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Die Erfindung betrifft einen Glossomotographen,
d.h. eine Zungenkraft-Messvorrichtung,
umfassend eine Haltevorrichtung, insbesondere eine Kinnschale, zum
Halten des Kopfes eines Probanden und eine vor der Haltevorrichtung
angeordnete Kraftmesseinheit, die von einem Probanden mit der Zunge berührbar ist,
um eine mit der Zunge ausübbare
Kraft zu messen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren
zum Messen von Zungenkräften,
insbesondere mit der genannten Vorrichtung.
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In der klinischen Neurologie fehlen
bislang zuverlässige
Methoden, mit denen Bewegungsstörungen
von Patienten objektiv erfasst und dokumentiert werden können. Bewegungsstörungen unterschiedlicher
Art ergeben sich bei verschiedenen Krankheiten, wie z.B. Parkinson,
Huntington, Multi-System-Atrophien,
Dystonien, Schlaganfall, Armyotropher Lateralsklerose oder multipler
Sklerose. Bislang stehen zur Beurteilung von Patienten nur kategorische,
klinische Skalen zur Verfügung,
wie z.B. die „unified
Parkinson's disease
rating scale" für Patienten
mit Parkinsonscher Krankheit oder die „unified Huntington's disease rating
scale" für Huntington-Patienten.
Diese Skalen weisen jedoch nur eine geringe Sensitivität auf. Ferner
sind sie aufgrund der subjektiven Beeinflussbarkeit der Beurteilungen
fehleranfällig
und weisen daher eine eingeschränkte
Reliabilität und
Reproduzierbarkeit auf.
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Aufgrund klinischer Beobachtungen
ist bekannt, dass Patienten mit Erkrankungen motorischer Systeme
häufig
auch eine Störung
der Zungenbeweglichkeit entwickeln, wobei sich bei einigen Erkrankungen,
unter anderem der Huntingtonschen Krankheit, eine solche Beeinträchtigung
schon sehr früh
im Verlauf der Krankheit finden kann. Veränderungen in der Zungenbeweglichkeit
können
daher schon zu einem frühen
Zeitpunkt ein Anhaltspunkt für eine
Erkrankung liefern, der durch weitere Untersuchungen untermauert
werden könnte.
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Eine Vorrichtung zur Messung einer
von einem Probanden mittels der Zunge bei einer Protrusion maximal
aufbringbaren Kraft ist aus der Patentschrift
US 4,585,012 bekannt. Bei der dort
offenbarten Vorrichtung legt ein Proband sein Kinn in eine hierfür vorgesehene
Kinnschale und drückt
mit seiner Zunge gegen eine Kontaktplatte einer mechanischen Kraftmesseinheit,
um anhand der hierdurch verursachten Auslenkung der Kontaktplatte
die maximale Kraft zu bestimmen, die der Proband mit seiner Zunge
aufbringen kann.
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Bei dieser Vorrichtung wird es als
nachteilig empfunden, dass die Kraftmessvorrichtung eine zu hohe
Trägheit
aufweist, um schnelle Kraftänderungen,
die beim Ausüben
eines Druckes auf die Kontaktplatte auftreten, erfassen zu können, so
dass eine Ermittlung von Schwankungen bei der Ausübung der Kraft
nicht vorgenommen werden kann, mithin lediglich eine sichere Bestimmung
der maximalen Kraft möglich
ist.
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Darüber hinaus wird weiterhin bei
der Ausübung
einer Kraft die Kontaktplatte ausgelenkt, was bedeutet, dass sich
die Zunge bei immer weiter erhöhter
Kraft auch immer weiter vorstreckt, so dass eine isometrische Kraftmessung,
bei der sich die Anspannung des Zungenmuskels unabhängig von
einer Zungenbewegung einstellt, mit dieser vorbekannten Apparatur
prinzipbedingt nicht möglich
ist.
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Aus diesem Grunde sind verlässliche
Angaben über
die mit der Zunge ausgeübten
Kräfte
aufgrund der ständigen
Bewegung der Zunge nicht in ausreichendem Maße möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine
Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen nicht invasiv
und reproduzierbar ohne Gefahren für einen Probanden eine objektive
und quantitative Analyse eventueller Defizite in der Koordination
der Zungenbeweglichkeit ermöglicht
wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mit einer Zungenkraftmessvorrichtung der gattungsgemäßen Art
gelöst,
bei der die Kraftmesseinheit einen isometrischen Kraftsensor umfasst.
Ebenso wird die Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Messung von Zungenkräften gelöst, bei
dem eine Kraft, die ein Proband mit seiner Zunge isometrisch auf
einen isometrischen Kraftsensor ausübt, wenigstens über ein
vorgegebenes Zeitintervall kontinuierlich erfasst und/oder gespeichert
wird.
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Der wesentliche Vorteil bei der erfindungsgemäßen Lösung liegt
gegenüber
dem vorgenannten Stand der Technik darin, dass erst mittels eines
isometrischen Kraftsensors, der die Messung der Zungenmuskelspannung
ohne eine Längenänderung des
Zungenmuskels ermöglicht,
objektiv, quantitativ und nicht invasiv die motorische Leistungsfähigkeit der
Zunge eines Probanden analysiert werden kann. Der Kraftsensor arbeitet
hier im Wesentlichen dann isometrisch, wenn er keine Teile aufweist,
die gegenüber
einer aufgebrachten Kraft ausweischen.
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Die auf diese Art und Weise ermittelten
Kraftmesswerte gestatten daher eine bessere, objektive und reproduzierbarere
Auswertung.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
eine Kraft, die ein Proband mit seiner Zunge isometrisch auf einen
isometrischen Kraftsensor ausübt,
wenigstens über
ein vorgegebenes Zeitintervall kontinuierlich erfasst und/oder gespeichert
wird.
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Eine derartige dynamische isometrische Kraftmessung
kann bevorzugt mit der genannten erfinderischen Zungenkraftmessvorrichtung
durchgeführt
werden und gibt neben dem Messergebnis einer maximal möglichen
Kraft bei einer Zungenprotrusion z.B. auch eine Information darüber, inwieweit
ein Proband in der Lage ist über
wenigstens ein vorgegebenes Zeitintervall eine Kraft auszuüben und
welche Schwankungen hierbei in der ausgeübten Kraft auftreten. Gegenüber der
maximal möglichen
Zungenkraft geben gerade die Schwankungen in der Zungenkraft eine
nähere
Information über
einen möglichen
Schweregrad der verschiedenen, hier möglicherweise zugrunde liegenden
Erkrankungen.
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Um eine zuverlässige, dynamische isometrische
Kraftmessung zu erreichen, ist es bevorzugt vorgesehen, dass mittels
des Kraftsensors Kraftmessungen mit einer hohen Messfrequenz durchführbar sind,
insbesondere mit Messfrequenzen von 1 Hertz bis 30 Kilohertz, wobei
bevorzugt Messfrequenzen von 1 Kilohertz bis 2 Kilohertz Verwendung
finden. Hierbei werden die Messwerte neben einer Erfassung bevorzugt
auch gespeichert, um eine nachträgliche
Auswertung der Kraftmessungen zu ermöglichen, ohne dass es hierbei
der Anwesenheit des Probanden bedarf.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn
die genannte Vorrichtung eine Datenverarbeitungsanlage umfasst,
mittels der die oben genannte periodische Erfassung und Speicherung
der Messwerte ermöglicht
wird, z.B. mittels Sample & Hold-
und/oder Analog/Digital-Wandler – Einheiten.
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Mittels einer derartigen Datenverarbeitungsanlage
kann weiterhin auch eine mathematische zeitliche Ableitung der erhaltenen
Messwerte vorgenommen werden, so dass anhand dieser Ableitung eine bessere
Beurteilung der Kraftänderungen
pro Zeiteinheit ermöglicht
wird.
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In einer bevorzugten Ausführung des
Verfahrens bzw. der Vorrichtung ist es vorgesehen, dass einem Probanden
wenigstens der aktuelle Kraftmesswert visualisiert wird. Hierfür kann die
Vorrichtung eine Einheit umfassen, mittels der eine derartige Visualisierung
ermöglicht
wird, wie z.B. mittels eines Bildschirms, der bei Datenverarbeitungsanlagen
eingesetzt wird. Mit einer derartigen Vorrichtung können einem
Probanden unterschiedliche Aufgaben gestellt werden, die einer Beurteilung
eventueller Defizite in der Zungenbeweglichkeit zugrunde gelegt
werden können.
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So kann es beispielsweise gemäß einer
bevorzugten Ausführung
des erfinderischen Verfahrens vorgesehen sein, dass ein Proband
einen vorgegebenen Sollkraftwert mittels der Zunge auf den Kraftsensor über wenigstens
ein vorgegebenes Zeitintervall ausüben soll, wobei dem Probanden
der aktuelle Istkraftwert gegenüber
dem Sollkraftwert visualisiert wird.
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Gerade durch die gestellte Aufgabe
einen bestimmten Sollkraftwert zu erreichen, ergeben sich in einer
Kraftmesskurve signifikante Schwankungen, die für eine Auswertung und einen
Hinweis auf bestimmte motorische Defizite herangezogen werden können.
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Hier kann es bevorzugt auch vorgesehen sein,
dass ein Proband nacheinander verschiedene Sollkraftwerte ausüben soll,
beispielsweise in Stufen ansteigende Kraftwerte, fallende Kraftwerte
oder andere beliebige Szenarien.
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Da eine mögliche Bewegung des Kopfes
eines Probanden Einfluss nimmt auf die Kraftmessung, ist es in einer
besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass während
einer Kraftmessung Bewegungen eines Probanden, insbesondere dessen
Kopfes, erfasst werden, wobei bevorzugt eine derartig festgestellte
Bewegung in die Bestimmung der aktuell ausgeübten Kraft mit einfließt, z.B.
als Korrekturgröße bei der
Kraftmessung.
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Hierfür weist eine erfindungsgemäße Zungenkraftmessvorrichtung
ein Positionsmesssystem auf zur Feststellung einer Relativbewegung
zwischen dem Kraftsensor und dem Probanden, insbesondere dessen
Kopf. Besonders bevorzugt kann dies derart realisiert werden, dass
das Positionsmesssystem wenigstens eine Sensoreinheit umfasst, die
am Kopf eines Probanden befestigbar ist und wenigstens eine Sensoreinheit,
die relativ zum Kraftsensor ortsfest ist, wobei eine Relativbewegung
dieser wenigstens zwei Sensoreinheiten untereinander messbar ist.
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So können neben der Erfassung und
Speicherung der periodisch aufgenommenen Kraftmesswerte ergänzend auch
Messwerte über
die Relativbewegung des Kopfes eines Probanden gegenüber dem
Kraftsensor festgestellt werden und bei der Bestimmung der aktuell
ausgeübten
Kraft mit einfließen. Hierdurch
können
eventuelle Fehlerquellen durch die Bewegung eines Probanden ausgeschlossen
werden. Eine derartige Positionsmessung kann z.B. mit denselben
Meßfrequenzen
wie bei der Kraftmessung erfolgen, ausreichend sind jedoch schon
geringe Meßfrequenzen
von z.B. 120 Hz. Die erfassten Daten können der Datenverarbeitungsanlage
zur Auswertung über übliche Schnittstellen
zur Verfügung
gestellt werden, z.B. mittels RS-232.
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Ein solches Positionsmeßsystem
kann z.B. durch elektromagnetisch arbeitende Sensoren ausgebildet
sein, wobei ein Empfänger
x, y, und z-Koordinaten eines Sensors am Kopf eines Probanden liefert.
Beispielsweise kann das System Polhemus der Firma Fasttrak eingesetzt
werden, welches z.B. Meßreichweiten
von bis zu 3 Metern und Meßgenauigkeiten
von z.B. 0,7 Millimeter aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und eine Beschreibung des Verfahrens wird nachfolgend anhand der
Figuren näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine Zungenkraftmeßvorrichtung
gemäß der Erfindung
mit einem isometrischen Kraftsensor;
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2:
zwei Beispiele von Meßkurven
aufgenommener Zungenkräfte
von gesunden Probanden und Probanden mit einer Störung der
Zungenbeweglichkeit.
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Zungenkraftmessvorrichtung 1,
die eine Haltevorrichtung 2 umfasst, die hier in Form eines
höhenverstellbaren Tisches 2 realisiert
ist. Auf dem Tisch 2 ist ein Anschlag 3 realisiert,
um auf dem höhenverstellbaren Tisch 2 eine
Art Kinnschale auszubilden, in die ein Proband sein Kinn legen kann,
wobei ein definierter fester Abstand zu einem vor dem Anschlag 3 angeordneten,
hier vertikal orientierten Kraftsensor 4 gewährleistet
wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Proband
angewiesen sein Kinn vor dem Anschlag 3 auf dem höhenverstellbaren
Tisch 2 zu platzieren, wobei es vorgesehen sein kann, dass
auf der Tischoberfläche
eine desinfizierbare Kinnschale mit einer Auflage aus Einmalmaterial
angeordnet ist.
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Die Position des Kinns und damit
des Kopfes ist durch die Schale bzw. den hier angedeuteten Anschlag 3 fixiert.
Vor dem Kinn, hier in einem Abstand von z.B. 2 cm, wird in senkrechter
Anordnung zum Tisch, hier dementsprechend in vertikaler Ausrichtung,
ein isometrischer Kraftsensor 4 auf der Tischoberfläche befestigt.
Dieser Kraftsensor 4 kann z.B. für jeden neuen Probanden mit
einer neuen sterilen Einmal-Plastikabdeckung versehen werden.
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Als Kraftsensor kann jeder Sensor
eingesetzt werden, der eine isometrische Kraftmessung ermöglicht,
d.h. dass sich dieser Kraftsensor bei der Ausübung einer Kraft durch die
Zunge selbst nicht bewegt, so dass sich auch keine Längenänderung des
Zungenmuskels bei sich ändernden
Muskelspannungen einstellen.
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Als Kraftsensoren können beispielsweise
die Multiachsenkraft- und drehmomentsensoren der Firma ATI Industrial
Automation eingesetzt werden. Diese Sensoren bieten die Möglichkeit
mit hohen Messfrequenzen von bis zu etwa 30 Kilohertz Kraftmessungen
automatisiert durchzuführen,
wobei Kraftkomponenten bzw. Drehmomente in jeweils drei Dimensionen
erfassbar sind.
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Ein derartiger isometrischer Kraftsensor kann,
wie in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, über
einen Verstärker 5 und
einen Analog-Digital-Wandler mit einem computergestützten Datenerfassungssystem 6 verbunden
sein.
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Mit verschiedenen Aufgaben, die einem
Probanden gestellt werden, kann mit dem dargestellten Aufbau die
isometrische Feinkraftkontrolle der Zunge in kurzen Zeitabschnitten überprüft werden.
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Z.B. wird einem Probanden das mit
der Zunge erzeugte Kraftniveau direkt auf einem Monitor 7 als
Feedback dargestellt, wobei ein Proband instruiert wird mit der
Zunge ein definiertes Kraftniveau, das auf dem Monitor 7 als
eine Ziellinie dargestellt sein kann, zu erzeugen und zu halten.
Schon bei dieser Aufgabe können
die Genauigkeit, die Variabilität, Geschwindigkeit
der Kraftgeneration und viele andere Parameter der zeitlichen Koordination
der Zungenkraft gemessen und analysiert werden. Beispielsweise kann
in einer vorgesehenen Gesamtmesszeit von wenigen Minuten ein Proband
mehrere Versuche über
jeweils einige Sekunden, z.B. 30 Sekunden pro Versuch, vornehmen,
wobei in jedem Versuch ein bestimmtes Kraftniveau zu erreichen ist.
Hier kann in den möglichen
Versuchsreihen z.B. Kraftniveaus von 0,5, 1 oder 2 Newton gefordert
werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass
unter Zuhilfenahme der erhaltenen Messwerte und einer darauf beruhenden
Auswertung, insbesondere der Kraftschwankungen, Anzeichen für einen
Schweregrad und gegebenenfalls für
die Art der Erkrankung abgeleitet werden können, die insbesondere durch
weitere Untersuchungen zu untermauern sind.
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Die 2 zeigt
zwei Beispielmessungen. Den jeweiligen Probanden wurde die Aufgabe
gestellt eine Kraft von 1 Newton mit der Zunge am Kraftsensor zu
erzeugen, wozu den Probanden die aktuelle Kraft über einen Bildschirm dargestellt
wurde. Die beiden in der 2 oben
dargestellten Meßkurven
zeigen den typischen zeitlichen Kraftverlauf, wie er von einem gesunden
Probanden erzeugt wird.
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Das gewünschte Kraftniveau von 1 Newton wird
gut erreicht mit einer nur geringen Schwankungsbreite um dieses
Zielniveau.
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Demgegenüber zeigen die beiden unteren Darstellungen
Meßkurven
von Probanden mit einer Störung
der Zungenbeweglichkeit, wie sie z.B. bei Personen mit der Huntington-Krankheit
auftreten kann. Deutlich ist zu erkenn, das diese Probanden auchin
der Lage sind die gewünschte
Kraft vom Absolutbetrag her zu erreichen, jedoch weisen die Meßkurven
erheblich höhere
Schwankungen bei der erzeugten Kraft auf.
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Gerade diese Schwankungen, nicht
jedoch die Maximalkräfte
können
ein Hinweis auf eine Störung
der motorischen Fähigkeiten
sein, so dass sich bei Auftreten derartiger Meßkurven weitere Untersuchungen
empfehlen.