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Vorrichtung,
Sensor, Sensorelement sowie Verfahren zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und
von Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs,
einen Sensor sowie ein Sensorelement für eine solchen Vorrichtung
und ein Verfahren zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs.
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Aufgrund
der stetigen Zunahme an Wirbelsäulenerkrankungen,
beispielsweise verursacht durch körperliche Fehlhaltung am Arbeitsplatz, Übergewichtigkeit
und unzureichende Mobilisierung der Rückenmuskulatur durch Bewegungsmangel,
steigt der Bedarf an therapeutischen und diagnostischen Hilfsmitteln
in der Orthopädie
zur Identifikation und Reduktion von Krankheitsursachen und daraus
resultierenden Auswirkungen für
den Patienten.
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Derzeitig
am Markt verfügbare
Systeme zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufes weisen entscheidende
Nachteile auf. Entweder wird der Verlauf der Wirbelsäule vollständig, aber
in einem statischen Zustand vermessen, oder es handelt sich um mobile Systeme
für dynamische
Vermessungen, wobei die Sensoren jedoch nur punktuell entlang der
Wirbelsäule
befestigt sind und der Wirbelsäulenverlauf
somit nicht durchgängig
vermessen werden kann.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, bei der eine verbesserte Vermessung ermöglicht ist, sowie ein Verfahren
zur kontinuierlichen Vermessung zur Verfügung zu stellen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
nach den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Sensor für eine solche
Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 8, ein Sensorelement
für einen
solchen Sensor nach den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Verfahren
zur kontinuierlichen Vermessung nach den Merkmalen des Anspruch
22. Weiterbildungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben.
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Ein
erster Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung
des Wirbelsäulenverlaufs,
welche Mittel zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs,
sowie Mittel zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der
Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen
Freiheitsgraden ihrer Verformung umfasst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
erlaubt eine vollständige,
durchgängige
Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
hinsichtlich lateraler und dorsaler Richtung sowie Torsion sowohl
in statischem, ruhendem, als auch in dynamischem, bewegtem Zustand.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur
kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und die Mittel zur
kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei
Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen
Freiheitsgraden ihrer Verformung mindestens einen gemeinsamen, in
Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads
sensitiven, mindestens den zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erfassenden
Sensor, sowie eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit. Dabei
können
entweder ein Sensor zur Erfassung aller Freiheitsgrade, oder getrennte
Sensoren zur Erfassung jeweils eines Freiheitsgrads vorgesehen sein.
Wesentlich ist hierbei, dass sowohl die kontinuierliche Vermessung
des Wirbelsäulenverlaufs,
als auch die kontinuierliche Vermessung der Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen
Freiheitsgraden ihrer Verformung mit dem selben Sensor oder den
selben Sensoren erfolgt. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht,
dass der Sensor die Wirbelsäule
nicht nur punktuell erfasst, sondern sich beispielsweise über den
gesamten zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstreckt und so diesen
gesamten Teil insbesondere im Hinblick auf Verlaufsänderungen
zu erfassen in der Lage ist. Dabei ist es durchaus denkbar, dass
die Wirbelsäule
in diskrete Abschnitte unterteilt erfasst wird, wobei durch den
sich vorzugsweise entlang der Wirbelsäule erstreckenden Sensor Relativbewegungen
zwischen den einzelnen Abschnitten in Richtung aller Freiheitsgrade
erfasst werden können.
Hierdurch wird der Aufwand sowohl zur Anbringung geeigneter Mittel
zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und der Verlaufsänderungen der
Wirbelsäule,
als auch zur Auswertung der gewonnenen Sensordaten in einem überschaubaren
Maß gering
gehalten. Durch die geringe Anzahl einzelner Sensoren wird eine
effektive, kontinuierliche Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
in Ruhe, sowie eine Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei
Bewegung ermöglicht,
da Haltung und Bewegung einer zu vermessenden Wirbelsäule nicht,
bzw. so wenig wie möglich
eingeschränkt
wird.
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Vorzugsweise
umfasst der in Bezug auf eine Verformung mindestens in Richtung
eines Freiheitsgrads sensitive Sensor mindestens einen sich über mindestens
einen zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstreckenden, mindestens
eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads
biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter, mindestens eine an
einem ersten Ende des Lichtleiters eine konstante Lichtleistung
einstrahlende Lichtquelle, sowie mindestens einen die an einem zweiten
Ende des Lichtleiters ankommende Lichtleistung messenden Empfänger, wobei
der Empfänger mit
der Auswerteeinheit verbunden ist. Als Sensor sind optische Lichtleiter
vorgesehen, die beispielsweise durch partielle geometrische Veränderungen im
Kern-Mantel-Übergang,
welche bei Biegung des Lichtleiters beispielsweise wie eine Störung wirken, biegesensitiv
werden. Der Bereich eines Lichtleiters mit einer derartigen, beispielsweise
im Kern-Mantel-Übergang angeordneten
Veränderung
wird als sensitive oder biegesensitive Zone bezeichnet. Wird bei
einem Lichtleiter mit einer biegesensitiven Zone am ersten Ende
des Lichtleiters eine konstante Lichtleistung beispielsweise mittels
einer LED (Light Emitting Diode) oder einer Laserlichtquelle, wie
etwa einer Laserdiode, eingestrahlt, und wird am zweiten Ende die
Lichtleistung gemessen, beispielsweise mittels einer Photodiode
oder einem Phototransistor, so verändert sich die am zweiten Ende
gemessene Lichtleistung in Abhängigkeit
von der Biegung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone.
Durch eine geeignete Software lassen sich die Messdaten in eine
grafische Darstellung des Wirbelsäulenverlaufs unter Berücksichtigung
aller Freiheitsgrade der Verlaufsänderung überführen. Lichtwellenleiter mit biegesensitiven
Zonen können
im Gegensatz zu konventionellen Sensoren entlang der gesamten Wirbelsäule verlaufend
angeordnet werden. Dadurch kann der Verlauf der Wirbelsäule kontinuierlichen
vermessen werden, ebenso wie Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei
Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen
Freiheitsgraden ihrer Verformung gemessen werden können.
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Der
Begriff konstante Lichtleistung bedeutet im Rahmen der vorliegenden
Erfindung, dass die in den Lichtleiter zum Zeitpunkt einer Messung
eingestrahlte Lichtleistung unveränderlich ist, so dass durch
Messung der ankommenden Lichtleistung gleichzeitig die im Bereich
der biegesensitiven Zonen verloren gegangene Lichtleistung qualitativ
bestimmt werden kann, bzw. die ankommende Lichtleistung unmittelbar
ein Maß für den Anteil
der in der biegesensitiven Zone verloren gegangene Lichtleistung darstellt.
Dabei ist unerheblich, ob die konstante Lichtleistung kontinuierlich,
also pausenlos, oder impulsartig zu diskreten Zeitpunkten, zu denen
jeweils eine Messung erfolgt, in den Lichtleiter eingestrahlt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass der Sensor in mehrere Abschnitte unterteilt ist. Dabei umfasst jeder
Abschnitt mindestens einen mindestens eine in Bezug auf eine Verformung
in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone
aufweisenden Lichtleiter zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
und von Verlaufsänderungen der
Wirbelsäule
innerhalb des jeweiligen Abschnitts und/oder über benachbarte Abschnitte
hinweg. Ein solcher Sensor ist mit geringem Aufwand aus mehreren
gleichartigen Sensorelementen, von denen jedes einen Lichtleiter
mit einer biegesensitiven Zone umfasst, in beliebiger Länge herstellbar.
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Die
Abschnitte sind dabei vorzugsweise mindestens im Abstand benachbarter
Wirbel einer Wirbelsäule
aufeinander folgend, oder unmittelbar aufeinander folgend angeordnet.
Die Wirbelsäule
ist nur zwischen den Wirbeln beweglich, die Wirbel selbst sind starr.
Indem die Abschnitte im Abstand der Wirbel angeordnet sind, wird
in ausreichendem Maße
sichergestellt, dass jede Bewegung der Wirbelsäule, welche sich aus Relativbewegungen
zwischen benachbarten Wirbeln zusammensetzt, erfasst werden kann.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind je Abschnitt
drei Lichtleiter mit jeweils mindestens einer biegesensitiven Zone
vorgesehen. Dabei ist innerhalb des Abschnitts jeweils ein mindestens
eine biegesensitiven Zone aufweisender Lichtleiter zur Vermessung
jeweils eines der Freiheitsgrade laterale und dorsale Bewegung sowie
Torsion vorgesehen. Es ist wesentlich einfacher, biegesensitive
Zonen an einem Lichtleiter vorzusehen, welche in Bezug auf einen
Freiheitsgrad sensitiv sind, als eine biegesensitive Zone herzustellen,
welche in Bezug auf mehrere oder alle Freiheitsgrade sensitiv ist.
Durch Verwendung dreier Lichtleiter mit jeweils unterschiedlichen
sensitiven Zonen für Torsion,
dorsale und laterale Bewegung können
mit geringem konstruktivem Aufwand alle Freiheitsgrade erfasst werden.
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft einen Sensor zur kontinuierlichen
Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
und von Verlaufsänderungen der
Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden
ihrer Verformung. Der Sensor umfasst mindestens einen sich über mindestens
einen zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstreckenden, mindestens
eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads
biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter, mindestens eine an
einem ersten Ende des Lichtleiters eine konstante Lichtleistung einstrahlende
Lichtquelle, sowie mindestens einen die an einem zweiten Ende des
Lichtleiters ankommende Lichtleistung messenden Empfänger. Lichtwellenleiter
mit biegesensitiven Zonen können
im Gegensatz zu konventionellen Sensoren entlang der gesamten Wirbelsäule verlaufend
angeordnet werden. Dadurch kann der Verlauf der Wirbelsäule kontinuierlichen
vermessen werden, ebenso wie Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei
Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden
ihrer Verformung gemessen werden können.
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Der
Sensor kann mehrere unmittelbar oder mindestens im Abstand benachbarter
Wirbel einer Wirbelsäule
aufeinander folgend angeordnete Sensorelemente umfassen, welche
jeweils zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
und von Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
innerhalb eines von dem jeweiligen Sensorelement gebildeten Abschnitts,
oder zwischen benachbarten Abschnitten vorgesehen sind. Jedes der
Sensorelemente umfasst mindestens einen mindestens eine in Bezug
auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads
biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter. Bei dem Sensor ist
je Lichtleiter eine an einem ersten Ende des jeweiligen Lichtleiters
eine konstante Lichtleistung einstrahlende Lichtquelle, sowie mindestens
ein die an einem zweiten Ende des jeweiligen Lichtleiters ankommende
Lichtleistung messender Empfänger
vorgesehen.
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Vorzugsweise
sind die Sensorelemente auf einem gemeinsamen, mindestens innerhalb
der Beweglichkeit der gesamten Wirbelsäule in allen ihren Freiheitsgraden
ihrer Verformung elas tisch dehnbaren streifenförmigen Trägermaterial angeordnet. Als dehnbares
Trägermaterial
eignen sich beispielsweise Schaumstoff oder Pflaster. Damit die
Lichtleiter des Sensors bzw. der Sensorelemente einer elastischen Dehnung
des Trägermaterials
folgen können,
sind die Lichtleiter beispielsweise mäanderförmig auf dem Trägermaterial
angeordnet. Ebenso ist denkbar, eine longitudinale Flexibilität dadurch
zu erhalten, indem die Lichtleiter abschnittsweise auf zugfesten,
aber biegsamen Trägerplatten
befestigt sind, welche wiederum auf dem streifenförmigen Trägermaterial
angeordnet sind. Zwischen den Trägerplatten
verlaufen die Lichtleiter in bogenförmigen Dehnschlaufen. Ein derartig
aufgebauter Sensor wird nachfolgend auch als Sensorband bezeichnet.
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Der
Sensor kann geeignete Mittel zum Schutz vor einer Zerstörung durch Überdehnung
des streifenförmigen
Trägermaterials
aufweisen. Solche Mittel können
beispielsweise beidseitig an den Längsseiten des streifenförmigen Trägermaterials angeordnete
Zugbänder
sein, welche sich ab einer festlegbaren Dehnung des Trägermaterials
straffen und so eine weitere Dehnung des Trägermaterials verhindern.
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Ein
dritter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Sensorelement zur
Verwendung in einem oben beschriebenen Sensor. Ein erfindungsgemäßes Sensorelement
umfasst mindestens einen sich über
einen Teil der zu vermessenden Wirbelsäule erstreckenden, mindestens
eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads biegesensitive
Zone aufweisenden Lichtleiter. Vorzugsweise ist jeweils ein Lichtleiter
je Freiheitsgrad vorgesehen, wobei jeder Lichtleiter mindestens
jeweils eine für
eine Verformung in Richtung des jeweiligen Freiheitsgrades ausgelegte
biegesensitive Zone umfasst. Die Bestimmung und Unterscheidung der
Verformungen bzw. Verlaufsänderungen
und ihrer Ausprägung
in einem bestimmten Abschnitt des Lichtleiters erfordert für jeden
zu berücksichtigenden Freiheitsgrad
der Verlaufsänderung
einen Lichtleiter mit einer sensitiven Zone entsprechender Beschaffenheit.
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Durch
geeignete Kombination von Lichtleitern mit jeweils für die Messung
eines bestimmten Freiheitsgrads ausgelegten sensitiven Zonen entsteht
insgesamt ein Sensorelement welches die Messung von Verlaufsänderungen
in den für
eine Wirbelsäule
in Frage kommenden Freiheitsgraden ermöglicht. Ein Sensorelement zur
Vermessung einer Wirbelsäule
ist vorzugsweise für
die Freiheitsgrade dorsale und laterale Bewegung und Torsion vorgesehen und
umfasst insgesamt drei Lichtleiter mit jeweils mindestens einer
für die
Messung des jeweiligen Freiheitsgrades ausgelegten biegesensitiven
Zone. Erstrecken sich die sensitiven Zonen der kombinierten Lichtleiter
des Sensorelements über
die gleichen Abschnitte entlang der Wirbelsäule, so kann eine Verlaufsänderung
in diesem Abschnitt bezüglich
aller betrachteter Freiheitsgrade gemessen werden.
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Kombiniert
man mehrere solcher Sensorelemente in der Weise, dass sich ihre
sensitiven Zonen aneinander reihen, so erhält man einen Sensor, mit dem
die Verlaufsänderungen
in mehreren durch die Sensorelemente gebildeten Abschnitten in allen
betrachteten Freiheitsgraden bestimmt werden können. Hierdurch erhält man einen
oben beschriebenen, mehrere Sensorelemente umfassenden Sensor. Durch
messtechnische Bestimmung der Verlaufsänderungen in den sensitiven
Abschnitten der einzelnen Sensorelemente kann die Verlaufsänderung
eines Objekts über
größere Abschnitte
vollständig
und nahtlos bestimmt werden. Durch eine geeignete Software lassen
sich die Messdaten aus den sensitiven Zonen der verketteten Sensorelemente
in eine grafische Darstellung des Wirbelsäulenverlaufs unter Berücksichtigung
aller Freiheitsgrade der Verlaufsänderung überführen.
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Die
biegesensitiven Zonen eines Lichtleiters eines Sensorelements können beispielsweise
durch partielle geometrische Veränderungen
im Kern-Mantel-Übergang
gebildet werden. Das hierbei genutzte physikalische Prinzip ist,
dass die partielle Störung des
Lichtleiters im Kern-Mantel-Übergang
einen Verlust der Lichtleistung im Lichtleiter in der sensitiven Zone verursacht.
Eine Biegung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone verstärkt oder
verringert den Verlust der Lichtleistung. Die partiellen geometrischen
Veränderungen
im Kern-Mantel-Übergang können beispielsweise
durch mechanische Bearbeitung des Lichtleiters im Bereich dessen
Kern-Mantel-Übergangs
hergestellt werden. Je nach zu messendem Freiheitsgrad sind die
biegesensitiven Zonen des Lichtleiters an einer bestimmten Umfangsposition
des Lichtleiters angeordnet. Die partiellen geometrischen Veränderungen
können
beispielsweise in Abhängigkeit
der Biegung des Lichtleiters das Streuungs- und Reflexionsverhalten im Inneren
des Lichtleiters beeinflussende Einkerbungen im Kern-Mantel-Übergang
umfassen.
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Wichtig
ist hervorzuheben, dass es grundsätzlich auch denkbar ist, einen
gemeinsamen Lichtleiter mit biegesensitiven Zonen für Torsion
und Bewegung in lateraler und dorsaler Richtung zu verwenden, in
Kombination mit auf geeignete Ebenen polarisiertem Licht und polarisationsebenenspezifischer Detektion
der ankommenden Lichtleistung. Ebenso ist denkbar, am Lichtleiter
wellenlängenspezifische biegesensitive
Zonen anzuordnen, sowie eine Lichtquelle zu verwenden, die auf den
unterschiedlichen Wellenlängen
eine konstante Lichtleistung ausstrahlt und die empfangene Lichtleistung
wellenlängenspezifisch
auszuwerten.
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Ebenso
ist wichtig hervorzuheben, dass es generell auch im Rahmen der vorliegenden
Erfindung liegt, anstelle eine konstanten Lichtleistung an einem
ersten Ende in einen Lichtleiter einzustrahlen und eine Messung
der ankommenden Lichtleistung an einem zweiten Ende des Lichtleiters
vorzunehmen, Einstrahlung und Messung am selben Ende vorzunehmen
und das eingestrahlte Licht am gegenüberliegenden Ende durch geeignete
Mittel zu reflektieren, oder alternativ hierzu auch austreten zu
lassen und nur die Rückstreuung
zu messen.
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Ein
vierter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen
Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs
so wie der Verlaufsänderungen der
Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden
ihrer Verformung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- – Anordnung
mindestens eines Lichtleiters mit mindestens einer in Bezug auf
mindestens einen zu vermessenden Freiheitsgrad biegesensitiven Zone
entlang der Wirbelsäule,
- – Einstrahlung
einer bestimmten Lichtleistung in den Lichtleiter an einem ersten
Ende des Lichtleiters,
- – Messung
der ankommenden Lichtleistung an einem zweiten Ende des Lichtleiters,
sowie
- – Bestimmung
der Verformung des Lichtleiters und damit der Wirbelsäule durch
Vergleich der ankommenden mit der eingestrahlten Lichtleistung.
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Zur
Anordnung des mindestens einen Lichtleiters mit mindestens einer
biegesensitiven Zone entlang der Wirbelsäule ist denkbar, zunächst die Wirbelsäule in mehrere
zu vermessende Abschnitte zu unterteilen und anschließend jeweils
ein mindestens einen Lichtleiter mit mindestens einer für einen zu
vermessenden Freiheitsgrad sensitiven Zone umfassendes Sensorelement
je Abschnitt entlang der Wirbelsäule
anzuordnen.
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Dabei
kann zur Unterteilung der Wirbelsäule in Abschnitte und zur Anordnung
jeweils eines Sensorelements je Abschnitt eine mindestens der Anzahl von
Abschnitten entsprechende Anzahl von Lichtleitern auf einem Trägerband
befestigt werden, wobei die einzelnen Lichtleiter jeweils in einem
bestimmten Abschnitt mindestens eine biegesensitive Zone aufweisen,
und anschließend
das Trägerband
mitsamt den darauf angeordneten Lichtleitern entlang der zu vermessenden
Wirbelsäule
zu befestigen.
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Vorzugsweise
sind je drei Lichtleiter zur Vermessung jeweils eines Freiheitsgrades
innerhalb eines Abschnitts vorgesehen.
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Die
biegesensitiven Zonen der Lichtleiter in den jeweiligen Abschnitten
sind vorzugsweise durch mechanische Bearbeitung der Lichtleiter
hergestellt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Verformung der Wirbelsäule
durch Vergleich der ankommenden mit der eingestrahlten Lichtleistung
zeitdiskret bestimmt und die so bestimmten Verformungen erfasst
und beispielsweise zur späteren
Auswertung über
einen bestimmten Zeitraum gespeichert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Auswirkung
einer partiellen geometrischen Veränderung eines Lichtleiters
in dessen Kern-Mantel-Übergang
auf die Änderung
der übertragenen
Lichtleistung bei Biegung,
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2 eine schematische Darstellung der Freiheitsgrade
der Wirbelsäulenbewegung,
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3 eine
schematische Darstellung eines ein elastisch dehnbares streifenförmiges Trägermaterial
umfassenden Sensors, wobei eine longitudinale Flexibilität des Sensorbandes
durch eine mäanderförmige Anordnung
der Lichtleiter erreicht wird,
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4 eine
schematische Darstellung eines ein elastisch dehnbares streifenförmiges Trägermaterial
umfassenden Sensors, wobei eine longitudinale Flexibilität des Sensorbandes
durch Dehnschlaufen bei paralleler Anordnung der Lichtleiter erreicht wird,
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5 eine schematische Darstellung einer Konfiguration
sensitiver Zonen auf Lichtleitern,
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6 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts eines mit Mitteln zum
Schutz gegen longitudinale Überdehnung
ausgestatteten Sensorbandes,
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7 eine
schematische Darstellung eines mit Mitteln zum Schutz gegen Druckbelastung
ausgestatteten Sensorbandes, sowie
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8 eine
schematische Darstellung eines Sensorbandes, welches durch eine
Schutzlage gegenüber
mechanischen Belastungen geschützt
ist.
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Ein
Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine Vermessung des
Verlaufes sowie von Verlaufsänderungen
einer Wirbelsäule
in ruhendem sowie in bewegtem Zustand kontinuierlich, d.h. durchgängig in
all ihren Freiheitsgraden der Bewegung mittels einer geeigneten
Vorrichtung durchführen
zu können.
Erfindungsgemäß ist hierfür eine Vorrichtung
vorgesehen, welche Mittel vorzugsweise in Form von geeigneten Sensoren
sowohl zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs,
als auch zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer
Verformung umfasst.
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Als
Sensor sind optische Lichtleiter 1 vorgesehen, die wie
in 1 dargestellt durch partielle geometrische
Veränderungen 5 im
Kern-Mantel-Übergang,
welche sich auf das Übertragungsverhalten von
Licht wie eine Störung
auswirken, biegesensitiv werden. Der Bereich eines Lichtleiters 1 mit
einer derartigen Veränderung 5 im
Kern-Mantel-Übergang wird
als sensitive Zone 4 bezeichnet.
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Wird
an einem ersten Ende eines Lichtleiters 1 mit einer sensitiven
Zone 4 beispielsweise mit einer LED oder einer Laserdiode
eine konstante Lichtleistung eingestrahlt und an einem zweiten Ende
die ankommende Lichtleistung beispielsweise mit einer Photodiode
oder einem Phototransistor gemessen, so verändert sich die am zweiten Ende
gemessene Lichtleistung in Abhängigkeit
von der Biegung des Lichtleiters 1 in der sensitiven Zone 4.
Die partielle Störung 5 des
Lichtleiters 1 im Übergang
zwischen Kern 3 und Mantel 2 verursacht einen
Verlust der Lichtleistung im Lichtleiter 1 in der sensitiven
Zone 4. Eine Biegung des Lichtleiters 1 im Bereich
der sensitiven Zone 4 verstärkt (1c) oder
verringert den Verlust der Lichtleistung (1b). 1a zeigt
den Lichtleiter 1 in gestrecktem Zustand.
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Durch
geeignete Anordnung und Form der sensitiven Zone lässt sich
jede Verlaufsänderung
des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone durch Messung der
sich verändernden
Lichtleistung bestimmen. Messbare Verlaufsänderungen des Lichtleiters
sind (2):
- – die so
genannte dorsale Bewegung, welche eine vertikale Biegung in beiden
Richtungen umfasst (2a),
- – Torsion
(2b), sowie
- – die
so genannte laterale Bewegung, welche eine horizontale Biegung in
beiden Richtungen umfasst (2c).
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Um
den Verlauf und die Verlaufsänderungen einer
Wirbelsäule
in allen Freiheitsgraden ihrer Bewegung erfassen zu können, erstreckt
sich der Sensor mindestens über
den zu vermessenden Teil der Wirbelsäule. Der Sensor ist dabei in
mehrere Abschnitte unterteilt, wobei jeder Abschnitt mindestens einen
mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens
eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter
zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und von Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
innerhalb des jeweiligen Abschnitts bzw. über benachbarte Abschnitte
hinweg umfasst.
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Die
Bestimmung und Unterscheidung der Verlaufsänderungen und ihrer Ausprägung in
einem bestimmten Abschnitt des Lichtleiters erfordert für jeden zu
berücksichtigenden
Freiheitsgrad der Verlaufsänderung
einen Lichtleiter mit einer sensitiven Zone entsprechender Beschaffenheit.
Durch geeignete Kombination von Lichtleitern mit jeweils für die Messung
eines bestimmten Freiheitsgrads ausgelegten sensitiven Zonen entsteht
insgesamt ein Sensorelement, welches die Messung der Verlaufsänderung
in den drei hier betrachteten Freiheitsgraden ermöglicht.
Erstrecken sich die sensitiven Zonen der kombinierten Lichtleiter über die
gleichen Abschnitte entlang des Sensorelements, so kann eine Verlaufsänderung
in diesem Abschnitt bezüglich
aller betrachteter Freiheitsgrade gemessen werden. Je Abschnitt sind
somit zur Erfassung aller Freiheitsgrade drei Lichtleiter mit jeweils
mindestens einer biegesensitiven Zone angeordnet, wobei innerhalb
des Abschnitts jeweils ein mindestens eine biegesensitiven Zone
aufweisender Lichtleiter zur Vermessung jeweils eines der Freiheitsgrade
laterale und dorsale Bewegung sowie Torsion vorgesehen ist.
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Kombiniert
man mehrere solcher Sensorelemente in der Weise, dass sich ihre
sensitiven Zonen aneinander reihen, so erhält man einen Sensor, mit dem
die Verlaufsänderungen
in mehreren durch die Sensorelemente gebildeten Abschnitten in allen
betrachteten Freiheitsgraden bestimmt werden können. Durch messtechnische
Bestimmung der Verlaufsänderungen
in den sensitiven Abschnitten der einzelnen Sensorelemente kann
die Verlaufsänderung
eines Objekts wie einer Wirbelsäule über größere Abschnitte
vollständig
und nahtlos bestimmt werden.
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Durch
eine geeignete Software lassen sich die Messdaten aus den sensitiven
Zonen der verketteten Sensorelemente in eine grafische Darstellung des
Sensorverlaufs unter Berücksichtigung
aller Freiheitsgrade in der Verlaufsänderung überführen.
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Bei
der Verwendung eines oben beschriebenen, aus mehreren Sensorelementen
bestehenden Sensors zur Vermessung von Verlauf und Verlaufsänderungen
einer Wirbelsäule,
wird die Wirbelsäule in
mehrere zu vermessende, durch die Sensorelemente vorgegebene Abschnitte
unterteilt, wobei jeder Abschnitt individuell durch ein eigenes
Sensorelement über
die jeweiligen sensitiven Zonen in allen Bewegungsrichtungen vermessen
werden kann.
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Zur
Herstellung eines entsprechenden Sensors wird eine entsprechende
Anzahl von Lichtleitern vorzugsweise parallel oder in einem mäanderförmigen Verlauf
auf einem aus einem streifenförmigen Trägermaterial
bestehenden Trägerband
befestigt und jeweils in einem bestimmten Abschnitt entlang der
Wirbelsäule
durch mechanische Bearbeitung biegesensitiv gemacht. Hierbei wird
pro Abschnitt jeweils ein Lichtleiter für jede Bewegungsrichtung vorgesehen,
entsprechend je drei Lichtleiter je Abschnitt, und in diesem Abschnitt
entsprechend mechanisch an seiner Oberfläche bearbeitet.
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Das
Trägerband
mit den darauf angeordneten, durch die sensitiven Zonen abschnittsweise
biegesensitiven Lichtleitern wird mit geeigneten Verbindungsmaterialien,
wie beispielsweise einem Klebeband oder einem Pflaster auf dem Rücken über der Wirbelsäule eines
Patienten befestigt.
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Die
auf dem Trägerband
geführten
Lichtleiter werden an Sende- und
Empfängerbauteile,
wie etwa LED und Photodiode, gekoppelt. Sende- und Empfängerbauteile
befinden sich in einem lichtundurchlässigen Gehäuse.
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Eine
ebenfalls in diesem Gehäuse
angeordnete, eine geeignete Elektronik umfassende Auswerteeinheit
erfasst zeitdiskret die Veränderung
des analogen Signals der Lichtleistung am Empfängerbauelement in Abhängigkeit
der Bewegungsausprägung in
der sensitiven Zone des Lichtleiters bei konstanter Lichtleistung
des Sendebauelements und speichert die in digitale Daten gewandelten
analogen Messwerte zur nachfolgenden Analyse ab.
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Mittels
geeigneter zusätzlicher
Hard- und Software kann ein kontinuierliches Dynamogramm der Wirbelsäule hinsichtlich
Be wegungsart- und -ausprägung über einen
zu bestimmenden Zeitraum aufgezeichnet und grafisch dargestellt
werden.
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Die
resultierende Information über
die Dynamik und damit verbundener Belastung der Wirbelsäule über einen
bestimmten Zeitraum hinweg kann einem behandelnden Therapeuten oder
Mediziner als wesentliche Entscheidungshilfe bei der Festlegung geeigneter
präventiver
und therapeutischer Maßnahmen
für den
Patienten dienen.
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Um
das oben beschrieben Sensorprinzip für die Bewegungsmessung an der
Wirbelsäule
anwenden zu können,
müssen
bestimmte technologische Herausforderungen erfüllt werden. Diese sind:
- – Longitudinale
Flexibilität
des Sensorbandes – Bei
Krümmung
des Rückens
durch Neigen des Oberkörpers
erhöht
sich die Länge
des Rückens um
ca. 15–20%
gegenüber
der gestreckten Rückenlänge. Ein über der
Wirbelsäule
befestigter Sensor zur Vermessung der Wirbelsäule darf dabei seine Position
auf dem Rücken
nicht verändern.
Dazu muss die Dehnung des Rückens
auf den wegen des Trägerbands
mit den darauf angeordneten, biegesensitiven Lichtleitern auch als Sensorband
bezeichneten Sensor übertragbar sein
und dieser sich demzufolge in longitudinaler Richtung flexibel verhalten.
- – Konfiguration
der sensitiven Zonen an den Lichtleitern – Um die an der Wirbelsäule auftretenden Bewegungsarten
dorsale und laterale Bewegung sowie Torsion (2) über die
Sensorelemente abschnittsweise erfassen zu können, müssen die sensitiven Zonen auf
den Lichtleitern unterschiedlich konfiguriert, d.h. die Oberflächen der
Lichtleiter des Sensors in unterschiedlicher Weise z.B. mechanisch
bearbeitet sein. Über
die in drei Lichtleitern angeordneten drei sensitiven Zonen eines Sensorelementes,
von denen je eine je Bewegungsart pro Sensorelement vorgesehen ist,
sollen letztlich die drei Bewegungsrichtungen voneinander unabhängig in
ihrer Ausprägung
detektierbar sein.
- – Schutz
der Lichtleiter vor mechanischen Belastungen – Die Lichtleiter des am Rücken befestigten
Sensorbandes sind gegen mechanische Belastungen und Beschädigungen,
die das Sensorsignal beeinflussen oder stören könnten, zu schützen.
- – Überdehnungsschutz
des Sensorbandes – Trotz longitudinaler
Flexibilität
des Sensorbandes muss eine Überdehnung
durch geeignete Maßnahmen vermieden
werden.
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Die
erfindungsgemäßen Lösungen für die genannten
technologischen Herausforderungen werden im Folgenden beschrieben.
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Um
die longitudinale Flexibilität
des Sensorbandes zu ermöglichen,
ohne den Lichtleiter mechanisch zu belasten, sind grundsätzlich zwei
Aufbauvarianten denkbar:
- a) Longitudinale Flexibilität des Sensorbandes 9 durch
mäanderförmige Anordnung
der Lichtleiter 29 (3). Die
Lichtleiter 29 werden gemäß 3 auf einem
dehnbaren, streifenförmigen
Trägermaterial 6 mäanderförmig verlegt
und punktuell in der Weise fixiert, dass die danach unfixierten Lichtleiterabschnitte
zwischen den möglichen
Fixierungspunkten 7 am Rand des Trägermaterials 6 oder
den Fixierungspunkten 8 in der Längsachse des Trägermaterials 6 bei
Dehnung des Trägermaterials 6 ihre
Lage verändern
und somit der Dehnbewegung des Trägermaterials 6 folgen, ohne
einer mechanischen Spannung oder Belastung, die sich auf das Transmissionsverhalten
der Lichtleiter 29 auswirken könnte, ausgesetzt zu sein. Bei
einem Sensorband 9 werden die sensitiven Zonen je nach
zu detektierender Bewegungsart an geeigneten, unfixierten Stellen
des Lichtleiters 29 eingebracht oder angeordnet.
- b) Longitudinale Flexibilität
des Sensorbandes 10 durch Dehnschlaufen bei paralleler
Anordnung der Lichtleiter 30 (4). Auf
einem dehnbaren, streifenförmigen
Trägermaterial 6 werden
gemäß 4 abschnittsweise
Trägerplatten 13 aus
zugfestem, aber biegsamem Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff
wie etwa PET- oder Mylar-Folie in einem festgelegten Abstand zueinander
befestigt. Die Lichtleiter 30 werden auf den Trägerplatten 13 in
geeigneter Weise fixiert. Die Fixierung erfolgt durch Festlegen
der Lichtleiter an den Fixierungspunkten 11. Im Bereich
der Abstände zwischen
den Trägerplatten 13 werden
die Lichtleiter 30 in Dehnschlaufen 12 gelegt.
Die sensitiven Zonen der Lichtleiter 30 befinden sich jeweils in
den Bereichen der zugfesten Trägerplatten 13, da
hier nur die Bewegungsart, nicht jedoch die Dehnung des Sensorbandes 10 Einfluss
auf die sensitive Zone des Lichtleiters 30 haben soll.
Das dehnbare Trägermaterial 6 nimmt
die longitudinale Zugbelastung am Sensorband 10 auf. Dabei wird
der auf den Trägerplatten 13 befestigte
Lichtleiter 30 nicht gedehnt, sondern durch Änderung des
Biegeradius in der Dehnschlaufe 12 auf die longitudinale
Verlängerung
des Sensorbandes 10 angepasst.
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Als
dehnbares Trägermaterial 6 eignen
sich sowohl für
das Sensorband 9 (3), als
auch für das
Sensorband 10 (4) beispielsweise Schaumstoff
oder Pflaster. Die Fixierung der Lichtleiter 29, 30 an
den Fixierungspunkten 7, 8, 11 kann beispielsweise
durch geeignete Klebstoffe oder polymere Vergussmaterialien erfolgen.
-
Die
sensitiven Zonen der Lichtleiter müssen entsprechend einer der
drei zu bestimmenden Bewegungsarten dorsale Bewegung, laterale Bewegung, Torsion
mechanisch bearbeitet werden ( 5). Hierzu
sind bei wahlweise paralleler oder mäanderförmiger Anordnung eines drei
Lichtleiter 14, 15, 16 umfassenden Lichtleiterbündels 17 die
mechanischen Bearbeitungen der einzelnen Lichtleiter 14, 15, 16 an
unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche der Lichtleiter 14, 15, 16 anzuordnen.
Das Lichtleiterbündel 17 ist
beispielsweise auf einem dehnbaren, streifenförmigen Trägermaterial 6 angeordnet. Ein
ein solches Lichtleiterbündel 17 bzw.
dessen sensitive Zonen umfassender Abschnitt des Trägermaterials 6 entspricht
dabei einem Sensorelement. Mehrere derart auf einem Trägermaterial 6 aufeinander folgend
angeordnete Lichtleiterbündel 17,
dass die sensitiven Zonen der Lichtleiterbündel 17 unmittelbar aufeinander
folgen, entspricht einem aus mehreren Sensorelementen zusammengesetzten
Sensor bzw. Sensorband.
- a) Eine dorsale Bewegung
A erfolgt in der vertikalen Ebene des Sensorbandes. Um eine Sensitivität eines
Lichtleiters 14 des Lichtleiterbündels 17 in dieser
Ebene zu erhalten, sind wie in 5 dargestellt
Oberflächenbehandlungen
in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern-Mantel-Übergangs
des Lichtleiters 14 an einer Umfangsposition auf der Oberseite
o des verlegten Lichtleiters 14 ausgeführt.
- b) Eine Torsionsbewegung B erfolgt in der horizontalen Ebene
des Sensorbandes als Twist des Sensorbandes. Es findet also eine
Bewegung in beiden Richtungen der horizontalen Ebene statt, die
in ihrer Gesamtheit von der sensitiven Zone erfasst werden muss.
Zur Erzielung einer Sensitivität
eines Lichtleiters 15 des Lichtleiterbündels 17 in dieser
Ebene müssen
Oberflächenbehandlungen
in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern-Mantel-Übergangs
des Lichtleiters 15 an einer Umfangsposition auf der Ober-
o und Unterseite u des verlegten Lichtleiters 15 ausgeführt sein,
wie 5 zeigt.
- c) Eine laterale Bewegung C erfolgt in der horizontalen Ebene
des Sensorbandes. Zur Erzielung einer Sensitivität eines Lichtleiters 16 des
Lichtleiterbündels 17 in
dieser Ebene müssen
die Oberflächenbehandlungen
in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern-Mantel-Übergangs des Lichtleiters 16 an
einer Umfangsposition auf der Seite s des verlegten Lichtleiters 16 ausgeführt sein,
wie 5 zeigt.
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Die
Anordnung der partiellen geometrischen Veränderungen an der jeweiligen
Umfangsposition der Lichtleiter 14, 15 und 16 ist
in 5 symbolisch durch die Symbole
D, E, F verdeutlicht. Dabei dient 5b) als
Legende, welche die an den in 5a) für die drei
Bewegungsfälle
dorsale Bewegung A, Torsionsbewegung B und laterale Bewegung C angegebenen
Stellen der Lichtleiter 14, 15, 16 an
den jeweiligen Umfangspositionen entsprechend durchzuführenden
Behandlungen angibt. Dabei gibt das Symbol D eine Behandlung eines
Lichtleiters an seiner Oberseite o an, so dass an dessen Oberseite
o eine partielle geometrische Veränderung entsteht. Das Symbol
E gibt eine Behandlung eines Lichtleiters an seiner Unterseite u
an, so dass an dessen Unterseite u eine partielle geometrische Veränderung
entsteht. Das Symbol F gibt eine Behandlung des Lichtleiters an
dessen Seiten s an, so dass an dessen Seiten s eine partielle geometrische
Veränderung
entsteht. Die entsprechenden Umfangspositionen sind dabei rechts
des jeweiligen Symbols nochmals im Detail dargestellt.
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Trotz
erwünschter
longitudinaler Flexibilität des
Sensorbandes muss eine Überdehnung
durch geeignete Maßnahmen
vermieden werden.
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Ein
denkbarer Lösungsansatz
für ein
gegen Überdehnung
geschütztes
Sensorband 31 ist, die Lichtleiter 18 wie in 6 dargestellt
auf Stegen 19 aus einem festen Material, wie etwa einem
Kunststoff, punktuell an Fixierungspunkten 20 auf den Stegen 19 zu
fixieren. Die Stege 19 sind beispielsweise mit beidseitig
angeordneten Zugbändern 21 untereinander
verbunden, wodurch eine Begrenzung der longitudinalen Ausdehnung
des dehnbaren streifenförmigen
Trägermaterials 6 erzielt
wird. Der Lichtleiter 18 wird dadurch vor mechanischer
Zugbelastung, die zur Änderung
des optischen Transmissionsverhaltens und damit zur Verfälschung
des Sensorsignals führen
kann, geschützt.
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Schutz des Lichtleiters 18 gegen longitudinale Überdehnung
ist, ein flexibles Trägermaterial 6 mit
einer begrenzten Ausdehnung zu verwenden.
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Zudem
sind die Lichtleiter des am Rücken befestigten
Sensorbandes gegen mechanische Belastungen und Beschädigungen
zu schützen,
die das Sensorsignal beeinflussen oder stören würden.
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Hierzu
ist beim in 7 dargestellten Sensor 22 ein
mehrere Lichtleiter 23 umfassendes Lichtleiterbündel 24 mit
Schlaufen 25 aus einem festem Material, die das Lichtleiterbündel 24 an
einem dehnbaren, streifenförmigen
Trägermaterial 6 fixieren,
vor mechanischen Belastungen wie beispielsweise Druck geschützt.
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Der
in 8 im Querschnitt dargestellte Sensor 26 ist
mittels einer flexiblen Schutzlage 27 vor mechanischen
Belastungen geschützt.
Die Schutzlage 27 kann beispielsweise aus dem Selben Material, wie
das Trägermaterial 6 hergestellt
sein. Die Schutzlage 27 wird auf dem Trägermaterial 6 beispielsweise durch
Kleben so befestigt, dass die Lichtleiter 28 zwischen dem
Trägermaterial 6 und
der Schutzlage 27 vollständig eingebettet sind. Trägermaterial 6 und Schutzlage 27 sind
so im gleichen Maß dehn-
und stauchbar. Anstelle einzelner Lichtleiter kann auch ein oder
mehrere Lichtleiterbündel
unter der Schutzlage 27 angeordnet sein.
-
Wichtig
ist hervorzuheben, dass die in den 3, 4, 6, 7 und 8 dargestellten Sensorbänder 9, 10, 22, 26 und 31 für eine eingangs erwähnte erfindungsgemäße Vorrichtung
geeignete Mittel sowohl zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs,
als auch zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen
der Wirbelsäule
bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden
ihrer Verformung darstellen.
-
- 1
- Lichtleiter
- 2
- Mantel
- 3
- Kern
-
-
- 4
- sensitive
Zone
- 5
- partielle
geometrische Veränderung
(Störung)
- 6
- dehnbares,
streifenförmiges
Trägermaterial
- 7
- Fixierungspunkt
- 8
- Fixierungspunkt
- 9
- Sensorband
(Sensor)
- 10
- Sensorband
(Sensor)
- 11
- Fixierungspunkt
- 12
- Dehnschlaufe
- 13
- Trägerplatte
- 14
- Lichtleiter
mit sensitiver Zone zur Erfassung dorsaler Bewegungen
- 15
- Lichtleiter
mit sensitiver Zone zur Erfassung von Torsion
- 16
- Lichtleiter
mit sensitiver Zone zur Erfassung lateraler Bewegungen
- 17
- Lichtleiterbündel aus
drei Lichtleitern 14, 15, 16
-
-
- 18
- Lichtleiter
- 19
- Steg
- 20
- Fixierungspunkt
- 21
- Zugband
- 22
- Sensorband
(Sensor)
- 23
- Lichtleiter
- 24
- Lichtleiterbündel
- 25
- Schlaufe
- 26
- Sensorband
(Sensor)
- 27
- Schutzlage
- 28
- Lichtleiter
- 29
- Lichtleiter
- 30
- Lichtleiter
- 31
- Sensorband
- A
- dorsale
Bewegung
- B
- Torsionsbewegung
- C
- laterale
Bewegung
- D
- Behandlung
des Lichtleiters an dessen Oberseite
- E
- Behandlung
des Lichtleiters an dessen Unterseite
- F
- Behandlung
des Lichtleiters an dessen Seiten
- o
- oben
- u
- unten
- s
- seitlich