DE3638094A1 - Kniegelenk-bewegungsschiene - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kniegelenkbewegungsschiene zur passiven, kontinuierlichen Bewegung des Knie- und Fußgelenkes, die durch einen Motor angetrieben und konstruktiv so ausgebildet ist, daß keine Relativ­ bewegungen zwischen den Konstruktionsteilen der Knie­ gelenkbewegungsschiene und dem passiv bewegten Bein auftreten.

Das Konzept von kontinuierlichen passiven Bewegungen (CPM) wurde 1970 von Robert B. Salter entworfen und besteht darin, frisch operierte Gelenke unmittelbar nach einem Eingriff ununterbrochen passiv zu bewegen. SALTER konnte den Nutzen dieser Behandlungsmaßnahmen tierexperimentell nachweisen. Das Verfahren stimulierte den Heilungsprozeß und beschleunigte die Wiederherstellung traumatisierter Gelenke.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurden für die unteren und oberen Gliedmaßen-Gelenke apparative Hilfen konstruiert, die eine passive kontinuierliche Bewegung ermöglichten. Derartige Apparate stehen zur Zeit für Fuß-, Knie- und Hüftgelenke sowie Schulter-, Ellbogen-, Hand- und Fingergelenke zur Verfügung. In der klinischen Praxis wurden Übungsapparate von SALTER und Mitarbeitern 1975 und später sowie z. B. von der Firma Kinetec Co. Gemo Konstrukteur (1980-1985) mit dem Warenzeichen Kinetec eingeführt. Diese Geräte werden im deutschen Sprachraum als "elektromotorische Übungsgeräte zur Nachbehandlung von Verletzungen der unteren Extremitäten", "passive Bewegungsschienen" oder - wie nachfolgend genannt - "Kniegelenkbewegungsschiene" bezeichnet.

Das wesentliche Merkmal heute bekannter Kniegelenk­ bewegungsschienen besteht darin, daß das Bein auf eine Unterlage gelegt wird, die in Höhe des Kniegelenkes eine Drehachse aufweist. Auf dem unteren Teil der Unterschenkelauflage ist eine Stütze für den Fuß angebracht. Der Motor befindet sich unterhalb der Beinauflage und bewirkt eine Abwicklung des Ober- und Unterschenkels gegeneinander.

Das Prinzip der passiven Bewegung setzt voraus, daß die Unterstützungsflächen für den Unter- und Oberschenkel sicher anliegen, damit zwischen dem betroffenen Bein und den Auflageflächen der Kniegelenkbewegungsschiene keine Zwangskräfte auf­ treten können. Nur unter dieser Bedingung kann von einer nützlichen passiven Bewegung die Rede sein. Der kraftfreie Parallellauf der Auflageflächen der Kniegelenkbewegungsschiene und des betroffenen Beines kann nur dann gelingen, wenn der Bewegungs­ ablauf der Schiene und derjenige des individuellen Beines einander gleich sind, d. h. physiologische Verhältnisse bestehen.

Der physiologische Bewegungsablauf ist aber bei den bekannten Kniegelenkbewegungsschienen nicht gewähr­ leistet. Dies hängt vor allem damit zusammen, daß die Drehachsen der Kniegelenkbewegungsschiene nicht den physiologischen Vorgaben entsprechend und nicht auf die individuellen physiologischen Parameter für diese Drehpunkte eingestellt werden können. Deshalb kommt es zu Relativbewegungen zwischen dem Oberschenkel und der entsprechenden Auflage­ fläche der Kniegelenkbewegungsschiene. Dies kann zu muskulären Verspannungen, Verschiebungen der Schie­ ne und Gefährdung des Behandlungserfolges führen.

Aufgabe der Erfindung war es, eine Kniegelenkbe­ wegungsschiene zu entwerfen, die bei ihrer Anwendung die biologischen Drehpunkte des Knie- und Hüftgelenkes von der Konstruktion her nachbildet und bei der die individuellen Parameter, wie Position des Hüft-, Knie- und Fußgelenk-Drehpunktes oder die Tibia- und Femur­ länge, für jeden Patienten einstellbar waren. Durch die Anwendung einer elektronischen Steuerung der erforderlichen Winkelparameter sowohl für das Knie wie auch für das Fußgelenk sollte es möglich sein, den Behandlungsvorgang in einem elektronisch speicher­ baren Programm vorzugeben und die tatsächlich durchge­ führten Behandlungsvorgänge in einem weiteren Speicher abzuspeichern, so daß es auch bei einem größeren Patientengut möglich war, den klinischen Behandlungs­ erfolg mit den individuell durchgeführten passiven Bewegungsabläufen zu vergleichen.

Das gestellte Problem wird in der Weise gelöst, daß die mechanischen Drehpunkte der Konstruktion und die physio­ logischen Drehpunkte des Knie- und Hüftgelenkes in der seitlichen Ansicht zur Übereinstimmung gebracht werden. Dies setzt voraus, daß sowohl die Längen für Femur und Tibia wie auch die exakte Positionierung des Hüftge­ lenkes möglich sind. Hierbei stellt sich als besonderes Problem die exakte Positionierung des Drehpunktes für das Hüftgelenk.

Die Positionierung wird in der Weise realisiert, daß in den Grundrahmen der Konstruktion seitlich ein Konstruktionselement (12) eingesteckt ist, welches durch eine fixierbare, teleskopartige Verlängerung (14) in longitudinaler und durch ein Langlochelement (13) auch in vertikaler Richtung verstellbar ist und welches den korrespondierenden konstruktiven Drehpunkt des Hüftgelenkes (1) an seinem Ende aufweist. Durch diese Konstruktion kann der so festgelegte Hüftgelenk­ drehpunkt der Konstruktion in der seitlichen Ebene frei positioniert und durch einen feststellbaren Hebel (15) fixiert werden. Erfindungsgemäß ist die Konstruktion so ausgebildet, daß dieses einsteckbare Konstruktions­ element nur einseitig und seitlich aufgesetzt ist und für jedes linke oder rechte Bein entsprechend positioniert ist.

Neben diesem oben beschriebenen, seitlich einzusteckenden Konstruktionselement ist die Einfügung von zwei Antriebs­ bügeln für eine steuerbare Kniegelenkbeugung durch z. B. einen Linearantrieb von Bedeutung. Im Antriebspunkt (24) sind beide Bügel in einem Antriebsblock (22) miteinander verkoppelt. Der femorale Antriebsbügel (20) greift im Bereich der Oberschenkelauflage beidseitig zur Auflagefläche ein und dient wegen der in diesem Teil nur einseitig vorhandenen Abstützung auf den Grund­ rahmen nicht nur dem Antrieb, sondern auch der Ab­ stützung der nicht abgefangenen inneren femoralen Rahmenkonstruktion. Der tibiale Bügel (21) ist am Ende der tibialen Auflagekonstruktion über Drehlager (31) beidseitig fixiert. Bei linearer Verschiebung des Antriebsblockes in der horizontalen Ebene erfolgt so erfindungsgemäß eine kontinuierliche Abwinkelung der Femur- und Tibiaauflagen zueinander, wobei die exakte Positionierung der Drehpunkte für das Hüft- und Kniegelenk gewährleistet ist.

Die Beugung des Fußgelenkes wird durch Einfügung eines Koppelhebels (8) erreicht. Hierdurch ist es möglich, daß Fußgelenk mit zu bewegen. Eine andere Antriebsmöglichkeit für das Fußgelenk besteht darin, daß ein separater, seitlich im Fußgelenkdrehpunkt mit seiner Antriebswelle angebrachter Motor (9) das Gelenk bewegt. Ein Anschlag (32) begrenzt die Drehbewegung.

Erfindungsgemäß ist in dem Linear-Antrieb ein Aufnehmer eingebaut, der mit der Steuerungs­ elektronik verbunden ist und der den Beugewinkel mißt. Den wesentlichen Bestandteil dieser Steuerungs­ elektronik stellt ein Mikroprozessor dar, in dessen Speicher das Übungsprogramm für den Patienten einge­ lesen ist. Bei Aktivierung dieses Steuerungsgerätes wird die Kniegelenkbewegungsschiene zuerst in die vorgeschriebene Ausgangsposition gebracht. Dann läuft das Übungsprogramm ab. Während dieses Ablaufs wird Übungszeitpunkt von der eingebauten Zeituhr und die Art des Übungsprogramms in einen weiteren Speicher des Steuergerätes geschrieben. Diese Daten können später über einen Rechner abgerufen und weiter verarbeitet werden. Der Speicher ist so ausgelegt, daß er die Übungsprogramme mehrere Wochen speichern kann. Weil die Übungsprogramme für jeden Patienten individuell verschieden sind und die Kniegelenkbe­ wegungsschiene in der Regel an einem Tage bei mehreren Patienten Anwendung findet, ist die Speicherkapazität des Speichers so ausgelegt, daß die Übungsprogramme für mehrere Patienten und nach Eingabe z. B. des Patienten-Namens, abrufbar sind. Durch die einge­ bauten Aufnehmer in dem Linear-Antrieb ist es mög­ lich, eine präzise Steuerung des Programms durch Ist-Sollwertvergleich durchzuführen. Durch Schalter­ betätigung ist es ebenfalls möglich, das Programm sofort zu verändern und bestimmte Winkelpositionen der Kniegelenkbewegungsschiene einzustellen.

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.

Abb. 1 zeigt eine Kniegelenkbewegungsschiene in ihren wesentlichen Teilen, bei welcher die physiolo­ gischen Drehpunkte für das Hüftgelenk (1), für das Kniegelenk (2) und für das Fußgelenk (3) in direkter Weise mit der gewählten Konstruktion zur Überein­ stimmung gebracht worden sind. In der seitlichen Projektion stimmen die Drehpunkte (1), (2), (3) der Konstruktion genau mit den physiologischen Drehpunkten der entsprechenden Gelenke überein. Die Länge des Femur wird durch eine einseitig angebrachte Rohrver­ bindung zwischen den Gelenkdrehpunkten ( 1) und (2) nachgebildet. Diese Rohrkonstruktion ist ineinander verschiebbar und durch eine Fixierschraube (4) fest einstellbar.

Die Tibialänge wird durch eine Verschiebung des Fußanschlages (5), der durch Buchsen (6), die auf den beidseitigen Rohren der tibialen Rahmenkon­ struktion (7) geführt sind, eingestellt.

Die exakte Positionierung des Hüftgelenkes (1) wird konstruktiv durch ein einseitig an dem Grundrahmen (11) der Schiene aufsteckbares Konstruktionselement (12) vorgenommen. Dieses Element besteht aus einem Langlochstab (13), einem Teleskopteil (14) und einem Fixierhebel (15). Die Einstellung des Hüft­ gelenkdrehpunktes wird so vorgenommen, daß die Fixierschraube (4) und der Fixierhebel (15) gelöst werden. Wegen der drehbaren Lagerung des Langloch­ stabes (13) und des Teleskopteiles (14) an dem Grundrahmen kann der Hüftgelenkdrehpunkt (1) frei in der seitlichen Ebene bewegt und in die vorge­ schriebene Position gebracht werden. Durch Anziehen des Fixierhebels wird der so gefundene Drehpunkt arretiert. Weil bereits vor dieser Einstellung der physiologische und der konstruktive Kniegelenk­ drehpunkt (2) in ihrer seitlichen Ansicht überein­ stimmen, ist gleichzeitig die richtige Femurlänge ge­ funden. Die Fixierschraube (4) für die Femurlänge kann daher auch angezogen werden. Weil die konstruk­ tive Nachbildung des Femur mit Hüft- und Kniegelenk­ drehpunkt nur seitlich ausgebildet ist, muß bei einem rechten oder linken Beinwechsel auch das Konstruktions­ element (12) mit gewechselt werden. Dies geschieht in der Weise, daß an den Grundrahmen (11) ein feder­ stabilisierter Knopf (16) angebracht ist, der, sobald er gezogen ist, den Langlochstab (13), der in Längs­ richtung nur eingesteckt ist (17), frei gibt. Der Teleskopstab (14) weist an seinem dem Hüftgelenkdreh­ punkt gegenüberliegenden Ende einen senkrecht zur Ansichtsebene verlaufenden, eingeschweißten Achs­ stummel (18) auf, der in dieser Richtung abziehbar ist. Zusätzlich muß die Fixierschraube (4) gelöst sein. Das femorale Teleskopende (19) wird aus seiner Führung herausgezogen und nach dem Seitenwechsel in das entsprechende Rohr der anderen Seite wieder eingeschoben. Die Lage des Hüftgelenkdrehpunktes ist jetzt so gewählt, daß der Konstruktionsdrehpunkt (1) und der Hüftgelenkdrehpunkt in der seitlichen Ansicht übereinstimmen.

Der Fußanschlag (5) ist über eine Drehachse (3), die mit dem Fußgelenkdrehpunkt übereinstimmt, gelagert und kann vermittels eines längenverstellbaren Koppel­ hebels (8) in einem vorgebbaren Winkelbereich bewegt werden.

Um das auf der Kniegelenkbewegungsschiene passiv ruhende Bein gut abfangen zu können, sind sowohl für den Oberschenkel wie für den Unterschenkel Rohr­ bögen (10) angebracht, die gleichzeitig die linke und die rechte Rohrkonstruktion (7), (30) miteinander verbinden, wie es in der perspektivischen Zeichnung (Abb. 2) gezeigt ist.

Die Beugung der tibialen und femoralen Konstruktions­ teile um die Kniegelenkachse (2) erfolgt in der Weise, daß ein femoraler (20) und ein tibialer (21) Antriebs­ bügel in einem Antriebsblock (22) drehbar, aber fest zueinander ausgerichtet, gelagert sind. Dieser Antriebsblock kann durch einen innerhalb des durch den Grundrahmen (11) ausgeführten Raumes (23) ange­ brachten Linearmotors, dessen Antriebspunkt (24) sich unterhalb des Antriebsblocks (22) befindet, angetrieben werden. Der lineare Antriebsweg befindet sich zwischen den Punkten (25) und (26). Während der tibiale Bügel (21) fest mit dem inneren und äußeren tibialen Grundrahmen (7) an seinem Ende, achsenbeweglich (31) gelagert, verbunden ist, greift der femorale Bügel (20) nicht direkt am femoralen Rahmen (30) an, sondern es sind noch je innen und außen senkrecht zum Rahmen (30) zwei aufgeschweißte Zwischenstutzen (27) angebracht, an deren freien Enden je eine Achslagerung (28) für den Bügel (20) angebracht sind. In der seitlichen Ansicht greift am Ort diese Achslagerung auch der Koppelhebel (8), der ebenfalls als Teleskop ausgeführt ist, für den passiven Antrieb des Fußanschlages (5) an. Der Bewegungsumfang für das Fußgelenk kann über einen weiteren Hilfshebel (29) festgelegt werden.

Claims (11)

1. Kniegelenkbewegungsschiene zur passiven, kontinuier­ lichen Bewegung des Knie- und Fußgelenkes, die durch einen Motor angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachsen der Konstruktion in der seit­ lichen Ansicht mit den physiologischen Drehachsen des Hüft-, Knie- und Fußgelenkes übereinstimmen.

2. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Grundrahmen (11) der Konstruktion seitlich ein Konstruktions­ element (12) eingesteckt ist, welches durch eine fixierbare, teleskopartige Verlängerung (14) in longitudinaler und durch ein Langlochelement (13) auch in vertikaler Richtung verstellbar und durch einen Hebel (15) fixierbar ist und welches den korrespondierenden konstruktiven Drehpunkt des Hüftgelenkes (1) an seinem Ende aufweist.

3. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion durch einen unterhalb der tibialen Auflage an­ geordneten Linearmotor vermittels eines Antriebs­ blocks (22) angetrieben ist.

4. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung für das Fußgelenk durch einen zweiten seitlich ange­ brachten Motor (15) erfolgt.

5. Kniegelenkbewegungsschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Fußge­ lenkes über einen Koppelarm (8), der an dem femoralen Konstruktionsteil (30), über eine Schnappverbindung befestigt ist (27), ange­ trieben ist.

6. Kniegelenkbewegungsschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kniegelenkbeugung durch zwei Antriebsbügel (20), (21) erfolgt, die in einer festen Positionierung zueinander im Antriebsblock (22) drehbar gelagert sind und wo der tibiale Antriebsbügel über eine Achs­ lagerung am Ende der tibialen Auflagekonstruktion angreift und der femorale Antriebsbügel an der femoralen Konstruktion (30) im Bereich der Ober­ schenkelauflage beidseitig angreift, wobei die Angriffspunkte durch zwei aufgeschweißte Zwischenstutzen (27), an deren freien Enden je eine Achslagerung (28) ist, versetzt sind.

7. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Motor einen Winkelaufnehmer aufweist, der mit einem elektrischen Steuerungsgerät elektrisch verbunden ist.

8. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Motoren Schritt­ motoren sind.

9. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmotoren für die Gelenkachsen nach einem festgelegten Übungsprogramm vermittels eines Mikroprozessors angesteuert sind.

10. Kniegelenkbewegungsschiene nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuergerät ein weiterer Speicher eingebaut ist, der neben der Uhrzeit die tatsächlich durchgeführten Bewegungsabläufe der Kniege­ lenkbewegungsschiene abspeichert und das Datum erfaßt.

11. Kniegelenkbewegungsschiene nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Handschalter das Übungsprogramm übersteuert wird und daß in diesem Falle auch diese Übersteuerung von dem Kontrollspeicher erfaßt wird.