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Verfahren und Vorrichtung zur Messung in der Kontaktfläehe zwischen elastischen und unelastischen
Körpern liegenden Druckfeldern,
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, um in der Kontaktfläche zwischen elastischen Körpern verschiedenen Grades von Elastizität und unelastischen Körpern, z. B. zwischen Fusssohle und Bodenfläche, liegende Druckfeder zu vermessen.
Sofern ein mehr oder weniger elastisch deformierbarer Körper und ein nahezu starrer Körper einander berühren, schmiegt sich je nach den besonderen Verhältnissen der erstere der Oberfläche des starren in einer mehr oder weniger ausgedehnten und zumeist kompliziert geformten oder unterteilten Fläche an. Die Feststellung der Druckverteilung innerhalb dieser Flächen ist nur schwer möglich. Über die Druckverteilung in der Berührungsfläche eines luftgefüllten Gummireifens an einem belasteten Fahrzeug mit einer glatten und starren Unterlage lassen sich beispielsweise unter gewissen Voraussetzungen rechnerisch Zahlenwerte ableiten, jedoch ist eine experimentelle Nachprüfung des Rechnungergebnisses bisher nicht möglich.
Völlig ungangbar ist aber das analytische Verfahren, wenn die Elastizitätsverhältnisse komplizierter werden. Schon beim torroiden Vollgummireifen werden die mathematischen Zusammenhänge so verwickelt, dass die praktische Durchrechnung unmöglich wird. Vollends unanwendbar aber wird dieses Verfahren, wenn die elastischen Gebilde einen komplizierten Aufbau aus nicht einfach gebauten Elementen stark verschiedenen Elastizitätsgrades besitzen, wie z. B. Körperteile von Mensch oder Tier.
Gerade dieser letzte Fall hat aber ein hohes praktisches Interesse für ärztliche Zwecke. Es sei nur erinnert an die mannigfache, auf Druck zurückzuführenden Erkrankungen etwa des Fusses, die ebenso die Weichteile wie das Skelett betreffen und sich hauptsächlich aus von der Norm abweichender Grösse, Lage oder Haltung einzelner oder aller, oft auch entfernterer Skeletteile ergeben. Hier ist es ein dringendes Bedürfnis für den Forscher wie für den heilenden Praktiker, die Druckverteilung auf der Stützfläche im Falle des gesunden ebenso wie des abnormen oder kranken Fusses messend festzulegen und ihrer Abhängigkeit von Lage. Stellung oder Belastung des Gliedes und unter dem Einfluss von Stützmassnahmen oder im Gefolge plastischer Operationen zu bestimmen.
Auch die Druckerkrankungen der Haut bei lange bettlägerigen Kranken oder auf Amputationsstümpfen mit Prothesendruck gehören hieher.
Es hat natürlich nicht an Versuchen gefehlt, dieses Problem zu lösen, diese Versuche sind aber iiber nur rein qualitative oder ganz roh quantitative Feststellungen nicht hinausgekommen. Dass man mit einer Feststellung der Form der Kontaktfläche durch Einfärben der betreffenden Hautflächen und Abdrücken auf der starren Unterlage über die Druekverteilung nichts erfahren kann, ist klar, und auch die von Dane und Seitz gemachten Versuche, die Druckverteilung aus der mehr oder weniger weitgehenden Blutentleerung der Hautkapillaren und also Abblasung der Sohlenhaut durch eine als Unterlage gewählte Glasplatte hindurch zu beurteilen, leidet an so beträchtlichen Fehlerquellen (Haut- sehwielen, Hautverfärbungen, individuelle Verschiedenheiten im Kapillarnetz und seiner nervösen Ver- sorgung usw.
), dass damit kaum viel mehr zu erreichen ist. Eine zahlenmässige Bestimmung des Drucks von Punkt zu Punkt ist damit keinesfalls möglich.
Dass man durch Auftretenlassen auf eine nicht starre, nicht einmal elastische, sondern rein plastische Unterlage zwar Eindrücke herstellen kann. diese aber zur Gewinnung von Mass7ahlen über die lokalen
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Druckwerte gänzlich unbrauchbar sind, muss hier gesagt werden, weil in dieser Richtung viele Versuche gemacht worden sind und also das Verhalten der Druekfortpflanzung in Flüssigkeiten, deren Gesetze hier massgebend sind, nicht genügend allgemein bekannt zu sein seheint.
Eine weitere Methode ist die im Jahre 1925 von Frostell geübte Methode, beschrieben in der Zeitschrift für orthop. Chirurgie, Bd. 47, Jahrg. 1925.
Er verwendet zur Darstellung des Druckes am Fuss eine Flanellage, welche mit Methylenblaulösung getränkt wird. Auf dieses Kissen wird ein Gitternetz gelegt aus Eisendraht, dessen Maschen 3-5 mm voneinander abstehen. Auf dieses Gitterwerk wird ein Papier gelegt und der Fuss auf dieses Papier gestellt. Wenn nun vom Fuss ein Druck ausgeübt wird, so werden in das Papier durch das Gitterwerk Impressionen gemacht und diese vorgestülpten Papierteile durch das Farbkissen gefärbt.
Wenn auch zugegeben werden kann, dass zwischen der Grösse des in einer Masche zustande gekommenen Farbflecks und dem an dieser Stelle herrschenden Druck ein gewisser Zusammenhang besteht und daher ein gewisses Urteil auch über die Druckverteilung in der Fläche möglich ist, so leidet doch auch dieses Verfahren infolge des Umstandes, dass das halbstarre Netz die Unterschiede verflacht und die Tiefe der Durchbiegung der Haut in der einzelnen Masche infolge des beträchtlichen zur Aufnahme des Farbbildes nötigen Absolutwertes in allerstärkstem Mass von den Unterschieden in der Elastizität der Epidermis abhängt, daran, dass es nur ganz rohe und schwer mit andern Fällen vergleichbare, in keinem Fall absolute Werte festzustellen erlaubt.
Ausserdem weist die Methode noch den Fehler auf, dass bei dieser Art der Messung auch der Vorgang beim Auftreten das Bild beeinflusst, das Ergebnis also nicht das Druckfeld so darstellt, wie es sich unter dem stehenden Fuss ausgebildet hat.
Eine letzte Methode ist die von Basler im Jahre 1929 beschriebene Methode in seinem Werk "Das Gehen", Verlag der Sun Yat Sen-Universität, Kanton. Er benutzt zur Messung ein Saitendynamometer. Er lässt den Fuss in einer Längs-oder Querrichtung auf eine Rastenvorriehtung treten von zehn Rasten, welche mit Saiten verbunden sind. Die Spannung der Saiten wird aus der Tonhöhe der Saiten gemessen. Die Fehler sind ähnlich wie bei der Drahtnetzmethode. Die zugelassenen Deformationen sind relativ so gross, die Gestalt der Kontakt-oder Tragfläche nicht genau definiert und die gemessenen Druckwerte stellen im einzelnen nicht zerlegbare Linienintegrale des Druckverlaufs längs der Raste dar, d. h. die Methode liefert keine Punktwerte.
Für die Praxis kommt aber noch eine Forderung hinzu, der keine der genannten Methoden nachkommen konnte, d. i. die Herstellung einer zuverlässig genauen Beziehung des Druekfeldes zu den anatomisch gegebenen Punkten des Skeletts.
Durch das Verfahren gemäss Erfindung werden die nach den erwähnten Verfahren unvermeidlichen Fehler ausgeschlossen und damit wissenschaftlich einwandfreie Messungen erhalten. Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, dass ein oder mehrere Flächenelemente der unelastischen Flächen durch ein oder mehrere gegenüber derselben kleine Messorgane ersetzt werden und hiebei während des Messvorganges für eine Erhaltung oder eine in praktisch zu vernachlässigenden Grenzen bleibende Ver- änderung der Kontaktfläche Sorge getragen wird und dass weiter jeder Punkt des zu messenden Feldes der Messung dadurch zugänglich gemacht wird, dass allseitig verschiebliche Messorgane zur Verwendung gelangen.
Zur Durchführung des Verfahrens bedient man sich zweckmässig einer Vorrichtung, wie sie in den Fig. 1 und 2 in einer beispielsweisen Ausführungsform beschrieben wird, u. zw. zeigt hiebei Fig. l in Ansicht den Gesamtaufbau der in doppelter Ausführungsform dargestellten Messanlage, welche eine gleichzeitige Erfassung des Messbildes der Druckfeder beider Füsse eines Patienten ermöglicht, Fig. 2 das verwendete Messübertragungsorgan in vergrösserter Darstellung.
Der Apparat besteht im einzelnen aus einem horizontalen Rahmen 1 aus Winkeleisen, der auf einem Holzgestell 2 befestigt ist. Im Rahmen befindet sich eine vor-und rückwärts verschiebbare Platte 3. In diese verschiebbare Platte ist eine drehbare Scheibe 4 eingelassen und in diese drehbare Scheibe wiederum die zur Messung der hier vertikal nach unten gerichteten Einzeldrücke dienende Messdose 5.
Diese Anordnung gestattet nicht nur, dass die Messvorrichtung an jedem einzelnen Punkt der abzutastenden Druckfläche gebracht werden kann, sondern es können auch zwei derartige Apparate, ohne sich zu stören, so dicht aneinandergerückt werden, dass beide Füsse der gleichen Person dicht nebeneinander unabhängig und eventuell gleichzeitig durchgemessen werden können.
Die Oberfläche der Messdose, der Scheibe und der Platte liegen in einer Ebene, sofern der Körperteil auf einer Ebene ruht. Wollte man aber z. B. den Fuss auf einer Einlage messen, so würde die Ebene durch eine entsprechend geformte Fläche ersetzt werden.
Über diese Ebene ist ein Papier 6 mittels einer besonderen Spannvorrichtung 7 gespannt und durch diese fest mit dem Rahmen verbunden. Auf das Papier wird der Fuss gestellt oder ein anderer zu messender Körperteil.
Das Papier verhindert, dass die Haut beim Verschieben der Messplatte mitgenommen und
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Das Papier wird an drei Seiten auf Stäbchen gewickelt, deren Enden mit dem Rahmen mit Spannung verbunden sind, während die mediale Seite des Papiers um eine halbrunde Leiste gewickelt ist und mit dieser in eine Hohlkehle an der medialen Seite des Holzgestells gepresst wird.
Diese Anordnung ist ebenfalls deshalb gewählt, damit zwei Apparate z. B. für den rechten und linken Fuss dicht aneinandergestellt werden und diese beiden Apparate auch bei Querstellung der Füsse verwendet werden können.
Die Messdose 5 hat die Aufgabe, die Drücke in der Tragfläche zu messen. Sie kann natürlich in mannigfache Weise ausgebildet sein und die Messung in irgendeiner bekannten Weise ermöglichen.
Der Ausschlag des Messorgans kann beispielsweise durch ein Hebelsystem mechanisch vergrössert direkt oder unter Vermittlung von Spiegelmethoden abgelesen werden. Er kann dazu benutzt werden, den Luftspalt in einem magnetischen Kreis zu ändern, um mit Hilfe der so erzeugten magnetischen Feldänderungen Induktionswirkungen zur Registrierung zu benutzen. Statt dessen können elektrostatische Kapazitätsänderungen bewirkt und in bekannter Weise zur Messgrundlage gemacht werden.
In all diesen Fällen werden noch endliche. wenn auch sehr kleine Lageänderungen des eigentlichen Mess- organs zugelassen.
Bei Verwendung eines durch Druck auf seine Fläche sich elektrostatisch aufladenden Piezo-
Quarz-Kristalls sind diese Veränderungen schon an der Grenze der Naehweisbarkeit, und sie lassen sich sogar vollständig vermeiden, wenn man durch eine abstufbare äussere Gegenkraft die zunächst am Messorgan durch den zu messenden Druck erzeugte Lage-oder Formänderung wieder genau kompensiert und die hiezu nötige Gegenkraft zur Grundlage der Messung macht.
Die bei den erstgenannten Ablesemethoden zuzulassenden Verschiebungen am Messort können
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treten kann.
In der hier beschriebenen Ausführung wird die Spiegelung, u. zw. in folgender Weise benutzt :
An der Mitte der Membran ist nach Fig. 2 ein senkrecht nach unten gerichteter Stab 10 genietet, dessen freies unteres Ende eine kleine Metallplatte 11 trägt. Parallel zu dieser im Abstand von 0-4 WMH befindet sich eine zweite Platte 12, die über zwei Rohre 13, 14 starr mit dem Eisenkörper verbunden ist. Zwischen die beiden Metallplatten wird waagrecht eine dünne Nadel 15 geklemmt, an deren einem Ende ein kleiner Spiegel 15 befestigt ist.
Wenn nun bei Durchbiegung der Membran 9 die beiden Plättchen gegeneinander verschoben werden, wird die Nadel und damit auch der Spiegel gedreht. Ein Lichtstrahl, der auf den Spiegel fällt, wird entsprechend der Drehung abgelenkt. Er fällt auf eine mit einer Skala versehene Tafel und wird dort abgelesen. Die Skala ist mit der Messdose starr zu verbinden. damit das Übersetzungsverhältnis gewahrt bleibt. Ausserdem nimmt aber die Messdose an der Drehung der runden Scheibe um die Vertikale beim Übergang von einer Messlage zur andern teil. Durch eine geeignete Vorrichtung, hier Viergelenk 17, wird dafür gesorgt, dass der zur Messung benutzte abgelenkte Strahl stets auf die in festem Abstand vertikal angebrachte Messteilung fällt.
Als praktisch hat sich erwiesen, das Viergelenk bzw. die Messdose mit einem über der Dose und dem zu untersuchenden Körperteil befindlichen Halter 16 zu verbinden, der einen stets auf die Mitte der Membran weisenden, verschiebbaren Zeiger 18 besitzt. Hiedurch kann man sich jederzeit über die Lage der Messdose orientieren, falls die Membran bei der Messung durch den Körperteil verdeckt ist.
Am Taster ist wiederum eine Blattfeder 19 mit einer feinen Nadel befestigt, welche entsprechend den Bewegungen der Messdose über dem Schemel 20, auf dem ein Papier gespannt ist, entlang bewegt wird.
Die Ausschläge des Lichtstrahls an der Skala werden auf diesem Papier punktweise markiert und mit dem jeweiligen Zahlenwert versehen.
Diese Art der Messung kann durch eine automatische Messvorrichtung ersetzt werden, die dann
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linien zugleich automatisch aufgezeichnet werden.
Damit der Körperteil, welcher gemessen werden soll, in einer einmal eingenommenen Lage fixiert wird, verwendet man z. B. bei der Messung von Füssen eine Fixierung durch vier Stäbe 21, welche an den vier Ecken des Rahmens befestigt sind und welche untereinander durch Querstangen verbunden werden.
In dieser Vorrichtung kann der Körper durch eine Holzplatte, welche an Rücken und Gesäss anliegt, oder durch einen Beckenkorb mit gelenkig verbundenen Stäben gehalten werden. so dass eine horizontale Verschiebung nicht möglich ist.
Vor oder nach der eigentlichen Untersuchung des Körperteils, z. B. des Fusses, kann dieser noch geröntgt werden, ohne dass dieser seine Stellung ändert. Zu diesem Zweck wird an Stelle der Platte 3 eine andere mit einem Röntgenfilm oder Papier versehene Platte geschoben und die Röntgenaufnahme vorgenommen.
Die Korrespondenz zwischen Röntgenbild und Druckbild wird dann durch entsprechende Markierung mittels Tastervorrichtung erreicht, oder es wird der Film seitlich in die Holzplatte durch einen seitlichen Schlitz 22 im Rahmen eingeschoben. B ? i dieser Art des Vorgehens muss die Druck-
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feldaufnahme dort erfolgen, wo sich der Röntgenapparat befindet, und der Röntgenaufnahme zeitlich unmittelbar vorangehen oder folgen. Um davon unabhängig zu sein, kann man an den zu untersuchenden Fuss einen Winkel anlegen, der, wenn er an drei Punkten den Fuss berührt, eindeutig festliegt. Die Lage des Winkels relativ zur Druckaufnahmefläche kann ein für allemal markiert sein.
Wenn dann bei der Röntgenaufnahme zu anderer Zeit und an anderm Ort der Fuss zusammen mit dem ebenso angelegten Sehienenwinkel anfgenommen wird ; so ist diese Aufnahme durch Vermittlung des Winkelschattens oder besonderer Hilfsmarken im Winkel jederzeit genau zur Druckaufnahme orientierbar.
Natürlich können auch zwei Winkel, d. h. für jeden Fuss ein Winkel, benutzt werden.
Es hat sich als praktisch erwiesen, mit dem Apparat eine Wiegevorrichtung zu verbinden, u. zw. je eine für den rechten und eine für den linken, falls z. B. zwei Füsse gemessen werden sollen. Diese Wiegevorriehtung hat den Zweck, dass während der Messung das Gewicht und die Lage des Schwerpunktes des zu messenden Körperteils auch mitgemessen werden kann.
Die Messung mittels des Apparates wird nun in der Weise vorgenommen, dass die Dose von vorn nach rückwärts unter dem Fuss entlang gezogen wird ; entsprechend den verschiedenen Drücken der Fusssohle erhält man eine Kurve, die den jeweiligen Druck der Fusssohle als Funktion auf der Messlinie angibt. Durch seitliches Verschieben der Messdose und Durchziehen der Messdose wieder von vorn nach rückwärts erhält man wiederum eine neue Messlinie. Es ist klar ersichtlich, dass auf diese Art und Weise
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Nach Herstellung aller Linien gleichen Druckes ergibt das Gesamtbild eine Darstellung der Druckerteilung über der ganzen Fusssohle. Die Feinheit des Druckbildes wird erhöht durch möglichst viele Messlinien einerseits und möglichst viele Isobaren anderseits.
Durch dieses Verfahren mit dem obigen Apparat ist es möglich, nicht nur den seit 1855 bestehenden Streit über die Stützpunkte des Fusses zu lösen, sondern auch möglich, den ganzen Fuss in seine einzelnen Stützflächen zu zerlegen.
Ausserdem ist es möglich, mit diesem Apparat die Druckverhältnisse des Fusses in jeder beliebigen Lage des Körpers zu messen.
Ganz besonders wichtig erscheint das Verfahren deshalb, weil es mittels dieses Apparates möglich ist, nicht nur eine genaue zahlenmässige Darstellung der Druckflächen zu machen, sondern ganz besonders deshalb, weil es mittels dieses Verfahrens zum ersten Male möglich ist, die gewonnenen Resultate, u. zw. in diesem Fall mathematisch einwandfreie Ergebnisse, auf das Skelett zu übertragen. Es genügt nämlich nicht, nur zu wissen, welcher Teil des Fusses die Hauptlast aufnimmt bzw. wie sich auf die einzelnen Teile des Fusses die Belastung verteilt, da. selbst an Hand eines derartig gefundenen Resultates eine Korrespondenz mit dem Fussskelett noch nicht möglich ist.
Die Übertragung eines Punktes auf der Fusssohle auf das Skelett ist viel schwieriger, als allgemein angenommen wird. Selbst wenn man, wie dies von einzelnen Autoren gemacht worden ist, die zu messenden Punkte auf der Fusssohle anzeichnet in der Annahme, dass diese betreffenden Punkte genau unter den zu messenden Skeletteilen liegen, so sind diese angezeichneten Punkte bei der Belastung des Fusses nicht mehr genau unter dem zu messenden Skeletteil gelegen. Es wurde aber ein Versuch hiezu bisher überhaupt noch niemals gemacht. Jedes Skelett weicht bei der Belastung entsprechend dem Druck und entsprechend seiner Elastizität etwas auseinander in der Länge und in der Breite, während der angezeichnete Punkt auf der ebenen Unterlage oder z. B. auf dem Gitter fixiert ist ; auf alle Fälle verschiebt sich das Skelett gegen die Weichteile, an denen die Punkte fixiert worden sind.
Ganz abgesehen von den übrigen Fehlern, welche in den früheren Messungen enthalten sind, besteht hier ein zweiter grosser Fehler darin, dass diese Punkte niemals mit dem Skelett in Korrespondenz gebracht werden können.
Ganz abgesehen davon ist bis jetzt, was noch ausdrücklich betont werden muss, überhaupt niemals der Versuch gemacht worden, die gewonnenen Resultate bzw. die gewonnenen Druckbilder auf das Skelett zu übertragen. Es besteht also der wesentliche Unterschied zwischen den früheren und dem hier beschriebenen Verfahren darin, dass erstens die Messung wissenschaftlich einwandfrei ist und zweitens, dass diese wissenschaftlich einwandfrei genaue Messung auf das Skelett direkt übertragen werden kann.
Die Fig. 4-7 verdeutlichen den Unterschied zwischen der bekannten Methode und der gemäss Anmeldung. Fig. 4 zeigt ein Bild, das gewonnen wurde von einem Fuss nach dem Abdruckverfahren mittels Pauspapier. Es ist hier lediglich die Gesamtkontaktfläche zu erkennen.
Fig. 5 verdeutlicht das neue Verfahren an einem Druckbild eines vollkommen normalen Fusses, Fig. 6 an dem eines schweren Plattfusses und Fig. 7 an dem eines schweren Klumphohlfusses, der die gegenteilige Deformation des Plattfusses in grossen Zügen darstellt.
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Quergewölbes sieht man einen gleichmässigen Abfall des Druckes vom ersten Fussstrahl zum fünften Fussstrahl.
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Fig. 6 ist ein schwerer Plattfuss, bei dem bekanntlich das Längsgewölbe durchgesunken ist und bei dem als sekundäre Deformation fast immer ein Durchbruch des Quergewölbes auftritt. Man sieht tatsächlich, dass die Partie zwischen Ferse und Vorfuss stark belastet ist, dass im Quergewölbe die sonst kaum belastete Stelle um den zweiten und dritten Strahl stark belastet wird, also auch das vordere Quergewölbe durchgesunken ist.
Bei dem Klumpfuss gemäss Fig. 7 tritt der Patient fast nur mit der Ferse und Aussenrand auf und belastet ganz besonders den fünften Strahl stark. Man sieht dabei einen starken Abfall der Druckflächen im Aussenrand der Ferse und eine übermässig starke Belastung des fünften Strahles. Wie aus dem Bild hervorgeht, übernimmt der fünfte Strahl fast die ganze Belastung des Vorfusses.
Bei Vergleich des alten Bildes mit den neuen und anderseits der neuen Bilder untereinander geht einwandfrei und klar wohl hervor, dass ein grosser technischer Fortschritt durch dieses Verfahren erreicht wurde, dass die Druckbilder das ergeben, was man von einem Druckbild erwarten muss, und dass durch dieses Verfahren möglich ist, das Druckbild nicht nur auf die Weichteile, sondern sogar auf das Skelett zu übertragen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung der Druckverteilung an der Berührungsfläche zwischen elastischen und unelastischen Körpern, z. B. Fusssohle und Bodenfläche, wobei ein oder mehrere Flächenelemente der unelastischen Fläche durch ein oder mehrere dieser gegenüber kleine Messorgane ersetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe allseitig verschieblicler Messorgane (5) jeder Punkt des zu messenden Feldes der Messung unterzogen wird und hiebei, z. B. durch Anwendung einer die Lage-oder Formveränderungen des Messorganes (5) unter Einwirkung des Druckes ausgleichenden als Grundlage der Messung dienenden äusseren Gegenkraft, Veränderungen in der Berührungsfläche vollkommen oder in praktisch zu vernachlässigendem Masse vermieden werden.