DE10042599A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulenbewegungen - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulenbewegungen mit einer Anregeeinheit (23) zum mechanischen Anregen einer Wirbelsäule (W) mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster mehreren an der Wirbelsäule (W) anliegenden Beschleunigungssensoren (1-1 bis 1-n) zur dreidimensionalen Erfassung der Beschleunigungen von Wirbeln der Wirbelsäule (W); eine Messwert-Erfassungseinheit (3) zur Erfassung der von den Beschleunigungssensoren (1) abgegebenen Beschleunigungssignale und zur Umwandlung der Beschleunigungsdaten; und mit einer Recheneinheit (12) zur Datenverarbeitung der Beschleunigungsdaten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulenbewegungen, die bei mechanischem Anregen einer Wirbelsäule mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster entstehen.

Die Wirbelsäule besteht aus mehreren Wirbelkörpern, die durch Bandscheiben voneinander getrennt liegen. Durch die Wirbel­ säule verlaufen die von dem Gehirn ausgehenden Nerven zur Steuerung sämtlicher Vorgänge im menschlichen Körper. Die Wir­ belsäule ist starken mechanischen Belastungen ausgesetzt, die sich in Verschleißerscheinungen und vielseitigen Wirbelsäulen­ erkrankungen, wie beispielsweise Bandscheibenvorfällen, äußern. Aufgrund der oft berufsbedingten einseitigen Belastung der Wirbelsäule und dem zunehmendem Durchschnittsalter der Bevölkerung hat die Anzahl der Menschen, die an den verschie­ denen Wirbelsäulenerkrankungen leiden, stark zugenommen. Wir­ belsäulenerkrankungen äußern sich meist als starke Rücken­ schmerzen oder als Taubheitsgefühle in der Körperperipherie. Zur Untersuchung derartiger Krankheitsbilder werden bisher die verschlissenen Stellen der Wirbelsäule mittels Röntgenbilder untersucht. Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass die zu untersuchende Wirbelsäule lediglich statisch und nicht in einem dynamischen Bewegungsablauf untersucht werden kann. Es wird nicht erfasst, wie sich die Wirbelsäule bei Anlegen eines mechanischen Bewegungsmusters verhält. Somit ist es schwierig, die subjektiven Beschwerden den verschiedenen objektiven Krankheitsbildern zuzuordnen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor­ richtung und ein Verfahren zur Messung und Auswertung von Wir­ belsäulenbewegungen zu schaffen, bei dem das dynamische Ver­ halten einer Wirbelsäule unter dynamischer mechanischer Belas­ tung erfasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Messverfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Erfassungssystem mit den in Patentanspruch 28 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schafft ein Messverfahren zur Erfassung von Wir­ belsäulenbewegungen, bei dem eine Wirbelsäule mit einem vorge­ gebenen Bewegungsmuster mechanisch angeregt wird, Beschleuni­ gungssignale über Beschleunigungssensoren, die an der angereg­ ten Wirbelsäule anlegen, erzeugt werden, und bei dem die er­ zeugten Beschleunigungssignale durch eine Recheneinheit einge­ lesen und zur Erzeugung von Schwingwegsignalen der Wirbelsäule doppelt integriert werden, wobei die erzeugten Bewegungs­ signale durch die Recheneinheit abgegeben werden.

Die Frequenz und die Amplitude des Bewegungsmusters zum Anregen der Wirbelsäule sind vorzugsweise einstellbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens erfolgt das mechanische Anregen der Wirbelsäule durch ein über Antriebsrollen angetriebenes Fahrrad, wobei die Antriebsrollen eine Unwucht aufweisen und sich mit einer ein­ stellbaren Drehzahl drehen.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens erfolgt das mechanische Anregen der Wirbelsäule durch einen hin- und herschwingenden Stuhl.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Messverfahrens erfolgt das mechanische Anregen der Wirbelsäule durch ein Laufband.

Die mechanische Anregung der Wirbelsäule wird vorzugsweise sensorisch zur Erzeugung von Anregungssignalen erfasst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird an jeden Wirbel der Wirbelsäule mindestens ein Beschleunigungssignal für jede Raumrichtung durch einen zugehörigen Beschleunigungssensor erzeugt.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird an je zwei nebeneinanderliegenden Wirbeln der Wirbelsäule ein Beschleunigungssignal für jede Raumrich­ tung durch einen zugehörigen Beschleunigungssensor erzeugt.

Dabei liegt jeder Beschleunigungssensor vorzugsweise kraft­ schlüssig auf den zugehörigen beiden nebeneinanderliegenden Wirbeln.

Die Beschleunigung jedes Wirbels wird vorzugsweise dreidimen­ sional durch die zugehörigen Beschleunigungssensoren zur Ab­ gabe von drei Beschleunigungssignalen für jede Raumdimension erfasst.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden die erzeugten Beschleunigungssignale mittels Verstärkereinrichtungen verstärkt.

Die verstärkten Beschleunigungssignale werden vorzugsweise mittels eines Anti-Aliasing-Filters gefiltert.

Die gefilterten Beschleunigungssignale werden vorzugsweise mittels A/D-Wandler in digitale dreidimensionale Beschleu­ nigungsdaten umgewandelt.

Die gewandelten dreidimensionalen Beschleunigungsdaten werden vorzugsweise zur weiteren Datenverarbeitung in einem Daten­ speicher zwischengespeichert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Messverfahrens werden zusätzlich Körpersignale erfasst, die mittels A/D-Wandler in digitale Körpersignaldaten umgewandelt werden und zur weiteren Datenverarbeitung in den Datenspeicher zwischengespeichert werden.

Die Körpersignale umfassen dabei vorzugsweise Pulssignale, Sauerstoffgehaltssignale und Muskelaktivitätssignale.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Messverfahrens werden die Anregungssignale mittels Analog-/Digitalwandler in digitale Anregungsdaten umgewandelt, die zur weiteren Datenverarbeitung in dem Datenspeicher zwi­ schengespeichert werden.

Die Beschleunigungsdaten, die Körpersignaldaten und die Anre­ gungsdaten werden vorzugsweise durch eine Korrelationsberech­ nungseinheit zur Berechnung von Korrelationswerten miteinander korreliert.

Die erfassten Beschleunigungssignale, Anregungssignale und Körpersignale werden vorzugsweise zeitgleich und phasenrichtig eingelesen, und die zugehörigen Beschleunigungsdaten, Anre­ gungsdaten sowie Körpersignaldaten werden tabellenförmig in dem Datenspeicher zur weiteren Datenverarbeitung zwischenge­ speichert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfahrens werden die Beschleunigungsdaten durch eine Integrationseinrichtung zur Erzeugung von Bewegungsdaten inte­ griert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Messverfahrens werden die Bewegungsdaten durch eine Differenziereinheit zur Erzeugung von Krümmungs- und Dehnungs­ daten der Wirbelsäule differenziert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Messverfahrens werden aus den zwischengespeicherten dreidimensionalen Beschleunigungsdaten dreidimensionale Be­ schleunigungsvektoren berechnet.

Die Beschleunigungsvektoren werden vorzugsweise in Bewegungs­ vektoren integriert.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Messverfahrens verändern die berechneten Bewe­ gungsvektoren dynamisch ein gespeichertes Wirbelsäulen- Datenmodell zur animierten Anzeige der bewegten Wirbelsäule auf einem Bildschirm.

Die Beschleunigungsdaten werden bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfah­ rens zur Erzeugung eines Beschleunigungsspektrums der Wirbel­ säule einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen.

Das erzeugte Beschleunigungsspektrum wird vorzugsweise auf dem Bildschirm zur Erkennung eines Bewegungsmusters der bewegten Wirbelsäule angezeigt.

Die in dem Datenspeicher zwischengespeicherten Daten werden vorzugsweise über eine Schnittstelle ausgelesen und zur weite­ ren Datenverarbeitung an eine entfernt liegende Recheneinheit übertragen.

Die Erfindung schafft ferner ein System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten mit einer Anregeeinheit zum mechanischen Anregen einer Wirbelsäule durch ein vorgegebenes Bewegungsmuster, mehreren an der Wirbelsäule anliegenden Be­ schleunigungssensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Be­ schleunigungen von Wirbeln der Wirbelsäule, einer Messwert- Erfassungseinheit zur Erfassung der von den Beschleunigungs­ sensoren abgegebenen Beschleunigungssignale und zur Umwandlung in Beschleunigungsdaten, und mit einer Recheneinheit zur Da­ tenverarbeitung der Beschleunigungsdaten.

Die Messwert-Erfassungseinheit erfasst vorzugsweise zusätzlich Anregungssignale von der Anregungseinheit sowie Körpersignale, die in Anregungsdaten und Körpersignaldaten umgewandelt werden.

Die Messwert-Erfassungseinheit weist vorzugsweise einen Sig­ nalverstärker, ein Anti-Aliasing-Filter sowie einen Analog- /Digitalwandler auf.

Bei den Beschleunigungssensoren handelt es sich vorzugsweise um triaxiale Beschleunigungsaufnehmer zur dreidimensionalen Beschleunigungserfassung des zugehörigen Wirbelkörpers.

Die Recheneinheit weist vorzugsweise einen Datenspeicher zum Speichern der Beschleunigungsdaten, der Körpersignaldaten und der Anregungsdaten sowie einen Programmspeicher zum Abspei­ chern eines ablauffähigen Messdaten-Auswerteprogramms und ei­ nen Prozessor zur Datenauswertung auf.

Die Anregeeinheit ist vorzugsweise ein über Antriebsrollen angetriebenes Fahrrad, ein schwingender Stuhl oder ein Lauf­ band.

Im weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen Messverfahrens sowie erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten unter Be­ zugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfin­ dungswesentlicher Merkmale beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten;

Fig. 2 die in dem Datenspeicher abgespeicherten Zeitdaten;

Fig. 3 die in dem Datenspeicher abgespeicherten Daten nach FFT-Transformation;

Fig. 4 ein Beispiel eines durch einen Beschleunigungssensor aufgenommenen eindimensionalen Beschleunigungssignals;

Fig. 5 ein aus dem in Fig. 4 dargestellten Beschleunigungszeitsignal mittels FFT-Transformation berechnetes Beschleunigungsspektrum;

Fig. 6 ein durch numerische Ableitung berechneter Dehnungsverlauf einer Wirbelsäule.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen, besteht die Wirbelsäule W aus einer Vielzahl von Wirbelkörpern w1, w2, . . . wn, die durch Bandscheiben voneinander getrennt liegen. Bei einer bevor­ zugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wirbelsäulen­ daten-Erfassungssystems wird an jeden Wirbelkörper w der Wirbelsäule W ein Beschleunigungssensor 1-1-1-n angelegt bzw. appliziert. Bei einer alternativen Ausführungsform wird je­ weils ein Beschleunigungssensor auf zwei nebeneinanderliegende Wirbelkörper w der Wirbelsäule W angelegt. Dies bietet den Vorteil, dass der Beschleunigungssensor stabiler auf der Wir­ belsäule anliegt. Um die Bewegungen zwischen den beiden neben­ einanderliegenden Wirbeln zu erfassen werden die Beschleuni­ gungssensoren 1 bei einer weiteren Messwerterfassung um einen Wirbelkörper verschoben.

Die Beschleunigungssensoren 1-1-1-n liegen auf der Haut des Probanden auf, d. h. die Messung erfolgt nicht-invasiv. Bei den Beschleunigungssensoren handelt es sich vorzugsweise um tri­ axiale Beschleunigungsaufnehmer. Die Beschleunigungsaufnehmer erfassen dreidimensional die Beschleunigung eines jeden Wir­ belkörpers w in allen drei Raumdimensionen. Die Beschleuni­ gungssensoren erfassen vorzugsweise die Schwingungen an den Dornfortsätzen der Wirbelkörper. Jeder Beschleunigungssensor 1-1-1-n gibt drei Beschleunigungssignale über zugehörige analoge Signalleitungen 2 an eine Messwert-Erfassungseinheit 3 ab. Die Messwert-Erfassungseinheit 3 enthält einen Verstärker 4 zur Verstärkung der Messsignale, der über einen ersten Sig­ naleingang 5 an den Signalleitungen 2 zum Empfang der Be­ schleunigungssignale anliegt. Dem Verstärker 4 ist über eine Leitung 6 ein Anti-Aliasing-Filter 7 nachgeschaltet. Das Anti- Aliasing-Filter 7 ist ein Tiefpassfilter, das dazu dient, den störenden Einfluss der durch die diskrete Abtastung hervorge­ rufenen periodischen Wiederholungen im Spektrum zu unterdrüc­ ken. Das Anti-Aliasing-Fllter 7 ist ausgangsseitig über eine Signalleitung 8 an einen Analog-/Digitalwandler 9 der Mess­ wert-Erfassungseinheit 3 angeschlossen. Der Analog-/Digital­ wandler 9 wandelt die an den Leitungen 8 anliegenden Signale in digitale Daten um, die über einen Datenbus 10 in einen Da­ tenspeicher 11 einer Recheneinheit 12 gelangen. Die Rechenein­ heit 12 enthält ferner einen Programmspeicher 13 zum Abspei­ chern eines ablauffähigen Auswerteprogramms. Die Recheneinheit 12 besitzt ferner einen Prozessor 14 zur Durchführung von Rechenoperationen. Die Messwert-Erfassungseinheit 3 sowie die Recheneinheit 12 sind in einem Rechner 15 integriert. An dem Rechner 15 sind über Leitungen 16 verschiedene Peripheriegerä­ te zur Ein- und Ausgabe von Daten angeschlossen. Die Peri­ pheriegeräte umfassen einen Bildschirm bzw. Monitor 17 zur An­ zeige von Daten bzw. von visuell animierten Bewegungsabläufen, eine Tastatur 18 zur Eingabe von Daten, einen Drucker 19 sowie eine Schnittstelle 20 zur Übertragung von Daten über Leitungen 21 an ein Datennetz 22. Bei dem Datennetz 22 handelt es sich beispielsweise um das Internet.

Das erfindungsgemäße System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten enthält ferner eine Anregeeinheit 23 zur mechanischen Anregung der Wirbelsäule W. Die Anregeeinheit 23 regt die Wirbelsäule mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster an. Zudem erhält die Anregeeinheit 23 über Leitungen 24 Anre­ gungsdaten von einer Anregesteuereinheit 25, in der vorgegebe­ ne Bewegungsmuster abgespeichert sind. Das von der Anregeein­ heit 23 erzeugte mechanische Bewegungsmuster wird sensorisch mit einer Anregebewegungsmuster-Erfassungseinheit 26 erfasst. Die Erfassung des Anregemusters erfolgt entweder sensorisch oder durch Empfang von Bewegungsmusterdaten von der Anregeein­ heit 23 über eine Signalleitung 27. Die Anregungsbewegungsmus­ ter-Erfassungseinheit 26 ist über Signalleitungen 28 mit einem weiteren Eingang 29 der Verstärkereinheit 4 verbunden. Die Be­ schleunigungssignale werden für die ersten n . 3 Raumrichtung in die Verstärkereinheit 4 (mit n = Anzahl der untersuchten Wirbel) eingegeben. Die Verstärkereinheit 4 verstärkt die er­ fassten analogen Anregungssignale und gibt sie an den Anti- Aliasing-Filter 7 weiter. Die gefilterten Anregungssignale werden durch den Analog-/Digitalwandler 9 in digitale Anre­ gungsdaten umgewandelt und in dem Datenspeicher 11 zwischen­ gespeichert.

Das erfindungsgemäße System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten weist vorzugsweise zusätzlich Sensoren 30 zur Erfassung weiterer Körpersignale, wie Körperpuls, Sauer­ stoffgehalt und Muskelaktivität oder ähnliches auf. Die von den Körpersignalsensoren 30 erfassten Körpersignale werden über Signalleitungen 31 weiteren Signaleingängen 32 der Ver­ stärkereinheit 4 zugeführt. Die Körpersignale werden durch die Verstärkereinheit 4 verstärkt und durch den nachgeschalteten Anti-Aliasing-Filter 7 tiefpassgefiltert. Anschließend erfolgt die Analog-Digital-Wandlung der gefilterten Körpersignale in Körpersignaldaten, die in dem Datenspeicher 11 der Rechnerein­ heit 12 zwischengespeichert werden.

Die mechanische Anregung der Wirbelsäule W erfolgt durch die Anregeeinheit 23, die ein vorgegebenes vergleichbares Bewe­ gungsmuster an die Wirbelsäule W anlegt. Bei der Anregeeinheit 23 handelt es sich vorzugsweise um ein über Antriebsrollen angetriebenes Fahrrad, wobei die Antriebsrollen eine Unwucht aufweisen und sich mit einer einstellbaren Drehzahl drehen. Durch die Unwucht werden kontrollierte mechanische Stöße auf den Probanden aufgebracht. Über die Drehzahl der Unwucht kann die Anregefrequenz variiert werden. Das Fahrrad ist durch An­ schläge im Brustbereich, durch Aufstellmöglichkeiten für die Füße und eine bestimmte Lenkerposition derart gestaltet, dass der Proband eine standardisierte Sitzposition einnimmt. Die Anregung der Wirbelsäule über die Unwucht wird über Beschleu­ nigungssensoren, die an dem Fahrrad angebracht sind, gemessen. Ferner wird die Drehzahl aufgezeichnet. Die Drehzahl wird vor­ zugsweise durch einen Motor vorgegeben.

Bei der Anregeeinheit 23 kann es sich alternativ um ein moto­ risch betriebenes Laufband handeln, auf der der Proband eine definierte Laufbewegung durchführt. Die Geschwindigkeit des Laufbandes wird dabei aufgezeichnet.

Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Anre­ geeinheit 23 ein Stuhl, der mit einer bestimmten Schwingfre­ quenz in drei Raumrichtungen schwingt. Auf dem Stuhl wird der Proband in einem vordefinierten Bewegungsmuster in drei Raum­ richtungen hin- und hergerüttelt.

Weitere mechanische Anregeeinheiten, wie eine mit Kraftmess­ platten versehene Treppe, können ebenfalls eingesetzt werden.

Der Rechner 15 erhält von der Anregebewegungsmuster- Erfassungseinheit 26 Anregesignale, von den Beschleunigungs­ aufnehmern 1 Beschleunigungssignale der Wirbelsäule und von den Körpersignalsensoren 30 Körpersignale. Diese verschiedenen Signale werden verstärkt, gefiltert und anschließend digitali­ siert. Die digitalisierten Daten werden in dem Datenspeicher 11 der Recheneinheit 12 abgelegt.

Fig. 2 zeigt schematisch die in dem Datenspeicher 11 abgeleg­ ten Daten. Für die verschiedenen Wirbel w1-wn der Wirbelsäule W werden über die Zeit in allen drei Raumrichtungen x, y, z Beschleunigungsdaten abgespeichert. Zusätzlich werden vorzugs­ weise Anregungsdaten und Körperdaten für jeden Messzeitpunkt t in dem Datenspeicher 11 abgespeichert. Die Anzahl der Mess­ zeitpunkte bzw. Messstufen ist von der Frequenzauflösung und der Anregungsart abhängig. Durch zweifache Integration der zwischengespeicherten Beschleunigungsdaten über die Zeit wird die Schwingungsschnelle und Bewegung der Wirbelsäule W berech­ net.

Durch einen ersten Integrationsschritt werden aus den Be­ schleunigungsdaten Schwingschnellen berechnet. In einem weite­ ren Integrationsschritt werden aus den Schwingschnellen Ver­ schiebungsdaten berechnet, die die Auslenkung der Wirbel w in allen drei Raumrichtungen zu den verschiedenen Messzeitpunkten t angeben. Diese Bewegungsdaten werden ebenfalls in dem Daten­ speicher 11 abgespeichert. Die in Fig. 2 dargestellten Be­ schleunigungsdaten werden somit in Verschiebungsdaten umge­ rechnet.

Durch die feste Zuordnung sämtlicher Daten zu den digitalen vorgegebenen Zeitpunkten t ist eine phasenrichtige Abspei­ cherung gewährleistet. Darüber hinaus wird die zeitliche Korrelation zwischen den Körperdaten, den Anregedaten sowie den Beschleunigungsdaten erfasst. Die Beschleunigungsdaten, die Anregungsdaten sowie die Körperdaten werden vorzugsweise miteinander zur Erkennung von Krankheitsindikatoren korre­ liert. Die Korrelation erfolgt dabei vorzugsweise mittels eines in dem Programmspeicher 13 der Rechnereinheit 12 abgespeicherten Korrelationsprogramms, das für den erfindungs­ gemäßen Gegenstand ausgelegt ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Mess- und Auswerteverfahrens werden die ge­ speicherten Zeit-Messdaten mittels Fast-Fourier-Transformation in spektrale Daten umgewandelt. Fig. 3 zeigt schematisch die in dem Datenspeicher 11 abgespeicherten spektralen Daten. Für jeden Wirbelkörper w werden für alle drei Raumrichtungen x, y, z über die Frequenz spektrale Daten (Schwingamplitude, Schwingphase) abgespeichert.

Fig. 4 zeigt einen Beschleunigungszeitverlauf, der durch einen Beschleunigungssensor 1 des erfindungsgemäßen Meßsystems in einer Raumrichtung erfasst wird.

Fig. 5 zeigt das zugehörige berechnete Signalspektrum. Für jeden Beschleunigungsaufnehmer 1 erfolgt vorzugsweise eine Spektralanalyse mit einer Frequenzauflösung von 0,5 ≦ Hertz, d. h. einer zugrundeliegenden Messzeit von ≧ 2 Sekunden. Auf der Grundlage des in Fig. 5 dargestellten Spektrums kann eine Bewertung der Wirbelsäulen-Bewegungsvorgänge erfolgen. So ist beispielsweise bei einer Ganganalyse das Verhältnis der Ampli­ tude der Schrittfrequenz von ca. 2 Hertz zu den Harmonischen bei ca. 4, 6 bzw. 8 Hertz ein Indikator für die Härte des Auftretens. Die Subharmonische bei ca. 1 Hertz stellt einen Indikator für die Symmetrie des Gehvorgangs, und damit ein Maß für die beim Gehen hervorgerufenen Kippbewegungen dar. Die gemessenen Bewegungsabläufe sowie die zugehörigen Beschleun­ igungsspektren werden vorzugsweise auf der Anzeigeeinrichtung 17 visuell angezeigt.

Die berechneten Bewegungsdaten werden bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messverfah­ rens durch eine Differenziereinheit numerisch differenziert bzw. abgeleitet, um Krümmungsdaten und Dehnungsdaten der Wirbelsäule zu erhalten. Die berechneten Verkrümmungs- und Dehnungsdaten werden vorzugsweise ebenfalls in dem Daten­ speicher 11 gespeichert. Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die berechnete Dehnung der Wirbelsäule W. Dabei wird die Dehnung der Wirbelsäule über die Länge der Wirbelsäule W dargestellt. Durch die erste und zweite Ableitung in Wirbelsäulenlängs­ richtung werden Verkrümmungs- und Dehnungsdaten berechnet, die ein Maß für die Relativbewegung innerhalb der Bandscheiben darstellen. Aus dem in Fig. 6 dargestellten Dehnungsverlauf ergibt sich die Streuung an den Randbereichen der Wirbelsäule W aus der numerischen Berechnung und nicht aus der Dehnung der Wirbelsäule W. In diesen Bereichen erfolgt vorzugsweise zu­ sätzlich eine Randwertanpassung.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteverfahrens werden aus den zwischengespeicherten dreidimensionalen Beschleunigungsdaten dreidimensionale Beschleunigungsvektoren berechnet und aus diesen mittels Integration Bewegungsvektoren berechnet. Die berechneten Bewegungsvektoren verändern dabei vorzugsweise ein gespeichertes Wirbelsäulen-Datenmodell zur animierten Anzeige der Wirbelsäulenbewegung auf dem Monitor 17. Dabei wird vorzugsweise für jede Frequenzstufe die Wirbelsäulenbewegung dynamisch auf dem Monitor 17 dargestellt. In der animierten visuellen Darstellung der Wirbelsäulenbewegung werden die Schwingungen der einzelnen Messpunkte dynamisch dargestellt. Die Bewegung an jedem Messpunkt ist dabei über eine Ortskurve darstellbar.

Über den Drucker 19 können Kennzahlen ausgedruckt werden, die beispielsweise das Verhältnis der Amplituden in den höheren harmonischen Frequenzen zu der Schrittfrequenz angeben oder die Häufigkeit der maximal auftretenden Krümmungen.

Die in dem Datenspeicher abgelegten Datenwerte können über die Schnittstelle 20 und ein Netzwerk an eine entfernt gelegene Datenverarbeitungseinheit zur weiteren Datenverarbeitung über­ tragen werden.

Das erfindungsgemäße Messverfahren und das erfindungsgemäße System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten ist vielseitig einsetzbar. Es kann zur Erkennung von Krankheitsbildern bei Menschen oder Tieren genauso eingesetzt werden, wie beispielsweise bei der Entwicklung von Schuhen, Fahrzeugfederungen, Airbags oder Fahrrädern.

Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren kann eine quasi­ statische oder eine dynamische Analyse erfolgen. Die quasi­ statische Analyse wird bei Anregefrequenzen durchgeführt, die unterhalb der Eigenfrequenzen der über Bandscheiben gekoppelten Wirbel liegen.

Bei der dynamischen Analyse zielt die Messung auf die dyna­ mischen Eigenschaften der Wirbelsäule. Die dynamische Eigen­ schaft der Wirbelsäule wird durch das Verhältnis von Steifig­ keiten, welche durch die Bandscheiben und die Muskulatur vor­ gegeben sind, und von Massen, die durch die Wirbelkörper ge­ geben sind, bestimmt. Die dynamische Analyse ist durch geziel­ te Unwuchtanregung in einem höheren Frequenzbereich von 1 Hz bis 30 Hertz möglich. Dabei kann erfasst werden, ob Anomalien in der Wirbelsäule, wie beispielsweise verhärtete Bandschei­ ben, oder veränderte Steifigkeiten durch Muskelverspannungen vorliegen.

Die Bewegungsverläufe der Wirbelsäule werden hinsichtlich ihrer Hauptbewegungsrichtungen in einem ortsfesten Koordina­ tensystem ausgewertet. Durch die Ermittlung und entsprechende Auswertung der Steigungen bzw. ersten Ableitung und der Krüm­ mungen bzw. zweiten Ableitung wird die Beweglichkeit der Wir­ belsäule erfasst. Über Relativbewegungen zwischen den anein­ anderliegenden benachbarten Messpunkten sind Rückschlüsse auf die dynamischen Eigenschaften der Wirbelsäule W möglich.

Auf der Grundlage der Messungen mit standardisierten Bewe­ gungsmustern können somit Wirbelsäulenerkrankungen oder Erkrankungen im Bewegungsapparat erkannt werden. Flankierend zu den Aufzeichnungen der Beschleunigungen werden zeitgleich Körpersignalgrößen, wie beispielsweise der Sauerstoffgehalt im Blut, die Pulsfrequenz oder die Muskelaktivität aufgezeichnet. Durch eine Korrelation der ermittelten subjektiven Messdaten mit subjektiven Beschwerdedaten sind zusätzliche Aussagen mög­ lich. Hierzu werden über die Tastatur 18 Daten eingegeben, die die von den Probanden angegebenen Beschwerden beschreiben. Um eine Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Probanden zu er­ halten, werden die standardisierten Bewegungsmuster, wie Gehen auf einem Laufband, Laufen auf einem Laufband, Heben eines definierten Gegenstandes und Treppensteigen unter bestimmten Zeitvorgaben in dem Bewegungsmusterspeicher 25 abgespeichert.

Bezugszeichenliste

1

Beschleunigungsaufnehmer

2

Leitungen

3

Messwert-Erfassungseinheit

4

Verstärker

5

Verstärkereingang

6

Leitungen

7

Anti-Aliasing-Filter

8

Leitungen

9

Analog-/Digitalwandler

10

Datenbus

11

Datenspeicher

12

Recheneinheit

13

Programmspeicher

14

Prozessor

15

Rechner

16

Leitungen

17

Monitor

18

Tastatur

19

Drucker

20

Schnittstelle

21

Leitungen

22

Netzwerk

23

Anregeeinheit

24

Leitungen

25

Bewegungsmusterspeicher

26

Anregebewegungsmuster-Erfassungseinheit

27

Leitungen

28

Leitungen

29

Verstärkereingang

30

Körpersignalsensoren

31

Leitungen

32

Verstärkereingang

Claims (33)

1. Messverfahren zur Erfassung von Wirbelsäulenbewegungen mit den folgenden Schritten:

• a) mechanisches Anregen einer Wirbelsäule (W) mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster;
• b) Messen von Beschleunigungssignalen durch Beschleunigungssensoren (1), die an der angeregten Wirbelsäule (W) anliegen;
• c) Einlesen der erzeugten Beschleunigungssignale durch eine Recheneinheit (15) und
• d) Integrieren der Beschleunigungssignale durch die Recheneinheit (15) zur Erzeugung von Bewegungssignalen der Wirbelsäule (W).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Frequenz und die Amplitude der Bewegungsmuster zum Anregen der Wirbelsäule (W) einstellbar sind.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das mechanische Anregen der Wirbelsäule (W) durch ein über Antriebsrollen angetriebenes Fahrrad erfolgt, wobei die Antriebsrollen eine Unwucht aufweisen und sich mit einer einstellbaren Drehzahl drehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das mechanische Anregen der Wirbelsäule (W) durch einen hin- und herschwingenden Stuhl erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das mechanische Anregen der Wirbelsäule (W) durch ein Laufband erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das mechanische Anregen der Wirbelsäule (W) sensorisch zur Erzeugung von Anregungssignalen erfasst wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem an jedem Wirbel (Wi) der Wirbelsäule (W) mindestens ein Beschleunigungssignal durch einen zugehörigen Beschleunigungssensor (1) erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem an zwei nebeneinanderliegenden Wirbeln (Wi, Wi + 1) Beschleunigungssignale durch einen zugehörigen Beschleunigungssensor (1) mit Adapter erzeugt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Beschleunigungssensor (1) mit Adapter auf den beiden nebeneinanderliegenden Wirbeln (Wi, Wi + 1) stabil anliegt.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigung jedes Wirbelkörpers (W) dreidimensional durch den zugehörigen Beschleunigungssensor (1) zur Abgabe von drei Beschleunigungssignalen für jede Raumdimension (x, y, z) erfasst wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erzeugten Beschleunigungssignale mittels einer Verstärkereinrichtung (4) verstärkt werden.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die verstärkten Beschleunigungssignale durch ein Anti- Aliasing-Filter (7) gefiltert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die gefilterten Beschleunigungssignale mittels eines Analog- /Digitalwandlers (9) in digitale dreidimensionale Beschleunigungsdaten umgewandelt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die umgewandelten Beschleunigungsdaten zur weiteren Datenverarbeitung in einem Datenspeicher (11) zwischengespeichert werden.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich Körpersignale erfasst werden, die mittels eines Analog-/Digitalwandlers (9) in digitale Körpersignaldaten umgewandelt und zur weiteren Datenverarbeitung in dem Datenspeicher (11) zwischengespeichert werden.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Körpersignale Pulssignale, Sauerstoffgehaltsignale und Muskelaktivitätssignale und weiteres umfassen.

17. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Anregungssignale durch den Analog-/Digitalwandler (9) in digitale Anregungsdaten umgewandelt werden, die zur weiteren Datenverarbeitung in dem Datenspeicher (11) zwischengespeichert werden.

18. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigungsdaten, die Körpersignaldaten und die Anregungsdaten zur Berechnung von Korrelationswerten miteinander korreliert werden.

19. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erfassten Beschleunigungssignale, Anregungssignale und Körpersignale zeitgleich und phasenrichtig eingelesen werden und als zugehörige Beschleunigungsdaten, Anregungsdaten und Körpersignaldaten tabellenförmig in dem Datenspeicher (11) zur weiteren Datenverarbeitung zwischengespeichert werden.

20. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigungsdaten zur Erzeugung von Bewegungsdaten integriert werden und zur Abgabe der Bewegungssignale der Wirbelsäule durch einen Digital-/Analogwandler umgewandelt werden.

21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Bewegungsdaten zur Erzeugung von Krümmungs- und Dehnungsdaten der Wirbelsäule differenziert werden.

22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem aus den zwischengespeicherten dreidimensionalen Beschleunigungsdaten dreidimensionale Beschleunigungsvektoren berechnet werden.

23. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigungsvektoren zur Erzeugung von Bewegungsvektoren integriert werden.

24. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die berechneten Bewegungsvektoren ein gespeicherte Wirbelsäulen-Datenmodell zur animierten Anzeige von einem Bildschirm (17) dynamisch verändern.

25. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Beschleunigungsdaten FFT-transformiert werden zur Erzeugung eines Beschleunigungsspektrums der Wirbelsäule (W).

26. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das erzeugte Beschleunigungsspektrum auf dem Bildschirm (17) zur Erkennung von Wirbelsäulen-Bewegungsmustern angezeigt wird.

27. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die in dem Datenspeicher (11) zwischengespeicherten Daten über eine Schnittstelle (20) zur weiteren Datenverarbeitung an eine entfernt liegende Recheneinheit übertragen werden.

28. System zur Erfassung und Auswertung von Wirbelsäulendaten mit:

• a) einer Anregeeinheit (23) zum mechanischen Anregen einer Wirbelsäule (W) mit einem vorgegebenen Bewegungsmuster;
• b) mehreren an der Wirbelsäule (W) anliegenden Beschleunigungssensoren (1-1 bis 1-n) zur dreidimensionalen Erfassung der Beschleunigungen von Wirbeln (W) der Wirbelsäule (W)
• c) eine Messwert-Erfassungseinheit (3) zur Erfassung der von den Beschleunigungssensoren (1) abgegebenen Beschleunigungssignale und zur Umwandlung in Beschleunigungsdaten; und mit
• d) einer Recheneinheit (12) zur Datenverarbeitung der Beschleunigungsdaten.

29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwert-Erfassungseinheit (3) zusätzlich Anregungssignale von der Anregungseinheit (23) sowie Körpersignale empfängt und diese in Anregungsdaten und Körpersignaldaten umwandelt.

30. System nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwert-Erfassungseinheit (3) einen Signalverstärker (4), ein Anti-Aliasing-Filter (7) und einen Analog-/Digitalwandler (9) aufweist.

31. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigungssensoren (1-1 bis 1-n) triaxiale Beschleunigungsaufnehmer zur dreidimensionalen Erfassung der Beschleunigung zugehöriger Wirbelkörper sind.

32. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) einen Datenspeicher (11) zum Speichern der Beschleunigungsdaten, der Körpersignaldaten und der Anregungsdaten, einen Programmspeicher (13) zum Abspeichern von ablauffähigen Messdaten-Auswerteprogrammen und einen Prozessor (14) zur Datenauswertung aufweist.

33. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregeeinheit (23) ein über Antriebsrollen angetriebenes Fahrrad, ein schwingender Rüttelstuhl, ein Laufband oder eine Treppe mit Kraftmesszellen ist.