DE19547380A1

DE19547380A1 - Vorrichtung zur Messung der Belastung des menschlichen Fußes

Info

Publication number: DE19547380A1
Application number: DE19547380A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Ing Eichner; Gideon Hilb
Original assignee: IND SYSTEME DATENTECHNIK
Current assignee: IND SYSTEME DATENTECHNIK
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Belastung des menschlichen Fußes. Solche Messungen sind bisher nur unter Laborbedingungen in medizinisch orthopädischen und sportmedizinischen Labors sowie in Kliniken durchgeführt worden. Der hierfür bisher erforderliche Geräteaufwand ist beträchtlich und schließt einen erweiterten Einsatz solcher Messungen aus.

Bei der postoperativen Rekonvaleszenz im klinischen und ambulanten Bereich ist es wichtig, eine Überbelastung des Fußes bzw. Beines zu vermeiden und rechtzeitig zu erkennen. Darüber hinaus ist es beispielsweise auch für die sportmedizinische Forschung von Bedeutung, Fuß- bzw. Beinbelastungen nicht nur im Labor, sondern auch unter realistischen Sportbedingungen zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Messung der Belastung des menschlichen Fußes zu schaffen, die die Bewegungsfreiheit nicht einengt und daher sowohl bei der postoperativen Rekonvaleszenz als auch beim Sport uneingeschränkt eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur Messung des menschlichen Fußes aus einem im Sohlenbereich eines Schuhs eingebauten Kraftsensor, der einen mit einer Energieversorgungs einrichtung verbundenen Signalsender steuert, und einem davon räumlich getrennten, mit dem Signalsender drahtlos in Verbindung stehenden Signalempfänger besteht, der eine Auswerteschaltung aufweist.

Bei dieser Vorrichtung wird die Bewegungsfreiheit der Person nicht beeinträchtigt, weil die elektrische Signalverbindung zwischen dem Einsatzort des Kraftsensors und der Auswerteschaltung drahtlos auf dem Funkwege erfolgt, so daß ein mobiler Einsatz im Sport und für eine Dauerüberwachung über längere Zeit, z. B. bei der Rekonvaleszenz im klinischen und ambulanten Bereich, ermöglicht wird. Die Anordnung des Kraftsensors im Sohlenbereich eines Schuhs führt dazu, daß der Sensor für die Person nicht spürbar ist und deshalb deren Bewegung auch bei einem Einsatz über längere Zeit nicht stört. Durch die direkte Messung im Fußbereich wird auch eine indirekte Messung der Gesamtbelastung des Beines erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kraftsensor mit dem Signalsender und der Energieversorgungseinrichtung zu einer Sensor-Sender-Ein heit baulich zusammengefaßt ist, die in einer Schuhsohle oder Einlegesohle eingebettet ist. Diese kompakte Ausführung der Sensor-Sender-Einheit erleichtert die Unterbringung in der Sohle des Schuhs oder in einer Einlegesohle.

Vorzugsweise ist die Sensor-Sender-Einheit in einem flachen, scheibenförmigen Gehäuse untergebracht, das in besonders einfacher Weise im Sohlenbereich eingebettet werden kann.

Die Energieversorgungseinrichtung weist vorzugsweise eine elektrische Batterie auf. Um die Energiebedarf niedrig zu halten, kann die Batterie über einen bei Trittbelastung schließenden Trittschalter mit dem Signalsender verbunden sein, 50 daß ein Energieverbrauch nur dann eintritt, wenn eine Belastungsspitze auftritt, deren Messung erforderlich ist.

Die elektrische Batterie kann aufladbar ausgeführt sein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Kraftsensor mit einer Ladeschaltung verbunden ist, durch die die vom Kraftsensor gelieferte Energie zur Aufladung der elektrischen Batterie verwendet wird. Durch diese Aufladung der elektrischen Batterie während des laufenden Meßbetriebs wird ein Langzeit-Ein satz ohne Austausch der Batterien ermöglicht. Außerdem können Batterien geringer Abmessungen gewählt werden, wodurch die Unterbringung der Sensor-Sender-Einheit im Sohlenbereich vereinfacht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eine im Sohlenbereich eines Schuhs eingebettete Sensor-Sender-Einheit und einen Signalempfänger,

Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Sensor-Sender-Einheit,

Fig. 3 eine Ansicht der Sensor-Sender-Einheit mit abgenommenem Gehäuse in Richtung dem Pfeiles III in Fig. 2,

Fig. 4 bis 7 vereinfachte Blockschaltbilder von Vorrichtungen zur Messung der Belastung des menschlichen Fußes in unterschiedlichen Ausführungsformen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist in einer Sohle 1 eines mit strichpunktierten Linien nur angedeuteten Schuhs 2 oder in einer Einlegesohle dieses Schuhs eine Sensor-Sender-Ein heit 3 im Fersenbereich eingebettet, die mit einem Signalempfänger 4 in drahtloser Verbindung steht. Die im Fersenbereich auftretenden Druckbelastungen, die der jeweiligen Fuß- bzw. Beinbelastung entsprechen, werden in der Sensor-Sender-Einheit 3 erfaßt und in elektrische Signale umgewandelt, die über eine damit verbundene Sendeantenne 5 und eine Empfangsantenne 6 an den Signalempfänger 4 übermittelt werden, der eine Auswerteschaltung aufweist.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist die Sensor-Sender-Einheit 3 in einem flachen, scheibenförmigen Gehäuse 7 untergebracht, das mit einer oberen Kappe 8 und einer unteren Kappe 9 verschlossen ist. In an der Unterseite des Gehäuses 7 vorgesehenen Ausnehmungen sind eine Signalverarbeitungselektronik 10, zwei als aufladbare Akkumulatoren ausgeführte elektrische Batterien 11 sowie ein Sender 12 untergebracht.

Am Boden einer oberen Aussparung 13 des Gehäuses 7 ist ein flacher Kraftsensor 14 angeordnet. Die obere Kappe 8 und das Gehäuse 7 weisen eine mit einer flexiblen Masse 15 gefüllte Tastöffnung 16 auf, unter der der Kraftsensor 14 angeordnet ist, oder einen geschlossenen Deckel.

Die mit dem Fuß auf die Sohle 1 ausgeübte Kraft wird durch die flexible Masse 15 als Druckkraft auf den Kraftsensor 14 übertragen, der beispielsweise ein elektrisches Widerstandselement aufweist, dessen Widerstand sich in Abhängigkeit von der ausgeübten Druckkraft ändert. Wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist, wird das von dem elektrischen Widerstandselement des Kraftsensors 14 gelieferte Signal in einem als Oszillator aufgebauten Umsetzer 17 der Signalverarbeitungselektronik 10 in ein Frequenzsignal umgesetzt, das dem Sender 12 zugeführt wird. Der Sender 12, der von der Batterie 11 mit elektrischer Energie versorgt wird, sendet über die Sendeantenne 5 drahtlos ein Signal an die räumlich davon entfernte Empfangsantenne 6. Das empfangene Signal, das der zu messenden Belastung entspricht, wird im Signalempfänger 4 einer Auswerteschaltung zugeführt.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Batterien 11 zwar als aufladbare Akkumulatoren ausgeführt. Die Aufladung muß jedoch aus einer externen Energiequelle erfolgen.

Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Beispiel nach Fig. 4 dadurch, daß zwischen der Batterie 11 und dem Signalsender 12 ein bei Trittbelastung schließender Trittschalter 18 angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß der Signalsender 12 nur dann mit elektrischer Energie versorgt wird, wenn bei Trittbelastung die Übermittlung eines Meßsignals erforderlich ist. In den übrigen Zeitabschnitten mit geringer Belastung bleibt der Signalsender 12 abgeschaltet. Das im Kraftsensor 14 verwendete Widerstandselement kann als piezoelektrisches Widerstandselement ausgeführt sein.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist der Kraftsensor 14 beispielsweise mit einem piezoelektrischen Element versehen, das die ausgeübte Kraft in eine elektrische Spannung umsetzt. Als Umsetzer 17′ wird hierbei ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer verwendet, der in der schon beschriebenen Weise ein Frequenzsignal zur Steuerung des Signalsenders 12 liefert. Die elektrische Energieversorgung des Umsetzers 17′ erfolgt durch die aufladbare Batterie 11.

Der Kraftsensor 14 ist hierbei mit einer Ladeschaltung 19 verbunden, durch die die vom Kraftsensor 14 gelieferte Energie zur Aufladung der Batterie 11 verwendet wird. Dadurch wird eine externe Aufladung der Batterie 11 überflüssig, so daß ein Langzeit-Betrieb ermöglicht wird. Beim Beispiel nach Fig. 6 kann der Kraftsensor 14 mit einem elektrodynamischen Element ausgestattet sein, das mit einem pneumatischen oder hydraulischen Wirkmedium arbeiten kann. Es ist auch möglich, den Kraftsensor 14 mit einem Beschleunigungsaufnehmer auszurüsten, wobei die gemessene Beschleunigung ein Maß für die auftretende Belastung bildet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführung nach Fig. 6 dadurch, daß im Kraftsensor 14 die Verformungsgeschwindigkeit durch einen elektrodynamischen Belastungssensor erfaßt wird. In einem Differenzialglied 20 wird die Steigung des so erhaltenen Spannungsverlaufs ermittelt und dem Umsetzer 17′ zugeführt.

Es ist auch möglich, mehrere Kraftsensoren 14 bzw. mehrere Sensor-Sender-Einheiten 3 im Sohlenbereich anzuordnen und jeweils über getrennte Sendekanäle mit dem Signalempfänger 4 zu verbinden.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Belastung des menschlichen Fußes, bestehend aus

a) einem im Sohlenbereich eines Schuhs eingebauten Kraftsensor (14), der einen mit einer Energieversorgungseinrichtung (11) verbundenen Signalsender (12) steuert, und
b) einem davon räumlich getrennten, mit dem Signalsender (12) drahtlos in Verbindung stehenden Signalempfänger (4), der eine Auswerteschaltung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) mit dem Signalsender (12) und der Energieversorgungseinrichtung (11) zu einer Sensor-Sender-Ein heit (3) baulich zusammengefaßt ist, die in einer Schuhsohle (1) oder Einlegesohle eingebettet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor-Sender-Einheit (3) in einem flachen, scheibenförmigen Gehäuse (7) untergebracht ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) eine mit einer flexiblen Masse (15) gefüllten Tastöffnung (16) aufweist, unter der der Kraftsensor (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (7) einen geschlossenen Deckel zur Krafteinleitung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinrichtung eine elektrische Batterie (11) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie (11) über einen bei Trittbelastung schließenden Trittschalter (18) mit dem Signalsender (12) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Batterie (11) aufladbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) mit einer Ladeschaltung (19) verbunden ist, durch die die vom Kraftsensor (14) gelieferte elektrische Energie zur Aufladung der elektrischen Batterie (11) verwendet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein piezoelektrisches Element aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein elektrisches Widerstandselement aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein piezoelektrisches Widerstandselement aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein elektrodynamisches Element aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein elektrodynamisches Element mit pneumatischem Wirkmedium aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) ein elektrodynamisches Element mit hydraulischem Wirkmedium aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (14) einen Beschleunigungsaufnehmer aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kraftsensoren (14) im Sohlenbereich angeordnet und über getrennte Sendekanäle mit dem Signalempfänger (4) verbunden sind.