DE102006022243A1

DE102006022243A1 - Vorrichtung zur Analyse am Laufband

Info

Publication number: DE102006022243A1
Application number: DE200610022243
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medical GmbH
Current assignee: Zebris Medical GmbH
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2007-11-15
Also published as: EP2018117A1; WO2007131542A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur fortlaufenden Analyse des Ganges. Mittels eines Laufbandes und einer ortsfest unter dem Band angebrachten Drucksensormatrix sowie weiterer Messmittel zur Bestimmung der zeitlichen und örtlichen Position der Druckverteilungsbilder können mittels einer Recheneinheit wichtige Parameter zur Analyse des menschlichen oder tierischen Ganges bestimmt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ganganalyse am Laufband.
Vorrichtungen zur Erfassung von Kräften und Kraftverteilungen sind an sich bekannt:
(DE-36 42 088 C2 und DE-25 29 475 C3)
Alle diese bekannten Vorrichtungen können als Plattformen zur biomechanischen Ganganalyse eingesetzt werden, bei denen der Gang eines beliebigen Lebewesens untersucht und analysiert wird. Hierbei besteht aber der Nachteil, dass immer nur ein einziger Schritt und ein einzelner Abrollvorgang aufgenommen werden kann.
Um ein natürliches Gangverhalten zu erhalten, ist es dagegen notwendig, den Gang über eine längere Zeit aufzunehmen. Wird nur ein einzelner Schritt aufgezeichnet, so muss die Messperson einen großen Anlauf nehmen. Hierbei ist das Treffen der Messplattform mit den Füßen ein weiteres Problem.
Ferner wird eine Messvorrichtung als bekannt beschrieben, bei der ein Laufband über eine Messplattform bzw. Messfläche gezogen wird und somit eine fortlaufende Erfassung von Kräften möglich wird:
(R. Kram und A. J. Powell: "A treadmill-mounted force platform" in "J. Appl. Physiol. 67(4): 1692–1698 (1989)
Diese bekannte Vorrichtung ermöglicht jedoch nur eine Erfassung einer Vertikalkraft, nicht jedoch die Unterscheidung zwischen dem linken und rechten Fuß sowie die Erfassung von Schrittlänge, Schrittbreite und weiterer wichtiger Gangparameter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur automatischen Ganganalyse bereitzustellen, mit der eine möglichst genaue Erfassung und Auswertung aller beim natürlichen Gang auftretenden Gangparameter möglich ist.
Darüber hinaus soll die Vorrichtung weitere Messparameter eines Lebewesens wie z.B. die Muskelaktivität oder Gelenkwinkel aufnehmen können und die verschiedenen Messparameter an einer Recheneinheit zeitsynchron darstellen können.
Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahme des Gangs über eine längere Zeit möglich, da ein Laufbandsystem verwendet wird. Dieses Laufbandsystem besteht aus einem Endlosband das über eine Sensorplattform gezogen wird, die mit einer Vielzahl matrixförmig angeordneten Druck- bzw. Kraftsensoren bestückt ist.
Grundsätzlich ergibt der Gang über eine solche Platte keine auswertbaren Messergebnisse, da sich die Druckwerte ständig ändern, da die Füße über die Platte gezogen werden. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass der Bandvorschub bzw. die Bandgeschwindigkeit und die fortlaufend erfassten Druckwerte zusammengeführt werden und mittels Recheneinheit die Position der Druckverteilungsbilder rekonstruiert werden aus denen dann die Gangparameter bestimmt werden können. Die erfassten Gangdaten werden mit einer Übertragungseinrichtung an eine Auswerteeinheit übermittelt. Somit wird eine Vorrichtung geschaffen, welche fortlaufend die Bodenreaktionskräfte eines im Gang befindlichen Lebewesens, vorzugsweise eines Menschen erfassen und auswerten kann. Die Ganganalyse von Tieren beispielsweise von Pferden ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aber ohne weiters möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Sensorteil einen zusätzlichen Lichtsender auf der zu bestimmten Zeitpunkten vorzugsweise dem jeweils ersten Bodenkontakt der Füße oder aber in definierten Zeitabständen ein Lichtsignal abgibt. Der Proband trägt in einer bevorzugten Ausführungsform einen Messadapter zur Erfassung von weiteren biometrischen Signalen, beispielsweise am Gürtel mit sich. Dieser Adapter weist einen Lichtempfänger auf der das Lichtsignal der Sensorplatte empfängt. Das empfangene Lichtsignal ist vorzugsweise codiert und wird den biometrischen Messsignalen überlagert.
Der Messadapter sendet die biometrischen Messsignale mit aufgeprägtem Lichtsignal per Funk zur Recheneinheit in der die Drucksignale der Sensorplatte mit den biometrischen Signalen zeitsynchron dargestellt werden. Alternativ ist es möglich, dass die Lichtsignale vom Messadapter ausgehen und an der Sensorplatte empfangen werden.
In 1 wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Das Laufbandsystem enthält ein umlaufendes, Band das vorzugsweise mittels aktivem Antrieb über zwei Laufwalzen 2 gezogen wird. Die erfindungsgemäße Anordnung kann aber auch bei Laufbandsystemen eingesetzt werden, bei denen das Band durch die auf dem Band gehende Person über die Muskel- und Schwerkraft angetrieben wird. Unterhalb der Oberseite des Gurtes 12 ist eine Sensorplatte 2a angebracht über die das Band gezogen wird. Vorzugsweise befindet sich oberhalb der Sensorplatte 2a eine dünne Folie 3, die den Druck auf die Sensorfläche 1 ortsaufgelöst weiterleitet, aber die Sensorfläche 1 gleichzeitig vor den Horizontalkräften des umlaufenden Bandes schützt. Diese kann auch mit den Sensoren 1 verbunden oder verklebt sein. Die Sensorfläche 1 ist mit einer Auswerte- und Ansteuereinheit 5 mit dem Auswerterechner 6 verbunden. Selbstverständlich kann die Sensorplatte 2a beliebig dünn sein und somit als Sensormatte ausgeführt sein. Die Ansteuereinheit 5 befindet sich vorzugsweise in direkter Nähe der Sensorplatte 2a und kann in das Laufbandsystem integriert sein. Der Vorschub bzw. die Vorschubgeschwindigkeit des umlaufenden Bandes wird hier über die Drehgeschwindigkeit der Laufwalze 2 detektiert und an die Recheneinheit weitergegeben. Dies kann durch eine automatische Übermittlung geschehen. Diese Detektion umfasst im wesentlichen die zeitliche und örtliche Bestimmung der Position der durch das Laufband sich bewegenden Druckverteilungsbilder.
In einer einfachen Form wird die Vorschubgeschwindigkeit oder die Drehgeschwindigkeit der Walzen 2 an einer Anzeigeeinheit des Laufbandes abgelesen und per Hand in die Recheneinheit 6 eingegeben.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messplattform 2a mit matrixförmig angeordneten Kraft- bzw. Drucksensoren 1 dargestellt. Die Größe der Drucksensoren 1 richtet sich nach dem zu vermessenden Objekt.
Bei der Vermessung menschlicher Füße wird vorzugsweise eine Sensorauflösung von etwa einem Sensor pro Quadratzentimeter gewählt.
In einer bevorzugten Ausführung werden Sensoren gewählt, die aus einzelnen Kondensatoren mit elastischem Dielektrikum bestehen, die bei Krafteinwirkung den Kapazitätswert ändern oder Sensoren die bei Krafteinwirkung ihren Widerstandswert verändern. Diese Sensoren können zu Zeilen und Spalten zusammengefasst sein und werden entsprechend angesteuert und ausgelesen.
3 zeigt wie ein menschlicher Fuß durch die Bandbewegung des Laufbandes nach hinten gezogen wird, wobei die hier dargestellten Fußabdrücke in Bewegungsphasen gezeigt sind. Diese entsprechen der Abtastrate der Sensorfläche.
Die Anzahl der bevorzugten Messungen pro Zeiteinheit ist abhängig von der Geschwindigkeit mit der das Band nach hinten gezogen wird. Bei der Bewegung eines Fußes entlang des Bandes werden vorzugsweise eine Vielzahl von Messbildern aufgenommen. Die bevorzugte Abtastrate der Sensoren 1 auf der Sensorplatte beträgt zwischen 30 und 100 Messbildern pro Sekunde.
Die Detektion der Vorschubgeschwindigkeit des Bandes über die Bewegung der Laufwalze 2 entspricht jedoch in vielen Fällen nicht den Erfordernissen einer hohen Messgenauigkeit, weil das Laufband 12 durch das Betreten eine erhöhte Reibung erfährt und damit seine Bewegungsgeschwindigkeit ändert. Auch kann eine Messdifferenz auftreten durch eine Dehnung des Bandes oder eine Bewegung des Bandes gegen die Laufrolle.
Deshalb können in einer besonderen Ausführungsform durch Mustererkennung die zeitlichen und örtlichen Positionen der Druckverteilungsmuster auf der Sensorfläche 2a durch die Bewegung der markanten Druckmuster entlang der Sensorfläche in Längsrichtung des Laufbandes detektiert werden. Ein auf dem bewegten Band aufgesetzter Fuß wird automatisch vom umlaufenden Band nach hinten gezogen und erzeugt auf den unter dem Band liegenden Sensoren ein Druckverteilungsmuster, das sich in einer bestimmten Geschwindigkeit entlang der Laufrichtung des Bandes bewegt. Diese Druckmuster bzw. Druckflächen können von Ihrer Form und Ausdehnung her fortlaufend per Recheneinheit untersucht und die Vorschubewegung der Druckmuster durch Mustererkennung und Bildbearbeitung hinsichtlich der Zeit bzw. der Vorschubgeschwindigkeit detektiert werden.
Die genaue Kenntnis der Position und Zeitzuordnung der Druckverteilungsmuster oder Fußabdrücke auf dem Laufband ist eine Voraussetzung, um beispielsweise die wesentlichen zeitlichen, örtlichen und kräftemäßignen Parameter des menschlichen Ganges bestimmen zu können.
Werden zusätzlich zu der Form der Druckverteilungsbilder noch die auftretenden Druckwerte mit in Betracht gezogen, so kann die Genauigkeit der zeitlichen und örtlichen Positionsbestimmung der Füsse auf dem Laufband weiter erhöht werden.
Selbstverständlich kann die Bestimmung der Position durch Mustererkennung mit anderen Messmethoden der Bestimmung der Bandgeschwindigkeit kombiniert sein.
4 zeigt in einer besonderen Ausführungsform die Bestimmung der zeitlichen und örtlichen Position des Laufbandes 12 und damit der Druckverteilungsmuster über ein aufgebrachtes Codierungsmuster 15 aus dem Band. Dieses wird vorzugsweise auf der Innenseite entlang des Laufbandes beispielsweise als Streifenmuster 15 aufgebracht. Über eine optische Detektionseinheit 17 kann die Bewegung des Streifenmusters und damit des Bandes detektiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform findet wie in 5 dargestellt ein optischer Sensor zur Erkennung von Oberflächenstrukturen 18 Verwendung. Hierdurch lassen sich ebenfalls Rückschlüsse auf die Bewegung des Bandes herleiten.
Die optischen Senoren aus 4 und 5 können in einer bevorzugten Ausführungsform direkt auf der Sensorplatte 2a untergebracht sein wodurch sich eine kompakte Einheit ergibt.
6 zeigt eine spezielle Ausführung eine Laufbandes das speziell für den Einsatz von Handstöcken konzipiert ist. Dieses besitzt drei getrennte Laufbänder wovon zwei für den Stockeinsatz vorgesehen sind. In einer erfindungsgemäßen Variante sind die beiden äußeren schmaleren Bänder und gegebenenfalls das mittlere Band mit einer Sensorplatte ausgestattet, sodaß die Koordination des Stockeinsatzes beim Gehen genau untersucht werden kann. Die Detektion der Bandgeschwindigkeiten erfolgt wie in den Ausführungsbeispielen beschrieben und kann für jedes Band extra durchgeführt werden.
7 zeigt zwei Ausführungsbeispiele für die Befestigung der Sensorplatte 2a. innerhalb des Laufbandsystems. Hierbei wird die Sensorplatte 2a auf einer Grundplatte 17 des Laufbandsystems montiert wobei das Laufband mittels Umlenkrollen 18 oder Umlenkkeile 19 über die Sensorplatte 2a geleitet wird. Diese Anordnung hat den besonderen Vorteil, daß vorhandene Laufbandsysteme ohne großen Aufwand nachträglich mit einer Messsensorik ausgestattet werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung werden beim zu vermessenden Lebewesen über einen Messadapter 8 weitere biometrische Signale aufgezeichnet. Dies können Muskelaktionsspannungen sein die über Elektroden 13 abgenommen werden. Ebenso können dies über elektrische Goniometer abgenommene Gelenkwinkel oder Neigungswinkel sein. Die Messdaten werden vorzugsweise über ein kabelloses Funksignal 11 zur Recheneinheit 6 übertragen. Bei der Darstellung der biometrischen Signale 13 auf der Recheneinheit 6 kommt es darauf an, dass diese zeitsynchron zusammen mit den Druckverteilungswerten der Sensorplatte 2a dargestellt werden. Hierzu wird beim aufgezeigten Ausführungsbeispiel von der Ansteuereinheit 5 über einen Lichtsender der Sensorplatte 7 ein Lichtsignal, vorzugsweise als Infrarotlicht 10 zu einem Lichtempfänger 9 im Messadapter 8 gesandt. Das Lichtsignal 10 kann wiederum jedes Mal dann gesendet werden, wenn der Fuß eine Probanden die Sensorfläche trifft. Die vorzugsweise codierten Lichtimpulse 10 werden in elektrische Daten umgewandelt, dem biometrischen Messsignal aufgeprägt und per Funksignal 11 an die Recheneinheit übermittelt. Die Codierung der Lichtimpulse kann dadurch bewerkstelligt werden, dass beispielsweise Impulse in einem bestimmten kurzen Zeitabstand versandt werden. In der Recheneinheit 6 werden dann die biometrischen Signale 13 mit den Druckverteilungswerten zeitsynchron zusammen dargestellt.

1: Druck-/Kraftverteilungs-Sensorfläche
2: Laufwalzen
2a: Sensorplatte/Sensormatte
3: Folie zur Aufnahme der Horizontalkräfte
4: Detektor für die Drehgeschwindigkeit der Laufwalze
5: Ansteuereinheit
6: Recheneinheit
7: Lichtsender/-empfänger
8: Messadapter
9: Lichtempfänger/-senden
10: Lichtimpulse
11: Funksignal
12: Laufband
13: Elektroden
14
15: Codierungsmuster
16: Oberflächenstruktur des Laufbandes
17: Grundplatte
18: Umlenkrolle
19: Umlenkkeil

Claims

Vorrichtung zur Ganganalyse mittels eines Laufbandes bestehend aus einem über mindestens zwei Laufrollen geführtes Endlosband sowie einer Sesorik zur Bestimmung der Druck- Kraftverteilung, dadurch gekennzeichnet, dass sich unterhalb des Endlosbandes eine Messfläche bzw. Messplattform befindet, auf der sich auf der dem Band zugeneigten Seite eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Druck/Kraftsensoren befindet, dass diese Sensoren die Vertikalkraft messen, dass die Position der sich auf dem Band bewegenden Druckverteilungsbilder und damit deren Vorschubbewegung nach Zeit und Ort detektiert wird und dass die Messinformationen in einer Recheneinheit zusammengeführt und daraus Messparameter zur Analyse des Ganges erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen und örtlichen Vorschubbewegungen der Druckverteilungsbilder entlang des Bandes in einer Recheneinheit anhand der Form und Ausdehnung charakteristischer Druckverteilungsmuster detektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung des Bandes anhand dem Belastungsverlauf der Drucksensoren detektiert und im Rechner zur Rekonstruktion des Gangbildes herangezogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung des Laufbandes aus der Rotationsgeschwindigkeit der Laufwalzen detektiert und automatisch als Bandgeschwindigkeit und an die Recheneinheit übermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zahlenwert am Laufband angezeigte Vorschubgeschwindigkeit des Bandes bzw. der Rotationsgeschwindigkeit der Laufwalzen als numerischer Wert in die Recheneinheit übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung der Druckverteilungsbilder aus der Bewegung des Laufbandes hergeleitet wird, dadurch, daß auf einer Seite entlang des Bandes fortlaufen ein Codierungsmuster aufgebracht ist, und damit über einen optischen Detektor die Bandgeschwindiglkeit erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Codierungsmuster auf der Innenseite aufgebracht ist und derb optische Sensor vorzugsweise direkt an der Sensorplatte angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegung dadurch erfasst wird, dass ein optischer Sensor zur Erkennung von Oberflächenstrukturen Verwendung findet und fortlaufen die Bandoberfläche abtastet.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufband an der Oberseite über weitere Umlenkrollen oder Umlenkkeile geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufbandsystem aus mehreren unabhängigen Bändern besteht deren Belastung mit einer oder mehreren Senorplatten gemessen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormatrix aus Einzelsensoren besteht deren Messprinzip der Änderung einer Kapazität oder des elektr. Widerstandes entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Sensormatrix und bewegtem Band zur mechanischen Entkopplung der Horizontalkräfte eine gleitfähige und biegsame Folie befindet und die im wesentlichen die vertikale Lastverteilung vom Band auf die Sensormatrix überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte und Steuereinheit der Sensormatrix einen Licht/Infrarot sender/empfänger zur Synchronisation weiterer biometrischer Messeinheiten ansteuert
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsignale vom Zeitpunkt ihrer Auslösung mit Belastungsmustern an der Sensormatrix korreliert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsignale codiert sind.
Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Auswerteparameter mindestens die Schrittlänge, und die Belastung auf Vor- und Rückfuß berechnet werden.