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Die
Erfindung betrifft eine erste Sensorvorrichtung zum Messen einer
Torsion, eine Sensorvorrichtung zum Messen einer Flexion und einer
Torsion sowie eine Anordnung zum Messen einer Torsion oder Torsion
mit Flexion, wobei die jeweiligen Sensorvorrichtungen und die Anordnung
einen ersten beziehungsweise zweiten Lichtleiter mit sensitiven Zonen
umfassen.
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Aufgrund
einer stetigen Zunahme an Wirbelsäulenerkrankungen, beispielsweise
verursacht durch körperliche
Fehlhaltung am Arbeitsplatz, Übergewicht
oder unzureichende Bewegung der Rückenmuskulatur, steigt ein
Bedarf an therapeutischen und diagnostischen Hilfsmitteln in der
Orthopädie
zur Identifikation und Reduktion von Krankheitsursachen und die
daraus resultierenden Wirkungen für Patienten.
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In
einer deutschen Patentanmeldung mit einem Aktenzeichen
DE 10 2006 045138.4 sind eine Vorrichtung,
ein Sensor, ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Vermessung
eines Wirbelsäulenverlaufs
und von Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
bekannt. Dort wird vorgeschlagen, mit Hilfe eines Lichtleiters eine
Vermessung von verschiedenen Bewegungsebenen der Wirbelsäule vorzunehmen.
Dieses Dokument gibt an, in welcher Art und Weise der Lichtleiter
durch eine partielle geometrische Veränderung im Kern-Mantel-Übergang,
das heißt
durch eine mechanische Verletzung (= biegesensitive Zone), biegesensitiv
ausgestaltet werden kann. Um eine Beschädigung des Lichtleiters durch
Bewegung eines Patienten zu verhindern wird ebenfalls vorgeschlagen
den Lichtleiter mäanderförmig oder
mittels Dehnschlaufen anzuordnen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine jeweilige
Sensorvorrichtung bzw. Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der sowohl
eine Beschädigung
der jeweiligen Sensorvorrichtung bzw. Anordnung durch eine mechanische Bewegung
vermieden als auch eine Messung der Torsion beziehungsweise der
Torsion und Flexion mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind den abhängigen
Ansprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung betrifft eine erste Sensorvorrichtung zum Messen einer
Torsion, wobei die erste Sensorvorrichtung einen ersten Lichtleiter
mit sensitiven Zonen umfasst, bei der der erste Lichtleiter in zumindest
einer ersten Schlaufe in einer Ebene geformt ist, wobei sich der
erste Lichtleiter in einer zur Anzahl erster Schlaufen entsprechenden
Anzahl an Kreuzungspunkten kreuzt, eine Torsionsachse durch die
Anzahl an Kreuzungspunkten verläuft
und die Torsionsachse die Anzahl an ersten Schlaufen in zwei Hälften teilt.
Ferner ist in einer der beiden Hälften
links und rechts um einen jeweiligen Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters über der
Torsionsachse jeweils eine der sensitiven Zonen auf dem ersten Lichtleiter
angeordnet. Dabei sind die sensitiven Zonen derart angeordnet, dass
sie eine aufgrund der Torsion auftretende Verbiegung des ersten
Lichtleiters in einen jeweiligen Bereich der sensitiven Zonen anzeigen.
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Die
erste Sensorvorrichtung zeigt den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer
schlaufenförmigen
Anordnung in der Ebene, wie beispielsweise angeordnet auf einem
Rücken
eines Patienten, auch geometrischen Veränderungen der Ebene, wie beispielsweise
durch Dehnen des Rückens,
folgen kann. Zudem wird durch ein Anordnen der sensitiven Zonen
links und rechts um den jeweiligen Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters über der
Torsionsachse erreicht, dass eine hohe Genauigkeit bei der Messung
der Torsion erzielt werden kann. Dabei ist der erste Lichtleiter einseitig
mechanisch verletzt. Als Ebene ist hierbei ganz allgemein eine planare
oder nicht-planare Fläche zu
verstehen, wobei diese parallel zu einer Oberfläche eines Körpers, bspw. einer Rückenoberfläche oder
einer Oberfläche
eines Gegenstands, ausgeformt sein kann. Der erste Lichtleiter kann
in einer einzigen ersten Schlaufe, in einer als acht geformten ersten
Schlaufe oder mit einer beliebigen Anzahl an ersten Schlaufen ausgebildet
sein.
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Vorzugsweise
umfasst die erste Sensorvorrichtung ein dehnbares Trägermaterial,
wobei der erste Lichtleiter an seinem zumindest einen Kreuzungspunkt
mit dem dehnbaren Trägermaterial
verbunden ist. Die Verwendung des Trägermaterials hat den Vorteil,
dass die geometrische Anordnung der Sensorvorrichtung auf dem Trägermaterial
fixiert und anschließend
der erste Lichtleiter zusammen mit dem dehnbaren Trägermaterial
in einfacher Weise auf den zu vermessenden Körper, zum Beispiel den Rücken eines
Patienten, aufgebracht werden kann. Dadurch, dass das Trägermaterial
dehnbar ist, passt sich sowohl das Trägermaterial als auch der in Schlaufen
geformte erste Lichtleiter Bewegungen der Oberfläche des Körpers an.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Sensorvorrichtung zum Messe einer
Flexion mit einer Torsion, umfassend die erste Sensorvorrichtung
und eine zweite Sensorvorrichtung zum Messen der Flexion, wobei
die zweite Sensorvorrichtung
- a) einen zweiten
Lichtleiter mit sensitiven Zonen umfasst;
- b) der zweite Lichtleiter in zumindest einer zweiten Schlaufe
in einer Ebene geformt ist, wobei sich der zweite Lichtleiter in
entsprechend einer Anzahl an zweiten Schlaufen an Kreuzungspunkten
kreuzt, die Achse durch die Anzahl der Kreuzungspunkte verläuft und
die Achse die Anzahl der zweiten Schlaufen in jeweils zwei Hälften aufteilt;
- c) in den beiden Hälften
der jeweiligen zweiten Schlaufen in dem jeweiligen Scheitelpunkt
des zweiten Lichtleiters über
der Achse die jeweilige sensitive Zone angeordnet ist;
- d) die sensitiven Zonen derart angeordnet sind, dass sie eine
aufgrund der Flexion auftretenden Verbiegung des zweiten Lichtleiters
in einem jeweiligen Bereich der sensitiven Zonen anzeigen;
jeweils
einer der Kreuzungspunkte des ersten Lichtleiters mit jeweils einem
der Kreuzungspunkte des zweiten Lichtleiters, insbesondere fest,
verbunden ist.
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Durch
diese Sensorvorrichtung ist ein Sensorelement verfügbar, welches
sowohl Torsion als auch Flexion mit Hilfe von Lichtleitern in einfacher und
zuverlässiger
Weise messen kann. Da die beiden Lichtleiter der Sensorvorrichtung
schlaufenförmig
angeordnet sind, ist gewährleistet,
dass die Lichtleiter einer Änderung
der Ebene, d.h. bspw. einer Änderung
einer Rückenform
des Patienten, folgen können.
Zudem weist die feste Verbindung eines jeweiligen Kreuzungspunkts
des ersten mit einem jeweiligen des zweiten Lichtleiters den Vorteil
auf, dass eine jeweilige Lage des ersten und zweiten Lichtleiters
zueinander auch bei Änderungen
der Ebene bzw. Oberfläche
des Körpers
in einem definierten geometrischen Verhältnis zueinander steht. Hierdurch wird
ein Auswerten der Messergebnisse, die durch die Torsion und Flexion
aufgrund der jeweiligen sensitiven Zonen des ersten und zweiten
Lichtleiters generiert werden, in einfacher Weise möglicht,
da die Lage des ersten und zweiten Lichtleiters auch bei Änderungen
der Ebene zueinander definiert ist. Der zweite Lichtleiter kann
einseitig mechanisch verletzt sein.
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Als
Ebene ist ganz allgemein eine planare oder nicht-planare Fläche zu verstehen,
wobei diese parallel zu einer Oberfläche eines Körpers, bspw. einer Rückenoberfläche oder
einer Oberfläche
eines Gegenstands, ausgeformt sein kann. Der erste Lichtleiter kann
in einer einzigen ersten Schlaufe, in einer als acht geformten ersten
Schlaufe oder mit einer beliebigen Anzahl an ersten Schlaufen ausgebildet sein.
Eine jeweilige Anzahl an ersten und zweiten Schlaufen kann unterschiedlich
sein. Die Verbindung der beiden Lichtleiter an den Kreuzungspunkten kann
mittels einem Klebstoff oder einer Klammer erfolgen.
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Ferner
kann die Messung der Torsion dadurch verbessert werden, dass Abschnitte
des ersten Lichtleiters zwischen Kreu zungspunkt und Scheitelpunkt,
insbesondere im Übergangsbereich
einer Anordnung der sensitiven Zonen, möglichst parallel, bspw. kleiner
+/– 10
Grad, zueinander angeordnet sind. Zudem verbessert auch eine möglichst
symmetrische Anordnung des ersten Lichtleiters um die Torsionsachse
das Messergebnis.
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Vorzugsweise
wird in einer Erweiterung der Sensorvorrichtung ein erster Abstand
zwischen Torsionsachse und Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters größer als
ein zweiter Abstand zwischen der Achse und dem Scheitelpunkt des
zweiten Lichtleiters gewählt.
Durch diese spezifische Ausprägung
der ersten und zweiten Sensorvorrichtung bzw. einer Lage der ersten
und zweiten Lichtleiter wird erreicht, dass die Torsion mit einer
besonders hohen Genauigkeit messbar ist.
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In
einer Erweiterung kann die Sensorvorrichtung ferner ein dehnbares
Trägermaterial
umfassen, wobei der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an
dem zumindest einen gemeinsam, insbesondere fest, verbundenen Kreuzungspunkt
mit dem dehnbaren Trägermaterial
verbunden sind. Diese Erweiterung zeigt den Vorteil, dass der erste
und zweite Lichtleiter in einfacher Weise auf dem Trägermaterial befestigt
und anschließend
gemeinsam mit dem Trägermaterial
auf der zu vermessenden Körperoberfläche, zum
Beispiel dem Rücken
des Patienten, aufgebracht werden können. Dadurch, dass das Trägermaterial
auch dehnbar und flexibel und die beiden Lichtleiter in Schlaufen
geformt sind, folgen sowohl das Trägermaterial als auch die beiden
Lichtleiter Veränderungen
der zu messenden Körperoberfläche.
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Ferner
können
zusätzliche
Fixierungspunkte zum Fixieren des ersten Lichtleiters auf dem dehnbaren
Trägermaterial
derart aufgebracht werden, dass diese sich zwischen dem jeweiligen
Scheitelpunkt und den jeweiligen sensitiven Zonen befinden. Hiermit
lässt sich
eine weitere Verbesserung der Messungen für die Torsion erreichen, da
der erste Lichtleiter exakter Veränderungen der Ebene bei der
Torsionsbewegung folgen kann.
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Auch
diese Fixierung kann mittels einem Klebstoff oder einer Klammer
erfolgen.
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Eine
weitere Verbesserung bei der Messung der Torsion mittels der ersten
Sensorvorrichtung beziehungsweise der Sensorvorrichtung kann dadurch erreicht
werden, dass der erste Lichtleiter derart schlaufenförmig angeordnet
wird, dass Abschnitte des ersten Lichtleiters, die sich zwischen
den jeweiligen Scheitelpunkten befinden, möglichst beziehungsweise nahezu
parallel angeordnet sind. Eine Genauigkeit des Messergebnisses zum
Messen der Torsion lässt
sich ferner dadurch verbessern, dass die besagten Abschnitte nahezu
orthogonal zur Torsionsachse angeordnet werden.
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Schließlich ist
Teil der Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Torsion oder
einer Torsion und einer Flexion über
einen Bereich, wobei die Anordnung zumindest zwei erste Sensorvorrichtungen oder
zumindest zwei Sensorvorrichtungen in hintereinander angeordneter
Reihe aufweist. Durch die Hintereinanderreihung mehrerer erster
Sensorvorrichtungen beziehungsweise Sensorvorrichtungen kann eine
Messung der Torsion beziehungsweise der Torsion und Flexion über einen
größeren Bereich, zum
Beispiel vom ersten bis zum letzten Wirbel der Wirbelsäule des
Patienten, gemessen werden.
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In
den vorangegangenen Ausführungen
ist die jeweilige sensitive Zone mittels einer partiellen geometrischen
Veränderung
im Kern-Mantel-Übergang,
das heißt
durch eine mechanische Verletzung, beschrieben werden. Da auch eine
Biegung eines jeweiligen Lichtleiters ohne eine derartige mechanische
Verletzung eine Änderung
einer Lichtdämpfung, d.h.
Transmission, in Abhängigkeit
der Biegung verwirkt, soll im Rahmen dieser Beschreibung auch eine Zone
ohne mechanische Verletzung des Lichtleiters als weitere Ausführungsform
als sensitive Zone verstanden werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Sensorvorrichtung zum Messen
einer Torsion;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Sensorvorrichtung zum Messen
einer Flexion beziehungsweise Extension;
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3 eine
schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung zum Messen einer
Flexion und einer Torsion, angeordnet auf einem dehnbaren Trägermaterial;
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4 eine
schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen der Torsion
oder der Torsion und der Flexion.
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Elemente
mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
für Sensorvorrichtungen
basieren auf dem Messprinzip, dass Licht an einem ersten Ende in einen
Lichtleiter eingekoppelt und aufgrund von Verletzungen des Lichtleiters,
das heißt
partiellen geometrischen Veränderungen
im Kern-Mantel-Übergang
des Lichtleiters (= sensitive Zone) teilweise oder vollständig, gedämpft wird,
so dass am weiteren Ende des Lichtleiters eine in Abhängigkeit
von einer Biegung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone
abhängigen
Dämpfung
detektiert werden kann. Dieses Messprinzip ist beispielsweise aus
einer deutschen Patentanmeldung
DE
10 2006 045138.4 bekannt.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
für eine erste
Sensorvorrichtung S1 zum Messen einer Torsion. Die erste Sensorvorrichtung
S1 umfasst einen ersten Lichtleiter L1, wobei an dem einen Ende
des ersten Lichtleiter ein Licht Q1 in den ersten Lichtleiter eingekoppelt
und am weiteren Ende des ersten Lichtleiters das durch den ersten
Lichtleiter gedämpfte Licht
Q'1 ausgekoppelt
wird. Diese gedämpfte
Licht und durch eine nachgeschaltete Verarbeitungseinheit, beispielsweise
einer Fotodiode, ausgewertet.
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Der
erste Lichtleiter ist schlaufenförmig
angeordnet, beispielsweise mit einer, zwei oder n > 2 ersten Schlaufen
SC1, in 1 mit zwei ersten Schlaufen.
Die Kreuzungspunkte KP des ersten Lichtleiters befinden sich vorzugsweise
auf der Torsionsachse TA. In 1 sind die
Kreuzungspunkte KP als gestrichelte Kreise dargestellt. Durch die
Torsionsachse werden die ersten Schlaufen in zwei Hälften HT1
und HT2 aufgeteilt. Jede der ersten Schlaufen weist auf der jeweiligen
Hälfte
HT1 beziehungsweise HT2 einen Scheitelpunkt WP auf. Die sensitiven
Zonen V1 sind auf dem ersten Lichtleiter zwischen dem jeweiligen
Scheitelpunkt und Kreuzungspunkt in einem jeweiligen Übergangsbereich
UB angeordnet. Durch die spezifische Anordnung der sensitiven Zone
V1 in dem Übergangsbereich
UB wird erreicht, dass bei einer Torsionsbewegung des ersten Lichtleiters
das eingekoppelte Licht derart gedämpft wird, dass hiermit die
Torsionsbewegung gut detektierbar ist. Vorzugsweise befinden sich
die sensitiven Zonen V1 auf der Oberseite oder Unterseite des ersten
Lichtleiters, d.h. senkrecht auf der Ebene der verlegten ersten
Schlaufe SC1.
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Mit
Hilfe von 2 wird im Folgenden die bereits
aus dem Stand der Technik bekannte zweite Sensorvorrichtung kurz
erläutert.
Die zweite Sensorvorrichtung S2 umfasst einen zweiten Lichtleiter
L2, der analog zum ersten Lichtleiter schlaufenförmig in einer Ebene angeordnet
ist. Diese zweiten Schlaufen SC2 des zweiten Lichtleiters kreuzen
sich an den Kreuzungspunkten KP. Eine Achse A teilt die zweiten Schlaufen
in jeweils zwei Hälften
HT1, HT2. Bei beiden Hälften
der jeweiligen zweiten Schlaufen wird an einem jeweiligen Scheitelpunkt
WP (siehe Dreieck-Symbol) des zweiten Lichtleiters über der
Achse A die jeweilige sensitive Zone V2 angeordnet. Die sensitiven
Zonen V2 (siehe runder schwarzgefüllter Punkt-Symbol) sind hierbei derart auf dem
zweiten Lichtleiter angebracht, dass sie eine aufgrund der Flexion
auftretenden Biegung des zweiten Lichtleiters in dem jeweiligen
Bereich WPB der sensitiven Zone V2 anzeigen. Durch diese sensitiven
Zonen wird ein in den zweiten Lichtleiter eingekoppeltes Licht Q2
entsprechend einer Biegung der sensitiven Zonen mehr oder weniger
gedämpft.
Ein gedämpfte Licht
Q'2 ist dann am
anderen Ende des zweiten Lichtleiters mit Hilfe einer nachgeschalteten
Verarbeitungseinheit detektierbar.
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3 zeigt
eine Sensorvorrichtung S3, bei der auf einem dehnbaren und flexiblen
Trägermaterial
T, wie beispielsweise ein Pflasterklebestreifen, die erste Sensorvorrichtung
S1 und die zweite Sensorvorrichtung S2 gemeinsam befestigt sind,
insbesondere an den jeweiligen Kreuzungspunkten KP. Dabei können die
Kreuzungspunkte KP mit einem Klebstoff oder einer Klammer FP auf
dem Trägermaterial
fixiert werden. Zusätzlich
kann (in 3 nicht dargestellt) zwischen
dem jeweiligen Scheitelpunkt und der jeweiligen sensitiven Zone
der ersten Sensorvorrichtung S1 ein weiterer Fixierungspunkt, beispielsweise mit
Hilfe eines Klebstoffs, den ersten Lichtleiter L1 mit dem dehnbaren
Trägermaterial
fest verbinden. In der Praxis kann es vorteilhaft sein, dass ein
erster Abstand zwischen Torsionsachse und Scheitelpunkt des ersten
Lichtleiters größer ist
als ein zweiter Abstand zwischen der Achse A und dem Scheitelpunkt des
zweiten Lichtleiters, wie in 3 graphisch
dargestellt. Hierdurch wird erreicht, dass die Torsion genauer gemessen
werden kann.
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Die
Sensorvorrichtung S3 stellt ein kompaktes Sensorelement dar, welches
mit Hilfe des dehnbaren Trägermaterials
auf beliebige Oberflächen,
wie zum Beispiel auf dem Rücken
oder Arm des Patienten, aufgebracht werden kann, wobei eine Lage
der ersten und der zweiten Sensorvorrichtung, die zum Messen der
Flexion und Torsion eingesetzt werden, auf dem Trägermaterial
fixiert ist, so dass die Sensorvorrichtung auch bei sich ändernden
Oberflächen, zum
Beispiel bei Dehnung des Rückens
des Patienten, eingesetzt werden kann.
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4 zeigt
eine exemplarische Anordnung SA zum Messen einer Torsion und einer
Flexion über einen
Bereich BE. Der Be reich BE erstreckt sich beispielsweise über einen
Abschnitt der Wirbelsäule vom
zweiten bis zum siebten Lendenwirbel. Um eine genaue Messung der
Torsion und Flexion im Bereich dieser Wirbel zu ermöglichen,
werden gemäß der Anordnung
SA zwei oder mehrere Sensorvorrichtungen in Reihe hintereinander
auf dem Bereich angebracht. Jede der Sensorvorrichtungen misst die
Torsion und die Flexion an der Stelle, an der sich die jeweilige Sensorvorrichtung
innerhalb des Bereichs BE befindet. Durch eine (nicht in 4 dargestellte)
Verarbeitung der jeweiligen Messsignale der zwei oder mehreren Sensorvorrichtungen
kann ein Verlauf der Torsion und der Flexion über den Bereich BE ermittelt werden.
An Stelle der Sensorvorrichtungen S3 kann die Anordnung SA nur zwei
oder mehrere erste Sensorvorrichtungen S1 aufweisen, wobei in diesem
Fall lediglich die Torsion innerhalb des Bereichs BE messbar ist.
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Die
Erfindung ist zur Messung der Torsion und der Torsion mit Flexion
von Körperteilen
des Patienten dargestellt worden. Im Allgemeinen können die
ausgeführten
Sensorvorrichtungen bzw. Anordnung beliebige Oberflächen vermessen.
Ferner können
auch die Ausführungsbeispiele
kombiniert werden.