DE102012214875A1

DE102012214875A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken

Info

Publication number: DE102012214875A1
Application number: DE201210214875
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Brunner
Original assignee: Zebris Medical GmbH
Current assignee: Zebris Medical GmbH
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-02-27
Also published as: DE202012013329U1

Abstract

Vorrichtung zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken, mit einer Lauffläche, insbesondere gebildet aus einem über mindestes zwei Laufrollen geführten und als Laufband dienenden Endlosband, dessen eine Oberfläche als Lauffläche dient, einer Sensorik zur Bestimmung eines Druck-/Kraftverteilung auf einer in die Lauffläche integrierten oder unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte, die eine Vielzahl von Druck-/Kraftsensoren aufweist, einer mit den Druck-/Kraftsensoren eingangsseitig verbundenen Auswertungseinheit, welche Druckverteilungsmuster detektiert, die durch einen gehenden oder laufenden Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und einer eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundenen Verarbeitungseinheit, welche aus den Druckverteilungsmustern Werte bzw. Signale erzeugt, die den Gang des Probanden charakterisieren, wobei die Verarbeitungseinheit zur Untergliederung der Druckverteilungsmuster in jeweils erstes Teil-Abdruckmuster und ein zweites Teil-Abdruckmuster und zur separaten Verarbeitung dieser beiden und Ausgabe jeweils eines charakterisierenden Wertes, insbesondere eines Vorderfuß-Kraftwertes und eines Rückfuß-Kraftwertes, ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken.
Bekannte Vorrichtungen zur Erfassung von Druck- bzw. Kraftverteilungen, wie beispielsweise in der DE 36 42 088 C2 und der DE 25 29 475 C3 beschrieben, können als Plattformen zur biomechanischen Ganganalyse eingesetzt werden, bei denen der Gang eines Wirbeltiers, insbesondere eines Menschen, untersucht und analysiert wird.
Auch Vorrichtungen und Verfahren zur Ganganalyse, die eine Registrierung und Analyse über längere Erfassungszeiträume ermöglichen und sich eines Laufbandes bedienen, sind bekannt. Beispielhaft sei hierzu hingewiesen auf die DE 40 27 317 C1 oder die US 6,010,465 A . In R. Kram und A. J. Powell: „A treadmill-mounted force platform" Appl. Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) wird eine Messvorrichtung als bekannt beschrieben, bei der ein Laufband über eine Messplattform bzw. Messfläche gezogen wird und somit eine fortlaufende Erfassung von durch die Füße eines Probanden auf dem Untergrund ausgeübten Kräften möglich wird.
Aus der EP 1 145 682 A2 sind ein auf der Laufband-Technik aufbauendes Rehabilitationsgerät und -verfahren bekannt, bei dem eine Anpassung der Funktion des Laufbandes an den aktuellen Stand der wiederherzustellenden Geh- bzw. Lauffähigkeit eines Patienten vorgesehen ist. Insbesondere wird die Laufbandgeschwindigkeit an einen persönlichen Schrittzyklus des Nutzers angepasst, und das Gerät soll diesem zugleich ein Feedback geben. In einer speziellen Ausführung ist auch die Erfassung von beim Auftreten ausgeübten Druckkräften und deren Auswertung im Rahmen des Gesamtprogramms vorgesehen. Die Druckschrift beschreibt auch den Einsatz eines Anzeigeschirmes in Verbindung mit einer Eingabetastatur zur Anzeige der auf dem Laufband erzeugten Fußabdrücke und zur Einstellung von Laufbandparametern anhand dieser Anzeige.
Auch die EP 2 352 426 und WO 2010/057552 der Anmelderin beschreiben Laufbandsysteme für den sportmedizinischen bzw. Rehabilitationseinsatz mit einer Bildwiedergabetechnik, bei denen außerdem Druckverteilungsmuster, die von einer auf dem Laufband laufenden Person erzeugt werden, erfasst und synchron zu dargestellten Bildern ausgewertet werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe der Bereitstellung einer weiter verbesserten Vorrichtung der letztgenannten Art zugrunde, die sich besonders für sportmedizinische oder Rehabilitations-Zwecke eignet. Ein Ziel ist es, das System zu einem flexibel nutzbaren Trainings-/Therapiegerät weiter zu entwickeln und dabei die diagnostischen Möglichkeiten und erzielbaren Trainingseffekte weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird in ihren Vorrichtungsaspekten durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihren Verfahrensaspekten durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, den Vorgang des Aufsetzens der Füße auf den Untergrund differenzierter zu analysieren und hierdurch dem Patienten zusätzliche Trainingsmöglichkeiten, speziell für ein verbessertes Aufsetz- und Abrollverhalten, zu erschließen. Speziell sollen die vom Vorderfuß (also insbesondere dem Fußballen und den Zehen) einerseits und vom Rückfuß (also insbesondere dem Fersenbereich) andererseits auf den Untergrund ausgeübten Kräfte ermittelt werden. Die Erfindung schließt weiterhin den Gedanken ein, hierzu die mittels einer Druckverteilungssensorik erfassbaren Druck/Kraftverteilungen in vordefinierte Teil-Abdruckmuster – speziell ein erstes Teil-Abdruckmuster für den Vorderfuß und ein zweites Teil-Abdruckmuster für den Rückfuß – zu unterteilen und für jedes Teil-Abdruckmuster die resultierende Kraft zu bestimmen.
Unter Vorrichtungsaspekten wird somit eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit einer Lauffläche, insbesondere eine Laufbandoberfläche, einer Sensorik zur Bestimmung eines Druck-/Kraftverteilung auf einer in die Lauffläche integrierten oder unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte, die eine Vielzahl von Druck-/Kraftsensoren aufweist, einer mit den Druck-/Kraftsensoren eingangsseitig verbundenen Auswertungseinheit, welche Druckverteilungsmuster detektiert, die durch einen gehenden oder laufenden Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und
einer eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundenen Verarbeitungseinheit, welche aus den Druckverteilungsmustern Werte bzw. Signale erzeugt, die den Gang des Probanden charakterisieren, wobei die Verarbeitungseinheit zur Untergliederung der Druckverteilungsmuster in jeweils erstes Teil-Abdruckmuster und ein zweites Teil-Abdruckmuster und zur separaten Verarbeitung dieser beiden und Ausgabe jeweils eines charakterisierenden Wertes, insbesondere eines Vorderfuß-Kraftwertes und eines Rückfuß-Kraftwertes, ausgebildet ist.
Dementsprechend wird unter Verfahrensaspekten ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Proband über eine Lauffläche geht oder läuft und eine Druck-/Kraftverteilung auf einer in die Lauffläche integrierten oder unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte sensorisch erfasst und einer Auswertung zur Bestimmung von Druckverteilungsmustern unterzogen wird, die durch den Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und aus den Druckverteilungsmustern durch Weiterverarbeitung Werte bzw. Signale erzeugt werden, die den Gang des Probanden charakterisieren,
wobei die Druckverteilungsmuster jedes Fußes einer Separation in ein erstes Teil-Abdruckmuster und ein zweites Teil-Abdruckmuster unterzogen und aus beiden Teil-Mustern jeweils ein charakterisierender Wert, insbesondere ein Vorderfuß-Kraftwert und ein Rückfuß-Kraftwert, bestimmt werden.
In einer Ausführung der vorgeschlagenen Vorrichtung weist die Verarbeitungseinheit Mittel zur Bestimmung eines Differenz- oder Quotientenwertes aus dem Vorderfuß-Kraftwert und dem Rückfuß-Kraftwert auf. Auch andere arithmetische und/oder statistische Verarbeitungsalgorithmen und zugehörige Hardwarekomponenten, mit denen diagnostisch relevante Aussagen erhalten werden können, können in der Verarbeitungseinheit implementiert sein.
In einer weiteren messtechnischen Ausgestaltung ist die Kraftmessplatte in eine linke und rechte Teil-Messplatte geteilt, und die Auswertungs- und Verarbeitungseinheit ist zur separaten Verarbeitung der Signale der Druck-/Kraftsensoren von der linken und rechten Teil-Messplatte geteilt, und der entsprechenden Druckverteilungsmuster und zur Ausgabe links- und rechtsseitiger charakterisierender Werte ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der messtechnischen Komponenten werden spezifische Belastungssituationen nachgebildet, und/oder es werden in Zuordnung zu den erfassten bzw. aus erfassten Größen berechneten Parametern des Abrollvorganges zusätzliche diagnostisch relevante Größen erfasst. So sind in einer Ausführung Neigungseinstellmittel zur Neigungseinstellung des Laufbandes vorgesehen, um das Vorderfuß- und Rückfuß-Aufsetzverhalten „am Berg” (aufwärts oder abwärts) beurteilen und trainieren zu können. In einer weiteren Ausführung sind zusätzliche Messmittel zur Erfassung mindestens einer zweiten biometrischen oder einer medizinischen Messgröße vorgesehen, wobei die Verarbeitungseinheit zur kombinierten Verarbeitung der Druckverteilungsmuster und von Messwerten der weiteren biometrischen Messgröße ausgebildet und eine Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Druck-/Kraftverteilungsmessung mit der Erfassung der oder einer weiteren biometrischen oder medizinischen Messgröße durch die zusätzlichen Messmittel vorgesehen. Die letztere liefert Synchronisationssignale zur Auswertung der weiteren Messgröße, speziell getriggert durch Merkmale der Druckverteilungsmuster oder hieraus abgeleitete Signale.
Weitere Ausführungen des vorgeschlagenen Konzeptes spezifizieren die Traninings- bzw. Feedback-Komponente der vorgeschlagenen Vorrichtung.
Hierzu gehört insbesondere, dass eine Bildanzeigevorrichtung im Sichtfeld des Probanden vorgesehen ist, auf der das oder jedes erste und zweite Teil-Abdruckmuster und/oder jeder charakterisierende Wert dargestellt werden. Speziell ist hierbei vorgesehen, dass die Bildanzeigevorrichtung einen Projektor aufweist und die Lauffläche als Projektionsfläche ausgebildet ist. Noch spezieller kann die Vorrichtung mehrere Anzeigeschirme und/oder Projektoren aufweisen, die insbesondere verschiedene Informations- bzw. Simulationsfunktionen erfüllen, etwa wirklichkeitsnahe Darstellung einer natürlichen Laufumgebung auf einer ersten Anzeige, die Simulation von Hindernissen und/oder Darbietung von Soll-Aufsetzpunkten für die Füße auf einer weiteren Anzeige und eine Feedback-Anzeige seines tatsächlichen Ganges und/oder der Werte zusätzlicher Messgrößen auf einem weiteren zusätzlichen Schirm.
In einer speziellen Ausführung, die speziell für das Heranführen eines Probanden an einen vorgegebenen Laufstil bzw. vorbestimmte Trainingsziele geeignet ist, ist die Verarbeitungseinheit zur Ausgabe von Ist-Aufsetzorten, an denen der Proband seine Füße auf die Lauffläche aufsetzt, aufgrund der verarbeiteten Druckverteilungsmuster ausgebildet, es ist ein Trainingsprogrammspeicher zur Speicherung eines Gangtrainingsprogramms, das Daten zur Vorgabe einer Folge von Soll-Aufsetzorten für die Füße des Probanden auf der Lauffläche beinhaltet, vorgesehen, die Bildanzeigevorrichtung ist zur Anzeige von Bildern, die die Soll-Aufsetzorte angeben, ausgebildet, und es ist eine Anzeige-Synchronisationsvorrichtung zur Synchronisierung der Bildanzeigevorrichtung auf Ausgangsdaten der Aufsetzort-Sensorik vorhanden, welche die Angabe der Soll-Aufsetzorte laufend an erfasste Ist-Aufsetzorte anpasst. Speziell umfasst hierbei die Aufsetzort-Sensorik eine Speichereinheit zur zeitaufgelösten Speicherung einer Folge von sequenziell erfassten Ist-Aufsetzorten oder eines diese Folge charakterisierenden Parameters, und die Anzeige-Synchronisationsvorrichtung ist zum Laden der Folge und zur Anpassung der angegebenen Soll-Aufsetzorte hieran ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die weiter oben bereits erwähnte Feedback-Einheit zur Erfassung von Berührungen der Lauffläche durch den Probanden an Orten, an denen vorbestimmte Bildelemente, insbesondere Soll-Aufsetzpunkte, angezeigt werden oder an Orten, an denen kein vorbestimmtes Bildelement angezeigt wird, und zur Ausgabe eines Warn- oder Hinweissignals im Ansprechen hierauf ausgebildet. Zusätzlich oder auch unabhängig davon ist, in einer weiteren Ausführung, eine Benutzerführungseinheit zur optischen und/oder akustischen Ausgabe von anzeigebegleitenden Handlungsanweisungen im Ansprechen auf durch die Verarbeitungsarbeit ausgegebene charakterisierende Werte, insbesondere Vorderfuß-Kraftwerte und Rückfuß-Kraftwerte, über Ohrhörer oder Lautsprecher und/oder als Texteinblendungen durch die Bildanzeigevorrichtung vorgesehen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Verarbeitungseinheit zur Bildung gleitender Mittelwerte aus einer Anzahl vorab bestimmter charakterisierender Werte und zur Ausgabe der gleitenden Mittelwerte an die Benutzerführungseinheit in vorbestimmten Zeitabständen oder nach einer vorbestimmten Anzahl detektierter Druckverteilungsmuster ausgebildet ist und die Benutzerführungseinheit zur Ausgabe jeweils einer Handlungsanweisung nach Empfang eines Mittelwertes ausgebildet.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich weitgehend analog zu den oben angesprochenen Ausführungsformen der Vorrichtung und werden daher hier nicht nochmals beschrieben.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich um Übrigen aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Detailansicht zu einer weiteren Ausführungsform, und
3 eine Detailansicht zu einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt ein Laufband-Trainingssystem 1, welches ein über zwei Walzen 2a laufendes Laufband 2b umfasst, unter dessen oberer, vom Benutzer als Lauffläche 2c genutzten Oberfläche eine räumlich hochauflösende Druckerfassungsplatte 3 mit einer Vielzahl von (nicht einzeln bezeichneten) matrixförmig angeordneten Drucksensoren zur Erfassung von durch den Benutzer beim Auftreten auf das Laufband erzeugten Druckerfassungsbildern vorgesehen ist. Die eine der beiden Laufrollen 2a ist angetrieben und zieht das Band 2b mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die über eine Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 der Anordnung und einen Geschwindigkeitsregler 5 eingestellt wird. Des weiteren kann (was in der Figur lediglich symbolisch dargestellt ist) über ein geeignetes Neigungs-Stellglied 6, welches ebenfalls Störsignale von der Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 empfangen kann, eine Neigung des gesamten Laufbandes bedarfsgerecht eingestellt oder wahlweise auch nur sein vorderer Teil etwas aufgerichtet werden werden.
Bei der in 1 stark vereinfacht dargestellten Ausführung gelangen den eingestellten Geschwindigkeitswert des Laufbandes charakterisierende Signale vom Geschwindigkeitsregler 5 zurück zur Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 und dienen dort zur Synchronisation einer bildlichen Darstellung auf der Lauffläche 2c mittels eines Projektors (Laserbeamers) 7, die aus vorgespeicherten Bildelementen und/oder Bildfolgen generiert wird (vgl. dazu weiter unten).
Die bildliche Darstellung wird anhand der Geschwindigkeitssignale derart gesteuert, dass – insbesondere in Verbindung mit einer weiter unten beschriebenen speziellen Ausgestaltung – dem Nutzer eine insgesamt stimmige Simulation einer Laufumgebung, vorteilhaft verknüpft mit der Einblendung von mit den Füßen zu treffenden Markierungen und/oder mit der Simulation von zu überwindenden oder zu vermeidenden Hindernissen, präsentiert wird. Abweichend von der Darstellung in der Figur, kann auch die tatsächliche Geschwindigkeit des Laufbandes über eine geeignete (nicht dargestellte) Sensorik erfasst und der Messwert der Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 zum Zweck der (gewissermaßen rückgekoppelten) Ablaufsteuerung der Bilddarstellung und synchronisierten Auswertung der Druckverteilungsmuster zugeführt werden.
In der Figur ist dargestellt, dass der Projektor 7 an einer Wandhalterung 7a winkelverstellbar befestigt ist, so dass die Projektionsrichtung mit der Ebene des Laufbandes einen variablen Winkel einschließt. Um Verzerrungen der aus der Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 bereitgestellten Bilder bzw. Bildelemente durch den spitzen Projektionswinkel zu vermeiden, ist dem Projektor 7 ein Bildsignal-Entzerrer 7b vorgeschaltet. Dieser kann in Abhängigkeit von der tatsächlichen Winkelstellung des Projektors 7 in der Halterung 7a arbeiten, das ist aber in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Im Übrigen ist zur Vervollständigung der Benutzerschnittstelle eine (hier als Lautsprecher symbolisierte) Audiostufe 8 vorgesehen, über die der Trainierende zusätzliche akustische Trainingsanweisungen erhalten kann. Die Audiostufe 8 kann beispielsweise auch als Headset bidirektional ausgeführt sein, so dass der Trainierende außerdem akustisches Feedback (etwa eine Bestätigung erhaltener Anweisungen oder Antworten auf Ihm gestellte Fragen) liefern kann.
Zur Durchführung von Trainingsaufgaben am Laufband-System kann es von Interesse sein, die Höhe des Abhebens der Füße vom Band zu erkennen, z. B. dann, wenn der Proband ein virtuelles Hindernis übersteigen soll. Deshalb hat der Proband in einer weiteren Ausführungsform jeweils einen Sensor 9 an den Füßen befestigt, dessen Signale mittels einer an sich bekannten (hier nicht dargestellten) Positionserfassungs-Sensorik erfasst werden können, um Rückschlüsse über die Lage bzw. die Höhe der Füße zu geben. Die Sensoren arbeiten vorzugsweise zeitsynchron mit den Sensoren der Druckverteilungsmatrix. Eine genaue Zeitsynchronisierung kann ggf. über ein Infrarot- oder Funksignal oder über eine Detektion des Zeitpunktes des Auftretens hergestellt werden.
Die Sensoren 9 können als Beschleunigungssensoren oder mehrachsige Beschleunigungssensoren ausgeführt sein und sind, ggf. über Funk, mit dem Auswerterechner 4 verbunden. Aus den Beschleunigungssignalen kann die Position der Füße errechnet werden, insbesondere dann, wenn zusätzlich die Zeit- und Ortsabhängigkeit der Druckverteilungsmuster in die Berechnung mit eingehen können. In erweiterten Anordnungen können Inertialsensorsysteme zur Anwendung kommen, bei denen zusätzlich Gyroskope oder Sensoren zur Detektion des Erdmagnetfeldes eingesetzt werden. Solche Sensoren können natürlich auch an anderen Körperabschnitt befestigt werden, so dass die Bewegung der kompletten unteren Extremitäten oder des ganzen Körpers gemessen und dargestellt werden kann. Die Sensoren 9 können aber auch nach anderen Messprinzipien arbeiten, zum Beispiel auf der Basis aktiver oder passiver Lichtmarker die von stationären Kameras aufgenommen werden, Magnetfeldesensoren oder Sensoren die Ultraschallwellen zu stationären Empfängern abgeben oder von dort empfangen und aus der Laufzeit des Schalls die Position der Füße bestimmen.
Die Drucksensoren der Druckerfassungsplatte können wahlweise eine analoge oder – in einer vereinfachten und kostengünstigeren Ausführung – eine digitale Ansprechcharakteristik (Aus/Ein-Charakteristik) haben. Beide Varianten haben für bestimmte Anwendungen ihre Berechtigung, und der Auswahl einer der Varianten wird der Systementwerfer nach den primären Einsatzanforderungen treffen.
2 zeigt wesentliche Komponenten der Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 der in 1 gezeigten Anordnung in einer Detaildarstellung. Ausgeklammert ist hier der in 1 separat dargestellte Bildsignal-Entzerrer, der auch nur bei einer Ausführung der Anordnung mit schräg auf das Laufband gerichtetem Projektor zum Einsatz kommt.
In einem Anzeigesteuerteil 4A umfasst die Verarbeitungs- und Steuereinheit 4 eine Bildelement-Speichereinheit 41 und einen Videospeicher 42, denen ein Bildelement-Mischer 43 und schließlich ein Video-Bildelement-Mischer 44 zur Generierung von Bildfolgen mit vorbestimmten Bildelement-Einblendungen nachgeschaltet sind. Symbolisch ist zudem dargestellt, dass beide Mischer 43, 44 des Weiteren von Steuersignalen eines Zufallsgenerators 45 beeinflussbar sind. Dem zweiten Mischer 44 ist zudem eine Anzeige-Ablaufsteuerung 46 nachgeschaltet, welcher ein Trainingsgrammspeicher 47 und eine Synchronisationseinheit 48 zugeordnet sind. Eine Bildelement-Positionssteuerung 49 ist steuersignalmäßg mit dem Bildelement-Mischer 43 verbunden und wirkt auf diesen ein, um Relativpositionen von Bildelementen in der letztendlichen Darstellung zu variieren.
Die Synchronisationseinheit 48 kann durch Signale des (in dieser Figur nicht dargestellten) Geschwindigkeitsreglers 5 des Laufbandes beeinflusst werden. Vor allem aber werden ihr eingangsseitig die Koordinaten von Ist-Aufsetzorten der Füße des Benutzers zugeführt, die (wie weiter oben erwähnt) aus den auf der Druckerfassungsplatte 3 gemäß 1 durch die Füße des Benutzers erzeugten Druckerfassungsbilder abgeleitet werden. Zusätzlich können außerdem (was in der Figur nicht dargestellt ist) die Signale der Sensoren 9 aus 1 der Synchronisationseinheit 48 als weitere Eingangssignale zugeführt werden, um letztlich die bildliche Darstellung, speziell mit der Vorgabe von Soll-Aufsetzorten für die Füße des Benutzers, sowohl mit der Ist-Geschwindigkeit des Laufbandes als auch den Ist-Aufsetzorten der Füße des Benutzers und ggfs. weiteren Bewegungsparametern der Füße des Benutzers synchronisiert wird. Hinsichtlich der Anpassung der dem Benutzer präsentierten bildlichen Darstellungen an seinen aktuellen Bewegungsablauf können die Anzeige-Ablaufsteuerung 46 und Synchronisationseinheit 48 zusammenfassend als Anzeige-Synchronisationsvorrichtung der Anordnung betrachtet werden.
Zugleich werden diese Signale einer Systemsteuereinheit 50 der Anordnung zugeführt, die die verschiedenen Steuervorgänge der Anzeige- und Auswertungsfunktionen zusammenfasst und zeitlich abstimmt und erforderliche Anpassungen der Datenströme und -formate ausführt. Das ist in der Figur durch in auf den Anzeige-Steuerteil 4A und den Auswertungsabschnitt 4B gerichtete Doppelpfeile symbolisiert.
Zum Auswertungsabschnitt 4B gelangt zudem das am Ausgang der Anzeige-Ablaufsteuerung bereitgestellte endgültige Bildsignal und andererseits das (raum-zeitlich aufgelöste) Ausgangssignal der Druckverteilungsplatte 3.
Letzteres wird in einer Drucksignal-Vorverarbeitungsstufe 51 von Störsignalen und Artefakten befreit, in einer Drucksignal-Zeitanpassungsstufe 52a in zeitliche Synchronität und in einer Drucksignal-Positionsanpassungsstufe 52b in räumliche Synchronität zu den Bildsignalen gebracht und in einer Trainings-Auswertungsstufe (Haupt-Verarbeitungsstufe) 53 anhand eines vorbestimmten Trainingsauswertungsprogramms verarbeitet, und die Ergebnisse werden auf einer separaten Anzeigeeinheit 10 des Therapeuten ausgegeben. Sie können zudem – zusammen mit über eine Eingabeeinheit 11 des Therapeuten eingegebenen Instruktionen – in einer Benutzerführungsstufe 54 zu Anweisungen an den Trainierenden verarbeitet werden, die über die diesem zugeordneten Anzeigeeinheit 7 und wahlweise die Audiostufe 8 ausgegeben werden.
In 3 sind erfindungswesentliche Funktionseinheiten einer Ausführung der Trainings-Auswertungsstufe (Haupt-Verarbeitungsstufe) 53 skizzenartig dargestellt, in der differenziert eine Vorderfuß-Aufsetzkraft und eine Rückfuß-Aufsetzkraft des Probanden bestimmt werden. Typischerweise umfasst eine praktisch realisierte Trainings-Auswertungsstufe eine Reihe weiterer Funktionseinheiten, die jedoch für die Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht essentiell und daher in der Figur nicht gezeigt sind. Die in der Figur und der nachfolgenden Erläuterung als Ausgangssignale der Trainings-Auswertungsstufe dargestellten bzw. bezeichneten Signale können in der praktischen Ausführung an Eingängen weiterer Komponenten der Trainings-Auswertungsstufe anliegen, so dass nicht jedes dieser Signale ein echtes Ausgangssignal der Stufe darstellen muss.
Die Haupt-Verarbeitungsstufe 53 umfasst eine Abdruckmuster-Separierungseinheit 53a, zu deren Eingang das zeit- und positionsangepasste Druckverteilungsmuster des Fußes des Probanden gelangt und in der auf dieses eine vorbestimmte Separierungsregel angewandt wird. Als solche kann insbesondere ein Abstandswert vom vordersten erfassten Pixel des Druckverteilungsmusters bis zu einer Linie definiert sein, die als Vorderfußgrenze anzusehen ist und bis zu der sämtliche Pixel des Druckverteilungsmusters als Vorderfuß-Abdruckmuster und von der ab nach hinten sämtliche weiteren Pixel als Rückfuß-Abdruckmuster anzusehen sind.
Die in der Abdruckmuster-Separierungseinheit 53a separierten beiden Teil-Abdruckmuster (für Vorderfuß und Rückfuß) 53b, 53c gelangen zu einer ersten und zweiten Kraftwert-Bestimmungseinheit 53d, 53e, in denen die Vorderfuß-Aufsetzkraft und die Rückfuß-Aufsetzkraft bestimmt werden. Diese beiden Kraftwerte 53f, 53g stellen ein erstes und zweites Ausgangssignal der Haupt-Verarbeitungsstufe 53 dar. Weiterhin werden die beiden Kraftwerte einer arithmetischen Verarbeitungseinheit 53h zugeführt, in der beispielsweise eine Quotientenbildung (und ggfs. weitere arithmetische Berechnungen) ausgeführt werden und durch die ein entsprechender Berechnungswert 53i als weiteres Ausgangssignal der Haupt-Verarbeitungsstufe 53 ausgegeben wird.
Des Weiteren sind die Ausgänge der Kraftwert-Bestimmungsstufen 53d, 53e mit einer Mittelwert-Bestimmungseinheit 53j verbunden, die über einen vorbestimmten Zeitraum (oder eine vorbestimmte Anzahl von Aufsetzvorgängen der Füße des Probanden) eine Mittelung der berechneten Vorderfuß- bzw. Rückfuß-Kraftwerte ausführt und diese Mittelwerte separat als viertes und fünftes Ausgangssignal 53k, 53l der Verarbeitungsstufe ausgibt. Während die einzelnen berechneten Kraftwerte beispielsweise als Grundlage einer „fließenden” optischen Anzeige für den Probanden (beispielsweise als Balkendiagramm) dienen können, können die gemittelten Kraftwerte bevorzugt als Grundlage für konkrete Trainingsanweisungen dienen, die über die Benutzerführungsstufe 54 ausgegeben werden, so etwa die Anweisung, beim Aufsetzen stärker den Fußballen oder aber die Ferse zu belasten.
Wie weiter oben erwähnt, kann eine getrennte rechts- und linksseitige Verarbeitung der Druckverteilungsmuster vorgesehen sein, wobei die in 3 gezeigten Komponenten dann jeweils – hard- oder softwaremäßig – zweifach für den rechten und linken Fuß des Probanden, implementiert sind und entsprechende Ausgangssignale bzw. -werte für den rechten und linken Fuß liefern. Hierzu kann bereits die Druckmessplatte physisch in einen rechten und einen linken Teil aufgeteilt sein, oder es werden die Druckverteilungsmuster auf einer einzelnen Platte einer softwareseitigen Rechts/Links-Separation und danach der beschriebenen Vorderfuß/Rückfuß-Separation mit nachgeordneter Auswertung unterzogen.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3642088 C2 [0002]
DE 2529475 C3 [0002]
DE 4027317 C1 [0003]
US 6010465 A [0003]
EP 1145682 A2 [0004]
EP 2352426 [0005]
WO 2010/057552 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Kram und A. J. Powell: „A treadmill-mounted force platform” Appl. Physiol. 67 (4): 1692–1698 (1989) [0003]

Claims

Vorrichtung zur Ganganalyse zu Trainings- oder Rehabilitationszwecken, mit einer Lauffläche, insbesondere gebildet aus einem über mindestes zwei Laufrollen geführten und als Laufband dienenden Endlosband, dessen eine Oberfläche als Lauffläche dient, einer Sensorik zur Bestimmung eines Druck-/Kraftverteilung auf einer in die Lauffläche integrierten oder unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte, die eine Vielzahl von Druck-/Kraftsensoren aufweist, einer mit den Druck-/Kraftsensoren eingangsseitig verbundenen Auswertungseinheit, welche Druckverteilungsmuster detektiert, die durch einen gehenden oder laufenden Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und einer eingangsseitig mit der Auswertungseinheit verbundenen Verarbeitungseinheit, welche aus den Druckverteilungsmustern Werte bzw. Signale erzeugt, die den Gang des Probanden charakterisieren, wobei die Verarbeitungseinheit zur Untergliederung der Druckverteilungsmuster in jeweils erstes Teil-Abdruckmuster und ein zweites Teil-Abdruckmuster und zur separaten Verarbeitung dieser beiden und Ausgabe jeweils eines charakterisierenden Wertes, insbesondere eines Vorderfuß-Kraftwertes und eines Rückfuß-Kraftwertes, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit Mittel zur Bestimmung eines Differenz- oder Quotientenwertes aus dem Vorderfuß-Kraftwert und dem Rückfuß-Kraftwert aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kraftmessplatte in eine linke und rechte Teil-Messplatte geteilt ist und die Auswertungs- und Verarbeitungseinheit zur separaten Verarbeitung der Signale der Druck-/Kraftsensoren von der linken und rechten Teil-Messplatte und der entsprechenden Druckverteilungsmuster und zur Ausgabe links- und rechtsseitiger charakterisierender Werte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit Neigungseinstellmitteln zur Neigungseinstellung des Laufbandes.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit zusätzlichen Messmitteln zur Erfassung mindestens einer zweiten biometrischen oder einer medizinischen Messgröße, wobei die Verarbeitungseinheit zur kombinierten Verarbeitung der Druckverteilungsmuster und von Messwerten der weiteren biometrischen Messgröße ausgebildet und eine Synchronisationseinheit zur Synchronisation der Druck-/Kraftverteilungsmessung mit der Erfassung der oder einer weiteren biometrischen oder medizinischen Messgröße durch die zusätzlichen Messmittel vorgesehen ist, welche eingangsseitig mit der Auswertungs- oder Verarbeitungseinheit verbunden ist, derart, dass Synchronisationssignale im Ansprechen auf Merkmale der Druckverteilungsmuster oder auf die daraus abgeleiteten Werte bzw. Signale ausgegeben werden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Bildanzeigevorrichtung im Sichtfeld des Probanden vorgesehen ist, auf der das oder jedes erste und zweite Teil-Abdruckmuster und/oder jeder charakterisierende Wert dargestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit zur Ausgabe von Ist-Aufsetzorten, an denen der Proband seine Füße auf die Lauffläche aufsetzt, aufgrund der verarbeiteten Druckverteilungsmuster ausgebildet ist, ein Trainingsprogrammspeicher zur Speicherung eines Gangtrainingsprogramms, das Daten zur Vorgabe einer Folge von Soll-Aufsetzorten für die Füße des Probanden auf der Lauffläche beinhaltet, vorgesehen ist, die Bildanzeigevorrichtung zur Anzeige von Bildern, die die Soll-Aufsetzorte angeben, ausgebildet ist und eine eingangsseitig mit dem Trainingsprogrammspeicher und mit der Aufsetzort-Sensorik und ausgangsseitig mit der Bildanzeigevorrichtung verbundenen Anzeige-Synchronisationsvorrichtung zur Synchronisierung der Bildanzeigevorrichtung auf Ausgangsdaten der Aufsetzort-Sensorik derart vorgesehen ist, dass die Angabe der Soll-Aufsetzorte laufend an erfasste Ist-Aufsetzorte angepasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Aufsetzort-Sensorik eine Speichereinheit zur zeitaufgelösten Speicherung einer Folge von sequenziell erfassten Ist-Aufsetzorten oder eines diese Folge charakterisierenden Parameters umfasst und die Anzeige-Synchronisationsvorrichtung zum Laden der Folge und zur Anpassung der angegebenen Soll-Aufsetzorte hieran ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Bildanzeigevorrichtung einen Projektor aufweist und die Lauffläche als Projektionsfläche ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, mit einer Feedback-Einheit zur Erfassung von Berührungen der Lauffläche durch den Probanden an Orten, an denen vorbestimmte Bildelemente, insbesondere Soll-Aufsetzpunkte, angezeigt werden oder an Orten, an denen kein vorbestimmtes Bildelement angezeigt wird, und zur Ausgabe eines Warn- oder Hinweissignals im Ansprechen hierauf.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Benutzerführungseinheit zur optischen und/oder akustischen Ausgabe von anzeigebegleitenden Handlungsanweisungen im Ansprechen auf durch die Verarbeitungsarbeit ausgegebene charakterisierende Werte, insbesondere Vorderfuß-Kraftwerte und Rückfuß-Kraftwerte, über Ohrhörer oder Lautsprecher und/oder als Texteinblendungen durch die Bildanzeigevorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Verarbeitungseinheit zur Bildung gleitender Mittelwerte aus einer Anzahl vorab bestimmter charakterisierender Werte und zur Ausgabe der gleitenden Mittelwerte an die Benutzerführungseinheit in vorbestimmten Zeitabständen oder nach einer vorbestimmten Anzahl detektierter Druckverteilungsmuster ausgebildet ist und die Benutzerführungseinheit zur Ausgabe jeweils einer Handlungsanweisung nach Empfang eines Mittelwertes ausgebildet ist.
Verfahren zur Ganganalyse zu Trainings- und Rehabilitationszwecken, bei dem ein Proband über eine Lauffläche geht oder läuft und eine Druck-/Kraftverteilung auf einer in die Lauffläche integrierten oder unterhalb der Lauffläche befindlichen Kraftmessplatte sensorisch erfasst und einer Auswertung zur Bestimmung von Druckverteilungsmustern unterzogen wird, die durch den Probanden auf der Lauffläche erzeugt werden, und aus den Druckverteilungsmustern durch Weiterverarbeitung Werte bzw. Signale erzeugt werden, die den Gang des Probanden charakterisieren, wobei die Druckverteilungsmuster jedes Fußes einer Separation in ein erstes Teil-Abdruckmuster und ein zweites Teil-Abdruckmuster unterzogen und aus beiden Teil-Mustern jeweils ein charakterisierender Wert, insbesondere ein Vorderfuß-Kraftwert und ein Rückfuß-Kraftwert, bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei aus den Druckverteilungsmustern Ist-Aufsetzorte erfasst werden, an denen der Proband seine Füße aufsetzt, gemäß einem vorbestimmten Trainingsprogramm eine Folge von ursprünglichen Soll-Aufsetzorten der Füße des Probanden auf der Gehfläche festgelegt wird und mittels einer Bildanzeigevorrichtung dem Probanden Bilder angezeigt werden, die Soll-Aufsetzorte seiner Füße angeben, wobei die Bildanzeige zur Angabe angepasster Soll-Aufsetzorte laufend auf die mittels der Sensorik erfassten Ist-Aufsetzorte synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei über eine Benutzerführungseinheit an den Probanden Handlungsanweisungen ausgegeben werden, die aufgrund der charakterisierenden Werte und/oder von hieraus bestimmten Differenz- oder Quotientenwerten und/oder von Differenzen zwischen erfassten Ist-Aufsetzorten und Soll-Aufsetzorten ausgewählt werden.