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Patentanmeldung
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Verfahren zum Schutz von gebrochenen Gliedern im Beinbereich gegen
berbelastung während des Heilungsprozesses und Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von gebrochenen Gliedern
im Beinbereich gegen Wberbelastung während des Heilungsprozesses und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, Patienten mit Beinverletzungen müssen einerseits
so früh wie möglich wieder gehen, dürfen andererseits dabei aber eine bestimmte
Belastung des verletzten Beines nicht
überschreiten. Die zulässige
Kraft beim Auftreten hängt dabei von den verschiedensten Faktoren ab, etwa von dem
Grad der Verletzung, von der Art, wie die Verletzung behandelt wurde (Metallteile
verschraubt, Stützverband o.
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dgl.) und vom Stand des Heilungsprozesses. Üblicherweise wird die
zulässige Kraft aus Erfahrungswerten übernommen und dem Patienten mitgeteilt.
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Eine Demonstration dieser Kraft erfolgte bisher üblicherweise, indem
der Patient den Fuß des verletzten Beines auf eine Personenwaage stellte und die
Belastung bis zum erlaubten Wert steigerte. Es liegt auf der Hand, daß diese Methode
äußerst unsicher ist, da das Gefühl für die Belastung sich innerhalb kürzester Zeit
ändert Diese Methode ist also praktisch wertlos und kann leichter zu einer Verzögerung
oder Fehlentwicklung des Heilungsprozesses führen als zu seiner Beschleunigung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu
seiner Durchführung zu schaffen, die es ermöglichen, verletzte Gliedmaßen im Beinbereich
wir>;ungsvoll gegen Überbelastungen zu schützen.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen,
dem Patienten die Belastung während des natürlichen Bewegungsablaufs beim Gehen
zu zeigend um ihn darauf aufmerksam machen zu können, welche Phasen für ihn
gefährlich
sind. Die Kraftmessung soll auf einem Meßverfahren beruhen, das höchstmögliche Genauigkeit
garantiert und dennoch mit geringem Kostenaufwand zu realisieren ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die während
des Gehens zwischen Fuß und Boden übertragenen Kräfte kontinuierlich gemessen werden
und daß bei Dberschreiten eines einstellbaren Grenzwertes ein Warnsignal ausgelöst
wird. Hierdurch wird erreicht, daß der Patient unmittelbar nach jeder Uberschreitung
der zulässigen Auftrittkraft gewarnt wird und seine Gehweise ändern und die Belastung
sofort verringern kann.
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Eine Erweiterung dieses Verfahrens sieht vor, daß der Einstellbereich
des Grenzwertes so zu bemessen ist, daß jede dem momentanen Stand des Heilungsprozesses
angepaßte Kraft eingestellt werden kann. Hiermit wird es möglich, an einer Skala
mit einem Drehknopf die Auftrittskraft vorzuwählen, die zulässig ist. Diese Kraft
wird im Laufe des Heilungspro#esses von annähernd Null zu Beginn bis zur normalen,
vollen Kraft nach Abschluß variieren, Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit also
während des gesamten Heilungsprozesses anzuwenden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß unter der
Schuh- oder Fußsohle des verletzten
Beines ein oder mehrere Kraftaufnehmer befestigt sind, die mit einer am Körper getragenen
Signalwandlungs- und Warnanlage verbunden sind. Hierdurch wird es möglich, die auftretenden
Kräfte, die dem verletzten Bein gefährlich werden können, sofort und an der Stelle,
an der sie wirklich auftreten, zu messen und eine berschreitung des zulässigen Bereiches
unmittelbar, etwa durch ein akustisches Signal zu melden.
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Da das Gerät am Körper getragen wird, bleibt der Patient freibeweglich
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Signalwandlungsanlage mit einem
Linienschreiber verbunden. Hierdurch wird es möglich, dem Patienten etwa in der
ärztlichen Praxis den normalen Bewegungsablauf mit seiner Kräfteverteilung zu demonstrieren
und ihn anhand der graphischen Aufzeichnungen auf besonders kritische Gefahren während
des Bewegungsablaufs aufmerksam zu machen, so daß er seine Gehweise den Erfordernissen
anpassen kann, indem er etwa Bewegungsphasen mit besonders hohen Spitzenbelastungen
vermeidet.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung besteht jeder Kraftaufnehmer aus
einem Kondensator, dessen Platten parallel zur Schuh- oder Fußsohle angeordnet sind,
wobei die ober Platte in Wirkverbindung mit der Fußsohle und die untere in Wirkverbindung
mit dem Boden steht. Hierdurch wird eine direkte Kraftübertragung vom Fuß bzw. Boden
auf die Kondensatorplatten
ermöglicht. Durch die direkt am Fuß
auftretende Kraft werden die Kondensatorplatten verformt, der Kondensator ändert
seine Kapazität und erzeugt ein entsprechendes Signal. Dadurch, daß die Kräfte direkt
ohne zwischengeschaltete mechanische bertragungsglieder auf den Kraftaufnehmer übertragen
werden, wird eine maximale und weitgehend trägheitslose Ermittlung der Kräfte möglich.
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o Weiterhin kann erfindungsgemäß als Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten
Luft verwendet werden, wobei die Platten an zwei Stellen durch Kunststoffolien auf
Abstand gehalten werden. Die Verwendung von Luft als Dielektrikum ist zum einen
die kostengünstigste Lösung und macht zum anderen den Kondensator unabhängig etwa
von Inhomogenitäten eines anderen Dielektrikums. Weiterhin ermöglicht die Verwendung
von Luft eine leichte Verformbarkeit der Kondensatorplatten und damit ein hohes
Ausgangssignal. Da Kunststoffolien mit dünnen Abmessungen mit äußerst geringen Toleranzen
hergestellt werden, sind solche Folien gut geeignet, um den Abstand zwischen den
Kondensatorplatten einzustellen und konstant zu halten.
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Weiterhin sieht die Erfindung vor, jeden Kraftaufnehmer aus mehreren
parallel geschalteten Kondensatoren aufzubauen. Hierdurch wird erreicht, daß die
einzelnen Kondensatorplatten mit kleinen Abmessungen hergestellt werden können und
daß die Genauigkeit der gesamten Meßeinrichtung erhöht werden kann. Da die auf die
Kondensatorplatten übertragenen Kräfte relativ groß sind, ist die Verformung
entsprechend
hoch und es ist vorteilhafter, mehrere kleinflächig ausgebildete Kondensatoren zu
verwenden als einen großflächig gestalteten.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, jeweils mindestens einen Kondensator
unter der Ferse und einen unter dem Fußballen zu befestigen. Da an diesen Stellen
der Fußsohle die maximalen Kräfte beim Gehen übertragen werden, ist es sinnvoll,
die Kondensatorplatten entsprechend anzuordnen. Da die Kondensatorplatten teilweise
gleichzeitig mit Kräften beaufschlagt werden, ergibt die Reihenschaltung eine Summierung
des Gesamtsignals und somit jeweils eine Summe aller Kräfte, die auf das verletzte
Bein übertragen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist unterhalb der unteren
Kondensatorplatte eine gegenüber dieser isolierte Abschirmfläche angeordnet, wobei
die Abschirmung der Meßleitung und die untere Kondensatorplatte mit dem Meßleiter
der Meßleitung verbunden ist. Hierdurch wird erreicht, daß auf einfachste Weise
eine Abschirmung der Kraftaufnehmer gegen externe elektrische Störeinflüsse geschaffen
wird. Durch die Verbindung der Abschirmung der Meßleitung mit einer Kondensatorplatte
und einer Abschirmfläche ist es möglich, die Meßleitung aus nur zwei Leitern aufzubauen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in mindestens
einem der Kraftaufnehmer ein Keramik-Kondensator parallel zu dem Kraftaufnehmer
angeordnet, Durch die zusätzliche Beschaltung mit diesem Kondensator ist es möglicht
die
Gesamtschaltung weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen zu machen, da der
Keramik-Kondensator eine gegenläufige Temperaturcharakteristik aufweist, wie der
Luftspalt-Kondensator.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, die Kraftaufnehmer in Ausschnitten
einer unter dem Fuß oder Schuh geschnallten Ledersandale anzuordnen. Diese Anordnung
macht die Kraftmeßvorrichtung unabhängig von speziell zugeschnittenem Schuhwerk,
da die Ledersandale in Zusammenhang mit jedem möglichen Schuh verwendet werden kann0
Mit Hilfe der Anschnallvorrichtung ist auch ein schnelles und bequemes Wechseln
der Kraftmeßvorrichtung bei einem Wechsel der Schuhe möglich Erfindungsgemäß stehen
die Kraftaufnehmer mit einem monostabilen Multivibrator in Verbindung, der mit einem
zweiten monostabilen Multivibrator zu einem astabilen Multivibrator zusammengeschaltet
ist und die integrierten Sig--nale beider Multivibratoren werden einem Differenzverstärker
zugeführt. Durch die Verwendung dieses Meßverfahrens wird eine optimale Meßgenauigkeit
erreicht. Die Kapazitätsänderung des Meßkondensators bewirkt eine Frequenzänderung
eines monostabilen Multivibrators, wo hingegen die Frequenz eines zweiten monostabilen
Multivibrators konstant bleibt. Durch die Integration beider Multivibrator-Signale
werden Gleichspannungen gewonnen, die leicht und exakt verglichen werden können.
Durch die Differenz, bildung beider Signale verbleibt ein Signal, das ausschließlich
von
der auf den Kondensator übertragenen Kraft abhängig ist. Damit wird die Genauigkeit
der gesamten Ießeinrichtug außerordentlich hoch.
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Lach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung schwingen die Multivibratoren
im Hochfrequenzbereich. Hierdurch wird eine maximale Empfindlichkeit der Meßeinrichtung
bewirkt, da die Meßgenauigkeit des kapazitiven Meßwertaufnehmers direkt von der
Frequenz abhängig ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Differenzverstärker
mit einem Komparator mit einstellbarer Referenzspannung verbunden und der Komparator
mit einer akustischen und/oder optischen Alarmanlage. Durch diese Anordnung ist
es möglich, mit einem geeichten Einstellknopf eine beliebige Referenzspannung zu
erzeugen, wobei der Ausgangszustand des Komparators sich immer dann ändert, wenn
die am Fuß übertragene Kraft einen Wert erreicht, der die Eingangsspannung des Komparators
gleich der eingestellten Referenzspannung macht. Ist dies der Fall, kippt der Komparator
und die Schaltung erzeugt ein akustisches und/ oder optisches Alarmsignal. Da die
Referenzspannung beliebig hoch einzustellen ist, ist es möglich, den gesamten während
des Heilungsprozesses zulässigen Kraftbereich einzustellen.
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Nach weiterer Ausgestaltung der Erfindung steht das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers mit einer graphischen Registriereinrichtung in Verbindung.
Hierdurch ist es möglich,
den Kraftverlauf während des Bewegungsablaufs
nicht nur zu messen, sondern ihn auch aufzuzeichnen, um ihn anschließend dem Patienten
zeigen zu können.
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Weiterhin ist es möglich, einen Batteriespannungsindikator vorzusehen,
der einerseits mit der Batterie und andererseits mit der akustischen undjoder optischen
Alarmanlage in Verbindung steht. Durch diese Maßnahme wird die Betriebssicherheit
des Meßgerätes erhöht, da Hehlmeldungen oder unterbleibende Meldungen infolge zu
niedrig gewordener Batteriespannung vermieden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine automatische
Meßleitungskontrolle vorgesehen. Auch durch diese Maßnahme wird ein kontinuierliches
Auslösen der Alarmeinrichtung für den Fall erreicht, daß die Meßleitung unterbrochen
oder kurzgeschlossen ist. Zusammen mit den Maßnahmen zur Batteriespannungs-Kontrolle
ist damit eine weitgehend lückenlose uberwachung des Gerätes gegeben.
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Die Vorteile der Erfindung liegen in der Hauptsache darin, daß ein
ungestörter Heilungsprozeß von verletzten Gliedmaßen unter langsam und kontrolliert
wachsender Belastung ermöglicht wird. Eine normale Gehfähigkeit wird nach kürzestmöglicher
Zeit wieder erreicht und Kückfälle durch zu frühe und zu hohe Belastung werden weitestgehend
ausgeschlossen. Weitere Vorteile liegen darin, daß die Kraftaufnehmer unmittelbar
zwischen Fuß und Boden angeordnet sind. Damit wird es ermöglicht, die tatsächlich
auftretende Kraft direkt zu messen und alle Ungenauigkeiten, die durch eine indirekte
Kraftmessung bedingt wären, auszuschließen.
Da die Kraft einerseits
vom Fuß und andererseits vom Boden direkt auf die Kraftaufnehmer aufgebracht werden,
ist eine an dieser Stelle vorgenommene Kraftmessung die sicherste und genaueste.
Durch den Anschluß eines Linienschreibers ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß
dem Patienten die Belastung des Beins genauestens demonstriert werden kann. Geht
etwa der Patient bei angeschlossenem Schreiber einige Schritte, kann der Arzt ihm
anschließend anhand des Diagramms zeigen, in welcher Phase des Bewegungsablaufs
Spitzenbelastungen auftreten, so daß diese Phase während des Heilungsprozesses übersprungen
werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in den kleinen Abmessungen des Meßgerätes,
das ohne Schwierigkeiten am Körper zu tragen ist und in der bequemen Art der Anbringung
der Kraftaufnehmer, die etwa auf spezielles Schuhwerk verzichtet.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den
Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 - die Draufsicht auf die erfindungsgemäße
Befestigung der Kraftaufnehmer in Form von Plattenkondensatoren, Fig, 2 - die Befestigung
der Sandale unter dem Schuh des Patienten in Seitenansicht, Fig. 3 - die erfindungsgemäße
Vorrichtung, bestehend aus Sandale zwei Kraftaufnehmern Si#naluandlungs und Alarmanlage
nach Befegn am Körper des Patienten, wobei
die Signalwandlungs-
und Alarmanlage vorteilhafterweise am Rücken des Trägers in Hüfthöhe sitzt, Fig.
4 - einen Schnitt durch den Kraftaufnehmer in Form eines Plattenkondensators und
Fig. 5 - ein Blockschaltbild der elektronischen Meßschaltung mit Signalwandlungs-
und Alarmanlage.
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Fig. 1 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Befestitigung
der Kraftaufnehmer 3. Die Befestigung besteht aus einer Sandale 1 aus elastischem
Material, wie z. B.
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Leder, In der Sandale 1 sind vorzugsweise zwei Ausschnitte 2 angeordnet,
jeweils einer im Bereich der Ferse und einer im Bereich des Fußballens, da an diesen
Punkten während des Gehens die größten Kräfte übertragen werden. Auf der Fußseite
der Sandale 1 sind die Kraftaufnehmer 3 befestigt, die teilweise durch die Öffnungen
2 der Sandale 1 hindurchragen und auf ihrer Unterseite überstehen, so daß die gesamte
Kraft vom Boden auf die überstehenden Teile 4 der Kraftaufnehmer 3 übertragen werden.
Die Sandale 1 ist weiterhin mit Befestigungsmitteln 5 versehen, mit denen sie unter
dem Schuh 6 befestigt werden kann.
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Fig. 2 zeigt die Befestigung der Sandale 1 unter dem Schuh 6 des verletzten
Beins. Auf der Oberseite der Sandale 1 sind die Kraftaufnehmer 3 befestigt, die
mit einem überstehenden Teil 4 durch die Sandale ragen. Die Oberseite
der
Kraftaufnehmer 3 verfügt ebenfalls über Krafteinleitungsstücke 7, die in Kontakt
mit der Schuhsohle stehen und beim Gehen von dieser belastet werden. Zwischen Sandale
1 und Schuh 6 sind die einzelnen Kraftaufnehmer 3 mit einer Meßleitung 8 verbunden,
die vom letzten Kraftaufnehmer 3 zu der Signalwandlungs und Alarmanlage 9 verläuft.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Kraftaufnehmer 3.
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Dieser besteht aus einem Kondensator mit einer oberen Kondensatorplatte
10 und einer unteren Platte 11, die durch zwei zwischengelegte folien 12dz. B. aus
Hostaphan, auf Abstand gehalten werden. Die Kondensatorplatten 10 11 können aus
beliebigem leitfähigem Material bestehen. Eine kostengünstige Lösung wird z. B.
durch die Verwendung von kupferkaschiertem Epoxydharz erreicht. Als Dielektrikum
13 kann beispielsweise Luft verwandt werden. Da als Meßleitung 8 üblicherweise einadriges
abgeschirmtes Kabel verwendet wird, kann eine einfache Art der Abschirmung des Kondensators
gegen elektrische Störungen verwirklicht werden. Es ist nämlich möglich, auf der
Unterseite der unteren Kondensatorplatte 11 eine zusät#liche Abschirmfläche 14 aufzubringen
und diese zusammen mit der oberen Kondensatorfläche 10 an die Abschirmung 15 der
Meßleitung B zu legen, während die untere Kondensatorfläche 11 mit dem Meßleiter
16 verbunden wird. Auf der Oberseite der oberen Kondensatorplatte 10 ist ein Krafteinleitungsstück
7 angebracht, auf der Unterseite der unteren Platte 11 ein überstehendes
Teil
4, das beim Gehen in Kontakt mit dem Boden steht. Auf das Krafteinleitungsstück
7 drückt beim Gehen die Sohle des Schuhs 6. Dadurch verformen sich die Kondensatorplatten
10, 11 und die Kapazität ändert sich.
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Eine einfache Möglichkeit, die Abschirmfläche 14 des Kondensators
auszuführen, besteht darin, den überstehenden Teil 4 aus kupferbeschichtetem Epoxydharz
auszuführen, dessen Kupferseite nach oben gelegt wird und gleichzeitig die Abschirmung
14 bildet.
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Fig, 5 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen Meßschaltung,
die die Signalwandlungs- und Alarmanlage 9 enthält. Der Kraftaufnehmer 3 ist als
frequenzbestimmendes Glied an einem R/C-beschaltetem monostabilen Multivibrator
17 angeschlossen. Dieser monostabile Multivibrator 17 bildet zusammen mit einem
mit konstanter Frequenz arbeitenden #weiten monostabilen Multivibrator 18 einen
astabilen Multivibrator 19. Die Ausgangssignale der monostabilen Multivibratoren
17 und 18 werden jeweils einem Integrator 20, 25 zugeführt und die an deren Ausgängen
stehenden Gleichspannungen steuern die Eingänge eines Differenzverstärkers 21. Da
die Frequenz des monostabilen Multivibrators 17 von der am Kraftaufnehmer 3 anliegenden
Kraft abhängig ist, verändert sich auch die Gleichspannung am Ausgang des zugehörigen
Integrators 25. Da die Ausgangsspannung des Integrators 20 konstant bleibt, ist
damit die a.usgangsspannung des Differenzverstärkers 21 abhängig von der auf den
Kraftaufnehmer O autgebracateii Kraft. Diese Nusyariysspannung
des
Differenzverstärkers 21 wird einem Komparator 22 zugeführt und mit einer einstellbaren
xeferenzspannung verglichen. Der Ausgang des Komparators 22 ändert somit seinen
Zustand bei einer durch die Referenzspannung vorzugebenden Kraft am Kraftaufnehmer
3. Wählt man die Variationsmöglichkeit der Refe-renzspannung entsprechend, ist es
möglich, jede im Laufe des Heilungsprozesses zulässige Kraft einzustellen. Der Ausgang
des Komparators 22 steht im vorliegenden Fall mit einer Alarmanlage 23 in Verbindung,
die bei Anderung des Ausgangs des Komparators 22 ein Warnsignal gibt. Ein solches
Alarmsignal wid ebenfalls ausgelöst, wenn die Meßleitung 8 defekt ist, Zusätzlich
ist als Sicherheitsmaßnahme ein Batteri espannungrinaika tor 26 vorgesehen, der
ein Alarmsignal auslöst, wenn die Batteriespannung unter einen vorgegebenen Wert
sinkt. Damit sind fehlerhafte Anzeigen oder ein unbernerkter Ausfall des Gerätes
ausgeschlossen0 Am Ausgang des Differenzverstärkers 21 kann ebenfalls ein Linierlschreibr
24 angeschlossen werden, um Belastungskurven während des Gehens aufzuzeichnen.
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atentansprüche: