Orthopädietechnisches Gerät

Die Erfindung betrifft ein orthopädietechnisches Gerät, das zur Belastung mit dem Gewicht eines Patienten ausgelegt ist und eine Spannungsversorgungseinrichtung für einen elektrischen Verbraucher aufweist.

Orthopädietechnische Geräte der hier angesprochenen Art sind Orthesen und insbesondere Prothesen. Es ist bekannt, derartige Geräte mit Sensoren auszustatten, deren elektrische Ausgangssignale zur Steuerung der Eigenschaften des Geräts, beispielsweise der Dämpfungseigenschaften einen Ge- lenks, verwendet werden. Es ist ferner möglich, orthopädietechnische Geräte der eingangs erwähnten Art lediglich mit Sensoren auszustatten, deren Sensorsignale drahtlos auf einen Empfänger übertragen werden können und dadurch die Eignung des Geräts für den jeweiligen Prothesenträger während der Funktion überprüfbar machen.

Es ist bekannt, für die Versorgung der Sensoren und ggf. Aktoren oder Sendeeinrichtungen mit elektrischer Energie einen Akkumulator vorzusehen, der möglichst den Betrieb des Geräts während eines Tages ermöglichen soll, um in der Nacht, also im Nicht-Benutzungszustand des Geräts, aufgeladen zu werden. Die hierfür verwendbaren Akkumulatoren sind sowohl in ihrer Baugröße als auch in ihrem Gewicht begrenzt, woraus sich eine begrenzte Ladekapazität des Akkumulators ergibt. Es ist daher problematisch, über eine Minimalausstattung hinaus zusätzliche Sensoren und ggf. Aktoren vorzusehen.

Es ist grundsätzlich bekannt, vgl. US 5,703,474, eine mechanische Kraft in elektrische Energie zu wandeln und damit beispielsweise einen Akkumulator aufzuladen. Es ist auch bekannt, die beim Laufen durch das Gewicht des Menschen entstehende Bodenreaktionskraft zur piezoelektrischen Energiegewinnung zu verwenden. In IEEE MICRO, Heft Mai-Juni 2001, Seiten 30 bis

42 ist eine piezoelektrische Anordnung beschrieben, die an einer biegsamen Folie in einer Schuhsohle angebracht ist. Die gewonnene Energie wird dazu verwendet, die Schuhsohle zu beleuchten. Die mit der Verwendung eines piezoelektrischen Elements auf einer biegsamen Folie gewinnbare elektri- sehe Energie ist minimal und daher für die Anwendung bei einem orthopädietechnischen Gerät der eingangs erwähnten Art nicht geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine orthopädietechnisches Gerät, das ggf. mit mehreren Sensoren und/oder Aktoren versehen ist, vorzugsweise unter Verwendung eines Akkumulators mit einer ausreichenden Energie zu versorgen.

Diese Aufgabe wird bei einem orthopädietechnischen Gerät der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spannungsversor- gungseinrichtung einen Stapel aus piezoelektrischen Keramikelementen aufweist und dass die Einleitung der Gewichtskraft in den Stapel über eine Kraftübersetzungsanordnung erfolgt.

Erfindungsgemäß werden somit Stapel von starren Piezokeramikelementen verwendet, die jedoch für die Gewinnung der benötigten Energie mit höheren

Kräften betätigt werden müssen, als sie durch das Normalgewicht eines

Menschen ausgeübt werden. Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kraft in den Stapel aus den piezoelektrischen Keramikeiementen über eine Kraftübersetzungsanordnung eingeleitet wird. Dadurch ist es möglich, die durch das Gewicht entstehende Kraft zu vervielfachen und daher für die sinnvolle Verwendung mit einem Piezokeramikstapel nutzbar zu machen.

Der Stapel ist vorzugsweise über eine Wandlerschaltung mit einem Akkumulator elektrisch verbunden. Dadurch ist es möglich, beispielsweise die beim Gehen mit einer Prothese von dieser aufgenommenen Gewichtskräfte zur Gewinnung von elektrischer Energie auszunutzen und damit den Akkumuia- tor zu laden. Auch wenn die Ladung des Akkumulators dabei nicht vollstän-

dig gelingt, kann die Einsatzzeit des Akkumulators durch die Energiegewinnung mit dem Piezokeramikstapel deutlich verlängert werden. Die Aufladung des Akkumulators über Nacht muss dadurch nicht ersetzt werden.

Die Kraftübersetzungsanordnung kann beispielsweise ein Drehhebel sein, der über einen kurzen Hebelarm mit dem Stapel verbunden ist und über den mit einem langen Hebelarm die Gewichtskraft eingeleitet wird. Auf diese Weise gelingt eine Kraftübersetzung beispielsweise um den Faktor 5, wenn die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung in eine Fußpro- these eingebaut ist. die Energiegewinnung kann noch dadurch vergrößert werden, dass zwei Stapel mit piezoelektrischen Keramikelementen beiderseits des Drehpunkts des Drehhebels angeordnet sind, sodass während eines Gehzyklus sowohl die Kraft beim Fersenauftritt als auch die Abroükraft über den Ballen genutzt werden kann. Zusätzlich gelingt es bei einer derarti- gen Anordnung auch noch axiale Kräfte zu nutzen, die durch eine bloße Gewichtsverlagerung im Stehen von einem Bein auf das andere entstehen.

Insbesondere für die Aufnahme axialer Kräfte ist es zweckmäßig, wenn die Kraftübertragungseinrichtung eine Druckübertragungsanordnung mit unter- schiedlich großen übertragenden Flächen ist. Eine derartige Kraftübersetzungsanordnung kann beispielsweise sehr sinnvoll in einem Modularrohr einer Unterschenkelprothese eingebaut werden, um die über das Rohr auf die Fußprothese und damit den Boden übertragene Gewichtskraft für die Gewinnung einer nutzbaren elektrischen Energie zu verwenden.

Die Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine Fußprothese mit einem neben einem Drehgelenk angeordneten Stapel aus piezoelektrischen

Keramikelementen;

Figur 2 eine Fußprothese gemäß Figur 1 mit zwei beiderseits einer

Krafteinleitungsachse angeordneten Plattenstapeln;

Figur 3 eine in einem Rohr eingebaute Anordnung aus einem Plattenstapel mit einer hydraulischen Kraftübersetzungsanordnung;

Figur 4 eine Anordnung gemäß Figur 3, jedoch mit einer durch ein Elastomer gebildeten Kraftübersetzungsanordnung.

Figur 1 zeigt schematisch eine Fußprothese 1 mit einem über einen (hier verdeckten) Adapter angeschlossenen Modulrohr 2. Die hier in ihrem inneren Aufbau nicht näher dargestellte Fußprothese 1 enthält eine Befestigungsplatte 3 mit einem Drehgelenk 4, über das eine mit dem Adapter versehene Adapterplatte 5 drehbar mit der Befestigungsplatte 3 verbunden ist. Die A- dapterplatte 5 bildet mit der Befestigungsplatte 3 einen Zwischenraum 6, der mit einem Stapel 7 aus piezoelektrischen Keramikelementen ausgefüllt ist. Eine einstellbare Schraube 8 ist durch die Adapterplatte. 5 hindurchgeführt und in der Befestigungsplatte 3 verankert, sodass die Schraube 8 die Bewegung der Adapterplatte 5 gegenüber der Befestigungsplatte 3 in öffnungsrichtung begrenzt.

Es ist erkennbar, dass der Stapel 7 zum Drehgelenk 4 mit einem kurzen Hebelarm H1 angeordnet ist, während die Bodenreaktionskraft F beim Abrollen über den langen Hebelarm H2 auf das Drehgelenk 4 einwirkt, sodass die am

Stapel 7 wirksame Kraft gegenüber der Bodenreaktionskraft F vervielfacht ist.

Die in Figur 2 dargestellte Anordnung verdeutlicht den Adapter 9, der an der Adapterplatte 5 befestigt ist. Die Adapterplatte 5 ist mit der Befestigungsplatte 3 über ein als Zugelement ausgebildetes Verbindungsstück 10 verbunden, neben dem sich in Fußrichtung vorn und hinten jeweils ein Stapel 7, T befindet.

Der in Fußrichtung vom liegende Stapel erfüllt die gleiche Funktion wie der Stapel 7 in Figur 1. Der Stapel 7', der in Fußrichtung hinten, also zur Ferse zeigend angeordnet ist, dient der zusätzlichen Aufnahme der Fersenauftrittskräfte beim Auftreten des Fußes während eines Gangzyklus. Beide Stapel 7, T gemeinsam können ergänzend noch Axialkräfte aufnehmen, die ohne Drehmoment auf den Fuß in der Höhe des Knöchelgelenks ausgeübt werden, beispielsweise bei einer bloßen Gewichtsverlagerung im Stehen von einem Bein auf das andere (hier von dem gesunden Bein auf das mit der Prothese versehene Bein).

Während die Figuren 1 und 2 die Stapel 7, T und die Kraftübersetzungsanordnung im Knöchelbereich einer Fußprothese 1 zeigen, ist bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 der Stapel 7 mit der zugehörigen Kraftübersetzungsanordnung vorzugsweise im Modularrohr 2 angeordnet. Hierfür ist ein in das Modularrohr 2 einsetzbares zylindrisches Gehäuse 11 vorgese- hen, das eine stirnseitig abgeschlossene zylindrische Kammer 12 mit einem großen Durchmesser und eine sich daran anschließende zylindrische Kammer 13 mit einem kleineren Durchmesser aufweist. In der zylindrischen Kammer 13 ist ein Kolben 14 geführt, der mit zwei O-Ringen 15 gegenüber der zylindrischen Kammer 13 abgedichtet ist. Der Kolben 14 begrenzt ein Hydraulikvolumen 16, das sich in die größere zylindrische Kammer 12 bis zu einem Kolben 17 erstreckt, dessen Durchmesser dem Durchmesser der zylindrischen Kammer 12 angepasst ist und der ebenfalls mit einem O-Ring 18

gegenüber der Kammer 12 abgedichtet ist, sodass ein abgedichtetes Hydraulikvolumen 16 besteht. Der Kolben 17 schließt sich an den in der Kammer 12 angeordneten Stapel 7 an, der sich somit an der geschlossenen Stirnwand des Gehäuses 11 abstützt. Die über den Kolben 14 eingeleitete Gewichtskraft oder Bodenreaktionskraft F beaufschlagt das Hydraulikvolumen 16. Der dadurch in dem Hydraulikvolumen 16 entstandene Druck verteilt sich gleichmäßig über das Volumen und wirkt auf den eine größere Querschnittsfläche aufweisenden Kolben 17 ein, der an dem entsprechenden Stapel 7 anliegt. Dadurch wird auf den Stapel 7 eine deutlich größere Kraft ausgeübt. Die auslösende Gewichtskraft kann mit einer derartigen Anordnung beispielsweise mit einem Faktor 10 übersetzt werden.

Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt der Kolben 14 auf ein sich von der Kammer 13 zur Kammer 12 erstreckendes Elastomerstück 16' ein, das mit einer größeren Fläche am Kolben 12 anliegt. Das Elastomer 16' verhält sich wie eine Hydraulikflüssigkeit und sorgt für einen gleichmäßigen, allseitig ausgeübten Druck, wodurch die Kraftübersetzung an dem Kolben 12 bewirkt wird. Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil, dass auf eine Abdichtung eines Hydraulikvolumens 16 verzichtet werden kann und das Probleme mit Leckage von Hydrauliköl nicht berücksichtigt werden müssen.

Die dargestellten Ausführungsbeispiele ermöglichen somit in praktikabler Weise eine Gewinnung von elektrischer Energie aus der beim Gehen in die Prothese eingeleiteten Gewichtskraft.

In analoger Weise kann auch die in eine Orthese eingeleitete Gewichtskraft zur Umwandlung in elektrischer Energie ausgenutzt werden, um die Stützeigenschaften der Orthese zu steuern.