DE3142197C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausmessen von Bewegungsabläufen von reflektierenden Meßpunkten, die ins­ besondere an Mensch oder Tier befestigt sind, mit einem oder mehreren für dreidimensionale Messungen mindestens zwei ein sich bewegendes Flächenmuster erzeugenden Signalgebern, mehreren reflektieren­ den Meßpunkten und pro Signalgeber einer Vorrichtung zum Auf­ fangen der reflektierenden Signale.

Eine chronocyclographische Bewegungsaufzeichnung mit einem Prozeßrechner ist durch den Aufsatz von Güth, Abbink und Heinrichs in der Internationalen Zeitschrift für angewandte Physiologie, Springer-Verlag 1973, Seite 151-162, bekannt­ geworden. Dabei werden am Patienten die Punkte, deren Bewe­ gungen registriert werden sollen, durch Photodioden mar­ kiert. Durch periodische Abtastung der Dioden mit einem über einen Drehspiegel projizierten hellen Balkenmuster läßt sich der Bewegungsablauf der markierten Punkte zahlenmäßig erfas­ sen und einer weiteren rechnerischen Analyse durch einen Computer zuführen. Bei Verwendung von zwei Belichtungssystemen sind dreidimensionale Messungen möglich. Bei diesem Verfahren der chronocyclographischen Bewegungsaufzeich­ nung ist es notwendig, daß die untersuchte Person ein Schleppkabel mit sich führt, welches die Photodioden mit der Auswertvorrichtung verbindet. Ein derartiges Schleppkabel kann aber die Bewegung der untersuchten Person beeinflussen, so daß bereits hierdurch die er­ haltenen Meßwerte verfälscht werden können und der An­ wendungsbereich auf relativ langsam ablaufende Bewegungen begrenzt ist. In der hier verwendeten Vorrichtung wird ebenso wie in einer in Europ.J.appl.Physiol.32, 227-238 (1974) by Springer-Verlag 1974 veröffentlichten Arbeit von Heinrichs ein V-förmiger Lichtbalken verwandt. Jede Diode liefert, getroffen von diesem V-förmigen Licht­ balken, zwei zeitlich versetzte Impulse, aus denen sich die Koordinaten der räumlichen Lage der Diode im Prozeß­ rechner berechnen lassen. Bei dieser Vorrichtung auf­ tretende Zeitrasterfehler wurden dadurch verkleinert, daß mehrere Dioden durch einen Addierverstärker auf einen Kanal zusammengefaßt werden. Dabei durften diese jedoch keinen Winkel im näheren Bereich von 45° und mehr zuein­ ander erreichen, da dann der Prozeßrechner die Impulse nicht mehr eindeutig zugehörigen Dioden zuordnen konnte. Aus diesem Grunde wurde für jede Diode eine separate Zeitmeßeinrichtung zur Verfügung gestellt und auch die Drehfrequenz des Spiegels vergrößert, um auf diese Weise durch schnellere Bewegungen und separate Zeimessun­ gen die Genauigkeit zu vergrößern.

Eine andere Methode, die in der Biomedizinischen Technik 1980, Seite 319 bis Seite 323 von Theysohn, Brunk und Kellner beschrieben wurde, vermeidet das Schleppkabel und benutzt als Lichtquelle einen Laser. Der Laserstrahl wird von einem opto-akustischen Laser-Deflektor, der von einer elektronischen Koordinatenspeichereinheit angesteuert wird, nacheinander auf mehrere an einer Person befestigte kleine Reflektoren gerichtet. Das reflektierte Laserlicht wird einer Spezialkamera zuge­ führt, in welcher ein Detektor eingebaut ist, der die aufgefangenen Lichtimpulse in elektrische Impulse wandelt, die dann einem Speicher und einem Prozeßrechner zugeführt werden. Der lichtempfindliche Detektor in der Brennebene der Spezialkamera registriert die Lage eines auf ihm aufgebildeten Lichtpunktes in zwei Koordinaten. Die jeweils zuletzt registrierten Koordinaten korrigieren den jeweiligen Speicherinhalt der Ansteuereinheit des Laser-Defektors, so daß der leicht aufgeweitete Laser­ strahl die Reflektoren trotz ihrer Positionsänderungen zwischen den einzelnen Messungen belichtet und somit ihren Bewegungen folgt. Bei Verwendung von zwei Systemen ist die dreidimensionale Bestimmung der Ortskoordianten der Re­ flektoren möglich. Im Takt einer Kontrolleinheit in der Größenordnung von 10 kHz werden nacheinander bis zu 30 Reflektoren belichtet und hierbei eine hohe Meßfrequenz bei einer hohen Meßgenauigkeit erreicht. Die an sich der Spezialkamera innewohnenden Meßfehler werden durch die Verwendung des Laserlichtes extrem reduziert.

Die von Theysohn, Brunk und Kellner 1980 beschriebene Methode hat gegenüber der von Güth, Abbink und Heinrichs 1975 sowie von Heinrichs 1974 beschriebenen Methode drei wesentliche Nachteile:

Sie enthält erstens als notwendige Bauteile einen Laser und einen opto-akustischen Laserdeflektor. Die Ausgangs­ leistung des Lasers muß bei Entfernungen des Meßobjektes vom Aufnahmeteil von ca. 10 m etwa 1 Watt betragen, d. h. daß die strengen international üblichen Laserschutzbestim­ mungen eingehalten werden müssen. Speziell für Messungen am Menschen sind daher aufwendig gesicherte Meßräume er­ forderlich. Dadurch wird der Anwendungsbereich einge­ schränkt (z. B. Messungen im Freigelände bedürfen einer Sondergenehmigung). Die von Güth und Mitarbeitern be­ schriebene Methode kann dagegen bis zu Meßentfernungen von ca. 50 m mit handelsüblichen polychromatischen Licht­ quellen (für die keine zusätzlichen Sicherheitsbestimmun­ gen gelten) betrieben werden.

Der zweite Nachteil besteht darin, daß bei stationärer Anordnung der von Theysohn, Brunk und Kellner entwickel­ ten Apparaturen die Meßgenauigkeit der Anlage abhängig von der Auflösung der oben genannten Spezialkamera ist (in der neuesten Ausführung 12 bit für beide Koordinaten). Es ist zwar prinzipiell möglich, eine solche Anlage z. B. auf einer elektronisch gesteuerten Drehscheibe anzuordnen die erlaubt, dem Meßobjekt über größere Strecken zu folgen, das ist jedoch mit erheblichem technischen Aufwand ver­ bunden. Die von Güth und Mitarbeitern entwickelte Methode erlaubt bei stationärer Anordnung in Vertikalrichtung eine Auflösung von ca. 12 bit, in Horizontalrichtung aufgrund des großen Meßwinkels eine Auflösung von 15 bis 16 bit. Sie eignet sich daher besonders für Messungen von annähernd linearen Bewegungsabläufen über längere Strecken bei geringerer Höhe des Meßraumes.

Die von Güth und Mitarbeitern beschriebene Anlage - und das ist der dritte Nachteil - erfordert wesentlich ge­ ringeren technischen Aufwand.

Der entscheidende Vorteil der von Theysohn, Brunk und Kellner beschriebenen Methode besteht jedoch darin, daß anstelle von aktiven Photoverstärkern und den notwendigen Kabelverbindungen am Meßobjekt bzw. der Person sowie zur Aufnahmeeinrichtung sehr leichte Reflektoren (Masse <100 mg) angewandt werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die speziellen Nachteile beider Verfahren unter Beibehaltung ihrer gemeinsamen Vorteile zu vermeiden, eine hohe Meßgenauig­ keit bei einer hohen Meßfrequenz zu erreichen sowie die Möglichkeit der "on-line" Übernahme der Meßwerte durch eine EDV-Anlage zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung dabei aus von einer Vorrichtung zum Ausmessen von Bewegungsabläufen von reflektierenden Meßpunkten, die insbesondere an Mensch oder Tier be­ festigt sind, mit einem oder mehreren (für dreidimensiona­ le Messungen mindestens zwei) ein sich bewegendes Flächenmuster erzeugenden Signal­ gebern, mehreren reflektierenden Meßpunkten, einer oder mehreren Vorrichtungen zum Auffangen der reflektier­ ten Signale. Da geeignete Reflektoren, (z. B. Scotch-lite- Folie) auffallendes Licht spitzwinklig in Einfallsrich­ tung reflektieren, ist für jeden Signalgeber eine gesonderte Aufnahmevorrichtung erforderlich.

Die Erfindung besteht gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 darin, daß der Signal­ geber Strahlung von einer bestimmten geometrischen Figur aussendet, die eine Meßfläche periodisch überstreicht und die so beschaffen ist, daß auf jeden Reflektor eine Folge von mehr als zwei Strahlungsimpulsen fällt, daß als Aufnehmer reflektierter Signale eine Vorrichtung dient, welche nicht die geometrische Lage, sondern nur den zeitlichen Anfang von Strahlungsimpulsen aufnimmt und in je einen elektrischen Impuls umwandelt und daß eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die die Zeit zwischen dem Auftreffen des ersten Strahlungsimpulses auf einen Bezugspunkt und dem ersten elektrischen Impuls jeder Impulsfolge sowie den zeitlichen Abständen der elektri­ schen Impulse einer Impulsfolge untereinander feststellt.

Die Vorrichtung hat gegenüber verschiedenen anderen Meß­ systemen, die zur Positionsbestimmung bzw. zur Bewegungs­ vermessung reflektierender oder auch aktiv strahlender Meßpunkte geeignet sind, einen wesentlichen Vorteil:

An die Abbildungsoptik der Vorrichtung zum Auffangen der reflektierten Signale sind keine hohen Anforderungen in bezug auf geringe Verzeichnung, Schärfe der Abbildung etc. zu stellen, da - wie oben erwähnt - durch sie nicht die Ortskoordinaten dieser Meßpunkte bestimmt werden, sondern ausschließlich die zeitliche Folge von Strahlungsimpulsen. Daraus ergibt sich, daß hier anstelle technisch aufwendi­ ger Photoobjektive großflächige Parabolspiegel angewandt werden können.

So eignen sich z. B. handelsübliche Parabolantennen, die für den Empfang von TV-Signalen von Satelliten konstruiert wurden, nach Oberflächenverspieglung (z. B. durch Verchromung für die Bündelung der reflektierten Signale. Die Verwendung von sehr großflächigen Parabolspiegeln (<10 m⌀) mit ent­ sprechend langer Brennweite ist also möglich. Daraus erge­ ben sich besonders günstige energetische Verhältnisse für die Aufnahmeeinrichtung, da auch bei großer Entfernung geeigneter Reflektoren ein großer Teil der vom Signalgeber ausgestrahlten Energie aufgefangen werden kann.

In Verbindung mit sehr energiereichen und gut zu focussieren­ den Energiequellen, wie z. B. Hochleistungslasern, deren Strahlung von einer zusammengesetzten Zylinderoptik zu dem obengenannten Balkenmuster gebündelt wird, sind Messungen des Bewegungsablaufes sehr weit entfernter, z. B. fliegender Objekte, möglich. Bei großen Meßentfernungen werden zweck­ mäßigerweise im Signalgeber Energiequellen mit relativ langwelliger Strahlung (z. B. infra-rot) eingesetzt.

Von besonderer Bedeutung ist in einer weiteren Aus­ bildungsform der Erfindung, daß dem Aufnehmer reflek­ tierter Signale eine Vorrichtung nachgeschaltet ist, die Impulse gleicher Zeitabstände feststellt und der Aus­ wertvorrichtung zuführt. Hierdurch wird die Unterschei­ dung verschiedener reflektierender Objekte ermöglicht.

Um mit kleinen Prozeßrechnern bei dieser Vorrichtung aus­ zukommen, ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem Aufnehmer reflektierter Signale und der Impulse gleicher Zeitabstände feststellenden Vorrichtung ein Speicher angeordnet ist.

Als Figur wird zweckmäßigerweise ein Fächer verwendet, dessen Linie sich in einem Punkt schneiden. Das hat den Vorteil, daß hiermit in sehr einfacher Weise eindeutige Zuordnungen möglich sind.

Besonders einfach wird bei einer Erhöhung des Signal- Rausch-Abstandes die Vorrichtung dadurch, daß als Aufnehmer eine Fläche dient, welche dicht mit Photoverstärkern be­ setzt ist, die an Hochpaßfilter und diesen nachgeschalte­ ten Triggern angeschlossen sind. Bei sehr großem Kontrast zwischen Reflektor und Umgebung genügt ein einzelner Photo­ verstärker mit hinreichend großer Aufnahmefläche für die Abbildung der Meßfläche (z. B. Luftraum).

Bei einer größeren Zahl von Meßpunkten auf engem Raum besteht die Möglichkeit, daß trotz hoher Taktfrequenz der Zeitmeßeinrichtung zwei oder mehrere Impulse fälschlicher­ weise als zeitgleich erkannt werden und daher als Einzel­ impuls gespeichert werden, oder daß bei bestimmten Stellun­ gen der Reflektoren das registrierte Impulsmuster zufällig annähernd gleiche zeitliche Abstände von Einzelimpulsen aufweist, die nicht von ein und demselben Reflektor ausge­ löst wurden. Daraus resultieren Meßfehler bzw. Aus­ fälle. Außerdem verlängert sich die Rechenzeit erheb­ lich, wenn eine große Anzahl von Zeitdifferenzen mit­ einander verglichen werden muß, um die für die Koordina­ tenbestimmung notwendigen konstanten Zeitdifferenzen einer Impulsfolge zu ermitteln.

Beide Fehlerquellen lassen sich extrem vermindern, wenn die oben genannte Matrix aus Photoverstärkern, Filtern und Triggern so beschaffen ist, daß nicht alle Trigger­ ausgänge in einer gemeinsamen Zeitmeßeinrichtung zusammen­ geführt werden, sondern zu Zeilen zusammengefaßt mehreren synchron laufenden Zeitmeßeinrichtungen zugeführt werden, deren Meßwerte von einem gemeinsamen Massenspeicher über­ nommen werden. Mehrere annähernd gleichzeitig auftretende Impulse werden dann getrennt registriert, wenn die räum­ lichen Abstände der sie auslösenden Reflektoren in einer Dimension so groß sind, daß das reflektierende Licht auf verschiedenen Zeilen von Photoverstärkern auf der Matrix abgebildet wird.

Außerdem besteht bei einer solchen Ausführung der Empfangseinheit die Möglichkeit, den Meßwerten der einzel­ nen Zeitmeßeinrichtungen kodiert auch die Position der jeweiligen Zeile auf der Matrix zuzuordnen und dem ge­ meinsamen Massenspeicher zuzuordnen.

Neben den zeitlichen Abständen einer Impulsfolge wird auf diese Weise auch die Position des sie auslösenden Reflektors im Raum grobquantitativ in einer Dimension gespeichert. Bei zweckmäßiger Anordnung der Zeilen auf der Matrix werden Reflektoren, die aufgrund ihrer Po­ sition im Meßraum das ausgestrahlte Signal in deutlich unterschiedlicher Sequenz reflektieren, auch auf ver­ schiedenen Zeilen abgebildet (siehe Fig. 3).

Die Zahl der notwendigen Rechenschritte des Prozeßrech­ ners zur Ermittlung annähernd gleicher Zeitdifferenzen einer Impulsfolge wird dadurch erheblich vermindert, weil Impulse, die von einem bestimmten Reflektor evoziert werden und die von einer bestimmten Zeile empfangen werden, vorgegebene zeitliche Abstände um einen von der Anzahl der Zeilen abhängigen Wert weder unter- noch über­ schreiten können. Auf diese Weise wird eine "Vorsortierung" der Meßwerte erreicht.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die räumliche Anordnung der einzelnen Teile der Vorrichtung zueinander,

Fig. 2 die Anordnung eines Reflektors an einer Person,

Fig. 3 die Anordnung der sich bewegenden Lichtbalken vor einer Meßfläche mit einer zu vermessenden Person,

Fig. 4 ein Beispiel für das von der Aufnahmevorrichtung aufgenommene Impulsmuster.

Die räumliche Anordnung der einzelnen Teile der Vorrich­ tung zueinander ist in Fig. 1 dargestellt. Als Licht­ quelle wird hier ein Dia-Projektor 1 verwendet, in dessen Diapositivhalterung eine Blende mit einer fächerförmigen Anordnung von Schlitzen eingeschoben ist. In der optischen Achse des Projektors ist ein Drehspiegel 3 angeordnet, der mit einer exakt eingehaltenen Frequenz, vorzugsweise von 50 bis 500 Hertz, gedreht wird. Die Frequenz muß so groß sein, daß Zeitdifferenzen innerhalb einer Impulsfolge, die durch Positions­ änderungen des sich bewegenden Reflektors entstehen, vernachlässigt werden können. Bei dieser Drehung wird die vom Projektor 1 ausgestrahlte Lichtbalken-Figur in Form der vom Drehspiegel 3 reflektierten Strahlen 5 durch eine Blendenöffnung 6 in den Meßraum gestrahlt. Die Blendenöffnung 6 ist eine zentrale Bohrung in dem Spiegel 7, mit dem von einem Reflektor 8, der an dem zu beobachtenden, sich bewegenden Objekt Lichtstrahlen 9 auf einen seitlich angeordneten Parabolspiegel 10 ge­ worfen werden, der seinerseits die nach der Reflektion am Spiegel 7 mit 11 bezeichneten Lichtstrahlen auf eine Matrix 12 von Photoverstärkern 13 wirft. Jedem Photoverstärker ist ein Hochpaßfilter und ein Trigger zugeordnet, die nicht einzeln dargestellt sind, da es sich hier um in den Photoverstärker integrierte Bauteile handelt. Die von den Triggern erzeugten elektrischen Impulse werden einer gemeinsamen Zähler-Speicher-Einheit zugeführt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Die Photoverstärker können so dicht nebeneinander ange­ ordnet werden, daß bei der leicht unscharfen Abbildung eines Reflektors auf der Matrix 12 mehrere Photoverstärker reflektiertes Licht auffangen. Zweckmäßigerweise werden bis zu drei räumlich nebeneinander liegende Photover­ stärker in Anwendung gebracht. Ein "triggerbares" Signal entsteht, wenn Ausschnitte der Meßfläche von ca. 100 cm² auf ca. drei Photoverstärkern der Matrix abgebildet werden. Diese Größenangabe bezieht sich auf eine Meß­ entfernung von ca. 10 m bei einer Auflösung der Meß­ fläche von 11 bit in Vertikalrichtung und 14 bit in Horizontalrichtung. Das ist jedoch abhängig vom Durch­ messer des Reflektors, der Lichtbalkenbreite und der Intensität des auftreffenden Lichts im Verhältnis zur Raumbeleuchtung.

Für die Steuerung des Prozeßrechners ist eine Start- Photodiode 14 am Anfang der Meßfläche 16 und eine Eich­ diode am Ende der Meßfläche 16 vorgesehen.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie beispielsweise ein Re­ flektor an einem sich bewegenden Menschen angebracht ist und wie der Lichtbalken von ca. 1 cm Breite auf diesen Menschen und den Reflektor fällt. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel reflektieren ca. 150 cm² Haut, während der kugelförmige Reflektor einen Durchmesser von ca. 1 cm hat. Da das Reflektionsverhältnis der re­ flektierenden Oberfläche des Reflektors zu der mensch­ lichen Haut etwa 170 : 1 beträgt, beträgt das Verhältnis des von der Haut reflektierten Lichtes zu dem vom Reflektor reflektierten Licht in diesem Falle ungefähr 1 : 1. Daher ist in diesem Fall die auf den Parabol­ spiegel fallende vom Reflektor reflektierte Lichtmenge nicht sicher als solche feststellbar. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Matrix mit getrennt getriggerten Photoverstärkern ist dieses Verhältnis aber im ungünstig­ sten Fall 5 : 1, so daß hierdurch eine sichere Fest­ stellung des vom Meßpunkt 8 reflektierten Lichtes mög­ lich wird.

Jeder Reflektor 8, 8A, 8B, 8C reflektiert nun bei einer Umdrehung des Drehspiegels mehrmals, weil je eine Figur aus Lichtbalken vom Projektor ausgestrahlt wird. Diese Figur ist aus Fig. 3 ersichtlich. Sie besteht aus einem ersten Lichtbalken 17, der vertikal verläuft und dem ein zweiter vertikaler Lichtbalken 18 zugeord­ net ist sowie aus weiteren schrägstehenden Lichtbalken 19, 20, 21. Der doppelte Balken 18 ist nicht unbedingt notwendig, er vereinfacht jedoch dem Prozeßrechner die Zuordnung der einzelnen Impulsgruppen, wie sie bei­ spielsweise in der Fig. 4 dargestellt sind. In Fig. 3 ist die Meßfläche wieder mit 16 bezeichnet, die Start­ diode 14 und die Eichdiode 15 haben auch hier einen definierten Abstand voneinander.

Das von der Matrix 12 empfangene Impulsmuster besteht jeweils aus einer Folge von fünf Impulsen. In der zeichnerischen Darstellung sind diese Impulsgruppen zur besseren Kenntlichmachung mit verschiedenen Höhen eingezeichnet. Diese unterschiedliche Höhe der Impulse dient aber nur der Veranschaulichung im Bild der Fig. 4. Die vom Reflektor 8A aufgefangenen Impulse sind hier mit A, die vom Reflektor 8B aufgefangenen Impulse mit B und die vom Reflektor 8C aufgefangenen Impulse mit C bezeichnet. Man ersieht die unterschiedlichen zeit­ lichen Abstände (t = Zeitachse). Die unterschiedlichen zeitlichen Abstände kommen durch die unterschiedliche Lage der Reflektoren vor der Meßfläche zustande.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Ausmessen von Bewegungsabläufen von reflektierenden Meßpunkten, die insbesondere an Mensch oder Tier befestigt sind, mit einem oder mehreren (für dreidimensionale Messungen mindestens zwei) ein sich bewegendes Flächenmuster erzeugenden Signalgebern, mehreren reflek­ tierenden Meßpunkten, pro Signalgeber je einer Vorrichtung zum Auffangen der reflektierten Signale, dadurch gekennzeichnet,
daß der Signalgeber Strahlung von einer bestimmten geometrischen Figur aussendet, die eine Meßfläche (16) periodisch überstreicht und die so beschaffen ist, daß auf jeden Reflektor (8, 8A, 8B, 8C) eine Folge von mehr als zwei Strahlungsimpulsen fällt,
daß als Aufnehmer reflektierter Signale eine Vorrich­ tung (12, 13) dient, welche nicht die geometrische Lage, son­ dern nur den zeitlichen Anfang von Strahlungsimpulsen aufnimmt und in je einen elektrischen Impuls umwandelt,
und daß eine Auswertevorrichtung vorgesehen ist, die die Zeit zwischen dem Auftreffen des ersten Strahlungsimpulses auf einen Bezugspunkt und dem ersten elektrischen Impuls jeder Impulsfolge sowie den zeitlichen Abstän­ den der elektrischen Impulse einer Impulsfolge unter­ einander feststellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufnehmer reflektierter Signale eine Vor­ richtung nachgeschaltet ist, die Impulse gleicher Zeitabstände feststellt und der Auswertvorrichtung zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Aufnehmer reflektierter Signale und der Impulse gleicher Zeitabstände feststellender Vorrichtung ein Speicher angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Figur ein Fächer ist, dessen Linien sich in einem Punkt schneiden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufnehmer eine Fläche dient, welche dicht mit Photoverstärkern besetzt ist, die an Hochpaß­ filter und diesen nachgeschalteten Triggern ange­ schlossen sind.