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Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung eines
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Fusses Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Gewichtsbelastung
eines Fusses mit einem unterhalb des Fusses anzuordnen bestimmten, eine Schicht
eines deformierbaren Materials aufweisenden Sensor.
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Bei der Therapie von Unter- und Oberschenkelfrakturen sowie nach orthopädischen
Operationen ist es häufig erforderlich, dass der Patient den Fuss des behandelten
Beines zuerst nur mit einem Teil des Korpergewichtes belastet.
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Es sind nun verschiedene Vorrichtungen bekannt, um die Gewichtsbelastung
des Fusses zu erfassen und beim Erreichen eines Grenzwertes ein Alarmsignal zu erzeugen.
Bekannte Vorrichtungen sind mit Sensoren ausgestattet, die piezoelektrische Kristalle
aufweisen. Diese ermöglichen jedoch nur eine Gewichtserfassung bei demjenigen Punkt,
bei dem der Kristall angeordnet ist. Damit das Gewicht einigermassen unabhängig
von der Fuss-Stellung gemessen werden kann, müssen daher mehrere piezoelektrische
Kristalle
vorgesehen werden, die zwischen zwei starren Platten
angeordnet werden. Jeder Kristall muss über eine abgeschirmte Leitung mit einem
Verstärker verbunden werden.
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Zur Ermittlung der Gesamtbelastung müssen dann die von einzelnen Kristallen
erfassten Teil-Belastungen mit einer Addierschaltung addiert werden. Derartige Vorrichtungen
sind daher verhältnismässig aufwendig und teuer und die Sensoren lassen sich kaum
in einen normalen Schuh einsetzen.
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Aus der US-Patentschrift Nr. 3 974 491 ist nun eine Vorrichtung mit
einem als Schuheinlage ausgebildeten Sensor bekannt. Der Sensor weist eine Schicht
Schaumstoff auf, an der oben und unten eine etwa aus Leder oder Kunststoff bestehende
Folie befestigt ist. Die Schaumstoff-Schicht ist mit einem teils schnecken- und
teils schlangenlinienförmigen Kanal versehen, in dem ein elastischer Schlauch angeordnet
ist. Das eine Ende des Schlauches ist abgeschlossen und das andere Ende ist über
einen Verbindungsschlauch mit einer deformierbaren Blase eines ausserhalb des Schuhs
angeordneten Wächters verbunden. Der letztere weist einen federbelasteten Tasthebel
auf, dessen einer Arm an der Blase anliegt und zudem an einem Druckknopf eines Schalters
angreift. Der Schlauch und die Blase enthalten eine Flüssigkeit, etwa Wasser. Wenn
nun der Patient seinen Fuss mit einem bestimmten Gewicht belastet, wird der Schlauch
im Sensor zusammengedrückt. Dadurch wird der Druck in der Blase erhöht, so dass
sich diese ausdehnt und den Schalter betätigt, der dann einen elektrischen Summer
auslöst. Der Summton signalisiert dem Patienten, dass die vorgesehene Belastungsgrenze
erreicht ist. Zum Einstellen des Grenzwertes kann mittels einer Stellschraube die
Spannung der am Tasthebel angreifenden Feder verstellt werden.
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Diese vorbekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass ihre Herstellung
verhältnismässig aufwendig ist.
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Zudem ist sie ziemlich ungenau und störempfindlich.
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Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
mit einem flächenhaften Sensor zu schaffen, der ermöglicht, die Gewichtsbelastung
eines Fusses annähernd unabhängig von der Stellung des Fusses in einfacher und zuverlässiger
Weise zu erfassen. Der Sensor soll ferner derart ausgebildet werden können, dass
er wie eine übliche Schuheinlagesohle in einem normalen Schuh einlegbar ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von der zuletzt beschriebenen vorbekannten
Vorrichtung durch eine Vorrichtung der einleitend erwähnten Art gelöst. Die Vorrichtung
ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden einander entgegengesetzten
Seiten der Schicht eine flächenhafte Elektrode angeordnet ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Schicht aus
einem elektrisch leitenden, aber relativ hochohmigen Material, wie einem Schaum-Kunststoff
oder einem Kunststoff-Vliess oder -Filz, dem bei oder nach der Herstellung eine
elektrisch leitende oder halbleitende Substanz beigefügt wurde. Wenn die aus einem
solchen Material bestehende Schicht zusammengedrückt wird, nimmt ihr Widerstand
ab und ihre Leitfähigkeit zu. Der Widerstand der Schicht gibt also ein Mass für
die Gewichtsbelastung. Die beiden Elektroden des Sensors können mit einem Wächter
verbunden sein, der Schaltungsmittel aufweist, um die Leitfähigkeit zu erfassen
und ein Signal zu erzeugen, wenn die Leitfähigkeit einen vorgegebenen, vorzugsweise
einstellbaren Grenzwert erreicht.
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Der Erfindungsgegenstand soll nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert werden. In der Zeichnung zeigen
die
Figur 1 eine Seitenansicht eines Beines eines Patienten mit einer Vorrichtung zur
Erfassung der Gewichtsbelastung, die Figur 2 eine Draufsicht auf den Sensor und
die Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Figur 2 durch den Sensor,
in grösserem Massstab, sowie das Schaltschema des mit dem Sensor verbundenen Wächters.
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In der Figur 1 ist der untere Teil eines Beines 1 eines Patienten
sichtbar, dessen Fuss 2 in einem Schuh 3 steckt.
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Im Schuh ist unterhalb des Fusses 2, d.h. zwischen diesem und der
Sohle, ein Sensor 4 angeordnet. Der letztere ist durch eine Leitung 5 mit einem
Wächter 6 verbunden, der beispielsweise mittels eines Verschlussbandes 7 am Bein
1 befestigt ist.
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Der Sensor 4 weist, wie aus der Figur 2 ersichtlich, einen ungefähr
dem Umriss des Fusses entsprechenden Umriss auf, so dass der Fuss 2 mit der ganzen
Fläche auf dem Sensor 4 aufliegt. Der Sensor 4 weist einen Hauptabschnitt 4a und
beim zehen- und fersenseitigen Ende einen sichelförmigen Endabschnitt 4b bzw. 4c
auf. Die beiden Endabschnitte 4b und 4c hängen über eine Schwächungslinie 4d bzw.
4e mit dem Hauptab schnitt 4a zusammen und können bei dieser vom Hauptabschnitt
4a abgetrennt, etwa abgerissen werden. Die Schwächungslinie kann etwa durch eine
Kerbe oder eine Perforation gebildet werden.
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Wie die Figur 3 zeigt, weist der Sensor einen Kern auf, der durch
eine flächenhafte Schicht 11 gebildet ist. Diese besteht aus einem deformierbaren
Material, beispielsweise aus einem Filz oder Vliess aus Kunststoff-Nadeln oder -Fasern.
Die Schicht 11 ist elektrisch leitend, wobei
ihre Leitfähigkeit
jedoch verhältnismässig klein und ihr Widerstand dementsprechend relativ hoch ist.
Die Schicht 11 kann beispielsweise aus ursprünglich elektrisch isolierenden Fasern
aus Polyvinylchlorid, Polystyrol oder einem anderen Kunststoff bestehen, die mit
einer Russ enthaltenden Suspension imprägniert werden. Beim Imprägnieren entsteht
auf den ursprünglich isolierenden Fasern ein leitender Kohlenstoff-Uberzug. Die
Schicht 11 kann statt aus einem Filz-Kunststoff auch aus einem entsprechend behandelten,
mindestens an der Oberfläche leitenden Schaum-Kunststoff bestehen. Ferner ist es
möglich, dem verwendeten Kunststoff nicht erst nachträglich, sondern schon bei der
Herstellung der Fasern, der Nadeln oder des Schaumes eine elektrisch leitende oder
halbleitende Substanz beizufügen.
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Für die Bildung der Schicht 11 geeignete, deformierbare und leitende
Kunststoffe werden beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Canespa-Tronic von
der Firma Canespa KG in Hemmingen, Bundesrepublik Deutschland, hergestellt. Sie
sind an sich als Decken für Arbeitstische und als Bodenteppiche für Arbeitsplätze
bestimmt, bei denen elektrostatische Aufladungen vermieden werden müssen.
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Auf der oberen und der unteren Seite der Schicht ist je eine flächenhafte
Elektrode 12 angeordnet. Die beiden Elektroden 12 bestehen im vorliegenden Fall
aus einem gut leitenden Metallgitter, könnten aber auch durch eine Metallfolie gebildet
sein. An jede der beiden Elektroden 12 ist ein Leiter 13 eines Kabels 14 angeschlossen.
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Die Schicht 11 und die beiden Elektroden 12 sind allseitig in eine
flexible Kunststoffhülle 15 eingeschlossen, die beim vorderen und hinteren Ende
des Sensors 4 über die Schicht 11 und die Elektroden 12 hinausragt und die bereits
erwähnten, abtrennbaren Endabschnitte 4b, 4c bildet.
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Das andere Ende des Kabels 14 ist lösbar, beispielsweise mittels Steckkontakten
15 mit den Anschlüssen 21 und 22 des Wächters 6 verbunden. Der letztere enthält
eine einzellige Batterie 23, deren Minuspol mit dem Anschluss 22 verbunden ist.
Der Wächter 6 enthält ferner zwei Transistoren 24 und 25, deren Emitter über einen
gemeinsamen Widerstand 26 mit dem Anschluss 22 verbunden sind. Die Basis des Transistors
24 ist mit dem Anschluss 21 verbunden. An die beiden Anschlüsse 21, 22 ist ein Elektrolyt-Kondensator
27 angeschlossen. Der Anschluss 21 ist ferner über einen festen Widerstand 28 und
einem einstellbaren Widerstand 29 mit dem einen Anschluss 30a eines Schalters 30
verbunden, dessen anderer Anschluss an den Pluspol der Batterie 23 angeschlossen
ist. Der Widerstand kann mittels eines in der Figur 1 ersichtlichen Stellorganes
8, etwa einer geschlitzten Welle, eingestellt werden. Der Kollektor des Transistors
24 ist einerseits über einen Widerstand 31 mit dem Schalteranschluss 30a und andererseits
mit der Basis des Transistors 25 verbunden. Der Kollektor des Transistors 25 ist
über einen akustischen Signalgeber 32, etwa einem Summer, und einen diesen überbrückenden
Elektrolyt-Kondensator 33 mit dem Schalteranschluss 30a verbunden. Die beiden Transistoren
24, 25 bilden zusammen mit den übrigen Schaltelementen einen Schmitt-Trigger.
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Im folgenden soll die Arbeitsweise der Vorrichtung erläutert werden.
Die Vorrichtung ist für einen Patienten mit einer Beinfraktur oder einen Patienten
bestimmt, der sich einer Operation des Hüftgelenkes oder einer anderen orthopädischen
Operation unterziehen musste. Bei solchen Patienten ist es häufig erforderlich,
dass der Patient den Fuss des behandelten Beines zwar belastet, aber nicht mit dem
vollen Körpergewicht.
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Der Sensor 4 wird nun in der in der Figur 1 dargestellten Weise in
den Schuh 3 des Patienten eingelegt. Der Sensor
4 ist etwa 3 bis
7 mm dick, so dass er wie eine konventionelle Einlagesohle in einem normalen Schuh
eingesetzt werden kann. Das Kabel 5 wird neben dem Fuss 2 des Patienten aus dem
Schuh 3 herausgeführt und mit dem Wächter 6 verbunden.
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Wenn nun der Patient den Fuss 2 belastet, wird der Sensor 4 und damit
auch die Schicht 11 zusammengedrückt. Deren Widerstand nimmt dabei ab und die Leitfähigkeit
entsprechend zu. Der Widerstand zwischen den beiden Elektroden 12 beträgt ohne Belastung
beispielsweise etwa 1 M . Bei einer Belastung mit 5 kg beträgt der Widerstand beispielsweise
noch etwa 100 k ~ und bei einer Belastung mit 50 kg noch etwa 10 k . Wenn nun der
Schalter 30 geschlossen ist und der Widerstand des Sensors 4 unter einen vorgegebenen
Grenzwert absinkt, schaltet der Schmitt-Trigger den Signalgeber 32 ein, der dem
Patienten akustisch signalisiert, dass der vorgesehene Belastungs-Grenzwert erreicht
oder überschritten ist. Die Schaltung des Wächters 6 ist so ausgelegt, dass der
Schmitt-Trigger eine gewisse Hysterese aufweist. Das heisst, dass das akustische
Signal erst wieder verschwindet, wenn die Fussbelastung um einen bestimmten Differenzbetrag
kleiner ist, als der Grenzwert, bei dem der Signalgeber eingeschaltet wird. Allfällige
durch in der Nähe befindliche elektrische Apparate und Leitungen verursachte Störsignale
werden durch den Kondensator 27 unterdrückt.
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Der Belastungs-Grenzwert kann im Verlaufe des Heilungsprozesses sukzessive
gemäss den Anordnungen des Arztes erhöht werden. Dazu braucht lediglich der Widerstand
29 mittels des Stellorganes 8 entsprechend verstellt zu werden. Der gewünschte Grenzwert
kann beispielsweise dadurch eingestellt werden, dass der Patient mit dem Schuh 3
auf eine Waage steht und den Fuss so stark belastet, dass die Waage das dem einzustellenden
Grenzwert entsprechende Gewicht anzeigt. Nun kann der Widerstand 29 verstellt werden,
bis der Wächter anspricht.
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Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch bei der Herstellung geeicht
und mit einer Skala versehen werden, so dass direkt der Belastungs-Grenzwert eingestellt
werden kann.
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Versuche haben gezeigt, dass der Widerstand des Sensors 4 nur geringfügig
von der Druckverteilung abhängig ist. Das heisst, dass der Wächter 6 unabhängig
von der Fuss-Stellung immer bei mindestens annähernd dem gleichen Belastungswert
anspricht. Es sei noch vermerkt, dass zur Erreichung dieser Eigenschaft die Leitfähikeit
der Elektroden 12 im Vergleich zu derjenigen der Schicht 11 natürlich wesentlich
grösser sein muss als diejenige der Schicht 11.
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Die Vorrichtung kann mit geringen Kosten hergestellt werden.
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Im übrigen ermöglichen die abtrennbaren Endabschnitte 4b, 4c, die
Länge des Sensors zu verkürzen und innerhalb gewisser Grenzen an die Länge des Schuhs
anzupassen, so dass der gleiche Sensor für verschiedene Schuhgrössen verwendbar
ist. Der Sensor muss daher nur in einer geringen Anzahl verschiedener Grössen hergestellt
werden.
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Da der Sensor 4 lösbar mit dem Wächter 6 verbunden ist, kann der gleiche
Wächter von verschiedenen, etwa nacheinander in einem Spital behandelten Patienten
verwendet werden. Der Sensor wird dagegen aus hygienischen Gründen jeweils ersetzt.
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Die Vorrichtung kann in verschiedener Hinsicht modifiziert werden.
Beispielsweise muss natürlich der Wächter 6 nicht unbedingt am Bein des Patienten
befestigt, sondern kann von diesem in der Tasche eines Kleidungsstückes mitgetragen
werden. Ferner kann natürlich die Schaltung des Wächters in mancher Weise modifiziert
werden. Beispielsweise könnte er mit einem Oszillator ausgerüstet werden, der nach
dem Uberschreiten des Belastungs-Grenzwertes einen Ton erzeugt, dessen Frequenz
von der Grösse der Belastung abhängig ist.
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Ferner könnte für die medizinische Beurteilung ein Schrittzähler vorgesehen
werden, der die bei jedem Schritt erfolgenden Maximalbelastungen zählt und eventuell
nach ihrer Grösse klassiert.
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Ferner kann auch der Sensor in verschiedener Hinsicht geändert werden.
Beispielsweise kann er für Patienten, deren Fuss mit einem Fussgips und einem auf
dessen Unterseite vorstehenden Gehbügel versehen ist, so verkleinert werden, dass
er auf der Unterseite des Gehbügels Platz findet und befestigt werden kann.
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Ferner könnte die leitende Schicht 11 durch eine elektrisch isolierende,
deformierbare Schicht ersetzt werden. Der Wächter wäre dann mit Schaltungsmitteln
zum Erfassen von Kapazitätsänderungen auszustatten.