DE102019102071A1 - Arm prosthesis and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Armprothese, umfassend einen Schaft (1) mit proximalem Ende (10) und distalem Ende (11) und einer an das distale Ende (11) angefügten Kunsthand (2), wobei der Schaft (1) in einem additiven Verfahren aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und eine Spanneinrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine radial nach innen gerichtete Spannkraft auf den Schaft (1) erzeugbar ist. Es wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Armprothese angegeben.The invention relates to an arm prosthesis comprising a shaft (1) with a proximal end (10) and a distal end (11) and an artificial hand (2) attached to the distal end (11), the shaft (1) being made in an additive process is made of a plastic material and a clamping device is provided, by means of which a radially inward clamping force on the shaft (1) can be generated. A method for producing such an arm prosthesis is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft eine Armprothese, umfassend einen Schaft mit proximalem Ende und distalem Ende und einer an das distale Ende angefügten Kunsthand.The invention relates to an arm prosthesis, comprising a shaft with a proximal end and a distal end and an artificial hand attached to the distal end.
Armprothesen der vorangehend erläuterten Art sind bekannt, wozu auf die
Der Schaft der Armprothese wird an den Amputationsstumpf angelegt bzw. über diesen gestülpt und fixiert, wobei bereits vorgeschlagen worden ist, zur individuellen Anpassung des Schaftes eine Fertigung in einem additiven Verfahren anhand von gewonnenen 3-D Daten des Amputationsstumpfes vorzunehmen.The stem of the prosthetic arm is placed on the amputation stump or put over and fixed over it, although it has already been proposed to manufacture the stem in an additive process based on the 3-D data obtained from the amputation stump.
In der Regel sind Armprothesenschäfte aufgrund der Form des Armstumpfs trichterförmig aufgebaut, da der Arm am proximalen Ende üblicherweise dicker als am distalen Ende ist. Dadurch ist es dem Patienten möglich, in den Schaft der Armprothese einzusteigen. Durch einen reibschlüssigen Kontakt mit einem Prothesenliner, der als innere Schicht auf den Armstumpf zunächst aufgebracht wird, sitzt der Prothesenschaft fest am Armstumpf an. Im Laufe eines Tages ändert sich jedoch der Umfang des Armstumpfes durch beispielsweise körperliche Anstrengung und normale Volumenschwankungen. Diese können bei den bekannten Armprothesen nicht ohne weiteres ausgeglichen werden und es besteht die Gefahr, dass der Prothesenträger die Armprothese verliert.Arm prosthesis stems are usually funnel-shaped due to the shape of the arm stump, since the arm is usually thicker at the proximal end than at the distal end. This enables the patient to enter the shaft of the prosthetic arm. Due to a frictional contact with a prosthesis liner, which is first applied as an inner layer to the arm stump, the prosthesis shaft sits firmly on the arm stump. Over the course of a day, however, the size of the arm stump changes due to, for example, physical exertion and normal volume fluctuations. These cannot be easily compensated for in the known arm prostheses and there is a risk that the prosthesis wearer will lose the arm prosthesis.
Sofern die Armprothese darüber hinaus myoelektrisch ausgebildet ist und über Sensoren verfügt, die elektrische Signale von der Haut des Armstumpfes ableiten und zu Antriebsmitteln einer an den Armstumpf anschließenden motorisch bewegbaren Kunsthand leiten, können derartige Volumenschwankungen überdies dazu führen, dass die Sensoren nicht mehr wie gewünscht an der Hautoberfläche anliegen und es insoweit zu Fehlfunktionen bzw. einer fehlerhaften Ansteuerbarkeit der Kunsthand kommt.If the prosthetic arm is also designed to be myoelectrical and has sensors that derive electrical signals from the skin of the arm stump and direct it to drive means of an articulated hand that adjoins the arm stump, such volume fluctuations can also result in the sensors no longer operating as desired lie against the skin surface and malfunctions or incorrect controllability of the artificial hand occur.
Zusätzlich kommt es häufiger vor, dass bei der Amputation ein Teil des Handgelenks und/oder der Handknochen nicht amputiert wurde oder der Armstumpf nicht näherungsweise konisch ist. In einem solchen Fall bleibt am Ende des Armstumpfes eine Verdickung zurück, die es erschwert, den nötigen Kontaktschluss des Prothesenschaftes mit dem Armstumpf herzustellen oder den Prothesenschaft überhaupt über eine solche Hinterschneidung hinaus anzuziehen.In addition, it is more common that part of the wrist and / or the bones of the hand were not amputated during the amputation or that the stump of the arm was not approximately conical. In such a case, a thickening remains at the end of the arm stump, which makes it difficult to establish the necessary contact between the prosthesis socket and the arm stump or to tighten the prosthesis socket beyond such an undercut.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Armprothese der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die über einen deutlich verbesserten Schaft verfügt, welcher sich auch bei schwierigen Rahmenbedingungen exakt und auf einfache Weise an den Armstumpf anpassen lässt, sich vom Patienten leicht und ohne zusätzliche Hilfe an- und ablegen lässt und sich überdies auch an während der Tragedauer auftretende Volumenunterschiede anpassen lässt.The object of the invention is therefore to propose an arm prosthesis of the type mentioned at the outset, which has a significantly improved shaft, which can be adapted precisely and easily to the arm stump even under difficult conditions, and which can be easily and without additional help by the patient. and can be stored and can also be adapted to volume differences occurring during the wearing period.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung einer Armprothese gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.To achieve the object, the design of an arm prosthesis according to the features of
Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Armprothesen ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.A method for producing such arm prostheses is the subject of
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous refinements and developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schlägt vor, dass der Schaft in einem additiven Verfahren aus mindestens einem Kunststoffmaterial hergestellt ist und eine Spanneinrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine radial nach innen gerichtete justierbare Spannkraft auf den Schaft erzeugbar ist, um den Schaft reversibel radial zu komprimieren.The invention proposes that the shaft is made from at least one plastic material in an additive process and a clamping device is provided, by means of which a radially inwardly directed clamping force can be generated on the shaft in order to radially compress the shaft reversibly.
Im Rahmen der Erfindung ist es somit möglich, insbesondere nach Maßgabe eines zuvor am Armstumpf eines Patienten erstellten 3-dimensionalen Modells desselben einen exakt auf diesen Armstumpf passenden Schaft in einem additiven Verfahren herzustellen, der elastisch nachgiebig und insbesondere elastisch aufweitbar ist, sodass der Schaft auch bei einem nicht konischen Armstumpf oder einer Verdickung am Ende des Armstumpfes durch vorübergehendes Aufweiten einfach angezogen werden kann. Anschließend wird durch die Spanneinrichtung eine gewünschte radial nach innen gerichtete Spannkraft auf die durch den Schlitz voneinander getrennten Bereiche des Schaftes erzeugt und dieser radial komprimiert, bis der feste und exakte Sitz des Schaftes auf dem Armstumpf erreicht ist.Within the scope of the invention, it is thus possible, in particular in accordance with a 3-dimensional model of the patient's arm stump, to produce a shaft that exactly fits this arm stump in an additive process, which is elastically flexible and in particular elastically expandable, so that the shaft also in the case of a non-tapered arm stump or a thickening at the end of the arm stump can be easily tightened by temporarily widening. The clamping device then generates a desired radially inward clamping force on the regions of the shaft separated by the slot and compresses it radially until the shaft is firmly and precisely seated on the arm stump.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass die von der Spanneinrichtung ausführbare Spannkraft justierbar und reversibel ist, zum Beispiel durch entsprechende Einstellmittel, sodass der Patient die Spannkraft individuell selbst bestimmen und bei eintretenden Volumenänderungen während der Tragedauer auch nachjustieren kann und auch aufheben kann, etwa wenn die Armprothese abgelegt werden soll.Within the scope of the invention it is provided that the tensioning force that can be carried out by the tensioning device is adjustable and reversible, for example by means of appropriate adjustment means, so that the patient can individually determine the tensioning force himself and can also readjust and also cancel it if volume changes occur during the wearing period, for example if the prosthetic arm should be removed.
Nach einem Vorschlag der Erfindung umfasst der Schaft ausgehend vom proximalen Ende mindestens einen in Längsrichtung zum distalen Ende hin verlaufenden Schlitz, der zum proximalen Ende hin offen ist und vor dem distalen Ende endet. Mittels der Spanneinrichtung wird sodann die Spannkraft auf die durch den mindestens einen Schlitz voneinander getrennten Bereiche justierbar ausgeübt.According to a proposal of the invention, the shaft, starting from the proximal end, comprises at least one in the longitudinal direction towards the distal end running slot that is open to the proximal end and ends before the distal end. The tensioning force is then exerted on the regions separated from one another by the at least one slot by means of the tensioning device.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schaft aus einer Vielzahl miteinander verflochtener Ringelemente aus dem Kunststoffmaterial gebildet ist, die in dieser Konfiguration ebenfalls additiv herstellbar sind. Ein solches Substrat ähnelt vom Aufbau her einem Kettenhemd, ist jedoch aus Ringelementen aus dem Kunststoffmaterial gefertigt und kann aufgrund der elastischen Materialeigenschaften Volumenschwankungen in allen Richtungen ausgleichen und ebenfalls über die Spanneinrichtung justierbar radial komprimiert werden.In an alternative embodiment of the invention, it is provided that the shaft is formed from a multiplicity of interwoven ring elements made of the plastic material, which can also be produced additively in this configuration. Such a substrate is similar in structure to a chain mail, but is made of ring elements made of the plastic material and, due to the elastic material properties, can compensate for volume fluctuations in all directions and can also be radially compressed in an adjustable manner by means of the tensioning device.
Nach einem Vorschlag der Erfindung kann die Spanneinrichtung von einer auf dem Schaft außenseitig befestigten Spannratsche und einem um den Schaft verlaufenden Spannseil gebildet sein, dessen mindestens ein Ende verstellbar auf der Spannratsche aufwickelbar ist. Derartige Spannratschen sind bekannt und werden beispielsweise bei Sportschuhen, wie Skistiefeln und Inlineskates als Spanneinrichtung verwendet. Dabei wird entweder ein Ende des Spannseils ortsfest fixiert und lediglich das andere Ende variabel auf der Spannratsche aufgewickelt oder aber es werden beide Enden des Spannseils gleichermaßen auf der Spannratsche aufgewickelt.According to a proposal of the invention, the tensioning device can be formed by a tensioning ratchet fastened on the outside of the shaft and a tensioning rope running around the shaft, the at least one end of which can be adjustably wound on the tensioning ratchet. Such ratchets are known and are used as a tensioning device, for example, in sports shoes such as ski boots and inline skates. Either one end of the tensioning rope is fixed in place and only the other end is variably wound on the tensioning ratchet, or both ends of the tensioning rope are wound equally on the tensioning ratchet.
Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Fertigung des Schaftes aus einem Kunststoffmaterial in einem additiven Verfahren, beispielsweise 3D Druck eröffnet sich nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Möglichkeit, Führungskanäle für das Spannseil zumindest bereichsweise auf und/oder in der Oberfläche des Schaftes integral bei der Herstellung des Schaftes auszubilden. Von der Außenseite der erfindungsgemäßen Armprothese her betrachtet verlaufen sodann die Spannseile der Spanneinrichtung nahezu vollständig verdeckt innerhalb des Schaftes.As a result of the manufacture of the shaft made of a plastic material in accordance with the invention in an additive process, for example 3D printing, according to a further proposal of the invention, the possibility of integrating guide channels for the tensioning rope at least in regions on and / or in the surface of the shaft during the manufacture of the shaft to train. Viewed from the outside of the arm prosthesis according to the invention, the tensioning cables of the tensioning device then run almost completely concealed within the shaft.
Darüber hinaus können nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung aufgrund des additiven Herstellungsverfahrens auch Hohlkammern zur Aufnahme von Elektroden, Batterien, Leiterbahnen, Aktoren oder andere Bestandteile integral in den Schaft eingebracht werden, die auf diese Weise äußerst rationell und unauffällig in die erfindungsgemäße Armprothese integriert werden.In addition, according to a further proposal of the invention, due to the additive manufacturing process, hollow chambers for receiving electrodes, batteries, conductor tracks, actuators or other components can also be integrally introduced into the shaft, which in this way are integrated extremely efficiently and unobtrusively into the prosthetic arm according to the invention.
Durch Verwendung elektrisch leitfähiger Kunststoffmaterialien können überdies elektrisch leitfähige Strukturen zur Ausbildung von Elektroden und/oder Leiterbahnen auch unmittelbar während der additiven Herstellung der erfindungsgemäßen Armprothese erzeugt werden.By using electrically conductive plastic materials, electrically conductive structures for forming electrodes and / or conductor tracks can also be produced directly during the additive manufacturing of the arm prosthesis according to the invention.
Es können auch rutschhemmende Einsätze, wie Silikonpads in die Innenoberfläche des Schaftes eingearbeitet werden, um ein Verrutschen der Armprothese zu verhindern.Non-slip inserts, such as silicone pads, can also be incorporated into the inner surface of the shaft to prevent the prosthetic arm from slipping.
Der Schaft der erfindungsgemäßen Armprothese kann beispielsweise als Innenschaft ausgebildet sein und es wird ein Außenschaft zum Beispiel in hautfarbener Farbgebung vorgesehen, der über den Innenschaft als Außenhülle positioniert wird. Auch ist es denkbar, eine solche Außenhülle bei Herstellung der erfindungsgemäßen Armprothese im additiven Verfahren gleichermaßen auszubilden.The shaft of the arm prosthesis according to the invention can be designed, for example, as an inner shaft and an outer shaft, for example in skin-colored coloring, is provided, which is positioned as an outer shell over the inner shaft. It is also conceivable to design such an outer cover in the same way when the arm prosthesis according to the invention is produced using the additive method.
Durch Verwendung eines Gradientenmaterials, d.h. Kunststoff in unterschiedlicher Härte und/oder Elastizität können überdies Bereiche des Schaftes mit voneinander unterschiedlicher Härte und/oder Elastizität ausgebildet werden, obwohl der Schaft integral in einem additiven Verfahren hergestellt wurde. Beispielsweise kann eine vom distalen Ende zum proximalen Ende hin sich erhöhende Flexibilität mit einem solchen Gradientenmaterial eingestellt werden. Dabei kann sowohl Anforderungen an die anatomische Anpassungsfähigkeit des Innenschaftes als auch der rigiden, stoß- und formstabilen Ausgestaltung des Außenschaftes Rechnung getragen werden.By using a gradient material, i.e. Plastic with different hardness and / or elasticity can also be formed areas of the shaft with different hardness and / or elasticity, although the shaft was manufactured integrally in an additive process. For example, a flexibility that increases from the distal end to the proximal end can be set with such a gradient material. Both the requirements for the anatomical adaptability of the inner shaft and the rigid, shock-resistant and dimensionally stable design of the outer shaft can be taken into account.
Nach einem, weiteren Vorschlag der Erfindung kann der Schaft auch eine Struktur aus additiv und integral ausgebildeten Innen- und Außenschichten aufweisen, wobei die Innen- und Außenschicht randseitig verbunden oder jeweils als geschlossene Schicht ausgebildet sind, so dass ein luftgefüllter Hohlraum innerhalb des Schaftes ausgebildet wird, welcher von der Innenschicht, der Außenschicht sowie ggf. deren randseitiger Verbindung begrenzt wird, dergestalt, dass die Innenschicht und die Außenschicht gemeinsam den luftgefüllten Hohlraum umschließen. Innerhalb dieses Hohlraumes wird eine Vielzahl elastisch verformbaren Stützelemente angeordnet, die den Hohlraum zwischen Innen- und Außenschicht aufrechterhalten und aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit eine entsprechende elastisch rückstellende Verformung der Innenschicht gegenüber der als Widerlager dienenden starren bzw. formstabilen Außenschicht ermöglichen. Darüber hinaus sind im Raum zwischen den einzelnen Stützelementen, die beispielsweise diskret ausgebildet sein können, Luftdurchgangsöffnungen ausgebildet, sodass bei einer elastischen Verformung der Innenschicht und/oder der Stützelemente die im Hohlraum vorhandene Luft vorübergehend verdrängt wird und in andere Bereiche des Hohlraumes ausweichen kann. Schließlich kann an mindestens einer geeigneten Position, vorzugsweise im Bereich der Außenschicht, mindestens eine Be- und Entlüftungsöffnung vorgesehen sein, über die der luftgefüllte Hohlraum des Schaftes mit der umgebenden Atmosphäre kommuniziert, so dass ein Luftaustausch zwischen Hohlraum und umgebender Atmosphäre stattfinden kann. Durch Ausbildung der Innen- und Außenschicht und/der einiger oder aller Stützelemente aus Kunststoffmaterial unterschiedlicher Eigenschaften kann das Verhalten des solchermaßen gebildeten Schaftes in weiten Grenzen eingestellt werden. Der Aufbau eines derartigen Materials ist beispielsweise aus der
Das Verfahren zur Herstellung einer solchen Armprothese umfasst in einem ersten Schritt die Erstellung eines dreidimensionalen digitalen Modells des zu versorgenden Armstumpfes eines Patienten, was beispielsweise mit bekannten Digitalisierungsverfahren, wie einem Streifenlichtscanner bewirkt werden kann. Zuvor werden die Punkte für die spätere Position der Sensoren auf den Muskeln markiert, der Randverlauf des Schaftes angezeichnet sowie die Positionen der Akkus oder weiterer Bauteile angedeutet. Der solchermaßen erstellte digitale Scan kann anschließend am Bildschirm digital modelliert werden.In a first step, the method for producing such an arm prosthesis comprises the creation of a three-dimensional digital model of the patient's arm stump to be supplied, which can be achieved, for example, using known digitization methods, such as a strip light scanner. Before this, the points for the later position of the sensors on the muscles are marked, the edge course of the shaft is marked and the positions of the batteries or other components are indicated. The digital scan created in this way can then be digitally modeled on the screen.
Im Anschluss an diese vorbereitenden Handlungen kann in einem geeigneten CAD- System anhand des vorliegenden virtuellen Modells eine digitale Konstruktion des dreidimensionalen Modells der Armprothese und insbesondere des individuellen Schaftes durchgeführt werden. Die Positionen von Elektroden, Batterien, Leiterbahnen, Aktoren, weitere Bestandteile sowie eventuell vorgesehener Schlitze werden hierbei festgelegt oder aus den vorangegangen Festlegungen übernommen und gleichermaßen im dreidimensionalen Modell hinterlegt.Following these preparatory actions, a digital CAD construction of the three-dimensional model of the prosthetic arm and, in particular, of the individual shaft can be carried out in a suitable CAD system using the present virtual model. The positions of electrodes, batteries, conductor tracks, actuators, other components as well as any slots provided are determined here or taken from the previous definitions and likewise stored in the three-dimensional model.
Anschließend kann die Armprothese nach Maßgabe des 3-dimensionalen Modells in einem additiven Verfahren aus einem Kunststoffmaterial hergestellt werden, wobei die festgelegten Führungskanäle für das Spannseil sowie die Hohlkammern zur Aufnahme von Elektroden, Batterien, Leiterbahnen und oder Aktoren integral eingebracht werden oder Elektroden und oder Leiterbahnen durch Einsatz elektrisch leitfähiger Materialien unmittelbar in dem additiven Herstellungsverfahren erzeugt werden.The arm prosthesis can then be produced in an additive process from a plastic material in accordance with the 3-dimensional model, the defined guide channels for the tensioning cable and the hollow chambers for receiving electrodes, batteries, conductor tracks and or actuators being integrally introduced or electrodes and or conductor tracks are generated directly in the additive manufacturing process by using electrically conductive materials.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Ausgestaltung des Schaftes können durch Nachjustierung der Spanneinrichtung die häufig vorkommenden Volumenschwankungen ausgeglichen und so ein Rutschen des Schaftes verhindert werden. Nachdem der Prothesenträger den Schaft im offenen Zustand angezogen hat, kann er mithilfe der Spanneinrichtung den Schaft bis zu einem guten Sitz verengen. Im Laufe eines Tages kann durch weiteres Verschließen des Schaftes die natürliche Volumenminderung des Armstumpfes ausgeglichen werden. Dadurch wird zusätzlich die Funktionalität der myoelektrischen Prothese gewährleistet, da die Sensoren an die zugeordneten Muskeln angepresst werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein Rutschen durch Kompression bereits im Voraus zu verhindern.Due to the design of the shaft provided according to the invention, the frequently occurring volume fluctuations can be compensated for by readjusting the tensioning device and slipping of the shaft can thus be prevented. After the prosthesis wearer has tightened the shaft in the open state, he can tighten the shaft to a good fit using the tensioning device. In the course of a day, the natural reduction in volume of the arm stump can be compensated for by further closing the shaft. This also ensures the functionality of the myoelectric prosthesis, since the sensors are pressed against the assigned muscles. It is also possible to prevent slipping by compression in advance.
Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Armprothese werden nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung weiter erläutert. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Armprothese in perspektivischer Darstellung; -
2 den Schaft der Armprothese gemäß1 in weiteren Einzelheiten.
-
1 an arm prosthesis according to the invention in a perspective view; -
2nd the stem of theprosthetic arm 1 in more detail.
Aus der
Der Schaft
Ausgehend vom proximalen Ende
Durch die Schlitze
Wie in weiteren Einzelheiten aus der
Gleichermaßen werden in den vorzugsweise in einem additivem Verfahren hergestellten Schaft
Die vorangehend erläuterte Armprothese wird damit auf einfache Weise maximal individualisiert und damit mit höchster Passgenauigkeit hergestellt und lässt sich durch die vorgesehenen Schlitze im Schaft auch bei schwieriger Geometrie des Armstumpfes leicht An- und Ablegen und kann bezüglich der ausgeübten Spannkraft auf den Armstumpf im angelegten Zustand leicht an das individuelle Empfinden und an veränderte Gegebenheiten angepasst werden.The above-described arm prosthesis is thus maximally individualized in a simple manner and thus manufactured with the greatest fit and can be easily put on and taken off using the slits provided in the shaft, even with difficult geometry of the arm stump, and can easily be applied to the arm stump when it is in place due to the tension force exerted to be adapted to individual feelings and changed circumstances.
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- WO 2018/017096 A1 [0034]WO 2018/017096 A1 [0034]
Claims (12)
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Applications Claiming Priority (1)
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| DE102019102071.9A DE102019102071A1 (en) | 2019-01-28 | 2019-01-28 | Arm prosthesis and method of making the same |
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