DE10151361A1

DE10151361A1 - Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates

Info

Publication number: DE10151361A1
Application number: DE2001151361
Authority: DE
Inventors: Hans-Georg Schiesl; Andreas Wacker; Harald Schubert; Martin Runge
Original assignee: NOVOTEC MEDICAL GmbH
Current assignee: NOVOTEC MEDICAL GmbH
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates. Erfindungsgemäß ist hierfür mindestens eine dynamisch begehbare Plattform (10) vorgesehen, die an mindestens vier Auflagepunkten (12) auf einer horizontalen Unterlage (14) aufstellbar ist und die im Bereich ihrer Auflagepunkte (12) Kraftsensoren (S1 bis Sn) aufweist, deren Signalausgänge (18) mit einer computergestützten Auswerteelektronik (20) zur Echtzeiterfassung der Meßsignale verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates.
Die Motorik des zweibeinigen Gehens ist durch ein komplexes Zusammenwirken von Muskeln, Gelenkkapseln, Sehnen und Bändern, reflexauslösenden Rezeptoren sowie neuronal gespeicherten, willkürlich abrufbaren Bewegungsprogrammen gekennzeichnet. Die beim Gehen notwendigen rhythmischen Bewegungsabläufe sind erlernt. Entsprechendes gilt für zielgerichtete Willkürbewegungen. Die bereits in der Kindheit erlernte Motorik des Gehens kann beispielsweise durch Wachstum, Unfall, Krankheit oder Altern gestört werden. In all diesen Fällen kann die Motorik durch Übung an die veränderten biomechanischen Bedingungen angepaßt werden.
Ein Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, Störungen dieser Art durch quantitative Erfassung und Auswertung des Bewegungsablaufs zu erkennen und etwaige Verbesserungen übungsbegleitend zu überwachen.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, daß mindestens eine dynamisch begehbare Plattform vorgesehen ist, die an mindestens vier Auflagepunkten auf einer horizontalen Unterlage aufstellbar ist und die im Bereich ihrer Auflagepunkte Kraftsensoren aufweist, deren Signalausgänge mit einer computergestützten Auswerteelektronik zur Echtzeiterfassung der Meßsignale verbunden sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Signalausgänge der Kraftsensoren über einen Analog-/Digitalwandler an den Eingangsport eines Computers angeschlossen sind. Um Herstellungstoleranzen ausgleichen zu können, ist jedem Kraftsensor eine Softwareroutine zur individuellen Offsetkorrektur und Kalibrierung der gemessenen Kraftwerte zugeordnet.
Beim Gehen auf zwei Beinen führt der Massenschwerpunkt eines Probanden laterale, transversale und vertikale Pendelbewegungen aus, deren Erfassung für die Beurteilung der Gesamtmotorik von Bedeutung sein kann. Dementsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Auswerteroutine zur Bestimmung der Krafteinleitungsposition oder der Schwerpunktposition eines Probanden aus den an den einzelnen Auflagepunkten der Plattform gemessenen zeitlichen Kraftverläufen vorgesehen.
Eine weitere wichtige Information für die Beurteilung der Bewegungsmotorik bildet der Absolutwert des zeitlichen Kräfteverlaufs. Dementsprechend ist vorteilhafterweise eine Auswerteelektronik zur Berechnung des dynamischen Kräfteverlaufs durch Summenbildung der an den Auflagepunkten bestimmten Einzelkräfte vorgesehen. Aus dem dynamischen Kräfteverlauf lassen sich anhand physikalischer Beziehungen weitere mechanische Größen, insbesondere der zeitabhängige Leistungsverlauf bestimmen. Diese Daten können in einer hierfür vorgesehenen Auswerteroutine ermittelt werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Plattform besteht darin, daß auch das Ruhegewicht und damit die Masse des Probanden durch eine geeignete Auswerteroutine ermittelt und in die Auswertung der dynamischen Messungen einbezogen werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch der Bewegungsablauf des auf der Plattform beidbeinig hochspringenden Probanden erfaßt und ausgewertet werden. Mit einer entsprechenden Auswerteroutine lassen sich hieraus die Sprungkraft und die Sprunghöhe aus dem gemessenen dynamischen Kräfteverlauf berechnen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Auswerteelektronik einen Datenspeicher mit einer Speicherroutine zur Abspeicherung der gemessenen Kraftwerte in vorgegebenen Zeitschritten aufweist. Die Auswerteelektronik kann ferner einen Bildschirm mit einer Bilderzeugungsroutine zur graphischen Darstellung der mit den Auswerteroutinen berechneten Dynamikverläufe aufweisen.
In seiner Grundform weist die mindestens eine Plattform eine ebene Oberfläche auf. Um die Koordinationsfähigkeit und Leistungsfähigkeit des Bewegungsapparats zu testen, ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Plattform einen über die Plattformebene überstehenden, begehbaren Aufbau aufweist. Der Aufbau ist vorteilhafterweise als Treppe mit mehreren, vorzugsweise gleich hohen Stufen ausgebildet, wobei die Stufenhöhe der Treppenstufen verstellbar sein kann.
Weiter können auch mehrere, mit Kraftsensoren bestückte Auflagepunkte aufweisende Plattformen vorgesehen sein, die vorzugsweise in Begehungsrichtung hintereinander modulartig kuppelbar sind. Den Plattformen können dabei im Bereich der Kupplungsstellen gemeinsame, mit Kraftaufnehmern bestückte Auflagepunkte zugeordnet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Plattform mit Treppenaufbau;
Fig. 2a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer kuppelbaren Plattform mit ebener Oberfläche;
Fig. 3 ein Schema einer Plattform mit Kraftsensoren im Bereich der Aufstellpunkte als Vorlage für die Positionsbestimmung;
Fig. 4a ein Blockschema einer computerunterstützten Auswerteelektronik;
Fig. 4b ein Flußdiagramm einer Auswertesoftware;
Fig. 5a und b Meßdiagramme mit Zeitverläufen der gemessenen Kraft sowie daraus abgeleiteter physikalischer Größen beim Treppentest aufsteigend und absteigend.
Die in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen sind zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates bestimmt. Die Vorrichtung umfaßt mindestens eine von einem Probanden begehbare Plattform 10, die an mindestens vier Auflagepunkten 12 auf einer horizontalen Unterlage 14 aufstellbar ist.
Die Plattform kann zur Durchführung verschiedener Untersuchungen entweder eine ebene Oberfläche (Fig. 2a und b) aufweisen oder mit einem Aufbau versehen werden, der im Falle der Fig. 1a und b die Gestalt einer Treppe 40 mit mehreren gleich hohen Stufen 42 aufweist. Die gezeigten Plattformen können an den einander zugewandten Enden 44, 46 über die Verbindungslaschen 48 miteinander verbunden werden. In diesem Falle haben die Plattformen 10 an ihren einander zugewandten Enden 44, 46 ein gemeinsames Paar von Auflagepunkten 12.
Im Bereich der Auflagepunkte 12 sind Kraftsensoren S1 bis Sn angeordnet, deren Signalausgänge 18 mit einer Auswerteelektronik 20 zur Einzelerfassung der Meßsignale verbunden sind. Wie aus Fig. 4a zu ersehen ist, sind die Signalausgänge 18 der Kraftsensoren über je einen Verstärker 22 und einen Analog-/Digitalwandler 24 mit dem Eingangsport 26 eines Computers 28 verbunden. Die am Digitalausgang des A/D-Wandlers 24 ausgegebenen Spannungswerte werden über eine Eingaberoutine 30 des Computers 28 während der gesamten Meßdauer in Echtzeit eingelesen und in einer Offsetroutine 32 einer individuellen Offsetkorrektur unterzogen. Die hierfür notwendige Sensoroffsetspannung wird getrennt für jeden Sensor in einer Nullabgleichsmessung ermittelt. In einer Kalibrierroutine 34 werden die offsetkorrigierten Spannungswerte mittels eines individuellen Kalibrierfaktors in Kraftwerte umgerechnet. Die so ermittelten zeitabhängigen Kraftwerte können in einem Datenspeicher 36 in vorgegebenen Zeitschritten abgespeichert werden.
Zur Erläuterung der Auswerteroutinen wird auf das in Fig. 3 dargestellte Schema 10' einer Plattform mit den Kraftaufnehmern S1 bis S4 hingewiesen, das in einem plattformfesten Koordinatensystem angeordnet ist. Der Abstand der Sensoren in x- und y-Richtung beträgt dort X und Y. Dementsprechend werden die Kraftwerte der einzelnen Sensoren mit F₀₀, F_Y0, F_X0, F_XY bezeichnet.
Unter Verwendung dieses Schemas kann das Gewicht F₀ des Probanden in dessen Ruhestellung aus der Summe der an den Kraftsensoren gemessenen Kraftwerte und damit die Masse m = F₀/g des Probanden ermittelt werden; g bedeutet hierbei die Erdbeschleunigung. Dies erfolgt in einer ersten Auswerteroutine 50 (Fig. 4b). In einer zweiten Auswerteroutine 52 kann in jedem Zeitpunkt t der Messung die Position berechnet werden, in welcher die Kraft in die Plattform eingeleitet wird und zwar nach den Formeln:

x = X/2.(1 + ((F_X0 + F_XY) - (F₀₀ + F_0Y))/F)

y = Y/2.(1 + ((F_0Y + F_XY) - (F₀₀ + F_X0))/F)

wobei F die Gesamtkraft bedeutet.
In einer dritten Auswerteroutine 54 können anhand des gemessenen Kraftverlaufs an den Kraftsensoren weitere mechanische Größen berechnet werden, die quantitative Aussagen über die Motorik des Bewegungsapparates des untersuchten Probanden erlauben:

F(t) = F₀₀(t) + F_X0(t) + F_Y0(t) + F_XY(t) Gesamtkraft
a(t) = F(t)/m Beschleunigung
v(t) = ∫a(t)dt Geschwindigkeit
P(t) = F(t).v(t) Leistung
KE(t) = S mv²(t) kinetische Energie
PE(t) = ∫F(t).v(t).dt potentielle Energie.
Die Meßergebnisse können über den Computer 28 in einem Monitor 56 beispielsweise in Form von Diagrammen dargestellt werden. Weiter weist der Computer 28 einen Ausgabeport 58 auf, über den die Ergebnisse auf einen Drucker ausgegeben oder akustische und optische Signale abgegeben werden.
Die beiden Diagramme nach Fig. 5a und b zeigen verschiedene Graphen der vorstehend angegebenen physikalischen Größen, die sich beim Aufsteigen und Absteigen des Treppenaufbaus 40 der Plattform 10 nach Fig. 1a und b in Abhängigkeit von der Zeit ergeben. Der Kurvenverlauf in den Graphen ermöglicht es beispielsweise im Vergleich mit früher aufgenommenen Standardgraphen, Aussagen über den Zustand der Motorik eines Probanden und damit über dessen Gesundheitszustand im Bereich des Bewegungsapparates zu treffen.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates. Erfindungsgemäß ist hierfür mindestens eine dynamisch begehbare Plattform 10 vorgesehen, die an mindestens vier Auflagepunkten 12 auf einer horizontalen Unterlage 14 aufstellbar ist und die im Bereich ihrer Auflagepunkte 12 Kraftsensoren S1 bis Sn aufweist, deren Signalausgänge 18 mit einer computergestützten Auswerteelektronik 20 zur Echtzeiterfassung der Meßsignale verbunden sind.

Claims

1. Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates, gekennzeichnet durch mindestens eine dynamisch begehbare Plattform (10), die an mindestens vier Auflagepunkten (12) auf einer horizontalen Unterlage (14) aufstellbar ist, und die im Bereich ihrer Auflagepunkte (12) Kraftsensoren (S1 bis Sn) aufweist, deren Signalausgänge (18) mit einer computergestützten Auswerteelektronik (20) zur Echtzeiterfassung der ankommenden Meßsignale verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalausgänge (18) der Kraftsensoren (S1 bis Sn) über einen Analog- /Digitalwandler (24) an den Eingangsport (26) eines Computers (28) angeschlossen sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Kraftsensor (S1 bis Sn) eine Softwareroutine (32, 34) zur individuellen Offsetkorrektur und Kalibrierung der gemessenen Kraftwerte zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Auswerteroutine (52) zur Bestimmung der Krafteinleitungsposition (x, y) eines Probanden auf der Plattform (10) aus den an den einzelnen Kraftsensoren (S1 bis Sn) gemessenen zeitabhängigen Kraftverläufen (F₀₀(t) . . . F_XY(t)).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Auswerteroutine (54) zur Berechnung des dynamischen Kraftverlaufs (F(t)) durch Summenbildung der gemessenen Einzelkräfte (F₀₀ . . . F_XY).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Auswerteroutine (54) zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs von aus dem dynamischen Kräfteverlauf (F(t)) abgeleiteten mechanischen Größen, insbesondere des zeitabhängigen Leistungsverlaufs (P(t)).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Auswerteroutine (50) zur Bestimmung und Abspeicherung der Masse (m) eines Probanden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Auswerteroutine zur Berechnung der Sprungkraft und der Sprunghöhe aus dem gemessenen dynamischen Kräfteverlauf (F(t)) eines auf der Plattform (10) beidbeinig hochspringenden Probanden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (20) einen Datenspeicher (36) mit einer Speicherroutine zur Abspeicherung der gemessenen Kraftwerte in vorgegebenen Zeitschritten aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (20) einen Monitor mit einer Bilderzeugungsroutine zur graphischen Darstellung der Auswertungsergebnisse aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Plattform (10) eine begehbare ebene Oberfläche (38) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Plattform einen begehbaren Aufbau (40) aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau als Treppe (40) mit mehreren, vorzugsweise gleich hohen Stufen (42) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenhöhe der Treppenstufen verstellbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere mit Kraftsensoren (S1 bis Sn) bestückte Auflagepunkte (16) aufweisende Plattformen (10) in Begehungsrichtung hintereinander modulartig kuppelbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß den miteinander verbundenen Plattformen (10) im Bereich ihrer einander zugewandten, miteinander gekuppelten Enden (44, 46) gemeinsame, mit Kraftsensoren (S1 bis Sn) bestückte Auflagepunkte (44) zugeordnet sind.