專利名稱：具有可調(diào)整的性能的假腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供改善的動態(tài)響應(yīng)能力的高性能假腳，這些能力與施力機(jī)制相關(guān)。
背景技術(shù)：
Martin等在美國專利5897594中披露了一種用于假腿上的無關(guān)節(jié)假腳。與以前的方案不同，其中，所述假腳具有一種帶有關(guān)節(jié)的剛性結(jié)構(gòu)，以便模擬踝關(guān)節(jié)的功能，Martin等的無關(guān)節(jié)假腳采用了彈性腳插入部件，該部件被安裝在腳模型內(nèi)部。該插入部件沿縱剖面具有大體上為C形的設(shè)計，其開口向后，并且用其上部C-肢體支承假肢負(fù)荷，通過其下部C-肢體將所述負(fù)荷轉(zhuǎn)移到與之連接的板簧。從下面看，所述板簧具有凸出的設(shè)計，并且大體上平行于其底部延伸，向前超過所述腳插入部件，進(jìn)入腳尖區(qū)。Martin等的發(fā)明是基于改善無關(guān)節(jié)假腳的目的，兼顧到緩沖腳后跟的沖擊，彈性，腳后跟-至-腳趾行走，和側(cè)向穩(wěn)定性，以便因此帶著它以自然的方式行走，其目的是讓使用者既能正常行走，又能進(jìn)行體育鍛煉和從事運動。不過，這種已知假腳的動態(tài)響應(yīng)特征是有限的。需要一種具有改良了的應(yīng)用機(jī)械設(shè)計的高性能假腳，它能夠改善截肢者的運動能力，例如包括諸如跑、跳、快跑、啟動、停止和跨越之類的活動。
Van L-Phillips提出了另一種假腳，據(jù)說這種假腳使截肢者具有從事多種活動的靈活性和運動性，這些活動因為受到了現(xiàn)有假肢的結(jié)構(gòu)限制和相應(yīng)的性能的限制，在過去是無法進(jìn)行的。據(jù)稱，現(xiàn)有假腳可以從事的跑、跳和其他活動，據(jù)報導(dǎo)可以由使用者以與正常腳相同的方式使用。例如，參見美國專利6071313；5993488；5899944；5800569；5800568；5728177；5728176；5824112；5593457；5514185；5181932；和4822363。

發(fā)明內(nèi)容
為了使截肢運動員獲得較高水平的性能，需要一種具有改善了的應(yīng)用機(jī)構(gòu)的高性能假腳，這種腳可能優(yōu)于人體的腳，并且可能優(yōu)于現(xiàn)有的假腳。截肢運動員感興趣的是擁有高性能的假腳，這種假腳具有改善了的應(yīng)用機(jī)構(gòu)，高低動態(tài)響應(yīng)，以及對齊可調(diào)整性，并且可能進(jìn)行微調(diào)，以便改善運動的水平和垂直分量，這本身可能是一種特殊任務(wù)。
本發(fā)明的假腳滿足了上述要求。根據(jù)本文所披露的一種實施例，本發(fā)明的假腳包括一個縱向延伸的腳龍骨，在一端具有一個腳前段部分，在相反一端具有腳后段部分，以及在腳前段和腳后段部分之間延伸并且向上拱起的較長的腳中段部分。還提供了包括一個向下凸出的彎曲下端的小腿脛。用一種可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)將所述小腿脛的彎曲下端連接在所述腳龍骨的向上拱起的腳中段部分，以便形成該假腳的踝關(guān)節(jié)部位。
所述可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)能夠沿腳龍骨的縱方向調(diào)整小腿脛和腳龍骨相對彼此的對齊，以便調(diào)整所述假腳的性能。通過調(diào)整相反的向上拱起的腳龍骨腳中段部分和小腿脛的向下凸出的彎曲下端相對彼此沿腳龍骨縱向的對齊，改變了所述腳的動態(tài)響應(yīng)特征和運動輸出，以便滿足需要的/理想的水平和垂直線性運動的特殊需要。披露了一種多用途假腳，它具有高的和低的動態(tài)響應(yīng)能力，以及雙平面運動特征，它改善了從事運動和/或娛樂活動的截肢者的功能結(jié)果。還披露了一種特別適合快跑的假腳。
假腳還可以包括一個用于在使用假腳期間響應(yīng)于小腿脛的加力和卸力而限制小腿脛上端的運動范圍的裝置。在一個實施例中，該裝置是活塞缸單元，該單元連接在小腿脛的上端和下端之間，并且包含至少一種加壓流體以便限制運動范圍，并且還使小腿脛壓縮和膨脹期間儲存或釋放的能量衰減。
在對所披露的本發(fā)明的實施方案和附圖進(jìn)行詳細(xì)說明之后，可以更好地理解本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點。


圖1是表示本發(fā)明的假腳的腳龍骨和小腿脛的一個挨著一個的兩個相鄰的曲率半徑R1和R2的示意圖，它在沿箭頭B的方向的步態(tài)中產(chǎn)生了腳的動態(tài)響應(yīng)能力和運動輸出，所述箭頭方向垂直于連接兩個半徑的切線A。
圖2是類似于圖1的示意圖，不過它表示的以上兩個半徑的對齊在本發(fā)明的假腳中已經(jīng)改變，以便提高該腳在步態(tài)中的動態(tài)響應(yīng)能力和運動輸出的水平分量，并且降低垂直分量，以便垂直于切線A1的箭頭B1比在圖1所示狀態(tài)下更趨于水平。
圖3是本發(fā)明一種實施例的假腳的側(cè)視圖，它具有暫用假肢適配器和與它連接的暫用假肢，用于將腳固定在截肢者的腿下端。
圖4是具有圖3所示暫用假肢適配器和暫用假肢的假腳的正視圖。
圖5是圖3和4所示實施方案的俯視圖。
圖6是特別適合快跑的本發(fā)明的另一種腳龍骨的側(cè)視圖，它可用于本發(fā)明的假腳中。
圖7是圖6所示腳龍骨的俯視圖。
圖8是圖3所示假腳的腳龍骨的仰視圖，它提供了高低動態(tài)響應(yīng)特征，以及雙平面運動能力。
圖9是用于特別適合截肢者快跑的假腳的本發(fā)明其他腳龍骨的側(cè)視圖，所述截肢者具有腳的Symes截肢。
圖10是圖9所示腳龍骨的俯視圖。
圖11是用于Symes截肢者的本發(fā)明假腳的腳龍骨的另一種變化形式，該腳龍骨使所述假腳具有高低動態(tài)響應(yīng)特征，以及雙平面運動能力。
圖12是圖11所示腳龍骨的俯視圖。
圖13是本發(fā)明腳龍骨的側(cè)視圖，其中，龍骨漸縮部分的厚度從龍骨的腳中段部分到腳后段部分是逐漸縮小的。
圖14是另一種形式的腳龍骨的側(cè)視圖，其中，所述厚度從腳龍骨的腳中段部分同時向腳前段部分和腳后段部分縮小。
圖15是本發(fā)明假腳的從略微靠上的部分到拋物線形狀的小腿脛前面的側(cè)視圖，所述小腿脛的厚度向其上端縮小。
圖16是類似于圖15的側(cè)視圖，不過，它表示的是從中間同時向上端和下端縮小的另一種小腿脛。
圖17是用于所述假腳的C-形小腿脛的側(cè)視圖，該小腿脛的厚度從其中間部分同時向上端和下端變細(xì)。
圖18是用于所述假腳的C-形小腿脛的另一種例子的側(cè)視圖，所述小腿脛的厚度是從其中間部分向其上端逐漸縮小的。
圖19是用于所述假腳的S-形小腿脛的側(cè)視圖，其厚度是從中間部分向兩端逐漸縮小的。
圖20是S形小腿脛的另一種例子，其厚度僅在其上端縮小。
圖21是用于本發(fā)明假腳的J形小腿脛的側(cè)視圖，它在每一端都變細(xì)。
圖22是類似于圖21的示意圖，不過，它表示的是其厚度僅在朝向其上端的方向逐漸縮小的J形小腿脛。
圖23是在本發(fā)明的可調(diào)整緊固結(jié)構(gòu)中使用的用來將小腿脛連接在圖3所示腳龍骨上的合金或塑料連接部件的略微靠上的側(cè)視圖。
圖24是用在圖3-5所示假腳上的，也有用于圖28和29的腳的，用于將腳連接在暫用假肢上以便連接在截肢者的腿上的暫用假肢適配器的側(cè)面和略微偏向正面的示意圖。
圖25是類似于圖3的本發(fā)明的另一種假腳的側(cè)視圖，不過表示的是使用具有兩個可釋放緊固件的連接部件，所述緊固件縱向間隔地將所述部件分別連接在小腿脛和腳龍骨上。
圖26是圖25所示連接部件的放大側(cè)視圖。
圖27是圖25所示假腳的小腿脛的放大側(cè)視圖。
圖28是類似于圖3和25中的那些的假腳的另一個實施例的側(cè)視圖，其中運動限制阻尼裝置連接在小腿脛的相應(yīng)端部之間，以便在使用假腳期間響應(yīng)于小腿脛的加力和卸力而限制小腿脛上端的運動范圍。
圖29是從圖28所示的假腳的左側(cè)所見的假腳正視圖，表示了腳的小腿脛中的縱向槽。
圖30是從圖28所示的假腳的右側(cè)所見的假腳后視圖。
圖31是圖28的假腳的仰視圖。
圖32是圖28的假腳的小腿脛和腳龍骨的側(cè)視圖，表示了在使用假腳期間由小腿脛的加力和卸力產(chǎn)生的小腿脛上端的運動的實例。
圖33是類似于圖28-32中的那些的假腳的又一個實施例的側(cè)視圖，所不同的是，使用了柔性帶子來僅僅限制小腿脛上端的膨脹運動范圍。
圖34是假腳的又一個實施例的側(cè)視圖，對齊連接裝置位于連接到小腿脛上端的適配器上以便將腳固定到連接于截肢者的腿的假窩上，對齊連接裝置可以相對于假窩進(jìn)行腳的內(nèi)側(cè)-外側(cè)和前部-后部的滑動調(diào)整。
圖35是從圖34所示的腳的左側(cè)所見的圖34的假腳的正視圖。
圖36是從圖34所示的腳的右側(cè)所見的圖34的假腳的后視圖。
圖37是本發(fā)明的假右腳的另一種腳龍骨的頂視圖，其中腳的后端平行于正面，例如垂直于腳的縱向軸線A-A，并且近端腳后段部分的凹陷的縱向軸線F-F也垂直于縱向軸線A-A。
圖38是從腳龍骨的外側(cè)的方向所見的圖37的腳龍骨的側(cè)視圖。
圖39是類似于圖37和38中的那些的本發(fā)明的附加腳龍骨的頂視圖，其近端腳后段部分的凹陷的縱向軸線F’-F’與縱向軸線A-A成鈍角△’，這使得腳后段部分的外側(cè)支柱比內(nèi)側(cè)支柱實際上更長和柔性更大，以便在步態(tài)中有助于腳跟接觸時的腳的翻轉(zhuǎn)。
圖40是從腳龍骨的外側(cè)所見的圖39的腳龍骨的側(cè)視圖。
具體實施例方式
參見附圖，在圖3-5所示實施方案中的假腳1包括縱向延伸的腳龍骨2，在其一端具有一個腳前段部分3，在其相反一端具有腳后段部分4，以及延伸于腳前段部分和腳后段部分之間的向上拱起的腳中段部分5。在實施例中，腳中段部分5在腳前段部分和腳后段部分之間的整個縱向范圍上是向上凸出彎曲的。
通過可釋放的緊固件8和連接部件11，將腳1的直立的小腿脛6在其向下凸出的彎曲下端7的部分連接在所述龍骨腳中段部分5的接近的后部表面上。在本實施例中，緊固件8只是一個具有螺母和墊圈的螺栓，不過，也可以是可釋放的夾子或其他緊固件，用于在緊固該緊固件時將小腿脛可靠地定位和保持在腳龍骨上。
參見圖8，在龍骨的腳中段部分5的接近的后表面上形成了一個縱向延伸的孔9。例如，如圖15所示，在小腿脛6的彎曲的下端7上同樣形成了一個縱向延伸的孔10?？舍尫诺木o固件8延伸通過孔9和10，它們可以在圖5所示的A-A的縱方向上調(diào)整小腿脛和腳龍骨相對彼此的對齊，此時，緊固件8是松開的或者釋放的，以便將所述假腳的性能調(diào)整到適應(yīng)特定的任務(wù)。因此，緊固件8、連接部件11和縱向延伸的孔9和10構(gòu)成了一種可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)，用于將小腿脛連接在腳龍骨上，以便形成假腳的踝關(guān)節(jié)部位。
從圖1和2中可以看出調(diào)整小腿脛6和腳龍骨2的對齊的效果，其中，一個挨著一個的兩個半徑R1和R2表示腳龍骨中間部分5和小腿脛6的相鄰的、相向的、拱起的或凸出的彎曲表面。當(dāng)這樣兩個半徑被認(rèn)為是一個挨著另一個時，在圖1中存在垂直于切線A的運動能力，在圖2中存在垂直于切線A1的運動能力，所述切線是在以上兩個半徑之間畫出的。這兩個半徑之間的相互關(guān)系決定了運動輸出的方向。結(jié)果，腳1的動態(tài)響應(yīng)力應(yīng)用取決于該關(guān)系。凹陷的半徑越大，動態(tài)響應(yīng)能力越高。不過，半徑越小，其反應(yīng)越快。
本發(fā)明的假腳上的小腿脛和腳龍骨的對齊能力使得所述半徑能轉(zhuǎn)移，以便影響所述腳在運動活動中的水平或垂直線性速度。例如，為了改善假腳1的水平線性速度能力，可以進(jìn)行對齊的改變，以便影響小腿脛半徑和腳龍骨半徑的關(guān)系。就是說，為了改善水平線性速度特征，與圖1相比，在圖2中使得腳龍骨的底部半徑R2比其起始位置更遠(yuǎn)。由此改變了動態(tài)響應(yīng)特征，并且使得腳1的運動輸出更趨向于水平方向，其結(jié)果是，可以通過施加相同的力獲得更大的水平線性速度。
截肢者通過鍛煉可以找到滿足他/她的需要的每一種活動的設(shè)定值，因為這些需要與水平和垂直線性速度相關(guān)。例如，跳高運動員和籃球運動員比短跑選手需要更高的垂直起跳高度。連接部件11是一個塑料或金屬合金的對齊連接部件(參見圖3，4和23)，夾在連接的腳龍骨2和小腿脛6之間?？舍尫诺木o固部件8延伸通過連接部件中的孔12。所述連接部件沿著小腿脛和所述龍骨腳中段部分5的接近的、后表面的連接部分延伸。
小腿脛6的彎曲的下端7是拋物線形狀的，該拋物線的最小曲率半徑位于其下端，并且最初在所述拋物線形狀上向前，而后向上延伸。如圖3所示，通過小腿脛的彎曲形成一個面向后的凹陷。所述拋物線形狀的優(yōu)點是，它具有較高的動態(tài)響應(yīng)特征，它能產(chǎn)生與較大的半徑近端相關(guān)的改善的水平線性速度，同時在其下端具有較小的曲率半徑，以便具有較快的反應(yīng)特征。如圖1和2所解釋，所述拋物線形狀在其上端的較大的曲率半徑使得切線A隨著對齊的改變更多地保持垂直，這能產(chǎn)生改善了的水平線性速度。
拋物線形的小腿脛通過在其自身上壓縮或者盤繞而對應(yīng)于人的步態(tài)中的初始接觸地面力。這使得拋物線曲線的半徑更小，結(jié)果，對壓縮的阻力減小了。與此相反，當(dāng)拋物線形的小腿脛通過膨脹而對應(yīng)于人的步態(tài)中的腳跟離開的地面反作用力(GRF)時，這使得拋物線曲線的半徑更大，結(jié)果，其阻力比前述壓縮阻力大的多。這些阻力與人的步態(tài)中的人的前部和后部小腿肌肉功能相關(guān)聯(lián)。與人的腳平面初始接觸時，較小的前部小腿肌肉群通過偏心收縮而對應(yīng)于GRF，以便將腳放低到地面上并且產(chǎn)生了背屈運動。從腳平放到腳跟離開時，較大的后部小腿肌肉群通過偏心收縮而對應(yīng)于GRF并且產(chǎn)生了較大的足底彎曲運動。這種運動的大小與小腿前部和后部肌肉群的尺寸差異有關(guān)。結(jié)果，在步態(tài)中后部小腿脛對背屈和足底彎曲運動的阻力被模仿了并且實現(xiàn)了正常的步態(tài)。拋物線曲線的可變阻力能力模仿了人的步態(tài)和奔跑及跳躍活動中的人的小腿肌肉功能，結(jié)果實現(xiàn)了假肢的效率。
人類行走的速度大約是每小時3英里。4:00分鐘一英里跑的運動員奔跑的速度是每小時12英里，并且10秒、100米短跑的運動員快跑的速度是每小時21英里。這是1∶4∶7的比例。當(dāng)活動速度增大時，每項任務(wù)的水平分量更大。結(jié)果，假腳小腿脛的半徑的大小可以預(yù)先確定。行走者比一英里跑的運動員和短跑運動員需要更小半徑的拋物線形彎曲的小腿脛。短跑運動員需要7倍大的拋物線形彎曲的小腿脛。這種關(guān)系表示出了怎樣對于行走者、跑步者和短跑運動員來確定拋物線半徑。這是重要的，因為短跑運動員有更大的運動范圍要求，并且他們的小腿脛必須更強以便承受與這種活動相關(guān)的增大的載荷。更寬或更大的拋物線小腿脛將是更平坦的曲線，它相當(dāng)于更大的結(jié)構(gòu)強度和更大運動范圍。
通過緊固件14將暫用假肢適配器13連接在小腿脛6的上端。再通過緊固件16將適配器13固定在暫用假肢15的下端。通過連接在腿的殘肢上的支承結(jié)構(gòu)(未示出)將暫用假肢15固定在截肢者的下肢上。
在本實施例中，腳龍骨2的腳前段、腳中段和腳后段部分是由一片彈性材料構(gòu)成的。例如，可以采用塑料性質(zhì)的固體材料，它在地面反作用力的作用下偏轉(zhuǎn)時，具有保持形狀的特征。更具體地講，所述腳龍骨以及小腿脛可以由具有與聚合物基質(zhì)材料層壓在一起的強化纖維的疊層復(fù)合材料制成。具體地講，可以將與熱固性環(huán)氧樹脂層疊的高強度石墨或以Delran為商標(biāo)使用的擠壓塑料或脫氣的聚氨酯共聚物用于生產(chǎn)腳龍骨以及生產(chǎn)小腿脛。與所述材料相關(guān)的功能質(zhì)量提供了高強度以及輕質(zhì)和最小蠕變。所述熱固性環(huán)氧樹脂是在真空條件下采用假肢行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)層壓的?？梢詫⒕郯滨ス簿畚镒⑷氚寄Ｖ?，并且可以對擠出的塑料制品進(jìn)行機(jī)加工。所使用的每一種材料都具有它的優(yōu)點和缺點。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于腳龍骨和小腿脛的層壓復(fù)合材料，也可優(yōu)選是通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)用具有優(yōu)良機(jī)械膨脹質(zhì)量的強化纖維和熱塑性聚合物基質(zhì)材料生產(chǎn)的熱成型(預(yù)浸處理)層壓的復(fù)合材料。這種類型的合適的市售復(fù)合材料是由馬里蘭州的Cytec Fiberite Inc.of Havre de Grace生產(chǎn)的CYLON。
所述彈性材料與硬度、彈性和強度相關(guān)的物理特征都是由該材料的厚度決定的。對于相同密度的材料來說，較薄的材料比較厚的材料更容易偏轉(zhuǎn)。所使用的材料，及其物理特征與假腳龍骨和小腿脛的柔性特征的硬度相關(guān)。在圖3-5的實施例中，腳龍骨和小腿脛的厚度是均勻的或?qū)ΨQ的，不過，如下文所述，沿所述部件長度方向的厚度可以改變，如通過使腳后段部位和腳前段部位變得更薄，并且對腳中段部位的偏轉(zhuǎn)更敏感。
為了提供具有高低動態(tài)響應(yīng)能力的假腳1，將腳中段部分5制成具有縱向的弧形，以便該縱向弧形的內(nèi)側(cè)部分比所述縱向弧形的外側(cè)部分具有更高的動態(tài)響應(yīng)能力。為此，在所述實施例中，所述縱向弧形凹陷的內(nèi)側(cè)部分的半徑比其外側(cè)的半徑大。
腳中段部分5的縱向弓形凹陷的內(nèi)側(cè)與外側(cè)半徑尺寸之間的相互關(guān)系還被限定為腳龍骨2的前后足底面承重表面部位。圖8中的5的前部上的線T1-T2代表著前部足底面承重部位。線P1-P2代表著5的后部足底承重表面。腳的外側(cè)上的足底承重表面可以由T1-P1之間的距離代表。腳2的內(nèi)側(cè)上的足底承重表面可以由P2-T2之間的距離代表。T1-P1和P2-T2代表的距離確定了半徑尺寸，結(jié)果，高低動態(tài)響應(yīng)的相互關(guān)系被確定了并且可以通過聚合及分開這兩條線T1-T2和P1-P2而受到影響。結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以確定高低動態(tài)響應(yīng)。
腳后段部分4的后端17是向上彎曲的弧形形狀的，它能在后跟受到吸收沖擊的壓縮力引起的撞擊期間，對地面的反作用力作出反應(yīng)。由腳后段部分4形成的腳后跟具有一個后部外側(cè)拐角18，它比內(nèi)側(cè)拐角19更靠后和更靠外側(cè)，以便在步態(tài)的起始接觸期促進(jìn)腳后段外翻。腳前段部分3的前端20的形狀是向上彎曲的弧形，以便模擬人的腳趾在步態(tài)的后站立期的后跟抬起腳趾離開的位置的背屈狀態(tài)。在腳前段和腳后段的下面提供橡膠或泡沫墊53和54作為緩沖材料。
由延伸通過其背面和足底面之間的腳前段部分3的內(nèi)側(cè)和外側(cè)膨脹關(guān)節(jié)孔21和22產(chǎn)生了所述假腳的改善的雙平面運動能力。膨脹關(guān)節(jié)23和24從相應(yīng)一個孔向前延伸到所述腳前段部分的前部邊緣，以便形成內(nèi)側(cè)的、中部的和外側(cè)的膨脹支柱25-27，這些支柱產(chǎn)生了腳龍骨的腳前段部分的改善了的雙平面運動能力。膨脹關(guān)節(jié)孔21和22在橫向平面中是沿著圖5中的線B-B定位的，它是與腳龍骨的縱軸線A-A呈35度的α角延伸的，內(nèi)側(cè)膨脹關(guān)節(jié)孔21比外側(cè)膨脹關(guān)節(jié)孔22更靠前一些。
圖5中線B-B與縱向軸線A-A所成的角度α可以與15度一樣小，并且仍然可以得出高低動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)這個角度α改變時，圖8的線T1-T2的角度Z也這樣做。投影到矢狀面上的膨脹關(guān)節(jié)孔21和22是以45度的角相對所述橫向平面傾斜的，使所述孔的背面比足底面更靠前一些。通過這種結(jié)構(gòu)，從可釋放的緊固部件8到外側(cè)膨脹關(guān)節(jié)孔22的距離比從可釋放的緊固部件到內(nèi)側(cè)膨脹關(guān)節(jié)孔21的距離短，這樣假腳1的外側(cè)部分比內(nèi)側(cè)部分具有較短的腳趾杠桿，以便使腳中段部分具有高低動態(tài)響應(yīng)能力。另外，從可釋放的緊固件8到外側(cè)足底承重表面的距離表示為T1線，它短于表示為線T2的從可釋放的緊固件到內(nèi)側(cè)足底面承重表面的距離，使得假腳1的外側(cè)部分比內(nèi)側(cè)部分具有更短的腳趾桿，以便能夠得到腳中段部分的高低動態(tài)響應(yīng)。
腳龍骨2的腳后段部分4的前部還包括一個通過其背面和足底面之間的腳后段部分4延伸的膨脹關(guān)節(jié)孔28。膨脹關(guān)節(jié)29從孔28向后延伸到腳后段部分的后邊緣，以便形成膨脹支柱30和31。由此產(chǎn)生了所述假腳的腳后段部分的改善了的雙平面運動能力。
如圖3所示，腳龍骨2的腳中段部分5和腳前段部分3的背面形成了向上的凹陷32，這樣它就模擬了人腳的第五個運動軸線(ray axis ofmotion)的功能。就是說，凹陷32具有一個縱軸線C-C，它與腳龍骨的縱軸線A-A呈15-35度的β角，其內(nèi)側(cè)部分比外側(cè)更靠前一些，以便促進(jìn)步態(tài)中的第五軸線運動，正如人腳的第二到第五跖部的傾斜的低速轉(zhuǎn)動軸線(low gear axis of rotation)。
當(dāng)截肢者在不平坦的地方行走或者當(dāng)運動員踏在腳的內(nèi)側(cè)或外側(cè)時，就可以理解雙平面運動能力的重要性。地面力矢量的方向從矢狀的方向改變成具有向前的平面分量。地面會沿著與向外側(cè)推所述腳相反的方向向內(nèi)側(cè)推所述腳。其結(jié)果是，小腿脛向內(nèi)側(cè)傾斜，并且其重量施加在所述腳龍骨的內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)上。針對這種壓力，腳龍骨2的內(nèi)側(cè)膨脹關(guān)節(jié)支柱25和31發(fā)生背屈(向上偏轉(zhuǎn))并且翻轉(zhuǎn)，而外側(cè)膨脹關(guān)節(jié)支柱27和30向足底彎曲(向下偏轉(zhuǎn))并且翻轉(zhuǎn)。這種運動試圖將足底板的足底面放在地上(足底面等級)。
參見圖6和7，本發(fā)明的另一種腳龍骨33，特別是用于快跑的腳龍骨可以用在本發(fā)明的假腳上。在快跑時人體的重心變得只能是矢狀面取向的。所述假腳不必具有低的動態(tài)響應(yīng)特征。結(jié)果，不需要腳龍骨2的腳前段、腳中段凹陷部分的縱軸線具有15-35度的向外旋轉(zhuǎn)方向。相反，所述凹陷的縱向軸線D-D方向會變得平行于正平面，如圖6和7所示。這使得快跑的腳只能沿矢狀的方向作出反應(yīng)。另外，膨脹關(guān)節(jié)孔34和35在腳前段和腳中段部分沿線E-E的方向平行于正平面，即外側(cè)孔35是向前運動的，并且與內(nèi)側(cè)孔34成一線且平行于所述正平面。腳龍骨33的前端36也是平行于所述正平面的。所述腳龍骨的后端腳跟部分37也是平行于所述正平面的。這種改變對所述假腳的多用途能力產(chǎn)生了負(fù)面影響。不過，其性能特征變得更能適合特殊任務(wù)。短跑腳龍骨33的另一種改變在所述腳的腳前段部分的腳趾軸線區(qū)，其中，腳龍骨2上的15度的背屈增加到腳龍骨33的25-40度的背屈。
圖9和10表示用于假腳的本發(fā)明的另一種腳龍骨38，這種假腳特別適用于經(jīng)過腳的Symes截肢的截肢者快跑使用。為此，腳龍骨38的腳中段部分包括一個后部的向上的凹陷39，其中，所述小腿脛的彎曲的下端通過可釋放的緊固件與所述腳龍骨連接。這種腳龍骨可以由所有下肢截肢者使用。腳龍骨38適應(yīng)于Symes級截肢者相關(guān)的較長的殘留肢體上。其性能特征是，在動態(tài)響應(yīng)能力方面明顯更快。其使用并非是這種級別的截肢所特有的。它可以用在所有脛骨和股骨截肢上。圖11和12的實施例中的腳龍骨40還具有用于Symes截肢者的凹陷41，所述腳龍骨使所述假腳具有高低動態(tài)響應(yīng)特征，以及雙平面運動能力，類似于圖3-5和8中的實施例。
假腳1的若干種腳龍骨的功能特征與其形狀和設(shè)計特征相關(guān)，因為它們與凹陷、突出、半徑大小、膨脹、壓縮和材料的物理特征相關(guān)，所有這些特征與在行走、跑和跳躍活動時對地面力的反作用相關(guān)。
圖13中的腳龍骨42類似于圖3-5和8中的實施例，所不同的是，腳龍骨的厚度從腳中段部分到腳后段的后部是變小的。圖14中的腳龍骨43的厚度，在其前端和后端是逐漸降低或縮小的。在圖15中的小腿脛44和圖16中的小腿脛45中示出了類似的厚度變化，所述小腿脛可用在假腳1上。腳龍骨和小腿脛的每一種設(shè)計，產(chǎn)生了不同的功能結(jié)果，因為這些功能結(jié)果與水平和垂直線性速度相關(guān)，它們是改善與各種運動相關(guān)的任務(wù)中的性能所特有的。多種小腿脛設(shè)計的能力和腳龍骨與小腿脛之間的設(shè)定的調(diào)整，產(chǎn)生了一種假腳小腿脛關(guān)系，它使得截肢者和/或假肢師具有調(diào)節(jié)假腳以便獲得在多種運動和娛樂活動中的特定一項的最佳性能的能力。
在圖17-22中示出了用于假腳1的其他小腿脛，并且包括C形小腿脛46和47，S形小腿脛48和49，和J形小腿脛50和51。小腿脛的上端還可以具有垂直的末端，在該近端連接了一個錐形連接板?？梢詫⒁粋€陽錐體螺栓連接在小腿脛的垂直端并且穿過該垂直端。還可以在小腿脛的近端和遠(yuǎn)端的長形孔中提供塑料或鋁填料，以便接收所述近端陽錐體和遠(yuǎn)端腳龍骨。本發(fā)明的假腳是一種模塊系統(tǒng)，優(yōu)選由標(biāo)準(zhǔn)化單元或尺寸制成，以便具有靈活性和多種用途。
所有與跑道相關(guān)的奔跑活動都是沿逆時針方向進(jìn)行的。本發(fā)明的另一種選擇性特征，考慮到了作用在沿這種彎曲路徑運動的腳上的力。當(dāng)物體沿彎曲路徑運動時，向心加速作用朝向旋轉(zhuǎn)中心。牛頓第三定律適用于這種能量作用。這是一種相等并且相反的作用。因此，對于每一種“向心”力來說，存在一個“離心”力。向心力的作用朝向旋轉(zhuǎn)中心，而它的反作用力，離心力的作用遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心。如果運動員繞跑道上的曲線奔跑的話，向心力將運動員拉向所述曲線中心，同時離心力將其拉向遠(yuǎn)離所述曲線中心。為了抵消傾向于使跑步者向外傾斜的離心力，跑步者身體向內(nèi)傾斜。如果跑步者在跑道上的轉(zhuǎn)動方向一直是逆時針方向的話，其左側(cè)就是跑道的內(nèi)側(cè)。其結(jié)果是，根據(jù)本發(fā)明的特征，可以將左、右側(cè)假腳小腿脛的左側(cè)做的比右側(cè)薄一些，并且可以改善截肢運動員的彎道表現(xiàn)。
在若干種實施方案中，腳龍骨2，33，38，42，43都是29厘米長，在圖3，4和5，以及在若干不同小腿脛和腳龍骨的示意圖中與鞋1成比例。不過，技術(shù)人員可以理解的是，假腳的特定尺寸可以根據(jù)裝有該腳的截肢者的體形、體重和其他特征而改變。
下面將討論在步態(tài)循環(huán)的行走和跑動站立期假腳1的操作。與慣性定律、加速度和作用力-反作用力定律相關(guān)的牛頓的三條運動定律，是腳2的運動動力學(xué)的基礎(chǔ)。根據(jù)牛頓第三定律，即作用力-反作用力定律，可知地面推所述腳的推力與腳推地面的推力相等并且方向相反。這種力被稱為地面反作用力。已經(jīng)對人行走、奔跑和跳躍活動進(jìn)行了多種科學(xué)研究。測力板研究告訴我們，在步態(tài)中出現(xiàn)了牛頓第三定律。通過上述研究，我們了解了地面推腳的方向。
行走/奔跑活動的站立期，可以進(jìn)一步劃分成減速和加速期。當(dāng)假腳觸及地面時，腳向前推地面，而地面相等地沿相反的方向往回推腳，就是說地面向后推假腳。這種力使得所述假腳運動。行走和奔跑活動的站立期分析，始于圖5和圖18中的后部外側(cè)拐角18的接觸點，該拐角比腳的內(nèi)側(cè)部分更偏后和外側(cè)一些。這種在開始接觸時的偏移導(dǎo)致腳翻轉(zhuǎn)，并且使小腿脛發(fā)生足底彎曲。小腿脛一直在尋找一種位置，以便通過其脛轉(zhuǎn)移體重，例如，它傾向于使它長的垂直部件處在與地面力相反的位置。這正是向后移動足底彎曲以便與地面反作用力相反的原因，所述地面反作用力向后推所述腳。
地面力使得小腿脛44、45、46、47、50和51利用移動后部的近端進(jìn)行壓縮。對于小腿脛48、49，小腿脛的遠(yuǎn)端1/2部分將根據(jù)遠(yuǎn)端凹陷定向進(jìn)行壓縮。如果遠(yuǎn)端凹陷響應(yīng)于GRF而壓縮，那么近端凹陷將會膨脹，并且整個小腿脛單元會向后移動。所述地面力導(dǎo)致小腿脛壓縮，使其近端向后運動。小腿脛下部的緊湊半徑壓縮，模擬人踝關(guān)節(jié)足底彎曲，并且通過壓縮將腳前段降低到地面上。與此同時，由腳后段部分4代表的龍骨的后部通過壓縮向上壓，表示為17。這兩種壓縮力都起著沖擊吸收器的作用。一旦小腿脛停止移動到足底彎曲狀態(tài)，并且由地面向后推腳，通過偏置的后部外側(cè)后跟18進(jìn)一步加強了這種沖擊吸收，它能導(dǎo)致腳翻轉(zhuǎn)，它同樣起著沖擊吸收器的作用。
腳龍骨和小腿脛的壓縮部件隨后開始卸載，就是說尋找其原始形狀，并且釋放儲存的能量——這會導(dǎo)致小腿脛的近端以加速的方式向前運動。當(dāng)小腿脛接近其垂直起始狀態(tài)時，地面力從向后推腳改變成垂直向上推腳。由于假腳具有后部和前部足底面重量承載區(qū)，并且這些區(qū)是通過非承重的長的弧形中間部分連接的，來自假肢的垂直方向的力會導(dǎo)致通過膨脹而對長的弧形中間部分加載。后部和前部承重表面是分開的。所述垂直方向的力保存在所述腳的長的弧形中間部分，此時地面力從垂直方向轉(zhuǎn)移到向前方向。小腿脛膨脹，類似踝關(guān)節(jié)背屈。這會導(dǎo)致假腳旋轉(zhuǎn)偏離前面的足底承重表面。重量卸載發(fā)生時，腳中段的長的弧形從膨脹改變，并尋找其初始形狀，這產(chǎn)生了模擬的足底彎曲肌肉群的突然動作。這樣將儲存的垂直壓縮力能量釋放成改善了的膨脹能力。
腳龍骨和小腿脛的長的弧形能抵抗其相應(yīng)結(jié)構(gòu)的膨脹。結(jié)果，限制了小腿脛向前推進(jìn)，并且腳開始旋轉(zhuǎn)偏離前部足底面的承重部位。所述腳龍骨的腳中段部分的膨脹具有與圖3-5和8，圖11和12，圖13和14所示實施例的腳龍骨一樣的高低響應(yīng)能力。由于所述腳龍骨的腳中段腳前段過渡部分，相對腳的長軸線向外偏離15-35度，內(nèi)側(cè)長的弧形比外側(cè)長的弧形更長。這一點是重要的，因為在正常腳上，在加速或減速期間，使用的是腳的內(nèi)側(cè)部分。
所述假腳的較長的內(nèi)側(cè)弧形比外側(cè)具有更高的動態(tài)響應(yīng)特征。當(dāng)以較慢的速度行走或跑動時，用上了外側(cè)較短的腳趾桿。身體的重心通過正弦曲線的空間運動。它移動內(nèi)側(cè)、外側(cè)、近端和遠(yuǎn)端。當(dāng)以較慢的速度行走或跑動時，身體的重心移動的程度比快速行走或跑動時更趨向于內(nèi)側(cè)和外側(cè)。另外，動量或慣性更低，并且克服較高動態(tài)響應(yīng)能力的能力較低。本發(fā)明的假腳適合以應(yīng)用機(jī)械的方式采用所述原理。
另外，在人的步態(tài)循環(huán)的站立中期，身體的重心盡可能遠(yuǎn)地靠外側(cè)。從站立中期到腳趾離開，身體的重心(BCG)從外側(cè)向內(nèi)側(cè)移動。結(jié)果，身體的重心在腳龍骨2的外側(cè)上方前進(jìn)。首先(低速)，當(dāng)BCG向前前進(jìn)時，它在腳龍骨2上向內(nèi)側(cè)移動(高速)。結(jié)果，假腳腳龍骨2具有自動傳動的效果。也就是說，它開始時處于低速，截肢者每走一步它就向高速移動。
當(dāng)?shù)孛娴牧ο蚯巴萍倌_時，該假腳向后推地面，當(dāng)腳后跟開始抬起時，腳中段部分的長的弧形的前部的輪廓將該向后方向的力垂直施加在其足底面上。這是施加這種力的最有效和最有用的方式。假腳的腳后段部分的后部會出現(xiàn)同樣情況。其形狀還使得在開始接觸時向后的地面力與垂直于施加力的方向的腳龍骨的足底面相反。
在腳后跟抬起的晚期，腳趾離開行走和奔跑運動，腳前段部分的軸線區(qū)背屈15-35度。這種向上延伸的弧度使得向前的地面力壓迫腳的這一部位。對這種壓縮力的阻力小于對發(fā)生在假腳步態(tài)和跑動的擺動期的膨脹和平滑過渡的阻力。在步態(tài)站立期的晚期，膨脹的小腿脛和膨脹的腳中段長的弧形釋放其保存的能量，加強對截肢者身體重心的推力。
人的步態(tài)中的主要推進(jìn)機(jī)制中的一個被稱為主動推進(jìn)階段。當(dāng)腳跟抬起時，身體重量就位于支承肢體的前方，并且重心下降。當(dāng)身體重量降到腳前段部分的弧形彎腳(rocker)上方時，圖5，線C-C，有一個向下的加速度，這導(dǎo)致了身體接受的最高的垂直力。與腳跟抬起相關(guān)聯(lián)的踝關(guān)節(jié)前面的腿的加速導(dǎo)致了相對地面的后部剪切作用。當(dāng)壓力中心向前移動到跖部頭轉(zhuǎn)動軸線時，效果是不斷增大的背屈轉(zhuǎn)矩。這產(chǎn)生了完全向前的降落狀態(tài)，該狀態(tài)產(chǎn)生了用于行走中的主要的前進(jìn)力。在主動推進(jìn)期間的有效踝關(guān)節(jié)功能的跡象是腳跟抬起、最小的連接運動以及幾乎中性的踝關(guān)節(jié)位置。對于腳跟抬起的正常順序來說，穩(wěn)定的腳中段部分是必要的。
在前面提到過的幾個實施方案中，腳龍骨的腳后段和腳前段部分的后部結(jié)合了膨脹關(guān)節(jié)孔和膨脹關(guān)節(jié)支柱。所述膨脹關(guān)節(jié)孔的方向起著斜接鉸鏈的作用，并且改善了雙平面運動能力，以便改善在不平坦的地方行走時腳的足底面的總體接觸特征。
圖9-12所示的Symes腳龍骨的動態(tài)響應(yīng)能力明顯不同，因為這種能力與行走、奔跑和跳躍活動相關(guān)。所述腳龍骨在4個不同方面有所差別。其中包括在腳中段部分的臨近的后部存在一個凹陷，以便能比平面更好地適應(yīng)Symes遠(yuǎn)端殘肢形狀。該凹陷還將腳龍骨的高度降低，這適應(yīng)于與Symes級截肢者相關(guān)的較長殘肢。所述對齊凹陷需要弧形腳龍骨中間部分的相應(yīng)的前部和后部半徑更深入并且尺寸更小。結(jié)果，所有腳中段長弧半徑和腳后段半徑更緊湊并且更小。這明顯影響了動態(tài)響應(yīng)特征。較小的半徑產(chǎn)生了較低的動態(tài)響應(yīng)潛力。不過，所述假腳對上述所有行走、奔跑和跳躍的地面力做出更快速的反應(yīng)。結(jié)果得到具有較低動態(tài)響應(yīng)的更快的腳。
使用本發(fā)明的假腳，通過對齊改變可以獲得改善了的任務(wù)專一性運動性能，因為所述對齊改變可以影響每項運動的垂直和水平分量。所述人腳是多功能單元，它能行走、奔跑和跳躍。另一方面，人的脛骨腓骨小腿脛結(jié)構(gòu)不是多功能單位。它是一種簡單的杠桿，它在行走、奔跑和跳躍活動中平行于它的縱向近端-遠(yuǎn)端方向施加它的力。它是一種不可壓縮的結(jié)構(gòu)，并且不具有保存能量的潛力。另一方面，本發(fā)明的假腳具有動態(tài)響應(yīng)能力，因為這種動態(tài)響應(yīng)能力與運動行走、奔跑和跳躍活動的水平和垂直線性速度分量相關(guān)，并且優(yōu)于人類脛骨和腓骨。結(jié)果，存在改善截肢者運動表現(xiàn)的可能性。為此，根據(jù)本發(fā)明，松開了緊固件8，并且沿腳龍骨的縱方向調(diào)整了小腿脛和腳龍骨相對彼此的對齊。這種變化如圖1和2所示。然后用緊固件8將小腿脛固定在腳龍骨的調(diào)整位置上。在此調(diào)節(jié)期間，緊固部件8的螺栓分別相對腳龍骨和小腿脛上的相對的、較長的、縱向延伸的孔9和10中的一個或兩個滑動。
能改善跑步者腳中段沖擊時使腳平面開始接觸地面時的性能特征的對齊改變例如是這樣一種改變，其中，腳龍骨相對小腿脛向前滑動，并且足底在所述小腿脛上彎曲。這種新的關(guān)系改善了奔跑的水平分量。就是說，小腿脛足底向腳彎曲，并且腳以腳平放狀態(tài)與地面接觸，與開始的腳后跟接觸相反，地面馬上向后推腳，而腳是向前推地面的。由此導(dǎo)致小腿脛快速向前(通過膨脹)和向下運動。通過膨脹產(chǎn)生動態(tài)響應(yīng)力，該力阻礙小腿脛最初運動的方向。結(jié)果，腳在跖部足底表面承重部位上方轉(zhuǎn)動。這導(dǎo)致所述腳龍骨的腳中段部分膨脹，它比壓縮的阻力更大。小腿脛膨脹和腳中段部分膨脹的凈效果是小腿脛的進(jìn)一步的向前推進(jìn)受到阻止，這會使得用戶身體的膝蓋膨脹器和臀部膨脹器以更有效的方式向前和向近端移動身體重心(即提高水平速度)。在這種情況下，比腳后跟腳趾跑步者的情況下更向前更向上，該腳后跟腳趾跑步者的小腿脛向前推進(jìn)受到開始時比腳平底跑步者具有更大的背屈(垂直)的小腿脛的阻力更小。
為了研究短跑腳的功能，對小腿脛和腳龍骨的對齊加以改變。所述腳龍骨的優(yōu)點是其所有凹陷的縱軸線取向都是平行于正平面的。小腿脛是足底彎曲的，并且在腳龍骨上向后滑動。與平腳跑步者相比，這進(jìn)一步降低了遠(yuǎn)端圓弧，例如，具有類似于圖3-5和8所示的多用途腳龍骨。結(jié)果，在其改進(jìn)的水平能力方面具有更大的水平運動勢能和動態(tài)響應(yīng)。
短跑運動員具有較大的運動、力和動量(慣性)范圍，動量是原動力。由于其站立期的減速時間短于加速時間，獲得了較高的水平線性速度。這意味著在開始接觸時，當(dāng)腳趾接觸地面，地面向后推腳，而腳向前推地面。與起始接觸的腳平底跑步選手來比較，具有較大力和動量的小腿脛被強制產(chǎn)生更大的彎曲并向下運動。所述力的結(jié)果是，通過膨脹對腳的長的弧形凹陷加載，并且通過膨脹對小腿脛加載。所述膨脹力受到抵抗的程度大于所有其他以前提到過的與奔跑相關(guān)的力。結(jié)果，所述腳的動態(tài)響應(yīng)能力與所施加的力成正比。人脛骨腓骨小腿脛反應(yīng)只與能量力勢能相關(guān)，它是一種直的結(jié)構(gòu)，并且不能夠儲存能量。在短跑時，本發(fā)明假腳上的膨脹力大于所有其他以前提到過的與步行和奔跑相關(guān)的力。結(jié)果，與人類身體功能相比，所述腳的動態(tài)響應(yīng)能力與所施加的力成正比，并且可以加強截肢運動者的運動性能。
圖25所示的假腳53類似于圖3所示的假腳，所不同的是小腿脛和腳龍骨之間的可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)，以及用于與暫用假肢下端連接的小腿脛的上端的結(jié)構(gòu)。在本實施例中，腳龍骨54通過塑料或合金連接部件56可調(diào)整地與小腿脛55連接。所述連接部件通過相應(yīng)的可釋放緊固件57和58與腳龍骨和小腿脛連接，所述緊固件在所述連接部件上在沿腳龍骨的縱向方向的方向上是彼此分離的。將連接部件連接在小腿脛上的緊固件58比連接腳龍骨和所述連接部件的緊固件57更靠后一些。通過以這種方式增加小腿脛的有效長度，可以提高小腿脛的動態(tài)響應(yīng)能力。與其他實施例相同，與小腿脛和腳龍骨上縱向延伸的孔相配合進(jìn)行了對齊改變。
在小腿脛55上端設(shè)置一個長孔59，用于容納暫用假肢15。一旦納入所述孔中之后，就可以通過擰緊螺栓60和61將暫用假肢固定夾在小腿脛上，沿所述孔將小腿脛的自由的側(cè)緣62和63拉在一起。通過松開所述螺栓可以方便地調(diào)整該暫用假肢連接，將暫用假肢相對小腿脛伸縮到需要的位置，并且通過張緊所述螺栓，重新將所述暫用假肢夾緊到所述調(diào)整狀態(tài)。
圖28-32中表示的假腳70類似于圖3-5、8、23和24以及圖25-27中所表示的那些，但是它還包括腳上的小腿脛運動范圍限制器和阻尼裝置71，以便在截肢者使用腳的期間，利用小腿脛的加力和卸力，限制小腿脛上端的運動范圍。在具有相對較長的小腿脛的假腳中，這一特征是特別有用的，其中穿戴者從事例如奔跑和跳躍的活動，這些活動在小腿頸中產(chǎn)生的力是穿戴者的體重的很多倍，例如，奔跑時是體重的5-7倍，而跳躍時是體重的11-13倍。相反，行走中產(chǎn)生的力只是體重的1-1 1/2倍。
本實施例中的裝置71是雙向作用的活塞缸單元，其中加壓的流體、氣體例如空氣或者液壓液體通過相應(yīng)的配裝件73和74來提供。該裝置具有兩個可變控制器，一個用于壓縮，一個用于膨脹，它們可以調(diào)整在加力和卸力時小腿脛壓縮和膨脹中的小腿脛上端的允許運動范圍。裝置71還使小腿脛壓縮和膨脹期間儲存或釋放的能量衰減?；钊籽b置71的相對端部連接到小腿脛的上端和腳的下部，并且優(yōu)選在本實施例中，在樞轉(zhuǎn)連接件75和76處連接到小腿脛的相應(yīng)端部，該樞轉(zhuǎn)連接件75和76優(yōu)選是球接頭。
小腿脛壓縮和膨脹時腳70的小腿脛72的上端的運動描述在圖32中。小腿脛的大致拋物線形狀使得在小腿脛加力和卸力時，通過小腿脛的壓縮和膨脹，小腿脛上端可以相對于腳龍骨77和連接在其上的小腿脛的下端縱向移動，例如沿著圖5和32中的方向A-A。因此，在圖28-32的實施例中，得到了假腳的改善的動態(tài)響應(yīng)能力。
裝置71不限于所述的活塞缸單元，而可以是另一種速度控制和/或運動限制裝置。例如，可以想到，假腳的小腿脛上應(yīng)用的運動限制阻尼裝置71的后部范圍可以是帶有壓縮和膨脹階段控制的微處理器控制的液壓單元，例如，現(xiàn)在用于控制人造膝關(guān)節(jié)的運動的那些。在這種情況下，提供了自帶的傳感器來讀取和適應(yīng)各人的運動。通過使用特殊的軟件和PC，可以進(jìn)行微調(diào)以使微處理器控制的液壓單元適合于截肢者。每秒可以測量運動達(dá)到50次，保證了動態(tài)的步態(tài)盡可能與自然行走相類似。由于液壓單元的響應(yīng)性，它適合于廣譜的下肢截肢者。載入單元內(nèi)的鋰離子電池提供了足夠的能量以便操作液壓單元達(dá)一整天。壓縮阻力得以調(diào)整而與膨脹調(diào)整無關(guān)。多種集成的傳感器使步態(tài)分析數(shù)據(jù)流向自帶的微處理器，該微處理器每秒50次地自動調(diào)整單元的姿態(tài)和擺動階段特征。
裝置71的這個微處理器控制的液壓單元比機(jī)械式液壓單元更具有響應(yīng)性。電控壓縮(足底彎曲)閥每秒調(diào)整50次。單元中的壓縮閥在預(yù)擺動期間自動地完全打開。結(jié)果，在限定的區(qū)域內(nèi)，以及在類似的條件下，該單元極易于以低速壓彎。響應(yīng)于每秒發(fā)送50次的微處理器命令，單元的伺服馬達(dá)的速度使其能夠非?？焖俚仃P(guān)閉壓縮(足底彎曲)和膨脹背屈閥。當(dāng)該閥幾乎關(guān)閉時，單元的阻尼力就變得非常高，使得可以快速行走，甚至是奔跑。獨特的假肢師可調(diào)的動態(tài)因素使得液壓單元可以對于從慢速到快速的所有步態(tài)形式、快的步態(tài)速度和運動進(jìn)行最優(yōu)化。將微處理器控制的液壓單元“調(diào)整”到個人的獨特步態(tài)形式的這種能力使得可在假腳中得到很寬范圍的步調(diào)，具有高的步態(tài)效率和舒適性。也就是說，使用微處理器液壓單元作為裝置71增強了活潑的截肢者使用假腳時所需的可變步調(diào)。
圖28-32中的假腳70的縱向延伸的腳龍骨77具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分，像圖3和25中一樣。腳的小腿脛72通過帶有兩個可釋放的緊固件79和80的連接部件78連接到腳龍骨上，這兩個可釋放的緊固件79和80縱向間隔開，分別將連接部件連接到小腿脛和腳龍骨上，如圖25-27的實施例中一樣。小腿脛72包括位于小腿脛各端中間的縱向延伸的膨脹槽81。膨脹關(guān)節(jié)孔82和83位于膨脹槽的端部處。腳龍骨的腳前段部分和腳后段部分也形成有相應(yīng)的膨脹槽，如圖29、30和31中所見。
連接到截肢者的小腿殘肢的假窩通過適配器85連接在小腿脛72的上端，該適配器85通過緊固件86和87固定在小腿脛的上端，如圖中所示。適配器具有連接到連接板上的倒錐形的連接配裝件88，該連接板連接到適配器的上表面。錐形配裝件由從屬的假窩上形狀互補的窩形配裝件所接納，以便將假腳和假窩連接起來。這種形式的連接示于圖34-36的實施例中。
盡管圖28-32的實施例中的運動限制阻尼裝置71限制了小腿脛壓縮和膨脹時小腿脛上端的運動范圍，但是也可使用類似的裝置，該類似裝置只限制壓縮和膨脹之一中的小腿脛上端的運動范圍。圖33的實施例中示出了運動限制阻尼裝置84，它只利用強制加載和卸載來限制小腿脛上端的膨脹。這里的裝置84是柔性帶，它允許帶的有限的彈性延伸以及小腿脛的膨脹，而不會限制小腿脛上端在小腿脛的壓縮載荷下的運動。
圖34-36表示了本發(fā)明的另一個小腿脛90，它可以與圖28-32的假腳的腳龍骨77一起使用，或者與本文所述的其他的腳龍骨之一一起使用。小腿脛90具有大致拋物線的形狀，其最小曲率半徑位于下端處且向上延伸，并且最初向前延伸，在其近末端延伸成為相對較大的半徑。面向后的凹陷由圖34中所示的小腿脛的的彎曲形成。小腿脛的遠(yuǎn)端具有縱向延伸的孔91，在緊固件79或80松開或釋放時，該孔與連接部件78、可釋放的緊固件79和80以及腳龍骨上的縱向延伸的孔一起可以調(diào)整小腿脛和腳龍骨相對彼此沿縱向的對齊，從而調(diào)整假腳對于特定任務(wù)的性能。
小腿脛90的遠(yuǎn)端更加急劇地彎曲，例如，比圖28-32中的小腿脛72具有更小的曲率半徑，并且在較短的縱向距離上向上和向前延伸。這種小腿脛形狀對裝飾更加有利。也就是說，其遠(yuǎn)端位于踝關(guān)節(jié)部位中更多，其中假腳的人腳形外罩的內(nèi)側(cè)和外側(cè)的平衡棒可以正常地定位。小腿脛更好地隱藏在假腳外罩中。其功能特征是，盡管它比帶有較寬拋物線例如上述較長的曲率半徑的小腿脛具有更低的動態(tài)響應(yīng)能力，但是它對初始接觸的地面反作用力響應(yīng)更快。因此，那些利用假腳奔跑和跳躍的活躍的人將通過使用較寬拋物線或提供較大水平速度的曲率半徑而獲得利益。
圖34-36的小腿脛90還包括位于塑料或者金屬適配器93和固定到使用者的腿殘肢上的假窩96的下端中間的對齊連接裝置92，該適配器93通過緊固件94和95連接到小腿脛的上端。例如，使用者可以是膝上或者膝下的截肢者。對齊連接裝置包括一對滑動件97和98，這對滑動件彼此成直角布置并且處于平行于地面的平面中。每個滑動件的部件的相對位置可以通過松開帶螺紋的緊固件99以便調(diào)整相應(yīng)的滑動件97和98來調(diào)整，從而改變假窩相對于假腳的小腿脛和腳龍骨的相對方位。在假腳的步態(tài)的站立階段中，支承著裝置92的適配器93的頂部優(yōu)選平行于地面。
裝置92的上部滑動件98的頂部具有固定在其上的倒錐形的配裝件101，該配裝件101通過帶螺紋的緊固件103可調(diào)整地夾在假窩96上相對應(yīng)的配裝件102中。配裝件101和102之間的這種連接可以進(jìn)行假窩和腳之間的角度變化的彎曲/延伸以及外展/內(nèi)收。裝置92的滑動件可以進(jìn)行內(nèi)側(cè)-外側(cè)以及前部-后部的線性滑動調(diào)整。因此，裝置92是對齊固定件，它允許假窩沿所有的方向移動，這影響了地面反作用力怎樣與小腿脛和腳龍骨的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生響應(yīng)。
圖37和38中的腳龍骨110以及圖39和40的腳龍骨120是可以用于本發(fā)明的假腳中的腳龍骨的其他的實施例。這些腳龍骨用于右腳并且除了腳后段部分以外具有相類似的結(jié)構(gòu)。兩個腳龍骨的內(nèi)側(cè)和外側(cè)是相同的形狀。腳龍骨110在腳后段部分中成矢狀切開，相同的外側(cè)和內(nèi)側(cè)膨脹支柱111和112通過縱向延伸的膨脹關(guān)節(jié)或槽113分開。腳龍骨110的后端腳跟部位114平行于正面，例如，垂直于腳龍骨的縱向軸線A-A。類似地，腳龍骨的腳后段部分的背側(cè)凹陷115的縱向軸線F-F平行于正面，例如，與縱向軸線A-A成直角，即，角△是90°。
與腳龍骨110相比，腳龍骨120沒有在腳后段部位中作矢狀切割，而是這樣切割其腳后段部分的背側(cè)凹陷，使得凹陷的縱向軸線F’-F’偏斜地橫截于正面，例如，使得其與縱向軸線A-A所成的鈍角△’優(yōu)選為110-125°，外側(cè)比內(nèi)側(cè)更靠前。背側(cè)凹陷的這種定向使得外側(cè)膨脹支柱122在較大的長度上薄于內(nèi)側(cè)膨脹支柱123，由此實際上比支柱123更長且柔性更大。柔性的這種增大使得腳后段部分傾向于通過翻轉(zhuǎn)而對初始接觸的地面反作用力起響應(yīng)，這是吸收震動的機(jī)理。在步態(tài)中，這有助于通過腳龍骨的腳后段部分有效地傳遞身體重心的力，從而獲得更正常的步態(tài)形式。
對實施例的說明到此結(jié)束。盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合多種說明性實施例進(jìn)行了說明，應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以構(gòu)思出多種其他的改進(jìn)和實施方案，這些改進(jìn)和實施方案屬于本發(fā)明原理的構(gòu)思和范圍。例如，本發(fā)明假腳上的小腿脛的下端，不局限于拋物線形的或大體上為拋物線形的，而可以是其他向下突出的、曲線形狀的，以便當(dāng)它與腳龍骨連接形成所述腳的踝關(guān)節(jié)部位時，產(chǎn)生腳的需要的運動輸出。若干種實施例的相應(yīng)一種的各種特征可以在其他實施例中使用。更具體地講，在不超出本發(fā)明構(gòu)思的前提下，在上述說明、附圖、和所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的對本發(fā)明組合結(jié)構(gòu)的組成部件和/或布置的合理的改變和改進(jìn)是可行的。除了對組成部件和/或布置的改變和改進(jìn)之外，其他用途對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨，其具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分；一個彈性的、直立的小腿脛，其下端與腳龍骨連接，并且其上端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接，在使用假腳期間，該上端可以響應(yīng)于小腿脛的加力和卸力而在腳龍骨的縱向上移動；以及一個用于限制小腿脛上端的運動范圍的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，該裝置限制小腿脛上端的向前運動。
3.如權(quán)利要求2所述的假腳，其中，該裝置還限制小腿脛上端的向后運動。
4.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，該裝置包括含有至少一種加壓流體的活塞缸。
5.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，該裝置包括微處理器控制的液壓單元。
6.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，該裝置包括允許有限的彈性延伸的柔性帶子，帶子在小腿脛的相應(yīng)端部之間延伸并且連接在相應(yīng)端部上。
7.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，小腿脛包括位于小腿脛的各端中間的縱向延伸的膨脹槽。
8.如權(quán)利要求7所述的假腳，其中，小腿脛還包括位于膨脹槽的每一端處的膨脹關(guān)節(jié)孔。
9.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，腳龍骨和小腿脛中的至少一個由層壓復(fù)合材料形成，該層壓復(fù)合材料包括與聚合物基質(zhì)材料層壓的加強纖維。
10.如權(quán)利要求9所述的假腳，其中，聚合物基質(zhì)材料是熱塑性材料。
11.如權(quán)利要求9所述的假腳，其中，層壓復(fù)合材料是熱成形的。
12.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，小腿脛的下端是向下突出彎曲的。
13.如權(quán)利要求12所述的假腳，其中，小腿脛的突出彎曲的下端所具有的曲率半徑隨著小腿脛從它的彎曲下端向上延伸而增加。
14.如權(quán)利要求1所述的假腳，其還包括連接到小腿脛的上端的對齊連接裝置，該裝置具有與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接的配裝件以及可調(diào)整的滑動機(jī)構(gòu)，以便相對于配裝件及其所連接的支承結(jié)構(gòu)調(diào)整腳的內(nèi)側(cè)/外側(cè)和前部/后部的位置。
15.如權(quán)利要求14所述的假腳，其還包括將對齊連接裝置與小腿脛的上端連接的適配器。
16.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，腳龍骨的腳后段部分具有背側(cè)凹陷，該背側(cè)凹陷的縱向軸線相對于正面偏斜，使得凹陷的外側(cè)比內(nèi)側(cè)更靠前。
17.如權(quán)利要求1所述的假腳，其中，腳龍骨的腳中段部分的足底面具有縱向弓形凹陷，該凹陷的內(nèi)側(cè)部分的半徑大于外側(cè)部分的半徑。
18.如權(quán)利要求1所述的假腳，其還包括可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)，該緊固結(jié)構(gòu)將所述小腿脛的下端連接到腳龍骨上以便形成踝關(guān)節(jié)部位，緊固結(jié)構(gòu)可以調(diào)整所述小腿脛和腳龍骨相對彼此沿腳的縱向的對齊，從而調(diào)整假腳的性能。
19.如權(quán)利要求18所述的假腳，其中，可調(diào)整的緊固結(jié)構(gòu)包括至少一個可釋放的緊固件以及位于小腿脛和腳龍骨之間的連接部件。
20.一種用于假腳的小腿脛，其包括細(xì)長的、半剛性的彈性部件，所述部件的一端與假腳的縱向延伸的腳龍骨連接，所述部件的相對端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接，所述部件這樣構(gòu)制，使得在一端連接到腳龍骨上時，在使用假腳期間，該部件可以響應(yīng)于小腿脛的加力和卸力而進(jìn)行彎曲，使得該部件的相對端相對于腳龍骨縱向移動；以及一個用于限制部件相對端的運動范圍的該部件上的裝置。
21.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該裝置限制部件相對端的向前運動。
22.如權(quán)利要求21所述的小腿脛，其中，該裝置還限制小腿脛的相對端的向后運動。
23.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該裝置包括含有至少一種加壓流體的活塞缸。
24.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其還包括連接到小腿脛的上端的對齊連接裝置，該裝置具有與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接的配裝件以及可調(diào)整的滑動機(jī)構(gòu)，以便相對于配裝件及其所連接的支承結(jié)構(gòu)調(diào)整腳的內(nèi)側(cè)/外側(cè)和前部/后部的位置。
25.如權(quán)利要求24所述的小腿脛，其還包括將對齊連接裝置與小腿脛的上端連接的適配器。
26.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該裝置包括允許有限的彈性延伸的柔性帶子，帶子在該部件的相應(yīng)端部之間延伸并且連接在相應(yīng)端部上。
27.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該部件包括位于它的各端中間的縱向延伸的膨脹槽。
28.如權(quán)利要求27所述的小腿脛，其中，該部件還包括位于膨脹槽的每一端處的膨脹關(guān)節(jié)孔。
29.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該彈性部件由層壓復(fù)合材料形成，該層壓復(fù)合材料包括與聚合物基質(zhì)材料層壓的加強纖維。
30.如權(quán)利要求29所述的小腿脛，其中，聚合物基質(zhì)材料是熱塑性材料。
31.如權(quán)利要求29所述的小腿脛，其中，聚合物基質(zhì)材料是熱固性材料。
32.如權(quán)利要求29所述的小腿脛，其中，層壓復(fù)合材料是熱成形的。
33.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該部件的一端是向外突出彎曲。
34.如權(quán)利要求33所述的小腿脛，其中，該彈性部件的向外突出彎曲的一端大致為拋物線形狀，所述拋物線的最小曲率半徑位于這一端處，并且從這一端延伸。
35.如權(quán)利要求20所述的小腿脛，其中，該部件的一端包括用于使一端相對于腳龍骨的縱向可調(diào)整地定位的裝置，小腿脛將連接在該腳龍骨上。
36.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨，其具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分；一個彈性的、直立的小腿脛，其下端與腳龍骨連接，并且其上端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接，該下端是向下突出彎曲的，該下端的曲率半徑隨著小腿脛從它的彎曲下端向上延伸而增加；以及其中，小腿脛包括位于小腿脛的各端中間的縱向延伸的膨脹槽。
37.如權(quán)利要求36所述的假腳，其中，小腿脛還包括位于膨脹槽的每一端處的膨脹關(guān)節(jié)孔。
38.如權(quán)利要求36所述的假腳，其中，小腿脛的下端通過連接部件連接到腳龍骨上。
39.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨，其具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分；一個彈性的、直立的小腿脛，其具有與腳龍骨連接的下端和上端；以及連接到小腿脛的上端的對齊連接裝置，該裝置具有與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接的配裝件以及可調(diào)整的滑動機(jī)構(gòu)，以便相對于配裝件及其所連接的支承結(jié)構(gòu)調(diào)整腳的內(nèi)側(cè)/外側(cè)和前部/后部的位置。
40.如權(quán)利要求39所述的假腳，其還包括將對齊連接裝置與小腿脛的上端連接的適配器。
41.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨，其具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分；一個彈性的、直立的小腿脛，其向下突出彎曲的下端與腳龍骨連接，并且其上端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接；其中，小腿脛的向下突出彎曲的下端大致為拋物線形狀，所述拋物線的最小曲率半徑位于下端處，并且從該下端延伸。
42.如權(quán)利要求41所述的假腳，其中，該小腿脛的下端包括用于使下端相對于腳龍骨的縱向可調(diào)整地定位的裝置。
43.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨，其具有腳前段部分、腳中段部分和腳后段部分；一個彈性的、直立的小腿脛，其下端與腳龍骨連接，并且其上端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接；其中，腳龍骨的腳后段部分具有背側(cè)凹陷，該背側(cè)凹陷的縱向軸線相對于正面偏斜，使得凹陷的外側(cè)比內(nèi)側(cè)更靠前。
44.如權(quán)利要求43所述的假腳，其中，腳龍骨的末端腳跟部位平行于正面。
45.一種用于假腳的小腿脛，其包括細(xì)長的、半剛性的彈性部件，所述部件的一端與假腳的縱向延伸的腳龍骨連接，所述部件的相對端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接，該部件的一端是突出彎曲的，其曲率半徑隨著該部件從一端延伸而增加；其中，該部件包括位于它的各端中間的縱向延伸的膨脹槽。
46.如權(quán)利要求45所述的小腿脛，其中，該部件還包括位于膨脹槽的每一端處的膨脹關(guān)節(jié)孔。
47.一種用于假腳的小腿脛，其包括細(xì)長的、半剛性的彈性部件，所述部件具有與假腳的縱向延伸的腳龍骨連接的一端和相對端；以及連接到小腿脛的相對端的對齊連接裝置，該裝置具有與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接的配裝件以及可調(diào)整的滑動機(jī)構(gòu)，以便相對于配裝件及其所連接的支承結(jié)構(gòu)調(diào)整腳的內(nèi)側(cè)/外側(cè)和前部/后部的位置。
48.如權(quán)利要求47所述的小腿脛，其還包括將對齊連接裝置與小腿脛的相對端連接的適配器。
49.一種用于假腳的小腿脛，其包括細(xì)長的、半剛性的彈性部件，所述部件的一端是向外突出彎曲的以便與假腳的縱向延伸的腳龍骨連接，所述部件的相對端與截肢者的腿上的支承結(jié)構(gòu)連接；其中，該彈性部件的向外突出彎曲的一端大致為拋物線形狀，所述拋物線的最小曲率半徑位于這一端處，并且從這一端延伸。
50.如權(quán)利要求49所述的小腿脛，其中，該部件的一端包括用于使一端相對于腳龍骨的縱向可調(diào)整地定位的裝置，小腿脛將連接在該腳龍骨上。
全文摘要
一種假腳(70)，包括腳龍骨(71)和與腳龍骨連接的小腿脛(72)，以便形成所述假腳的踝關(guān)節(jié)部位。所述腳龍骨具有腳前段部分和腳后段部分，以及一個向上拱起的、在腳前段部分和腳中段部分之間延伸的腳中段部分。所述小腿脛包括向下突出的彎曲下端，該下端在其一部分處通過可釋放的緊固結(jié)構(gòu)可調(diào)整地連接在所述腳龍骨上。小腿脛的上端在使用假腳期間可以響應(yīng)于小腿脛的加力和卸力而在腳龍骨的縱向上移動。連接在小腿脛的各端之間的裝置(71)限制小腿脛的上端相對于下端和腳龍骨的運動范圍。小腿脛的上端上可以包括一個對齊連接裝置(92)，該裝置具有可調(diào)整的滑動機(jī)構(gòu)，以便相對于使用假腳的人的腿上的支承結(jié)構(gòu)來調(diào)整小腿脛的內(nèi)側(cè)/外側(cè)和前部/后部的位置。
文檔編號A61F2/50GK1514703SQ02811066
公開日2004年7月21日 申請日期2002年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者巴里W·湯森, 拜倫K·克勞丁諾, た死投∨, 巴里W 湯森 申請人:巴里W·湯森, 拜倫K·克勞丁諾, 巴里W 湯森