DE2638169B2

DE2638169B2 - Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten

Info

Publication number: DE2638169B2
Application number: DE19762638169
Authority: DE
Inventors: Nils Ing.(Grad.) 2000 Hamburg Warming
Original assignee: Jd Moeller Optische Werke 2000 Wedel GmbH
Current assignee: G Rodenstock Instrumente GmbH
Priority date: 1976-08-25
Filing date: 1976-08-25
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE2638169A1; DE2638169C3

Description

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten /u schaffen, mit der die vorangehend aufgezeigten Nachteile l«.*i den bekannten Geräten vermieden werden und die eine elektrische Weiterverarbeitung der Meßergebnisse ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe bei der eingangs genannten Vmrichtung dadurch, daß die Vorrichtung einen in einem Gehäuse senkrecht angeordneten, um eine waagerechte Drehachse verschwenkbaren, zweiarmigen Hebel, dessen Schwerpunkt in seiner Drehachse liegend angeordnet ist und dessen oberer Hebelarm endseitig einen auf die zu untersuchende Körperstelle aufsetzbaren Kontaktkörper trägt, und eine an dem freien Ende des unteren Hebelarmes des Hebels angeordnete Rechteckspule aufweist, die bei einer Drehung des Hebels mit mindestens einer Seite in dem homogenen Feld des Permanentmagnetsystems bewegbar und die zur Stromzuführung mit flachen Goldbändehen mit vernachlässigbar kleinem Rückstellvermögen verbunden ist, die mit einer Ansteuer- und Meßelektronik verbunden sind, und daß der Hebel in seiner Beweglichkeit um seine Drehachse im homogenen Teil des Permanentmagnetsystems in seiner Beweguugsbahn begrenzbar ausgebildet ist.

Zur Begrenzung der Hebelbewegung ist eine als Anschlag dienende motorgesteuerte Kurvenscheibe vorgesehen, die mit einer Steuerung für den Motor zur Durchführung kontrolliert geführter Bewegungen des Kontaktkörpers verbunden ist. Die herzförmig ausgebildete Kurvenscheibe ist mit einem Antriebsmotor mit zwischengeschaltetem Getriebe verbunden, während im Umlaufbereich der Kurvenscheibe ein am unteren Hebelarm angeordnetes Gleitendstück und ein Lichtschrankensystem zur Steuerung der Hebelbewegungsfreiheit angeordnet sind, so daß in demjenigen Fall, in dem der Kontaktkörper auf ein Hindernis, beispielsweise auf die zu untersuchende Körpersteile, auftrifft, diese die Kraft übernimmt, während die Kurvenscheibe weiterläuft, bis ihre maximale Ausdehnung in diesem Liehtschrankensystem beide Lichtempfänger verdunkelt, so daß dann der Hebel seine größte Bewegungsfreiheit aufweist, so daß dann beim Lösen der Taste sich die Kurvenscheibe selbsttätig zurückdreht und den Kontaktkörper von der betreffenden und vom Kontaktkörper beaufschlagten Körperstelle abhebt.

Neben einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zur Speisung der Spule der Krafterzeugungseinriehtung eine spannungsgesteuerte Konstantstromquelle vorgesehen, die zu ihrer Steuerung mit einem Integrator verbunden ist, deren Ausgangsspannungssteuerung mittels einer Eingabetastatur erfolgt, während als Endschalter ausgebildete Maximum- und Minimum-Begrenzer vorgesehen sind, die mit dem Integrator in Wirkverbindung stehen.

Mit einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, eine definierte lage- und wegunabhängige Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten vorzunehmen und die erhaltenen Meßergebnisse elektrisch weiter zu verarbeiten. Es ist nicht mehr erforderlich, daß die Patienten bei der Untersuchungeine liegende Stellung einnehmen müssen. In sämtlichen Positionen des Patienten sind genaue Meßergebnisse mit der Vorrichtung erhältlich. Die sonst bei einer unruhigen Haltung des Geräts in die Messung eingehenden Meßfehler werden mit der Vorrichtung vermieden.

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Es zeigt
> Fig. 1 eine Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten in einer Seitenansicht,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 in einer Vorderansicht, und

Fig. 3 ein Blockschaltbild für die Ansteuer- und Meßelektronik.

Bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeu-) gung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten ist mit 10 ein Gehäuse bezeichnet, das das krafterzeugende Meßsystem aul nimmt. Dieses krafterzeugende Meßsystem besteht aus einem um eine waagerechte Drehachse 21 verschwenkbaren zweiarmigen Hebel 20, dessen oberer Hebefarm 20« endseitig einen Kontaktkörper 25 trägt, während an dem unteren Hebelarm 20i> die Rechteckspule 30 einer Krafterzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die aus dieser Rechteckspule 30 und einem permanenten Magnetsystem 40 besteht. Die Drehachse 21 ist mittels Lage 22, 23 im Innenraum des Gehäuses 10 gehalten. Der Schwerpunkt des Hebels 20 fällt mit seiner Drehachse 21 zusammen; er verhält sich dadurch vollkommen lageunabhängig. Zur einmaligen Schwerpunkts-

iu einstellung sind Justierschrauben 24, 24c/ vorgesehen (Fig. 1). Die Lager 22, 23 für die Drehachse 21 des Hebels 20 sind so ausgebildet, daß die Drehachse 21 in den Lagern 22, 23 reibungsarm gelagert ist.

Der Verdrehbereich des Hebels 20 ist so begrenzt,

r, daß sich für den Kontaktkörper 25 am Ende des oberen und gegenüberdem unteren Hebelarm 20b länger ausgebildeten Hebelarm 20« ein Verschiebeweg von etwa ± K) mm ergibt.

Die Krafterzeugung erfolgt mittels einer Krafter-

Ki Zeugungseinrichtung, die, wie vorangehend schon ausgeführt, aus der Spule 30 und dem permanenten Magnetsystem 40 besteht. Die beiden langen Seiten der Spule 30, jedoch mindestens eine der beiden Seiten dieser Spule, sind beweglich im Luftspalt und da-

4i mit im homogenen Feld des Magnetsystems 40 angeordnet. Die Stromzuführung zur Spule 30 erfolgt über schmale Goldbändchen 26, deren Richtkräfte noch außerhalb der Lagerreibung liegen, so daß der Hebel 20 als richtkraftlos betrachtet werden kann.

-,(ι Eine gewünschte Kraft an dem Kontaktkörper 25 stellt sich erst ein, wenn ein Strom durch die Spule 30 Hießt. Die Kraft F ist abhängig vom Spulenstrom /_s,,, der Länge des Magnetfeldes /, der Induktion B und der Windungszahl N der Spule 30:

F = /_v/. NIB

Die Kraft F verhält sich somit proportional zum Strom /_s/,. Durch Änderung des Stromes wird eine Kral'tänderung erreicht. Dabei ergibt sich für die be-

_hD nutzten Meßbereiche ein lineares Verhalten. Die Größe des Drehmomentes, und damit des konstanten Hebels wegen auch der Kraft, bleibt innerhalb der gewünschten Meßgenauigkeit unabhängig vom Verdrehwinkel.

_h-, Der Hebel 20 ist in seiner Beweglichkeit um seine Drehachse 21 im homogenen Teil des Permanentmagnetsystems in seiner Bewegungsbahn begrenzt ausgebildet. Dies wird erreicht durch einen motorisch be-

trie be nc η Anschlag, der die Bewegungsmöglichkeiten des Hebels 20 und somit die Bewcgungsmöglichkciten des Kontaktkörpers 25 steuert. Diese H ehe !begrenzungseinrichtung besteht aus einer als Anschlag dienenden Kurvenscheibe 50, die mittels eines Motors 51 angetrieben wird. Zwischen dem Motor 51, der mit einer Steuerung in Verbindung steht, über die Bewegungsabläufe, wie Umlaufgeschwindigkeit u.dgl. dem Motor vorgegeben sind, und der Kurvenscheibe 50 ist ein Getriebe 52 angeordnet (Fig. 1 und 2).

Die durch die Stromeinstcllung vorgegebene Kraft wirkt zunächst gegen die als Anschlag dienende Kurvenscheibe 50, die mittels des Motors 51 und dem dazwisehengeschaiietcn Getriebe 52 so verdreht wird, daß sich der Kontaktkörper 25 mit definierter Geschwindigkeit auf die zu untersuchende Region bewegt. Beim Auftreffen des Kontaktkörpers 25 auf die vorgesehene Körperstelle entlastet sie den Anschlag und nimmt die eingestellte Kraft auf.

In Fig. 3 ist das Blockschaltbild des elektronischen Teiles dargestellt, das aus der Ansteuer- und MeLielektronik ISO besteht, die über die Goldbändchen 26 mit der Spule 30 in Verbindung steht. Für die Speisung der Spule 30 ist eine spannungsgesteuertc Konstantstromquclle 60 vorgesehen. Stromkonstanz ist erforderlich, da bei einer von außen aufgezwungenen Bewegung das System als Generator wirkt und damit Strom und Anzeige geändert werden würden. Im Regelkreis der Konstantstromciuellc 60 wird ein zusätzlich induzierter Stromstoß verhindert. Außerdem wird ein gutes Stabilitätsverhallen erzielt, z.B. wird eine Widerstandsänderung der Spule 30 durch Temperatureinfluß unwirksam, weil nur die Spannung, nicht aber der wirkende Strom, sich ändert.

Die Steuerung der Konstantstromquelle 60 erfolgt von einem Integrator 70 mit einem guten Speichel verhallen aus. Die Ausgangsspannung des Integrators 70 wird um so größer, je länger ein Hingangsstrom Hießt; kleiner wird die Ausgangsspannung bei umgekehrter Stromrichtung. Die Hinstellung geschieht mit einer HingahcfaslalurHO. Hine Taste ist dazu vorgesehen, den Speicher sehr schnell so weit umzuladen, dall ein kleiner negativer Strom durch die Spule 30 Hießt.

Der negative Strom bewirkt eine Kraft, die ilen Kontaktkörper 25 von der untersuchten Körperregion trennt.

Ferner wirken auf den Integrator 70 Maximum-

Ί und Minimum-Begrenzer 90. 91 ein, die die Funktion von Hndschaltcrn haben. Die beiden Maximum- und Minimum-Begrenzer 90, 91 verhindern, daß bei Ober- oder Unterschreitung des Meßbereiches ilei Integrator 70 weiter arbeitet.

in Als Anzeige 100 dient ein Voltmeter. Hierbei kanu es sich um ein digitales, mit einem Datenausgang versehenes Voltmeter handeln, das die der Kraft entsprechende Spannung an der Spule 30 abgreift. Hs ist somit die Darstellung jeder beliebigen Krafteinheitmög-

I) lieh.

Die Motorsteuerung mit ihrer Tastatur steuert übei den Motor 51 und das Getriebe 52 die als Anschlag dienende und herzförmig ausgebildete Kurvenscheibe 50. wobei diese auch andere Formen aufweisen kann

in In der Ausgangsstellung befindet sich die Kurvenscheibe 50 in ihrer größten radialen Ausdehnung ai einem am I-nde des unteren Hebelarmes 20/) vorgesehenen Gleitendstück 28. Der eingestellte Spulen strom erzeugt die Krall, die zunächst gegen die Kur

_>■> seilscheibe 50 wirkt, wobei der Kontaktkörper 2f zurückgezogen ist. Durch Tastendruck auf der Tastatur 80 wird der Motor 51 eingeschaltet und verdrehl mittels des Getriebes 52 die Kurvenscheibe 50. Da¹ Gleitendstiick 28. das im Umfangsbercich der Kur

in vcnscheihe 50 angeordnet ist. gleitet an der Kurven scheibe 50 entlang, und durch tue besondere I'orn der Kurvenscheibe bewegt sich der Kontaktkörper 2f nach \orn. Stößt der Kontaktkörper 25 auf ein Hindernis, beispielsweise auf die zu untersuchende Kör

r> peislelle. so übernimmt diese die Kraft. Die Kurven scheibe 50 läuft weiter, bis ihre maximale Ausdehnung beide l.ichtcmplängci eines im Bereich der Kurven scheibe 50 voigesehenen I.ichtschianksystems 29 ver dunkelt (1 ig. 1). Der Hebel 20 hat in diesem Augen

in blick seine größte Bewegungsfreiheit. Beim Lösende Taste dicht die Kurvenscheibe 50 selbsttätig z.uriicl und hebt den Kontaktkörper 25 von der vorher beatii schlagten Köiperstelle ab.

llici/ii 2 Blatt /.ciclinungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgerüten unter Verwendung einer Krafterzegungseinrichtung aus einem Permanentmagneten und einer Spule, wobei die erzeugte Kraft proportional zu dem durch die Spule fließenden Strom ist, deren Größe an einem Instrument ablesbar ist, dadurch gekennzeichne t, daß die Vorrichtung einen in einem Gehäuse (10) senkrecht angeordneten, um eine waagerechte Drehachse (21) verschwenkbaren, zweiarmigen Hebel (20), dessen Schwerpunkt in seiner Drehachse (21) liegend angeordnet ist und dessen oberer Hebelarm (20 'j)endseitig einen auf die zu untersuchende Körperteile aufsetzbaren Kontaktkörper (25) trägt, und eine an dem freien Ende des unteren Hebelarmes (20b) des Hebels (20) angeordnete Rechteckspule (30) aufweist, die bei einer Drehung des Hebels (20) mit mindestens einer Seite in dem homogenen Feld des Permanentmagnetsystems (40) bewegbar und die zur Stromzuführung mit flachen Goldbündchen (26) mit vernachlässigbar kleinem Rikkstellverrnögen verbunden ist, die mit einer Ansteuer- und Meßelektronik (150) verbunden sind, und daß der Hebel (20) in semer Beweglichkeit um seine Drehachse (21) im homogenen Teil des Permancntmagnctsystcms (40) in seiner Bewegungsbahn begrenzbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung der Hcbclb';-wcgungeine als Anschlag dienende motorgesteuerte Kurvenscheibe (50) vorgesehen ist, die mit einerSteuerungfürden Motor (51) zur Durchführung kontrolliert geführter Bewegungen des Kontaktkörpers (25) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die herzförmig ausgebildete Kurvenscheibe (50) mit einem Antriebsmotor (51) mit zwischengeschaltetem Getriebe (52) verbunden ist, und daß im Umlaufbereich der Kurvenscheibe (50) ein am unteren Hebelarm (20/j) des Hebels (20) angeordnetes Gleitendstück (28) und ein Lichtschrankensystem (29) zui Steuerung der Hebelbewegungsfreiheit angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtschrankensystem (29) an der dem Gleitendstück (28) gegenüberliegenden Umfangsseite der Kurvenscheibe (50) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Hebelarm (20«) des Hebels (20) gegenüber dem unteren Hebelarm (20b) länger ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die. Ansteuer- und Meßelektronik (150) zur Speisung der Spule (30) eine spannungsgesteuerte Konstantstronuiuelle (60), die zu ihrer Steuerung mit einem Integrator (70) verbunden ist, deren Ausgangsspannungssteuerung mittels einer Eingabetastatur (80) erfolgt, als Endschalter ausgebildete Maximum- und Minimum-Begrenzer (90, 91), die mit dem Integrator (70) in Wirkverbindung stehen, und eine Anzeigeeinrichtung (100), die als Voltmeter od.dgl. ausgebildet ist, umfaßt.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur definierten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchungsgeräten unter Verwendung einer Krafterzeugungseinrichtung aus einem Permanentmagneten und einer Spule, wobei die erzeugte Kraft proportional zu dem durch die Spule fließenden Strom ist, deren Größe an einem Instrument ablesbar ist.

Es ist bekannt, daß in einigen medizinischen Untersuchungsgeräten, insbesondere in Tonometcrn und Ästhesiometern, über Kontaktkörper, z. B. Taststifte, Reizkörper, Glaskolben, Kräfte auf die zu untersuchenden Körperregionen aufgebracht werden. Dies wird beispielsweise durch Gewichte, durch Hebel mit Gewichten, durch Federkraft oder Knickkräfte erreicht. Die Nachteile der Kraftaufbringung mit Gewichten liegen in der abgestuften Kraftänderung und in der Zwangsrichtung der wirkenden Kräfte sowie in dem Umstand, daß in den meisten Fällen die Patienten bei der Untersuchung eine liegende Stellung einnehmen müssen. Bei Geräten mit Federn ist oftmals der Abstand des Gerätes zum Patienten ein Maß für die erzeugte Kraft, und sind diese Geräte als Handgeräte ausgeführt, so geht eine unruhige Haltung des Gerätes als Meßfehler in die Messung mit ein. Bekannt sind ferner die unterschiedlichen Knickkräfte, die sich aus der Einspannlänge von Kunststoffädcn ergeben, als Maß zu werten. Es ergibt sieh jedoch hierbei eine große Meßungenauigkeit allein daher, daß die Kunststol'fäden in sich gekrümmt sind, also gar keine echten Knickkräfte mehr aufzubringen sind, und außerdem durch die hygroskopischen Eigenschaften des Fadenmaterial.

Es ist eine Vorrichtung zur definieiten lage- und wegunabhängigen Krafterzeugung und -messung in medizinischen Untersuchunpsgeräten bekanntgeworden, (IRE Transactions on Medical Electronics, l°60, April, 561-67), bei der mittels eines Permanentmagneten und einer Spule eine Kraft erzeugt wird, die sich proportional zum Spulenstrom verhält. Dieses bekannte Gerät arbeitet mit einem verschieblichen Stempel in der Weise, daß auf das Auge eine Platte mit einer Durchbrechung gesetzt wird, durch die das Auge mit einem Abschnitt herausragt. Der Bewegliehe Stempel wird nunmehr gegen das Auge so weit verschoben, bis der Stempel eine mit der die Durchbrechung aufweisenden und auf dem Auge aufliegenden Platte fluchtende Stellung einnimmt. Der Strom bzw. die Kraft, die für das Verschieben des Stempels aufgewandt wird, wird gemessen und ist ein Maß für den Augeninnendruck. Dieses bekannte Gerät ist jedoch nur für eine senkrechte oder waagerechte Gebrauchslage verwendbar. In der senkrechten Lage wird das Ergebnis durch das Eigengewicht des Steinpels, welches in den angestrebten Meßbereichen ein Mehrfaches des Meßwertes betragt, beeinflußt. In der waagerechten Lage wirkt die Eigenkraft des beweglichen Organs quer zur Meßrichtung und beeinflußt die Lager- und Reibungskräfte. Außerdem arbeitet das bekannte Gerät mit einem Rückkopplungssystem, das so lange die Kraft ändert, bis der Stempel eine vorgegebene Position eingenommen hat. Diese wird induktiv gemessen und muß sehr genau eingehalten werden, weil sie das Meßergebnis stark beeinflußt.

Allen bekannten Instrumenten haftet der gemeinsame Nachteil an, daß die einfache und oft gewünschte elektrische Weiterverarbeitung der Meßergebnisse nicht direkt möglich ist.