DE102017217905A1 - Orthosis or prosthesis system and method for orthosis or prosthesis control or regulation - Google Patents
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Abstract
Ein Orthesen- oder Prothesen-System 1 weist wenigstens eine Orthese oder Prothese, wenigstens ein Paar von Elektroden 5, 5', welche zur Kontaktierung des Körpers des Nutzers der Orthese oder Prothese vorgesehen sind, zur Erfassung muskelbezogener Signale, wenigstens eine Auswerteeinheit für das von dem wenigstens einen Elektrodenpaar 5, 5' erfasste wenigstens eine muskelbezogene Signal, wenigstens einen Aktor 6 zur Bewegung der wenigstens einen Orthese oder Prothese und wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung des wenigstens einen Aktors 6 auf.
Das wenigstens eine Elektrodenpaar 5, 5' ist dazu eingerichtet, gleichzeitig wenigstens zwei verschiedene muskelbezogene Signale zu erfassen, insbesondere ein Bioimpedanz-Signal und ein Elektromyografie-Signal. Außerdem ist die wenigstens eine Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die wenigstens zwei verschiedenen muskelbezogenen Signale zu trennen und auszuwerten.
Durch die redundante Erfassung verschiedener muskelbezogener Signale wird die Störanfälligkeit des Orthesen- oder Prothesen-Systems 1 stark verringert.
An orthotic or prosthetic system 1 has at least one orthosis or prosthesis, at least one pair of electrodes 5, 5 ', which are provided for contacting the body of the user of the orthosis or prosthesis, for detecting muscle-related signals, at least one evaluation unit for the the at least one electrode pair 5, 5 'detected at least one muscle-related signal, at least one actuator 6 for moving the at least one orthosis or prosthesis and at least one control unit for controlling the at least one actuator 6.
The at least one electrode pair 5, 5 'is adapted to simultaneously detect at least two different muscle-related signals, in particular a bioimpedance signal and an electromyography signal. In addition, the at least one evaluation unit is set up to separate and evaluate the at least two different muscle-related signals.
Due to the redundant detection of various muscle-related signals, the susceptibility of the orthosis or prosthesis system 1 is greatly reduced.
Description
Die Erfindung betrifft ein Orthesen- oder Prothesen-System und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Orthese oder Prothese durch ein solches System.The invention relates to an orthotic or prosthetic system and a method for controlling an orthosis or prosthesis by such a system.
Eine Orthese im Sinne der Erfindung ist ein Hilfsmittel, das zur Stabilisierung, Entlastung, Ruhigstellung, Führung oder Korrektur eines Körperteils eingesetzt wird. Eine Prothese im Sinne der Erfindung ist ein Hilfsmittel, welches einen Körperteil ersetzt.An orthosis according to the invention is an aid that is used for stabilizing, relieving, immobilizing, guiding or correcting a body part. A prosthesis according to the invention is an aid which replaces a body part.
In der Medizin werden Orthesen und Prothesen somit als ergänzende Hilfsmittel bzw. als Ersatz für Gliedmaßen und Organe eingesetzt. Begrifflich sind Orthesen und Prothesen nicht immer trennbar, zumal einige Orthesen auch ausgefallene Körperfunktionen ersetzen. Daher wird im Folgenden stets von „Orthesen oder Prothesen“ gesprochen. Es ist selbstverständlich möglich, den Erfindungsgegenstand auch nur bei einer Prothese oder nur bei einer Orthese anzuwenden.In medicine, orthoses and prostheses are thus used as supplementary aids or as a replacement for limbs and organs. Conceptually, orthoses and prostheses are not always separable, especially since some orthoses replace unusual body functions. Therefore, in the following always referred to by "orthoses or prostheses". It is of course possible to apply the subject invention only in a prosthesis or only in an orthosis.
Ausgangspunkt für Überlegungen zur Orthesen- oder Prothesensteuerung oder -regelung ist der Wunsch des Nutzers einer Orthese oder Prothese, diese nicht als Nachteil oder Behinderung zu empfinden, sondern im täglichen Gebrauch im Falle einer Orthese als Unterstützung oder Entlastung des zu kontrollierenden Körperteils bzw. im Falle einer Prothese als möglichst vollständigen Ersatz für den fehlenden Körperteil nutzen zu können.The starting point for considerations for Orthesen- or prosthesis control or regulation is the desire of the user of an orthosis or prosthesis to feel this not as a disadvantage or disability, but in daily use in the case of an orthosis as support or relief of the body part to be controlled or in the case To use a prosthesis as the most complete replacement for the missing body part.
Das Orthesen- oder Prothesen-System soll somit die Einschränkungen des Nutzers bestmöglich kompensieren bzw. einen Ersatz schaffen, der Einschränkungen verhindert.The orthosis or prosthesis system is thus intended to compensate for the limitations of the user as best as possible or to create a replacement that prevents restrictions.
Anforderungen an ein Orthesen- oder Prothesen-System sind daher beispielsweise die Erhaltung bzw. Wiederherstellung der motorischen Fähigkeiten des Nutzers sowie die Alltagstauglichkeit. Dabei ermöglichen möglichst viele Bewegungs-Freiheitsgrade dem Nutzer eine besonders gute Kompensation von Einschränkungen.Requirements for an orthotic or prosthetic system are therefore, for example, the preservation or restoration of the motor skills of the user as well as everyday practicality. As many movement degrees of freedom as possible allow the user to compensate particularly well for restrictions.
Bei einem Orthesen- oder Prothesen-System im Sinne der Erfindung wird die Orthese oder Prothese mit einer Sensorik und einer Aktorik kombiniert, welche gemeinsam in einen Steuerungsablauf oder auch in einen Regelkreis eingefügt sein können.In an orthotic or prosthetic system according to the invention, the orthosis or prosthesis is combined with a sensor system and an actuator system, which can be inserted together into a control sequence or into a control loop.
Unter Sensorik und Aktorik wird dabei im üblichen Sinne die Erfassung von Signalen bzw. die Auslösung von Bewegungen durch Signale verstanden.Under sensor technology and actuators is understood in the usual sense, the detection of signals or the triggering of movements by signals.
Zur Steuerung oder Regelung von Orthesen oder Prothesen muss der Wunsch des Nutzers, eine Bewegung vorzunehmen, möglichst schnell und zuverlässig ermittelt werden. Dies geschieht üblicherweise durch die Erfassung von muskelbezogenen Signalen. Unter muskelbezogenen Signalen werden dabei, insbesondere elektrische, Signale verstanden, die sich auf einen Zustand eines Muskels beziehen, insbesondere auf die Stärke und/oder Richtung der Kontraktion des Muskels oder auf die Richtung und/oder Geschwindigkeit der Bewegung des Muskels.To control or regulate orthoses or prostheses, the user's desire to make a movement must be determined as quickly and reliably as possible. This is usually done by detecting muscle related signals. In this context, muscle-related signals, in particular electric signals, are understood to mean signals relating to a condition of a muscle, in particular the strength and / or direction of the contraction of the muscle or the direction and / or speed of the movement of the muscle.
Von besonderer Wichtigkeit ist dabei die Störsicherheit der erfassten muskelbezogenen Signale, welche für die Regelung verwendet werden, um Fehlfunktionen des Orthesen- oder Prothesen-Systems zu verhindern.Of particular importance is the immunity of the detected muscle-related signals, which are used for the control to prevent malfunction of the orthotic or prosthetic system.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Erfassung von muskelbezogenen Signalen bekannt, die zur Steuerung oder Regelung von Orthesen oder Prothesen eingesetzt werden können:Various methods for detecting muscle-related signals that can be used to control or regulate orthoses or prostheses are known in the prior art:
Die
Eine weitere bekannte Methode zur Detektion von Muskelaktivitäten ist die Mechanomyografie (MMG), bei der die Vibrationen, die bei der Muskelanspannung entstehen, gemessen werden.Another well-known method for detecting muscle activity is mechanomyography (MMG), which measures the vibrations that occur during muscle tension.
Wissenschaftliche Veröffentlichungen zeigen weiterhin, dass auch der Betrag der komplexen elektrischen Bioimpedanz durch Muskelkontraktionen beeinflusst wird (
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Orthesen- oder Prothesen-System und ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Orthese oder Prothese durch ein solches System bereit zu stellen, welches jeweils eine verbesserte Störsicherheit aufweist.The invention has for its object to provide an orthotic or prosthetic system and a method for controlling or regulating an orthosis or prosthesis by such a system, which each has an improved noise immunity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Orthesen- oder Prothesen-System gemäß Anspruch 1 und ein Steuerungs- oder Regelungsverfahren gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.This object is achieved by an orthotic or prosthetic system according to
Das betrachtete Orthesen- oder Prothesen-System weist die folgenden Komponenten auf: wenigstens eine Orthese oder Prothese, wenigstens ein Paar von Elektroden, welche zur Kontaktierung des Körpers des Nutzers der Orthese oder Prothese vorgesehen sind, zur Erfassung muskelbezogener Signale, wenigstens eine Auswerteeinheit für das von dem wenigstens einen Elektrodenpaar erfasste wenigstens eine muskelbezogene Signal, wenigstens einen Aktor zur Bewegung der wenigstens einen Orthese oder Prothese und wenigstens eine Steuereinheit zur Steuerung des wenigstens einen Aktors. The considered orthosis or prosthesis system comprises the following components: at least one orthosis or prosthesis, at least one pair of electrodes, which are provided for contacting the body of the user of the orthosis or prosthesis, for detecting muscle-related signals, at least one evaluation unit for the at least one muscle-related signal from the at least one electrode pair, at least one actuator for moving the at least one orthosis or prosthesis, and at least one control unit for controlling the at least one actuator.
Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Elektrodenpaar dazu eingerichtet, gleichzeitig wenigstens zwei verschiedene muskelbezogene Signale zu erfassen. Außerdem ist die wenigstens eine Auswerteeinheit dazu eingerichtet, die wenigstens zwei verschiedenen muskelbezogenen Signale zu trennen und auszuwerten.According to the invention, the at least one electrode pair is set up to simultaneously detect at least two different muscle-related signals. In addition, the at least one evaluation unit is set up to separate and evaluate the at least two different muscle-related signals.
Es werden also verschiedene muskelbezogene Signale redundant erfasst und ausgewertet. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, wenigstens ein auswertbares Signal zu erhalten, selbst wenn die Erfassung eines anderen oder aller anderen Signale ausfallen sollte. Auf diese Weise wird die Störanfälligkeit des Orthesen- oder Prothesen-Systems stark verringert. Gleichzeitig erfolgt die Erfassung der verschiedenen muskelbezogenen Signale durch dasselbe Elektrodenpaar, wodurch der apparative Aufwand gesenkt wird und sichergestellt ist, dass die Signale am selben Messort erfasst werden und damit auf denselben Muskel bezogen sind.Thus, different muscle-related signals are detected redundantly and evaluated. This increases the likelihood of receiving at least one evaluable signal, even if detection of another or all other signals should fail. In this way, the susceptibility of the orthosis or prosthesis system is greatly reduced. At the same time, the detection of the different muscle-related signals by the same electrode pair, whereby the equipment cost is reduced and it is ensured that the signals are detected at the same location and thus related to the same muscle.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die wenigstens zwei verschiedenen muskelbezogenen Signale wenigstens ein Bioimpedanz-Signal und ein Elektromyografie-Signal. Damit stehen zwei Signale zur Verfügung, aus denen insbesondere die Muskelkontraktion mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.In a preferred embodiment of the invention, the at least two different muscle-related signals are at least one bioimpedance signal and one electromyography signal. Thus, two signals are available from which in particular the muscle contraction can be determined with high accuracy.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das wenigstens eine Elektrodenpaar weiterhin dazu eingerichtet, dem Nutzer der Orthese oder Prothese elektrische Stimulationssignale zuzuführen. Durch die Nutzung desselben Elektrodenpaares wie für die Signalmessungen wird wiederum der apparative Aufwand gesenkt, und es wird sichergestellt, dass die Stimulationssignale genau am Messort der Signalmessungen zugeführt werden und somit im Bereich desselben Muskels erfolgen, auf den auch die Signalmessungen bezogen sind.In a preferred embodiment of the invention, the at least one electrode pair is further adapted to supply electrical stimulation signals to the user of the orthosis or prosthesis. By using the same pair of electrodes as for the signal measurements, the expenditure on equipment is again reduced, and it is ensured that the stimulation signals are fed exactly at the measuring location of the signal measurements and thus take place in the region of the same muscle to which the signal measurements are also related.
In einer bevorzugten Variante dieser Ausführung sind die elektrischen Stimulationssignale dazu eingerichtet, dem Nutzer der Orthese oder Prothese ein Feedback über die Bewegungen und/oder den Zustand der Orthese oder Prothese zu geben. Bewegungs- oder Zustandsparameter, auf die sich das Feedback beziehen kann, sind insbesondere die Geschwindigkeit der Orthese oder Prothese oder die von dieser erzeugte Kraft. Auf diese Weise kann beispielsweise dem Nutzer einer Handprothese mitgeteilt werden, wie kräftig die Prothese zugreift.In a preferred variant of this embodiment, the electrical stimulation signals are set up to give the user of the orthosis or prosthesis feedback about the movements and / or the condition of the orthosis or prosthesis. Movement or state parameters to which the feedback may refer are in particular the speed of the orthosis or prosthesis or the force generated thereby. In this way, for example, the user of a hand prosthesis can be told how strong the prosthesis accesses.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Orthesen- oder Prothesen-System wenigstens zwei Elektrodenpaare zur gleichzeitigen Erfassung von jeweils wenigstens zwei verschiedenen muskelbezogenen Signalen an verschiedenen Stellen des Körpers des Nutzers der Orthese oder Prothese auf. Weiter vorzugsweise weist das System ein Elektroden-Array aus einer Vielzahl von Elektrodenpaaren auf. Dadurch ist eine örtlich verteilte Messung der verschiedenen muskelbezogenen Signale und somit eine geometrische Auflösung der jeweiligen Messsignale möglich.In a further preferred embodiment of the invention, the orthosis or prosthesis system has at least two electrode pairs for the simultaneous detection of at least two different muscle-related signals at different points of the body of the user of the orthosis or prosthesis. Further preferably, the system comprises an electrode array of a plurality of electrode pairs. As a result, a locally distributed measurement of the various muscle-related signals and thus a geometric resolution of the respective measurement signals is possible.
Bei den Elektrodenpaaren handelt es sich vorzugsweise um Paare von Elektroden für Bioimpedanz-und EMG-Signale, aber auch um Paare von Elektroden für andere muskelbezogene Signale, insbesondere für Mechanomyografie-(MMG)-Signale.The pairs of electrodes are preferably pairs of electrodes for bioimpedance and EMG signals, but also pairs of electrodes for other muscle-related signals, in particular for mechanomyography (MMG) signals.
Das erfindungsgemäße Orthesen- oder Prothesen-System ist damit einfach, kompakt und im Aufbau konstruktiv variabel an die Aufgabenstellungen anpassbar. Auch eine modulare Nachrüstung bestehender Orthesen- oder Prothesen-Systeme ist möglich.The orthotic or prosthetic system according to the invention is thus simple, compact and structurally variable in design to the tasks adaptable. Modular retrofitting of existing orthotic or prosthetic systems is also possible.
Damit ist das erfindungsgemäße Orthesen- oder Prothesen-System für die unterschiedlichsten Anwendungen in der Medizintechnik einsetzbar.Thus, the orthotic or prosthetic system according to the invention can be used for a wide variety of applications in medical technology.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung eine Verbesserung der Störsicherheit der Orthesen- oder Prothesensteuerung durch eine redundante Erfassung wenigstens zweier verschiedener muskelbezogener Signale, insbesondere eines Bioimpedanz-Signals und eines Elektromyografie-Signals. Da die Erfassung der beiden Signale durch dasselbe Elektrodenpaar erfolgt, wird der apparative Aufwand verringert, und es ist sichergestellt, dass die beiden Signale genau am selben Ort gemessen werden.In particular, the invention makes it possible to improve the interference resistance of the orthotic or prosthetic control by redundantly detecting at least two different muscle-related signals, in particular a bioimpedance signal and an electromyography signal. Since the detection of the two signals by the same electrode pair, the equipment cost is reduced, and it is ensured that the two signals are measured at exactly the same place.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Orthese oder Prothese durch ein erfindungsgemäßes Orthesen- oder Prothesen-System werden wenigstens zwei verschiedene muskelbezogene Signale durch das wenigstens eine Elektrodenpaar erfasst und durch die wenigstens eine Auswerteeinheit getrennt und ausgewertet. Außerdem werden der wenigstens eine Aktor in Abhängigkeit des Ergebnisses der Auswertung der wenigstens zwei verschiedenen muskelbezogenen Signale gesteuert und die Orthese oder Prothese durch den wenigstens einen Aktor bewegt.In a method according to the invention for controlling or regulating an orthosis or prosthesis by means of an orthotic or prosthetic system according to the invention, at least two different muscle-related signals are detected by the at least one electrode pair and separated and evaluated by the at least one evaluation unit. In addition, the at least one actuator is controlled as a function of the result of the evaluation of the at least two different muscle-related signals and the orthosis or prosthesis is moved by the at least one actuator.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine schnelle und einfache Signalverarbeitung für ein erfindungsgemäßes Orthesen- oder Prothesen-System bereitgestellt. The method according to the invention provides rapid and simple signal processing for an orthotic or prosthetic system according to the invention.
Weitere Vorteile der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen sind:
- - Kostengünstiges System
- - Signifikante Erhöhung der Messsicherheit von Muskelkontraktionen und bessere Erkennung des Nutzerwunsches nach einer Prothesenbewegung
- - Hohe geometrische Auflösung durch Elektrodenarray
- - Geringe Anzahl von Elektroden notwendig
- - Hohe Messgenauigkeit
- - Ermöglichung mehrerer Bewegungs-Freiheitsgrade
- - Benutzerfreundlichkeit, sehr geringe Benutzerbeeinträchtigung
- - Die Messung von EMG-Signal und Bioimpedanz-Spannungssignal mit einem gemeinsamen Messkanal spart einen ADC-Kanal ein und reduziert die Anzahl der benötigten Elektroden und Kabelverbindungen.
- - Die Messung von EMG-Signal und Bioimpedanz-Spannungssignal mit einem gemeinsamen Messkanal stellt automatisch die Synchronizität beider Signale zueinander sicher.
- - Zeitgleiche Messung von EMG und Bioimpedanz am selben Messort.
- - Cost-effective system
- Significant increase in the measurement reliability of muscle contractions and better recognition of the user's request after a prosthesis movement
- - High geometric resolution through electrode array
- - Small number of electrodes necessary
- - High measuring accuracy
- - Enabling multiple degrees of freedom of movement
- - Ease of use, very little user impairment
- - Measurement of EMG signal and bioimpedance voltage signal with a common measurement channel saves an ADC channel and reduces the number of electrodes and cable connections required.
- - The measurement of EMG signal and bioimpedance voltage signal with a common measuring channel automatically ensures the synchronicity of both signals to each other.
- - Simultaneous measurement of EMG and bioimpedance at the same site.
Die folgenden weiteren Ausgestaltungen bzw. Erweiterungen der Erfindung sind möglich:
- - Mehrkanalmessung unter Verwendung von Elektrodenarrays. Dadurch kann neben der Erhöhung der geometrischen Auflösung auch die Anisotropie (längs und quer zu den Muskelfasern) der Bioimpedanz als Information genutzt werden.
- - Als Feedback kann auch ein mechanischer Aktuator verwendet werden, welcher im Elektrodensatz integriert ist.
- - Artefakterkennung mittels Bewegungssensoren (Beschleunigung, Drehrate, o.ä.).
- - Ultraschallsensoren können zur weiteren Informationsgewinnung über den Muskelzustand genutzt werden.
- - Kapazitive Sensoren können zur weiteren Informationsgewinnung über den Muskelzustand genutzt werden.
- - Die Kombination aus EMG und Bioimpedanz ermöglicht auch quantitative Bewegungsanalysen.
- - Der Einfluss der Muskulatur auf elektromagnetische Felder kann zur weiteren Informationsgewinnung über den Muskelzustand genutzt werden.
- - Eine mechanische Anregung der Muskeln und das Messen von deren Reaktion können Informationen über die Steifigkeit des Muskels liefern. Aus dieser kann geschlossen werden, ob der Muskel angespannt oder entspannt ist.
- - Die geometrische Verformung der Muskelregion kann durch Abstandsmessungen bestimmt werden.
- - Denkbar ist auch ein Strumpf mit Druckkammern oder Dehnungsmesstreifen.
- - Aus dem Bioimpedanzsignal kann auch die arterielle Pulswelle extrahiert werden. Diese liefert Informationen über Herzschlagfrequenz, Herzschlagfrequenz-Variabilität, arterielle Gefäßsteifigkeit und Atemfrequenz.
- - Mittels Bioimpedanzmessung kann auch die Elektrode-Haut-Impedanz gemessen werden. Diese enthält Informationen über Schweißbildung und Stress sowie über Elektrodenprobleme.
- - Der Messort, an dem die Muskelkontraktionen gemessen werden, ist nicht unbedingt auch der Ort der Prothese. Andere Muskelgruppen können auch zur Steuerung einer Prothese eingesetzt und die Messergebnisse vorzugsweise drahtlos an die Prothese übertragen werden.
- - Weitere Sensorik kann genutzt werden, um Umgebungs- und Situationsbedingungen in das System einfließen zu lassen, insbesondere Beschleunigungssensoren zur Erkennung von Extremitätenlagen (z. B. Arm oben, unten, horizontal ausgestreckt). Denkbar sind außerdem Abstandsmessungen zu Bezugspunkten. Bewegen sich zum Beispiel zwei Beinprothesen voneinander weg, so ist es sehr wahrscheinlich, dass ein Schritt durchgeführt werden soll. Nähert sich eine Handprothese der Hosentasche, so soll vermutlich die Hand geöffnet werden.
- - Das elektrische Aufladen der Prothesen-Batterie könnte drahtlos, insbesondere induktiv, geschehen, wie es bereits von Mobiltelefonen bekannt ist. Die benötigte elektrische Energie müsste somit nicht in schweren Akkus in der Prothese getragen werden, sondern könnte beispielsweise in der Hosentasche oder am Gürtel mitgetragen werden.
- - Die Erfindung kann als Multi-Sensor aufgefasst werden, welcher nicht zwangsmäßig mit einer Prothese kombiniert sein muss.
- - Die Signalverarbeitung und -auswertung können auch an einem anderen Ort durchgeführt werden.
- - Das System kann selbstständig kommunizieren („Internet der Dinge“).
- Multi-channel measurement using electrode arrays. As a result, in addition to increasing the geometric resolution, the anisotropy (longitudinal and transverse to the muscle fibers) of the bioimpedance can also be used as information.
- - As feedback, a mechanical actuator can be used, which is integrated in the electrode set.
- - Artifact detection by means of motion sensors (acceleration, rate of rotation, etc.).
- - Ultrasonic sensors can be used to further gain information about the muscle state.
- - Capacitive sensors can be used to further gain information about the muscle state.
- - The combination of EMG and bioimpedance also allows quantitative motion analysis.
- - The influence of the musculature on electromagnetic fields can be used to further gain information about the muscle state.
- - Mechanical stimulation of the muscles and measuring their response can provide information about the stiffness of the muscle. From this it can be concluded whether the muscle is tense or relaxed.
- - The geometric deformation of the muscle region can be determined by distance measurements.
- - Also conceivable is a stocking with pressure chambers or strain gauges.
- The arterial pulse wave can also be extracted from the bioimpedance signal. This provides information on heart rate, heart rate variability, arterial vascular stiffness and respiratory rate.
- Bioimpedance measurement can also be used to measure the electrode-skin impedance. It contains information about perspiration and stress as well as about electrode problems.
- - The site where the muscle contractions are measured is not necessarily the location of the prosthesis. Other muscle groups can also be used to control a prosthesis and the measurement results preferably wirelessly transmitted to the prosthesis.
- - Additional sensor technology can be used to incorporate ambient and situational conditions into the system, in particular acceleration sensors for detecting extremity positions (eg arm up, down, horizontally extended). Also conceivable are distance measurements to reference points. For example, if two prosthetic legs move away from each other, it is very likely that one step should be taken. If a hand prosthesis approaches the trouser pocket, the hand should probably be opened.
- - The electrical charging of the prosthesis battery could be wireless, especially inductive happen, as it is already known from mobile phones. The required electrical energy would thus not have to be carried in heavy batteries in the prosthesis, but could be carried for example in the pocket or on the belt.
- - The invention may be understood as a multi-sensor which need not necessarily be combined with a prosthesis.
- - The signal processing and evaluation can also be performed at a different location.
- - The system can communicate independently ("Internet of Things").
Mögliche Einsatzgebiete der Erfindung unter Berücksichtigung der genannten weiteren Ausgestaltungen bzw. Erweiterungen sind:
- - Prothetik, Orthetik
- - Robotik
- - Mensch-Maschine-Schnittstellen in Industrie und Medizin
- - Messung der Atemaktivität
- - Fitness
- - Physiotherapie, beispielsweise Erkennung von Schonhaltungen
- - Veterinärmedizin
- - Prosthetics, Orthotics
- - Robotics
- - Human-machine interfaces in industry and medicine
- - Measurement of respiratory activity
- - Fitness
- - Physiotherapy, for example, detection of restraint
- - Veterinary medicine
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der jeweiligen Figur. Dabei zeigen:
-
1 einen Teil eines erfindungsgemäßen Orthesen- oder Prothesen-Systems in schematischer Darstellung; -
2 beispielhaft kombinierbare Messverfahren und Messparameter; -
3 ein Ersatzschaltbild für den Bioimpedanzmesskreis; -
4 ein Gewebe-Ersatzschaltbild als Teil des Bioimpedanzmesskreises aus3 ; -
5 eine Messanordnung fürden Bioimpedanzmesskreis aus 3 an einem unversehrten Arm; -
6 eine Messanordnung fürden Bioimpedanzmesskreis aus 3 an einem Arm mit einer Prothese; -
7 ein Ersatzschaltbild für den EMG-Messkreis; -
8 eine Frequenzdarstellung additiv überlagerter EMG- und Bioimpedanz-Signale; -
9 eine Frequenzdarstellung der hochpassgefilterten Signale aus8 ; -
10 eine Frequenzumsetzung der hochfrequenten Bioimpedanz-Signalanteile aus9 ; -
11 eine beispielhafte Darstellung der Unterschiede zwischen einer Vollweg- und einer Halbweg-Gleichrichtung; -
12 ein Ausgangssignal der analogen Signalverarbeitung gemäß den8 bis11 ; -
13 eine schematische, abstrahierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a part of an orthotic or prosthetic system according to the invention in a schematic representation; -
2 exemplary combinable measuring methods and measuring parameters; -
3 an equivalent circuit for the bioimpedance measuring circuit; -
4 a tissue equivalent circuit as part of thebioimpedance measurement circuit 3 ; -
5 a measuring arrangement for thebioimpedance measuring circuit 3 on an intact arm; -
6 a measuring arrangement for thebioimpedance measuring circuit 3 on an arm with a prosthesis; -
7 an equivalent circuit diagram for the EMG measuring circuit; -
8th a frequency representation of additive superimposed EMG and bioimpedance signals; -
9 a frequency representation of the high-pass filtered signals8th ; -
10 a frequency conversion of the high-frequency bioimpedance signal components9 ; -
11 an exemplary representation of the differences between a full-wave and a half-way rectification; -
12 an output signal of the analog signal processing according to8th to11 ; -
13 a schematic, abstracted representation of the method according to the invention.
Dabei dient ein erstes Elektrodenpaar
Die Messung der elektrischen Impedanz des Muskelgewebes erfolgt über eine sogenannte Vierleiter-Messtechnik. Dabei wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz f von ungefähr 10 bis 500 kHz und einer Stromstärke
Die
Das erfindungsgemäße Orthesen- oder Prothesen-Systems
Zur Erhöhung der geometrischen Auflösung werden mehrere solcher Messkanäle kombiniert. Elektroden, Sensoren und Aktuatoren werden vorzugsweise in Form eines Strumpfes kombiniert. Dadurch ist eine einfache und sichere Positionierung der Sensorik gegeben.To increase the geometric resolution, several such measurement channels are combined. Electrodes, sensors and actuators are preferably combined in the form of a stocking. As a result, a simple and secure positioning of the sensor is given.
Zusätzlich können die vorhandenen Elektroden redundant für das Einleiten von elektrischen Stimulationssignalen genutzt werden, um dem Nutzer der Orthese oder Prothese ein Feedback zu geben.In addition, the existing electrodes can be redundantly used to initiate electrical stimulation signals to provide feedback to the user of the orthosis or prosthesis.
Eine MMG-Sensorik, beispielsweise bestehend aus Mikrofonen oder Beschleunigungssensoren, kann zusätzlich zur Detektion von Muskelvibrationen genutzt werden.An MMG sensor system, for example consisting of microphones or acceleration sensors, can additionally be used for the detection of muscle vibrations.
Ohne weitere Maßnahmen wäre dazu eine Abtastrate von mindestens dem Zweifachen von
Hochpassfilter gemäß
Halbweg-Gleichrichtung gemäß
Die Halbweg-Gleichrichtung wird in diesem Schritt gewählt, da eine Vollweg-Gleichrichtung die EMG-Signalanteile mit jeder hochfrequenten Bioimpedanzsignal-Halbwelle auslöschen würde. In
Tiefpass-Filter gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Orthesen- oder Prothesen-SystemOrthosis or prosthesis system
- 22
- Hautskin
- 33
- Muskelmuscle
- 4, 4' 4, 4 '
- erstes Elektrodenpaarfirst electrode pair
- 5, 5'5, 5 '
- zweites Elektrodenpaarsecond pair of electrodes
- 66
- weitere Sensorik/Aktorikadditional sensors / actuators
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008002933 A1 [0012]DE 102008002933 A1 [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- vgl. Soo-Chan Kim: Estimation of Hand Gestures Using EMG and Bioimpedance,The Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 65, No. 1, pp. 194-199, 2016, ISSN 1975-8359 (Print) / ISSN 2287-4364 (Online), http://dx.doi.org/10.5370/KIEE.2016.65.1.194 [0014]see. Soo-Chan Kim: Estimation of Hand Gestures Using EMG and Bioimpedance, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 1, pp. 194-199, 2016, ISSN 1975-8359 (Print) / ISSN 2287-4364 (Online), http://dx.doi.org/10.5370/KIEE.2016.65.1.194 [0014]
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