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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es erlaubt,
in Bereichen, welche den Einsatz konventioneller Messtechnik erschweren oder
unmöglich machen, z. B. im Bereich des Magnetfeldes eines
Magnetresonanztomographen, Messungen von Kräften, Gewichten
sowie deren Verteilungen durchzuführen.
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Mit
Hilfe offener Magnetresonanztomographen ist es möglich,
funktionelle Untersuchungen an stehenden Patienten durchzuführen,
was zu einer physiologischen Belastung der Gelenke führt
und die diagnostische Aussagekraft gegenüber MRT-Aufnahmen
im Liegen verbessert. Bei dieser Art der Untersuchung ist es jedoch
erforderlich, die Haltung des Patienten hinsichtlich des Schwerpunktes
und der Gewichtsverteilung genau zu erfassen und aufzuzeichnen,
um reproduzierbare Aufnahmen zu ermöglichen und die Belastung
der untersuchten Gelenke bewerten zu können. Ferner ist
eine Rückkopplung der Informationen zum Patienten, um diesem
eine Anpassung seiner Haltung zur Einhaltung eines definierten Belastungsszenarios
zu ermöglichen, sowie deren Aufzeichnung zur nachträglichen
Verifizierung der Belastungen erforderlich. Kann keine reproduzierbare
Positionierung im MRT gewährleistet werden, ist die Vergleichbarkeit
und damit die Aussagekraft der gewonnenen Daten stark eingeschränkt,
da bereits eine leichte Gewichtsverlagerung des stehenden Patienten
zu großen Unterschieden in der Darstellung führen
kann.
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Vorrichtungen,
die Messungen von Kräften und Gewichten erlauben, sind
z. B. aus
US 5886302 oder
DE 19639095 bekannt. Deren
Einsatz im Bereich starker Magnetfelder, wie sie in einem Magnetresonanztomographen
auftreten, ist jedoch nicht möglich, da sie aus Materialien
bestehen, welche über freie Ladungsträger verfügen.
Bei ferromagnetischen Werkstoffen erfolgt u. U. eine gefährliche Krafteinwirkung
auf den Gegenstand durch das Magnetfeld des Tomographen, bei anderen
metallischen Werkstoffen wird die Abbildungsqualität des
MR-Tomographen negativ beeinflusst (sog. Artefaktbildung). Darüber
hinaus werden elektronische Komponenten herkömmlicher Kraftsensoren
durch das Magnetfeld gestört bzw. emittieren elektromagnetische Strahlung,
welche die hochempfindliche Messtechnik eines Magnetresonanztomographen
beeinflussen kann.
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Der
Erfindung liegt folglich eine Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung
bereitzustellen, die Messung, Aufzeichnung und Visualisierung der
Kräfte und Gewichte sowie deren Verteilungen ermöglicht und
welche in einem Magnetresonanztomographen ohne gegenseitige Beeinflussung
eingesetzt werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, dass die zu messende
Kraft/das zu messende Gewicht in einem Umformer in eine andere Größe (Druck
etc.) umgewandelt wird, die über eine Wegstrecke nach Außerhalb
des Magnetfeldes transportiert wird und dort mit einem Sensor gemessen
wird (1). Die örtliche Trennung vom Messort
und dem Ort, an welchem die Messergebnisse in ein elektronisch verarbeitbares
Signal gewandelt werden, erlaubt die Verwendung von uneingeschränkt MRT-kompatiblen
Materialien im Einflussgebiet des Magnetresonanztomographen.
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Mit
Hilfe der hier beschriebenen Erfindung ist es erstmals möglich,
reproduzierbar Gewichtskräfte, Kräfteverteilungen
und Schwerpunktlage in stehender Position in einem Magnetresonanztomographen zu
bestimmen.
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Weiterhin
ermöglicht die Erfindung, die gewonnenen Messergebnisse
aufzuzeichnen sowie zum Patienten rückzukoppeln. Die Rückkopplung kann
in Form einer Visualisierung (Lichtfarbe, Helligkeit, Anzahl Leuchtkörper,
numerische Anzeige, analoge Anzeige, etc.) oder akustisch (Melodie,
Tonhöhe, Lautstärke, Modulation, Tonfolge, etc.)
erfolgen. Die Rückkopplung erlaubt es der zu untersuchenden Person
auf das Messergebnis zu reagieren. Weiterhin besteht die Möglichkeit,
die Messdaten in Echtzeit mitzuschreiben, um eine Validierung der
Datenlage im Nachhinein zu ermöglichen.
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Die
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Die
Vorrichtung mit pneumatischer Signalübertragung (2)
basiert auf einem geschlossenem Leitungssystem (1, 3, 4)
in welchem ein Gas, z. B. Luft, zirkuliert. Die Zirkulation wird
von einer Pumpe (1) verursacht. Das Schlauchsystem (3)
stellt einen konstanten Widerstand gegenüber der Zirkulation
des verwendeten Gases dar. Ein Druckunterschied zwischen unmittelbar
nach sowie unmittelbar vor der Pumpe ist messbar. Ein Differenzdrucksensor (2)
wird zur Messung verwendet. Führt man an beliebiger Stelle
des Leitungssystems (3) eine zusätzliche Drossel
(4) ein, lässt sich die entstehende Druckdifferenz
beeinflussen. Führt man die Drossel (4) derart aus,
dass die Drosselung in einem festen Zusammenhang zu einer extern
auf die Drossel aufgebrachten Kraft steht, lässt sich das
Gesamtsystem zur Kraftmessung und somit auch zur Kraftverteilungsmessung
(Einsatz mehrerer Wandler und Sensoren), Gewichtsmessung und Gewichtsverteilungsmessung
(Einsatz mehrerer Wandler und Sensoren) nutzen. In der dargestellten
Ausführung befinden sich die Pumpe (1) zur Erzeugung
der Luftzirkulation sowie der erforderliche Differenzdrucksensor
(2) außerhalb des Einflussgebiets des MRT. Die
Pneumatikleitungen (3) führen an die Messstelle
im MR-Tomographen, an welcher sich die Drossel (4) befindet.
Die Drossel (4) ist derart gestaltet, dass sie MRT-kompatibel
ist. Dafür geeignet sind u. A. Ausführungen mit Federelementen
aus NBR (Naturkautschuk) sowie Kunststoff-Verbundwerkstoffe wie
GFK, CFK. Eine Drosselung lässt sich auch durch die Verengung
einer Schlauchleitung durch äußere Krafteinwirkung erzielen.
Durch die Auslegung der Drossel (4) ist das beschriebene
System auf beliebige Kraftbereiche kalibrierbar. An Stelle eines
Differenzdrucksensors ist auch ein einfacher Absolutdrucksensor
einsetzbar. Dieser ist aber nachteilig, da ein Teil der zur Verfügung
stehenden Informationen verworfen wird.
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Die
Vorrichtung mit hydraulischer Signalübertragung (3)
basiert auf einem geschlossenen Leitungssystem (6, 8, 9)
in welchem eine Flüssigkeit, z. B. Öl, zirkuliert.
Die Zirkulation wird von einer Pumpe (6) verursacht. Das
Schlauchsystem (8) stellt einen konstanten Widerstand gegenüber
der Zirkulation der verwendeten Flüssigkeit dar. Ein Druckunterschied
zwischen unmittelbar nach sowie unmittelbar vor der Pumpe ist messbar.
Ein Differenzdrucksensor (7) wird zur Messung verwendet.
Führt man an beliebiger Stelle des Leitungssystems (8) eine
zusätzliche Drossel (9) ein, lässt sich
die entstehende Druckdifferenz beeinflussen. Führt man
die Drossel (9) derart aus, dass die Drosselung in einem festen
Zusammenhang zu einer extern auf die Drossel aufgebrachten Kraft
steht, lässt sich das Gesamtsystem zur Kraftmessung und
somit auch zur Kraftverteilungsmessung (Einsatz mehreren Sensoren), Gewichtsmessung
und Gewichtsverteilungsmessung (Einsatz mehrerer Sensoren) nutzen.
In der dargestellten Ausführung befinden sich die Pumpe
(6) zur Erzeugung der Flüssigkeitszirkulation
sowie der erforderliche Differenzdrucksensor (7) außerhalb
des Einflussgebiets des MRT. Die Hydraulikleitungen (8) führen
an die Messstelle im MR-Tomographen, an welcher sich die Drossel
(9) befindet. Die Drossel (9) ist derart gestaltet,
dass sie MRT-kompatibel ist. Dafür geeignet sind u. A.
Ausführungen mit Federelementen aus NBR (Naturkautschuk)
sowie Kunststoff-Verbundwerkstoffe wie GFK, CFK. Eine Drosselsung
lässt sich auch durch die Verengung einer Schlauchleitung
durch äußere Krafteinwirkung erzielen. Durch die
Auslegung der Drossel (9) ist das beschriebene System auf
beliebige Kraftbereiche kalibrierbar. An Stelle eines Differenzdrucksensors
ist auch ein einfacher Absolutdrucksensor einsetzbar. Dieser ist
aber nachteilig, da ein Teil der zur Verfügung stehenden
Informationen verworfen wird.
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Eine
pneumatische Variante (4) basiert auf einem offenen
Leitungssystem (11, 13, 14) in welchem
Luft fließt. Der Luftstrom wird von einer Pumpe (11)
erzeugt. Das Leitungssystem (13) stellt einen konstanten
Widerstand für den Luftstrom dar. Es herrscht ein u. A.
vom Strömungswiderstand abhängiger Druck im Leistungssystem.
Zur Druckmessung im Leitungssystem (13) wird ein nah hinter
der Pumpe, außerhalb des MRT angeordneter Drucksensor (12)
verwendet. Führt man an beliebiger Stelle des Leitungssystems
(13) eine zusätzliche Drossel (14) ein,
lässt sich der entstehende Staudruck im Leitungssystem
beeinflussen. Führt man die Drossel (14) derart
aus, dass die Drosselung in einem festen Zusammenhang zu einer extern
auf die Drossel aufgebrachten Kraft (15) steht, lässt
sich die Anordnung zur Kraftmessung und somit auch zur Kraftverteilungsmessung
(Einsatz mehreren Sensoren), Gewichtsmessung und Gewichtsverteilungsmessung (Einsatz
mehrerer Sensoren) nutzen. In der dargestellten Ausführung
befinden sich die Pumpe (11) zur Erzeugung des Luftstroms,
sowie der erforderliche Drucksensor (12) außerhalb
des Einflussgebiets des MRT. Die Pneumatikleitungen (13)
führen an die Messstellen (15) im MR-Tomographen,
an welchen sich die beschriebenen Drosseln (14) befinden.
Die Drosseln (14) sind derart gestaltet, dass sie MRT-kompatibel
ist. Dafür geeignet sind u. A. Ausführungen mit
Federelementen aus NBR (Naturkautschuk) sowie Kunststoff-Verbundwerkstoffe
wie GFK, CFK. Eine Drosselsung lässt sich auch durch die
Verengung einer Schlauchleitung durch äußere Krafteinwirkung
erzielen. Durch die Auslegung der Drossel (14) ist das
beschriebene System auf beliebige Kraftbereiche kalibrierbar.
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Eine
weitere Ausführungsvariante basiert auf Messung des hydrostatischen
Drucks in einem geschlossenen Hydrauliksystem (5).
An der Messstelle (19) im Einflussbereich des MRT befindet sich
eine Vorrichtung (18), welche eine mechanische Kraft, in
einen hydraulischen Druck umsetzt. Diese Einkopplung (18)
der mechanischen Kraft (19) in das Leitungssystem (17)
kann auf verschiedene Weise erfolgen. Möglich sind Lösungen
mit Zylinder/Kolben, Membranen oder flüssigkeitsgefüllte
Volumina wie verschlossene Schlauchenden oder Gummi-Körper. Es
sind beliebige, flüssigkeitsgefüllte Volumen einsetzbar,
Vorrausetzung für ihre Eignung ist, dass eine an ihrem Äußeren
wirkende Kraft (19) zu einer Druckänderung im
füllenden Fluid führt. Der mechanische Druck (19)
wird als hydraulischer Druck im Leitungssystem (17) aus
dem Einflussbereich des MRT hinausgeleitet. Außerhalb des
Einflussgebietes des MRT erfolgt eine Messung des in der Leitung
(17) herrschenden Flüssigkeitsdrucks mit Hilfe
eines Drucksensors (16). Da der in der Leitung herrschende
Druck in direktem Zusammenhang zu der auf die Einkopplungs-Stelle
(18) wirkenden Kraft (19) steht, ist eine Kalibrierung
des Gesamtsystems auf die an der Einkopplungs-Stelle (18)
wirkende Kraft (19) möglich.
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Eine
auf dem Einsatz einer Kunststoff-Membran basierende Realisierungsvariante
ist in der 21 dargestellt. Zur Einkopplung
der zu messenden Kraft in das Hydrauliksystem wird eine Membran (78)
aus einem Elastomer verwendet, welche durch einen Kolben/Stempel
(75) belastet wird. Die Elastomermembran (78)
ist in einem Träger aus einem thermoplastischen Kunststoff
(76) eingebettet, welcher zugleich die Führung
des Kolbens (75) gewährleistet. Der von der Membran
(78) umschlossene Bereich ist mit einer Hydraulikflüssigkeit,
z. B. Wasser gefüllt. Der Kolben (75) sowie der
Träger (76) sind derart geformt, dass sie der
Außenform der Membran (78) exakt entsprechen.
Eine Auf den Kolben (75) wirkende Kraft, wird somit in
die von der Membran (78) umschlossene Hydraulikflüssigkeit
eigekoppelt. Durch die im Basisträger (77) eingebettete
Anschlussleitung (79) wird der unter der Membran (78)
herrschende Druck weitergeleitet. Die Weiterleitung erfolg aus dem
Einflussbereich des MRT heraus zu einem Drucksensor. Der Drucksensor
erfasst den in der Hydraulikleitung herrschenden Druck, und setzt
diesen in ein Spannungssignal um. Durch geeignete Kalibrierung ist
ein Zusammenhang zwischen der an der Messstelle herrschenden Kraft
und der vom Drucksensor ausgegebenen Spannung herstellbar. Zur Wandlung
des Flüssigkeitsdrucks in ein messtechnisch erfassbares
Signal können handelsübliche Drucksensoren verwendet
werden. Diese erzeugen ein einfach erfassbares elektronisches Ausgangssignal,
welches sich digital gewandelt, z. B. durch eine DAQ-Karte, in einem
PC weiterverarbeiten lässt. Ein angeschlossener PC erlaubt
die Aufzeichnung der gewonnenen Information, insbesondere des Patientengewichts,
des Schwerpunkts des Patienten sowie der Gewichtsverteilung des
Patienten im zeitlichen Verlauf und kann eine Feedback-Einheit steuern, welche
farblich codiert, akustisch oder auf eine andere Weise dem Patienten
Informationen über seine Gewichtsverteilung bzw. seinen
Schwerpunkt gibt. Dies erlaubt es dem Patienten eine vorgegebene
Position einzunehmen/eine gewünschte Position zu halten.
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Die
Ausführungsvariante mit optischer Signalübertragung
(6) beruht auf den doppelbrechenden Eigenschaften
einiger Werkstoffe, wie beispielsweise einiger Kunstharze. Diese
Werkstoffe haben im unbelasteten Zustand isotrope Brechungseigenschaften,
die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht ist in alle Richtungen
im Material gleich. Durch mechanische Belastung ändert
sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht entsprechend der Belastungsrichtung
und Belastungshöhe. Das Material wird optisch anisotrop,
es wird doppelbrechend. Die doppelbrechende Eigenschaft sorgt dafür,
dass in den Werkstoff eintretendes linear polarisiertes Licht elliptisch
polarisiert wird. Eine Viertelwellenplatte ist eine aus doppelbrechendem
Material gefertigte Platte welche derart gestaltet ist, dass ein
Gangunterschied von genau 45° verursacht wird. Dies macht es
möglich, zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht wieder
genau linear zu polarisieren. Voraussetzung hierfür ist
die der elliptischen oder zirkularen Polarisierung entsprechende
Winkelstellung der Viertelwellenplatte. Nutzt man folgende Anordnung,
ist eine Kraftmessung mit Hilfe eines doppelbrechenden Werkstoffes
möglich: Lichtquelle (20) ⇒ linearer
Polfilter (Anordnung 0°) (23) ⇒ Werkstoff
doppelbrechen (Last ausgesetzt) (23) ⇒ Viertelwellenplatte
(drehbar) (23) ⇒ linearer Polfilter als Analysator
(Anordnung 90°) (23) ⇒ Helligkeitssensor
(21).
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Im
Spannungsfreien Fall tritt bei dieser Anordnung aus dem 2. Polfilter
(90° verdreht zum 1. Polfilter angeordnet) keine, oder
nur eine der Dunkeltransmission der Polfilter entsprechende Lichtmenge aus.
Durch mechanische Belastung verursachte Spannungen im doppelbrechenden
Material sorgen dafür, dass Licht durchgelassen wird (elliptische
Polarisation bei Belastung). Wird die Viertelwellenplatte bei Belastung
des doppelbrechenden Materials so lange rotiert bis wieder ein Minimum,
oder nur eine der Dunkeltransmission der Polfilter entsprechende Lichtmenge
aus dem 2. Polfilter (Analysator) austritt, entspricht die Verdrehung
der Viertelwellenplatte dem Polarisationswinkel welchen das doppelbrechende
Material unter Belastung hervorgerufen hat. Der Polarisationswinkel
ist ein Maß für die auf den Werkstoff wirkende
Kraft, und stellt hier die Messgröße dar. Erfolgt
eine Anordnung mit Lichtquelle (20), Polfiltern (23),
Viertelwellenplatte (23) und Helligkeitssensor (21)
außerhalb des Einflussbereiches des MRT, ist die Anordnung
MRT-kompatibel. Voraussetzung ist die Verwendung von Lichtwellenleitern
(22) zur Verbindung des Kraftsensors (23) (bestehend
aus einem doppelbrechenden Werkstoff), mit der übrigen
Messanordnung, welche die Polarisation des Lichts erhalten. Die
Verbindung der erforderlichen Elektronik mit dem im MRT befindlichen
doppelbrechenden Werkstoff (23) erfolgt mittels Lichtwellenleitern
(22). Die zu messende Kraft (24) wirkt auf doppelbrechenden
Werkstoff (23).
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Eine
weitere Ausführungsvariante mit optischer Signalübertragung
(7) beruht auf den doppelbrechenden Eigenschaften
einiger Werkstoffe, wie beispielsweise einiger Kunstharze. Das Prinzip
beruht auf den doppelbrechenden Eigenschaften einiger Werkstoffe,
wie beispielsweise einiger Kunstharze. Diese Werkstoffe haben im
unbelasteten Zustand isotrope Brechungseigenschaften, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
von Licht ist in alle Richtungen im Material gleich. Durch mechanische
Belastung ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von
Licht entsprechend der Belastungsrichtung und Belastungshöhe.
Das Material wird optisch anisotrop, es wird doppelbrechend. Die
doppelbrechende Eigenschaft sorgt dafür, dass in den Werkstoff
eintretendes, linear polarisiertes Licht elliptisch polarisiert wird.
Nutzt man folgende Anordnung, ist eine Kraftmessung mit Hilfe eines
doppelbrechenden Werkstoffes möglich: Lichtquelle (25) ⇒ linearer
Polfilter (Anordnung 0°) (28) ⇒ Werkstoff
doppelbrechen (Last ausgesetzt) (28) ⇒ linearer
Polfilter als Analysator (Anordnung 90°) (28) ⇒ Helligkeitssensor
(26). Im Spannungsfreien Fall, tritt bei dieser Anordnung
aus dem 2. Polfilter (90° verdreht zum 1. Polfilter angeordnet)
keine, oder nur eine der Dunkeltransmission der Polfilter entsprechende
Lichtmenge aus. Durch mechanische Belastung verursachte Spannungen
im doppelbrechenden Material sorgen dafür, dass Licht den
2. Polfilter passieren kann (elliptische Polarisation des Lichts
bei Belastung im doppelbrechenden Material). Die von der Belastungshöhe
(29), und somit von den Spannungen im doppelbrechenden
Material (28) abhängige Helligkeit welche den
hinter dem 2. Polfilter angeordneten Helligkeitssensor erreicht,
ist die Messgröße. Erfolgt eine Anordnung mit den
Polfiltern unmittelbar an der Messstelle, direkt am doppelbrechenden
Werkstoff im Einflussbereich des MRT (28), kann auf die
Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern verzichtet
werden. Die Verbindung der erforderlichen Elektronik mit dem im
MRT befindlichen doppelbrechenden Kunststoff (28) erfolgt
mittels Lichtwellenleitern (27).
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Eine
weitere optische Ausführungsvariante (8)
basiert auf der kraftabhängigen Bewegung einer optischen
Linse (33). In einem Strahlengang ist die optische Linse
(33) derart angeordnet, dass eine wirkende Kraft (34)
direkt auf die Linse wirkt, oder mittels eines Hebelarmes eine Bewegung
der optischen Linse (33) verursacht. Die optische Linse nimmt
hierbei nicht direkt die wirkende Kraft (34) auf, vielmehr
wird die äußere, wirkende Kraft (34)
von einem Federelement (33) aufgenommen. Die von der optischen
Linse (33) ausgeführte Bewegung ist somit von
der Auslegung der Feder abhängig. In nicht belasteter Situation
ist die optische Linse so angeordnet, dass sie einen Lichtstrahl
auf eine 2. Linse fokussiert, oder direkt auf die Eintrittsfläche
eines Lichtwellenleiters fokussiert (unter Berücksichtigen
des maximalen Einkopplungswinkels des Lichtwellenleiters). Wirkt
eine Kraft auf das Feder-Linsen-Element (33), verschlechtert
sich die Fokussierung. Legt man das Gesamtsystem aus Feder und Linse
(33) so aus, dass bis zum Erreichen der maximal zu messenden Kraft
die Fokussierung gerade noch nicht vollständig verloren
gegangen ist, kann ein Zusammenhang zwischen Belastung des Feder-Linse-Elements
und der das optische System passierenden Lichtmenge hergestellt
werden. Die den Helligkeitssensor (31) erreichende Lichtmenge
stellt die Messgröße dar. Die Gesamtanordnung
ist also folgender Art: Lichtquelle (30) ⇒ Feder-Linse-Element
(33) ⇒ Helligkeitssensor (31). Die Anordnung
im Bereich des MRT erfolgt derart, dass sich Lichtquelle (30)
und Helligkeitssensor (31) außerhalb des Einflussbereiches
des MRT befinden. Die Verbindung zum Feder-Linse-Element (33) erfolg
mittels Lichtwellenleitern (32).
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Eine
weitere optische Ausführungsvariante (9)
beruht auf der kraftabhängigen Bewegung eines optischen
Spiegels (38). In einem Strahlengang ist ein Spiegel (38)
derart angeordnet, dass eine wirkende Kraft (39) direkt
auf den Spiegel wirkt, oder mittels eines Hebelarmes eine Bewegung
des Spiegels (38) verursacht. Der Spiegel nimmt hierbei nicht
direkt die wirkende Kraft (39) auf, vielmehr wird die äußere,
wirkende Kraft (39) von einem Federelement (38)
aufgenommen. Die vom Spiegel (38) bei Belastung ausgeführte
Bewegung ist somit von der Auslegung der Feder abhängig.
In nicht belasteter Situation ist der Spiegel so angeordnet, dass
er einen Lichtstrahl auf eine 2. Linse fokussiert, oder direkt auf die
Eintrittsfläche eines Lichtwellenleiters fokussiert (unter
Berücksichtigen des maximalen Einkopplungswinkels des Lichtwellenleiters).
Wirkt eine Kraft (39) auf das Feder-Spiegel-Element (38),
verschlechtert sich die Fokussierung. Legt man das Gesamtsystem
aus Feder und Spiegel (38) so aus, dass bis zum Erreichen
der maximal zu messenden Kraft die Fokussierung gerade noch nicht
vollständig verloren gegangen ist, kann ein Zusammenhang
zwischen Belastung des Feder-Spiegel-Elements und der das optische
System passierenden Lichtmenge hergestellt werden. Die den Helligkeitssensor
(36) erreichende Lichtmenge stellt die Messgröße
dar.
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Die
Gesamtanordnung ist folgender Art: Lichtquelle (35) ⇒ Feder-Spiegel-Element
(38) ⇒ Helligkeitssensor (36). Die Anordnung
im Bereich des MRT erfolgt derart, dass sich Lichtquelle (35)
und Helligkeitssensor (36) außerhalb des Einflussbereiches
des MRT befinden. Die Verbindung zum Feder-Spiegel-Element (38)
erfolg mittels Lichtwellenleitern (37).
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Eine
weitere optische Ausführungsvariante (10)
beruht auf der kraftabhängigen Änderung der Transmission
in einem mit Gel gefüllten Gefäß/einer
Küvette (43). In einem an den Seiten und am Boden
steif gestaltetem Behälter (43) befindet sich
ein Gel mit Gaseinschlüssen, eine gummiartige Masse mit
Gaseinschlüssen oder eine zähviskose Flüssigkeit
mit Gaseinschlüssen. Der verwendete gasblasenhaltige Werkstoff
muss zusätzlich durchlässig für das zur
Messung verwendete Licht (die verwendete Wellenlänge) sein.
Die Gaseinschlüsse sind dauerhafter Natur und verflüchtigen
sich nicht. Die physikalische sowie die chemische Löslichkeit
für das verwendete Gas in der Masse müssen gering
sein. Ein Beispiel für einen solchen Werkstoff ist durchsichtiges
Silikon mit eingerührten Luftblasen.
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Der
Behälter (43) wird von Licht durchstrahlt, die
Transmission wird gemessen. Die im Behälter (Küvette)
befindliche Masse (43) der oben beschriebenen Art wird
von der freien Seite her mittels eines Stempels, Kolben o. Ä.
einer Kraft (44) ausgesetzt. Der resultierende mechanische
Druck wirkt somit auch auf die Gasblasen, welche in Abhängigkeit
der Größe der Kraft ihren Durchmesser ändern.
Die Transmission von Licht durch den oben beschriebenen Behälter
(43) ist auf Grund der kraftabhängigen Durchmesseränderung
der Gasblasen abhängig von der auf dem Behälter
lastenden Kraft (44). Die Transmission stellt die Messgröße
dar. Für die Gültigkeit des Gesetzes von Lambert-Beer
ist die Verwendung von monochromatischem Licht (40) zwingend
erforderlich. Somit sind alle in der Spektrometrie üblichen Lichtquellen
und Aufbereitungen des Lichts für den Aufbau geeignet (40).
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Durch
folgende Anordnung ergibt sich der geeignete Messaufbau: Lichtquelle
(40) ⇒ Behälter mit Gel/Gasblasenfüllung
(43) ⇒ Helligkeitssensor (41)
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Die
Anordnung im Bereich des MRT erfolgt derart, dass sich Lichtquelle
(40) und Helligkeitssensor (41) außerhalb
des Einflussbereiches des MRT befinden. Die Verbindung zum Behälter
mit Gel/Gasblasenfüllung (43) erfolgt mittels
Lichtwellenleitern (42).
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Eine
weitere auf der Messung der Reflexion basierende optische Ausführungsvariante
(11) beruht auf der kraftabhängigen Bewegung
eines reflektierenden Körpers (48). In einem Strahlengang
ist eine reflektierende Fläche (48) derart angeordnet, dass
eine wirkende Kraft (49) direkt auf die reflektierende
Fläche wirkt, oder mittels eines Hebelarmes eine Bewegung
der reflektierenden Fläche (48) verursacht. Die
reflektierende Fläche (48) nimmt hierbei nicht
direkt die wirkende Kraft (49) auf, vielmehr wird die äußere,
wirkende Kraft (49) von einem Federelement (48)
aufgenommen. Die von der reflektierenden Fläche (48)
bei Belastung ausgeführte Bewegung ist somit von der Auslegung
der Feder abhängig. Die reflektierende Fläche
(48) ist so gestaltet, dass ihr Reflexionsvermögen
einen Verlauf zeigt. Ein Beispiel für eine solche Fläche
stellt eine Karte mit einem aufgedruckten Grauverlauf (Verlauf von
Schwarz nach Weiß) dar. Die reflektierende Fläche
(48) ist so angeordnet, dass das sie treffende Licht stets
an die gleiche Position reflektiert wird (zum Empfänger
(46)). Die Fläche wird aus einem Lichtwellenleiter
(47) aus angestrahlt, die Reflexion wird (z. B. mit Hilfe
einer Linse) in einen weitere Lichtwellenleiter (47) eingekoppelt,
welcher das Licht zu einem Helligkeitssensor (46) leitet.
In Abhängigkeit der von außen wirkenden Kraft
(49) vollführt die reflektierende Fläche
(48) eine Bewegung, so dass mehr/weniger stark reflektierende
Bereiche angestrahlt werden. Der Reflexionsgrad ändert
sich somit abhängig von der wirkenden Kraft (49).
Der Reflexionsgrad stellt die Messgröße dar.
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Die
Gesamtanordnung ist folgender Art: Lichtquelle (45) ⇒ Feder-reflektierende
Fläche-Element (48) ⇒ Helligkeitssensor
(46). Die Anordnung im Bereich des MRT erfolgt derart,
dass sich Lichtquelle (45) und Helligkeitssensor (46)
außerhalb des Einflussbereiches des MRT befinden. Die Verbindung zum
Feder-reflektierende Fläche-Element (48) erfolg mittels
Lichtwellenleitern (47).
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Eine
weitere optische Ausführungsvariante zeigt 12.
Diese Vorrichtung beruht auf der kraftabhängigen Bewegung
einer lichtdurchlässigen Folie bzw. allgemein eines transmittierenden
Körpers (58). In einem Strahlengang ist eine lichtdurchlässige Folie
(58) derart angeordnet, dass eine wirkende Kraft (59)
direkt auf die lichtdurchlässige Folie wirkt, oder mittels
eines Hebelarmes eine Bewegung der lichtdurchlässigen Folie
(58) verursacht. Die lichtdurchlässigen Folie
(58) nimmt hierbei nicht direkt die wirkende Kraft (59)
auf, vielmehr wird die äußere, wirkende Kraft
(59) von einem Federelement (58) aufgenommen.
Die von der lichtdurchlässigen Folie (58) bei
Belastung ausgeführte Bewegung ist somit von der Auslegung
der Feder abhängig. Die lichtdurchlässige Folie
(58) ist so gestaltet, dass ihr Transmissionsvermögen
einen Verlauf zeigt. Ein Beispiel für eine solche Folie
stellt eine Folie mit eine aufgedruckten Grauverlauf (Verlauf von
Schwarz nach vollkommen transparent) dar. Die lichtdurchlässigen
Folie (58) ist so angeordnet, dass das sie treffende und durchscheinende
Licht in einen Lichtwellenleiter (zum Empfänger (56))
eingekoppelt wird. Die Fläche wird aus einem Lichtwellenleiter
(57) aus angestrahlt, das transmittierte Licht wird (z.
B. mit Hilfe einer Linse) in einen weiteren Lichtwellenleiter (57)
eingekoppelt, welcher das Licht zu einem Helligkeitssensor (56)
leitet. In Abhängigkeit der von außen wirkenden Kraft
(59) vollführt die lichtdurchlässige
Folie (58) eine Bewegung, so dass mehr/weniger stark transmittierende
Bereiche angestrahlt werden. Der Transmissionsgrad ändert
sich somit abhängig von der wirkenden Kraft (59).
Der Transmissionsgrad stellt die Messgröße dar.
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Die
Gesamtanordnung ist folgender Art: Lichtquelle (55) ⇒ lichtdurchlässige
Folie-Feder-Element (58) ⇒ Helligkeitssensor (56).
Die Anordnung im Bereich des MRT erfolgt derart, dass sich Lichtquelle (55)
und Helligkeitssensor (56) außerhalb des Einflussbereiches
des MRT befinden. Die Verbindung zum „lichtdurchlässige
Folie-Feder-Element” (58) erfolg mittels Lichtwellenleitern
(57).
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Eine
weitere optische Ausführungsvariante (13)
beruht auf der kraftabhängigen Bewegung von drehbar angeordneten
linearen Polfiltern (58). In einem Strahlengang sind zwei
Polfilter (58) derart angeordnet, dass eine wirkende Kraft
(59) direkt auf einen der Polfilter wirkt, oder mittels
eines Hebelarmes eine Bewegung (Rotation) eines der Polfilter (58)
verursacht. Die Polfilter nehmen hierbei nicht direkt die wirkende
Kraft (59) auf, vielmehr wird die äußere,
wirkende Kraft (59) von einem Federelement (58)
aufgenommen. Die von einem der Polfiter (58) bei Belastung
ausgeführte Bewegung ist somit von der Auslegung der Feder
abhängig, der zurückgelegte Weg entspricht der
Stauchung der Feder. Die Bewegung der Feder wird in eine Rotation
umgesetzt. Die Polfilter sind so im Strahlengang angeordnet, dass
eine Rotation eines der Polfilter oder allgemein der beiden Polfilter
zu einander eine Änderung der Transmission durch die beiden
Polfilter hervorruft. Die Anordnung ist derart gestaltet, dass das
Transmissionsvermögen einen Verlauf zeigt, welcher abhängig
vom Grad der Rotation der Polfilter zueinander ist. Der Grad der Verdrehung
der Polfilter zueinander geschieht in ein Bereich von max. 0–90° und
ist von der äußeren, zu messenden Kraft abhängig.
Die Polfilter sind so angeordnet, dass das sie treffende und durchscheinende
Licht in einen Lichtwellenleiter (zum Empfänger (56))
eingekoppelt wird. Die Polfilter werden aus einem Lichtwellenleiter
(57) aus angestrahlt, das transmittierte Licht wird (z.
B. mit Hilfe einer Linse) in einen weitere Lichtwellenleiter (57)
eingekoppelt, welcher das Licht zu einem Helligkeitssensor (56)
leitet. Der Transmissionsgrad stellt die Messgröße
dar.
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Die
Gesamtanordnung ist folgender Art: Lichtquelle (55) ⇒ Polfilter-Polfilter-Feder-Element (58) ⇒ Helligkeitssensor
(56). Die Anordnung im Bereich des MRT erfolgt derart,
dass sich Lichtquelle (55) und Helligkeitssensor (56)
außerhalb des Einflussbereiches des MRT befinden. Die Verbindung zum
Polfilter-Feder-Element (58) erfolg mittels Lichtwellenleitern
(57).
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Eine
akustische Ausführungsvariante (14) beruht
auf der kraftabhängigen Tonerzeugung einer Ultraschallpfeife.
Durch eine Pumpe (60) wird ein kontinuierlicher Gasstrom
(Luftstrom) bereitgestellt, welcher mittel Pneumatikleitungen (62)
in den Einflussbereich des MRT, an den Ort der Messung geführt
wird. Am Ort der Messung befindet sich eine druckluftgetriebene
Ultraschallpfeife (63), welche Töne oberhalb der
Hörgrenze (ca. 20 kHz) des Menschen emittiert. Die Ultraschallpfeife
(63) ist derart konstruiert, dass die von der Ultraschallpfeife
(63) abgegebene Tonhöhe von der zu messenden Kraft (64)
abhängig ist. Es erfolgt eine kraftabhängige Verstellung
der emittierten Tonhöhe, was z. B. durch die Änderung
der Resonanzlänge der Pfeife, oder durch Änderung
der frei schwingenden Länge einer in der Ultraschallpfeife
schwingenden Zunge erreicht werden kann. Die Ultraschallpfeife (63)
nimmt hierbei nicht direkt die wirkende Kraft (64) auf,
vielmehr wird die äußere, wirkende Kraft (64)
von einem Federelement (63) aufgenommen. Durch Messung
der von der Ultraschallpfeife (63) emittierten Tonhöhe
mit einem geeigneten Mikrophon, ist mit Hilfe eines Tonhöhensensors
ein Rückschluss auf die an der Messstelle wirkende Kraft
möglich. Die Messgröße ist die Tonhöhe
bzw. Ultraschallfrequenz.
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Die
beschriebene Vorrichtung dient dazu, einen Patienten eine gewünschte
Haltung im MRT einnehmen zu lassen, sowie die Einhaltung dieser
Position zu überwachen. Dazu ist die Messung der Gewichtsverteilung
sowie des Schwerpunktes des Patienten erforderlich.
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Eine
Zusammenschaltung von mindestens drei Einzel-Kraft/-Gewichtswandlern
einer der beschriebenen Bauarten zu einem Waage-Element, erlaubt
die Erfassung des Schwerpunktes auf der Waage. Ein Ausführungsbeispiel
mit vier Einzel-Wandlern ist in den 20, 22 dargestellt.
Werden zwei Waage-Elemente (82, 83) aus je mindestens
3 Einzel-Wandlern (80, 81) bestehend so angeordnet, dass
je ein Fuß des Patienten auf je einem Waageelement positioniert
ist, ist zusätzlich zur Schwerpunktbestimmung unter jedem
Fuß die Gewichtsverteilung unter den Beinen des Patienten
messbar. Eine mögliche Anordnung von zwei Waageelementen
(82, 83) (hier exemplarisch bestehend aus vier Einzelsensoren)
ist in 20 dargestellt.
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Im
Folgenden werden Realisierungsvarianten der Feedback-Einheit, welche
sich außerhalb des Einflussbereichs des MRT befindet und
dem Patienten farblich codiert, akustisch oder auf eine andere Weise
Informationen über seine Gewichtsverteilung bzw. seinen
Schwerpunkt gibt, beschrieben. Diese können mit allen Ausführungsvarianten
von Sensor- und Wandlerelementen verwendet werden. Das zur Anschauung
verwendete hydraulische Messverfahren nach 5 ist lediglich
als ein Beispiel für alle weiteren, beschriebenen Messverfahren
zu sehen.
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Eine
optische Realisierungsvariante des Feedback-Elements (15)
basiert auf einer Übermittlung des Belastungsstatus mittels
Lichtfarbe und Blinkfrequenz. Die Realisierungsvariante arbeitet
mittels eines Soll-Ist Vergleichs von Belastungsparametern (65),
welcher z. B. diskret aufgebaut oder in eine Anwendungssoftware
zur Belastungsmessung integriert sein kann.
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Eine
weitere optische Realisierungsvariante des Feedback-Elements (16)
basiert auf einer Übermittlung des Belastungsstatus mittels
mehrerer Leuchtmittel (71). Entweder über die
Anzahl oder die Auswahl eines bestimmten Leuchtmittels wird die Einhaltung
des Sollwertes signalisiert; über die Helligkeit eines
oder mehrerer Leuchtmittel (71) der Abstand zu selbigem.
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Eine
akustische Realisierungsvariante des Feedback-Elements (17)
basiert auf einer Übermittlung des Belastungsstatus mittels
Lautsprecher oder Pfeife (72). Tonhöhe, Lautstärke
und An-Aus-Verhältnis übermitteln das Ergebnis
des Soll-Ist-Vergleichs an den Patienten.
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Eine
mechanische Realisierungsvariante des Feedback-Elements ist in 18 dargestellt. Die Übermittlung
der Informationen an den im Einflussbereich des MRT befindlichen
Patienten erfolgt über Vibrationen. Diese können
sowohl an den Füßen des Patienten anliegen, was
es erlaubt des Patienten anschaulich seine Fehlstellung zu übermitteln, als
auch z. B. an den Händen oder Handgelenken. Der Patient
bekommt die Information über seinen Schwerpunkt auf die
Art übermittelt, dass bei gewünschter Schwerpunktverteilung
keine Vibrationen erfolgen. Wird z. B. das rechte Bein stärker
belastet als gewünscht, erfolgen unter dem rechten Fuß und/oder
an der rechten Hand Vibrationen welche dem Patienten kenntlich machen,
dass er den gewünschten Schwerpunkt verlässt.
Eine Übermittlung der Vibrationen kann auf mechanischem,
pneumatischem oder hydraulischem Weg erfolgen. Eine hydraulische Übertragung
lässt sich in die Messung auf hydraulischem Weg integrieren.
Das Messergebnis bleibt unbeeinflusst, in so fern die zur Informationsübermittlung
genutzten Vibrationen ausreichend hochfrequent sind, als dass sie
sich mittels Tiefpassfilter von den Ergebnissen der Gewichts-/Kraftmessung trennen
lassen.
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Für
den zweiten Fall der Rückkopplung an den Patienten mittels
Lichtfarbe und Blinkfrequenz (15) zeigt 19 ein
Anwendungsbeispiel (Softwareoberfläche): (66)
zeigt den Schwerpunkt des Patienten auf den Messplattformen P1 und
P2, (68) gibt die Werte der Einzelsensoren und (69)
die aggregierte Gewichtskraft aus. Über die Werte P1min und
P1max (67) lässt sich ein Belastungsszenario/ein
Gewichtsverteilungsbereich zwischen P1 und P2 vorgeben, welcher
mittels eines grünen Bereichs in dem Balken (70)
angezeigt wird. Dieser Soll-Ist-Vergleich gibt Signale an eine Ansteuereinheit
(66), welche eine beliebige Anzahl von Leuchtmitteln (67)
simultan und identisch steuern kann. Während der Messung
arbeitet das System z. B. wie folgt:
- 1. Belastung
innerhalb des vorgegebenen Szenarios: grünes Dauerlicht
- 2. Belastung unterhalb des vorgegebenen Szenarios: blaues Blinken;
die Blinkfrequenz steigt mit steigendem Abstand zum vorgegebenen
Szenario.
- 3. Belastung oberhalb des vorgegebenen Szenarios: rotes Blinken;
die Blinkfrequenz steigt mit steigendem Abstand zum vorgegebenen
Szenario.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5886302 [0003]
- - DE 19639095 [0003]