DE102004020817A1

DE102004020817A1 - Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person

Info

Publication number: DE102004020817A1
Application number: DE200410020817
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Darmstadt; Universitaet Ulm
Current assignee: Kramer Michael Dr De
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: DE102004020817B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person, insbesondere zur Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, mit einer am Kopf der Person fixierbaren Einrichtung, die an zumindest zwei voneinander beabstandeten Stellen mit jeweils einer Parallelkinematik verbunden ist. Mit dieser Vorrichtung lassen sich in Verbindung mit einem Myo-Feedback Therapiemaßnahmen bei HWS-Beschleunigungsverletzungen durchführen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person mit einer am Kopf der Person fixierbaren Einrichtung, insbesondere zur Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule.
Die Beeinflussung der Kopfbewegung einer Person, insbesondere durch Aufbringung von Gegenkräften gegen eine mit dem Kopf durchgeführte Bewegung, kann vor allem auf dem medizinischen oder sportlichen Sektor erforderlich sein. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die Therapie von HWS-Beschleunigungsverletzungen.
Die HWS-Beschleunigungsverletzung ist eine der häufigsten Verletzungen unserer Zeit. In der überwiegenden Mehrzahl der Gesundheitssysteme verursacht sie immense Kosten. Keine andere Erkrankung oder Unfallverletzung bedingt eine ähnliche sozialpolitische und wirtschaftliche Belastung. Die Problematik von HWS-Beschleunigungsverletzungen, den sog. Schleudertraumen, liegt in der diagnostischen Unsicherheit und der daraus resultierenden fehlenden Therapiestrategie. Die bildgebende Diagnostik kann lediglich strukturelle Schäden darstellen. Diese sind jedoch selten und betragen nur 3%–5% der in der Praxis auftretenden Fälle. Bei den restlichen 95%–97% der Patienten können keine Schäden dargestellt werden, obwohl Symptome wie Schmerzen, Bewegungseinschränkung, Schwindel oder auch vegetative Symptome beklagt werden. Die Behandlung von HWS-Beschleunigungsverletzungen besteht in der Regel aus physiotherapeutischen Maßnahmen. Die Effektivität der Maßnahmen wird jedoch kontrovers diskutiert. Trotz Therapie werden Raten zwischen 14% und 56% chronischer Schmerzverläufe beschrieben. Hierbei ist zu bedenken, dass 90% der Kosten durch den Anteil der chronischen Verläufe bedingt werden. Wichtigstes Ziel ist es deshalb, die Heilungsverläufe zu verkürzen und die Anzahl chronischer Verläufe zu minimieren.

Zur Diagnose von Verletzungen der Halswirbelsäule sind bildgebende Verfahren, wie Kernspin- oder Röntgenverfahren, bekannt. Diese Verfahren erlauben jedoch bei Schleudertraumen keine eindeutigen Diagnosen, die sich mit den Beschwerden des Patienten korrelieren lassen.

Neuere Studien zeigen einen Zusammenhang zwischen muskulären Störungen, die mit elektromyografischen Methoden erfasst werden können, und funktionellen Beschwerden. Durch Einsatz elektromyografischer (EMG) Messverfahren lassen sich daher bessere Diagnoseergebnisse bei HWS-Beschleunigungsverletzungen erzielen als mit bildgebenden Verfahren. Dies ermöglicht auch eine Kopplung und Steuerung der Therapie von Schleudertraumen durch EMG-Feedback.

EMG-Feedback gehört zur Gruppe der Bio-Feedback-Therapien, die eine aktive Schulung der koordinativen Fähigkeiten eines Patienten ermöglichen. Unter Bio-Feedback-Therapien versteht man Maßnahmen, die durch Parameter beeinflusst werden, die sich an veränderlichen Körperfunktionen messen lassen. Solche Funktionen können z. B. die Herzfrequenz, der Blutdruck, die Gliedmaßen-Temperatur, elektrische Potentialverschiebungen (EEG, EKG) oder, wie im vorliegenden Fall, muskuläre Potentiale (EMG) sein. In den klassischen Bio-Feedback-Therapien werden autonome Funktionen zunächst mittels Sensoren bzw. Klebeelektroden abgeleitet und durch einen geeigneten Feedback-Mechanismus optisch oder akustisch wahrnehmbar gemacht. Gerade das EMG-Feedback zeigt hierbei eine besonders gute Wirkung bei verschiedenen Schmerzzuständen, hauptsächlich Kopf- und Rückenschmerzen, bei Schlafstörungen und bei ängstlichen Verspannungen.

Die WO 99/06981 A1 beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Behandlung von Patienten mit Angstzuständen unter Einsatz eines Virtual-Reality-(VR)-Systems. Die Vorrichtung umfasst hierbei eine am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung, die mit einem Trackingsystem zur Erfassung der momentanen Bewegung und Position des Kopfes des Patienten mechanisch verbunden ist, sowie einen Video-Bildschirm, auf dem eine die Angstzustände des Patienten hervorrufende Szene dargestellt wird, bspw. über ein HMD (Head Mounted Display). Ein Computer steuert die Darstellung der Szene in Abhängigkeit von mit dem Trackingsystem erfassten Daten der Kopfbewegung. In einer weiteren Ausbildung dieser Vorrichtung sind zusätzlich Sensoren zur Erfassung der Angstintensität des Patienten, wie bspw. Puls- oder Hautwiderstandssensoren, vorgesehen. Der Computer steuert die darge stellte Szene in Abhängigkeit von den erfassten Daten, um einen therapeutischen Erfolg herbeizuführen.

Weiterhin ist aus M. Steffin: Virtual reality therapy of multiple sclerosis and spinal cord injury: design considerations for a haptic-visual interface; in: G. Riva (ed); Virtual Reality in Neuro-Psycho-Physiology 1997; 185-208 ein System für eine VR-Therapie von Patienten mit Multipler Sklerose und Wirbelsäulenverletzungen beschrieben. Bei diesem System wird die Position eines vom Patienten ins Auge gefassten Zielobjektes über eine entsprechende Sensorik erfasst und der Arm des Patienten über ein Kraft-Rückkopplungssystem innerhalb eines Zielkorridors zum Greifen des Objektes gehalten. Das Zielobjekt sowie die aktuelle Bewegungsbahn des Armes des Patienten können diesem hierbei auch über ein HMD virtuell dargestellt werden. Durch eine gleichzeitige EMG-Rückkopplung einer Vielzahl von beteiligten Muskeln können diese Muskeln zusätzlich gezielt elektrisch stimuliert werden.

Die beiden letztgenannten Veröffentlichungen befassen sich jedoch nicht mit Systemen, mit denen Funktionsstörungen der Halswirbelsäule diagnostiziert oder therapiert werden können.

Aus der nachveröffentlichten DE 10254075 A ist eine Vorrichtung zur Diagnose und/oder Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, insbesondere nach HWS-Beschleunigungsverletzungen, bekannt, die eine am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung zur Einschränkung des Blickfeldes des Patienten sowie ein Trackingsystem zur Erfassung einer momentanen Position und Orientierung des Kopfes des Patienten aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Bilddarstellungseinrichtung zur Darstellung von virtuellen Bildern oder Szenen für den Patienten sowie eine mit der Bilddarstellungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zur Erzeugung eines optischen Signals, das sich in den dargestellten Bildern oder Szenen auf einer vorgebbaren Bewegungsbahn und mit einer konstanten oder variierenden Geschwindigkeit bewegt. Die Einschränkung des Blickfeldes durch die am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung sowie die Bewegung des optischen Signals sind hierbei so aufeinander abgestimmt, dass der Patient dem optischen Signal nur durch Bewegung des Kopfes folgen kann. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein mit der Steuereinrichtung verbundenes EMG-Messsystem für die Erfassung der muskulären Aktivität der Halsmuskulatur des Patienten während der Erzeugung und Bewegung des optischen Signals sowie eine Ausgabeschnittstelle zur Ausgabe erfasster Daten des Trackingsystems und des EMG-Messsystems.

Diese Vorrichtung ermöglicht sowohl eine verbesserte Diagnose von Bewegungsdefiziten der Halswirbelsäule als auch eine Therapie dieser Bewegungsdefizite. Durch den zusätzlichen Einsatz einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gegenkräften zur Kopfbewegung, die mit der Steuereinrichtung der Vorrichtung verbunden ist, können leichte Gegenkräfte zur Kopfbewegung des Patienten definiert werden. Diese Gegenkräfte werden mit der EMG-Messung synchronisiert und können schrittweise erhöht werden, um auf diese Weise die Nackenmuskulatur sensibel zu trainieren. Vorrichtung zur Erzeugung von Gegenkräften sollte jedoch so aufgebaut sein, dass sie eine optimale Beein flussung der Bewegung des Kopfes auch bei wechselnder Bewegungsgeschwindigkeit ohne Auftreten von Kraftspitzen ermöglicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine derartige Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person anzugeben, die einfach aufgebaut und vorteilhaft bei der Therapie von HWS-Beschleunigungsverletzungen einsetzbar ist.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorliegende Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person, insbesondere zur Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, weist eine am Kopf der Person fixierbare Einrichtung, bspw. in Form eines Helms oder eines Kopfreifs auf, die an zumindest zwei voneinander beabstandeten Stellen, vorzugsweise symmetrisch auf zwei sich gegenüber liegenden Seiten, mit jeweils einer Parallelkinematik verbunden ist. Die Vorrichtung lässt sich hierbei sowohl als physiotherapeutisches Trainingsgerät als auch als sportliches Trainingsgerät einsetzen.

Jede der beiden elektrisch antreibbaren Parallelkinematiken ist dabei vorzugsweise durch einen Tripoden mit jeweils drei Bewegungsachsen gebildet. Mit einer derartigen Vorrichtung lassen sich Bewegungen des Kopfes der Person in 5 oder 6 Freiheitsgraden aktiv beeinflussen. Vorzugsweise liegen die beiden Verbindungsstellen mit der am Kopf fixierbaren Einrichtung an sich gegenüberliegenden Seiten der fixierbaren Einrichtung, so dass die durch die vorliegende Vorrichtung auf den Kopf ausgeübten Kräfte an zwei Seiten des Kopfes angreifen. Auf diese Weise lassen sich mit der Vorrichtung bei einer Bewegung des Kopfes alle drei Bewegungsachsen der Halswirbelsäule, d. h. Flexion/Extension, axiale Rotation und Seitflexion, beeinflussen.

Die vorliegende Vorrichtung ermöglicht die definierte Ausübung einer Gegenkraft zu einer Bewegung des Kopfes der Person, insbesondere bei der Therapie von Halswirbelsäuleverletzungen. Selbstverständlich lässt sich die Vorrichtung jedoch auch für andere Zwecke, bspw. zum Training der Halsmuskulatur für bestimmte Sportarten, einsetzen. Auch eine reine Führung der Kopfbewegung auf bestimmten Bewegungsbahnen ist mit dieser Vorrichtung bei geeigneter Ansteuerung der Aktuatoren für die Parallelkinematiken möglich. Durch die parallelkinematische Struktur müssen bei maximaler Steifigkeit des Systems nur geringe Massen bewegt werden. Dies reduziert den regelungstechnischen Aufwand und hat den Vorteil, dass auch bei Trägheit des Systems keine störenden oder schädlichen Kraftspitzen auftreten. Die vorzugsweise verwendeten Linearantriebe für die Bewegung der Bewegungsachsen der Parallelkinematiken werden dabei mit möglichst geringer mechanischer Impedanz bei maximaler Regelbarkeit der Kraft ausgewählt.

Vorzugsweise weist die vorliegende Vorrichtung auch ein Trackingsystem zur Erfassung einer momentanen Position und Orientierung des Kopfes der Person, eine Bilddarstellungseinrichtung zur Darstellung von Bildern oder Szenen für die Person und eine mit der Bilddarstellungseinrichtung verbundene Steuereinrichtung zur Erzeugung eines optischen Signals auf, das sich in den dargestellten Bildern oder Szenen auf einer vorgebbaren Bewegungsbahn und mit vorgebbaren Geschwindigkeiten bewegt. Die am Kopf fixierbare Einrichtung weist in dieser Ausgestaltung Mittel zur Einschränkung des Blickfeldes der Person auf, wobei die Einschränkung des Blickfeldes und die Bewegung des optischen Signals so aufeinander abgestimmt sind, dass die Person dem optischen Signal nur durch Bewegung des Kopfes folgen kann. Über die Steuereinrichtung können der Person, deren Kopfbewegung mit der Vorrichtung beeinflusst wird, bestimmte Bewegungsbahnen und/oder Bewegungsgeschwindigkeiten des optischen Signals vorgegeben werden, die die Person zu einer Kopfbewegung zwingen. Über die Parallelkinematiken mit der am Kopf fixierten Einrichtung können dieser Bewegung in gleicher Weise definierte Gegenkräfte entgegengesetzt werden, um die Kopfbewegung bzw. die daran beteiligten Muskeln in einer vorbestimmbaren Weise zu trainieren. Vorzugsweise sind die Antriebe der Parallelkinematiken hierzu ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden.

In einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung weist die Vorrichtung ein mit der Steuereinrichtung verbundenes Messsystem, insbesondere ein EMG-Messsystem, für die Erfassung einer muskulären Aktivität der Halsmuskulatur der Person während der Erzeugung und Bewegung des optischen Signals auf. Die Steuereinrichtung umfasst hierbei eine Rückkopplungseinheit zur Beeinflussung der Bewegungsbahn, in der Regel eine wiederkehrende, geradlinige horizontale oder vertikale Bewegung mit einer bestimmten vertikalen bzw. horizontalen Auslenkung bzw. Amplitude, und/oder Bewegungsgeschwindigkeiten des optischen Signals und/oder der durch die Parallelkinematiken erzeugten Gegenkräfte in Abhängigkeit von den erfassten Werten des Messsystems. Die Feedback-Steuerung ermöglicht eine verbesserte Therapie des Patienten.

Diese Ausgestaltung betrifft somit ein Virtual Reality (VR) und EMG-Feedback gestütztes System, das zur Therapie von Bewegungsdefiziten der Halswirbelsäule eingesetzt werden kann. Über die Steuereinrichtung werden Bewegungsbahnen zumindest eines optischen Signals auf der Bilddarstellungseinrichtung vorgegeben, die eine definierte Bewegung der Halswirbelsäule des Patienten bedingen, wenn er diesen optischen Signalen folgt. Hierbei werden Bewegungsdefizite durch Vergleich der mit dem Trackingsystem erfassten Ist- und dem durch die Bewegung des optischen Signals vorgegebenen Soll-Werten der Halswirbelsäulenbewegung erkannt. Durch die gleichzeitige Messung der muskulären Aktivität der Halsmuskulatur, insbesondere des Musculus semispinalis capitis, können auch funktionelle Störungen der Muskulatur festgestellt werden. Neben der Vorgabe der Kopfbewegungsbahn des Patienten hat die dargestellte Szene die Aufgabe, die Aufmerksamkeit des Patienten von Schmerzen und Funktionseinschränkung abzulenken, um die Therapie für den Patienten zu erleichtern.

Das vorzugsweise direkt mit der am Kopf fixierbaren Einrichtung mechanisch verbundene Trackingsystem kann bspw. als elektromagnetisches Trackingsystem ausgebildet sein. Dem Fachmann stehen hierbei zahlreiche kommerziell erhältliche Trackingsysteme zur Verfügung, die auch nach anderen physikalischen Prinzipien arbeiten können.

Durch die Ansteuerung der Aktoren für die Parallelkinematiken können leichte Gegenkräfte zur Kopfbewegung des Patienten definiert werden. Diese Gegenkräfte werden ebenfalls mit der EMG-Messung synchronisiert. Die Gegenkräfte können schrittweise erhöht werden, um auf diese Weise die Nackenmuskulatur sensibel zu trainieren. Bei Schmerzen oder Überbeanspruchung des Patienten, die durch die EMG-Messung erfasst werden, wird die Gegenkraft durch die Feedback-Komponente der Steuereinrichtung sofort reduziert oder abgeschaltet.

Die am Kopf der Person fixierbare Einrichtung zur Einschränkung des Blickfeldes ist vorzugsweise zusammen mit der Bilddarstellungseinrichtung als sog. Head Mounted Display (HMD) ausgebildet. Über dieses HMD wird der Person eine virtuelle 3D-Welt mit einem Objekt vermittelt, das der Benutzer mit seinem Blick verfolgt. Ein Beispiel hierfür ist ein virtuelles Weltraummodell, bei dem sich ein 3D-Modell des Planeten Erde auf einer spezifizierten Bewegungsbahn bewegt. Dieses Modell versetzt den Benutzer in eine virtuelle Welt und nimmt ihm jegliche Orientierung in der realen Welt. Das HMD ist ein Ausgabegerät, das in den frühen Tagen der virtuellen Realität sehr weit verbreitet war. Durch den Aufbau des HMD ist der Benutzer jedoch sehr isoliert und kann sich nicht mit seiner realen Umgebung austauschen. Zudem gewährt das HMD nur ein sehr geringes Blickfeld, so dass der Benutzer häufig den Eindruck hat, durch ein Rohr in die virtuelle Welt zu schauen. Diese beiden Eigenschaften werden für viele Anwendungen als nachteilig empfundenen, stellen jedoch für den Einsatz in der vorliegenden Vorrichtung Vorteile dar. Das HMD kann über das Rendering-System OpenSG angesprochen werden. Durch die Erfassung der Kopfposition mit dem Trackingsystem und somit, aufgrund des eingeschränkten Blickfeldes, der Blickrichtung des Benutzers in Echtzeit, kann die entsprechende Ansicht der 3D-Welt gerendert und auf dem HMD ausgegeben werden. Dabei lassen sich sowohl Mono- als auch Stereosysteme einsetzen.

Neben der Ausgestaltung als HMD kann die Bilddarstellungseinrichtung selbstverständlich auch unabhängig von der am Kopf des Patienten fixierbaren Einrichtung, bspw. als entfernt angeordnete Projektionsleinwand ausgebildet sein. Die Einschränkung des Blickfeldes kann bei dieser Ausgestaltung beispielsweise durch Sichtblenden oder entsprechend rohrförmig ausgebildete Komponenten realisiert werden. Die Steuereinrichtung, die bspw. durch einen Computer realisiert sein kann, dient der Erzeugung der Bewegungsbahnen und Geschwindigkeiten des optischen Signals auf der Bilddarstellungseinrichtung. Dieses optische Signal kann bspw. einen Lichtfleck oder ein sonstiges Bildobjekt darstellen, das vom Patienten verfolgt werden soll.

Mit der vorgestellten Vorrichtung, insbesondere in Verbindung mit der Bilddarstellungseinrichtung, dem Trackingsystem, dem EMG-Messsystem sowie der Steuereinrichtung, lassen sich Therapiemaßnahmen zur Therapie von HWS-Schleudertraumata durchführen. Diese Ausgestaltung der Vorrichtung ermöglicht eine zielgerichtete konservative Therapie unter Berücksichtigung koordinativer Fehlfunktionen. Hierdurch wird eine Verkürzung der Heilungszeiten und eine Minimierung der Chronifizierungsrate von Patienten mit HWS-Schleudertrauma angestrebt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Vorrichtung zur Therapie eines Patienten;
2 eine schematisierte Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Vorrichtung;
3 eine schematisierte Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Vorrichtung; und
4 ein Foto mit Darstellung der Verbindung der Parallelkinematik mit der am Kopf fixierbaren Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt stark schematisiert eine mögliche Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung für den Einsatz als Therapiesystem zum physiotherapeutischen Training der Halsmuskulatur. Die Vorrichtung umfasst die am Kopf des Patienten 1 fixierbare Einrichtung 2, die an zwei sich gegenüberliegenden Stellen mit zwei ortsfest montierten Parallelkinematiken 3 verbunden ist. Die am Kopf fixierbare Einrichtung 2 ist als Head-Mounted-Display (HMD) 5 ausgebildet, so dass sie gleichzeitig als Bilddarstellungseinrichtung dient. Weiterhin umfasst die am Kopf fixierbare Einrichtung 2 ein Trackingsystem 4 zur Erfassung der jeweils momentanen Position und Orientierung des Kopfes, so dass jeder Zeit aufgrund der Einschränkung des Blickfeldes durch das HMD 5 die Blickrichtung des Patienten bekannt ist. An der Halsmuskulatur des Patienten sitzt ferner ein fine-wire-EMG-Messsystem 6, das ein EMG des Musculus semispinalis capitis mit einer Frequenz von 500 Hz aufzeichnet. Trackingsystem 4, EMG-Messsystem 6 und HMD 5 sind mit einem Rechner 7 verbunden, der gleichzeitig als Steuereinrichtung für die Parallelkinematiken 3 dient.
Beim Einsatz dieser Vorrichtung werden die Bewegungen der Halswirbelsäule des Patienten in allen 3 Bewegungsachsen (Flexion/Extension, axiale Rotation, Seitflexion) zeitgleich mit dem EMG-Messsystem aufgezeichnet. Durch das Head-Mounted-Display 5 wird der Patient in eine virtuelle Szene versetzt, in der er mit seinem Blick Bewegungsbahnen eines ihm durch dieses System vermittelten optischen Signals in der VR-Szene verfolgt. Das Blickfeld des HMD 5 ist so stark einge schränkt, dass die Bewegungsbahnen des optischen Signals nicht durch Augenfolgebewegungen sondern ausschließlich durch Kopfbewegungen verfolgt werden können. Geschwindigkeit und Bahn des optischen Signals werden in Echtzeit berechnet und durch die gemessenen EMG-Werte beeinflusst. Trackingdaten und EMG-Parameter werden bei der Durchführung der Therapie mit der dargestellten Vorrichtung synchronisiert. Durch die Verbindung des HMD 5 mit den Parallelkinematiken 3, die Bestandteil eines Kraftrückkopplungssystems sind, und die Registrierung der Kopfposition und Kopforientierung mit hoher Frequenz über das Trackingsystem 4 kann durch eine Ansteuerung der Aktoren der Parallelkinematiken 3 eine dosierbare, gerichtete Kraft auf das HMD 5 und somit den Kopf des Patienten ausgeübt werden. Zur therapeutischen Anwendung wird die optisch gesteuerte Bewegung in allen Freiheitsgraden der Halswirbelsäule gegen den dosierbaren Widerstand ausgeführt, der mit Hilfe des Kraftrückkopplungssystems erzeugt wird. Der dosierbare Widerstand kann dabei in Echtzeit auf der Grundlage der gemessenen EMG-Werte berechnet werden (EMG-Feedback).
In einem Anwendungsbeispiel zum physiotherapeutischen Training der Halsmuskulatur wird vorab vom behandelnden Arzt ein Therapieplan erstellt, in dem die Dauer der Therapieeinheit, die Skalierung der Gegenkräfte und die Skizzierung der Kopfbewegungen festgelegt sind. Dem Therapieplan entsprechend wird das Therapiesystem gestartet. Zeitgleich zur Therapie wird das EMG des Patienten aufgezeichnet und mit dem Tracking sowie der Kraftrückkopplung synchronisiert. Werden im EMG physiotherapeutisch unzumutbare Schmerzen erkannt, wird die Gegenkraft sofort reduziert bzw. abgeschaltet. Auch die Dosierung der Gegenkräfte wird in Abhängigkeit von den gemessenen EMG-Werten definiert.
Nach dem Starten der Therapie wandert bspw. ein Lichtpegel langsam so durch virtuelle Szene, dass eine Kopfbewegung des Patienten resultiert, bei der die diagnostischen Erkenntnisse berücksichtigt sind und die verletzten Strukturen leicht beansprucht werden. Die Gegenkräfte zur Kopfbewegung werden durch das Kraftrückkopplungssystem über die Parallelkinematiken generiert und auf das Head-Mounted-Display übertragen. Somit werden die Halsmuskeln trainiert, was zur Therapie der Verletzung und zur Reduzierung der Schmerzen beitragen soll. Während der gesamten Trainingszeit mit dem Gerät werden Synchronbewegungen, EMG-Werte und ausgegebene Kräfte registriert. Die gesamte Therapie kann bei der vorliegenden Vorrichtung durch die EMG-Werte gesteuert werden, indem in Abhängigkeit davon die Bewegungsbahnen und die Kräfte gesteuert werden. Der Verlauf der Therapie kann durch Ausgabe der registrierten Parameter sehr genau dokumentiert werden, so dass ein Therapieerfolg oder eine Stagnation in der Physiotherapie sofort erkannt und dargestellt werden kann.
Die im vorliegenden Beispiel eingesetzte Myo-Feedback-Steuerung der VR-Szene verhindert, dass ein Patient überbeansprucht wird. Sobald Schmerzen entstehen, wird die Bewegung verlangsamt oder gestoppt. Die Gegenkräfte können bei der Therapie oder beim Training schrittweise erhöht werden, um auf diese Weise die Nackenmuskulatur sensibel zu trainieren. Bei Schmerzen oder Überbeanspruchung des Patienten, die über die EMG-Messung automatisch erfassbar sind, wird die Gegenkraft durch die Myo-Feedback-Komponente sofort ausgeschaltet.
2 zeigt ein schematisches Beispiel einer Ausgestaltung der vorliegenden Vorrichtung, bei der als Parallelkinematiken 3 zwei Tripode 9 (Dreibeine) eingesetzt werden, die jeweils an einer fest zur Wand fixierten Plattform 8 angebracht sind. Die einzelnen Bewegungsachsen 10 der Dreibeine werden über Linearantriebe 13 relativ zur Plattform 8 bewegt. Durch voneinander unabhängige Ansteuerung der hierbei eingesetzten 6 Antriebe 13 können durch die beiden Dreibeine 9, die an gegenüberliegenden Seiten mit der am Kopf fixierbaren Einrichtung, einem Head-Mounted-Display 5, fest verbunden sind, 6 Freiheitsgrade des HMD 5 beeinflusst werden. Die Linearaktoren 13 sind kardanisch an den Plattformen 8 aufgehängt. Die Bewegungsachsen 10 jedes Dreibeins 9 treffen an einem Punktgelenk 12 am HMD 5 zusammen, das im Foto der 4 erkennbar ist.
2 zeigt eine Front-, 3 eine Seitenansicht dieser beispielhaften Vorrichtung. Über die beiden Befestigungen der Parallelkinematiken 3 am HMD 5 werden Kräfte in diese am Kopf des Patienten fixierbare Einrichtung eingeleitet, die für eine effektive Therapie genutzt werden. Der effektive Bewegungsraum der in diesem Beispiel dargestellten Kinematik ist ein Kubus von ca. 400 × 400 × 400 mm³ Kantenlänge.
Die Erfassung der Aktivität der Halsmuskulatur bzw. der myoelektrischen Signale kann beim Einsatz der vorliegenden Vorrichtung auf unterschiedliche Weise erfolgen. So besteht die Möglichkeit sowohl einer invasiven als auch einer nichtinvasiven Erfassung dieser Signale. Eine nichtinvasive Erfassung kann durch Auswertung von elektrischen Feldern in der Nähe der Hautoberfläche oder durch die Auswertung von Höhenunterschieden der Hautoberfläche erfolgen, welche die Verformung der Muskulatur erfassen. Die letztgenannte Erfassung der Höhenunterschiede kann bspw. auch mit Hilfe von Weißlichtinterferometrie erfolgen.
Weiterhin ist es in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der vorliegenden Vorrichtung nicht unbedingt erforderlich, dass mit den beiden Parallelkinematiken 6 Freiheitsgrade beeinflussbar sind. So kann es für ein Training auf dem sportlichen Sektor auch ausreichen, eine deutlich geringere Anzahl von Freiheitsgraden zu beeinflussen.

1: Person
2: am Kopf fixierbare Einrichtung
3: Parallelkinematiken
4: Trackingeinrichtung
5: HMD
6: EMG-Messsystem
7: Rechner
8: Plattform
9: Tripode
10: Bewegungsachse
11: Kardanaufhängung
12: Punktgelenk
13: Linearantrieb
14: Halterung

Claims

Vorrichtung zur Beeinflussung einer Kopfbewegung einer Person, insbesondere zur Therapie von Funktionsstörungen der Halswirbelsäule, mit einer am Kopf der Person (1) fixierbaren Einrichtung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die am Kopf fixierbare Einrichtung (2) an zumindest zwei voneinander beabstandeten Stellen mit jeweils einer Parallelkinematik (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die am Kopf fixierbare Einrichtung (2) Mittel zur Einschränkung des Blickfeldes der Person (1) aufweist, und die Vorrichtung ein Trackingsystem (4) zur Erfassung einer momentanen Position und Orientierung des Kopfes der Person (1), eine Bilddarstellungseinrichtung (5) zur Darstellung von Bildern oder Szenen für die Person (1) und eine mit der Bilddarstellungseinrichtung (5) verbundene Steuereinrichtung (7) zur Erzeugung eines optischen Signals aufweist, das sich in den dargestellten Bildern oder Szenen auf einer vorgebbaren Bewegungsbahn und mit vorgebbaren Geschwindigkeiten bewegt, wobei die Einschränkung des Blickfeldes und die Bewegung des optischen Signals so aufeinander abgestimmt sind, dass die Person (1) dem optischen Signal nur durch Bewegung des Kopfes folgen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein mit der Steuereinrichtung (7) verbundenes Messsystem (6) für die Erfassung einer muskulären Aktivität der Halsmuskulatur der Person (1) während der Erzeugung und Bewegung des optischen Signals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) eine Rückkopplungs-Einheit zur Beeinflussung der Bewegungsbahn und/oder Bewegungsgeschwindigkeiten des optischen Signals in Abhängigkeit von erfassten Daten des Messsystems (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) mit den Parallelkinematiken (3) verbunden ist und diese zur Erzeugung von Gegenkräften in Abhängigkeit von den erfassten Daten des Messsystems (6) ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungs-Einheit (7) derart ausgebildet ist, dass sie die Bewegung des optischen Signals verlangsamt oder stoppt, sobald Daten des Messsystems (6) erhalten werden, die auf Schmerzen der Person (1) hindeuten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (6) ein EMG-Messsystem ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die am Kopf fixierbare Einrichtung (2) als Head Mounted Display (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelkinematiken (3) durch Tripoden (9) mit jeweils drei Bewegungsachsen (10) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelkinematiken (3) eine Bewegung der am Kopf der Person (1) fixierbaren Einrichtung (2) in 5 oder 6 Freiheitsgraden ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die am Kopf fixierbare Einrichtung (2) symmetrisch auf zwei sich gegenüber liegenden Seiten mit den Parallelkinematiken (3) verbunden ist.