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Meßgerät zur Messung des Verformungsverhaltens
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der Haut der Haut Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Messung
des Verformungsverhaltens der Haut, mit einer Vorrichtung zur Belastung und Verformung
der Haut und einer Weg meßeinrichtung zur Messung des Grades der Verformung.
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Bekannt ist ein Gerät zur Messung von Oberflächeneigenschaften der
Haut (US-PS 4 206 769), das einen auf die Haut lose auflegbaren Fühler aufweist,
welcher an einem um eine Umlenkrolle herumgeführten Seil hängt. An dem anderen Ende
des Seils hängt ein Gegengewicht zur Gewichtskompensation des Fühlers. Der Fühler
kann durch zusätzlich auf ihn aufgelegte Meßgewichte belastet werden, um an der
Haut eine Eindrückung zu erzielen. Das Ausmaß dieser Eindrückung
wird
anhand der Verschiebung der den Fühler tragenden Stange gemessen und ausgewertet.
Um das Zurückbilden der Eindrückung nach Beendigung der Belastung zu ermitteln,
kann der Fühler an-eine Saugleitung angeschlossen werden, um sich an der Haut festzusaugen.
Während sich die Haut zurückbildet, wird die Bewegung der den Fühler tragenden Stange
gemessen. Bei diesem bekannten Gerät wird also eine mechanische Einrichtung (Fühler)
gegen die Haut gesetzt und die Verformung der Haut wird anhand von Verschiebungen
der mechanischen Einrichtung ermittelt, um beispielsweise Aufschluß über das Elastizitätsverhalten
der Haut zu bekommen.
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Da die zu messenden Hautverformungen im Bereich von zehntel Millimetern
liegen, führen bei dem bekannten Gerät selbst geringfügige Bewegungen des Probanden,
z.B. Atmungsbewegungen, bereits zu erheblichen Verfälschungen des Meßergebnisses.
Außerdem bewirkt der Fühler selbst eine Verformung der Haut, so daß das Verformungsverhalten
durch den Fühler nicht unbeeinflußt bleibt. Selbst wenn der Fühler durch das Gegengewicht
gewichtsentlastet ist und nicht mit seinem Gewicht auf der Haut aufliegt, kann sich
die Haut unter dem Einfluß der Massenträgheit des Fühlers und des Gegengewichts
und aufgrund der Reibung der Rolle nicht ohne Beeinflussung durch die Meßeinrichtung
verformen.
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Bei Messung der Elastizität der Haut soll insbesondere das Verhalten
der Hornschicht gemessen werden, die 10 bis 20 jim stark ist und die oberste Hautschicht
bildet. Unter der Hornschicht befindet sich die Epidermis (Oberhaut) die einige
zehntel Millimeter
stark ist,und darunter befinden sich Lederhaut
(Bindegewebe) und Unterhaut. Bei dem bekannten Meßgerät hängt das Meßergebnis, unabhängig
von der Beschaffenheit der Hornschicht, sehr stark von der jeweiligen Körperstelle
ab, an der die Messung vorgenommen wird. Wenn sich an dieser Stelle ein starkes
Bindegewebe befindet, wird hiervon das Verformungsverhalten beeinflußt, so daß man
keinen exakten Aufschluß über das Verhalten der Hornschicht erhält.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit welchem relativ genaue Messungen des Verformugnsverhaltens,
z.B.
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der Elastizität, der Haut möglich sind, ohne daß die Meßeinrichtung
selbst die Verformung beeinflußt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein
an eine Saugquelle oder Druckquelle angeschlossenes Gehäuse an einem auf die Haut
aufzulegenden starren Boden mindestens eine Öffnung auf weist, und daß die im Innern
des Gehäuses angeordnete Wegmeßeinrichtung einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger
aufweist, in deren Schallweg die Öffnung angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät wird das Gehäuse mit dem Boden
belastungslos auf die Haut aufgesetzt. Wenn in dem Gehäuse anschließend ein Unterdruck
erzeugt wird, wird ein Teil der Haut in die Öffnung eingesaugt. Dieser Verformungsweg
wird berührungslos gemessen, ohne daß hierbei eine mechanische Einwirkung auf dia
Haut erfolgt. Anstelle des Einsaugens der Haut in die Öffnung
kann
im Innern des Gehäuses auch ein überdruck erzeugt werden, der dann unterhalb der
Öffnung eine pneumatische Eindrückung in der Haut verursacht.
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Die Messung wird durch Körperbewegungen des Probanden nicht verfälscht,
da sich das Gehäuse, das an die Haut angesetzt wird, mitbewegen kann. Insbesondere
findet auch keine Verfälschung des Meßergebnisses durch bewegte Massen, Reibung
o.dgl. statt.
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Der Meßbereich, in welchem das Verformungsverhalten der Haut ermittelt
wird, ist durch die Größe der Öffnung im Boden des Gehäuses begrenzt. Vorzugsweise
ist der Durchmesser der Öffnung kleiner als 2,5 mm. Damit ist sichergestellt, daß
durch die Messung hauptsächlich das Verhalten der Hornschicht, die die oberste Hautschicht
bildet, festgestellt wird, und daß die darunterliegenden Gewebeschichten nicht wesentlich
an der Verformung teilnehmen und deren Ergebnis verfälschen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Boden
des Gehäuses ein auf die anliegende Haut ansprechender kontaktloser Näherungsschalter
angeordnet, der ein den Meßvorgang einleitendes Signal erzeugt. Dieser Näherungsschalter
ist vorzugsweise ein Infrarotschalter nach dem Reflexionsprinzip. Da der Schalter
kontaktlos arbeitet, übt er keinen zusätzlichen Druck auf die Haut aus, so daß die
Haut in der Nähe der Meßstelle nicht durch den Schalter belastet wird.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Meßvorgang
eine vor Einschalten der Saugquelle oder Druckquelle bei unbelasteter Haut durchgeführte
Ruhemessung und mindestens eine Belastungsmessung, die eine bestimmte Zeit nach
dem Einschalten der Saugquelle oder Druckquelle durchgeführt wird.
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Bei der Ruhemessung wird die Position der Haut im unbelasteten Zustand
an der Öffnung erfaßt. Diese Ruhemessung bildet gewissermaßen eine Kalibrier- oder
Eichmessung zur Erfassung der Ruhelage der Haut. Nach Durchführung dieser Ruhemessung
wird die Saugquelle oder Druckquelle eingeschaltet und eine bestimmte Zeit später,
nachdem die Haut auf den Sog oder Druck reagiert hat, erfolgt eine erneute Positionsmessung
der Haut (Belastungsmessung). Das Ergebnis der Ruhemessung wird von dem Ergebnis
der Belastungsmessung subtrahiert, um die Differenz zu erhalten.
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Obwohl ein Meßvorgang auf die geschilderte Weise aus mindestens zwei
Messungen besteht, kann er auch mehrere Messungen umfassen, wenn z.B. die Verformung
der Haut an der Meßstelle bei unterschiedlichen pneumatischen Saugkräften oder Drücken
ermittelt werden soll, oder wenn das zeitliche Rückbildungsverfahren nach dem Abschalten
der Sauguelle oder Druckquelle ermittelt werden soll.
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Vorzugsweise ist die Temperatur im Innern des Gehäuses thermostatisch
auf im wesentlichen die Hauttemperatur geregelt. Es hat sich herausgestellt, daß
das Verformungsverhalten der Haut auch von der Temperatur mitbestimmt wird. Aus
diesem Grunde ist das Innere
des Gehäuses temperiert.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch das Meßgerät,
Fig. 2 im vergrößerten Maßstab verschiedene Zustände der Haut an bzw. in der Öffnung
des Bodens des Gehäuses, Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild der Steuereinrichtung.
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Gemäß Fig. 1 ist ein aus Kunststoff bestehendes rundes Gehäuse 10
vorgesehen, das allseitig geschlossen ist, und dessen Bodenwand 11 aus einem Metallblech
besteht. In der Bodenwand ist eine kreisförmige Öffnung 12 vorgesehen.
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Im Innern des Gehäuses 10 befindet sich die Wegmeßeinrichtung 13,
die aus einem Ultraschallsender 14 und einem Ultraschallempfänger 15 besteht. Der
Ultraschallsender 14 und der Ultraschallempfänger 15 arbeiten in bekannter Weise
mit Piezokristallen, die Schallwellen im Ultraschallbereich aussenden bzw. solche
Schallwellen selektiv empfangen und in elektrische Signale umsetzen können. Das
Prinzip der Wegmessung mit Ultraschall ist bekannt und wird hier im einzelnen nicht
erläutert.
Die von dem Ultraschallsender 14 ausgesandten Schallwellen werden an einer in der
Öffnung 12 befindlichen Fläche reflektiert und gelangen zum Ultraschallempfänger
15. Bei diesem Reflektionsvorgang bilden sich stehende Wellen aus, die ortsfeste
Knotenpunkte und schwingende Bäuche haben. Durch Auswertung der am Ultraschallempfänger
empfangenen Signalamplitude kann die Entfernung der reflektierenden Fläche von einem
Schwingungsknoten ermittelt werden. Ein anderes Prinzip der Abstandsmessung mit
Ultraschall besteht in der Phasenmessung. Hierbei werden die Phasenlagen des ausgesandten
Signals und des empfangenen Signals miteinander verglichen, um Änderungen des Abstandes
der reflektierenden Fläche zu ermitteln.
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Damit die metallische Bodenplatte 11 das Ultraschallsignal möglichst
wenig beeinflußt, kann sie mit einer schallabsorbierenden Schicht, z.B. Schaumstoff,
beschichtet sein, von der jedoch die Öffnung 12 ausgenommen ist.
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In dem Gehäuse 10 ist ferner eine thermostatisch geregelte Heizvorrichtung
16 angeordnet, die das Gehäuseinnere auf einer Temperatur hält, welche im wesentlichen
der normalen Hauttemperatur entspricht.
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In einer weiteren Öffnung des Bodens 11 ist ein kontaktloser Schalter
17 befestigt, der mit seiner Sensorfläche 18 bündig mit der Unterseite des Bodens
11 abschließt und das Anliegen des Bodens 11 an der Haut 19 feststellt. Der kontaktlose
Schalter 17 ist
beispielsweise eine Infrarot-Lichtschranke nach
dem Reflektionsprinzip. Als Reflektionsfläche wirkt auch hier die Haut.
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Das Gehäuse 10 weist einen Anschlußstutzen 20 auf, über den es mit
einer Saugquelle verbunden werden kann, welche im Innern des Gehäuses einen Unterdruck
definierter Größe erzeugt.
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Das Meßprinzip geht aus Fig. 2 hervor. Zunächst wird das Gehäuse 10
mit dem Boden 11 lose gegen die Haut gesetzt, z.B. gegen eine Stelle des Unterarmes
oder gegen die Stirn. Der Rand der Öffnung 12 legt sich gegen die Haut und die in
der Öffnung 12 befindliche Hautfläche behält ihre ursprüngliche Form bei, ohne zunächst
gestrafft oder gedrückt zu werden. In diesem Zustand, der in Fig. 2a dargestellt
ist, erfolgt eine erste Abstandsmessung, d.h. die Wegmeßeinrichtung 13 wird in Funktion
gesetzt, um einen Abstandswert zu ermitteln, der nachfolgend als Bezugsgröße dient.
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Danach wird die (nicht dargestellte) Saugeinrichtung eingeschaltet,
wodurch im Innern des Gehäuses 10 ein Unterdruck entsteht. Durch diesen Unterdruck
wird der unter der Öffnung 12 liegende Bereich der Haut 19' in die Öffnung 12 eingesaugt.
Wenn der Unterdruck eine definierte Zeit wirksam ist, erfolgt in dem Zustand der
Fig. 2b eine zweite Wegmessung, um die durch den Sog erzeugte Erhöhung des Hautbereichs
19'zu ermitteln.
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Dann wird die Saugquelle abgeschaltet und die Haut
bildet
sich langsam wieder zurück. Nach einer bestimmten Zeitspanne ist in der Öffnung
12 noch eine Erhebung 19" vorhanden, deren Größe ebenfalls mit der Wegmeßeinrichtung
ermittelt wird. Die Zurückbildung beträgt, je nach Elastizität der Haut, etwa 40%
bis 80%.
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Von besonderem Vorteil ist, daß die Wegmeßeinrichtung 13 keinen Absolutwert
des Abstandes zur Haut ermittelt, sondern nur die relativen Veränderungen, wobei
der in Fig. 2 dargestellte Ruhezustand als Bezugswert genommen wird. Bei der Ermittlung
des Bezugswertes werden bereits die spezifischen Eigenschaften der Haut an der Meßstelle
(z.B. Poren oder Runzeln) berücksichtigt.
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Eine Steuerschaltung, mit der der Meßablauf gesteuert werden kann,
ist in Fig. 3 schematisch dargestellt.
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Wenn der Schalter 17 betätigt wird, steuert er ein Zeitglied 21 an,
welches nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit ein Signal an die Wegmeßeinrichtung
13 zur Durchführung der Ruhemessung (Fig. 2a) liefert.
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Das Ausgangssignal des ersten Zeitgliedes 21 wird einem zweiten Zeitglied
22 zugeführt, das nach Ablauf einer kurzen Zeit nach Durchführung der Ruhemessung
ein Zeitschaltwerk 23 für den Motor 24 der Vakuumpumpe oder ein Ventil in Betrieb
setzt. Das Ausgangssignal des Zeitgliedes 22 wird ferner einem Zeitglied 25 zugeführt,
das an die Wegmeßeinrichtung 13 ein Signal liefert, wenn im Gehäuse 10 der Unterdruck
eine bestimmte Zeit lang aufrechterhalten worden ist. Daraufhin wird
dann
die Belastungsmessung (Fig. 2b) von der Wegmeßeinrichtung 13 durchgeführt.
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Der Wegmeßeinrichtung 13 ist ein Subtrahierer 26 nachgeschaltet, der
die Differenz zwischen den beiden Meßwerten bildet, die bei der Ruhemessung und
bei der Belastungsmessung ermittelt wurden. Das Ergebnis wird über Leitung 27 einem
(nicht dargestellten) Anzeigegerät zugeführt. Im Anschluß an die Belastungsmessung
(Fig. 2b) kann noch die Entlastungsmessung (Fig. 2c) eine bestimmte Zeit nach dem
Stillsetzen des Motors 24,bzw. nach dem Aufheben des Vakuums in dem Gehäuse, durchgeführt
werden.