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Die
Erfindung betrifft ein Anzeigesystem für Bodenreaktionskräfte eines
Menschen mit einer Messplatte, die zumindest eine Sensoreinrichtung zur
Erfassung von Bodenreaktionskräften
aufweist, die mit einer Auswerteeinrichtung und einer Projektionseinrichtung
verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Darstellung von Bodenreaktionskräften auf
einem menschlichen Körper.
Das Anzeigesystem und das Verfahren sind insbesondere zur Vermessung
des menschlichen Körpers
und/oder prothetischer oder orthetischer Passteile in ihrer relativen
Position zum menschlichen Körper
und zur verbesserten Einstellung eines Prothesenaufbaues geeignet.
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Der
Erfolg einer prothetischen Versorgung eines Patienten hängt neben
der richtigen Auswahl und Anpassung der Prothese zu einem großen Teil von
der Mitwirkung des Patienten sowie dessen Akzeptanz der Prothese
ab. Eine technisch ausgeklügelte
Prothese erfüllt
ihren Zweck nicht, wenn sie von dem Prothesenträger nicht angenommen wird oder falsch
eingesetzt wird. Wichtig ist unter anderem das Verständnis für den Aufbau
und die Funktionsweise der jeweiligen Prothese sowie die Kenntnis
von Konsequenzen einer falschen Handhabung oder Einstellung. Darüber hinaus
müssen
die jeweiligen Prothesen an die individuellen Bedürfnisse
und Gegebenhei ten des Prothesenträgers angepasst werden. Dazu
ist es wichtig, einen für
den Patienten optimalen Prothesenaufbau zu ermitteln, also die Einstellung der
Prothesenkomponenten zueinander sowie zu dem menschlichen Körper, um
beispielsweise einen hinreichend stabilen Aufbau oder eine hohe
dynamische Beweglichkeit erreichen zu können. Insbesondere bei Knieprothesen
ist ein individuell angepasster Prothesenaufbau wesentlich.
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Aus
der
EP 0 663 181 A2 ist
ein Anzeigesystem bekannt, bei dem ein Prothesenträger auf
einer Messplatte steht, die mit Drucksensoren bestückt ist. Über die
Drucksensoren wird der Körperschwerpunkt des
Prothesenträgers
ermittelt. Über
eine Laserprojektionseinheit, die einen linienförmigen Lichtstrahl lotrecht
erzeugt, wird die Körperschwerkraftlinie
auf den menschlichen Körper
projiziert. Die Lage der Köperschwerkraftlinie
wird durch Verfahren der Laserprojektionseinheit entlang einer Linearführung eingestellt.
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Mit
diesem System kann sehr gut die Schwerpunktlinie des Körpers in
Bezug zu den Gelenkpositionen ermittelt werden, ebenfalls können Messdaten
auf umgekehrtem Wege ermittelt werden, indem bestimmte Gelenke durch
die Projektionslinie angefahren werden, so dass sich aus dem Verfahrweg
der Laserprojektionseinheit ein entsprechendes Maß bestimmbar
ist.
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Die
Einstellung des Prothesenaufbaus aufgrund der ermittelten Körperschwerkraftlinie
wird durch einen Orthopädiemechaniker
ausgeführt
und bedarf einiger Erfahrung. Der Patient weiß mitunter nicht, warum welche
Einstellung gewählt
wird. Dies kann zu Akzeptanzproblemen führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Anzeigesystem
und ein Verfahren zur Darstellung von Bodenreaktionskräften bereitzustellen,
mit denen eine bessere Akzeptanz und eine bessere Einstellung des
Prothesenaufbaues erfolgen können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Anzeigesystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Anzeigesystem
mit einer Messplatte, die zumindest eine Sensoreinrichtung zur Aufnahme
von Bodenreaktionskräften
aufweist, die mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist, über die
die von der Sensoreinrichtung ermittelten Sensordaten ausgewertet
werden, wobei eine Projektionseinrichtung die ausgewerteten Daten
verwendet, um einen Lichtstreifen auf einen menschlichen Körper zur
projizieren, sieht vor, dass die Sensoreinrichtung als ein Mehrkomponentenkraftsensor
ausgebildet sind, der die Vertikal- und Horizontalkomponenten der
Bodenreaktionskraft erfasst und die Projektionseinrichtung zur Anzeige
sowohl des Ortes als auch der Orientierung der erfassten Bodenreaktionskraft
ausgebildet ist. Während
die aus dem Stand der Technik bekannte Anzeigeeinrichtung nur den Schwerpunkt
des Körpers
auf der Messplatte ermittelt, ist es mit dem erfindungsgemäßen Anzeigesystem
möglich,
auch Horizontalkräfte
zu erfassen, die durch einen Prothesenaufbau oder bei statischen Kraftmessungen
oder dynamischen Kraftmessungen entstehen. Das Anzeigesystem ermöglicht die
Anzeige des Kraftvektors, der tatsächlich auf die Prothese bzw.
den Stumpf des Prothesenträgers
wirkt, wobei der Kraftverlauf unmittelbar am Patienten dargestellt werden
kann. Dadurch ist es möglich,
dem Patienten unmittelbar zu verdeutlichen, welche Auswirkungen ein
veränderter
Prothesenaufbau auf die Kraftrichtung und dadurch auch auf die Belastung
des Stumpfes hat. Eine Einstellung des Prothesenaufbaus kann somit
mit verbesserter Akzeptanz durch den Prothesennutzer erfolgen. Ebenfalls
ist die Einstellung des Prothesenaufbaus für den Orthopädiemechaniker einfacher
als bisher, da Veränderungen
sofort am Patienten sichtbar werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Projektionseinrichtung
als Videoprojektor bzw. Datenprojektor oder Beamer ausgebildet ist. Über die
Auswerteeinheit wird ein Lichtbalken erzeugt, der entsprechend der
Orientierung des Bodenreaktionskraftvektors gedreht bzw. gekippt
werden kann. Dazu muss lediglich anhand der ausgewerteten Sensordaten
ein entsprechendes Videobild in Gestalt eines Lichtstreifens erzeugt
werden. Dies erfordert einen geringen apparativen Aufwand. Alternativ
dazu kann eine Laserprojektionseinheit, wie sie aus dem Stand der
Tech nik bekannt ist, über
einen Motor, insbesondere Schrittmotor kippbar ausgebildet sein,
so dass die Orientierung des Bodenreaktionskraftvektors auf dem
Patienten abgebildet werden kann. Während bei einem Datenprojektor
auf einfach Art und Weise die Orientierung und die Breite des Lichtbalkens
variiert werden kann, hat eine Laserprojektionseinheit ein in der
Regel schärfer
konturiertes Lichtbild. Die Darstellung über einen Datenprojektor oder
Beamer hat den Vorteil, dass Zusatzinformationen eingeblendet werden
können,
beispielsweise die Größe der Kraft
in Newton oder Korrekturhinweise, die aus der Auswerteeinheit mit
gegebenenfalls hinterlegten Berechnungsvorschriften generiert werden.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Videokamera der
Messplatte zugeordnet ist, so dass gleichzeitig zu der Kraftmessung über Mehrkomponentenkraftsensoren
die Stellung bzw. Bewegung des Patienten aufgenommen werden kann.
Durch einen kombinierten Einsatz der Projektionseinrichtung und
der Videokamera ist es möglich, neben
einer statischen auch eine dynamische Betrachtung des Kraftverlaufs
durchzuführen.
Ebenfalls ermöglicht
die Videoaufzeichnung eine spätere
Auswertung des Kraftverlaufes im Detail, so dass über verschiedene
Bewegungsphasen oder Stellungen stets ein optimaler Prothesenaufbau
eingestellt werden kann.
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Zur
Vermeidung von Parallaxenfehlern, die insbesondere bei kleinen Abständen zwischen
der Projektionseinrichtung und dem Patienten auftreten, muss entweder
ein ausreichend großer
Abstand oder eine dicht nebeneinander angeordnete Kombination der
Projektionseinrichtung und der Videokamera vorgesehen werden. Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Videokamera und die Projektionseinrichtung
in einer gemeinsamen optischen Ebene oder auf einer gemeinsamen
optischen Achse angeordnet sind, bevorzugt mit einer im Wesentlichen
gleichen Entfernung zu dem Patienten.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Darstellung von Bodenreaktionskräften, insbesondere zur Einstellung
eines Prothesenaufbaues sieht vor, dass über die Messplatte die Bodenreaktionskräfte eines
auf der Messplatte stehenden Patienten sowohl in horizontaler als
auch in vertikaler Richtung gemessen werden. Der Angriffspunkt und
die Orientierung des Kraftvektors der Bodenreaktionskraft werden
auf den menschli chen Körper
projiziert, so dass die Bodenreaktionskraft, der Ort und die Richtung
an dem Patienten visualisiert werden kann.
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Über eine
Längenmodulation
des Lichtbalkens, der den Bodenreaktionskraftvektor darstellt, kann
der Betrag der Kraft angezeigt werden. Bei größeren Kräften entsprechend länger als
bei kleineren Kräften.
Für eine
dynamische Betrachtung, insbesondere für eine wiederholte dynamische
Betrachtung ist es vorgesehen, dass der während der Messung der Bodenreaktionskräfte auf
den menschlichen Körper
projizierte Bodenreaktionskraftvektor über eine Videokamera aufgenommen
wird. Somit ist möglich,
eine dynamische Anzeige des Bodenreaktionskraftvektorverlaufes wiederholt
zu analysieren. Bei einer Verwendung eines Datenprojektors ist es möglich, sowohl
die Videobilder als auch die Kraftvektorprojektion über den
Datenprojektor anzuzeigen, so dass kein gesonderter Bildschirm vorhanden sein
muss.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kraftvektor farblich
dargestellt oder moduliert wird, beispielsweise wenn bestimmte Richtwerte über oder
unterschritten werden. Auch kann eine geometrische Modulation vorgesehen
sein. Eine belastungsabhängige
Farbveränderung
oder Größenveränderung
kann dem Prothesennutzer oder Orthopädiemechaniker unmittelbar Hinweis über einen
günstigen
oder ungünstigen
Prothesenaufbau geben.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1 – schematische
Draufsicht eines Anzeigesystem in einer Erstausgestaltung;
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2 – schematische
Darstellung eines Anzeigesystems in einer zweiten Ausgestaltung;
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3 – Anwendung
des Systems nach 2;
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4 – alternative
Darstellung der 3;
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5 – schematische
Darstellung einer Projektion einer Bodenreaktionskraft;
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6 – eine erste
Ausführungsform
einer Messplatte; sowie
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7 – eine Variante
der 6.
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In
der 1 ist in Draufsicht ein Anzeigesystem zur Darstellung
von Reaktionskräften
mit einer Messplatte 1 gezeigt, die über Kraftsensoren, die vorliegend
an den Vierecken der Messplatte 1 angeordnet sind, auf
dem Boden gelagert ist. Auf der Messplatte 1 steht ein
Mensch, von dem nur die Fußstellungen
angezeigt sind.
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Der
Messplatte 1 gegenüber
ist eine Projektionseinrichtung 3 angeordnet, die vorliegend
als eine Laserprojektionseinrichtung ausgebildet ist. Die Laserprojektionseinrichtung 3 ist
auf einer Verfahreinrichtung 31 verfahrbar angeordnet.
Die Verfahrrichtungen sind durch den Doppelfeil angedeutet. Die Kraftsensoren 2 sind
mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit gekoppelt, über die
die Lage des Körperschwerpunktes 5 der
auf der Messplatte 1 befindlichen Person auf der Messplatte 1 bestimmt
wird. Die Auswerteeinheit errechnet den Verfahrweg der Laserprojektionseinrichtung 3 und
richtet diese so aus, dass der Laserstrahl 32, der als
ein Lichtbalken ausgebildet ist, auf den Körper der auf der Messplatte 1 befindlichen
Person projiziert wird. Im vorliegenden Beispiel steht die Person
mit beiden Füßen auf
der Messplatte 1, so dass im Wesentlichen nur vertikal wirkende
Bodenreaktionskräfte
durch die Kraftsensoren 2 aufgenommen werden. Dementsprechend
sind der Laserstrahl 32 und der projizierte Lichtbalken
im Wesentlichen lotrecht ausgerichtet.
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Sofern
jedoch Horizontalkräfte
gemessen werden, sieht das erfindungsgemäße Anzeigesystem vor, dass
die Projektionseinrichtung 3 dergestalt verschwenkt wird,
dass neben dem Ort des Kraftangriffspunktes der Bodenreaktionskraft
auch die Orientierung angezeigt wird. Dazu muss der Laserstrahl 32 bzw.
die Projektionseinrichtung 3 um eine Achse parallel zu
dem dargestellten Laserstrahl 32 gedreht bzw. gekippt werden.
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Eine
alternative Ausgestaltung des Anzeigesystems ist in der 2 dargestellt,
in der statt eines verfahrbar gelagerten Laserprojektors 3 ein
Datenprojektor 4 vorgesehen ist, der einen Lichtstrahl 41 innerhalb
des Abstrahlbereiches 42 des Datenprojektors 4,
auch Beamer genannt, auf den auf der Messplatte 1 befindlichen
Menschen projiziert. Wie in der 1 ist bei
einer stehenden Person eine im Wesentlichen lotrechte Orientierung
des Lichtbalkens 41 zu erwarten. Dieser ist im Körperschwerpunkt 5 angeordnet.
Oberhalb des Datenprojektors 4, bevorzugt auf dessen optischer
Achse, ist eine Videokamera 8 installiert, über die
bei Messung der Bodenreaktionskraft die Projektion des Lichtbalkens 41 aufgenommen
werden kann. Sofern die Videokamera 8 in einer optischen
Ebene mit dem Datenprojektor 4 liegt, bevorzugt übereinander
und mit dem gleichen optisch wirksamen Abstand, tritt kein Parallaxenfehler
auf, so dass die Anzeige hinreichend genau ist.
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In
der 3 ist das Anzeigesystem gemäß 2 dargestellt,
bei der die Person nur mit einem Fuß auf der Messplatte 1 steht.
Die Kraftanleitungspunkte 6 über die Füße, gegebenenfalls Prothesenfüße, befinden
sich somit einmal auf und einmal neben der Messplatte 1.
Aufgrund einer gegebenenfalls wirksamen Horizontalkraft befindet
sich der Lichtstrahl 41, der von dem Datenprojektor 4 auf
den Körperschwerpunkt 5 projiziert
wird, nicht mehr in der Lotrechten, sondern ist ausgehend von dem
Krafteinleitungspunkt 6 auf der Messplatte 1 entsprechend der
Orientierung des Bodenreaktionskraftvektors gekippt, so dass die
Orientierung des Bodenreaktionskraft vektors angezeigt und auf den
Körper
projiziert wird. Diese Projektion kann über die Videokamera 8 aufgenommen
werden. So ist es möglich,
einen gehenden Menschen aufzunehmen, wobei ein Fuß auf der
Messplatte 1 und ein anderer daneben aufgesetzt ist. Im
Verlauf des Schrittes bzw. der Schritte können dann die Bodenreaktionskräfte auf
den menschlichen Körper
projiziert und eine dynamische Betrachtung durch das Videobild wiederholt
und im Detail erfolgen. Die Wiedergabe des Videobildes, das durch
die Videokamera 8 aufgenommen wurde, kann durch den Beamer 4 erfolgen,
gegebenenfalls auf einer Leinwand oder auf ein hinter der Messplatte 1 befindlichen
Wand.
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In
der 4 ist das Anzeigesystem gemäß 3 dargestellt,
bei dem der Lichtstrahl 41, der den Bodenreaktionskraftvektor
darstellt, auf eine Person projiziert wird. Die Projektion kann
dabei so erfolgen, dass der Lichtstrahl geometrisch oder farblich
moduliert wird, um anzuzeigen, wie groß der Betrag des Bodenreaktionskraftvektors
ist oder ob sich die Bodenreaktionskräfte innerhalb eines akzeptablen
bzw. vorgegebenen Rahmen befinden. Dadurch kann ermittelt werden,
ob eine Prothese korrekt eingestellt ist, also ob ein günstiger
Prothesenaufbau vorliegt. Darüber
hinaus ist es möglich,
an der Prothese Veränderungen
vorzunehmen, während
der Bodenreaktionskraftvektor auf die Person projiziert wird, die
auf der Messplatte 1 steht. Der Lichtbalken 41 oder
der Laserstrahl wird dann während
der Veränderung
des Prothesenaufbaues in dem Maße
verkippt, wie sich die Bodenreaktionskraft verändert. Vorteilhafterweise schaut
der Orthopädiemechaniker
dabei aus der Richtung des Projektors 4, um Parallaxenfehler
möglichst
zu vermeiden.
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In
der 4 ist ein Projektionsfehler 9 dargestellt,
der aufgrund der nicht ebenen Projektionsfläche auf den menschlichen Köper entsteht;
die rechnerisch ermittelte und optisch korrekte Projektionsfläche 46 liegt
in der Ebene senkrecht zu der Messplatte 1 und geht durch
den Krafteinleitungspunkt 6 hindurch. Dieser Projektionsfehler 9 ist
in der Regel gering und kann vernachlässigt werden. Die Längenmodulation
kann über
den Strahlensatz und die Kenntnis des Krafteinleitungspunktes 6 aufgrund
der verschiedenen Kraftsensoren 2 und deren Auswertung
errechnet werden.
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Die 5 zeigt
eine Seitenansicht eines Patienten mit dem Körperschwerpunkt 5,
der Körperschwerpunktlinie 51 als
Lotrechte sowie der Bodenreaktionskraft 7, die in einem
Winkel zu der Horizontalen ausgerichtet ist. Entlang der Orientierung
der Bodenreaktionskraft 7 wird der Lichtbalken projiziert.
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Die 6 und 7 zeigen
verschiedene Konstruktionen der Messplatte 1 und die Zusammensetzung
der Bodenreaktionskraft 7 aus einer Vertikalkomponenten 72 und
einer Horizontalkomponente 71, die im Körperschwerpunkt 5 angreifen.
Die Errechnung der Bodenreaktionskraft 7 und die Bestimmung
der Orientierung erfolgt über
die Messung der Vertikalkomponente 72 und Horizontalkomponente 71 über die
Kraftsensoren 2, die als Mehrkomponentenkraftsensoren ausgebildet
sind. Gemäß 6 können mehrere
Kraftsensoren 2 vorzugsweise an den Ecken der Messplatte 1 angeordnet
sein, gemäß 7 ist
ein Mehrkomponentenkraftsensor 2 zentral an der Messplatte 1 angeordnet;
alle Kraftsensoren 2 ermitteln die vertikalen und horizontalen
Kräfte
während
der statischen oder dynamischen Belastung. Dadurch ist eine statische
und dynamische Betrachtung des Kraftverlaufes möglich, der während des Stehens
oder Gehens auf den Patienten und die Prothese einwirkt. Zusätzlich zu
dem Lichtbalken bzw. dem Laserstrahl ist es bei der Verwendung eines
Datenprojektors 4 möglich,
Zusatzinformationen wie den Betrag der jeweiligen Komponenten oder
Verstellvorschläge
einzublenden.