Vorrichtuπg zur Bestimmung der Beweglichkeit von Körper¬ teilenDevice for determining the mobility of body parts
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Be¬ weglichkeit von Körperteilen durch Positionsmessung mit Hilfe von teils körperfest und teils raumfest angeordneten felderzeugenden und -empfangenden Einrichtungen.The invention relates to a device for determining the mobility of parts of the body by measuring the position with the aid of field-generating and receiving devices which are partly fixed to the body and partly fixed in space.
Messungen des menschlichen Bewegungssystems werden derzeit hauptsäch¬ lich als Exkursionsmessungen, d.h. Messung der endlagigen Beweglich¬ keit verschiedener Gelenke (z.B. Hüfte, Knie etc.) durchgeführt. Da¬ bei wird die endlagige Bewegung gemessen bzw. mit Hilfe eines Me߬ zirkels (oder Magnetnadel, bzw. Schwerkraftnadel) festgestellt. Dieses Verfahren ist sehr grob, da nur wenige definierte (standardisierte) endlagige Positionen vermerkt werden. Eine Erfassung der gesamten end¬ lagigen Beweglichkeit ist somit nicht möglich.Measurements of the human movement system are currently mainly used as excursion measurements, i.e. Measurement of the end position mobility of various joints (e.g. hips, knees etc.) carried out. The end position movement is measured or determined with the aid of a measuring circle (or magnetic needle or gravity needle). This procedure is very rough, since only a few defined (standardized) end positions are noted. It is therefore not possible to record the entire end position mobility.
Der dynamische Bewegungsablauf in Bezug auf Qualität und Quantität in alle möglichen Bewegungsrichtungen (Hüfte: z.B. Rotation, Beugung, Streckung, Adduktion, Abduktion oder Kombination dieser Bewegungen) kann derzeit nur durch sehr teure, apparativ aufwendige Verfahren er-
folgen. Diese Verfahren sind deshalb fast nur der Forschung zugänglich und sind für eine weitere Verbreitung z.B. in Praxis, Krankenhäusern etc. ungeeignet. Die derzeitigen Meßverfahren verwenden z.B. zwei oder mehrere Videokameras mit entsprechend aufwendiger elektronischer Da¬ tenverarbeitung oder Lichtscannerverfahren über Drehspiegel oder sonstig bewegtem Licht (auch Laserlicht) mit Aufnahme des Lichtsignals durch spezielle Kameras bzw. Reflexorsyste mit lichtempfindlichen Elementen.The dynamic movement in terms of quality and quantity in all possible directions of movement (hips: eg rotation, flexion, extension, adduction, abduction or combination of these movements) can currently only be achieved by very expensive, apparatus-intensive processes. consequences. These methods are therefore almost only accessible to research and are unsuitable for further dissemination, for example in the practice, hospitals, etc. The current measurement methods use, for example, two or more video cameras with correspondingly complex electronic data processing or light scanner methods using rotating mirrors or other moving light (also laser light) with recording of the light signal by special cameras or reflector systems with photosensitive elements.
Diese Systeme erfordern teils entsprechend große Untersuchungsräume und sind nur eingeschränkt in der Lage, dreidimensionale Nebenbewegun¬ gen z.B. des Kopfes, zu erfassen.These systems sometimes require correspondingly large examination rooms and are only able to restrict three-dimensional secondary movements, e.g. of the head.
Es ist bekannt, die Bewegungen von Körpern mit Hilfe von Feldern zu überwachen. So ist beispielsweise durch die DE-OS 1 541 180 ein Verfah¬ ren und eine Einrichtung zur postoperativen Überwachung von Patienten bekannt geworden, wobei der Patient einem Hochfrequenzstrahlungsfeld ausgesetzt wird, wobei die durch Körperbewegungen des Patienten beding¬ ten Änderungen des Strahlungsfeldes optisch oder akustisch angezeigt werden. Zur Erfassung von Orts- und Lageänderungen eines.starren-Kör¬ pers dient eine in der DE-OS 2 715 106 beschriebene Vorrichtung mit einem Felderzeuger, der ein definiertes unregelmäßiges Feld erzeugt, dessen Lage im Raum durch eine Vielzahl von Sensoren erkannt wird. Im speziellen werden zu diesem Zweck Magnetfelder verwendet und als Sen¬ soren Hallgeneratoren vorgesehen.It is known to monitor the movements of bodies using fields. For example, DE-OS 1 541 180 has disclosed a method and a device for postoperative monitoring of patients, the patient being exposed to a high-frequency radiation field, the changes in the radiation field caused by the patient's body movements being indicated optically or acoustically will. A device described in DE-OS 2 715 106 with a field generator, which generates a defined irregular field, the position of which in space is detected by a large number of sensors, is used to detect changes in location and position of a rigid body. In particular, magnetic fields are used for this purpose and Hall generators are provided as sensors.
Alle diese bekannten Einrichtungen gestatten nur eine eindimensionale und ungenaue Orts- und Bewegungsbestimmung der zu untersuchenden Kör¬ per, die für eine Ermittlung der Beweglichkeit unzureichend wäre. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die räumliche Bewegung von Körperteilen genau zu erfassen und erzielt dies dadurch, daß zur Po¬ sitionsbestimmung eine Messung der Koordinaten einer oder mehrerer, durch Ultraschallempfänger oder -sender markierter Körperstellen mit Hilfe von Impuls-LaufZeitmessungen zwischen weiteren zugeordneten,
raumfest angeordneten Ultraschallsendern bzw. -empfängern vorgesehen ist, wobei eine zeitliche und bzw. oder frequenzmäßige Staffelung der einzelnen Laufzeitmessungen der Vermeidung von gegenseitigen Störun¬ gen dient.All these known devices only allow a one-dimensional and imprecise determination of the location and movement of the body to be examined, which would be insufficient for determining the mobility. The invention has set itself the task of accurately detecting the spatial movement of parts of the body and achieves this by determining the position of a measurement of the coordinates of one or more body areas marked by ultrasound receivers or transmitters with the aid of pulse-running time measurements between further assigned ones , spatially arranged ultrasonic transmitters or receivers is provided, with a temporal and / or frequency staggering of the individual transit time measurements serving to avoid mutual interference.
Bei Ultraschallaufnahmen treten häufig Störungen durch Echos und Re¬ sonanzerscheinungen auf, die bei der gleichzeitigen Messung verschiede¬ ner Komponenten zu falschen Resultaten führen würden. Dies wird bei der Erfindung durch die zeitliche bzw. frequenzmäßige Staffelung der einzelnen, den Koordinaten zugeordneten Laufzeitmessungen vermieden. Dies läßt sich entweder dadurch erzielen, daß die Impulse aller Ultra¬ schallsender in zyklischer Reihenfolge zeitlich gegeneinander versetzt sind oder dadurch, daß gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die von den Ultraschallsendern gelieferten Impulse nach Primzahlen gestuf¬ te Verhältnisse ihrer Ultraschallfrequenzen aufweisen. Dadurch werden ganzzahlige Frequenzrelationen und entsprechende Resonanzerscheinungen unterdrückt.In ultrasound recordings, disturbances due to echoes and resonance phenomena often occur, which would lead to incorrect results if different components were measured simultaneously. This is avoided in the invention by the temporal or frequency grading of the individual transit time measurements assigned to the coordinates. This can be achieved either by the pulses of all ultrasound transmitters being temporally offset from one another in cyclical order, or by the fact that, according to a further feature of the invention, the pulses delivered by the ultrasound transmitters have ratios of their ultrasound frequencies that are graded according to prime numbers. This suppresses integer frequency relations and corresponding resonance phenomena.
Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung der grund¬ sätzliche Aufbau der Geräte und das Prinzipschaltbild einer Vorrich¬ tung zur Positionsmessung von Körperteilen dargestellt, die besonders zur Bestimmung der Beweglichkeit dieser Körperteile geeignet ist.As an exemplary embodiment of the invention, the drawing shows the basic structure of the devices and the basic circuit diagram of a device for measuring the position of body parts, which is particularly suitable for determining the mobility of these body parts.
An diesem Körperteil, der in der Zeichnung selbst nicht dargestellt ist, wird ein Mikrofon 1 mit Kugelcharakteristik befestigt, das zweck¬ mäßig aus einem Bündel von einzelnen, nach verschiedenen Richtungen orientierten Mikrofonen besteht. Die dargestellte Anordnung gestattet die Erfassung aller Bewegungskomponenten durch das Zusammenwirken von drei raumfest angeordneten und in verschiedene Richtungen des Raumes abstrahlenden Ultraschallsendern (Transmitter) 2, 3 und 4 mit dem Mikrofon l.und zwar in der Weise, daß die Ultraschallsender 2, 3 und 4 kurze Ultraschallimpulse aussenden, deren Laufzeiten auf dem Weg vom jeweiligen Ultraschallsender bis zum Mikrofon 1 gemessen werden, worauf
aus diesen Zeitmessungen die Entfernungen dieser Wege errechnet werden.On this part of the body, which is not shown in the drawing itself, a microphone 1 with a spherical characteristic is attached, which advantageously consists of a bundle of individual microphones oriented in different directions. The arrangement shown permits the detection of all movement components by the interaction of three spatially arranged ultrasound transmitters (transmitters) 2, 3 and 4 radiating in different directions of the room with the microphone 1, in such a way that the ultrasound transmitters 2, 3 and 4 Send out short ultrasonic pulses, the transit times of which are measured on the way from the respective ultrasonic transmitter to the microphone 1, after which the distances of these paths are calculated from these time measurements.
Die zur Erzeugung der Ultraschallimpulse und zur Auswertung der empfan¬ genen Impulse dienende Schaltung ist durch strichlierte Linien abge¬ grenzt.The circuit used to generate the ultrasonic pulses and to evaluate the received pulses is delimited by dashed lines.
Zur Steuerung aller dieser Vorgänge dient ein Mikroprozessor 5, der von einem Taktgenerator 6 angesteuert wird. Aus der Taktfrequenz des Taktgenerators 6 werden mit Hilfe von Frequenzteilern 7, 8 und 9 die für den Betrieb der Ultraschallsender 2, 3 und 4 erforderlichen Ultra¬ schallfrequenzen gewonnen. Um gegenseitige Störungen der Ultraschall¬ signale durch Echos oder Resonanzen zu vermeiden, stehen diese Frequen¬ zen in primzahligen Verhältnissen zueinander. Die .Wechselspannungen mit den solcherart gewonnenen Frequenzen werden den Signaleingängen dreier Schaltverstärker 10, 11 und 12 zugeführt, die jeweils nur kurz¬ zeitig zur Abgabe von Impulsen (Wellenpaketen) durchgeschaltet werden. Diese Durchschaltungen erfolgen in Abhängigkeit von einer vom Mikro¬ prozessor 5 durchgeführten Steuerung und zwar derart, daß von den Schaltverstärkern 10, 11 und 12 in zyklischer Reihenfolge die Ultra¬ schallsender 2, 3 und 4 betätigt werden.A microprocessor 5, which is controlled by a clock generator 6, is used to control all of these processes. From the clock frequency of the clock generator 6, the ultrasonic frequencies required for the operation of the ultrasonic transmitters 2, 3 and 4 are obtained with the aid of frequency dividers 7, 8 and 9. In order to avoid mutual interference of the ultrasound signals by echoes or resonances, these frequencies are in prime numbers to one another. The. Alternating voltages with the frequencies obtained in this way are fed to the signal inputs of three switching amplifiers 10, 11 and 12, which are only switched through briefly to emit pulses (wave packets). These connections are carried out as a function of a control carried out by the microprocessor 5 and in such a way that the switching amplifiers 10, 11 and 12 actuate the ultrasonic transmitters 2, 3 and 4 in cyclical order.
Die von den Ultraschallsendern 2, 3 und 4 ausgesandten Schallimpulse werden vom Mikrofon 1 mit den entsprechenden Laufzeitverzögerungen empfangen. Die daraus vom Mikrofon 1 gewonnenen elektrischen Signale werden mittels eines Verstärkers 13 breitbandig verstärkt und drei schmalbandigen Frequenzfiltern 14, 15 und 16 zugeführt. An die Aus¬ gänge der Frequenzfilter 14, 15 und 16 sind drei Impulsformungsglie- der 17, 18 bzw. 19 angeschlossen, die die von den einzelnen Ultra¬ schallsendern 2, 3 und 4 empfangenen Impulse getrennt dem Mikropro- zessor 1 zuführen, der jeden einzelnen der empfangenen Impulse mit seinem zugehörigen auslösenden Impuls hinsichtlich seiner Laufzeit vergleicht.
Die sich aus den Laufzeiten ergebenden Entfernungswerte werden eben¬ falls vom Mikroprozessor 1 errechnet und einem Rechner oder einer Aus¬ gabeeinheit 20 zugeführt.The sound pulses emitted by the ultrasound transmitters 2, 3 and 4 are received by the microphone 1 with the corresponding delay delays. The electrical signals obtained therefrom by the microphone 1 are amplified broadband by means of an amplifier 13 and fed to three narrowband frequency filters 14, 15 and 16. Connected to the outputs of the frequency filters 14, 15 and 16 are three pulse shaping elements 17, 18 and 19, respectively, which feed the pulses received by the individual ultrasound transmitters 2, 3 and 4 separately to the microprocessor 1, each of which compares individual of the received pulses with its associated triggering pulse with regard to its transit time. The distance values resulting from the transit times are also calculated by the microprocessor 1 and fed to a computer or an output unit 20.
Es ist aber auch möglich, die gezeigte Anordnung von Ultraschallsendern und -empfängern umzukehren und demgemäß einen Ultraschallsender an dem betreffenden Körperteil, dessen Bewegung zu messen ist, anzubringen und dessen Position gegenüber raumfest angebrachten Mikrofonen zu er¬ mitteln. Eine drahtlose Verbindung zwischen den Ultraschallsendern und -empfängern einerseits und dem Mikroprozessor anderseits wäre allen¬ falls mit Hilfe von UKW-Signalen möglich.However, it is also possible to reverse the arrangement of ultrasound transmitters and receivers shown and accordingly to attach an ultrasound transmitter to the relevant part of the body, the movement of which is to be measured, and to determine its position relative to fixed microphones. A wireless connection between the ultrasonic transmitters and receivers on the one hand and the microprocessor on the other hand would only be possible with the aid of VHF signals.
Um bei der Bewegung von Körperteilen mit großer Exkursion wie z.B. Oberarm (Schultergelenk) oder Oberschenkel (Hüfte) eine Sichverbin¬ dung zwischen Sender und Empfänger zu gewährleisten, ist erfahrungsge¬ mäß in diesen Fällen die Verwendung von bis zu 4 Ultraschallgebern an einem Punkt notwendig, um eine gleichmäßige Abstrahlcharakteristik zu erreichen.In order to move body parts with a large excursion such as Experience has shown that in these cases the use of up to 4 ultrasound transmitters at one point is necessary to ensure an upper arm (shoulder joint) or thigh (hip) a connection between the transmitter and receiver in order to achieve a uniform radiation characteristic.
Zur konkreten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die me¬ dizinische Diagnose ist folgendes anzuführen:For the concrete application of the device according to the invention for medical diagnosis, the following should be stated:
1. Messung der Hüftbeweglichkeit a) Der Patient liegt am Rücken. Der Sender mit einer fächerförmi¬ gen Anordnung von 3 Ultraschallgebern wird über der Kniescheibe des gebeugten Knies befestigt und das Knie bzw. Oberschenkel wird in einem kreisförmigen Bogen in der maximalen Exkursion (Beugung, Abduktion, Adduktion, Streckung) bewegt. Mittels Koor¬ dinatentransformation kann die Lage des Hüftkopfes errechnet werden und die Exkursion des Knies auf einem Kreisdiagramm (ähnlich Gesichtsfeldbestimmung) eingetragen werden.1. Measurement of hip mobility a) The patient lies on the back. The transmitter with a fan-shaped arrangement of 3 ultrasound transmitters is fastened over the kneecap of the bent knee and the knee or thigh is moved in a circular arc in the maximum excursion (flexion, abduction, adduction, extension). The position of the femoral head can be calculated by means of coordinate transformation and the excursion of the knee can be entered on a pie chart (similar to visual field determination).
b) Der Patient liegt am Rücken. Der Ultraschallgeber ist am Knie befestigt, das ausgestreckte Bein wird maximal adduziert und abduziert um den Ad- bzw. Abduktionsgrad zu ermitteln.
c) Der Patient liegt am Rücken. Die Hüfte ist um 90 Grad gebeugt, ein Sendesystem ist über der Kniescheibe befestigt, das zweite über dem Sprunggelenk. Aus dieser Position (Knie und Hüfte um 90 Grad gebeugt) wird die Innen- bzw. Außenrotation gemessen und in einem entsprechenden Diagrammschema dargestellt.b) The patient lies on the back. The ultrasound transmitter is attached to the knee, the extended leg is maximally adducted and abducted to determine the degree of admission or abduction. c) The patient lies on the back. The hip is bent 90 degrees, one transmission system is attached over the kneecap, the second over the ankle. From this position (knees and hips bent 90 degrees) the internal and external rotation is measured and shown in a corresponding diagram.
2. Messung der Beweglichkeit des Kopfes2. Measurement of head mobility
Um die Exkursion und den Bewegungsablauf des Kopfes bzw. der Hals¬ wirbelsäule zu bestimmen, sitzt der Patient aufrecht in einem Stuhl, in einem Stirnband bzw. Helm sind 4 Ultraschallgeber (zwei ver¬ schiedene Frequenzen) befestigt. 4 Ultraschallgeber sind deshalb notwendig, um bei der großen Exkursionsmöglichkeit des Kopfes den Schlagschatten vermeiden zu können, sodaß jeweils 2 Ultraschall¬ geber vom Empfängersystem erfaßt werden können. Durch eine stan¬ dardisierte Untersuchungsmethode können Flexion, Extension, Seit¬ neigung und Rotation erfaßt werden.In order to determine the excursion and the course of movement of the head or cervical spine, the patient sits upright in a chair, 4 ultrasound transmitters (two different frequencies) are fastened in a headband or helmet. 4 ultrasound transmitters are therefore necessary in order to avoid the drop shadow when there is a large excursion option for the head, so that 2 ultrasound transmitters can be detected by the receiver system. Flexion, extension, lateral inclination and rotation can be detected by a standardized examination method.
3. Untersuchungen von Wirbelsäulenbewegungen3. Investigations of spinal movements
Durch Anbringen mehrerer Sender (mit verschiedenen Frequenzen) im Bereich der Wirbelsäule z.B. in Scheitelregion, cervicothoracal, thoracolumbal, lumbosacral, können Bewegungsmessungen der Wirbel¬ säule am stehenden oder sitzenden Patienten erfolgen, wobei spezifi¬ sche standardisierte Untersuchungsmethoden Aussagen über Bewegungs¬ hemmungen einzelner Abschnitte geben können. Zur Messung der Rota¬ tion ist die Anbringung eines zusätzlichen Sendesystems um die Schultern notwendig.By attaching several transmitters (with different frequencies) in the area of the spine e.g. In the crown region, cervicothoracal, thoracolumbal, lumbosacral, movement measurements of the spine can be carried out on the standing or seated patient, with specific standardized examination methods being able to give statements about movement inhibitions of individual sections. To measure the rotation, it is necessary to attach an additional transmission system around the shoulders.
4. Messung des Kniegelenkes4. Measurement of the knee joint
Durch Anbringung eines Ultraschallsenders über dem Sprunggelenk kann beim sitzenden Patienten der Grad der maximalen Beugung und Streckung ermittelt werden. Die Messung der Rotation könnte durch zusätzliches Anbringen eines Sendersystems im Bereich des Vorfusses erfolgen.
5. Durch Anbringung des Ultraschallsenders an den Zähnen des Unter¬ kiefers (z.B. mittels Plastillin oder Zahnklammer) kann bei fixier¬ tem Kopf eine Messung der Beiß-, Sprech- oder willkürlichen Bewe¬ gungen des Unterkiefers erfolgen. Eine weitere Optimierung des Meßergebnisses ist durch die Verwendung zweier Ultraschallgeber an der Vorder- und Außenseite des Unterkiefers (ca. 3. und 4. Zahn beidseits) zu erreichen.By attaching an ultrasound transmitter over the ankle, the degree of maximum flexion and extension can be determined in the seated patient. The rotation could be measured by attaching a transmitter system in the forefoot area. 5. By attaching the ultrasound transmitter to the teeth of the lower jaw (for example by means of plastillin or tooth clamp), the biting, speaking or arbitrary movements of the lower jaw can be measured with the head fixed. A further optimization of the measurement result can be achieved by using two ultrasound transmitters on the front and outside of the lower jaw (approx. 3rd and 4th tooth on both sides).
6. Um Gangabläufe registrieren zu können kann ein jeweils einzelnes System an jedem Fuß (z.B. über Archillessehne) befestigt werden, wodurch bei längerer Gehstrecke (Korridor) eine exakte Erfassung des Gangablaufes in qualitativer und quantitativer Hinsicht möglich ist.6. In order to be able to register gait sequences, an individual system can be attached to each foot (e.g. via an archilles tendon), which means that the gait sequence can be recorded precisely in terms of quality and quantity over a longer walking distance (corridor).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß nur ein leicht im Raum zu installierendes Empfängersystem notwendig ist und der oder die Geber leicht an den entsprechenden Körperteilen be¬ festigt werden können.The device according to the invention is characterized in that only a receiver system that is easy to install in the room is necessary and that the sensor or sensors can be easily attached to the corresponding parts of the body.
Die Besonderheit des gesamten Systems liegt darin, daß mittels spe¬ zieller Anwenderprogramme der Datenverarbeitung eine automatische standardisierte Auswertung und graphische Darstellung der jeweiligen Meßergebnisse erfolgen kann, sodaß der untersuchende Arzt z.B. nur mehr die Art der Untersuchung (z.B. Hüfte) eingeben muß, den Sensor am Knie befestigt und das Meßergebπis automatisch ausgewertet wird z.B. mit zusätzlichen Angaben, wie die Länge des Oberschenkels etc. Bei aktiven, d.h. vom Patient durchgeführten Bewegungen kann eine Analyse von Bewegungsgeschwindigkeit, Verzögerung bzw. Beschleuni¬ gung während der Bewegung (z.B. Gang bei Parkinsonisten) erfolgen. Mit Hilfe akustischer Signale können Bewegungen gestartet werden, was z.B. die Verzögerung (bei Erkrankungen des zentralen Nervensy¬ stems, Muskelerkrankungen etc.) meßbar macht. Durch spezifische Untersuchungsanordnungen und entsprechende Softwareprogramme können
spezifische Fragestellungen (wie z.B. Spastik, Rigor) untersucht werden. Zittern (Tremor) vorgestreckter Hände kann exakt ermittelt werden.The peculiarity of the entire system lies in the fact that an automatic standardized evaluation and graphical representation of the respective measurement results can take place by means of special user programs for data processing, so that the examining doctor only has to enter the type of examination (for example hip), the sensor on The knee is fastened and the measurement result is automatically evaluated, for example with additional information, such as the length of the thigh, etc. In the case of active movements, ie movements carried out by the patient, an analysis of the speed of movement, deceleration or acceleration during the movement (for example walking with Parkinsonists) can take place . Movements can be started with the aid of acoustic signals, which makes it possible, for example, to measure the delay (in the case of diseases of the central nervous system, muscle diseases, etc.). Through specific examination arrangements and corresponding software programs specific questions (such as spasticity, rigor) are examined. Shaking (tremor) of outstretched hands can be determined exactly.
Das Meßsystem ist zweckmäßig so auszulegen, daß das "Meßfenster" je¬ weils entsprechend eingestellt wird, d.h. der Empfindlichkeitsbereich z.B. von 3 cm bis 10 m vorhanden ist.
The measuring system should be designed in such a way that the "measuring window" is set accordingly, i.e. the sensitivity range e.g. from 3 cm to 10 m is available.