DE19522958C2 - Verfahren zur Akustisierung körpereigener physikalischer Werte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aku­ stisierung körpereigener physikalischer Werte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das wiederholte Üben von Alltagsbewegungen, wie zum Beispiel das Aufstehen aus einer sitzenden Haltung und das Gehen, stellt für Patienten mit neurologischen oder orthopädischen Defiziten ein wesentliches Element der Rehabilitation dar.

Der Erfolg des Übens bei neurologischen Defiziten, zum Beispiel dem Schlaganfall, basiert auf der Fähigkeit der Hirnhemisphären, verantwortliche Kontroll-Areale so zu verlagern, daß der Einfluß irreversibler Zell­ schädigungen vermindert wird (kortikale Plastizität).

Als unumgänglich wird die motivierende und korrigier­ ende krankengymnastische Unterstützung während der Übungen erachtet, die jedoch hohe Anforderungen an das Pflegepersonal stellt.

Es sind bereits Verfahren bekannt, mit denen Körper­ behinderte Musik auf unkonventionelle Art erzeugen können, z. B. Klangerzeugungen durch Bewegungen des Kopfes. Die Umsetzung in Musik erfolgt im MIDI-Format (Musical Instruments Digital Interface) (Zeitschrift Med. Eng. Phys. 1994, Vol. 16, May, S. 253 ff.: R. Kirk at al.: "Computer music in the service of music therapie: the MIDIGRID and MIDICREATOR systems").

Die Umsetzung von psychischen Zuständen des Anwenders in Musik wird zur Selbstwahrnehmung in der Musikthera­ pie verwendet. Es erfolgt keine direkte Selbstkontrolle des Anwenders bezüglich seiner Zustände, z. B. seiner Bewegungen. Eine direkte Verknüpfung von Meßwerten und Musik zur Eigenkontrolle des Anwenders ist nicht vor­ gesehen.

Es ist ferner eine Rehabilitationshilfe bekannt, bei der der Druck unter dem Fuß des Anwenders gemessen und ein Alarmsignal ausgelöst wird, wenn ein eingestellter Maximalwert überschritten ist. Die Tonhöhe des Alarm­ signals variiert je nach Stärke der Überbelastung. Dem Anwender wird durch die Tonhöhe des Alarmsignals der Grad der Überbelastung hörbar gemacht (Prospekt der INFOTRONIC, 7650AA Tubbergen/NL, "Fußdruckbegrenzer"). Es ist hiermit keine direkte Einflußnahme des Anwen­ ders auf die Alarmsignalgestaltung möglich und somit nur eine geringe Motivation erzielbar.

Es ist bekannt, die Druckverteilungsmessung im Schuh mittels einer Sensorfolie in Form einer Einlegesohle vorzunehmen (Zeitschrift "Med.Orth.Tech.1/94, S. 6 ff). Die Sensorfolien werden durch am Unterschenkel befe­ stigte Übertragungseinheiten mit einem Personalcom­ puter verbunden. Die Meßergebnisse können am Bild­ schirm während der Messung verfolgt, im Computer ge­ speichert und über einen Drucker ausgegeben werden. Das Meßverfahren dient nicht für Trainingszwecke oder zur Therapieunterstützung, sondern zur Ganganalyse.

Ein weiteres bekanntes Meßsystem ("P-Gait-Analysis- Meßsystem", Tagungsbericht von Zweifel, H.-J. u. a., S. 260 ff., Konferenz für Ganganalyse, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, 1992, S. 260 ff.) erfaßt die Druckgrößen mit einer Meßsohle pro Fuß, wobei die Druck-Signalerfassung mit Drucksensoren und anschlies­ sendem elektronischem Multiplexing und einer Verstär­ kung/Impedanzwandlung vorgenommen wird. Die Signalüber­ tragung erfolgt zu einem Computer, in dem die Signal­ verarbeitung mittels einer geeigneten Software vorge­ nommen wird. Es ist keine Weiterverarbeitung der Sig­ nale zur akustischen Eigenkontrolle des Anwenders vor­ gesehen. Die Signale dienen der Ganganalyse.

Aus DE 41 41 109 ist eine Vorrichtung zum Trainieren und zur Ermittlung des Trainingsfortschrittes einer Person bekannt, mit der die ermittelten Meßwerte zu­ nächst mit in Tabellen abgespeicherten Werten vergli­ chen werden und erst nach Ablauf einer Meßwertserie nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne ein akusti­ sches Signal abgegeben wird. Dieses ist für jeden Anwender und auch für jeden Meßwert beim Erreichen einer bestimmten Größe das gleiche akustische Signal ohne jede Differenziertheit.

Es sind bisher jedoch keine Verfahren oder Vorrich­ tungen bekannt, mit denen eine Unterstützung z. B. der Aufgaben des krankengymnastischen Personals, von The­ rapeuten oder von Trainierenden mit einer Wirkungs­ steigerung der Übungen, einer Erhöhung der Motivation des Anwenders für die Übungen und die Möglichkeit zur autonomen Optimierung von Bewegungsabläufen während der Übungen gewährleistet werden können.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Akustisierung körpereigener physikalischer Werte zu entwickeln, mit denen eine akustische Eigenkontrolle und Motivierung durch Musik von Anwendern bei Trainings- und/oder Therapiemaßnahmen gewährleistet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die Merkmale des Patentanspruches 1 für das Verfahren und des Patentanspruches 4 für die Vorrichtung vor.

Durch die Verbindung bekannter Meßverfahren zur Gewin­ nung physikalischer Meßwerte von Personen mit der ebenfalls bekannten Musik im MIDI-Format und durch die Rückkopplung der Meßwertsituation zum Anwender (Bio- Feedback) wird eine wesentliche Erhöhung der Motiva­ tion von Anwendern für z. B. krankengymnastische Übun­ gen oder für Trainingszwecke erreicht. Es wird die Möglichkeit zur autonomen Optimierung von Bewegungsab­ läufen z. B. während der Rehabilitationsübungen ge­ schaffen. Es kann jedes Instrumental-Musikstück, das der trainierenden Person besonders gefällt und im MIDI-Format auf einem Datenträger vorliegt, zur aku­ stischen. Darstellung von körpereigenen physikalischen Werten verwendet werden. Die Anwendung kann sowohl in Kliniken oder dgl. oder zu Hause unabhängig von den örtlichen Gegebenheiten und auch ohne Unterstützung durch Therapeuten erfolgen. Es ist ein kontrolliertes Üben zwischen den Behandlungen beim Therapeuten möglich.

Erfindungsgemäß wird eine konkrete, die verwendeten technischen Mittel zueinander in Bezug setzende tech­ nische Lehre gegeben, welche die direkte Verknüpfung der aufgenommenen Meßwerte mit Musik zur Eigenkon­ trolle in Echtzeit gewährleistet, d. h. die Meßsignale werden im Moment ihrer Aufnahme "on line" d. h. in Echtzeit in akustische Meßwert spezifische Signale umgesetzt. Es werden nicht Lautstärke oder Frequenz eines Tones permanent und in Echtzeit übertragen, sondern es wird Musik ausgegeben, wobei musikalische Elemente variiert werden. Dies bedeutet, daß aus­ gewählte Instrumentenklänge ausgetauscht, Tonhöhen verstimmt und Notenlängen meßwertspezifisch verändert werden. Eine solche Rückkopplung der Meßwertsituation zum Anwender über Musiksignale ist nicht bekannt.

Nach der Erfindung werden die aufgenommenen körper­ eigenen physikalischen Werte im Moment Ihre Aufnahme in Echtzeit in akustische Signale umgesetzt. Dabei be­ einflussen die körpereigenen Werte des Anwenders die akustischen Signale, die meßwertspezifisch sind. Es können beliebige Musikstücke abgespeichert werden, die durch die aufgenommenen körpereigenen physikalischen Meßwerte anwenderspezifisch verändert werden.

Entsprechen die körpereigenen physikalischen Werte, die über die Sensoren aufgenommen werden, einer mustergül­ tigen Vorgabe, die den Optimalzustand beschreibt und die in den Algorithmen abgespeichert ist, so wird ein Musikstück original übertragen. Besteht eine Abweichung zur mustergültigen Vorgabe, so werden die Musikdaten beeinflußt. Je größer die Abweichung der mustergülti­ gen Vorgabe ist, desto auffallender ist die Beeinflus­ sung der Musikdaten.

Ein Beispiel der akustischen Eigenkontrolle bei der Gangtherapie zur Rehabilitierung von Patienten mit Gehstörungen wird nachstehend erläutert. Das optimale Gangbild des Gesunden ist durch Symmetrie, Schrittfre­ quenz und definiertes Abrollverhalten des Fußes cha­ rakterisiert. Bei Patienten mit Gehstörungen ist das Gangbild unsymmetrisch, die Schrittfrequenz ist ver­ mindert und oftmals ist das Abrollverhalten gestört. Jede Abweichung vom optimalen Gangbild, die über die Sensoren an den Füßen des Patienten ermittelt wird, führt zu einer Beeinflussung der Musikdaten. Z. B. ein Musikstück, das bei einer symmetrischen Gangart origi­ nal übertragen wird, ertönt bei einem Patienten mit unsymmetrischem Gangbild je nach Stärke der Unsymme­ trie stockend und unmelodisch. Der Patient wird moti­ viert, sein Gangbild zu verbessern und symmetrischer zu gestalten, um das Musikstück wohlklingender ertönen zu lassen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Akustisierung körpereigener physika­ lischer Werte zur akustischen Eigenkontrolle bei der Gangtherapie zur Rehabilitation von Patienten mit Gehstörungen näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Mit Hilfe von Musik soll einem Patienten 1 mit Gehstö­ rungen eine akustische Information über seine Gangpa­ rameter bezüglich Schrittfrequenz, Symmetrie und Abrollverhalten des Fußes bereitgestellt werden.

Der Fuß ist für den Menschen die wesentliche mecha­ nische Voraussetzung bei allen Haltungen und Fortbe­ wegungen. Die Funktion des Fußes kann z. B. bei Ein­ schränkungen der neuromuskulären Steuerung sowie bei Neuropathien gestört sein.

Der Mensch muß beim Gehen und Stehen über den Boden­ kontakt mit dem Fuß eine Kraft übertragen, deren ver­ tikale Komponente etwa seinem Gewicht entspricht. Diese Kraft wirkt über die Kontaktfläche des Fußes mit der Unterlage und erzeugt einen Druck. Der Druck ist im allgemeinen ungleichmäßig über die Kontaktfläche verteilt und zeitlich veränderlich.

Die Messung der Bodenreaktionskräfte erfolgt nach den bekannten Meßverfahren. An den Füßen bzw. in den Schuhen des Patienten 1 sind pro Fuß mindestens zwei Kraftsensoren 2, 3 im Fersenbereich und im Bereich des Vorfußes zur Messung der Bodenreaktionskraft und zur Messung der Abfolge des Auftretens befestigt. Die Signale der Sensoren 2, 3 werden an die Eingänge einer Auswerteeinheit 4 geleitet. Die Auswerteeinheit 4 für die Meßwerte besteht im wesentlichen aus Verstärker und A/D-Wandler. Die in der Auswerteeinheit 4 auf­ bereiteten Signale werden einer Bewertungsstufe 6 für die Meßwerte zugeführt, in der die Meßwerte mit Vorga­ ben aus einem Bewertungsvorgabenspeicher 5 zusammen­ gebracht werden. Die so ermittelten Bewertungen für die Bewegungsausführungen des Patienten 1 werden unter Verwendung der vorgegebenen Musik im MIDI-Format aus einem Speicher 8 in einer Umsetzungsstufe 7 vertont und ergeben die modifizierte Musik. Die Bewertungs­ stufe 6, der Speicher 5 für die Bewertungsvorgaben und die Umsetzungsstufe 7 können durch einen Mikrocomputer mit Programm- und Datenspeicher und einem angeschlos­ senen Vertonungsmodul mit Lautsprecheranschluß reali­ siert werden. Als Speicher 8 für Musik im MIDI-Format eignen sich die handelsüblichen Disketten oder Chipkarten.

Die Signale der Sensoren 2, 3 lösen auf der Basis spezifischer Algorithmen (Software) beim Patienten Klangereignisse aus, die sich in ihrer zeitlichen Abfolge zu charakteristischen Musikstücken zusammen­ fügen. Die Musikstücke können Lieder, bestehend aus einer Melodie und Rhythmus, oder die Klänge deutlich erkennbarer Musikinstrumente sein.

Die beschriebene Musikerzeugung erfolgt im Augenblick der Bewegungsausführung, d. h. in "Echtzeit", und ist dem Patienten 1 über Kopfhörer 9 oder Lautsprecher zum gleichen Zeitpunkt zugänglich.

Die zu verwendende Software ist in der Lage, Musik­ stücke zu erzeugen, die motivierende, handlungsaus­ lösende und die ausgewählte Bewegung "beschreibende" oder "kontrollierende" Wirkung aufweisen.

Der spezifische Algorithmus bewirkt Signale zur Klang­ erzeugung/Klangbeeinflussung, die dem MIDI-Format ent­ sprechen und die elektronische Musikinstrumente ver­ wenden, die solche Signale verstehen (Verwendung von Standard-Klangerzeugern). Dabei können die Bodenreak­ tionskräfte beispielsweise mit der Tonhöhe und/oder der Lautstärke und der Gangrhythmus mit dem Musiktakt in Bezug gesetzt werden. Es können über die zu ver­ wendende Software alle oder einige Parameter beein­ flußt oder verändert werden. Die Erzeugung von Musikstücken kann in verschiedenen Varianten organisiert werden.

Der Patient 1 wählt ein gerne gehörtes Lied, Musik­ instrument oder Musikstück aus. Jeweils beim Über­ schreiten der Bodenreaktionskräfte von rechtem bzw. linkem Bein wird über einen einstellbaren Schwellen­ wert eine Klangsequenz ausgelöst, die den durch ein ausgewähltes Musikinstrument gespielten Noten des folgenden Taktes eben dieses Liedes entspricht, wobei die Geschwindigkeit des Liedes bzw. die zeitliche Dauer eines Taktes fest einstellbar ist und somit die Schrittfrequenz des Patienten 1 bestimmt. Die Differenz zwischen den maximalen Auftrittskräften von linkem und rechtem Bein aufeinanderfolgender Schritte verstimmt das gespielte Instrument, d. h. verändert den Grundton um einen gewissen, den Gehfähigkeiten des Patienten 1 angepaßten Betrag.

Eine Variante besteht darin, daß im Falle des Über­ schreitens der Bodenreaktionskräfte von rechtem bzw. linkem Bein über einen einstellbaren Schwellenwert ein Signal ausgelöst wird, welches ein ausgewähltes Musik­ instrument veranlaßt, eine immer wieder identische Note oder eine gemäß der Harmonielehre zur Melodie des Liedes passende Note mit der Dauer der Überschreitung des Schwellenwertes zu spielen. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schwellen­ wertüberschreitungen wird die Zeit berechnet, mit der ein Takt oder der Bruchteil eines Taktes des ausge­ wählten Liedes gemeinsam mit dem Klang eines bestimm­ ten Musikinstrumentes zu Gehör gebracht wird, wobei sich die Geschwindigkeit des Liedes nach der Schritt­ frequenz des Patienten 1 richtet. Das ausgewählte Lied wird durch eine größere Anzahl von Instrumenten into­ niert, jedoch wird das bestimmte Musikinstrument deut­ lich herausgehört.

Die verwendeten Sensoren 2, 3 zur Messung der Boden­ reaktionskräfte während des Gehens weisen eine Kon­ struktion auf, die bezüglich der Genauigkeit, der Auflösung und der Lebensdauer der Aufgabenstellung angepaßt sind.

Besonders vorteilhaft sind Kraftsensoren 2, 3, die aus luft- oder flüssigkeitsgefüllten Druckkammern beste­ hen. Ein Teil der Rückstellkraft kann mittels eines darin befindlichen Moosgummi- oder Schaumstoffkörpers ausgeführt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Akustisierung körpereigener physika­ lischer Werte für Trainings- und/oder Therapiemaß­ nahmen, wobei die relevanten physikalischen Meß­ werte des Probanden über Sensoren aufgenommen und in einer Aufbereitungsstufe verstärkt, gewandelt und in Musiksignale umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die körpereigenen Werte des Probanden (1) über die Sensoren (2, 3) ständig aufgenommen und in der Aufbereitungsstufe (4) verstärkt und gewandelt werden und in einer Bewertungsstufe (5, 6) mittels spezifischer Algorithmen softwaremäßig verarbeitet und simultan in einer Umsetzungsstufe (7) in Musik umgesetzt werden, die den Vorgaben aus der Bewer­ tungsstufe (5, 6) durch Beeinflussung der im Musik­ speicher (8) im MIDI-Format gespeicherten Musik­ daten entspricht, und daß dem Probanden (1) über eine Tonquelle (9) eine Musik ausgegeben wird, die seine Meßwertsituation permanent und in Echtzeit signalisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpretation der Meßwerte durch Verän­ derungen in Form von verlängerten oder verkürzten Noten oder Pausen, einer Auswahl von Instrumental­ stimmen, veränderter Klangfarbe oder Nachhall, ver­ änderter Lautstärke der abgespielten Instrumental­ musik aus dem Speicher (8) im MIdI-Format vorge­ nommen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens ein Sensor (2, 3) zur Erfassung physikali­ scher Meßwerte vom Körper des Probanden (1) mit einer Auswerteeinheit für die Meßwerte (4) verbun­ den ist, die wiederum mit einer Bewertungsstufe (6) für die Meßwerte gekoppelt ist, die eingangsseitig weiterhin mit einem Bewertungsvorgabenspeicher (5) und ausgangsseitig mit einer Umsetzungssstufe (7) verbunden ist, die eingangsseitig mit einem Speicher (8) für Musik im MIDI-Format und ausgangsseitig mit einer Tonquelle (9) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß als Sensor (2, 3) eine Kraftmeßsohle für Bodenreaktionskräfte verwendet wird, die in her­ kömmlichen Schuhen eingelegt ist und welche unter der Ferse und unter dem Vorfuß mindestens je einen Kraftsensor enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kraftsensoren aus Dehnungsmeßstreifen gebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftsensoren aus luft- oder flüssigkeitsgefüllten Druckkammern bestehen, an denen direkt oder über Schlauchverbindungen Drucksensoren zur Kraftmessung angebracht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teil der Rückstellkraft in der Druck­ kammer mittels eines darin befindlichen Moosgummi- oder Schaumstoffkörpers bewirkt wird, wobei die Druckkammerwände mit dem Moosgummi- oder Schaum­ stoffkörper fest verbindbar sind.