專利名稱：具有可調整的性能的假腳的制作方法
技術領域：
本發明涉及提供改善的動態響應能力的高性能假腳，這些能力與施力機制相關。
背景技術：
Martin等在美國專利5897594中披露了一種用于假腿上的無關節假腳。與以前的方案不同，其中，所述假腳具有一種帶有關節的剛性結構，以便模擬踝關節的功能，Martin等的無關節假腳采用了彈性腳插入部件，該部件被安裝在腳模型內部。該插入部件沿縱剖面具有大體上為C形的設計，其開口向后，并且用其上部C-肢體支承假肢負荷，通過其下部C-肢體將所述負荷轉移到與之連接的板簧。從下面看，所述板簧具有凸出的設計，并且大體上平行于其底部延伸，向前超過所述腳插入部件，進入腳尖區。Martin等的發明是基于改善無關節假腳的目的，兼顧到緩沖腳后跟的沖擊，彈性，腳后跟-至-腳趾行走，和側向穩定性，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，又能進行體育鍛煉和從事運動。不過，這種已知假腳的動態響應特征是有限的。需要一種具有改良了的應用機械設計的高性能假腳，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有假肢的結構限制和相應的性能的限制，在過去是無法進行的。據稱，現有假腳可以從事的跑、跳和其他活動，據報導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。

發明內容
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用機構的高性能假腳，這種腳可能優于人體的腳，并且可能優于現有的假腳。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用機構，高低動態響應，以及對齊可調整性，并且可能進行微調，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。
本發明的假腳滿足了上述要求。根據本文所披露的一種實施例，本發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。用一種可調整的緊固結構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節部位。
所述可調整的緊固結構能夠沿腳龍骨的縱方向調整小腿脛和腳龍骨相對彼此的對齊，以便調整所述假腳的性能。通過調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響應特征和運動輸出，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響應能力，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果。還披露了一種特別適合快跑的假腳。
所述假腳還包括一種連接部件，通過它將小腿脛與所述腳龍骨連接在一起。在一種實施例中，所述連接部件包括一種形成一個關節的彈性材料，它使得所述假腳以步態方式進行閉合的動力學鏈式運動。該關節具有一個關節軸線，其方向使得所述腳可以繞所述關節軸線運動，這種運動至少主要是在前面和橫向平面上的。實際上，該關節模擬了距下關節，使得這種假腳能夠像人腳那樣起作用。
在對所披露的本發明的實施方案和附圖進行詳細說明之后，可以更好地理解本發明的這些和其他目的、特征和優點。


圖1是表示本發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的方向的步態中產生了腳的動態響應能力和運動輸出，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明的假腳中已經改變，以便提高該腳在步態中的動態響應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所示狀態下更趨于水平。
圖3是本發明一種實施例的假腳的側視圖，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明的另一種腳龍骨的側視圖，它可用于本發明的假腳中。
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，它提供了高低動態響應特征，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明其他腳龍骨的側視圖，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響應特征，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是本發明腳龍骨的側視圖，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。
圖18是用于所述假腳的C-形小腿脛的另一種例子的側視圖，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是用于本發明假腳的J形小腿脛的側視圖，它在每一端都變細。
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是在本發明的可調整緊固結構中使用的用來將小腿脛連接在圖3所示腳龍骨上的鋁或塑料連接部件的略微靠上的側視圖。
圖24是用在圖3-5所示假腳上的，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面和略微偏向正面的示意圖。
圖25是類似于圖3的本發明的另一種假腳的側視圖，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視圖。
圖27是圖25所示假腳的小腿脛的放大側視圖。
圖28是類似于圖3和25的假腳的另一種實施例的側視圖，其中，將小腿脛和腳龍骨之間的連接部件制成模擬距下關節的功能，以便所述假腳能夠像人腳那樣起作用。
圖29是從圖28所示假腳的左側看上去的假腳的正視圖，表示從它的前面看上去的連接部件的犬骨形狀。
圖30是圖28所示假腳的后視圖。
圖31是圖28所示假腳的仰視圖。
圖32是沿所述連接部件的關節軸線G-G方向的，沿箭頭F方向看上去的所述連接部件的端視圖。
圖33是沿圖28中關節軸線G-G的該連接部件的剖視圖。
圖34是圖28-33所示假腳的實施方案的變化形式的側視圖，其中，所述連接部件是與小腿脛和腳龍骨一體化模制的，以便提供不可調整的腳。
圖35是圖28-33所示假腳的實施方案的另一種變化形式的側視圖，其中，所述連接部件和所述小腿脛是一體化形成的，不過，是與所述腳龍骨可調整地連接的。
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。可釋放的緊固件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整到適應特定的任務。因此，緊固件8、連接部件11和縱向延伸的孔9和10構成了一種可調整的緊固結構，用于將小腿脛連接在腳龍骨上，以便形成假腳的踝關節部位。
從圖1和2中可以看出調整小腿脛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。當這樣兩個半徑被認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系決定了運動輸出的方向。結果，腳1的動態響應力應用取決于該關系。凹陷的半徑越大，動態響應能力越高。不過，半徑越小，其反應越快。
本發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，可以進行對齊的改變，以便影響小腿脛半徑和腳龍骨半徑的關系。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。由此改變了動態響應特征，并且使得腳1的運動輸出更趨向于水平方向，其結果是，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定值，因為這些需要與水平和垂直線性速度相關。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)，或導入一個距下關節的彈性連接部件，如在下文將要討論的圖28-33的實施例中所示，夾在連接的腳龍骨2和小腿脛6之間。圖3和4中的可釋放的緊固部件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點是，它具有較高的動態響應特征，它能產生與較大的半徑近端相關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，這能產生改善了的水平線性速度。
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構(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成的。例如，可以采用塑料性質的固體材料，它在地面反作用力的作用下偏轉時，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材料層壓在一起的強化纖維的疊層復合材料制成。具體地講，可以將與熱固性環氧樹脂層疊的高強度石墨或以Delran為商標使用的擠壓塑料或脫氣的聚氨酯共聚物用于生產腳龍骨以及生產小腿脛。與所述材料相關的功能質量提供了高強度以及輕質和最小蠕變。所述熱固性環氧樹脂是在真空條件下采用假肢行業標準層壓的?？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行機加工。所使用的每一種材料都具有它的優點和缺點。已經發現，用于腳龍骨和小腿脛的層壓復合材料，也可優選是通過工業標準用具有優良機械膨脹質量的強化纖維和熱塑性聚合物基質材料生產的熱成型(預浸處理)層壓的復合材料。這種類型的合適的市售復合材料是由馬里蘭州的Cytec Fiberite Inc.of Havre de Grace生產的CYLON。
所述彈性材料與硬度、彈性和強度相關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。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。在圖3-5的實施例中，腳龍骨和小腿脛的厚度是均勻的或對稱的，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更敏感。
為了提供具有高低動態響應能力的假腳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側部分比所述縱向弧形的外側部分具有更高的動態響應能力。為此，在所述實施例中，所述縱向弧形凹陷的內側部分的半徑比其外側的半徑大。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。由腳后段部分4形成的腳后跟具有一個后部外側拐角18，它比內側拐角19更靠后和更靠外側，以便在步態的起始接觸期促進腳后段外翻。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的后站立期的后跟抬起腳趾離開的位置的背屈狀態。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的內側和外側膨脹關節孔21和22產生了所述假腳的改善的雙平面運動能力。膨脹關節23和24從相應一個孔向前延伸到所述腳前段部分的前部邊緣，以便形成內側的、中部的和外側的膨脹支柱25-27，這些支柱產生了腳龍骨的腳前段部分的改善了的雙平面運動能力。膨脹關節孔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，內側膨脹關節孔21比外側膨脹關節孔22更靠前一些，投影到矢狀面上的膨脹關節孔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。通過這種結構，從可釋放的緊固部件8到外側膨脹關節孔22的距離比從可釋放的緊固部件到內側膨脹關節孔21的距離短，這樣假腳1的外側部分比內側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響應能力。
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延伸的膨脹關節孔28。膨脹關節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150-35度的β角，其內側部分比外側更靠前一些，以便促進步態中的第五軸線運動，正如人腳的第二到第五跖部的轉動的傾斜的下部齒輪軸線(gear axis)。
當截肢者在不平坦的地方行走或者當運動員踏在腳的內側或外側時，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推所述腳相反的方向向內側推所述腳。其結果是，小腿脛向內側傾斜，并且其重量施加在所述腳龍骨的內側結構上。針對這種壓力，腳龍骨2的內側膨脹關節支柱25和31發生背屈(向上偏轉)并且翻轉，而外側膨脹關節支柱27和30向足底彎曲(向下偏轉)并且翻轉。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響應特征。結果，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。另外，膨脹關節孔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，即外側孔35是向前運動的，并且與內側孔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生了負面影響。不過，其性能特征變得更能適合特殊任務。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，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明的另一種腳龍骨38，這種假腳特別適用于經過腳的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適應于Symes級截肢者相關的較長的殘留肢體上。其性能特征是，在動態響應能力方面明顯更快。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響應特征，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計特征相關，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，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。
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14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計，產生了不同的功能結果，因為這些功能結果與水平和垂直線性速度相關，它們是改善與各種運動相關的任務中的性能所特有的。多種小腿脛設計的能力和腳龍骨與小腿脛之間的設定的調整，產生了一種假腳小腿脛關系，它使得截肢者和/或假肢師具有調節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，例如用于與用戶的殘腿上的假窩連接。可以將一個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端腳龍骨。本發明的假腳是一種模塊系統，優選由標準化單元或尺寸制成，以便具有靈活性和多種用途。
所有與跑道相關的奔跑活動都是沿逆時針方向進行的。本發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。當物體沿彎曲路徑運動時，向心加速作用朝向旋轉中心。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中心，而它的反作用力，離心力的作用遠離旋轉中心。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，跑步者身體向內傾斜。如果跑步者在跑道上的轉動方向一直是逆時針方向的話，其左側就是跑道的內側。其結果是，根據本發明的特征，可以將左、右側假腳小腿脛的左側做的比右側薄一些，并且可以改善截肢運動員的彎道表現。
在若干種實施方案中，腳龍骨2，33，38，42，43和71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，技術人員可以理解的是，假腳的特定尺寸可以根據裝有該腳的截肢者的體形、體重和其他特征而改變。
下面將討論在步態循環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-反作用力定律相關的牛頓的三條運動定律，是腳2的運動動力學的基礎。根據牛頓第三定律，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。已經對人行走、奔跑和跳躍活動進行了多種科學研究。測力板研究告訴我們，在步態中出現了牛頓第三定律。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，可以進一步劃分成減速和加速期。當假腳觸及地面時，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3和圖18中的后部外側拐角18的接觸點，該拐角比腳的內側部分更偏后和外側一些。這種在開始接觸時的偏移導致腳翻轉，并且使小腿脛發生足底彎曲。小腿脛一直在尋找一種位置，以便通過其脛轉移體重，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。所述地面力導致小腿脛壓縮，使其近端向后運動。小腿脛下部的緊湊半徑壓縮，模擬人踝關節足底彎曲，并且通過壓縮將腳前段降低到地面上。與此同時，腳龍骨2的上部的后面通過壓縮向上壓。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，并且由地面向后推腳，通過偏置的后部外側后跟18進一步加強了這種沖擊吸收，它能導致腳翻轉，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——這會導致小腿脛的近端以加速的方式向前運動。當小腿脛接近其垂直起始狀態時，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，并且這些區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移到向前方向。小腿脛膨脹，類似踝關節背屈。這會導致假腳旋轉偏離前面的足底承重表面。腳中段的長的弧形從被壓縮改變成膨脹。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結構的膨脹。結果，限制了小腿脛向前推進，并且腳開始旋轉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和圖28至33所示實施例的腳龍骨一樣的高低響應能力。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，內側長的弧形比外側長的弧形更長。這一點是重要的，因為在正常腳上，在加速或減速期間，使用的是腳的內側部分。
所述假腳的較長的內側弧形比外側具有更高的動態響應特征。當以較慢的速度行走或跑動時，用上了外側較短的腳趾桿。身體的重心通過正弦曲線的空間運動。它移動內側、外側、近端和遠端。當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側和外側。另外，動量或慣性更低，并且克服較高動態響應能力的能力較低。本發明的假腳適合以應用機械的方式采用所述原理。
當地面的力向前推假腳時，該假腳向后推地面，當腳后跟開始抬起時，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生在假腳步態和跑動的擺動期的膨脹和平滑過渡的阻力。在步態站立期的晚期，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。
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合了膨脹關節孔和膨脹關節支柱。所述膨脹關節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腳龍骨的動態響應能力明顯不同，因為這種能力與行走、奔跑和跳躍活動相關。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Symes遠端殘肢形狀。所述對齊凹陷需要弧形腳龍骨中間部分的相應的前部和后部半徑更深入并且尺寸更小。結果，所有腳中段長弧半徑和腳后段半徑更緊湊并且更小。這明顯影響了動態響應特征。較小的半徑產生了較低的動態響應潛力。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。結果得到具有較低動態響應的更快的腳。
使用本發明的假腳，通過對齊改變可以獲得改善了的任務專一性運動性能，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構不是多功能單位。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-遠端方向施加它的力。它是一種不可壓縮的結構，并且不具有保存能量的潛力。另一方面，本發明的假腳具有動態響應能力，因為這種動態響應能力與運動行走、奔跑和跳躍活動的水平和垂直線性速度分量相關，并且優于人類脛骨和腓骨。結果，存在改善截肢者運動表現的可能性。為此，根據本發明，松開了緊固件8，并且沿腳龍骨的縱方向調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整位置上。在此調節期間，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。
能改善跑步者在快跑時使他的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，并且腳足底在所述小腿脛上彎曲。這種新的關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。由此導致小腿脛快速向前(通過膨脹)和向下運動。通過膨脹產生動態響應力，該力阻礙小腿脛最初運動的方向。結果，腳在跖部足底表面承重部位上方轉動。這導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一步的向前推進受到阻止，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。所述腳龍骨的優點是其所有凹陷的縱軸線曲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，這進一步降低了遠端圓弧，例如，具有類似于圖3-5和8所示的多用途腳龍骨。結果，在其改進的水平能力方面具有更大的水平運動勢能和動態響應。
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生更大的彎曲并向下運動。所述力的結果是，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的力。結果，所述腳的動態響應能力與所施加的力成正比。人脛骨腓骨小腿脛反應只與能量力勢能相關，它是一種直的結構，并且不能夠儲存能量。在短跑時，本發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的力。結果，與人類身體功能相比，所述腳的動態響應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整的緊固結構，以及用于與暫用假肢下端連接的小腿脛的上端的結構。在本實施例中，腳龍骨54通過塑料或鋁連接部件56可調整地與小腿脛55連接。所述連接部件通過相應的可釋放緊固件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響應能力。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行了對齊改變。
在小腿脛55上端設置一個長孔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緣62和63拉在一起。通過松開所述螺栓可以方便地調整該暫用假肢連接，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整狀態。
圖28-33所示的假腳70類似于圖3-5，8，23和24，以及圖25-27所示的假腳，就是說，它包括腳龍骨71，和通過連接部件73與腳龍骨連接的小腿脛72。不過，在該實施例中，連接部件是由一種彈性材料制成的，形成一種使得所述假腳在步態中能夠做閉合的動力學鏈式運動的關節。更具體地講，在圖28和33中，所述連接部件的關節具有關節軸線G-G，它是由所述連接部件的犬骨形結構限定的。軸線G-G的方向使得所述假腳可以繞所述關節軸線運動，所述運動至少主要是在正平面和橫向平面上的，不過，在本實施例中，發生了在矢狀面上的某些運動。如圖28所示，投影在矢狀面上的關節軸線G-G優選與通過圖28中的H-H表示的橫向平面形成的角Δ在25-42度范圍內。投影在橫向平面上的關節軸線G-G優選相對圖33中所示出的腳的縱向軸線A-A向外旋轉的角Δ’在16-23度范圍內。因此，在本實施例中，所述腳的連接部件的關節軸線G-G從后面、足底面和外側向前面、背側和內側運動。
所述連接裝置優選用碳和高強度聚氨酯彈性材料制成，不過，可以使用具有所需彈性和強度的其他材料。所述連接裝置的設計特征賦予了距下關節功能運動輸出勢能。就是說所述連接裝置的方向和設計是這樣的，它具有能影響運動勢能輸出的軸線G-G。所述運動勢能輸出是具有特殊取向的，以便模擬人類步態和奔跑活動中人類距下關節的功能。為此，所述連接部件具有犬骨形狀的結構(圖32)，它是由該連接部件的凹陷彎曲的外側和內側面74和75形成的。所述連接部件還具有近端小腿脛和遠端腳龍骨的碳塑料強化連接板76和77，所述連接板是固定在連接部件上的，所述連接部件用可釋放的緊固件78和79連接在腳龍骨的近端表面和小腿脛的遠端表面之間，并且與所述表面互補配合，所述緊固件通過腳龍骨和小腿脛上的縱向槽80和81延伸，以便可以像前面所披露的實施方案那樣進行調整。所述犬骨形結構在其設計中采用了縱向旋轉軸線G-G，如上文所述，它與運動輸出的勢能相關。所述連接裝置旋轉軸線G-G的方向優選盡可能地接近解剖學上的正確方向。
運動軸線方向在矢狀面中優選相對橫向平面偏離(在圖28中的傾斜軸線G-G偏離角度Δ)，并且投影在橫向平面上時偏離假腳的縱向軸線(圖33中的縱軸線G-G偏離角度Δ’)，作為這種取向的結果是，所述連接部件的這種結構會以協調的和類似人的方式對地面反作用力作出反應。所述取向的傾斜軸線產生了運動輸出的45度斜接的鉸接效果。就是說，在步態的站立期間所發生的小腿脛的橫向平面運動(19度)會轉變成假腳的倒轉和翻轉運動。在高性能腳上優選提供軸線G-G的25-42度的傾斜軸線方向。已經發現，所述方向的傾斜軸線改善了正面和橫向平面運動輸出。軸線G-G的25度的傾斜軸線方向可以改善正平面的運動輸出，其是以犧牲橫向平面的運動輸出為代價的。42度的軸線G-G的傾斜軸線方向可以改善橫向平面運動，其是以犧牲正平面運動為代價的。該腳的連接部件的傾斜軸線G-G偏離在所述矢狀面中，以便其前端比后端更接近。參見圖28。
用于腳的連接裝置的軸線G-G的縱向軸線方向優選在解剖學上是正確的。如上文所述，它在橫向平面偏離，相對腳的長軸線向外旋轉16-23度。軸線G-G的縱向軸線的前面是內側的。所述連接裝置的軸線G-G的縱軸線方向也可以是矢狀定位的，例如，沒有相對腳的縱向軸線的橫向平面偏離，或者平行于所述矢狀面和腳的縱向軸線。在本實施例中，用于所述連接部件的實際材料，是可變硬度聚氨酯彈性體。應當指出的是，由于腳龍骨的腳中段部分的突出的彎曲表面支承所述連接裝置，使連接裝置在腳龍骨上沿圖28中的箭頭84的方向滑動以便調整所述腳，從而有效地改變傾斜軸線G-G的傾斜角度。
圖34中的假腳70’是圖28-33所示假腳的一種變化形式。其中，腳龍骨71’和小腿脛72’是通過連接部件73’一體化連接的，所述連接部件可以通過模制由聚氨酯彈性體制成，例如，用于將小腿脛和腳龍骨彼此結合在一起。與圖28-33的實施例相似，連接部件的關節軸線G-G的方向使得腳可以繞該關節軸線運動，該運動至少主要是在正面和橫向平面上的，如結合圖28-33中的腳70所述。不過，腳70’是不可調整的。與圖28-33的實施例相同，距下關節聚氨酯彈性體連接部件位于腳龍骨腳后段部分的前半部分和腳龍骨腳中段部分的后1/3部分，并且位于小腿脛的后半部分，小腿脛72’的近端大體上是垂直取向的。這種一體化的腳70’有利于K1，2級的截肢者，具有固定的步調復原潛力。
圖35表示圖28-33所示假腳的另一種變化形式，其中，所述假腳包括兩部分，例如，連接部件73”是一體化成型的，如通過模制在小腿脛上，同時像在假腳70中那樣與腳龍骨71可調整地連接?？梢酝ㄟ^單一的縱向調整改變連接部件的距下關節的傾斜軸線G-G的方向。假腳70”可用于具有K2-3級復原潛力的截肢者。具有雙重縱向調整能力的圖28-33所示的假腳70可用于K3-4級截肢者。
圖28-33所示實施例的假腳70的小腿脛72具有縱向延伸的槽或凹陷82，以及對應的縱向延伸的升起的翅片83。
如圖30所示，所述結構變型部分82和83位于小腿脛72的向后的凹陷一側上。它們降低了小腿脛對壓縮力的阻力。如圖所示，所述槽和翅片是線性的，不過，也可以是波浪形的或“S”形的。通過這種結構變型部分對小腿脛72的運動輸出進行調整，以便響應于步行、奔跑和跳躍活動中的地面力載荷，獲得與膨脹阻力相比小腿脛壓縮阻力的降低。
人小腿肌肉組織的力量可以表達為特殊肌肉和/或肌肉群的橫截面積。足底彎曲肌肉群具有大約130厘米的橫截面積。另一方面，背屈肌肉群具有大約35厘米的橫截面積。其比例為3.7∶1。小腿脛72對最初接觸的地面的反作用力的反應是用一個力抵抗壓縮，所述力模擬在正常行走中所出現的背屈肌肉群的偏心收縮。小腿脛72在步態的站立期后期用一個相對力抵抗膨脹，所述力模擬了較大的足底彎曲肌肉群的相應的偏心收縮，這種力是在人類步態的從站立中期到腳后跟離地期間出現的。小腿脛72對壓縮的阻力以及對膨脹的阻力可以用82和83進行微調，以便可以獲得類似于人的功能運動輸出。
對實施例的說明到此結束。盡管本發明已經結合多種說明性實施例進行了說明，應當理解的是，本領域技術人員可以構思出多種其他的改進和實施方案，這些改進和實施方案屬于本發明原理的構思和范圍。例如，本發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，以便當它與腳龍骨連接形成所述腳的踝關節部位時，產生腳的需要的運動輸出。若干種實施例的相應一種的各種特征可以在其他實施例中使用。更具體地講，在不超出本發明構思的前提下，在上述說明、附圖、和所附權利要求書的范圍內的對本發明組合結構的組成部件和/或布置的合理的改變和改進是可行的。除了對組成部件和/或布置的改變和改進之外，其他用途對本領域技術人員來說也是顯而易見的。
權利要求
1.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨；一個與所述腳龍骨連接的連接部件；一個彈性的、直立的小腿脛，其下端通過所述連接部件與腳龍骨連接，以便形成所述腳的踝關節部位，其上端利用一個支承結構連接在截肢者的腿上；其中，所述連接部件包括一種形成關節的彈性材料，所述關節使所述假腳在步態中能夠進行閉合的動力學鏈式運動，所述關節的關節軸線的方位使得該腳可以繞關節軸線運動，該運動至少主要是在正面和橫向平面上的。
2.如權利要求1所述的假腳，其中，投影在矢狀面上的所述關節軸線相對橫向平面形成一個25-45度范圍內的角。
3.如權利要求2所述的假腳，其包括用于改變投影在矢狀面上的關節軸線相對橫向平面的傾斜角度的裝置。
4.如權利要求1所述的假腳，其中，所述關節軸線的方位還使得所述腳可以繞所述關節軸線在所述矢狀面上運動。
5.如權利要求1所述的假腳，其中，所述關節軸線從后部、足底和外側向前部、背部和內側延伸。
6.如權利要求1所述的假腳，其中，所述投影在橫向平面上的關節軸線相對該腳的縱向軸線向外旋轉的角度在16-23度范圍內。
7.如權利要求1所述的假腳，其中，所述連接部件沿所述關節軸線的內側和外側的側表面是凹陷彎曲的，以便在腳繞所述關節軸線運動時傳遞和吸收力。
8.如權利要求1所述的假腳，其中，所述關節模擬一種距下關節，以便使得假腳可以像人類腳那樣起作用。
9.如權利要求1所述的假腳，還包括一個可調整的緊固結構，以便可以調整小腿脛和腳龍骨相對彼此沿腳的縱向的對齊，從而調整所述假腳的性能。
10.如權利要求9所述的假腳，其中，所述可調整的緊固結構包括至少一個連接所述連接部件和腳龍骨的可釋放的緊固件，以及腳龍骨上的一個縱向延伸的孔，所述緊固件延伸通過該孔，以便可以調整腳龍骨和小腿脛的對齊。
11.如權利要求1所述的假腳，其中，小腿脛的下端是向下突出彎曲的。
12.如權利要求11所述的假腳，其中，所述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。
13.如權利要求1所述的假腳，其中，所述小腿脛的下端大體上是拋物線形狀的，其最小曲率半徑位于下端，并且從下端向上延伸，且最初是向前延伸的。
14.如權利要求13所述的假腳，其中，面向后的凹陷是通過所述小腿脛的彎曲形成的，面向后的凹陷具有一個表面，該表面的上面形成有多個縱向延伸的槽和翅片，以便在使用所述假腳期間響應于小腿脛上的力，有利于小腿脛的彈性壓縮，同時阻止其膨脹。
15.如權利要求1所述的假腳，其中，所述連接部件是與腳龍骨和小腿脛中的至少一個成一體的。
16.如權利要求1所述的假腳，其中，所述連接部件與腳龍骨和小腿脛中的每一個結合，以便將小腿脛的下端連接在腳龍骨上。
17.一種假腳，包括一個縱向延伸的腳龍骨；一個固定在所述腳龍骨上的小腿脛，小腿脛和腳龍骨具有相應的、相面對的、突出的彎曲表面，其半徑和關系影響所述假腳在步態中的動態響應能力和運動輸出；和一個將所述小腿脛固定在腳龍骨上的可調整的緊固結構，該緊固結構可以調整腳龍骨和小腿脛的相應的、突出的彎曲表面的關系，以便調整所述假腳的性能。
18.如權利要求17所述的假腳，其中，通過一個連接部件將小腿脛固定在腳龍骨上。
19.如權利要求18所述的假腳，其中，所述連接部件包括形成一個關節的彈性材料，該關節的關節軸線的方位使得所述腳可以繞該關節軸線運動，該運動至少主要是在正面和橫向平面上的。
20.如權利要求19所述的假腳，其中，投影在矢狀面上的所述關節軸線相對橫向平面形成一個25-42°范圍內的角。
21.如權利要求19所述的假腳，其包括用于改變投影在矢狀面上的關節軸線相對橫向平面的傾斜角度的裝置。
22.如權利要求19所述的假腳，其中，所述關節軸線的方位還使得所述腳可以繞所述關節軸線在所述矢狀面上運動。
23.如權利要求19所述的假腳，其中，所述關節軸線從后部、足底和外側向前部、背部和內側延伸。
24.如權利要求19所述的假腳，其中，所述投影在橫向平面上的關節軸線相對該腳的縱向軸線向外旋轉的角度在16-23°范圍內。
25.如權利要求19所述的假腳，其中，所述連接部件沿所述關節軸線的內側和外側的側表面是凹陷彎曲的，以便在腳繞所述關節軸線運動時傳遞和吸收力。
26.如權利要求19所述的假腳，其中，所述關節模擬一種距下關節，以便使得假腳可以像人類腳那樣起作用。
27.如權利要求17所述的假腳，其中，相應的突出彎曲表面包括腳龍骨的腳中段部分的背側表面和小腿脛的面向下和向前的表面。
28.如權利要求17所述的假腳，其中，所述可調整的緊固結構包括至少一個可釋放的緊固件，以及腳龍骨上的一個縱向延伸的孔，所述緊固件延伸通過該孔，以便可以調整小腿脛和腳龍骨沿著腳龍骨的縱向的的對齊。
29.如權利要求17所述的假腳，其中，所述小腿脛的下端大體上是拋物線形狀的，其最小曲率半徑位于下端，并且從下端向上延伸，且最初是向前延伸的。
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節部位。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，其一部分可調節地連接在所述腳龍骨上，所述連接是通過一個可釋放的緊固結構進行的，該結構包括一個位于小腿脛和腳龍骨之間的連接部件(73)。所述連接部件包括形成所述關節的彈性材料，它使得所述假腳在步態中具有距下關節狀運動。
文檔編號A61K9/48GK1512859SQ02811061
公開日2004年7月14日 申請日期2002年3月29日 優先權日2001年3月30日
發明者巴里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