DE102008036714A1

DE102008036714A1 - Verfahren zur Visualisierung mehrkanaliger Signale

Info

Publication number: DE102008036714A1
Application number: DE102008036714A
Authority: DE
Inventors: Georg Brandmayr; Hubert Egger
Original assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare Products GmbH
Priority date: 2008-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2010-02-11
Also published as: US20110134139A1; US9566016B2; WO2010015305A1; EP2317910A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung mehrkanaliger Sensorsignale, insbesondere myoelektrischer Signale, die über Elektroden von einer Gliedmaße oder einem Amputationsstumpf abgeleitet werden, mit folgenden Schritten: . jedem Sensorsignal werden eine Anzeigerichtung und ein Anzeigebetrag zugeordnet . die Anzeigerichtung repräsentiert genau ein Sensorsignal . der Anzeigebetrag repräsentiert die Intensität des jweiligen Signals . die Anzeigerichtung und der Anzeigebetrag aller Sensorsignale werden gleichzeitig in Echtzeit auf einem Anzeigegerät als ein graphisches Objekt dargestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Visualisierung mehrkanaliger Sensorsignale, insbesondere myoelektrischer Signale, die über Elektroden von einer Gliedmaße oder einem Amputationsstumpf abgeleitet werden.
Angetriebene Prothesen, also Prothesen, die über einen motorischen Antrieb verfügen, um Komponenten zu einander zu verlagern, benötigen Steuerungssignale, damit die Antriebe wunschgemäß arbeiten. Eine Möglichkeit hierzu besteht darin, dass myoelektrische Signale über Elektroden abgeleitet und nach gegebenenfalls notwendiger Verstärkung über eine Steuereinrichtung als Impulse zur Aktivierung oder Deaktivierung von Antrieben verwendet werden. Zur Erzeugung aussagekräftiger, myoelektrischer Signale ist es notwendig, Muskeln oder Restmuskeln nach Amputationen zu kontrahieren. Aus dem Kontraktionsmuster können dann entsprechende Signale erzeugt werden, über die die Antriebe bewegt werden. Eine solche myoelektrische Prothesensteuerung kann bei Menschen mit Amputationen oder Dysmelien eingesetzt werden. Grundsätzlich ist eine entsprechende myoelektrische Steuerung angetriebener Orthesen ebenfalls möglich.
Je komplexer die Bewegungen der Prothesen oder Orthesen werden sollen, desto höher ist die Anzahl der benötigten Signale. Während es zum reinen Öffnen oder Schließen eines Greifers lediglich zwei Signale benötigt, steigt die Anzahl der benötigten Signale mit einer entsprechenden Steigerung der realisierbaren Funktionen. Die Steigerung der Signalanzahl kann durch eine Erhöhung der Kontraktionsmuster und/oder Erhöhung der Elektrodenanzahl erfolgen. Ungeachtet dessen ist es für den Patienten schwierig, gezielt Muskeln oder Restmuskeln anzuspannen, ohne dass eine optische Rückmeldung stattfindet. Unversehrte Menschen sehen, wie ihre Extremitäten auf ihren Willen, die Extremitäten auf eine bestimmte Art und Weise zu bewegen, reagieren. Wird ein Muskel angespannt, beispielsweise der Armbizeps, sieht und fühlt der Mensch eine Bewegung des Unterarmes. Insbesondere über eine sichtbare Rückkoppelung gedanklicher Kontraktionsbefehle in Gestalt von Bewegungen können koordinative Fähigkeiten verbessert werden. Bei fehlenden Gliedmaßen fällt die optische Rückkoppelung weg. Solche Patienten sehen keine Auswirkung ihres Bewegungswillens, obwohl dieser vorhanden ist und tatsächlich für eine Kontraktion der Muskeln oder der Restmuskeln sorgt. Die Wahrnehmung einer differenzierten, reproduzierbaren Auswirkung auf einen Bewegungswillen und eine Muskelkontraktion ist bei Rehabilitationsmaßnahmen und in der prothetischen Versorgung von Patienten außerordentlich wichtig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und aussagekräftige Interpretation eines Bewegungswillens, insbesondere für eine nicht vorhandene Gliedmaße, bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Das Verfahren zu Visualisierung mehrkanaliger Sensorsignale, die vom Körper aufgenommen werden, um die Muskelaktivität zu erfassen, z. B. myoelektrischer Signale, die über Elektroden von einer Gliedmaße oder einem Amputationsstumpf abgeleitet werden, sieht vor, dass jedem Signal eine Anzeigerichtung und ein Anzeigebetrag zugeordnet werden. Die Anzeigerichtung repräsentiert genau ein Signal, z. B. Elektrodensignal, der Anzeigebetrag repräsentiert die Intensität des Signals, also die Intensität der motorischen Aktivität des jeweiligen Muskels oder dessen Nerves, z. B: die Kontraktionsintensität des jeweiligen Muskels, der dem Sensor oder der Elektrode zugeordnet ist. Die Anzeigerichtung und der Anzeigebetrag aller Sensorsignale werden gleichzeitig in Echtzeit auf einem Anzeigegerät als ein graphisches Objekt dargestellt, so dass der Bewegungswillen sich in Gestalt zuordenbarer, reproduzierbarer Formen widerspiegelt. Der Patient erhält eine unmittelbare visuelle Rückkoppelung, da sämtliche Signale in Echtzeit auf einem Anzeigegerät, insbesondere einem Bildschirm, angezeigt werden. Jeweils unterschiedliche Bewegungswillen, beispielsweise „Faust ballen” oder „Handgelenk beugen”, erzeugen unterschiedliche Objekte, wobei sich sowohl die Form als auch die Größe unterscheiden können. Durch die Anzeige des graphischen Objektes, das in Abhängigkeit von der Art und Intensität der motorischen Aktivität oder der Muskelkontraktion auf einem Anzeigegerät in Echtzeit dargestellt wird, erfolgt eine unmittelbare Rückkoppelung des Bewegungswillens in visueller Form. Der Patient sieht, was er ausführen möchte oder tun würde, wenn die Gliedmaße unbeeinträchtigt wäre.
Bevorzugt ist das graphische Objekt als ein zweidimensionaler Graph, insbesondere als ein Polygon dargestellt, da eine solche zweidimensionale Darstellung sehr einfach von einem Patienten aufgenommen werden kann. Solche einfachen geometrischen Formen, also Vielecke, sind wesentlich übersichtlicher als übereinander gelagerte Kurven, die in Abhängigkeit von der Zeit eine Elektrodenintensität anzeigen. Darüber hinaus ist mit der Darstellung als einem graphischen Objekt eine hohe Wiedererkennbarkeit gegeben, bei gleichzeitig vorhandener Möglichkeit, eine Vielzahl an Elektrodensignalen darstellen zu können. Die Darstellung des Bewegungswillens erleichtert die Reproduzierbarkeit des Kontraktionsmusters.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf dem Anzeigegerät Referenzobjekte gleichzeitig mit dem graphischen Objekt angezeigt werden. Auf diese Weise ist es möglich, bestimmte Zielkontraktionen einzuüben und dem Patienten die Möglichkeit zu geben, die aktuelle Kontraktion so zu verändern, bis sie mit der Referenzkontraktion übereinstimmt oder dieser nahe kommt. Die Referenzobjekte können entweder vorgegeben oder während vorhergehender Analysesitzungen abgespeichert und zur Parametrisierung einer Prothesen- oder Orthesensteuerung verwendet werden. Gefundene oder festgelegte Referenzkontraktionen oder Referenzmuster werden gleichzeitig mit dem aktuellen Kontraktionsmuster dargestellt, wodurch sowohl der Patient als auch ein Orthopädiemechaniker oder Arzt die Reproduzierbarkeit und Abweichungen begutachten können. Der Patient kann dadurch seine Kontraktionen gezielt trainieren und weiter differenzieren. Zusätzlich kann die Visualisierung der Kontraktionsmuster parallel zu einer Aktivierung einer Prothese oder Orthese betrieben werden, wodurch gleichzeitig erkannt werden kann, welches Objekt welche Bewegung an der Prothese oder Orthese auslöst. Somit kann eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Kontraktion, der Referenzkontraktion und der Aktion der Prothese oder Orthese visualisiert und rückgekoppelt werden, um eine Verbesserung der Steuerungsqualität zu erreichen.
Zur Erhöhung der Unterscheidbarkeit wird das Referenzobjekt in einer anderen Farbe und/oder Intensität als das grafische Objekt dargestellt, um leichter eine Zuordnung zwischen der aktuellen Kontraktion und der gewünschten bzw. Referenzkontraktion zu erzielen. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass das Referenzobjekt und/oder das grafische Objekt farblich oder intensitätsmäßig hervorgehoben werden, wenn das erfasste Kontraktionsmuster dem Referenzmuster entspricht oder diesem ausreichend nahe kommt. Dadurch wird dem Patienten gezeigt, dass eine hinreichende Eindeutigkeit der Bewegungsabsicht mit der Kontraktion besteht.
Der Anzeigebetrag kann normiert werden, um den Einfluss der Kontraktionsintensität auf die Objektform eindeutig und sofort ersichtlich darzustellen.
Neben der Ableitung der Sensorsignale über Oberflächenelektroden können auch Signale von Myosensoren, Neurosensoren, Drucksensoren und/oder Dehnungssensoren verwendet werden, um die motorische Aktivität zu erfassen.
Nachfolgend wird das Verfahren anhand von beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 – eine erste Darstellung einer Darstellung mit Referenzkontraktion und abgeleiteter Kontraktion mit vier Elektroden;
2 – eine anatomische Interpretation der Elektrodenanordnung gemäß 1; sowie
3 – erzeugte Referenzkontraktionen für acht Elektroden.
In der 1 ist ein grafisches Objekt 1 dargestellt, das eine aktuelle Kontraktion von Muskelgruppen widerspiegelt. An der Gliedmaße, vorliegend ein Unterarm, wurden vier Elektroden zur Ableitung myoelektrischer Signale angeordnet. Jede Elektrode repräsentiert dabei jeweils einen Eckpunkt 2, 3, 4, 5, über die das grafische Objekt 1 der aktuellen Kontraktion dargestellt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das grafische Objekt 1 als ein Viereck ausgebildet, wobei jedem Eckpunkt 2, 3, 4, 5 eine Anzeigerichtung zugeordnet wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechen die Anzeigerichtungen sich kreuzenden Achsen, sodass die erste Elektrode der Achse auf 0° ausgehend von dem Mittelpunkt zugeordnet wird, die zweite Elektrode 3 der Achse auf 90°, der dritten Elektrode 4 der Achse auf 180° und der vierten Elektrode 5 auf 270°. Die jeweiligen Eckpunkte 2, 3, 4, 5 sind durch Linien miteinander verbunden, sodass sich als grafisches Objekt 1 ein Viereck ausbildet. Die Entfernung der Eckpunkte 2, 3, 4, 5 von dem Mittelpunkt gibt die Intensität der Kontraktion an. Wird die dem ersten Eckpunkt 2 zugeordnete Elektrode nicht mit einem myoelektrischen Signal versorgt, also wird der der Elektrode zugeordnete Muskel nicht kontrahiert, liegt der erste Eckpunkt 2 auf oder sehr nahe bei dem Mittelpunkt, erfolgt eine intensive Kontraktion wandert der erste Eckpunkt 2 weiter nach außen. Die Darstellung der abgeleiteten Elektrodensignale in Gestalt des grafischen Objektes 1 erfolgt in Echtzeit, so dass ohne Zeitverzögerung ein Patient die visuelle Rückmeldung erhält, wie die aktuelle Muskelkontraktion auf dem Anzeigegerät aussieht.
Ebenfalls dargestellt ist ein Referenzobjekt 10, das ständig an dem Anzeigegerät angezeigt wird. Dieses Referenzobjekt 10 ist in einer anderen Farbe und/oder einer anderen Intensität als die aktuelle Kontraktion beim grafischen Objekt 1 dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die aktuelle Kontraktion recht gut an das Referenzobjekt angenähert, lediglich die Elektrode zu dem ersten Eckpunkt 2 weist einen zu starken Ausschlag auf, so dass hier eine zu hohe Kontraktion des zugehörigen Muskels vorliegt.
In der 2 ist eine anatomische Interpretation der oben beschriebenen Darstellung gezeigt. Jedem Eckpunkt 2, 3, 4, 5 wird eine Elektrode 20, 30, 40, 50 zugeordnet, die an einem Unterarm befestigt sind. Die Anordnung der Elektroden ist der schematischen Schnittdarstellung durch den Unterarm mit den entsprechenden Muskeln zu entnehmen. Durch diese anatomische Interpretation der Signale ist es möglich, die Anordnung der Elektroden in Abhängigkeit von den tatsächlich ermittelten Signalen zu verändern oder den Patienten dahingehend zu schulen, andere Bewegungs- und Muskelkontraktionsmuster einzuüben. Ein Ziel der Erfindung ist es, eine an den Patienten angepasste Steuerung einer Prothese oder Orthese bereitzustellen. Hierzu ist es notwendig, dass verschiedene Kontraktionsmuster reproduzierbar von dem Patienten erfasst werden, sodass beispielsweise nach dem gedanklichen Befehl „Fast ballen” ein wiederholbares Kontraktionsmuster erzeugt wird, das zu einer korrespondierenden Prothesensteuerung führt, sodass eine Prothesenhand geschlossen wird.
Jede Elektrode 20, 30, 40, 50 legt mit ihrer Position und Signalintensität eine Eckpunkt des Objektes 1 fest. Alle Eckpunkte zusammen definieren das grafische Objekt 1. Das Objekt 1 behält seine Form für eine bestimmte Bewegung oder ein bestimmtes Kontraktionsmuster auch dann bei, wenn die Beträge gleichermaßen verändert werden. Es wird einzig in seiner Größe skaliert. Eine Formveränderung findet dann statt, wenn die Beträge nicht gleichmäßig verändert werden. Die Elektrodensignale werden nicht mehr über die Zeit dargestellt, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wodurch die Komplexität für den Betrachter reduziert wird. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Elektrodensignale durch übereinandergelegte Zeitgraphen darzustellen. Jeder Graph hat üblicherweise eine eigene Farbe zur besseren Unterscheidung. Zwei oder drei Signale können als Kontraktionsmuster noch erfasst werden, für größere Anzahlen an Signalen und Elektroden wird dies wesentlich schwieriger. Darüber hinaus kann über zeitabhängige Kurven keine Referenzkontraktion dargestellt werden. Ebenfalls ist eine grafische Trennung zwischen der Kontraktionsstärke und der Art der Kontraktion nur schwierig zu lösen. Bislang werden zur Klassifizierung eines Kontraktionsmusters komplexe, schwellwertbasierte Regeln aufgestellt, deren manuelle Auswertung im Zeitgraph außerordentlich mühsam ist. Eine Beurteilung der Kontraktionen ist nur über eine Prothesenfehlfunktion möglich. Demgegenüber wird in der dargestellten Erfindung die Zeit nicht mehr dargestellt, wodurch die Komplexität der Wahrnehmung für den Betrachter reduziert wird.
Wie in dem Beispiel der 1 gezeigt, besteht dieses Objekt bevorzugt aus mehren Eckpunkten, ein Eckpunkt für jede Elektrode. Dieses Polygon ist ohne technisches Verständnis, Schulung oder sonstiges Vorwissen intuitiv und auf einen Blick als Kontraktionsmuster interpretierbar, wodurch auch der Bewegungswille eine visuelle Rückkoppelung erhält. Die Erfindung gibt dem Patienten die sichtbare Auswirkung seines Bewegungswillens zurück, wodurch er seine Handlung, nämlich die Kontraktion der Muskeln, anpassen und gezielt differenzieren kann. Darüber hinaus erlaubt die Darstellung die Bewertung und das Training der Reproduzierbarkeit des Kontraktionsmusters, sodass eine zuverlässige Klassifizierung mit einer geringen Fehlerrate bei der Prothesensteuerung und damit auch ein noch nie da gewesenes Maß an Akzeptanz der Prothese oder Orthese erreicht werden kann.
Wenn die räumliche Positionierung der Elektroden in der gleichen Reihenfolge wie die Signaldarstellung erfolgt, wie es in den 1 und 2 der Fall ist, sind auch Rückschlüsse auf die Anatomie möglich. So kann beispielsweise das Ausmaß eines Übersprechens zwischen zwei benachbarten Signalen erfasst werden oder es können anhand von Schnittbildern Kontraktionsmuster auf deren Erzeugermuskeln zurückgeführt werden.
Darüber hinaus können Patienten mit Fehlbildungen, die im Gegensatz zu Amputationspatienten naturgemäß keine Phantomwahrnehmung haben, durch die Erfindung überhaupt erst eine differenzierte Kontraktion und damit einen Bewegungswillen erlernen. Durch die visuelle Rückkoppelung ist es möglich, dass Patienten mit Dysmelien sich an ein gewünschtes Kontraktionsmuster und damit an eine eigentliche Bewegung annähern, wodurch im Ergebnis eine zweckmäßige, differenzierbare Kontraktion erlernt wird.
In der 3 sind fünf Referenzkontraktionen dargestellt, die auf der Grundlage von acht Elektroden erzeugt wurden. Anhand dieser Referenzkontraktionen kann dessen Erzeuger seine Kontraktionsmuster trainieren.
Die Darstellung eines Kontraktionsmusters als ein einziges Objekt ermöglicht es, dass ein Patient unmittelbar und ohne technisches Verständnis eine Bewertung aller Signale vornehmen kann. Aus der Darstellung als ein einziges graphisches Objekt kann unmittelbar die Bewegungsabsicht des Patienten entweder von dem Patienten selbst oder von einem Orthopädiemechaniker oder einem Fachmann zur Einstellung einer Prothesen- oder Orthesensteuerung erkannt werden. Das dargestellte Objekt ist bevorzugt ein Polygon, kann aber auch als eine dreidimensionale Darstellung vorgesehen sein, dessen Form dem Kontraktionsmuster, also der Art der gewünschten Bewegung, und dessen Größe der Kontraktionsstärke, also der Intensität der Muskelanspannung, entspricht.

Claims

Verfahren zur Visualisierung mehrkanaliger Sensorsignale, die vom Körper aufgenommen werden, zur Erfassung einer Muskelaktivität mit folgenden Schritten: • jedem Signal werden eine Anzeigerichtung und ein Anzeigebetrag zugeordnet • die Anzeigerichtung repräsentiert genau ein Signal • der Anzeigebetrag repräsentiert die Intensität der motorischen Aktivität entweder des jeweiligen Muskels oder dessen Nerv • die Anzeigerichtung und der Anzeigebetrag aller Signale werden gleichzeitig in Echtzeit auf einem Anzeigegerät als ein graphisches Objekt dargestellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das graphische Objekt als ein zweidimensionaler Graph, insbesondere ein Polygon dargestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Anzeigegerät Referenzobjekte gleichzeitig mit dem Objekt angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzobjekt in einer anderen Farbe, einem anderen Muster und/oder einer anderen Intensität als das Objekt dargestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzeigebetrag normiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Visualisierung eine Prothesen- oder Ortheseneinrichtung mit den Signalen gesteuert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorsignale myoelektrische Signale, Signale von Myosensoren, Neurosensoren, Drucksensoren und/oder Dehnungssensoren verwendet werden.