DE19522958A1 - Verfahren zur Akustisierung körpereigener physikalischer Werte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Akustisierung körpereigener physikalischer Werte und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aku
stisierung körpereigener physikalischer Werte gemäß
dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Das wiederholte Üben von Alltagsbewegungen, wie zum
Beispiel das Aufstehen aus einer sitzenden Haltung und
das Gehen, stellt für Patienten mit neurologischen
oder orthopädischen Defiziten ein wesentliches Element
der Rehabilitation dar.
Der Erfolg des Übens bei neurologischen Defiziten, zum
Beispiel dem Schlaganfall, basiert auf der Fähigkeit
der Hirnhemisphären verantwortliche Kontroll-Areale
so zu verlagern, daß der Einfluß irreversibler Zell
schädigungen vermindert wird (kortikale Plastizität).
Als unumgänglich wird die motivierende und korrigier
ende krankengymnastische Unterstützung während der
Übungen erachtet, die jedoch hohe Anforderungen an das
Pflegepersonal stellt.
Es sind bereits Verfahren bekannt, mit denen
Körperbehinderte Musik auf unkonventionelle Art
erzeugen können, z. B. Klangerzeugungen durch
Bewegungen des Kopfes. Die Umsetzung in Musik erfolgt
im MIDI-Format (Musical Instruments Digital Interface)
(Zeitschrift Med. Eng. Phys. 1994, Vol. 16, May, S. 253 ff.:
R. Kirk at al.: "Computer music in the service of
music therapie: the MIDIGRID and MIDICREATOR
systems").
Die Umsetzung von psychischen Zuständen des Anwenders
in Musik wird zur Selbstwahrnehmung in der
Musiktherapie verwendet. Es erfolgt keine direkte
Selbstkontrolle des Anwenders bezüglich seiner
Zustände, z. B. seiner Bewegungen. Eine direkte
Verknüpfung von Meßwerten und Musik zur Eigenkontrolle
des Anwenders ist nicht vorgesehen.
Es ist des weiteren eine Rehabilitationshilfe bekannt,
bei der der Druck unter dem Fuß des Anwenders gemessen
und ein Alarmsignal ausgelöst wird, wenn ein einge
stellter Maximalwert überschritten ist. Die Tonhöhe
des Alarmsignals variiert je nach Stärke der Überbe
lastung. Dem Anwender wird durch die Tonhöhe des
Alarmsignals der Grad der Überbelastung hörbar gemacht
(Prospekt der Firma INFOTRONIC, 7650AA Tubbergen/NL,
"Fußdruckbegrenzer"). Es ist hiermit keine direkte
Einflußnahme des Anwenders auf die Alarmsignalge
staltung möglich und somit nur eine geringe Motivation
erzielbar.
Es ist bereits bekannt, die Druckverteilungsmessung im
Schuh mittels einer Sensorfolie in Form einer Einlege
sohle vorzunehmen (Zeitschrift "Med. Orth. Tech. 1/94,
S. 6 ff.). Die Sensorfolien werden durch am Unterschen
kel befestigte Übertragungseinheiten mit einem Perso
nalcomputer verbunden. Die Meßergebnisse können an ei
nem Bildschirm während der Messung verfolgt, im Com
puter gespeichert und auch über einen Drucker ausge
geben werden. Das Meßverfahren dient nicht für Trai
ningszwecke oder zur Therapieunterstützung, sondern
zur Ganganalyse.
Ein weiteres bekanntes Meßsystem ("P-Gait-Analysis-
Meßsystem", Tagungsbericht von Zweifel, H.-J. u. a.,
Seiten 260 ff., Konferenz für Ganganalyse, Eidge
nössische Technische Hochschule Zürich, 1992, S. 260 ff.)
erfaßt die Druckgrößen mit einer Meßsohle pro
Fuß, wobei die Druck-Signalerfassung mit Drucksensoren
und anschließendem elektronischem Multiplexing und
einer Verstärkung/Impedanzwandlung vorgenommen wird.
Die Signalübertragung erfolgt zu einem Computer, in
dem die Signalverarbeitung mittels einer geeigneten
Software vorgenommen wird. Es ist keine Weiterver
arbeitung der Signale zur akustischen Eigenkontrolle
des Anwenders vorgesehen. Die Signale dienen der
Ganganalyse.
Es sind bisher jedoch keine Verfahren oder Vorrich
tungen bekannt, mit denen eine Unterstützung
beispielsweise der Aufgaben des krankengymnastischen
Personals, von Therapeuten oder von Trainierenden mit
einer Wirkungssteigerung der Übungen, einer Erhöhung
der Motivation des Anwenders für die Übungen und die
Möglichkeit zur autonomen Optimierung von Bewegungs
abläufen während der Übungen gewährleistet werden
können.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Akustisierung
körpereigener physikalischer Werte zu entwickeln, mit
denen eine akustische Eigenkontrolle und Motivierung
durch Musik von Anwendern bei Trainings- und/oder
Therapiemaßnahmen gewährleistet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die
Merkmale der Ansprüche 1 und 4 vor.
Durch die Verbindung bekannter Meßverfahren zur
Gewinnung physikalischer Meßwerte von Personen mit der
ebenfalls bekannten Musik im MIDI-Format und durch die
Rückkopplung der Meßwertsituation zum Anwender
(Bio-Feedback) wird eine wesentliche Erhöhung der
Motivation von Anwendern für z. B. krankengymnastische
Übungen oder für Trainingszwecke erreicht. Es wird die
Möglichkeit zur autonomen Optimierung von Bewegungsab
läufen z. B. während der Rehabilitationsübungen
geschaffen. Es kann jedes Instrumental-Musikstück,
welches der trainierenden Person besonders gefällt und
in MIDI-Format auf einem Datenträger vorliegt, zur
akustischen Darstellung von körpereigenen physika
lischen Werten verwendet werden. Die Anwendung kann
sowohl in Kliniken oder dgl. oder zu Hause unabhängig
von den örtlichen Gegebenheiten und auch ohne
Unterstützung durch Therapeuten erfolgen. Es ist ein
kontrolliertes Üben zwischen den Behandlungen beim
Therapeuten möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles einer
Vorrichtung zur Akustisierung körpereigener physika
lischer Werte zur akustischen Eigenkontrolle bei der
Gangtherapie zur Rehabilitation von Patienten mit
Gehstörungen näher erläutert. Die einzige Figur zeigt
ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Mit Hilfe von Musik soll einem Patienten 1 mit Geh
störungen eine akustische Information über seine
Gangparameter bezüglich Schrittfrequenz, Symmetrie und
Abrollverhalten des Fußes bereitgestellt werden.
Der Fuß ist für den Menschen die wesentliche mecha
nische Voraussetzung bei allen Haltungen und Fortbe
wegungen. Die Funktion des Fußes kann z. B. bei
Einschränkungen der neuromuskulären Steuerung sowie
bei Neuropathien gestört sein.
Der Mensch muß beim Gehen und Stehen über den
Bodenkontakt mit dem Fuß eine Kraft übertragen, deren
vertikale Komponente etwa seinem Gewicht entspricht.
Diese Kraft wirkt über die Kontaktfläche des Fußes mit
der Unterlage und erzeugt einen Druck. Der Druck ist
im allgemeinen ungleichmäßig über die Kontaktfläche
verteilt und zeitlich veränderlich.
Die Messung der Bodenreaktionskräfte erfolgt nach den
bekannten Meßverfahren. An den Füßen bzw. in den
Schuhen des Patienten 1 sind pro Fuß mindestens zwei
Kraftsensoren 2, 3 im Fersenbereich und im Bereich des
Vorfußes zur Messung der Bodenreaktionskraft und zur
Messung der Abfolge des Auftretens befestigt. Die
Signale der Sensoren 2, 3 werden an die Eingänge einer
Auswerteeinheit 4 geleitet. Die Auswerteeinheit 4 für
die Meßwerte besteht im wesentlichen aus Verstärker
und A/D-Wandler. Die in der Auswerteeinheit 4 auf
bereiteten Signale werden einer Bewertungsstufe 6 für
die Meßwerte zugeführt, in der die Meßwerte mit Vorga
ben aus einem Bewertungsvorgabenspeicher 5 zusammen
gebracht werden. Die so ermittelten Bewertungen für
die Bewegungsausführungen des Patienten 1 werden unter
Verwendung der vorgegebenen Musik im MIDI-Format aus
einem Speicher 8 in einer Umsetzungsstufe 7 vertont
und ergeben die modifizierte Musik. Die Bewertungs
stufe 6, der Speicher 5 für die Bewertungsvorgaben und
die Umsetzungsstufe 7 können durch einen Mikrocomputer
mit Programm- und Datenspeicher und einem angeschlos
senen Vertonungsmodul mit Lautsprecheranschluß reali
siert werden. Als Speicher 8 für Musik im MIDI-Format
eignen sich die handelsüblichen Disketten oder
Chipkarten.
Die Signale der Sensoren 2, 3 lösen auf der Basis
spezifischer Algorithmen (Software) beim Patienten
Klangereignisse aus, die sich in ihrer zeitlichen
Abfolge zu charakteristischen Musikstücken
zusammenfügen. Die Musikstücke können Lieder,
bestehend aus einer Melodie und Rhythmus, oder die
Klänge deutlich erkennbarer Musikinstrumente sein.
Die beschriebene Musikerzeugung erfolgt im Augenblick
der Bewegungsausführung, d. h. in "Echtzeit", und ist
dem Patienten 1 über Kopfhörer 9 oder Lautsprecher zum
gleichen Zeitpunkt zugänglich.
Die zu verwendende Software ist in der Lage,
Musikstücke zu erzeugen, welche motivierende,
handlungsauslösende und die ausgewählte Bewegung
"beschreibende" oder "kontrollierende" Wirkung
aufweisen.
Der spezifische Algorithmus bewirkt Signale zur
Klangerzeugung/Klangbeeinflussung, die dem MIDI-Format
entsprechen und die elektronische Musikinstrumente
verwenden, die solche Signale verstehen (Verwendung
von Standard-Klangerzeugern). Dabei können die
Bodenreaktionskräfte beispielsweise mit der Tonhöhe
und/oder der Lautstärke und der Gangrhythmus mit dem
Musiktakt in Bezug gesetzt werden. Es können über die
zu verwendende Software alle oder einige Parameter
beeinflußt oder verändert werden.
Die Erzeugung von Musikstücken kann in verschiedenen
Varianten organisiert werden.
Der Patient 1 wählt ein gerne gehörtes Lied,
Musikinstrument oder Musikstück aus. Jeweils beim
Überschreiten der Bodenreaktionskräfte von rechtem
bzw. linkem Bein wird über einen einstellbaren
Schwellenwert eine Klangsequenz ausgelöst, die den
durch ein ausgewähltes Musikinstrument gespielten
Noten des folgenden Taktes eben dieses Liedes
entspricht, wobei die Geschwindigkeit des Liedes bzw.
die zeitliche Dauer eines Taktes fest einstellbar ist
und somit die Schrittfrequenz des Patienten 1
bestimmt. Die Differenz zwischen den maximalen Auf
trittskräften von linkem und rechtem Bein aufein
anderfolgender Schritte verstimmt das gespielte
Instrument, d. h. verändert den Grundton um einen
gewissen, den Gehfähigkeiten des Patienten 1
angepaßten Betrag.
Eine Variante besteht darin, daß im Falle des
Überschreitens der Bodenreaktionskräfte von rechtem
bzw. linkem Bein über einen einstellbaren Schwellen
wert ein Signal ausgelöst wird, welches ein ausge
wähltes Musikinstrument veranlaßt, eine immer wieder
identische Note oder eine gemäß der Harmonielehre zur
Melodie des Liedes passende Note mit der Dauer der
Überschreitung des Schwellenwertes zu spielen. Aus dem
zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Schwellenwertüberschreitungen wird die Zeit berechnet,
mit der ein Takt oder der Bruchteil eines Taktes des
ausgewählten Liedes gemeinsam mit dem Klang eines
bestimmten Musikinstrumentes zu Gehör gebracht wird,
wobei sich die Geschwindigkeit des Liedes nach der
Schrittfrequenz des Patienten 1 richtet. Das
ausgewählte Lied wird durch eine größere Anzahl von
Instrumenten intoniert, jedoch wird das bestimmte
Musikinstrument deutlich herausgehört.
Die verwendeten Sensoren 2, 3 zur Messung der
Bodenreaktionskräfte während des Gehens weisen eine
Konstruktion auf, die bezüglich der Genauigkeit, er
Auflösung und der Lebensdauer der Aufgabenstellung
angepaßt sind.
Besonders vorteilhaft sind Kraftsensoren 2, 3, die aus
luft- oder flüssigkeitsgefüllten Druckkammern
bestehen. Ein Teil der Rückstellkraft kann mittels
eines darin befindlichen Moosgummi- oder Schaumstoff
körpers realisiert werden.
Bezugszeichenliste
1 Proband
2 Sensor
3 Sensor
4 Auswerteeinheit/Aufbereitungsstufe
5 Bewertungsvorgabenspeicher/Bewertungsstufe
6 Bewertungsstufe
7 Umsetzungsstufe
8 Speicher
9 Kopfhörer
2 Sensor
3 Sensor
4 Auswerteeinheit/Aufbereitungsstufe
5 Bewertungsvorgabenspeicher/Bewertungsstufe
6 Bewertungsstufe
7 Umsetzungsstufe
8 Speicher
9 Kopfhörer
Claims (8)
1. Verfahren zur Akustisierung körpereigener physika
lischer Werte für Trainings- und/oder Therapiemaß
nahmen, wobei die relevanten physikalischen
Meßwerte des Probanden (1) über Sensoren (2, 3)
aufgenommen und in einer Aufbereitungsstufe (4)
verstärkt und gewandelt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Bewertungsstufe (5, 6) durch den
Vergleich mit vorgegebenen Kriterien die Meßwerte
bewertet und in einer Umsetzungsstufe (7) nach den
Vorgaben aus der Bewertungsstufe (5, 6) derart in
Musik interpretiert werden, daß dem Probanden (1)
über die interpretierte und aus einem
Musik-Speicher (8) im MIdI-Format an eine Tonquelle
(9) ausgegebene Musik seine Meßwertsituation
signalisiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Interpretation der Meßwerte durch
Veränderungen in Form von verlängerten oder
verkürzten Noten oder Pausen, einer Auswahl von
Instrumentalstimmen, veränderter Klangfarbe oder
Nachhall, veränderter Lautstärke der abgespielten
Instrumentalmusik aus dem Speicher (8) im MIDI-
Format vorgenommen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Meßwerte und
die Ausgabe der Musik in "Echtzeit" erfolgen.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - mindestens ein Sensor (2, 3) zur Erfassung physi kalischer Meßwerte vom Körper des Probanden (1) mit
- - einer Auswerteeinheit für die Meßwerte (4) verbunden ist,
- - die wiederum mit einer Bewertungsstufe (6) für die Meßwerte gekoppelt ist,
- - welche eingangsseitig weiterhin mit einem Bewertungsvorgabenspeicher (5) und
- - welche ausgangsseitig mit einer Umsetzungsstufe (7) verbunden ist, wobei
- - die Umsetzungsstufe (7) eingangsseitig mit einem Speicher (8) für Musik im MIDI-Format und
- - ausgangsseitig mit einer Tonquelle (9) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Sensor (2, 3) eine Kraftmeßsohle
für Bodenreaktionskräfte verwendet wird, die in
herkömmlichen Schuhen eingelegt ist und welche
unter der Ferse und unter dem Vorfuß mindestens je
einen Kraftsensor enthält.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kraftsensoren aus Dehnungsmeß
streifen gebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kraftsensoren aus luft- oder
flüssigkeitsgefüllten Druckkammern bestehen an
welche direkt oder über Schlauchverbindungen
Drucksensoren zur Kraftmessung angebracht sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Teil der Rückstellkraft in der
Druckkammer mittels eines darin befindlichen
Moosgummi- oder Schaumstoffkörpers realisiert ist,
wobei die Druckkammerwände mit dem Moosgummi- oder
Schaumstoffkörper fest verbunden sein können.
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