DE3406179C1 - Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Meßpunktes - Google Patents

Description

• -sender definiert ist Erfindungsgemäß ordnet man somit die Ultraschallempfänger bzw. -sender nicht alle in einer Ebene an, sondern wenigstens einen dieser raumfesten Ultra- schallempfänger bzw. -sender außerhalb dieser Ebene.
• Man wird also alle raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender so anordnen, daß bezüglich der gerade durchgeführten Untersuchung sichergestellt wird, daß alle Schallimpulse jeweils von wenigstens drei der raumfesten Ultraschallempfängern bzw. -sendern empfangen werden, auch wenn sich während der Messung, beispielsweise bedingt durch Bewegungen eines Probanden, die Richtung der abgestrahlten Impulse im Raum ändert bzw. sich bewegende Körperteile des Probanden die Ausbreitung der Impulse stören. Auch kann die Software der EDV-Anlage jetzt störende Reflexionen besser von Meßimpulsen unterscheiden, da sichergestellt ist, daß alle abgestrahlten Impulse von Ultraschallempfängern empfangen werden. Dies führt auch zu einer Beschleunigung des Verarbeitungsprozesses der Daten in der EDV-Anlage.
• Der EDV-Anlage gibt man die Orte der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender ein, damit diese Orte in Beziehung zu einem geeigneten Koordinatensystem gebracht werden können, in der Regel einem kartesischen Koordinatensystem.
• Bevorzugt wird es, wenn die raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender an zumindest einigen der Kanten eines gedachten Würfels angeordnet sind. Dadurch wird die Eingabe der Koordinaten der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender und deren Zuordnung zu dem gegebenen Koordinatensystem vereinfacht, weil die Ebenen, die die raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender miteinander einschließen, senkrecht aufeinander stehen.
• Es können die raumfesten Ultraschallempfänger bzw.
• -sender auch an vorgegebenen Stellen der Flächen dieses Würfels angeordnet sein.
• Allgemein ist man bei Beachtung der vorstehend angegebenen Prinzipien frei in der Aufstellung der raumfesten Ultraschallempfänger bzw. -sender. Diese können an geeigneten Halterungen verschiebbar angeordnet sein, damit deren Ort für jede Messung optimiert werden kann.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus führungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt F i g. 1~zur Erläuterung des verwendeten Prinzips perspektivisch und schematisch einen Meßaufbau, wobei mehrere Ultraschallsender am Körper eines Probanden befestigt sind; Fig.2 - ein Blockschaltbild zur Erläuterung der grundsätzlichen Arbeitsweise der verwendeten Vorrichtung, wobei zur Vereinfachung eine eindimensionale Meßstrecke zugrunde gelegt wird.
• Vorab sei bemerkt, daß die zeichnerisch dargestellte Anordnung bevorzugt wird, bei der an den sich bewegenden Meßpunkten Ultraschallsender befestigt sind, deren Impulse von raumfesten Ultraschallempfängern empfangen und ausgewertet werden. Grundsätzlich ist aber auch die umgekehrte Anordnung möglich, bei der also die raumfesten Bauteile Ultraschallsender sind und die sich bewegenden Bauteile Ultraschallempfänger.
• Hierbei müßte nur das Programm entsprechend angepaßt und erweitert werden. Im folgenden wird aber die bevorzugte Anordnung näher beschrieben, bei der am Körper einer zu untersuchenden Person mehrere Ultraschallsender 11 befestigt sind, deren Stoßimpulse von mehreren raumfesten Ultraschallempfängern 12 aufgefangen werden.
• Fig. 1 zeigt als Beispiel eine Untersuchungsperson 13, an der mehrere der Ultraschallsender 11 befestigt sind, und zwar an den jeweils interessierenden Körperpartien, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.
• Die Ultraschallsender 11 strahlen Ultraschall-Stoßwellen mit möglichst kugelförmiger Charakteristik und einem gegebenen Öffnungswinkel ab, den man auf die Reichweite der betreffenden Meßanordnung abstimmt.
• Raumfest sind mehrere der Ultraschallempfänger 12 vorgesehen, die so angeordnet sind, daß jede der bei Pos. 14 angedeuteten Ultraschallwellen von wenigstens dreien der Ultraschall-Empfänger 12 aufgenommen wird. Als Beispiel ist gezeigt, daß in einer Ebene vor der Untersuchungsperson 13 insgesamt drei der Ultraschall-Empfänger 12 angeordnet sind, und zwar an den Ecken eines gedachten Würfels. Das hierbei verwendete Koordinatensystem mit den Koordinaten x, y und z ist in F i g. 1 ebenfalls angedeutet.
• Weitere Ultraschallempfänger 15 sind zusätzlich vorgesehen, und zwar außerhalb der durch die Ultraschallempfänger 12 definierten Ebene. Diese zusätzlichen Ultraschallempfänger 15 können an den Ecken, Kanten oder Flächen des zeichnerisch angedeuteten, gedachten Würfels angeordnet sein, aber auch sonst an beliebigen Stellen im Raum. Sie sollen jeweils so angeordnet werden, daß sie, abhängig von der jeweils durchgeführten Messung, sicher stellen, daß zumindest drei der Ultraschallempfänger 12, 15 jeden Ultraschallimpuls aufnehmen. Die Empfänger 12, 15 können an Stativen, Stangen oder anderen geeigneten Halterungen im Raum einstellbar angebracht werden.
• Die Stromversorgung für die Ultraschallsender 11 ist bei Pos. 16 angedeutet.
• Im folgenden wird anhand von F i g. 2 das verwendete Meßprinzip erläutert, wobei zur Vereinfachung angenommen wird, daß es sich um eine eindimensionale Meßstrecke handelt, d. h. mit nur einem Ultraschallsender 1 und einem Ultraschallempfänger 2.
• Ein frei schwingender Oszillator 3, der beispielsweise auf eine Frequenz von 25 Hz eingestellt ist, gibt an einen Senderverstärker 4 beispielsweise alle 40 msec einen Startimpuls, worauf der Ultraschall-Sender 1 dann ein Ultraschallsignal abgibt. Gleichzeitig wird ein Zähler 5 auf Null gesetzt, der daraufhin die Impulse eines Quarzoszillators 6 zu zählen beginnt. Der Quarz-Oszillator 6 schwingt beim angenommenen Beispiel mit 3,438 MHz.
• Nach einer bestimmten Laufzeit des vom Ultraschall-Sender 1 abgegebenen Ultraschallimpulses, welche Laufzeit von der Entfernung zwischen Sender und Empfänger abhängt, wird der Impuls im Ultraschall-Empfänger 2 empfangen. In diesem Augenblick sendet der Ultraschall-Empfänger 2 ein Übernahmesignal an einen Zwischenspeicher 7 (Latch-Zwischenspeicher), der daraufhin den gegenwärtigen Zählerstand des Zählers 5 (über die Leitung 8) übernimmt. Das Empfangssignal ist vorher in einem Empfängerverstärker 9 verstärkt worden. Der vom Zähler 5 in den Zwischenspeicher 7 übernommene Zählerstand wird im Zwischenspeicher 7 bis zum entsprechenden Impuls bei der nächsten Einzelmessung gespeichert. Ein Treiber (Decoder-Treiber) stellt den Inhalt des Zwischenspeichers 7 jeweils auf einer Anzeige 10 dar. Dies ist beispielsweise ein Sieben-Segment-Leuchtdioden Display.
• Da die Schallgeschwindigkeit in Luft (bei einer Temperatur von 200 C) genau 343,8 m pro Sekunde beträgt, zeigt die Anzeige 10 die Entfernung zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2 in ein Zehntel mm an. Die Temperaturabhängigkeit beträgt dabei 0,2% pro 10 Temperaturdifferenz, gemessen in Grad Celsius. Mit anderen Worten wird die Anzeige durch die Abstimmung der Schwingungen des Quarz- Oszillators 6 auf die Schallgeschwindigkeit in Luft vereinfacht. Der Quarz-Oszillator 6 kann in seiner Schwingungsfrequenz auch so geregelt werden, daß er die erwähnte Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft selbsttätig berücksichtigt. Natürlich kann er auch auf andere Frequenzen eingestellt werden, wobei dann die Anzeige 10 entsprechend geeicht werden muß.
• Auf die beschriebene Weise erhält man somit in der Anzeige 10 die Entfernung zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2, und zwar bei diesem Beispiel auf Zehntel Millimeter genau. Wiederholt man die vorstehend beschriebene Entfernungsmessung bei sich bewegendem Ultraschall-Sender 1 oder Ultraschall-Empfänger 2, so gibt die Anzeige 10 anschließend die neue Entfernung wieder. Weil der Oszillator 3 als Zeitgeber wirkt und beispielsweise mit einer Frequenz von 25 Hz schwingt, werden die Messungen beim angegebenen Beispiel 25mal pro Sekunde wiederholt. Dies ergibt eine sehr gute Darstellung bei nicht zu schnellen Bewegungen zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2.
• Die Anzeige 10 kann beispielsweise auch als Analogschreiber, Fernsehschirm-Monitor undíoder Drucker ausgebildet sein. Weil im Zwischenspeicher 7 alle Daten zur Verfügung stehen, können daraus auch andere Größen abgeleitet werden, beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der sich der Abstand zwischen Ultraschall-Sender 1 und Ultraschall-Empfänger 2 ändert, die daraus abgeleitete Beschleunigung usw. Alles dies kann ebenfalls zur Anzeige gebracht werden. Der Zwischenspeicher 7 ist dann kein reiner Speicher mehr, sondern wird zu einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage (EDV-Anlage) ausgebaut.
• Verwendet man nun nicht nur einen Ultraschall-Empfänger 2, sondern drei räumlich voneinander getrennte Ultraschall-Empfänger, die raumfest angeordnet sind, und gibt man in die EDV-Anlage deren Abstände relativ zu einem vorgegebenen Koordinatensystem ein, so kann man auch die Bewegung des Ultraschall-Senders 1 im Raum messen. Bei diesem Beispiel wird angenommen, daß der Ultraschall-Sender 1 bewegt wird und die Ultraschall-Empfänger 2 raumfest angeordnet sind. Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung mit raumfestem Ultraschall-Sender 1 und beweglichen Ultraschall-Empfängern 2 grundsätzlich möglich, wenngleich vom Programm der EDV-Anlage her aufwendiger.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Meßpunktes in den drei Raumkoordinaten mit einem am Meßpunkt befestigten Ultraschallsender oder -empfänger und mit wenigstens drei raumfesten Ultraschallempfängern bzw. -sendern, wobei ein Impulsgenerator für den bzw. die Ultraschallsender vorgesehen ist sowie eine EDV-Anlage, die die Laufzeiten der Ultraschallsignale zwischen Sender(n) und Empfänger(n) speichert und daraus den Ort des Meßpunktes berechnet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein vierter raumfester Ultraschallempfänger (15) bzw. -sender im Raum außerhalb derjenigen Ebene angeordnet ist, die durch andere drei raumfest angeordnete Ultraschallempfänger (12) bzw.

   -sender definiert ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die raumfesten Ultraschallempfänger (12, 15) bzw. -sender an zumindest einigen der Kanten eines gedachten Würfels angeordnet sind, Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Messen der Lage und Bewegung wenigstens eines Meßpunktes in den drei Raumkoordinaten mit einem am Meßpunkt befestigten Ultraschallsender oder -empfänger und mit wenigstens drei raumfesten Ultraschallempfängern bzw. -sendern, wobei ein Impulsgenerator für den bzw. die Ultraschallsender vorgesehen ist sowie eine EDV-Anlage, die die Laufzeiten der Ultraschallsignale zwischen Sender(n) und Empfänger(n) speichert und daraus den Ort des Meßpunktes berechnet. Diese Vorrichtung dient insbesondere der medizinischen Diagnose.

   Eine solche Vorrichtung ist beschrieben in einem Aufsatz von G. Schumpe u. a. mit dem Titel »Ganguntersuchungen und funktionelle Wirbelsäulenvermessungen mittels eines neu entwickelten Echtzeit-Ultraschall-Topometer«, erschienen in der Zeitschrift »Funktionelle Diagnostik in der Orthopädie«, Enke, Stuttgart, 1979, S. 69 ff. Diese Vorrichtung hat sich an und für sich bewährt. Mit ihr ist ein räumliches Auflösungsvermögen eines Punktes innerhalb einer Kugel mit einem Durchmesser kleiner als 1 mm möglich. Dies sind gegenüber sonst verwendeten optischen Meßverfahren fühlbar verbesserte Werte. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung sind am Körper einer in ihren Bewegungen zu untersuchenden Person mehrere Ultraschallsender angebracht, deren Impulse von insgesamt vier raumfest angeordneten Ultraschallempfängern empfangen werden, die alle in einer Ebene angeordnet sind. Notwendig für die Messung sind wenigstens drei solcher Empfänger, um daraus mit Hilfe der EDV-Anlage über die bekannten Entfernungen der Empfänger voneinander und innerhalb eines vorgegebenen Koordinatensystems den jeweiligen Ort jedes Senders und daraus auch dessen Bewegung abzuleiten sowie weitere aus diesen Größen abgeleitete Meßgrößen, beispielsweise die Beschleunigung, den Winkel zwischen verschiedenen Sendern, die Winkelgeschwindigkeit, die Winkelbeschleunigung, Symmetrieabweichungen und dergleichen mehr. Der vierte, raumfeste Ultraschallempfänger ist als redundante Kontrolle für die anderen drei raumfesten Ultraschallempfänger vorgesehen.

   Diese bekannte Vorrichtung arbeitet zufriedenstellend, wenn dafür gesorgt wird, daß die Ultraschallimpulse stets von wenigstens drei der Empfänger empfangen werden. Um dies sicherzustellen, muß man dafür sorgen, daß alle Ultraschallsender im wesentlichen in dieselbe Richtung abstrahlen, d. h. bei dem dort gezeigten Beispiel nach vorne in Richtung auf die vier Ultraschallempfänger. Bei vielen Untersuchungen ist dies aber nicht gut möglich, weil dann nämlich die Ultraschallsender so an den betreffenden Körperpunkten angebracht werden müssen, daß sie nicht immer nach vorne abstrahlen. Diese Signale würden dann für die Auswertung verloren gehen. Man kann sich hier zwar grundsätzlich behelfen, wenn man die Impulse mit einem möglichst großen Öffnungswinkel abstrahlt, jedoch geht damit der Nachteil eines relativ hohen Energieverlustes der empfangenen Signale einher. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß es bei großräumigen Bewegungen vermehrte Reflexionen der Impulse an den Wänden des Meßraumes gibt, die ebenfalls von den Empfängern gemessen werden. Eine prinzipielle Ausschaltung aller Reflexionen ist nicht möglich.

   Die Unterscheidung zwischen Reflexionen und nicht reflektierten Empfangssignalen ist in der EDV-Anlage schwierig, wenn deren Laufzeiten dicht beieinander liegen. Eine solche Unterscheidung, sofern sie überhaupt möglich ist, kann nur mit einem recht hohen Aufwand am Programm erkauft werden. Gleichzeitig wird durch diese Reflexionen die Ansprechzeit der Empfänger erniedrigt, woraus sich eine Verringerung der Meßfrequenz durch große Totzeiten ergibt. Die Meßbarkeit von Feinstrukturen (Unterbewegungen) wird damit erschwert. Die Abstrahlungscharakteristik der Sender soll kugelsymmetrisch sein mit großen Raumwinkeln, um auch Drehbewegungen zu erfassen. Infolge davon ergeben sich geringe Intensitäten der empfangenen Signale und damit wiederum reduziert sich die Reichweite erheblich. Bei schlechter Kugelcharakteristik kann im ungünstigsten Fall (schräger Strahl) die zweite Wellenfront des Ultraschallimpulses den Empfänger ansprechen. Bei den hier verwendeten Wellenlängen entspricht dies einer Längendifferenz von etwa 8,5 mm.

   Das Auflösungsvermögen der Vorrichtung wird hierdurch also wesentlich verschlechtert. Schließlich müssen bei der Vermessung menschlicher Bewegungen zum Zwecke der Erfassung pathologischer Abläufe und dergleichen starre Bewegungsvorschriften ausgearbeitet werden, die dann zum Teil unphysiologisch wären, Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Messungen mit einer verbesserten Bewegungsfreiheit für die Meßpunkte bzw. der mit den Meßpunkten verbundenen Körperteile erfolgen können, ohne daß darunter die Meßgenauigkeit (zeitlich und räumlich) leidet. Es sollen die störenden Reflexionen besser unterdrückt werden können und die beim Messen erhaltenen Daten sollen schneller verarbeitet werden können.

   Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein vierter raumfestes Ultraschallempfänger bzw. -sender im Raum außerhalb derjenigen Ebene angeordnet ist, die durch andere drei raumfest angeordneten Ultraschallempfänger bzw.