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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks.
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Herkömmlicherweise werden Einrichtungen zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen von Gelenken eingesetzt, um aus den ermittelten Daten anschließend Informationen abzuleiten, um wesentliche Eigenschaften eines Gelenks, das zwei Körperteile verbindet, zu charakterisieren, wobei eine Kenntnis dieser Eigenschaften erlaubt, Rückschlüsse auf die Funktionalität des Gelenks zu sichern. Beispielsweise ist eine wesentliche Eigenschaft eines Gelenks der Winkelbereich, über den eine Achse eines ersten Körperteils zu einer Achse eines zweiten Körperteils mit Hilfe des Gelenks verkippt werden kann. Eine weitere wesentliche Eigenschaft eines Gelenks besteht beispielsweise in der Relativ-Geschwindigkeit, mit der das Gelenk Relativbewegungen der beiden Körperteile zueinander zulässt. Eine weitere wesentliche Bewegungseigenschaft eines Gelenks besteht beispielsweise in der Stabilität des Gelenks. Die Stabilität des Gelenks kann beispielsweise darüber definiert werden, inwieweit ein Gelenk gewährleisten kann, dass die zwei Körperteile mit ihren Achsen während eines Bewegungsablaufs über einen Winkelbereich um eine Rotationsachse zueinander kontinuierlich verkippt werden, ohne dass es zu Wackelbewegungen der beiden Körperteile kommt, insbesondere zu Wackelbewegungen entlang der Rotationsachse.
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Herkömmliche Einrichtungen sind nur bedingt zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks geeignet, das zwei Körperteile verbindet, wie beispielsweise zwei Körperteile eines Lebewesens, d. h. eines Menschen oder eines Tieres. Als eine solche herkömmliche Einrichtung ist beispielsweise ein Goniometer bekannt, das zwei Schenkel aufweist, wobei ein jeder Schenkel an eines der beiden über das Gelenk verbundenen Körperteile angelegt wird. Mit Hilfe des Goniometers lässt sich der Winkel, den die Achsen der beiden Körperteile einschließen, messen. Bei den Achsen handelt es sich dabei um die Haupterstreckungsachsen der Körperteile, entlang derer sich die Körperteile von dem Gelenk weg mit ihrer maximalen Erstreckung erstrecken. Beispielsweise wird ein solches Goniometer zum Vermessen der Bewegungen eines Kniegelenks eingesetzt, wobei ein Schenkel des Goniometers an den Oberschenkel und der andere Schenkel des Goniometers an den Unterschenkel des Beins mit dem Kniegelenk angelegt wird. Ein solches Goniometer kann jedoch beispielsweise ausschließlich punktuell Daten zu Bewegungen eines Gelenks liefern, nämlich Daten betreffend den Winkel der Achsen der beiden Körperteile zueinander. Das Goniometer ist somit zum einen nicht dazu geeignet, Daten zum Charakterisieren von dynamischen Bewegungseigenschaften eines Gelenks zu liefern, wie beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit oder Stabilität des Gelenks während einer Bewegung, da das Goniometer nur in der Ruheposition des Gelenks angelegt werden kann. Das Goniometer wird daher meist nur zum Messen eines maximalen Beuge- oder Streckwinkels eines Gelenks verwendet. Darüber hinaus hängt der gemessene Winkel davon ab, wie genau das Goniometer an die beiden durch das Gelenk miteinander verbundenen Körperteile angelegt wird. Daher sind die durch das Goniometer gewonnenen Messwerte häufig fehlerbehaftet, und zur Vermeidung von Messfehlern kann das Goniometer nur von ausgebildetem Fachpersonal verwendet werden.
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Herkömmliche Einrichtungen sind somit nicht dazu geeignet, Daten zu den Bewegungen eines Gelenks zu ermitteln, die ausreichende Informationen liefern, damit anhand der Daten die Funktionalität eines Gelenks bestimmt und überwacht werden kann, was beispielsweise bei der Überwachung von Heilungsprozessen nach Operationen in einem Gelenk besonders dringend erforderlich ist. Darüber hinaus sind herkömmliche Einrichtungen zumeist nur durch Fachpersonal bedienbar, so dass die Daten zu Bewegungen eines Gelenks nur an zeitlich weit auseinander liegenden Zeitpunkten ermittelt werden können, beispielsweise bei Arztbesuchen. Eine möglichst kontinuierliche Ermittlung der Daten zu Bewegungen eines Gelenks, die eine präzisere Analyse des Gelenks ermöglichen würde und einen Patienten zum häufigen Praktizieren von Übungen zum Verbessern der Funktionalität des Gelenks motivieren würde, ist mit herkömmlichen Einrichtungen somit nicht möglich.
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Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher Einrichtungen zumindest teilweise behebt. Als eine weitere Aufgabe liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks bereitzustellen, das die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise behebt.
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Als eine Lösung zumindest einer der genannten technischen Aufgaben schlägt die Erfindung eine Einrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 vor. Die Einrichtung ist zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks geeignet, das zwei Körperteile verbindet. Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann beispielsweise zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Kniegelenks, eines Ellenbogengelenks, eines Sprunggelenks, eines Schultergelenks oder eines Handgelenks geeignet sein und insbesondere an ein Gelenk besonders angepasst ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst eine Haltevorrichtung sowie zwei Bewegungssensoren, die an der Haltevorrichtung anordenbar sind. In einer Ausführungsform ist die Einrichtung so ausgebildet, dass sie zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks in einen betriebsbereiten Zustand gebracht werden muss, wobei in dem betriebsbereiten Zustand die zwei Bewegungssensoren an der Haltevorrichtung angeordnet sind, insbesondere positionsfest mit der Haltevorrichtung verbunden sind. In einer Ausführungsform sind die beiden Bewegungssensoren nur unter Zerstörung von der Haltevorrichtung entfernbar, in einer Ausführungsform sind die zwei Bewegungssensoren demontierbar an der Haltevorrichtung anordenbar. In jedem Fall sind erfindungsgemäß die Bewegungssensoren an der Haltevorrichtung positionsfest fixierbar.
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Zumindest einer oder jeder der Bewegungssensoren kann beispielsweise einen Accelerometer, eine IMU (Inertial Measurement Unit) und/oder ein Gyroskop umfassen. Beispielsweise kann als ein solcher Bewegungssensor der bekannte MPU 6050 verwendet werden. Beispielsweise kann ein solcher Bewegungssensor ein Accelerometer, ein Gyroskop und/oder eine IMU umfassen, die durch einen Arduino-basierten Microcontroller ausgelesen werden. Erfindungsgemäß sind die Bewegungssensoren jeweils dazu ausgebildet, Messwerte zum Definieren ihrer jeweiligen Bewegung auszugeben, die zumindest eine Richtung und einen Betrag einer Beschleunigung des jeweiligen Bewegungssensors und/oder eine Winkellage einer Achse des jeweiligen Bewegungssensors definieren. Als Achse kann dabei eine bestimmte Achse des Bewegungssensors definiert werden. Beispielsweise kann durch Auslesen eines Messwerts zu einem Startzeitpunkt die Winkellage einer bestimmten Achse eines Bewegungssensors ermittelt und als Ausgangswinkellage definiert werden und sodann der Bewegungssensor Messwerte ausgeben, die die Winkellage dieser bestimmten Achse charakterisieren, so dass über die Messwerte eine Veränderung der Winkellage der Achse des Bewegungssensors ausgehend von der Ausgangswinkellage bestimmt werden kann. In einer Ausführungsform sind die Bewegungssensoren dazu ausgebildet, die Richtung der Beschleunigung und/oder eine Veränderung der Winkellage im dreidimensionalen Raum, d. h. in drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen, zu ermitteln und als Messwerte die Richtung der Beschleunigung und/oder die Winkellage oder Veränderung der Winkellage in den drei Dimensionen auszugeben. Erfindungsgemäß sind die Bewegungssensoren dazu ausgebildet, die Messwerte über einen Zeitraum hinweg fortlaufend auszugeben. Beispielsweise können sie dazu ausgebildet sein, die Messwerte kontinuierlich über den Zeitraum hinweg fortlaufend auszugeben oder die Messwerte durch zeitliche Intervalle beabstandet über den Zeitraum hinweg fortlaufend auszugeben. Erfindungsgemäß umfasst die Einrichtung ferner eine Schnittstelle, über die die Messwerte der Bewegungssensoren auslesbar sind, wobei aus den ausgelesenen Messwerten Bewegungsdaten der Bewegungssensoren bestimmbar sind, wobei die Bewegungsdaten die Absolut-Bewegung zumindest eines der Bewegungssensoren und/oder eine Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren zueinander umfassen. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht somit das Bestimmen von Bewegungsdaten der beiden Bewegungssensoren über einen Zeitraum hinweg, wobei aus diesen Bewegungsdaten noch Rückschlüsse auf Bewegungseigenschaften des Gelenks gezogen werden können, das die beiden Körperteile miteinander verbindet, an denen die Bewegungssensoren angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist die Schnittstelle als eine drahtlose Schnittstelle ausgebildet. Die Schnittstelle kann ein oder mehrere Schnittstellenelemente umfassen, wobei die mehreren Schnittstellenelemente dergestalt zueinander korrespondierend ausgestaltet sein können, dass zwischen ihnen eine Drahtlosverbindung herstellbar ist. Über eine Drahtlosschnittstelle können beispielsweise mit einer Ausleseeinheit die Messwerte besonders einfach aus den Bewegungssensoren ausgelesen werden und/oder besonders einfach Bewegungsdaten übertragen werden. Beispielsweise kann als eine solche Drahtlosschnittstelle eine Bluetooth-Schnittstelle vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine entsprechende Ausleseeinheit oder zumindest eine Einheit von ihr in einem handelsüblichen Rechner umfasst sein, beispielsweise in einem Smartphone, das eine entsprechende drahtlose Schnittstelle aufweist und zum Auslesen und Auswerten der Messwerte ausgebildet ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung eine Ausleseeinheit, die dazu ausgebildet ist, die Messwerte aus den Bewegungssensoren auszulesen. Die Ausleseeinheit oder zumindest eine Einheit der Ausleseeinheit kann beispielsweise in einer Recheneinheit integriert sein, die zumindest einen der Bewegungssensoren umfasst. Die Ausleseeinheit kann beispielsweise mehrere räumlich voneinander getrennte Einheiten umfassen, beispielsweise eine Sensorausleseeinheit, die an zumindest einem der Bewegungssensoren angeordnet ist und insbesondere mit ihm eine bauliche Einheit bildet, und darüber hinaus eine Bedienausleseeinheit, wobei die Sensorausleseeinheit und die Bedienausleseeinheit über eine Schnittstelle, wie beispielsweise eine Drahtlosschnittstelle, miteinander verbindbar sind. Erfindungsgemäß können in der Ausleseeinheit an einem Startzeitpunkt ermittelte Messwerte der Bewegungssensoren als Ausgangswerte der Bewegungssensoren festlegbar sein, wobei die Ausleseeinheit dazu ausgebildet ist, nach Festlegung der Ausgangswerte der Beschleunigungssensoren anhand der nach dem Startzeitpunkt aus den Bewegungssensoren ausgelesenen Messwerte Bewegungsdaten der Bewegungssensoren zu bestimmen. Die Ausleseeinheit ist somit dazu ausgebildet, von einem Startzeitpunkt an und über einen bestimmten Zeitraum hinweg Messwerte aus den Bewegungssensoren auszulesen, wobei die zum Startzeitpunkt ausgelesenen Messwerte die Ausgangswerte sind und ausgehend von den Ausgangswerten über die in dem darauffolgenden Zeitraum ausgelesenen Messwerte Bewegungsdaten der Bewegungssensoren bestimmt werden können. In einer Ausführungsform werden als Ausgangswerte Messwerte zu jedem der Bewegungssensoren festgelegt, die aus einem jeden der Bewegungssensoren zum Startzeitpunkt ausgelesen sind, wobei insbesondere nach der Festlegung der Ausgangswerte Messwerte aus sämtlichen Bewegungssensoren ausgelesen werden. Die Bewegungsdaten der Bewegungssensoren, die aus den ausgelesenen Messwerten in der Ausleseeinheit bestimmt werden, umfassen die Absolut-Bewegung zumindest eines der Bewegungssensoren und/oder eine Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren zueinander. Bei dem Vorsehen von zwei Bewegungssensoren bezieht sich die Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren auf die Relativ-Bewegung der beiden Bewegungssensoren, bei dem Vorsehen von mehr als zwei Bewegungssensoren bezieht sich die Relativ-Bewegung auf die Relativ-Bewegung von zumindest zwei, insbesondere sämtlichen der Bewegungssensoren zueinander. Die Bewegungsdaten sind somit geeignet, Informationen zur Charakterisierung von Bewegungseigenschaften des Gelenks zu liefern.
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Durch das Vorsehen der beiden Bewegungssensoren bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, die unabhängig voneinander Messwerte erzeugen und von der Ausleseeinheit ausgelesen werden können, ermöglicht die erfindungsgemäße Einrichtung das Gewinnen einer Vielzahl von Informationen betreffend die Bewegungseigenschaften des Gelenks. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass die Bewegungssensoren um mindestens 5 cm, insbesondere um mindestens 10 cm, insbesondere zwischen 10 cm und 50 cm voneinander beabstandet sind. Dadurch können die beiden Bewegungssensoren an einem jeweils unterschiedlichen Körperteil angeordnet werden, wobei sich das Gelenk zwischen den beiden Bewegungssensoren befindet. Dadurch können über die beiden Bewegungssensoren Bewegungsdaten gewonnen werden, die gleichzeitig Bewegungsdaten der beiden Körperteile entsprechen, die über das Gelenk miteinander verbunden sind, wodurch Daten gewonnen werden können, die besonders gut zum Charakterisieren von Bewegungseigenschaften des Gelenks verwendet werden können. Das Vorsehen eines Abstands zwischen den beiden Bewegungssensoren zwischen 10 cm und 50 cm kann besonders vorteilhaft dahingehend sein, dass die Bewegungssensoren zum einen nah am die Körperteile verbindenden Gelenk an den beiden verschiedenen Körperteilen mittels der Haltevorrichtung befestigt werden können, so dass Informationen betreffend Bewegungseigenschaften des Gelenks besonders unverfälscht anhand der aus den Bewegungssensoren ermittelten Daten gewonnen werden können, und zum anderen ein ausreichender Abstand zwischen den Bewegungssensoren gewährleistet ist, damit jeder der Bewegungssensoren einen Bewegungsablauf vollführen kann, der -ohne Einfluss des anderen Körperteils- von dem Körperteil bedingt ist, an dem er befestigt ist.
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Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass die Einrichtung genau zwei Bewegungssensoren aufweist, da mittels der beiden Bewegungssensoren ein sehr weitreichender Datensatz zum Ermitteln von Bewegungseigenschaften eines Gelenks generiert werden kann und gleichzeitig die Kosten für die Einrichtung geringgehalten werden können. Das Vorsehen von Bewegungssensoren, die dreidimensionale Messwerte ausgeben zum Bestimmen der Richtung der Beschleunigung und/oder der Winkellage der Achse, die beispielsweise über einen dreidimensionalen Vektor angegeben sein kann, können besonders umfassende Datensätze erzeugt werden, über die anschließend die Bewegungseigenschaften eines Gelenks dreidimensional charakterisiert werden können. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, gleichzeitig Messwerte, insbesondere Beschleunigungswerte, zu einer Bewegung mit einer Richtung parallel zur Rotationsachse eines Gelenks und Messwerte zu einer Bewegung mit einer Richtung senkrecht zur Rotationsachse, wie beispielsweise die Winkellage der Achsen der Bewegungssensoren zum Bestimmen des Verkippwinkels der Achsen der Bewegungssensoren senkrecht zur Rotationsachse, zu ermitteln, da hierdurch ein umfangreicher Datensatz erzeugt werden kann, aus dem beispielsweise Erkenntnisse zur Stabilität eines Gelenks in Abhängigkeit von seiner Winkelstellung bzw. des Winkels zwischen den durch das Gelenk verbundenen Körperteilen und/oder in Abhängigkeit von seiner Belastung gewonnen werden können.
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Beispielsweise können beide Bewegungssensoren dazu ausgebildet sein, eine Winkellage ihrer Achse als Messwert auszugeben, wobei die Ausleseeinheit dazu ausgebildet sein kann, aus den Messwerten der beiden Bewegungssensoren betreffend die jeweiligen Winkellagen Bewegungsdaten zu bestimmen, die die Verkippwinkel der beiden Achsen der beiden Bewegungssensoren zueinander definieren, wobei als Bewegungsdaten insbesondere der zeitliche Verlauf bzw. die zeitliche Veränderung des Verkippwinkels über einen Zeitraum nach dem Startzeitpunkt hinweg bestimmbar sein kann. Beispielsweise kann die Ausleseeinheit dazu ausgebildet sein, die Beträge der nach dem Startzeitpunkt gemessenen Maxima der Verkippwinkel zu bestimmen, wodurch ein maximaler Biegewinkel und/oder Streckwinkel des Gelenks ermittelbar ist. Insbesondere können beide Bewegungssensoren dazu ausgebildet sein, die Richtung und den Betrag einer Beschleunigung als Messwert auszugeben, wobei die Ausleseeinheit dazu ausgebildet ist, aus diesen Messwerten der beiden Bewegungssensoren Relativ-Bewegungen der beiden Bewegungssensoren als Bewegungsdaten zu bestimmen. Beispielsweise kann zumindest einer der Bewegungssensoren die Richtung und den Betrag seiner Beschleunigung als Messwert auszugeben, wobei die Ausleseeinheit dazu ausgebildet sein kann, ausgehend von dem Startzeitpunkt aus den Messwerten des Bewegungssensors die Absolut-Bewegung, insbesondere den zeitlichen Verlauf über einen Zeitraum hinweg, des Bewegungssensors nach dem Startzeitpunkt in drei Dimensionen abzubilden.
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Beispielsweise können die Bewegungssensoren dazu ausgebildet sein, einen Zeitwert als Messwert auszugeben, und/oder die Ausleseeinheit kann dazu ausgebildet sein, Messwerten, die aus den Bewegungssensoren ausgelesen wurden, eine Zeit zuzuordnen. Hierdurch kann die Bestimmung von zeitabhängigen Bewegungsdaten ermöglicht sein. Beispielsweise kann hierdurch die Zeitdauer der Gelenkbewegung als Bewegungsdatum ermittelbar sein. Beispielsweise kann über die Ermittlung der zeitabhängigen Veränderung der Bewegungsdaten ein Bewegungsablauf der Bewegungssensoren ermittelbar sein, beispielsweise die zeitabhängige Orts- und/oder Lageveränderung der Bewegungssensoren, wie etwa Beschleunigung oder Variation der Winkellage der Achse eines Sensors. Hierüber kann beispielsweise ermittelbar sein, welche Wege das Gelenk mit den beiden Körperteilen in Abhängigkeit von der Zeit zurückgelegt hat, beispielsweise welche Sprunghöhe durch einen Körper erreicht wurde oder welcher Weg während der Messung nach dem Startzeitpunkt abgelaufen wurde oder welche Relativbewegung zueinander die Bewegungssensoren und damit die Körperteile durchgeführt haben. Aus den beschriebenen Beispielen ist klar ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Einrichtung das Gewinnen einer Vielzahl an Bewegungsdaten der Bewegungssensoren ermöglicht, wobei über die gewonnenen Bewegungsdaten der Bewegungssensoren Rückschlüsse auf die Bewegungen der mit dem Gelenk verbundenen Körperteile und hierdurch Rückschlüsse auf Bewegungseigenschaften eines Gelenks gezogen werden können, indem die durch die erfindungsgemäße Einrichtung gewonnenen Daten medizinisch ausgewertet werden. Eine solche nachfolgende medizinische Auswertung kann beispielsweise darin bestehen, dass maximale Beuge- und Streckwinkel des Gelenks ermittelt werden und die Bewegungseigenschaft des Gelenks aus diesen Werten mit einem medizinischen Bewertungsindex bewertet wird. Die medizinische Auswertung kann beispielsweise darin bestehen, dass Bewegungsdaten, die die Bewegung eines Bewegungssensors und/oder die Relativ-Bewegung der beiden Bewegungssensoren in einer bestimmten Richtung wiedergeben, insbesondere in einer Richtung, die parallel zu einer Rotationsachse ist, um die die beiden Bewegungssensoren zueinander verkippt werden, quantifiziert werden, insbesondere in Abhängigkeit von einer Bewegung des Bewegungssensors in einer zu der bestimmten Richtung senkrechten Richtung quantifiziert werden, und in Abhängigkeit von ihrer Quantität mit einem weiteren medizinischen Bewertungsindex versehen werden zum Charakterisieren der Bewegungseigenschaft des Gelenks.
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In einer Ausführungsform weist die Ausleseeinheit eine Datenverarbeitungseinheit auf, die eine Speichereinheit und/oder ein Drahtlosschnittstellenelement zur Datenübertragung umfasst. Insbesondere kann das Drahtlosschnittstellenelement korrespondierend zu einem Sensorschnittstellenelement ausgebildet sein. Das Sensorschnittstellenelement kann beispielsweise mit sämtlichen Bewegungssensoren verbunden sein zum Auslesen der Bewegungssensoren und zum Übermitteln der ausgelesenen Daten an das Drahtlosschnittstellenelement. Das Sensorschnittstellenelement kann beispielsweise Unterelemente aufweisen, die räumlich voneinander getrennt und physisch nicht miteinander verbunden sind, wobei jedes Unterelement mit genau einem Bewegungssensor verbunden ist zum Auslesen dieses Bewegungssensors und zum Übermitteln der ausgelesenen Daten an das Drahtloschnittstellenelement. Über die Datenverarbeitungseinheit kann sichergestellt sein, dass die Ausleseeinheit aus den aus den Bewegungssensoren ausgelesenen Messwerten komplexe Bewegungsdaten der Bewegungssensoren ermitteln kann, beispielsweise einen zwei- oder dreidimensionalen relativen Bewegungsablauf der Bewegungssensoren zueinander, der den zeitlichen Verlauf der relativen Bewegungen wiedergibt. Hierzu kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass die Datenverarbeitungseinheit eine Speichereinheit umfasst, in der Messwerte zumindest vorübergehend speicherbar sind und möglicherweise auch Bewegungsdaten speicherbar sind. Die Speichereinheit kann beispielsweise als herkömmlicher Flash-Speicher ausgebildet sein. Das Vorsehen einer Drahtlosschnittstelle kann den besonderen Vorteil mit sich bringen, dass wesentliche Elemente der Ausleseeinheit, wie beispielsweise die Datenverarbeitungseinheit, insbesondere die gesamte Ausleseeinheit, räumlich getrennt von den Bewegungssensoren angeordnet sein kann, ohne dass hierzu eine Verkabelung von Bewegungssensoren und der räumlich getrennten Einheit erforderlich ist. Dies ermöglicht ein ungehindertes Bewegen der durch das Gelenk verbundenen Körperteile und somit das Ermitteln von Bewegungsdaten, die besonders gut zum vollständigen Charakterisieren von Bewegungseigenschaften des Gelenks geeignet sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist jeder Bewegungssensor ein mit dem Drahtlosschnittstellenelement korrespondierendes Unterelement des Sensorschnittstellenelements auf, so dass jeder der Bewegungssensoren für sich und unabhängig von weiteren Vorrichtungen, wie beispielsweise dem anderen Bewegungssensor, Daten drahtlos zu einer getrennten Einheit der Ausleseeinheit übermitteln kann. Hierdurch kann der Verdrahtungsaufwand der Bewegungssensoren besonders geringgehalten werden und somit eine besonders einfach über Körperteile zu ziehende bzw. an Körperteilen zu befestigende Haltevorrichtung mit den Bewegungssensoren realisierbar sein.
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Vorzugsweise weist die Einrichtung eine Anzeigeeinrichtung auf, wobei die Datenverarbeitungseinheit zum Ermitteln der Bewegungsdaten und zum Ausgeben der Bewegungsdaten an die Anzeigeeinrichtung ausgebildet ist, wobei insbesondere die Datenverarbeitungseinheit oder Untereinheiten der Datenverarbeitungseinheit mit der Anzeigeeinrichtung zusammen in einem Rechner angeordnet sind, der über eine Drahtlosschnittstelle mit den Bewegungssensoren kommuniziert. Mit Hilfe der Anzeigeeinrichtung kann ein Benutzer, wie beispielsweise der Patient, zu dessen Gelenk die Bewegungseigenschaften ermittelt werden, visuell mitverfolgen, welche Messwerte bzw. Bewegungsdaten zu seinem Gelenk ermittelt bzw. bestimmt werden. Durch die Kombination aus Datenverarbeitungseinheit und Anzeigeeinrichtung kann eine besonders benutzerfreundliche Einrichtung gewährleistet sein. Insbesondere kann der Rechner als Bedienausleseeinheit ausgebildet sein, die Teil der Ausleseeinheit ist. Durch das Anordnen von Datenverarbeitungseinheit oder Untereinheiten der Datenverarbeitungseinheit und Anzeigeeinrichtung in einem gemeinsamen Rechner, der mit den Bewegungssensoren drahtlos kommuniziert, kann ein Patient ein separates Bedienteil, nämlich den Rechner, bedienen, insbesondere in der Hand halten, an dem er unabhängig von den Bewegungssensoren Einstellungen vornehmen kann. Dies kann dem Patienten beispielsweise erlauben, die ermittelten Bewegungsdaten im Nachhinein zu analysieren und beispielsweise die Bewegungsdaten in dem Rechner abzuspeichern, so dass er den Verlauf der Bewegungsdaten verfolgen kann und insbesondere auch anderen präsentieren kann. Insbesondere kann der Rechner dazu ausgebildet sein, über Schnittstellen mit weiteren Rechnern zu kommunizieren, beispielsweise via Internet. Die Einrichtung kann dadurch beispielsweise eine Kommunikation zwischen Mediziner und Patient ermöglichen, wenn diese lokal voneinander getrennt sind. Ein Patient kann somit mittels der Einrichtung Bewegungsdaten an einen Mediziner versenden, die dieser dann auswerten kann zum Charakterisieren und medizinischen Analysieren der Bewegungseigenschaften des Gelenks. Insbesondere können Bewegungsdaten mit Hilfe der Einrichtung mit anderen Personen geteilt werden, so dass eine gegenseitige Beobachtung des Verlaufs der Bewegungsdaten anderer und somit ein Vergleich von Patienten untereinander ermöglicht sein kann, was eine zusätzliche Motivation von Patienten zum Trainieren des Gelenks mit sich bringen kann.
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In einer Ausführungsform weist die Ausleseeinheit eine Echtzeituhr auf und ist dazu ausgebildet, die Bewegungsdaten der beiden Bewegungssensoren ausgehend von einem Startzeitpunkt über einen vorbestimmbaren Zeitraum zu ermitteln und als einen Bewegungsablauf aufzuzeichnen. Der Zeitraum kann beispielsweise durch eine Person, die die Einrichtung bedient, vorgebbar sein. Der Zeitraum kann beispielsweise durch Bewegungsdaten der Bewegungssensoren vorbestimmbar sein. Beispielsweise kann die Einrichtung über einen Aktivierungsschalter aktivierbar sein und nach Aktivierung der Einrichtung sowohl der Startzeitpunkt als auch das Ende des vorbestimmbaren Zeitraums über Bewegungsdaten dergestalt vorbestimmbar sein, dass Bewegungsdaten dann ermittelt werden, wenn die Bewegungssensoren eine Bewegung erfahren, die über einem festlegbaren Schwellwert liegt, beispielsweise eine Bewegung in Gestalt einer Beschleunigung, die über dem Betrag einer festgelegten Mindestbeschleunigung als Messwert liegt. Beispielsweise können Bewegungsdaten zu einer Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung über einen vorbestimmbaren Zeitraum ermittelt und/oder ausgewertet werden, dessen Startzeitpunkt und Ende durch Messwerte oder Bewegungsdaten zu einer Bewegung senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung definiert werden. Beispielsweise kann der Startzeitpunkt dadurch definiert sein, dass die Bewegungsdaten senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung einen Schwellwert überschreiten, und das Ende dadurch, dass die Messwerte, beispielsweise Beschleunigungswerte, zu der Bewegung einen Schwellwert unterschreiten. Beispielsweise kann der Startzeitpunkt wie erläutert durch aus den Bewegungssensoren gewonnenen Messwerte oder Bewegungsdaten bestimmt sein und das Ende des Zeitraums durch den Ablauf eines Zeitintervalls mit einer vorgegebenen Dauer ab dem Startzeitpunkt, beispielsweise einer Dauer von 4 Sekunden oder 3 Sekunden oder 2 Sekunden. Bei den zur Bestimmung von Startzeitpunkt und Ende des Zeitraums verwendeten Messwerten oder Bewegungsdaten kann es sich beispielsweise um Beschleunigungswerte, Geschwindigkeitswerte oder den Wert des Verkippwinkels der Achsen der Sensoren handeln. Dadurch kann eine besonders präzise Definition von Startzeitpunkt und Ende des vorbestimmbaren Zeitraums und damit eine besonders präzise Zeitmessung eines Bewegungsablaufs ermöglicht sein, da aus der Größe der aus den Bewegungssensoren ausgelesenen Messwerte Beginn und Ende des Zeitraums ermittelt werden und somit Beginn und Ende des Zeitraums an eine tatsächliche Bewegung geknüpft sind.
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In einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung einen Drucksensor, der mit einem der beiden Körperteile verbunden ist, über das das Gelenk auf einer Standfläche abgestützt ist. Beispielsweise kann bei einem Kniegelenk der Drucksensor an der Fußfläche angeordnet und somit mit dem Unterschenkel als einem der beiden Körperteile verbunden sein. Startzeitpunkt und Ende des vorbestimmbaren Zeitraums können beispielsweise durch aus dem Drucksensor ausgelesene Druckwerte festgelegt sein, die beispielsweise das Abspringen und Aufkommen kennzeichnen können.
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In einer Ausführungsform ist die Ausleseeinheit dazu ausgebildet, einem bestimmten Bewegungsablauf eine bestimmte Uhrzeit zuzuordnen. Die Uhrzeit kann beispielsweise Datum und Tagesuhrzeit umfassen. Insbesondere kann die Ausleseeinheit dazu ausgebildet sein, aus dem Bewegungsablauf charakteristische Bewegungswerte zu ermitteln und insbesondere die Entwicklung der charakteristischen Bewegungswerte in Abhängigkeit von der Uhrzeit darzustellen. Dies kann den Vorteil mit sich bringen, dass ein Benutzer der Einrichtung aus den von der Einrichtung ausgegebenen Daten, nämlich der Entwicklung der charakteristischen Bewegungswerte in Abhängigkeit von der Uhrzeit, besonders schnell einen Entwicklungsprozess des Gelenks, beispielsweise einen Heilungsprozess des Gelenks, qualifizieren kann. Die charakteristischen Bewegungswerte können beispielsweise maximale Verkippwinkel der Bewegungssensoren oder eine maximale Relativ-Geschwindigkeit der Bewegungssensoren zueinander oder den Maximalbetrag einer Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren in einer bestimmten Richtung wiedergeben.
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In einer Ausführungsform ist die Anzeigeeinrichtung dazu ausgebildet, eine Vorgabe mit Bezug auf Soll-Bewegungen von durch das Gelenk verbundenen Körperteilen anzuzeigen, wobei die Datenverarbeitungseinheit dazu ausgebildet ist, ermittelte Bewegungsdaten mit Bezug auf die vorgegebene Soll-Bewegung abzuspeichern, wobei die Einrichtung insbesondere eine Schnittstelle aufweist zum Empfangen der Vorgabe über ein Netzwerk. Die Vorgabe kann beispielsweise graphisch und/oder sonorisch erfolgen, und die Anzeigeeinrichtung entsprechend ausgebildet sein. Die Vorgabe mit Bezug auf Soll-Bewegungen kann beispielsweise darin bestehen, dass der Beginn für eine vorgegebene Bewegung, wie beispielsweise ein Sprung, vorgegeben wird, wobei die Frequenz der Sprünge vorgegeben werden kann. Die Vorgabe mit Bezug auf eine Soll-Bewegung kann beispielsweise darin bestehen, dass eine bestimmte Bewegung graphisch dargestellt wird, wie beispielsweise das Laufen einer 8-Schleife. Die Vorgabe von Soll-Bewegung kann beispielsweise darin bestehen, dass die Einrichtung mit einem graphischen Computerspiel zusammenwirkt, das den Benutzer zum Ausführen einer Bewegung, nämlich die Soll-Bewegung, animiert. Durch das Abspeichern der ermittelten Bewegungsdaten mit Bezug auf die vorgegebene Soll-Bewegung können die ermittelten Bewegungsdaten bestimmten Soll-Bewegungen zugeordnet werden, so dass über die Bewegungsdaten medizinisch ermittelbar wird, inwieweit ein Gelenk dazu in der Lage ist, vorgeschriebene Bewegungen oder Bewegungsabläufe in Abhängigkeit von der Zeit zu gewährleisten. Durch das Ankoppeln der Einrichtung über eine Schnittstelle an ein Netzwerk zum Empfangen der Vorgabe kann darüber hinaus gewährleistet sein, dass Fachpersonal, wie beispielsweise ein behandelnder Arzt, Bewegungsdaten aus der Einrichtung auslesen kann und in Abhängigkeit von den ausgelesenen Bewegungsdaten gezielt Vorgaben mit Bezug auf die Soll-Bewegungen an die Einrichtung geben kann. In einer Ausführungsform weist die Einrichtung eine Software auf, die in Abhängigkeit von durch die Ausleseeinheit bestimmten Bewegungsdaten eine Vorgabe mit Bezug auf Soll-Bewegungen ausgibt. Insbesondere kann es sich bei den Bewegungsdaten um solche mit Bezug auf vorgegebene Soll-Bewegungen handeln, die dann die Grundlage für die Vorgabe neuer Soll-Bewegungen bieten können. Eine entsprechende Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung kann besonders gut einen Patienten motivieren, bestimmte Bewegungen auszuführen, um die Bewegungseigenschaften des Gelenks zu verbessern.
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In einer Ausführungsform weist die Haltevorrichtung zumindest zwei Fixierungseinrichtungen auf, an denen die Bewegungssensoren nur so anordenbar sind, dass sie zueinander vordefiniert ausgerichtet sind, wobei die Haltevorrichtung so ausgebildet ist, dass sie an den beiden Körperteilen befestigbar ist unter positionsfester Fixierung an den beiden Körperteilen, insbesondere unter positionsfesten Fixierung der Bewegungssensoren an den beiden Körperteile im Zusammenspiel mit entsprechend ausgebildeten Fixierungseinrichtungen. Über die Fixierungseinrichtungen kann eine feste und zueinander ausgerichtete Fixierung der Bewegungssensoren an der Haltevorrichtung gewährleistet sein. Über die Haltevorrichtung ist im Zusammenspiel mit den Fixierungseinrichtungen die positionsfeste Fixierung der Bewegungssensoren an den beiden Körperteilen gewährleistet, insbesondere die positionsfeste Fixierung eines ersten Bewegungssensor an einem ersten Körperteil und die positionsfeste Fixierung eines zweiten Bewegungssensors an einem zweiten Körperteil, wobei die Körperteile über ein Gelenk miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist durch das Zusammenspiel von Haltevorrichtung und den beiden Fixierungseinrichtungen eine vordefinierte Ausrichtung der Bewegungssensoren zueinander festgelegt, wobei vorzugsweise hierbei der Abstand der Bewegungssensoren zueinander und/oder die Anordnung der Winkellagen der Achsen der Bewegungssensoren zueinander festgelegt ist, beispielsweise exakt festgelegt, beispielsweise auf einen Wertebereich festgelegt. Hierdurch können besonders präzise Bewegungsdaten ermittelt werden, da durch die vordefinierte Ausrichtung der Bewegungssensoren Randbedingungen für die Relativ-Bewegungen der Bewegungssensoren geschaffen sind. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn die Bewegungssensoren so ausgebildet sind, dass sie eine Messachse aufweisen, deren Verkippen um einen Raumwinkel um eine bestimmte Rotationsachse sie besonders präzise messen können. In diesem Fall kann beispielsweise eine solche vordefinierte Ausrichtung der Bewegungssensoren vorteilhaft sein, dass diese Messachsen der beiden Bewegungssensoren in einer Ebene liegen, die senkrecht zu der Rotationsachse steht, die bei dem zu untersuchenden Gelenk erwartet wird. In einer Ausführungsform ist zumindest eine der Fixierungseinrichtungen so ausgebildet, dass sie eine erste und eine zweite Fixierungsposition des Bewegungssensors an der Haltevorrichtung ermöglicht. Bei der ersten Fixierungsposition ist ein manuelles Nachjustieren der Position des Bewegungssensors relativ zur Haltevorrichtung in einem durch die Fixierungseinrichtung vorgegebenen Bereich möglich, während in der zweiten Fixierungsposition durch Aktivieren zusätzlicher Fixierungselemente der Bewegungssensor so fest an der Haltevorrichtung angeordnet ist, dass er nur unter Zerstörung oder Deaktivieren der Fixierungselemente relativ zur Haltevorrichtung bewegt werden kann.
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Beispielsweise kann die Haltevorrichtung nach Art eines Überziehstrumpfes ausgebildet sein, der aus einem nachgiebigen Stoff besteht, beispielsweise gewebt ist. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung nach Art einer Strumpfbandage ausgebildet sein, wobei die Strumpfbandage nach Art eines Überziehstrumpfes mit zusätzlichen Einlagen, wie beispielsweise einer Pelotte, ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung nach Art einer Hartrahmenorthese, wie sie aus dem Orthopädiebereich bekannt ist, die ein Hartrahmengestell mit Rahmengelenken aufweist, um die Abschnitte des Hartrahmengestells zueinander beweglich sind. Das Hartrahmengestell kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung zum Ermitteln von Daten zu einem Schultergelenk als Schulterbandage ausgebildet sein, wobei ein erster Bewegungssensor an dem Oberarmbereich, ein zweiter Bewegungssensor am Thoraxbereich der Bandage und/oder ein dritter Bewegungssensor am Schulterblattbereich der Bandage angeordnet sein kann. Beispielsweise kann die Haltevorrichtung zwei Fixierungseinrichtungen umfassen, von denen zumindest eine die Fixierung eines Bewegungssensors in einer ersten Fixierungsposition ermöglicht, beispielsweise durch das Vorsehen einer an die Haltevorrichtung angenähten oder angeklebten Tasche, beispielsweise aus Stoff. Beispielsweise kann zumindest eine der Fixierungseinrichtungen so ausgebildet sein, dass sie die Fixierung des Bewegungssensors in einer zweiten Fixierungsposition mittels zusätzlicher Fixierungselemente ermöglicht, wobei die Fixierungselemente beispielsweise Klettverschlussbänder umfassen können, die die Position des Bewegungssensors in der Tasche an der Haltevorrichtung eindeutig festlegen, so dass eine Veränderung der Position des Bewegungssensors relativ zur Haltevorrichtung nur nach Lösen der Fixierungselemente möglich ist.
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In einer Ausführungsform kann die Haltevorrichtung dazu ausgebildet sein, so über ein Bein oder einen Arm oder einen Arm und eine Schulter gezogen zu werden, dass sie an dem Bein oder dem Arm oder Arm und Schulter befestigt ist und dabei die beiden Fixierungseinrichtungen an zwei unterschiedlichen Seitens eines Bein-Arm- oder Schultergelenks liegen. Hierzu kann beispielsweise die Haltevorrichtung nach Art eines Überziehstrumpfs oder einer Strumpfbandage ausgebildet sein, die im Ruhezustand, d. h. vor dem Überziehen über ein Bein oder Arm, einen Strumpfinnendurchmesser von ca. 3 cm bis 20 cm aufweist, insbesondere an ihrer schmalsten Stelle. Beispielsweise kann eine Haltevorrichtung speziell für das Überziehen über einen Arm ausgelegt sein und einen Strumpfinnendurchmesser von ca. 3 cm bis 10 cm an ihrer schmalsten Stelle aufweisen. Beispielsweise kann eine Haltevorrichtung speziell für das Überziehen über einen Bein ausgebildet sein und an ihrer schmalsten Stelle einen Strumpfinnendurchmesser von ca. 6 cm bis 20 cm aufweisen. Beispielsweise können die Fixierungseinrichtungen an der Haltevorrichtung so angeordnet sein, dass sie den Abstand der an ihnen nur vordefiniert ausgerichtet anordenbaren Bewegungssensoren in einem vorgegebenen Intervall festlegen. Beispielsweise kann eine Haltevorrichtung dazu ausgebildet sein, diesen Abstand auf einen Wert in einem Intervall festzulegen, das zwischen 10 cm und 50 cm liegt. Beispielsweise kann eine Haltevorrichtung speziell für ein Bein ausgebildet sein und den Abstand auf einen Wert in einem Intervall zwischen 10 cm und 15 cm festlegen. Beispielsweise kann eine Haltevorrichtung speziell auf einen Arm ausgerichtet sein und den Abstand auf einen Wert in einem Intervall zwischen 5 cm und 20 cm festlegen. Besonders bevorzugt ist die Haltevorrichtung als einstückig um ein Gelenk zu montierende Einheit ausgebildet. Die Haltevorrichtung ist somit so ausgebildet, dass sie in ihrer Funktionsposition, in der sie an den beiden Körperteilen anliegt und Messwerte durch die Bewegungssensoren erfindungsgemäß ausgegeben werden, einstückig ausgebildet ist an den beiden Körperteilen, die das Gelenk verbindet, und insbesondere dem Gelenk, anliegt. Die einstückige Ausgestaltung kann den Vorteil mit sich bringen, dass die relative Lage der Bewegungssensoren besonders eindeutig zueinander festgelegt ist und somit Bewegungsdaten besonders präzise bestimmt werden können.
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Die Erfindung betrifft ferner ein System, das eine erfindungsgemäße Einrichtung umfasst, wobei das System eine Kalibrierauflage zum Auflegen des Gelenks und/oder der beiden Körperteile zum Kalibrieren der Ausgangswerte der Bewegungssensoren umfasst. Durch das erfindungsgemäße System mit der Kalibrierauflage kann sichergestellt sein, dass das Gelenk und die durch das Gelenk verbundenen Körperteile zum Startzeitpunkt der Messung durch die Einrichtung, d. h. bei dem Festlegen der Ausgangswerte, über die Kalibrierauflage eine vordefinierte Position aufweisen. Ausgehend von dieser über die Kalibrierauflage vordefinierten Position der Körperteile und damit vordefinierten Ausgangswerte können dann Bewegungsdaten der Bewegungssensoren ermittelt werden, die die Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren und/oder Absolut-Bewegung der Bewegungssensoren ausgehend von den Ausgangswerten wiedergeben. Die Kalibrierauflage ermöglicht somit das Durchführen von Messungen mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung mit vordefinierten Ausgangsbedingungen. Dies kann beispielsweise dafür vorteilhaft sein, Bewegungseigenschaften eines Gelenks, das sich in einem Heilungsprozess befindet, wie beispielsweise nach einer Operation, mit Bewegungseigenschaften eines gesunden Gelenks zu vergleichen. Beispielsweise kann über die erfindungsgemäße Einrichtung mittels des erfindungsgemäßen Systems mit der Kalibrierauflage ausgehend von der Kalibrierauflage eine Messung durchgeführt werden zum Ermitteln der Bewegungsdaten eines gesunden Gelenks und sodann die gleiche Messung ausgehend von derselben Kalibrierauflage an dem Gelenk in dem Heilungsprozess durchgeführt werden zum Messen der Bewegungsdaten dieses Gelenks, wonach dann dieses Gelenk in der Heilungsphase mit dem gesunden Gelenk verglichen werden kann, wodurch medizinisch auswertbare Informationen bereitgestellt werden können, um den Zustand des Gelenks im Heilungsprozess relativ zu dem gesunden Gelenk charakterisieren zu können. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße System dazu verwendet werden, dass in einem ersten Schritt die beiden Körperteile an einem gesunden Gelenk auf einen maximalen Winkel zueinander, beispielsweise 180º, gestreckt werden und sodann der Verkippwinkel der Achsen der Bewegungssensoren bei dieser maximalen Streckung bestimmt wird, wonach dann in einem zweiten Schritt das gesunde Gelenk und/oder die beiden Körperteile auf die Kalibrierauflage aufgelegt werden und sodann der Verkippwinkel in dieser Position bestimmt wird und eine Differenz der beiden genannten Verkippwinkel gebildet wird, wonach dann ein analoges Gelenk, das sich im Heilungsprozess befindet, und/oder die dadurch verbundenen Körperteile auf die Kalibrierauflage aufgelegt werden und durch fortlaufende Messung der Verkippwinkel bei Bewegung der Körperteile die Beweglichkeit dieses Gelenks im Vergleich zum gesunden analogen Gelenk bestimmt werden kann.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Ermitteln von Bewegungseigenschaften eines Gelenks, das zwei Körperteile miteinander verbindet, wobei in einem ersten Schritt eine Haltevorrichtung, an der zumindest zwei Bewegungssensoren angeordnet sind, so an den beiden Körperteilen angebracht wird, insbesondere an einem Gelenk und den beiden Körperteilen, dass das Gelenk zwischen den beiden Bewegungssensoren angeordnet ist, wobei in einem zweiten Schritt unter Betätigung des Gelenks Messwerte aus den Bewegungssensoren ausgelesen und Bewegungsdaten der Bewegungssensoren bestimmt werden, wobei die Bewegungsdaten die Absolut-Bewegungen der Bewegungssensoren und/oder eine Relativ-Bewegung der Bewegungssensoren zueinander umfassen, wobei insbesondere in drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen, d. h. dreidimensional, die Bewegungsdaten ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung beschriebenen Vorteile auf und kann vorteilhafte Ausgestaltungen aufweisen, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung oben beschrieben wurden. Beispielsweise kann ein jeder Bewegungssensor an jeweils einem Körperteil über die Haltevorrichtung positionsfest angeordnet werden, so dass über die Bewegungsdaten der Bewegungssensoren eindeutig Bewegungsdaten der Körperteile bestimmt werden können, woraus dann durch medizinische Analyse Bewegungseigenschaften eines Gelenks bestimmt werden können. Beispielsweise können die Bewegungsdaten wie oben beschriebene Daten umfassen. Beispielsweise kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zeitdauer von Bewegungen, die Geschwindigkeit von Bewegungen sowie ein maximaler Verkippwinkel der beiden Bewegungssensoren zueinander und somit ein maximaler Beuge- und/oder Streckwinkel des Gelenks bestimmt werden.
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Beispielsweise können in einem Zwischenschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt an einem Startzeitpunkt aus den Bewegungssensoren Messwerte ausgelesen und als Ausgangswerte bestimmt werden, wonach dann während des zweiten Schritts die Absolut-Bewegungen und/oder Relativ-Bewegungen der Bewegungssensoren ausgehend von den Ausgangswerten bestimmt werden. Beispielsweise können in einem Zwischenschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt die Bewegungssensoren zueinander ausgerichtet werden, wonach jeder der Bewegungssensoren positionsfest an jeweils einem der Körperteile fixiert wird, wonach an einem Startzeitpunkt aus den ausgerichteten Bewegungssensoren Messwerte als Ausgangswerte ausgelesen werden und danach insbesondere während des zweiten Schritts die Absolut-Bewegungen und/oder Relativ-Bewegungen der Bewegungssensoren ausgehend von den Ausgangswerten bestimmt werden.
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Insbesondere kann während des Zwischenschritts das Gelenk und/oder die Körperteile an eine Kalibrierauflage angelegt werden, während die Ausgangswerte ermittelt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren als eine Verfahrensserie durchgeführt werden, wobei in einem ersten Teil der Verfahrensserie die beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte an einem gesunden Gelenk und in einem zweiten Teil der Verfahrensserie an einem analogen Gelenk durchgeführt werden, das sich in einem Heilungsprozess befindet. Ein analoges Gelenk kann dabei ein Gelenk des gleichen Typus, d. h. mit vergleichbaren Eigenschaften, sein. Beispielsweise kann das linke Kniegelenk gesund sein und das rechte Kniegelenk sich in einem Heilungsprozess befinden und ein analoges Gelenk zum linken Kniegelenk sein. Dies kann entsprechend für rechtes und linkes Ellenbogengelenk oder rechtes und linkes Handgelenk oder rechte und linke Schulter gelten. Durch eine erfindungsgemäße Verfahrensserie kann der Heilungsprozess eines Gelenks besonders gut charakterisiert werden, da als Referenzwerte für die Charakterisierung der Bewegungseigenschaften des Gelenks im Heilungsprozess die Werte zu den Bewegungseigenschaften des analogen Gelenks derselben Person verwendet werden, so dass der Zustand des Gelenks im Heilungsprozess sinnvoll bestimmt werden kann.
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Beispielsweise können während der Durchführung des zweiten Schritts Bewegungsdaten der beiden Bewegungssensoren ausgehend von dem Startzeitpunkt über einen vorbestimmten Zeitraum ermittelt werden und als ein Bewegungsablauf aufgezeichnet werden, wobei insbesondere eine Soll-Bewegung vorgegeben wird und die beiden über das Gelenk verbundenen Körperteile eine vorgegebene Soll-Bewegung ausführen, wobei die Soll-Bewegung insbesondere ausgehend von der Anlage des Gelenks an die Kalibrierauflage aus startet.
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Vorzugsweise wird einem bestimmten Bewegungsablauf eine bestimmte Uhrzeit, insbesondere umfassend Datum und Tagesuhrzeit, zugeordnet. Insbesondere können aus dem Bewegungsablauf charakteristische Bewegungswerte ermittelt werden und insbesondere die Entwicklung der charakteristischen Bewegungswerte in Abhängigkeit von der Uhrzeit dargestellt werden. Dadurch kann der Heilungsprozess eines Gelenks besonders gut nachverfolgt werden. Insbesondere kann dadurch der Heilungsprozess eines Gelenks in Relation gesetzt werden zu Heilungsprozessen von Gelenken anderer Patienten, wodurch der Heilungsprozess sinnvoll bewertet werden kann und ein Patient zum Durchführen von Übungen zum Verbessern des Heilungsprozesses angeregt werden kann. Beispielsweise können die Bewegungsdaten oder der Bewegungsablauf oder charakteristische Bewegungswerte zusammen mit einer ihr zugeordneten Soll-Bewegung, einer ihr zugeordneten Uhrzeit und/oder einer Identifikation des Gelenks, an dem sie ermittelt wurden, abgespeichert werden. Dies kann die Auswertung der ermittelten Daten vereinfachen und insbesondere das Vergleichen von den Daten, die an unterschiedlichen Gelenken oder Gelenken unterschiedlicher Personen gewonnen wurden, ermöglichen, was die oben genannten Vorteile mit sich bringen kann, insbesondere die erhöhte Motivation eines Patienten, die Bewegungseigenschaften seines Gelenks durch Übungen zu verbessern, um im Vergleich mit anderen gute Bewegungseigenschaften seines Gelenks aufweisen zu können.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zumindest einige der ermittelten Bewegungsdaten, des ermittelten Bewegungsablaufs und/oder der ermittelten charakteristischen Bewegungswerte als Daten auf einen Server hochgeladen zum Mitteilen dieser Daten an Dritte, wobei insbesondere die Bewegungsdaten, der Bewegungsablauf und/oder die charakteristischen Bewegungswerte in einem geschützten persönlichen Account auf dem Server abgelegt werden. Beispielsweise können auf den persönlichen Account Zugriffsrechte für ausgewählte Dritte eingeräumt werden, damit ein Patient mit ausgewählten Dritten die Daten zum Charakterisieren der Bewegungseigenschaften seines Gelenks teilen kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: in einer Prinzipdarstellung das schematische Grundprinzip einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
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2: in einer Prinzipdarstellung ein Anwendungsbeispiel einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung;
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3: Skizzen zu Bewegungen eines Kniegelenks und schematische Darstellungen von Daten, die während der Bewegungen mittels einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung ermittelt wurden;
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4: Skizzen zu Bewegungen eines Kniegelenks und schematische Darstellungen von Daten, die während der Bewegungen mittels einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung ermittelt wurden;
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5: Skizzen zu Bewegungen eines Kniegelenks und schematische Darstellungen von Daten, die während der Bewegungen mittels einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung ermittelt wurden.
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In 1 ist das Grundprinzip einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Prinzipdarstellung schematisch dargestellt. Dabei sind ein Gelenk 1 sowie zwei Körperteile 2, 3 dargestellt, die über das Gelenk 1 miteinander verbunden sind. An dem ersten Körperteil 2 ist ein erster Bewegungssensor 4 über eine nicht dargestellte Haltevorrichtung positionsfest angeordnet. An dem zweiten Körperteil 3 ist über die nicht dargestellte Haltevorrichtung ein zweiter Bewegungssensor 5 positionsfest angeordnet. Der erste Bewegungssensor 4 weist eine ihm zugeordnete Achse 40 auf, und der zweite Bewegungssensor 5 weist eine ihm zugeordnete Achse 50 auf. In 1 ist mit durchgezogenen Linien eine Ausgangsposition der beiden Körperteile 2, 3 mit dem Gelenk 1 und den Bewegungssensoren 4, 5 dargestellt. Mit einer gestrichelten Linie ist eine Bewegung des zweiten Körperteils 3 relativ zum ersten Körperteil 2 um eine Rotationsachse dargestellt, die durch das Gelenk 1 verläuft und in der in 1 dargestellten Richtung Z verläuft. Während der Bewegungssensor 4 seine Position bei der beschriebenen Bewegung des zweiten Körperteils 3 beibehält, verändert der Bewegungssensor 5 wie auch das Körperteil 3 seine Position, wodurch die Achse 50 des zweiten Bewegungssensors 5 relativ zur Achse 40 des ersten Bewegungssensors 4 um einen Winkel α verkippt wird, da sich die Winkellage der Achse 50 verändert. Aus der Veränderung der Winkellage der Achsen 40, 50 der beiden Bewegungssensoren 4, 5, die vorliegend ausschließlich aus einer Veränderung der Winkellage der Achse 50 des Bewegungssensors 5 besteht, lässt sich ein Verkippwinkel zwischen den Bewegungssensoren 4, 5 ermitteln, der den Verkippwinkel zwischen den Körperteilen 2, 3 wiederspiegelt.
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Aus 1 ist somit erkennbar, dass die erfindungsgemäße Einrichtung zum Ermitteln von Daten zum Charakterisieren von Bewegungseigenschaften eines Gelenks geeignet ist.
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In 2 ist eine Anwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung schematisch dargestellt. Dabei ist schematisch ein Ausschnitt von dem Leib 10 eines Menschen dargestellt sowie der Oberschenkel 2 und der Unterschenkel 3, die die beiden Körperteile bilden, die über das Kniegelenk 1 miteinander verbunden sind. In 2a sind das Kniegelenk 1 sowie die Körperteile 2, 3 an eine Kalibrierauflage 6 angelegt. Die Bewegungssensoren 4, 5 sind über eine Haltevorrichtung 7, die vorliegend als Überziehstrumpf ausgebildet ist, mit den Körperteilen 2, 3 positionsfest verbunden, indem die Bewegungssensoren 4, 5 auf Aufnähtaschen angeordnet sind, die fest an den Überziehstrumpf angenäht sind. Bei der Position gemäß 2a wird die Messung mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung gestartet, wobei zum Startzeitpunkt Messwerte aus den Bewegungssensoren 4, 5 ausgelesen werden, die die Winkellage der Achsen 40, 50 der beiden Bewegungssensoren 4, 5 charakterisieren. Diese Messwerte werden als Ausgangswerte festgelegt. Sodann wird der Patient aufgefordert, sein Bein maximal zu strecken (siehe 2b) und maximal zu beugen (siehe 2c). Dabei werden während eines Messzeitraums fortlaufend Bewegungsdaten aus den Bewegungssensoren 4, 5 betreffend die Winkellage ihrer Achsen 40, 50 ausgelesen und als ein Bewegungsablauf in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Sodann werden aus dem Bewegungsablauf die Maxima mit Bezug auf den relativen Winkel ermittelt, den die Achsen 40, 50, die über ihre Winkellage als Messwerte definiert sind, miteinander einschließen. Sodann kann ein maximaler Beugewinkel sowie ein maximaler Streckwinkel aus den Maxima dieses Bewegungsablaufs ermittelt werden. Dieser maximale Beuge- und Streckwinkel kann eindeutig Bewegungseigenschaften des Kniegelenks 1 charakterisieren.
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Aus diesen charakteristischen Bewegungseigenschaften kann ein Mediziner beispielsweise Rückschlüsse über den Heilungsfortschritt bei einem Kniegelenk 1 ziehen, da Beuge- und Streckwinkel maßgeblich relevante Eigenschaften eines Kniegelenks 1 darstellen.
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In den 3 bis 5 sind beispielhaft schematisch verschiedene Bewegungen eines Kniegelenks 1, das zwei Körperteile 2, 3, nämlich Ober- und Unterschenkel, miteinander verbindet, zusammen mit Messwerten bzw. Bewegungsdaten bzw. Bewegungsabläufen, die während der Bewegungsabläufe des Knies 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung ermittelt werden, dargestellt.
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In 3 ist eine Bewegung des Knies 1 dargestellt, der einer Kniebeuge entspricht. Die verwendete erfindungsgemäße Einrichtung umfasst zwei Bewegungssensoren 4, 5, die wie in 2 dargestellt an den Körperteilen 2, 3 mittels der Haltevorrichtung 7 positionsfest fixiert sind. Die Einrichtung ist über einen Aktivierungsschalter aktivierbar. Nach Aktivierung der Einrichtung geben die Bewegungssensoren 4, 5 der Einrichtung fortlaufend Messwerte mit Bezug auf die Beschleunigung in den drei Raumrichtungen x, y, z und Messwerte mit Bezug auf die Winkellage ihrer Achse aus. Die verwendete erfindungsgemäße Einrichtung umfasst eine Ausleseeinheit, die aus den Messwerten betreffend die Winkellage der Bewegungssensoren einen Verkippwinkel Δσ zwischen den Achsen der Bewegungssensoren ermittelt. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden zunächst nach Aktivierung der Einrichtung bei der stehenden Person, an deren Körperteile 2, 3 die Bewegungssensoren 4, 5 angeordnet sind, Messwerte betreffend die Winkellage aus den Bewegungssensoren 4, 5 ausgelesen und als Ausgangswerte festgelegt. Der Verkippwinkel Δσ wird dann ausgehend von diesen Ausgangswerten während der Durchführung der Kniebeuge fortlaufend ermittelt. Der Verlauf des Verkippwinkels Δσ ist in 3 schematisch dargestellt. In der Einrichtung ist ferner ein Grenzwert Δσ' festgelegt.
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In 3 sind ferner Beschleunigungswerte z mit Bezug auf die Bewegungsrichtung entlang der Achse z dargestellt, die aus dem Bewegungssensor 4 ausgelesen werden, der an dem Oberschenkel 2 angeordnet ist. Die Bewegungsrichtung entlang der Achse z ist eine Bewegungsrichtung, die parallel zur Rotationsachse verläuft, um die die Körperteile 2, 3 während einer Kniebeuge rotieren. Aus diesen Beschleunigungswerten z können Informationen zu der Stabilität des Knies 1 gewonnen werden.
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Die verwendete Einrichtung ist so ausgebildet, dass nach der Aktivierung der Einrichtung und dem Festlegen der Ausgangswerte mit Bezug auf die Winkellage der Bewegungssensoren 4, 5 ein bestimmter Zeitraum dadurch festgelegt wird, dass als Startzeitpunkt des Zeitraums der Zeitpunkt gewählt wird, an dem der vorgegebene Verkippwinkel Δσ' überschritten wird, und als Ende des Zeitraums der Zeitpunkt, an dem der vorgegebene Verkippwinkel Δσ' wieder unterschritten wird. Die Einrichtung liest während dieses bestimmten Zeitraums die Messwerte mit Bezug auf die Beschleunigung entlang der Bewegungsrichtung parallel zur Achse z aus und speichert den zeitabhängigen Verlauf dieser Beschleunigungswerte z ab. Diese Daten spiegeln somit die „Wackelbewegung“ des Oberschenkels 2 entlang der Rotationsachse wieder, wenn die Schenkel bzw. Körperteile 2, 3 stark zueinander gebeugt sind und das Knie 1 somit stark belastet ist. Über die Festlegung des Zeitraums mittels Daten zu den Verkippwinkel, die aus Messwerten betreffend die Winkellage der Achsen der Bewegungssensoren selbst unmittelbar gewonnen werden, kann somit eine Messung zum Ermitteln von Bewegungsdaten zur Bestimmung der Stabilität des Knies genau korreliert mit einer tatsächlich durchgeführten Bewegung erfolgen.
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In 4 ist die Bewegung bei einem Sprung zusammen mit aus den Bewegungssensoren 4, 5 ausgelesenen Messwerten bzw. ermittelten Bewegungsdaten bzw. ermittelten Bewegungsabläufen schematisch dargestellt. Die Stabilität eines Knies 1 kann beispielsweise besonders gut anhand eines Ein-Bein-Sprungs ermittelt werden, wenn während des Sprungs mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung entsprechende Messwerte bzw. Bewegungsdaten bzw. ein Bewegungsablauf ermittelt werden. In 4 ist zum einen der Verlauf der Beschleunigungswerte y einer Bewegung entlang der Achse y, und somit in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Vertikalen, in Abhängigkeit von der Zeit schematisch dargestellt. Dieser Verlauf kann beispielsweise aus einem der Bewegungssensoren ausgelesen werden und somit die Beschleunigungswerte y entlang der Achse y dieses Bewegungssensors wiederspiegeln. Aus den Beschleunigungswerten y entlang der Achse y lässt sich der Zeitpunkt des Absprungs, des Flugs und des Aufkommens eindeutig bestimmen. Als Zeitpunkt des Aufkommens wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Minimum der Verlaufskurve der Beschleunigungswerte y entlang der Achse y definiert, da hier der Beschleunigungssensor eine Beschleunigung in der Vertikalen nach oben hin erfährt. In anderen Ausführungsbeispielen sind auch andere Definitionen zum Ermitteln der Zeitpunkte für den Absprung, den Flug und das Aufkommen möglich, beispielsweise über Festlegung von Geschwindigkeits-Schwellwerten, wobei die Geschwindigkeit über das Integral des Verlaufs der Beschleunigung bestimmt werden kann.
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In 4 ist ferner der Verlauf der Beschleunigungswerte einer Bewegung entlang der Achse z während eines vorbestimmten Zeitraums dargestellt. Die Beschleunigungswerte z werden aus einem der beiden Bewegungssensoren 4, 5 der Einrichtung ermittelt. Die Beschleunigung verläuft entlang der Achse z und somit parallel zur Rotationsachse des Knies. Wie oben erläutert lassen sich aus diesen Beschleunigungswerten z entlang der Rotationsachse bzw. entlang der Achse z Informationen bezüglich der Stabilität des Knies 1 gewinnen. Der Startzeitpunkt des vorbestimmten Zeitraums ist durch das Erreichen des ersten Maximums nach dem ersten Minimum der Verlaufskurve der Beschleunigungswerte y in Richtung der Achse y definiert. Das Ende des vorbestimmten Zeitraums ist durch die Länge eines festgelegten Zeitintervalls, vorliegend von vier Sekunden, nach dem Startzeitpunkt definiert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 werden Messwerte zum Bestimmen der Stabilität des Knies 1 somit während eines vorbestimmten Zeitraums ermittelt, der determiniert kurz nach der Landung einer Person liegt und während dessen besonders hohe Anforderungen an das Knie gestellt werden bzw. das Knie besonders stark belastet ist, da eine Person während dieses Zeitraums ihr Gleichgewicht sucht. Aus dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird somit ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Einrichtung dazu geeignet ist, Messwerte zum Ermitteln von Daten zu Bewegungen eines Gelenks zu ermitteln, die mit einer von dem Gelenk tatsächlich ausgeführten Bewegung direkt korrelieren.
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In 5 ist eine Bewegung während eines Sprungs gemäß 4 schematisch dargestellt sowie Messwerte, die mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung während eines solchen Sprungs gewonnen werden können. Die hierbei verwendete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung umfasst einen Drucksensor, der an der Fußsohle einer Person angeordnet ist. Nach Aktivierung der Einrichtung wird der Drucksensor fortlaufend ausgelesen, so dass die in 5 dargestellten Werte für den Druck p in Abhängigkeit von der Zeit ausgelesen werden können. Aus 5 ist ersichtlich, dass der Druck bei einer stehenden Person im Wesentlichen konstant ist und bei dem Absprung ansteigt, während des Flugs stark absinkt und bei dem Landen sprunghaft ansteigt und danach auf einen konstanten Wert absinkt. Aus den Werten für den Druck, der aus dem Drucksensor ausgelesen wird, lässt sich somit unmittelbar der zeitliche Verlauf eines Sprungs ablesen.
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Wie zu 4 erläutert werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung außerdem aus einem der beiden Bewegungssensoren 4, 5 Beschleunigungswerte z betreffend eine Bewegung entlang der Achse z, und damit entlang der Rotationsachse des Knies 1, während eines vorbestimmten Zeitraums ausgelesen. Der Startzeitpunkt des Zeitraums ist durch das abrupte Ansteigen des Drucks definiert, das Ende des Zeitraums durch den Ablauf von einem vorab festgelegten Zeitintervall nach dem Startzeitpunkt, vorliegend von vier Sekunden. Somit ermöglicht auch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung gemäß 5 eine Bestimmung der Stabilität eines Knies 1 in einem festgelegtem Belastungszustand, da die Beschleunigungswerte z betreffend eine Bewegung entlang der Achse z während eines Zeitraums ausgelesen und abgespeichert werden, der unmittelbar mit dem Bewegungsablauf bei der Durchführung des Ein-Bein-Sprungs korreliert und vorliegend unmittelbar im zeitlichen Anschluss an das Aufkommen einer Person auf dem Boden nach dem Ein-Bein-Sprung liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gelenk
- 2
- erstes Körperteil
- 3
- zweites Körperteil
- 4
- erster Bewegungssensor
- 5
- zweiter Bewegungssensor
- 6
- Kalibrierauflage
- 7
- Haltevorrichtung
- 10
- Leib
- 40
- Achse
- 50
- Achse
- x, y, z
- Raumrichtung
- y .., z
- Beschleunigungswert
- Δσ
- Verkippwinkel
- Δσ'
- Grenzwert
- p
- Druck
- t
- Zeit
