CN101163449B - 适用于磁共振设备中的测力计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具体地适用于在磁共振设备中检查测试人员或患者的测力计。该测力计包括基本可移动地设置的至少一个驱动装置以及至少一个气动活塞/气缸阵列(7)。所述驱动装置设置于活塞(20)或气缸(21)，并且活塞(20)与气缸(21)之间气动地施加的压力构成待由测试人员或患者通过操纵驱动装置而克服的阻力或力。设定驱动装置运动(尤其是在操作期间)所需的阻力或力可被控制和/或调节，并且活塞(20)和气缸(21)的尺寸被制定为使得在运行过程中或在它们相对于彼此移动时在它们之间形成气垫。基于在诊断测试人员或患者的过程中来自反馈回路的测得信号可调节和/或自动或电子地控制操纵驱动装置所需的阻力或力。

Description

适用于磁共振设备中的测力计
技术领域
本发明涉及一种测力计以及用于操作测力计的方法，所述测力计尤其适用于在磁共振(MR)设备中检查测试人员或患者。尤其地，在医疗诊断和运动科学的领域中需要执行所述检查。
背景技术
锻炼不同肌肉群是运动医学和心血管医学领域中用于检查肌肉机能经常使用的方法。被称作31P-MRS方法(磷-31核磁共振波谱法)的是适合的检查方法，在该方法中，在磁共振设备中局部地测量受刺激肌肉中的血流量。因此，可量化地测量肌肉中的能量代谢物(诸如磷酸肌酸、无机磷酸盐或三磷酸腺苷)。借助于31P-MRS方法，还可以记录锻炼小腿肌肉时的能量代谢物。最初，当锻炼肌肉至某一程度时磷酸肌酸减少，直到肌肉中的供氧升到仅通过氧化代谢就可满足增加的能量需求这样的程度。在这种情况中，磷酸肌酸分解(breakdown)达到平衡状态。如果由于供血血管中的狭窄导致血流量(以及因而导致供氧)不能增加到满足需求时，磷酸肌酸会逐渐减少。
由于许多部件必须用非铁磁金属和/或木材或塑料材料制造以使装置可以以无伪差(artefact-free)方式操作且正确地发挥作用(例如，在磁共振断层X光摄影装置中)，因而测力计在强磁场中的使用是有问题的。另外，用于测量装置参数(诸如力和行程(travel))的传感器和缆线必须被设置成使它们不会造成测量伪差。此外，还必须能设定预定的且可再生的力或测试人员或患者为在测力计中设定驱动装置(例如，可为踏板)运动而必须要克服的阻力。而且，在测力计运行时，如果可在测量过程中设定、测量、或计算(并因而调节)功输出的话，将是有益。当使用测力计时，测试人员或患者在设定的频率下克服预定的阻力，其中踏板的偏斜角和摩擦力也起到重要的作用。频率通常是由节拍器给出的，并且力是借助于压电(piezo)技术测量的。在市场上可购得的在磁场外部操作的测力计中，在运行过程中，如果测试人员未保持频率或倾斜角时，借助于适合的电子或机械装置通过反馈控制系统自动地重新调节力设定值。仅当这种反馈控制系统正常工作时，使用测力计才有意义。当前在市场上可购得的适用在MR设备中的测力计不包括这样的反馈控制系统。而且，在市场上可购得的测力计中，由于驱动装置运动过程中的摩擦阻力使得测量结果以非线性方式被篡改(falsified)，因而不能可靠地计算出测量误差。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种改进的测力计，和/或改进的测力计装置，其优选克服了以上所述的缺点。
该目的通过本发明权利要求中描述的特征得以实现。
本发明基于以下基本概念：提供一种尤其适用于在磁共振设备中检查测试人员或患者的测力计。为了设定活塞/气缸的阵列运动，测试人员或患者必须在驱动装置上施加可预设的特定的力。这基本上会使得活塞和气缸相对于彼此移动。用以克服活塞/气缸阵列所带来阻力所需的力是可控制或可调节的，在驱动装置的运动中尤为如此。这可通过专业人员人工地进行或借助于例如来自指令电脑程序的适当指令来进行，其中，所述指令基本上基于测得数据的评估。优选地，所述电脑程序也自动地控制该操作。优选地，力的范围由专业人员人工地改变，之后在相应的范围内自动地调节。由于在本发明中摩擦损失已最小化为可忽略的数值，测试人员对功输出或性能的评估是非常简单的。通过至少在相对运动过程中，在活塞/气缸阵列中的活塞与气缸之间提供缓冲垫(优选为气垫)可基本上避免摩擦损失。
检查测力计中使用的所有部件在MR设备中的适用性，并且测力计优选由非铁磁性材料(诸如塑料或木材)构成，而且还仅由不会在各个部件上造成金属磨损的工具对其进行加工。
由活塞/气缸系统的意义上的气动系统产生必须被克服的或被施加在驱动装置上以将其设定在运动中的阻力或力。除压缩空气(其为优选的)之外，还可使用所有类型的流体。优选地，使用可压缩的流体。活塞被构造成使得窄气垫形成在活塞与气缸之间，该气垫使得摩擦减小到在功输出的计算中可将其忽略不计的程度。空气罐设在压缩空气入口与气缸之间，以使可在任何时间(甚至是在测量过程中)无极地控制和调节空气压力。电脑控制的控制系统优选用于该用途，在形成法拉第笼的MR设备的外部操作所述控制系统。因此，为了不影响测量结果，在MR管的内部或靠近于MR管不存在电子器件。控制模块包括压力传感器和压力调节器以及具有合适软件的电脑。
具体可通过气缸中的压力、活塞潜没到气缸中的深度以及脚底(plantar)弯曲的频率来调节训练肌肉的功输出。活塞潜没到气缸中的实际深度是测量得到的，这将在实施例的描述中更详细地进行解释。频率是由提供不同频率的节拍器给出的，从而测试人员或患者在操作测力计时应跟随节拍器的节拍。除频率和空气压力以外，活塞潜没到气缸中的深度最好也是无极可变的。合适的程序基于设定参数计算在期望的功输出(以瓦特或瓦特数为单位)下的各种参数。
在作为踏板测力计的测力计另一优选实施例中，测试人员或患者优选在测量过程中面朝上躺下，用两条带子将其脚部缚于踏板。而且，在小腿区域和肩膀处设置辅助的带固定件以避免运动伪差。上肢的固定件可调节为患者的身长，以使得脚底弯曲可分别进行到预定停止点和膝关节的完全伸展。测量线圈直接放置在待测量的肌肉或肌肉群下方，优选放置在小腿的肌肉下方。为了使得测量结果最佳，将小腿放在测量线圈的中间以使得小腿与测量线圈之间的距离最小。优选地，为了使用测量信号的位于小腿下方中心处的强度并因而减少测量时间，仅测量一条小腿。由于不会有来自于第二条小腿的测量伪差影响结果，因此这是更有利的。
测力计的另一优选实施例是臂测力计，其中，臂测力计的机构与踏板测力计的机构相对应。取代腿部肌肉，将待测量的臂肌肉(例如上臂或前臂肌肉)放在相对于测量装置的适当位置中。在本实施例中，测试人员或患者可处于立姿、坐姿或躺姿中。
附图说明
在下面描述中，将参照附图基于示例性优选实施例描述本发明。
图1示出了根据本发明的装置的实施例的示意图；
图2a示出了根据本发明装置的活塞/气缸阵列的实施例的示意图；
图2b示出了根据本发明装置的活塞/气缸阵列的实施例的示意性截面图；以及
图3示出了借助于根据本发明装置的旋转角轮和弯曲梁测量距离的实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了用作踏板测力计1的测力计的优选实施例的示意性透视图。测力计1的部件包括非铁磁性材料以允许在MR装置中使用测力计。在底板2上，驱动装置(在作为踏板测力计的该优选实施例中为踏板3)基本上通过一个或一对轴承销4滑动地设有夹具5，其中夹具5牢固地附于底板2。驱动装置根据待测量的身体部位或待训练的肌肉而改变，并优选被设计成当驱动装置偏斜时使得待测量或待诊断的肌肉必须已被训练。例如，驱动装置可被设计成使得基本上所期望的肌肉或肌肉群已通过已知训练方式得以训练，所述已知训练方式诸如蝶泳、卧推、双臂屈伸、坐式高拉背训练、腿伸直、大腿后屈运动、腿内收运动、举腿(leg pressing)和/或拉力胸前十字交叉(cable cross)。因而，驱动装置的其它实施例是例如从重量训练中得知的手柄、环和其它装置。优选地，待测量的肌肉基本上静止地平放在测量单元或测量线圈上。因此例如，在踏板测力计的情况中，踏板3从踝关节处操作以便于保持小腿尽可能静止在测量线圈的顶部上。驱动装置优选可附于待测量的测试人员或患者身体部位的中心，以使得由设在测量线圈固定器6中的测量线圈提供的结果尽可能地准确(concise)。气动活塞/气缸阵列7设在驱动装置(诸如踏板3)与底板2上的夹具之间，以使得当测试人员或患者偏移驱动装置时，活塞20相对于气缸21移动。活塞/气缸阵列7的气动施加的压力构成了测试人员或患者操纵踏板3时的阻力或力。踏板3优选包括止挡件，用于保护活塞20免于撞到气缸21的底部上。因此，可避免对于活塞/气缸阵列7的损坏。
在用作臂测力计的根据本发明测力计的另一优选实施例中，利用待测量的臂的肌肉来操作测力计。待测量的肌肉以与结合踏板测力计所述的方式相似的方式被定位。
活塞/气缸阵列7的气动施加的压力是从连接于气缸21的压缩空气入口供应的。优选地，空气罐8被设在测力计1与压缩空气入口之间。空气罐8被设计成使得在活塞/气缸阵列7处施加的空气压力可通过控制装置(下面将更详细地进行描述)被控制或被调节，并且还确保当驱动装置(例如，踏板3)偏斜时不会由反压力产生高或短期载荷峰值。待施加的力在50N至900N的范围内、或在100N至800N的范围内、或在200N至700N的范围内、或在300N至600N的范围内，并且对于健康的测试人员来说优选约为600N，而对于有问题的身体部位的移动受限制的患者来说优选约为300N。
测力计1优选包括控制装置，其传感器和附随的包皮电缆可被设置在磁共振设备的检查室中。控制装置的电子控制部位于磁共振设备的检查室的外部。控制装置调节活塞/气缸阵列7处的空气压力，进而调节施加在活塞20上的压力，该压力构成测试人员或患者为使驱动装置(例如，踏板3)偏斜所需施加的力。该控制装置优选包括用于控制和/或处理已采集数据的电脑和电脑程序。
由设在活塞20处的一个或几个传感器执行待施加在驱动装置的力的测定，所述传感器将机械变形转换为电信号或电阻改变。优选地，应变指示器23用于该用途。在应变指示器的区域中，活塞/气缸阵列7的活塞20的直径小于气缸导向中的。而且，至少在应变指示器的区域中，活塞20可为中空的。在优选实施例中，活塞20的弹性模数理想地为3,000N/mm2。
尤其是在运行期间，将驱动装置或踏板3设定为运动所需的阻力或力可被控制或调节。阻力或力可基于测试人员或患者的诊断过程中测得的信号被自动或电地调节或例如被人工地控制。此外，活塞20和气缸21的尺寸被制定为至少在运行过程中或在它们相对于彼此移动时在它们之间形成气垫。由于该气垫的存在，使得摩擦阻力变为可忽略不计的，因此测定值相当程度地更为精确。活塞/气缸阵列7在活塞20与气缸21之间包括0.02mm至0.05mm之间的间隙、或0.03mm至0.05mm之间的间隙、或0.02mm至0.04mm之间的间隙、或0.03mm至0.04mm之间的间隙，优选地，该间隙大约为0.035mm。
此外，在作为踏板测力计的优选实施例中，提供了固定件，诸如用于测试人员的脚、小腿和肩膀的带固定件，所述固定件也可被调节至测试人员或患者的身长。
在作为臂测力计的另一优选实施例中，提供了相应的固定件，例如，所述固定件用于测试人员或患者的手或前臂。
为了测量驱动装置的运动距离，包括至少一个应变指示器的碳弹簧(carbon spring)平行于气压缸21而设置。因此，关于驱动装置的运动(例如，踩踏运动)的结论可以是其为应变指示器的输出信号的函数。碳弹簧被设计成使其在较长弹簧行程中显示出弹性常数，并且弹簧在该弹簧行程的范围内操作。
图2a示出了活塞/气缸阵列7的示意图，并且图2b示出了该活塞/气缸阵列7的截面图。优选地根据经受检查的是患者还是测试人员，可借助于适配器22在上述范围内改变由测试人员或患者施加的力的范围。所述改变是通过使用环绕活塞20的适配器22将直径适应于气缸中的活塞牢固地附于气缸21或活塞20而执行的。优选地，适配器22被旋拧于所述部位。
图3示出了借助于旋转角轮32和弯曲梁31测量距离。当驱动装置偏斜时，弯曲梁31偏斜并且驱动装置行进的距离被确定。为此目的，旋转角轮32附于用作轴线的偏心转动销34，并且旋转角轮32由于驱动装置(例如，踏板3)的偏斜而移动，进而使得弯曲梁31偏斜。这样，一端牢固地附于固定装置30的弯曲梁31偏斜。至少一个应变指示器33被设在弯曲梁31处，从而将弯曲梁31的变形转变为电信号。
本发明还包括组合了以上所述不同实施例的特征的实施例。

Claims (39)

1.一种测力计，用于在磁共振设备中检查测试人员或患者，所述测力计包括：
至少一个驱动装置，可移动地设置；
至少一个气动活塞/气缸阵列(7)，其中，所述驱动装置设置在活塞(20)或气缸(21)处以实现移动，并且所述活塞(20)与所述气缸(21)之间气动地施加的压力构成由所述测试人员或患者偏移所述驱动装置所需的阻力或力，
其特征在于，
在运行过程中，用于设定所述驱动装置运动的所述阻力或力能够被控制或调节，其中，基于在检查所述测试人员或患者的过程中来自反馈回路的测得信号自动或电子地调节或控制所述阻力或力。
2.根据权利要求1所述的测力计，
其中，所述活塞(20)和所述气缸(21)的尺寸被制定为使得至少在运行过程中或在它们相对于彼此移动时在它们之间形成气垫。
3.根据权利要求1所述的测力计，
其中，所述驱动装置为踏板(3)或手柄。
4.根据权利要求2所述的测力计，
其中，所述驱动装置为踏板(3)或手柄。
5.根据权利要求3所述的测力计，其中，所述测力计进一步包括用于测试人员或患者的脚部、小腿和肩膀的带固定件。
6.根据权利要求4所述的测力计，其中，所述测力计进一步包括用于测试人员或患者的脚部、小腿和肩膀的带固定件。
7.根据权利要求5所述的测力计，
其中，用于所述测试人员的肩膀的所述带固定件能够被调节至所述测试人员的身长。
8.根据权利要求1所述的测力计，
其中，所述活塞/气缸阵列(7)在所述活塞(20)与所述气缸(21)之间包括至少0.02mm且至多0.05mm的间隙。
9.根据权利要求7所述的测力计，
其中，所述活塞/气缸阵列(7)在所述活塞(20)与所述气缸(21)之间包括至少0.02mm且至多0.05mm的间隙。
10.根据权利要求1所述的测力计，
其中，所述测力计的部件包含非铁磁性材料。
11.根据权利要求10所述的测力计，
其中，所述驱动装置包括止挡件，所述止挡件保护所述活塞(20)免于撞到所述气缸(21)的底部上。
12.根据权利要求1所述的测力计，
其中，通过测量所述气缸(21)中的或压缩空气入口中的空气压力来确定待施加到所述驱动装置的力。
13.根据权利要求11所述的测力计，
其中，通过测量所述气缸(21)中的或压缩空气入口中的空气压力来确定待施加到所述驱动装置的力。
14.根据权利要求1所述的测力计，
其中，通过所述活塞处的至少一个应变指示器来确定待施加到所述驱动装置的力。
15.根据权利要求13所述的测力计，
其中，通过所述活塞处的至少一个应变指示器来确定待施加到所述驱动装置的力。
16.根据权利要求14所述的测力计，
其中，至少在所述应变指示器的区域中所述活塞(20)是中空的。
17.根据权利要求1所述的测力计，
其中，所述活塞(20)的弹性模数为3,000N/mm2。
18.根据权利要求16所述的测力计，
其中，所述活塞(20)的弹性模数为3,000N/mm2。
19.根据权利要求1所述的测力计，
其中，利用碳弹簧来执行所述驱动装置的移动距离的测量，所述碳弹簧包括平行气压缸而设置的至少一个应变指示器。
20.根据权利要求18所述的测力计，
其中，利用碳弹簧来执行所述驱动装置的移动距离的测量，所述碳弹簧包括平行气压缸而设置的至少一个应变指示器。
21.根据权利要求19所述的测力计，其中，所述碳弹簧被设计成使其在较长弹簧行程中显示出弹性常数，并且所述碳弹簧在所述较长弹簧行程内操作。
22.根据权利要求20所述的测力计，其中，所述移动距离是借助于弯曲梁(31)确定的，所述弯曲梁由于驱动装置的移动而偏斜。
23.根据权利要求22所述的测力计，其中，旋转角轮(32)牢固地附于用作轴线的偏心转动销(34)，并且所述旋转角轮被设置得使其由于所述驱动装置的偏斜而移动，进而使得所述弯曲梁(31)偏斜。
24.根据权利要求22或23所述的测力计，其中，所述弯曲梁(31)的一端借助于固定装置(30)被牢固地连接并且在与所述固定装置相距一定距离处偏斜。
25.根据权利要求22或23所述的测力计，其中，至少一个应变指示器(33)设置于所述弯曲梁(31)，从而所述弯曲梁(31)的变形被转换为电信号。
26.根据权利要求1所述的测力计，其中，所述驱动装置以位于中央的方式附于待测量的测试人员或患者的身体部位。
27.根据权利要求25所述的测力计，其中，所述驱动装置以位于中央的方式附于待测量的测试人员或患者的身体部位。
28.根据权利要求1所述的测力计，其中，通过借助于环绕所述活塞(20)的适配器(23)改变附于所述气缸(21)或所述活塞(20)的且直径适应于所述气缸(21)中的活塞来改变由所述测试人员或患者所施加的力。
29.根据权利要求27所述的测力计，其中，通过借助于环绕所述活塞(20)的适配器(23)改变附于所述气缸(21)或所述活塞(20)的且直径适应于所述气缸(21)中的活塞来改变由所述测试人员或患者所施加的力。
30.根据权利要求1所述的测力计，其中，对于健康的测试人员来说，待施加于所述驱动装置的力高达约600N，而对于患者来说为300N。
31.根据权利要求29所述的测力计，其中，对于健康的测试人员来说，待施加于所述驱动装置的力高达约600N，而对于患者来说为300N。
32.一种测力计装置，包括根据前述权利要求中任一项所述的测力计，
其中，所述装置进一步包括压缩空气入口以及设在所述压缩空气入口与所述测力计之间的空气罐(8)。
33.根据权利要求32所述的包括测力计的测力计装置，
其中，所述空气罐(8)被设计成使得施加于所述活塞/气缸阵列(7)的空气压力能够被控制或被调节，并且确保当所述驱动装置偏斜时不会由反压力产生高或短期的载荷峰值。
34.根据权利要求32所述的测力计装置，
其中，所述装置进一步包括控制装置，所述控制装置的传感器和附随的包皮电缆被设置在磁共振设备的检查室中，并且所述控制装置的电子控制部位于所述磁共振设备的所述检查室的外部。
35.根据权利要求34所述的测力计装置，
其中，所述控制装置调节所述活塞/气缸阵列(7)处的空气压力，进而调节施加在所述活塞(20)上的压力，所述压力构成测试人员或患者为使得所述驱动装置偏斜而必须施加的力。
36.根据权利要求34所述的测力计装置，
其中，所述控制装置包括用于控制和/或处理已采集的数据的电脑和电脑程序。
37.一种用于操纵测力计的方法，具体用于操纵磁共振设备中的根据权利要求1或10的测力计的方法，包括以下步骤：
提供至少一个可移动的驱动装置；
提供至少一个气动活塞/气缸阵列(7)，其包括将所述驱动装置布置在所述活塞(20)或所述气缸(21)处，并且通过操纵所述驱动装置并在所述活塞(20)与所述气缸(21)之间提供气动地施加的压力而产生将由所述测试人员或患者克服的阻力或力，
其特征在于，
在运行过程中，控制和/或调节设定所述驱动装置运动所需的所述阻力或力，其中，调节或控制所述阻力或所述力的步骤是基于在检查所述测试人员或患者的过程中来自反馈回路的测得信号而自动或电子地进行的。
38.一种用于操纵测力计的方法，具体用于操纵磁共振设备中的根据权利要求2、8或10的测力计的方法，包括以下步骤：
提供至少一个可移动的驱动装置；
提供至少一个气动活塞/气缸阵列(7)，其包括将所述驱动装置布置于所述活塞(20)或所述气缸(21)，并且通过操纵所述驱动装置并在所述活塞(20)与所述气缸(21)之间提供气动地施加的压力而产生将由所述测试人员或患者所克服的阻力或力，
其特征在于，
在运行过程中或在所述活塞(20)和所述气缸(21)相对于彼此移动时在它们之间形成气垫。
39.根据前述权利要求中任一项所述的测力计、测力计装置和/或方法在运动科学中的使用，用于PNMR方法。
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