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Die
Erfindung betrifft ein Messsystem zur dreidimensionalen Lage- und
Bewegungsanalyse von Gelenksystemen, vorzugsweise zur Anwendung in
biometrischen Analysen, insbesondere der Form-, Lage- und Bewegungsbestimmung
der Wirbelsäume.
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Die
Druckschrift
DE 19705889
A1 beschreibt einen Drehwinkelsensor zur absoluten Detektion
einer Drehung oder eines Winkels. Die beschriebene Anordnung weist
einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter auf, in dessen
eines Ende polarisiertes monochromatisches Licht eingekoppelt wird,
das von dem Lichtwellenleiter zu dessen anderem Ende transportiert
wird, an welchem ein Polarisationsfilter und ein Reflektor vorgesehen
ist, der das Licht reflektiert. Dabei wird das Licht in Abhängigkeit
von dem Winkel, den der Polarisationsfilter mit der Polarisationsebene
des Lichtwellenleiters bildet, gedämpft, woraufhin sich der Drehwinkel
nach Auskopplung des reflektierten Lichts. bestimmen lasst.
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Die
Druckschrift
DE 39
31 423 C2 beschreibt einen Lagesensor zur Bestimmung der
relativen Lage eines Körpers
zum Schwerpunkt der Erde. Der Körper
des Lagesensors weist einen Hohlraum auf, der zum Teil mit einer
ferromagnetischen Flüssigkeit gefüllt ist.
Benachbart zu dem Hohlraum sind Spulen vorgesehen, deren Induktivität durch
den durch die Schwerkraft verschiebbaren ferromagnetischen Kern des
Lagesensors gegensinnig geändert
wird. Die Induktivitätsänderungen
der Spulen werden in einer Signalauswerteschaltung zur Bestimmung
der Lage des Körpers
verwendet.
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Bislang
beschriebene Messsysteme sind in ihren Einsatzbereichen dadurch
beschränkt,
dass sie
- • in
weniger als drei Raumdimensionen messen (z. B. mittels Beschleunigungssensoren
lt. Patent Nr. DE19509680 )
oder
- • ortsfeste
und oder zumindest nicht am Messobjekt befestigte Teilsysteme (z.
B. Ultraschall-Peilung lt. DE0019604262A1 ) benötigen, oder
- • das
Messobjekt beeinflussen, indem beispielsweise am Messobjekt befestigte
Teilsysteme mechanisch miteinander verbunden sind (z. B. Drehpotentiometer
mit verlängerter
Welle lt. DE19608098A1 ),
oder
- • dynamische
Messgrößen mittels
Integration zur Bestimmung statischer Parameter benutzen (z. B. ein
oder mehrfache Integration der Beschleunigung bzw. Drehwinkelbeschleunigung
zur Bestimmung des Weges, der Lage bzw. des Winkels lt. DE19849673A1 ),
oder
- • die
zu erfassende Messgröße durch
Nutzung eines anderen, nicht ausschließlich von der Messgröße abhängigen Parameters
(Abstandsmessung zweier oder mehrerer Messpunkte mittels Ultraschall
zur Winkelbestimmung lt. US20030036858A1 )
bestimmt wird.
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Die
hier vorgestellte Erfindung umfasst ein Messystem, welches nicht
durch die vorgenannten Nachteile gekennzeichnet ist.
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Das
vorgestellte Messsystem besteht aus zwei oder mehreren am Messobjekt
befestigten oder sich zumindest gemeinsam mit dem Messobjekt bewegenden
Sensorsystemen. Jedes dieser Sensorsysteme ist in der Lage, seine
Ausrichtung zum Schwerefeld der Erde (2) in zwei oder mehreren
Ebenen (3) mittels Schwerkraft-Lagesensoren ohne äußere Hilfsmittel
oder Hilfsenergien (energetische Felder und/oder Strahlungen) zu
bestimmen. Diese Ebenen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Vektor
der Erdachse (4) in jeder dieser Ebenen liegt (1).
Außerdem
ist jedes der Sensorsysteme (1) fähig, seine Drehung um eine
oder mehrere, jeweils durch zwei der Sensorsysteme gedachte Achsen
(5) relativ zu jeweils einem weiteren Sensorsystem mittels
eines oder mehrerer polarimetrischer Drehwinkelsensoren zu bestimmen
(2).
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Als
Schwerkraft-Lagesensoren können
verschiedene Sensortypen, wie beispielsweise Flüssigkeitsneigungssensoren,
mechanische oder mikromechanische Inklinometer oder Beschleunigungssensoren
mit einer unteren Grenzfrequenz von Null Herz einzeln oder kombiniert
eingesetzt werden. Den Neigungswinkel zur Erdachse als Eingangssignal
transformieren diese Sensoren in ein sinusförmiges Ausgangssignal, dessen
Maximum bzw. Minimum jeweils bei senkrechter Ausrichtung zur Erdachse
liegt. Beschleunigungen, die nicht aus einer quasistationären Winkeländerung
gegenüber
der Erdachse resultieren – beispielsweise
Beschleunigungen aus Translationen oder Rotationen – werden
mit dem vorgenannten Signal superpositioniert. Die technische Ausprägung des
Ausgangssignals, beispielsweise als Analogsignal, pulsweiten- oder frequenzmoduliertes
Signal, bestimmt die Art der im Signalweg folgenden Integrations-,
Filter- und Analysemodule. Mit Hilfe von elektronisch oder mathematisch
(mittels Software) realisierten Hoch- und Tiefpassfiltern (6)
können
einzelne Spektralanteile des Signals extrahiert werden, indem mehrere
dieser Filter parallel geschaltet werden und im Signalweg hinter
einem geeigneten Signalverteiler (7) angeordnet sind (3).
Somit lassen sich beispielsweise die Neigung eines Sensors – und damit
den Systems – gegenüber der Erdachse
von superpositionierten Beschleunigungen trennen. Alternativ können für eine Richtung
der Sensitivität
mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Übertragungsfunktionen, insbesondere
unterschiedlichem Zeitverhalten, eingesetzt werden.
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Prinzipiell
fehlt den bisher beschriebenen Sensoren die Eigenschaft, eine Drehung
um die Erdachse detektieren zu können.
Aus diesem Grund wird in jedem Sensorsystem in einer dritten, jeweils
zu den, durch die Anordnung der beiden Schwerkraft-Lagesensoren
(8) bestimmten Ebenen orthogonal angeordneten dritten Ebene
ein nachfolgend beschriebener polarimetrischer Drehwinkelsensor
(9) dergestalt angeordnet, dass er die Drehung des Teilsystems
um den Normalenvektor dieser dritten Ebene in Relation zu einem
korrespondierenden Sensorsystem bestimmen kann (4).
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Prinzipiell
besteht der polarimetrische Drehwinkelsensor aus mindestens einer
elektromagnetischen Strahlungsquelle und mindestens einer elektromagnetischen
Strahlungssenke. Die Strahlungsquelle (Sender) emittiert eine nicht
gerichtete, oder teilweise gerichtete, vorzugsweise jedoch nahezu gleichmäßig diffuse
elektromagnetischen Strahlung. Je nach Anwendungsfall kann der von
der Strahlung umfasste Raumwinkel unterschiedlich ausgestaltet sein.
Gegebenenfalls sind zur Erhöhung
der Homogenität
der Strahlungsverteilung des Senders ein oder mehrere Diffusoren
nachzuschalten. Die für
das Messprinzip erforderliche lineare Polarisierung der emittierten
elektromagnetischen Strahlung kann auf zweierlei Arten erreicht
werden: Ein elektromagnetischer Strahler kann aufgrund seines physikalischen Wirkprinzips
direkt linear polarisierte Strahlung erzeugen. Dies ist beispielsweise
mit elektromagnetischen Strahlern in Form von Dipolantennen (Hertz'scher Dipol) möglich. Alternativ
kann ein Sender, aufgrund seines physikalischen Wirkprinzips nicht
polarisierte oder zirkular polarisierte Strahlung aussenden. Dies
ist beispielsweise bei Photonen emittierenden pn-Übergängen von
Halbleitern gegeben. Diesen nicht linear polarisierten Strahlern
sind zur Erzeugung linear polarisierter Strahlung geeignete aktive
oder passive Polarisatoren nachzuschalten. Im vorgenannten Beispiel
der pn-Übergänge können dies
u. a. Polarisationsfilter sein. Diese Polarisatoren müssen an
den von der Strahlungsquelle bestimmten Raumwinkel angepasst sein.
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Am
korrespondierenden Teilsystem (Empfänger) ist ein Polarisationsanalysator
angeordnet. Dieser besteht wiederum aus einem Strahlungsempfänger für elektromagnetische
Strahlung, der aufgrund seines physikalischen Wirkprinzips sensitiv
für eine
Polarisationsrichtung linear polarisierter Strahlung ist. Alternativ
kann der Empfänger – analog
dem Sender – nicht
Sensitiv für
eine Polarisationsrichtung sein. In letzterem Fall ist vor dem Empfänger ein
geeigneter Polarisator anzuordnen.
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In
beiden vorgenannten Anordnungen wird die auf den Empfänger wirkende
Strahlflussdichte ermittelt. Der Empfänger, als Messelement ausgebildet,
wandelt die empfangene elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches
Signal um. In Abhängigkeit
vom Drehwinkel zwischen den beiden korrespondierenden Teilsystemen ändert sich
die am Empfänger
ermittelte Strahlflussdichte und damit das elektrische Signal des
Empfängers.
Die ermittelte Strahlflussdichte ist dementsprechend ein Maß für den Drehwinkel
zwischen den korrespondierenden Teilsystemen.
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In 5 sei
beispielhaft eine mögliche
Realisierung dieses Prinzips mit elektromagnetischen Wellen im Zentimeter-Bereich
dargestellt. Das sinusförmige
Signal des elektrischen Generators (10) wird mittels der
Rahmenantenne (Bi-Quad-Antenne) (11) in eine linear polarisierte
elektromagnetische Welle (12) umgewandelt. Generator (10)
und Antenne (11) stellen das Teilsystem A dar. Das korrespondierende Teilsystem
B, bestehend aus Bi-Quad-Antenne (11), Gleichrichter (13)
und Messinstrument (14), kann um die zwischen den beiden
Teilsystemen gedachte Achse verdreht werden. Das elektrische Signal,
das vom Instrument (14) gemessen wird, wird von vorgenanntem
Drehwinkel bestimmt.
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In 6 ist
eine bevorzugte Realisierung dieses Prinzips mit elektromagnetischen
Wellen in Nanometer-Bereich beispielhaft visualisiert. Teilsystem
A besteht hier aus Leuchtdiode (15) mit nachgeschaltetem
Linear-Polarisationsfilter
(16). Teilsystem B wird von Licht-zu-Spannungswandler (17),
seinem vorgelagerten Linear-Polarisationsfilter (16) und
dem Messinstrument (14) gebildet.
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7 stellt
beispielhaft das elektrische Ausgangssignal als analoges amplitudenvariiertes Signal
als Funktion des Drehwinkels für
die beschriebene einfachen Anordnung nach 6 mit einer räumlich und
zeitlich fest an eines der beiden Sensorsysteme gebundenen Polarisationsrichtung
des ausgesandten Lichts und einem räumlich und zeitlich fest an
das korrespondierende Messsystem gebundenen Polarisationsanalysator
dar. Für
die Wandlung der Beleuchtungsstärke
in ein elektrisches Signal sei hier vereinfachend eine lineare Kennlinie
des Messelements angenommen. Aus dem Signalverlauf wird deutlich,
dass eine eineindeutige Zuordnung von Ausgangssignalamplitude und
Drehwinkel nur in einem Teilbereich der möglichen Drehwinkel gewährleistet
ist. Eine Ausgangslage mit einem Versatz der Polarisationsrichtungen
von Sender und Empfänger von
45° ermöglicht eine
Messung der Drehwinkeländerung
um +–45° (8).
Liegen die Polarisationsrichtungen von Sender und Empfänger dagegen
in einer Ebene oder sind um 90° versetzt,
ist eine Messung der Auslenkung um ±–90° möglich, wobei allerdings die
Richtungsinformation verloren geht (9). Bestrahlungsstärkeänderungen,
die nicht von einer Drehwinkeländerung
verursacht werden, fließen
in dieser bis hier vorgestellten einfachen Ausprägung (A) in das Messergebnis
als Fehler ein.
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In
einer weiteren möglichen
Ausprägung
(B) des polarimetrischen Drehwinkelsensors wird wie in der vorstehend
beschriebenen Anordnung ein Sender für linear polarisierte Strahlung
an einem der beiden Teilsysteme angebracht. Am korrespondierenden
Teilsystem werden zwei oder mehrere Polarisationsanalysatoren mit
differenten Richtungen der sensitiven Polarisationsebenen angeordnet.
Im Falle von zwei Polarisationsanalysatoren empfiehlt sich ein Versatz
der Polarisationsrichtungen um 90°.
Werden wiederum Messelemente mit linearem Kennwerteverlauf vorrausgesetzt,
ergeben sich für
diese beiden Polarisationsanalysatoren Ausgangssignale in Abhängigkeit
vom Drehwinkel die um 90° versetzte
Sinusfunktionen darstellen (10). Innerhalb
eines Drehwinkelbereichs von +/–45° sind mit
dieser bevorzugten Anordnung Winkelmessungen mit erhöhter Genauigkeit
möglich.
Da zur Bestimmung des Drehwinkels nicht die Absolutmesswerte der
einzelnen Messelemente sondern deren Relation verwendet wird, haben
drehwinkelunabhängige
Strahlflussdichteveränderungen
keinen Einfluss auf das Messergebnis. Damit ist das Messergebnis
insbesondere nicht vom Abstand der beiden Teilsysteme abhängig. Werden
mehr als zwei Empfänger
mit geeignetem Polarisationswinkelversatz verwendet, ergeben sich mehrere um
die entsprechenden Winkel versetzte Sinusfunktionen. Damit lassen
sich messbarer Drehwinkelbereich erweitern, die Auflösung erhöhen und Messfehler
verringern. Die mit dieser Ausprägung
ermöglichte
zeitgleiche Erfassung aller betrachteten Polarisationsebenen ermöglicht eine
hohe zeitliche Auflösung
des Drehwinkels.
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Die
eingesetzten zwei oder mehr Empfänger lassen
sich durch die Verwendung eines Messelements mit einem oder mehreren
vorgeschalteten dynamischen Polarisator(en) mit veränderbarer
Polarisationsrichtung ersetzen. Die verschiedenen Sinusfunktionen
werden in dieser Ausprägung
(C) im Zeitmultiplexverfahren ermittelt.
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In
einer weiteren alternativen Ausprägung (D), die durch die Verwendung
von zwei oder mehreren, in verschiedenen Polarisationsebenen linear
polarisierte elektromagnetische Strahlung nicht oder nur teilweise
gerichtet emittierenden Sendern und nur eines Polarisationsanalysators
gekennzeichnet ist, werden hinsichtlich Auflösung, Fehler durch nicht drehwinkelabhängige Änderungen
der Lichtstärke und
Erweiterung des Messbereichs äquivalente
Ergebnisse zur oben beschriebenen Ausprägung (B) erzielt. Durch die
Limitierung auf nur einen Polarisationsanalysator müssen die
betrachteten Polarisationsebenen nacheinender, d. h., im Zeitmultiplex,
erfasst und analysiert werden.
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Die
in Ausprägung
(D) eingesetzten zwei oder mehr Sender lassen sich durch die Verwendung eines
Senders mit einem oder mehreren nachgeschalteten dynamischen Polarisationsfilter(n)
mit veränderbarer
Polarisationsrichtung in einer Ausprägung (E) ersetzen.
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Der
gleichzeitige Einsatz mehrerer Sender und mehrerer Empfänger mit
unterschiedlichen Polarisationsebenen, wobei die Anzahl von Sendern
und Empfängern
nicht übereinstimmen
muss, kennzeichnet die Ausprägung
(F). Die erzielten Vorteile, wie erhöhte Auflösung und erweiterter Messbereich
sowie Unabhängigkeit
von drehwinkelunabhängigen
Strahlflussdichteschwankungen, resultieren aus den gleichen Effekten
wie bei Ausprägung
(B) bis (E). Zwei Vorteile resultierten aus der Ausprägung (F):
Bedingen
die Anforderungen an das Messsystem mehr als vier different geneigte
Polarisationsebenen, ist bei gleicher Wellenlänge aller Sender und Empfänger und
geeigneter, zeitlich wechselnder logischer Kombination von Sender
und Empfänger
eine Verringerung der notwendigen Anzahl von Sendern und Empfängern möglich.
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Werden
mehrere logisch fest kombinierte Sender-Empfänger-Paare mit elektromagnetischer Strahlung
differenter Wellenlänge
betrieben, und differieren, wie bisher beschrieben, auch die Richtungen
ihre Polarisationsebenen, können
die Vorteile der verschiedenen Wellenlängenbereiche kombiniert werden.
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In
einem möglichen
Gesamtsystem zur Bestimmung der Form und Lage der menschlichen Wirbelsäule seien
beispielhaft folgende mögliche
Sensorsysteme verwendet: In jedem der Sensorsysteme (1)
werden zwei Schwerkraft-Lagesensoren
(8), die die Ausrichtung des jeweiligen Sensorsystems im Schwerefeld
der Erde bestimmen, so angeordnet, dass jeweils ein Schwerkraft-Lagesensor in jeweils einer
von zwei zueinander orthogonal orientierten Ebenen (3)
angeordnet ist. Diese beiden Schwerkraft-Lagesensoren bestimmen
die Drehung des Sensorsystems jeweils um die Normalenvektoren der beiden
vorgenannten Ebenen (11). Zusätzlich trägt jedes dieser Sensorsysteme
in der dritten, zu den beiden vorgenannten Ebenen jeweils orthogonalen
Ebene an einem Ende des Sensors eine linear polarisierte Strahlungsquelle
(18) und am anderen Sensorende zwei Polarisationsanalysatoren
(19) für elektromagnetische
Strahlung. Die Hauptstrahlungs- bzw. Hauptempfangsrichtungen entsprechen
dem Normalenvektor dieser dritten Ebene und sind jeweils von der
Sensormitte nach Außen
gerichtet. Werden zwei oder mehrere dieser Sensorsysteme übereinander
angeordnet, bilden jeweils der Sender eines und die Empfänger eines
anderen Sensorsystems korrespondierende Systeme und damit jeweils
einen polarimetrischen Drehwinkelsensor.
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Im
hier dargestellten Beispiel bestehen der Sender aus einer Leuchtdiode
als Strahlungsquelle mit nachgeschaltetem linearem Polarisationsfilter, dessen
Polarisationsebene jeweils um 45° gegenüber den
beiden, durch die oben genannten Lagesensoren beschriebenen Ebenen
geneigt ist. Die beiden Empfänger
eines jeden Sensorsystems bestehen aus Photodetektoren mit vorgeschaltetem
linearen Polarisationsfilter, wobei die Polarisationsebene jeweils
eines Filters parallel zur Ebene jeweils eines Lagesensors liegt.
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Ein
mögliches
Gesamtsystem zur Bestimmung der Form und Lage der menschlichen Wirbelsäule soll
beispielhaft aus vier der vorstehend beschriebenen Sensorsysteme
(1) und einer Datenverarbeitungseinheit (20),
die die Aktivitäten
der Sensorsysteme koordiniert und die von den Sensorsystemen ermittelten
Messwerte sammelt und auswertet, bestehen. Der überwiegend senkrechten Haltung
der menschlichen Wirbelsäule
entsprechend, werden die vier Sensorsysteme reversibel so auf der
Haut über der
Wirbelsäule
befestigt, dass die beiden, in jedem Sensorsystem enthaltenen Schwerkraft-Lagesensoren das
Nach-Vorn-Neigen und Nach-Hinten-Neigen (Flexion/Retroflexion) und
die Seitneigung der Wirbelsäule
(Lateralflexion) erfassen können.
Die Torsion der Wirbelsäule
wird, jeweils relativ zwischen zwei Sensorsystemen, von den polarimetrischen
Drehwinkelsensoren gemessen. Das Beispielsystem ist in 12 dargestellt.
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Die
Energieversorgung der vier Sensorsysteme, die Synchronisation des
Messablaufs und die Übertragung
der Messdaten erfolgt über
flexible Leitungen zwischen den Sensorsystemen bzw. der Datenverarbeitungseinheit
und dem ersten Sensorsystem. Um eine – wenn auch nur lose – mechanische Kopplung
der Sensorsysteme zu vermeiden, und damit die Messqualität zu erhöhen, können die
Sensoren alternativ mit jeweils einem Sensorsystem-eigenen Energiespeicher
ausgerüstet
und die Datenübertragung
durch Modulation der linear polarisierten elektromagnetischen Strahlung
realisiert werden. Die Daten können
in diesem Fall sequentiell von Sensorsystem zu Sensorsystem und
schließlich
vom ersten Sensorsystem zur Datenverarbeitungseinheit übertragen
werden. Alternativ ist die Datenübertragung direkt
von den Sensorsystemen zur Datenverarbeitungseinheit im Zeitmultiplex,
oder bei Verwendung differenter Wellenlänge gleichzeitig möglich. Ein
Prinzipschaltbild eines solchen Gesamtsystems ist in 13 dargestellt.