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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Diagnose und/oder Therapie von Funktionsstörungen der
Halswirbelsäule
(HWS), insbesondere nach HWS-Beschleunigungsverletzungen.
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Die HWS-Beschleunigungsverletzung
ist eine der häufigsten
Verletzungen unserer Zeit. In der überwiegenden Mehrzahl der Gesundheitssysteme
verursacht sie immense Kosten. Keine andere Erkrankung oder Unfallverletzung
bedingt eine ähnliche
sozialpolitische und wirtschaftliche Belastung. Die Problematik
von HWS-Beschleunigungsverletzungen,
den sog. Schleudertraumen, liegt in der diagnostischen Unsicherheit
und der daraus resultierenden fehlenden Therapiestrategie. Die bildgebende
Diagnostik kann lediglich strukturelle Schäden darstellen. Diese sind
jedoch selten und betragen nur 3%–5% der in der Praxis auftretenden
Fälle. Bei
den restlichen 95%–97%
der Patienten können
keine Schäden
dargestellt werden, obwohl Symptome wie Schmerzen, Bewegungseinschränkung, Schwindel
oder auch vegetative Symptome beklagt werden. Die Behandlung von
HWS-Beschleunigungsverletzungen
besteht in der Regel aus physiotherapeutischen Maßnahmen.
Die Effektivität
der Maßnahmen
wird jedoch kontrovers diskutiert. Trotz Therapie werden Raten zwischen 14%
und 56% chronischer Schmerzverläufe
beschrieben. Hierbei ist zu bedenken, dass 90% der Kosten durch den
Anteil der chronischen Verläufe
bedingt werden. Wichtigstes Ziel ist es deshalb, die Heilungsverläufe zu verkürzen und
die Anzahl chronischer Verläufe
zu minimieren.
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Stand der Technik
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Zur Diagnose von Verletzungen der
Halswirbelsäule
sind bildgebende Verfahren, wie Kernspin- oder Röntgenverfahren, bekannt. Diese
Verfahren erlauben jedoch bei Schleudertraumen keine eindeutigen
Diagnosen, die sich mit den Beschwerden des Patienten korrelieren
lassen.
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Neuere Studien zeigen einen Zusammenhang
zwischen muskulären
Störungen,
die mit elektromyografischen Methoden erfasst werden können, und
funktionellen Beschwerden. Durch Einsatz elektromyografischer (EMG)
Messverfahren lassen sich daher bessere Diagnoseergebnisse bei HWS-Beschleunigungsverletzungen
erzielen als mit bildgebenden Verfahren. Dies ermöglicht auch
eine Kopplung und Steuerung der Therapie von Schleudertraumen durch
EMG-Feedback.
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EMG-Feedback gehört zur Gruppe der Bio-Feedback-Therapien, die eine
aktive Schulung der koordinativen Fähigkeiten eines Patienten ermöglichen.
Unter Bio-Feedback-Therapien
versteht man Maßnahmen, die
durch Parameter beeinflusst werden, die sich an veränderlichen
Körperfunktionen
messen lassen. Solche Funktionen können z. B. die Herzfrequenz,
der Blutdruck, die Gliedmaßen-Temperatur,
elektrische Potentialverschiebungen (EEG, EKG) oder, wie im vorliegenden
Fall, muskuläre
Potentiale (EMG) sein. In den klassischen Bio-Feedback-Therapien
werden autonome Funktionen zunächst
mittels Sensoren bzw. Klebe elektroden abgeleitet und durch einen
geeigneten Feedback-Mechanismus optisch oder akustisch wahrnehmbar
gemacht. Gerade das EMG-Feedback zeigt hierbei eine besonders gute
Wirkung bei verschiedenen Schmerzzuständen, hauptsächlich Kopf-
und Rückenschmerzen,
bei Schlafstörungen
und bei ängstlichen
Verspannungen.
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Die WO 99/06981 A1 beschreibt ein
Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Behandlung von Patienten mit
Angstzuständen
unter Einsatz eines Virtual-Reality- (VR)-Systems. Die Vorrichtung umfasst
hierbei eine am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung, die mit
einem Trackingsystem zur Erfassung der momentanen Bewegung und Position
des Kopfes des Patienten mechanisch verbunden ist, sowie einen Video-Bildschirm, auf
dem eine die Angstzustände
des Patienten hervorrufende Szene dargestellt wird, bspw. über ein
HMD (Head Mounted Display). Ein Computer steuert die Darstellung
der Szene in Abhängigkeit
von mit dem Trackingsystem erfassten Daten der Kopfbewegung. In
einer weiteren Ausbildung dieser Vorrichtung sind zusätzlich Sensoren
zur Erfassung der Angstintensität
des Patienten, wie bspw. Puls- oder Hautwiderstandssensoren, vorgesehen.
Der Computer steuert die dargestellte Szene in Abhängigkeit
von den erfassten Daten, um einen therapeutischen Erfolg herbeizuführen.
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Weiterhin ist aus M. Steffin: Virtual
reality therapy of multiple sclerosis and spinal cord injury: design considerations
for a haptic-visual interface; in: G. Riva (ed); Virtual Reality
in Neuro-Psycho-Physiology
1997; 185-208 ein System für
eine VR-Therapie
von Patienten mit Multipler Sklerose und Wirbelsäulenverletzungen beschrieben.
Bei diesem System wird die Position eines vom Patienten ins Auge
gefassten Zielobjektes über eine
entsprechende Sensorik erfasst und der Arm des Patienten über ein
Kraft-Rückkopplungssystem
innerhalb eines Zielkorridors zum Greifen des Objektes gehalten.
Das Zielobjekt sowie die aktuelle Bewegungsbahn des Armes des Patienten
können
diesem hierbei auch über
ein HMD virtuell dargestellt werden. Durch eine gleichzeitige EMG-Rückkopplung
einer Vielzahl von beteiligten Muskeln können diese Muskeln zusätzlich gezielt
elektrisch stimuliert werden.
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Die beiden letztgenannten Veröffentlichungen
befassen sich jedoch nicht mit Systemen, mit denen Funktionsstörungen der
Halswirbelsäule
diagnostiziert oder therapiert werden können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur verbesserten
Diagnose und/oder Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, insbesondere
nach HWS-Beschleunigungsverletzungen anzugeben. Unter Funktionsstörungen werden
hierbei Bewegungseinschränkungen
sowie belastungs- oder positionsabhängige Schmerzen verstanden.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung
gemäß Patentanspruch
1 sowie dem zugehörigen
Verfahren gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung lassen sich den Unteransprüchen oder
der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Die vorliegende Vorrichtung zur Diagnose
und/oder Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, insbesondere
nach HWS-Beschleunigungsverletzungen, weist eine am Kopf eines Patienten
fixierbare Einrichtung zur Einschränkung des Blickfeldes des Patienten
sowie ein, vorzugsweise mit der Einrichtung zur Einschränkung des
Blickfeldes mechanisch verbundenes, Trackingsystem zur Erfassung
einer momentanen Position und Orientierung des Kopfes des Patienten
auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Bilddarstellungseinrichtung
zur Darstellung von Bildern oder Szenen für den Patienten sowie eine
mit der Bilddarstellungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung
zur Erzeugung eines optischen Signals, das sich in den dargestellten
Bildern oder Szenen auf einer vorgebbaren Bewegungsbahn und mit
einer konstanten oder variierenden Geschwindigkeit bewegt. Die Einschränkung des
Blickfeldes durch die am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung
sowie die Bewegung des optischen Signals sind hierbei so aufeinander
abgestimmt, dass der Patient dem optischen Signal nur durch Bewegung
des Kopfes folgen kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein mit
der Steuereinrichtung verbundenes EMG-Messsystem für die Erfassung der muskulären Aktivität der Halsmuskulatur,
insbesondere des Musculus semispinalis capitis, des Patienten während der
Erzeugung und Bewegung des optischen Signals sowie eine Ausgabeschnittstelle
zur Ausgabe erfasster Daten des Trackingsystems und des EMG-Messsystems.
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Bei der vorliegenden Vorrichtung
handelt es sich um ein Virtual Reality (VR) und EMG-Feedback gestütztes System,
das sowohl zur Diagnose als auch zur Therapie von Bewegungsdefiziten
der Halswirbelsäule eingesetzt
werden kann. Durch die Kombination von Techniken aus dem Bereich
der virtuellen Realität
mit dem Trackingsystem und dem EMG-Messsystem lässt sich die diagnostische
Sicherheit bei derartigen Defiziten erhöhen. Durch die Verbesserung
der diagnostischen Sicherheit können
beispielsweise gutachterliche Probleme gelöst und eine zielgerichtetere
konservative Therapie unter Berücksichtigung
koordinativer Fehlfunktionen durchgeführt werden. Hierdurch wird
eine Verkürzung
der Heilungszeiten und eine Minimierung der Chronifizierungsrate
von Patienten mit derartigen Defiziten, insbesondere mit HWS-Schleudertrauma,
ermöglicht.
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Über
die Steuereinrichtung werden Bewegungsbahnen zumindest eines optischen
Signals auf der Bilddarstellungseinrichtung vorgegeben, die eine
definierte Bewegung der Halswirbelsäule des Patienten bedingen,
wenn er diesen optischen Signalen folgt. Hierbei werden Bewegungsdefizite
durch Vergleich der mit dem Trackingsystem erfassten Ist- und dem
durch die Bewegung des optischen Signals vorgegebenen Soll-Werten
der Halswirbelsäulenbewegung
erkannt. Durch die gleichzeitige Messung der muskulären Aktivität der Halsmuskulatur,
insbesondere des Musculus semispinalis capitis, können funktionelle
Störungen
der Muskulatur festgestellt werden. Auf diese Weise lässt sich
eine exaktere Diagnose bei derartigen Defiziten stellen, als dies
mit den bisher eingesetzten Verfahren möglich ist. Neben der Vorgabe
der Kopfbewegungsbahn des Patienten hat die dargestellte Szene die
Aufgabe, die Aufmerksamkeit des Patienten von Schmerzen und Funktionseinschränkung abzulenken,
um die Diagnose möglichst
unabhängig
von der psychischen Verfassung des Patienten stellen zu können.
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Vorzugsweise umfasst das vorliegende
System eine Auswerteeinheit, die die mit dem Trackingsystem und
dem EMG-Messsystem erfassten Daten nach einem vorgegebenen Algorithmus
automatisch auswertet und eine Information darüber liefert, ob bei dem Patienten
eine Funktionsstörung
der Halswirbelsäule
vorliegt. Der Auswertealgorithmus basiert auf der Erkenntnis, dass
die EMG-Amplitude
bei einer Dehnung des Muskels bei einem gesunden Patienten abfällt, während sie
bei einem Patienten mit einer Funktionsstörung ansteigt. Auf Basis dieses
Unterschieds kann die Auswerteeinheit eine automatische Auswertung
der Daten und Klassifizierung des Patienten vornehmen.
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Die am Kopf des Patienten fixierbare
Einrichtung zur Einschränkung
des Blickfeldes ist vorzugsweise zusammen mit der Bilddarstellungseinrichtung
als sog. Head Mounted Display (HMD) ausgebildet. Die Einschränkung des
Blickfeldes kann dabei beispielsweise auch durch Sichtblenden oder
entsprechend rohrförmig ausgebildete
Komponenten realisiert werden. Das vorzugsweise direkt mit dieser
Einrichtung bzw. dem HMD mechanisch verbundene Trackingsystem kann
bspw. als elektromagnetisches Trackingsystem ausgebildet sein. Dem
Fachmann stehen hierbei zahlreiche kommerziell erhältliche
Trackingsysteme zur Verfügung,
die auch nach anderen physikalischen Prinzipien arbeiten können.
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Neben der Ausgestaltung als HMD kann
die Bilddarstellungseinrichtung selbstverständlich auch unabhängig von
der am Kopf des Patienten fixierbaren Einrichtung, bspw. als entfernt
angeordnete Projektionsleinwand ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung,
die bspw. durch einen Computer realisiert sein kann, dient der Erzeugung
der Bewegungsbahnen und Geschwindigkeiten des optischen Signals
auf der Bilddarstellungseinrichtung. Dieses optische Signal kann
bspw. einen Lichtfleck oder ein sonstiges Bildobjekt darstellen,
das vom Patienten verfolgt werden soll. Das Blickfeld des Patienten
ist hierbei durch die am Kopf fixierte Einrichtung derart eingeschränkt, dass
er zur Verfolgung dieses optischen Signals den Kopf bewegen muss.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung weist die Steuereinrichtung eine Feedback-Einheit
auf, über
die die vorgegebene Bewegungsbahn, in der Regel eine wiederkehrende,
geradlinige horizontale oder vertikale Bewegung des Signals mit
einer bestimmten vertikalen bzw. horizontalen Auslenkung bzw. Amplitude,
und/oder die Bewegungsgeschwindigkeiten des optischen Signals in
Abhängigkeit von
den durch das EMG-Messsystem erfassten Daten beeinflusst werden.
Diese Feedback-Steuerung ermöglicht
eine verbesserte Therapie des Patienten. Zur therapeutischen Anwendung
kann bspw. der Bewegungsraum der optischen Bewegungsvorgaben durch
das optische Signal in der dem Patienten dargestellten virtuellen
Welt schrittweise vergrößert werden.
In einem weiteren Schritt kann auch die Geschwindigkeit der Bewegungsbahn
und damit der resultierenden Kopfbewegung des Patienten stufenweise
erhöht
werden. Das Bewegungstracking durch das Trackingsystem wird mit
den gemessenen EMG-Werten synchronisiert. Durch die EMG-Feedback-Steuerung
der VR-Szene wird verhindert, dass ein Patient überbeansprucht wird. Sobald EMG-Werte
gemessen werden, die auf Schmerzen hindeuten, wird die Geschwindigkeit
oder die Amplitude der Bewegung des optischen Signals vermindert.
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Durch den zusätzlichen Einsatz einer Einrichtung
zur Erzeugung von Gegenkräften
zur Kopfbewegung kann die Therapie nochmals verbessert werden. Durch
Einsatz dieser Einrichtung, die mit der Steuereinrichtung verbunden
ist, können
leichte Gegenkräfte
zur Kopfbewegung des Patienten definiert werden. Diese Gegenkräfte werden
ebenfalls mit der EMG-Messung synchronisiert. Die Gegenkräfte können schrittweise
erhöht werden,
um auf diese Weise die Nackenmuskulatur sensibel zu trainieren.
Bei Schmerzen oder Überbeanspruchung
des Patienten, die durch die EMG-Messung erfasst werden, wird die
Gegenkraft durch die Feedback-Komponente
der Steuereinrichtung sofort reduziert oder abgeschaltet.
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Die Steuereinrichtung der vorliegenden
Vorrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass sie unterschiedliche
Steuermodule oder Steuerprogramme aufnehmen kann, durch die unterschiedliche
Bewegungsbahnen und Geschwindigkeiten des optischen Signals vorgegeben
werden. Auf diese Weise kann durch geeigneten Einsatz der Steuermodule
ein jeweils dem Patientenzustand entsprechendes Programm zur Steuerung
der optischen Signale aufgerufen werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die vorliegende Vorrichtung und das
zugehörige
Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein
Prinzipbild, das die Verbindung der einzelnen Komponenten gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Vorrichtung aufzeigt;
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2 eine
Ansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Vorrichtung im Einsatz; und
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3 beispielhafte
Messkurven, die den Verlauf des EMG-Signals und die zugehörige Bewegung
des Kopfes eines Patienten zeigen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung der vorliegenden Vorrichtung, aus der die
einzelnen Komponenten gemäß einer
Ausführungsform
der Vorrichtung ersichtlich sind. Die Vorrichtung setzt sich aus
der am Kopf des Patienten fixierbaren Einrichtung 2 zur
Einschränkung
des Blickfeldes des Patienten, einem Trackingsystem 3,
mit dem die Bewegungen des Kopfes des Patienten, insbesondere dessen
Position und Orientierung, in Echtzeit erfasst werden und einem
Bildschirm 4 zur Darstellung einer virtuellen Szene zusammen.
Der Bildschirm 4 ist im vorliegenden Beispiel zusammen
mit der Einrichtung zur Einschränkung
des Blickfeldes als Head Mounted Display 9 ausgebildet,
an dem Sensoren des Trackingsystemes 3 befestigt sind.
Die mit dem Trackingsystem 3 erfassten Bewegungs- und Orientierungsdaten
werden einer Steuereinrichtung 5 zugeführt, die den Bildschirm 4 des
Head Mounted Display 9 ansteuert, um die vorgebbare Bewegung
des optischen Signales zu erzeugen.
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Die Bewegungen der Halswirbelsäule des
Patienten in allen drei Bewegungsachsen (Flexion/Extension, axiale
Rotation, Seitflexion) werden zeitgleich zu der Erfassung mit dem
Trackingsystem 3 mit einem fine-wire EMG des Musculus semispinalis
capitis aufgezeichnet. Durch das HMD 9 wird der Patient
in die virtuelle Szene versetzt. Er verfolgt mit seinem Blick die
Bewegungsbahnen des durch die Steuereinrichtung 5 erzeugten
optischen Signals in der VR-Szene. Das Blickfeld des HMD 9 ist
so stark eingeschränkt,
dass die Bewegungsbahnen des optischen Signals nicht durch Augenfolgebewegungen
sondern ausschließlich
durch Kopfbewegungen verfolgt werden können. Das Trackingsystem 3,
das mit dem HMD 9 mechanisch verbunden ist, erfasst die
Kopfposition und Kopforientierung mit hoher Frequenz von bspw. 1000
Hz. Das EMG des Musculus semispinalis capitis wird zeitgleich mit
der gleichen Frequenz von 1000 Hz aufgenommen. Durch die in der
Steuereinrichtung 5 enthaltene Feedback-Einheit 7 werden
die vom EMG-Messsystem 6 erhaltenen
Daten auf Vorliegen von bestimmten, auf die Entstehung von Schmerz
hinweisenden Charakteristiken überprüft und bei
Auftreten dieser Charakteristiken die Bewegungsbahn und/oder Geschwindigkeit
des optischen Signals beeinflusst. Dies kann durch eine Berechnung
der Geschwindigkeit und Bahn des optischen Signals in Echtzeit erfolgen.
Durch dieses EMG-Feedback wird eine Überbeanspruchung des Patienten vermieden
und eine im Wesentlichen schmerzfreie Diagnose oder Therapie ermöglicht.
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Um eine möglichst exakte Auswertbarkeit
der erfassten Daten sowie eine zuverlässige Funktion des EMG-Feedback
zu gewährleisten,
sollten das Bewegungstracking und die Messung mit dem EMG-Messsystem 6 synchron
mit der gleichen Frequenz erfolgen. Bewegungstracking mit einer
Frequenz von ca. 1000 Hz kann bspw. mit Hilfe des haptischen Displays "PHANToM" der Firma Sensable
Devices erfolgen, das mit dem HMD 9 fest verbunden wird.
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Zur therapeutischen Anwendung kann
die vorliegende Vorrichtung zusätzlich
mit einem Kraftrückkopplungssystem 8 verbunden
werden, mit dem der Bewegung des Kopfes des Patienten ein dosierbarer
Widerstand entgegengesetzt werden kann. 2 zeigt eine derartige Ausgestaltung
der vorliegenden Vorrichtung im Einsatz. Der Patient 1 trägt das HMD 9,
das über
den Rechner 5 zur Darstellung der VR-Szene sowie des optischen
Signals angesteuert wird. Das EMG-Messsystem 6 ist am Hals
des Patienten 1 angebracht und überträgt die gemessenen Daten, ebenso
wie ein in dieser Darstellung nicht erkennbares Trackingsystem am HMD 9,
an den als Steuereinrichtung dienenden Rechner 5. Das HMD 9 ist
weiterhin mechanisch mit dem Arm eines Kraftrückkopplungssystems 8 verbunden,
das ebenfalls über
den Rechner 5 angesteuert wird. Dieses Kraftrückkopplungssystem
kann der Bewegung des Kopfes des Patienten 1 in allen Freiheitsgraden
der Halswirbelsäule
einen dosierbaren Widerstand entgegensetzen. Der dosierbare Widerstand
wird in Echtzeit auf Grundlage des EMG- Feedbacks berechnet, um genau die Kopfbewegungen
physiotherapeutisch anzusprechen, bei denen in der vorherigen Diagnose
ein Schmerz aufgetreten ist. Dazu wird vom System ein Therapieplan
berechnet, der vom therapierenden Arzt geprüft und überarbeitet werden kann. Grundlage
für den
Therapieplan sind die Ergebnisse des Diagnosesystems. Die Therapie
wird zusätzlich
maßgeblich
durch intratherapeutisch aufgezeichnete EMG-Messwerte beeinflusst.
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Dem Therapieplan entsprechend wird
das die vorliegende Vorrichtung gestartet. Zeitgleich mit der Therapie
wird das EMG des Patienten 1 aufgezeichnet und mit dem
Tracking sowie der Kraftrückkopplung
synchronisiert. Werden im EMG psychotherapeutisch unzumutbare Schmerzen
erkannt, wird die Gegenkraft sofort reduziert oder abgeschaltet.
Auch die Dosierung der Gegenkräfte
wird daher in Abhängigkeit
von den gemessenen EMG-Werten
definiert.
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Als konkretes Anwendungsbeispiel
soll ein Patient betrachtet werden, der sich nach einem Autounfall über Schmerzen
beklagt und zur Diagnose in der Klinik untersucht werden soll. Dazu
wird er mittels des HMD 9 der vorliegenden Vorrichtung
in eine computergenerierte, virtuelle Szene versetzt, in der ihm
ein digitales Stadtmodell gezeigt wird. Diese digitale Stadt ist
allerdings nicht beleuchtet, sondern umgibt ihn in Dunkelheit. Allerdings
wird die virtuelle Stadt partiell durch einen Scheinwerferstrahl,
dem von der Steuereinrichtung 5 erzeugten optischen Signal,
ausgeleuchtet, der langsam über
die Mauern der Gebäude
wandert. Der Patient kann also die virtuelle Stadt erkundschaften,
indem er dem Strahl des Scheinwerfers folgt. Da das HMD 9 nur ein
sehr eingeschränktes
Blickfeld liefert, muss er dem Lichtstrahl durch Kopfbewegungen
folgen. Gleichzeitig wird von diesem Patienten ein EMG des Musculus
semispinalis capitis mit der zur Vorrichtung gehörenden EMG-Messeinrichtung 6 aufgenommen.
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Bei einer Flexion von 12,5°, einer axialen
Rotation von 7,4° und
einer Seitflexion von 1,3° bemerkt
er einen leichten Schmerz. Der Scheinwerferstrahl verlangsamt sich,
wandert auf eine axiale Rotation von 15° zurück, um sich erneut den 17° zu nähern. Wiederum
stellt sich der leichte Schmerz ein, der aufgrund der Messwerte
des EMG-Messsystems 6 von der Steuereinrichtung 5 erkannt
wird. Die zugehörigen
Daten der Kopforientierung werden über das Trackingsystem 3 erhalten.
Dieses Szenario wird mehrmals modifiziert und wiederholt, so dass
schließlich
sehr genaue Daten über
das Bewegungsdefizit des Patienten vorliegen.
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Einen Tag nach der Diagnose benutzt
dieser Patient die vorliegende Vorrichtung als Therapiesystem. Dazu
sollen seine Halsmuskeln physiotherapeutisch trainiert werden. Vom
Therapiesystem wurde ein Vorschlag für einen Therapieplan ausgegeben.
Dieser wurde vom Arzt untersucht, modifiziert oder bestätigt. Im Therapieplan
werden folgende therapeutische Parameter festgelegt:
- – Dauer
der Therapieeinheit
- – Skalierung
der Gegenkräfte
- – Festlegung
der Kopfbewegungen, d.h. der Bewegungsbahn und -Geschwindigkeiten
des optischen Signals
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Nach dem Starten der Therapie wandert
der Lichtstrahl langsam so durch die virtuelle Szene, die dem Patienten
wiederum über
das HMD 9 vermittelt wird, dass eine Kopfbewegung des Patienten
resultiert, bei der die diagnostischen Erkenntnisse berücksichtigt
sind und die verletzten Strukturen leicht beansprucht werden. Die
Gegenkräfte
zur Kopfbewegung werden durch das angeschlossene Kraftrückkopplungssystem (Force-Feedback-System) generiert
und auf das HMD übertragen.
Somit werden die Halsmuskeln trainiert, was zur Therapie der Verletzung
und zur Reduzierung der Schmerzen beitragen soll. Bei der therapeutischen Anwendung
werden Synchronbewegungen des Kopfes, EMG-Werte und ausgegebene
Kräfte
registriert. Über die
EMG-Werte wird die Therapie durch Beeinflussung der Bewegungsbahnen
sowie der Kräfte
gesteuert. Der Verlauf der Therapie wird durch Ausgabe der registrierten
Parameter sehr genau dokumentiert. Ein Therapieerfolg bzw. eine
Stagnation in der Physiotherapie kann somit sofort erkannt und dargestellt
werden.
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Im Folgenden wird anhand der 3 ein Beispiel für einen
Auswertealgorithmus erläutert,
mit dem die erfassten Daten automatisch von einer Auswerteeinheit
des vorliegenden Systems ausgewertet werden können.
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Der Patient führt auf einem Stuhl sitzend
eine maximale Drehbewegung des Kopfes nach rechts und nach links,
sowie eine maximale Kopfbeuge- und Kopfstreck bewegung aus. Dabei
werden der Bewegungsausschlag und die elektrische Aktivität des Semispinalismuskels
mit dem EMG-Messsystem gemessen und aufgezeichnet. Das erhaltene
EMG-Rohsignal wird dann gleichgerichtet, normiert und mit Faktor
20 geglättet. Nach
diesen Schritten werden die in den 3a bis 3d dargestellten Kurven erhalten.
Hierbei beschreibt die Kurve E in den 3a und 3b die Bewegung des Kopfes
bei Flexion/Extension und in den 3c und 3d die Bewegung des Kopfes
bei Rotation. Die Kurven A bis D zeigen die dabei auftretenden elektrischen
Potentiale des linken und rechten M. semispinalis capitis. Jede
Seite wird einmal oberflächlich
und einmal intramuskulär (Fadenelektroden)
gemessen.
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Die elektrischen Potentiale der Patienten
(3b und 3d) und der Probanden (3a und 3c)
unterscheiden sich bei beiden Bewegungen deutlich von einander.
Um diesen Unterschied zu definieren, wurden in Vorstudien durch
eine Diskriminanzanalyse vier Parameter bestimmt, die das EMG-Signal
bestmöglich
beschreiben. Diese Parameter sind:
x1 = Bewegungsamplitude
bei Rechtsrotation zum Zeitpunkt, an dem die EMG Amplitude des intramuskulären Signals
10% der maximalen Amplitude beträgt;
x2
= Bewegungsamplitude bei Linksrotation zum Zeitpunkt, an dem die
EMG Amplitude des intramuskulären Signals
10% der maximalen Amplitude beträgt;
x3
= EMG Amplitude des intramuskulären
Signals bei maximaler Flexion rechts; und
x4 = EMG Amplitude
des intramuskulären
Signals bei maximaler Flexion links.
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Die Werte für diese Parameter werden von
der Auswerteeinheit aus den Messungen bestimmt und in folgende Entscheidungsregel
eingesetzt:
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Wird ein Wert größer Null erhalten, so liegt
keine Funktionsstörung
der Halswirbelsäule
vor. Ist der berechnete Wert kleiner Null, so wird eine Funktionsstörung angenommen.
Die Auswerteeinheit kann somit automatisch bei jeder Messung die
vorliegende Auswertung und Berechnung durchführen und eine entsprechende
Klassifizierung bzw. Diagnose ausgeben.
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Das Verfahren zeigt in der Crossvalidierung
sowie in einem zweiten unabhängigen
Personenkollektiv eine 90% korrekte Klassifizierung der Personen.
Dies ist nicht einmal annähernd
durch ein anderes diagnostisches Verfahren möglich.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sowie dem zugehörigen
Verfahren werden koordinative Fehlfunktionen der Muskulatur als
Schmerzursache nachgewiesen. Hierbei werden elektromyographische
Methoden mit Methoden der virtuellen Realität verknüpft. Die Steuerung der Kopfbewegung
und Techniken der virtuellen Realität ermöglicht eine Erhöhung der
diagnostischen Sicherheit des Verfahrens. Durch die ebenfalls einsetz bare
EMG-Feedback-Komponente wird ein Rückkopplungsmechanismus geschaffen,
der die Sicherheit des Patienten in der diagnostischen Sitzung sowie
in einer ebenfalls möglichen
Therapie gewährleistet. Mit
der vorliegenden Vorrichtung werden neue Möglichkeiten in der Physiotherapie
zur Behandlung von HWS-Beschleunigungsverletzungen
eröffnet.
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- 1
- Patient
- 2
- Einrichtung
zur Einschränkung
des Blickfeldes
- 3
- Trackingsystem
- 4
- Bilderzeugungseinrichtung
- 5
- Steuereinrichtung
- 6
- EMG-Messsystem
- 7
- Feedback-Einheit
- 8
- Kraft-Rückkopplungssystem
- 9
- Head
Mounted Display
- 10
- EMG
Amplitude bei maximaler Flexion
- 11
- Bewegungsamplitude
zum Zeitpunkt,
-
- an
dem die EMG Amplitude 10%
-
- der
maximalen Amplitude beträgt
- 12
- EMG
Amplitude ist 10% der maximalen
-
- EMG
Amplitude
- A
- Oberflächenelektrode
EMG rechts
- B
- Oberflächenelektrode
EMG links
- C
- Fadenelektrode
EMG rechts
- D
- Fadenelektrode
EMG links
- E
- Bewegungskurve
des Kopfes