DE102010014895B4

DE102010014895B4 - Verfahren und Messsystem zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen

Info

Publication number: DE102010014895B4
Application number: DE201010014895
Authority: DE
Inventors: Dr. Smagt Patrick van der; Hannes Höppner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: DE102010014895A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen (18, 20) eines Menschen, mit den Schritten:
– Einleiten einer Perturbation in ein Körperteil (18, 20) des Menschen durch einen Aktor (14),
– Messen der Reaktionskraft, die durch das Körperteil (18, 20) aufgebracht wird, durch einen Sensor (16),
dadurch gekennzeichnet, dass
als Perturbation die Aktio A des Aktors (14) in ein erstes Körperteil (18) des Menschen eingeleitet wird und
die auf den Aktor (14) wirkende Reaktio R in ein zweites Körperteil (20) des Menschen eingeleitet wird,
die gesamte Messdauer, bestehend aus der Einleitung der Perturbation in das erste (18) und das zweite Körperteil (20) und dem Messen der Reaktionskraft, unterhalb der kritischen Zeitdauer für das Aktivwerden nicht beeinflussbarer menschlicher Reflexe, nämlich unter 20 ms liegt und
der Sensor (16) mechanisch mit dem Aktor (14) in Reihe geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Messsystem zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen.
Für biophysische Experimente am Menschen oder für die Auslegung moderner humanoider Roboter ist es unter bestimmten Voraussetzungen notwendig, Steifigkeiten des Bewegungsapparats des Menschen genau messen zu können. Bisher existierende Messsysteme für Steifigkeiten weisen einen Aktor auf, welcher gestellfest mit einer Basis gekoppelt ist. Dadurch ergibt sich ein sehr komplexer und sperriger Aufbau, welcher den Bewegungsbereich der Testperson in erheblichem Maße einschränkt, woraus eine ungewollte Beeinflussung des Messergebnisses resultiert. In bekannten Messsystemen ist der Aktor abtriebsseitig mit der Versuchsperson verbunden und kann beispielsweise als Roboter ausgebildet sein. Somit können als Messsystem die internen Messsyteme des Roboters verwendet werden, teilweise wird auch auf optische Trackingsysteme zurückgegriffen. Die Versuchsperson führt während der Messung zweidimensionale, also planare Bewegungsabläufe durch und wird während dieser durch die Aktorik des Roboters beeinflusst. Als Koppelstelle wird zumeist die Greiffunktion der menschlichen Hand genutzt. Je nach Art der Regelung kann eine Kraft- oder Positions-Perturbation durchgeführt werden.
Weitere Probleme werden im Stand der Technik durch die verwendete Aktorik/Robotik verursacht, welche durch die Kopplung mehrerer Antriebe vermehrt zu störenden Schwingungen und Vibrationen neigt, die durch aufwendige Regelung ausgeglichen werden müssen. Dies wiederum verlängert die Messdauer, was zum Auftreten unerwünschter und nicht beeinflussbarer Reflexe der Versuchsperson führt.
DE 39 29 636 A1 beschreibt ein Gerät zur Untersuchung der Handfunktion mit einer druckmittelbetätigten Stimulator-Sensor-Vorrichtung, die zwischen dem Daumen und einem gegenüber liegenden Finger gehalten wird. Durch Kraft- und Wegsensoren werden die wirksamen Fingerkräfte sowie die aktuellen Fingerabstände gemessen und ausgewertet.
US 6,537,075 B1 beschreibt eine komprimierbare Vorrichtung zum Trainieren und Messen der Greifkraft einer Person.
US 4,674,330 A beschreibt eine ähnliche Vorrichtung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Messsystem zur genaueren und einfacheren Messung der Steifigkeit von Körperteilen eines Menschen bereitzustellen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2.
In einem Verfahren zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen eines Menschen wird eine Perturbation in ein Körperteil des Menschen durch einen Aktor eingeleitet. Unter einer Perturbation wird eine gezielte, insbesondere zeitlich willkürliche, mechanische Störung des Bewegungsapparates des Menschen verstanden. Die Perturbation erzeugt eine Reaktionskraft, die durch das Körperteil, das mechanisch mit dem Aktor verbunden ist, aufgebracht wird. Diese Reaktionskraft wird durch einen Sensor erfasst und ist in bevorzugter Ausführungsform durch den Menschen nicht beeinflussbar, sondern hängt lediglich von physikalischen oder anatomischen Faktoren des Körperteils des Menschen ab.
Erfindungsgemäß wird als Perturbation die Aktio des Aktors in ein erstes Körperteil des Menschen eingeleitet und zusätzlich die auf den Aktor wirkende Reaktio in ein zweites Körperteil des Menschen eingeleitet. Die Reaktio entsteht als Gegenkraft zu der Aktio, die von dem Aktor in das erste Körperteil eingeleitet wird. Erfindungsgemäß wird diese Reaktio somit nicht in eine gestellfeste Basis, sondern in ein zweites Körperteil des Menschen eingeleitet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Messsystem zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen eines Menschen mit einem Aktor zum Einleiten einer Perturbation in ein Körperteil des Menschen und einem Sensor zum Messen einer Reaktionskraft, die durch das Körperteil aufgebracht wird. Erfindungsgemäß ist der Aktor derart ausgebildet und positioniert, dass über eine erste Seite des Aktors die Aktio des Aktors in ein erstes Körperteil des Menschen und über eine zweite Seite des Aktors die auf den Aktor wirkende Reaktio in ein zweites Körperteil des Menschen einleitbar ist.
In bevorzugter Ausführungsform liegt das zweite Körperteil dem ersten Körperteil derart diametral gegenüber, dass der Aktor zwischen dem ersten und dem zweiten Körperteil angeordnet ist. Sofern das erste und das zweite Körperteil sowie der Aktor auf einer Linie angeordnet sind, findet somit das starke Gesetz von Aktio und Reaktio Anwendung, während in allen anderen Fällen das schwache Gesetz von Aktio und Reaktio Anwendung findet, sofern das erste und das zweite Körperteil und der Aktor nicht entlang einer Linie angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das Messsystem, das den Aktor und den Sensor aufweist, von einem Menschen tragbar ist und mit den Bewegungen des ersten und zweiten Körperteils des Menschen mitbewegbar ist. Somit erfolgt bei der Messung keine Einschränkung des Bewegungsbereichs des Menschen. Es erfolgt dadurch auch keine ungewollte Beeinflussung des Messergebnisses mehr. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es beispielsweise nicht mehr notwendig, dass die Versuchsperson eine bestimmte Körperhaltung einnehmen muss, in dem sie beispielsweise bei einer Messung sitzen muss. Eine derartige erzwungene Körperhaltung ergibt sich durch die gestellfeste Kopplung des Messsystems mit einer Basis, wie sie im Stand der Technik stattfindet. Im Gegensatz hierzu sind erfindungsgemäß natürliche Bewegungsabläufe während der Messung möglich, so dass genauere Messergebnisse erreicht werden können. Eine Messung kann während typischer und alltäglicher Bewegungen des Menschen durchgeführt werden.
Es ist bevorzugt, dass das Messsystem, das den Aktor und den Sensor aufweist, nicht an eine gestellfeste Basis gekoppelt ist. Hierdurch wird ein einfaches Messsystem mit sehr kleinem Bauraum und geringer Masse bereitgestellt.
Das Messsystem ist somit bevorzugt derart bewegbar, dass eine Einleitung einer Aktio und Reaktio in das erste und zweite Körperteil des Menschen in jeder beliebigen Ebene des Raums möglich ist. Eine Beschränkung auf einen planaren Bewegungsbereich wird somit vermieden, so dass das Messsystem die Möglichkeit hat sich mit dem Bewegungsapparat und damit mit der zu erfassenden Steifigkeit mitzubewegen.
Erfindungsgemäß liegt die gesamte Messdauer, bestehend aus der Einleitung der Perturbation in das erste und zweite Körperteil und dem Messen der Reaktionskraft, unterhalb der kritischen Zeitdauer für das Aktivwerden nicht beeinflussbarer menschlicher Reflexe. Bevorzugt ist eine Gesamtmessdauer von wenig als 20 ms.
Weiterhin ist erfindungsgemäß der Sensor mechanisch mit dem Aktor in Reihe geschaltet.
Es ist bevorzugt, dass eine Positions-Perturbation erfolgt. Dies geschieht dadurch, dass durch den Aktor eine bekannte Positionsänderung des ersten und/oder zweiten Körperteils erfolgt und durch den Sensor die Reaktionskraft auf diese Positionsänderung gemessen wird. Durch die Verwendung einer Positions-Perturbation ist es ausreichend, einen mechanisch in Reihe zum Aktor geschalteten Sensor zur Erfassung der Reaktion der Versuchsperson zu verwenden. Eine Verwendung eines aufwendigen optischen Trackingsystems entfällt somit. Durch diesen einfachen Messaufbau wird es ferner möglich, die gesamte notwendige Messdauer des Messsystems unterhalb der kritischen Zeitdauer für das Aktivwerden nicht beeinflussbarer menschlicher Reflexe zu halten, so dass das Messergebnis nicht verfälscht wird. Dies kann insbesondere dadurch unterstützt werden, dass eine kurze Messstrecke verwendet wird, d. h. dass im Rahmen der Positions-Perturbation eine relativ kleine Positionsänderung (z. B. 10 mm, 15 mm oder 20 mm) stattfindet.
Es ist bevorzugt, dass das Messsystem gänzlich an dem ersten und/oder zweiten Körperteil des Menschen befestigbar ist. Dies bedeutet, dass das Messsystem an keiner anderen Vorrichtung insbesondere an keiner gestellfesten Basis angebracht oder befestigt ist. Das Messsystem kann beispielsweise am Zeigefinger und am Daumen eines Menschen befestigt werden. Jedoch ist auch eine Befestigung an anderen Körperteilen möglich. Aktio und Reaktio des Aktors zur Einstellung der Positionsänderung werden somit direkt in die Versuchsperson eingeleitet.
Besonders vorteilhaft erfolgt die Perturbation zeitlich willkürlich, d. h. zu einem Zeitpunkt, der der Versuchsperson unbekannt ist. Diese zeitliche Flexibilität wird erst durch die Tragbarkeit des Messsystems und durch seine nicht gestellfeste Anordnung möglich. Somit ist es möglich, Messungen während alltäglicher und natürlicher Bewegungen eines Menschen durchzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Messsystem zwei Anschläge, welche in einem definierten Abstand (z. B. 10 mm, 15 mm oder 20 mm) zum Aktor angeordnet sind. Hierdurch erfolgt eine Begrenzung der Bewegung des Aktors und somit eine Begrenzung der Positionsänderung des ersten Körperteils relativ zum zweiten Körperteil.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand einer Figur erläutert.
Die Figur zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Messsystems.
Das Messsystem 10 umfasst einen Aktor 14, der eine erste Seite 14a und eine zweite Seite 14b aufweist. Durch diesen Aktor wird eine Perturbation in den Zeigefinger 18 und den Daumen 20 des Menschen eingeleitet. Hierbei wird die Aktio A des Aktors 14 über die erste Seite 14a des Aktors 14 in den Zeigefinger 18 eingeleitet. Über die zweite Seite 14b des Aktors 14 wird die auf den Aktor 14 wirkende Reaktio R in den Daumen 20 eingeleitet. Der Sensor 16 ist mechanisch zu dem Aktor 14 in Reihe geschaltet und befindet sich ebenfalls in einer Linie zwischen dem Zeigefinger 18 und dem Daumen 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Reaktio R über den Sensor 16 in den Daumen 20 eingeleitet. Der Aktor 14 und der Sensor 16 sind über Leitungen mit einem nicht dargestellten Steuergerät verbunden.
Das Messsystem 10 weist einen Anschlag 22a und einen Anschlag 22b auf, welche in einem definierten Abstand zum Aktor 14 angeordnet sind und zur Begrenzung der Bewegung des Aktors 14 dienen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Anschläge 22a, 22b einen definierten Abstand zu einem Anschlagelement 24 auf, das mechanisch mit dem Aktor 14 und dem Kraftübertragungselement 12 verbunden ist. Dieses Kraftübertragungselement 12 ist in der Figur als Scheibe ausgebildet, über die die Aktio A an das erste Körperteil 18 übertragen wird.
Durch den dargestellten Finger-Perturbator ist es somit möglich, Steifigkeiten der Finger des Menschen zu erfassen. Der Aktor 14 führt zur Messung einen impulsartigen, zeitlich willkürlichen Schlag auf die Scheibe 12 und damit den Finger 18 aus, wobei parallel hierzu die Reaktion des Bewegungsapparats auf diesen Schlag über das Kraftmesssystem, nämlich den Sensor 16 erfasst wird.
Das dargestellte Verfahren sowie das Messsystem können im Bereich der Medizin Anwendung finden, um beispielsweise die Wirksamkeit von Methoden und Medikamenten bei der Behandlung von krankhaften Fingersteifigkeiten, wie sie bei Rheuma, Diabetes oder Arthrose auftreten können, zu evaluieren. Die Anwendung beschränkt sich hierbei nicht auf Fingersteifigkeiten, sondern beinhaltet alle Steifigkeiten des menschlichen Bewegungsapparats. Weiterhin kann mit einem derartigen Messsystem die Steifigkeit des Bewegungsapparats erfasst werden, um diese Erkenntnisse dann bei der Entwicklung neuartiger humanoider Roboter mit variablen Gelenksteifigkeiten anzuwenden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind die Sportwissenschaften, um die Erfolge verschiedener Trainingsmethoden des menschlichen Muskelsystems zu vergleichen.

Claims

Verfahren zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen (18, 20) eines Menschen, mit den Schritten: – Einleiten einer Perturbation in ein Körperteil (18, 20) des Menschen durch einen Aktor (14), – Messen der Reaktionskraft, die durch das Körperteil (18, 20) aufgebracht wird, durch einen Sensor (16), dadurch gekennzeichnet, dass als Perturbation die Aktio A des Aktors (14) in ein erstes Körperteil (18) des Menschen eingeleitet wird und die auf den Aktor (14) wirkende Reaktio R in ein zweites Körperteil (20) des Menschen eingeleitet wird, die gesamte Messdauer, bestehend aus der Einleitung der Perturbation in das erste (18) und das zweite Körperteil (20) und dem Messen der Reaktionskraft, unterhalb der kritischen Zeitdauer für das Aktivwerden nicht beeinflussbarer menschlicher Reflexe, nämlich unter 20 ms liegt und der Sensor (16) mechanisch mit dem Aktor (14) in Reihe geschaltet ist.
Messsystem (10) zur Messung der Steifigkeit von Körperteilen (18, 20) eines Menschen, mit einem Aktor (14) zum Einleiten einer Perturbation in ein Körperteil (18, 20) des Menschen und einem Sensor (16) zum Messen einer Reaktionskraft, die durch das Körperteil (18, 20) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (14) derart ausgebildet und positioniert ist, dass über eine erste Seite (14a) des Aktors (14) die Aktio A des Aktors (14) in eine erstes Körperteil (18) des Menschen und über eine zweite Seite (14b) des Aktors (14) die auf den Aktor (14) wirkende Reaktio R in ein zweites Körperteil (20) des Menschen einleitbar ist die gesamte Messdauer, bestehend aus der Einleitung der Perturbation in das erste (18) und das zweite Körperteil (20) und dem Messen der Reaktionskraft, unterhalb der kritischen Zeitdauer für das Aktivwerden nicht beeinflussbarer menschlicher Reflexe, nämlich unter 20 ms liegt und der Sensor (16) mechanisch mit dem Aktor (14) in Reihe geschaltet ist.
Messsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Körperteil (20) dem ersten Körperteil (18) derart diametral gegenüberliegt, dass der Aktor (14) zwischen dem ersten (18) und dem zweiten Körperteil (20) angeordnet ist.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 2–3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (10), das den Aktor (14) und den Sensor (16) aufweist, von einem Menschen tragbar ist und mit den Bewegungen des ersten (18) und des zweiten Körperteils (20) des Menschen mitbewegbar ist, so dass bei der Messung keine Einschränkung des Bewegungsbereichs des Menschen erfolgt.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (10), das den Aktor (14) und den Sensor (16) aufweist, an keine gestellfeste Basis gekoppelt ist.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) derart bewegbar ist, dass eine Einleitung einer Aktio A und Reaktio R in das erste (18) und das zweite Körperteil (20) in jeder beliebigen Ebene des Raums möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positions-Perturbation dadurch erfolgt, dass durch den Aktor (14) eine bekannte Positionsänderung des ersten (18) und/oder zweiten Körperteils (20) erfolgt und durch den Sensor (16) die Reaktionskraft auf diese Positionsänderung gemessen wird.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (10) gänzlich an dem ersten (18) und/oder dem zweiten Körperteil (20) des Menschen durch einen Kraft- oder Formschluss befestigbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Perturbation zeitlich willkürlich zu einem Zeitpunkt erfolgt, der der Versuchsperson unbekannt ist.
Messsystem (10) nach einem der Ansprüche 2–6 oder 8, gekennzeichnet durch zwei Anschläge (22a, 22b), welche in einem definierten Abstand zum Aktor (14) angeordnet sind, zur Begrenzung der Bewegung des Aktors (14).