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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer risikolosen weiteren Benutzungsdauer eines von einem Patienten benutzten orthopädietechnischen Hilfsmittels, das während der Benutzung mit einem mechanischen Kraftfluss zyklisch belastet wird und nach der Benutzung durch einen Patienten zur Benutzung durch einen weiteren Patienten geeignet ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein orthopädietechnisches Hilfsmittel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, das nach der Benutzung durch einen Patienten zur nachfolgenden Benutzung durch einen weiteren Patienten geeignet ist.
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Mechanisch belastete Bauelemente haben grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer, da sie durch die mechanischen Belastungen, insbesondere wenn sie pulsierende Belastungen sind, Veränderungen ihres Gefüges erfahren, die in Abhängigkeit von der Intensität der Belastung zunächst zu dem Auftreten von Haarrissen führen können, die im Laufe der weiteren Belastung zum Funktionsversagen des Bauelements führen können.
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Tragende Bauelemente, wie beispielsweise aus Stahl hergestellte Brückenkonstruktionen, haben daher eine konstruktiv vorgesehene maximale Standzeit, bevor sie ausgewechselt werden müssen. Dabei wird ein erhebliches Sicherheitspolster verwendet, da das Risiko eines Brückensturzes mit Sicherheit vermieden werden soll. Die Vorgabe einer Standzeit für ein Bauelement ist jedoch unbefriedigend, weil sie unabhängig von der tatsächlichen Belastung des Bauelements ist. Für eine Brückenkonstruktion ist es erheblich, ob eine Dauerbelastung stattfindet und ob beispielsweise häufig Fahrzeuge mit einem hohen Gewicht über die Brücke fahren oder die Brücke eher von Personenkraftwagen benutzt wird. Es werden daher beispielsweise für aufwendige Brückenkonstruktionen zerstörungsfreie Materialprüfungen vorgenommen, indem die Brückenkonstruktionen mit Röntgenstrahlen, Ultraschall o. ä. untersucht werden, um das Auftreten von Rissen oder sonstigen die Statik beeinträchtigenden Vorkommnissen zu ermitteln. Hierfür müsse eine aufwendige Messvorrichtung zur Brücke transportiert und dort eingesetzt werden. Eine Prognose über die noch verfügbare Lebensdauer eines Bauelements innerhalb einer Brückenkonstruktion ist dabei nur bedingt möglich, da beispielsweise die Freiheit von mit dem Messverfahren erkennbaren Rissen keine Aussage darüber erlaubt, ob nicht kurz darauf ein derartiger Riss auftritt.
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Durch
DE 42 26 010 A1 ist es bekannt, die Lebensdauer von Fahrzeugbauteilen, insbesondere Fahrwerksbauteile in Kraftfahrzeugen über Messelemente zu überwachen. Dabei werden hoch beanspruchte Bereiche des Fahrzeugs mit elektrischen Belastungsaufnehmern versehen. Die gewonnenen Messwerte werden während der gesamten Fahrdauer des Kraftfahrzeugs an eine Auswerteeinheit, beispielsweise an einen zentralen Prozessor des Kraftfahrzeugs, weitergeleitet und gespeichert. Über eine kontinuierliche Bewertung der sich summierenden Messwerte über die Zeit wird die maximale Belastbarkeit der Bauteile ermittelt und eine Warnanzeige durchgeführt, wenn die maximale Belastbarkeit erreicht ist. Die Warnanzeige kann durch ein akustisches oder ein anderes Warnsignal erfolgen und dem Fahrer anzeigen, dass das Bauteil auszuwechseln ist.
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DE 100 45 370 A1 offenbart eine ähnliche Sensorik für eine Hubkolbenmaschine mit gleitgelagertem Kurbelantrieb. Insbesondere die Gleitlager der Pleuellager der Kurbelwelle und von Einzelzylindern können durch Sensoren überwacht werden, die beispielsweise Körperschallsensoren, Temperatursensoren o. ä. sind. In einer nicht näher beschriebenen Weise werden die Sensorsignale vorzugsweise drahtlos auf eine zentrale Auswertungseinrichtung im Fahrzeug übertragen und daraufhin ausgewertet, ob ungewöhnliche Geräusche, Temperaturen o. dgl. Auftreten, die einen beginnenden Ausfall des betreffenden Lagers indizieren.
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Sicherheitsrelevante Bauelemente, die von einem Menschen benutzt werden, sind Prothesen oder Orthesen, die einem Patienten ermöglichen, Tätigkeiten auszuüben, die er ohne diese Hilfsmittel nicht bewältigen könnte. Bei einer Prothese ersetzt ein Bauelement in Form eines künstlichen Beins, eines künstlichen Arms usw. ein amputiertes Glied des menschlichen Körpers. Insbesondere für Bein- oder Fußprothesen ergibt sich eine erhebliche mechanische Belastung durch das Körpergewicht des Patienten beim Gehen oder auch beim Stehen. Ähnliches gilt für Orthesen, wenn ein Patient, beispielsweise nach einer Operation seine natürlichen Gliedmaßen, wie ein Bein, oder einen Fuß, nicht oder nicht vollständig belasten kann, ohne die Kontrolle über sein Körpergewicht zu verlieren. Eine Orthese hilft dann, mit dem behinderten Glied eine kontrollierte Bewegung auszuüben, sodass die Kontrolle über das Körpergewicht erhalten bleibt.
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Für Prothesenträger besteht manchmal die Veranlassung, eine bisher getragene Prothese durch eine andere Prothese zu ersetzen, beispielsweise weil mit der neuen Prothese zusätzliche Bewegungsmöglichkeiten eröffnet werden, die nach einer Übungsphase mit der bisherigen Prothese nunmehr von dem Prothesenträger ausgeübt werden können. Für Orthesen ergibt sich eine begrenzte Tragzeit dadurch, dass Orthesen häufig für die Rehabilitation nach einer Erkrankung, Operation u. dgl. eingesetzt werde und daher nur so lange benötigt werden, wie der Patient sie benötigt, um seine natürlichen Körperkräfte und seine natürliche Kontrollmöglichkeit über das betreffende Körperglied wieder zu erlangen.
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Es ist üblich, derartige für eine gewisse Zeit benutzte Prothesen oder Orthesen zu entsorgen, weil eine Weiterbenutzung durch einen anderen Patienten nicht zumutbar ist, wenn der neue Patient nicht weiß, wie die entsprechende Orthese/Prothese von dem Vorbenutzer belastet worden ist. Die Gefahr, dass eine so starke Belastung stattgefunden hat, dass die entsprechende Prothese/Orthese beim neuen Nutzer nicht für die vorgesehene Einsatzzeit hält, schließt bisher eine Weitergabe benutzter Prothesen oder Orthesen praktisch aus. Eine zerstörungsfreie Materialprüfung, wie sie für aufwendige Tragkonstruktionen, beispielsweise bei Brückenbauwerken, üblich ist, ist für Prothesen oder Orthesen aus wirtschaftlichen Gründen ausgeschlossen. Der Untersuchungsaufwand wäre so hoch, dass der Einsparungseffekt für die Weiterbenutzung einer zeitweise gebrauchten Prothese oder Orthese weitgehend oder vollständig aufgezehrt werden würde. Für mit Motoren, insbesondere Elektromotoren, arbeitende Maschinen ist es bekannt, die Betriebsstunden der Maschine zu messen (
AT 240 201 B ). Hierzu wird insbesondere aus dem Primärstromkreis der Maschine ein Strom ausgekoppelt und in Abhängigkeit von der Einschaltdauer der Maschine ein Strom durch eine elektrochemische Zelle geleitet. In dieser elektrochemischen Zelle wird beispielsweise durch den Strom eine Trennwand korrodiert, sodass nach einer bestimmten Betriebszeit zwei Zellen einer Elektrolysezelle, die durch die Trennwand voneinander getrennt waren, nunmehr zu einer Kammer vereinigt werden. Wenn dabei in einer Kammer eine farbige Flüssigkeit und in der anderen Kammer eine durchsichtige Flüssigkeit vorhanden waren, kann an dem Kammerteil, in dem sich die durchsichtige Flüssigkeit befunden hat, die Zerstörung der Trennwand dadurch erkannt werden, dass plötzlich eine farbige Flüssigkeit in dieser Kammer vorhanden ist. Ähnliche weitere Anzeigeeffekte sind denkbar. Eine derartige Überwachung kann daher beispielsweise einem Automobilbenutzer anzeigen, wann ein Wartungsintervall abgelaufen ist. Demzufolge ist die Anzeigeeinrichtung nicht für eine Prognose einer weiteren Benutzungszeit vorgesehen oder geeignet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein orthopädietechnisches Hilfsmittel der genannten Art in einfacher Weise eine Überprüfung des Materialszustands und eine Prognose über eine weitere Verwendungszeit zu ermöglichen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass das orthopädietechnische Hilfsmittel mit einem in den Kraftfluss durch das orthopädietechnische Hilfsmittel eingeschalteten Belastungssensor, der eine Anzahl und Amplitude des Kraftflusses entsprechende Aktion generiert, und mit einer nachgeschalteten Auswertungseinrichtung versehen wird, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors eine Auswertung der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt, und dass am Bauelement selbst eine Information über die bisherige kumulierte Belastung und eine Prognose, welche kumulierte Belastung bei einer Benutzung durch einen weiteren Patienten noch risikolos möglich ist, entnommen wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist ferner erfindungsgemäß ein orthopädietechnisches Hilfsmittel der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet durch einen Belastungssensor, der in den Kraftfluss durch das Bauelement eingeschaltet ist und eine der Anzahl und Amplitude des Kraftflusses entsprechende Aktion generiert und dem eine Auswertungseinrichtung nachgeschaltet ist, die aus den generierten Aktionen des Belastungssensors eine Auswertung der aus Anzahl und Amplitude gebildeten aufsummierten Belastung erstellt, sodass am Bauelement selbst eine Information über die bisherige kumulierte Belastung und eine Prognose, welche kumulierte Belastung bei einer Benutzung durch einen weiteren Patienten noch risikolos möglich ist, entnehmbar ist.
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Durch den vorzugsweise in dem orthopädietechnisches Hilfsmittel integriert angeordneten Belastungssensor und die ihm nachgeschaltete Auswertungseinrichtung ist es somit möglich, an dem Bauelement selbst den Ablauf der sicheren Benutzungsdauer oder die Information zu entnehmen, welcher kumulierten Belastung das orthopädietechnische Hilfsmittel während der bisherigen Benutzungszeit ausgesetzt war. Im letzteren Fall ist es durch die Kenntnis des orthopädietechnischen Hilfsmittels und dessen Materials möglich, – auch unter Wahrung von Sicherheitsmargen – zu prognostizieren, welche kumulierte Belastung für das orthopädietechnische Hilfsmittel noch risikolos möglich ist. Es kann daher beispielsweise bei einer Orthese die Aussage gemacht werden, dass eine gefahrlose Benutzung für eine Rehabilitation über jeweils vier Wochen noch für mindestens zwei Patienten risikolos möglich ist. Für eine benutzte Prothese kann beispielsweise die Aussage gemacht werden, dass ein nicht mehr sehr beweglicher Prothesenträger diese benutzte Prothese im Rahmen seiner eingeschränkten Mobilität noch für beispielsweise zwei Jahre benutzen kann. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass dadurch die von den Krankenkassen zu erbringenden Leistungen deutlich reduzierbar sind, wenn mit einer einzigen Prothese nacheinander beispielsweise drei Patienten versorgt werden können, die sonst eine neue Prothese erhalten hätten.
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Es ist grundsätzlich denkbar, dass die Funktion des Belastungssensors mit einer ggf. aufladbaren Batterie ermöglicht wird, Dies erfordert jedoch ggf. Maßnahmen für eine Missbrauchsverhinderung. Es ist daher bevorzugt, wenn der Belastungssensor zur Funktion ohne Fremdenergie ausgelegt ist. Ebenso ist es bevorzugt, auch die Auswertungseinrichtung so auszubilden, dass sie ohne Fremdenergie betrieben wird. Die Auswertungseinrichtung kann in vielen Fallen auch als Anzeigeeinrichtung dienen und verwendet werden.
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Vorzugsweise ist der Belastungssensor ein in den Kraftfluss eingesetzter mechanisch-elektrischer Wandler, der ein der Amplitudendauer des Kraftflusses entsprechendes elektrisches Signal abgibt, wobei die Auswertungseinrichtung zur langfristigen Aufsummierung der elektrischen Signale ausgelegt ist. Ein hierfür verwendbarer mechanisch-elektrischer Wandler wandelt somit die auf ihn einwirkende mechanische Kraft in ein entsprechendes elektrisches Signal, sodass die Dauer und Intensität der einwirkenden Kraft durch die Dauer und Amplitude des elektrischen Signals proportional, insbesondere linear proportional widergespiegelt und durch die Auswertungseinrichtung aufintegriert wird.
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Auch der mechanisch-elektrische Wandler kann mit einer Spannungsquelle zusammenwirken, um das dem Kraftfluss entsprechende elektrische Signal zu erzeugen. Bekannt sind hierfür beispielsweise Dehnungsmessstreifen, deren Widerstand sich durch die ausgeübte mechanische Kraft gut messbar ändert, sodass das abgegebene elektrische Signal der Dauer und Amplitude des Kraftflusses entspricht. Bevorzugt ist jedoch eine Ausbildung, bei der auch der mechanisch-elektrische Wandler ohne eine Fremdspannungsquelle auskommt, wie dies beispielsweise bei einem Piezoelement oder einer Induktionsspule der Fall ist. Wenn der Wandler, wie beispielsweise das Piezoelement, eine Wechselspannung generiert, ist es zweckmäßig, dem Wandler einen Gleichrichter nachzuschalten, sodass für die Anzeigeeinrichtung ein pulsierendes Gleichspannungssignal zur Verfügung steht.
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Die Auswertungseinrichtung ist vorzugsweise eine Elektrolysezelle, der das von dem mechanisch-elektrischen Wandler abgegebene elektrische Signal zugeführt wird und an der das jeweilige Maß der aufsummierten Belastung durch eine proportionale Materialveränderung aufgrund einer durch das elektrische Signal verursachten elektrolytischen Reaktion ablesbar ist.
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Vorzugsweise ist die Elektrolysezelle so ausgebildet, dass die elektrolytische Reaktion zu einer ablesbaren Materialansammlung oder Materialentfernung führt.
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Bei der Verwendung einer Elektrolysezelle als Auswertungseinrichtung ist das von dem Belastungssensor generierte elektrische Signal vorzugsweise ein dem Kraftfluss entsprechender elektrischer Strom. Für andere Auswertungseinrichtungen kann das elektrische Signal auch eine dem Kraftfluss entsprechende elektrische Spannung sein. Als Auswertungseinrichtung können auch solche Geräte verwendet werden, die elektrische Signale aufsummieren, ins besondere auch Zähler, die pro vorgegebener elektrischer Leistung weiterzählen. Für die Aufsummierung elektrischer Spannungen kommen auch, ggf. nach einer Analog-Digital-Wandlung, digitale Speicher, beispielsweise digitale Zähler oder Flash-Speicher, in Frage.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann es sinnvoll sein, die Amplituden der elektrischen Signale zu differenzieren, um beispielsweise elektrische Signale mit geringen Amplituden gar nicht zur Auswertung heranzuziehen. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, hohe Belastungsspitzen in der Auswertung anders zu wichten als zwar merkbare, jedoch deutlich geringere Belastungsamplituden. Es kann daher sinnvoll sein, wenigstens eine Gruppe von Amplituden separat auszuwerten, wobei unterschiedliche Amplitudengruppen unterschiedlich ausgewertet werden können und/oder geringfügige Amplituden außer Betracht bleiben.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für Bauelemente, die durch den Kraftfluss überwiegend zyklisch und/oder impulsförmig belastet werden, wie dies beispielsweise bei Prothesen oder Orthesen während des Gehens der Fall ist. Eine sinnvolle Verwendung ergibt sich auch für andere orthopädietechnische Hilfsmittel, beispielsweise Gehhilfsmittel in Form von Stützen, Rollatoren u. ä.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt:
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1 – eine schematische Darstellung eines mechanisch-elektrischen Wandlers mit einem nachgeschalteten Gleichrichter und einer daran angeschlossenen Anzeigeeinrichtung.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist beispielhaft eine lineare Belastung mit einer Kraft F auf einem Belastungssensor 1 in Form eines mechanisch-elektrischen Wandlers 6, der vorzugsweise durch ein Piezoelement gebildet ist, dargestellt. Der Belastungssensor ist dabei so angeordnet, dass er in dem Kraftfluss durch das zu überwachende Bauelement beaufschlagt wird, wodurch die Kraft F auf den Belastungssensor 1 einwirkt.
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Ist das zu überwachende Bauelement ein orthopädietechnisches Hilfsmittel, beispielsweise eine Prothese oder Orthese, wird der Belastungssensor 1 zyklisch be- und entlastet. Der mechanisch-elektrische Wandler 6 in Form des Piezoelements gibt dabei ein Wechselspannungssignal ab, das in einem nachgeschalteten Gleichrichter 7 zu einer pulsierenden Gleichspannung gewandelt wird. Mit der pulsierenden Gleichspannung wird eine Elektrolysezelle 8 beaufschlagt, in der die zugeführte pulsierende Gleichspannung zu einem entsprechenden pulsierenden Strom zwischen einer Anode 9 und einer Kathode 10 führt. Der Strom wird durch Ionen 11 in einem Elektrolyt 12 transportiert, Bei geeignet gewählten Materialien für die Anode 9 und die Kathode 10 führt der Stromfluss zu einer Materialabscheidung an einer der Elektroden und/oder zu einer Materialentfernung (Materialabtrag) an der anderen Elektrode, Durch ein zweckmäßigerweise vorgesehenes (nicht dargestelltes) Sichtfenster, des mit einer Skalierung versehen sein kann, kann die Materialabscheidung. die Materialentfernung quantitativ erkannt werden. Da das von dem mechanisch-elektrischen Wandler 6 abgegebene elektrische Signal eine elektrische Leistung transportiert, die von der Häufigkeit der Belastungszyklen und der Dauer und Amplitude der Belastungsimpulse (Kraft F) abhängt, entsteht eine elektrolytische Reaktion, die der Dauer und der Amplitude der Belastungen durch die Kraft F entspricht. In Abhängigkeit von dem Stromfluss entsteht die gemessene Materialveränderung in Form der Materialanlagerung bzw. der Materialentfernung. Die kumulierte Belastung ist daher unmittelbar an der Elektrolysezelle 8 ablesbar.
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Die erfindungsgemäßen Belastungssensoren 1 eignen sich insbesondere zur Überwachung von Prothesen- und Orthesenkomponenten, aber auch zur Überwachung von Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeugkomponenten, Hebezeugen, Straßen und Bauwerken.
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Die Belastungssensoren 1 können an beliebige Formen eines zu überwachenden Bauelements angepasst sein. Insbesondere die Ausführung mit einem mechanisch-elektrischen Wandler 6 und einer Elektrolysezelle 8 lässt sich auf kleinstem Raum und an geeigneter Stelle eines zu überwachenden Bauelements realisieren.
