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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Greifkräften, Tremor und Beweg ng einer Hand zur medizinischen Diagnose von beispielsweise Parkinson oder essentiellem Tremor.
Eine Vielzahl neurologischer Erkrankungen wie Parkinson, Spastizität, essentieller Tremor sw. äussern sich in der Unfähigkeit, Bewegungen ruhig, das heisst mehr oder weniger zitterfrei du chzuführen. Handbewegungen nehmen dabei eine besondere Stellung ein, da diese im Alltag ehes Menschen von zentraler Bedeutung sind. In der Neurologie gibt es verschieden Test, diese Disfunktionen zu untersuchen. Einer davon sieht folgendermassen aus : Der Patient wird aufgefor ert einen mit Wasser randvoll gefüllten Becher vom Tisch zu heben, Richtung Mund zu führen nd wieder abzustellen. Die bei diesem Vorgang verschüttete Wassermenge bzw. die im Becher erbleibende Wassermenge ist ein Mass für die Fähigkeit, eine glatte, ruhige Bewegung durc zu- führen. Der Arzt beobachtet diesen Vorgang und befunde diesen nach qualitativen Kriterien.
Diese der Praxis abgeschaute Aufgabe, zeigt über die verschüttete Wassermenge aber nur das Endergebnis, sprich die Summe der Fehlfunktionen, nicht aber die einzelnen Phasen nd Bewegungsmuster. Diese sind aber wichtig für die Unterscheidung und Typisierung dieser F hlfunktionen. Der Neuwert der gegenständlichen Erfindung liegt nun darin, dass der gesamte boue- gungsablauf in allen Achsen (x, y, z) und Rotationen (a, b, c) registriert werden kann. Die Mess ng wird dadurch exakter und auch reproduzierbar Der Untersuchung muss nicht zwangsweise ein Neurologe beiwohnen, da die exakte Datenanalyse in allen Details im Anschluss erfolgen kann.
Die qualitative Aussage wird durch die quantitative Erfassung erweitert. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass für den Test der Becher nur zum Teil oder gar nicht mit Wasser gefüllt wer en muss. Da ein voller Becher viel mehr Aufmerksamkeit vom Patienten erfordert und eine grös ere Stressituation bedeuten, können daher auch spezifische kognitive Leistungen untersucht werde.
Wie ruhig eine Bewegung durchgeführt werden kann, hängt bei vielen Patienten auch da on ab, in welchem Spannungszustand sich die Muskulatur am Unterarm befindet. Bei gesunden enschen ist weitgehend eine Entkopplung der Ober- und Unterarmmuskulatur gegeben, so dass t otz veränderter Greifkräfte eine glatte Armbewegung möglich ist.
Die Greifkräfte selbst sind überdies selbst neurologischen Störungen unterworfen. Das k nn sich in einem erhöhten Krafttremor äussern Aus diesem Grunde werden auch die Greifkräfte am Becher registriert und ausgewertet.
Bekannt ist das US-Patent 5 265 619 A (BURGER) vom 30 Nov. 1993, welches ein Verfa ren zur Messung von Zitterbewegungen am lebenden Gewebe zeigt, wobei der Kern der Erfindung auf der hardwaremässigen Aufbereitung des Signales liegt, mit dem Ziel, ungewollte grössere mu ku- lare Zitterbewegungen von kleineren, vom nervösen Zustand abhängige zu unterscheiden bzw. auszuschliessen.
Weiter ist bekannt die deutsche Offenlegungsschrift DE 197 00 402 A (PEER) vom 9 uni 1998, die ein Operationsinstrument zeigt, weiches bei der Benutzung ruhig gehalten werde oll. Zitterbewegungen in translatorischer und rotatorischer Ausprägung werden als Eingangsgrösse für einen Regelkreis verwendet, um diese Zitterbewegungen mit Hilfe von Aktuatoren zu kompens ert.
Als Sensoren kommen Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitssensoren in verschiede en Technologien zu Anwendung.
Mit den beiden in den Patenten beschriebenen Vorrichtungen bzw. Verfahren können jed) ch die oben beschriebenen neurologischen Untersuchungen nicht durchgeführt werden.
Diese Aufgabe wird mit der neuen Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Vorrichtung die Form eines einfachen oder doppelwandigen Bechers hat mit integrierten Druck- bzw. Kraftsensoren, zur Registrierung der einzelnen Fingerkräfte und/oder der Gesamtkraft, und mit Beschleunigungs en- soren zur Erfassung des Tremors in einer oder mehreren Richtungen und/oder mit Gyrometern zur Registrierung der Rotationsgeschwindigkeiten, wobei weiters eine Übertragungseinheit vorgese en ist zur Übertragung der gewonnenen Daten mittels Infrarot, elektromagnetischer Telemetrie er Kabel auf eine Basisstation oder direkt auf einen Computer.
Die Form des Messbechers entspricht der eines üblichen Trinkbechers. Die Sensoren und ig-
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weitgehend unbemerkt im Becher integriert.
Abb 1 zeigt die prinzipielle Anordnung für eine drahtlose Signalübertragung mit Becher 1), Basisstation (2) für die Signalwelterverarbeitung und einem PC (3) Datenübertragung :
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Die Schnittzeichnung Abb. 2. zeigt die im Becherboden integrierte Elektronik (4) mit Batterie (5) für eine Datenübertragung mittels Infrarot. Auf der Unterseite ist ein Loch zur Aufnahme der Sendediode (6). Die Sendediode kann sich auch seitlich am Boden oder am bzw. im oberen Becherrand (7)-falls der Empfänger an der Decke montiert werden soll - befinden. Es können auch mehrere Sendedioden verwendet werden um die Störsicherheit zu erhöhen.
Für den Fall der Datenübertragung mittels Hochfrequenz (Abb. 3) ist die Antenne im Boden oder am Becherrand angebracht bzw. integriert.
Werden die Daten nicht Online übertragen, so müssen sie im Becher digitalisiert und zwischengespeichert werden. Wenn der Becher auf die Basisstation (8) gestellt wird, werden die Daten über Kontakte (9 in Abb. 4) oder über eine induktive Kopplung mittels Spulen (10) übertragen (Abb. 5) Die Zwischenspeicherung ermöglicht auch ein "Home monitoring" beim Patienten Zuhause.
Versorgung :
Die Elektronik im Becher wird über eine Batterie versorgt Diese kann ausgetauscht werden, oder - wenn sie als Akku ausgeführt ist - mit Hilfe der Basisstation aufgeladen werden. Das kann über Kontakte oder induktiv-ähnlich dem Aufbau in Abb 4 und 5 - erfolgen. Zum Abschalten der Spannungsversorgung kann ein Schalter verwendet werden, der manuell betätigt wird oder beim Abstellen auf den Tisch ausgetastet wird. Auch ist ein Variante mit Magnetschalter möglich. Im Becher befindet sich ein Reed-Relais, weiches von einem Magneten oder einer Spule im Basisgerät geschaltet wird.
Die Vanante nach Abb. 6 verzichtet auf eine drahtlose Datentelemetrie. Es wird ein fest mon- tiertes oder steckbares Kabel (11) an den Becher angeschlossen, über welches die Stromversorgung und die Daten in analoger oder digitaler Form geführt werden.
(12) zeigt die Einheit, die die Sensorsignale für eine computergerechte Verarbeitung aufbereitet. Die einzelnen Signale können in analoger Form für eine Aufzeichnung mittels einer PC-Signalerfassungssteckkarte bereitgestellt werden. Die Signale können auch so aufbereitet werden, dass ein Anschluss an eine Standardschnittstelle eines PCs, wie etwa serielle, parallele oder USBSchnittstelle möglich ist.
Im Vergleich zur drahtlosen Telemetrie verringert sich der Aufwand für die Elektronik im Becher. Da auch die Versorgung von Aussen kommt, kann die Batterie entfallen und das Gewicht verringert sich. Die Anzahl der Leitungen im Kabel (11) kann reduziert werden, wenn die Auswerteelektronik (Abb. 7) im Becher zumindest aus einem Analogmultiplexer (12) bestehet, der die einzelnen Signale sequentiell auswählt und überträgt. Die Kanalwahl kann über Steuerleitungen (13) oder zyklisch von einem Zähler (14) erfolgen. Eine zusätzliche Vorverstärkung einzelner Sensorsignale (15) ist ebenfalls möglich.
Wird eine entsprechende Elektronik Im Becher integriert, kann der Anschluss direkt am PC entweder über eine Analog-Digital-Wandlerkarte oder eine Standardschnittstelle des PCs erfolgen.
Sensorik :
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Zusätzlich zur Elektronik sind Beschleunigungssensoren und/oder Gyroscope im Boden des Bechers integriert. Zur vollständigen Bestimmung aller Bewegungen sind 3 Beschleunigungssensoren und 3 Rotationssensoren notwendig. Da sich aber-was die Zitterbewegung betrifft-die Signale teilweise ähnlich sind, kann die Anzahl auch reduziert werden. Es können auch handelsübliche 3-achsige Sensoren zum Einsatz kommen Es können alle denkbaren Sensortechnologien zum Einsatz kommen. Je nach Aufgabenstellung können Sensoren für Wechselbeschleunigung oder solche, die auch bis 0 Hz hinunter messen verwendet werden. Beschleunigungssensoren für DC berücksichtigen die Erdbeschleunigung, wodurch diese auch als Neigungssensor eingesetzt werden können. b.
Kraftmessung :
Die Registrierung der Handkraft, mit der der Becher gehalten wird, kann mit einem grossflächigen Fohensensor erreicht werden, der auch die gesamte Mantelfläche des Bechers einnehmen kann. Es wird dabei die Gesamtkraft registriert, egal an welcher Stelle der Becher in die Hand genommen wird. Es kann auch durch Unterteilung der Sensorfläche in einzelne Segmente eine Aufteilung in die einzelnen Fingerkräfte erzielt werden. Die Greifposition wird dann durch Markierun- gen vorgegeben. Als Druckfolien können beispielsweise kapazitive Folien, Piezofolien oder druckempfindlicher Leitkunststoff zum Einsatz kommen.
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Eine Variante der Greifkraftmessung wird realisiert, indem auf einem leicht elastischen Becher aus beispielsweise Kunststoff Dehnungsmessstreifen aufgeklebt werden und somit die kraftab an- gige Deformierung des Bechers registriert wird. (Abb. 8) Die strichlierte Linie (20) zeigt den d for- mierten Zustand. Die Greifposition muss vorgegeben werden. Es können mehrere DMS in einer oder mehren Viertel-, Halb- oder Vollbrückenschaltung (en) eingesetzt werden.
Die Verwendung von Halb- oder noch besser Vollbrücken hat den Vorteil der Temperatur mpensation und der entsprechen grösseren Empfindlichkeit. DMS (16) und (17) erfahren eine Stauchung, DMS (18) und (19) eine Dehnung.
Der oder die DMS - oder einige davon-können auch an der Innenseite angeklebt wer en.
Dann müssen diese jedoch einen flüssigkeitsdichten Schutzüberzug erhalten. Vorzugsweise is die Befestigungsposition am oder nahe dem oberen Rand, da dort die grösste Verformung auftritt.
Abb. 9 : Es können auch zwei Becher ineinandergesteckt werden, wobei der innere (21) aus einem starren Material ist und der Äussere (22) aus einem etwas biegsamen Material wie. B.
Kunststoff gefertigt ist. An der Stelle, wo beispielsweise der Daumen angreift, kann ein fla her Kraft- bzw. Drucksensor, der nach at ! en möglichen Prinzipien arbeiten kann, dazwischen gegeben werden (23). Es können auch luft- oder flüssigkeitsgefüllte Druckpolster verwendet werden, die über einen Drucksensor ein elektrisches Signal liefern. Es können auch mehrere Sensoren dazwischen gebracht werden.
Das Prinzip der Druckmessung in Polstern und Schläuchen kann in vielfacher Form ange endet werden. So ist auch eine Variante möglich, bei der der Becher beispielsweise mit einem On- nen Schlauch aus Silikon, Gummi o. ä. ganz oder teilweise um- bzw. bewickelt werden. Ein au serer, elastischer Becher kann dann durch eine Folie ersetzt werden oder gänzlich entfallen.
Die Kraftmessung kann auch mit zwei harten Halbschalen erreicht werden, die auf einer eite beweglich und auf der anderen Seite über einen Kraftsensor verbunden sind. In den Schalen befindet sich ein elastischer Becher.
Bei einer weiteren Varianten wird das Trinkgefäss mit einem Griff (Henkel) ausgestattet, de mit einem oder mehreren plezoresistiven oder DMS Sensoren bestückt ist. c. Füitstandsmessuno : Abb. dO)
Im doppelten Boden des Bechers wird ein Differenzdrucksensor (24) eingebaut, der den D uck (25) der Wassersäule (26) über ihm relativ zum Atmosphärendruck (27) misst. Der Druck am Boden des Wasserbechers ist nur etwa 5 mbar, daher sind Absolutdruckmesser wegen des w chseinden Luftdruckes ungünstig, wenn auch denkbar. (Kalibrierung bei jeder Messung).
Es sind auch andere Methoden der Füllstandsmessung - wie beispielsweise optische oder mittels Ultraschall denkbar. Es wird dabei die Höhe des Wasserstandes detektiert, wobei ein Mini turschwimmer eingesetzt werden kann oder die Grenzschichteigenschaften zwischen Luft und asser ausgenutzt wird.
Messverstärker :
Es können alle gangigen Systeme der Messsignalverarbeitung eingesetzt werden. Beisp elsweise kann eine solche Anordnung folgendermassen aussehen :
Die Sensorsignale (28) werden verstärkt (29) und einer Multiplexer-Analog-Digital-Wan ler- Einheit (30) zugeführt (Abb. 11) Die seriellen Datenwerte werden mit einer Kanalnummer von 31) versehen (32) und der Telemetrieeinheit (33) zugeführt. Dabei kann man sich auch der Hilfe nes Miniatur-Microcontrollers bedienen.
Liste der Abbildungen : Abb. 1 Gesamtanordnung für drahtloser IR-Telemetrie
Abb. 2 Schnittzeichnung mit Elektronik und IR-Telemetrie
Abb. 3 Gesamtanordnung für HF-Telemetrie
Abb. 4 Basisstation und Becher mit Kontakten für Datenübertragung und/oder Batterie auf- ladung
Abb. 5 Basisstation und Becher mit Spulen für Datenübertragung und/oder Batterie auf- ladung
Abb. 6 Gesamtanordnung mit Kabelverbindung zu Basisstation Abb. 7 Blockschaltbild. Signal multiplexer Elektronik im Becher
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Abb. 8 DMS Sensoren an elastischem Becher Abb. 9 Starrer in elastischem Becher mit Druck-/Kraftsensor Abb. 10 Füllstandsmessung mit Differenzdrucksensor Abb. 11 Signalverstarkerkette
PATENTANSPRÜCHE : 1.
Vorrichtung zur Messung von Greifkräften, Tremor und Bewegung einer Hand zur medizi- nischen Diagnose von beispielsweise Parkinson oder essentiellem Tremor, gekennzeich- net dadurch, dass die Vorrichtung die Form eines einfachen oder doppelwandigen Bechers hat mit integrierten Druck-bzw. Kraftsensoren, zur Registrierung der einzelnen Finger- kräfte undloder der Gesamtkraft, und mit Beschleunigungssensoren zur Erfassung des
Tremors in einer oder mehreren Richtungen und/oder mit Gyrometern zur Registrierung der Rotationsgeschwindigkeiten, wobei weiters eine Übertragungseinheit vorgesehen ist zur Übertragung der gewonnenen Daten mittels Infrarot, elektromagnetischer Telemetrie oder Kabel auf eine Basisstation oder direkt auf einen Computer.