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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität
eines Kniegelenks mit mindestens einem berührungslosen
Messsensor.
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Die
Kreuzbänder des menschlichen Kniegelenks stabilisieren
den Femur (Oberschenkelknochen) gegenüber der Tibia (Schienbein).
Wie alle Bänder im menschlichen Körper können
sie aber nur Zugkräfte aufnehmen. Zur Stabilisierung des
Kniegelenks gibt es daher zwei Kreuzbänder, die entgegengerichtet
zueinander verlaufen.
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Wird
bei einer Kreuzbandruptur (Kreuzbandriss) beispielsweise das vordere
Kreuzband durchtrennt, so kann es keine Zugkräfte mehr
aufnehmen. Da das hintere Kreuzband keine Druckkräfte aufnehmen
kann, wird das Kniegelenk instabil. Es ist folglich nach einer solchen
Kreuzbandruptur möglich, das Schienbein durch Zug weiter
in Richtung „nach vorne” hinsichtlich des Oberschenkels
zu bewegen, als dies bei einem gesunden Kniegelenk möglich
ist.
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Verfahren
zur Untersuchung der Stabilität eines Kniegelenks werden
vor allem zur prä- und postoperativen Diagnostik im Rahmen
der Therapie von Kreuzbandrupturen durchgeführt.
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Bei
dem sogenannten „Lachmann-Test” wird bei einem
liegenden Patienten das zu diagnostizierende Kniegelenk bei einem
Beugewinkel des Kniegelenks von ungefähr 30° gehalten.
Anschließend umfasst der Therapeut den Unterschenkel mit
seinen beiden Händen derart, dass seine beiden Zeigefinger in
der Kniekehle liegen. Danach zieht er den Unterschenkel nach vorne.
In Abhängigkeit von der Verschiebbarkeit des Unterschenkels
gegenüber dem Oberschenkel kann eine Teilruptur oder eine
vollständige Ruptur des Kreuzbandes diagnostiziert werden.
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Ein ähnliches
Diagnostizierverfahren wird bei dem sogenannten „Vorderen-Schubladen-Test” verwendet.
Der Vordere-Schubladen-Test unterscheidet sich von dem Lachmann-Test
vor allem dadurch, dass das zu diagnostizierende Kniegelenk bei einem
Beugewinkel von ungefähr 90° untersucht wird.
Der Abstand der Verschie bung zwischen Oberschenkel und Unterschenkel
wird als „Schubladenweg” bezeichnet.
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Zum
Bestimmen der Rotationsstabilität des Kniegelenks wird
der sogenannte „Pivot-Shift-Test” verwendet, der
auch als Dreh-Rutsch-Test oder Subluxationstest bekannt ist. Dieses
Diagnostizierverfahren findet unter anderem zur Untersuchung des
Kniegelenks bei Verdacht auf einen Riss oder eine Verletzung des
vorderen Kreuzbandes Einsatz. Auch zur Therapie nach einer neuartigen „Double-Bundle Operation” aufgrund
einer Kreuzbandruptur, bei der die Rotationsstabilität
des Kniegelenks wieder hergestellt wird, findet der Pivot-Shift-Test
Einsatz.
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Bei
dem Pivot-Shift-Test drückt der Therapeut den Unterschenkel
des liegenden Patienten bei abgewinkelten Knie mit einer Hand nach
unten und führt gleichzeitig eine Innenrotation des Unterschenkels
aus. Der Test gilt als positiv verlaufen, wenn sich ein Rutschen
des oberen Tibiaplateaus (Schienbeinkopf) nach hinten einstellt.
Insbesondere nimmt der Therapeut bei einem Beugewinkel des Kniegelenks zwischen
27° und 45° ein plötzliches Schnappen wahr,
bei dem der laterale Femurkondylus gegenüber dem lateralen
Tibiakondylus nach vorne springt. Dieses Phänomen ist auch
teilweise von Außen ersichtlich.
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Von
einem Therapeuten durchgeführte Lachmann-, Vordere-Schubladen-
bzw. Pivot-Shift-Tests haben jedoch den Nachteil, dass die Untersuchungsergebnisse
rein subjektiv von der Einschätzung des Therapeuten und
von dessen Erfahrung abhängen.
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Aus
diesem Grund wurden eine Reihe von durch Vorrichtungen unterstützte
Diagnostizierverfahren entwickelt, durch welche die Genauigkeit
der subjektiven, manuellen Diagnostizierverfahren verbessert werden
soll.
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Bei
dem radiologischen Lachmann-Test wird unter Verwendung einer Knie-Haltevorrichtung
und eines Röntgenapparats der oben beschriebene Lachmann-Test
verifiziert. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass eine
erhebliche Strahlenbelastung für den Patienten auftritt.
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Daneben
wird auch Magnet-Resonanz-Tomographie zur Verifikation der Diagnostizierverfahren
verwendet. Magnet-Resonanz-Tomographen sind jedoch für
die Routine-Diagnostik in kleinen chirurgischen Ambulanzen oder
Praxen in der Regel zu teuer und benötigen erheblichen
Bauraum sowie technischen Aufwand.
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Des
weiteren sind Vorrichtungen zur instrumentellen Messung, sogenannte
Arthrometer, zur Bestimmung der Stabilität eines Kniegelenks
mit Hilfe des Lachmann-Tests bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird
eine manuell ausgeübte Kraft zur ventralen Translation
der Tibia im Vergleich zur Patella des Kniegelenks mechanisch ausgeübt.
Die Messergebnisse werden mit Hilfe der Vorrichtung rein mechanisch
ermittelt und über Skalen angezeigt. Die Verwendung solcher
Vorrichtungen ist jedoch teilweise umständlich, da die
Vorrichtungen an mehreren Stellen an dem Bein des Patienten befestigt
werden müssen. Darüber hinaus weisen die Vorrichtungen
eine gewisse Größe auf, was deren Handhabung erschwert.
Auch die Genauigkeit der Messergebnisse ist oft nicht ausreichend.
Ferner ist mit bekannten Arthrometern nur eine Durchführung
des Lachmann-Tests möglich. Eine Bestimmung der Rotationsstabilität
des Kniegelenks kann mit solchen bekannten Vorrichtungen nicht erfolgen.
Dies liegt insbesondere darin begründet, das mit älteren
Operationstechniken die Rotationsstabilität des Kniegelenks nur
bedingt hergestellt werden kann.
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Die
Druckschrift
US 4,583,555 betrifft
eine Vorrichtung zum mechanischen Messen der Verschiebbarkeit eines
Unterschenkels gegenüber dem zugehörigen Kniegelenk
beim Lachmann-Test.
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Die
Druckschrift
US 4,649,934 betrifft
eine Vorrichtung zum Messen der Beweglichkeit eines Kniegelenks
umfassend einen Behandlungsstuhl mit einem eingebauten Kraftmesser.
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Aus
der Druckschrift
DE
201 18 040 U1 ist ein Gelenkdiagnose-Set zur Erfassung
und Evaluation der Bewegung eines Kniegelenks mit einem Markersystem
bekannt.
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Die
Druckschrift
DE 39
25 014 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen
der Stabilität eines Kniegelenks mit einer Haltevorrichtung
aufweisend zwei gelenkig miteinander verbundene Teilplatten und
ein rechnergestütztes Ultraschallgerät, welches
in die Weichteile eines eingespannten Kniegelenks eingedrückt
wird.
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Die
Druckschrift
DE 197
01 838 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität
eines Kniegelenks mit zwei als Linearpotentiometer ausgebildeten
Abstandssensoren.
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Die
Druckschrift
DE 36
36 843 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität
eines Kniegelenks umfassend einen Stuhl mit einer zur Fixierung
des Beckens stark eingetieften Sitzfläche.
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Es
ist demgegenüber eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
bereitzustellen, welche eine einfache und unkompliziert zu handhabende
Bestimmung der translatorischen Stabilität in einer sagittalen
Ebene und/oder der Rotationsstabilität um eine Achse in
der horizontalen Ebene des Kniegelenks ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität
eines Kniegelenks gelöst, mit einem Messsensor, der über
eine Befestigungsvorrichtung an einem dem Kniegelenk zugeordneten
Unterschenkel anbringbar ist, wobei der Messsensor zum Messen einer
Beschleunigung in mindestens eine Richtung bei einer Bewegung des Unterschenkels
ausgebildet ist, und wobei eine Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeitung
von Messwerten des Messsensors vorgesehen ist, um aus den verarbeiteten
Messwerten auf die Stabilität des Kniegelenks zu schließen.
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Bei
der Vorrichtung zur Bestimmung der Stabilität eines Kniegelenks
gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe
des nur einen Messsensors, der über eine Befestigungsvorrichtung
an einem dem Kniegelenk zugeordneten Unterschenkel angebracht wird,
und der Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der Messwerte des
Messsensors eine Aussage hinsichtlich der Stabilität des
Kniegelenks getroffen werden. Durch diese einfache Struktur mit
nur wenigen Bauteilen wird die Handhabung der Vorrichtung wesentlich
vereinfacht. Insbesondere muss der Therapeut während der
Durchführung eines Diagnostizierverfahrens kein Element
der Vorrichtung betätigen und hat somit seine beiden Hände
für das Diagnostizierverfahren frei.
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Bei
der Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten von Messwerten des
Messsensors kann es sich um einen Computer mit einem Computerprogramm
zum Auswerten der Messergebnisse, einer Speichervorrichtung zum
Speichern der Messergebnisse und einer Anzeige zum Anzeigen der
Messergebnisse und der Auswertung der Messergebnisse handeln.
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Bei
dem Messsensor zum Messen einer Beschleunigung und/oder Winkelgeschwindigkeit
in mindestens einer Richtung bei einer Bewegung des Unterschenkels
handelt es sich bevorzugt um einen Inertialsensor. Ein Inertialsensor
bestimmt Orientierung- und Positionsänderungen basierend
auf einem inertialen Navigationssystem (INS). Dabei werden, ohne
dass ein Bezug zur äußeren Umgebung erforderlich
ist, die eigene Lage, Position und Geschwindigkeit des Sensors bestimmt.
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Der
Inertialsensor kann Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren,
sogenannte Gyroskope, für alle drei Raumrichtungen umfassen.
Die Drehratensensoren bestimmen Winkelgeschwindigkeiten um eine
Drehachse bei einer Bewegung. Der Inertialsensor kann die Beschleunigungen
in drei Raumrichtungen und die Winkelgeschwindigkeiten um drei Raumachsen
bestimmen. Aus den bestimmten Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitswerten
kann eine Positionsänderung des Inertialsensors berechnet
werden. Inertialsensoren haben den Vorteil, dass sie robust sind,
ohne Infrastruktur oder Referenzwerte auskommen und unempfindlich
gegen Abschattungen und Störungen sind.
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Bei
der mindestens einen Richtung bei einer Bewegung des Unterschenkels
handelt es sich bevorzugt um eine Bewegungsrichtung des Unterschenkels
beim Beugen und Strecken des Kniegelenks und eine Richtung im wesentlichen
senkrecht zu der Erstreckungsrichtung des Unterschenkels. Insbesondere
kann es sich bei der Richtung um eine Bewegungsrichtung des Unterschenkels
bei dem Lachmann-Test handeln.
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Aus
dem mit Hilfe des Messsensors bestimmten Beschleunigungswert in
mindestens einer Richtung kann mit Hilfe zweifacher Integration
des Beschleunigungswertes rechnerisch eine Länge des Bewegungswegs
des Unterschenkels bestimmt werden. Dadurch kann beispielsweise
beim Lachmann-Test basierend auf einer Beschleunigungsmessung eine
Aussage über den Grad der Verschiebbarkeit des Unterschenkels
im Verhältnis zu dem Oberschenkel, d. h. der Stabilität
des Kniegelenks, getroffen werden. Bei dem Bewegungsweg kann es
sich insbesondere um den eingangs definierten Schubladenweg handeln.
Die Integration der Beschleunigungswerte kann ab einem bestimmten
Beschleunigungswert erfolgen. Dies kann vorteilhaft sein, um Beschleunigung,
die nicht auf das Diagnostizierverfahren zurückzuführen
sind, von der Auswertung auszuschließen.
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Mit
Hilfe eines Wertes der Beschleunigung und einem Referenzwert kann
die Verarbeitungsvorrichtung einen Beugewinkel des Kniegelenks bestimmen.
Der Referenzwert kann beispielsweise ein Beugewinkel von 180° bei
ausgestrecktem Bein sein. Ferner kann für die Berechnung
des Beugewinkels davon ausgegangen werden, dass der Patient bei
gebeugtem Knie auf einer waagrechten Ebene liegt, beispielsweise
einer Liege. Der Berechnung kann des Weiteren zugrundegelegt werden,
dass der Unterschenkel und der Oberschenkel die gleiche Länge aufweisen.
So kann über das zwischen Oberschenkel, Unterschenkel und
Auflagefläche gebildete gleichseitige Dreieck der Beugewinkel
des Kniegelenks berechnet werden.
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Durch
eine solche Berechnung des Beugewinkels des Kniegelenks entfällt
die Notwendigkeit einer separaten Bestimmung des Beugewinkels mit einer
manuellen Winkelmessvorrichtung während der Durchführung
eines Diagnostizierverfahrens. Beispielsweise muss der Lachmann
bzw. der Pivot-Shift-Test bei bestimmten Beugewinkeln des Kniegelenks
durchgeführt werden. Durch Anzeige des berechneten Beugewinkels
während der Durchführung des Diagnostizierverfahrens
auf einer Anzeigeeinrichtung (beispielsweise einem in der Verarbeitungsvorrichtung
vorgesehenen Bildschirm) kann der Therapeut ständig, d.
h. während der Diagnose, und ohne zusätzliche
Handgriffe überwachen, ob das Kniegelenk in dem gewünschten
Winkel gebeugt ist bzw. den Beugewinkel des Kniegelenks entsprechend
anpassen. Der berechnete bzw. in der Verarbeitungsvorrichtung gespeicherte
Beugewinkel kann auch bei einer späteren Auswertung der
Messergebnisse dazu verwendet werden, um zwischen verschiedenen
an dem Kniegelenk durchgeführten Diagnostizierverfahren,
beispielsweise einem Übergang vom Lachmann- zum Pivot-Shift-Test,
zu unterscheiden.
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Die
Verarbeitungsvorrichtung kann ferner dazu eingerichtet sein, Extrema
einer Mehrzahl von Beschleunigungswerten bei der Bewegung des Unterschenkels
zu bestimmen. Aus den Extrema der Beschleunigungswerte kann insbesondere
bei dem Pivot-Shift-Test auf eine Instabilität des Kniegelenks geschlossen
werden. Versuche haben ergeben, dass insbesondere aus den Beschleunigungsspitzenwerten
Charakteristika eines instabilen Kniegelenks, speziell bei Vergleich
mit einem gesunden Kniegelenk, erkannt werden können.
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Der
Verarbeitungsvorrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, einen
Rotationswinkel des Unterschenkels bei einer rotatorischen Bewegung des
Unterschenkels zu bestimmen. Dazu kann die Winkelgeschwindigkeit
bei einer Drehung des Unterschenkels mit Hilfe eines Drehratensensors
oder eines Gyroskops von dem Messsensor bestimmt und durch einfache
Integration aus der Winkelgeschwindigkeit der Rotationswinkel berechnet
werden. Die Bestimmung des Rotationswinkels des Unterschenkels kann
insbesondere bei dem Pivot-Shift-Test zur Feststellung verwendet
werden, ob der Unterschenkel bis zu einem gewünschten Rotationswinkel
gedreht wurde. Es ist auch denkbar, die Winkelgeschwindigkeit und/oder
die Winkelbeschleunigung bei einer rotatorischen Bewegung des Unterschenkels
in der Verarbeitungsvorrichtung auszuwerten bzw. zu berechen und
anzuzeigen, um Rückschlüsse auf die Rotationsstabilität
des Kniegelenks treffen zu können.
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Die
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
kann ferner einen zweiten Messsensor aufweisen, der über
eine zweite Befestigungsvorrichtung an einem dem Kniegelenk zugeordneten
Oberschenkel anbringbar ist, wobei der zweite Messsensor zum Messen
einer Beschleunigung in mindestens eine Richtung bei einer Bewegung
des Oberschenkels ausgebildet ist.
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Bei
dem zweiten Messsensor kann es sich ebenfalls um einen Inertialsensor
handeln. Mit Hilfe der Messergebnisse des ersten und zweiten Messsensors
ist aufgrund der zusätzlichen Beschleunigungs- bzw. Winkelgeschwindigkeitswerte
eine noch genauere Bestimmung der Stabilität des Kniegelenks,
beispielsweise bei dem Lachmann- und dem Pivot-Shift-Test, möglich.
Wie bei dem für den Unterschenkel vorgesehenen Messsensor
kann der zweite Messsensor in jeweils drei Raumrichtungen Beschleunigungen
und um drei Raumachsen Winkelgeschwindigkeiten bestimmen. Diese
Messwerte können von der Verarbeitungsvorrichtung für
die Bestimmung der Stabilität des Kniegelenks verwendet
werden. Auch kann mit Hilfe der zusätzlichen Messwerte des
zweiten Messsensors eine noch genauere Bestimmung des Beugewinkels
des Kniegelenks als mit nur einem Messsensor erfolgen, bei dem die
Berechnung des Beugewinkels einen Referenzwert berücksichtigt.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch
durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines
Kniegelenks gelöst mit einem berührungslosen Messsensor,
der über eine Befestigungsvorrichtung an einem dem Kniegelenk
zugeordneten Unterschenkel anbringbar ist, wobei der berührungslose
Messsensor zum Messen eines Abstands zwischen dem berührungslosen Messsensor
und einem Referenzpunkt bei einer Bewegung des Unterschenkels ausgebildet
ist, und wobei eine Verarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten von
Messwerten des Messsensors vorgesehen ist, um aus den verarbeiteten
Messwerten auf die Stabilität des Kniegelenks zu schließen.
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Der
Einsatz eines berührungslosen Messsensors zum Messen eines
Abstandes hat den Vorteil, dass eine Vorrichtung zum Bestimmen der
Stabilität eines Kniegelenks mit einer einfachen Struktur bereitgestellt
werden kann, was die Handhabung der Vorrichtung vereinfacht.
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Der
berührungslose Messsensor kann einen Lasersensor, einen
Ultraschallsensor und/oder einen Infrarotsensor umfassen. Solche
berührungslosen Messsensoren haben den Vorteil, dass nur
die Sensoren und keine wesentlichen zusätzlichen Bau teile zur
Abstandsmessung notwendig sind. Dadurch wird die Komplexität
der Vorrichtung verringert.
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Der
Referenzpunkt kann sich an dem zu untersuchenden Kniegelenk befinden.
Bevorzugt befindet sich der Referenzpunkt zentral an der Kniescheibe
des Kniegelenks. Der Referenzpunkt kann sich aber auch an dem dem
Kniegelenk zugeordneten Oberschenkel oder auf der Behandlungsliege
befinden.
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Dadurch,
dass sich beispielsweise bei dem Lachmann- oder dem Pivot-Shift-Test
die Position des Unterschenkels bzw. des Schienbeins mit dem daran
fest angebrachten berührungslosen Messsensor relativ zu
dem unbewegten Kniegelenk, d. h. der Kniescheibe, ändert, ändert
sich auch der Abstand zwischen dem berührungslosen Messsensor
und dem Referenzpunkt. Folglich kann mit Hilfe des berührungslosen
Messsensors auf einfache und präzise Weise der Abstand
zwischen Messsensor und Referenzpunkt bestimmt werden.
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Die
Befestigungsvorrichtung ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie
den berührungslosen Messsensor in einem geringen Abstand über
dem Kniegelenk, d. h. insbesondere der Kniescheibe, oder dem dem
Kniegelenk zugeordneten Oberschenkel hält. Dadurch kann
der Abstand zwischen dem Messsensor und dem Referenzpunkt bei einer
Bewegung des Oberschenkels, beispielsweise bei dem Lachmann- oder
dem Pivot-Shift-Test, bestimmt werden.
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Weiter
bevorzugt erstreckt sich die Befestigungsvorrichtung im wesentlichen
parallel zu der Verlaufsrichtung des Unterschenkels. Diese Ausführungsform
ist vorteilhaft, da bei den meisten Diagnostizierverfahren, wie
beispielsweise dem Lachmann- oder dem Pivot-Shift-Test, der Unterschenkel
bewegt wird und die Befestigungsvorrichtung somit parallel der Bewegung
des Unterschenkel folgt.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst die Befestigungsvorrichtung mindestens
eine Halteschale mit Verschlussmitteln zum Befestigen der Halteschale
an dem Unterschenkel. Für eine genaue Bestimmung der Beschleunigung
bzw. des Abstands zwischen dem berührungslosen Messsensor
und dem Referenzpunkt ist es von entscheidender Bedeutung, dass
der Messsensor zusammen mit dem Unterschenkel bewegt wird. Aus diesem
Grund ist es notwendig, dass der Messsensor fest mit dem Unterschenkel
verbunden ist und nicht verrutschen, verkippen oder sich anderweitig
im Verhältnis zu dem Unterschenkel bewegen kann. Durch
die Halteschale wird eine hohe Kipp- und Rotationsstabilität
gewährleistet. Ferner kann die Halteschale der Anatomie des
menschlichen Unterschenkels nachgebildet sein, wobei die Halteschale
mit Hilfe der Verschlussmitteln an dem Unterschenkel befestigt werden
kann. Bei den Verschlussmitteln kann es sich um einen Kreppverschluss
handeln. Die Verschlussmittel können auch einen an einem
flexiblen Band angebrachten Haken umfassen, der sich auf der medialen
Seite der Tibia an einem Ösenelement einhängen
lässt. Die Halteschale kann so ausgebildet sein, dass sie
sowohl an dem linken als auch dem rechten Unterschenkel anbringbar
ist.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung umfasst die Befestigungsvorrichtung
zwei Halteschalen, welche mit Hilfe von Verschlussmitteln an dem Unterschenkel
befestigt werden können. Da sich die Anatomie verschiedener
Unterschenkel unterscheidet, ist das Verschlussmittel bevorzugt
derart ausgebildet, dass die Halteschale unabhängig von
der Form des Unterschenkels fest an diesem angebracht werden kann.
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Um
eine weiter vereinfachte Handhabung der Vorrichtung zum Bestimmen
der Stabilität eines Kniegelenks zu ermöglichen,
werden die Messwerte der Messsensoren drahtlos, kabelgebunden oder über
ein Spechermedium an die Verarbeitungsvorrichtung übertragen.
Da der Therapeut bei der Durchführung der Diagnostizierverfahren
den Unterschenkel bzw. den Oberschenkel greifen bzw. bewegen muss,
würde eine Verbindung über Kabel zwischen dem
Messsensor und der Verarbeitungsvorrichtung die Durchführung
der Diagnostizierverfahren erschweren.
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Bevorzugt
misst der Messsensor eine Mehrzahl von Messwerten über
der Zeit. Die Mehrzahl von Messwerten über der Zeit werden
an die Verarbeitungsvorrichtung übertragen und von dieser
ausgewertet. Durch die Bestimmung der Messwerte über der
Zeit kann insbesondere bei dem Lachmann- bzw. dem Pivot-Shift-Test
eine Aussage hinsichtlich der Stabilität des Kniegelenks
getroffen werden. Weiter vorteilhaft können die Messwerte über
der Zeit für einen Vergleich des zu diagnostizierenden
Knies mit einem gesunden Kniegelenk verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung bildet die Verarbeitungsvorrichtung
einen Mittelwert der Messwerte über ein vorbestimmtes Zeitintervall.
Durch die Mittelwertbildung können Messfehler unterdrückt
werden. Andere Glättungsverfahren sind auch einsetzbar.
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Bevorzugt
handelt es sich bei der Bewegung des Unterschenkels um eine translatorische und/oder
eine rotatorische Bewegung des Unterschenkels. Die Vorrichtung ist
ferner dazu eingerichtet, die translatorische Stabilität
in einer sagittalen Ebene und/oder die Rotationsstabilität
um eine Achse in der horizontalen Ebene des Kniegelenks zu bestimmen.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist
somit in der Lage, sowohl eine translatorische Stabilität
des Kniegelenks, beispielsweise bei dem Lachmann-Test, als auch
eine rotatorische Stabilität des Kniegelenks, beispielsweise
bei dem Pivot-Shift-Test, zu bestimmen. Folglich ist gemäß der vorliegenden
Erfindung nur eine Vorrichtung zur Durchführung mehrerer
Diagnostizierverfahren an einem Kniegelenk notwendig.
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Die
eingangs gestellte Aufgabe wird auch durch ein System zum Bestimmen
der Stabilität eines Kniegelenks mit einer Vorrichtung
zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks mit einem
Messsensor zum Messen einer Beschleunigung in mindestens eine Richtung
bei einer Bewegung des Unterschenkels und einer Vorrichtung zum
Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks mit einem berührungslosen
Messsensor, beispielsweise einem Lasersensor, gelöst. Durch
eine solche Kombination können noch genauere Messergebnisse
erzielt werden. Ferner kann eine noch genauere Aussage hinsichtlich
der Stabilität des Kniegelenks getroffen werden. Darüber hinaus
kann eine der Vorrichtungen als Referenzmessvorrichtung für
die andere Vorrichtung verwendet werden. Eine der Vorrichtungen
kann auch zur Kalibrierung der anderen Vorrichtungen verwendet werden.
Ferner können auch die Messergebnisse der beiden Vorrichtungen
verglichen werden, um eine Aussage hinsichtlich der Genauigkeit
einer Vorrichtung treffen zu können.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Figuren beispielhaft
erläutert. Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
mit einem Inertialsensor;
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2 eine
schematische Darstellung der Messrichtungen an einem Oberschenkel
und einem Unterschenkel;
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
mit zwei Inertialsensoren; und
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4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
mit einem Lasersensor.
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Im
folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung bei Durchführung des Lachmann- bzw. Pivot-Shift-Tests
erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine
Verwendung bei dem Lachmann- bzw. dem Pivot-Shift-Test beschränkt.
Grundsätzlich kann die vorliegende Erfindung bei jedem
Diagnostizierverfahren verwendet werden, bei dem der Unterschenkel und/oder
der Oberschenkel bewegt wird.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines menschlichen Beins mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der
Stabilität eines Kniegelenks gezeigt. Mit der gezeigten
Vorrichtung kann sowohl die translatorische Stabilität
als auch die Rotationsstabilität eines Kniegelenks bestimmt
werden.
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Das
Bein umfasst einen Oberschenkel 10, ein zu diagnostizierendes
Kniegelenk 11 und einen Unterschenkel 12.
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Ein
Inertialsensor 14 ist mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 16 an
dem Unterschenkel 12 befestigt. Des weiteren ist eine Verarbeitungsvorrichtung 18 zum
Verarbeiten der Messwerte des Inertialsensors 14 vorgesehen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 18 umfasst eine Anzeige 20,
eine Speichervorrichtung 22 und eine Verarbeitungslogik 24.
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Bei
dem Lachmann-Test wird der Unterschenkel 12 relativ zu
dem Oberschenkel 10 in die Richtung z bewegt. Die Beschleunigung
der Bewegung des Unterschenkels 12 in die Richtung z wird von
dem Inertialsensor 14 gemessen und die Messwerte werden
an die Verarbeitungsvorrichtung 18 kabelgebunden oder kabellos übertragen.
Bei dem Bewegungsweg des Unterschenkels 12 relativ zu dem Oberschenkel 10 handelt
es sich um den Schubladenweg.
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Bei
dem Pivot-Shift-Test wird der Unterschenkel 12 in die Drehrichtung γ gedreht
und gebeugt. Der Inertialsensor 14 bestimmt die Winkelgeschwindigkeit
der Rotation. Die Messwerte werden von dem Inertialsensor 14 an
die Verarbeitungsvorrichtung 18 übertragen. Weitere
Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitswerte können
von dem Inertialsensor 14 gemessen und an die Verarbeitungsvorrichtung 18 übertragen
werden. Um die Durchführung der Diagnostizierverfahren
nicht zu behin dern, werden die Messwerte drahtlos 26 von
dem Inertialsensor 14 an die Verarbeitungsvorrichtung 18 übertragen.
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In
der Verarbeitungsvorrichtung 18 werden die empfangenen
Messwerte in der Speichervorrichtung 22 gespeichert und
von einer Verarbeitungslogik 24 verarbeitet. Die Verarbeitungslogik 24 bestimmt mit
Hilfe einer zweifachen Integration der gemessenen Beschleunigungswerte
den bei einer Bewegung des Unterschenkels 12 von diesem
relativ zu dem Oberschenkel 10 bzw. dem Kniegelenk 11 zurückgelegten
Verschiebungsweg. Aufgrund des Verschiebungswegs kann bei dem Lachmann-Test
darauf geschlossen werden, ob eine translatorische Instabilität des
Kniegelenks vorliegt.
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Bei
der Bewegung des Unterschenkels 12 kann es sich sowohl
um eine translatorische als auch eine rotatorische Bewegung des
Unterschenkels 12 handeln. So kann aus den Beschleunigungswerten bei
einer Drehung des Unterschenkels 12, insbesondere aus den
Spitzenwerten der Beschleunigung, auf eine rotatorische Instabilität
des Kniegelenks 11 geschlossen werden. Insbesondere ist
das plötzliche Schnappen bei dem Pivot-Shift-Test, bei
dem der laterale Femurkondylus gegenüber dem lateralen
Tibiakondylus nach vorne springt, aus einer plötzlichen Änderung
der Beschleunigung bzw. Beschleunigungsspitzenwerten und plötzliche
Rotationen ersichtlich.
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Die
Verarbeitungslogik 24 kann auch durch einfache Integration
des Winkelgeschwindigkeitswertes den Rotationswinkel bei einer Rotation
des Unterschenkels 12 bestimmen. Der Rotationswinkel kann während
der Durchführung des Diagnostizierverfahrens in der Anzeige 22 angezeigt
werden, so dass dieser während der Durchführung
des Pivot-Shift-Tests dem Therapeuten eine Hilfestellung hinsichtlich
der Drehung des Unterschenkels 12 liefert.
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Mit
Hilfe des gemessenen Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitswert
bei einer translatorischen Bewegung des Unterschenkels 12 in
die Richtung z kann die Verarbeitungslogik 24 auch den
Beugewinkel δ des Kniegelenks 11 zwischen dem
Oberschenkel 11 und dem Unterschenkel 12 berechnen. Die
Berechnung kann dabei einen Anfangswinkel δ von 180° bei
einer Streckung des Kniegelenks 11 und die im wesentlichen
gleiche Länge von Oberschenkel 10 und Unterschenkel 12 berücksichtigen.
Insbesondere kann die Berechnung mit Hilfe der Annahme eines gleichseitigen
Dreiecks erfolgen, bei dem der Oberschenkel 10 und der
Unterschenkel 12 die gleichen Seiten des Dreiecks bilden.
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Sämtliche
gemessene und berechnete Werte werden in der Speichervorrichtung 22 zusammen mit
einem Zeitmarke gespeichert. Sämtliche Werte können
auch in der Anzeige 20 angezeigt werden.
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Durch
Anzeigen des berechneten Beugewinkels δ während
der Durchführung eines Diagnostizierverfahrens, beispielsweise
dem Lachmann-Test, kann der Therapeut während der Durchführung
des Diagnostizierverfahrens erkennen, ob das Kniegelenk 11 mit
dem für den jeweiligen Test empfohlenen Beugewinkel gebeugt
ist.
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Bei
der Analyse, ob eine Instabilität des Kniegelenks (d. h.
ein Bänderriss) vorliegt, bzw. zu welchem Grad das Kniegelenk
instabil ist, können die in der Anzeige 20 angezeigten
Messwerte über der Zeit analysiert werden. So kann auch
aus maximalen Beschleunigungswerten bestimmt werden, ob die Rotationsstabilität
des Kniegelenks 11 beeinträchtigt ist. Diese Bestimmung
kann auch automatisch durch die Verarbeitungslogik 24 erfolgen.
Zur vereinfachten Veranschaulichung der Analyseergebnisse bzw. zum Verringern
von Messfehlern kann die Verarbeitungslogik 24 des weiteren
eine Mittelwertbildung der Messwerte durchführen.
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Zum
Feststellen, ob die translatorische Stabilität und/oder
die Rotationsstabilität des Kniegelenks beeinträchtigt
ist, können die Messungen sowohl an dem zu diagnostizierenden
als auch an dem anderen (gesunden) Kniegelenk durchgeführt
werden. Die Messwerte der beiden Kniegelenke werden in der Speichervorrichtung 22 gespeichert,
von der Verarbeitungslogik 24 aufgearbeitet und anschließend
zum Vergleich in der Anzeige 20 angezeigt. Durch diese
vergleichende Darstellung bzw. Gegenüberstellung der Messergebnisse
des zu diagnostizierenden und des anderen Kniegelenks kann der Therapeut
auf einfache Weise feststellen, ob das zu diagnostizierende Kniegelenk
instabil ist.
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Die
Verarbeitungslogik 24 kann auch derart ausgebildet sein,
dass sie die Messwerte automatisch analysiert und dem Therapeuten über
die Anzeige 20 mitteilt, ob eine Instabilität
des Kniegelenks vorliegt bzw. zu welchem Grad das Kniegelenk instabil
ist.
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Der
Inertialsensor 14 ist fest mit der Befestigungsvorrichtung 16 verbunden.
Dabei kann der Inertialsensor 14 direkt oder über
ein Verbindungselement (nicht gezeigt) an der Befestigungsvorrichtung 16 angebracht
sein. Die Befestigungsvorrichtung 16 umfasst ein oder zwei
Schalenelemente (nicht gezeigt), die mit Hilfe eines festziehbaren
Krepp- oder Klettverschlusses (nicht gezeigt) fest an dem Unterschenkel
ange bracht werden können. Durch die feste Verbindung der
Befestigungsvorrichtung 14 an dem Unterschenkel 12 wird
gewährleistet, dass der Inertialsensor 14 keine
durch Eigenbewegungen bedingten falschen Messergebnisse liefert.
Die Befestigungsvorrichtung 16 kann auch eine Klettband
umfassen, an dem der Inertialsensor 14 befestigt ist.
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In
der Ausführungsform gemäß der 1 wurde
im Detail nur eine Messung der Beschleunigung des Unterschenkels 12 in
die Richtung z und der Winkelgeschwindigkeit in die Drehrichtung γ bei einer
Drehung des Unterschenkels 12 beschrieben. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht auf diese Messgrößen,
Messrichtungen und Bewegungsrichtungen des Unterschenkels 12 beschränkt.
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So
zeigt 2 eine schematische Darstellung der an einem Oberschenkel
und einem Unterschenkel bestimmbaren Messgrößen
und Messrichtungen. Insbesondere zeigt 2 die Koordinaten
eines inertialen Navigationssystems, jeweils an dem Unterschenkel 12 und
dem Oberschenkel 10.
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So
können mit einem an dem Unterschenkel 12 angebrachten
Inertialsensor (in 2 nicht gezeigt) die Beschleunigungen
in die Richtungen x1, y1 und
z1 bestimmt werden. Des weiteren kann der
Inertialsensor die Winkelgeschwindigkeiten in die Drehrichtungen α1, β1 und γ1 bestimmen. Der Inertialsensor kann dazu
drei Beschleunigungssensoren und drei Gyroskope umfassen.
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Die
gleichen Messwerte, d. h. Beschleunigungen in die Richtungen x2, y2 und z2 und Winkelgeschwindigkeiten in die Drehrichtungen α2, β2 und γ2 können auch mit Hilfe eines weiteren
an dem Oberschenkel 10 angebrachten Inertialsensors (nicht
gezeigt) bestimmt werden.
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Sämtliche
von den Inertialsensoren bestimmte Messwerte können an
die in der 1 gezeigte Verarbeitungsvorrichtung 18 übermittelt
und dort weiterverarbeitet werden.
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Die
Ausführungsform gemäß 3 zeigt eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
mit zwei Inertialsensoren. Die Ausführungsform gemäß 3 unterscheidet
sich von der Ausführungsform gemäß 1 indem
ein zweiter Inertialsensor 28 vorgesehen ist. Gleiche Elemente
haben in den 1 und 3 die gleichen
Bezugszeichen und es wird nachfolgend auf eine erneute Beschreibung
dieser Elemente verzichtet.
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Der
zweite Inertialsensor 28 ist mit Hilfe einer Befestigungsvorrichtung 30 fest
an dem Oberschenkel 10 angebracht. Der Inertialsensor 28 entspricht dem
Inertialsensor 14 und misst Beschleunigungswerte und Winkelgeschwindigkeiten
bei einer translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung des Unterschenkels 12,
welche auch Auswirkungen auf die Bewegung des Oberschenkel 10 hat.
Der Inertialsensor 28 sendet 32 seine Messwerte
drahtlos an die Verarbeitungsvorrichtung 18. In der Verarbeitungsvorrichtung 18 werden
die Messwerte von dem Inertialsensor 14 und dem Inertialsensor 28 verarbeitet. Insbesondere
bereitet die Verarbeitungslogik 24 die Messwerte auf, die
Speichervorrichtung 22 speichert die Messwerte und der
Anzeige 20 zeigt die verarbeiteten Messwerte an.
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Mit
Hilfe der Messwerte des zweiten Inertialsensors 28 ist
es möglich, den Beugewinkel δ des Kniegelenks 11 zu
bestimmen. Darüber hinaus können auch Beschleunigungs-
und Geschwindigkeitsmesswerte des Inertialsensors 28 zusätzlich
zu den durch den Inertialsensor 14 bestimmten Messwerten dazu
verwendet werden, um eine genauere Aussage hinsichtlich der Stabilität
des Kniegelenks 11 bei einer translatorischen Auslenkung
bzw. Rotation des Unterschenkels 12 zu treffen.
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Die
Befestigungsvorrichtung 30 zum Befestigen des zweiten Inertialsensors 28 an
dem Oberschenkel 10 kann genauso wie die Befestigungsvorrichtung 16 zum
Befestigen des ersten Inertialsensors 14 ausgebildet sein.
Wichtig dabei ist, dass der zweite Inertialsensor 28 fest
an dem Oberschenkel 10 gehalten wird, um Messungenauigkeiten
durch Eigenbewegungen des zweiten Inertialsensors 28 relativ
zu dem Oberschenkel 10 zu vermeiden.
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Bevorzugt
wird die Befestigungsvorrichtung 16 an dem lateralen und/oder
medialen Tibiakopf sowie dem medialen Tibiaschaft befestigt. Die
Befestigungsvorrichtung 30[R1] wird
bevorzugt oberhalb der Kondylen lateral und/oder medial befestigt.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks 11 mit
einem Lasersensor 40, der über eine Befestigungsvorrichtung 16, 42, 44 an
dem Unterschenkel 12 angebracht ist. Gleiche Elemente wie
in der 1 sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet und es wird nachfolgend auf eine erneute Beschreibung dieser
Elemente verzichtet.
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In
dieser Ausführungsform ist der Lasersensor 40 zum
Bestimmen eines Abstandes a zwischen dem Lasersensor 40 und
einem Referenzpunkt vorgesehen. Insbesondere wird der Abstand a
bei einer Bewegung des Unterschenkels 12 bestimmt. Bei dem
Referenzpunkt handelt es sich um die Kniescheibe des Kniegelenks 11.
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Der
Lasersensor 40 ist mit Hilfe von zwei im wesentlichen rechtwinklig
zueinander angeordneten Haltestreben 42, 44 und
zwei um den Unterschenkel 12 gelegte Halteschalen 16 fest
an dem Unterschenkel 12 angebracht. Die Haltestrebe 42 ist
dabei fest mit zumindest einer der Halteschalen 16 verbunden und
steht im wesentlichen senkrecht auf der Erstreckungsrichtung des
Unterschenkels 12. Die Haltestrebe 44 verläuft
im wesentlichen parallel zu der Erstreckungsrichtung des Unterschenkels 12.
An einem Ende der Haltestrebe 44 ist der Lasersensor 40 angebracht.
Mit Hilfe der Befestigungsvorrichtung 16, 42, 44 wird
der Lasersensor 40 fest in einem geringen Abstand über
der Kniescheibe des Kniegelenks 11 gehalten. Bei dem geringen
Abstand a kann es sich anfänglich um einen Abstand von
ungefähr 10 cm handeln.
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Wird
ein Lachmann-Test durchgeführt, d. h. der Unterschenkel 12 wird
relativ zu dem Oberschenkel 10 in die Richtung z verschoben,
so verändert sich der Abstand a zwischen dem Lasersensor 40 und
der Kniescheibe des Kniegelenks 11.
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Die
Messwerte des Abstands a zwischen dem Lasersensor 40 und
der Kniescheibe des Kniegelenks 11 werden drahtlos 46 von
dem Lasersensor 40 an die Verarbeitungsvorrichtung 18 übertragen.
In der Verarbeitungsvorrichtung 18 werden die Messwerte
durch die Verarbeitungslogik 24 aufgearbeitet, in der Speichervorrichtung 22 gespeichert
und von der Anzeige 20 angezeigt.
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Die
Messung kann auch bei einer Rotation des Unterschenkels 12,
beispielsweise bei dem Pivot-Shift-Test, erfolgen. Mit Hilfe der
Speicherung und anschließenden Analyse des Abstands a über der
Zeit durch die Verarbeitungsvorrichtung 18 kann auch eine
Rotationsinstabilität erkannt werden. Insbesondere ist
das plötzliche Schnappen bei dem Pivot-Shift-Test, bei
dem der laterale Femurkondylus gegenüber dem lateralen
Tibiakondylus nach vorne springt, aus einer plötzlichen Änderung
der Messwerte, d. h. des Abstandes a, erkennbar.
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Die
Messungen können an dem zu diagnostizierenden und dem anderen
Kniegelenk durchgeführt werden. In der Speichervorrichtung 22 gespeicherte
Messwerte können anschließend verglichen und ausgewertet
werden. Insbesondere können die Messwerte auf eine gegenüberstellende
Weise in der Anzeige 20 angezeigt werden.
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Mit
Hilfe der Vorrichtung zum Bestimmen der Stabilität eines
Kniegelenks gemäß der 4 ist es möglich,
nur aufgrund der Messung des Abstands a zwischen einem an dem Unterschenkel 12 fest
angebrachten Lasersensor 40 und einem Referenzpunkt, insbesondere
der Kniescheibe des Kniegelenks 11, eine Aussage hinsichtlich
der translatorischen Stabilität und der Rotationsstabilität
des Kniegelenks 11 zu treffen. Die Verarbeitungsvorrichtung 18 kann
auch derart ausgebildet sein, dass sie die Messwerte automatisch
analysiert und dem Therapeuten auf der Anzeige 20 mitteilt,
ob eine Instabilität des Kniegelenks vorliegt bzw. zu welchem
Grad das Kniegelenk instabil ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf Lasersensoren beschränkt.
So können grundsätzlich jede Art von berührungslosen
Messsensoren wie z. B. Ultraschallsensoren oder Infrarotsensoren
verwendet werden. Eine Verwendung von Kameras, Markern, Potentiometern,
Magnetfeldsensoren, Dehnmessstreifen, eine Messung über
Flüssigkeitsverdrängung, eine kapazitive und/oder
induktive Messung ist auch an Stelle oder zusätzlich zu
dem Lasersensor oder dem Inertialsensor möglich.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen können
auch kombiniert werden, um noch genauere Messergebnisse zu liefern
bzw. um eine Messmethode zu kalibrieren oder Aussagen hinsichtlich
einer Genauigkeit einer bestimmten Messvorrichtung zu treffen. So
kann eine Vorrichtung sowohl einen Inertialsensor also auch einen
Lasersensor umfassen.
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Die
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung
haben den Vorteil, dass auf einfache Weise genaue Aussagen hinsichtlich
der Stabilität eines Kniegelenks, insbesondere bei einem
Kreuzbandriss bzw. vor oder nach einer Operation eines Kreuzbandrisses,
getroffen werden können.
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Bei
den Vorrichtungen zum Bestimmen der Stabilität eines Kniegelenks
gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich
um kleine, einfach handhabbare und kostengünstige Vorrichtungen
mit wenigen Bauteilen, welche in jeder kleineren Arztpraxis bzw.
Ambulanz verwendet werden können.
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Insbesondere
können die Vorrichtungen zur Verbesserung der Heilungschancen
nach einer Double-Bundle-Kniegelenksoperation, bei der die Rotationsstabilität
des Kniegelenks wiederhergestellt wird, eingesetzt werden.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann
eine Aussage hinsichtlich der Stabilität des Kniegelenks
bei sowohl dem Lachmann- als auch dem Pivot-Skift-Test getroffen
werden.
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Durch
die drahtlose Übertragung der Messwerte zwischen dem Messsensor
und der Verarbeitungsvorrichtung wird die Durchführung
der Diagnostizierverfahren nicht beeinträchtigt. Insbesondere sind
beide Hände des Therapeuten bei den Diagnostizierverfahren
einsetzbar. Die Ergebnisse könnten ebenfalls direkt am
Gerät angezeigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4583555 [0014]
- - US 4649934 [0015]
- - DE 20118040 U1 [0016]
- - DE 3925014 A1 [0017]
- - DE 19701838 A1 [0018]
- - DE 3636843 A1 [0019]