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Elektrischer Kraftaufnehmer für Fusskräfte
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein elektri,-scher Kraftaufnehmer
für Fusskräfte. Die Einrichtung ermöglicht, an verschiedenen Stellen einer Fussohle
die Kräfte zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das von einer angeschlossenen
Registriereinrichtung aufgezeichnet werden kann. Der Kraftaufnehmer für Fusskräfte
hat die Form einer dünnen Einlegesohle, die in einen Schuh hineingelegt werden kann,
und von der ein mehrsdriger Kabel strang zur Registriereinriehtung führt.
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Seit längerer Zeit besteht in der Orthopödie und Medizin ein starkes
Interesse für Fusskraftmessgeröte. Eine bekannte Form beruht auf dem optischen Prinzip
der Interferenz.
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Dabei geht der Patient über eine Platte, die auf der Unterseite kugelkalottenförmige
Erhebungen aufweist, und auf einer speziellen, durchsichtigen Mehrschichtenfolie
liegt. Die Erhebungen der Platte erzeugen unter Druck in der Mehrschichtenfolie
lnterferenzkreise, die von unten durch eine Glasplatte, auf der die Folie liegt,
hindurch beobachtet und ausgemessen werden können. Die Auswertung ist aufwendig
und zeitraubend, zudem muss eine Glasplatte im Boden eingelassen und von unten zugänglich
gemacht werdenDer Hauptnachteil ist jedoch, dass die Messeinrichtung nicht vom Patienten
mitgeführt werden kann, d.h. dass man nicht über beliebig viele Schritte hinweg
fortlaufend messen kann. Deshalb wird seit längerer Zeit nach elektrischen Systemen
gesucht, die vom Patienten mitgeführt werden können und die erlauben, über beliebig
viele Schritte hinweg die Fusskröfte insgesamt oder in Teilzonen der Fussohle zuverlässig
zu messen, überwachen und gegebenenfalls auch telemetrisch zu übermitteln. Als mitgeführte
Fusskraftaufnehmer sind auch kapazitive Messysteme bekannt, die aber einen grossen
Aufwand von der elektronischen Seite her bedingen und die nicht sehr empfindlich
sind. Zudem ist deren Ausgangssignal ausgesprochen nicht proportional zur Kraft,
was die Auswertung erschwert.
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Verschiedentlich sind schon piezoelektrische Folienaufnehmer vorgeschlagen
worden, die man wie eine Fussohle einlegen kann, die jedoch am geringen Piezoeffekt
des Folienmaterials gescheitert sind. Verwendet wurden kadmiumsulphidbelegte Folien
oder im elektrischen Feld behandelte PVC-Folien. Die vorliegende Erfindung beruht
auf der Anwendung eines Elektrets. Aus einer Elektretfolie in Kombination mit zwei
Elektroden und einer elastischen Zwischenschicht kann ein Weg- bzw. ein Kraftaufnehmer
hergestellt werden. Verglichen mit piezoelektrischen Materialien, die als Folienmaterial
zur Anwendung kommen, kann dieser Elektret-Kraftaufnehmer um Grössenordnungen grössere
Ladungen abgeben, was die Messicherheit und Messgenauigkeit wesentlich verbessert.
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Elektrete sind Isolationsmaterialien, die in ihre Umgebung elektrische
Felder aussenden.
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Sie sind schon seit vielen Jahrhunderten bekannt und sind von verschiedener
Natur. Es gibt z.B. Elektretmaterialien, die ausgerichtete Dipole enthalten, deren
Feld sich summiert. Weiter gibt es auch Elektrete, die gefangene elektrische Ladungen
enthalten, wie z.lB. das Bernstein, das oft, ohne dass es durch Reibungselektrizitöt
aufgeladen worden wäre, im Stande ist, Papierschnitzel anzuziehen. Für unsere Zwecke
sind die Folienelektrete geeignet, die aus gutem Isolationsmaterial bestehen. Am
besten ist Polytetrafluorethylen, das durch Elektrolyse oder lonenimplantation beidseitig
elektrisch, jedoch mit verschiedener Polarität,aufgeladen ist. Die Ladungen werden
durch besondere Verfahren einige lim in das Material versenkt und bleiben dann dort
festgehalten und können nicht mehr vernichtet bzw. kompensiert werden. Das Innere
des lsolationsmaterials steht dann unter dem Einfluss eines starken elektrischen
Feldes, das bis zu 40'000 V/mm erreicht. Die Funktionsweise des Kraftaufnehmers
für Fussdrücke soll anhand der folgenden 4 Figuren genauer erklärt werden: Fig.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines für die Erfindung besonders geeigneten Elektreten
aus Polytetrafluorethylen und implantierten Ladungen.
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Fig. 2 veranschaulicht einen Einlegesohlekraftaufnehmer für Fusskröfte,
wie er praktisch ausgeführt wird.
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Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Fusskraftaufnehmer.
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Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ausführung eines Kraftaufnehmer für
Fusskräfte, bei dem die Fussohle des Patienten direkt als Elektrode wirkt.
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In Fig. 1 ist das Verhalten eines Elektreten in der Umgebung von anderen
Isolationsmaterialien und Elektroden beschrieben. Die Folie aus Isolationsmaterial
1 enthält die gefangenen negativen 2 und positiven 3 Oberflöchenladungen. Angrenzend
an die Elektretfolie 1 seien zwei normale Isolationsfolien 4 und 5. Die Isolationsfolien
4 und 5 seien halb so dick wie die Elektretfolie und haben beide dieselbe Dielekfrizitötskonstante
j . Wiederum angrenzend an die Isolationsfolien 4 und 5 sind zwei Elektroden 6 und
7 vorhanden. Die Elektroden sind über die Verbindungen 8 und 9 mit dem Ladungsverstärker
10 verbunden, der seinerseits mit dem Anzeigeinstrument 1 1 in Verbindung steht,
das jede Ladungsverönderung auf den Elektroden 6 und 7 anzeigt. Die gefangenen Ladungsschichten
2 und 3 der Elektretfolie 1 sind Quell- und Senkschicht von starken elektrischen
Feldern, die sich zum einen Teil,nämlich 12,von der positiven Ladungsschicht 3 zur
negativen Ladungsschicht 2 ausdehen und das innere elektrische Feld des Elektreten
1 bilden und zum anderen Teil sich von der positiven Ladungsschicht 3 zu der Elektrode
7 erstrecken und das innere elektrische Feld 13 der Isolationsschicht 5 erzeugen
und weiter sich von der Elektrode 6 durch Isolationsfolie 4 zu der negativen Schicht2
erstrecken und das innere elektrische Feld 14 der Isolationsschicht4 bilden.
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Bei den Verhältnissen wie sie in Fig. 1 gezeichnet sind, sind die
inneren Felder 12, 13 und 14 gleich stark, hingegen ist der Richtungssinn des Feldes
12 entgegengesetzt desjenigen der Felder 13 und 14. Durch die elektrischen Felder
13 und 14 werden in den angrenzenden Elektroden 7 und 6 negative Ladungen 16 resp.
positive Ladungen 15 festgehalten. Diese Ladungen sind halb so gross wie die Elektretladungen
2 und 3. Die Dichten der letzteren können erfahrungsgemöss Grössen von 5 ~ 10 8
Coulombpro cm2 erreichen. Die oben beschriebene Ladungsverteilung,dås heisst der
Umstand,
dass halb so viel Ladung auf den Elektroden sitzt wie auf
der Elektretfolie,gilt nur so lange die in Fig. 1 beschriebenen geometrischen Verhältnisse
vorhanden sind.
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Tritt eine Veränderung ein, z.B. dass Folie 4 zusammengepresst und
dadurch dünner wird, und da zudem t öndert,steigt die influenzierte Ladung 15 auf
der Elektrode 6 an und es muss von Elektrode 7 her Ladung bezogen werden, die über
den Verstärker 10 auf die Elektrode 6 fliesen muss. Dieser Strom wird vom Verstärker
10 als Signal registriert, das am Anzeigegeröt 11 angezeigt wird. Eine Zusammenpressung
der Folie 5 wurde ein Signal im gleichen Sinne hervorrufen. Dagegen eine Zusammenpressung
der Elektretfolie selbst wurde ein doppelt so starkes Signal in umgekehrter Richtung
hervorrufen. Dies bedeutet, wenn die Elektroden 6 und 7 und damit alle Schichten
gleich zusammengepresstwürden, dass alle Signalverönderungen des Elektreten und
den angrenzenden Schichten sich aufhöben, falls alle Schichten gleiche Elastizitötsmoduli
haben Wenn also ein solches System Fig. 1 als Weg- oder Kraftaufnehmer funktionieren
soll, muss darauf geachtet werden, dass eine gewisse Unsymmetrie in bezug auf die
Krafteinleitung oder in bezug auf die Elastizitötsmoduli oder geometrischen Abmessungen
vorhanden ist, damit sich die entstehenden Ladungseffekte nicht gegenseitig aufheben.
All diese Fakten können anhand von Gleichung(1) gut ausgedruckt werden:
Q= gesamte Ladung der Elektretfolie d.h. Flöchendichte der Elektretfolie mal Totalflöche
der Folie. Die Ladungsdichte der Elektretfolie kann bis 5. 10 8 Coulomb/cm2 erreichen.
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r 1 = Dielektrizitötskonstante des Elektretfolienmaterials dl = Dicke
der Elektretfolie sc 2 = Dielektrizitötskonstante der einen angrenzenden Folie.
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d2 = Dicke der einen angrenzenden Folie cS 3 = Dielektrizjtätskonstante
der zweiten angrenzenden Folie d2 = Dicke der zweiten angrenzenden Folie Q2 = Q3
= Gesamtladung, welche durch die Elektretfolie in den angrenzenden Elektroden beim
Zusammenstellen des ~Systems influenziert wird und normalerweise auf den angesch
lossenen Ladungsverstärker fl iesst.Di ese ursprünglich i nfl uenzierte Gesamtladung
ist sehr gross und wurde an sich den Ladungsverstärker übersteuern. Durch einmaliges
Rückstellen des Ladungsverstärkers kann diese Ladung abgeführt werden und der Verstärker
arbeitet dann im normalen Arbeitspunkt. Meist wird diese ursprüngliche Ladung auch
schon beim Aufbau der Messanordnung durch Berühren der Elektroden 6 und 7 abgeleitet.
Wird durch Pressung eine der Dicken dl, d2 oder d3 verändert, bedeutet das auch
eine Veränderung des Anteils der Ladung,die auf den Ladungsverstärker fliesst, d.h.
dies wird von letzterem als elektrisches Signal registriert. Aendern die Dicken
z.B. durch Einwirkung von Druck gleichmössig, d.h. dl wird zu k x dl, d2 wird zu
k x d2 und d3 wird k x d3,wobei k eine Konstante bedeutet, ist aus Gleichung (1)
zu ersehen, dass sich das k wegkurzen lösst und also eine solche gleichmässige Veränderung
der Dicken keine Veränderung des Signals Q2 bewirkt, d.h. nach aussen vom Ladungsverstärker
kein elektrisches Signal registriert wird. Aus G-leichung(» ist auch ohne weiteres
ersichtlich, dass eine der angrenzenden Folien mit der Dicke d2 oder der Dicke d3
verschwinden kann, d.h. d2 oder d3 können Null sein. Das System ist dann noch immer
funktionsfähig, wenn das restliche d verändert wird oder wenn die Foliendicke des
Elektreten sich durch Druck verändert.
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Werden jedoch sowohl d2 als auch d3 Null gemacht, wird der Klammerausdruck
im Nenner
von Gleichung(1) Null und es bleibt nur noch die Gleichung
übrig Ql = Q2 = Q.
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Die Elektrodenladungen sind also weder von dl noch von d2 noch von
d3 abhängig, sondern wurden konstant immer den gleichen Wert Q erreichen,wenn man
die Elektroden auf den Elektreten presst. Anders aüsgedrückt, ein Kraftaufnehmer
ohne angrenzende Isolationsfolien, nur mit dem Elektret allein, funktioniert nicht.
Es muss mindestens eine elastische Isolationsfolie neben der Elektretfolie vorhanden
sein. Anderseits können natürlich auch mehr als zwei Isolationsfolien neben dem
Elektreten zusammengepackt werden, ohne dass die Funktion des Kraftaufnehmers gestört
wird, ebenso können mehrere Elekftetfolien zusammengepackt werden, welche die Wirkung
und die Empfindlichkeitdes Kraftaufnehmers vervielfachen, wenn sie im richtigen
Sinn zusammen gestapelt sind. Wenn zwei Elektretfolien aufeinander gelegt werden,
muss die negativ geladene Seite der einen Elektretfolie auf die positiv geladene
Seite der andern Elektretfolie zu liegen kommen. Zwei richtig aufeinander gelegte
Elektretfolien haben im Kraftaufnehmer dieselbe Wirkung wie eine einzelne Elektretfolie
von doppelter Dicke. Die Elektretfolien müssen aber nicht unbedingt direkt aufeinander
gelegt werden, sie dürfen auch durch Isolationsfolien getrennt sein. Es ist also
auch ein Kraftaufnehmer denkbar, der aus zwei Elektretfolien besteht, mit einer
Isolationsfolie dazwischen, und natürlich mit den nötigen begrenzenden Metallelektroden.
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Fig. 2 zeigt die praktische Ausführung eines sohlenförmigen Kraftaufnehmers
für Fusskräfte. Diese Schuheinlage besteht aus mehreren Lagen, ist flexibel und
kann Bruchteile eines Millimeters bis einige Millimeter dick sein. Eine Zeichnung
des Querschnittes ist in Fig. 3 widergegeben. Schicht 17 ist ein Metall z.B. Kupfer
oder Aluminium, das die Funktion einer Elektrode hat, die auf Masse- oder Erdpotential
gesetzt ist.
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Schicht 18 ist der Elektret und Schicht 19 ist die angrenzende Isolationsschicht,
die aus einem elastischen Material bestehen seien muss# Die Kompressabilität der
Isolationsschicht
19 muss grösser sein als die wenige des Elektretmaterials.
Besonders geeignet als angrenzendes Isolationsmaterial 19 ist Naturkautschuk oder
Silikongummi. Die metallische Gegenelektrode 20 ist die aktive Elektrode, welche
die vom Elektreten influenzierten Ladungen sammelt und abzuleiten erlaubt. Sie kann
einteilig oder mehrteilig sein, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Wenn sie einteilig
ist und die ganze Sohlenfläche bedeckt, wird die Gesamtkraft des Fusses gemessen.
Im andern Fall, wenn man sie aufteilt wie Fig. 2 zeigt, kann die Kraft von einzelnen
Zonen des Fusses,wie Ferse oder Fussballe, links oder rechts,einzeln gemessen werden.
Die verschiedenen Elektrodenpartien sind mit den Adern eines mehradrigen Kabels
23 in Verbindung, das die Ladungen zur Auswertungseinrichtung übermittelt. Die aktiven
Elektroden 20 sind wiederum durch eine Isolationsfolie 21 und eine geerdete Abschirmfolie
22 gegen die Umgebung geschützt.
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Die aktiven Elektroden 20 und die Isolationsfolie 21, dazu eventuell
sogar noch die Abschirmfolie 22 sind als elektronische Leiterplatte in Folienform
auf dem Markt erhältlich, die beidseitig kaschiert sind,und auf denen man ohne Schwierigkeiten
nach üblichen Methoden die gewünschten Elektrodenformen 20 herausätzen kann, so
dass man praktisch beliebig komplizierte Formen ohne grossen Aufwand herstellen
kann.
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In Fig. 3 ist die Folge der Schichten 17 - 22 von unten nach oben
gezeichnet, was bedeutet, dass der Patient mit dem Fuss auf Schicht 22 ruht und
dass Schicht 17 unten im Schuh zu liegen kommt.
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Der ganze Fuss kraftaufnehmer kann um 1800 gewendet in den Schuh eingelegt
werden, so dass Schicht 17 oben und Schicht 22 unten zu liegen kommt, ohne dass
die Funktion des Fusskraftaufnehmers dadurch gestört würde. In dieser gewendeten
Lage des Fusskraftaufnehmers
könnte sogar auf die Metallschicht
17 verzichtet werden, d.h. der Patient würde mit dem Fuss direkt auf den Elektret
stehen, wobei man allerdings den Patient elektrisch auf Erdpotential setzen müsste,
damit der Fuss die Funktion der Erdabschirmung übernehmen könnte. Dieser Typ von
Fusskraftaufnehmer ist in Fig. 4 dargestellt. Die beschriebene Ausführungsform des
Fusskraftaufnehmers kann als Bündel von Folien lose zusammengeschichtet werden,
oder direkt zu einer Einheit zusammengeklebt werden. Die Empfindlichkeit kann abgestimmt
werden, in dem man den elastischen Teil Schicht 19 mehr oder weniger dick oder mehr
oder weniger elastisch gestaltet.
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Durch Verwendung.von vielen Elektretfolien kann die Empfindlichkeit
des Aufnehmers gesteigert werden. Die Herstellung solcher Fusskraftaufnehmer ist
billig und eine Anpassung an das jeweilige spezielle Messproblem sehr gut möglich.
Die Empfindlichkeit ist gross und die Nachfolgeelekfronik und Auswertegeräte,die
elektrostatische Ladungsverstärker enthalten, sind schon entwickelt und können in
der gleichen Form, wie sie für piezoelektrische Messgeräte verwendet werden,übernommen
werden. Der Hauptvorteil dieses Fusskraftaufnehmers liegt darin, dass er vom Patienten
mitgeführt wird. und ermöglicht, eine beliebige Anzahl aufeinanderfolgende Schritte
zu registrieren, d.h. das Gehen des Patienten als Ganzes zu registrieren. Gemäss
Gleichung (1) ist das Ausgangssignal nicht direkt, sondern umgekehrt proportional
den Foliendicken,die ihrerseits wieder linear von der Fusskraft abhängen.
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