DE102007054358A1

DE102007054358A1 - Vorrichtung zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken

Info

Publication number: DE102007054358A1
Application number: DE102007054358A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medical GmbH
Current assignee: Zebris Medical GmbH
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: DE102007054358B4

Abstract

Vorrichtung zur Ganganalyse, insbesondere zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken, mit einem über mindestens zwei Laufrollen geführten und als Laufband dienenden Endlosband, dessen eine Oberfläche als Lauffläche dient, und einer Sensorik zur Bestimmung einer Druck-/Kraftverteilung auf einer unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte, die auf der dem Endlosband zugewandten Seite eine Vielzahl von Druck-/Kraftsensoren aufweist, wobei die Druck-/Kraftsensoren ein digitales Ansprechverhalten haben oder der Auswertungseinheit Schwellwertdiskriminatormittel zugeordnet sind, derart, dass eine oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegende Druck-/Krafteinwirkung als solche erfasst und ein entsprechendes Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal bereitgestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken.
Vorrichtungen zur Erfassung von Druck- bzw. Kraftverteilungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus der DE 36 42 088 C2 und der DE 25 29 475 C3 .
Viele der bekannten Vorrichtungen können als Plattformen zur biomechanischen Ganganalyse eingesetzt werden, bei denen der Gang eines Wirbeltiers, insbesondere eines Menschen, gegebenenfalls aber auch eines Pferdes oder Hundes etc., 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.
Es wurden daher auch bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Ganganalyse, die sich eines Laufbandes bedienen, vorgeschlagen. Beispielhaft sei hierzu hingewiesen auf die DE 40 27 317 C1 oder die US 6,010,465 A .
Ferner wird in R. Kram und A. J. Powell: „A treadmill-mounted force platform" Appl. Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) 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.
Die erstere dieser Druckschriften beschreibt ein Laufband, welches aus einer Vielzahl von Gliedern aufgebaut ist, von denen jedes eine matrixförmige Anordnung von Druck- bzw. Kraftsensoren umfasst, während die zweite ein Laufband mit unter der Bandoberfläche liegender Messplatte mit einer matrixförmigen Anordnung von Druck- bzw. Kraftsensoren beschreibt. Beide Druckschriften lehren, dass mit der jeweiligen Sensorik eine Auswertungseinheit verbunden ist und die US 6,010,465 beschreibt den Aufbau und die Betriebsweise der Auswertungseinheit, etwa zur Auswertung der Position und eines zugeordneten Kraftwertes beim Auftreten auf das Laufband, beispielsweise zur Bestimmung von Drehmomenten und Lasten auf die Gelenke sowie bestimmten Gangparametern, relativ detailliert.
Mit Verbesserungen dieser bekannten Lösungen hinsichtlich der Ableitung differenzierter medizinischer bzw. sportphysiologischer Aussagen befasst sich die internationale Patentanmeldung PCT/EP2006/010471 der Anmelderin. Diese lehrt insbesondere Mittel und Vorgehensweisen zur genauen und differenzierten Erfassung der tatsächlichen Geschwindigkeit des Laufbandes unter Nutzung der Zeit- und Ortsabhängigkeit von auf diesem beim Gehen oder Laufen eines Probanden aufgenommenen Druckverteilungsbildern.
Aus der EP 1 145 1682 A2 sind ein auf der Laufband-Technik aufbauendes Rehabilitationsgerät und -verfahren bekannt, bei dem eine Anpassung der Funktion des Laufbandes an den aktuellen Stand der wiederherzustellenden Geh- bzw. Lauffähigkeit eines Patienten vorgesehen ist. Insbesondere wird die Laufbandgeschwindigkeit an einen persönlichen Schrittzyklus des Nutzers angepasst, und das Gerät soll diesem zugleich ein Feedback geben. In einer speziellen Ausführung ist auch die Erfassung von beim Auftreten ausgeübten Druckkräften und deren Auswertung im Rahmen des Gesamtprogramms vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer weiter verbesserten Vorrichtung der oben skizzierten Art zugrunde, die sich besonders für sportmedizinische oder Rehabilitations-Zwecke eignet.
Diese Aufgabe wird in ihrem Vorrichtungsaspekt durch eine Vorrichtung zu Ganganalyse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Ziel ist es, das Laufband mit integrierter Druckverteilungssensorik nicht nur als reines Analysegerät zur Stand-, Gang- und Laufanalyse einzusetzen, sondern das System zu einem Trainings-/Therapiegerät weiter zu entwickeln.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahme des Gangs über eine längere Zeit möglich, da ein Laufbandsystem verwendet wird. Dieses Laufbandsystem umfasst ein Endlosband, das über eine Sensorplattform gezogen wird, die mit einer Vielzahl matrixförmig angeordnete Druck- bzw. Kraftsensoren bestückt ist.
Als wesentliche Aspekte bzw. Ausführungsformen der Erfindung sind folgende zu nennen:
Es wird das bekannte Laufband mit Druckverteilungs-Sensorik zunächst zusätzlich mit einer Recheneinheit und Anzeigemitteln wie z. B. einem Bildschirm und/oder einer Vorrichtung für ein akustisches Feedback ausgestattet. In einer Ausführung wird eine Belastungsanalyse durchgeführt, wobei der Proband/Untersucher über ein Feedbacksignal gewarnt wird, wenn die Gewichtsbelastung ein bestimmtes Maß überschreitet. Hierzu wird der Patient etwa über ein Gewichtentlastungs- und Gurtsystem aufgehängt.
In einer Vereinfachung der bekannten Druckverteilungs-Matrix kann es hierbei ausreichen, dass diese nur aus einer Matrix von Ein-/Ausschaltern besteht, bei denen nicht analoge Druck-/Kraftwerte, sondern nur zwei Schaltzustände erfasst werden. Ein evtl. variierbarer Schaltwiderstand könnte hierbei zur Durchführung des Anfangs beschriebenen Belastungsfeedback verwendet werden. In einer weiteren Ausführung kann das System die Belastung auf das linke und rechte Bein unterscheiden. Dies kann in einer einfachen Ausführung dadurch geschehen, dass das Laufband bzw. die Druckverteilungs-Sensorik örtlich in einen linken und rechten Bereich unterteilt wird. Wird die Belastung auf einem Bein überschritten, so wird dies z. B. über ein akustisches Signal angezeigt. Dadurch kann trainiert werden, ein Bein z. B. nach einer Hüftgelenk-Operation nur mit einem bestimmten Prozentsatz des Körpergewichts zu belasten. Dazu ist es sinnvoll, dass der Patient sich über ein Geländer oder eine Armstütze entlasten kann.
Um den prozentualen Anteil der Belastung zu ermitteln, kann vor der Messung entweder das Körpergewicht eingegeben werden, oder es wird das gesamte Körpergewicht zunächst mit der im Laufband befindlichen Sensorik gemessen.
In einer weiteren Ausführungsform werden dem Probanden Aufgaben gestellt, die sich auf sein Gehen/Laufen beziehen und dieses beeinflussen. Z. B läuft der Proband auf einem simulierten Waldweg und muss am Boden befindlichen Wasserpfützen ausweichen. Tritt er in das Wasser, so wird dies detektiert und zur Anzeige gebracht. Eine entsprechende Auswertung gibt die Erfolgsquote wieder. Diese Art der Rückkopplung hat neben dem spielerischen Effekt und dem Effekt zur Verbesserung der Koordination auch den Vorteil, dass verschiedene Variationen des Auftretens mit den Füssen provoziert werden, was zu einer besseren Diagnose und zu besseren Möglichkeiten zur Erstellung von orthopädischen Einlegesohlen führen wird. Das normale Gehen auf dem Laufband führt nämlich zu einem eingeschliffenen stereotypen Gehen, bei dem Gangstörungen u. U. nicht aufgezeigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Geschwindigkeit des Laufbandes sowie der Neigungswinkel des Bandes über die Recheneinheit gesteuert. Dadurch ergeben sich weitere Provokationsmöglichkeiten, wobei wiederum das veränderte Gang- und Abrollverhalten direkt analysiert werden kann.
In einer weiteren Ausführung ist es denkbar, in die Lauffläche entweder feste Erhebungen bzw. Vertiefungen einzubauen oder Aktuatoren einzubauen mit denen sich auf der Lauffläche Erhöhungen realisieren lassen. Dies könnte z. B. mit einer Matrix aus luft- oder flüssigkeitsgefüllten Kammern realisiert werden. Diese würden ebenfalls von der Recheneinheit gesteuert und können für Provokationstests verwendet werden.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass die Druck-/Kraftsensoren ein digitales Ansprechverhalten haben oder der Auswertungseinheit Schwellwertdiskriminatormittel zugeordnet sind, derart, dass eine oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegende Druck-/Krafteinwirkung als solche erfasst und ein entsprechendes Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal bereitgestellt wird. Unter „digitalem Ansprechverhalten" wird nachfolgend insbesondere (aber nicht ausschließlich) eine Aus/Ein- oder Eins/Null-Charakteristik verstanden, und dieses digitale Ansprechverhalten kann – etwa softwaremässig realisiert – im physikalischen Sinne analog ansprechenden Druck- bzw. Kraftsensoren auf einem von mehreren Verarbeitungswegen aufgeprägt sein, wobei gleichzeitig auf einem anderen Verarbeitungsweg die ursprünglich analogen Signale oder digitale Signale mit einer höheren Anzahl von Digitalisierungsstufen verarbeitet werden.
Auch die erwähnten Schwellwertdiskriminatormittel können softwaremässig realisiert sein, und ebenso gilt das für bevorzugt vorgesehene mit Einstellmittel zur Einstellung des Schwellenwertes bzw. des digitalen Ansprechverhaltens der Druck-/Kraftsensoren.
Eine für die meisten praktischen Einsatzzwecke brauchbare Anordnung hat eine Warnanzeigeeinrichtung zur Ausgabe eines akustischen und/optischen Warnsignals im Ansprechen auf das Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal. Wenn im oben erwähnten Sinne auf mindestens einem Verarbeitungsweg die Signale der Druck-/Kraftsensoren also analoge Signale oder mit einer größeren Anzahl von Digitalisierungsstufen verarbeitet und hieraus optisch darstellbare Druckverteilungsbilder erzeugt werden, können diese zugleich auf einem als Warnanzeigeeinrichtung dienenden Bildschirm im Sichtfeld des Probanden/Patienten dargestellt werden. Sie können aber auch intern zur Ableitung diagnostischer Aussagen weiterverarbeitet oder zu einer Weiterverarbeitung nach extern übertragen werden.
Insbesondere für Rehabilitations-Zwecke ist vielfach eine Unterscheidung zwischen linkem und rechtem Bein eines Probanden erforderlich, weil zumeist nur eines von beiden geschädigt ist. Eine weitere Ausführung der Erfindung sieht daher vor, dass die Kraftmessplatte in eine linke und rechte Teil-Messplatte geteilt ist und die Aus wertungs- und Verarbeitungseinheit zur separaten Verarbeitung der Signale der Druck-/Kraftsensoren von der linken und rechten Teil-Messplatte und zur Ausgabe entsprechend separater Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignale ausgebildet sind.
Weitere zweckmässige Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnen sich durch Hilfsmittel zur bedarfsweisen Aufnahme eines Teiles des Körpergewichts des Patienten aus. In einer ersten Variante ist die Vorrichtung mit an den Körper des Probanden angepassten, angetriebenen Stützmitteln zur Aufnahme eines Teils des Körpergewichts des Probanden im Ansprechen auf das Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal versehen. Solche aktiven Stützmittel können etwa eine über dem Probanden vorgesehene Traverse oder eine Art Kran mit einem Gurtsystem sein, in das der Körper des Patienten „eingehängt" wird und das motorisch oder hydraulisch in vorbestimmtem Maße angehoben werden kann.
Eine weitere Variante sieht – oder alternativ – eine passive Abstützeinrichtung vor, auf die der Proband zur Entlastung mindestens eines Beines einen Teil seines Körpergewichts verlagern kann. Im einfachsten Falle ist das ein links- und rechtsseitig des Laufbandes angebrachtes Paar von Handläufen, einsetzbar sind aber natürlich auch andere bekannte Anordnungen aus der Rehabilitationstechnik.
In Verbindung mit der weiter oben erwähnten Links-/Rechts-Teilung der Messanordnung ist eine Ausführung besonders sinnvoll, wobei die angetriebenen Stützmittel und/oder die passive Abstützeinrichtung separate rechts- und linksseitige Komponenten zur spezifischen Entlastung des linken oder rechten Beines des Probanden aufweisen.
Eine weitere Ausführung der Erfindung zeichnet sich durch Neigungseinstellmittel zur Neigungseinstellung des Laufbandes aus. Im Hinblick auf die Feedback-Funktionalität der Anordnung ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die Einstellmittel zur Einstellung des Schwellenwertes einen Steuereingang zur Aufnahme eines die Neigung des Laufbandes betreffenden Korrektursignals zur Neigungs-Anpassung des Schwellenwertes bzw. digitalen Ansprechverhaltens aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung mit zusätzlichen Messmitteln zur Erfassung mindestens einer zweiten biometrischen Messgröße ausgestattet, wobei die Verarbeitungseinheit zur kombinierten Verarbeitung der Druckverteilungsbilder und von Messwerten der weiteren biometrischen Messgröße ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist dann außerdem eine Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Druck-/Kraftverteilungsmessung mit der Erfassung der oder einer weiteren biometrischen Messgröße durch die zusätzlichen Messmittel vorgesehen. In einer Ausgestaltung dieser Ausführung ist zudem zweckmäßigerweise die Synchronisationseinheit eingangsseitig mit der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit verbunden, derart, dass Synchronisationssignale im Ansprechen auf Merkmale der Druckverteilungen oder auf die daraus abgeleiteten Werte bzw. Signale ausgegeben werden.
Eine Ausgestaltung in dieser Ausführung sieht vor, dass die Synchronisationseinheit eingangsseitig mit der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit verbunden ist, derart, dass Synchronisationssignale im Ansprechen auf Merkmale der Druckverteilungen oder auf die daraus abgeleiteten Werte bzw. Signale ausgegeben werden. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinheit eine Logik-Stufe zur logischen Verarbeitung, insbesondere AND- oder NAND-Verarbeitung, des Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignals und der Messwerte der oder mindestens einer weiteren biometrischen oder medizinischen Messgröße und zur Ausgabe eines Kombinations-Ausgangssignals aufweist. Insbesondere können hierbei die Warnanzeigeeinrichtung und/oder die angetriebenen Stützmittel mit dem Ausgang der Logik-Stufe zur Verarbeitung des Kombinations-Ausgangssignals als ihr Ansteuersignal verbunden sein.
Mit diesen Ausgestaltungen wird es also ermöglicht, neben den Druckverteilungen beim Gehen und Laufen auch den allgemeinen physischen Zustand des Patienten in einem Trainings- bzw. Rehabilitationsprogramm zu berücksichtigen, und zwar in einer flexibel wählbaren Kombination und Verknüpfung. Auch die Ausgabe von Warnsignalen und der Eingriff aktiver Stützmittel kann vom Ergebnis einer komple xen Verarbeitung der Druckverteilungen in Kombination mit weiteren biometrischen Größen oder medizinischen Größen abhängig gemacht werden.
Den oben skizzierten Vorrichtungsaspekten der Erfindung entsprechen in für den Fachmann ohne weiteres ersichtlicherweise zugleich Verfahrensaspekte, so dass eine gesonderte Auflistung verzichtbar ist. Auch ansonsten ist die Ausführung der Erfindung nicht auf die oben konkret angeführten Aspekte und Ausführungsformen beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3642088 C2 [0002]
- DE 2529475 C3 [0002]
- DE 4027317 C1 [0004]
- US 6010465 A [0004]
- US 6010465 [0006]
- EP 2006/010471 [0007]
- EP 11451682 A2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. Kram und A. J. Powell: „A treadmill-mounted force platform" Appl. Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) [0005]

Claims

Vorrichtung zur Ganganalyse, insbesondere zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken, mit einem über mindestes zwei Laufrollen geführten und als Laufband dienenden Endlosband, dessen eine Oberfläche als Lauffläche dient, einer Sensorik zur Bestimmung einer Druck-/Kraftverteilung auf einer unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte, die auf der dem Endlosband zugewandten Seite eine Vielzahl von Druck-/Kraftsensoren aufweist, einer mit den Druck-/Kraftsensoren eingangsseitig verbundenen Auswertungseinheit, welche Druckverteilungen detektiert, die durch einen gehenden oder laufenden Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und einer eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundenen Verarbeitungseinheit, welche aus den Druckverteilungen Werte bzw. Signale erzeugt, die den Gang des Probanden charakterisieren, wobei die Druck-/Kraftsensoren ein digitales Ansprechverhalten haben oder der Auswertungseinheit Schwellwertdiskriminatormittel zugeordnet sind, derart, dass eine oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegende Druck-/Krafteinwirkung als solche erfasst und ein entsprechendes Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal bereitgestellt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit Einstellmitteln zur Einstellung des Schwellenwertes bzw. des digitalen Ansprechverhaltens der Druck-/Kraftsensoren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Warnanzeigeeinrichtung zur Ausgabe eines akustischen und/optischen Warnsignals im Ansprechen auf das Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kraftmessplatte in eine linke und rechte Teil-Messplatte geteilt ist und die Auswertungs- und Verarbeitungseinheit zur separaten Verarbeitung der Signale der Druck-/Kraftsensoren von der linken und rechten Teil-Messplatte und zur Ausgabe entsprechend separater Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignale ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Druckverteilungen als Druckverteilungsbilder detektiert und ausgewertet und/oder auf einem zugleich als Warnanzeigeeinrichtung wirkenden Bildschirm im Sichtfeld des Probanden dargestellt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit an den Körper des Probanden angepassten, angetriebenen Stützmitteln zur Aufnahme eines Teils des Körpergewichts des Probanden im Ansprechen auf das Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignal.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer passiven Abstützeinrichtung, auf die der Proband zur Entlastung mindestens eines Beines einen Teil seines Körpergewichts verlagern kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die angetriebenen Stützmittel und/oder die passive Abstützeinrichtung separate rechts- und linksseitige Komponenten zur spezifischen Entlastung des linken oder rechten Beines des Probanden aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Neigungseinstellmitteln zur Neigungseinstellung des Laufbandes.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einstellmittel zur Einstellung des Schwellenwertes einen Steuereingang zur Aufnahme eines die Neigung des Laufbandes betreffenden Korrektursignals zur Neigungs-Anpassung des Schwellenwertes bzw. digitalen Ansprechverhaltens aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit zusätzlichen Messmitteln zur Erfassung mindestens einer zweiten biometrischen oder einer medizinischen Messgröße, wobei die Verarbeitungseinheit zur kombinierten Verarbeitung der Druckverteilungsbilder und von Messwerten der weiteren biometrischen Messgröße ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Druck-/Kraftverteilungsmessung mit der Erfassung der oder einer weiteren biometrischen oder medizinischen Messgröße durch die zusätzlichen Messmittel vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Synchronisationseinheit eingangsseitig mit der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit verbunden ist, derart, dass Synchronisationssignale im Ansprechen auf Merkmale der Druckverteilungen oder auf die daraus abgeleiteten Werte bzw. Signale ausgegeben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verarbeitungseinheit eine Logik-Stufe zur logischen Verarbeitung, insbesondere AND- oder NAND-Verarbeitung, des Schwellenüberschreitungs-Ausgangssignals und der Messwerte der oder mindestens einer weiteren biometrischen oder medizinischen Messgröße und zur Ausgabe eines Kombinations-Ausgangssignals aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Warnanzeigeeinrichtung und/oder die angetriebenen Stützmittel mit dem Ausgang der Logik-Stufe zur Verarbeitung des Kombinations-Ausgangssignals als ihr Ansteuersignal verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die zusätzlichen Messmittel zur Messung des Blutdrucks und/oder der Pulsfrequenz und/oder eines EEG und/oder eines EKG und/oder der Hautoberflächen-Leitfähigkeit ausgebildet sind.