ES2247057T3

ES2247057T3 - Protesis de rodilla controlada electronicamente.

Info

Publication number: ES2247057T3
Application number: ES01903215T
Authority: ES
Inventors: Bruce W. Deffenbaugh; Hugh M. Herr; Gill A. Pratt; Michael B. 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: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-01-22
Also published as: CA2396617A1; AU3106301A; US6764520B2; WO2001054630A9; JP2003521316A; RU2266722C2; DE60112403D1; USRE42903E1; CA2396617C; EP1255517B1; DE60112403T2; WO2001054630A1; RU2002118693A; AU771817B2; ATE300929T1; JP5159720B2; US20010029400A1; JP4392547B2; CN1237949C; EP1255517A1

Abstract

Prótesis de rodilla controlada electrónicamente (110, 210, 510) comprendiendo: - una pluralidad de rotores (120, 220, 420, 520) que pueden girar alrededor de un eje longitudinal de dicha prótesis de rodilla (110, 210, 510); - una pluralidad de estatores (130, 230, 430, 530) alternativamente intercalados con dichos rotores (120, 220, 420, 520) para formar espacios entre ellos; - un fluido adaptado para soportar un cambio reológico en respuesta a un campo magnético aplicado y que reside en dichos espacios formados entre dichos rotores (120, 220, 420, 520) y dichos estatores (130, 230, 430, 530); en la que la variación controlada de dicho campo magnético varía la reología del fluido y la cizalladura de dicho fluido causada por el giro entre dichos rotores (120, 220, 420, 520) y dichos estatores (130, 230, 430, 530) durante la rotación de la rodilla y genera un momento de torsión variable de amortiguamiento de la rodilla.

Description

Prótesis de rodilla controlada electrónicamente.

La presente invención se refiere a prótesis para articulaciones en general y, en particular, a sistemas de frenado controlable de articulaciones para prótesis de rodillas, como es conocido a partir del documento DE-A-19754690.

Descripción de la técnica relacionada

En el pasado se han utilizado tres tipos de frenos de momento de torsión variable en las prótesis de rodilla: (i) frenos de fricción en seco en los que la superficie de un material roza contra otra superficie con una fuerza variable; (ii) frenos de momento de torsión viscoso que utilizan un fluido hidráulico MR comprimido a través de un orificio de dimensión variable o una placa de limitación del flujo; y (iii) frenos o amortiguadores magnetoreológicos (MR) en los que el fluido magnetoreológico MR (que contiene pequeñas partículas de hierro suspendidas en el fluido) es comprimido a través de un orificio fijo o una placa de limitación del flujo, con la viscosidad del fluido variando en respuesta al campo magnético aplicado. Cada una de estas tecnologías, tal como se llevan a la práctica convencionalmente en el ámbito de las prótesis, pueden tener ciertas desventajas.

Aunque los frenos de fricción en seco generalmente pueden proporcionar una gama sustancial de momento de torsión para sus tamaños, desgraciadamente, a menudo son difíciles de controlar. Después de una larga utilización, las almohadillas de fricción tienden a desgastarse, cambiando de ese modo las características de fricción del freno y la respuesta del momento de torsión para un momento de torsión mandado determinado. Como desventaja, esto puede causar un comportamiento a la amortiguación no fiable y por lo tanto afectar negativamente al modo de andar del amputado y causar también incomodidad al amputado. Por consiguiente, los frenos de fricción en seco necesitan un mantenimiento y una substitución constante lo cual se añade de forma indeseable al coste.

Bajo elevadas condiciones de carga, los frenos de momento de torsión viscoso son susceptibles de tener pérdidas del fluido hidráulico y posiblemente otros daños debido a que se crea una presión excesiva. Como desventaja, esto puede resultar en un estado irreversible, puesto que una vez se ha sobrecargado la unidad de freno no puede volver a la normalidad. Por lo tanto, un freno de momento de torsión viscoso de este tipo para una articulación de una prótesis es propenso a fallar desastrosamente y por lo tanto puede ser no fiable y perjudicial para la seguridad del amputado.

El término "modo de válvula" se refiere al control del flujo de un fluido magnetoreológico MR a través de un orificio por la aplicación de un campo magnético variable perpendicular a la dirección del flujo en lugar de la válvula mecánica utilizada en los frenos convencionales de momento de torsión viscoso. Como desventaja, un freno de fluido magnetoreológico MR accionado en el "modo de válvula" también desarrolla la creación de una presión interna de fluido y por lo tanto es susceptible a los fallos tradicionales inducidos por la presión, poniendo en peligro de ese modo al amputado.

Resumen de la invención

De acuerdo con ello el principal objeto y ventaja de la presente invención es superar algunas o todas las limitaciones anteriores proporcionando una prótesis de rodilla accionada magnetoreológicamente mediante la provisión de un momento de torsión variable la cual utiliza una pluralidad de rotores y estatores intercalados y alternados para someter a esfuerzo cortante al fluido magnetoreológico en espacios formados entre ellos. Ventajosamente, accionando en el "modo de esfuerzo cortante" no existe cambio en la creación de presión en el fluido, o es despreciable. Además, los múltiples espacios del fluido magnetoreológico MR o interfaces de flujo permiten de forma deseable la producción de un gran momento de torsión a una baja velocidad o el paro sin la utilización de una transmisión y también conseguir una amplia gama de momentos de torsión dinámicos lo que se añade a la versatilidad de la invención. Una realización de la invención permite que los rotores y los estatores cierren los espacios entre ellos para crear una componente de fricción del momento de torsión, formando de ese modo un sistema de frenado "híbrido" el cual proporciona un momento de torsión o amortiguación total que es una combinación de un momento de torsión viscoso y de un momento de torsión de fricción.

De acuerdo con todavía otra realización preferida, se proporciona una prótesis de rodilla electrónicamente controlada para generar una amplia gama de momentos de torsión dinámicos. La prótesis de rodilla globalmente comprende una pluralidad de rotores, una pluralidad de estatores y un fluido adaptado para soportar un cambio reológico en respuesta a un campo magnético aplicado. Los rotores comprenden un material ferroso. Los rotores pueden girar y desplazarse lateralmente alrededor de un eje longitudinal de rotación de la prótesis de rodilla. Los estatores comprenden un material ferroso y están alternativamente intercalados con los rotores para formar espacios entre ellos. Los estatores se pueden desplazar lateralmente alrededor del eje de rotación de la prótesis de rodilla. El fluido reside en los espacios formados entre los rotores y los estatores. La acción del campo magnético genera, durante la rotación de la rodilla, un momento de torsión de amortiguación de la rodilla variable controlable.

De acuerdo con una realización preferida, se proporciona un procedimiento para controlar rápida y precisamente la rotación de una prótesis de rodilla electrónica. La prótesis de rodilla generalmente comprende una pluralidad de rotores magnéticamente blandos y estatores magnéticamente blandos alternativamente intercalados y fluido magnetoreológico presente en una pluralidad de espacios formados entre los rotores y los estatores. El procedimiento comprende el paso de la creación de una fuerza de atracción entre los rotores y los estatores mediante la aplicación de un campo magnético para causar el contacto con fricción entre rotores y estatores adyacentes. Esto causa la amortiguación por fricción de la rotación de la prótesis de rodilla. El fluido magnetoreológico presente en los espacios formados entre los rotores y los estatores se somete a cizalladura para amortiguar viscosamente la rotación de dicha prótesis de rodilla. El campo magnético se ajusta para variar rápida y precisamente la viscosidad del fluido magnetoreológico y la fuerza de atracción entre los rotores y los estatores adyacentes. Esto proporciona una resistencia a la torsión giratoriamente variable para controlar la flexión y la extensión de la prótesis de rodilla.

Con el propósito de resumir la invención y las ventajas conseguidas sobre la técnica anterior, ciertos objetos y ventajas de la invención han sido descritos antes aquí. Por supuesto, debe entenderse que no necesariamente todos esos objetos o ventajas pueden ser conseguidos de acuerdo con cualquier realización particular de la invención. Por lo tanto, por ejemplo, aquellos expertos en la técnica reconocerán que la invención se pueden realizar o llevar a cabo de una manera que consigue o bien optimiza una ventaja o grupos de ventajas como se enseña aquí sin necesariamente conseguir otros objetos o ventajas que pueden ser enseñados o sugeridos aquí.

Todas estas realizaciones se pretende que queden dentro del ámbito de la invención descrita aquí. Estas y otras realizaciones de la presente invención se harán rápidamente evidentes a aquellos expertos en la técnica a partir de la siguiente descripción de detallada de las realizaciones preferidas con referencia a las figuras anexas, no estando limitada la invención a ninguna de las realizaciones particulares preferidas descritas.

Breve descripción de los dibujos

Habiendo resumido por lo tanto la naturaleza general de la invención y sus características y ventajas esenciales, ciertas realizaciones y modificaciones preferidas de la misma se harán evidentes a aquellos expertos en la técnica a partir de la descripción detallada haciendo referencia a las figuras que siguen, de las cuales:

La figura 1 es un dibujo esquemático de un ciclo normal de locomoción humana que ilustra las diversas posiciones del miembro durante las fases de postura y de movimiento;

La figura 2 es una ilustración esquemática de un conjunto de prótesis del miembro inferior que comprende una prótesis de rodilla electrónicamente controlada y provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 3 es un dibujo esquemático simplificado que ilustra la configuración global general de una realización preferida de la prótesis de rodilla de la presente invención;

La figura 4 es una vista detallada en perspectiva del despiece de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 5 es una vista en sección transversal de la prótesis de rodilla de la figura 4;

La figura 6 es una vista en perspectiva del núcleo de la figura 4 provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 7 es una vista lateral del núcleo de la figura 6;

La figura 8 es una vista desde el extremo del núcleo de la figura 6;

La figura 9 es una vista frontal de una de las placas laterales del núcleo de la figura 4 provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 10 es una vista posterior de la placa lateral del núcleo de la figura 9;

La figura 11 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 11-11 de la figura 9;

La figura 12 es una vista a mayor escala de la zona 12-12 de la figura 11;

La figura 13 es una vista frontal de un núcleo y una placa lateral asociada combinados provistos de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 14 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 14-14 de la figura 13;

La figura 15 es una vista desde el extremo de la acanaladura interior de la figura 4 provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 16 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 16-16 de la figura 15;

La figura 17 es una vista a mayor escala de la zona 17-17 de la figura 16;

La figura 18 es una vista frontal de uno de los rotores de la figura 4 provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 19 es una vista lateral del rotor de la figura 18;

La figura 20 es una vista frontal de uno de los estatores de la figura 4 provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 21 es una vista lateral del estator de la figura 20;

La figura 22 es una vista en perspectiva de la acanaladura exterior de la figura 4 provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 23 es una vista desde el extremo de la acanaladura exterior de la figura 22;

La figura 24 es una vista desde arriba de la acanaladura exterior de la figura 22;

La figura 25 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 25-25 de la figura 23;

La figura 26 es una vista en perspectiva de un núcleo provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 27 es una vista lateral del núcleo de la figura 26;

La figura 28 es una vista desde el extremo del núcleo de la figura 26;

La figura 29 es una vista en perspectiva de una primera placa lateral del núcleo provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 30 es una vista frontal de la placa lateral del núcleo de la figura 29;

La figura 31 es una vista posterior de la placa lateral del núcleo de la figura 29;

La figura 32 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 32-32 de la figura 31;

La figura 33 es una vista a mayor escala de la zona 33-33 de la figura 32;

La figura 34 es una vista en perspectiva de una segunda placa lateral del núcleo provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 35 es una vista posterior de la placa lateral del núcleo de la figura 34;

La figura 36 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 36-36 de la figura 35;

La figura 37 es una vista en perspectiva de una bobina magnética provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 38 es una vista desde el extremo de la bobina magnética de la figura 34;

La figura 39 es una vista en sección transversal a lo largo de la línea 39-39 de la figura 38;

La figura 40 es una vista en perspectiva de una acanaladura interior provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 41 es una vista desde el extremo de la acanaladura interior de la figura 40;

La figura 42 es una vista lateral de la acanaladura interior de la figura 40;

La figura 43 es una vista a mayor escala de la zona 43-43 de la figura 41;

La figura 44 es una vista a mayor escala de la zona 44-44 de la figura 42;

La figura 45 es una vista frontal de un rotor provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 46 es una vista lateral del rotor de la figura 45;

La figura 47 es una vista a mayor escala de la zona 47-47 de la figura 45;

La figura 48 es una vista frontal de un estator provisto de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

La figura 49 es una vista lateral del estator de la figura 48;

La figura 50 es una vista a mayor escala de la zona 50-50 de la figura 48; y

La figura 51 es una vista esquemática en sección transversal de otra realización preferida de una prótesis de rodilla accionada magnetoreológicamente en la cual la trayectoria de retorno magnético pasa a través del exterior de la rodilla.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Comprender la forma humana normal de pasear y correr proporciona la base para el diseño y el desarrollo de prótesis eficaces de los miembros inferiores con un movimiento controlado. La locomoción humana o modo de andar normal se puede describir como una serie de movimientos alternativos rítmicos de los miembros y del tronco lo cual resulta en la progresión hacia delante del centro de gravedad del cuerpo.

Un ciclo típico del modo de andar, como se describe esquemáticamente en la figura 1, comprende la actividad que ocurre entre el golpe de talón de un miembro inferior 10 y el golpe del talón subsiguiente del mismo miembro 10. El miembro o pierna 10 generalmente comprende el pie 12 y una parte de la espinilla 14 acoplada o articulada a una parte del muslo 16 a través de una rodilla o una articulación de la rodilla 18. Durante un único ciclo del modo de andar cada miembro o extremidad inferior pasa a través de una fase de postura o extendida 20 y una fase de movimiento 22.

La fase de postura 20 empieza con el golpe del talón 24 cuanto él talón toca el suelo o la superficie de soporte del suelo y la postura de la rodilla empieza a flexionar ligeramente. Esta flexión permite la absorción de los choques al impactar y también mantiene el centro de gravedad del cuerpo a un nivel vertical más constante durante la postura.

Poco después del golpe de talón 24, la suela hace contacto con el suelo al inicio de la fase de pie plano 26. Después de que se alcanza la máxima flexión en la postura de la rodilla, la articulación empieza a extenderse otra vez, hasta que se alcanza una extensión máxima a media postura 28 cuando el peso del cuerpo se mueve directamente sobre la extremidad de soporte y continúa girando sobre el pie.

A medida que la masa del cuerpo por encima del tobillo continúa girando hacia delante, el talón se eleva del suelo al levantar el talón 30. Poco después de esto, el cuerpo es impulsado hacia delante por la acción forzada de los músculos de la pantorrilla (quitar la fuerza). La fase de quitar la fuerza termina cuando todo el pie se eleva del suelo al levantar los dedos 32.

Durante la última postura, la rodilla de la pierna de soporte flexiona en preparación para elevar el pie del suelo para el movimiento. Esto está típicamente referido en la literatura como "rotura de la rodilla". En este momento, el pie adyacente golpea el suelo y el cuerpo está en "modo de doble soporte", esto es, ambas piernas sostienen el peso del cuerpo.

Al levantar los dedos 32, a medida que la cadera flexiona y la rodilla alcanza un cierto ángulo en la ruptura de la rodilla, el pie se eleva del suelo y la rodilla continúa flexionando en la fase de movimiento. Durante el movimiento inicial el pie se acelera. Después de alcanzar la máxima flexión a medio movimiento 34, la rodilla empieza a extenderse y el pie se desacelera. Después de que la rodilla ha alcanzado la extensión completa, el pie se coloca otra vez en el suelo en el golpe del talón 24'y empieza el siguiente ciclo de caminar.

Típicamente, la posición anatómica es la posición vertical, por lo tanto la flexión es un movimiento de una parte del cuerpo al alejarse de la posición extendida o postura anatómica. Por lo tanto, el doblado de la rodilla es la flexión de la rodilla. La extensión es un movimiento de un miembro hacia la posición anatómica, por lo tanto la extensión de la rodilla es un movimiento en la dirección de "enderezamiento".

Durante una progresión típica de paseo normal en una superficie generalmente nivelada, el ángulo de flexión máxima varía \alpha_{F} entre aproximadamente 70º y 80º. El ángulo de extensión máxima \alpha_{E} es típicamente aproximadamente o cercano a 180º. Por lo tanto, paseando en plano, la rodilla humana normal gira a través de una gama de aproximadamente 70º-80º partiendo desde una posición de máxima extensión en la postura primera o media hasta 70º-80º de flexión poco después de levantar los dedos. En otras situaciones, por ejemplo, en la posición sentada, el ángulo de flexión máxima \alpha_{F} puede ser aproximadamente 140º-150º.

Visión de conjunto

La figura 2 es una ilustración esquemática de un conjunto de prótesis o prótesis del miembro inferior 100 que comprende una prótesis de rodilla activa electrónicamente controlada y provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. Como se describe con mayor detalle aquí más adelante, preferiblemente, la prótesis de rodilla activa comprende un sistema de frenado magnetoreológico (MR) de momento de torsión variable 110 para proporcionar fuerzas resistentes para simular sustancialmente la posición y el movimiento de una articulación natural de rodilla durante la deambulación y otras actividades locomotoras llevadas a cabo por el amputado. En un extremo la rodilla artificial 110 está acoplada o mecánicamente unida a una glena del miembro residual 102 la cual recibe una parte residual del miembro o fémur 104 del amputado mientras el otro extremo de la prótesis de rodilla 110 está acoplada o mecánicamente unida a una pierna artificial o parte de la tibia 106 la cual a su vez está acoplada o mecánicamente unida a un pie artificial o prótesis 108.

Ventajosamente, la prótesis de la articulación de la rodilla 110 de la presente invención permite que el amputado se desplace y se adapte confortablemente y con seguridad a una amplia variedad de circunstancias. Por ejemplo, durante el paseo, al correr, al estar sentado o cuando encuentre cambios repentinos o drásticos en el entorno o en las condiciones ambientales, tales como por ejemplo cuando el usuario sube una escalera o baja una pendiente.

La prótesis de la articulación de la rodilla 110 proporciona un control de la postura para limitar la flexión lateral cuando se aplica peso al miembro. Además, la prótesis de rodilla 110 proporciona un control del movimiento aéreo de forma que la rodilla alcanza la extensión completa justo antes o en el momento del golpe del talón de una manera suave y natural. Además, la prótesis de rodilla 110, ajustando y afinando la gama y las magnitudes del nivel del momento de torsión resistente, se puede adaptar para utilizarla en una amplia variedad de pacientes que tengan diferentes pesos corporales, alturas y niveles de actividad.

Preferiblemente, la prótesis de la articulación de la rodilla 110 de la presente invención se utiliza conjuntamente en un amputado transfemoral (por encima de la rodilla, A/N). Alternativamente u opcionalmente, la prótesis de la articulación de la rodilla 110 se puede adaptar para utilizarla en un amputado de desarticulación de la rodilla (K/D) en el que la amputación está a través de la articulación de la rodilla, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una sensación sustancialmente natural y un dispositivo de prótesis seguro y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La figura 3 es un esquema simplificado de un sistema de prótesis de rodilla giratorio o freno magnetoreológico (MR) 110 de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. El accionamiento de la rodilla 110 incluye un núcleo sustancialmente central 112 sustancialmente circunscrito o envuelto por una bobina magnética o electroimán 114 y en comunicación mecánica con un par de placas o discos laterales 116, 118. Pasando una corriente variable controlada a través del electroimán 114, se crea un campo magnético variable. Preferiblemente, el núcleo 112 y las placas laterales 116, 118 están fabricadas a partir de un material ferroso magnetizable o magnético y similar. Más preferiblemente, el núcleo 112 y las placas laterales 116, 118 están fabricadas a partir de un material magnéticamente blando de una elevada densidad del flujo de saturación y alta permeabilidad magnética.

La prótesis de rodilla 110 adicionalmente incluye una pluralidad de láminas o placas interiores 120 en comunicación mecánica con una acanaladura interior 122. La acanaladura interior 122 generalmente circunscribe o envuelven al electroimán 114 y está acoplada o mecánicamente unida con las placas laterales 116, 118. Las láminas 120 preferiblemente están dispuestas concéntricamente alrededor del eje de rotación del freno 124. La acanaladura interior 122 preferiblemente puede girar alrededor del eje de rotación de la articulación de la rodilla 124 y por lo tanto también pueden hacerlo las láminas o rotores 120 y las placas laterales el núcleo 116, 118. La rotación de la acanaladura interior 122 corresponde a la rotación o al movimiento de la parte inferior (por debajo de la rodilla) de la pierna.

La prótesis de rodilla 110 también comprende una pluralidad de láminas o placas exteriores 130 en comunicación mecánica con una acanaladura exterior 132. La acanaladura exterior 132 generalmente circunscribe o envuelve la acanaladura interior 122. Las láminas 130 preferiblemente están dispuestas concéntricamente alrededor del eje de rotación del freno 124. La acanaladura exterior 132 preferiblemente puede girar alrededor del eje de rotación de la articulación de la rodilla 124 y por lo tanto también pueden hacerlo las láminas o rotores 130. La rotación de la acanaladura exterior 132 corresponde a la rotación o al movimiento de la parte superior (por encima de la rodilla) de la pierna. Preferiblemente, la acanaladura exterior o alojamiento 132 comprende medios para facilitar la conexión de la prótesis de la articulación de la rodilla 110 a una glena de muñón o similar adecuado. La acanaladura exterior 132 y por lo tanto los estatores 130 están preferiblemente acoplados sustancialmente si girar o de forma no rotatoria con respecto a la glena del muñón o miembro residual.

La pluralidad de rotores 120 y estatores 130 están intercalados de un modo alternativo y los espacios entre láminas adyacentes 120 y 130 comprenden un fluido magnetoreológico (MR) 134, el cual reside de ese modo en la cavidad o en el paso formado entre la acanaladura interior 122 y la acanaladura exterior 132. En una realización preferida, el fluido magnetoreológico 134 en los espacios o micro espacios entre rotores 120 y estatores 130 adyacentes está en la forma de películas lubricantes delgadas entre rotores 120 y estatores 130 adyacentes. La cizalladura del fluido magnetoreológico MR presente entre las placas laterales 116, 118 y los estatores adyacentes 130 también pueden contribuir a la amortiguación de la rodilla.

Durante la rotación de la articulación de la rodilla, el fluido magnetoreológico MR en la pluralidad espacios entre los rotores 120 y los estatores 130 es sometido a cizalladura para generar un momento de torsión de amortiguación para controlar la rotación del miembro. Las láminas o discos 120 y 130 están preferiblemente formados a partir de un material ferroso magnetizable o magnético y similar. Más preferiblemente, las láminas o discos 120 y 130 están formados de un material de alta permeabilidad magnética y blandura magnética como es mecánicamente práctico.

La articulación de la rodilla 110 adicionalmente incluye un par de rodamientos de bolas 126, 128 acoplados o conectados a las respectivas placas laterales 116, 118. Los rodamientos de bolas 126, 128 están adicionalmente acoplados o conectados a paredes laterales respectivas u horquillas de montaje 136, 138. Por lo tanto, se crea un acoplamiento rotatorio entre la acanaladura interior 122 y las horquillas de montaje 136, 138. Las horquillas de montaje 136, 138 en combinación con la acanaladura exterior 132 forman una carcasa exterior principal de la articulación de la rodilla 110. Preferiblemente, las paredes laterales u horquillas de montaje 136, 138 comprenden medios para facilitar la conexión de la prótesis de la articulación de la rodilla 110 a una pierna artificial adecuada, parte de la tibia o similar, como se describe más adelante.

Preferiblemente, el núcleo central 122 y el electroimán 144 también pueden girar junto con la rotación de la acanaladura interior 122, los rotores 120, las placas laterales del núcleo 116, 118 y las horquillas de montaje 136, 138. Los estatores 130 giran junto con la rotación de la acanaladura exterior 132.

Los rotores 120 están rotatoriamente fijados con relación a la acanaladura interior 122 y los estatores 130 están rotatoriamente fijados con relación a la acanaladura exterior 132. Durante las diversas etapas de locomoción o rotación de la rodilla y alrededor del eje de rotación de la rodilla 124, los rotores 120 pueden girar mientras los estatores 130 están rotacionalmente sustancialmente estacionarios o los estatores 130 pueden girar mientras los rotores 120 están rotacionalmente sustancialmente estacionarios, o ambos los rotores 120 y los estatores 130 pueden girar o estar rotacionalmente sustancialmente estacionarios. Los términos "rotor" y "estator" se utilizan para distinguir las láminas interiores 120 y las láminas exteriores 130, aunque ambos los rotores 120 y los estatores 130 pueden girar y muestran que se crea un movimiento rotatorio relativo entre los rotores 120 y los estatores 130 (con el fluido magnetoreológico estando sometido a cizalladura entre los rotores 120 y los estatores 130 adyacentes). Si se desea que, las láminas 120 puede ser referidas como los "rotores interiores" y las láminas 130 como los "rotores exteriores".

La acción del imán 114 causa que se genere o se cree un campo, circuito o trayectoria magnética 140 en el interior de la articulación de la rodilla 110. En una realización preferida, el campo magnético 140 pasa a través del núcleo central 112, radialmente sale a través de la placa lateral 118, lateralmente a través del conjunto de rotores 120 y de estatores 130 intercalados y el fluido magnetoreológico 134 y radialmente hacia dentro a través de la placa lateral 116. La parte del campo magnético 140 que pasa a través del núcleo 112 y de las placas laterales 116, 118, generalmente define la trayectoria magnética de retorno mientras el campo magnético activo o funcional está generalmente definido por la trayectoria magnética a través de los rotores 120, los estatores 130 y el fluido magnetoreológico MR 134.

El fluido magnetoreológico (MR) 134 sufre un cambio reológico o de la viscosidad el cual depende de la magnitud del campo magnético aplicado. A su vez, esta variación en la viscosidad el fluido determina la magnitud de las fuerzas y tensiones de cizalladura, el momento de torsión o la resistencia a la torsión generados y por lo tanto el nivel de amortiguación proporcionado por la prótesis de rodilla 110. Por lo tanto, controlando la magnitud de este campo magnético, se controla el movimiento rotatorio del miembro artificial, por ejemplo, para controlar la flexión y la extensión durante las fases de movimiento y de postura para proporcionar una deambulación más natural y segura al amputado.

En una realización preferida, los rotores 120 y los estatores 130 se pueden desplazar en dirección lateral 142 y, por lo tanto, bajo la influencia de un campo magnético pueden rozar contra rotores 120 y estatores 130 adyacentes con una fuerza variable determinada por la intensidad del campo magnético para crear un freno de amortiguación "híbrido" magnetoreológico y de fricción. En otra realización preferida, los rotores 120 y los estatores 130 están fijados lateralmente en una posición relativa a las acanaladuras 122 y 132 y por lo tanto el efecto de frenado sustancialmente es puramente magnetoreológico o viscoso. Alternativamente, algunos de los rotores 120 y los estatores 130 pueden estar lateralmente fijados mientras otros pueden ser lateralmente desplazables, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una sensación sustancialmente natural y un dispositivo de prótesis seguro y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí. En una realización, las placas laterales 116, 118 se pueden desplazar lateralmente y contribuyen a la amortiguación por fricción debido al contacto por fricción con estatores adyacentes 130.

Ventajosamente, funcionando en el modo de cizalladura, no existe creación de presión, o es despreciable, en el interior de la prótesis de rodilla accionada por fluido magnetoreológico MR de la presente invención. Esto elimina o reduce sustancialmente las probabilidades de fugas de fluido y el fallo de la rodilla y por lo tanto se añade deseablemente a la seguridad del dispositivo.

También ventajosamente, las múltiples superficies de cizalladura o interfaces del flujo, proporcionadas por las realizaciones preferidas de la presente invención, se comportan como un multiplicador del momento de torsión y permiten que el nivel de momento de torsión viscoso se multiplique a un valor máximo deseable sin la utilización de una transmisión adicional o bien otros componentes auxiliares. Por ejemplo, si dos interfaces del flujo pueden proporcionar un momento de torsión viscoso máximo de aproximadamente 1 N/m, entonces cuarenta interfaces de flujo serán capaces de proporcionar un momento de torsión de amortiguación viscoso de aproximadamente 40 N/m. Por el contrario, si se utiliza una transmisión de multiplicación 40:1 para incrementar el momento de torsión viscoso, como desventaja, no sólo se magnifica la inercia reflejada del sistema por un factor de aproximadamente 1600, sino que, también, se incrementan indeseablemente el peso, el tamaño y la complejidad del sistema.

Las múltiples superficies o interfaces de cizalladura de la prótesis de rodilla de las realizaciones preferidas ventajosamente también proporcionan que se consiga una amplia gama de momento de torsión dinámico lo cual permite una deambulación segura y más natural del paciente. Deseablemente, la prótesis de rodilla accionada por fluido magnetoreológico MR de las realizaciones preferidas proporciona una respuesta rápida y precisa. De nuevo, esto permite al paciente desplazarse de una manera segura y más natural.

Prótesis de rodilla accionada magnetoreológicomente

Las figuras 4 y 5 muestran una prótesis de la articulación de la rodilla rotatoriamente controlable 210 provista de las características y las ventajas de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. La prótesis de rodilla 210 genera fuerzas disipativas controlables preferiblemente sustancialmente a lo largo o alrededor del eje de rotación de la rodilla 224.

La rodilla controlada electrónicamente 210 generalmente comprende un núcleo sustancialmente central 212 en comunicación mecánica con un par de placas laterales rotatorias 216, 218, un electroimán 214, una pluralidad de láminas o rotores 220 en comunicación mecánica con una acanaladura interior rotatoria 222, una pluralidad de láminas o estatores 230 en comunicación mecánica con una acanaladura exterior rotatoria 232, un par de rodamientos de bolas 226, 228 para transferir el movimiento rotatorio a un par de paredes laterales exteriores u horquillas 236, 238. La rotación es sustancialmente alrededor del eje de rotación de la rodilla 224.

La pluralidad de rotores 220 y estatores 230 están preferiblemente intercalados de un modo alternativo y los espacios o micro espacios entre láminas adyacentes 220 y 230 comprenden películas lubricantes de un fluido magnetoreológico (MR), el cual reside de ese modo en la cavidad o el paso formado entre la acanaladura interior 222 y la acanaladura exterior 232. Esta realización preferida proporciona una articulación artificial de la rodilla controlable y fiable, la cual ventajosamente tiene una amplia gama de momento de torsión dinámico, por la cizalladura del fluido magnetoreológico MR en los múltiples espacios o interfaces del flujo entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes.

Preferiblemente, se utilizan varillas roscadas en los extremos 248 y tuercas 250 para fijar los componentes seleccionados de la prótesis de rodilla 210, permitiendo de ese modo un procedimiento de montaje y desmontaje rápido directo con un mínimo de elementos de fijación. Alternativamente, o además, se pueden utilizar eficazmente, como se requiera o se desee, otros tipos diversos de elementos de fijación, como por ejemplo, tornillos, pasadores, cierres, pinzas y similares, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una fijación segura y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Núcleo y placas laterales asociadas (trayectoria de retorno magnético)

Preferiblemente, el núcleo 212 y sus placas laterales asociadas 216, 218 están formadas de material magnéticamente blando de una densidad elevada del flujo de saturación y una elevada permeabilidad magnética. Por lo tanto, cuando el electroimán 214 es accionado se genera un campo, circuito o trayectoria magnética dentro de la articulación de la rodilla 210. En una realización preferida, el campo magnético pasa longitudinalmente (paralelo al eje de rotación 224) a través del núcleo central 212, radialmente a través de la placa lateral 218, lateralmente (paralelo a la dirección lateral 242) a través del conjunto de rotores 220 y de estatores 230 intercalados y el fluido magnetoreológico (MR) y radialmente a través de la placa lateral 216.

La orientación o colocación el electroimán 214 y la dirección del flujo de corriente a través del mismo determinada la polaridad del campo magnético y por lo tanto determinar si el campo magnético pasa radialmente hacia dentro o hacia fuera a través de la placa lateral 218 y por consiguiente en la dirección correspondientemente opuesta a través de la placa 216. La parte del campo magnético que pasa a través del núcleo 212 y las placas laterales 216, 218 generalmente define la trayectoria de retorno magnético mientras el campo magnético activo o funcional está generalmente definido por la trayectoria magnética a través de los rotores 220, los estatores 230 y el fluido magnetoreológico MR que reside entre ellos.

Las figuras 6-8 muestran una realización preferida del núcleo 212 de la articulación de la rodilla 210. El núcleo 212 es preferiblemente generalmente cilíndrico de forma y comprende un par de partes cilíndricas 252, 254 con la parte del núcleo 252 provista de un diámetro mayor que aquél de la parte del núcleo 254. La parte del núcleo 252 está dimensionada y configurada para acoplar coincidentemente una cavidad correspondiente del la placa lateral del núcleo 216 mientras la parte del núcleo 254 está dimensionada y configurada para acoplar coincidentemente una cavidad correspondiente de la placa lateral del núcleo 218. Por lo tanto, el núcleo 212 gira cuando giran las placas laterales del núcleo 216, 218. En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212 puede estar dimensionado, conformado y configurado de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

El núcleo 212 está preferiblemente fabricado a partir de un material provisto de una elevada densidad del flujo de saturación, una elevada permeabilidad magnética y una baja coercividad. Ventajosamente, esto facilita la construcción de una rodilla artificial o freno que sea compacta y de peso ligero y también resistente. En una realización preferida, el núcleo 212 comprende una unidad integral. En otra realización preferida, el núcleo 212 está formado de hojas laminadas para reducir o minimizar ventajosamente las pérdidas por corrientes parásitas.

Preferiblemente, el núcleo 212 comprende una aleación de elevada saturación magnética de hierro-cobalto (FeCo). En una realización preferida, el núcleo 212 comprende la aleación de elevada saturación magnética de hierro cobalto, aleación ASTM A-801 Tipo 1, la cual especifica una composición con aproximadamente el 50% de cobalto. Por ejemplo, el núcleo 212 puede comprender la aleación Hiperco Alloy 50®, Permendur V^{TM} o Vanadium Pemendur, disponibles a partir de Principal Metals o Vacoflux 50, disponible a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania. En todavía otra realización preferida, el núcleo 212 comprende un porcentaje inferior de cobalto, por ejemplo, de aproximadamente el 17%, disponible como Vacoflux 17, a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania. En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212 puede estar eficazmente fabricado a partir de materiales alternativos de una elevada saturación magnética, una elevada permeabilidad magnética y una baja coercividad, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una prótesis de la articulación de la rodilla adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, el material que comprende el núcleo 212 tiene una densidad del flujo de saturación de aproximadamente 2,2 Tesla. Una elevada densidad del flujo de saturación de este tipo es deseable porque permite un diseño compacto y de peso ligero. Por ejemplo, si se utiliza un material provisto de una densidad inferior del flujo de saturación, el área de la sección transversal de la trayectoria de retorno a través del núcleo 212 en la dirección del campo magnético aplicado se deberá incrementar para conseguir el mismo momento de torsión máximo y la misma gama de momento de torsión dinámico. En otras realizaciones preferidas, la densidad del flujo de saturación del núcleo puede ser mayor o menor, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una prótesis de la articulación de la rodilla adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, el núcleo 212 está formado por mecanizado seguido por un tratamiento térmico en una atmósfera de hidrógeno para conseguir unas propiedades magnéticas óptimas. En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212 puede estar eficazmente fabricado a partir de otras técnicas, como por ejemplo, fundición, forjado, moldeado, laminado, entre otros, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar las propiedades magnéticas deseadas y una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 7, el núcleo 212 está dimensionado y configurado de tal forma que la longitud L_{71} es aproximadamente 3,076 cm (1,211 pulgadas), la longitud L_{72} es aproximadamente 0,61 cm (0,240 pulgadas) y el diámetro D_{71} es aproximadamente 1,728 cm (0,6805 pulgadas) y el diámetro D_{72} es aproximadamente 1,424 cm (0,5605 pulgadas). En otra realización preferida el diámetro D_{71} y el diámetro D_{72} es aproximadamente 1,91 cm (0,750 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212 puede estar dimensionado y configurado de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 9-12 presentan una realización preferida de la placa lateral del núcleo o disco 216 de la prótesis de la articulación de la rodilla 210. La placa lateral 216 es preferiblemente generalmente de forma circular y comprende una cavidad circular sustancialmente central o agujero pasante 256 para acoplar coincidentemente el extremo libre de la parte del núcleo 252. Preferiblemente, esta fijación de coincidencia se hace a través de un ajuste con interferencia. Alternativamente, se pueden utilizar eficazmente otras formas adecuadas para la placa lateral 216 y la cavidad 256, como se requiera o se desee.

En una realización preferida, la otra placa lateral del núcleo o disco 218 está dimensionada, conformada y configurada sustancialmente de la misma manera que la placa lateral 216 de las figuras 9-12, excepto en que la cavidad circular sustancialmente central de la placa lateral del núcleo 218 está dimensionada, conformada y configurada para acoplar coincidentemente la parte del núcleo 254, preferiblemente a través de un ajuste de interferencia. Por lo tanto, con fines de claridad y brevedad en la descripción se entenderá que una descripción detallada de la placa lateral del núcleo 216 será suficiente e incorporará la mayor parte de las características correspondientes de la placa lateral del núcleo 218.

Preferiblemente, la placa lateral 216 comprende una pluralidad de agujeros pasantes aproximadamente equidistantemente separados 258 dispuestos en una forma generalmente circular para recibir varillas o espárragos roscados en los extremos y similares para fijar los diversos componentes de la prótesis de rodilla 210. En una realización preferida, la placa lateral 216 comprende cinco agujeros 258. En otra realización preferida, la placa lateral 216 comprende tres agujeros 258. Alternativamente, pueden estar provistos menos o más agujeros 258 dispuestos de otras formas, como se requiera o se desee.

La placa lateral del núcleo 216 preferiblemente comprende una ranura circular 260 para recibir un anillo tórico 262 (figura 4,) una junta de labio u obturador y similar. Esto proporciona una junta hermética dinámica entre la placa lateral rotatoria a 216 y la superficie interior de la acanaladura exterior giratoria 232 y evita la fuga de fluido magnetoreológico MR de la rodilla 210. La otra placa lateral 218 está configurada igualmente para recibir un anillo tórico 262 (figura 4) y proporcionar una junta dinámica. En una realización preferida alternativa, están provistas dos ranuras o rebordes en la superficie interior de la acanaladura exterior 232 para recibir anillos tóricos o similares y proporcionar una junta hermética dinámica entre las placas laterales del núcleo 216, 218 y la acanaladura exterior 232.

Los anillos tóricos 262 están fabricados a partir de un material de caucho adecuado o similar como por ejemplo Viton, Teflón y Neopreno, entre otros. En una realización preferida, los anillos tóricos 262 tienen un diámetro interior de aproximadamente 50 mm y una anchura de aproximadamente 1,5 mm. En otras realizaciones preferidas, las juntas herméticas dinámicas pueden estar dimensionadas y configuradas de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar juntas fiables y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La superficie interior de la placa lateral del núcleo 216 preferiblemente tiene un resalte generalmente circular o escalón 264 para alinearlo o colocarlo con la acanaladura interior 222 (figura 4). La superficie exterior de la placa del núcleo 216 preferiblemente tiene un resalte o escalón generalmente en forma de anillo 266 para alinearlo y colocarlo con la horquilla exterior 236 (figura 4). Opcionalmente, el escalón 266 puede incluir un corte 268 para permitir un espacio de juego para cables o hilos eléctricos. Otros agujeros alrededor de la cavidad central 256 pueden estar provistos para el paso de cables o hilos eléctricos. Preferiblemente, la superficie exterior de la placa lateral del núcleo 216 incluye una parte cónica 270. Esto reduce ventajosamente el peso, ahorra material y proporciona también espacio de juego para facilitar el montaje.

La placa lateral del núcleo 216 está preferiblemente fabricada a partir de un material provisto de una elevada densidad del flujo de saturación, una elevada permeabilidad magnética y una baja coercividad. Ventajosamente, esto facilita la construcción de una rodilla artificial o freno que sea compacta y de peso ligero y también resistente. En una realización preferida, la placa del núcleo 216 comprende una unidad integral. En otra realización preferida, la placa del núcleo 216 está formada de hojas laminadas para reducir o minimizar ventajosamente las pérdidas por corrientes parásitas.

Preferiblemente, la placa del núcleo 216 comprende una aleación de elevada saturación magnética de hierro-cobalto (FeCo). En una realización preferida, la placa del núcleo 216 comprende la aleación de elevada saturación magnética de hierro cobalto (aleación ASTM A-801 Tipo 1), la cual especifica una composición con aproximadamente el 50% de cobalto. Por ejemplo, el núcleo 212 puede comprender la aleación Hiperco Alloy 50®, Permendur V^{TM} o Vanadium Pemendur, disponibles a partir de Principal Metals o Vacoflux 50, disponible a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania. En todavía otra realización preferida, la placa del núcleo 216 comprende un porcentaje inferior de cobalto, por ejemplo, aproximadamente el 17%, disponible como Vacoflux 17, a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania. En otras realizaciones preferidas, la placa del núcleo 216 puede estar eficazmente fabricada a partir de materiales magnéticos blandos alternativos, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una prótesis de la articulación de la rodilla adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, el material que comprende la placa del núcleo 216 tiene una densidad del flujo de saturación de aproximadamente 2,2 Tesla. Una elevada densidad del flujo de saturación de este tipo es deseable porque permite un diseño compacto y de peso ligero. Por ejemplo, si se utiliza un material provisto de una densidad inferior del flujo de saturación, el área de la sección transversal de la trayectoria de retorno a través de la placa del núcleo 216 en la dirección del campo magnético aplicado se deberá incrementar para conseguir la misma gama de momento de torsión dinámico. En otras realizaciones preferidas, la densidad del flujo de saturación de la placa lateral del núcleo puede ser mayor o menor, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una prótesis de la articulación de la rodilla adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, la placa lateral del núcleo 216 está formada por mecanizado seguido por un tratamiento térmico en una atmósfera de hidrógeno para conseguir unas propiedades magnéticas óptimas. En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 216 puede estar eficazmente fabricada a partir de otras técnicas, como por ejemplo, fundición, forjado, moldeado, laminado, entre otros, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar las propiedades magnéticas deseadas y una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 9, la placa lateral del núcleo 216 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro mayor D_{91} es aproximadamente 5,240 cm (2,063 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{92} es aproximadamente 2,845 cm (1,120 pulgadas), el diámetro D_{93} es aproximadamente 1,727 cm (0,6800 pulgadas) y el diámetro D_{94} es aproximadamente 2,82 mm (0,111 pulgadas). El diámetro D_{93} preferiblemente se escoge para proporcionar un ajuste de interferencia entre la cavidad central 256 de la placa lateral 216 y el extremo libre de la parte del núcleo 252. En otra realización preferida el diámetro D_{93} de la cavidad central 256 es aproximadamente 1,91 cm (0,750 pulgadas). La correspondiente cavidad central de la otra placa lateral del núcleo 218 tiene un diámetro el cual preferiblemente se escoge para proporcionar un ajuste de interferencia con el extremo libre de la parte del núcleo 254. En otras realizaciones preferidas, las placas laterales del núcleo 216, 218 se pueden dimensionar y configurar de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 10, la placa lateral del núcleo 216 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro D_{101} es aproximadamente 2,43 cm (0,958 pulgadas), el diámetro D_{102} es aproximadamente 2,29 cm (0,900 pulgadas) y la anchura W_{101} es aproximadamente 3,3 mm (0,13 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 216 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 11, la placa lateral del núcleo 216 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro D_{111} es aproximadamente 5,011 cm (1,973 pulgadas), el diámetro D_{112} es aproximadamente 4,801 cm (1,890 pulgadas), el diámetro D_{113} es aproximadamente 2,461 cm (0,969 pulgadas), el diámetro D_{114} es aproximadamente 3,56 cm (1,40 pulgadas), la anchura W_{111} es aproximadamente 5,59 mm (0,220 pulgadas), la anchura W_{112} es aproximadamente 0,508 mm (0,020 pulgadas), la anchura W_{113} es aproximadamente 1,27 mm (0,050 pulgadas) y el ángulo \theta_{111} es aproximadamente en 135º. En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 216 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 12, la placa lateral del núcleo 216 está dimensionada y configurada de tal forma que la longitud L_{121} es aproximadamente 1,14 mm (0,045 pulgadas), la anchura W_{121} es aproximadamente 2,79 mm (0,110 pulgadas), la anchura W_{122} es aproximadamente 1,52 mm (0,060 pulgadas), la anchura W_{123} es aproximadamente 0,64 mm (0,025 pulgadas), la anchura W_{124} es aproximadamente 0,97 mm (0,038 pulgadas), el radio de curvatura R_{121} es desde aproximadamente 0,254 mm (0,010 pulgadas) hasta aproximadamente en 0,127 mm (0,005 pulgadas) y el radio de curvatura R_{122} es aproximadamente 3,81 mm (0,15 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 216 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las placas laterales del núcleo 216, 218 están en comunicación mecánica con el par de rodamientos respectivos 226, 228 (figura 4) para transferir el movimiento rotatorio desde la acanaladura interior 222 (y por lo tanto los rotores 220) al par de horquillas exteriores respectivas 236, 238 las cuales a su vez están mecánicamente unidas a una parte de la pierna artificial o prótesis de espinilla. Se puede utilizar cualquiera de una serie de rodamientos adecuados como es conocido en la técnica. En una realización preferida, los rodamientos 226, 228 comprenden rodamientos de bolas AST P/N B544DDXA disponibles a partir de The Torrington Company de Torrington, Connecticut.

El electroimán o bobina magnética 214 (figura 4) generalmente circunscribe el núcleo 212 y preferiblemente está en comunicación mecánica con el núcleo 212 y las placas laterales del núcleo 216, 218 de forma que el electroimán 214 gira junto con la rotación del núcleo 212 y las placas laterales del núcleo 216, 218. El núcleo 212 generalmente comprende un carrete con un devanado o bobina. El número de vueltas o arrollamientos del devanado se optimiza. En una realización preferida, el devanado comprende 340 vueltas o arrollamientos. En otras realizaciones preferidas se pueden utilizar menos o más vueltas o arrollamientos con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de optimizar el comportamiento y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

El devanado del electroimán 24 preferiblemente comprende un hilo magnético de cobre de galga AWG 30. En otras realizaciones preferidas, el devanado puede comprender otros tipos de materiales con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de optimizar el comportamiento y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 13 y 14 muestran una realización preferida de un núcleo 212' provisto de una placa lateral del núcleo integralmente formada 218' para utilizarla conjuntamente con la articulación de la rodilla accionada por un fluido magnetoreológico MR de la presente invención. Si se desea, ambas placas laterales del núcleo pueden estar integralmente formadas con el núcleo 212'. La realización de las figuras 13-14 tiene diversas características las cuales ya han sido descritas antes. Por lo tanto, con el fin de claridad y brevedad de la descripción se entenderá que una descripción limitada de esta realización, como se establece más adelante, es suficiente.

La placa lateral 218' comprende un par de agujeros 272 los cuales permiten el paso de cables o hilos eléctricos. El extremo del núcleo 218' tiene una parte periférica cónica 274. Este cono 274 facilita el acoplamiento coincidente de la otra placa lateral 216 a través de un ajuste con interferencia.

En una realización preferida y con referencia en particular a la figura 13, el núcleo 212' y la placa lateral del núcleo 218' están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro mayor D_{131} es aproximadamente 5,240 cm (2,063 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{132} es aproximadamente 2,845 cm (1,120 pulgadas), el diámetro D_{133} es aproximadamente 2,46 cm (0,969 pulgadas), el diámetro D_{134} es aproximadamente 2,82 mm (0,111 pulgadas), el diámetro D_{135} es aproximadamente 1,78 mm (0,070 pulgadas), la longitud L_{131} es aproximadamente 11,2 mm (0,440 pulgadas) y la longitud L_{132} es aproximadamente 0,98 mm (0,385 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212' y la placa lateral del núcleo 218 se pueden dimensionar y configurar de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 14, el núcleo 212' y la placa lateral del núcleo 218' están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro D_{141} es aproximadamente 4,801 cm (1,890 pulgadas), el diámetro D_{142} es aproximadamente 2,461 cm (0,969 pulgadas), el diámetro D_{143} es aproximadamente 1,728 cm (0,6805 pulgadas), el diámetro D_{144} es aproximadamente 3,56 cm (1,40 pulgadas), el diámetro D_{145} es aproximadamente 2,43 cm (0,958 pulgadas), el diámetro D_{146} es aproximadamente 2,16 cm (0,849 pulgadas), la anchura W_{141} es aproximadamente 5,59 mm (0,220 pulgadas), la anchura W_{142} es aproximadamente 0,508 mm (0,020 pulgadas), la anchura W_{143} es aproximadamente 1,27 mm (0,050 pulgadas), la anchura W_{144} es aproximadamente 2,52 mm (0,991 pulgadas), el ángulo \theta_{141} es aproximadamente 135º y la parte cónica 274 tiene una longitud de aproximadamente 0,508 mm (0,02 pulgadas) a un ángulo de aproximadamente 45º. En otra realización preferida, el diámetro D_{143} es aproximadamente 1,91 cm (0,750 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, el núcleo 212' y la placa lateral del núcleo 218' se pueden dimensionar y configurar de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Acanaladura interior

Las figuras 15-17 muestran una realización preferida de la acanaladura interior 222 de la prótesis de la articulación de la rodilla 210. La acanaladura interior 222 es preferiblemente globalmente cilíndrica de forma y comprende una cavidad cilíndrica sustancialmente central o agujero pasante 276 para recibir el electroimán o la bobina magnética 214 (figura 4). Alternativamente, se pueden utilizar eficazmente otras formas adecuadas de la acanaladura interior 222 y la cavidad 276, como se requiera o se desee.

Preferiblemente, la acanaladura interior 222 comprende una pluralidad de agujeros pasantes longitudinales separados aproximadamente equidistantemente 278 dispuestos de un modo generalmente circular para recibir varillas o espárragos roscados en los extremos y similares para fijar los componentes seleccionados de la prótesis de rodilla 210, como por ejemplo las placas laterales del núcleo 216, 218 y la acanaladura interior 222. Estos agujeros 278 están generalmente alineados con agujeros correspondientes 258 de las placas laterales del núcleo 216, 218. En una realización preferida, la acanaladura interior 222 comprende cinco agujeros 278. En otra realización preferida, la acanaladura interior 222 comprende tres agujeros 278. Alternativamente, pueden estar provistos menos o más agujeros 278 dispuestos de otros modos, como se requiera o se desee.

La acanaladura interior 222 preferiblemente comprende una ranura circular 260 en cada extremo para recibir los respectivos anillos tóricos 282 (figura 4) o juntas y similares. Esto proporciona una junta hermética estática entre la acanaladura interior 222 y las placas laterales 216, 218, puesto que estos componentes giran juntos durante la rotación de la rodilla y evita las fugas del fluido magnetoreológico MR de la rodilla 210. En una realización alternativa preferida, está provista la respectiva ranura o reborde en las superficies interiores de cada una o de ambas placas 216, 218 para recibir anillos tóricos o similares y proporcionar una junta hermética estática.

Los anillos tóricos 282 están fabricados a partir de un material de caucho adecuado o similar, como por ejemplo Viton, Teflón y Neopreno, entre otros. En una realización preferida, los anillos tóricos 282 tienen un diámetro interior de aproximadamente 30,5 mm (1,201 pulgadas) y una anchura de aproximadamente 0,76 mm (0,030 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, las juntas herméticas estáticas se pueden dimensionar y configurar de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar juntas herméticas fiables y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La superficie exterior de la acanaladura interior 222 preferiblemente tiene una pluralidad de ranuras longitudinales separadas aproximadamente equidistantemente 284 las cuales están adaptadas para acoplar los correspondientes dientes de los rotores 220. En una realización preferida, las ranuras 284 son generalmente de forma semicircular. En otra realización preferida, las ranuras 284 son generalmente de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas. En otras realizaciones preferidas, las ranuras 284 pueden estar eficazmente conformadas y configuradas de maneras alternativas, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una transmisión de la carga fiable desde los rotores 220 a la acanaladura interior 222 y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La acanaladura interior 222 está preferiblemente fabricada a partir de titanio o de una aleación de titanio y más preferiblemente a partir de una aleación de titanio 6AL 4V. Ventajosamente, la utilización de titanio o de aleaciones de titanio proporciona una permeabilidad magnética cerca del cero y todavía una superficie resistente, dura, con un peso bajo para acoplar los rotores y transmitir el momento de torsión desde ellos. Un beneficio adicional es que la elevada resistividad del material (titanio o aleación de titanio) reduce las pérdidas de energía debidas a las corrientes parásitas inducidas. En otras realizaciones preferidas, la acanaladura interior 222 puede estar eficazmente fabricada a partir de otros metales, aleaciones, plásticos, cerámicas entre otros, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una acanaladura interior 222 de permeabilidad magnética cerca del cero y una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, la acanaladura interior 222 está formada por mecanizado. En otras realizaciones preferidas, la acanaladura interior 222 puede estar eficazmente fabricada a partir de otras técnicas, por ejemplo, fundición, forja, moldeado, entre otras, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 15, la acanaladura interior 222 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro mayor del círculo ciego D_{151} es aproximadamente 3,673 cm (1,446 pulgadas), el diámetro D_{152} es aproximadamente 3,119 cm (1,228 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{153} es aproximadamente 2,845 cm (1,120 pulgadas), el diámetro del agujero D_{154} es aproximadamente 2,49 mm (0,098 pulgadas), el diámetro de la curvatura de la ranura D_{155} es aproximadamente 3,18 mm (0,125 pulgadas), el ángulo \theta_{151} es típicamente aproximadamente 15º y el ángulo \theta_{152} es típicamente aproximadamente 7,5º. En otras realizaciones preferidas, la acanaladura interior 222 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 16 y 17, la acanaladura interior 222 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro mayor D_{161} es aproximadamente 3,632 cm (1,430 pulgadas), el diámetro D_{162} es aproximadamente 2,464 cm (0,970 pulgadas), la longitud L_{163} es aproximadamente 1,96 cm (0,771 pulgadas), la profundidad DT_{171} es aproximadamente 0,51 mm (0,020 pulgadas), la anchura W_{171} es aproximadamente 1,02 mm (0,040 pulgadas) y el radio de curvatura R_{171} está entre aproximadamente 0,127 mm (0,005 pulgadas) y 0,254 mm (0,010 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la acanaladura interior 222 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Rotores y estatores

Las figuras 18-19 muestran una realización preferida de uno de los rotores o láminas interiores 220 de la prótesis de la articulación de la rodilla 210. Los rotores 220 giran con la rotación de la acanaladura interior 222. El rotor delgado preferiblemente anular o en forma de anillo 220 es generalmente de forma circular y comprende una cavidad sustancialmente central o agujero pasante 286 provisto de una pluralidad de dientes que se extienden hacia dentro 288 adaptados para acoplar o casar con las ranuras de la acanaladura interior 284 (figura 15). Alternativamente, los rotores 220 pueden estar eficazmente conformados de otras maneras, como se requiera o se desee.

En una realización preferida, los dientes 288 son generalmente de forma semicircular. En otra realización preferida, los dientes 288 son generalmente de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas. En otras realizaciones preferidas, los dientes 288 pueden estar eficazmente conformados y configurados de maneras alternativas, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una transmisión de la carga fiable desde los rotores 220 a la acanaladura interior 222 y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Los rotores 220 están preferiblemente fabricados a partir de un material magnéticamente blando o similar el cual es mecánicamente duro para mejorar la durabilidad y minimizar el desgaste. En una realización preferida, los rotores 220 están fabricados a partir de acero templado al calor azul. En otra realización preferida, los rotores 220 están fabricados a partir de acero de silicio de grano no orientado (acero eléctrico). En otras realizaciones preferidas, los rotores 220 pueden estar fabricados a partir de materiales magnéticamente blandos alternativos o similares con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar rotores 220 duraderos y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, los rotores 220 están fabricados a partir de un material de permeabilidad magnética de moderada a alta, baja o cero coercividad y densidad de flujo de saturación excediendo de aquella del fluido magnetoreológico 134 (figura 3). Ventajosamente, esto permite un diseño compacto de peso ligero que requiere menos disipación de potencia en el electroimán 214.

En una realización preferida, los rotores 220 están formados mediante mecanizado electroerosivo (EDM). Ventajosamente, esto permite un alto grado de precisión de fabricación y evita o disminuye cualquier huelgo, vibración o juego entre los rotores 220 y la acanaladura interior 222 lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente. En otra realización preferida, los rotores 220 están formados mediante técnicas de estampación. En otras realizaciones preferidas, los rotores 220 pueden estar fabricados utilizando técnicas alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una deambulación natural y segura al paciente y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida de la invención los rotores 220 están fijados lateralmente en posición con relación a la acanaladura interior 222. Esto es, no son desplazables en la dirección 242 (figura 4) a lo largo del eje longitudinal del freno 224 (figura 4). Para esta realización, los rotores 220 pueden estar fijados a la acanaladura interior 222 inyectando resina, cola o similar a lo largo de los acoplamientos de los dientes, soldadura con láser de los rotores 220 a la acanaladura interior 222, contracción o ajuste térmico de los rotores 220 a la acanaladura interior 222, pegado de los rotores 220 a la acanaladura interior 222, o sujeción de los rotores 220 a la acanaladura interior 222, entre otras técnicas. Ventajosamente, esto también elimina o mitiga el huelgo, la vibración o el juego entre los rotores 220 y la acanaladura interior 222 lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 18-19, los rotores 220 están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro mayor D_{181} es aproximadamente 4,80 cm (1,890 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{182} es aproximadamente 3,678 cm (1,448 pulgadas), el diámetro D_{183} es aproximadamente 3,678 cm (1,448 pulgadas), el radio de curvatura del diente R_{181} es típicamente aproximadamente 1,57 mm (0,062 pulgadas), el ángulo \theta_{181} es típicamente aproximadamente 15º y el grosor del rotor T_{191} es aproximadamente 0,203 mm (0,008 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, los rotores 220 puede estar dimensionados y configurados de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 20-21 muestran una realización preferida de uno de los estatores o láminas exteriores 230 de la prótesis de la articulación de la rodilla 210. Los estatores 230 giran con la rotación de la acanaladura exterior 232. El estator delgado preferiblemente anular o en forma de anillo 230 es generalmente de forma circular y comprende una cavidad sustancialmente central o agujero pasante 290 adaptado para recibir sin contacto la acanaladura interior 222 y una pluralidad de dientes que se extienden hacia fuera 292 en la periferia exterior del estator los cuales están adaptados para acoplar o casar con las ranuras de la acanaladura exterior 232. Alternativamente, los estatores 230 pueden estar eficazmente conformados de otras maneras, como se requiera o se desee.

En una realización preferida, los dientes 292 son generalmente de forma semicircular. En otra realización preferida, los dientes 292 son generalmente de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas. En otras realizaciones preferidas, los dientes 292 pueden estar eficazmente conformados y configurados de maneras alternativas, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar un acoplamiento fiable entre los estatores 230 a la acanaladura exterior 232 y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Los estatores 230 están preferiblemente fabricados a partir de un material magnéticamente blando o similar el cual es mecánicamente duro para mejorar la durabilidad y minimizar el desgaste. En una realización preferida, los estatores 230 están fabricados a partir de acero templado al calor azul. En otra realización preferida, los estatores 230 están fabricados a partir de acero de silicio de grano no orientado (acero eléctrico). En otras realizaciones preferidas, los estatores 230 pueden estar fabricados a partir de materiales magnéticamente blandos alternativos o similares con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar estatores 230 duraderos y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, los estatores 230 están fabricados a partir de un material de permeabilidad magnética de moderada a alta, baja o cero coercividad y densidad de flujo de saturación excediendo de aquella del fluido magnetoreológico 134 (figura 3). Ventajosamente, esto permite un diseño compacto de peso ligero que requiere menos disipación de potencia en el electroimán 214.

En una realización preferida, los estatores 230 están formados mediante mecanizado electroerosivo (EDM). Ventajosamente, esto permite un alto grado de precisión de fabricación y evita o disminuye cualquier huelgo, vibración o juego entre los estatores 230 y la acanaladura exterior 232 lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente. En otra realización preferida, los estatores 230 están formados mediante técnicas de estampación. En otras realizaciones preferidas, los estatores 230 pueden estar fabricados utilizando técnicas alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una deambulación natural y segura al paciente y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida de la invención los estatores 230 están fijados lateralmente en posición con relación a la acanaladura exterior 232. Esto es, no son desplazables en la dirección 242 (figura 4) a lo largo del eje longitudinal del freno 224 (figura 4). Para esta realización, los estatores 230 pueden estar fijados a la acanaladura exterior 232 inyectando resina, cola o similar a lo largo de los acoplamientos de los dientes, soldadura con láser de los estatores 230 a la acanaladura exterior 232, contracción o ajuste térmico de los estatores 230 a la acanaladura exterior 232, pegado de los estatores 230 a la acanaladura exterior 232, o sujeción de los estatores 230 a la acanaladura exterior 232 entre otras técnicas. Ventajosamente, esto también elimina o mitiga el huelgo, la vibración o el juego entre los estatores 230 y la acanaladura exterior 232 lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 20-21, los estatores 230 están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro D_{201} es aproximadamente 4,811 cm (1,894 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{202} es aproximadamente 4,811 cm (1,894 pulgadas), el diámetro D_{203} es aproximadamente 3,683 cm (1,450 pulgadas), el diámetro de curvatura del diente D_{204} es típicamente aproximadamente 0,318 mm (0,125 pulgadas), el ángulo \theta_{201} es típicamente aproximadamente 15º y el grosor del estator T_{211} es aproximadamente 0,203 mm (0,008 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, los estatores 230 puede estar dimensionados y configurados de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, los rotores 220 y los estatores 230 pueden deslizar o se pueden desplazar en dirección lateral 242 (figura 4) a lo largo de la rodilla o del eje longitudinal del freno 224 (figura 4). Por lo tanto, cuando un campo magnético pasa a través de la pila de rotores 220 y de estatores 230 en una dirección sustancialmente perpendicular a las superficies de ambos, de cada rotor y de cada estator, se desarrolla una amortiguación por fricción y una amortiguación magnetoreológica MR en respuesta al campo aplicado. La amortiguación por fricción es el resultado del roce de las superficies del rotor contra o en contacto mecánico con las superficies del estator adyacente. La amortiguación por fricción aumenta al incrementar la intensidad del campo porque los rotores 220 y los estatores 230 magnetizados se atraen unos a otros y aumenta la fuerza normal (en la dirección del eje longitudinal 224) entre los rotores 220 y los estatores 230 adyacentes. Esto crea un mecanismo de frenado de amortiguación por fricción y magnetoreológico (viscoso) "híbrido" en el cual funciona la prótesis de rodilla 210 de la presente invención.

En una realización preferida, la componente de fricción rotor-estator contribuye aproximadamente con el 10% o menos en el momento de torsión total de la rodilla. En otras realizaciones preferidas, la componente de fricción puede contribuir eficazmente más o menos al momento total de torsión de la rodilla, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una amplia gama de momento de torsión dinámico y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, el freno de la prótesis de rodilla de la presente invención está configurado de tal forma que una o ambas de las placas laterales del núcleo 216 y 218 puedan deslizar o sean desplazables en la dirección lateral 242 a lo largo de la rodilla o del eje longitudinal del freno 224 y por lo tanto pueden contribuir a la amortiguación por fricción. Preferiblemente, cada placa lateral del núcleo 216 o 218 crea una componente de fricción que contribuye aproximadamente con el 20% o menos en el que momento de torsión total de la rodilla. En otras realizaciones preferidas, la componente de fricción puede contribuir eficazmente más o menos en el momento de torsión total de la rodilla, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una amplia gama de momento de torsión dinámico y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, los rotores 220 y los estatores 230 están rígidamente fijados lateralmente (en la dirección 242) o fijados en una posición relativa con respecto a las acanaladuras 222 y 232 y por lo tanto el efecto de frenado es sustancialmente puramente magnetoreológico. Por lo tanto, a medida que aumenta la intensidad del campo magnético, la fuerza normal entre las superficies adyacentes del rotor y del estator se mantiene a cero o sustancialmente cero y la amortiguación por fricción no contribuye en el momento de torsión total de la rodilla. Ventajosamente, esto mejora la vida a la fatiga del freno puesto que se elimina o se reduce el posible desgaste por fricción.

Alternativamente, algunos de los rotores 220 y de los estatores 230 pueden estar lateralmente fijados mientras otros pueden ser lateralmente desplazables, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar un dispositivo de prótesis con una sensación sustancialmente natural y seguro y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la prótesis de rodilla 210 de la presente invención comprende cuarenta rotores 220 y cuarenta y uno estatores 230 intercalados de un modo alternativo. Esto resulta en cuarenta interfaces de flujo o espacios de fluido en los cuales reside el fluido magnetoreológico (MR). En otra realización preferida, el número de rotores 220 es aproximadamente en de diez a cien, el número de estatores 230 es aproximadamente de once a ciento uno de forma que el número de interfaces del fluido magnetoreológico MR con el rotor que producen el frenado en la presencia de un campo magnético es el doble del número de rotores. En todavía otra realización preferida, el número de rotores 220 está en la gama de uno a cien. En una realización preferida adicional, el número de estatores 230 está en la gama de uno a cien. En otras realizaciones preferidas, el número de rotores 220, estatores 230 e interfaces de flujo se pueden seleccionar alternativamente con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una amplia gama de momento de torsión dinámico y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Ventajosamente, la carga de deformación remanente inducida o el momento de torsión viscoso es proporcional al área de solapamiento entre un par de rotor-estator multiplicado por el doble del número de rotores (el número de interfaces de fluido magnetoreológico MR con rotores que producen el momento de torsión de frenado en la presencia de un campo magnético). Esto deseablemente permite que el momento de torsión viscoso o la carga de deformación remanente aumente o disminuya seleccionando o determinando previamente el número de rotores 220 y estatores 230 y el área de la superficie de solapamiento o de acoplamiento entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes. Otra ventaja es que esto permite controlar el tamaño global, esto es el tamaño radial y el tamaño lateral de la prótesis de rodilla 210 accionada por fluido magnetoreológico MR. Por ejemplo, la configuración global de la rodilla puede ser radialmente mayor y lateralmente más delgada proporcionando la misma gama de momento de torsión viscoso mediante la selección apropiada del número de interfaces de flujo y del área de solapamiento de las superficies de cizalladura.

Es deseable minimizar el espacio del fluido magnetoreológico MR entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes porque la potencia necesaria para saturar el espacio total del fluido magnetoreológico MR es una función que depende en gran medida del tamaño del espacio. Por lo tanto, ventajosamente, un tamaño menor del espacio hace el freno accionado por fluido magnetoreológico MR 210 más eficaz y reduce el consumo de potencia.

Preferiblemente, el tamaño del espacio del fluido magnetoreológico MR también se selecciona de forma que en ausencia de un campo magnético aplicado sólo esté presente la fuerza de amortiguación viscosa o la componente del momento de torsión a partir de la cizalladura del fluido magnetoreológico MR entre las superficies adyacentes del rotor y del estator. Esto es, no existe componente de momento de torsión por fricción entre los rotores 220 y los estatores 230 bajo condiciones de campo cero.

De acuerdo con ello, en una realización preferida, la potencia requerida para saturar el fluido magnetoreológico MR se reduce y la gama dinámica de la rodilla se mejora haciendo mínimo el tamaño del espacio del fluido magnetoreológico MR. En esta realización, el espacio no se reduce demasiado de forma que, bajo condiciones de campo cero, actúe una fuerza normal entre las superficies adyacentes del rotor y del estator, causando un roce por fricción. La ausencia de fricción entre rotores y estatores permite que la articulación de la rodilla se mueva libremente, proporcionando de ese modo una gama dinámica más amplia. Como indicación, la amortiguación viscosa en campo cero no incrementa significativamente con la reducción del espacio del fluido porque el fluido magnetoreológico MR presenta una propiedad conocida como disminución de la velocidad de cizalladura en la cual la viscosidad del fluido disminuye con el incremento de la velocidad de cizalladura.

En una realización preferida, el tamaño del espacio del fluido magnetoreológico MR o la anchura entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes es aproximadamente 40 micras (\mum) o inferior. En otra realización preferida, el tamaño del espacio del fluido magnetoreológico MR o la anchura entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes está en la gama de desde aproximadamente 10 \mum hasta aproximadamente 100 \mum. En otras realizaciones preferidas, el tamaño del espacio del fluido magnetoreológico MR puede estar alternativamente dimensionado y configurado con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una prótesis de rodilla 210 con rendimiento de energía provista de una amplia gama de momento de torsión dinámico y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la prótesis de rodilla de la invención comprende un único estator o lámina 230 acoplado a la acanaladura exterior 232 y no tiene rotores o láminas 230. Por lo tanto, se crean dos espacios de fluido magnetoreológico MR entre la lámina 230 y las placas laterales del núcleo 216, 218. Preferiblemente, el tamaño de los espacios del fluido magnetoreológico MR se hace mínimo, como se ha descrito antes.

De acuerdo con otra realización preferida de la presente invención, los rotores y estatores en forma de disco o lámina son reemplazados por rotores y estatores tubulares. Los rotores y estatores tubulares preferiblemente comprenden en una pluralidad de tubos generalmente cilíndricos ferrosos (o magnéticamente blandos) delegados, concéntricamente dispuestos, alternativamente giratorios y fijos. Los espacios entre los tubos comprenden un fluido magnetoreológico el cual es cizallado durante la rotación de la rodilla. El flujo magnético que activa el fluido magnetoreológico MR se desplaza radialmente hacia fuera. La trayectoria de retorno magnético se cierra a través de un alojamiento tubular exterior ferroso (o magnéticamente blando) y un núcleo central axialmente colocado. El momento de torsión viscoso desarrollado por un dispositivo de este tipo es la suma de los momentos de torsión viscosos desarrollados entre cada par tubular de rotor y estator. Para hacer mínimo el peso, el volumen y el consumo de energía, preferiblemente, los rotores y estatores tubulares están fabricados tan delegados como es posible dentro de las limitaciones principalmente por la carga por la cizalladura del fluido magnético y los costes de fabricación. Opcionalmente, uno o más de los rotores y estatores tubulares pueden ser radialmente desplazables para proporcionar una componente de fricción al momento de torsión total de la rodilla.

Fluido magnetoreológico

Como se ha indicado antes, el fluido magnetoreológico preferiblemente comprende una pluralidad de partículas de hierro, ferrosas o magnéticas suspendidas en el fluido. Estas partículas suspendidas forman cadenas que producen un momento de torsión en respuesta a un campo magnético aplicado. Por lo tanto, el fluido magnetoreológico (MR) sufre un cambio reológico o variación de la viscosidad el cual depende de la magnitud del campo magnético aplicado. A su vez, esta variación de la viscosidad del volumen de fluido determina la magnitud de las fuerzas y tensiones de cizalladura o el momento de torsión generado y por lo tanto el nivel de amortiguación o de frenado provisto por la prótesis de rodilla 210. Típicamente, la viscosidad del volumen del fluido magnetoreológico MR incrementa con el aumento de la intensidad del campo aplicado. Controlando la magnitud de este campo magnético, el movimiento rotatorio del miembro artificial es ajustado y controlado rápida y precisamente, por ejemplo, para controlar la flexión y la extensión durante las fases de movimiento y postura para producir una deambulación más natural y segura para el amputado.

El fluido magnetoreológico utilizado conjuntamente con la prótesis de rodilla de las realizaciones preferidas de la presente invención puede comprender cualquiera de una serie de medios magnéticamente controlados o fluidos magnetoreológicos MR conocidos, comercialmente disponibles. Preferiblemente, el fluido magnetoreológico MR posee una elevada capacidad de flujo magnético y una baja reluctancia magnética y una baja viscosidad mientras dispone de una gran tensión de cizalladura inducida por el campo magnético de forma que, ventajosamente, la prótesis de rodilla de la invención proporciona una amplia gama de momento de torsión dinámico.

El fluido magnetoreológico MR entre las superficies del rotor y el estator preferiblemente comprende un fluido transportador con partículas polarizables ferrosas o de hierro provistas de un tamaño del orden de una micra o de pocas micras. Idealmente el fluido transportador presenta un comportamiento de disminución de la velocidad de cizalladura en el que la viscosidad del fluido transportador decrece al incrementar la velocidad de cizalladura. Esto ventajosamente hace mínimo el momento de torsión viscoso debido a la cizalladura del fluido magnetoreológico MR entre cada par de rotor-estator bajo condiciones de campo cero (esto es, cuando el electroimán no está activado) y por lo tanto permite una mayor gama del momento de torsión de funcionamiento. Candidatos adecuados para fluido transportador incluyen fluidos a base de aceite de silicona, aceite de hidrocarburo y agua, entre otros.

Acanaladura exterior y horquillas de montaje

Las figuras 22-25 presentan una realización preferida de la acanaladura exterior 232 de la prótesis de la articulación de la rodilla 210. La acanaladura exterior 232 preferiblemente es generalmente de forma cilíndrica y comprende una cavidad cilíndrica sustancialmente central o agujero pasante 284 para recibir los estatores 230, las placas laterales del núcleo 216, 218 y los rodamientos 226, 228. Alternativamente, se pueden utilizar eficazmente otras formas adecuadas para la acanaladura exterior 232 y la cavidad 294, como se requiera o se desee.

La superficie central de la cavidad 294 preferiblemente tiene una pluralidad de ranuras longitudinales separadas aproximadamente equidistantemente 296 las cuales están adaptadas para acoplar los correspondientes dientes 292 de los estatores 230. En una realización preferida, las ranuras 296 son generalmente de forma semicircular. En otra realización preferida, las ranuras 296 son generalmente de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas. En otras realizaciones preferidas, las ranuras 296 pueden estar eficazmente conformadas y configuradas de maneras alternativas, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar un acoplamiento entre los estatores 230 a la acanaladura exterior 232 y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La cavidad de la acanaladura exterior 294 preferiblemente tiene un par de resaltes o escalones generalmente circulares 298 con uno a cada lado de las ranuras 296 para la alineación o colocación de las respectivas placas laterales del núcleo 216, 218. En una realización preferida, están provistas dos ranuras generalmente circulares o rebordes dentro de la cavidad 294 para recibir anillos tóricos o similares y proporcionar una junta hermética dinámica entre la acanaladura exterior giratoria 232 y las placas laterales giratorias del núcleo 216, 218. La cavidad de la acanaladura exterior 294 preferiblemente incluye adicionalmente un par de resaltes o escalones generalmente circulares 300 con uno a cada lado de los resaltes 298 para la alineación o colocación de los respectivos rodamientos 226, 228.

En una realización preferida, la acanaladura exterior 232 incluye un adaptador o conectador piramidal 302 en su extremo superior 304 para facilitar la conexión de la prótesis de rodilla 210 a una glena de muñón o miembro residual del amputado. El conectador piramidal 302 preferiblemente proporciona un acoplamiento sustancialmente no rotatorio entre la glena de muñón o miembro residual y la acanaladura exterior 232 y por lo tanto los estatores 230. Alternativamente, se pueden utilizar eficazmente otros conectores y elementos de fijación adecuados, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una unión fiable entre la prótesis de rodilla 210 y el miembro residual del amputado y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, el adaptador piramidal 302 comprende titanio o una aleación de titanio y el resto de la acanaladura exterior 232 comprende una aleación de aluminio anodizado 7075-T6. Ventajosamente, la superficie dura de la aleación de aluminio anodizado protege las superficies de la ranuras de la acanaladura exterior 296 contra el dañado superficial y de ese modo elimina o mitiga cualquier huelgo, vibración o juego. En otra realización preferida, la acanaladura exterior 232 está fabricada a partir de titanio o una aleación de titanio. En todavía otra realización preferida, la acanaladura exterior 232 está fabricada a partir de una aleación de aluminio anodizado 7075-T6. En otras realizaciones preferidas, la acanaladura exterior 232 puede ser eficazmente fabricada a partir de otros metales, aleaciones, plásticos, cerámicas, entre otros, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una acanaladura exterior 232 adecuadamente resistente, durable, de peso ligero y sustancialmente no magnética y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Preferiblemente, la acanaladura exterior 232 está formada mediante mecanizado. En una realización preferida, titanio o un bloque de titanio se rosca dentro de una cavidad roscada del extremo superior 304 de la acanaladura exterior 232, se fija con Locktite y se mecaniza para formar el adaptador piramidal 302, permitiendo de ese modo una yuxtaposición apropiada del adaptador piramidal 302. En otras realizaciones preferidas, la acanaladura exterior 232 puede estar eficazmente fabricada a partir de otras técnicas, como por ejemplo, fundición, forjado, moldeado, laminado, entre otras, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a la figura 23, la acanaladura exterior 232 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro mayor D_{231} es aproximadamente 5,994 cm (2,360 pulgadas), el diámetro D_{232} es aproximadamente 4,813 cm (1,895 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{233} es aproximadamente 4,811 cm (1,894 pulgadas), el diámetro de curvatura de la ranura D_{234} es aproximadamente 3,20 mm (0,126 pulgadas), la longitud L_{231} es aproximadamente 8,0 mm (0,315 pulgadas), el ángulo \theta_{231} es aproximadamente 33,7º, el ángulo \theta_{232} es aproximadamente 15º, el ángulo \theta_{233} es aproximadamente 15º, el radio de curvatura R_{231} es aproximadamente 2,40 cm (0,945 pulgadas) y el radio de curvatura R_{232} es aproximadamente 0,762 mm (0,030 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la acanaladura exterior 232 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figura 24-25, la acanaladura exterior 232 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro D_{241} es aproximadamente 4,00 cm (1,575 pulgadas), el diámetro D_{251} es aproximadamente 5,715 cm (2,250 pulgadas), el diámetro D_{252} es aproximadamente 5,398 cm (2,125 pulgadas), la longitud L_{251} es aproximadamente 7,861 cm (3,095 pulgadas), la longitud L_{252} es aproximadamente 1,067 cm (0,420 pulgadas), la anchura W_{251} es aproximadamente 4,171 cm (1,642 pulgadas), la anchura W_{252} es aproximadamente 1,958 cm (0,771 pulgadas), la anchura W_{253} es aproximadamente 6,35 mm (0,250 pulgadas), la anchura W_{254} es aproximadamente 4,72 mm (0,186 pulgadas) y el radio de curvatura R_{251} es aproximadamente 3,05 mm (0,120 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la acanaladura exterior 232 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las horquillas de montaje 236, 238 (figura 4) de la prótesis de rodilla accionada magnetoreológicamente 210 están preferiblemente en comunicación mecánica con los rodamientos 226, 228, respectivamente, y transfieren un movimiento rotatorio a una pierna artificial o parte de la espinilla del amputado. Pernos roscados 306 o bien otros conectadores o elementos de fijación adecuados se utilizan para facilitar la unión de las horquillas de montaje 236, 238 a una pierna artificial o a la parte artificial de la espinilla del amputado.

Preferiblemente, las horquillas de montaje 226, 238 están fabricadas a partir de la aleación de aluminio anodizado 7075-T6. En otras realizaciones preferidas, las horquillas de montaje 226, 238 pueden estar eficazmente fabricadas a partir de otros metales, aleaciones, plásticos, cerámicas entre otros, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar unas horquillas de montaje 226, 238 adecuadamente resistentes, durables, de peso ligero y sustancialmente no magnéticas y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, las horquillas de montaje 236, 238 están formadas por mecanizado. En otras realizaciones preferidas, las horquillas de montaje 236, 238 pueden estar eficazmente fabricadas a partir de otras técnicas, como por ejemplo, fundición, forjado, moldeado, entre otras, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, y como se representa en la figura 4, la prótesis de rodilla 210 adicionalmente comprende un sistema o conjunto de tope de la flexión que comprende un tope acolchado o conjunto o sistema de limitación 246. El sistema de tope de la flexión controla el ángulo de flexión máximo admisible para limitar físicamente la rotación entre las horquillas laterales exteriores 236, 238 y la acanaladura exterior 232 y por lo tanto la rotación de la articulación de la rodilla.

El sistema de tope 246 (figura 4) generalmente comprende una pluralidad de topes, bandas o cintas 312, 314 y 316. Las bandas 312 y 314 están fijadas a una superficie exterior en ángulo 308 (véase la figura 23) de la acanaladura exterior 232 utilizando tornillos o similares. La banda 316 está fijada a superficies exteriores en ángulo 333, 334 de las horquillas laterales 236, 238, respectivamente, utilizando tornillos o similares.

La prótesis de rodilla 210 está preferiblemente configurada de forma que a un ángulo de flexión máximo previamente determinado la banda 316 entra en contacto o hace tope contra la banda 314 y evita o limita una rotación adicional de la rodilla. Preferiblemente, la banda 314 comprende un material elástico para proporcionar un efecto de absorción, acolchado y disipación de los golpes. Igualmente, la prótesis de rodilla de las realizaciones preferidas puede comprender un tope de extensión que absorba los golpes como se requiera o se desee.

En una realización preferida, el sistema de tope de la flexión de la presente invención está configurado para permitir un ángulo de flexión máximo de aproximadamente 140º. En otra realización preferida, el sistema de tope de la flexión de la presente invención está configurado para permitir un ángulo de flexión máximo en la gama de desde aproximadamente 125º hasta aproximadamente 150º. En otras realizaciones preferidas, el ángulo de flexión máximo se puede variar eficazmente, como se requiera o se desee, dependiendo de las condiciones ambientales, la actividad y el nivel de actividad, entre otros factores.

En una realización preferida el tope 314 está fabricado a partir de caucho y los topes 312, 316 están fabricados a partir de titanio o de una aleación de titanio. En otras realizaciones preferidas, los topes 312, 314, 316 pueden estar eficazmente fabricados a partir de otros materiales, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar un tope a la flexión adecuadamente resistente, durable, ligero de peso y acolchado y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, los topes 312, 314, 316 tienen una longitud principal de aproximadamente 6,00 cm (2,363 pulgadas) y una anchura principal de aproximadamente 5,99 mm (0,236 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, los topes 312, 314, 316 pueden estar dimensionados y configurados de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la prótesis de rodilla 210 comprende un potenciómetro para la detección del ángulo 322 (figura 4). El potenciómetro 322 está conectado a un brazo 324 y a una placa de montaje 326. La placa de montaje 326 se une a la horquilla 238 utilizando tornillos 328 o similares y distanciador 330. Un extremo 332 del brazo 324 está mecánicamente unido a la superficie exterior en ángulo 334 de la horquilla 238 utilizando tornillos adecuados o similares.

En una realización preferida de la presente invención, la prótesis de rodilla 210 adicionalmente comprende una ayuda a la extensión para ayudar a enderezar la pierna forzando o desviando la pierna hasta la extensión aplicando un momento de torsión o fuerza controlada. Se puede utilizar uno de una serie de dispositivos, tales como una ayuda a la extensión cargada por resorte, como es conocido en la técnica, conjuntamente con la presente invención.

Preferiblemente, está provisto un sistema de control de retroalimentación para controlar y supervisar las actuaciones de la prótesis de rodilla accionada magnetoreológicamente de las realizaciones preferidas de la presente invención. El sistema de control generalmente comprende un control o microprocesador central y una memoria, uno o más sensores de fuerza, momento de torsión y ángulo, una fuente de potencia (como por ejemplo una batería o similar) y otros equipos y programas asociados. Un alojamiento exterior o carcasa está preferiblemente provisto para alojar y proteger los diversos componentes de la prótesis de rodilla de las realizaciones preferidas y del sistema de control. Una cubierta estética adecuada está también preferiblemente dispuesta sobre el alojamiento exterior.

Ciertas características y ventajas funcionales

La prótesis de rodilla accionada magnetoreológicamente controlada electrónicamente de las realizaciones preferidas proporciona un control instantáneamente sensible de alta velocidad del movimiento de la rodilla, es resistente y asequible por el amputado. Las realizaciones preferidas ventajosamente proporcionan una estabilidad mejorada, equilibrio en el modo de andar y el rendimiento energético para los amputados y simula y recrea con mucha aproximación la dinámica de una articulación de rodilla natural.

Durante el funcionamiento, el electroimán o bobina magnética 214 es accionada, como se requiera, mediante una señal eléctrica, tensión o corriente seleccionada o previamente determinada para generar un campo magnético variable activo que pasa sustancialmente perpendicularmente a la pluralidad de superficies de rotores y estatores y a través del fluido magnetoreológico MR o película entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes para generar un momento de torsión de amortiguación variable (o fuerza resistente rotatoria) la cual controla precisa y adecuadamente el movimiento rotatorio de la prótesis de rodilla 210. Como se ha descrito antes, de acuerdo con una realización preferida, el momento de torsión comprende un componente de amortiguación por fricción.

Deseablemente, la prótesis de rodilla 210 accionada por fluido magnetoreológico MR de las realizaciones preferidas proporciona una respuesta rápida y precisa. Los materiales en las partículas del fluido magnetoreológico MR responden al campo magnético aplicado en el intervalo de milisegundos, permitiendo de ese modo un control en tiempo real de la reología del fluido y del movimiento de la rodilla. Esto facilita permitir al paciente que se desplace de una manera segura y más natural.

Ventajosamente, el momento de torsión de amortiguación viscosa está generado por la cizalladura del fluido magnetoreológico MR. Por lo tanto, no existe creación ni cambio de presión, o es despreciable, en el interior de la prótesis de rodilla 210 accionada por fluido magnetoreológico MR de la presente invención. Esto elimina o reduce sustancialmente las posibilidades de fuga del fluido y de fallo de la rodilla y por lo tanto se añade deseablemente a la seguridad. Además, no es necesario utilizar componentes relativamente complejos y costosos como por ejemplo rodamientos de presión y similares para proporcionar una junta hermética fiable.

Otra ventaja es que la pluralidad de superficies de cizalladura o interfaces de flujo entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes se comporta como un multiplicador del momento de torsión y permite que el nivel de momento de torsión viscoso (y el momento de torsión por fricción) aumente hasta un valor máximo de deseado sin la utilización de una transmisión adicional o de otro componente auxiliar. Además, la flexibilidad en la sección del área de la superficie de solapamiento entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes también puede incrementar o disminuir el momento de torsión viscoso máximo alcanzable (y momento de torsión por fricción). Por lo tanto, deseablemente se puede proporcionar una amplia gama de momento de torsión dinámico o resistencia de torsión, como se requiera o se desee, lo cual se añade a la versatilidad de la invención sin añadir sustancialmente tamaño, peso, ni complejidad al
sistema.

En una realización preferida, la prótesis de rodilla de la presente invención proporciona un momento de torsión dinámico máximo de aproximadamente 40 Newton-metro (N-m). En otra realización preferida, la prótesis de rodilla de la presente invención proporciona un momento de torsión dinámico en la gama de desde aproximadamente 0,5 N-m hasta aproximadamente 40 N-m. En todavía otra realización preferida, la prótesis de rodilla de la presente invención proporciona un momento de torsión dinámico en la gama desde aproximadamente 1 N-m hasta aproximadamente 50 N-m. En otras realizaciones preferidas, la prótesis de rodilla de la presente invención puede proporcionar otras gamas del momento de torsión dinámico con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la prótesis de rodilla de la presente invención controla con precisión la rotación de la rodilla, durante las fases de extensión y de flexión, entre la extensión completa y un ángulo de flexión de aproximadamente 140º. En otra realización preferida, la prótesis de rodilla de la presente invención controla con precisión la rotación de la rodilla, durante las fases de extensión y de flexión, entre la extensión completa y un ángulo de flexión en la gama desde aproximadamente 125º hasta aproximadamente 150º. En otras realizaciones preferidas, la prótesis de rodilla de la presente invención puede proporcionar otras gamas de la rotación de la rodilla con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

También ventajosamente, la delgadez optimizada del espacio del fluido magnetoreológico MR entre rotores 220 y estatores 230 adyacentes proporciona un momento de torsión máximo más elevado, una gama del momento de torsión dinámico más amplia y requiere menos consumo de energía, preferiblemente aproximadamente 10 W o menos. Esto se añade al rendimiento y la puesta en práctica de la prótesis de rodilla 210 accionada por fluido magnetoreológico MR de la presente invención y también ahorra costes porque se puede utilizar una fuente de potencia de menor potencia y menos compleja.

Otras realizaciones preferidas

Las figuras 26 a 51 muestran diversas realizaciones preferidas provistas de características y ventajas de acuerdo con la presente invención. Con fines de claridad y brevedad de la descripción sólo ciertas características de estas realizaciones se describen más adelante y debe entenderse que otras características son evidentes a partir de los dibujos y están incorporadas en la descripción de las realizaciones preferidas como se ha establecido antes.

Las figuras 26-28 muestran una realización preferida de un núcleo sustancialmente central 412 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. El núcleo 412 preferiblemente comprende una superficie achaflanada o cónica 336 y un resalte o escalón 338 en los extremos respectivos de las respectivas partes del núcleo 452, 454 para facilitar el acoplamiento coincidente o la conexión mecánica con las placas laterales del núcleo asociadas 416, 418 (representadas en las figuras 29-36). Por lo tanto, el núcleo 412 gira cuando giran las placas laterales 416, 418.

Preferiblemente, el núcleo 412 comprende una aleación de elevada saturación magnética de hierro cobalto (FeCo). En una realización preferida, el núcleo 412 comprende una aleación de elevada saturación de hierro-cobalto (aleación ASTM A-801 Tipo 1), la cual especifica una composición con aproximadamente el 50% de cobalto. Por ejemplo, el núcleo 212 puede comprender la aleación Hiperco Alloy 50®, Permendur V^{TM} o Vanadium Pemendur, disponibles a partir de Principal Metals o Vacoflux 50, disponible a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania.

El núcleo 412 está preferiblemente formado por mecanizado seguido por un tratamiento térmico en una atmósfera de hidrógeno seco para conseguir propiedades magnéticas óptimas. El núcleo 412 está recocido en una atmósfera de hidrógeno seco preferiblemente durante aproximadamente cinco horas a una temperatura de aproximadamente 820º Celsius. El núcleo 412 es entonces enfriado en una atmósfera de hidrógeno seco a aproximadamente 150º Celsius/hora hasta que se alcanza una temperatura de aproximadamente 200º Celsius. Se debe tener cuidado en evitar la contaminación durante el tratamiento térmico y se debe quitar cualquier grasa, aceite, huellas digitales y similares utilizando acetona o cualquier otro disolvente de limpieza adecuado. Durante el tratamiento térmico, el núcleo 412 está preferiblemente separado de las placas laterales del núcleo 416 y 418 para evitar cualquier posible soldadura entre los componentes.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 27 y 28, el núcleo 412 está dimensionado y configurado de tal forma que la longitud L_{271} es aproximadamente 2,517 cm (0,991 pulgadas), la longitud L_{272} es aproximadamente 5,56 mm (0,220 pulgadas), la longitud L_{273} es aproximadamente 0,51 mm (0,020 pulgadas), la longitud L_{274} es aproximadamente 0,51 mm (0,020 pulgadas), el diámetro D_{271} es aproximadamente 1,424 cm (0,5605 pulgadas), el diámetro D_{272} es aproximadamente 1,415 cm (0,557 pulgadas), el ángulo \theta_{271} es aproximadamente 10º y el diámetro D_{281} es aproximadamente 1,88 cm (0,740 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, el núcleo 412 puede estar dimensionado y configurado de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 29-33 muestran una realización preferida de una placa lateral del núcleo 416 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. La placa lateral del núcleo 416 preferiblemente comprende una cavidad sustancialmente central o agujero pasante 456 adaptado para formar acopladamente un ajuste con interferencia con el extremo libre de la parte del núcleo 452 (figuras 26-28) y tres agujeros pasantes separados aproximadamente equidistantemente 458 dispuestos de un modo generalmente circular para recibir espárragos o similares para la fijación de los diversos componentes de la prótesis de rodilla. La placa lateral del núcleo 416 adicionalmente comprende una ranura o muesca generalmente circular 356 adaptada para acoplar o conectar mecánicamente con un reborde del electo imán 414 (figuras 37-39). Por lo tanto, el electo imán o bobina magnética 414 gira cuando gira la placa lateral del núcleo 416.

Preferiblemente están previstos conos o superficies o partes cónicas 470, 471 en las respectivas superficies exterior e interior de la placa lateral del núcleo 416. Esto reduce ventajosamente el peso, ahorra material y proporciona también espacio de juego para facilitar el montaje. La placa lateral del núcleo rotatoria 416 forma una junta hermética dinámica con una acanaladura exterior rotatoria que utiliza un anillo tórico o similar provisto en el interior de una ranura o reborde de la acanaladura exterior.

Preferiblemente, la placa lateral del núcleo 416 comprende una aleación de elevada saturación magnética de hierro-cobalto (FeCo). En una realización preferida, la placa lateral del núcleo 416 comprende una aleación de elevada saturación de hierro-cobalto (aleación ASTM A-801 Tipo 1), la cual especifica una composición con aproximadamente el 50% de cobalto. Por ejemplo, el núcleo 212 puede comprender la aleación Hiperco Alloy 50®, Permendur V^{TM} o Vanadium Pemendur, disponibles a partir de Principal Metals o Vacoflux 50, disponible a partir de Vacuumschmelze de Hanau, Alemania.

La placa lateral del núcleo 416 está preferiblemente formada por mecanizado seguido por un tratamiento térmico en una atmósfera de hidrógeno seco para conseguir propiedades magnéticas óptimas. La placa lateral del núcleo 416 está recocida en una atmósfera de hidrógeno seco preferiblemente durante aproximadamente cinco horas a una temperatura de aproximadamente 820º Celsius. La placa lateral del núcleo 416 es entonces enfriada en una atmósfera de hidrógeno seco a aproximadamente 150º Celsius/hora hasta que se alcanza una temperatura de aproximadamente 200º Celsius. Se debe tener cuidado en evitar la contaminación durante el tratamiento térmico y se debe quitar cualquier grasa, aceite, huellas digitales y similares utilizando acetona o cualquier otro disolvente de limpieza adecuado. Durante el tratamiento térmico, la placa lateral del núcleo 416 está preferiblemente separada del núcleo 412 para evitar cualquier posible soldadura entre los componentes.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 30-33, la placa lateral del núcleo 416 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro D_{301} es aproximadamente 3,353 cm (1,320 pulgadas), el diámetro D_{302} es aproximadamente 2,461 cm (0,969 pulgadas), el diámetro del círculo ciego D_{311} es aproximadamente 2,845 cm (1,120 pulgadas), el diámetro D_{312} es aproximadamente 2,43 cm (0,958 pulgadas), el diámetro D_{313} es aproximadamente 2,29 cm (0,900 pulgadas), el diámetro del agujero D_{314} es aproximadamente 2,95 mm (0,116 pulgadas), el ángulo \theta_{311} es típicamente 120º, el diámetro D_{321} es aproximadamente 4,80 cm (1,890 pulgadas), el diámetro D_{322} es aproximadamente 3,30 cm (1,300 pulgadas), el diámetro D_{323} es aproximadamente 1,88 cm (0,740 pulgadas), la anchura W_{321} es aproximadamente 5,59 mm (0,220 pulgadas), la anchura W_{322} es aproximadamente 1,27 mm (0,050 pulgadas), la anchura W_{331} es aproximadamente 2,54 mm (0,100 pulgadas), la anchura W_{332} es aproximadamente 0,508 mm (0,020 pulgadas), la anchura W_{333} es aproximadamente 1,52 mm (0,060 pulgadas), el radio de curvatura R_{331} es aproximadamente 6,35 mm (0,250 pulgadas), el radio de curvatura R_{332} es aproximadamente 0,254 mm (0,010 pulgadas), el ángulo \theta_{331} es aproximadamente 30º y el ángulo \theta_{332} es aproximadamente 10º. En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 416 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 34-36 muestran una realización preferida de una segunda placa lateral del núcleo 418 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. La placa lateral del núcleo 418 es sustancialmente la misma que la primera placa lateral del núcleo 416 excepto en que comprende una cavidad sustancialmente central o agujero pasante 457 adaptado para formar acopladamente un ajuste con interferencia con el extremo de la parte del núcleo 454 (figuras 26-28) y un par de agujeros pasantes 472 los cuales permiten el paso de cables o hilos eléctricos conectados a un electroimán o bobina magnética 414 (figuras 37-39) de la prótesis de rodilla de la presente invención.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 35 y 36, la placa lateral del núcleo 418 está dimensionada y configurada de tal forma que la longitud L_{351} es aproximadamente 1,14 cm (0,448 pulgadas), la longitud L_{352} es aproximadamente 1,05 cm (0,413 pulgadas), el diámetro del agujero D_{355} es aproximadamente 1,78 mm (0,070 pulgadas) y el diámetro D_{363} es aproximadamente 1,42 cm (0,560 pulgadas). Las otras dimensiones D_{351}, D_{352}, D_{353}, D_{354}, \theta_{351}, D_{361}, D_{362},W_{361} y W_{362} son sustancialmente las mismas que las dimensiones D_{311}, D_{312}, D_{313}, D_{314}, \theta_{311}, D_{321}, D_{322},W_{321} y W_{322}, respectivamente, como se representa en las figuras 31 y 32 y se ha establecido antes para la primera placa lateral del núcleo 416. En otras realizaciones preferidas, la placa lateral del núcleo 418 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 37-39 muestran una realización preferida de un electroimán, bobina magnética o cable enrollado 414 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. La bobina magnética 414 generalmente comprende un carrete 340 provisto de un par de rebordes 342, 344 en cada extremo, un devanado 350 generalmente circunscribe el carrete 340 y está conectado a hilos de cables eléctricos 352. Un par de canales o agujeros pasantes 346, 348 en el reborde del carrete 344 permiten el paso de los cables 352 los cuales están conectados a una batería o bien a otra fuente de potencia.

La bobina magnética 414 preferiblemente es generalmente cilíndrica de forma y tiene un paso a través generalmente cilíndrico 358 para recibir el núcleo 412 (figuras 26-28) para conectar mecánicamente la bobina magnética 414 al núcleo 412. Los rebordes 342 y 344 son recibidos en ranuras o muescas de las respectivas placas laterales 416 y 418 (figuras 29-36) para conectar mecánicamente la bobina magnética 414 a las placas laterales 416, 418. Por lo tanto cuando giran las placas laterales del núcleo 416, 418 también lo hacen la bobina magnética 414 y el núcleo 412.

Preferiblemente, el carrete 440 está fabricado a partir de poli sulfuro de fenileno provisto de una temperatura de servicio de aproximadamente 200º Celsius. El devanado 350 preferiblemente comprende trescientas cuarenta vueltas de hilo de cobre 30 AWG provisto de una resistencia de aproximadamente 8,03 ohms (\Omega) y una potencia de servicio de aproximadamente 13,7 W a aproximadamente 10,5 voltios de corriente continua. El aislamiento del devanado comprende un material adecuado provisto de una temperatura de servicio de aproximadamente 155º Celsius. Preferiblemente, los hilos del cable 352 comprenden un hilo trenzado 24 AWG de aproximadamente 20 cm (8 pulgadas) de largo y cubierto con un aislamiento de teflón con una sección pelada y estañada de aproximadamente 0,56 cm
(0,25 pulgadas).

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 38 y 39 el electroimán o bobina magnética 414 está dimensionada y configurada de tal forma que la longitud L_{381} es aproximadamente 1,138 cm (0,448 pulgadas), la longitud L_{382} es aproximadamente 1,05 cm (0,413 pulgadas), la anchura W_{381} es aproximadamente 0,762 mm (0,030 pulgadas), el radio de curvatura R_{381} es aproximadamente 0,381 mm (0,015 pulgadas), el diámetro D_{381} es aproximadamente 0,762 mm (0,030 pulgadas), el diámetro D_{391} es aproximadamente 2,45 cm (0,965 pulgadas), el diámetro D_{392} es aproximadamente 1,89 cm (0,745 pulgadas), el diámetro D_{393} es aproximadamente 2,02 cm (0,795 pulgadas), la longitud L_{391} es aproximadamente 1,95 cm (0,766 pulgadas), la longitud L_{392} es aproximadamente 1,74 cm (0,686 pulgadas), la longitud L_{393} es aproximadamente 1,02 mm (0,040 pulgadas), la longitud L_{394} es aproximadamente 1,02 mm (0,040 pulgadas) y el grosor T_{391} es aproximadamente 0,635 mm (0,025 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la bobina magnética 414 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 40-44 muestran una realización preferida de una acanaladura interior 422 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. La acanaladura interior 422 comprende una pluralidad de ranuras longitudinales o entalladuras 484 para acoplar o coincidir con los correspondientes dientes de los rotores 420 (figuras 45-47) y una cavidad sustancialmente central 476 para recibir la bobina magnética 414 (figuras 37-39). Preferiblemente la acanaladura interior 422 comprende nueve ranuras separadas sustancialmente equidistantes 484 provistas de una forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas.

La cavidad de la acanaladura interior 476 preferiblemente incluye tres cavidades o pasos longitudinales 478 los cuales están sustancialmente alineados con los agujeros para recibir los espárragos de las placas laterales del núcleo 416, 418 (figuras 31 y 35). Los pasos 478 reciben espárragos o similares para fijar o unir la acanaladura interior 422 y las placas laterales del núcleo 416, 418. La cavidad de de la acanaladura interior 476 adicionalmente incluye una pluralidad de muescas longitudinales 360 las cuales sirven para reducir el peso de la acanaladura interior 422 y por lo tanto el de la prótesis de rodilla.

La acanaladura interior 422 preferiblemente comprende un reborde 480 en cada extremo para recibir un anillo tórico, junta de estanqueidad o similar para formar una junta hermética estática entre la acanaladura interior rotatoria 422 y las placas laterales rotatorias del núcleo 416, 418. Un escalón, resalte o reborde adyacente 362 está también provisto en cada extremo para facilitar el montaje de los anillos tóricos o juntas de estanqueidad en la acanaladura interior 422 durante el montaje de la prótesis de rodilla.

Preferiblemente, la acanaladura interior 422 está fabricada mediante mecanizado electroerosivo (EDM). La acanaladura interior 422 está preferiblemente fabricada a partir de titanio o una aleación de titanio para proporcionar una superficie dura, no ferrosa, resistente con bajo peso para acoplar los rotores 420 y transmitir momento de torsión desde éstos. Más preferiblemente, la acanaladura interior está fabricada a partir de una aleación de titanio 6Al-4V.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 41-44, la acanaladura interior 422 está dimensionada y configurada de tal forma que el diámetro del círculo ciego D_{411} es aproximadamente 2,85 cm (1,120 pulgadas), el diámetro D_{412} es aproximadamente 2,46 cm (0,970 pulgadas), el diámetro del paso D_{413} es aproximadamente 2,95 mm (0,116 pulgadas), el ángulo \theta_{411} es típicamente aproximadamente 120º, el ángulo \theta_{412} es típicamente aproximadamente 40º, la longitud L_{421} es aproximadamente 2,24 cm (0,881 pulgadas), la longitud L_{422} es aproximadamente 1,96 cm (0,771 pulgadas), la longitud curvada L_{431} es aproximadamente 1,02 cm (0,402 pulgadas), la longitud curvada L_{432} es aproximadamente 4,17 mm (0,164 pulgadas), la longitud curvada L_{433} es aproximadamente 1,88 mm (0,074 pulgadas), la longitud curvada L_{434} es aproximadamente 8,92 mm (0,351 pulgadas), el diámetro mayor D_{431} es aproximadamente 3,63 cm (1,430 pulgadas), el diámetro D_{432} es aproximadamente 3,43 cm (1,350 pulgadas), el diámetro D_{433} es aproximadamente 2,90 cm (1,140 pulgadas), la anchura de la tolerancia del perfil W_{431} es aproximadamente 0,0254 mm (0,001 pulgadas), los radios de curvatura R_{431}, R_{432}, R_{433}, R_{434}, R_{435}, son aproximadamente 1,27 mm (0,050 pulgadas), 1,27 mm (0,050 pulgadas), 0,762 mm (0,030 pulgadas), 0,381 mm (0,015 pulgadas), 0,381 mm (0,015 pulgadas), respectivamente, el ángulo \theta_{431} es aproximadamente 20º, la longitud L_{441} es aproximadamente 1,397 mm (0,055 pulgadas), la longitud L_{442} es aproximadamente 0,381 mm (0,015 pulgadas), la longitud L_{443} es aproximadamente 0,127 mm (0,005 pulgadas), la longitud L_{444} es aproximadamente 0,127 mm (0,005 pulgadas), el diámetro D_{441} es aproximadamente 3,345 cm (1,317 pulgadas), el diámetro D_{442} es aproximadamente 3,226 cm (1,270 pulgadas), el radio de curvatura R_{441}, es aproximadamente 0,20 mm (0,008 pulgadas) y el radio de curvatura R_{442} es aproximadamente 0,51 mm (0,020 pulgadas). En otras realizaciones preferidas, la acanaladura interior 422 puede estar dimensionada y configurada de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 45-47 muestran una realización preferida de uno de los rotores o láminas interiores 420 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. El rotor 420 preferiblemente anular o en forma de anillo delgado es generalmente de forma circular y comprende una cavidad substancialmente central o agujero pasante 486 provisto de una pluralidad de dientes que se extienden hacia dentro 488 adaptados para acoplar o casar con las ranuras de la acanaladura interior 484 (figura 41). Preferiblemente, el rotor 420 comprende nueve dientes separados aproximadamente equidistantemente 488 los cuales generalmente son de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas.

Los rotores 420 están preferiblemente fabricados a partir de un material mecánicamente duro y magnéticamente blando que tiene una elevada densidad de flujo de saturación. Más preferiblemente los rotores 420 están fabricados a partir de acero templado al calor azul. Los rotores 420 están preferiblemente formados mediante mecanizado electroerosivo (EDM). Ventajosamente, esto permite un alto grado de precisión de fabricación y evita o disminuye cualquier huelgo, vibración o juego entre los rotores 420 y la acanaladura interior 422 lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 45-47, los rotores 420 están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro mayor exterior D_{451} es aproximadamente 4,851 cm (1,910 pulgadas), el grosor T_{461} es aproximadamente 0,203 mm (0,008 pulgadas), la longitud curvada L_{471} es aproximadamente 9,12 mm (0,359 pulgadas), la longitud curvada L_{472} es aproximadamente 1,73 mm (0,068 pulgadas), el diámetro mayor interior D_{471} es aproximadamente 3,642 cm (1,434 pulgadas), el diámetro menor interior D_{472} es aproximadamente 3,439 cm (1,354 pulgadas), la anchura de la tolerancia del perfil W_{471} es aproximadamente 0,0254 mm (0,001 pulgadas), el radio de curvatura R_{471} es aproximadamente 0,508 mm (0,020 pulgadas), el radio de curvatura R_{472} es aproximadamente 0,254 mm (0,010 pulgadas) y el ángulo \theta_{471} es aproximadamente 40º. En otras realizaciones preferidas, los rotores 420 puede estar dimensionados y configurados de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la relación entre el diámetro mayor exterior del rotor (D_{451}) y el diámetro mayor interior del rotor (D_{471}) es aproximadamente 1,3. En otra realización preferida, la relación entre el diámetro mayor exterior del rotor (D_{451}) y el diámetro mayor interior del rotor (D_{471}) varía entre aproximadamente 1,2 hasta aproximadamente 5. Todavía en otra realización preferida, la relación entre el diámetro mayor exterior del rotor (D_{451}) y el diámetro mayor interior del rotor (D_{471}) varía entre aproximadamente 1,1 hasta aproximadamente 10. En otras realizaciones preferidas esta relación se puede variar con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Las figuras 48-50 muestran una realización preferida de uno de los estatores o láminas exteriores 430 de una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada de la presente invención. El estator 430 preferiblemente anular o en forma de anillo delgado es generalmente de forma circular y comprende una cavidad substancialmente central o agujero pasante 490 adaptado para recibir sin contacto la acanaladura interior 422 y una pluralidad de dientes que se extienden hacia fuera 492 en la periferia exterior del estator los cuales están adaptados para acoplar o casar con las ranuras o entalladuras en el interior de la acanaladura exterior rotatoria de la prótesis de rodilla. Preferiblemente, el estator 430 comprende nueve dientes separados aproximadamente equidistantemente 492 los cuales generalmente son de forma rectangular o cuadrada con esquinas redondeadas.

Los estatores 430 están preferiblemente fabricados a partir de un material duro ferroso que tiene una elevada densidad de flujo de saturación. Más preferiblemente los estatores 430 están fabricados a partir de acero templado al calor azul. Los rotores 430 están preferiblemente formados mediante mecanizado electroerosivo (EDM). Ventajosamente, esto permite un alto grado de precisión de fabricación y evita o disminuye cualquier huelgo, vibración o juego entre los estatores 430 y la acanaladura exterior lo cual causaría de otro modo incomodidad al paciente.

En una realización preferida, y con referencia en particular a las figuras 48-50, los estatores 430 están dimensionados y configurados de tal forma que el diámetro mayor interior D_{481} es aproximadamente 3,658 cm (1,440 pulgadas), el grosor T_{481} es aproximadamente 0,203 mm (0,008 pulgadas), la longitud curvada L_{501} es aproximadamente 1,18 cm (0,464 pulgadas), la longitud curvada L_{502} es aproximadamente 3,66 mm (0,144 pulgadas), el diámetro mayor exterior D_{501} es aproximadamente 5,07 cm (1,996 pulgadas), el diámetro menor exterior D_{502} es aproximadamente 4,867 cm (1,916 pulgadas), la anchura de la tolerancia del perfil W_{501} es aproximadamente 0,0254 mm (0,001 pulgadas), el radio de curvatura R_{501} es aproximadamente 0,508 mm (0,020 pulgadas), el radio de curvatura R_{502} es aproximadamente 0,254 mm (0,010 pulgadas) y el ángulo \theta_{501} es aproximadamente 20º. En otras realizaciones preferidas, los estatores 430 puede estar dimensionados y configurados de maneras alternativas con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

En una realización preferida, la relación entre el diámetro menor exterior del estator (D_{502}) y el diámetro mayor interior del estator (D_{481}) es aproximadamente 1,3. En otra realización preferida, la relación entre el diámetro menor exterior del estator (D_{502}) y el diámetro mayor interior del estator (D_{481}) varía entre aproximadamente 1,2 hasta aproximadamente 5. Todavía en otra realización preferida, la relación entre el diámetro menor exterior del estator (D_{502}) y el diámetro mayor interior del estator (D_{481}) varía entre aproximadamente 1,1 hasta aproximadamente 10. En otras realizaciones preferidas, esta relación se puede variar con eficacia, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de proporcionar una rodilla artificial adecuadamente compacta, de peso ligero y durable y de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

La figura 51 muestra una prótesis de rodilla magnetoreológicamente accionada 510 provista de las características y de las ventajas de acuerdo con otra realización preferida de la presente invención. En esta realización, la trayectoria de retorno magnético pasa a través del exterior de la prótesis de rodilla 501. Una configuración de este tipo puede permitir un diseño del sistema más compacto y de peso ligero. Otras trayectorias de retorno magnético adecuadas se pueden seleccionar o configurar, como se requiera o se desee, proporcionando la debida consideración a los éxitos de conseguir uno o más de los beneficios y las ventajas que se enseñan o sugieren aquí.

Con referencia a la figura 51, se genera un campo magnético 540 por la acción de un electroimán o bobina magnética 514 preferiblemente colocada entre una pluralidad de rotores (láminas interiores) 520 y estatores (láminas exteriores) 530 intercalados y alternados y un alojamiento exterior magnéticamente blando o carcasa 512 de la prótesis de rodilla 510. La parte activa del campo magnético 540 pasa (se desplaza substancialmente en la dirección lateral 542) a través de los rotores 520, los estatores 530 y el fluido magnetoreológico en los espacios entre ellos. La trayectoria de retorno magnético del campo magnético 540 pasa radialmente hacia fuera a través de una placa lateral magnéticamente blanda 516, lateralmente a través del exterior de la rodilla 512 y radialmente hacia dentro a través de una segunda placa lateral magnéticamente blanda 518.

Aunque los componentes y las técnicas de la presente invención han sido descritos con un cierto grado de particularidad, queda de manifiesto que se pueden realizar muchos cambios en los diseños, construcciones y metodología específicos descritos aquí antes sin salirse del ámbito de esta descripción. Debe entenderse que la invención no está limitada a las realizaciones establecidas aquí con los fines de ejemplarización, sino que está definida únicamente por una lectura imparcial de las reivindicaciones anexas, incluyendo la gama completa de equivalencia a la cual tiene derecho cada elemento de las mismas.

Claims

1. Prótesis de rodilla controlada electrónicamente (110, 210, 510) comprendiendo:

- una pluralidad de rotores (120, 220, 420, 520) que pueden girar alrededor de un eje longitudinal de dicha prótesis de rodilla (110, 210, 510);

- una pluralidad de estatores (130, 230, 430, 530) alternativamente intercalados con dichos rotores (120, 220, 420, 520) para formar espacios entre ellos;

- un fluido adaptado para soportar un cambio reológico en respuesta a un campo magnético aplicado y que reside en dichos espacios formados entre dichos rotores (120, 220, 420, 520) y dichos estatores (130, 230, 430, 530);

en la que la variación controlada de dicho campo magnético varía la reología del fluido y la cizalladura de dicho fluido causada por el giro entre dichos rotores (120, 220, 420, 520) y dichos estatores (130, 230, 430, 530) durante la rotación de la rodilla y genera un momento de torsión variable de amortiguamiento de la rodilla.

2. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos estatores pueden girar alrededor del eje longitudinal de dicha prótesis de rodilla.

3. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que por lo menos uno de dichos rotores y dichos estatores se pueden desplazar lateralmente alrededor del eje longitudinal de dicha prótesis de rodilla para crear contacto mecánico entre rotores y estatores adyacentes para proporcionar una componente de fricción del momento de torsión de amortiguamiento de la rodilla.

4. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos rotores y dichos estatores comprenden un material magnéticamente blando.

5. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos rotores y dichos estatores comprenden discos generalmente anulares.

6. La prótesis de rodilla de la reivindicación 5 en la que dichos rotores y dichos estatores tiene un grosor de aproximadamente 0,2 mm (0,008 pulgadas).

7. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dicha pluralidad de rotores comprende cien o menos rotores y dicha pluralidad de estatores comprende cien o menos estatores.

8. La prótesis de rodilla de la reivindicación 7 en la que dicha pluralidad de rotores comprende cuarenta rotores y dicha pluralidad de estatores comprende cuarenta y uno estatores.

9. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos espacios entre dichos rotores y dichos estatores tienen un tamaño en la gama de desde aproximadamente 10 micras (\mum) hasta aproximadamente 100 micras (\mum).

10. La prótesis de rodilla de la reivindicación 9 en la que dichos espacios entre dichos rotores y dichos estatores tienen un tamaño de aproximadamente 40 micras (\mum).

11. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos rotores y dichos estatores comprenden tubos generalmente cilíndricos.

12. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dichos rotores y dichos estatores comprenden acero templado al calor azul o acero de silicio.

13. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dicho fluido comprende un medio magnéticamente controlable.

14. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 en la que dicho fluido comprende un fluido magnetoreológico adaptado para soportar un cambio de viscosidad en respuesta a una variación de dicho campo magnético.

15. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un imán para generar dicho campo magnético el cual pasa a través de dichos rotores dichos estatores y dicho fluido.

16. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un núcleo generalmente central en comunicación mecánica con un par de dichas placas para formar una trayectoria de retorno magnético para dicho campo magnético.

17. La prótesis de rodilla de la reivindicación 16 en la que dicho núcleo y dichas placas comprenden una aleación de alta saturación magnética de hierro-cobalto (FeCo).

18. La prótesis de rodilla de la reivindicación 16 en la que por lo menos una de dichas placas se puede desplazar lateralmente alrededor del eje longitudinal de dicha prótesis de rodilla.

19. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo:

- un núcleo substancialmente central y un par de placas laterales formadas a partir de un material magnéticamente blando para crear una trayectoria de retorno magnético; y

- un electroimán colocado entre dichos rotores y dichos estatores que es sensible a una señal eléctrica para generar dicho campo magnético para causar un cambio controlado en la reología de dicho fluido.

20. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo una acanaladura interior giratoria con dichos rotores acoplados con dicha acanaladura interior.

21. La prótesis de rodilla de la reivindicación 20 en la que dicha acanaladura interior comprende una pluralidad de ranuras longitudinales y cada uno de dichos rotores comprende una pluralidad de dientes acoplados coincidentemente con dichas ranuras longitudinales de dicha acanaladura interior.

22. La prótesis de rodilla de la reivindicación 20 en la que dicha acanaladura interior comprende una aleación de titanio.

23. La prótesis de rodilla de la reivindicación 20 adicionalmente comprendiendo un par de rodamientos en comunicación giratoria con dicha acanaladura interior.

24. La prótesis de rodilla de la reivindicación 23 adicionalmente comprendiendo un par de horquillas de montaje laterales rotatorias, cada una de ellas en comunicación mecánica con uno de dichos rodamientos para facilitar la conexión de dicha prótesis de rodilla a una prótesis de espinilla.

25. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo una acanaladura exterior con dichos estatores acoplados con dicha acanaladura exterior.

26. La prótesis de rodilla de la reivindicación 25 en la que dicha acanaladura exterior comprende una pluralidad de ranuras longitudinales y cada uno de dichos estatores comprende una pluralidad de dientes acoplados coincidentemente con dichas ranuras longitudinales de dicha acanaladura exterior.

27. La prótesis de rodilla de la reivindicación 25 en la que dicha acanaladura exterior comprende una aleación de aluminio anodizado.

28. La prótesis de rodilla de la reivindicación 25 en la que dicha acanaladura exterior comprende un adaptador piramidal para facilitar la conexión de dicha prótesis de rodilla a dicha glena residual del miembro.

29. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo una parte exterior magnética y un par de placas laterales magnéticas mecánicamente unidas para crear una trayectoria de retorno magnético para dicho campo magnético.

30. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un sistema de tope de la flexión acolchado para controlar la flexión máxima de dicha prótesis de rodilla.

31. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un sistema de tope de la extensión acolchado para controlar la extensión máxima de dicha prótesis de rodilla.

32. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un dispositivo de asistencia de la extensión para facilitar la extensión de dicha prótesis de rodilla.

33. La prótesis de rodilla de la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un control para controlar y supervisar las actuaciones de dicha prótesis de rodilla.

34. Conjunto de prótesis, comprendiendo:

- la prótesis de rodilla citada en la reivindicación 1;

- una glena del muñón en comunicación mecánica con dicha prótesis de rodilla y adaptado para recibir el miembro residual de un amputado;

- una parte de prótesis de espinilla en comunicación mecánica con dicha prótesis de rodilla; y

- una prótesis de pie en comunicación mecánica con dicha parte de prótesis de espinilla.

35. Procedimiento para controlar rápida y precisamente la rotación de una prótesis de rodilla electrónica que comprende una pluralidad de rotores magnéticamente blandos alternativamente intercalados, estatores magnéticamente blandos y un fluido magnetoreológico presente en una pluralidad de espacios formados entre dichos rotores y dichos estatores, dicho procedimiento comprendiendo los pasos de:

- la aplicación de un campo magnético el cual pasa a través de dichos rotores, dichos estatores y dicho fluido magnetoreológico;

- la cizalladura del fluido magnetoreológico presente en dichos espacios formados entre dichos rotores y dichos estatores para amortiguar viscosamente la rotación de dicha prótesis de rodilla; y

- el ajuste de dicho campo magnético para variar rápida y precisamente la viscosidad de dicho fluido megnetoreológico para proporcionar resistencia a la torsión rotatoria variable para controlar la flexión y la extensión de dicha prótesis de rodilla.

36. El procedimiento de la reivindicación 35 adicionalmente comprendiendo el paso de crear una fuerza de atracción entre dichos rotores y dichos estatores mediante la aplicación de dicho campo magnético para causar contacto por fricción entre rotores y estatores adyacentes amortiguando por fricción de ese modo la rotación de dicha prótesis de rodilla.

37. El procedimiento de la reivindicación 36 adicionalmente comprendiendo el paso de ajustar dicho campo magnético para variar rápida y precisamente la fuerza de atracción entre rotores y estatores adyacentes.