DE19906140B4

DE19906140B4 - Vorrichtung zur Bestimmung und Dokumentation von motorischen Reflexen, insbesondere von Muskelreflexen und/oder Sehnenreflexen

Info

Publication number: DE19906140B4
Application number: DE19906140A
Authority: DE
Inventors: Manfred Zimmermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-02-13
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2019-02-14
Also published as: DE19906140A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung und Dokumentation von motorischen Reflexen, insbesondere von Muskelreflexen und/oder Sehnenreflexen, dadurch gekennzeichnet,
daß eine oder mehrere Elektroden, insbesondere Hautelektroden, vorgesehen sind,
die auf der Haut über einem oder mehreren ausgewählten Muskeln plazierbar und zur Aufnahme und Weiterleitung von Aktionsströmen eines oder mehrerer Muskelfasern oder Muskeln geeignet sind,
und die an einen Computer gekoppelt sind,
daß ein Reflexhammer vorgesehen ist,
der zur Ausführen von Hammerschlägen auf die Haut über einem oder mehreren gewählten Muskel(n) bzw. dessen/deren Sehne(n) und damit zur Erzeugung von reflektorischen Kontraktionen und Aktionsströmen in dem/den Muskel(n) geeignet ist,
daß ein Kraftsensor bzw. Beschleunigungssensor vorgesehen ist,
der in oder an dem Reflexhammer montiert
und an einen Computer gekoppelt ist,
und der zur Erzeugung eines oder mehrerer elektrischer Signale infolge
der Abbremsung des Reflexhammers beim Auftreffen auf die Sehne
und zur Weiterleitung dieser Signale an den...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung und Dokumentation von motorischen Reflexen, insbesondere von Muskelreflexen und/oder Sehnenreflexen

Die Prüfung von motorischen Reflexen spielt bei der Erkennung von Erkrankungen des Nervensystems eine große Rolle. Herkömmlicherweise werden diese motorischen Reflexe (auch Muskelreflexe, Sehnenreflexe oder Eigenreflexe genannt) durch einen Schlag mit einem sogenannten Reflexhammer (bzw. Reflexhämmerchen) auf die Sehne ausgelöst, z.B. die Patellarsehne am Knie oder die Achillessehne an der Ferse. Die dadurch hervorgerufene reflektorische Muskelkontraktion ist mit den im Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen nur qualitativ zu beobachten und zu bewerten. Eine quantitative Erfassung und Auswertung dieser Tests ist bisher nicht möglich. Allein zu Forschungszwecken werden derzeit motorische Reflexe für die quantitative Auswertung verfügbar gemacht, indem Muskelreflexe durch elektrische Reizung ausgelöst und die mit den ausgelösten Muskelreflexen einhergehenden Muskelströme (EMG) gemessen werden. Hierbei wird jedoch zur Auslösung der Reflex-EMGs der betreffende motorische Nerv durch die Haut hindurch elektrisch stimuliert – und nicht wie bei der Reflexhammermethode mechanisch. Die elektrische Reizung ist für den Patienten bzw. die Versuchsperson belastend und zum Teil schmerzhaft, sie ist außerdem unphysiologisch und umfaßt bzw. erfaßt nicht die sensorische Seite der normalen Reflexauslösung (Reflexprüfung), nämlich die im Muskel verteilten Muskelspindeln. Es sind primär und vor allem diese Muskelspindelm, die durch die kurzzeitige Dehnung oder Erschütterung des Muskels bei dem Schlag mit dem Reflexhammer erregt werden.

Yamada et al. beschreiben (in IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. BME-29, No. 11, November 1982, S. 713–718) eine Vorrichtung, die an einen Computer gekoppelte Elektroden zum Messen von EMG-Signalen aufweist, und die einen Reflexhammer umfaßt, der zur Ausführen von Hammerschlägen auf die Haut über einem Muskel bzw. dessen Sehnen und damit zur Erzeugung von reflektorischen Kontraktionen und Aktionsströmen in dem Muskel dient. Für eine Dokumentation von Muskel- und/oder Sehnenreflexen ist diese Vorrichtung nicht geeignet.

Die WO 94/15540 A1 beschreibt eine Bolzenapparat mit einem Schlagbolzen, dessen Schlagkraft elektromagnetisch erzeugt wird und bezüglich der Stärke variiert werden kann. Vor der Schlagfläche des Bolzens, die zur Sehne oder einem anderen Schlagziel hinweist, ist ein Kraftmesser positioniert. Bei der Anwendung zur Reflexauslösung liegt dieser Kraftmesser zwischen Schlagbolzen und Patientensehne und überträgt den Schlag des auftreffenden Bolzens auf die Sehne. Die Patientensehne wird hierbei nicht direkt sondern nur mittelbar von dem Schlagbolzen getroffen, und die Kraft, die der Kraftsensor beim Auftreffen des Schlagbolzens mißt, wird infolge von Energieverlusten (durch Wärme und Reibung) nicht in vollem Umfang an die Sehne weitergegeben. Deshalb erlaubt diese Vorrichtung keine exakte Vermessung des den Muskelreflex auslösenden Reizes. Die Vorrichtung ist außerdem groß und aufwendig konstruiert, der Patient muß in einer definierten Position durch "einspannen" fixiert werden, um die Ziel- und Treffgenauigkeit des Bolzengeräts zu gewährleisten, und die elektromagnetische Schlagerzeugung ist sehr störanfällig. Für die ärztliche Routinepraxis ist dieses Gerät nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der mechanisch – insbesondere mittels Reflexhammerschlag – ausgelöste motorische Reflexe nicht nur qualitativ sondern auch quantitativ bestimmt, d.h. exakt gemessen, und praktisch gleichzeitig dokumentiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Die Vorrichtung der eingangs genannten Art ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet:

• Sie umfaßt zwei oder mehr Elektroden, insbesondere Hautelektroden, die zur Aufnahme (Synonyme: Abnahme/Registrierung/Aufzeichnung) und Weiterleitung (Synonym: Abgabe) von Aktionsströmen (Synonym: Elektromyogrammen = EMG) eines oder mehrerer Muskelfasern oder Muskeln geeignet sind, und die auf der Haut über einem oder mehreren ausgewählten Muskeln plaziert werden können. Diese Elektroden sind – vorzugsweise unter Zwischenschaltung von wenigstens einem elektrischen Verstärker – an einen Kathodenstrahloszillographen, einen Schreiber oder einen Computer gekoppelt.
• Die Vorrichtung umfaßt desweiteren einen Reflexhammer, mit dem Hammerschläge auf die Haut über dem oder den gewählten Muskel(n) bzw. dessen oder deren Sehne(n) ausgeführt und dadurch mechanische Kontraktionen in dem oder den Muskel(n) erzeugt werden können.
• Sie umfaßt ferner einen Kraftsensor (Synonym: Kraftmesser) bzw. Beschleunigungssensor (Synonym: Beschleunigungsmesser), der an oder in den Reflexhammer an- bzw. eingebaut und an einen Computer gekoppelt ist, und der zur Erzeugung eines oder mehrerer elektrischer Signale infolge mechanischer Vibrationen des Reflexhammers (aufgrund dessen Abbremsung und/oder Erschütterung beim Schlag) und zur Weiterleitung dieser Signale an den Computer geeignet ist, wobei diese elektrischen Signale mit dem Zeitpunkt, der Stärke und vorzugsweise wahlweise auch der Dauer des (Reflex-)Hammerschlags korrelieren und damit diese Daten repräsentieren.
• Die Vorrichtung umfaßt außerdem einen Computer, vorzugsweise einen Mikrocomputer, der mit Prozessor, vorzugsweise Mikroprozessor, Datenspeicher, Dateneingabewerk, Datenausgabewerk und Display zur Anzeige der eingegebenen und/oder ausgegebenen Daten ausgerüstet ist, und der sowohl mit der bzw. den (Haut-)Elektrode(n) als auch mit dem Kraftsensor/Beschleunigungssensor des Reflexhammers derart elektrisch gekoppelt ist, daß die an bzw. mittels der Elektroden und des Kraftsensors/Beschleunigungssensors registrierten Werte an dem Computer ein- und ausgelesen, gespeichert und bearbeitet werden können.

Der Kraftsensor/Beschleunigungssensor ist vorzugsweise an oder in dem Hammerkopf des Reflexhammers montiert, d.h. insbesondere an- bzw. eingebaut.

In einer herstellungstechnisch und handhabungstechnisch bewährten Ausführungsform ist der Kraftsensor/Beschleunigungssensor als Stab oder Stange aus piezoelektrischem Material bzw. als Piezotransistor realisiert und vorzugsweise am kopfseitigen Abschnitt des Reflexhammers mit Bewegungsspielraum derart gelagert, daß sich die Stange bzw. der Stab bzw. der Piezotransistor bei einem Schlag des Hammers auf eine Unterlage infolge der Bremsbeschleunigung verbiegt. Das Ausmaß der Verbiegung und die Stärke der damit einhergehenden kurzzeitigen elektrischen Spannung in dem Stab bzw. der Stange bzw. dem Piezotransistor ist abhängig von der Schlagstärke des Hammers und wird – ggf. nach Verstärkung des elektrischen Signals mittels eines Verstärkers – an den Computer weitergeleitet und dort registriert, gespeichert, angezeigt und ggf. verarbeitet oder bearbeitet.

Anstelle des Stabs/der Stange aus piezoelektrischem Material kann erfindungsgemäß ebensogut ein bewegungs- bzw. kraftempfindliches Halbeleiterelement verwendet werden – oder auch ein Dehnungsmeßstreifen auf Blattfeder, die bei Beschleunigung des Reflexhammers deformierbar ist bzw. deformiert wird.

Zur Unterstützung bzw. Sicherung des Signaltransfers vom Kraftsensor bzw. Beschleunigungssensor zum Computer ist die Zwischenschaltung von wenigstens einem Verstärker vorgesehen.

Analog sollte zur Unterstützung bzw. Sicherung des Signaltransfers zwischen den (Haut-) Elektroden und dem Computer ebenfalls wenigstens ein Transduktor oder ein anderer Verstärker zwischen (Haut-)Elektroden und Computer geschaltet sein.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals möglich, ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung und Dokumentation von motorischen Reflexen, insbesondere von Muskel- und/oder Sehnenreflexen (sog. Eigenreflexen) durchzuführen.

Dieses Verfahren umfaßt seinem Wesen nach die folgenden Schritte:

• Eine oder mehrere Elektroden, insbesondere Hautelektroden, die zur Aufnahme (Abnahme/Registrierung/Aufzeichnung) und Abgabe (Weiterleitung) von Aktionsströmen (Elektromyogrammen = EMGs) eines oder mehrerer Muskelfasern oder Muskeln geeignet ist/sind, werden auf der Haut über einem oder mehreren ausgewählten Muskel plaziert,
• Mit einem Reflexhammer wird ein Hammerschlag auf die Haut über dem/den gewählten Muskel(n) bzw. dessen/deren Sehne(n) ausführt und dadurch eine mechanische Deformation oder Vibration in dem/den Muskel(n) erzeugt.
• Zeitpunkt, Stärke und vorzugsweise auch die Dauer des Hammerschlags werden mittels des Kraft- bzw. Beschleunigungssensors (Kraftmessers bzw. Beschleunigungsmessers) registriert, der in oder an dem Reflexhammer – vorzugsweise in dessen Hammerkopf – montiert ist und von diesem die Daten (Zeitpunkt, Stärke) des Hammerschlags empfängt, und der mit einem Computer (vorzugsweise einem Mikrocomputer) gekoppelt ist und an diesen die Daten des Hammerschlags (Zeitpunkt, Stärke) zur Anzeige, Speicherung und Verarbeitung weiterleitet.
• Die durch den Hammerschlag ausgelösten Kontraktionen der/des Muskels) bzw. die damit einhergehenden elektrischen Aktionsströme des Muskels (= das Reflex-EMG), die zeitlich etwa 30 bis 50 msec nach dem Hammerschlag auf die Sehne auftreten, werden mittels der Elektrode(n) registriert, vorzugsweise mit Hilfe eines Verstärkers verstärkt, und ebenfalls an den Computer geleitet.
• In dem Computer, der mit Prozessor (vorzugsweise Mikroprozessor), Datenspeicher, Dateneingabewerk, Datenausgabewerk und Display zur Anzeige der eingegebenen und/oder ausgegebenen Daten ausgerüstet ist, werden die (Kenn-)Daten des mechanischen Reizes (Zeitpunkt, Stärke) und die (Kenn-)Daten des dadurch ausgelösten motorischen Reflexes (Zeitpunkt, Latenzzeit, Stärke, Dauer) ein- und ausgelesen, gespeichert und gegebenenfalls be- bzw. verarbeitet.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen vor allem darin, daß mit Hilfe des mit dem Reflexhammer baulich verbundenen, vorzugsweise in diesen eingebauten, Kraft- bzw. Beschleunigungssensors ein registrierbares elektrisches Signal gewonnen wird, das dem Zeitpunkt und der Stärke des Hammerschlags entspricht. Mit anderen Worten: Zeitpunkt und Stärke des Hammerschlags werden registriert. Damit kann die Latenz, die Dauer und die Größe (Amplitude) des Reflexes sowie der funktionelle Zusammenhang zwischen Schlagstärke und Reflexgröße bestimmt werden, d.h. es ist erstmalig möglich, Eigenreflexe über die Messung des Elektromyogramms (EMG) quantitativ zu dokumentieren und auszuwerten.

Die Kenndaten eines motorischen Reflexes (Latenz, Dauer, Amplitude) können individuell für eine Versuchsperson bzw. Trainingsperson bzw. einen Patienten wiederholt bestimmt werden, und durch Vergleich von Messungen z.B. der rechten und linken Körperhälfte oder von Messungen, die zu verschiedenen Zeiten aufgenommen wurden, lassen sich krankheitsbedingte und/oder therapiebedingte und/oder in sonstiger Weise trainingsbedingte Änderungen der Reflextätigkeit ermitteln.

Die Reflex-EMGs und die dazugehörigen Daten zur Stärke des Reflexhammerschlags, d.h. die entsprechenden elektrischen Signale des Kraft- bzw. Beschleunigungssensors, können mit Hilfe des Computers auf Festplatte oder Diskette gespeichert werden. Für jeden einzelnen Patienten/Probanden/Trainingskandidaten können somit zahlreiche Tests bzw. Messungen dieser Art bequem und sicher auf kleinstem Raum gespeichert werden, und sämtliche Daten stehen dem Arzt, Trainer, Therapeuten oder der betreffenden Person selbst jederzeit und ohne Aufwand abrufbar zur Verfügung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
1: einen Reflexhammer mit eingebautem Kraftsensor/Beschleunigungssensor,
2: eine Schemadarstellung der Vorrichtung im Gebrauch,
3: eine graphische Dokumentation von Stärke und Zeitpunkt des Reflexhammersschlags,
4: eine graphische Dokumentation eines Wadenmuskel-EMGs
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Reflexhammers mit integriertem Kraftsensor dargestellt. An der dem Hammerstiel 4 zugewandten Schmalseite 6 des Hammerkopfes 8 ist eine Haltevorrichtung 10 für einen Stab aus Piezokristall 12 befestigt. Die Haltevorrichtung 10 besteht z.B. aus Plexiglas und hat die Form eines U-Profils. Der U-Rücken verläuft annähernd parallel zum Hammerstiel 4 und damit annähernd quer zur Aufschlagfläche 14 des Hammerkopfes 8. Die U-Schenkel erstrecken sich links und rechts des Hammerstiels 4 in Richtung Aufschlagfläche 14 des Hammerkopfes 8. Sie dienen zur Stabilisierung der Lage der Haltevorrichtung 10 an dem Hammerkopf 8.
Im bzw. am U-Rücken ist eine Röhre oder Hülse 16 ausgebildet.
Der Piezokristallstab 12 ist an seinem einen stirnseitigen Endabschnitt 26 in einem Haltestift 18 verankert, welcher in der Röhre oder Hülse 16 im U-Rücken der Haltevorrichtung 10 steckt und dort mittels einer Befestigungsschraube 20 verrutschsicher festgehalten ist. Der andere stirnseitige Endabschnitt 24 des Piezokristallstabs 12 ist frei und ragt in einen Hohlraum 22, der von den Wänden der Haltevorrichtung 10 und dem Hammerstiel 4 sowie der dem Hammerstiel 4 zugewandten Schmalseite 6 des Hammerkopfes 8 begrenzt. Über seine gesamte Länge betrachtet erstreckt sich der Piezokristallstab 12 mitsamt seinem Haltestift 18 im wesentlichen parallel zur Aufschlagfläche 14 des Hammerkopfes 8. An dem Piezokristallstab 12 sind Anschlußleitungen 28 für einen (hier in 1 nicht näher dargestellten) Verstärker angekoppelt, beispielsweise angelötet, vorzugsweise – wie hier in 1 dargestellt – in einem Abschnitt des Piezokristallstabs 12, der nahe dem Haltestift 18 liegt.
Anstelle der Anschlußleitungen können erfindungsgemäß auch ein oder mehrere Infrarot- oder Hochfrequenzkanäle für die Übertragung der Hammerdaten eingesetzt werden.
Eine hier nicht näher dargestellte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Kraft- bzw. Beschleunigungssensor in den Hammerstiel eingebaut ist, und zwar an dessen dem Hammerkopf zugewandten Endabschnitt.
2 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel der Anwendung zur Messung des Achillessehnenreflexes. An der Wade des zu untersuchenden Beins 30 sind die sensorischen Enden zwei Hautelektroden 32, 34 befestigt. An ihrem ableitenden Ende sind diese Elektroden an eine Verstärker 36 gekoppelte, der über einen Analog/Digital-Wandler 38 an einen Computer 40 angeschlossen ist. Der Computer 40 ist mit einer Speichereinheit 42, einer Auswerteeinheit 44 und einem Drucker 46 gekoppelt. Der Reflexhammer 2 mit integriertem Kraftsensor gemäß 1 ist ebenfalls an einen Verstärker 48 angeschlossen, der seinerseits – wiederum unter Zwischenschaltung eines Analog/Digital-Wandlers 50 – an den Computer 40 gekoppelt ist.
Für den Achillessehnenreflex-Test wird zunächst mit dem Reflexhammer ein Hammerschlag auf die Achillessehne ausgeübt. Dann werden folgende Parameter gemessen bzw. errechnet und dokumentiert:

1. die Schlagstärke und der Schlagzeitpunkt des Reflexhammers
2. die Reflexzeit, d.h. die Latenz zwischen Hammerschlag und Beginn des Reflex-EMGs
3. die Reflexdauer, d.h. die Zeitdauer vom Beginn bis zum Ende des Reflex-EMGs
4. Die Reflex-Amplitude (d.h. die Differenz der maximalen positiven und negativen EMG-Spannungen)
5. Die Intensitäts-Kennlinie, d.h. die Abhängigkeit der Reflex-Amplitude von der Schlagstärke

3 zeigt die graphische Dokumentation von Schlagstärke und Schlagzeitpunkt des Reflexhammersschlags, und 4 zeigt die graphische Dokumentation des EMGs des Wadenmuskels. Sämtliche Parameter kennzeichnen den hier getesteten Achillessehnen(eigen-)reflex. Anhand des Testergebnisses ist es unter anderem möglich, neurologische Erkrankungen, z.B. eine diabetische Polyneuropathie, festzustellen, und zwar wesentlich früher als dies mit den herkömmlichen Diagnosevorichtungen und -verfahren möglich ist.

2: Reflexhammer
4: Hammerstiel
6: Schmalseite
8: Hammerkopf
10: Haltevorrichtung
12: Piezokristallstab
14: Aufschlagfläche
16: Hülse
18: Haltestift
20: Befestigungsschraube
22: Hohlraum
24: Endabschnitt
26: Endabschnitt
28: Anschlußleitung
30: Bein
32: Hautelektrode
34: Hautelektrode
36: Verstärker
38: Analog/Digital-Wandler
40: Computer
42: Speichereinheit
44: Auswerteeinheit
46: Drucker
48: Verstärker
50: Analog/Digital-Wandler

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und Dokumentation von motorischen Reflexen, insbesondere von Muskelreflexen und/oder Sehnenreflexen, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Elektroden, insbesondere Hautelektroden, vorgesehen sind, die auf der Haut über einem oder mehreren ausgewählten Muskeln plazierbar und zur Aufnahme und Weiterleitung von Aktionsströmen eines oder mehrerer Muskelfasern oder Muskeln geeignet sind, und die an einen Computer gekoppelt sind, daß ein Reflexhammer vorgesehen ist, der zur Ausführen von Hammerschlägen auf die Haut über einem oder mehreren gewählten Muskel(n) bzw. dessen/deren Sehne(n) und damit zur Erzeugung von reflektorischen Kontraktionen und Aktionsströmen in dem/den Muskel(n) geeignet ist, daß ein Kraftsensor bzw. Beschleunigungssensor vorgesehen ist, der in oder an dem Reflexhammer montiert und an einen Computer gekoppelt ist, und der zur Erzeugung eines oder mehrerer elektrischer Signale infolge der Abbremsung des Reflexhammers beim Auftreffen auf die Sehne und zur Weiterleitung dieser Signale an den Computer geeignet ist, und daß ein Computer vorgesehen ist, der mit Prozessor, Datenspeicher, Dateneingabewerk, Datenausgabewerk und Display zur Anzeige der eingegebenen und/oder ausgegebenen Daten ausgerüstet ist, und der mit der/den (Haut-)Elektrode(n) und mit dem Kraftsensor bzw. Beschleunigungssensor des Reflexhammers elektrisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor/Beschleunigungssensor an oder in den Hammerkopf des Reflexhammers an- bzw. eingebaut ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor/Beschleunigungssensor als Stab oder Stange aus piezoelektrischem Material bzw. als Piezotransistor realisiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab oder die Stange aus piezoelektrischem Material bzw. der Piezotransistor am kopfseitigen Abschnitt des Reflexhammers mit Bewegungsspielraum derart gelagert ist, daß die Stange bzw. der Stab bzw. der Piezotransistor bei einem Schlag des Hammers auf eine Unterlage infolge der Erschütterung oder Bremsbeschleunigung in Schwingung gerät, welche eine elektrische Spannung in dem bzw. der piezoelektrische(n) Stab bzw. Stange bzw. dem Piezotransistor erzeugt, die an den Computer weiterleitbar und von diesem registrierbar, dokumentierbar und verarbeitbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor/Beschleunigungssensor unter Zwischenschaltung von wenigstens einem Transduktor oder einem anderen Verstärker mit dem Computer gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den (Haut-)Elektroden und den Computer wenigstens ein Transduktor oder ein anderer Verstärker geschaltet ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer ein Mikrocomputer und/oder der Prozessor ein Mikroprozessor ist.