DE10151361A1 - Device for evaluating the motor movements of a human, comprises a platform, such as a set of steps, that is mounted on four support points which incorporate force sensors that are linked to evaluation electronics - Google Patents
Device for evaluating the motor movements of a human, comprises a platform, such as a set of steps, that is mounted on four support points which incorporate force sensors that are linked to evaluation electronicsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates. The invention relates to a device for quantitative detection and Evaluation of the motor skills of the human musculoskeletal system.
Die Motorik des zweibeinigen Gehens ist durch ein komplexes Zusammenwirken von Muskeln, Gelenkkapseln, Sehnen und Bändern, reflexauslösenden Rezeptoren sowie neuronal gespeicherten, willkürlich abrufbaren Bewegungsprogrammen gekennzeichnet. Die beim Gehen notwendigen rhythmischen Bewegungsabläufe sind erlernt. Entsprechendes gilt für zielgerichtete Willkürbewegungen. Die bereits in der Kindheit erlernte Motorik des Gehens kann beispielsweise durch Wachstum, Unfall, Krankheit oder Altern gestört werden. In all diesen Fällen kann die Motorik durch Übung an die veränderten biomechanischen Bedingungen angepaßt werden. The motor skills of two-legged walking is through a complex Interaction of muscles, joint capsules, tendons and ligaments, reflex-triggering receptors and neuronally stored, arbitrarily retrievable Movement programs marked. The necessary when walking rhythmic movements are learned. The same applies to targeted Voluntary movements. The motor skills of walking learned in childhood can be disturbed for example by growth, accident, illness or aging become. In all of these cases, motor skills can be practiced on the modified biomechanical conditions.
Ein Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, Störungen dieser Art durch quantitative Erfassung und Auswertung des Bewegungsablaufs zu erkennen und etwaige Verbesserungen übungsbegleitend zu überwachen. An aim of the device according to the invention is to disrupt it Art through quantitative recording and evaluation of the movement sequence recognize and monitor any improvements during the exercise.
Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, daß mindestens eine dynamisch begehbare Plattform vorgesehen ist, die an mindestens vier Auflagepunkten auf einer horizontalen Unterlage aufstellbar ist und die im Bereich ihrer Auflagepunkte Kraftsensoren aufweist, deren Signalausgänge mit einer computergestützten Auswerteelektronik zur Echtzeiterfassung der Meßsignale verbunden sind. This object is essentially achieved according to the invention in that at least one dynamically accessible platform is provided, which on at least four support points can be set up on a horizontal surface is and which has force sensors in the area of their support points, their Signal outputs with computer-aided evaluation electronics for Real-time detection of the measurement signals are connected.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Signalausgänge der Kraftsensoren über einen Analog-/Digitalwandler an den Eingangsport eines Computers angeschlossen sind. Um Herstellungstoleranzen ausgleichen zu können, ist jedem Kraftsensor eine Softwareroutine zur individuellen Offsetkorrektur und Kalibrierung der gemessenen Kraftwerte zugeordnet. A preferred embodiment of the invention provides that the Signal outputs of the force sensors via an analog / digital converter to the Computer input port are connected. To manufacturing tolerances To be able to compensate is a software routine for each force sensor individual offset correction and calibration of the measured force values assigned.
Beim Gehen auf zwei Beinen führt der Massenschwerpunkt eines Probanden laterale, transversale und vertikale Pendelbewegungen aus, deren Erfassung für die Beurteilung der Gesamtmotorik von Bedeutung sein kann. Dementsprechend ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Auswerteroutine zur Bestimmung der Krafteinleitungsposition oder der Schwerpunktposition eines Probanden aus den an den einzelnen Auflagepunkten der Plattform gemessenen zeitlichen Kraftverläufen vorgesehen. When walking on two legs, the center of gravity leads one Subjects made lateral, transverse and vertical pendulum movements whose Detection can be important for the assessment of overall motor skills. Accordingly, according to a preferred embodiment of the invention an evaluation routine for determining the force application position or the Focus position of a subject from the to the individual Supported points of the platform measured temporal force curves provided.
Eine weitere wichtige Information für die Beurteilung der Bewegungsmotorik bildet der Absolutwert des zeitlichen Kräfteverlaufs. Dementsprechend ist vorteilhafterweise eine Auswerteelektronik zur Berechnung des dynamischen Kräfteverlaufs durch Summenbildung der an den Auflagepunkten bestimmten Einzelkräfte vorgesehen. Aus dem dynamischen Kräfteverlauf lassen sich anhand physikalischer Beziehungen weitere mechanische Größen, insbesondere der zeitabhängige Leistungsverlauf bestimmen. Diese Daten können in einer hierfür vorgesehenen Auswerteroutine ermittelt werden. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Plattform besteht darin, daß auch das Ruhegewicht und damit die Masse des Probanden durch eine geeignete Auswerteroutine ermittelt und in die Auswertung der dynamischen Messungen einbezogen werden kann. Another important information for the assessment of motor skills forms the absolute value of the temporal course of forces. Is accordingly advantageously an evaluation electronics for calculating the dynamic Force course through sum formation at the support points certain individual forces. Let go of the dynamic course of forces other mechanical quantities based on physical relationships, determine in particular the time-dependent performance curve. These dates can be determined in an evaluation routine provided for this purpose. On Advantage of the platform according to the invention is that also Resting weight and thus the mass of the test person by a suitable Evaluation routine determined and in the evaluation of the dynamic measurements can be included.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch der Bewegungsablauf des auf der Plattform beidbeinig hochspringenden Probanden erfaßt und ausgewertet werden. Mit einer entsprechenden Auswerteroutine lassen sich hieraus die Sprungkraft und die Sprunghöhe aus dem gemessenen dynamischen Kräfteverlauf berechnen. With the device according to the invention, the sequence of movements can also of the subject jumping high on the platform on both legs and be evaluated. With an appropriate evaluation routine, from this the jumping power and the jumping height from the measured Calculate dynamic force curve.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Auswerteelektronik einen Datenspeicher mit einer Speicherroutine zur Abspeicherung der gemessenen Kraftwerte in vorgegebenen Zeitschritten aufweist. Die Auswerteelektronik kann ferner einen Bildschirm mit einer Bilderzeugungsroutine zur graphischen Darstellung der mit den Auswerteroutinen berechneten Dynamikverläufe aufweisen. Another advantageous embodiment of the invention provides that the Evaluation electronics a data memory with a memory routine for Storage of the measured force values in predetermined time steps having. The evaluation electronics can also have a screen with a Image generation routine for the graphical representation of the with the evaluation routines have calculated dynamic curves.
In seiner Grundform weist die mindestens eine Plattform eine ebene Oberfläche auf. Um die Koordinationsfähigkeit und Leistungsfähigkeit des Bewegungsapparats zu testen, ist es von Vorteil, wenn die mindestens eine Plattform einen über die Plattformebene überstehenden, begehbaren Aufbau aufweist. Der Aufbau ist vorteilhafterweise als Treppe mit mehreren, vorzugsweise gleich hohen Stufen ausgebildet, wobei die Stufenhöhe der Treppenstufen verstellbar sein kann. In its basic form, the at least one platform has a level Surface on. To the coordination ability and performance of the Testing the musculoskeletal system is advantageous if the at least one Platform has a walk-on structure that projects beyond the platform level having. The structure is advantageously as a staircase with several preferably of the same height, the step height of the Steps can be adjustable.
Weiter können auch mehrere, mit Kraftsensoren bestückte Auflagepunkte aufweisende Plattformen vorgesehen sein, die vorzugsweise in Begehungsrichtung hintereinander modulartig kuppelbar sind. Den Plattformen können dabei im Bereich der Kupplungsstellen gemeinsame, mit Kraftaufnehmern bestückte Auflagepunkte zugeordnet werden. Furthermore, several support points equipped with force sensors can also be used having platforms can be provided, which are preferably in Inspection direction can be coupled in a modular manner one behind the other. The platforms can common in the area of the coupling points, with force transducers equipped support points can be assigned.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It demonstrate:
Fig. 1a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Plattform mit Treppenaufbau; Figs. 1a and b show a side view and a plan view of a platform with staircase structure;
Fig. 2a und b eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer kuppelbaren Plattform mit ebener Oberfläche; Figs. 2a and b show a side view and a plan view of a detachable platform having a planar surface;
Fig. 3 ein Schema einer Plattform mit Kraftsensoren im Bereich der Aufstellpunkte als Vorlage für die Positionsbestimmung; Figure 3 is a schematic of a platform with force sensors in the field of Aufstellpunkte as a template for the position determination.
Fig. 4a ein Blockschema einer computerunterstützten Auswerteelektronik; FIG. 4a is a block diagram of a computer-supported evaluation electronics;
Fig. 4b ein Flußdiagramm einer Auswertesoftware; FIG. 4b is a flowchart of an evaluation;
Fig. 5a und b Meßdiagramme mit Zeitverläufen der gemessenen Kraft sowie daraus abgeleiteter physikalischer Größen beim Treppentest aufsteigend und absteigend. Fig. 5a and b measurement diagrams with time curves of the measured force and physical quantities derived therefrom in the stair test ascending and descending.
Die in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen sind zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates bestimmt. Die Vorrichtung umfaßt mindestens eine von einem Probanden begehbare Plattform 10, die an mindestens vier Auflagepunkten 12 auf einer horizontalen Unterlage 14 aufstellbar ist. The devices shown in the drawing are intended for the quantitative detection and evaluation of the motor functions of the human musculoskeletal system. The device comprises at least one platform 10 which can be walked on by a test subject and which can be set up on at least four support points 12 on a horizontal base 14 .
Die Plattform kann zur Durchführung verschiedener Untersuchungen entweder eine ebene Oberfläche (Fig. 2a und b) aufweisen oder mit einem Aufbau versehen werden, der im Falle der Fig. 1a und b die Gestalt einer Treppe 40 mit mehreren gleich hohen Stufen 42 aufweist. Die gezeigten Plattformen können an den einander zugewandten Enden 44, 46 über die Verbindungslaschen 48 miteinander verbunden werden. In diesem Falle haben die Plattformen 10 an ihren einander zugewandten Enden 44, 46 ein gemeinsames Paar von Auflagepunkten 12. To carry out various examinations, the platform can either have a flat surface ( FIGS. 2a and b) or be provided with a structure which, in the case of FIGS. 1a and b, has the shape of a staircase 40 with several steps 42 of the same height. The platforms shown can be connected to one another at the mutually facing ends 44 , 46 via the connecting straps 48 . In this case, the platforms 10 have a common pair of support points 12 at their mutually facing ends 44 , 46 .
Im Bereich der Auflagepunkte 12 sind Kraftsensoren S1 bis Sn angeordnet, deren Signalausgänge 18 mit einer Auswerteelektronik 20 zur Einzelerfassung der Meßsignale verbunden sind. Wie aus Fig. 4a zu ersehen ist, sind die Signalausgänge 18 der Kraftsensoren über je einen Verstärker 22 und einen Analog-/Digitalwandler 24 mit dem Eingangsport 26 eines Computers 28 verbunden. Die am Digitalausgang des A/D-Wandlers 24 ausgegebenen Spannungswerte werden über eine Eingaberoutine 30 des Computers 28 während der gesamten Meßdauer in Echtzeit eingelesen und in einer Offsetroutine 32 einer individuellen Offsetkorrektur unterzogen. Die hierfür notwendige Sensoroffsetspannung wird getrennt für jeden Sensor in einer Nullabgleichsmessung ermittelt. In einer Kalibrierroutine 34 werden die offsetkorrigierten Spannungswerte mittels eines individuellen Kalibrierfaktors in Kraftwerte umgerechnet. Die so ermittelten zeitabhängigen Kraftwerte können in einem Datenspeicher 36 in vorgegebenen Zeitschritten abgespeichert werden. In the area of the support points 12 , force sensors S1 to Sn are arranged, the signal outputs 18 of which are connected to evaluation electronics 20 for the individual detection of the measurement signals. As can be seen from FIG. 4a, the signal outputs 18 of the force sensors are each connected to the input port 26 of a computer 28 via an amplifier 22 and an analog / digital converter 24 . The voltage values output at the digital output of the A / D converter 24 are read in via the input routine 30 of the computer 28 in real time during the entire measurement period and are subjected to an individual offset correction in an offset routine 32 . The sensor offset voltage required for this is determined separately for each sensor in a zero adjustment measurement. In a calibration routine 34 , the offset-corrected voltage values are converted into force values using an individual calibration factor. The time-dependent force values determined in this way can be stored in a data memory 36 in predetermined time steps.
Zur Erläuterung der Auswerteroutinen wird auf das in Fig. 3 dargestellte Schema 10' einer Plattform mit den Kraftaufnehmern S1 bis S4 hingewiesen, das in einem plattformfesten Koordinatensystem angeordnet ist. Der Abstand der Sensoren in x- und y-Richtung beträgt dort X und Y. Dementsprechend werden die Kraftwerte der einzelnen Sensoren mit F00, FY0, FX0, FXY bezeichnet. To explain the evaluation routines, reference is made to the diagram 10 ′ of a platform with the force transducers S1 to S4 shown in FIG. 3, which is arranged in a platform-fixed coordinate system. The distance between the sensors in the x and y directions is X and Y. Accordingly, the force values of the individual sensors are designated F 00 , F Y0 , F X0 , F XY .
Unter Verwendung dieses Schemas kann das Gewicht F0 des Probanden in
dessen Ruhestellung aus der Summe der an den Kraftsensoren
gemessenen Kraftwerte und damit die Masse m = F0/g des Probanden ermittelt
werden; g bedeutet hierbei die Erdbeschleunigung. Dies erfolgt in einer ersten
Auswerteroutine 50 (Fig. 4b). In einer zweiten Auswerteroutine 52 kann in
jedem Zeitpunkt t der Messung die Position berechnet werden, in welcher
die Kraft in die Plattform eingeleitet wird und zwar nach den Formeln:
x = X/2.(1 + ((FX0 + FXY) - (F00 + F0Y))/F)
y = Y/2.(1 + ((F0Y + FXY) - (F00 + FX0))/F)
wobei F die Gesamtkraft bedeutet.
Using this scheme, the weight F 0 of the test person in their rest position can be determined from the sum of the force values measured on the force sensors and thus the mass m = F 0 / g of the test person; g means the acceleration due to gravity. This takes place in a first evaluation routine 50 ( FIG. 4b). In a second evaluation routine 52 , the position in which the force is introduced into the platform can be calculated at any point in time t of the measurement, according to the formulas:
x = X / 2. (1 + ((F X0 + F XY ) - (F 00 + F 0Y )) / F)
y = Y / 2. (1 + ((F 0Y + F XY ) - (F 00 + F X0 )) / F)
where F is the total force.
In einer dritten Auswerteroutine 54 können anhand des gemessenen
Kraftverlaufs an den Kraftsensoren weitere mechanische Größen berechnet
werden, die quantitative Aussagen über die Motorik des Bewegungsapparates
des untersuchten Probanden erlauben:
F(t) = F00(t) + FX0(t) + FY0(t) + FXY(t) Gesamtkraft
a(t) = F(t)/m Beschleunigung
v(t) = ∫a(t)dt Geschwindigkeit
P(t) = F(t).v(t) Leistung
KE(t) = S mv2(t) kinetische Energie
PE(t) = ∫F(t).v(t).dt potentielle Energie.
In a third evaluation routine 54 , further mechanical variables can be calculated on the basis of the measured force curve on the force sensors, which allow quantitative statements about the motor system of the musculoskeletal system of the examined subject:
F (t) = F 00 (t) + F X0 (t) + F Y0 (t) + F XY (t) total force
a (t) = F (t) / m acceleration
v (t) = ∫a (t) dt velocity
P (t) = F (t) .v (t) power
KE (t) = S mv 2 (t) kinetic energy
PE (t) = ∫F (t) .v (t) .dt potential energy.
Die Meßergebnisse können über den Computer 28 in einem Monitor 56 beispielsweise in Form von Diagrammen dargestellt werden. Weiter weist der Computer 28 einen Ausgabeport 58 auf, über den die Ergebnisse auf einen Drucker ausgegeben oder akustische und optische Signale abgegeben werden. The measurement results can be displayed on the computer 28 in a monitor 56, for example in the form of diagrams. The computer 28 also has an output port 58 , via which the results are output to a printer or acoustic and optical signals are output.
Die beiden Diagramme nach Fig. 5a und b zeigen verschiedene Graphen der vorstehend angegebenen physikalischen Größen, die sich beim Aufsteigen und Absteigen des Treppenaufbaus 40 der Plattform 10 nach Fig. 1a und b in Abhängigkeit von der Zeit ergeben. Der Kurvenverlauf in den Graphen ermöglicht es beispielsweise im Vergleich mit früher aufgenommenen Standardgraphen, Aussagen über den Zustand der Motorik eines Probanden und damit über dessen Gesundheitszustand im Bereich des Bewegungsapparates zu treffen. The two diagrams according to FIGS. 5a and b show different graphs of the physical quantities specified above, which result from the ascent and descent of the stair structure 40 of the platform 10 according to FIGS. 1a and b as a function of time. The course of the curve in the graphs makes it possible, for example in comparison with standard graphs recorded earlier, to make statements about the state of a subject's motor skills and thus about his state of health in the area of the musculoskeletal system.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung und Auswertung der Motorik des menschlichen Bewegungsapparates. Erfindungsgemäß ist hierfür mindestens eine dynamisch begehbare Plattform 10 vorgesehen, die an mindestens vier Auflagepunkten 12 auf einer horizontalen Unterlage 14 aufstellbar ist und die im Bereich ihrer Auflagepunkte 12 Kraftsensoren S1 bis Sn aufweist, deren Signalausgänge 18 mit einer computergestützten Auswerteelektronik 20 zur Echtzeiterfassung der Meßsignale verbunden sind. In summary, the following can be stated: The invention relates to a device for the quantitative detection and evaluation of the motor functions of the human musculoskeletal system. According to the invention, at least one dynamically accessible platform 10 is provided for this purpose, which can be set up on at least four support points 12 on a horizontal base 14 and which has force sensors S1 to Sn in the area of its support points 12 , the signal outputs 18 of which are connected to computer-assisted evaluation electronics 20 for real-time detection of the measurement signals are.
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