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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer mechanischen Eigenschaft eines menschlichen Körperteiles. Die Bestimmung mechanischer Eigenschaften eines menschlichen Körperteiles ist insbesondere wichtig und von Vorteil, wenn es um eine Schnittstelle zwischen dem menschlichen Körper und einer Vorrichtung geht, die individuell auf den menschlichen Körper angepasst wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Prothesenschäfte hergestellt werden sollen, die auf die individuelle Form und die individuellen Bedürfnisse und Gegebenheiten des Patienten angepasst werden sollen.
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Bei der Herstellung eines derartigen Prothesenschaftes ist es von Vorteil, die exakte Lage und Position sowie die Größe beispielsweise der Knochen, die im Amputationsstumpf verblieben sind, zu kennen. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise knöcherne Bereiche des Amputationsstumpfes, bei denen der Knochen nur von wenig Weichteilgewebe überdeckt ist, zu entlasten und Bereiche mit hohem Weichteil-Anteil stärker zu belasten.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt. In vielen Anwendungsfällen ist es von Vorteil, mechanische Eigenschaften eines menschlichen Körperteils zu kennen, bei denen es nicht um Amputation oder therapeutische oder medizinische Anwendungen geht.
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Bisher werden, um die inneren mechanischen Eigenschaften eines menschlichen Körperteils zu bestimmen, die jeweiligen Körperteile beispielsweise durch einen Orthopädietechniker abgetastet. Bei diesem beispielsweise als „Palpatieren“ bekannten Verfahren wird der zu untersuchende Körperteil durch Ausüben von Druck per Hand abgetastet. Die Ergebnisse sind selbst bei erfahrenen Orthopädietechnikern sehr subjektiv und beruhen auf Schätzungen, Intuition und Augenmaß. Verlässlichere Verfahren werden beispielsweise durch die Untersuchung mit Ultraschall, in einem CT-Gerät oder durch MRT-Messungen durchgeführt. Nachteilig ist, dass dies in separaten Geräten geführt werden muss, die für den Patienten unangenehm, unbequem und gegebenenfalls beklemmend sein können. Zudem sind diese Verfahren operativ aufwendig und damit kostenintensiv.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens einer mechanischen Eigenschaft eines menschlichen Körperteiles vorzuschlagen, dass einfach und kostengünstig durchführbar ist und dennoch ausreichend genaue Ergebnisse liefert, um beispielsweise einen Prothesenschaft an einen Amputationsstumpf anpassen zu können.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein derartiges Verfahren, das folgende Schritte aufweist:
- a) der menschliche Körperteil wird zu einer mechanischen Schwingung angeregt,
- b) die Schwingung wird durch eine Erfassungseinrichtung erfasst,
- c) die erfasste Schwingung wird durch wenigstens eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung ausgewertet, die die wenigstens eine mechanische Eigenschaft des Körperteiles bestimmt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Reihe mechanischer Eigenschaften, beispielsweise die Elastizität, Festigkeit und andere Schwingungseigenschaften ermittelt werden können, indem der jeweils zu untersuchende Körperteil zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird, die erfasst und ausgewertet wird. Je nach Verteilung beispielsweise von Knochen und Weichteilen innerhalb eines Körperteils, beispielsweise eines Amputationsstumpfes, werden mechanische Schwingungen in unterschiedlichen Ausprägungen auftreten.
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Die Erfassungseinrichtung ist in der Lage, die mechanische Schwingung zu erfassen. Dies geschieht durch Detektion und Bestimmung von Messwerten, die Aussagen über das Schwingungsverhalten des menschlichen Körperteiles enthalten. Dies können beispielsweise die Amplitude einer Schwingung, die Dämpfung und/oder die Frequenz einer Schwingung sein. Dabei ist es von Vorteil, die entsprechenden Messwerte nicht nur an einer Stelle des Körperteils, sondern bevorzugt über einen größeren Bereich, besonders bevorzugt über den gesamten Körperteil aufzunehmen.
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Um die so erfasste mechanische Schwingung auszuwerten und die mechanischen Eigenschaften des jeweiligen Körperteils zu bestimmen, verfügt die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung vorzugsweise über ein theoretisches Modell, vorzugsweise ein 3-dimensionales Modell, des Körperteils, um eine Verknüpfung zwischen den erfassten Messwerten und den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Das theoretische Modell kann auch im Zuge der mechanischen Schwingungen erstellt oder angepasst, insbesondere verfeinert werden. Dazu wird beispielsweise auch die Kontur des jeweiligen Körperteiles erfasst. Diese wird bevorzugt kurz vor der Schwingungsanregung, beispielsweise mittels einer Bilderkennung, erfasst und/oder mittels eines Algorithmus aus den erfassten Schwingungsdaten extrahiert. Dies kann beispielsweise durch eine Mittelwertbildung erfolgen. Dazu wird die Kontur des schwingenden Körperteiles erfasst und für mehrere, bevorzugt jede Position ein Mittelwert der Position gebildet. Das Modell beinhaltet beispielsweise Annahmen über Lage, Orientierung, Größe und/oder Länge von Knochen, Muskeln oder sonstigen Organen und Weichteilen innerhalb des zu untersuchenden Körperteils. Besonders bevorzugt werden dem Modell Informationen zugrunde gelegt, die beispielsweise bereits vorhandenen MRT-Daten des Patienten, Geometrievorlagen oder sonstigen Informationsquellen zu entnehmen sind. Dazu zählt beispielsweise der Indentor-Test.
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Die erfassten Schwingungen, insbesondere die detektierten Messwerte, werden der wenigstens einen elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung übermittelt. Diese verarbeitet die Daten und ermittelt beispielsweise Schwingungsdauern, Eigenmoden oder Dämpfungen, woraus dann beispielsweise die bewegten Massen und Steifigkeit errechnet werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der wenigstens eine Körperteil durch eine Anregungseinrichtung zu einer mechanischen Schwingung angeregt. Alternativ dazu kann der Körper auch selbst durch bewusste oder unbewusste Muskelkontraktionen in Schwingung versetzt werden. Eine Anregung kann aber auch manuell und extern erfolgen, beispielsweise mittels eines Reflexhammers. Eine reproduzierbare Anregung wird jedoch durch externe Anregungseinrichtung erreicht, die von außen auf den Körperteil einwirken.
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Bevorzugt übt die Anregungseinrichtung wenigstens einen mechanischen Impuls, insbesondere einen Stoß, und/oder nächstens eine mechanische Schwingung, beispielsweise eine Vibration, auf den Körperteil aus. In besonders bevorzugten Ausgestaltungen ist die Anregungseinrichtung in der Lage, die Frequenz und/oder Amplitude einer mechanischen Schwingung, die auf den Körperteil ausgeübt wird, zu variieren, sodass diese Größen einstellbar und somit reproduzierbar sind. Die Anregungseinrichtung, die eingerichtet ist, mechanische Impulse, insbesondere Stöße, auf den Körperteil auszuüben, ist produktweise eingerichtet, den zeitlichen Abstand, die Stärke und/oder die Dauer der einzelnen mechanischen Impulse zu variieren, dass diese Größen einstellbar und damit reproduzierbar sind. Der mechanische Impuls kann in einem Stoß oder in einer anderen Bewegung von einem Teil des Gewebes des Körperteils bestehen. Während ein Stoß senkrecht oder zumindest nahezu senkrecht zur Haut des Körperteils erfolgt, kann beispielsweise auch eine Bewegung nahezu parallel zur Haut des Körperteils, die in einer Sperrung erfolgt, als mechanischer Impuls verwendet werden. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der Bewegungsrichtungen möglich.
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Die Anregungseinrichtung kann die Anregung auch an einer anderen Stelle des Körpers als dem Körperteil selbst vornehmen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wen eine Vibrations- bzw. Rüttelplatte eingesetzt wird, auf die sich der Patient stellt oder setzt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der menschliche Körperteil nacheinander in unterschiedliche mechanische Schwingungen versetzt, die vorzugsweise durch unterschiedliche Anregungen durch wenigstens eine Anregungseinrichtung erfolgen. Auf diese Weise können unterschiedliche Eigenmoden, unterschiedliche Schwingungen und unterschiedliche Reaktionen des wenigstens einen Körperteils auf die unterschiedlichen Anregungen erzeugt und studiert werden. Dabei können mehr unterschiedliche Messwerte erzeugt und somit ein detaillierteres Modell verwendet werden. Insbesondere bei der Detektion und Untersuchung von Eigenmoden, die beispielsweise in Form von stehenden Schwingungswellen vorliegen können, insbesondere wenn die Anregungseinrichtung den wenigstens ein Körperteil in eine dauerhafte mechanische Schwingung versetzt, können auch Schwingungsknoten vorhanden sein, bei denen sich die Weichteile des jeweiligen Körperteils an dieser Stelle nicht oder nur minimal bewegen. Es ist daher von Vorteil, unterschiedliche Schwingungen des menschlichen Körperteils zu untersuchen, um auch an den Stellen, die bei einer ersten Schwingung in Schwingungsknoten angeordnet sind, Schwingungen hervorzurufen, die untersucht werden können.
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Es ist daher von Vorteil, dass die Anregungseinrichtung den wenigstens ein Körperteil an wenigstens zwei unterschiedlichen Positionen und/oder zu mehreren Zeiten, mithin also mehrfach, anregt. Durch die Verwendung mehrerer Anregungspositionen können, wie bereits dargelegt, unterschiedliche Schwingungen erzeugt und beobachtet werden. Dadurch wird die Datenbasis, auf deren Grundlage die mechanischen Eigenschaften des Körperteils bestimmt werden, verbessert und vergrößert, sodass detailliertere Modelle verwendet werden können. Durch die mehrfache Anregung der gleichen Schwingung, die beispielsweise erzeugt wird, indem ein Körperteil mehrfach identisch nacheinander an der gleichen Position angeregt wird, werden mehrfach Messungen der gleichen Schwingung durchgeführt, wodurch das Messergebnis und die Datenqualität verbessert wird.
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Vorzugsweise beinhaltet die Erfassungseinrichtung wenigstens einen optischen Detektor, insbesondere wenigstens eine Kamera. Besonders bevorzugt verfügt die Erfassungseinrichtung über mehrere optische Detektoren, insbesondere mehrere Kameras, sodass die jeweilige Schwingung aus unterschiedlichen Richtungen erfasst wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, den Amputationsstumpf vollständig, also insbesondere 3-dimensional zu erfassen. Der wenigstens eine optische Detektor, insbesondere die wenigstens eine Kamera, ist auf den zu untersuchenden Körperteil, bevorzugt also den Amputationsstumpf, gerichtet und detektiert die auftretenden Schwingungen. Über Bilderkennungs-Software können aus den so aufgenommenen Bildern unterschiedliche Schwingungsmoden, Frequenzen und/oder Amplituden detektiert und ausgelesen werden. Diese können in das Modell eingefügt werden, sodass die gewünschten mechanischen Eigenschaften berechnet werden können. Es kann sinnvoll sein eine Erfassungseinrichtung vorzusehen, die das Körperteil teilweise oder vollständig umfasst und geeignet ist den Körperteil aus mehreren Richtungen gleichzeitig zu erfassen. Dabei kann die Erfassungseinrichtung neben wenigstens einer Kamera auch wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung beinhalten. Auf diese Weise werden Störeinflüsse auf die Messung besonders gut abgeschirmt.
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Besonders bevorzugt wird der wenigstens eine Körperteil mit einer Erfassungsstrahlung bestrahlt, deren Reflexion an den Körperteil von der Erfassungseinrichtung detektiert wird. Die Erfassungsstrahlung ist vorzugsweise eine elektromagnetische Strahlung, besonders bevorzugt eine Laserstrahlung. Die Erfassungsstrahlung wird auf den zu beobachtenden Körperteil geleitet und dort reflektiert. Insbesondere bei monochromatischer Laserstrahlung verändert diese aufgrund des Doppler-Effektes die Wellenlänge, wenn sie an einem sich bewegenden Objekt reflektiert wird. Bewegt sich der Punkt des Körperteils, an dem die Laserstrahlung auftrifft, im Moment des Auftreffens gerade auf den optischen Detektor zu, wird die Frequenz der Laserstrahlung erhöht. Bewegt sich die Stelle vom optischen Detektor weg, wird die Frequenz gesenkt. Auf diese Weise kann eine Abbildung des Amputationsstumpfes oder des wenigstens einen Körperteils erzeugt werden, wobei jeweils die Frequenz der reflektierten Laserstrahlung als Funktion des Auftreffpunktes dargestellt wird. Auf diese Weise lässt sich ein Geschwindigkeitsbild, also eine Verteilung der jeweiligen Geschwindigkeit und damit der Schwingung, darstellen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der wenigstens eine Körperteil mit einer Markierung versehen. Vorzugsweise ist die Form, Größe, Richtung und Anordnung der Markierung in einem elektronischen Datenspeicher der wenigstens einen elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung hinterlegt. Es ist folglich bekannt, wie die Markierung aussieht, in der wenigstens eine Körperteil nicht in Schwingung versetzt wird. Wird der Körperteil zur Schwingung angeregt, gerät zumindest die Haut, auf der sich die Markierung befindet, in Bewegung, sodass sich bevorzugt auch die Markierung bewegt. Da die Haut jedoch nicht homogen bewegt wird, wenn der wenigstens eine Körperteil in Schwingung versetzt wird, kommt es bei der Markierung zu Verschiebungen, Verzerrungen und umformen, die detektiert oder ausgewertet werden können.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Markierung auf den Körperteil aufgebracht, insbesondere auf ihn aufgeklebt, aufgesprüht oder in Form einer Beschichtung oder Beschriftung aufgebracht. Danach wird zunächst der Körperteil mit der aufgebrachten Markierung vermessen, also beispielsweise durch die Erfassungseinrichtung erfasst, ohne dass er in Schwingungen versetzt wurde. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine Markierung auf den Körperteil projiziert werden, indem er beispielsweise einer streifenförmigen Beleuchtung ausgesetzt wird. Dies bedeutet, der Körperteil wird nicht vollflächig beleuchtet, sondern mit einem Muster aus hellen und dunklen Bereichen beleuchtet, das ebenfalls von der wenigstens einen Erfassungseinrichtung detektiert werden kann. Auch wenn sich die Markierung, also die Beleuchtung selbst, durch die Schwingungen nicht verändert, verändert sich doch die Position, Lage und Orientierung einzelner Hautabschnitte des wenigstens einen Körperteiles relativ zur Lichtquelle, sodass sich der Körperteil relativ zur Markierung bewegt. Auch dies führt zu einer Veränderung der Anordnung der beleuchteten und nicht beleuchteten Bereiche auf dem Körperteil, die detektiert und ausgewertet werden können.
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Die mechanische Eigenschaft, die durch die hier beschriebenen Verfahren detektiert wird, beinhaltet vorzugsweise die Lage und/oder die Position wenigstens eines inneren Gewebe- und/oder Organbereiches, einer Materialzusammensetzung, eine Elastizität, eine Muskelspannung und/oder eine Schwingungsdämpfung. Es können auch mechanische Eigenschaften erfasst werden, die mittels anderer Verfahren, beispielsweise MRT-Scans oder CT-Scans nicht oder nicht ausreichend bestimmt werden können. Die betrifft beispielsweise eine Ausdehnung von Narbengewebe. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem menschlichen Körperteil um einen Amputationsstumpf.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens.
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Mithilfe der beiliegenden Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen
- 1 & 2 - schematische Darstellungen eines Amputationsstumpfes und
- 3 & 4 - unterschiedliche Zustände bei der Anwendung des Verfahrens.
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1 zeigt schematisch einen menschlichen Körperteil 2, bei dem es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Amputationsstumpf handelt. Er verfügt über eine Narbe 4. In 2 ist der menschliche Körperteil 2 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist auch die Narbe 4 gezeigt. Im Innern des menschlichen Körperteils 2 befindet sich ein Knochen 6 sowie ein Muskelgewebe 8. Dieses ist von nicht näher dargestellte Gewebe 10 umgeben.
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In 3 ist die Ausgangssituation für die Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens dargestellt. Der menschliche Körperteil 2, vorliegend also der Amputationsstumpf, ist in der Darstellung aus 2 dargestellt. Um ihn herum ist ein Gurt 12 angeordnet, der über eine Mehrzahl von Aktuatoren 14 verfügt. Diese sind eingerichtet, Vibrationen zu erzeugen und so den Amputationsstumpf in Schwingung zu versetzen.
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Der Körperteil 2 ist so positioniert, dass er von einer Erfassungseinrichtung 16 erfasst werden kann, die beispielsweise eine Kamera ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel verfügt die Erfassungseinrichtung 16 über eine Kameralinse 18. Darunter ist eine Beleuchtungseinrichtung 20 dargestellt, die eingerichtet ist, beispielsweise ein Streifenmuster auf den Körperteil 2 zu projizieren und ihn so in besonderer Weise zu beleuchten, dass die Kontur und insbesondere die räumliche Form des Körperteils 2 besonders gut erkennbar und von der Erfassungseinrichtung 16 erfassbar ist. Die so erfassten Daten werden über eine Datenleitung 22, die im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Kabel ist, an eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 24 übermittelt. Selbst verständlich kann diese Übertragung auch kabellos erfolgen und die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 24 kann auch in anderer Form ausgebildet sein. So ist es beispielsweise möglich, die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 24 in die Erfassungseinrichtung 16 zu integrieren oder die Erfassungseinrichtung 16 mit einer Sendeeinrichtung auszurüsten, die die erfassten Daten kabellos an einen Rechner oder eine Verarbeitungseinrichtung übermittelt. Die Erfassungseinrichtung 16 kann auch mit einem elektronischen Datenspeicher ausgerüstet sein, in dem die durch die Erfassungseinrichtung 16 erfassten Bilddaten gespeichert werden, bis die Erfassungseinrichtung 16 durch eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung ausgelesen wird.
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4 zeigt die Situation, in der die Aktuatoren 14, die über den Gurt 12 am Körperteil 2 befestigt sind, Vibrationen aussenden und so den Körperteil 2 in Schwingung versetzen. Die Erfassungseinrichtung 16 erfasst dies und sendet die Daten über die Datenleitung 22 an die elektronische Datenverarbeitungseinrichtung 24. Die Form, Amplitude und Frequenz der Schwingungen, die in dem Körperteil 2 durch die Aktuatoren 14 erzeugt werden, hängt neben der Anregungsfrequenz und Anregungsamplitude auch von der Verteilung des Gewebes, beispielsweise des Knochens 6, des Muskelgewebes 8 und des sonstigen Gewebes 10 ab.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- menschlicher Körperteil
- 4
- Narbe
- 6
- Knochen
- 8
- Muskelgewebe
- 10
- Gewebe
- 12
- Gurt
- 14
- Aktuator
- 16
- Erfassungseinrichtung
- 18
- Kameralinse
- 20
- Beleuchtungseinrichtung
- 22
- Datenleitung
- 24
- elektronische Datenverarbeitungseinrichtung
