DE102008052406A1

DE102008052406A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von Parametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper

Info

Publication number: DE102008052406A1
Application number: DE102008052406A
Authority: DE
Inventors: Michael Weber
Original assignee: EPIONICS MEDICAL GmbH
Current assignee: EPIONICS MEDICAL GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-02-11
Also published as: JP2010042235A; WO2010015274A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Biegesensor zur Erfassung von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper. Der Biegesensor umfasst ein Befestigungselement 20, insbesondere ein Befestigungspflaster, zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen oder tierischen Körpers. Ferner ist ein biegesensitiver Detektor 10 zum Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors vorgesehen. Die erfassten Biegeparameter wie beispielsweise der Biegewinkel, die Biegegeschwindigkeit und/oder die Biegebeschleunigung werden in einem Datenspeicher 30 verwahrt. Das Befestigungselement ist dehnbar und weist einen dehnbaren Hohlraum zur Aufnahme eines Messaufnehmers des Detektors auf. Der Messaufnehmer ist an einem Referenzpunkt des Befestigungselements im Hohlraum fixiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper sowie einen Biegesensor zur Durchführung des Verfahrens.
Rückenschmerzen sind mehr oder minder starke Schmerzen des menschlichen Rückens, die ganz unterschiedliche Ursachen haben können. Mediziner sprechen von Dorsalgie oder von Lumbalgie, wenn die Lenden-Kreuzbeinregion betroffen ist. Der wohl häufigste Anlass für eine Dorsalgie besteht in einer Funktionsstörung der Gelenke im Bereich der Wirbelsäule. Allerdings sind nach wie vor ca. 90% aller chronischen (rezidivierenden oder persistierenden) Rückenschmerzen unspezifisch – d. h.: im Rahmen ärztlicher Untersuchungen sind letztlich keine Befunde zu erheben, die die Beschwerden hinreichend erklären. Zurzeit können Bewegungsfunktionen beispielsweise zur Behandlung von unspezifischem Rückenschmerz nicht objektiv erfasst werden. Lediglich strukturelle Befunde über bildgebende Diagnoseverfahren sind üblich (die jedoch bei unspezifischem Rückenschmerz nicht greifen).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, Funktionsparameter zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper zu erfassen, damit unspezifische oder chronische Beschwerden den erfassten Bewegungsmustern zugeordnet werden können. Die Erfassung der Biegeinformation soll vornehmlich im Bereich der Lendenwirbelsäule erfolgen, da hier die Ursache für einen Großteil aller Rückenschmerzen zu sehen ist.
Die Messung dynamischer Funktionsparameter ist ein unerschlossenes, aber sehr wichtiges Feld in der Wirbelsäulenmedizin. Der erfindungsgemäße Biegesensor schafft die Möglichkeit, Einblick in den Bewegungsalltag, die Funktion, die Beweglichkeit, und die Bewegungshäufigkeit zu bekommen. Die Erfassung von Bewegungsparametern mittels des erfindungsgemäßen Biegesensors kann für die Orthopädie und Wirbelsäulenmedizin als Analogon zum Langzeit-EKG gesehen werden.
Die Aufgabe wird durch den Biegesensor zur Erfassung von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Der Biegesensor umfasst ein Befestigungselement, insbesondere ein Befestigungspflaster, zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen oder tierischen Körpers. Ferner ist ein biegesensitiver Detektor zum Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors vorgesehen. Die erfassten Biegeparameter wie beispielsweise der Biegewinkel, die Biegegeschwindigkeit und/oder der Biegebeschleunigung werden in einem Datenspeicher verwahrt. Das Befestigungselement ist dehnbar und weist einen dehnbaren Hohlraum zur Aufnahme eines Messaufnehmers des Detektors auf. Der Messaufnehmer ist an einem Referenzpunkt des Befestigungselements im Hohlraum fixiert.
Ein Sensor bzw. Messaufnehmer oder Messfühler ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgewandelt.
Der erfindungsgemäße Biegesensor soll beispielsweise die Beugung des Rückens erfassen. Mit Biegung wird die Verformung eines Körpers unter einer Last bezeichnet, die senkrecht auf eine Körperachse wirkt. Zur Erfassung der Dynamik von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper (beispielsweise am Rücken im Bereich der Lendenwirbelsäule) sollen ein oder mehrere Messaufnehmer mittels eines Befestigungselements, insbesondere eines Befestigungspflasters, in entsprechender Position auf der Haut befestigt werden. Die Beugung des Rückens führt zu einer Dehnung der Haut. Dehnung ist die relative Dimensionsänderung (Verlängerung bzw. Verkürzung) eines Körpers unter Belastung. Wenn die Abmessung des Körpers sich vergrößert, spricht man von einer positiven Dehnung, andernfalls von einer negativen Dehnung oder Stauchung. Die Dehnung der Haut bei Beugung des Rückens beträgt ca. 50% Längenänderung im Bereich der Lendenwirbelsäule bei einer Flexionsbewegung. Das Befestigungsmittel muss also dehnbar sein, damit es sich nicht aufgrund der dargestellten Längenänderung von der Haut löst. Die Messaufnehmer werden mittels dehnbarer Befestigungselemente auf der menschlichen Haut (vorzugsweise links und rechts der Wirbelsäule zur Erfassung von Rückenbewegungen) fixiert. Hierbei ist das Sensorband nur über einen Referenzpunkt mit dem Befestigungselement verbunden und gleitet im Übrigen frei innerhalb des von dem Befestigungselement bereitgestellten Hohlraums. Der Hohlraum bildet gleichsam einen Führungskanal, worin der Messaufnehmer zwar am Körper gehalten wird, um dessen Beugung nachzuvollziehen, aber ohne die Längenänderung der Haut nachvollziehen zu müssen.
Vorzugsweise besitzt das Befestigungselement eine elastische Unterschicht mit biokompatibler thermisch aktivierbarer Klebeschicht zur Applikation auf der Haut. Zusätzlich ist eine elastische Oberschicht derart vorgesehen, dass der Hohlraum zwischen der Oberschicht und Unterschicht ausgebildet ist. Der Hohlraum ist also kein starrer Körper sondern seine Gestalt und Ausdehnung hängt von dem integrierten Messaufnehmer und dem Zustand der elastischen Ober und Unterschicht ab. Die Ober- und Unterschicht sorgen jedoch dafür, dass der Messaufnehmer derart an einen Körper, beispielweise den Rücken, gehalten wird, dass er dessen Beugung nachvollzieht, ohne von der entsprechenden Längenänderung der Haut affiziert zu werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biegesensors umfasst einen Messaufnehmer, der einen Lichtleiter aufweist. Der Lichtleiter besitzt eine Übertragungsfunktion, die sich in Abhängigkeit von einer Verbiegung des Lichtleiters verändert. Lichtleiter sind Leitungen zur Übertragung von Licht im sichtbaren sowie ultravioletten oder infraroten Bereich. Beispiele für Lichtleiter sind Lichtwellenleiter, Glasfasern, polymere optische Fasern oder andere lichtleitende Bauteile aus Kunststoff sowie Faseroptik-Komponenten. Jeder Lichtleiter besitzt eine Übertragungsfunktion. Die Übertragungsfunktion eines Lichtleiters beschreibt das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangssignal für unterschiedliche Frequenzen des eingekoppelten Lichtes. Die Biegung des Lichtleiters führt dazu, dass sich die Übertragungsfunktion ändert, das heißt, ein gebogener Lichtleiter koppelt weniger Licht im Verhältnis zum Eingangssignal aus als ein ungebogener Lichtleiter. Durch Bestimmung der Übertragungsfunktion kann somit die Biegung des Lichtleiters ermittelt werden.
Das Auskoppeln von Licht kann beispielsweise an den Enden des faserförmigen Lichtleiter erfolgen. Anhand des ausgekoppelten Lichtes soll erfasst werden, ob und wie stark der Lichtleiter gebogen ist; aber es ist nicht ohne weiteres möglich eine Biegerichtung des Lichtleiters zu erfassen. Deshalb besitzt der Lichtleiter vorzugsweise eine zusätzliche seitliche Öffnung zum Auskoppeln von Licht. Die Öffnung befindet sich auf der Oberfläche des Lichtleiters. Als Öffnung kann insbesondere ein spitz zulaufende Vertiefung oder Einkerbung vorgesehen sein. Die seitliche Öffnung stellt eine Streustelle dar, die bei Biegung weiter geöffnet oder geschlossen wird, so dass sich die Lichtleistung am Ende der Faser erhöht oder verringert (lineares Signal für positive und negative Biegerichtung). Ferner wird durch die seitliche Öffnung festgelegt, wo die gemessene Biegung auftritt, d. h. die Biegung kann ortsaufgelöst erfasst werden. Vorzugsweise werden mehrere parallel verlaufende Lichtleiter mit an unterschiedlichen Segmenten vorgesehenen seitlichen Öffnungen verwendet, damit die Biegung an unterschiedlichen Orten erfasst werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt der Messaufnehmer einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen. Dehnungsmessstreifen (DMS) sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden Verformungen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihren Impedanz und werden als Dehnungssensoren eingesetzt.
Die elektrische Impedanz des Dehnungsmessstreifens verändert sich mit einer Dehnung oder Kontraktion des Dehnungsmessstreifens. Durch Messung der Impedanz, insbesondere des elektrischen Widerstandes, kann das Ausmaß der Längenänderung des Dehnungsmessstreifens ermittelt werden. Wenn der Dehnungsmessstreifen wie erfindungsgemäß vorgesehen in einem einen Führungskanal bildenden Hohlraum am Untersuchungsobjekt, beispielsweise dem Rücken, untergebracht ist, führt eine Rückenbeugung zu einer entsprechenden Biegung des Dehnungsmessstreifens, wodurch der Dehnungsmessstreifen seine Länge ändert.
Der erfindungsgemäße Biegesensor umfasst bevorzugt einen Detektor, der eine Erfassungsvorrichtung aufweist. Die Erfassungsvorrichtung erfasst eine Veränderung der elektrischen Impedanz des Dehnungsmessstreifens oder eine Veränderung der Übertragungsfunktion des Lichtleiters. Somit besitzt der Biegesensor ein Maß für die Biegung des Untersuchungsobjekts.
Der Detektor des erfindungsgemäßen Biegesensors besitzt vorzugsweise ein zugfestes und elastisch biegbares Substrat, auf dem der Messaufnehmer befestigt ist. Das Substrat soll dafür sorgen, dass gegebenenfalls auftretenden Zug- oder Druckspannungen keine Längenänderung des Dehnungsmessstreifen hervorrufen. Denn eine solche Längenänderung würde ansonsten fälschlicherweise als Maß für die Biegung des Untersuchungsobjekts falsch interpretiert werden. Ein geeignetes Substrat, welches eine Biegung gestattet aber die Streckung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens unterbindet ist Federstahl. Federstahl ist ein Stahl, der im Vergleich zu anderen Stählen eine höhere Festigkeit besitzt. Ein Werkstück aus Federstahl kann bis zu einer durch den Werkstoff bestimmten Spannung (Elastizitätsgrenze) verbogen werden, um danach ohne bleibende Verformung elastisch in den Ausgangszustand zurückzukehren. Die Werkstoffeigenschaft, die das ermöglicht, ist die Elastizität. Das Substrat muss nicht Federbandstahl sein. Es kann sich auch um FR 4 handeln. FR 4 ist eine Bezeichnung für die Feuerfestigkeit (Fire Resistance) des Leiterplattenmaterials; FR4 ist der gängige Standard für Consumer Elektronik.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Detektor mehrere Messaufnehmer, die auf einander entgegengesetzten Seiten des Substrates befestigt sind. Die Zuverlässigkeit der erfassten Daten ist für die biomechanische Anwendung von höchster Notwendigkeit. Beide Messaufnehmer erfassen im Wesentlichen dieselbe Biegung des Substrates, welches die Beugung des Untersuchungsobjektes, beispielsweise des Rückens, nachvollzieht. Folglich wird die Beugung durch zwei zeitgleich zu ermittelnde Messwerte der Messaufnehmer repräsentiert. Die tatsächliche Biegung kann folglich mit einer größeren Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermittelt werden.
Der Biegesensor gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst einen Detektor, der mehrere Messaufnehmer zum Erfassen der Biegeparameter in jeweils unterschiedlichen Messzonen aufweist. Die Messaufnehmer können kaskadiert oder überlappend angeordnet sind. Damit ist es möglich ortsaufgelöst die aus der Körperbewegung resultierenden Biegeinformationen messtechnisch zu erfassen. Jede biegesensitive Messzone erfasst die jeweilig in ihrer Messstrecke applizierte Kurvatur in positiver oder negativer Biegerichtung in mindestens einer Raumebene. Die in den unterschiedlichen Messzonen angeordneten Messaufnehmer werden vorzugsweise zeitlich versetzt angesteuert, insbesondere mit einer Taktfrequenz von 1 kHz oder mehr, je mehr desto besser (Pulsbetrieb = Stromsparend). Damit wird die erfasste Datenmenge erheblich reduziert, denn es werden zu jedem Zeitpunkt jeweils nur Daten von einem einzigen Messaufnehmer ausgelesen. Gleichzeitig ist die Auslesefrequenz groß genug, um die Dynamik der Bewegung ortsaufgelöst zu erfassen Zum Beispiel wird bei einer Ansteuerfrequenz von 1 kHz und beispielsweise 10 Biegezonen eine Auslesefrequenz von 100 Hz möglich, was dynamische Bewegungserfassung (Geschwindigkeit, Beschleunigung der Biegung) möglich macht.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Biegesensor einen Raumlagesensor zum Erfassen der Position der Messaufnehmer relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld aufweisen. Das Gravitationsfeld der Erde gibt eine konstante Richtung vor. Die ortsaufgelöste Messung der Beugung ermöglicht es die Biegung in einer bestimmten Ebene relativ zur Richtung des Gravitationsfeldes zu erfassen. Somit kann beispielsweise ermittelt werden, wie der Rücken zum Heben von Lasten gebeugt wird.
Der Raumlagesensor kann auch einen Startvektor für die Erfassung der Biegeinformationen vorgeben. Der Raumlagesensor erfasst dafür die Lage des Sensors am Rücken vor Beginn der Biegemessung. Die nachfolgend erfasste Biegung stellt eine relative Abweichung gegenüber der Orientierung des Startvektors dar.
Die vom Detektor erfassten Daten werden vorzugsweise von der Erfassungsvorrichtung als digitalisierte elektronische Signale ausgegeben und in einem elektronischen Datenspeicher abgespeichert. Als Datenspeicher kann beispielsweise ein Flash-Speicher wie eine SD Memory Card oder Mikro-SD-Karte eingesetzt werden. Der Flash-Speicher bietet den Vorteil, dass er relativ klein und leicht ist und die abgespeicherten Daten verwahrt, ohne dass der Datenspeicher an eine Energieversorgung angeschlossen seien muss. Der Flash-Speicher kann mit dem Befestigungselement gemeinsam am Untersuchungsobjekt befestigt sein. Allerdings erfordert der Flash-Speicher eine Stromversorgung zum Ein- oder Auslesen von Daten. Alternativ dazu kann der Datenspeicher auch in einer separaten Speichereinheit vorgesehen sein. Die Datenübertragung erfolgt dann drahtgebunden oder drahtlos zu dem externen Datenspeicher. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Elektronik des Biegesensors deutlich kleiner auszubilden.
Das erfindungsgemäße Befestigungselement kann insbesondere eine auslesbare Kennungsspeichereinheit umfassen. Die Kennungsspeichereinheit enthält eine elektronische Kennung zur Identifikation des Befestigungselements. Es ist somit möglich, das Befestigungselement zu identifizieren, um zu verhindern, dass es unsachgemäß gegen ein anderes Produkt ausgetauscht wird. Dieses Merkmal dient insbesondere der Qualitätssicherung, denn die Identifikation erlaubt es sicherzustellen, dass lediglich der zur Messung vorgesehene Biegesensor mit dem Befestigungselement zum Einsatz kommen kann.
Als Kennungsspeichereinheit zum Identifizieren des Befestigungselementes kann beispielsweise ein RFID-Transponder zum drahtlosen Auslesen der elektronischen Kennung vorgesehen werden. Der englische Begriff Radio Frequency Identification (RFID) bezeichnet ein System zur Identifizierung mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen. Ein RFID-System besteht aus einem Transponder, der sich am oder im zu identifizierenden Gegenstand befindet und diesen kennzeichnet sowie einem Lesegerät zum Auslesen der Transponder-Kennung. Der erfindungsgemäße Detektor kann dann mit einem Lesegerät zum Auslesen der Kennung in dem RFID-Transponder vorgesehen werden. Das Auslesen erfolgt über eine Antenne, wobei als Antenne bereits für den Messdatentransfer vorhandene Datenleitungen verwendet werden, wobei diese mit z. B. 13,2 MHz moduliert und somit als Antenne nutzbar gemacht werden, was weitere elektrische Leitungen für eine Antenne abdingbar macht. Diese Maßnahmen stellen sicher, dass weder der Detektor noch das Befestigungselement gegen ein anderes Produkt ausgetauscht werden können. Eine eindeutige Zuordnung zum Hersteller und zur Anzahl der Anwendungen wird damit ermöglicht. Auch eine Mehrfachverwendung des Befestigungselements wird somit ausgeschlossen.
Der oder die Messaufnehmer werden vorzugsweise durch Lamination, Extrusion, Vergießen, Einschweißen oder Erhitzen eines Schrumpfschlauches in ein gegen Umwelteinflüsse verschlossenes Behältnis eingeschlossen wird. Dieses Merkmal soll sicherstellen, dass der Messaufnehmer vor potentiell schädlichen Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit oder Schmutz geschützt werden. Insbesondere wenn der erfindungsgemäße Biegesensor für Langzeituntersuchungen über Tage oder Wochen eingesetzt wird, ist ein solcher Schutz notwendig.
Die erfassten Biegeparameter werden vorzugsweise dazu verwendet, eine Vielzahl von Dynamikparametern zu bestimmen. Insbesondere der Biegewinkel als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegegeschwindigkeit als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegebeschleunigung als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Fouriertransformation der Funktionen des Biegewinkels, der Biegegeschwindigkeit und/oder der Biegebeschleunigung können abgeleitet werden.
Die erfassten Biegungsdaten werden vorzugsweise in ein Histogramm zur graphischen Darstellung der Häufigkeitsverteilung der Dynamikparameter eingetragen. Ein Histogramm ist eine graphische Darstellung der Häufigkeitsverteilung von Messwerten. Man geht dabei von den nach Größe geordneten Daten aus und teilt den gesamten Bereich der Stichprobe in Klassen auf. Über jeder Klasse wird eine Fläche errichtet, dessen Fläche proportional zur klassenspezifischen Häufigkeit ist. Insbesondere der Biegewinkel, die Biegegeschwindigkeit oder die Biegebeschleunigung sind in solchen Histogrammen dargestellt. Eine Häufigkeitsverteilung der Raumlage des Biegesensors kann ebenso als Histogramm oder als Grauwert in einem Koordinatensystem dargestellt wird. Die erfassten Biegeparameter werden mit Durchschnitts-Biegeparametern verglichen, um Abberationen in den Bewegungsparametern kenntlich zu machen. Ein solcher Vergleich wird durch die Histogrammdarstellung erleichtert.
Vorzugsweise werden zeitgleich mit den Biegeparametern weitere Parameter, wie beispielsweise Schmerzparameter, Haltungsparameter, Beweglichkeitsparameter, erfasst und eine statistische Korrelation wird zwischen den Biegeparametern und den weiteren Parametern hergestellt. Die statistische Korrelation sagt jedoch nicht aus, ob ein kausaler Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Parametern besteht. Das Erkennen solcher Zusammenhänge durch einen Wissenschaftler oder Arzt wird jedoch erleichtert, wenn entsprechende statistische Korrelationen dargestellt werden können.
Das Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors erfolgt vorzugsweise über einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden, um eine Langzeitanalyse zu ermöglichen. Die Anwendung erfolgt folglich analog zum Langzeit EKG – Messungen sind in beliebigen Zeiträumen bis zu 24 h möglich. Das Erfassen von Biegeparametern kann insbesondere therapiebegleitend durchgeführt wird, um eine positive oder negative Korrelation zwischen therapeutischen Maßnahmen und den erfassten Bewegungsparametern festzustellen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt beispielhaft die Applikation eines erfindungsgemäßen Biegesensors auf dem Rücken einer Person.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Detektor eines erfindungsgemäßen Biegesensors.
3 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem, in dem die Abhängigkeit einer elektrischen Widerstandsänderung (ΔR) des Detektors von einem Biegewinkel (Φ) dargestellt ist.
4 zeigt eine schematische Ansicht zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Biegesensor.
5 zeigt eine Schnittansicht des Biegesensors des zweiten Ausführungsbeispiels in einer Schnittebene 130.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Biegesensor.
7 zeigt eine Schnittansicht des Biegesensors des dritten Ausführungsbeispiels in einer Schnittebene 130
1 zeigt beispielhaft die Applikation eines erfindungsgemäßen Biegesensors auf dem Rücken einer Person. Ein zweistreifiger biegesensitive Detektor 10 ist gezeigt, dessen streifen nebeneinander auf dem Rücken der Person angebracht sind. Streifenförmige elastischen Bänder sind in 1 laufen parallel zur Wirbelsäule den Rücken entlang. Sie sind mittels Befestigungselementen 20 am Rücken befestigt. Eine Datenleitung 40 ist vorgesehen, welche die erfassten Biegeparameter an einen elektronischen Datenspeicher 30 überträgt.
In 2 ist eine seitliche Ansicht des streifenförmigen Detektorabschnitts 10 von 1 dargestellt. Der Detektor 10 umfasst ein streifenförmiges Substrat 10. Auf den einander gegenüberliegenden Seiten des streifenförmigen Substrats 50 sind jeweils Dehnungsmessstreifen 60 und 17 angeordnet. Die einander entgegengesetzt angeordneten Dehnungsstreifen definieren jeweils eine Messzone des Detektors. Die Dehnungsmessstreifen 60 und 70 sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden Verformungen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihren Impedanz und werden als Dehnungssensoren eingesetzt. Wenn die in 1 dargestellte Person ihren Rücken beugt, so werden die Dehnungsmessstreifen 60 und 70 jeweils gedehnt. Diese mechanische Verformung ändert den elektrischen Widerstand der Dehnungsmessstreifen 60 und 70.
In 3 ist der Zusammenhang zwischen der mechanischen Verformung der Dehnungsmessstreifen und der Änderung des elektrischen Widerstandes in einem kartesischen Koordinatensystem dargestellt. Auf der Abszisse ist der Biegewinkel Φ aufgetragen. Der Biegewinkel Φ ist eine einfache Funktion der Dehnung des Dehnungsmessstreifens. Jede einzelne biegesensitive Messzone eines Sensorbandes wird kalibriert, wobei die Kalibrationskurven auf der Sensorband-Elektronik abgespeichert werden. Die Ordinate des Koordinatensystems stellt die Änderung des elektrischen Widerstandes ΔR gegenüber einem Widerstand eines unverformten Dehnungsmessstreifen dar. Bezugszeichen 85 stellt die Kalibrierungskurve dar; sie gibt den funktionellen Zusammenhang zwischen Widerstandsänderung ΔR und Biegewinkel Φ an. Die Kalibrierungskurve 85 in 3 ist eine einfache Gerade, die durch den Ursprung des Koordinatensystems verläuft. Diese Kurvenform ist nur beispielhaft dargestellt. Die Kalibrierungskurven 85 weichen jedoch bei größeren Biegewinkeln Φ von der Geradenform ab. Die Kalibrierung ist notwendig, um eine möglichst genaue Erfassung der Biegewinkel zu ermöglichen. Als Sensorelemente können neben Dehnungsmessstreifen (DMS) auch Lichtleiter mit Oberflächenstrukturierung im Bereich der biegesensitiven Messzonen eingesetzt werden, Neben dem ohmschen Widerstand können auch Änderungen der elektrischen Kapazität oder Induktivität als Maß für den Biegewinkel verwendet werden. Im Allgemeinen, kann der komplexe Wechselstromwiderstand Z bzw. die Impedanz gegen den zu erfassenden Biegewinkel als Kalibrierungskurve aufgezeichnet werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biegesensors dargestellt. Der Biegesensor umfasst eine Einheit für die Detektorelektronik 120, die an einen biegesensitiven Detektor 10 angeschlossen ist. Der Biegesensitive Detektor umfasst ein streifenförmiges Substrat 50. Entlang dem streifenförmigen Substrat 50 ist eine Vielzahl von streifenförmigen Dehnungsmessstreifen 110 angeordnet. Die Langsachse der Dehnungsmessstreifen 110 ist jeweils parallel zur Längsachse des streifenförmigen Substrats 50 ausgerichtet. Benachbarte Dehnungsstreifen 110 sind jeweils abschnittsweise nebeneinander auf dem streifenförmigen Substrat platziert, so dass ein Anfangsabschnitt eines ersten Dehnungsstreifens 110 jeweils neben einem Endabschnitt eines darauffolgenden Dehnungsstreifens 110 liegt. Bezugszeichen 130 stellt eine Schnittebene durch den biegesensitiven Detektor dar, wo Anfangs- und Endabschnitt zweier benachbarter Dehnungsstreifen nebeneinander auf dem streifenförmigen Substrat angeordnet sind.
In 5 ist ein Querschnitt des biegesensitiven Detektors 10 aus 4 in der Schnittebene 130 dargestellt. Das in 5 dargestellte Substrat 50 ist vorzugsweise aus Federstahl gefertigt. Dieses Material hat eine ausreichende Festigkeit und Flexibilität, um die Dehnungsmessstreifen 110 aufzunehmen. In 5 ist gezeigt, dass die Dehnungsmessstreifen 110 mittels einer Klebstoffschicht 40 auf dem Substrat 50 befestigt sind. Als Klebstoffschicht 40 kann beispielsweise ein Epoxydharz eingesetzt werden, das zugleich eine wirksame elektrische Isolation des Dehnungsmessstreifens von dem Substrat bereitstellt. Substrat 50 und Dehnungsmessstreifen sind von einer Schutzhülle 100 eingeschlossen. Als Schutzhülle kommt vorzugsweise ein Schrumpfschlauch zum Einsatz.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bezugszeichen 120 in 6 kennzeichnet die Detektorelektronik des dargestellten Biegesensors; diese ist vorzugsweise über eine Datenleitung mit einem externen in 6 nicht dargestellten Datenspeicher verbunden. Damit kann die Größe und das Gewicht des Biegesensors insgesamt vermindert werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, die erfassten Bewegungsparameter über eine drahtlose Verbindung, beispielsweise Bluetooth (IEEE 802.15.1), WLAN (IEEE 802.11) oder UMTS, weiterzuleiten. Die Auswertung und Speicherung der erfassten Bewegungsparameter kann damit an externe Rechner übertragen werden. Insbesondere ist es möglich, die erfassten Daten in Echtzeit auszuwerten, um dem Träger des Biegesensors wiederum Informationen zur Verminderung oder Vorbeugung von Rückenschmerzen zu vermitteln.
Der in 6 dargestellte Biegesensor umfasst ferner ein Substrat 50, auf dem Dehnungsmessstreifen 110 kaskadierend angeordnet sind. Mit dem Begriff Kaskadierung wird hier allein die räumliche Anordnung der Dehnungsmessstreifen bezeichnet. Die Dehnungsmessstreifen 110 sind nicht hintereinander geschaltet sondern parallel geschaltet. Somit kann jeder Dehnungsmessstreifen individuell angesteuert und ausgelesen werden. Jeder Dehnungsmessstreifen 50 ist dazu vorgesehen, Bewegungsparameter an unterschiedlichen Orten bzw. Messzonen zu erfassen, so dass eine ortsaufgelöste Darstellung von Bewegungsparametern erhalten werden kann. Die Dehnungsmessstreifen 110 sind jeweils nacheinander entlang einer Langsachse des Substrates 50 angeordnet. In 6 ist lediglich eine Draufsicht auf den Biegesensor dargestellt. Auf der nicht dargestellten Rückseite des Biegesensors sind wiederum Dehnungsmessstreifen in derselben Weise angeordnet wie auf der dargestellten Vorderseite.
In 7 ist ein Querschnitt des Biegesensors von 6 entlang einer Schnittebene 130 dargestellt. Auf den einander entgegengesetzten Seiten des Substrates 50 sind jeweils Dehnungsmessstreifen 110 angeordnet. Mittels einer Klebstoffschicht 140 sind die Dehnungsmessstreifen 110 jeweils an dem Substrat 50 befestigt. Durch Kombination jeweils zweier parallel (Sandwich Aufbau) angeordneter, inversiv oder gleichgerichtet orientierter Messaufnehmer pro biegesensitive Messzone wird die Messgenauigkeit, der Messbereich, die Störunanfälligkeit und somit die Reproduzierbarkeit der Biegesignale erhöht, da thermische, mechanische und elektromagnetische Einflüsse sowie Degradation der Messaufnehmer kompensiert werden.

10: biegesensitiver Detektor
20: Befestigungselement
30: Datenspeicher
40: Datenleitung
50: Substrat
60: oberer Dehnungsmessstreifen
70: unterer Dehnungsmessstreifen
80: Messzonen
85: Kalibrierungskurve
90: Stromversorgung
100: Schutzhülle
110: Dehnungsmessstreifen
120: Detektorelektronik
130: Schnittebene
140: Klebstoff für Dehnungsmessstreifen

Claims

Biegesensor zur Erfassung von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper, mit einem Befestigungselement (20), insbesondere einem Befestigungspflaster, zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen oder tierischen Körpers, einem biegesensitiven Detektor (10) zum Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors, insbesondere eines Biegewinkels, einer Biegegeschwindigkeit und einer Biegebeschleunigung, und einem Datenspeicher (30) zum Speichern der erfassten Biegeparameter, dadurch gekennzeichnet, das Befestigungselement dehnbar ist und einen dehnbaren Hohlraum zur Aufnahme eines Messaufnehmers des Detektors aufweist, wobei der Messaufnehmer an einem Referenzpunkt des Befestigungselements im Hohlraum fixiert ist.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1, wobei das Befestigungselement (20) eine elastische Unterschicht mit biokompatibler thermisch aktivierbarer Klebeschicht zur Applikation auf der Haut und eine elastische Oberschicht aufweist, wobei der Hohlraum zwischen der Oberschicht und Unterschicht ausgebildet ist.
Biegesensor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Messaufnehmer einen Lichtleiter mit einer Übertragungsfunktion aufweist, die sich in Abhängigkeit von einer Verbiegung des Lichtleiters verändert.
Biegesensor gemäß Anspruch 3, wobei der Messaufnehmer einen Dehnungsmessstreifen mit einer elektrischen Impedanz aufweist, die sich mit einer Dehnung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens verändert.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, der Detektor eine Erfassungsvorrichtung aufweist, wobei die Erfassungsvorrichtung eine Veränderung des elektrischen Impedanz des Dehnungsmessstreifens (60, 70) oder eine Veränderung der Übertragungsfunktion des Lichtleiters erfasst.
Biegesensor gemäß Anspruch 5, wobei die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, die Veränderung der elektrischen Impedanz eines Dehnungsmessstreifens (60, 70) oder die Veränderung der Übertragungsfunktion des Lichtleiters mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz von beispielsweise 100 Hz zu erfassen.
Biegesensor gemäß Anspruch 5 oder 6, mit einem elektronischen Datenspeicher zum Abspeichern der von der Erfassungsvorrichtung ausgegebenen digitalisierten elektronische Signale.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor ein zugfestes und elastisch biegbares Substrat aufweist, auf dem der Messaufnehmer befestigt ist.
Biegesensor gemäß Anspruch 8, wobei das Substrat aus Federstahl gefertigt ist.
Biegesensor gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der Detektor mehrere Messaufnehmer aufweist, die auf einander entgegengesetzten Seiten des Substrates befestigt sind.
Biegesensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei der Detektor (10) mehrer Messaufnehmer zum Erfassen der Biegeparameter in jeweils unterschiedlichen Messzonen (80) aufweist.
Biegesensor gemäß Anspruch 11, wobei die Messaufnehmer kaskadiert oder überlappend angeordnet sind.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Erfassungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, die in den unterschiedlichen Messzonen (80) angeordneten Messaufnehmer zeitlich versetzt anzusteuern, insbesondere mit einer Ansteuerfrequenz von mindestens 1 kHz.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Raumlagesensors zum Erfassen der Position der Messaufnehmer relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das Befestigungselement (20) eine Schicht aus Federstahl zur mechanischen Stabilisation und elektromagnetischen Schirmung aufweist.
Biegesensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Befestigungselement (20) eine auslesbare Kennungsspeichereinheit aufweist, wobei in der Kennungspeichereinheit eine elektronische Kennung zur Identifikation des Befestigungselements gespeichert ist.
Biegesensor gemäß Anspruch 16, wobei die Kennungsspeichereinheit einen RFID-Transponder zum drahtlosen Identifizierung Auslesen der elektronischen Kennung aufweist.
Biegesensor gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei der Detektor ein Lesegerät zum Auslesen der Kennung aufweist.
Biegesensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der RFID-Transponder als Antenne eine bereits für den Messdatentransfer vorhandene Datenleitung verwendet.
Verfahren zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen oder tierischen Körper, mit den Schritten: Befestigen eines Biegesensors am menschlichen oder tierischen Körper, Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors, insbesondere eines Biegewinkels, einer Biegegeschwindigkeit und einer Biegebeschleunigung, Bestimmen der Körperbewegung anhand der erfassten Biegeparameter, gekennzeichnet durch die Schritte bereitstellen eines dehnbaren Befestigungselement zum Befestigen des Biegesensors, wobei das Befestigungselement einen dehnbaren Hohlraum zur Aufnahme eines Messaufnehmers des Detektors aufweist, und fixieren des Messaufnehmers an einem Referenzpunkt des Befestigungselements im Hohlraum.
Verfahren gemäß Anspruch 20, mit dem Schritt Erfassen einer Position des Biegesensors mittels eines Raumlagesensors, wobei die Position relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei die Biegeparameter ortsaufgelöst erfasst werden, indem mehrere biegesensitive Messzonen (80) des Biegesensors zum Erfassen von Biegeparametern eingesetzt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 20, 21 oder 22, wobei die Biegeparameter zeitaufgelöst erfasst werden, indem die Biegeparameter mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz von beispielsweise 100 Hz erfasst werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erfassten Biegeparameter dazu verwendet werden, eine Vielzahl von Dynamikparametern zu bestimmen, insbesondere den Biegewinkel als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegegeschwindigkeit als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegebeschleunigung als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Fouriertransformation der Funktionen des Biegewinkels, der Biegegeschwindigkeit und/oder der Biegebeschleunigung.
Verfahren gemäß Anspruch 24, wobei ein Histogramm zur graphischen Darstellung der Häufigkeitsverteilung der Dynamikparameter, insbesondere der Biegewinkel, Biegegeschwindigkeit oder Biegebeschleunigung verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 24 oder 25, wobei eine Häufigkeitsverteilung der Raumlage des Biegesensors als Histogramm oder als Grauwert in einem Koordinatensystem dargestellt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 26, wobei die erfassten Biegeparameter mit Durchschnitts-Biegeparamtern verglichen werden, um Abberationen in den Bewegungsparametern kenntlich zu machen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 27, wobei zeitgleich mit den Biegeparametern weitere Parameter, wie beispielsweise Schmerzparameter, Haltungsparameter, Beweglichkeitsparameter, erfasst werden und eine statistische Korrelation zwischen den Biegeparametern und den weiteren Parameter hergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 28, wobei das Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors über einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden erfolgt, um eine Langzeitanalyse zu ermöglichen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 29, wobei das Erfassen von Biegeparametern therapiebegleitend durchgeführt wird, um eine positive oder negative Korrelation zwischen therapeutischen Maßnahmen und den erfassten Bewegungsparametern festzustellen.