DE10164534A1 - Einrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines Körpers - Google Patents

Abstract

Zur Analyse von Bewegungsabläufen von menschlichen oder tierischen Körpern wird wenigstens ein im elektrischen Messignal erzeugender Bewegungssensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor, an einem bewegten Körperteil befestigt. Die Messignale werden in einer Auswertevorrichtung analysiert, insbesondere durch Vergleich von Messignalen zu zeitlich getrennten gleichartigen Bewegungsabläufen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers während dessen Bewegung, sowie ein Verfahren zur Analyse solcher bestimmter Kenngrößen.
• Die Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers kann insbesondere im Leistungssport von Bedeutung sein und dabei beispielsweise zur Analyse von einzelnen Körperbewegungen, Erkennen von Fehlern in Bewegungsabläufen, Beurteilung der Leistungsfähigkeit oder des Trainingszustands, Messen von Gelenkbelastungen usw. äußerst hilfreich sein.
• Bekannt sind im Bereich des Leistungssports insbesondere Einrichtungen zur Messung von Körperfunktionen wie Blutdruck, Pulsfrequenz, Atemfrequenz während einer Körperbelastung.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Einrichtung zur Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers anzugeben, welche die bekannten Einrichtungen ergänzt und neue Aussagemöglichkeiten eröffnet, sowie ein Verfahren zur Bewertung von mittels einer solchen Einrichtung bestimmten Kenngrößen.
• Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
• Gemäß der Erfindung ist eine Sensoranordnung vorgesehen, welche in vorgebbarer Position am Körper zu befestigen ist und elektrische Messignale erzeugt. Die Erzeugung elektrischer Messignale in einer am Körper befestigten Sensoranordnung ist besonders günstig hinsichtlich der einfachen Erfassung und Weiterverarbeitung der Messignale.
• Die Sensoranordnung erzeugt Messignale, welche die jeweilige Lage der Sensoranordnung und/oder deren Lageänderung kennzeichnen, wobei unter Lageänderung sowohl Bewegungen als auch insbesondere Beschleunigungen nach Richtung und/oder Größe verstanden werden können.
• Durch die bekannten Zusammenhänge von zeitabhängiger Ortsveränderung, Geschwindigkeit und Beschleunigung bzw. von zeitabhängiger Drehwinkeländerung, Drehbewegung und Drehbeschleunigung können bei gleichzeitiger Erfassung eines Zeitverlaufs die einzelnen Größen ineinander umgerechnet werden, so dass eine Vielzahl an sich bekannter Sensoren zum Einsatz kommen können.
• Die Sensoranordnung umfaßt gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wenigstens einen Beschleunigungssensor, vorzugsweise mehrere Beschleunigungssensoren. Günstigerweise ist ein Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen in wenigstens zwei Dimensionen ausgebildet. Hierfür kann ein Sensor auch aus mehreren, unterschiedlichen Richtungen zugeordneten Einzelmodulen aufgebaut sein, welche in einem Gehäuse vereinigt oder zumindest in engem räumlichem Zusammenhang angeordnet sind, so daß die Messignale der einen Sensor bildenden Module bei der weiteren Auswertung einem gemeinsamen Körperpunkt zuordenbar sind. Die Beschleunigungssensoren können für die Messung von sowohl Linearbeschleunigungen als auch Drehbeschleunigungen ausgeführt sein. Beschleunigungssensoren als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt. Linear-Beschleunigungssensoren sind insbesondere als mechanische Sensoren mit federnd gelagerten Massen im Einsatz, ohne dass die Erfindung in irgendeiner Weise auf eine solche Ausführung beschränkt sein soll. Als Drehbewegungssensoren sind vor allem Anordnungen unter Ausnutzung des Coriolis-Effekts als Gyro-Sensoren gebräuchlich. Weitere an sich bekannte und geeignete Sensoranordnungen sind beispielsweise Positionierungssysteme für die Ortsbestimmung, Hall-Sensoren, evtl. auch unter Ausnutzung des Erdmagnetfelds für Geschwindigkeitsbestimmungen, Lichtfaserkreiselsysteme für Drehbewegungen, Sensoren für elektrische und/oder magnetische Felder usw.
• Die Positionierung eines oder mehrerer Sensoren der Sensoranordnung richtet sich nach der Art der zu bestimmenden Kenngrößen. Beispielsweise kann ein einzelner Sensor im Bereich eines Gelenks vorgesehen sein und z. B. Hinweise auf Verlauf und/oder Maxima der Gelenkbelastung geben. Für die Verfolgung der Bewegungskurve eines Gelenks ist ein Sensor dabei vorteilhafterweise auf oder nahe bei der Gelenkachse eines Gelenks, angeordnet. Für eine weitergehende Bewegungsanalyse oder -bewertung sind vorteilhafterweise mehrere Sensoren beabstandet voneinander am Körper zu befestigen, beispielsweise an zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Gelenken oder bezüglich eines Gelenks entgegengesetzt gegenüberliegend und von dem Gelenk beabstandet, insbesondere an zwei durch ein Gelenk verbundenen Gliedmaßen.
• Messignale werden durch einen Sensor vorzugsweise als Messproben in diskreten, insbesondere regelmäßigen Zeitabständen gewonnen. Die Zeitabstände der Probennahmen können dabei an unterschiedlichen Einzelsensoren verschieden sein. Bei mehreren Sensoren kann vorteilhafterweise ein Taktsignal zur Probennahme durch einen gemeinsamen Taktgeber vorgegeben werden, was insbesondere bei kurzen Signalperioden für die Korrelation unterschiedlicher Sensorsignale vorteilhaft sein kann.
• Die Übertragungsmittel zur Übertragung der Messignale oder daraus abgeleiteter Signale zur Auswertevorrichtung können vorteilhafterweise an sich bekannte Telemetrie-Einrichtungen, insbesondere drahtlose Verbindungen über Funk, Infrarot oder Ultraschall umfassen. Die Sensoren können auch Transponder enthalten, welche mittels eines elektromagnetischen Abfragefelds einer Abfrageeinrichtung abfragbar sind. Ist die Abfrageeinrichtung mit mehreren räumlich getrennten Stationen als ein Positionierungssystem aufgebaut, können über ein solches Positionierungssystem auch unmittelbar die Koordinaten der einzelnen Transponder ermittelt werden.
• Die Sensoren können jeweils einzeln mit Batterien oder Akkumulatoren versehen sein. In anderer Ausführung können die Sensoren leitungsgebunden mit elektrischer Leistung versorgt sein. Die Signalübertragung zwischen Sensoren und Auswertevorrichtung kann gleichfalls vollständig oder abschnittsweise leitungsgebunden und/oder drahtlos erfolgen.
• Besonders vorteilhaft ist eine Einrichtung, bei welcher die Übertragungsmittel ein am Körper tragbares Gerät umfassen, welches Messignale von den Sensoren und/oder daraus abgeleitete Signale speichert und/oder drahtlos an die Auswertevorrichtung überträgt, beispielsweise ein Gerät nach Art eines Datenloggers. Die Speicherung von Signalen kann auch auf einem entnehmbaren Datenträger erfolgen. Das Gerät kann zugleich einen zentralen Taktgeber und/oder einen Energiespeicher zur leitungsgebundenen Leistungsversorgung der Sensoren enthalten. An einem solchen Gerät können Erweiterungsanschlüsse für weitere Sensoren vorbereitet sein.
• Die Auswertung der Messignale in der Auswertevorrichtung kann unter Einsatz von an sich aus verschiedenen Gebieten der Signalanalyse bekannte Methoden wie z. B. Minimum-/Maximum-Bestimmung, periodischer Integration, Spektralanalyse usw. erfolgen. Besonders vorteilhaft für die Beurteilung ist eine Vorgehensweise, bei welcher eine Bewegungsabfolge, beispielsweise durch einen standardisierten Parcours, vorgegeben wird, welcher von verschiedenen Probanden und/oder vom selben Probanden in zeitlich beabstandeten Durchläufen absolviert wird und die von verschiedenen Durchläufen/Probanden gewonnenen Messignale, daraus abgeleitete Signale oder extrahierte Kenngrößen verglichen werden. Je besser die Randbedingungen übereinstimmen, umso aussagekräftiger sind Messwertvergleiche aus verschiedenen Durchläufen.
• Die Auswertevorrichtung umfaßt vorteilhafterweise eine Anzeigevorrichtung zur Darstellung von Kurven und/oder Diagrammen, insbesondere einen Bildschirm.
• Die Analyse der Messwerte können beispielsweise dazu dienen, Trainingsergebnisse zu bewerten und Rückschlüsse auf einen aktuellen Trainingsstand geben, wobei durch Vergleich von Messergebnissen aktuelle Defizite gegenüber einem Bestzustand feststellbar und durch eine detaillierte Bewegungsanalyse mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Suche nach Ursachen für solche Defizite unterstützt wird. Andere Auswertungsbeispiele sind die Beobachtung der Entwicklung der Messergebnisse über ein Trainingsintervall, um Ermüdungserscheinungen und über diese ein Ausdauer-Leistungsvermögen zu bewerten, oder die Beobachtung der Leistungsentwicklung nach Aufnahme eines neuen Trainingsprogramms und/oder nach einer Verletzung. Eine weitere vorteilhafte Auswertungsvariante vergleicht bei abwechselnder Links-Rechts- Bewegung die Signalabschnitte von rechtsseitiger Belastung und linksseitiger Belastung und kann daraus Aussagen über ungleiches Leistungsvermögen und/oder insbesondere über verborgene Schädigungen einfach und schnell erkennen.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführung sieht vor, eine Gruppe von Sensoren mit wenigstens einem Linearbeschleunigungssensor und wenigstens einem Drehbewegungssensor im Bereich der Lendenwirbel anzuordnen. Eine solche einfache Anordnung, bei welcher die Sensoren vorzugsweise jeweils in wenigstens zwei orthogonalen Richtungen Bewegungen detektieren, liefert insbesondere bei seitenwechselnder Belastung durch Laufen überraschend aussagekräftige Signale.
• Die Befestigung der Sensoren am Körper kann durch Aufkleben der Sensoren oder diese haltende Vorrichtungen, insbesondere Pflaster, auf die Haut, durch Anlegen von Binden oder Manschetten, insbesondere in elastischer Ausführung, durch Anordnen von Sensoren an Bekleidungsstücken, insbesondere eng sitzenden Kleidungsstücken wie Schuhen oder andere geeignete Maßnahmen erfolgen.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt
• Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Sensoranordnung
• Fig. 2 ein weiteres Beispiel für eine Sensoranordnung
• Fig. 1 zeigt ausschnittsweise und schematisiert einen menschlichen Körper KO in einer Laufbewegung. Ein erster Sensor S1 ist am Oberschenkel in bestimmter Entfernung D1 von der Gelenkachse GA1 des Kniegelenks, ein zweiter Sensor am Unterschenkel in bestimmter Entfernung D2 von der Gelenkachse GA1 befestigt, beispielsweise mittels auf die Haut aufgeklebter Pflaster PF. Ein dritter Sensor S3 ist an einem Schuh SCH über dem Mittelfuß befestigt. Die Abstände der Sensoren S2 und S3 von der Gelenkachse GA2 des Sprunggelenks seien gleichfalls bekannt. Die Sensoren seien vorzugsweise Beschleunigungssensoren zur Messung von Linear- und/oder Dreh-Beschleunigungen und können insbesondere auch zur Messung von Beschleunigungen in mehreren Dimensionen ausgeführt sein. Anstelle eines Sensors für mehrere Dimensionen können auch mehrere Sensoren für unterschiedliche Dimensionen in enger Nachbarschaft angeordnet sein.
• Die Sensoren S1, S2 und S3 sind über eine Signal- und Versorgungs-Leitung SL mit einem Datenspeichergerät DS1 verbunden, in welchem Messignale der Sensoren und/oder daraus abgeleitete Signale gespeichert und/oder über eine drahtlose Verbindung FV noch während der Durchführung eines Bewegungsablaufs zu einer Auswertevorrichtung übertragen werden. Das Datenspeichergerät DS1 ist z. B. über einen Gurt GU am Körper KO getragen. Das Gerät DS1 empfängt über die Leitung SL Messignale von den Sensoren und kann darüber hinaus über dieselbe oder eine separate Leitung die Sensoren mit elektrischer Leistung aus einem Akkumulator oder einer Batterie versorgen und Taktsignale für diskrete Messzeitpunkte zentral vorgeben. Aus den Messignalen der Sensoren S1 und S2 können beispielsweise nicht nur die Bewegungsdaten der jeweiligen Positionspunkte sondern daraus mit Kenntnis der Abstände D1 und D2 auch Aussagen über Maß und Zeitverlauf der Abwinkelung des Kniegelenks gewonnen werden.
• Ein anderes Beispiel für eine Positionierung von Sensoren ist in Fig. 2 skizziert, wo ein Sensor S4 im Bereich des Schultergelenks, ein Sensor S5 im Bereich des Ellbogengelenks und ein Sensor S6 im Bereich des Handgelenks eines Körpers KO angeordnet sind. Der Sensor S4 ist beispielsweise wiederum über ein Pflaster PF, die Sensoren S5 und S6 über elastische Bandagen oder Manschetten B5 bzw. B6 am Körper befestigt. Der Sensor S5 liegt vorteilhafterweise zumindest annähernd in der Verlängerung der Gelenkachse G5 des Ellbogengelenks, die Positionierung der Sensoren S4 und S6 im Bereich der jeweiligen Gelenke kann je nach vorgesehenem Schwerpunkt der Bewegungsanalyse variieren. Das am Körper getragene Datenspeichergerät ist mit den Sensoren S4, S5 und S6, welche hierfür eigene Energiespeicher besitzen, über drahtlose Signalwege SV verbunden.
• Gliedmaßen-Gelenke bilden wie in Fig. 1 und Fig. 2 skizziert, bevorzugt Bezugspunkte für die Positionierung von Sensoren, ohne daß die Erfindung aber darauf beschränkt sei. Die zu Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Merkmale können in verschiedenen anderen Kombinationen vorteilhaft zusammengestellt und insbesondere auch auf andere Sensorpositionen übertragen sein.
• Eine besonders einfache und vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung sieht nach Fig. 3 vor, eine Gruppe SAB von Sensoren, ggf. zusammen mit einer Aufzeichnungs- und/oder einer Telemetrieeinrichtung im Bereich des Übergangs von der Lendenwirbelsäule zum Becken eines Probanden anzuordnen. Die Sensorengruppe enthält Sensoren zur Messung von Linearbewegungen, insbesondere Linearbeschleunigungen in wenigstens zwei, vorzugsweise drei orhtogonalen Richtungen und von Drehbewegungen um wenigstens eine, vorzugsweise zwei orthogonale Achsen. Die Anbringung der Sensorengruppe an dieser Stelle kann vorteilhafterweise durch einen um Taille und/oder Hüfte eines Probanden geschlungenen und vom Rücken abgewandt lösbar geschlossenen Trägergurt TG erfolgen, an welchem die Sensorgruppe befestigt ist.
• Eine Auswertung der Sensorsignale erfolgt vorzugsweise bei einer Laufbewegung des Probanden, welche alternierend Signalabschnitte zu linksseitiger bzw. rechtsseitiger Beinbelastung liefert und bereits aus einem einfachen visuellen Vergleich von Signalzeitabschnitten erste Aussagen erlaubt. In Fig. 4 ist beispielsweise der Zeitverlauf eines mit einer Abtastrate von ca. 400 Hz gewonnenen Signals A(t) für einen Beschleunigungen in Laufrichtung detektierenden Beschleunigungssensor dargestellt, wobei die mit einer ungefähren Schrittdauer TS aufeinanderfolgenden Signalabschnitte je nach auftretenden Fuß R oder L deutlich unterscheidbar sind.
• Der Proband hatte einen längst ausgeheilten Kreuzbandriss im linken Knie, welcher bei alltäglicher Durchschnittsbelastung nicht auffiel, bei starker Beanspruchung im Leistungssport oder evtl. stark beeinträchtigend wirken kann. Andere Vorschädigungen, Beeinträchtigungen, Leistungsdefizite können anhand anderer Signale und/oder Signalformen auffällig in Erscheinung treten, so dass anhand der aus der Einrichtung nach Fig. 5 auf einfache Weise gewonnenen Signale weitgehende qualitative Aussagen ableitbar sind.
• Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers während dessen Bewegung mittels einer an dem Körper in vorgebbarer Position befestigbaren Sensoranordnung mit wenigstens einem Einzelsensor und mit einer vor dieser getrennten Auswertevorrichtung, wobei die Sensoranordnung elektrische Messignale erzeugt, welche ihre jeweilige Lage und/oder Lageänderung kennzeichnen und Übertragungsmittel zur Übertragung dieser Messignale oder daraus abgeleiteter Signale zu der Auswertevorrichtung vorhanden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung wenigstens einen Beschleunigungssensor enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung wenigstens einen Drehbewegungssensor enthält.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor oder eine Gruppe von Sensoren zur Messung von Lagen und/oder Lageänderungen in wenigstens zwei Dimensionen ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor im Bereich eines Gelenks angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor auf oder nahe bei der Gelenkachse angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Sensoren bezüglich eines Gelenks von diesem beabstandet gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gruppe von beieinander angeordneten Sensoren im Bereich der Lendenwirbel und des Beckens eines Körpers angeordnet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Messignale in gleichmäßigen Zeitabständen gewonnen werden.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel Telemetrie-Einrichtungen umfassen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sensor einen durch ein elektromagnetisches Abfragefeld abfragbaren Transponder enthält.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel ein am Körper von der Sensoranordnung beabstandet tragbares Gerät umfassen, welches Messignale oder daraus abgeleitete Signale speichert und/oder zu der Auswertevorrichtung überträgt.

13. Verfahren zur Bestimmung und Auswertung von Kenngrößen der Bewegung eines Körpers mittels einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungsabfolge vorgegeben und in zeitlich beabstandeten Durchläufen durchgeführt wird und daß Messignale oder daraus abgeleitete Signale aus verschiedenen Durchläufen verglichen werden.

14. Verfahren zur Bestimmung und Auswertung von Kenngrößen der Bewegung eines Körpers mittels einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Probanden eine Schrittfolge absolviert und alternierende, wechselnden einseitigen Belastungen zuordenbare Signalabschnitte eines Zeitverlaufs von Sensorsignalen verglichen werden.