DE2821247A1 - Abtastvorrichtung zur dreidimensionalen abtastung der oberflaeche von gliedmassen, insbesondere der sohlenform eines menschlichen fusses - Google Patents

Description

• Abtastvorrichtung zur dreidimensionalen Abtastung der Oberfläche
• von Gliedmassen, insbesondere der Sohlenform eines menschlichen Fusses Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zur dreidimensionalen Abtastung der Oberfläche von Gliedmassen, insbesondere zur Abtastung der Sohlenform eines auf eine Auflage gestellten menschlichen Fusses Zum Ermitteln der Form eines Fusses (z.B. zur Bestimmung einer Einlegesohle) wird bislang mittels einer Gipsform oder einer Form aus Kunststoff ein Abdruck genommen, welcher dem Orthopäden als Vorlage für die individuelle Anfertigung einer Einlagesohle dient.
• Diese seit längerer Zeit üblichen Verfahren sind sehr arbeitsintensiv, kostspielig und zeitraubend. Ausserdem lässt sich dabei die Form des Fusses unter Belastung - also die natürliche Haltung des Fusses, auf dem die Person steht - nicht genau bestimmen, weil der Fuss beim Abnehmen des Gipsabdrucks nicht nur auf die normalerweise belasteten Flächen, sondern auf der gesamten Fussfläche Druck auf die Unterlage ausübt. Dadurch entsteht ein verfälschtes Druckbild des Fusses und die danach angefertigte Einlegesohle entspricht nicht genau den Bedürfnissen des Fusses. Gleiche Probelme bestehen beim Ermitteln der Oberflächenform von Gliedmassenstümpfen, bzw. Beinstümpfen beim Anpassen von Prothesen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also für orthopädische Zwecke eine Abtastvorrichtung zu schaffen, welche die Oberflächenform unter einer derart geringen Flächenpressung misst, dass durch die Messung selbst keine Oberflächendeformation und damit keine Verfälschung der gemessenen Werte bzw. Konturen erfolgt. Ausserdem soll esermöglicht werden, in einem nachgeschalteten Rechner oder einer anderen Auswerteinrichtung innerhalb kürzester Zeit die genauen Fussinformationen als digitales Datenpacket auszugeben. Dadurch soll erreicht werden, dass durch entsprechende Verarbeitung der Daten im Rechner sofort eine Information über eine genormte, z.B. zum untersuchten Fuss passende Einlegesohle oder eine Protheseneinlage auszugeben.
• Der Einsatz von Druckmessplatten kommt für eine solche Aufgabe nicht in Betracht, weil diese nur geringe Druckverformung erfahren und die Form der Fußsohle oder eines Gliedmassenstumpfes dadurch nicht genau übertragen werden kann.
• Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe insbesondere dadurch gelöst, dass eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten Taststiften vorgesehen sind, welche in etwa vertikal verlaufenden Oeffnungen der Auflagefläche angeordnet sind, dass Vorspannanordnungen vorgesehen sind, welche die Taststifte gegen die Konturen der Sohlenfläche drücken, und dass die Taststifte jeweils mit einer Messeinrichtung versehen sind, welche den Abstand des oberen Endes jedes Stiftes von der Auflagefläche ermitteln.
• Ersichtlicherweise lasst sich je nach dem vorliegenden Informationsbedürfnis die Anzahl von Taststiften pro Flächeneinheit praktisch beliebig wählen, sodass sich ein genaues und reproduzierbares Bild der Sohlenform ergibt. Die Vorspannanordnung für die Taststifte kann dabei durch beliebige mechanische Mittel, z.B. Federn, oder hydraulische oder pneumatische Anordnungen gebildet werden. Im Normalfall wird die Kraft der Vorspannanordnungen dabei derart gewählt werden, dass die Taststifte mit minimaler Kraft gegen die Fußsohle gedrückt werden, um zu vermeiden, dass eine Deformation der Fußsohle an den Flächen auftritt, an welchen der Fuss nicht an der Fussauflage aufsteht. Die Fussauflage selbst kann dabei ersichtlicherweise entweder plan sein oder auch leicht gewölbt oder der Innenform eines Schuhs angepasst sein, sofern unter verschiedenen Auflage-Bedingungen die resultierende Sohlenform ermittelt werden soll.Wenn die Erfingung im folgenden beispielhaft für die Ermittlung einer Sohlenform beschrieben wird, so gilt dies selbstverständlich für sämtliche Formen von Gliedmassenoberflächen und Gl iedtnassenstümpfen.
• Ausserdem ist es selbstverständlich auch möglich, die Vorspannkraft zu variieren - z.B. die Vorspann-Federn auszutauschen - um das Verhalten bei flächiger Belastung auf die Fußsohle zu ermittell.
• Insbesondere wenn die Taststifte an ihrer Oberseite eine stempelartige Verbreiterung aufweisen, wird verhindert, dass die Taststifte sich in das Fleisch der Fußsohle einpressen und dabei gegebenenfalls falsche Informationen liefern.
• Besonders einfach lässt sich die Eindringtiefe der Taststifte in die Fussauflage in eine der Sohlenform entsprechende elektrische Information umwandeln, wenn die Taststifte mit einem in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe des Taststifts veränderlichen elektrischen Widerstand verbunden sind. Dabei kann es sich sowohl um einen Wirkwiderstand, als auch um einen Blind- oder Scheinwiderstand handeln. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der elektrische Widerstand durch einen Kondensator gebildet wird, der in die Messeinrichtung miteinbezogen ist, da auf diese Weise ohm'sche Verluste vermieden werden. Die Einbeziehung derartiger elektrischer Widerstände in Messeinrichtungen ist an sich bekannter Stand der Technik und es ist dabei sowohl denkbar, sämtliche den einzelnen Taststiften zugeordneten Widerstände parallel an eine oder mehrere Messeinrichtungen anzuschliessen oder aber die Werte II II schrittweise "abzufragen".
• Besonders einfach im Aufbau lässt sich die Erfindung gestalten, wenn die Oeffnungen, in denen die Abtaststifte gehalten werden, an ihrer Innenseite mit elektrisch leitfähigem Material beschichtet sind, welches als eine Elektrode des Kondensators dient und wenn die andere Elektrode am Taststift befestigt und mit letzerem vertikal verschiebbar angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass die Taststifte einerseits mechanisch fest in der Fussauflage gehalten und gelagert werden und dass gleichzeitig ohne konstruktiven Mehraufwand ein proportional zur Eindrücktiefe des Taststifts veränderlicher Kondensator gebildet wird.
• Die Erfindung ist im folgenden in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen.
• Fig. 1 Eine Seitenansicht mit Teilschnitt auf eine Fussauflage mit den Merkmalen der Erfindung, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Fussauflage gemäss Fig. 1, Fig. 3 die Fussauflage gemäss Fig. 1 bei Belastung durch einen Fuss, und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung zur Auswertung der von den Taststiften abgeleiteten Informationen.
• Gemäss Fig. 1 bis 3 weist eine aus Kunststoffmaterial hergestellte Fussauflage 1 eine Vielzahl von matrixartig angeordneten Bohrungen 2 auf, welche sich mit Durchmesser-Veränderungen von der Unterseite bis zur Oberseite der Fussauflage 1 erstrecken. In den Bohrungen 2 sind Taststifte 3 vorgesehen, welche an ihrer Oberseite eine stempelartige Erweiterung aufweisen. Die Taststifte 3 werden durch Vorspannfedern 4 derart vorgespannt, dass sie aus der Fussauflage 1 herausragen. Die vertikale Verschiebbarkeit der Taststifte 3 wird dabei durch kolbenartig verschiebbare Hülsen 6 begrenzt, welche am unteren Ende der Taststifte 3 befestigt sind und im unteren, erweiterten Teil der Bohrungen 2 ebenfalls vertikal verschiebbar angeordnet sind. Jede der Bohrungen 2 weist am oberen Ende eine Erweiterung 2a auf, die derart bemesser ist, dass die stempelartige Verbreiterung 5, sowie die Federn 4 voll aufgenommen werden, wenn einer der Taststifte 3 durch eine vertikal gerichtete Kraft nach unten gedrückt wird. In der tiefsten Lage fluchtet deshalb die Oberseite der Stempel 5 mit der Trittfläche la der Fussauflage 1. Die Innenseite der Bohrung 2 ist am unteren Ende durch einen Metallzylinder 7 ausgekleidet, welcher auf der Innenseite durch eine nicht dargestellte Isolierschicht überzogen ist. Sobald ein Taststift 3 durch vertikale Belastung nach unten gepresst wird, taucht iie Hülse 6 in den Metallzylinder 7 ein, wobei Hülse 6 und Metallzylinder 7 einen Kondensator bilden, dessen Kapazitätswert direkt der Eintauchtiefe proportional ist.
• Ueber Leitungen 8 und 9 sind dabei der Metallzylinder 7, sowie die Hülse 6 mit einer nicht dargestellten Messeinrichtung verbunden, welche aus dem jeweiligen Kapazitätswert die Strecke ermittelt, um welche der Taststift 3 in die Fussauflage 1 eingedrückt ist. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, wie die Sohlenform eines auf die Trittfläche la gestellten Fusses 10 durch die Taststifte 3 abgetastet und in proportionale, von der Eintauchtiefe der Hülsen 6 in die Metallzylinder 7 abhängige Kapazitätswerte umgeformt wird. Dadurch, dass die Federn 4 ausserordentlich schwach dimensioniert sind und die Taststifte 3 darüber hinaus an ihrer Oberseite die Stempel 5 aufweisen, wird der Fuss 10 durch die Taststifte 3 in keiner Weise verformt, sondern weist lediglich die Verformung auf, welche sich aus der entsprechenden Trittbelastung im Zusammenwirken mit der Trittfläche la ergibt.
• Die Umwandlung der verschiedenen Kapazitätswerte, die sich aus dem Zusammenwirken der Hülse 6 und dem Zylinder 7 ergeben, in entsprechend auswertbare elektrische Signale ist an sich bekannt. Eine Möglichkeit ist in Fig. 4 dargestellt. Danach ist ein Hochfrequenz-Generator 11 an einen Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstand 12, sowie einer Kapazität 13 angeschlossen. Die Kapazität 13 wird dabei durch die Hülse 6 und den Metallzylinder 7 gebildet, welche über Leitungen 8 und 9 mit der Schaltungsanordnung verbunden sind. In Abhängigkeit von der Eintauchtiefe der Hülse 6 in den Metallzylinder 7 verändert sich der Wert der Kapazität 13, wodurch die an der Kapazität 13 anliegende Spannung proportional veränderlich ist. Ein Gleichrichter 14 formt die HF-Spannung in Gleichspannung um. Ein Kondensator 15 ist zur Siebung des Ausgangssignals vorgesehen. Dementsprechend ist die Spannung U am Eingang einer Mess- und Auswertschaltung 17 unmittelbar proportional der Eintauchtiefe des jeweiligen Taststifts 3.
• In der Auswertungsschaltung 17 wird die Spannung U in bekannter Weise in ein digitales Signal umgewandelt, welches einem Rechner 19 zugeführt wird, welcher die jeweiligen Signale mit dort gespeicherten "Normalwerten" vergleicht.
• Ersichtlicherweise ist die Erfindung nicht auf die beschriebene Art der Auswertung oder die gewählte Form der Messwertumwandlung beschränkt.

Claims (11)

1. Patentansprüche 1.)Abtastvorrichtung zur dreidimensionalen Abtastung der Oberfläche von Gliedmassen, insbesondere der Sohlenform eines auf die Trittfläche einer Fussauflage gestellten menschlichen Fusses, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Mehrzahl von matrixartig angeordneten Taststiften vorgesehen sind, welche in etwa vertikal verlaufenden Oeffnungen der Fussauflagefläche angeordnet sind, dass Vorspannanordnungen vorgesehen sind, welche die Taststifte gegen die Konturen der Sohlenfläche drücken, und dass die Taststifte jeweils mit einer Messeinrichtung versehen sind, welche den Abstand des oberen Endes jedes Taststiftes von der Trittfläche ermitteln.
2. 2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s die Taststifte an der Oberseite eine stempel artige Verbreiterung aufweisen.
3. 3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t 7 d a s s zum Simulieren von unterschiedlichen auf die Sohle des auf die Trittfläche, bzw. die Taststifte aufgestellten Fusses wirkenden Belastungen die Vorspannkraft der Vorspannanordnung einstellbar ist.
4. 4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s die Taststifte an ihren unteren Enden jeweils mit einem in Abhängigkeit von der Eindrücktiefe des Taststifts in die Oeffnung in der Fussauflage veränderlichen elektrischen Widerstand verbunden sind.
5. 5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s der elektrische Widerstand ein Kondensator ist.
6. 6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s der Abtaststift mit einer Kondensatorelektrode und/oder einem veränderlichen Kondensator-Dielektrikum verbunden ist.
7. 7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s die Oeffnung in der Fussauflage mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet ist, das als eine Elektrode des Kondensators dient, dass am Abtaststift die andere Elektrode angeordnet ist, und dass die Relativanordnung von Abtaststift, bzw. der damit verbundenen Elektrode und der Gegenelektrode in der Oeffnung derart gewählt ist, dass die als Kapazität wirksame Fläche der einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in die Oeffnung veränderbar ist.
8. 8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s die Elektrode in der Oeffnung als Zylinder ausgebildet ist, in welchem die am Abtaststift vorgesehene Gegenelektrode kolbenartig verschiebbar und eintauchbar ist.
9. 9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , d a s s die Messvorrichtung jeweils eine Spulenanordnung aufweist, deren Induktivität durch Verlagerung der Taststifte veränderbar ist.
10. 10. Abtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der elektrische Widerstand Teil einer Spannungsteilerschaltung ist, deren Ausgangssignal an eine Aussert- und Anzeigeeinrichtung anschliessbar ist.
11. 11. Abtastvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der elektrische Widerstand als frequenzbeeinflussendes Element in eine als Schwingkreis ausgebildete Auswertungsschaltung geschaltet ist, und dass der in Abhängigkeit vom veränderlichen Widerstandswert, bzw. der veränderlichen Eindringtiefe des Abtaststifts Signale unterschiedlicher Frequenz und/oder Amplitude abgebende Ausgang des Schwingkreises an eine Anzeigeeinrichtung anschliessbar ist.