelement 6 befindet sich unterhalb des Fersenbereichs des Fußes und wird durch eine Gehbelastung komprimiert, wodurch das darin gespeicherte Druckfluid über die Fluidleitung 2 0 in den Aktor gedrückt wird und für dessen Betätigung sorgt. Bei komprimiertem Auslöseelement 6 wird das Schwenkgelenk 10 durch einen Verriegelungsmechanismus (vgl. Figuren 3 bis 7) gesperrt, so dass eine annähernd normale Gehbewegung auch bei defektem Kniegelenk ermöglicht ist.

Figur 2 zeigt das Zusammenwirken des Auslöseelements 6, das beispielsweise als Balg oder dgl. ausgestaltet ist, und des damit über die Fluidleitung 20 wirkverbundenen Aktors 18. Der Aktor 18 ist vorzugsweise als Linearhubzylinder 22 ausgestaltet, dessen Hubstange 26 durch Druckbeaufschlagung gegen die Federkraft einer Rückholfeder 24 linear beweglich ist.

Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße Schwenkgelenk 10 mit dem darin angeordneten Verriegelungsmechanismus 16 in schematischer Darstellung. Über das Schwenkgelenk 10 ist der untere Verbindungsarm 12 mit dem oberen Verbindungsarm 14 schwenkbar verbunden. Am unteren sowie am oberen Verbindungsarm 12, 14 sind jeweils Verbindungsstellen 28 zur festen Verbindung mit der Unterschenkelschiene 8 bzw. der Oberschenkelschiene 9 vorgesehen. Diese Verbindung kann beispielsweise mittels Vernieten oder Verschrauben o. dgl. erfolgen. Der untere Verbindungsarm 12 sowie der obere Verbindungsarm 14 weisen jeweils eine zweifache Abwinkelung auf, so dass die Verbindungsstellen 28 in einer um 180° gegenüber liegenden Stellung jeweils annähernd miteinander fluchten, das Schwenkgelenk 10 sich jedoch nicht auf einer Linie mit den Verbindungsstellen 28 befindet. Diese Abwinkelung erleichtert den Ansatz des Aktors 18 sowie die Abstützung des oberen Verbindungsarms 14 auf den unteren Verbindungsarm 12 zur Begrenzung des maximalen Schwenkwinkels (vgl. Figur 7).

Das Schwenkgelenk 10 weist eine zentrale Welle 3 8 auf, die gleichzeitig eine Schwenkachse des Gelenks darstellt. Mit der Welle 3 8 ist ein Zahnradsegment 34 drehfest verbunden, das wiederum mit dem oberen Verbindungsarm 14 über Mitnehmerzapfen 40 verbunden ist. Das Zahnradsegment 34 weist zwei gegenüber liegende Verzahnungsabschnitte mit jeweils einer Außenverzahnung 3 6 auf, die mit einer entsprechenden Innenverzahnung 32 zweier gegeneinander schwenkbaren Backenteile 3 0 korrespondiert. Bei zusammengedrückten Backenteilen 30 wird das Zahnradsegment 34 fest in der entsprechenden momentanen Winkelstellung gehalten, so dass der Verriegelungsmechanismus 16 gesperrt ist. Die Backenteile 30 sind jeweils an einer mit dem unteren Verbindungsarm 12 verbundenen Schwenklagerung 48 gelagert und können durch Betätigung des Aktors 18 auseinander oder zusammengedrückt werden.

Die Hubstange 26 des Hubzylinders 22 des Aktors 18 wirkt vorzugsweise in paralleler Richtung zur Längserstreckungsrichtung des unteren Verbindungsarms 12. Bei nach oben gedrückter Hubstange 26 des Aktors 18 wird ein Gleitstein 42 derart nach oben bewegt, dass damit die Backenteile 3 0 fest aneinandergedrückt und das Zahnradsegment 34 dadurch in seiner Winkelstellung fixiert wird. Bei entspanntem Aktor 18 drückt dessen Rückholfeder 24 - auch eine gesonderte Rückholfeder wäre möglich - die Hubstange 26 nach unten, so dass die Backenteile 3 0 sich auseinander bewegen können. Diese Bewegung wird un-

terstützt durch eine dreieckförmige Verzahnung der Innenverzahnung 32 sowie der Außenverzahnung 36, die somit keine Selbsthemmung bewirken.

Figur 4 zeigt in einem Schnitt entlang der Linie IV-IV der Figur 3 die Anordnung des unteren Verbindungsarms 12 zum Schwenkgelenk 10 sowie zum oberen Verbindungsarm 14. Der untere Verbindungsarm 12 weist einen hinteren Gabelarm 58 auf, der an seinem oberen Ende die Schwenklagerung 48 für die beiden Backenteile 30 aufweist. Die Backenteile 30 sind somit am hinteren Gabelarm 58 des unteren Verbindungsarms 12 schwenkbar gelagert. Daran schließt sich der gekröpfte Arm des oberen Verbindungsarms 14 mit dem drehfest verbundenen Zahnradsegment 34 an. Ein vorderer Gabelarm 60 des unteren Verbindungsarms 12 stellt eine Lagerung für die Welle 3 8 sowie eine Gleitführung 56 für den Gleitstein 42 dar.

Die Figuren 5 bis 7 verdeutlichen die Anordnung und Wirkungsweise der einzelnen Bauteile des Verriegelungsmechanismus 16, der im Wesentlichen durch ein vertikale Gleitbewegung des Gleitsteins 42 ver- oder entriegelt werden kann.

Der vertikal und in parallele Richtung zur Langserstreckungsrichtung des unteren Verbindungsarms 12 verschiebbare Gleitstein 42 weist zwei insbesondere als Führungsschlitze 44 ausgebildete Führungen auf, in denen Gleitzapfen 46 gleiten kön-

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nen, so dass sich eine Kulissenführung 37 ergibt. Die Gleitzapfen 46 sind jeweils mit einem der beiden Backenteile 30 fest verbunden. Die Führungsschlitze 44 weisen jeweils nach schräg oben, so dass bei einer Bewegung des Gleitsteins 42 nach oben die Gleitzapfen 46 aufeinander zu bewegt werden, wodurch die Backenteile 3 0 zusammengedrückt werden. Die Innenverzahnung 32 der beiden Backenteile legt sich damit fest um die Außenverzahnung 36 des Zahnradsegments 34, wodurch dieses fest in seiner gerade erreichten Winkelstellung fixiert wird. Die beiden Mitnehmerzapfen 40 am Zahnradsegment 34 sind mit dem oberen Verbindungsarm 14 formschlüssig verbunden und sorgen für dessen Koppelung mit der Drehbewegung des Zahnradsegments 34. Die Welle 38 des Zahnradsegments 34 stellt gleichzeitig eine Lagerung für den oberen Verbindungsarm 14 dar und sorgt für eine Lagerung des Zahnradsegments sowie des oberen Verbindungsarms 14 im hinteren und vorderen Gabelarm 58, 60 des unteren Verbindungsarms 12.

Figur 5 verdeutlicht die verriegelte Stellung des oberen Verbindungsarms 14 in einer Winkelstellung von 180° zum unteren Verbindungsarm 12. Eine Winkelbegrenzung wird durch einen Schwenkbereich des Zahnradsegments 34 innerhalb der Innenverzahnung 32 der Backenteile 30 um nicht mehr als ca. 90° erreicht. Hierzu weist der rechte der beiden Backenteile 30 in einem oberen Bereich eine Anschlagfläche 50 auf, an der eine Anlagefläche 52 des Zahnradsegments 34 anliegen kann. Der

rechte der beiden Backenteile 30 ist symmetrisch hierzu aufgebaut und weist eine gleiche Anschlagfläche 50 auf, die eine Schwenkbewegung des Zahnradsegments 34 um insgesamt ca. 90° ermöglicht.

Figur 6 verdeutlicht den nach unten bewegten Gleitstein 42, dessen Führungsschlitze 44 für ein Auseinanderschieben der Gleitzapfen 46 und damit der beiden Backenteile 3 0 um die Schwenklagerung 48 (vgl. Figur 7) sorgen. Das Schwenkgelenk 10 ist somit entriegelt.

Figur 7 verdeutlicht eine Winkelstellung der beiden Verbindungsarme 12, 14 in einem Winkel von ungefähr 45°. Der Gleitstein 42 ist vollständig nach oben geschoben und blockiert das Zahnradsegment 34 mit Hilfe der aneinander gedrückten Backenteile 30. Zusätzlich weist der gekröpfte Absatz des unteren Verbindungsarms 12 eine Auflage 54 auf, auf der der obere Verbindungsarm 14 bei einer Winkelstellung der beiden Arme von 90° aufliegen kann. Auf diese Weise wird für eine Entlastung des nicht selbst hemmenden Verriegelungsmechanismus 16 bei starker Belastung in einer 90° Stellung gesorgt. Die nicht selbst hemmende Wirkung des Verriegelungsmechanismus 16 wird dadurch erreicht, dass die Verzahnungen jeweils ein dreieckförmiges Profil aufweisen, so dass bei belastetem oberen Verbindungsarm 14 die Backenteile 3 0 auseinandergedrückt werden. Bei entlastetem Aktor 18 kann sich somit das Schwenk-

gelenk 10 im zulässigen Schwenkbereich von 0 bis 90° frei bewegen .

Wie insbesondere anhand der Figuren 5 bis 7 verdeutlicht wird, kann das Schwenkgelenk 10 relativ schlank ausgebildet sein, da die externen und internen Schwenkwinkelbegrenzungen eine Überlastung des Schwenk- und Verriegelungsmechanismus 16 zuverlässig verhindern. Ein Überstrecken über die 180°- Stellung hinaus wird durch die Anschlagflächen 50 der Backenteile 30 und die damit korrespondierenden Anlageflächen 52 des Zahnradsegments 34 verhindert. Eine zu starke Beugung über die 90°-Stellung hinaus wird durch die Auflage 54 des abgewinkelten unteren Verbindungsarms 12 und die damit korrespondierende Seitenfläche des abgewinkelten oberen Verbindungsarms 14 verhindert.

Das geschlossene Fluiddrucksystem kann mit pneumatischem oder mit hydraulischem Druck arbeiten. Das als Balg ausgebildete und mit relativ großer Grundfläche ausgestattete Auslöseelement 6 ermöglicht einen ausreichenden Hub des Aktors 18 auch bei nur geringem Komprimierungsweg.

Claims

1. Orthese, insbesondere zur äußeren Abstützung und Führung eines Kniegelenks, mit einem Fersen- und Fußteil (4) und einer damit verbundenen Unterschenkelschiene (8), die über ein Schwenkgelenk (10) mit Verriegelungsmechanismus (16) mit einer Oberschenkelschiene (9) schwenkbar verbunden oder verbindbar ist, und mit einem im Fersen- und Fußteil (4) angeordneten Auslöseelement(6) zur Betätigung des Verriegelungsmechanismus (16), gekennzeichnet durch ein mittels Fußkraft betätigbares und mit einem fluidisch betätigbaren Aktor (18) des Verriegelungsmechanismus (16) in Verbindung stehendes fluidisches Auslöseelement (6).

2. Orthese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslöseelement (6) im Fersen- und Fußteil (4) ein komprimierbares Fluidreservoir (6a) umfasst.

3. Orthese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidreservoir (6a) durch Gehbelastung komprimierbar ist.

4. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (18) des Verriegelungsmechanismus (16) durch ein aus dem Fluidreservoir (6a) des Fersen- und Fußteils (4) verdrängtes Druckfluid beaufschlagbar ist.

5. Orthese nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus (16) durch eine Druckbeaufschlagung des Aktors (18) verriegelbar ist.

6. Orthese nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verriegelungsmechanismus (16) in gegenseitigen Kämmeingriff bringbare Verzahnungen (32, 36) aufweist.

7. Orthese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberschenkelschiene (9) und die Unterschenkelschiene (8) jeweils mit einer Verzahnung (32, 36) des Schwenkgelenks (10) in Verbindung stehen.

8. Orthese nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Verriegelung oder Entriegelung des Schwenkgelenks (10) in beliebiger Winkelstellung eines vorgegebenen Schwenkbereichs durch in Kämmeingriff oder aus dem Kämmeingriff gebrachte Verzahnungen (32, 36).

9. Orthese nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Oberschenkelschiene (9) oder der Unterschenkelschiene (8) verbundene Verzahnung zwei aufschwenkbare Backenteile (30) mit jeweils kreisringsegmentförmiger Innenverzahnung (32) umfasst.

10. Orthese nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Unterschenkelschiene (8) oder der Oberschenkelschiene (9) drehfest verbundenes Zahnradsegment, (34) eine mit der Innenverzahnung (32) der Backenteile (30) korrespondierende Außenverzahnung (36) aufweist.

11. Orthese nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Backenteile (30) mittels des Aktors (18) auf und zu schwenkbar sind.

12. Orthese nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (18) mit den Backenteilen (30) über eine Kulissenführung (37) gekoppelt ist.

13. Orthese nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (18) mit einem Gleitstein (42) zusammen wirkt, der zwei schräge Führungen, beispielsweise in Gestalt von Führungsschlitzen (44), aufweist, in denen jeweils ein Gleitzapfen (46) jedes Backenteils (30) gleitet.

14. Orthese nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen(32, 36) so ausgebildet sind, dass sie keine Selbsthemmung aufweisen.

15. Orthese nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitstein (42) mittels einer Gleitführung (56) verschiebbar gelagert ist.

16. Orthese nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (18) ein Linearaktor ist.