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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren
zur Generierung hinsichtlich der Laufkinematik und der motorischen
Koordination der Laufmuskulatur einer Person indikativer Signale.
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Die
Erfindung befasst sich dabei insbesondere mit der Problematik der
Bereitstellung von Signalen zur Analyse und Bewertung der Laufkinematik einer
Person unter sportmedizinischen, arbeitsergonomischen oder therapeutischen
Gesichtspunkten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche
es möglich
wird, die Laufkinematik einer Person mit hoher Aussagekraft zu beschreiben
und zu bewerten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Sensorstruktur zur Generierung hinsichtlich der Laufkinematik
einer Person indikativer Signale, wobei die Sensorstruktur mehrere
Sensoreinrichtungen umfasst die als solche dazu vorgesehen sind hinsichtlich
des lokalen Aufstandsdruckes oder der lokalen Aufstandskraft eines
Fußes
indikative Signale an mehreren Messstellen innerhalb einer Fußaufstandsfläche zu liefern.
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Dadurch
wird es auf vorteilhafte Weise möglich,
in Echtzeit während
des Gehens oder Laufens einer Person Informationen über den
zeitlichen Verlauf der Fußflächenpressungsverteilung
aufzuzeichnen.
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Auf
Grundlage der so gewonnenen Signale kann insbesondere die Laufcharakteristik
und hierdurch auch der momentane Erschöpfungsgrad des Anwenders beurteilt
werden. Auf Grundlage dieser Informationen ist es möglich ein
Lauftraining eines Anwenders zu analysieren und zu optimieren. Anhand
der Historie der so gewonnenen Informationen kann auch ein Trainingszustand
des Anwenders festgestellt werden.
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Auf
Grundlage der erfindungsgemäß erhobenen
Signale wird es auch möglich,
dem Anwender in Echtzeit ein Feedback über die momentane Fußflächenpressungsverteilung
zu geben. Anhand dieser Information kann insbesondere auch festgestellt werden,
wie weit der Anwender momentan eine optimale Fußbelastung vornimmt. Mit diesen
Informationen kann der Anwender eine Leistungseinteilung für ein noch
abzuarbeitendes Laufpensum, z.B. bei Langstreckenläufen vornehmen.
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Die
erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann
auch in ein Schrittobservationsinstrument oder -system eingebunden
sein das als solches als Schrittzähler fungiert, wobei nicht
nur die Anzahl der Schritte mit hoher Zuverlässigkeit ermittelt wird, sondern
auch noch die Charakteristik der Schritte beurteilt werden kann.
Insbesondere kann zwischen Gehen und Laufen unterschieden werden
und die Dynamik der jeweiligen Schritte bewertet werden. Anhand der
erfindungsgemäß erhobenen
Sensorsignale kann auch die Schwebezeit des Anwenders zwischen dem
Aufsetzen der beiden Füße ermittelt
werden.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Sensorstruktur einen ersten Sensor der
dazu dient, den Aufstandsdruck im Fersenbereich zu erfassen. Das durch
diesen Sensor erhobene Sensorsignal dient vorzugsweise als Referenzsignal
für die
weiteren, zum jeweiligen Schrittzyklus erhobenen Messsignale.
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Vorzugsweise
umfasst die erfindungsgemäße Sensorstruktur
wenigstens einen weiteren Sensor der dazu dient, den Aufstandsdruck
im vorderen Ballenbereich, insbesondere in den nachfolgend in Verbindung
mit den Figuren noch näher
erläuterten
Zonen zu erfassen.
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Es
ist möglich,
weitere Sensoren insbesondere Zehendrucksensoren vorzusehen die
es ermöglichen,
auch die Aufstandsdrücke
im Bereich der Aufstandsflächen
der Fußzehen
zu erfassen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Sensoren als Drucksensoren ausgebildet. Diese
Sensoren können hierzu
eine flexible Lage, beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Schaummaterial
umfassen, wobei durch entsprechenden Druck auf diese flexible Lage
die Leitfähigkeit
derselben verändert
wird. Diese Änderung
der Leitfähigkeit
kann als Messsignal zur Errechnung des Stauchdruckes herangezogen werden.
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Es
ist auch möglich,
die Drucksensoren so auszubilden, dass die lokale Pressung anhand
der Kapazitätsänderung
einer Kondensatorstruktur erfasst wird. Diese Kondensatorstruktur
kann beispielsweise durch zwei elektrisch leitfähige Lagen gebildet sein die
durch eine stauchbare Lage, insbesondere als Dielektrikum fungierende
Schaumstofflage voneinander getrennt sind. Durch entsprechende Stauchung
der Schaumstofflage ergibt sich eine Änderung der Kapazität des so
gebildeten Kondensatorsystems. Diese Kapazitätsänderung kann als signaltechnische
Grundlage für
die Ermittlung des Aufstandsdruckes herangezogen werden. Es ist
auch möglich,
die Druckmessunng durch kleine Taschen zu bewerkstelligen die mit
einem viskosen Medium befüllt
sind, wobei in dieses Medium kleine Drucksensoren, z.B. in Piezobauweise
eingebettet sind.
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Es
ist auch möglich,
die Sensoren durch mehrere, beispielsweise elektrisch oder optisch
leitfähige
Lagen zu bilden, wobei die Messanordnung so bewerkstelligt ist,
dass ein hinsichtlich des Aufstandsdruckes indikatives Signal auf
Grundlage eines physikalischen Effekts generiert wird der als solcher
mit einer Zusammenpressung jener Lagen korreliert.
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Die
erfindungsgemäße Sensorstruktur
ist gemäß einem
besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung in eine Schuheinlage
eingebunden. Diese Schuheinlage ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass
diese eine an sich hermetisch in sich abgeschlossene Struktur bildet,
sodass die Druckmesseigenschaften durch über die reine Belastung der Schuheinlage
hinausgehende Einflüsse,
insbesondere unter Einwirkung von Feuchtigkeit nicht verändert werden.
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Es
ist auch möglich,
die erfindungsgemäße Sensorstruktur
unmittelbar in einen Schuh einzubinden. Hierbei stehen insbesondere
im Bereich des Schuhabsatzes sowie der Schuhsohle relativ große Raumabschnitte
zur Anordnung der Sensoreinrichtung und zur Realisierung entsprechender
Leiterbahnen und Schaltungen zur Verfügung. Es ist auch möglich, die
Sensoreinrichtung in einen Strumpf einzubinden, der vom Anwender
angezogen wird. Hierdurch wird es möglich, das Laufverhalten des
Anwenders auch ohne Schuh, oder auch in einem Schuh festzustellen.
Dadurch wird es insbesondere auch möglich, die Qualität von Schuhen
zu bewerten.
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Es
ist auch möglich,
die Sensoreinrichtung durch mehrere individuell am Fuß platzierbare,
insbesondere an den Fuß anklebbare
Flach-Sensorelemente zu realisieren.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Signalvorverarbeitungsschaltung vorgesehen
die als solche dazu dient, eine Vorauswertung und vorzugsweise Normierung
der über
die jeweiligen Sensoreinrichtungen generierten Druckmesssignale
vorzunehmen. Diese Signalvorverarbeitungsschaltung ist vorzugsweise
so ausgebildet, dass diese die Druckmesssignale in digitale Signale
konvertiert. Die Signalvorverarbeitungsschaltung kann mit einer
elektronischen Speichereinrichtung versehen sein, in welcher die
momentan ermittelten Messsignale abgelegt sind. Diese Signale sind
vorzugsweise mit relativ hoher Lesegeschwindigkeit adressiert, z.B.
für die
jeweils zu untersuchenden Zonen auslesbar.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden die hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der
Drücke
in einzelnen Zonen der Fußaufstandsflächen indikativen
Signale durch eine Auswertungsprozedur ausgewertet. Diese Auswertungsprozedur
kann auf den jeweiligen Analysezweck abgestimmt sein. So ist es
insbesondere möglich,
die Auswertungsprozedur so zu gestalten, dass über diese ein Normierungsansatz
abgearbeitet wird der als solcher eine Bewertung oder einen Vergleich
zeitlich abfolgender Schrittzyklen ermöglicht, Auf Grundlage der erfassten
und ausgewerteten Signale kann beispielsweise ermittelt werden,
ob die Laufkinematik des jeweiligen Anwenders bestimmte Eigenschaften
erfüllt.
Es ist auch möglich,
hierbei Feedbacksysteme vorzusehen die es als solche dem jeweiligen
Anwender ermöglichen,
unmittelbar während
des Laufens Informationen über
die Qualität
der Koordination bzw. die Aktivierung seiner Laufmuskulatur zu erhalten.
So kann dem Anwender zum Beispiel auf akustischem Wege mitgeteilt
werden, wenn die Sensorsignale erkennen lassen, dass ein bestimmter
Erschöpfungsgrad
erreicht ist. Es ist möglich,
anhand der erfassten Signale einen Trainingslauf zu dokumentieren
und festzustellen, wann bestimmte Veränderungen der Laufcharakteristik,
insbesondere Ermüdungseffekte
bei der Fußbelastung auftreten.
Vorzugsweise werden für
jeden Schritt Auswertungsergebnisse generiert. Diese Auswertungser gebnisse
können
gegebenenfalls in komprimierter Form für abfolgende Schritte gespeichert werden.
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Es
ist möglich,
anhand der Daten über
abfolgende Schritte den Korrelationsgrad des für den jeweiligen Schritt typischen
Belastungsmusters mit einem Bezugsmuster zu vergleichen. Dieses
Bezugsmuster kann beispielsweise so abgestimmt sein, dass dieses
einem durchschnittlichen Fußbelastungsmuster
entspricht. Das Bezugsmuster kann auch so gestaltet sein, dass dieses
ein ideales Fußbelastungsmuster
repräsentiert.
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Diese
Auswertungen über
die zeitliche Charakteristik der Fußbelastung können anhand
graphisch ansprechend gestalteter Benutzeroberflächen visualisiert werden. Diese
Benutzeroberflächen
können
so gestaltet sein, dass über
diese menuebasiert von einem Anwender mehrere Auswertungskriterien selektiert
werden können,
sodass die während
eines Trainingslaufes oder eines Observationslaufes generierten
Fußbelastungsmesssignale
nach verschiedensten Kriterien ausgewertet und visualisiert werden
können.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Beinkinematik während eines Schrittes
eines Anwenders,
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2 eine
Skizze zur Veranschaulichung einer Fußaufstandsfläche die
in mehrere Druckerfassungszonen untergliedert ist,
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3 eine
Schemadarstellung zur Erläuterung
einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur
die als solche in Verbindung mit einem Strumpf realisiert ist,
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4 eine
vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensorstruktur die als
solche im Zusammenspiel mit einer Schuheinlage realisiert ist,
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5a, 5b Diagramme
zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs der während eines
Schrittzyklus' erhobenen
Druck-Messsignale,
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6 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Änderung der Fußabrollcharakteristik
eines Anwenders über
einen längeren
Trainingslauf hinweg.
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In 1 sind
stark vereinfacht die einzelnen Bewegungsphasen des Standbeins während eines Schrittes
einer Person dargestellt. Während
dieses Schrittes erfolgt zunächst
ein Aufsetzen des Fußes auf
den Untergrund über
den Fersenbereich. Nach Aufsetzen des Fersenbereiches kontaktieren
verschiedene Zonen des Ballenbereiches des Fußes mit sich hierbei verändernder
lokaler Flächenpressung den
Untergrund. Gegen Ende des Fußaufstandsabschnittes
erfolgt eine Belastung des Fußspitzenbereiches
und anschließend
ein Abheben des Fußes. Während der
gesamten Bodenkontaktphase werden die auf den Fuß wirkenden Aufstandskräfte in die
die hier als schwarze Flächen
dargestellten Bereiche der Fußaufstandsfläche eingeleitet.
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In 2 ist
stark vereinfacht eine typische Fußaufstandsfläche A dargestellt.
Diese Fußaufstandsfläche umfasst
einen Fersenaufstandsabschnitt F1, einen Außenristaufstandsabschnitt R2
sowie Ballenaufstandsabschnitte B1 ... B5. Die hier gezeigte Fußaufstandsfläche umfasst
weiterhin auch Zehenaufstandsab schnitte Z1 ... Z5. Durch die erfindungsgemäße Sensorstruktur
werden die in den beschriebenen Aufstandsabschnitten F1, R2, B1
... B5 und Z1 ... Z5 wirkenden Druckkräfte mit hoher Taktfrequenz
erfasst und in Messsignale konvertiert.
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Wie
aus 3 ersichtlich ist es möglich, eine zur Erfassung der
Druckmesssignale und zur Umwandlung derselben in digitale Daten,
vorgesehene Steuerschaltung S1 unmittelbar in die Sensorstruktur einzubinden.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Sensorstruktur im Zusammenspiel mit einem Strumpf verwirklicht.
Die Steuerschaltung S1 sitzt hierbei an einem oberen Randbereich des
Strumpfes 1. Die Steuerschaltung S1 ist vorzugsweise mit
einer kleinen Energiespeichereinrichtung, insbesondere in Form einer
Knopfzelle versehen und umfasst weiterhin vorzugsweise eine Schnittstelle, insbesondere
eine Funkschnittstelle zur Aussendung der erfassten Daten an eine
vom Anwender im Bereich des Gürtels
oder um den Hals getragenen Hauptsammelschaltung HS, die beispielsweise
durch einen PDA, ein Mobiltelefon oder ein anderweitiges, mit einer
hinreichenden Speicherkapazität
ausgestattetes Kommunikationsgerät
gebildet ist. Die Hauptsteuerschaltung HS kann mit einer Displayeinrichtung
versehen sein, über
welche einzelne Schrittzyklen, oder auch der zeitliche Verlauf mehrerer Schrittzyklen
visualisierbar ist. Die Hauptsteuerschaltung kann auch mit einer
Feedbackeinrichtung, beispielsweise in Form eines Ohrhörers 7 versehen sein,
um dem Anwender während
des Laufes ein akustisches Feedback zur Kontrolle der Laufkinematik
zu geben.
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Alternativ
zu der in Verbindung mit 3 beschriebenen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung
in Verbindung mit einem Strumpf ist es auch möglich, diese in eine Schuhsohle
oder insbesondere auch, wie in 4 dargestellt, in
eine Schuheinlage zu integrieren.
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Bei
der Einbindung der erfindungsgemäßen Sensorstruktur
in eine Schuheinlage SE ist es möglich,
die Steuerschaltung 51 als Flachbaugruppe auszuführen und
insbesondere an der hier dargestellten, den Innenristbereich des
Fußes
unterstützenden Zone
anzuordnen. Die erfindungsgemäße Sensorstruktur
kann so ausgeführt
sein, dass diese weniger Detektionskanäle aufweist als vorangehend
in Verbindung mit 2 beschrieben. Zur Überwachung der
Fußkinematik
kann es ausreichen, Informationen über die Druckkräfte im Bereich
des Fersenaufstandsabschnitts F1 sowie in lediglich zwei oder drei Ballenaufstandsabschnitten
B1, B3 und B5 aufzuzeichnen.
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In 5a ist
in grober Näherung
die Druckbelastung für
die Fußaufstandsabschnitte
F1, B1, B3 und B5 dargestellt. Diese für den jeweiligen Schritt aufgenommenen
zeitlichen Druckverläufe
können durch
Kurvenanalysekriterien klassifiziert werden. Bei dem hier gezeigten
Beispiel sind diejenigen Zeitpunkte markiert, bei welchen sich unter
den Druck/Zeit-Flächen links
von der jeweiligen Markierung sowie rechts von der jeweiligen Markierung
gleiche Flächeninhalte
ergeben.
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Wie
aus 5b ersichtlich ist es möglich, die zeitliche Lage der
gemäß 5a ermittelten
Punkte sowie die durchschnittliche Druckbelastung in Form eines
Polardiagrammes darzustellen. In 5b ist dieses
Diagramm beispielhaft für
die Messreihe gemäß 5a dargestellt.
Für abfolgende
Schritte SN, SN + 1, SN + 2, können
derartige Polardiagramme generiert werden.
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Wie
aus 6 ersichtlich ist es möglich, die für jeden
Schritt gewonnenen Messwerte durch eine Abbildungsfunktion zu verarbeiten
und den zeitlichen Verlauf der Auswertungsergebnisse für die abfolgenden
Schritte darzustellen. Auf Grundlage der, der Graphik gemäß 6 zugrunde
gelegten Abbildungsfunktion kann hierbei eine Warmlaufphase P1, eine
optimale Laufphase P2, eine Laufphase P3 in welcher allmähliche Ermüdung erkennbar
wird, eine Laufphase P4 in welcher starke Ermüdungserscheinungen auftreten
und eine Laufphase P5 mit starker Erschöpfung erkannt werden. Durch
Aufzeichnen des Laufverhaltens für
verschiedene Trainingsläufe wird
es möglich,
Entwicklungen im Laufverhalten sowie insbesondere Trainingsfortschritte
bei der Lauftechnik zu erkennen. Es ist möglich, auf Grundlage des nach
ausgewählten
Auswertungskonzepten analysierten Laufverhaltens, insbesondere dynamischen Fußabrollverhaltens
eine Therapie oder ein Trainingskonzept zu optimieren.
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Es
wird vorzugsweise in hohe Datenauflösung der zeitliche Verlauf
der Flächenpressung
in ausgewählten
Zonen der Fußaufstandsfläche für mehrere
Schritte aufgezeichnet. Aus diesen Daten werden Informationen über die
Laufcharakteristik gewonnen.
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Die
erfindungsgemäße Sensorstruktur
eignet sich auch zur Observation der Beinbelastung im Rahmen einer
Rekonvaleszenzphase. So ist es möglich,
die Belastung der Beinmuskulatur über die Fußaufstandskräfte und
damit auch die anderweitigen Belastungen der Beinmuskulatur und
des Skeletts abzuschätzen.
Dem Anwender können
damit unzulässige
insbesondere auf akustischem Belastungen mitgeteilt werden. Weiterhin
wird es möglich
festzustellen, ob eine zur Revitalisierung ausreichende Bewegungsarbeit
erfolgt ist, oder ob beispielsweise zur Erfüllung eines Tagespensums noch
weitere Bewegungsübungen
erforderlich sind. Die erfindungsgemäße Sensorstruktur kann auch
in einen Stützverband
eingebunden sein.
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Vorzugsweise
werden erfindungsgemäße Sensorstrukturen
paarweise, d.h. am linken und am rechten Fuß verwendet. Es ist jedoch
auch möglich, bestimmte
Aussagen bereit durch Verwendung der Sensorstruktur an lediglich
einem Fuß zu
generieren.
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Die
Sensorstruktur kann auch so ausgebildet sein, dass diese für die gesamte
potentielle Fußaufstandsfläche mit
relativ hoher Auflösung – z.B. in
einem Sechseckraster mit einem Feldseitenabstand von 3mm – ein Messwertefeld
generiert, wobei vorzugsweise erst programmbasiert eine Gruppierung der
Messwerte und Zuordnung derselben zu bestimmten Bewertungszonen
erfolgt. Diese Bewertungszonen können
sich dann auch überlappen.
Aus derartigen Aufzeichnungen können
tiefergehende Aussagen über
die Fußbelastungscharakteristik
gewonnen werden. Die Abtastung gesamten Messfläche erfolgt vorzugsweise mit
einer Taktfrequenz von mehr als 80Hz. Mit dieser Sensorstruktur
kann auch die Qualität
von Fußbettsystemen
bewertet werden.