DE102007052806A1

DE102007052806A1 - Messanordnung und Verfahren zur Untersuchung des Ganges

Info

Publication number: DE102007052806A1
Application number: DE102007052806A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medical GmbH
Current assignee: Zebris Medical GmbH
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Messanordnung zur Untersuchung des Ganges eines Menschen oder Wirbeltieres als Untersuchungsobjekt, umfassend: eine Anatomiesensorik-Komponente mit Positions- und/oder Winkelsensoren zur Erfassung der Relativposition und/oder Relativlage von gangrelevanten Körperabschnitten des Untersuchungsobjektes, eine Inertialsensorik-Komponente zur dynamischen Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen der gangrelevanten Körperabschnitte des Untersuchungsobjektes und eine eingangsseitig signalmäßig mit der Anatomiesensorik-Komponente und der Inertialsensorik-Komponente verbundene Auswertungs-Komponente, die zur verknüpften Auswertung der Daten zu den Relativpositionen bzw. -lagen und Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen der gangrelevanten Körperabschnitte ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung und ein Verfahren zur Untersuchung des Ganges eines Menschen oder eines Wirbeltieres als Untersuchungsobjekt.
Von allen Bewegungsformen ist das Gehen für den Menschen eine der bedeutsamsten, da es ihm Mobilität und damit Unabhängigkeit und Teilnahme am normalen Alltagsleben ermöglicht. Bewegungen wie das Gehen sind bei vielen Krankheiten, aber auch mit zunehmendem Alter eingeschränkt. Diese Einschränkungen können das Ausmaß, den Ablauf und die Koordination von Bewegungen betreffen. Zudem ist zu berücksichtigen, wie viele kortikale Ressourcen (Z. B. Aufmerksamkeit) die Durchführung einer Bewegung beansprucht. So kann ein junger gesunder Mensch beispielsweise auch auf unebenem Grund gehen und dabei ein Gespräch führen, während ein Patient oder älterer Mensch sich möglicherweise ganz auf den Bewegungsablauf des Gehens konzentrieren muss und schon eine kleine Ablenkung die Sturzgefahr deutlich erhöht. Das Phänomen, dass manche ältere Menschen stehen bleiben, wenn sie zu sprechen beginnen („stops walking when talking"), deutet bereits auf ein erhöhtes Sturzrisiko hin und zeigt, dass das Gehen in diesen Fällen massiv kortikale Ressourcen in Anspruch nimmt und mit anderen simultanen kognitiven Beanspruchungen schwer vereinbar ist.
Bewegungen wie das gehen können beschrieben werden durch Veränderungen von Raumkoordination im zeitlichen Verlauf, wobei insbesondere der zeitliche Verlauf der Parameter (z. B. Veränderungen der Geschwindigkeit einer Bewegung) mit bloßem Auge nicht ohne weiteres erkannt werden kann. Zur Erfassung solcher dyna mischer Parameter ist der Einsatz digitaler Bewegungsanalysesysteme notwendig. Die genaue Messung von Bewegungen und Bewegungseinschränkungen beim Gehen, wenn möglich in natürlichen Umgebungen, ist die Basis wissenschaftlicher Grundlagenforschung, aber auch eine Vorraussetzung für die klinische Beurteilung der Dynamik von Gangleistungen und Gangsicherheit (z. B. in der Physio- und Ergotherapie oder der Orthopädie – bei Patienten mit Bewegungseinschränkungen oder bei Hilfsmittelanpassungen wie orthopädischen Schuhen).
Es ist bekannt, die individuellen Eigenarten des Ganges oder Laufes eines Menschen per Fotosequenz oder Video bildlich zu erfassen und die gewonnenen Bilder bzw. Bildfolgen anschließend visuell auszuwerten. Dies ermöglicht auch bis zu einem gewissen Grade die gleichzeitige Berücksichtigung dynamischer und anatomischer Größen, allerdings nicht mit einer hohen Ansprüchen genügenden Genauigkeit. Seit langem bekannt und im diagnostischen Einsatz sind auch Laufbandanordnungen, bei denen der Proband praktisch „auf der Stelle" geht oder läuft und durch die einerseits die bildliche/visuelle Erfassung der Gangparameter mit höherer Genauigkeit geling und zum anderen die Erfassung zusätzlicher Größen möglich wird. So lehrt die unveröffentlichte internationale Patentanmeldung PCT/EP 2006 010471 der Anmelderin die Ausrüstung einer Laufbandanordnung mit einer Kraftmessplatte zur räumlich aufgelösten Fassung der beim Aufsetzen der Füße des Probanden ausgeübten Bodenreaktionskräfte.
Es wäre für die Beurteilung der Gangleistungen von größter Bedeutung, das Gehen in seiner Dynamik unter natürlichen Bedingungen analysieren zu können. Gerade verschiedene Untergründe (ebene vs. unebene Fläche, Fliesen, Teppich, Gras, Kies) und unterschiedliche Rahmenbedingungen (mit vs. ohne Last, z. B. Einkaufstasche, Tablett) dürften die Gangparameter und damit die Gangstabilität sehr unterschiedlich beeinflussen. Allerdings existiert kein ausreichend präzises mobiles System, welches in einer natürlichen Umgebung bei natürlichen Bewegungen, also außerhalb des Labors, eingesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung einer insoweit verbesserten Messanordnung und eines verbesserten Verfahrens zugrunde, welche insbe sondere eine Untersuchung des Ganges (bzw. Laufes) mit hoher Flexibilität hinsichtlich der Umgebungsbedingungen und mit einer für differenzierte Auswertungen hinreichenden Genauigkeit erlauben.
Diese Aufgabe wird in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem Verfahrensaspekt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Das vorgeschlagene System erlaubt es erstmals grundsätzlich, den Gang eines Menschen oder Wirbeltiers unter realistischen Bedingungen, also auf verschiedenen natürlichen Untergründen, unter verschiedenen kognitiven Belastungen und auf längeren Strecken unter allgemein wissenschaftlichen und spezifisch diagnostischen Aspekten zu untersuchen. Das vorgeschlagene System zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Inertialsensor-Messdaten für eine optimierte Bewegungsanalyse mit Anatomie-Messdaten, die die Körpergeometrie mit hinreichender Genauigkeit widerspiegeln, zusammengeführt und in Bezug zu einem biometrischen Modell gesetzt werden können. Das vorgeschlagene System legt damit unter anderem einen Grundstein für Systeme zur Überprüfung der Wechselwirkungen zwischen kognitiven Belastungen und den Bewegungsabläufen, insbesondere bei Patienten mit bestimmten Krankheiten und älteren Menschen, womit etwa wesentliche Fortschritte im Bereich der Sturzprophylaxe erzielt werden könnten.
Eine Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anatomiesensorik-Komponente tragbare Positionssensoren und daran angepasste Befestigungsmittel zu deren Befestigung am Untersuchungsobjekt oder Antast-Positionssensoren zur temporären Kontaktierung vorbestimmter anatomischer Punkte am Untersuchungsobjekt aufweist. Hierbei weist insbesondere die Anatomiesensorik-Komponente eine mechanische Abtastvorrichtung, speziell etwa in Art eines Abtastzirkels, auf, auf der mindestens zwei Positionssensoren in vorbestimmter, insbesondere einstellbarer, Lagebeziehung zueinander fixiert sind, wie in der DE 10 2006 004 514 A1 der Anmelderin vorgeschlagen. Zudem kann sinnvollerweise die Anatomiesensorik-Komponente eine Längenmesseinrichtung, insbesondere zur Bestimmung der Länge von Beinabschnitten des Untersuchungsobjektes, nämlich des Ober- und Unterschenkels und/oder wahlweise des Fußes oder eines Fußabschnittes, aufweisen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungs-Komponente zur Bestimmung von Bewegungswinkeln und optional Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen von Abschnitten des Beines des Untersuchungsobjektes aus den Signalen der Inertialsensoren ausgebildet ist.
Insbesondere umfasst die Messanordnung an die Inertialsensoren angepasste Befestigungsmittel zur Anbringung am Fuß, Unterschenkel, Knie und/oder Oberschenkel des Untersuchungsobjektes. Dies können etwa geeignete verstellbare und/oder elastische Bänder bzw. Manschetten sein, die den Probanden beim Gehen/Laufen einerseits nicht behindern, andererseits aber eine hinreichend stabile und nach Möglichkeit auch erschütterungsarme Fixierung der Sensoren ermöglichen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Positionssensoren als licht- oder infrarotoptische oder auf Funkwellenbasis oder Ultraschallbasis oder Halleffekt-Basis arbeitende aktive oder passive Sensoren ausgebildet sind. Derartige Positionssensoren sind aus so genannten Navigationssystemen für den Einsatz bei Industrierobotern oder auch bereits im medizinischen Einsatz als solche ebenso bekannt wie die zugehörige Peripherie, also angepasste Sende- bzw. Empfangseinrichtungen und Auswertungsmodule mit bewährten Auswertungsalgorithmen. Eine detailiertere Beschreibung dieser Sensorik ist daher hier nicht erforderlich.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Positionssensoren und/oder die Inertialsensoren zur Erfassung der jeweiligen Messgröße in allen Richtungs- bzw. Winkel-Freiheitsgraden ausgebildet sind. Der Grad, in dem die Anatomiesensorik-Komponente einerseits und die Inertialsensorik-Komponente andererseits dem gerecht werden, hängt natürlich neben der Konstruktion der eigentlichen Sensoren auch vom Gesamtaufbau der jeweiligen Erfassungsanordnung und deren konkreter Betriebsweise ab. Im Rahmen der Erfindung liegen insoweit auch Anordnungen, bei denen vorrangig oder ausschließlich bestimmte Komponenten von Positions- oder Winkeländerungen bzw. Beschleunigungen/Verzögerungen bestimmter Körperabschnitte, da solche in einer durch die Laufrichtung und Körperlängsachse des Untersuchungsobjektes aufgespannten Ebene, erfasst werden. Das Gesamt-Auswertungspotential solcher Messwerte ist naturgemäß geringer als das von Messungen, bei denen Messwert-Komponenten in allen Raumrichtungen vorliegen, für die meisten praktischen und viele wissenschaftlichen Anwendungen aber voraussichtlich ausreichend.
Zur Ausführung der Erfindung ist zweckmäßigerweise in der Auswertungs-Komponente ein biomechanisches Modell des Untersuchungsobjektes zur Vorbestimmung von Abtastpunkten der Positionssensoren und zur Simulation einer Körperanatomie aufgrund der Signale der Anatomiesensorik-Komponente implementiert. Alternativ können auch jeweils benötigte Komponenten eines solchen biomechanischen Modells aus einer externen Datenbasis in die Auswertungs-Komponente geladen werden, oder diese kann mit dem darin implementierten Auswertungsalgorithmus und ihrer Verarbeitungskapazität in geeigneter Weise mit einer externen Datenbasis zusammenwirken.
Grundsätzlich kann die Anatomiesensorik-Komponente ihre Erfassungsaufgaben kausal und zeitlich unabhängig von der Inertialsensorik-Komponente erfüllen; bevorzugt ist jedoch eine Ausführung, die sich dadurch auszeichnet, dass die Erfassung der Relativposition durch die Anatomiesensorik-Komponente und die Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen durch die Inertialsensorik-Komponente mindestens zeitlich überlappend, insbesondere gleichzeitig, durchgeführt werden.
Zu diesem Zweck umfasst die Messanordnung sinnvollerweise eine erste Synchronisations-Komponente zur Synchronisation der Anatomiesensorik-Komponente mit der Inertialsensorik-Komponente, wobei die erste Synchronisations-Komponente eine leitungsgebundene oder drahtlose Synchronisationssignal-Übertragungsstrecke zwischen den Positions- bzw. Winkelsensoren und/oder den Inertialsensoren und der Auswertungs-Kom-ponente umfasst. Dies lässt sich mit grundsätzlich bekannter und kommerziell verfügbarer Technik so realisieren, dass den Positionssensoren und/oder den Inertialsensoren IR-Sende- oder IR-Empfangselemente und hieran angepasst der Auswertungs-Komponente IR-Empfangs- oder IR-Sendeelemente zur Übertragung der Synchronisationssignale zugeordnet sind.
Eine weitere zweckmäßige Ausführung der Erfindung, die vor allem erweiterte Aussagemöglichkeiten zu Details der Fußbewegung ermöglicht, sieht eine Erfassung von Bodenreaktionskräften beim Gang oder Lauf des Untersuchungsobjektes und die Einbeziehung der ermittelten Bodenreaktionskräfte in die verknüpfte Auswertung zu den Relativpositionen bzw. -lagen und Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte vor.
Die verwendete Inertialsensorik erlaubt die Darstellung von Gelenkmodellen, die jedoch keinen Bezug zu einer festen Raumposition haben. Die Gelenkmodelle können beispielsweise als Skelettmodelle ausgeführt sein. Üblicherweise wird versucht, zusätzlich über entsprechende Sensoren die Ausrichtung des Erdmagnetfeldes zu verwenden, um einen festen Raumbezug zu errechnen. Dies ist jedoch sehr störanfällig und ungenau und erlaubt es nicht, den exakten Bezug des Gelenkmodells zum Untergrund zu bestimmen.
Zur Erfassung der Bodenreaktionskräfte wird daher hier vorzugsweise eine an sich bekannte Kraftmessplatte oder Laufbandanordnung verwendet, deren Kraftsensorik aus einer Matrix mit einer Vielzahl von Drucksensoren besteht. Der gehende oder stehende Mensch erzeugt aufgrund der Anatomie der Füße durch den Bodenkontakt typische Druckverteilungsmuster, woraus der Bewegungsablauf und die Bewegungsrichtung ersichtlich wird. In einer bevorzugten Ausführung wird die Anatomie der Füsse mit der Anatomie des Gelenkmodells korreliert und das Gelenkmodell wird phasenweise räumlich den Druckverteilungsbildern zugeordnet. Damit kann das Gelenkmodell im Raum ausgerichtet und in einen festen Bezug gebracht werden.
Andererseits ist vorgesehen, dass die Kraftmessmittel tragbar und daran angepasst sind, vom Untersuchungsobjekt in Schuhen getragen zu werden, und wobei der ih nen zugeordnete Messsignalsender sowie der Signalempfänger an der Auswertungs-Komponente zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildet sind.
Auch für diesen zusätzlichen Erfassungsvorgang ist sinnvollerweise eine Synchronisation mit der Signalbereitstellung durch die Anatomiesensorik-Komponente und/oder die Inertialsensorik-Komponente vorgesehen, die grundsätzlich mit den an sich bekannten Mitteln zur Synchronisation derartiger Auswertungen realisiert werden kann. Hierzu wird etwa verwiesen auf die DE 10 2006 008738 A1 der Anmelderin.
Vorteil und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus der nachfolgenden Skizzenartigen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in den begleitenden Figuren schematisch dargestellt sind. Von diesen zeigen:
1 eine skizzenartige Darstellung einer beispielhaften Gesamtanordnung zur Untersuchung des Ganges eines Menschen in freier Natur,
2A und 2B zwei Komponenten/Untersuchungsphasen eines weiteren Systems zur Untersuchung des Ganges eines Menschen und
3 eine schematische Darstellung des Zusammenwirkens einer Inertialsensorik-Komponente mit einer Laufbandanordnung zur Erfassung der Bodenreaktionskräfte/Druckverteilung bei einer dritten Variante der Ausführung der Erfindung.
1 zeigt in einer Prinzipskizze einen über unebenes Terrain T mit verschieden strukturierten Abschnitten T1, T2 und T3 laufenden Menschen M, dessen Laufverhalten bzw. -technik in Reaktion auf die unterschiedliche Beschaffenheit des Geländes T mittels einer Mess- und Analysenanordnung 1 beobachtet und untersucht werden soll. Die Mess- und Analysenanordnung 1 umfasst in der dargestellten Ausführung mehrere Positionssensoren und Inertialsensoren, die an verschiedenen Körperabschnitten des Menschen M fixiert sind und in drahtloser Signalverbindung zu stationären Komponenten des Systems stehen, wo ihre Sendesignale als Messsignale erfasst und weiterverarbeitet werden. Die figürliche Darstellung dient lediglich zur Illustration des Wirkprinzips und soll die in den Ansprüchen formulierte Erfindung in keiner Weise beschränken.
An elastischen Bändern 3, 5, 7 und 9, die der Proband im Schulterbereich, Hüftbereich, Bereich jedes Kniegelenks und Bereich jedes Sprunggelenks trägt, sind jeweils Inertialsensoren mit Funkantennen 11, 13, 15 und 17 angebracht, und ein entsprechender Positionssensor 19 ist auch im Bereich jeder Fußspitze am Laufschuh des Probanden fixiert. Die Funkantennen der Inertialsensoren sichern eine drahtlose Verbindung zu den stationären Systemkomponenten, so dass eine Positionserfassung der relevanten Körperteile des Menschen ohne jede Behinderung beim Laufen möglich ist.
Des weiteren sind Inertialsensoren 21, 23 und 25 an den Bändern 7 und 9 im Knie- bzw. Fußgelenkbereich bzw. an der Schuhspitze angebracht, um Beschleunigungen/Verzögerungen des Knies, Fußgelenkes und der Fußspitze des Probanden beim Laufen kontinuierlich zu registrieren. Den Inertialsensoren 21, 23 und 25 ist jeweils ein IR-Sender zugeordnet, der für eine drahtlose Übertragung der Trägheitssignale zum stationären Teil des Systems sorgt.
Der stationäre Teil des Systems umfasst eine Funkkomponente 27 zum Empfang der – zur Unterscheidung der verschiedenen Sensoren voneinander geeignet kodierten – Funk-Positionssignale und eine Infrarotkomponente 29 zum Empfang der (ebenfalls differenziert kodierten) Signale der Trägheitssensoren 21 bis 25. Eine Auswertungskomponente 31 ist eingangsseitig mit der Funk- und der Infrarotkomponente 27, 29 verbunden und zum Empfang von (geeignet aufbereiteten) Eingangssignalen von diesen und zur zusammenfassenden Verarbeitung derselben ausgebildet. Insbesondere umfasst sie Zwischenspeicher- und Auswertungskapazitäten und Auswertungsalgorithmen zur verknüpften Bestimmung der zeitabhängigen Winkelgeschwindigkeiten und -beschleunigungen der Oberschenkel, Unterschenkel und Füße des beobachteten Menschen in Zuordnung zur jeweiligen Position und Lage seines Oberkörpers und der entsprechenden unteren Extremitäten.
Auf einer zugeordneten Anzeigeeinheit 33 können diese Zusammenhänge vor Ort grafisch dargestellt werden, und mit einer geeigneten Datenausgabeschnittstelle 35 können sie zu einer externen Auswertung nach außerhalb des Systems geliefert werden.
2A zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung die Vermessung der Anatomie eines Menschen (Probanden) M mittels der Anatomiesensorik-Komponente 37 einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. Diese Anatomiesensorik-Komponente umfasst eine tastzirkel-ähnliche Messvorrichtung 39, die zwei Tastarme 41a, 41b umfasst, die durch ein Drehgelenk 43 miteinander aufspreizbar verbunden sind, die jeweils eine Tastspitze 45a bzw. 45b haben und an denen jeweils mehrere Positionssensoren (Markerelemente) 47 in vorbestimmten Positionen angeordnet sind. Auch diese Positionssensoren 47 stehen – wie diejenigen bei der ersten Ausführungsform nach 1 – in drahtloser Verbindung zu Messsignalempfängern 49 einer stationären Systemkomponente 51, von denen sie aufgenommen und verarbeitet werden, um schließlich einer Auswertungseinheit 53 zur Bestimmung der wesentlichen Merkmale der Anatomie des Probanden zugeführt zu werden.
Die Messvorrichtung 39 wird so eingesetzt, dass jeweils zugleich auf beiden Körperseiten markante Punkte der Anatomie angetastet und die entsprechenden Messsignale erfasst und ausgewertet werden, woraus letztlich ein biometrisches Modell des Probanden gewonnen werden kann, das zur Untersuchung seines Ganges oder Laufes in einer entsprechenden Auswertungseinheit des Gesamtsystems implementiert wird.
In einer bevorzugten Ausführung sind bei der Bestimmung der Körperanatomie die Inertialsensoren 21, 23, 25 am Probanden befestigt wobei deren Messdaten im wesentlichen zeitgleich zu den Daten der Körperanatomie aufgezeichnet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegung der Extremitäten während der Bestimmung der Körperanatomie erkannt und gegebenenfalls berücksichtigt und kompensiert werden können.
2B zeigt die Inertialsensorik-Komponente 55 eines mit der Anatomiesensorik-Komponente 37 aus 2A zu bildenden erfindungsgemäßen Gesamtsystems, bei dem der Proband auf einem Laufband 57 geht und dabei die Winkelgeschwindigkeiten/-beschleunigungen seiner Unterschenkel und Füße erfasst werden.
Der Proband M trägt eine Sendeeinheit 59 zur drahtlosen Übertragung der Messsignale von Trägheitssensoren 61 im Bereich seiner Knie und Fußspitzen, die ihrerseits mit der Sendeeinheit 59 über Signalleitungen 63 verbunden sind, zu einer Empfangs- und Auswertungseinheit 65. Diese steht im Übrigen über eine weitere Leitungsverbindung 67 mit einer Synchronisationseinheit 69 am Laufband 57 in Verbindung, und zwischen dieser und der vom Probanden M getragenen Sendeeinheit 59 ist eine drahtlose Synchronisationssignalverbindung 71 aufgebaut. Konkret besteht diese Synchronisationssignalverbindung 71 zwischen einem Synchronisationssignalgeber 73 am Laufband 57 und einem Synchronisationssignalempfänger 75 an der drahtlosen Sendeeinheit 59.
Die in der Empfangs- und Sendeeinheit 65 gewonnene und gespeicherte Dynamik-Komponente der Bewegung der Unterschenkel und Füße des Probanden beim Laufen wird in einer weiteren (nicht dargestellten) Auswertungseinheit mit der in der Einheit 53 aus 2A vorliegenden Anatomie-Komponente in einen Auswertungs-Kontext gestellt, und dieser bietet Daten und gegebenenfalls grafische Darstellungen, die eine medizinische Beurteilung des Ganges des Probanden erlauben.
3 zeigt, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie ein Proband M unter Einsatz einer modifizierten Laufbandanordnung 77 im Hinblick auf die Charakteristika seiner Laufbewegung dadurch untersucht wird, dass einerseits die Zeitabhängigkeit der Winkelgeschwindigkeiten bzw. -beschleunigungen seines Rumpfes, Oberschenkels und Unterschenkels und andererseits die bei seinen Bodenberührungen ausgeübten Bodenreaktionskräfte erfasst werden.
Die Laufbandanordnung 77 umfasst hier neben einem Laufband 79, welches über 2 Walzen 81a, 81b läuft, eine Kraftmessplatte 83, die auf ihrer Oberfläche ein matrixartiges, hochauflösendes Kraftsensorfeld 85 trägt. Eine Tachometerstufe 87 dient zur Erfassung der Geschwindigkeit des Laufbandes und führt ihr Ausgangssignal einer Auswertungseinheit 89 zu. Eine Synchronisations- und Auswertungsstufe 91 der Kraftmessplatte 83 erfasst einerseits orts- und zeitaufgelöst die beim Laufen des Probanden M auftretenden Bodenreaktionskräfte und gibt diese an die Auswertungseinheit 89 weiter und sorgt andererseits über einen Synchronisationssignalgeber 93, der in drahtloser Verbindung 95 zu einem Synchronisationssignalempfänger 97 an einer vom Probanden M getragenen Messsignal-Sendeeinheit 99 steht, für eine Synchronisation der Bodenreaktionskraft-Signale mit den Messsignalen von durch den Probanden getragenen Inertialsensoren 101 (am Oberschenkel) 103 (im Hüftbereich) und 105 (im Bereich der Fußgelenke).
Die Inertialsensoren übermitteln ihre Messsignale über (hier nicht gesondert bezeichnete) Signalleitungen zur Messsignal-Sendeeinheit 99, und diese überträgt die Messsignale per IR-Übertragungsstrecke 107 zu einer stationären Messsignal-Empfangseinheit 109, welche sie nach einer störbefreienden Vorverarbeitung an die Auswertungseinheit 89 weiterleitet. Dort erfolgt eine zusammenfassende Auswertung der zeitabhängig gelieferten Signale der Beschleunigungssensoren 101 bis 105 mit den von der Kraftmessplatte 83 gelieferten Bodenreaktionskräften zur Bewertung der Dynamik des Laufes des Probanden M.
Die hier erläuterten Beispiele sind lediglich als Illustration der Erfindung zu verstehen, und deren Ausführung ist ebenso in vielgestaltigen Abwandlungen möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 2006010471 [0004]
- DE 102006004514 A1 [0009]
- DE 102006008738 A1 [0021]

Claims

Messanordnung zur Untersuchung des Ganges eines Menschen oder Wirbeltieres als Untersuchungsobjekt, umfassend: eine Anatomiesensorik-Komponente mit Positions- und/oder Winkelsensoren zur Erfassung der Relativposition und/oder Relativlage von gang-relevanten Körperabschnitten des Untersuchungsobjektes, eine Inertialsensorik-Komponente zur dynamischen Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte des Untersuchungsobjektes und eine eingangsseitig signalmäßig mit der Anatomiesensorik-Komponente und der Inertialsensorik-Komponente verbundene Auswertungs-Komponente, die zur verknüpften Auswertung der Daten zu den Relativpositionen bzw. -lagen und Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte ausgebildet ist, wobei mindestens Inertialsensoren der Inertialsensorik-Komponente tragbar ausgeführt und mit Befestigungsmitteln zur lösbaren Anbringung am Untersuchungsobjekt verbunden sind derart, dass dessen Gang hierdurch im wesentlichen nicht beeinflusst wird, und die weiteren Funktionseinheiten der Inertialsensorik-Komponente sowie die Auswertungs-Komponente ebenfalls tragbar ausgebildet und dann leitungsgebunden oder drahtlos mit den Positions- bzw. Winkelsensoren und Inertialsen soren verbunden oder stationär ausgebildet und dann drahtlos mit den Positions- bzw. Winkelsensoren und Inertialsensoren verbunden sind.
Messanordnung nach Anspruch 1, wobei die Anatomiesensorik-Komponente tragbare Positionssensoren und daran angepasste Befestigungsmittel zu deren Befestigung am Untersuchungsobjekt oder Antast-Positionssensoren zur temporären Kontaktierung vorbestimmter anatomischer Punkte am Untersuchungsobjekt aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 2, wobei die Anatomiesensorik-Komponente eine mechanische Abtastvorrichtung, insbesondere in Art eines Abtastzirkels, aufweist, auf der mindestens zwei Positionssensoren in vorbestimmter, insbesondere einstellbarer, Lagebeziehung zueinander fixiert sind.
Messanordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Anatomiesensorik-Komponente eine Längenmesseinrichtung, insbesondere zur Bestimmung der Länge von Beinabschnitten des Untersuchungsobjektes, nämlich des Ober- und Unterschenkels und/oder wahlweise des Fußes oder eines Fußabschnittes, aufweist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswertungs-Komponente zur Bestimmung von Bewegungswinkeln und optional Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen von Abschnitten des Beines des Untersuchungsobjektes aus den Signalen der Inertialsensoren ausgebildet ist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit an die Inertialsensoren angepassten Befestigungsmitteln zur Anbringung am Fuß, Unterschenkel, Knie und/oder Oberschenkel des Untersuchungsobjektes.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Positionssensoren als licht- oder infrarotoptische oder auf Funkwellenbasis oder Ultraschallbasis oder Halleffekt-Basis arbeitende aktive oder passive Sensoren ausgebildet sind.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Positionssensoren und/oder die Inertialsensoren zur Erfassung der jeweiligen Messgröße in allen Richtungs- bzw. Winkel-Freiheitsgraden ausgebildet sind.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in der Auswertungs-Komponente ein biomechanisches Modell des Untersuchungsobjektes zur Vorbestimmung von Abtastpunkten der Positionssensoren und zur Simulation einer Körperanatomie aufgrund der Signale der Anatomiesensorik-Komponente implementiert ist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Synchronisations-Komponente zur Synchronisation der Anatomiesensorik-Komponente mit der Inertialsensorik-Komponente, wobei die erste Synchronisations-Komponente eine leitungsgebundene oder drahtlose Synchronisationssignal-Übertragungsstrecke zwischen den Positions- bzw. Winkelsensoren und/oder den Inertialsensoren und der Auswertungs-Komponente umfasst.
Messanordnung nach Anspruch 10, wobei den Positionssensoren und/oder den Inertialsensoren IR-Sende- oder IR-Empfangselemente und hieran angepasst der Auswertungs-Komponente IR-Empfangs- oder IR-Sendeelemente zur Übertragung der Synchronisationssignale zugeordnet sind.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Kraftmessmittel zur Erfassung von Bodenreaktionskräften beim Gang des Untersuchungsobjektes vorgesehen sind, denen ein Messsignalsender zugeordnet ist, und dass der Auswertungs-Komponente ein entsprechender Signalempfän ger zum Empfang von Kraftmesssignalen zugeordnet ist und sie zur Einbeziehung der ermittelten Bodenreaktionskräfte in die verknüpfte Auswertung zu den Relativpositionen bzw. -lagen und Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte ausgebildet ist.
Messanordnung nach Anspruch 12, wobei die Kraftmessmittel eine Kraftmessplatte mit einer Matrix-Anordnung von Drucksensoren zur Erfassung der räumlichen Druckverteilung beim Aufsetzen der Füße aufweisen.
Messanordnung nach Anspruch 12, wobei die Kraftmessmittel tragbar und daran angepasst sind, vom Untersuchungsobjekt in Schuhen getragen zu werden, und wobei der ihnen zugeordnete Messsignalsender sowie der Signalempfänger an der Auswertungs-Komponente zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildet sind.
Messanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei den Kraftmessmitteln zur Erfassung der Bodenreaktionskräfte eine zweite Synchronisations-Komponente zur Synchronisation ihrer Messsignale mit denen der Anatomiesensorik-Komponente und/oder der Inertialsensorik-Komponente zugeordnet ist, wobei die zweite Synchronisations-Komponente eine leitungsgebundene oder drahtlose Synchronisationssignal-Übertragungsstrecke zwischen den Kraftmessmitteln und der Auswertungs-Komponente oder entweder den Präzisions- bzw. Winkelsensoren oder den Inertialsensoren umfasst.
Verfahren zur Gewinnung biometrischer Daten zur Untersuchung des Ganges eines Menschen oder Wirbeltieres als Untersuchungsobjekt, umfassend: die Erfassung der Relativposition von gang-relevanten Körperabschnitten des Untersuchungsobjektes durch eine Anatomiesensorik-Komponente einer Messanordnung, die Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte des Untersuchungsobjektes durch eine Inertialsensorik-Komponente der Messanordnung und eine verknüpfte Auswertung der Daten zu den Relativpositionen und Drehwinkeln bzw. Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte aufgrund von Messsignalen der Anatomiesensorik-Komponente und der Inertialsensorik-Komponente, wobei das Untersuchungsobjekt auf einem stationären Untergrund geht und mindestens Positions- bzw. Winkelsensoren der Anatomiesensorik-Komponente und Inertialsensoren der Inertialsensorik-Komponente in einer Weise mit sich trägt, dass sein Gang hierdurch im wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zur Erfassung der Relativposition und einer Relativlage der gangrelevanten Körperabschnitte dynamisch deren Winkelstellungen und einmalig, insbesondere vorab, relevante Längen- bzw. Abstandswerte erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei im Rahmen der verknüpften Auswertung Bewegungswinkel und optional Winkelgeschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen von Abschnitten des Beines des Untersuchungsobjektes bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die dynamische Erfassung der Relativposition und wahlweise Relativlage der gang-relevanten Körperabschnitte eine Fernortung unter Nutzung der Signale von als licht- oder infrarotoptische oder auf Funkwellenbasis oder Ultraschallbasis oder Halleffekt-Basis arbeitenden aktiven oder passiven Positionssensoren aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Erfassung von Längen- bzw. Abstandswerten eine mechanische Abtastung von charakteristischen Punkten am Körper des Untersuchungsobjektes, insbesondere unter Einsatz von als licht- oder infrarotoptische oder auf Funkwellenbasis oder Ultraschallbasis oder Halleffekt-Basis arbeitenden aktiven oder passiven Positionssensoren, einschließt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei es eine Vorbestimmung von Abtastpunkten der Positionssensoren und die Auswertung eine Simulation einer Körperanatomie aufgrund der Signale der Anatomiesensorik-Komponente anhand eines biomechanischen Modells des Untersuchungsobjektes aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die Erfassung der Relativposition durch die Anatomiesensorik-Komponente und die Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen durch die Inertialsensorik-Komponente mindestens zeitlich überlappend, insbesondere gleichzeitig, durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Synchronisation der Anatomiesensorik-Komponente mit der Inertialsensorik-Komponente, insbesondere durch drahtlose Übermittlung von Synchronisationssignalen zwischen den Positions- bzw. Winkelsensoren und/oder den Inertialsensoren und der Auswertungs-Komponente.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei eine Erfassung von Bodenreaktionskräften beim Gang des Untersuchungsobjektes vorgesehen ist, und die ermittelten Bodenreaktionskräfte in die verknüpfte Auswertung zu den Relativpositionen bzw. -lagen und Beschleunigungen/Verzögerungen der gang-relevanten Körperabschnitte einbezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Erfassung der Bodenreaktionskräfte mindestens zeitlich überlappend, insbesondere gleichzeitig, mit der Erfassung der Relativposition durch die Anatomiesensorik-Komponente und/oder der Erfassung von Drehwinkeln und/oder Beschleunigungen/Verzögerungen durch die Inertialsensorik-Komponente durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei die Erfassung der Bodenreaktionskräfte eine Erfassung der räumlichen Druck verteilung beim Aufsetzen der Füße mittels einer, insbesondere raumfesten, Matrix-Anordnung von Drucksensoren umfasst.