DE19701838A1 - Meßanordnung zur Bestimmung der Schubladenverschiebung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der Schubladenverschiebung der Tibia gegenüber dem Fe­ mur an einem Bein eines Probanden.

Die Tibia läßt sich in der Verspannungsstruktur des Kniegelenks in sogenannten Schubladenbewegungen gegen­ über dem Oberschenkel schubladenartig nach vorn oder hinten schieben, wobei die Femurkondylen eine Gleitbe­ wegung auf dem zugewandten Tibiaplateau vollführen. Solche Gleit- oder Translationsbewegungen treten neben einer einfachen Abrollbewegung auch bei der aktiven Ex­ tension/Flexion des Kniegelenks auf und spiegeln dessen ligamentären Zustand wieder. Zur klinischen Untersu­ chung der Schubladenphänomene ist der sogenannte "Lach­ mann-Test" bekannt, bei dem ein Untersucher Ober- und Unterschenkel eines in Rückenlage liegenden Patienten kniegelenknah umfaßt und den Schienbeinkopf im Sinne einer ventralen Schublade unter Kraftausübung nach vor­ ne zieht. Dieser Test ist subjektiv und liefert keine quantitativen Ergebnisse über das Ausmaß einer Schubla­ de. Er eignet sich insbesondere nicht für systematische Untersuchungen des Zusammenhangs zwischen der Schubla­ denfreiheit und dem Zustand der Bandkomplexe.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine objektive Messung der Schubladenverschie­ bung am Kniegelenk insbesondere auch in funktionellen Situationen, wie beim Stehen, Gehen und Laufen, zu er­ möglichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkma­ le des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteil­ hafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, sowohl die räumliche Lage des Femurs als auch der Tibia im Kniege­ lenksbereich durch gesonderte Messungen in einem ge­ meinsamen Bezugssystem zu erfassen. Um dies zu ermögli­ chen, sind gemäß der Erfindung ein am Unterschenkel ei­ nes Beines fixierbares Referenzgestell, zwei an dem Re­ ferenzgestell im Abstand voneinander gestellfest ange­ ordnete, im Bereich der proximalen Tibia und des dista­ len Femurs gegen die Vorderseite des Beines ausrichtba­ re Abstandssensoren, und eine mit den Ausgangssignalen der Abstandssensoren beaufschlagbare Auswerteeinrich­ tung zur Bestimmung der Schubladenverschiebung vorgese­ hen. Damit lassen sich objektive, exakte Meßwerte so­ wohl bei von außen ausgelösten passiven als auch bei aktiven Schubladenbewegungen gewinnen, ohne daß es er­ forderlich wäre, das Bein zu immobilisieren. Auch muß das Referenzgestell aufgrund der parallelen Erfassung der Ausgangssignale beider Abstandssensoren nicht voll­ kommen starr in Verbindung mit dem Unterschenkel stehen, was insbesondere bei aktiven Schubladentests ohnehin nur unzureichend möglich ist.

Vorteilhafterweise ist ein Abstandssensor gegen die vordere Kniescheibenfläche (Facies anterior patellae) als äußere Bezugsfläche für die Lage der Femurrollen und der andere Abstandssensor gegen die vordere Schien­ beinrauhigkeit (Tuberositas tibiae) als Bezugsfläche für die Lage des Tibiakopfes ausgerichtet.

Um die Ausgangssignale der Abstandssensoren in direk­ te Beziehung zu den zu messenden Transversalverschie­ bungen setzen zu können, weisen die Abstandssensoren zueinander parallele Meßstrecken auf, die parallel zum Tibiaplateau in im wesentlichen antero-posterio­ rer Richtung verlaufen. Damit läßt sich die Schub­ ladenverschiebung nach Maßgabe eines Differenzwertes der Ausgangssignale der Abstandssensoren in einfa­ cher Weise bestimmen.

Zur Einstellung einer geeigneten Meßposition sind die Abstandssensoren vorzugsweise in allen drei Raumrich­ tungen begrenzt verschiebbar und in ihrer Verschiebela­ ge gestellfest arretierbar an dem Referenzgestell ange­ ordnet.

Die Abstandssensoren können einen kapazitiven, induk­ tiven oder als Ohmscher Widerstand ausgebildeten Weg­ meßsensor aufweisen, dessen Meßstrecke gegenüber ei­ nem gestellfesten Bezugspunkt festgelegt ist. Damit läßt sich die jeweilige momentane räumliche Lage der sensierten Beinflächen in einem durch das Referenz­ gestell gebildeten gemeinsamen Bezugssystem erfassen. In einer einfachen Ausführung sind die Abstandssensoren als Linearpotentiometer ausgebildet, deren Schleifer mit ihren freien Enden federbelastet an die Vorder­ seite des Beines andrückbar sind.

Alternativ können die Abstandssensoren zur berührungs­ losen Messung als Ultraschall-, Infrarot- oder Laser­ sensoren ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise ist das Referenzgestell über ein Stützpolster an der Vorderseite des Unterschenkels ab­ stützbar. Das Stützpolster ermöglicht eine weitgehend schmerzfreie anatomische Anpassung, wobei insbesondere Schaumstoffe, wie Styropor oder Polyurethan günstige Eigenschaften aufweisen.

Das Referenzgestell ist geeignet leicht gebaut, um am Unterschenkel getragen zu werden, wobei es mittels zir­ kulär um den Unterschenkel spannbarer Klettverschluß­ bänder zumindest gegen Verschiebung in sagittaler Rich­ tung fixierbar ist.

Vorteilhafterweise lassen sich äußere Kräfte über eine vorzugsweise eine Bandschlinge aufweisende Kraftüber­ tragungsvorrichtung in den Unterschenkel einleiten, wobei die aufgeprägte Kraft betragsmäßig durch einen Kraftaufnehmer bestimmbar ist.

Bei mobilen Ausführungen ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteeinrichtung eine tragbare Anzeigeeinheit auf­ weist, mittels welcher die erfaßten Werte der Abstands­ sensoren auf einem LCD-Display darstellbar sind. Dabei kann es ausreichen, wenn lediglich die während eines Meßzyklus aufgenommenen Maximalwerte angezeigt werden. Zur drahtlosen Verbindung der Abstandssensoren mit der Auswerteeinrichtung kann eine Telemetrieeinrichtung vor­ gesehen sein.

Weiter ist es von Vorteil, wenn die Auswerteeinrichtung einen über einen Analog/Digital-Wandler mit den digita­ lisierten Ausgangssignalen der Abstandssensoren und ge­ gebenenfalls den Ausgangssignalen eines Kraftaufnehmers beaufschlagbaren Mikrocomputer aufweist. Damit läßt sich die Datenerhebung in für wissenschaftliche Zwecke geeigneter Weise durchführen.

Zur zusätzlichen Untersuchung muskulärer Aktivierungen lassen sich elektromyographische Signale an Oberflächen­ elektroden ableiten, wobei insbesondere der M. biceps femoris im Oberschenkelbereich und der M. gastrocnemius im Unterschenkelbereich als Abgriffstellen geeignet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine an einem Bein fixierte Meßanordnung zur Bestimmung der Schubladenverschiebung in lateraler und frontaler Ansicht;

Fig. 3 ein Blockschaltbild von Elementen zur Datener­ fassung und -verarbeitung der Meßanordnung; und

Fig. 4 ein Zeitdiagramm verschiedener mit der Meßan­ ordnung gewonnener Meßsignale.

Die in der Zeichnung dargestellte Meßanordnung besteht im wesentlichen aus einem Referenzgestell 10, zwei an dem Referenzgestell 10 im Abstand voneinander gestell­ fest angeordneten Abstandssensoren 12, 14 sowie einer mit den Ausgangssignalen der Abstandssensoren 12, 14 beaufschlagbaren Auswerteeinrichtung 16 zur Bestimmung der Schubladenverschiebung.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, weist das Referenzgestell 10 einen gerüstartigen Aufbau auf, wobei eine untere Tragkonstruktion 18 eine Plattform für einen Stativauf­ bau 20 bildet. Die Tragkonstruktion 18 ist über ein Stützpolster 22 aus Styropor an der Vorderseite des Un­ terschenkels 24 eines Beines 26 abstützbar und mittels Klettverschlußbändern 28 fixierbar. Um eine Verdrehung um die Unterschenkelachse zu verhindern, können zusätz­ liche Stützstreben vorgesehen sein, welche im Bereich des Schienbeinkopfs lateral und medial angreifen.

An dem Stativaufbau 20 sind zwei in einer Transversal­ ebene ausgerichtete Montageplatten 30, 32 vertikal ver­ schiebbar angeordnet, auf denen die Abstandssensoren 12, 14 horizontal verschiebbar und in einer eingestell­ ten Verschiebelage arretierbar gelagert sind.

Die Abstandssensoren 12, 14 sind als Linearpotentiome­ ter ausgebildet, deren Schleifer über Taststifte 34, 36 gegenüber einem gestellfesten Linearwiderstand verschieb­ bar sind, wobei die Taststifte 34, 36 in Richtung ihrer freien Enden federbelastet sind.

Zur Ausmessung von Schubladenbewegungen werden die Linearpotentiometer 12, 14 in ihrer Lage bezüglich des Kniegelenks so orientiert, daß der obere Taststift 36 gegen die vordere Kniescheibenfläche 38 und der untere Taststift gegen die vordere Schienbeinrauhigkeit 40 an­ gedrückt wird. Diese äußeren Beinregionen dienen als Bezugsfläche für den distalen Abschnitt des Femurs 42 bzw. den proximalen Abschnitt der Tibia 44 (Fig. 1). Bei einer hinteren oder vorderen Schubladenverschiebung gleiten die Femurkondylen 46 auf dem Tibiaplateau 48 unter gegenseitiger Relativverschiebung in antero-poste­ riorer Richtung. Entsprechend sind die Taststifte 34, 36 ausgerichtet, so daß die Verschiebewege des Femurs 42 und der Tibia 44 direkt gegenüber dem Referenzgestell 10 meßbar sind.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, werden die Ausgangssignale der Potentiometer 12, 14 in einer Signalaufbereitungs­ einheit 50 verstärkt und ggf. digitalisiert sowie über ein LCD-Display angezeigt, wobei die Einheit 50 zweck­ mäßig am Körper des Probanden angeordnet ist. Die Daten lassen sich über ein Sendemodul 52 und ein Empfangsmo­ dul 54 einer Telemetrieeinrichtung über eine Funkstrecke 56 zu einer stationären Verarbeitungseinheit 58 übertra­ gen. In einer Laborsituation kann die Signalaufberei­ tungseinheit 50 direkt mit der durch einen Personalcom­ puter gebildeten Verarbeitungseinheit 58 verbunden sein, wobei dann die Digitalisierung der Daten in einem als Einsteckkarte ausgebildetem Analog-Digital-Wandler in dem Personalcomputer erfolgt.

Passive Schubladenbewegungen lassen sich unter der Ein­ wirkung äußerer Kräfte beobachten. Um reproduzierbare Meßbedingungen zu schaffen, kann dabei ein Kraftaufneh­ mer 60 vorgesehen sein, mittels welchem die angewandten Kräfte meßbar und damit der weiteren Auswertung zugäng­ lich sind. Weiter kann zur Erhöhung des Reproduzierbar­ keitsgrades der Messungen ein nicht gezeigtes Winkelmeß­ system zur Erfassung der Beuge- bzw. Streckstellung des Kniegelenks vorgesehen sein.

Bei Schubladenbewegungen werden vermutlich von Mechano­ rezeptoren Muskelreflexe zum Schutz des Kniegelenks vor Extremstellungen ausgelöst. Neben der Messung der rein mechanischen Verschiebungen ist es daher auch von Inte­ resse, Signale des neuromuskulären Systems, wie sie in Form von Elektromyogrammen mittels Oberflächenelektro­ den ableitbar sind, aufzuzeichnen.

In Fig. 4 sind die zeitaufgelöst aufgezeichneten Si­ gnalamplituden der verschiedenen Meßsensoren in will­ kürlichen Einheiten über der Zeit dargestellt. Die Kurve 62 gibt den mit dem Kraftaufnehmer 60 erfaßten, in den Unterschenkel 24 eingeleiteten Kraftimpuls wieder. Anhand des Signals 64 des Linearpotentiome­ ters 12 ist eine geringe zeitlich verzögerte Bewegung der Tibia 44 gegenüber dem Referenzgestell 10 zu er­ kennen, während das Signal 66 des Potentiometers 14 die Bewegung der Patella 43 und damit mittelbar des Femurs 46 zeigt. Die eigentliche Schubladenverschie­ bung ergibt sich schließlich aus der Differenzkurve 68 der Signalverläufe 64 und 66. Daneben sind in Fig. 4 auch die zeitgleich abgegriffenen EMG-Signale von biceps femoris (Kurve 70) und gastrocnemius (Kurve 72) dargestellt, welche in Zusammenhang mit der Kraft­ einleitung stehende Aktivierungen zeigen.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Er­ findung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der Schubladenverschiebung der Tibia 44 gegenüber dem Fe­ mur 42 an einem Bein 26 eines Probanden, mit einem am Unterschenkel 24 des Beines 26 fixierbaren Referenz­ gestell 10, zwei an dem Referenzgestell 10 im Abstand voneinander gestellfest angeordneten, im proximalen Tibiabereich und distalen Femurbereich gegen die Vor­ derseite des Beines 26 ausrichtbaren Abstandssensoren 12, 14 und einer mit den Ausgangssignalen der Anstands­ sensoren 12, 14 beaufschlagbaren Auswerteeinrichtung 16. Die Schubladenverschiebung wird dabei im wesent­ lichen unabhängig von überlagerten Relativbewegungen zwischen Unterschenkel und Referenzgestell 10 als Differenzwert der beiden zeitgleich erfaßten Aus­ gangssignale der Abstandssensoren 12, 14 bestimmt.

Claims (15)

1. Meßanordnung zur Bestimmung der Schubladenverschie­ bung der Tibia (44) gegenüber dem Femur (42) an ei­ nem Bein (26) eines Probanden, gekennzeichnet durch

• - ein am Unterschenkel (24) des Beines (26) fixier­ bares Referenzgestell (10),
• - zwei an dem Referenzgestell (10) im Abstand von­ einander gestellfest angeordnete, im proximalen Tibiabereich und distalen Femurbereich gegen die Vorderseite des Beines (26) ausrichtbare Abstands­ sensoren (12, 14)
• - und eine mit den Ausgangssignalen der Abstands­ sensoren (12, 14) beaufschlagbare Auswerteeinrich­ tung (16) zur Bestimmung der Schubladenverschie­ bung.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Abstandssensor (14) gegen die Facies anterior patellae (38) als Bezugsfläche für den Femur (42) und der andere Abstandssensor (12) gegen die Tuberositas tibiae (40) als Bezugsfläche für die Tibia (44) ausgerichtet ist.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßstrecken der Abstandssensoren (12, 14) parallel zum Tibiaplateau in im wesentli­ chen antero-posteriorer Richtung verlaufen.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich­ tung (50, 58) die Schubladenverschiebung nach Maß­ gabe eines Differenzwertes (68) der zeitgleich erfaßten Ausgangssignale (64, 66) der Abstandssen­ soren (12, 14) bestimmt.

5. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren (12, 14) vorzugsweise in allen drei Raumrichtungen begrenzt verschiebbar und in ihrer Verschiebelage gestellfest arretierbar an dem Referenzgestell (10) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren (12, 14) einen kapazitiven, induktiven oder als Ohmscher Widerstand ausgebildeten Wegmeßsensor aufweisen, dessen Meßstrecke gegenüber einem ge­ stellfesten Bezugspunkt festgelegt ist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren als Linearpotentiometer (12, 14) ausgebildet sind, deren Schleifer (36, 38) mit ihren freien Enden federbe­ lastet an die Vorderseite des Beines (26) andrück­ bar sind.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Abstandssensoren (12, 14) als berührungslos arbeitende Ultraschall-, Infrarot- oder Lasersensoren ausgebildet sind.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß das Referenzgestell (10) über ein vorzugsweise als Schaumstoff-Formteil aus­ gebildetes Stützpolster (22) an der Vorderseite des Unterschenkels (24) abstützbar ist.

10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das am Unterschenkel (24) tragbare Referenzgestell (10) mittels zirkulär um den Unterschenkel spannbaren, vorzugsweise durch Klettverschlüsse verschließbaren Bändern (28) fixier­ bar ist.

11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ge­ kennzeichnet durch eine mit einem Kraftaufnehmer (60) gekoppelte, vorzugsweise eine Bandschlinge aufweisende Kraftübertragungsvorrichtung zur Einlei­ tung einer Kraft in den Unterschenkel (24).

12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (16) eine tragbare Anzeigeeinheit (50) aufweist, mittels welcher die während eines Meßzyklus erfaß­ ten Werte, insbesondere die Maximalwerte der Aus­ gangssignale (64, 66) der Abstandssensoren (12, 14) vorzugsweise auf einem LCD-Display darstellbar sind.

13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, ge­ kennzeichnet durch eine Fernübertragungseinrichtung (52, 54) zur Verbindung der Abstandssensoren (12, 14) mit der Auswerteeinrichtung (58) über eine draht­ lose Sende-/Empfangsstrecke (56).

14. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (50, 58) einen über einen Analog/Digital-Wandler mit den digitalisierten Ausgangssignalen der Ab­ standssensoren (12, 14) und gegebenenfalls eines Kraftaufnehmers beaufschlagbaren Mikrocomputer (58) aufweist.

15. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ge­ kennzeichnet durch Oberflächenelektroden zur Ablei­ tung von elektromyographischen Signalen (70, 72) ins­ besondere des M. biceps femoris und M. gastro­ cnemius.