DE60112403T2

DE60112403T2 - Elektronisch gesteuerte kniegelenkprothese

Info

Publication number: DE60112403T2
Application number: DE60112403T
Authority: DE
Inventors: W. Bruce DEFFENBAUGH; M. Hugh HERR; A. Gill PRATT; B. Michael WITTIG
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: US6764520B2; EP1255517B1; ATE300929T1; AU771817B2; JP2010012273A; AU771817C; US20010029400A1; AU3106301A; CA2396617A1; JP2003521316A; RU2002118693A; RU2266722C2; CN1498095A; USRE42903E1; WO2001054630A1; DE60112403D1; CA2396617C; WO2001054630A9; EP1255517A1; JP4392547B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Gelenkprothesen, und insbesondere steuerbare Bremssysteme für Kniegelenksprothesen, wie sie aus DE-A-1 975 4090 bekannt sind.
Beschreibung des Stands der Technik
Drei Arten von Bremsen mit variablem Drehmoment wurden in der Vergangenheit in Knieprothesen verwendet: (i) Trockenreibungsbremsen, in welchen eine Materialoberfläche an einer anderen Materialoberfläche mit variabler Kraft reibt; (ii) Flüssigkeitsdrehmomentbremsen unter Verwendung eines durch eine Blende variabler Größe oder Strömungsbegrenzungsplatte gedrückten hydraulischen Fluids; und (iii) magnetorheologische (MR) Bremsen oder Dämpfer, in welchen ein (MR) Fluid (das in dem Fluid suspendierte kleine Eisenpartikel enthält) durch eine feste Blende oder Strömungsbegrenzungsplatte gedrückt wird, wobei die Viskosität des Fluids als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld variiert wird. Jede von diesen Technologien, wie sie üblicherweise auf dem Gebiet der Prothetik praktiziert wurden, kann bestimmte Nachteile aufweisen.
Obwohl Trockenreibungsbremsen im Allgemeinen einen erheblichen Drehmomentbereich für ihre Größe bereitstellen können, sind sie leider sehr oft schwer zu steuern. Nach längerem Gebrauch neigen die Reibungsflächen zum Verschleißen, und verändern dadurch die Reibungseigenschaften der Bremse und die Drehmomentreaktion für ein vorgegebenes Soll-Drehmoment. Leider kann dieses ein unzuverlässiges Dämpfungsverhalten bewirken und somit nachteilig den Gang des Amputierten beeinflussen und auch dem Amputierten Beschwerden bereiten. Demzufolge können Trockenreibungsbremsen eine häufige Wartung und/oder Ersetzung mit unerwünschten Zusatzkosten erfordern.
Unter hohen Belastungsbedingungen sind Flüssigkeitsdrehmomentbremsen anfällig für den Austritt von Hydraulikfluid und möglicherweise weitere Beschädigung aufgrund eines übermäßigen Druckaufbaus. Leider kann dieses zu einem irreversiblen Zustand führen, da sobald die Bremseinheit einmal überlastet ist, sie nicht in den Normalzustand zurückkehren kann. Daher neigt eine derartige Flüssigkeitsdrehmomentbremse für eine Gelenkprothese zu einem katastrophalen Ausfall, und kann somit unzuverlässig und für die Sicherheit des Amputierten schädlich sein.
Der Begriff "Ventilmodus" bezieht sich auf die Steuerung der Strömung eines (MR) Fluids durch eine Blende durch das Anlegen eines variablen magnetischen Feldes senkrecht zu der Strömungsrichtung anstelle des in herkömmlichen Flüssigkeitsdrehmomentbremsen verwendeten mechanischen Ventils. Leider entwickelt eine in dem "Ventilmodus" betriebene MR-Bremse ebenfalls einen internen Fluiddruckaufbau, und ist somit immer noch gegenüber dem herkömmlichen Druck-induzierten Ausfall anfällig, und stellt dadurch ein Risiko für den Amputierten dar.
Zusammenfassung der Erfindung
Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe und ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, einige oder alle von den vorstehenden Einschränkungen zu überwinden, indem eine magnetorheologisch betriebene Knieprothese mit variablem Drehmoment bereitgestellt wird, welche mehrere verteilte und sich abwechselnde Rotoren und Statoren verwendet, um ein magnetorheologisches Fluid in dazwischen ausgebildeten Spalten zu scheren. Vorteilhafterweise liegt durch den Betrieb in dem "Scherungsmodus" im Wesentlichen keiner oder ein vernachlässigbarer Fluiddruckaufbau oder -änderung vor. Ferner ermöglichen die meh reren (MR) Fluidspalte oder Strömungsschnittstellen erwünscht die Erzeugung eines großen Drehmomentes bei einer niedrigeren Geschwindigkeit oder im angehaltenen Zustand ohne die Verwendung eines Getriebes und auch das Erzielen eines breiten dynamischen Drehmomentbereiches und tragen zu der Vielseitigkeit der Erfindung bei. Eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es den Rotoren und/oder Statoren den Spalt dazwischen schließen, um eine Reibungsdrehmomentkomponente zu erzeugen, und erzeugt dadurch ein "Hybrid"-Bremssystem, welches ein Gesamtdrehmoment oder eine Dämpfung erzeugt, welche eine Kombination von Flüssigkeitsdrehmoment und Reibungsdrehmoment ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine elektronisch gesteuerte Knieprothese zum Erzeugen eines breiten dynamischen Drehmomentbereichs bereitgestellt. Die Knieprothese weist im Allgemeinen mehrere Rotoren, mehrere Statoren und ein Fluid auf, das dafür angepasst ist, sich rheologisch als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld zu verändern. Die Rotoren weisen ein eisenhaltiges Material auf. Die Rotoren sind um eine Längsrotationsachse der Knieprothese drehbar und seitlich verschiebbar. Die Statoren weisen ein eisenhaltiges Material auf, und sind abwechselnd mit den Rotoren so verteilt, dass sie Spalte dazwischen ausbilden. Die Statoren sind seitlich auf der Rotationsachse der Knieprothese verschiebbar. Das Fluid befindet sich in den zwischen den Rotoren und Statoren ausgebildeten Spalten. Eine Erregung des Magnetfeldes erzeugt während einer Kniedrehung ein steuerbares variables Kniedämpfungsdrehmoment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zum raschen und genauen Steuern der Rotation einer elektronischen Knieprothese bereitgestellt. Die Knieprothese weist im Allgemeinen mehrere abwechselnd verteilte magnetisch weiche Rotoren, magnetisch weiche Statoren und ein in mehreren zwischen den Rotoren und Statoren ausgebildeten Spalten befindliches magnetorheologisches Fluid auf. Das Verfahren umfasst den Schritt der Erzeugung einer Anziehungskraft zwischen den Rotoren und den Statoren durch das Anlegen eines magnetischen Feldes, um einen Reibungskontakt zwischen benachbarten Rotoren und Statoren zu bewirken. Dieses bewirkt eine Reibungsdämpfung der Rotation der Knieprothese. Das in den zwischen den Rotoren und Statoren ausgebildeten Spalten vorhandene magnetorheologische Fluid wird geschert, um viskos die Rotation der Knieprothese zu dämpfen. Das Magnetfeld wird eingestellt, um rasch und genau die Viskosität des magnetorheologischen Fluids und die Anziehungskraft zwischen benachbarten Rotoren und Statoren zu verändern. Dieses erzeugt einen variablen Rotationstorsionswiderstand zum Steuern der Beugung und Streckung der Knieprothese.
Zum Zwecke der Zusammenfassung der Erfindung und der gegenüber dem Stand der Technik erzielten Vorteile wurden bestimmte Aufgaben und Vorteile der Erfindung hierin vorstehend beschrieben. Natürlich dürfte es sich verstehen, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Aufgaben oder Vorteile mit jeder einzelnen Ausführungsform der Erfindung erzielt werden können. Somit wird beispielsweise der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die Erfindung in einer Weise verkörpert oder ausgeführt werden kann, die einen Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen erreicht oder optimiert, wie sie hierin gelehrt werden, ohne notwendigerweise andere Aufgaben oder Vorteile zu erreichen, wie sie hierin gelehrt oder vorgeschlagen sein können.
Alle diese Ausführungsformen sollen innerhalb des Schutzumfangs der hierin offenbarten Erfindung liegen. Diese und weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ohne weiteres ersichtlich, wobei die Erfindung auf keine spezielle bevorzugte offenbarte Ausführungsform beschränkt ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachdem somit die allgemeine Art der Erfindung und ihre wesentlichen Merkmale und Vorteile zusammengefasst wurden, werden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und deren Modifikationen für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der detaillierten Beschreibung hierin unter Bezugnahme auf die nachstehenden Figuren ersichtlich, von welchen:
1 eine schematische Zeichnung eines normalen menschlichen Fortbewegungszyklus ist, welcher die verschiedenen Gliedmaßenpositionen während Stand- und Schwingphasen darstellt;
2 eine schematische Darstellung einer Prothesenanordnung der unteren Gliedmaßen ist, die eine elektronisch gesteuerten Knieprothese und Merkmale und Vorteile gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 eine vereinfachte schematische Zeichnungsdarstellung ist, die die Gesamtkonfiguration einer bevorzugten Ausführungsform der Knieprothese der vorliegenden Erfindung darstellt;
4 eine detaillierte perspektivische Explosionsansicht einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Querschnittsansicht der Knieprothese von 4 ist;
6 eine perspektivische Ansicht des Kerns von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine Seitenansicht des Kerns von 6 ist;
8 eine Ansicht des Endes des Kerns von 6 ist;
9 eine Vorderansicht von einer der Kernseitenplatten von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Rückseitenansicht der Kernseitenplatte von 9 ist;
11 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11-11 von 9 ist;
12 eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs 12-12 von 11 ist;
13 eine Vorderansicht eines kombinierten Kerns und einer zugeordneten Seitenplatte mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
14 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 14-14 von 13 ist;
15 eine Ansicht des inneren Keilprofils von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
16 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 16-16 von 15 ist;
17 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 17-17 von 16 ist;
18 eine Vorderseitenansicht von einem der Rotoren von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
20 eine Vorderansicht von einem der Statoren von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
21 eine Seitenansicht des Stators von 20 ist;
22 eine perspektivische Ansicht des äußeren Keilprofils von 4 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
23 eine Ansicht des Endes des äußeren Keilprofils von 22 ist;
24 eine Draufsicht auf das äußere Keilprofil von 22 ist;
25 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 25-25 von 13 ist;
26 eine perspektivische Ansicht des Kerns mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
27 eine Seitenansicht des Kerns von 26 ist;
28 eine Ansicht des Endes des Kerns von 26 ist;
29 eine perspektivische Ansicht einer ersten Kernseitenplatte mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
30 eine Vorderansicht der Kernseitenplatte von 29 ist;
31 eine Rückansicht der Kernseitenplatte von 29 ist;
32 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 32-32 von 29 ist;
33 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 33-33 von 32 ist;
34 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Kernseitenplatte mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
35 eine Rückansicht der Kernseitenplatte von 34 ist;
36 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 36-36 von 35 ist;
37 eine perspektivische Ansicht einer Magnetspule mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
38 eine Ansicht des Endes der Magnetspule von 34 ist;
39 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 39-39 von 38 ist;
40 eine perspektivische Ansicht eines inneren Keilprofils mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
41 eine Ansicht des Endes des inneren Keilprofils von 40 ist;
42 eine Seitenansicht des inneren Keilprofils von 40 ist;
43 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 43-43 von 41 ist;
44 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 44-4 von 42 ist;
45 eine Vorderansicht eines Rotors mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
46 eine Seitenansicht des Rotors von 45 ist;
47 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 47-47 von 45 ist;
48 eine Vorderansicht des Stators mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
49 eine Seitenansicht des Stators von 48 ist;
50 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs 50-50 von 48 ist; und
51 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese ist, in welcher der magnetische Rückschlusspfad durch das Äußere des Knies verläuft.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Verständnis des normalen menschlichen Gehens/Laufens liefert die Basis für die Konstruktion und Entwicklung effektiver Prothesen der unteren Gliedmaße mit gesteuerter Bewegung. Die normale menschliche Fortbewegung oder der Gang können als eine Reihenfolge rhythmisch abwechselnder Bewegungen der Gliedmaßen und des Rumpfes beschrieben werden, welche zu der Vorwärtsbewegung des Körperschwerpunktes führen.
Ein typischer Gangzyklus, wie er schematisch in 1 dargestellt ist, umfasst die Aktivität, die zwischen dem Fersenaufsetzen eines unteren Gliedes 10 und dem anschließenden Fersenaufsetzen desselben unteren Gliedes 10 erfolgt. Das Glied oder Bein 10 umfasst im Allgemeinen einen Fuß 12 und einen Schienbeinabschnitt 14, der mit einem Oberschenkelabschnitt 16 über ein Knie oder Kniegelenk 18 gekoppelt oder gelenkig verbunden ist. Während eines einzelnen Gangzyklusses durchläuft jedes untere Glied oder Extremität eine Stand- oder gestreckte Phase 20 und eine Schwingphase 22.
Die Standphase 20 beginnt bei dem Fersenaufsetzen 24, wenn die Ferse den Boden oder die unterstützende Untergrundoberfläche berührt und sich das Standknie leicht zu beugen beginnt. Diese Beugung ermöglicht eine Stoßabsorption bei dem Aufsetzen und hält auch den Schwerpunkt des Körpers auf einer konstanteren vertikalen Höhe während des Standes.
Kurz nach dem Fersenaufsetzen 24 bildet die Sohle einen Kontakt mit dem Untergrund am Beginn der Fuß-Flachphase 26. Nachdem eine maximale Beugung in dem Standknie erreicht ist, beginnt sich das Gelenk wieder zu strecken, bis die maximale Streckung bei dem Mittelstand 28 erreicht wird, sobald das Körpergewicht über die unterstützende Extremität hinaus geschwungen wird und sich weiter über den Fuß dreht.
Da sich die Körpermasse über das Fußgelenk weiter nach vorne dreht, hebt die Ferse von dem Untergrund bei der Fersenabhebung 30 ab. Kurz danach wird der Körper durch die kraftvolle Wirkung der Wadenmuskeln (Abstoßung) nach vorne geschoben. Die Abstoßphase endet, wenn der gesamte Fuß von dem Untergrund bei der Zehenabhebung 32 abhebt.
Während des späten Standes beugt sich das Knie des unterstützenden Schenkels in Vorbereitung für den den Untergrund für den Schwingvorgang verlassenden Fuß. Dieses wird typischerweise in der Literatur als "knee break – Knieknick" bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt berührt der andere Fuß den Boden und der Körper befindet sich in dem "Doppelunterstützungsmodus", d.h., beide Beine tragen das Körpergewicht.
Bei der Zehenabhebung 32 verlässt, da die Hüfte gebeugt wird und das Knie einen bestimmten Winkel bei dem Knieknick erreicht, der Fuß den Boden und das Knie setzt seine Beugung in die Schwingphase fort. Während der frühen Schwingphase beschleunigt der Fuß. Nach dem Erreichen der maximalen Beugung bei dem Mittelschwung 34 beginnt das Knie sich zu strecken und der Fuß bremst ab. Nachdem das Knie die volle Streckung erreicht hat, wird der Fuß wieder auf dem Untergrund bei dem Fersenaufsetzen 24' aufgesetzt und der nächste Gehzyklus beginnt.
Typischerweise ist die anatomische Position die aufrechte Position, weshalb die Beugung eine Bewegung eines Körperteils von der gestreckten oder stehenden oder anatomischen Position weg ist. Somit ist das Biegen des Knies eine Kniebeugung, Streckung ist eine Bewegung eines Gliedes zu der anatomischen Position hin, und somit ist die Kniestreckung eine Bewegung in der "begradigenden" Richtung.
Während eines normalen Gehvorgangs auf einer im Allgemeinen ebenen Fläche variiert der maximale Beugungswinkel α_S zwischen etwa 70° und 80°. Der maximale Streckungswinkel α_E ist typischerweise etwa oder nahe an 180°. Somit dreht sich bei einem Gehen in der Ebene das normale menschliche Knie über einen Bereich von etwa 70° bis 80° ausgehend aus einer Position voller Streckung im frühen und mittleren Stand bis 70 bis 80° Beugung kurz nach der Zehenabhebung. In anderen Situationen, beispielsweise in einer Sitzposition, kann der maximale Beugungswinkel α_S etwa 140° bis 150° sein.
Systemübersicht
2 ist eine schematische Darstellung einer Prothesenanordnung der unteren Gliedmaßen oder Prothese 100 mit einer elektronisch gesteuerten aktiven Knieprothese und mit den Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie es hierin nachstehend detaillierter beschrieben wird, weist die aktive Knieprothese ein magnetorheologisches (MR) Bremssystem 110 mit variablem Drehmoment auf, um Widerstandskräfte bereitzustellen, die im Wesentlichen die Position und Bewegung eines natürlichen Kniegelenkes während der Umhergehens und/oder anderer Bewegungsaktivitäten simulieren, die von dem Amputierten ausgeführt werden. An dem einen Ende ist das künstliche Knie 110 mit einem Restgliedsockel 102 gekoppelt oder mechanisch verbunden, welcher ein Restglied oder Oberschenkelabschnitt 104 des Amputierten aufnimmt, während das andere Ende der Knieprothese 110 mit einem Pylon- oder Schaftabschnitt 106 gekoppelt oder mechanisch verbunden ist, welcher wiederum mit einer weiteren Prothese oder einem künstlichen Fuß 108 gekoppelt oder mechanisch verbunden ist.
Vorteilhafterweise ermöglicht das Knieprothesengelenk 110 der vorliegenden Erfindung dem Amputierten sich bequem und sicher unter einer breiten Vielfalt von Umständen zu bewegen und/oder sich an diese anzupassen. Beispielsweise während des Gehens, Laufens, Hinsetzens, oder wenn geringfügige oder drastische Änderungen in der Umgebung oder Umfeldbedingungen auftreten, wie z.B. dann, wenn der Benutzer einer Koffer anhebt, oder eine Steigung hinunter geht.
Das künstliche Kniegelenk 110 stellt eine Standsteuerung bereit, um ein Knicken zu verhindern, wenn ein Gewicht auf das Glied ausgeübt wird. Zusätzlich stellt die Knieprothese 110 eine Luftschwungsteuerung bereit, so dass das Knie die volle Streckung unmittelbar vor einem Fersenaufsatz in einer sanften und natürlichen Weise erreicht. Ferner kann die Knieprothese 110 durch Anpassen und/oder Feineinstellung des Be reichs und/oder der Größen des Widerstandsdrehmomentspegels zur Verwendung für eine breite Vielfalt von Patienten mit unterschiedlichen Körpergewichten, Größen und Aktivitätsgraden eingestellt werden.
Bevorzugt wird das künstliche Knie 110 der vorliegenden Erfindung bei einem transfemoral (über dem Knie, A/N) Amputierten eingesetzt. Alternativ oder optional kann die Knieprothese 110 zum Einsatz bei einem am Kniegelenk (K/D) Amputierten, bei welchem die Amputation durch das Kniegelenk erfolgt, nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein im Wesentlichen natürliches Gefühl bereitzustellen und/oder eine sichere Prothesenvorrichtung, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, angepasst werden.
3 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Rotationsknieprothese oder eines magnetorheologischen (MR) Bremssystems 110 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kniebetätigungselement 110 enthält eine im Wesentlichen zentrale Bohrung 112, welche im Wesentlichen von einen Elektromagneten oder eine Magnetspule 114 umgeben oder umhüllt ist, und mit einem Paar von Seitenplatten oder Scheiben 116, 118 in mechanischer Verbindung steht. Indem ein variabler gesteuerter Strom durch den Elektromagneten 114 geleitet wird, wird ein variables Magnetfeld erzeugt. Bevorzugt sind der Kern 112 und die Seitenplatten 116, 118 aus einem eisenhaltigen, magnetisierbaren oder magnetischen Material und dergleichen aufgebaut. Bevorzugter sind der Kern 112 und die Seitenplatten 116, 118 aus einem magnetisch weichen Material mit hoher Sättigungsflussdichte und hoher magnetischer Permeabilität aufgebaut.
Die Knieprothese 110 enthält ferner mehrere innere Blätter oder Platten 120 in mechanischer Verbindung mit einem inneren Keilprofil 122. Das innere Keilprofil 122 umgibt oder umhüllt im Allgemeinen den Elektromagneten 114 und ist mit den Seitenplatten 116, 118 gekoppelt oder mechanisch verbunden. Die Blätter 120 sind bevorzugt konzentrisch um die Rotationsachse 124 der Bremse herum angeordnet. Das innere Keilprofil 122 ist bevorzugt um die Rotationsachse 124 des Kniegelenks herum drehbar und somit auch die Blätter oder Rotoren 120 und die Kernseitenplatten 116, 118. Die Rotation des inneren Keilprofils 122 entspricht einer Rotation oder Bewegung des unteren (unterhalb des Knies) Teils des Beins.
Die Knieprothese 110 weist ebenfalls mehrere äußere Blätter oder Platten 130 in mechanischer Verbindung mit einem äußeren Keilprofil 132 auf. Das äußere Keilprofil 132 umgibt oder umhüllt das innere Keilprofil 122. Die Blätter 130 sind bevorzugt konzentrisch um die Rotationsachse der Bremse herum angeordnet. Das äußere Keilprofil 132 ist bevorzugt um die Rotationsachse 124 des Kniegelenks herum angeordnet und somit auch die Blätter oder Statoren 130. Eine Rotation des äußeren Keilprofils 132 entspricht einer Rotation oder Bewegung des oberen (über dem Knie) Teils des Beins. Bevorzugt weist das äußere Keilprofil oder Gehäuse 132 eine Einrichtung auf, um eine Verbindung der Kniegelenksprothese 110 mit einem geeigneten Stumpfsockel oder dergleichen zu ermöglichen. Das äußere Keilprofil 132 und somit die Statoren 130 sind bevorzugt im Wesentlichen drehstarr mit dem oder nicht drehbar in Bezug auf den Stumpfsockel oder das Restglied verbunden.
Die mehreren Rotoren 120 und Statoren 130 sind in einer abwechselnden Weise verteilt und die Spalten zwischen benachbarten Blättern 120 und 130 weisen ein magnetorheologisches (MR) Fluid 134 auf, welches dadurch in dem Hohlraum oder Ka nal sitzt, der zwischen dem inneren Keilprofil 122 und dem äußeren Keilprofil 132 ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das (MR) Fluid 134 in den Spalten oder Mikrospalten zwischen benachbarten Rotoren 120 und Statoren 130 in der Form von dünnen Schmierfilmen zwischen benachbarten Rotoren 120 und Statoren 130 vor. Die zwischen den Seitenplatten 116, 118 und benachbarten Statoren 130 vorhandene Scherung des (MR) Fluids kann ebenfalls zu der Kniedämpfung beitragen.
Während einer Kniegelenksrotation wird das (MR) Fluid in den mehreren Spalten zwischen den Rotoren 120 und Statoren 130 geschert, um ein Dämpfungsdrehmoment zum Steuern der Gliedrotation zu erzeugen. Die Blätter oder Scheiben 120 und 130 sind bevorzugt aus einem eisenhaltigen, magnetisierbaren oder magnetischen Material und dergleichen hergestellt. Insbesondere sind die Blätter oder Scheiben 120 und 130 aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität und magnetischer Weichheit ausgebildet, soweit es mechanisch ausführbar ist.
Das Kniegelenk 110 enthält ferner ein Paar von Kugellagern 126, 128, die mit entsprechenden Seitenplatten 116, 118 gekoppelt oder verbunden sind. Die Kugellager 126, 128 sind ferner mit entsprechenden Seitenwänden oder Befestigungsgabeln 136, 138 gekoppelt oder verbunden Somit wird eine Rotationsverbindung zwischen dem inneren Keilprofil 122 und den Befestigungsgabeln 136, 138 erzeugt. Die Befestigungsgabeln 136, 138 bilden in Kombination mit dem äußeren Keilprofil 132 eine äußere Hauptschale des Kniegelenks 110. Bevorzugt weisen die Seitenwände oder Befestigungsgabeln 136, 138 Einrichtungen auf, um die Verbindung der Kniegelenksprothese 110 an einem geeigneten Pylon, Schaftabschnitt oder dergleichen zu ermöglichen, wie es nachstehend beschrieben wird.
Bevorzugt drehen sich der zentrale Kern 112 und auch der Elektromagnet 114 zusammen mit der Drehung des inneren Keilprofils 122, den Rotoren 120, den Kernseitenplatten 116, 118 und den Befestigungsgabeln 136, 138. Die Statoren 130 drehen sich zusammen mit der Drehung des äußeren Keilprofils 132.
Die Rotoren 120 sind rotatorisch bezüglich des inneren Keilprofils 122 fixiert und die Statoren 130 sind rotatorisch bezüglich des äußeren Keilprofils 132 fixiert. Während verschiedener Stadien der Fortbewegung oder Knierotation können sich die Rotoren 120 um die Rotationsachse 124 des Knies drehen, während die Statoren 130 rotatorisch im Wesentlichen stationär sind, oder die Statoren 130 können sich drehen, während die Rotoren 120 rotatorisch im Wesentlichen stationär sind, oder sowohl die Rotoren 120 als auch die Statoren 130 können sich drehen oder im Wesentlichen rotatorisch stationär sein. Die Begriffe "Rotor" und "Stator" werden verwendet, um zwischen den inneren Blättern 120 und den äußeren Blättern 130 zu unterscheiden, obwohl sich sowohl die Rotoren 120 als auch die Statoren 130 drehen können, und um demonstrieren, dass eine Relativrotationsbewegung zwischen den Rotoren 120 und den Statoren 130 (mit (MR) Fluid, das in den Spalten zwischen benachbarten Rotoren 120 und Statoren 130 geschert wird) erzeugt wird. Falls es gewünscht ist, können die Blätter 120 als die "inneren Rotoren" und die Blätter 130 als die "äußeren Rotoren" bezeichnet werden.
Eine Erregung des Magneten 114 bewirkt, dass ein magnetisches Feld, Kreis oder Pfad 140 innerhalb des Kniegelenkes 110 generiert oder erzeugt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft das magnetische Feld 140 durch den zentralen Kern 112, radial nach außen durch die Seitenplatte 118, seitlich durch den abwechselnd verteilten Satz von Rotoren 120 und Statoren 130 und das magnetorheologische Fluid 134 und radial durch die Seitenplatte 116 nach innen. Der Abschnitt des durch den Kern 112 und die Seitenplatten 116, 118 verlaufenden Magnetfeldes 140 definiert im Allgemeinen einen magnetischen Rückschlusspfad, während das aktive oder funktionale Magnetfeld im Allgemeinen durch den Magnetpfad durch die Rotoren 120, Statoren 130 und das (MR) Fluid 134 definiert ist.
Das magnetorheologische (MR) Fluid 134 macht eine Rheologie- oder Viskositätsänderung durch, welche von der Größe des angelegten magnetischen Feldes abhängt. Diese Veränderung in der Fluidviskosität bestimmt wiederum die Größe der Scherungs-Kraft/Spannung, des Drehmoments oder des erzeugten Drehwiderstandes und somit den Dämpfungsgrad, der durch die Knieprothese 110 bereitgestellt wird. Somit wird durch Steuern der Größe dieses Magnetfeldes die Rotationsbewegung des künstlichen Glieds gesteuert, um beispielsweise die Beugung und Streckung während Schwung- und Standphasen zu steuern, um einen natürlicheren und sicheren Gang für den Amputierten zu erzeugen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotoren 120 und/oder Statoren 130 in einer seitlichen Richtung 142 verschiebbar, und können somit unter dem Einfluss eines magnetischen Feldes an angrenzenden Rotoren 120 und/oder Statoren 130 mit einer variablen Kraft reiben, welche durch die Stärke des Magnetfeldes bestimmt ist, um eine "hybride" magnetorheologische und reibende Dämpfungsbremse bereitzustellen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Rotoren 120 und Statoren 130 seitlich in ihrer Position bezüglich der Keilprofile 122 und 132 fixiert und somit ist der Bremseffekt im Wesentlichen rein magnetorheologisch oder viskos. Alternativ können einige von den Rotoren 120 und/oder Statoren 130 seitlich fixiert sein, während andere nach Wunsch und Bedarf seitlich unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein im Wesentlichen natürliches Gefühl bereitzustellen und/oder eine sichere Prothesenvorrichtung, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, verschiebbar sein können. In einer Ausführungsform sind die Seitenplatten 116, 118 seitlich verschiebbar und tragen zu der Reibungsdämpfung aufgrund eines Reibungskontaktes mit benachbarten Statoren 130 bei.
Vorteilhafterweise gibt es durch den Betrieb in dem Scherungsmodus keinen oder nur einen vernachlässigbaren Druckaufbau innerhalb der MR betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung. Dieses beseitigt oder reduziert im Wesentlichen die Chancen eines Fluidaustritts und eines Ausfalls des Knies und trägt somit erheblich zu der Sicherheit der Vorrichtung bei.
Ferner verhalten sich die mehreren Scherungsoberflächen oder Fluss-Grenzflächen, die durch die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden, vorteilhaft als ein Drehmomentvervielfacher und ermöglichen ein Anheben des Flüssigkeitsdrehmomentpegels bis zu einem gewünschten maximalen Wert ohne die Verwendung eines zusätzlichen Getriebes oder einer anderen Hilfskomponente. Beispielsweise können dann, wenn zwei Fluss-Grenzflächen ein maximales Flüssigkeitsdrehmoment von etwa 1 Nm bereitstellen können, 40 Fluss-Grenzflächen ein Flüssigkeitsdämpfungsdrehmoment von etwa 40 Nm bereitstellen. Im Gegensatz dazu wird, wenn ein 40:1 Übersetzungsgetriebe verwendet wird, um das Drehmoment zu steigern, in nachteiliger Weise nicht nur die reflektierte Trägheit des Systems um einen Faktor von etwa 1600 vergrößert, sondern auch das Systemgewicht, die Größe und Komplexität unerwünscht gesteigert.
Die mehreren Scherungsoberflächen oder Schnittstellen der Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen sind auch dahingehend vorteilhaft, dass sie das Erreichen eines breiten dynamischen Drehmomentbereiches ermöglichen, was den sicheren und/oder natürlicheren Gang für den Patienten ermöglicht. Erwünschtermaßen stellt die MR betriebene Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen eine rasche und genaue Reaktion bereit. Dieses ermöglicht wiederum dem Patienten sich in einer sicheren und/oder natürlicheren Weise zu bewegen.
Magnetorheologisch betriebene Knieprothese
4 und 5 stellen ein steuerbares Rotationsknieprothesengelenk 210 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Knieprothese 210 erzeugt steuerbare dissipative Kräfte bevorzugt entlang der oder um die Rotationsachse 224 des Knies.
Das elektronisch gesteuerte Knie 210 weist einen im Allgemeinen einen zentralen Kern 212 in mechanischer Verbindung mit einem Paar von drehbaren Seitenplatten 216, 218, einen Elektromagneten 214, mehrere Blättern oder Rotoren 220 in mechanischer Verbindung mit einem drehbaren inneren Keilprofil 222, mehrere Blätter oder Statoren 230 in mechanischer Verbindung mit einem drehbaren äußeren Keilprofil 232, und ein Paar von Kugellagern 226, 228 zum Übertragen einer Rotationsbewegung auf ein Paar von Außenseitenwänden oder Gabeln 236, 238 auf. Die Rotation erfolgt im Wesentlichen um die Rotationsachse 224 des Knies.
Die mehreren Rotoren 220 und Statoren 230 sind bevorzugt in einer abwechselnden Weise verteilt und die Spalte oder Mikrospalte zwischen benachbarten Blättern 220 und 230 weisen dünne Schmierfilme aus einem magnetorheologischen (MR) Fluid auf, welches sich dadurch in dem Hohlraum oder Kanal befin det, der zwischen dem inneren Keilprofil 222 und dem äußeren Keilprofil 232 ausgebildet ist. Diese bevorzugte Ausführungsform erzeugt ein steuerbares und zuverlässiges künstliches Kniegelenk, welches vorteilhaft eine breiten dynamischen Drehmomentbereich besitzt, indem das (MR) Fluid in den mehreren Spalten oder Fluss-Grenzflächen zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 geschert wird.
Bevorzugt werden Stangen 248 mit Gewindeenden und Muttern 250 verwendet, um ausgewählte Komponenten der Knieprothese 210 zu befestigen, um dadurch eine einfache Montage und Demontageprozedur mit einem Minimum an Befestigungselementen zu ermöglichen. Alternativ können zusätzlich verschiedene andere Typen von Befestigungselementen, wie z.B. Schrauben, Stifte, Sperren, Klammern und dergleichen nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein im Wesentlichen natürliches Gefühl bereitzustellen und/oder eine sichere Prothesenvorrichtung, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, zweckentsprechend verwendet werden
Kern und zugeordnete Seitenplatten (magnetischer Rückschlusspfad)
Bevorzugt sind der Kern 212 und die zugeordneten Seitenplatten 216, 218 aus magnetisch weichem Material mit hoher Sättigungsflussdichte und hoher magnetischer Permeabilität hergestellt. Somit wird, wenn der Elektromagnet 214 erregt wird, ein magnetisches Feld, Kreis oder Pfad innerhalb des Kniegelenkes 210 generiert oder erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft das magnetische Feld in Längsrichtung (parallel zu der Rotationsachse 224) durch den zentralen Kern 212, radial durch die Seitenplatte 218, seitlich (parallel zu der seitlichen Richtung 242) durch den verteilten Satz der Rotoren 220 und Statoren 230 und das magnetorheologische (MR) Fluid und radial durch die Seitenplatte 216.
Die Orientierung oder Positionierung des Elektromagneten 214 und die Richtung des Stromflusses durch diesen bestimmt die Polarität des Magnetfeldes und bestimmt damit, ob das Magnetfeld radial nach innen oder außen durch die Seitenplatte 218 verläuft und somit in der entsprechenden entgegen gesetzten Richtung durch die Seitenplatte 216. Der Anteil des Magnetfeldes der durch den Kern 212 und die Seitenplatten 216, 218 verläuft, definiert im Allgemeinen den magnetischen Rückflusspfad, während das aktive oder funktionale Magnetfeld im Allgemeinen durch den Magnetpfad durch die Rotoren 220, Statoren 230 und das sich dazwischen befindende (MR) Fluid definiert ist.
6 bis 8 stellen eine bevorzugte Ausführungsform des Kerns 212 des Kniegelenkes 210 dar. Der Kern besitzt bevorzugt eine zylindrische Form und weist ein Paar zylindrischer Abschnitte 252, 254 auf, wobei der Kernabschnitt 252 einen größeren Durchmesser als der Kernabschnitt 254 aufweist. Der Kernabschnitt 252 ist so bemessen und konfiguriert, dass er in einem Verbindungseingriff mit einem entsprechenden Hohlraum der Kernseitenplatte 216 steht, während der Kernabschnitt 254 so bemessen und konfiguriert ist, dass er in einem Verbindungseingriff mit einem entsprechenden Hohlraum der Kernseitenplatte 218 steht. Somit dreht sich der Kern, wenn sich die Seitenplatten 216, 218 drehen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Kern 212 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes leichtes und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschla genen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, bemessen, geformt und/oder konfiguriert werden.
Der Kern 212 wird bevorzugt aus einem Material mit einer hohen Sättigungsflussdichte, einer hohen magnetischen Permeabilität und einer niedrigen Koerzitivkraft hergestellt. Dieses ermöglicht vorteilhaft die Konstruktion eines künstlichen Knies oder einer Bremse, die kompakt und leicht und auch stabil sind. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kern 212 aus einer einteiligen Einheit. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Kern 212 aus laminierten Schichten ausgebildet, um vorteilhaft Wirbelstromverluste zu reduzieren oder zu minimieren.
Bevorzugt besteht der Kern 212 aus einer Eisen/Kobalt-Legierung (FeCo) mit hoher magnetischer Sättigung. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kern 212 aus einer ASTM A-801 Typ 1 Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung, welche eine Zusammensetzung mit etwa 50% Kobalt angibt. Beispielsweise kann der Kern 212 aus einer Hiperco Alloy 50^®, Permendur V^TM oder Vanadium Permendur bestehen, wie sie von Principal Metals erhältlich sind, oder aus Vacoflux 50, das von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland erhältlich ist. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kern 212 eine Legierung mit einem niedrigeren Prozentsatz an Kobalt, z.B. etwa 17%, welche als Vacoflux 17 von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland beziehbar ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Kern 212 aus alternativen Materialien hoher magnetischer Sättigung, hoher magnetischer Permeabilität und niedriger Koerzitivkraft zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes und/oder haltbares Kniegelenk bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das den Kern 212 bildende Material eine Sättigungsflussdichte von etwa 2,2 Tesla auf. Eine derartig hohe Sättigungsflussdichte ist erwünscht, da sie eine kompakte und leichte Konstruktion ermöglicht. Beispielsweise müsste, wenn ein Material mit niedrigerer Sättigungsflussdichte verwendet würde, die Querschnittsfläche des Rückflusspfades durch den Kern 212 in der Richtung des Magnetfeldes vergrößert werden, um dasselbe maximale Drehmoment und den dynamischen Drehmomentbereich zu erreichen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernflussdichte zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares Kniegelenk bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, höher oder niedriger sein
Bevorzugt wird der Kern 212 durch eine spanende Bearbeitung gefolgt von einer Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre zum Erzielen optimaler magnetischer Eigenschaften hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Kern zweckentsprechend mittels anderer Techniken wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Formen, Laminieren usw, nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 7 ist der Kern 212 so dimensioniert und konfiguriert, dass die Länge L₇₁ etwa 3,076 cm (1,211 Inches), die Länge L₇₂ etwa 0,61 cm (0,240 Inches), der Durchmesser D₇₁ etwa 1,728 cm (0,6805 Inches) und der Durchmesser D₇₂ etwa 1,424 cm (0,5605 Inches) ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser D₇₁ und/oder der Durchmesser D₇₂ etwa 1,91 cm (0,750 Inches). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Kern 212 zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
9 bis 12 stellen eine bevorzugte Ausführungsform der Kernseitenplatte oder 216 des Knieprothesengelenkes 210 dar. Die Seitenplatte 216 besitzt bevorzugt eine runde Form und weist eine im Wesentlichen zentralen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 256 für einen Verbindungseingriff mit dem freien Ende des Kernabschnittes 252 auf. Bevorzugt erfolgt diese Verbindungsbefestigung über einen Presssitz. Alternativ können weitere geeignete Formen für die Seitenplatte 216 und die Öffnung 256 zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die andere Kernseitenplatte oder Scheibe 218 im Wesentlichen gleich wie die Seitenplatte 216 der 9 bis 12 bemessen, geformt und konfiguriert mit der Ausnahme, dass der zentrale runde Hohlraum der Kernseitenplatte 218 so bemessen, geformt und konfiguriert ist, dass er mit dem Kernabschnitt 254 bevorzugt über einen Presssitz in Verbindungseingriff steht. Somit dürfte es sich aus Gründen der Klarheit und Kürze der Offenbarung verstehen, dass eine detailliere Beschreibung der Kernseitenplatte 216 ausreicht und die meisten der entsprechenden Merkmale der Kernseitenplatte 213 verkörpert.
Bevorzugt weist die Seitenplatte 216 mehrere angenähert gleich beabstandete Durchtrittslöcher 258 auf, die in einer im Allgemeinen ringförmigen Weise angeordnet sind, um Stangen mit Endgewinden oder Schrauben und dergleichen aufzunehmen, um die verschiedenen Komponenten der Knieprothese 210 aufzunehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Seitenplatte 216 fünf Löcher 258 auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Seitenplatte 216 drei Löcher 258 auf. Alternativ können weniger oder mehr Löcher 258 in anderer Weise nach Bedarf oder Wunsch angeordnet vorgesehen sein.
Die Kernseitenplatte 216 weist bevorzugt eine ringförmige Nut 260 für die Aufnahme eines O-Rings 262 (4), Lippendichtung oder Dichtung und dergleichen auf. Dieses stellt eine dynamische Abdichtung zwischen der drehbaren Seitenplatte 216 und der Innenoberfläche des drehbaren äußeren Keilprofils 232 auf und verhindert einen Austritt von (MR) Fluid aus dem Knie 210. Die andere Seitenplatte 218 ist in ähnlicher Weise für die Aufnahme eines O-Rings 262 (4) konfiguriert und stellt eine dynamische Abdichtung bereit. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind zwei Nuten oder Flansche auf der Innenoberfläche des äußeren Keilprofils 232 für die Aufnahme von O-Ringen oder dergleichen vorgesehen und stellen eine dynamische Abdichtung zwischen den Kernseitenplatten 216, 218 und dem äußeren Keilprofil 232 bereit.
Die O-Ringe 262 werden aus einem geeigneten Gummimaterial oder dergleichen, wie unter anderem aus Viton, Teflon und Neopren hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die O-Ringe 262 einen Innendurchmesser von etwa 50 mm und eine Breite von etwa 1,5 mm. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die dynamischen Dichtungen in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, zuverlässige Dichtungen bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Die Innenoberfläche der Kernseitenplatte 216 weist bevorzugt eine im Allgemeinen kreisförmige Schulter oder Stufe 264 für die Ausrichtung oder Lokalisierung mit dem inneren Keilprofil 222 (4) auf. Die Außenoberfläche der Kernseitenplatte 216 weist bevorzugt eine im Allgemeinen ringförmige Schulter oder Stufe 266 für die Ausrichtung oder Lokalisierung mit der äußeren Gabel 236 (4) auf. Optional kann die Stufe 266 einen Ausschnitt 268 enthalten, um einen Freiraum für elektrische Drähte oder Leiter zu ermöglichen. Weitere Löcher um den zentralen Hohlraum 256 herum können für den Durchtritt von elektrischen Drähten oder Leitern vorgesehen sein. Bevorzugt enthält die Außenoberfläche der Kernseitenplatte 216 einen konischen Abschnitt 270. Dieses verringert vorteilhaft Gewicht, spart Material und stellt auch Freiraum zur Erleichterung der Montage bereit.
Die Kernseitenplatte 216 wird bevorzugt aus einem Material mit einer hohen Sättigungsflussdichte, einer hohen magnetischen Permeabilität und einer niedrigen Koerzitivkraft hergestellt. Dieses ermöglicht vorteilhaft die Konstruktion eines künstlichen Knies oder einer Bremse, die kompakt und leicht und auch stabil sind. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kernplatte 216 aus einer einteiligen Einheit. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kernplatte 216 aus laminierten Schichten ausgebildet, um vorteilhaft Wirbelstromverluste zu reduzieren oder zu minimieren.
Bevorzugt besteht die Kernplatte 216 aus einer Eisen/Kobalt-Legierung (FeCo) mit hoher magnetischer Sättigung. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kernplatte 216 aus einer (ASTM A-801 Typ 1) Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung, welche eine Zusammensetzung mit etwa 50% Kobalt angibt. Beispielsweise kann die Kernplatte 216 aus einer Hiperco Ally 50^®, Permendur V^TM oder Vanadium Permendur bestehen, wie sie von Principal Metals erhältlich sind, oder aus Vacoflux 50, das von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland erhältlich ist. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Kernplatte 216 eine Legierung mit einem niedrigeren Prozentsatz an Kobalt, z.B. etwa 17%, welche als Vacoflux 17 von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland beziehbar ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernplatte 216 aus alternativen weichmagnetischen Materialien oder dergl. zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes und/oder haltbares Kniegelenk bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das die Kernplatte 216 bildende Material eine Sättigungsflussdichte von etwa 2,2 Tesla auf. Eine derartig hohe Sättigungsflussdichte ist erwünscht, da sie eine kompakte und leichte Konstruktion ermöglicht. Beispielsweise müsste, wenn ein Material mit niedrigerer Sättigungsflussdichte verwendet würde, die Querschnittsfläche des Rückflusspfades durch die Kernplatte 216 in der Richtung des Magnetfeldes vergrößert werden, um dasselbe maximale Drehmoment und den dynamischen Drehmomentbereich zu erreichen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernflussdichte zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares Kniegelenk bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, höher oder niedriger sein
Bevorzugt wird die Kernseitenplatte 216 durch eine spanende Bearbeitung gefolgt von einer Wärmebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre zum Erzielen optimaler magnetischer Eigenschaften hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 216 zweckentsprechend mittels anderer Techniken wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Formen, Laminieren usw. nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 9 ist die Kernseitenplatte 216 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₉₁ etwa 5,240 cm (2,063 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₉₂ etwa 2,845 cm (1,120 Inches), der Durchmesser D₉₃ etwa 1,727 cm (0,6800 Inches) und der Durchmesser D₉₄ etwa 2,85 mm (0,111 Inches) ist. Der Durchmesser D₉₃ wird bevorzugt so gewählt, dass er einen Presssitz zwischen dem zentralen Hohlraum der Seitenplatte 216 und dem freien Ende des Kernabschnittes 252 ergibt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser D₉₃ des zentralen Hohlraums etwa 1,91 cm (0,750 Inches), Der entsprechende zentrale Hohlraum der anderen Kernseitenplatte 218 weist einen Durchmesser D₉₃ auf, der bevorzugt so gewählt wird, dass er einen Presssitz mit dem freien Ende des Kernabschnittes 254 ergibt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Durchmesser D₇₁ und/oder der Durchmesser D₇₂ etwa 1,91 cm (0,750 Inches). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Kernseitenplatte 216, 218 in alter nativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 10 ist die Kernseitenplatte 216 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Durchmesser D₁₀₁ etwa 2,43 cm (0,958 Inches), der Durchmesser D₁₀₂ etwa 2,29 cm (0,900 Inches), der Durchmesser D₉₃ etwa 1,727 cm (0,6800 Inches) und die Breite W₁₀₁ etwa 3,3 mm (0,13 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 216 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 11 ist die Kernseitenplatte 216 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Durchmesser D₁₁₁ etwa 5,011 cm (1,937 Inches), der Durchmesser D₁₁₂ etwa 4,801 cm (1,890 Inches), der Durchmesser D₁₁₃ etwa 2,461 cm (0,969 Inches), der Durchmesser D₁₁₄ etwa 3,56 cm (1,40 Inches), und die Breite W₁₁₁ etwa 5,59 mm (0,220 Inches), die Breite W₁₁₂ etwa 0,508 mm (0,020 Inches) und die Breite W₁₁₃ etwa 1,27 mm (0,050 Inches) und der Winkel θ₁₁₁ etwa 135° ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 216 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 12 ist die Kernseitenplatte 216 so dimensioniert und konfiguriert, dass die Länge L₁₂₁ etwa 1,14 mm (0,045 Inches), die Breite W₁₂₁ etwa 2,79 mm (0,110 Inches), die Breite W₁₂₂ etwa 1,52 mm (0,060 Inches), die Breite W₁₂₃ etwa 0,64 mm (0,025 Inches), die Breite W₁₂₄ etwa 0,97 mm (0,038 Inches), der Krümmungsradius R₁₂₁ etwa 0,254 mm (0,010 Inches) bis 0,127 mm (0,050 Inches) und der Krümmungsradius R₁₂₂ etwa 3,81 mm (0,15 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 216 in alternativer weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Die Kernseitenplatten 216, 218 stehen mit dem Paar der entsprechenden Lager 226, 228 (4) für die Übertragung der Rotationsbewegung von dem inneren Keilprofil 222 (und somit der Rotoren 220) zu dem Paar der entsprechenden äußeren Gabeln 236, 238 in mechanischer Verbindung, welche wiederum mit einem Pylon oder einem Schienbeinprothesenabschnitt mechanisch verbunden sind. Jedes von einer Anzahl im Fachgebiet bekannter geeigneter Lager kann verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Lager 226, 228 aus AST P/N B 544 DDXA Kugellagern, wie sie von The Torrington Company of Torrington, Connecticut beziehbar sind.
Der Elektromagnet oder die Magnetspule 214 (4) umgibt im Allgemeinen den Kern 212 und steht bevorzugt mit dem Kern 212 und/oder den Kernseitenplatten 216, 218 in mechanischer Verbindung, so dass sich der Elektromagnet 214 zusammen mit der Drehung des Kerns 212 und/oder der Kernseitenplatten 216, 218 dreht. Der Kern 212 besteht im Wesentlichen aus einem Spulenkörper mit einer Wicklung oder einer Spule darauf. Die Anzahl von Windungen oder Umwicklungen der Wicklung ist optimiert. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Wicklung aus 304 Windungen oder Umwicklungen. In weiteren Ausführungsformen können mehr oder Windungen oder Umwicklungen zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einer Optimierung der Leistung, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, verwendet werden.
Die Wicklung des Elektromagneten 214 besteht bevorzugt aus einem Kupfermagnetdraht der Drahtgröße AWG 30. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Wicklung aus anderen Materialtypen zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einer Optimierung der Leistung, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, bestehen.
13 und 14 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines Kerns 212' mit einer in einem Stück ausgebildeten Kernseitenplatte 218' zur Verwendung in Verbindung mit dem MR betriebenen Kniegelenk der vorliegenden Erfindung dar. Falls gewünscht, können beide Kernseitenplatten in einem Stück mit dem Kern 212' ausgebildet sein. Die Ausführungsform der 13 bis 14 besitzt mehrere Merkmale, welche bereits vorstehend diskutiert wurden. Somit dürfte es sich aus Gründen der Klarheit und Kürze der Offenbarung verstehen, dass eine einge schränkte Diskussion dieser Ausführungsform, wie sie hierin nachstehend erfolgt, ausreicht.
Die Seitenplatte 218' weist ein Paar von Löchern 272 auf, welche den Durchtritt elektrischer Drähte oder Leiter erlauben. Das Ende des Kerns 218' besitzt einen abgeschrägten Umfangsabschnitt 274. Diese Abschrägung 274 erleichtert den Verbindungseingriff mit der anderen Seite der Platte 216 mittels eines Presssitzes.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 13 sind der Kern 212' und die Kernseitenplatte 218' so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₁₃₁ etwa 5,240 cm (2,063 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₁₃₂ etwa 2,845 cm (1,120 Inches), der Durchmesser D₁₃₃ etwa 2,46 cm (0,969 Inches), der Durchmesser D₁₃₄ etwa 2,82 mm (0,111 Inches), der Durchmesser D₁₃₅ etwa 1,78 mm (0,070 Inches), die Länge L₁₃₁ etwa 11,2 mm (0,440 Inches) und die Länge L₁₃₂ etwa 0,98 mm (0,385 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können der Kern 212' und die Kernseitenplatte 218' in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 14 sind der Kern 212' und die Kernseitenplatte 218' so dimensioniert und konfiguriert, dass der Durchmesser D₁₄₁ etwa 4,801 cm (1,890 Inches), der Durchmesser D₁₄₂ etwa 2,461 cm (0,969 Inches), der Durchmesser D₁₄₃ etwa 1,728 cm (0,8605 Inches), der Durchmesser D₁₄₄ etwa 3,56 mm (1,40 Inches), der Durchmesser D₁₄₅ etwa 2,43 cm (0,958 Inches), der Durchmesser D₁₄₆ etwa 2,16 cm (0849 Inches), die Breite W₁₄₁ etwa 5,59 mm (0,220 Inches), die Breite W₁₄₂ etwa 0,508 mm (0,020 Inches), die Breite W₁₄₃ etwa 1,27 mm (0, 050 Inches), die Breite W₁₄₄ etwa 2,52 cm (0,991 Inches), der Winkel θ₁₄₁ etwa 135°, und konische Abschnitt eine Länge von etwa 0,508 mm (0,02 Inches) hat. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der Durchmesser D₁₄₃ etwa 1,91 cm (0,750 Inches). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können der Kern 212' und die Kernseitenplatte 218' in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Inneres Keilprofil
15 bis 17 stellen eine bevorzugte Ausführungsform des inneren Keilprofils 222 des Knieprothesengelenkes 210 dar. Das innere Keilprofil 222 hat bevorzugt eine im Allgemeinen zylindrische Form und weist einen im Wesentlichen mittigen zylindrischen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 276 für die Aufnahme des Elektromagneten oder der Magnetspule 214 (4) auf. Alternativ können weitere geeignete Formen für das innere Keilprofil 222 und den Hohlraum 276 zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch verwendet werden.
Bevorzugt weist das innere Keilprofil 222 mehrere angenähert gleich beabstandete Längsdurchtrittslöcher 278 auf, die in einer im Allgemeinen kreisförmigen Weise angeordnet sind, um Stangen mit Endgewinden oder Schrauben und dergleichen aufzunehmen, und ausgewählte Komponenten der Knieprothese 210 wie z.B. die Kernseitenplatten 216, 218 und das innere Keilprofil 222 zu befestigen. Diese Löcher 278 sind im Allgemei nen zu entsprechenden Löchern 258 der Kernseitenplatten 216, 218 ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das innere Keilprofil 222 fünf Löcher 278 auf. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das innere Keilprofil 222 drei Löcher 278 auf. Alternativ können weniger oder mehr Löcher 278 in anderen Arten nach Bedarf oder Wunsch vorgesehen sein.
Das innere Keilprofil 222 weist bevorzugt eine ringförmige Nut 260 an jedem Ende zum Aufnehmen entsprechender O-Ringe 288 (4) oder Dichtungen und dergleichen auf. Dieses stellt eine statische Abdichtung zwischen dem inneren Keilprofil 222 und den Seitenplatten 216, 218 bereit, da diese Komponenten zusammen während einer Kniedrehung rotieren und verhindert den Austritt von (MR) Fluid aus dem Knie 210. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist eine entsprechende Nut oder ein Flansch auf den Innenoberflächen einer oder beider Platten 216, 218 vorgesehen, um O-Ringe oder dergleichen aufzunehmen und eine statische Abdichtung bereitzustellen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die statischen Dichtungen in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, zuverlässige Dichtungen bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Die Außenoberfläche des inneren Keilprofils 222 weist bevorzugt eine Vielzahl von angenähert gleich beabstandeten Längsnuten 284 auf, welche für einen Eingriff mit entsprechenden Zähnen der Rotoren 220 angepasst sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten 284 im Allgemeinen halbkreisförmig geformt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten 284 im Allgemeinen rechteckig mit abgerundeten Ecken geformt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Nuten 284 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, eine zuverlässige Lastübertragung von den Rotoren 220 auf das innere Keilprofil bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, geformt oder konfiguriert werden.
Das innere Keilprofil 222 wird bevorzugt aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt und besonders bevorzugt aus einer 6 Al 4 V Titanlegierung. Vorteilhafterweise stellt die Verwendung von Titan oder einer Titanlegierung eine magnetische Permeabilität von nahezu 0 und trotzdem eine feste harte Oberfläche mit geringem Gewicht für den Eingriff der Rotoren und die Übertragung des Drehmomentes aus diesen bereit. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, dass der hohe spezifische Widerstand des Materials (Titan oder Titanlegierung) die Energieverluste aufgrund induzierter Wirbelströme verringert. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das innere Keilprofil 222 zweckentsprechend unter anderem aus anderen Metallen, Legierungen, Kunstoffen, Keramiken zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein inneres Keilprofil 222 mit einer magnetischen Permeabilität von nahezu Null und ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen, hergestellt werden.
Bevorzugt wird das innere Keilprofil 222 durch spanende Bearbeitung hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das innere Keilprofil 222 zweckentsprechend mittels anderer Techniken, wie z.B. Gießen, Schmieden, Formen u. a. nach Bedarf oder Wunsch zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 15 ist das innere Keilprofil 222 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Teilkreishauptdurchmesser D₁₅₁ etwa 3,673 cm (1,446 Inches), der Durchmesser D₁₅₂ etwa 3,119 cm (1,228 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₁₅₃ etwa 2,845 cm (1,120 Inches), der Lochdurchmesser D₁₅₄ etwa 2,49 mm (0,098 Inches), der Nutkrümmungsdurchmesser D₁₅₅ etwa 3,18 mm (0,125 Inches), der Winkel θ₁₅₁ typischerweise etwa 15° und der Winkel θ₁₅₂ typischerweise etwa 7,5° ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das innere Keilprofil 222 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 16 und 17 ist das innere Keilprofil 222 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₁₆₁ etwa 3,632 cm (1,430 Inches), der Durchmesser D₁₆₂ etwa 2,464 cm (0,970 Inches), die Länge L₁₆₃ etwa 1,96 cm (0,711 Inches), die Tiefe DT₁₇₁ etwa 0,51 mm (0,020 Inches), die Breite W₁₇₁ etwa 1,02 mm (0,040 Inches) und der Krümmungsradius R₁₇₁ zwischen etwa 0,127 mm (0,005 Inches) und 0,254 mm (0,010 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das innere Keilprofil 222 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Rotoren und Statoren
Die 18–19 stellen eine bevorzugte Ausführungsform von einem der Rotoren oder inneren Blätter 220 des Knieprothesengelenkes 210 dar. Die Rotoren 220 rotieren mit der Rotation des inneren Keilprofils 222. Der bevorzugte ringförmig ausgebildete dünne Rotor 220 besitzt im Allgemeinen eine runde Form und weist einen im Wesentlichen zentralen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 286 mit mehreren sich nach innen erstreckenden Zähnen 288 auf, die für einen Eingriff oder Vereinigung mit den inneren Keilprofilnuten 284 (15) angepasst sind. Alternativ können die Rotoren 220 zweckentsprechend in anderer Art nach Bedarf oder Wunsch geformt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Zähne 288 im Allgemeinen eine halbkreisförmige Form. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zähne 288 im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken geformt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Zähne 228 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, eine zuverlässige Lastübertragung von den Rotoren 220 auf das innere Keilprofil 222 bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, geformt oder konfiguriert werden Die Rotoren 220 werden bevorzugt aus magnetisch weichem Material oder dergleichen hergestellt, welches mechanisch hart ist, um die Haltbarkeit zu verbessern und den Verschleiß zu minimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Rotoren 220 aus Blautemperstahl hergestellt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Rotoren 220 aus einem nicht-kornorientierten Siliziumstahl (Elektrostahl) hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Rotoren aus alternativen magnetische weichen Materialien und dergl. zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, haltbare Rotoren 220 bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
Bevorzugt werden die Rotoren 220 aus einem Material mit moderater oder hoher magnetischer Permeabilität, geringer oder Null-Koerzitivkraft und einer Sättigungsflussdichte hergestellt, die die des magnetorheologischen Fluids 134 (3) übersteigt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kompakte, leichte Konstruktion, welche einen geringeren Energieverbrauch in dem Elektromagneten 214 erfordert.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Rotoren 220 durch eine Draht-Elektroerosionsbearbeitung (EDM) hergestellt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise einen hohen Grad an Herstellungsgenauigkeit und vermeidet oder mindert jeden Schlupf, Vibrieren oder Spiel zwischen den Rotoren 220 und dem inneren Keilprofil 222, welches ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Rotoren 220 mittels Stanztechniken erzeugt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Rotoren 220 unter Verwendung alternativer Techniken zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein natürliches und/oder sicheres Gehen für den Patienten bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Rotoren 220 seitlich in ihrer Position in Bezug auf das innere Keilprofil 222 fixiert. D.h., sie sind nicht in der Richtung 242 (4) entlang der Bremsenlängsachse 224 (4) verschiebbar. Für diese Ausführungsform können die Rotoren 220 an dem inneren Keilprofil 222 durch Einspritzen von Harz, Kleber oder dergleichen entlang der Zahneingriffe, Laserverschweißen der Rotoren 220 an dem inneren Keilprofil 222, Aufschrumpfen oder Wärmebefestigen der Rotoren 220 an dem inneren Keilprofil 222, Verkleben der Rotoren 220 an dem inneren Keilprofil 222 oder Festklemmen der Rotoren 220 an dem inneren Keilprofil 222 neben anderen Techniken befestigt werden. In vorteilhafter Weise beseitigt oder mindert auch dieses einen Schlupf, Vibrieren oder ein Spiel zwischen den Rotoren 220 und dem inneren Keilprofil 222, was ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten könnte.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 18–19 sind die Rotoren 220 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₁₈₁ etwa 4,80 cm (1,890 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₁₈₂ etwa 3,678 cm (1,448 Inches), der Durchmesser D₁₈₃ etwa 3,678 cm (1,448 Inches), der Zahnkrümmungsradius R₁₈₁ typischerweise etwa 1,57 mm (0,062 Inches), der Winkel θ₁₈₁ typischerweise etwa 15° und die Rotordicke T₁₉₁ etwa 0,203 mm (0,008 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Rotoren 220 zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschla genen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Die 20–21 stellen eine bevorzugte Ausführungsform von einem der Statoren oder äußeren Blätter 230 des Knieprothesengelenkes 210 dar. Die Statoren 232 rotieren mit der Rotation des äußeren Keilprofils 232. Der bevorzugte ringförmig ausgebildete dünne Rotor 230 besitzt im Allgemeinen eine runde Form und weist einen im Wesentlichen zentralen Hohlraum oder ein für eine berührungslose Aufnahme des inneren Keilprofils 222 angepasstes Durchtrittsloch 290 mit mehreren sich nach außen erstreckenden Zähnen 292 auf dem Statoraussenumfang auf, welche für einen Eingriff oder Vereinigung mit Nuten auf der Innenseite des äußeren Keilprofils 232 angepasst sind. Alternativ können die Rotoren 232 zweckentsprechend in anderer Art nach Bedarf oder Wunsch geformt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen die Zähne 292 im Allgemeinen eine halbkreisförmige Form. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Zähne 292 im Wesentlichen rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken geformt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Zähne 292 zweckentsprechend in alternativer Weise nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen zuverlässige Eingriff zwischen den Statoren 230 und dem äußeren Keilprofil 232 beizustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, geformt oder konfiguriert werden Die Statoren 230 werden bevorzugt aus magnetisch weichem Material oder dergleichen hergestellt, welches mechanisch hart ist, um die Haltbarkeit zu verbessern und den Verschleiß zu minimieren. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Statoren 230 aus Blautemperstahl hergestellt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Statoren 230 aus einem nicht-kornorientierten Siliziumstahl (Elektrostahl) hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Statoren 230 aus alternativen magnetische weichen Materialien und dergl. zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, haltbare Statoren 230 bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
Bevorzugt werden die Rotoren 230 aus einem Material mit moderater oder hoher magnetischer Permeabilität, geringer oder Null-Koerzitivkraft und einer Sättigungsflussdichte hergestellt, die die des magnetorheologischen Fluids 134 ( 3) übersteigt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kompakte, leichte Konstruktion, welche einen geringeren Energieverbrauch in dem Elektromagneten 214 erfordert.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Statoren 230 durch eine Draht-Elektroerosionsbearbeitung (EDM) hergestellt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise einen hohen Grad an Herstellungsgenauigkeit und vermeidet oder mindert jeden Schlupf, Vibrieren oder Spiel zwischen den Statoren 230 und dem äußeren Keilprofil 232, welches ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Statoren 230 mittels Stanztechniken erzeugt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Statoren 230 unter Verwendung alternativer Techniken zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein natürliches und/oder sicheres Gehen für den Patienten bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Statoren 230 seitlich in ihrer Position in Bezug auf das äußere Keilprofil 232 fixiert. D.h., sie sind nicht in der Richtung 242 (4) entlang der Bremsenlängsachse 224 (4) verschiebbar. Für diese Ausführungsform können die Statoren 230 an dem äußeren Keilprofil 232 durch Einspritzen von Harz, Kleber oder dergleichen entlang der Zahneingriffe, Laserverschweißen der Statoren 230 an dem äußeren Keilprofil 232, Aufschrumpfen oder Wärmebefestigen der Rotoren 220 an dem äußeren Keilprofil 232, Verkleben der Rotoren 230 an dem äußeren Keilprofil 232 oder Festklemmen der Statoren 230 an dem äußeren Keilprofil 232 neben anderen Techniken befestigt werden. In vorteilhafter Weise beseitigt oder mindert auch dieses einen Schlupf, Vibrieren oder ein Spiel zwischen den Statoren 230 und dem äußeren Keilprofil 222, was ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten könnte.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 10–21 sind die Statoren 230 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₂₀₁ etwa 4,811 cm (1,894 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₂₀₂ etwa 4,811 cm (1,894 Inches), der Durchmesser D₂₀₃ etwa 3,683 cm (1,450 Inches), der Zahnkrümmungsradius R₂₀₄ typischerweise etwa 0,318 mm (0,125 Inches), der Winkel θ₂₀₁ typischerweise etwa 15° und die Statordicke T₂₁₁ etwa 0,203 mm (0,008 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Statoren 230 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können die Rotoren 220 und/oder Statoren 230 in der seitlichen Richtung 242 (4) entlang der Knie- oder Bremslängsachse 224 (4) gleiten oder sind darauf verschiebbar. Somit entsteht, wenn ein Magnetfeld durch den Stapel der Rotoren 220 und Statoren 230 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu jeder Rotor- und Statoroberfläche hindurch tritt, sowohl eine Reibungsdämpfung als auch MR Dämpfung als Reaktion auf das angelegte Feld. Die Reibungsdämpfung ist die Folge davon, dass Rotoroberflächen an benachbarten Statoroberflächen reiben, oder diese mechanisch berühren. Die Reibungsdämpfung nimmt mit zunehmender Feldstärke zu, da die magnetisierten Rotoren 220 und Statoren 230 einander anziehen und die Normalkraft (in der Richtung der Längsachse 224) zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 erhöhen. Dieses erzeugt einen "hybriden" magnetorheologischen (Flüssigkeits-) und Reibungsdämpfungs-Bremsmechanismus, in welchem die Knieprothese 210 der vorliegenden Erfindung arbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform trägt die Rotor/Stator-Reibungskomponente etwa 10% oder weniger zu dem gesamten Kniedrehmoment bei. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Reibungskomponente zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen breiten dynamischen Drehmomentbereich bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, mehr oder weniger zu dem gesamten Kniedrehmoment beitragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Knieprothese der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass die eine oder beide von den Kernseitenplatten 216 und 218 in der seitlichen Richtung 242 entlang der Knie- oder Bremslängsachse 224 gleiten können oder verschiebbar sind, und somit zu der Reibungsdämpfung beitragen können. Bevorzugt erzeugt jede Kernseitenplatte 216 oder 218 eine Reibungskomponente, die etwa 20% oder weniger zu dem gesamten Kniedrehmoment beiträgt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Reibungskomponente zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen breiten dynamischen Drehmomentbereich bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, mehr oder weniger zu dem gesamten Kniedrehmoment beitragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Rotoren 220 und Statoren 230 seitlich (in der Richtung 242) starr fixiert oder in einer Position in Bezug auf die Keilprofile 222 und 232 befestigt, und somit ist der Bremseffekt im Wesentlichen rein magnetorheologisch. Somit bleibt, wenn die magnetische Feldstärke zunimmt, die Normalkraft zwischen benachbarten Rotor- und Statoroberflächen Null oder im Wesentlichen Null, und die Reibungskomponente trägt nicht zu dem gesamten Kniedrehmoment bei. Vorteilhafterweise verbessert dieses die Bremsermüdungslebensdauer, da ein möglicher Verschleiß aufgrund von Reibung eliminiert oder reduziert wird.
Alternativ können einige von den Rotoren 220 und/oder Statoren 230 seitlich fixiert sein, während andere seitlich nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein im Wesentlichen natürliches Gefühl und/oder sichere Pothesenvorrichtung bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, verschiebbar sein können In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Knieprothese 210 der vorliegenden Erfindung 40 Rotoren 220 und 41 Statoren 230 auf, die in einer abwechselnden Weise verteilt sind. Dieses führt zu 40 Fluss-Grenzflächen oder Fluidspalten, in welchen sich das magnetorheologische (MR) Fluid befindet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Rotoren 220 etwa 10 bis etwa 100 und die Anzahl der Statoren 230 etwa 11 oder 101 so, dass die Anzahl der (MR) Fluid/Rotor-Grenzflächen, welche eine Bremsung bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes erzeugen, gleich das Doppelte der Anzahl der Rotoren ist. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Anzahl der Rotoren 220 in dem Bereich von 1 bis 100. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Anzahl der Statoren 230 in dem Bereich von 1 bis 100. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Anzahl der Rotoren 220, Statoren 230 und Fluss-Grenzflächen alternativ zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen breiten dynamischen Drehmomentbereich bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, gewählt werden.
In vorteilhafter Weise ist die induzierte Schubfließspannung oder das Flüssigkeitsdrehmoment proportional zu dem Überlappungsbereich zwischen einem Rotor/Stator-Paar, multipliziert mit der doppelten Anzahl von Rotoren (der Anzahl von (MR) Fluid/Rotor-Grenzflächen, welche ein Drehmoment bei dem Vorhandensein eines Magnetfeldes erzeugen). Dieses ermöglicht in erwünschter Weise eine Erhöhung oder Verringerung des Flüssigkeitsdrehmoments oder der Schubfließspannung durch Auswählen oder Vorbestimmen der Anzahl der Rotoren 220 und/oder Statoren 230 und/oder der Überlappungs- oder Verbindungsoberflächenbereichs zwischen benachbarten Rotoren 220 und/oder Statoren 230. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dieses die Kontrolle über die Gesamtgröße, d.h., die radiale Größe und seitliche Größe der MR betriebenen Knieprothese 210 ermöglicht. Beispielsweise kann die gesamte Kniekonfiguration radial größer und seitlich schlanker gemacht werden, während gleichzeitig derselbe Flüssigkeitsdrehmoment bereich durch eine geeignete Auswahl der Anzahl von Fluss-Grenzflächen und des Überlappungsbereiches der Scherungsoberflächen bereitgestellt wird.
Es ist erwünscht, den (MR) Fluidspalt zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 zu minimieren, da die zum Sättigen des gesamten (MR) Fluidspalts erforderliche Energie eine starke Funktion der Spaltgröße ist. Somit macht in vorteilhafter Weise ein kleinerer Spalt die MR betriebene Bremse 210 effizienter und verringert den Energieverbrauch.
Bevorzugt wird die (MR) Fluidspaltgröße ebenfalls so gewählt, dass bei Fehlen eines angelegten Magnetfeldes nur eine Flüssigkeitsdämpfungskraft oder Drehmomentkomponente aus der Scherung der (MR) Fluids zwischen benachbarten Rotor- und Statoroberflächen vorhanden ist. D.h., es ist keine Reibungsdrehmomentkomponente zwischen den Rotoren 220 und Statoren 230 unter Bedingungen eines Nullfeldes vorhanden.
Demzufolge wird in einer bevorzugten Ausführungsform die zum Sättigen des (MR) Fluids benötigte Energie verringert und der dynamische Bereich des Knies wird verbessert, indem die (MR) Fluidspaltgröße minimiert wird. In dieser Ausführungsform ist der Spalt nicht so weit reduziert, dass unter Nullfeld-Bedingungen eine Normalkraft zwischen benachbarten Rotor- und Statoroberflächen wirkt, welche eine Reibung bewirkt. Das Fehlen einer Reibung zwischen Rotoren und Statoren ermöglicht dem Kniegelenk, frei zu schwingen, um dadurch einen breiteren dynamischen Bereich bereitzustellen. Es sei angemerkt, das die Flüssigkeitsdämpfung bei einem Feld von Null mit abnehmendem Fluidspalt nicht dramatisch ansteigt, da das (MR) Fluid eine Eigenschaft zeigt, die als eine Scherratenverdünnung bekannt ist, in welcher die Fluidviskosität mit zunehmender Scherungsrate abnimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die (MR) Fluidspaltgröße oder Breite zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 bei etwa 40 μm oder weniger. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die (MR) Fluidspaltgröße oder Breite zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 in dem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die (MR) Fluidspaltgröße alternativ zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, eine energieeffiziente Knieprothese 210 mit einem breiten dynamischen Drehmomentbereich bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Knieprothese der Erfindung nur einen einzigen Stator oder ein Blatt 230, das mit dem äußeren Keilprofil 232 verbunden ist, und keine Rotoren oder Blätter 220 auf. Somit werden zwei (MR) Fluidspalte zwischen dem Blatt 230 und den Kernseitenplatten 216, 218 erzeugt. Bevorzugt wird die Größe der (MR) Fluidspalte, wie es vorstehend diskutiert wurde, minimiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Scheiben- oder blattförmigen Rotoren und Statoren durch rohrförmige Rotoren und Statoren ersetzt. Die rohrförmigen Rotoren und Statoren weisen bevorzugt mehrere dünne, konzentrisch angeordnete abwechselnd rotierende und feste eisenhaltige (oder magnetisch weiche) im Allgemeinen zylindrische Rohre auf. Die Spalte zwischen den Röhren weisen ein magnetorheologisches Fluid auf, welches während der Kniedrehung geschert wird. Der das (MR) Fluid aktivierende Magnetfluss verläuft radial nach außen. Der magnetische Rückflusspfad wird durch ein rohrförmiges äußeres ei senhaltiges (oder magnetisch weiches) Gehäuse und einen axial angeordneten zentralen Kern geschlossen. Das durch eine derartige Vorrichtung entwickelte Flüssigkeitsdrehmoment ist die Summe der zwischen jedem rohrförmigen Rotor/Stator-Paar entwickelten Flüssigkeitsdrehmomente. Um Gewicht, Volumen und Energieverbrauch zu minimieren, werden die rohrförmigen Rotoren und Statoren so dünn wie möglich innerhalb der Zwänge gemacht, die sich primär aus der Belastung des scherenden magnetischen Fluids und der Herstellungskosten ergeben. Optional sind einer oder mehrere von den rohrförmigen Rotoren und/oder Statoren radial verschiebbar, um eine Reibungskomponente dem Gesamtkniedrehmoment hinzuzufügen.
Magnetorheologisches Fluid
Wie es vorstehend angegeben wurde, weist das magnetorheologische Fluid bevorzugt eine Vielzahl von eisenhaltigen oder magnetischen Partikeln auf, die in dem Fluid suspendiert sind. Diese suspendierten Partikel bilden Drehmoment erzeugende Ketten als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld. Somit macht das magnetorheologische (MR) Fluid eine Rheologie- oder Viskositätswechsel oder -variation durch, welche von der Größe des angelegten Magnetfeldes abhängt. Diese Veränderung in der Volumenfluidviskosität bestimmt wiederum die Größe der Scherungskraft/Spannung oder des erzeugten Drehmomentes, und somit den Dämpfungsgrad oder die Bremsung, der durch die Knieprothese 210 bereitgestellt wird. Typischerweise nimmt die Volumenviskosität des (MR) Fluids mit zunehmender Stärke des angelegten Feldes zu. Durch Steuerung der Größe dieses magnetischen Feldes wird die Rotationsbewegung des künstlichen Gliedes rasch und genau angepasst und/oder gesteuert, um beispielsweise die Beugung oder Streckung während der Schwung- und Standphasen zu steuern, um einen natürlicheren oder sichereren Gang für den Amputierten zu erzeugen.
Das in Verbindung mit der Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete magnetorheologische Fluid kann eine jedes von einer Anzahl im Handel erhältlicher oder bekannter (MR) Fluide oder magnetisch gesteuerter Medien umfassen. Bevorzugt besitzt das (MR) Fluid eine hohe magnetische Flusskapazität und niedrige magnetische Reluktanz und niedrige Viskosität, während es gleichzeitig eine große Magnetfeld-induzierte Scherungsspannung aufweist, so dass in vorteilhafter Weise die Knieprothese der Erfindung einen breiten dynamischen Drehmomentbereich bereitstellt.
Das (MR) Fluid zwischen den Rotor- und Statoroberflächen besteht bevorzugt aus einem Trägerfluid mit polarisierbaren eisenhaltigen oder Eisenpartikeln mit einer Größe in der Größenordnung von 1 μm oder wenigen μm. Idealerweise zeigt das Trägerfluid ein Scherungsraten-Verdünnungsverhalten, in welchem die Trägerfluidviskosität mit zunehmender Scherungsrate abnimmt. Dieses minimiert in vorteilhafter Weise das Flüssigkeitsdrehmoment aufgrund der Scherung des (MR) Fluids zwischen jedem Rotor/Stator-Paar unter Nullfeld-Bedingungen, d.h., wenn der Elektromagnet nicht erregt ist), und ermöglicht somit einen größeren Betriebsdrehmomentbereich. Geeignete Kandidaten für ein Trägerfluid umfassen unter anderem Silikonöl, Kohlenwasserstofföl und Wasser-basierende Fluide.
Äußeres Keilprofil und Befestigungsgabeln
22–25 stellen eine bevorzugte Ausführungsform des äußeren Keilprofils 232 des Knieprothesengelenkes 210 dar. Das äußere Keilprofil 232 weist bevorzugt im Allgemeinen eine zylindrische Form auf und einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 284 für die Aufnahme der Statoren 230, der Kernseitenplatten 216, 218 und der Lager 226, 228 auf. Alternativ können weitere geeignete Formen für das äußere Keilprofil 232 und den Hohlraum 294 zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch verwendet werden.
Die zentrale Oberfläche des Hohlraums 294 weist bevorzugt mehrere angenähert gleich beabstandete Längsnuten 296 auf, welche für einen Eingriff mit entsprechenden Zähnen 292 der Statoren 230 angepasst sind. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Nuten 296 im Allgemeinen eine halbkreisförmige Form. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Nuten 296 im Allgemeinen rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken geformt. In weiteren Ausführungsformen können die Nuten 296 zweckentsprechend in alternativer Weise nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen Eingriff zwischen den Statoren 230 und dem äußeren Keilprofil 323 bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, geformt und/oder konfiguriert werden.
Der Hohlraum 294 des äußeren Keilprofils weist bevorzugt ein Paar im Allgemeinen zylindrischer Schultern oder Stufen 298 mit einer auf jeder Seite der Nuten 296 zur Ausrichtung oder Lokalisierung mit den entsprechenden Kernseitenplatten 216, 218 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei im Allgemeinen kreisförmige Nuten oder Flansche innerhalb des Hohlraums 294 ausgebildet, um O-Ringe oder dergleichen aufzunehmen, und eine dynamische Abdichtung zwischen dem drehbaren äußeren Keilprofil 232 und den drehbaren Kernseitenplatten 216, 218 bereitzustellen. Der Hohlraum 294 des äußeren Keilprofils enthält ferner bevorzugt ein Paar im Allgemeinen kreisförmiger Schultern oder Stufen 300 mit einer auf jeder Seite entsprechender Schultern 298 zur Ausrichtung oder Lokalisierung mit den entsprechenden Lagern 226, 228.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das äußere Keilprofil 232 einen Pyramidenstumpf oder Verbinder 302 an seinem oberen Ende 304, um eine Verbindung der Knieprothese 210 mit einem Stumpfsockel des Restgliedes des Amputierten zu ermöglichen. Der Pyramidenverbinder 309 stellt bevorzugt eine im Wesentlichen nicht drehbare Kupplung zwischen dem Stumpfsockel oder dem Restglied und dem äußeren Keilprofil 232 und somit mit den Statoren 230 her. Alternativ können weitere geeignete Verbinder und Armaturen zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, eine zuverlässige Befestigung zwischen der Knieprothese 210 und dem Restglied des Amputierten bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Pyramidenstumpf 302 aus Titan oder einer Titanlegierung und der Rest des äußeren Keilprofils 232 besteht aus einer eloxierten 7075-T6 Aluminiumlegierung. Die hart eloxierte Aluminiumlegierungsoberfläche schützt in vorteilhafter Weise die Oberflächen der Nuten 296 des äußeren Keilprofils gegen eine Oberflächenbeschädigung und eliminiert oder mildert dadurch jeden Schlupf, Vibration oder Spiel. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das äußere Keilprofil 232 aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das äußere Keilprofil 232 aus einer eloxierten 7075-T6 Aluminiumlegierung hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das das äußere Keilprofil 232 zweckentsprechend unter anderem aus anderen Metallen, Legierungen, Kunstoffen, Keramiken zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Be rücksichtigung der Ziele, ein geeignet stabiles, haltbares, leichtes, und/oder im wesentlichen nicht-magnetisches äußeres Keilprofil 232, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
Bevorzugt wird das äußere Keilprofil 232 durch spanende Bearbeitung hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Titan- oder Titanlegierungsblock in einem Gewindehohlraum des oberen Endes 304 des äußeren Keilprofils 232 eingeschraubt, mit Locktite befestigt und spanend bearbeitet, um den Pyramidenstumpf 302 auszubilden, um dadurch eine korrekte Auflagerung des Pyramidenstumpfes 302 zu ermöglichen. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das äußere Keilprofil 232 zweckentsprechend unter anderem mittels anderer Techniken, wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Formen, nach Bedarf und Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und gemäß spezieller Bezugnahme auf 23 ist das äußere Keilprofil 232 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Durchmesser D₂₃₁ etwa 5,994 cm (2,360 Inches), der Durchmesser D₂₃₂ etwa 4,813 cm (1,895 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₂₃₃ etwa 4,811 cm (1,894 Inches), der Nutkrümmungsdurchmesser D₂₃₄ etwa 3,20 mm (0,126 Inches), die Länge L₂₃₁ etwa 8,0 mm (0,3115 Inches), der Winkel θ₂₃₁ etwa 33,7°, der Winkel θ₂₃₂ etwa 15°, der Winkel θ₂₃₃ etwa 15°, der Krümmungsradius R₂₃₁ etwa 2,40 cm (0,945 Inches) und der Krümmungsradius R₂₃₂ etwa 0,762 mm (0,030 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das äußere Keilprofil 232 in alternativer Weise zweck entsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß 24–25 ist das äußere Keilprofil 232 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Durchmesser D₂₄₁ etwa 4,00 cm (1,575 Inches), der Durchmesser D₂₅₁ etwa 5,715 cm (2,250 Inches), der Durchmesser D₂₅₂ etwa 5,398 cm (2,125 Inches), die Länge L₂₅₁ etwa 7,861 cm (3,095 Inches), die Länge L₂₅₂ etwa 1,067 cm (0,420 Inches), die Breite W₂₅₁ etwa 4,171 cm (1,642 Inches), die Breite W₂₅₂ etwa 1,958 cm (0,771 Inches), die Breite W₂₅₃ etwa 6,35 mm (0,250 Inches), die Breite W₂₅₄ etwa 4,72 mm (0,186 Inches) und der Krümmungsradius R₂₅₁ etwa 3,05 mm (0,120 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das äußere Keilprofil 232 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
Die Befestigungsgabeln 236, 238 (4) der magnetorheologisch betriebenen Knieprothese 210 stehen bevorzugt mit den Lagern 226 bzw. 228 in mechanischer Verbindung und übertragen eine Drehbewegung auf einen Pylon oder einen künstlichen Schienbeinabschnitt des Amputierten. Gewindebolzen 306 oder andere geeignete Verbinder oder Befestigungselemente werden dazu verwendet, eine Verbindung der Befestigungsgabeln 236, 238 mit einem Pylon oder einem künstlichen Schienbeinabschnitt des Amputierten zu ermöglichen.
Bevorzugt werden die Befestigungsgabeln 236, 238 aus eloxierten 7075-T6 Aluminium hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Befestigungsgabeln 236, 238 zweckentsprechend unter anderem aus anderen Metallen, Legierungen, Kunststoffen, Keramiken usw. nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, geeignete stabile, leichte, und/oder im Wesentlichen nicht-magnetische Befestigungsgabeln 226, 238 bereitzustellen, und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
Bevorzugt werden die Befestigungsgabeln 236, 238 durch spanende Bearbeitung hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Befestigungsgabeln 236, 238 zweckentsprechend unter anderem mittels anderer Techniken, wie beispielsweise Gießen, Schmieden, Formen, nach Bedarf und Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und gemäß Darstellung in 4 weist die Knieprothese 210 ferner ein Beugungsanschlagssystem oder eine Anordnung auf, die einen gepolsterten Anschlag oder eine Begrenzungsanordnung oder System 240 enthält. Das Beugungsanschlagssystem kontrolliert den maximal zulässigen Beugungswinkel, indem es physikalisch die Drehung zwischen den äußeren Seitengabeln 236, 238 und dem äußeren Keilprofil 232 und somit die Rotation des Kniegelenkes begrenzt.
Das Anschlagsystem 246 (4) weist im Allgemeinen mehrere Anschläge, Bänder oder Streifen 312, 314 und 316 auf. Die Bänder 312 und 314 sind an einer im Winkel angeordneten äußeren Oberfläche 308 (siehe 23) des äußeren Keilprofils 232 unter Verwendung von Schrauben oder dergleichen befestigt. Das Band 316 ist an in einem Winkel angeordneten äußeren Oberflächen 333, 334 der Seitengabeln 236 bzw. 238 unter Verwendung von Schrauben oder dergleichen befestigt.
Die Knieprothese 210 ist bevorzugt so konfiguriert, dass bei einem vorbestimmten maximalen Beugungswinkel das Band 316 an dem Band 314 anliegt und dieses stoppt und eine weitere Drehrotation verhindert oder behindert. Bevorzugt besteht das Band 314 aus einem federnden Material, um eine Stoßabsorption, Polsterung und/oder einen Energievernichtungseffekt bereitzustellen. In ähnlicher Weise kann die Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen einen Stoß absorbierenden Streckungsanschlag nach Bedarf oder Wunsch enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beugungsanschlagsystem der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass es einen maximalen Beugungswinkel von etwa 140° ermöglicht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Beugungsanschlagsystem der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass es einen maximalen Beugungswinkel in dem Bereich von etwa 125° bis etwa 150° ermöglicht. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der maximale Beugungswinkel zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch abhängig von den Umgebungsbedingungen, der Aktivität und dem Aktivitätsgrad neben anderen Faktoren variiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Anschlag 314 aus Gummi hergestellt und die Anschläge 312, 316 werden aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Anschläge 312, 314, 316 zweckentsprechend aus anderen Materialien nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen geeignet stabilen, haltbaren, leichten und/oder gepolsterten Beugungsanschlag bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Anschläge 312, 314, 316 eine Hauptlänge von etwa 6,00 cm (2,363 Inches) und eine Hauptbreite von etwa 5,99 mm (0,236 Inches). In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Anschläge 312, 314, 316 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Knieprothese 210 ein Winkelerfassungspotentiometer 322 (4) auf. Das Potentiometer 322 ist mit einem Arm 324 und einer Befestigungsplatte 326 verbunden. Die Befestigungsplatte 326 ist mit der Gabel 238 unter Verwendung von Schrauben 328 oder dergleichen und Abstandshaltern 330 verbunden. Ein Ende 332 des Arms 324 ist mechanisch mit einer in einem Winkel angeordneten äußeren Oberfläche 334 der Gabel 238 unter Verwendung von geeigneten Schrauben oder dergleichen verbunden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Knieprothese 210 ferner eine Streckungsunterstützung auf, um das Strecken des Schenkels zu unterstützen, indem der Schenkel durch Aufbringen eines gesteuerten Drehmoments oder einer Kraft in die Streckung gedrückt oder gespannt wird. Jede von einer Anzahl von Vorrichtungen, wie z.B. eine Feder belastete Streckungsunterstüt zung, wie sie im Fachgebiet bekannt ist, kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Bevorzugt ist ein Rückkopplungsteuerungssystem vorgesehen, um die Betriebsarten der magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu steuern und zu überwachen. Das Steuerungssystem weist im Allgemeinen einen zentralen Steuerungseinrichtung oder Mikroprozessor und einen Speicher, einen oder mehrere Kraft-, Drehmoment- und Winkel-Sensoren, eine Kraftquelle (wie z.B. eine Batterie oder dergleichen) und weitere zugeordnete Hardware und Software auf. Ein äußeres Gehäuse oder Gehäuse ist bevorzugt vorgesehen, um die verschiedenen Komponenten der Knieprothese der bevorzugten Ausführungsform und des Steuerungssystems unterzubringen und/oder zu schützen. Eine geeignete kosmetische Abdeckung ist ebenfalls bevorzugt über dem äußeren Gehäuse vorgesehen.
Bestimmte Betriebsmerkmale und Vorteile
Die elektronisch gesteuerte magnetorheologisch betriebene Knieprothese der bevorzugten Ausführungsformen stellt eine schnelle sofort reagierende Steuerung der Kniebewegung bereit, und ist trotzdem robust und für den Amputierten erschwinglich. Die bevorzugten Ausführungsformen stellen in vorteilhafter Weise verbesserte Stabilität, Schrittgleichgewicht und Energiewirkungsgrad für Amputierte bereit und simulieren und/oder erzeugen die Dynamik eines natürlichen Kniegelenkes.
Während des Betriebs wird der Elektromagnet oder die Magnetspule 214 nach Bedarf durch ein ausgewähltes oder vorbestimmtes elektrisches Signal, Spannung oder Strom zum Erzeugen eines aktiven variablen Magnetfeldes, das im Wesentlichen senkrecht durch die mehreren Rotor- und Statoroberflächen und durch das (MR) Fluid oder den Film zwischen benachbarten Ro toren 220 und Statoren 230 hindurch tritt, betätigt, um ein variables Dämpfungsdrehmoment (oder eine Rotationswiderstandskraft) zu erzeugen, welche präzise und genau die Rotationsbewegung der Knieprothese 210 steuert. Wie es vorstehend diskutiert wurde, weist das Drehmoment bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Reibungsdämpfungskomponente auf.
Erwünschtermaßen stellt die MR betriebene Knieprothese 210 der bevorzugten Ausführungsformen eine rasche und genaue Reaktion bereit. Die Materialien in den MR Partikeln reagieren auf das angelegte Magnetfeld innerhalb von Millisekunden, und ermöglichen dadurch eine Echtzeitsteuerung der Fluidrheologie und der Kniebewegung. Dieses gibt einem Patienten die Möglichkeit, sich in einer sicheren und/oder natürlicheren Weise zu bewegen.
In vorteilhafter Weise wird das Flüssigkeitsdämpfungsdrehmoment durch Scherung des (MR) Fluids erzeugt. Somit gibt es keinen oder nur einen vernachlässigbaren Druckaufbau oder Veränderung innerhalb der MR betriebenen Knieprothese 210 der vorliegenden Erfindung. Dieses beseitigt im Wesentlichen oder reduziert die Möglichkeiten eines Fluidaustrittes und Ausfalls des Knies und trägt somit in erwünschter Weise zur Sicherheit bei. Ferner müssen keine teueren und/oder relativ komplexen Komponenten wie z.B. Drucklager und dergleichen verwendet werden, um eine zuverlässige Abdichtung bereitzustellen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die mehreren Scherungsoberflächen oder Fluss-Grenzflächen zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 sich wie ein Drehmomentmultiplizierer verhalten und es ermöglichen, den viskosen Drehmomentpegel (und/oder das Reibungsdrehmoment) schrittartig auf einen gewünschten maximalen Wert ohne die Verwendung eines zusätzlichen Getriebes oder anderen Hilfskomponente einzustellen. Ferner kann die Flexibilität bei der Auswahl der Überlappungsfläche zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 ebenfalls das maximal erzielbare Flüssigkeitsdrehmoment (und/oder Reibungsdrehmoment) vergrößern oder verkleinern. Somit kann in erwünschter Weise ein breiter dynamischer Drehmoment- oder Torsionswiderstandsbereich nach Bedarf und Wunsch bereitgestellt werden, was zu der Vielseitigkeit der Erfindung hinzukommt, ohne im Wesentlichen zur Systemgröße, Gewicht und Komplexität beizutragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Knieprothese der vorliegenden Erfindung ein maximales dynamisches Drehmoment von etwa 40 Nm bereit. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Knieprothese der vorliegenden Erfindung ein dynamisches Drehmoment in dem Bereich von 0,5 Nm bis etwa 40 Nm bereit. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die Knieprothese der vorliegenden Erfindung ein dynamisches Drehmoment in dem Bereich von etwa 1 Nm bis etwa 50 Nm bereit. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Knieprothese der vorliegenden Erfindung weitere Drehmomentbereiche zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, bereitstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Knieprothese der vorliegenden Erfindung genau die Kniedrehung, während Streckungs- und Beugungsphasen zwischen voller Streckung und einem Beugungswinkel von etwa 140°. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steuert die Knieprothese der vorliegenden Erfindung genau die Kniedrehung, während Streckungs- und Beugungsphasen zwischen voller Streckung und einem Beugungswinkel in dem Bereich von etwa 125° bis etwa 150°. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Knieprothese der vorliegenden Erfindung weitere Rotationsbereiche zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, bereitstellen.
Ferner liefert die optimierte Dünnheit des (MR) Fluidspaltes zwischen benachbarten Rotoren 220 und Statoren 230 ein höheres maximales Drehmoment, einen breiteren dynamischen Drehmomentbereich und benötigt weniger Energie, bevorzugt etwa 10 Watt oder weniger. Dieses trägt zu dem Wirkungsgrad und der Praktikabilität der MR betriebenen Knieprothese 210 der vorliegenden Erfindung bei und spart auch Kosten, da eine Energiequelle mit geringerer Leistung und/oder Komplexität verwendet werden kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen
26 bis 51 stellen mehrere bevorzugte Ausführungsformen mit Merkmalen und Vorteilen gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Für Zwecke der Verdeutlichung und Kürze der Offenbarung werden nur einige bestimmte Merkmale dieser Ausführungen nachstehend diskutiert, und es dürfte sich verstehen, dass weitere Merkmale aus den Zeichnungen offensichtlich sind, und/oder in der Beschreibung der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen verkörpert sind.
26–28 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines im Wesentlichen zentralen Kerns 412 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Der Kern 412 weist bevorzugt eine kegelige oder konische Oberfläche 336 und eine Schulter oder Stufe 338 an entsprechenden Enden entsprechender Kernabschnitte 452, 454 auf, um den Verbindungseingriff oder die mechanische Verbindung mit zugeordneten Kernseitenplatten 416, 418 (29–36) zu erleichtern.
Somit dreht sich der Kern 412, wenn sich die Seitenplatten 416, 418 drehen.
Bevorzugt besteht der Kern 412 aus einer Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kern 412 aus einer ASTM A-801 Typ 1 Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung, welche eine Zusammensetzung mit etwa 50% Kobalt angibt. Beispielsweise kann der Kern 212 aus einer Hiperco Alloy 50^®, Permendur V^TM oder Vanadium Permendur bestehen, wie sie von Principal Metals erhältlich sind, oder aus Vacoflux 50, das von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland beziehbar ist.
Der Kern 412 wird bevorzugt durch spanende Bearbeitung, gefolgt von einer Wärmebehandlung in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre zum Erzielen optimaler magnetischer Eigenschaften hergestellt. Der Kern 412 wird in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bevorzugt für etwa 5 Stunden bei einer Temperatur von etwa 820°C geglüht. Der Kern 412 wird dann in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre mit etwa 150°C/Stunde abgekühlt, bis eine Temperatur von etwa 200°C erreicht wird. Es wird darauf geachtet, eine Verschmutzung während der Wärmebehandlung zu vermeiden, und jedes Fett, Öl, Fingerabdrücke und dergleichen werden unter Verwendung von Azeton oder einem anderen geeigneten Reinigungslösungsmittel entfernt. Während der Wärmebehandlung wird der Kern 412 bevorzugt von den Kernseitenplatten 416 und 418 getrennt, um jede mögliche Verschweißung zwischen den Komponenten zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 27 und 28 ist der Kern 412 so dimensioniert und konfiguriert, dass die Länge L₂₇₁ etwa 2,517 cm (0,991 Inches), die Länge L₂₇₂ etwa 5,56 mm (0,220 Inches), die Länge L₂₇₃ etwa 0,51 mm (0,020 Inches), die Länge L₂₇₄ etwa 0,51 mm (0,02 Inches), der Durchmesser D₂₇₁ etwa 1,424 cm (0,5605 Inches), der Durchmesser D₂₇₂ etwa 1,415 cm (0,557 Inches), der Winkel θ₂₇₁ etwa 10° und der Durchmesser D₂₈₁ etwa 1,88 cm (0,740 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann der Kern 412 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignet kompaktes, leichtes, und/oder haltbares künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
29–33 stellen eine bevorzugte Ausführungsform einer Kernseitenplatte 416 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Die Kernseitenplatte 416 weist bevorzugt einen im Wesentlichen zentralen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 456 auf, das dafür angepasst ist, in verbindender Weise einen Presssitz mit dem Ende des Kernabschnittes 452 (26–28) auszubilden, und drei angenähert beabstandete Durchtrittslöcher 458, die in einer im Allgemeinen ringförmigen Weise angeordnet sind, um Schrauben oder dergleichen zum Befestigen der verschiedenen Komponenten der Knieprothese aufzunehmen. Die Kernseitenplatte 416 weist ferner eine im Allgemeinen ringförmige Nut oder Aussparung 356 auf, die für einen Eingriff oder eine mechanische Verbindung mit einem Flansch des Elektromagneten 414 angepasst ist. Somit dreht sich der Elektromagnet oder die Magnetspule 414, wenn sich die Kernseitenplatte 416 dreht.
Bevorzugt sind Abschrägungen oder abgeschrägte Oberflächen oder Abschnitte 470, 471 an entsprechenden äußeren und inneren Oberflächen der Kernseitenplatte 416 vorgesehen. Dieses verringert in vorteilhafter Weise das Gewicht, spart Material und stellt auch Freiräume zur Erleichterung des Zusam menbaus bereit. Die drehbare Kernseitenplatte 416 bildet eine dynamische Abdichtung mit einem drehbaren äußeren Keilprofil unter Verwendung eines O-Ringes oder dergleichen, welcher innerhalb einer Nut oder einem Flansch des äußeren Keilprofils vorgesehen ist.
Bevorzugt besteht die Kernseitenplatte 416 aus einer Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kernseitenplatte 416 aus einer ASTM A-801 Typ 1 Eisen/Kobalt-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung, welche eine Zusammensetzung mit etwa 50% Kobalt angibt. Beispielsweise kann die Kernseitenplatte 416 aus einer Hiperco Alloy 50^®, Permendur V^TM oder Vanadium Permendur bestehen, wie sie von Principal Metals erhältlich sind, oder aus Vacoflux 50, das von Vacuumschmelze in Hanau, Deutschland beziehbar ist.
Die Kernseitenplatte 416 wird bevorzugt durch spanende Bearbeitung, gefolgt von einer Wärmebehandlung in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre zum Erzielen optimaler magnetischer Eigenschaften hergestellt. Die Kernseitenplatte 416 wird in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bevorzugt für etwa 5 Stunden bei einer Temperatur von etwa 820°C geglüht. Die Kernseitenplatte 416 wird dann in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre mit etwa 150°C/Stunde abgekühlt, bis eine Temperatur von etwa 200°C erreicht wird. Es wird darauf geachtet, eine Verschmutzung während der Wärmebehandlung zu vermeiden, und jedes Fett, Öl, Fingerabdrücke und dergleichen werden unter Verwendung von Azeton oder einem anderen geeigneten Reinigungslösungsmittel entfernt. Während der Wärmebehandlung wird die Kernseitenplatte 416 bevorzugt von den Kern 412 getrennt, um jede mögliche Verschweißung zwischen den Komponenten zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 30–33 ist die Kernseitenplatte 416 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Durchmesser D₃₀₁ etwa 3,353 cm (1,320 Inches), der Durchmesser D₃₀₂ etwa 2,461 cm (0,969 Inches), der Teilkreisdurchmesser D₃₁₁ etwa 2,845 cm (1,120 Inches), der Durchmesser D₃₁₂ etwa 2,43 cm (0,958 Inches), der Durchmesser D₃₁₃ etwa 2,29 cm (0,900 Inches), der Lochdurchmesser D₃₁₄ etwa 2,95 mm (0,116 Inches), der Winkel θ₃₁₁ typischerweise 120°, der Durchmesser D₃₂₁ etwa 4,80 cm (1,890 Inches), der Durchmesser D₃₂₂ etwa 3,30 cm (1,300 Inches), der Durchmesser D₃₂₃ etwa 1,88 cm (0,740 Inches), die Breite W₃₂₁ etwa 5,59 mm (0,220 Inches), die Breite W₃₂₂ etwa 1,27 mm (0,050 Inches), die Breite W₃₃₁ etwa 2,54 mm (0,100 Inches), die Breite W₃₃₂ etwa 0,508 mm (0,020 Inches), die Breite W₃₃₃ etwa 1,52 mm (0,060 Inches), der Krümmungsradius R₃₃₁ etwa 6,35 mm (0,250 Inches), der Krümmungsradius Rasa etwa 0,254 mm (0,010 Inches), der Winkel θ₃₃₁ etwa 30° und der Winkel θ₃₃₂ etwa 10° ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 416 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
34-36 stellen eine bevorzugte Ausführungsform einer zweiten Kernseitenplatte 418 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Die Kernseitenplatte 418 ist im Wesentlichen dieselbe wie die erste Kernseitenplatte 416 mit der Ausnahme, dass sie einen im Wesentlichen mittigen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 457, der dafür angepasst ist, in verbindender Weise einen Press sitz mit dem Ende des Kernabschnittes 454 (26–28) auszubilden, und ein Paar von Durchtrittslöchern 472 aufweist, welche den Durchtritt von elektrischen Drähten oder Leitern erlauben, die mit einem Elektromagneten oder einer Magnetspule 414 (37–39) der Knieprothese der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 35 und 36 ist die Kernseitenplatte 418 so dimensioniert und konfiguriert, dass die Länge L₃₅₁ etwa 1,14 cm (0,448 Inches), die Länge L₃₅₂ etwa 1,05 cm (0,413 Inches), der Lochdurchmesser D₃₅₅ etwa 1,78 mm (0,070 Inches) und der Durchmesser D₃₈₃ etwa 1,42 cm (0,56 Inches) ist. Die anderen Abmessungen D₃₅₁, D₃₅₂, D₃₅₃, D₃₅₄, θ₃₅₁, D₃₆₁, D₃₆₂, W₃₆₁ und W₃₆₁ sind im Wesentlichen dieselben wie die Abmessungen D₃₁₁, D₃₁₂, D₃₁₃, D₃₁₄, θ₃₁₁, D₃₂₁, D₃₂₂, W₃₂₁ bzw. W₃₂₂, wie sie in den 31 und 32 und vorstehend für die erste Kernseitenplatte 416 beschrieben wurden. In weiteren Ausführungsformen kann die Kernseitenplatte 418 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
37–39 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines Elektromagneten, einer Magnetspule oder Drahtspule 414 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Die Magnetspule 414 weist im Allgemeinen einen Spulenkörper 340 mit einem Paar von Flanschen 342, 344 an jedem Ende, eine Wicklung 350, die im Allgemeinen den Spulenkörper 340 umgibt und mit elektrischen Leiterdrähten 352 verbunden ist, auf. Ein Paar von Schlitzen oder Durchtrittslö chern 346, 348 in dem Spulenkörperflansch 344 ermöglichen den Durchtritt der Leitungen 352, welche eine Verbindung zu einer Batterie oder anderen Energiequelle herstellen.
Die Magnetspule 414 weist im Allgemeinen eine zylindrische Form auf, und besitzt im Allgemeinen einen zylindrischen Durchtrittskanal 358 für die Aufnahme des Kerns 412 (26–28), um mechanisch die Magnetspule 414 mit dem Kern 412 zu verbinden. Die Flansche 342 und 344 werden in Nuten oder Aussparungen der entsprechenden Seitenplatten 416 und 418 (29–36) aufgenommen, um mechanisch die Magnetspule 414 mit den Seitenplatten 416, 418 zu verbinden. Somit rotieren, wenn die Kernseitenplatten 416, 418 rotieren, auch die Magnetspule 414 und der Kern 412.
Bevorzugt wird der Spulenkörper 440 aus Polyphenylensulfid mit einem Temperaturbetriebsbereich von 200°C hergestellt. Die Wicklung 350 besteht bevorzugt aus 340 Umdrehungen eines 30 AWG Kupferdrahtes mit einem Widerstand von 8,03 Ohm und einer Nennleistung von etwa 13,7 Watt bei etwa 10,5 Volt DC. Die Wicklungsisolation besteht aus einem geeigneten Material mit einem Temperaturbetriebsbereich von etwa 155°C. Bevorzugt bestehen die Leiterdrähte 352 aus einer 24 AWG Litze von etwa 20 cm (8 Inches) Länge und sind mit einer Teflonisolation abgedeckt, wobei ein Abschnitt von etwa 0,26 cm (0,25 Inches) abisoliert und verzinnt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 38 und 39 ist der Elektromagnet oder die Magnetspule 414 so dimensioniert und konfiguriert, dass die Länge L₃₈₁ etwa 1,138 cm (0,448 Inches), die Länge L₃₈₂ etwa 1,05 cm (0,413 Inches), die Breite W₃₈₁ etwa 0,762 mm (0,030 Inches), der Krümmungsradius R₃₈₁ etwa 0,381 mm (0,015 Inches), der Durchmesser D₃₈₁ etwa 0,762 mm (0,030 Inches), der Durchmesser D₃₉₁ etwa 2,45 cm (0,965 Inches), der Durchmesser D₃₉₂ etwa 1,89 cm (0,745 Inches), der Durchmesser D₃₉₃ etwa 2,02 cm (0,795 Inches), die Länge L₃₉₁ etwa 1,95 cm (0,766 Inches), die Länge L₃₉₂ etwa 1,74 cm (0,686 Inches), die Länge L₃₉₃ etwa 1,02 mm (0,040 Inches), die Länge L₃₉₄ etwa 1,02 mm (0,040 Inches) und die Dicke T₃₉₁ etwa 0,635 mm (0,025 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Magnetspule 414 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
40–44 stellen eine bevorzugte Ausführungsform eines inneren Keilprofils 422 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Das innere Keilprofil 422 weist mehrere Längsnuten oder Auskerbungen 484 für einen Eingriff oder Vereinigung mit entsprechenden Zähnen von Rotoren 420 (45–47), und einen im Wesentlichen zentralen Hohlraum 476 für die Aufnahme der Magnetspule 414 (37–39) auf. Bevorzugt weist das innere Keilprofil 422 neun im Wesentlichen gleichmäßig beabstandete Nuten 484 mit einer im Wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Form mit abgerundeten Ecken auf.
Der Hohlraum 476 des inneren Keilprofils enthält bevorzugt drei Längshohlräume oder Kanäle 478, welche im Wesentlichen zu den Schraubenaufnahmelöchern der Kernseitenplatten 416, 418 (31 und 35) ausgerichtet sind. Die Kanäle 478 nehmen Schrauben oder dergleichen zum Befestigen oder Sichern des inneren Keilprofils 422 und der Kernseitenplatten 416, 418 auf. Der Hohlraum 476 des inneren Keilprofils enthält ferner mehrere Längsaussparungen 360, welche dazu dienen, das Gewicht des inneren Keilprofils 422 und somit das der Knieprothese zu verringern.
Das innere Keilprofil 422 weist bevorzugt einen Flansch 480 an jedem Ende für die Aufnahme eines O-Ringes, einer Dichtung oder dergleichen auf, um eine statische Abdichtung zwischen dem drehbaren inneren Keilprofil 422 und den drehbaren Kernseitenplatten 416, 418 auszubilden. Eine angrenzende Stufe, Schulter oder Flansch 362 ist auf jedem Ende vorgesehen, um eine Montage der O-Ringe oder Dichtungen auf dem inneren Keilprofil 422 während des Zusammenbaus der Knieprothese zu erleichtern.
Bevorzugt wird das innere Keilprofil 422 mittels durch eine Draht-Elektroerosionsbearbeitung (EDM) hergestellt. Das innere Keilprofil 422 wir bevorzugt aus Titan oder einer Titanlegierung hergestellt, um eine nicht-eisenhaltige und trotzdem starke, harte Oberfläche mit geringem Gewicht zum Eingriff mit den Rotoren 420 und Übertragen eins Drehmomentes aus diesen bereitzustellen. Insbesondere wird das innere Keilprofil 422 einer 6AL-4V Titanlegierung hergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 41–44 ist das innere Keilprofil 422 so dimensioniert und konfiguriert, dass der Teilkreisdurchmesser D₄₁₁ etwa 2,85 cm (1,120 Inches), der Durchmesser D₄₁₂ etwa 2,46 cm (0,910 Inches), der Kanaldurchmesser D₄₁₃ etwa 2,95 mm (0,116 Inches), der Winkel θ₄₁₁ typischerweise etwa 120°d, der Winkel θ₄₁₂ typischerweise etwa 40°, die Länge L₄₂₁ etwa 2,24 cm (0,881 Inches), die Länge L₄₂₂ etwa 1,96 cm (0,771 Inches), die Krümmungslänge L₄₃₁ etwa 1,02 cm (0,402 Inches), die Krümmungslänge L₄₃₂ etwa 4,17 mm (0,164 Inches), die Krümmungslänge L₄₃₃ etwa 1,88 mm (0,074 Inches), die Krümmungslänge L₄₃₄ etwa 8,92 mm (0,351 Inches), der größere Durchmesser D₄₃₁ etwa 3,63 cm (1,430 Inches), der Durchmesser D₄₃₂ etwa 3,43 cm (1,350 Inches), der Durchmesser D₄₃₃ etwa 2,90 cm (1,140 Inches), die Profiltoleranzbreite W₄₃₁ etwa 0,0254 mm (0,001 Inches), die Krümmungsradien R₄₃₁, R₄₃₂, R₄₃₃, R₄₃₄, R₄₃₅ etwa 1,27 mm (0,05 Inches), 1,27 mm (0,05 Inches), 0,762 mm (0,03 Inches), 0,381 mm (0,015 Inches), bzw. 0,381 mm (0,05 Inches), der Winkel θ₄₃₁ etwa 20°, die Länge L₄₄₁ etwa 1,397 mm (0,055 Inches), die Länge L₄₄₂ etwa 0,381 mm (0,0015 Inches), die Länge L₄₄₃ etwa 0,127 mm (0,005 Inches), die Länge L₄₄₄ etwa 0,127 mm (0,005 Inches), der Durchmesser D₄₄₁ etwa 3, 345 cm (1,317 Inches), der Durchmesser D₄₄₂ etwa 3,226 cm (1,270 Inches), der Krümmungsradius R₄₄₁ etwa 0,20 mm (0,008 Inches) und der Krümmungsradius R₄₄₂ etwa 0,51 mm (0,020 Inches) ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
45–47 stellen eine bevorzugte Ausführungsform von einem der Rotoren oder inneren Blätter 420 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Der bevorzugt ringförmige dünne Rotor 420 besitzt im Allgemeinen eine ringförmige Form und weist im Wesentlichen einen zentralen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 486 mit mehreren sich nach innen erstreckenden Zähnen 488 auf, die für einen Eingriff oder Vereinigung mit Nuten 484 des inneren Keilprofils (41) angepasst sind. Bevorzugt weist der Rotor 420 neun angenähert gleich beabstandete Zähne 488 auf, welche im Allgemeinen rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken ausgebildet sind.
Die Rotoren 420 werden bevorzugt aus einem mechanisch hartem, magnetisch weichen Material hergestellt, das eine hohe Sättigungsflussdichte aufweist. Insbesondere werden die Rotoren 420 aus Blautemperstahl hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Rotoren 420 durch eine Draht-Elektroerosionsbearbeitung (EDM) hergestellt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise einen hohen Grad an Herstellungsgenauigkeit und vermeidet oder mindert jeden Schlupf, Vibrieren oder Spiel zwischen den Rotoren 420 und dem inneren Keilprofil 422, welches ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 45–47 sind die Rotoren 420 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größer Außendurchmesser D₄₅₁ etwa 4,851 cm (1,910 Inches), die Dicke T₄₆₁ etwa 0,203 mm (0,008 Inches), die Krümmungslänge L₄₇₁ etwa 9,12 mm (0,359 Inches), die Krümmungslänge L₄₇₁ etwa 1,73 mm (0,068 Inches), der größere Innendurchmesser D₄₇₁ etwa 3,642 cm (1,434 Inches), der größere Innendurchmesser D₄₇₁ etwa 3,439 cm (1,354 Inches), die Profiltoleranzbreite W₄₇₁ etwa 0,0254 mm (0,01 Inches), der Krümmungsradius R₄₇₁ etwa 0,508 mm (0,020 Inches), der Krümmungsradius R₄₇₂ etwa 0,254 mm (0,010 Inches) und der Winkel θ₄₇₁ etwa 40° ist. In weiteren Ausführungsformen können die Rotoren 420 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem größeren Rotoraußendurchmesser (D₄₅₁) und dem größeren Rotorinnendurchmesser (D₄₇₁) etwa 1,3. In einer wei teren bevorzugten Ausführungsform reicht das Verhältnis zwischen dem größeren Rotoraußendurchmesser (D₄₅₁) und dem größeren Rotorinnendurchmesser (D₄₇₁) von etwa 1,2 bis etwa 5. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann dieses Verhältnis zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, variiert werden.
48–20 stellen eine bevorzugte Ausführungsform von einem der Statoren oder äußeren Blätter 430 einer magnetorheologisch betriebenen Knieprothese der vorliegenden Erfindung dar. Der bevorzugt ringförmige dünne Stator 430 besitzt im Allgemeinen eine ringförmige Form und weist im Wesentlichen einen zentralen Hohlraum oder ein Durchtrittsloch 490, das für eine berührungslose Aufnahme des inneren Kernes 412 angepasst ist, mehrere sich nach außen erstreckende Zähne 492 auf, welche für einen Eingriff oder Vereinigung mit Nuten oder Auskerbungen auf der Innenseite des drehbaren äußeren Keilprofils der Knieprothese angepasst sind. Bevorzugt weist der Stator 430 neun angenähert gleich beabstandete Zähne 492 auf, welche im Allgemeinen rechteckig oder quadratisch mit abgerundeten Ecken ausgebildet sind.
Die Statoren 430 werden bevorzugt aus einem harten eisenhaltigen Material hergestellt, das eine hohe Sättigungsflussdichte aufweist. Insbesondere werden die Statoren 420 aus Blautemperstahl hergestellt. In vorteilhafter Weise werden die Statoren 430 durch eine Draht-Elektroerosionsbearbeitung (EDM) hergestellt. Dieses ermöglicht in vorteilhafter Weise einen hohen Grad an Herstellungsgenauigkeit und vermeidet oder mindert jeden Schlupf, Vibrieren oder Spiel zwischen den Statoren 430 und dem äußeren Keilprofil 432, welches ansonsten dem Patienten Unbehagen bereiten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform und insbesondere gemäß den 48–50 sind die Statoren 430 so dimensioniert und konfiguriert, dass der größere Innendurchmesser D₄₈₁ etwa 3,658 cm (1,440 Inches), die Dicke T₄₉₁ etwa 0,203 mm (0,008 Inches), die Krümmungslänge L₅₀₁ etwa 1,18 cm (0,464 Inches), die Krümmungslänge L₅₀₂ etwa 3,66 mm (0,144 Inches), der größere Außendurchmesser D₅₀₁ etwa 5,07 cm (1,996 Inches), der kleinere Außendurchmesser D₅₀₂ etwa 4,687 cm (1,916 Inches), die Profiltoleranzbreite W₅₀₁ etwa 0,0254 mm (0,01 Inches), der Krümmungsradius R₅₀₁ etwa 0,508 mm (0,020 Inches), der Krümmungsradius R₅₀₂ etwa 0,254 mm (0,010 Inches) und der Winkel θ₅₀₁ etwa 20° ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Statoren 430 in alternativer Weise zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, dimensioniert und/oder konfiguriert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis zwischen dem kleineren Statorinnendurchmesser (D₅₀₂) und dem größeren Statorinnendurchmesser (D₄₈₁) etwa 1,3. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform reicht das Verhältnis zwischen dem kleineren Statorinnendurchmesser (D₅₀₂) und dem größeren Statorinnendurchmesser (D₄₈₁) von etwa 1,2 bis etwa 5. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform reicht das Verhältnis zwischen dem kleineren Statorinnendurchmesser (D₅₀₂) und dem größeren Statorinnendurchmesser (D₄₈₁) von etwa 1,1 bis etwa 10. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann dieses Verhältnis zweckentsprechend nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, ein geeignetes kompaktes, leichtes, und/oder künstliches Knie bereitzustellen und/oder einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, variiert werden.
51 stellt eine magnetorheologisch betriebene Knieprothese 510 mit Merkmalen und Vorteilen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform verläuft der magnetische Rückschlusspfad über die Außenseite der Knieprothese 510. Eine derartige Konfiguration kann eine kompaktere und/oder leichtere Systemkonstruktion ermöglichen. Weitere geeignete Magnetrückschlusspfade können nach Bedarf oder Wunsch unter entsprechender Berücksichtigung der Ziele, einen oder mehrere von den hierin gelehrten oder vorgeschlagenen Vorzügen und Vorteilen zu erzielen, gewählt oder konfiguriert werden
Gemäß 51 wird ein Magnetfeld 540 durch die Erregung eines Elektromagneten oder einer Magnetspule 514 erzeugt, welche bevorzugt zwischen mehreren abwechselnden verteilten Rotoren (inneren Blättern 520) und Statoren (äußeren Blättern 530) und einem äußeren magnetisch weichen Gehäuse 512 der Knieprothese 510 angeordnet ist. Der aktive Anteil des Magnetfeldes 540 tritt (im Wesentlichen in seitlicher Richtung 542 verlaufend) durch die Rotoren 520, die Statoren 530 und das magnetorheologische Fluid in den Spalten dazwischen hindurch. Der Rückschlusspfad des Magnetfeldes 540 verläuft radial nach außen durch eine magnetisch weiche Seitenplatte 516, seitlich durch das Knieäußere 512 und radial nach innen durch eine zweite magnetisch weiche Seitenplatte 518.
Obwohl Komponenten und Techniken der vorliegenden Erfindung mit einem bestimmten Grad an Genauigkeit beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass viele Änderungen an den spezifischen Auslegungen, Konstruktionen und hierin beschriebenen Verfahren ohne Abweichung von dem Schutzumfang dieser Offenbarung durchgeführt werden können. Es dürfte sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die hierin für den Zweck der Beispieldarstellung beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern lediglich durch ein angemessenes Lesen der beigefügten Ansprüche definiert wird, die den vollständigen Umfang der Äquivalenz beinhalten, auf welchen sich jedes ihrer Elemente bezieht.

Claims

Elektronisch gesteuerte Knieprothese (110), aufweisend: mehrere Rotoren (120), die um eine Längsachse der Knieprothese (110) drehbar sind; mehrere Statoren (130), die abwechselnd zwischen den Rotoren (120) verteilt sind, um Spalte dazwischen auszubilden; ein Fluid, das dafür angepasst ist, sich rheologisch als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld zu verändern, und das sich in den zwischen den Rotoren (120) und den Statoren (130) ausgebildeten Spalten befindet; wobei eine gesteuerte Veränderung des Magnetfeldes die Fluidrheologie verändert und eine durch die relative Drehung zwischen den Rotoren (120) und Statoren (130) während der Kniedrehung bewirkte Scherung des Fluids ein variables Kniedämpfungs-Drehmoment erzeugt.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Statoren um die Längsachse der Knieprothese drehbar sind.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei einer von den Rotoren und den Statoren seitlich um die Längsachse der Knieprothese zum Erzeugen eines mechanischen Kontaktes zwischen benachbarten Rotoren und Statoren verschiebbar ist, um eine Reibungskomponente für das Kniedämpfungs-Drehmoment bereitzustellen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Rotoren und die Statoren ein magnetisch weiches Material aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Rotoren und Statoren im Allgemeinen ringförmige Scheiben aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 5, wobei die Rotoren und die Statoren eine Dicke von etwa 0,2 mm (0,008 inches) aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die mehreren Rotoren hundert oder weniger Rotoren und die mehreren Statoren hundert oder weniger Statoren aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die mehreren Rotoren vierzig oder weniger Rotoren und die mehreren Statoren vierzig oder weniger Statoren aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Spalte zwischen den Rotoren und den Statoren eine Größe in dem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm haben.
Knieprothese nach Anspruch 9, wobei die Spalte zwischen den Rotoren und den Statoren eine Größe von etwa 40 μm bis etwa 100 μm haben.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Rotoren und die Statoren im Allgemeinen zylindrische Rohre aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei die Rotoren und die Statoren Blautemperstahl oder Siliziumstahl aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei das Fluid ein magnetisch steuerbares Medium aufweist.
Knieprothese nach Anspruch 1, wobei das Fluid ein magnetorheologisches Fluid aufweist, das dafür angepasst ist, eine Viskositätsänderung als Reaktion auf eine Veränderung in dem magnetischen Feld durchzumachen.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner einen Magneten aufweist, um das Magnetfeld zu erzeugen, welches durch die Rotoren, die Statoren und das Fluid hindurch tritt.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner einen im Allgemeinen zentralen Kern in einer mechanischen Verbindung mit einem Paar von Seitenplatten aufweist, um einen Magnetrückschlusspfad für das Magnetfeld zu erzeugen.
Knieprothese nach Anspruch 16, wobei der Kern und die Seitenplatte eine Eisen-Kobalt-(FeCo)-Legierung mit hoher magnetischer Sättigung aufweisen.
Knieprothese nach Anspruch 16, wobei wenigstens eine von den Seitenplatten seitlich zur Längsachse der Knieprothese verschiebbar ist.
Knieprothese nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen im Wesentlichen zentralen Kern und ein Paar von Seitenplatten, die aus einem magnetisch weichen Material ausgebildet sind, um einen Magnetrückschlusspfad zu erzeugen; und einen Elektromagneten, der zwischen dem Kern und den Rotoren und den Statoren angeordnet ist, und auf ein elektrisches Signal zum Erzeugen des Magnetfelds reagiert, um eine gesteuerte Veränderung in der Rheologie des Fluids zu bewirken.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner ein drehbares inneres Keilprofil aufweist, wobei die Rotoren mit dem Keilprofil in Eingriff stehen.
Knieprothese nach Anspruch 20, wobei das innere Keilprofil mehrere Längsnuten aufweist und jeder von den Rotoren mehrere Zähne aufweist, die in einem Verbindungseingriff mit den Längsnuten des inneren Keilprofils stehen.
Knieprothese nach Anspruch 20, wobei das innere Keilprofil eine Titanlegierung aufweist.
Knieprothese nach Anspruch 20, welche ferner ein Paar von Lagern in einer Drehverbindung mit dem inneren Keilprofil aufweist.
Knieprothese nach Anspruch 23, die ferner ein Paar von drehbaren Seitenbefestigungsgabeln aufweist, wobei jede in mechanischer Verbindung mit einem von den Lagern steht, um die Verbindung der Knieprothese mit einer Schienbeinprothese zu ermöglichen.
Knieprothese nach Anspruch 1, welche ferner ein äußeres Keilprofil aufweist, wobei die Statoren mit dem äußeren Keilprofil in Eingriff stehen.
Knieprothese nach Anspruch 25, wobei das äußere Keilprofil mehrere Längsnuten aufweist und jeder von den Statoren mehrere Zähne aufweist, die in einem Verbindungseingriff mit den Längsnuten des äußeren Keilprofils stehen.
Knieprothese nach Anspruch 25, wobei das äußere Keilprofil eine eloxierte Aluminiumlegierung aufweist.
Knieprothese nach Anspruch 25, wobei das äußere Keilprofil einen Pyramidenstumpf aufweist, um die Verbindung der Knieprothese mit einem Restgliedsockel zu ermöglichen.
Knieprothese nach Anspruch 25, welche ferner einen magnetischen Außenabschnitt und ein Paar mechanisch verbundener magnetischer Seitenplatten aufweist, um einen Magnetrückschlusspfad für das Magnetfeld zu erzeugen.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner ein gepolstertes Beugungsanschlagsystem aufweist, um die maximale Beugung der Knieprothese zu steuern.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner ein gepolstertes Streckungsanschlagssystem enthält, um die maximale Streckung der Knieprothese zu steuern.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner eine Streckungsunterstützungseinrichtung enthält, um die Streckung der Knieprothese zu erleichtern.
Knieprothese nach Anspruch 1, die ferner eine Steuerung zum Steuern und Überwachen der Betätigungen der Knieprothese aufweist.
Prothesenanordnung, aufweisend: eine Knieprothese nach Anspruch 1; einen Stumpfsockel in mechanischer Verbindung mit der Knieprothese und dafür angepasst, ein Restglied eines Amputierten aufzunehmen; einen Schienbeinprothesenabschnitt in mechanischer Verbindung mit der Knieprothese; und eine Fußprothese in mechanischer Verbindung mit dem Schienbeinprothesenabschnitt.
Verfahren zum raschen und genauen Steuern der Drehung einer elektronischen Knieprothese, welche mehrere abwechselnd ineinander verteilte magnetisch weiche Rotoren, magnetisch weiche Statoren und ein magnetorheologisches Fluid aufweist, das in mehreren von zwischen den Rotoren und den Statoren ausgebildeten Spalten vorhanden ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Anlegen eines magnetischen Feldes, welches durch die Rotoren, die Statoren und das magnetorheologische Fluid hindurch tritt; Scheren des in den zwischen den Rotoren und den Statoren ausgebildeten Spalten vorhandenen magnetorheologischen Fluids, um viskos die Drehung der Knieprothese zu dämpfen; und Einstellen des Magnetfeldes, um rasch und genau die Viskosität des magnetorheologischen Fluids zu verändern, um einen variablen Drehtorsionswiderstand zum Steuern der Beugung und Streckung der Knieprothese zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner mit dem Schritt der Erzeugung einer Anzugskraft zwischen den Rotoren und den Statoren durch Anlegen des magnetischen Feldes, um einen Reibungskontakt zwischen benachbarten Rotoren und Statoren und dadurch eine Reibungsdämpfung der Drehung der Knieprothese zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 35, ferner mit dem Schritt der Einstellung des Magnetfeldes, um rasch und genau die Anzugskraft zwischen benachbarten Rotoren und Statoren zu verändern.