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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Druckbelastungsmessung.
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Es
ist aus der Praxis bekannt, auf einen Messkörper einwirkende Kräfte oder
Momente beispielsweise mittels Dehnungsmessstreifen zu erfassen,
die auf dem Messkörper
appliziert werden und eine durch die einwirkenden Kräfte oder
Momente herbeigeführte
Verformung nachweisen bzw. messen können. Durch eine geeignete
Formgebung der Messkörper
sowie eine geschickte Anordnung der Dehnungsmessstreifen können gegebenenfalls
auftretende Querkräfte
oder Störkräfte weitgehend
unterdrückt
oder kompensiert werden, so dass aus der gemessenen Verformung des
Messkörpers
die zu messende Kraftwirkung bzw. Druckbelastung mit hoher Genauigkeit
bestimmt werden kann.
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Um
die einwirkende Kraft oder Druckbelastung ortsauflösend bestimmen
zu können,
sind üblicherweise
eine Anzahl von entsprechenden Messvorrichtungen erforderlich, die
nebeneinander oder in Form einer Matrix angeordnet sind. Die Abmessungen
der einzelnen Messkörper
geben dann die jeweils kleinste räumliche Einheit vor, die für eine ortsauflösende Messung
ausgewertet werden kann.
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Aus
der Praxis sind ebenfalls Druckbelastungs-Messfelder bekannt, die
aus einzelnen Messvorrichtungen zusammengesetzt sind, welche die einwirkende
Druckkraft beispielsweise mittels einer druckabhängigen Widerstandsmessung oder
mittels Halbleiter-Druckmesszellen ermitteln. Derartige Druckbelastungs-Messfelder
werden unter anderem zur Erfassung eines individuellen Fußabdrucks
ermittelt und unterstützen
die Diagnose bzw. ermöglichen die
individuelle Anpassung und Kontrolle einer erforderlichen orthopädischen
Therapie oder einer orthopädischen
Schuheinlage.
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Um
eine hierfür
erforderliche Druckbelastungsmessung durchzuführen muss sich der Benutzer
auf ein derartiges Druckbelastungs-Messfeld stellen oder darüber laufen,
so dass die über
den Fuß auf
das Druckbelastungs-Messfeld ausgeübte Druckbelastung von den
einzelnen Messzellen erfasst und anschließend ausgewertet werden kann.
Mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind Druckbelastungsmessungen
möglich,
die eine ausreichend genaue und hinreichend ortsaufgelöste Messung
ermöglichen,
um für
orthopädische
Zwecke eine hilfreiche Unterstützung
bieten zu können.
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Nachteil
der vorangehend genannten Verfahren und Vorrichtungen ist es jedoch,
dass die Druckbelastungsmessung die Verwendung einer üblicherweise
elektrisch betriebenen Messvorrichtung erfordert, deren Abmessungen
groß gegenüber dem nutzbaren
Messfeld ist. Auch auf Grund des Gewichts und der erforderlichen
Verbindung mit einer Auswertevorrichtung sind die bekannten Verfahren oder
Vorrichtungen nicht geeignet, um eine transportable und über einen
längeren
Zeitraum mitführbare Messvorrichtung
zu ermöglichen.
Kontinuierliche Messungen über
einen langen Zeitraum an oder mit Personen sind deshalb aufwendig
und stellen regelmäßig eine
erhebliche Einschränkung
für den
Benutzer während
der Messung dar. Der individuelle Fußabdruck einer Person wird
deshalb üblicherweise
auf Grund lediglich einer einzigen Messung oder als Mittelwert von
einigen wenigen Messvorgängen
ermittelt. Das Ergebnis derartiger Messungen ist dann jedoch oftmals
nicht repräsentativ
für die
beispielsweise über
den Zeitraum eines Tages auf die Fußsohle einwirkenden bzw. von
dem Fuß ausgeübten Druckbelastungen.
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Es
ist auch aus der Praxis bekannt, dünne flexible Messfelder in
Form von biegsamen Messstreifen oder Einlegesohlen zu verwenden.
Diese Einlegesohlen erfordern eine aufwendige Herstellung und die
Verwendung kostenintensiver Komponenten. Zusätzlich muss während des
Messvorgangs eine Energieversorgung der Einlegesohlen und die Abfrage
der Messwerte gewährleistet
werden. Während der
Messung müssen
deshalb die Einlegesohle und damit der Benutzer entweder über Kabel
mit einer Auswerte- und Energieversorgungseinheit verbunden sein
oder eine transportable Einheit zusätzlich mit sich führen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist des demzufolge, ein Verfahren zur
Druckbelastungsmessung so auszugestalten, dass in einfacher Weise eine
Druckbelastungsmessung über
einen längeren Zeitraum
durchgeführt
werden kann und für
einen Benutzer mit möglichst
geringen Einschränkungen und
Komforteinbußen
verbunden ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zu Druckbelastungsmessungen gelöst, bei der ein durch Aufschäumen eingetrübtes Gelpolster
einer mechanischen Druckbelastung ausgesetzt wird und anschließend die
Transparenz des Gelpolsters bestimmt und daraus die einwirkende
Druckbelastung ermittelt wird.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass ein aus einem transparenten Gel bestehendes
Gelpolster, das bei der Herstellung durch Aufschäumen des Gelmaterials eingetrübt wird,
in Folge einer mechanischen Druckbelastung wieder zunehmend transparenter
wird. Durch eine lang andauernde und ausreichend große mechanische
Druckbelastung kann das eingetrübte
Gelpolster wieder vollständig
transparent werden. Ausgehend von einer in einem unbelasteten Ausgangszustand
gemessenen verminderten Transparenz, die durch die Aufschäumung bzw.
Eintrübung
bewirkt wurde, kann die Änderung
der Transparenz gemessen werden, die sich durch die während des
Messvorgangs ausgeübte
mechanische Druckbelastung ergibt. Je größer die sich ergebende Transparenz
nach Abschluss der Messung ist, umso größer war die mechanische Druckbelastung
während
des Messvorgangs.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Transparenz ortsaufgelöst bestimmt wird. Bei der durch
Aufschäumen
erzeugten Eintrübung
des Gelpolsters werden kleine Bläschen
bzw. Kavitäten
in dem Gelmaterials des Gelpolsters erzeugt, die zu einer Eintrübung des
Gelpolsters führen.
Durch die mechanische Druckbelastung werden die Bläschen bzw. Kavitäten verändert, bzw.
reduziert oder vollständig eliminiert,
was zu einer Veränderung
der Eintrübung bzw.
der Transparenz des Gelpolsters führt.
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Die
Abmessungen der Bläschen
bzw. Kavitäten
bilden die untere Grenze für
eine ortsaufgelöste Bestimmung
der Transparenz. Untersuchungen zur ortsaufgelösten Bestimmung der Transparenz
eines durch Aufschäumen
eingetrübten
Gelpolsters lassen darauf schließen, dass eine bessere bzw.
sogar vielfach bessere Ortsauflösung
verglichen mit den bekannten Messverfahren oder Messvorrichtungen möglich ist.
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Um
verschiedene Messempfindlichkeiten oder Anwendungsbereiche zu ermöglichen
ist vorgesehen, dass die Eintrübung
des Gelpolsters durch eine Variation des Aufschäumvorgangs vorgebbar ist. So
kann beispielsweise durch die Wahl des Aufschäummittels und durch die Einstellung
bestimmter Randbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der Temperatur
oder des Umgebungsdrucks, unter anderem die Anzahl und die charakteristische
Abmessung der in dem Gelpolster erzeugten Bläschen bzw. Kavitäten variiert
und in großen
Bereichen gezielt vorgegeben werden. Auf diese Weise kann unter
anderem die maximal messbare Druckbelastung oder die typische Messdauer,
die bei einer geringeren als der maximalen Druckbelastung zu einem
vollständig
transparenten Gelpolster führt,
eingestellt und vorgegeben werden.
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In
vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass vorab Referenzmessungen
der Transparenz für
vorgegebene Gelpolsterausführungen
und Druckbelastungen durchgeführt
werden und die im Anwendungsfall nach einer Druckbelastung gemessene Transparenz
mit den Referenzmessungen verglichen wird, um daraus die einwirkende
Druckbelastung zu ermitteln. Insbesondere dann, wenn die Änderung der
Transparenz nicht näherungsweise
linear von der einwirkenden Druckbelastung bzw. der Dauer der Druckbelastung
abhängt,
sondern beispielsweise Sättigungseffekte
oder andere nicht-lineare Abhängigkeiten
berücksichtigt
werden müssen,
kann die Genauigkeit der Messungen in vorteilhafter Weise durch
einen Vergleich mit vorab durchgeführten Referenzmessungen an
vergleichbar gestalteten Gelpolstern verbessert werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Druckbelastungsmessung.
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Die
Messvorrichtung weist erfindungsgemäß ein durch Aufschäumen eingetrübtes Gelkissen
auf. Ausgehend von einem durch die Eintrübung verminderten Transparenzwert
nimmt die Transparenz mit zunehmender Dauer oder Größe einer
mechanischen Druckbelastung wieder zu, bis die für das verwendete Gelmaterial
maximale Transparenz erreicht ist. Die sich in Folge einer mechanischen
Druckbelastung einstellende Transparenz kann zu einem beliebigen
Zeitpunkt nach Ende der Druckbelastung gemessen werden. Eine kontinuierliche
Verbindung des Gelpolsters mit einer Auswertvorrichtung ist während der
mechanischen Druckbelastung nicht erforderlich. Das Gelpolster kann
demzufolge beispielsweise in Form einer Schuheinlage in einen Schuh
eines Benutzers eingelegt und über
einen längeren
Zeitraum in dem Schuh mitgeführt
werden. Beispielsweise am Ende eines Tages oder eines vorgegebenen
Zeitraums kann das Gelpolster entnommen und die erzeugte Transparenz
ortsaufgelöst
gemessen werden.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass das Gelpolster aus einem mit Luft, mit Wasser
oder mit einem anderen Treibmittel aufgeschäumtem Polyurethan-Gel besteht.
Polyurethan ist ein besonders geeignetes Gelmaterial, da Verfahren
zur Herstellung nahezu beliebig geformter Gelpolster aus Polyurethan
hinreichend bekannt sind und auch eine kostengünstige Serienfertigung möglich ist.
Darüber
hinaus können
geeignete Polyurethan-Materialien in einem nicht aufgeschäumten Zustand
nahezu völlig
transparent und durchsichtig sein. Wird das gleiche Ausgangsmaterial
durch Aufschäumen
eingetrübt,
so kann eine ganz erhebliche Verminderung der Transparenz erzeugt
werden, die jedoch mit zunehmender Druckbelastung wieder abnimmt
und ein zunehmend transparentes Gelpolster ergibt.
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Um
das für
eine Druckbelastungsmessung verwendete Gelpolster an verschiedene
Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich des erfassbaren Bereichs
oder der Dauer einer Druckbelastung anpassen zu können, ist
vorgesehen, dass die Eintrübung und/oder
Druckempfindlichkeit des Gelpolsters durch eine Variation des Aufschäumvorgangs
vorgebbar ist. So können
unterschiedliche Gelpolster hergestellt werden, die beispielsweise
an eine unterschiedlich große
maximale Druckbelastung angepasst sind und für Personen mit unterschiedlichem
Körpergewicht jeweils
einen möglichst
angepassten Messbereich mit großer
Empfindlichkeit und Nachweisgenauigkeit zur Verfügung stellen.
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Einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zu
Folge ist die Verwendung einer vorangehend beschriebenen Vorrichtung in
Form einer Einlegesohle zur Bestimmung der Druckbelastung eines
Fußes über einen
längeren Zeitraum
vorgesehen. Die Verwendung einer derartigen Einlegesohle im Rahmen
der orthopädischen Diagnostik
oder bei der Anpassung von orthopädischen Einlagen erfordert
während
des gegebenenfalls über mehrere
Tage andauernden Messvorgangs lediglich die Verwendung einer derartigen
Einlegesohle, ohne dass weitere Messgeräte, Auswertevorrichtungen oder
eine geeignete Energieversorgung mitgeführt werden müssten. Nach
Ablauf des Druckbelastungs-Messvorgangs und Herausnahme der Einlegesohle
kann unmittelbar und ohne weitere Bearbeitung oder messtechnische
Erfassung bereits eine erste optische Auswertung durch den Orthopäden oder
einen anderen Fachmann erfolgen. Um eine genaue Auswertung der Druckbelastungsmessung
zu ermöglichen,
kann die Transparenz der Einlegesohle ortsaufgelöst präzise vermessen werden, um ausgehend
von den gemessenen Transparenzwerten auf die während des Messvorgangs einwirkende
Druckbelastung zu schließen.
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Da
das verwendete Gelmaterial für
nahezu beliebige Formgebungen geeignet ist, sind auch andere Anwendungsbereiche
denkbar. So kann beispielsweise die über einen längeren Zeitraum auf bettlägerige Personen
oder auf einen Rollstuhl angewiesene Personen einwirkende Druckbelastung überwacht
werden, um im Falle von lokaler Überbeanspruchung
oder dem Überschreiten
von Druckbelastungs-Schwellenwerten geeignete Gegenmaßnahmen
einleiten zu können.
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Auch
ist denkbar, dass Belastungsmessungen bei Maschinen, beispielsweise
bei Maschinenlagern durchgeführt
werden und dabei insbesondere dynamische Prozesse überwacht
werden können.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel des
Erfindungsgedankens anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht auf eine Vorrichtung zur Druckbelastungsmessung
in Form einer Einlegesohle,
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2 eine
Schnittansicht der in 1 dargestellten Einlegesohle
längs der
Linie II-II,
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3 eine
schematische Ansicht der in 1 dargestellten
Einlegesohle nach längerer
Einwirkung einer Druckbelastung und
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4 eine
Schnittansicht der in 3 dargestellten Einlegesohle
längs der
Linie IV-IV.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Einlegesohle 1 besteht
aus einem Polyurethan-Gel. Das Gelmaterial wurde während des
Herstellvorgangs mit Luft aufgeschäumt, so dass das Gelpolster
nicht mehr vollständig
transparent, sondern sichtbar eingetrübt ist. Die Eintrübung wird
in 1 zur Verdeutlichung schematisch durch eine Kreuzschraffur
angedeutet.
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Die
Eintrübung
wird durch während
des Aufschäumvorgangs
in dem Gelmaterial erzeugte Luftbläschen bewirkt. Die in 2 ebenfalls
schematisch dargestellten Luftbläschen 2 können eine
unregelmäßige Formgebung
aufweisen. Die Anzahl und der charakteristische Durchmesser der
erzeugten Luftbläschen 2 können während des
Aufschäumvorgangs
durch die Verwendung unterschiedlicher Treibmittel sowie durch die
Vorgabe unterschiedlicher Randbedingungen, beispielsweise hinsichtlich der
Temperatur oder des Drucks, vorgegeben werden. Werden hinreichend
viele Luftbläschen 2 in
dem Gelmaterial der Einlegesohle 1 erzeugt, so wird dadurch
eine näherungsweise
homogene Eintrübung der
Einlegesohle 1 bewirkt.
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Um
eine Druckbelastungsmessung durchzuführen, kann die Einlegesohle 1 in
einen Schuh eines Benutzers eingelegt und über einen längeren Zeitraum mitgeführt werden.
Zu diesem Zwecke können Einlegesohlen 1 unterschiedlicher
Größe und Formgebung
vorgesehen sein, so dass jeweils eine möglichst gute Abdeckung der
Fußsohlenfläche des
Benutzers erreicht wird.
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Nach
Ende der Druckbelastungsmessung kann die Einlegesohle 1 entnommen
werden. Diejenigen Bereiche 3, die einer erhöhten Druckbelastung durch
den Fuß ausgesetzt
waren, sind in Abhängigkeit
von der Druckbelastung zunehmend transparent geworden, wie es in 3 schematisch
angedeutet ist. Wie in 4 angedeutet, führt die
erhöhte
Druckbelastung zu einer Verringerung der Luftbläschen 2 in der eingetrübten Einlegesohle 1,
so dass in den Bereichen erhöhter
Druckbelastung nur noch wenige Luftbläschen 2 vorhanden
sind und die Transparenz des eingetrübten Gelmaterials wieder zunimmt.