DE29512711U1 - Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle des Menschen - Google Patents

Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle des Menschen

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Description

Patentanwälte " ·· · ·· ···
Dipl.-Ing. Siegfried Schirmer, Bielefeld · Dipl.-Ing. Volker Specht, Berlin
265/54-3 24.07.1995
Deutsche Gebrauchsmusteranmeldung
Anmelder: T & T medilogic Medizintechnik GmbH
Marienstraße 30 10117 Berlin
Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle des Menschen
Die Erfindung betrifft ein Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle des Menschen mit Hilfe einer von Kraftmeßsohlen gebildeten Sensorik und einer mobilen Datenerfassungseinheit sowie einer stationär angeordneten Datenaufnahmeeinheit.
Die Druckverteilungsmessung an der Fußsohle liefert wichtige Erkenntnisse über die Belastung der unteren Extremitäten. Durch rechtzeitiges Erkennen und Lokalisieren von Überbelastungen am Fuß lassen sich mit vergleichsweise einfachen Mitteln der Orthopädieschuhtechnik teilweise schwerwiegende Folgeschäden vermeiden. Die Messung der Druckverteilung an der Fußsohle ist neben der Orthopädieschuhtechnik und Einlagenversorgung für zahlreiche weitere Anwendungsfalle in der Medizin, zum Beispiel in der Sportmedizin oder der Arbeitsmedizin zur Belastungskontrolle und Bewegungsoptimierung, in der Chirurgie, Neurologie,
Orthopädie und bei der physikalischen Therapie zur Funktionskontrolle von Bedeutung.
Die einfachsten statischen Untersuchungshilfen sind der Blauabdruck oder der Trittschaum, die jedoch nur ungenaue Ergebnisse liefern und insbesondere nicht die der Bewegung des Fußes innewohnende Dynamik wiedergeben können. Erst mit der dynamischen Erfassung und Auswertung der Druckverteilung an der Fußsohle können Aussagen über die Kräfteverhältnisse an dem in Bewegung befindlichen Fuß, über seine Funktion und Parameter sowie deren Änderung getroffen werden.
Die bekannten elektronischen Meßgeräte zur Erfassung des zeitlichen Druckverlaufs unter Angabe des Druckes, der Zeit und des Orts des Druckes sind aufgrund ihrer schwierigen Handhabung und der Unzulänglichkeiten der verwendeten Sensorik nicht auf die Belange des medizinischen Handwerks ausgerichtet und zudem verhältnismäßig teuer. Daher wird bei der Herstellung von orthopädischen Schuhen und Einlagen in der Regel auf den mit einfachen Mitteln anzufertigenden Blauabdruck oder den Abdruck in Trittschaum zurückgegriffen, obwohl diese Verfahren ungenau sind und die dynnamische Seite der Druckverteilung unberücksichtigt bleibt.
Bei einem bereits bekannten elektronischen Druckmeßsystem werden Kraftmeßsohlen mit bis zu 960 Sensoren eingesetzt, die eine Vielzahl von Meßdaten liefern. Dennoch läßt diese große Zahl von Sensoren wegen deren Temperatur- und Dauerlastinstabilität und dem damit verbundenen Undefinierten Driftverhalten keine ernsthaften quantitativen Messungen zu. Ein Vergleich der Meßdaten unterschiedlicher Messungen führt daher zu wenig brauchbaren Ergebnissen oder ist gar nicht möglich.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Systems besteht darin, daß eine On-Line-Darstellung der Meßergebnisse nur über eine Kabelverbindung zwischen der Meßeinrichtung an der zu untersuchenden Person und der Datenaufnähmevorrichtung realisiert werden kann. Das Kabel schränkt jedoch die Beweglichkeit und den Bewegungsraum des Probanden erheblich ein oder verhindert einen natürlichen Bewegungsablauf. Bestimmte Bewegungsübungen, wie sie beispielsweise bei sportmedizinischen Untersuchungen erforderlich sind, können nicht durchgeführt werden.
Bei einem anderen bekannten Meßsystem erfolgt die Übertragung der bei der dynamischen Druckmessung ermittelten Daten kabellos über einen Datalogger, der die Daten zwischenspeichert, um sie nach Abschluß der Messung an den Computer zu überspielen. Dennoch erlaubt auch dieses System keine freie Beweglichkeit der zu untersuchenden Person, da diese sich nach einem durch Tonsignale vorgegebenen Schema bewegen muß. Zudem werden Abweichungen vom Bewegungsregime erst nach Abschluß des Meßvorgangs festgestellt, so daß dieser gegebenenfalls wiederholt werden muß. Auch mit dieser Meßanordnung ist somit eine echte On-Line-Messung ebensowenig möglich wie Untersuchungen mit speziellen BewegungsÜbungen, bei denen sich oftmals erst die Bewegungsproblerae zeigen, die zum Beispiel durch eine orthopädieschuhtechnische Versorgung behoben werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle anzugeben, das bei einfacher, übersichtlicher Handhabbarkeit der Meßeinrichtung durch den Nutzer eine uneingeschränkte Beweglichkeit der Untersuchungsperson
und gleichzeitig eine anschauliche On-Line-Verfügbarkeit der erhaltenen Meßergebnisse gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in der Weise gelöst, daß die Datenerfassungseinheit und die
Datenaufnahmeeinheit über eine Telemetrieeinheit, bestehend aus einem Sender und einem Empfänger zur Übertragung der Sensorkonfiguration und der jeweiligen Meßdaten der Sensoren per Funk, verbunden sind, wobei der Sender an einen Microcontroller angeschlossen ist, der steuerseitig jeweils mit einem Multiplexer zur seriellen Abtastung der Drucksensoren auf den Kraftmeßsohlen verbunden ist, und der Empfänger in der
Datenaufnahmeeinheit einem Computer mit windowsbasiertem Programm vorgeschaltet ist.
Der Grundgedanke der Erfindung beteht mithin darin, gesteuert durch den Microcontroller eine begrenzte durch Funk übertragbare - Anzahl von der Sensorik erzeugter und für die Funkübertragung entsprechend aufbereiteter Signale kabellos, d.h. per Funk, zur Datenempfangseinheit, die im wesentlichen durch einen auf der Betriebssystem-Software "Windows" basierenden Computer gebildet ist, zu übertragen.
Das vorgeschlagene Meßsystem ermöglicht während der Messung eine uneingeschränkte Beweglichkeit der zu untersuchenden Person unter den verschiedensten
Bewegungsbedingungen bzw. bei speziellen
Bewegungsübungen. Die Meßdaten können im Freien über eine Entfernung von ca. 1000 Metern und in geschlossenen Räumen von bis zu 100 Metern übertragen werden, so daß beispielsweise auch im Bereich der Sport- und
Arbeitsmedizin zuverlässige Aussagen über die Belastung
der unteren Extremitäten beim Sport oder am Arbeitsplatz getroffen werden können. Ein weiterer Vorteil liegt in der On-Line-Verfügbarkeit der erzielten Meßergebnisse, die in Form von farbigen Isobaren oder als Druckgebirge dargestellt werden, so daß bei der Untersuchung ein unmittelbarer Vergleich zwischen der konkreten Bewegung und der an der Fußsohle angezeigten Belastung möglich ist. Die Sensorzahl und die daraus resultierende Datenmenge wurden so gewählt, daß einerseits die Übertragung per Funk möglich ist und die Belastungen an der Fußsohle mit ausreichend hoher Auflösung gemessen werden können und andererseits auch die im Ergebnis der Messung gelieferten Informationen im Vergleich mit der tatsächlichen Bewegung der Untersuchungsperson vom Nutzer auch problemlos erfaßt werden können.
In Verbindung mit dem auf der Basis von "Windows" programmierten Computer erfolgt dessen Bedienung in einfacher Weise nach dem Videorecorderprinzip und die Meßergebnisse können entsprechend diesem Prinzip aufgezeichnet und wiederabgespielt werden. Gleichermaßen sind stehende Bilder mit dem Druckverlauf an der Fußsohle, zum Beispiel bei einer ganz bestimmten Bewegung, herstellbar, die auch ausgedruckt werden können. Es ist jederzeit ein Vergleich mit früheren Meßergebnissen möglich. Schließlich ist auch eine für den Orthopädieschuhtechniker wichtige prozentuale Angabe über die Größe der belasteten Fläche der Fußsohle möglich.
Insgesamt wird somit eine vielseitig einsetzbare Meßeinrichtung zur Verfügung gestellt, die vom Nutzer in einfacher Weise zu bedienen ist und überschaubare, ohne weiteres in die Praxis umsetzbare Meßdaten über die Belastungsverhältnisse am Fuß liefert. Das Gerät ist somit auch und gerade für die Anwendung im
Orthopädiehandwerk geeignet und ermöglicht eine optimale Versorgung mit orthopädischen Hilfsmitteln.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind die Drucksensoren auf den Kraftmeßsohlen in einer Matrix von 7x14 bis 8x16 angeordnet. Vorzugsweise sind Drucksensoren vorgesehen. Zur Funkübertragung der anfallenden Daten werden intelligente Kompressionsverfahren angewendet. Die Datenerfassungseinheit ist so ausgebildet, daß die Drucksensoren an den Kraftmeßsohlen mit einer Frequenz von mindestens 40 Hz für langsame bis normale Gehbewegungen und von 50 bis 100 Hz für schnelle Bewegungen, beispielsweise bei sportmedizinischen Untersuchungen, abgetastet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird zur Erzielung einer hohen Störsicherheit eine Kombination aus Strom- und Spannungsmessung unter Verwendung eines Strom-/Spannungs-Wandlers als Sensoranpassungsbaugruppe vorgenommen. Eine Analog-Digital-Wandlung der Meßergebnisse erfolgt an zwei Kanälen des Microcontrollers bei einer Auflösung von 10 bit. Dadurch ist eine Feinauflösung der Belastung von 1/16 N/cm^ möglich, so daß auch geringfügige, beispielsweise von Kindern ausgehende Kraftwirkungen erfaßt werden können.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Microcontroller in der Datenerfassungseinheit eine Spannungsüberwachungs- und Schnelladeschaltung für die Akkumulatoren zugeordnet.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind der Datenerfassungseinheit weitere Sensoren, wie Winkelmesser und dgl. zugeordnet.
Bei der Herstellung von Beinprothesen kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung unter Anwendung von in das Stumpfbett eingelegten Streifensensoren vorteilhaft zur Messung der Druckverteilung am Stumpf eingesetzt werden und stellt damit auch in diesem Bereich ein wichtiges Hilfsmittel für den Orthopädietechniker dar.
Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt. 10
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der zugehörigen Zeichnung, die in
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung 'für ein orthopädisches Meßgerät zur dynamischen und statischen
Druckmessung im Schuh und in
Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Bildfläche des
des nach Fig. 1 vorgesehenen Monitors mit der auf der Kraftmeßsohle vorgesehenen Sensorkonfi
guration in einer der gemessenen Druckhöhe entsprechender Farbgebung
zeigt, näher erläutert.
Das Meßsystem, wird, wie Fig. 1 zeigt, im wesentliche aus einer Sensorik, einer Datenerfassungseinheit, einer Telemetrieeinheit und einer Datenaufnahmeeinheit gebildet. Die Sensorik besteht aus einem Paar Kraftmeßsohlen 1, 2, die in die Schuhe der Untersuchungsperson eingelegt werden. Für die hier beschriebene Ausführungsform eines Meßgeräts für den Orthopädiehandwerker stehen Kraftmeßsohlen 1, 2 in drei Größenbereichen zur Verfügung, so daß alle gängigen Schuhgrößen abgedeckt sind. Jede Kraftmeßsohle verfügt
über 64 in einer Matrix aus 7 Spalten und 14 Zeilen angeordnete, resistive Drucksensoren. Die Kraftmeßsohlen sind jeweils über ein Kabel 3, 4 an ein an der Untersuchungsperson befestigtes Patientenmodem 5 {Datenerfassungseinheit) angeschlossen. Ein wesentliches Element der Datenerfassungseinheit ist ein Microcontroller 6, der die Steuerung des gesamten Meßvorgangs, der Akku-SehneIladung und der Datenfernübertragung über die Telemetrieeinheit übernimmt. Durch den Microcontroller 6 werden zwei mit den Kraftmeßsohlen 1, 2 verbundene Multiplexer 7, 8 mit jeweils 8x16 Eingängen so angesteuert, daß seriell jeweils alle 64 Sensoren der Kraftmeßsohle 1, 2 abgetastet werden. Die beiden 8xl6-Multiplexer 7, 8 ermöglichen die Abtastung von weiteren Sensoren, z.B. von Goniometern und dgl. Zur Messung wird eine Kombination aus Strom- und Spannungsmessung über zwei Strom-/Spannungs-Wandler 9.1, 9.2 vorgenommen, um eine hohe Störsicherheit zu erreichen. Die ankommenden Signale werden in einem Analog-Digital-Wandler 10 digitalisiert und von einem Spannungswert in einen Druckwert umgerechnet sowie anschließend gespeichert. Zur Analog-Digital-Wandlung (ADU) werden zwei Kanäle bei einer Auflösung von 10 bit benutzt. Dadurch wird bei jeweils Signalen von je einer Kraftmeßsohle 1, 2 eine Feinauflösung von 1/16 N/cm^ erreicht, so daß auch bei geringen Belastungen eine hohe Auflösung der Druckwerte, d.h. eine Erfassung auch kleinster Druckwerte, erzielt werden kann. Die Abtastfrequenz beträgt in der vorliegenden Ausführungsform 50 Hz. Diese Meßfrequenz ist für den normalen Orthopädiebereich mit normalen und langsamen Gehbewegungen ausreichend.
An den Microcontroller 6 ist außerdem eine Spannungsüberwachungs- und Schnelladeschaltung 11 der in
den Patientmodem 5 zur Energieversorgung integrierten Akkumulatoren (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Ladezustand der Akkumulatoren wird während der Messung durch visuelle und akustische Signalgeber angezeigt und über die Telemetrieeinheit auch zum Computer 14 übertragen und auf dem Monitor 15 wiedergegeben.
Der Microcontroller 6 verfügt über zwei serielle Schnittstellen 6.1, 6.2, deren eine Standard-Schnittstelle 6.1 mit einem in den Patientenmodem 5 integrierten Sender 12 verbunden ist. Durch die Nutzung dieser Standard-Schnittstelle 6.1 ist auf einfache Weise die Verwendung anderer Geräte zur Datenübertragung möglich. Die zweite serielle Schnittstelle 6.2 des Microcontrollers 6 wird für eine interne Kontrolle während der Softwareentwicklung genutzt. Der Sender ist Bestandteil der Telemetrieeinheit, zu der auf der Seite der Datenaufnahmeeinheit ein entsprechender Empfänger 13 gehört, um die digitalisierten und in Druckwerte umgerechneten Sohlenmeßwerte - gesteuert durch den Microcontroller 6 - kabellos zur Datenaufnahmeeinheit, die durch den Computer 14 - mit Monitor 15 und Drucker 16 - gebildet ist, zu übertragen.
Die gewählte Zahl von 64 Sensoren - bei einer Abtastfrequenz von mindestens 40 Hz und einer Genauigkeit von 10 bit je Signal - ermöglicht es, unter Anwendung speziell an die vorliegende Datenstruktur angepaßter intelligenter Kompressionsverfahren die anfallenden Daten per Funk zu übertragen und zum Computer weiterzuleiten und sie dann über ein windowsbasiertes Programm auf dem Monitor 15 in Form von entsprechend der Sensorkonfiguration auf der Kraftmeßsohle gleichmäßig über eine Fußsohlenabbildung 18 verteilten Druckwerten, deren Höhe durch unterschiedliche Farbgebung kenntlich
gemacht ist, wiederzugeben. Die jeweils 64 auf dem Monitor dargestellten Druckwerte (farbige Druckisobaren 17) umfassen gerade eine solche Anzahl an Informationen, die per Funk problemlos übertragen werden können, vom Nutzer bei der Herstellung von orthopädischen Schuhen oder Einlagen tatsächlich benötigt werden und auch erfaßbar sind.
Der Computer 15 ist in Verbindung mit einer entsprechenden Software nach dem Videorecorderprinzip bedienbar. Das heißt, die während der Untersuchung "online" dargestellten Druckverlaufsbilder können mit einfachen Bedienvorgängen aufgezeichnet sowie wiederabgespielt und in einer beliebigen Haltestellung dargestellt werden, wobei über den Drucker 16 auch das Ausdrucken von Einzelbildern möglich ist. Die Druckbilder werden im Maßstab 1 : 1, das heißt entsprechend der Driginalgröße des Fußes, ausgedruckt. Wie Fig. 2 zeigt, ist außerdem vorgesehen, zu jedem Bewegungszeitpunkt die Größe der insgesamt belasteten Fußfläche in Prozent (19) anzugeben. Als Computer kann die im Orthopädiehandwerk üblicherweise vorhandene windowstaugliche Rechentechnik genutzt werden, wobei der Computer 15 mit einer zusätzlichen seriellen Schnittstelle ausgerüstet sein muß. Die windowsbasierte Software hat wesentliche Bedeutung für die einfache Bedienung der gesamten Meßvorrichtung und für deren praktische Anwendbarkeit im Orthopädiehandwerk.
Bezugszeichenliste:
1 Kraftmeßsohle
2 Kraftmeßsohle
3 Kabel
4 Kabel
5 Patientenmodem
6 Microcontroller
6.1 serielle Schnittstelle
6.2 serielle Schnittstelle
7 Multiplexer
8 Multiplexer
9.1 Strom-/Spannungs-Wandler
9.2 Strom-/Spannungs-Wandler
10 Analog-Digital-Wandler
11 Spannungsüberwachungs- und Schnelladeschaltung
12 Sender
13 Empfänger
14 Computer
15 Monitor
16 Drucker
17 farbige Druckisobaren
18 Fußsohlenabbildung
19 Prozentangabe über die insgesamt belastete
Fußfläche

Claims (12)

:tf ti Schutzansprüche:
1. Meßsystem zur statischen und dynamischen Druckverteilungsmessung an der Fußsohle des Menschen mit Hilfe einer von Kraftmeßsohlen gebildeten Sensorik und einer mobilen Datenerfassungseinheit sowie einer stationär angeordneten Datenaufnahmeeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenerfassungseinheit und die Datenaufnahmeeinheit über eine Telemetrieeinheit, bestehend aus einem Sender (12) und einem Empfänger (13) zur Übertragung der Sensorkonfiguration und der jeweiligen Meßdaten der Sensoren per Funk, verbunden sind, wobei der Sender (12) an einen Microcontroller (6) angeschlossen ist, der steuerseitig mit jeweils einem Multiplexer (7, 8) zur seriellen Abtastung der Drucksensoren auf den Kraftmeßsohlen (1, 2) verbunden ist, und der Empfänger (13) in der Datenaufnahmeeinheit einem Computer (14) mit windowsbasiertem Programm nachgeschaltet ist.
2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftmeßsohlen (1, 2) resistive Drucksensoren in einer Matrix von 7x14 bis 8x16 enthalten.
3. Meßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise 64 Drucksensoren - gleichmäßig verteilt auf jeder Kraftmeßsohle (1, 2) - vorgesehen sind.
4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren über den Microcontroller (6) und die Multiplexer (7, 8) mit einer Frequenz von 40 bis 100 Hz abtastbar sind.
5. Meßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz bei Untersuchungen mit normalen
Gehbewegungen mindestens 40 Hz und bei schnellen Bewegungen 50 - 100 Hz beträgt.
6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Ausgang der Multiplexer (7, 8) zur Sensoranpassung jeweils an einen Strom-/Spannungs-Wandler (9.1, 9.2) angeschlossen ist und dieser mit einem dem Microcontroller (6) vorgeschalteten Analog-Digital-Wandler (10) - bei einer Auflösung von 10 bit je Signal - verbunden ist.
7. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Microcontroller (6) eine Spannungsüberwachungs- und Schnelladeschaltung (11) für die Akkumulatoren der Datenerfassungseinheit zugeordnet ist.
8. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Computer (14) ein Monitor (15) zur visuellen "on-line"-Darstellung der dynamischen und statischen Druckverhältnisse entsprechend der Sensoranordnung in den Kraftmeßsohlen (1, 2) in unterschiedlicher Farbgebung entsprechend der Druckhöhe oder als Druckgebirge zugeordnet ist.
9. Meßsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Datenaufnahmeeinheit aufgenommenen Meßdaten nach dem Prinzip der Bedienung eines Videorecorders aufzeichenbar und wiederabspielbar sind.
10. Meßsystem nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenaufnahmeeinheit mit einem Drucker (16) zur vorzugsweisen Darstellung der Meßergebnisse in einer dem Original entsprechenden Fußgröße, d.h. im Maßstab 1:1, ausgerüstet ist.
11. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Datenerfassungseinheit weitere Sensoren, wie Goniometer, Muskelpotentialsensoren oder Pulssensoren, anschließbar sind.
12. Meßsystem zur Druckverteilungsmessung am Stumpf amputierter Beine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Kraftmeßsohlen Streifensensoren anwendbar sind, die in das Stumpfbett einer Beinprothese eingelegt sind.
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