DE3516361A1

DE3516361A1 - Device for volumetric measurement on human or animal limbs

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Publication number: DE3516361A1
Application number: DE19853516361
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.-Ing. 8196 Eurasburg Gutmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1985-05-07
Publication date: 1986-11-13

Abstract

Volumetric measurements on human or animal limbs are carried out in medicine as follow-up therapy and in testing drugs. The aim thereby is, e.g., to establish whether an oedema is being displaced or whether blood is sinking in the limbs. This measurement is carried out, e.g., by sectional determination of the extent and calculation using a mathematical model of Kuhnke, by measurement of the silhouette followed by mathematical evaluation, or by an overflow volumenometer meter in which the limbs are immersed in a vessel filled with water and the amount of overflowing water is determined. The concept of the invention consists in replacing measurement of the water displacement by measurement of the displacement of electrical field lines in an electrolytic trough. The measurement arrangement consists essentially of an electrically non-conductive tub in which there are an electrolyte solution and two electrodes. The change in the resistance upon immersion of the limbs is determined using means known per se. The measurement utilises the circumstance that the specific resistance of human or animal tissue is substantially higher than the specific resistance of the electrolyte solution. An error caused by the shape plays a subordinate role in examinations of longitudinal sections, since the extremity retains its principal shape. The figure shows the simple measurement arrangement described. By arranging a plurality of electrodes ... Original abstract incomplete. <IMAGE>

Description

Vorrichtung zur Device for

Volumenmessung an menschlichen oder tierischen Gliedmaßen Die Messung des Volumens von menschlichen oder tierischen Gliedmaßen hat sowohl Bedeutung für die Diagnostik als auch für die Verfolgung einer Therapie. Beispielsweise ist es von Interesse, wie sich das Fußvolumen ändert, wenn ein Oedem abgebaut wird, oder wie das Blut in den Fußbereich absackt, wenn jemand ganztägig stehen muß. Volume measurement on human or animal limbs The measurement the volume of human or animal limbs is important for both diagnostics as well as for the pursuit of a therapy. For example it is of interest, how the foot volume changes when an edema is reduced, or how the blood sinks into the foot area when someone has to stand all day.

Die klassische Form der Volumenmessung ist die Messung der Wasserverdrängung beim Einbringen der Gliedmaßen in ein mit Wasser gefülltes Gefäß. Solche Anordnungen sind mehrfach in der Literatur beschrieben, z. B. von Thulesius, von Dustmann et. al. (Therapiewoche 34, 5077 - 1984) von Waterloh und Groth, (Arzneimittelforschung Nr. 27, 1355 - 1977), u. a. So einfach diese Methode aussieht, so große Meßprobleme gibt es aber bei ihrer Durchführung. Denn wenn man der Extremität im Steigrohr etwas Bewegungsfreiheit lassen will, so beträgt die Oberfläche des Wassers ca. 200 cm2, d. h., um auf einen Kubikzentimeter genau zu messen, müßte die Höhe der Wasseroberfläche mit einer Genauigkeit von 1/20 mm bestimmt werden.The classic form of volume measurement is the measurement of water displacement when introducing the limbs into a vessel filled with water. Such arrangements are described several times in the literature, e.g. B. by Thulesius, by Dustmann et. al. (Therapiewoche 34, 5077 - 1984) by Waterloh and Groth, (drug research No. 27, 1355-1977), inter alia. As simple as this method looks, there are big measurement problems but there is in their implementation. Because if you put the extremity in the riser something Wants to leave freedom of movement, the surface of the water is approx. 200 cm2, d. In other words, in order to measure exactly to one cubic centimeter, the height of the water surface would have to be can be determined with an accuracy of 1/20 mm.

Deshalb wurde . unter anderem auch versucht, durch Umfangsmessung (Kuhnke, Folia Angiologica XXIV, 228 und Physiotherapie 70, 251 -1979)) oder durch Ausmessen des Schattenrisses zu einer Volumenbestimmung zu gelangen. Alle diese Methoden sind zeitraubend und deshalb nur für streng wissenschaftliche Anwendung denkbar, jedoch kaum für die medizinische Routine.That's why it was. among other things also tried by circumference measurement (Kuhnke, Folia Angiologica XXIV, 228 and Physiotherapy 70, 251-1979)) or by Measure the silhouette to arrive at a volume determination. All these Methods are time consuming and therefore only for strictly scientific application conceivable, but hardly for the medical routine.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, bei der die Volumenbestimmung der Extremität in einem Bottich erfolgt, der mit einer leitenden Flüssigkeit, z. B. Kochsalzlösung gefüllt ist, wobei die Änderung des elektrischen Widerstandes beim Eintauchen der Extremität gemessen wird. Es wird dabei der Umstand ausgenützt, daß die elektrische Leitfähigkeit menschlichen oder tierischen Gewebes wesentlich geringer ist, als die Leitfähigkeit der umgebenden Flüssigkeit.The invention relates to a device in which the volume determination the limb is carried out in a vat filled with a conductive liquid, e.g. B. Saline is filled, the change in electrical resistance is measured when the extremity is immersed. The fact is exploited that the electrical conductivity of human or animal tissue is essential is lower than the conductivity of the surrounding liquid.

Die Meßeinrichtung besteht im einfachsten Fall aus einem Bottich aus nichtleitendem Material, der mit leitender Flüssigkeit gefüllt ist und in dem paarweise Elektroden E angeordnet sind. Der Widerstand zwischen beiden Elektroden wird mit an und für sich bekannten Mitteln, vornehmlich mit Hilfe eines Mittelfrequenzgenerators G mit hohem Innenwiderstand und eines Spannungsmessers U (Fig. 1) vor und nach dem Eintauchen der Extremität bestimmt und aus der Differnz das Volumen berechnet, was in einem angeschlossenen Auswertegerät automatisch erfolgen kann.In the simplest case, the measuring device consists of a tub non-conductive material which is filled with conductive liquid and in which in pairs Electrodes E are arranged. The resistance between both electrodes is with means known per se, primarily with the aid of a medium frequency generator G with high internal resistance and a voltmeter U (Fig. 1) before and after Immersion of the extremity is determined and the volume is calculated from the difference, what can take place automatically in a connected evaluation device.

Die .Vorteile des Verfahrens bestehen darin, daß die Gliedmaßen nur eingetaucht werden müssen und danach sofort ein Meßwert zur Verfügung steht.The advantages of the procedure are that the limbs only must be immersed and a measured value is immediately available afterwards.

Fehlermöglichkeiten: Bei der Anordnung nach Fig. 1 ergeben sich auf Grund des natürlichen Stromlinienverlaufs vor und hinter der zu messenden Extremität elektrische Schatten, die zu einer Fehlmessung führen. Ebenso werden Einbrüche in der Oberfläche, wie sie evtl.Possible errors: In the case of the arrangement according to FIG. 1, there are Reason for the natural course of the streamline in front of and behind the extremity to be measured electrical shadows that lead to incorrect measurements. Break-ins in the surface, as it may be

durch anatomische Veränderungen auftreten können, bei der Messung kaum berücksichtigt, da die Stromdichte dort geringer ist als in der Umgebung. Ferner geht der Abstand der Gliedmaßen zu den Elektroden in das Meßergebnis ein.anatomical changes can occur when measuring hardly taken into account, since the current density is lower there than in the surrounding area. Further the distance between the limbs and the electrodes is included in the measurement result.

Um die genannten Meßfehler auf ein Minimum zu reduzieren, ergeben sich folgende Möglichkeiten.In order to reduce the measurement errors mentioned to a minimum, result the following options.

1. Abwechselnde Messung in 2 Richtungen (Figur 3) zwischen Elektrodenpaar E E und E' E' 2. Messung in mehr als 2 Richtungen z. B. rotierend mechanisch (Fig. 4) oder elektrisch durch aufeinanderfolgendes Aufschalten der Elektrodenpaare E 1, E 2 usw.(Fig. 5) 3. Linear fortschreitende Messung mit kleinflächigen Elektroden. (Fig.1. Alternating measurement in 2 directions (Figure 3) between pairs of electrodes E E and E 'E' 2. Measurement in more than 2 directions e.g. B. rotating mechanical (Fig. 4) or electrically by successively connecting the pairs of electrodes E 1, E 2 etc. (Fig. 5) 3. Linear progressive measurement with small-area electrodes. (Fig.

6) Welche der Möglichkeiten gewählt wird, hängt von der Fragestellung und der Art und Form der Extremität ab. Eine Anordnung nach Fig. 6 gibt bei Verwendung mehrerer Elektrodenpaare mehr Aufschluß über die Form, während eine Anordnung nach Fig. 5 bei unterschiedlichen Gliedmaßenformen Volumenmeßwerte mit geringen Fehlern bringt. Ebenso müssen Elektrodenabstände und Elektrodengrößen sowie Elektrodenprofile an die Meßaufgabe angepaßt werden.6) Which of the options is chosen depends on the question and the type and shape of the extremity. An arrangement of Fig. 6 gives in use multiple pairs of electrodes provide more information about the shape while following an arrangement 5 shows volume measurements with minor errors for different limb shapes brings. Electrode distances and sizes as well as electrode profiles must also be used be adapted to the measuring task.

Es kann als Stand der Technik angesehen werden, aus den mit obigen Anordnungen erhaltenen Teilmeßwerten mit Hilfe von Digital/Analogwandlern und Rechnern das gewünschte Meßergebnis zu ermitteln.It can be considered prior art from those with above Arrangements received partial measured values with the help of digital / analog converters and computers to determine the desired measurement result.

Technische Ausführung Bei einer Elektrodenanordnung nach Figur 3 würden die jeweils senkrecht zur Meßebene stehenden Elektroden den Feldverlauf verfälschen. Dies kann verhindert werden, wenn vor den Elektroden ein Gitter aus nicht leitendem Material (N) angebracht wird. (Figur 7)) Bei der Anordnung nach Figur 5 kann ebenfalls durch Lamellen aus nicht leitendem Material die nachbarliche Beeinflussung des Feldiinienverlaufs verhindert werden.Technical design With an electrode arrangement according to FIG the electrodes, which are perpendicular to the measuring plane, falsify the course of the field. This can be prevented if a grid of non-conductive in front of the electrodes Material (N) is attached. (Figure 7)) In the arrangement according to Figure 5 can also the neighbors influencing the course of the field line through lamellae made of non-conductive material be prevented.

Beim Durchschalten der einzelnen Elektrodenpaare nach Fig.5 oder Fig. 6 entsteht ein Spannungsverlauf, aus dem rechnerisch Rückschlüsse auf die Form der Gliedmaße gewonnen werden können. Für die Berechnung der interessierenden Volumina können dann einfachere geometrische Formen wie z. B. Ellipsen näherungsweise zugrundegelegt werden, Die Berechnung läßt sich erleichtern, wenn sich die Gliedmaße in der Halbierungslinie zwischen den Elektroden befindet.When switching through the individual electrode pairs according to Fig. 5 or Fig. 6 creates a voltage curve from which conclusions can be drawn about the shape of the Limbs can be obtained. For calculating the volumes of interest you can then use simpler geometric shapes such as B. approximately based on ellipses The calculation can be made easier if the limb is in the bisection line between the electrodes.

Dies kann durch die Messung in der senkrechten Richtung festgestellt werden. Die Elektroden lassen sich dann mechanisch bis zur optimalen Lage nachführen.This can be determined by measuring in the vertical direction will. The electrodes can then be mechanically adjusted to the optimum position.

Aus Figur 2 ist bereits erkennbar, daß die Messung umso besser wird, je größer das Meßgefäß gewählt wird. Da dem in der Praxis oft Hindernisse entgegestehen, besteht die Möglichkeit mit kleineren Elektroden und kleineren Abständen zu arbeiten, und dadurch entstehende Unsymmetrien bei der Messung elektrisch auszugleichen. Hierzu eignet sich eine Anordnung nach Figur 9, bei der die Elektroden geteilt sind und durch Aufschaltung der einzelnen Elemente in ihrer wirksamen Breite verändert werden können. Wird die Aufschaltung vom Meßergebnis gesteuert, läßt sich mit Mitteln der Elektronik eine Optimierung der Symmetrierung erreichen. Ebenso kann die Lage der Extremität durch entsprechende Formgebung erzwungen werden. Bei einer Anordnung, die für Messungen im Fußbereich bestimmt ist, kann die Grundplatte z. B. eine entsprechende Vertiefung aufweisen.From Figure 2 it can already be seen that the measurement is all the better, the larger the measuring vessel is chosen. Since there are often obstacles in practice, it is possible to work with smaller electrodes and smaller distances, and to electrically compensate the resulting asymmetries during the measurement. For this an arrangement according to FIG. 9 is suitable, in which the electrodes are divided and can be changed in their effective width by switching on the individual elements can. If the activation is controlled by the measurement result, the Electronics achieve an optimization of the symmetry. Likewise, the location of the extremity be enforced by appropriate shaping. In an arrangement that is used for measurements is determined in the foot area, the base plate z. B. a corresponding depression exhibit.

Taucht die Extremität in den Bottich, so erhöht sich durch das eingebrachte Volumen der Stand der Flüssigkeit und damit der für die Stromleitung zur Verfügung stehende Querschnitt. Eine klare Abgrenzung der Wirksamkeit der Elektroden z. B. nach oben läßt sich durch entsprechende Ausgestaltung des Profils erreichen. Zum Beispiel kann das Elektrodenprofil oben nach seitwärts verlaufen. Aus der Starktromtechnik sind von der Durchschlagsprüfung an Isolationsölen Profilformen bekannt, die für einen homogenen Verlauf der Stromlinien und Felddichten innerhalb der Elektroden und fürein schnelles Abklingen der Wirksamkeit außerhalb der Elektroden sorgen. Ferner kann durch die Wahl der Elektrodenhöhe und des Profils ein vorzugsweiser Meßbereich festgelegt werden. Soll z. B. gezielt die Veränderung eines Oedems im Knöchelbereich verfolgt werden, so ist die Beantwortung der medizinischen Fragestellung sicher besser, wenn die Elektroden in Knöchel höhe angeordnet werden.If the extremity is immersed in the vat, it increases as a result of that which is brought in Volume the level of the liquid and thus the amount available for the power line standing cross section. A clear demarcation of the effectiveness of the electrodes z. B. upwards can be achieved by appropriate design of the profile. To the For example, the electrode profile can run sideways at the top. From the power technology are known from the dielectric strength test on insulating oils that are suitable for a homogeneous course of the streamlines and field densities within the electrodes and ensure a rapid decay of the effectiveness outside the electrodes. Furthermore, by choosing the electrode height and the profile, a preferred Measuring range can be determined. Should z. B. targeted the change of an edema in the Ankle area are followed, so the answer to the medical question is certainly better if the electrodes are placed at ankle height.

Für eine kurze Meßzeit ist wesentlich, daß sich die Flüssigkeit sofort nach dem Eintauchen der Extremität wieder beruhigt, um stabile Verhältnisse für die Messung zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß Seiten- und/oder Stirnwände bewegungsenerg ieverzehrend gestaltet werden. Hierzu eignet sich das unter anderem das bereits aus elektrischen Gründen anzubringende Gitter nach Figur 7. Auch sorgt ein solches Gitter aus lsolierstoff dafür, daß der Proband oder Patient nie das Metall berühren kann. Bei den geringen Stromstärken, die zur Anwendung kommen, wäre dies zwar unbedenklich, jedoch spielen bei ängstlichen Patienten auch psychologische Gesichtspunkte eine Rolle.For a short measuring time it is essential that the liquid is immediately After immersing the extremity, calms down again to ensure stable conditions to get the measurement. This is achieved in that side and / or end walls be designed to consume movement energy. Among other things, this is suitable for this the grid according to FIG. 7, which is already to be attached for electrical reasons, also provides such a grid made of insulating material that the test person or patient never Can touch metal. With the low currents that are used, would be This is harmless, but psychological issues also play a role in anxious patients Viewpoints play a role.

Ausführungsbeispiel: Ein Ausführungsbeispiel, das für Messungen im Fuß- und Knöchelbereich gedacht ist, soll die Erfindungsgedanken noch einmal im Zusammenhang aufzeichnen: Die Anordnung besteht aus einer handelsübl chen Plastikwanne, in die das Meßgestellt mit den Elektroden frei eingestellt wird. Durch die Trennung von Wanne und Meßapparatur ist auch hygienischen Gesichtspunkten Rechnung getragen. Der Boden des Gestells B besteht aus einer Kunststoffplatte, in der sich in der Mitte eine Vertiefung für den Fuß befindet. Da das Stehen auf den Rändern dieser Vertiefung unbequem ist ,wird sich jeder Patient bemühen, seinen Fuß in die Vertiefung zu stellen. Beiderseits dieser Platte befinden sich die Elektroden, die in ihrem oberen Teil nach außen gebogen sind, um ein Auslaufen der Feldlinien zu erreichen. Vor diesen Elektroden befindet sich ein Dämpfungsgitter D, das die Wasserbewegungen bremst und einen direkten Kurzschluß der Feldlinien in senkrechter Richtung verhindert. An den beiden Stirnseiten befinden sich ebenfalls Elektroden, die eine Messung in einer um 90 Grad versetzten Richtung ermöglichen.Exemplary embodiment: An exemplary embodiment that is used for measurements in The idea of the invention should be repeated in the foot and ankle area Record connection: The arrangement consists of a commercially available plastic tub, in which the measuring point with the electrodes is freely set. Through the separation of the tub and measuring apparatus, hygienic aspects are also taken into account. The bottom of the frame B consists of a plastic plate in which the In the middle there is a recess for the foot. Since standing on the edges of this Depression is uncomfortable, each patient will endeavor to get their foot into the depression to deliver. On both sides of this plate are the electrodes that are in their upper part are bent outwards in order to achieve a tapering of the field lines. In front of these electrodes there is a damping grid D, which prevents the water from moving brakes and prevents a direct short circuit of the field lines in the vertical direction. Electrodes are also located on the two end faces, which allow a measurement in enable a direction offset by 90 degrees.

Mit dieser Anordnung ist ein Meßgerät verbunden, das aus bekannten elektronischen Elementen zusammengesetzt ist, wie z. B. Generator für die Erzeugung des Wechselstroms, Meßverstärker und Demodulator, automatische Kompensationseinrichtung für die automatische Nullpunkteinstellung, sowie einen Rechner zur Ermittlung der Ergebnisse und gegebenenfalls einen Drucker oder einer Anzeige zur Ausgabe der Meßwerte (Fig. 11).With this arrangement, a measuring device is connected, which from known is composed of electronic elements, such as B. Generator for generation of alternating current, measuring amplifier and demodulator, automatic compensation device for the automatic zero point adjustment, as well as a computer to determine the Results and, if necessary, a printer or a display for outputting the Readings (Fig. 11).

Praktisch ausgeführte Versuche zeigen, daß das Verfahren, wie zu erwarten, bei verschiedenen Gliedmaßenformen absoulute Fehler aufweist. Für die medizinischen Konsequenzen ist aber die Veränderung ein und derselben Gliedmaße wichtig. Somit ergibt sich eine sinnvolle Anwendung des Verfahrens für Längsschnittuntersuchungen in der Therapie.Tests carried out in practice show that the process, as expected, shows absolute errors in various limb shapes. For the medical Consequences, however, the change in one and the same limb is important. Consequently results in a meaningful application of the method for longitudinal investigations in therapy.

Claims

Schutzansprüche: 1. Vorrichtung zur Messung des Volumens von menschlichen oder tierischen Gliedmaßenabschnitten, bestehend aus einem Meßtrog mit Elektroden und einer elektronischen Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtrog mit leitender Flüssigkeit gefüllt ist und daß für die Ermittlung des Volumens die elektrische Widerstandsdifferenz beim Eintauchen der Gliedmaße in die leitende Flüssigkeit gegen den Ausgangswert gemessen wird. Protection claims: 1. Device for measuring the volume of human or animal limb sections, consisting of a measuring trough with electrodes and an electronic measuring device, characterized in that the measuring trough is filled with conductive liquid and that the determination of the volume electrical resistance difference when the limb is immersed in the conductive liquid is measured against the initial value.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 1 Elektrodenpaar für die Messung verwendet wird.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that more than 1 pair of electrodes is used for the measurement.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenpaar rotiert, um die durch die Form der Extremität bedingten Meßfehler einzuengen.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the pair of electrodes rotates to narrow the measurement errors caused by the shape of the extremity.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektrodenpaare im Kreis angeordnet sind und durch eine elektrische Umscha Cteinrichtung nacheinander mit dem Meßstrom beaufschlagt bzw. mit der Meßeinrichtung' verbunden werden.4. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that several Electrode pairs are arranged in a circle and by an electrical Umscha Cteinrichtung successively applied to the measuring current or connected to the measuring device ' will.

5. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elektrodenpaare linear nacheinander angeordnet sind, und durch eine elektronische Umschalteinrichtung nacheinander mit dem Meßstrom beaufschlagt bzw. mit der Meßeinrichtung verbunden werden.5. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that several Electrode pairs are arranged linearly one after the other, and by an electronic Switching device applied successively to the measuring current or to the measuring device get connected.

6. Anordnung nach Schutzanspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Elektroden jeweils Gitter aus nichtleitendem Material angeordnet werden, die einen direkten Kurzschluß in Querrichtung verhindern.6. Arrangement according to protection claims 2 to 5, characterized in that that grids made of non-conductive material are arranged in front of the electrodes, which prevent a direct short circuit in the transverse direction.

7. Anordnung nach den Schutzansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung der Wasserbewegung seitlich und an den Stirnseiten geeignete bewegungsenergieverzehrende Gitter oder Raster aus nichtleitendem Material angeordnet sind.7. Arrangement according to claims 1 to 5, characterized in that that to dampen the movement of water laterally and at the end faces suitable kinetic energy-consuming Grid or grid of non-conductive material are arranged.

8. Anordnung nach Schutzansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden am Ende des Meßfeldes so gebogen sind, daß die Feldstärke und damit die Stromdichte am Rand des Meßfeldes räumlich eng begrenzt nahezu auf Null abnimmt, um eine klare Begrenzung des Meßfeldes zu erhalten.8. Arrangement according to protection claims 1 to 7, characterized in that that the electrodes are bent at the end of the measuring field so that the field strength and so that the current density at the edge of the measuring field is spatially narrowly limited to almost zero decreases in order to obtain a clear delimitation of the measuring field.

9. Anordnung wie Schutzansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hauptelektrode beidseitig durch kleinere Elektroden, die wahlweise zu oder abgeschaltet werden können, ergänzt werden, um eine optimale Lage relativ zum Meßobjekt zu erzielen.9. Arrangement as protection claims 1 to 8, characterized in that that a main electrode on both sides by smaller electrodes, which can either be or can be switched off, supplemented by an optimal position relative to the test object to achieve.

10. Anordnung nach 1 bis i, dadurch gekennzeichnet, daß durch mechanische Ausformung der Seitenwände oder des Bodens eine optimale Lage der zu untersuchenden Extremität relativ zu den Elektroden, wie z.10. The arrangement according to 1 to i, characterized in that by mechanical Formation of the side walls or the bottom an optimal position of the to be examined Extremity relative to the electrodes, e.g.

B. durch eine Vertiefung für den Fuß, erzielt wird.B. is achieved by a recess for the foot.

11. Anordnung nach 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur Optimierung der Lage automatisch nachgeführt werden.11. Arrangement according to 1 to 9, characterized in that the electrodes to be automatically tracked to optimize the position.