DE3618686A1 - Bewegungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bewegungsschiene der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Nach einer Fraktur oder einer Verletzung eines Gelenks bzw. einer sonstigen krankhaften Beeinträchtigung besteht das Ziel einer möglichst vollständigen Mobili­ sierung. So wurden Schwung- und Pendelgeräte, die Dauer­ zugbehandlung, Quengelschienen, Massage, Thermo-, Hydro- und Strahlentherapie sowie Injektionsbehandlung eingesetzt.

Der Kern aller bewegungstherapeutischen Maßnahmen, der sogenannten Nachbehandlung, blieb immer die physiologisch dosierte aktive, oder passive Bewegungstherapie. Bereits bei noch liegender Extension im Bereich der unteren Extremität wurden Versuche der Mobilisierung vor der Konsolidierung, teils mit aktiven, teils mit passiven Bewegungsübungen mit der Thomasschiene oder der Schiene von Beimler erfolgreich versucht. Eine solche Beimler- Schiene (DT-OS 20 15 054) ist als Bewegungsschiene für Beine gedacht und besteht aus zwei gelenkig miteinander verbundenen Schienenteilen für den Unter- und Oberschen­ kel, wobei diese Teile auf einem Gestell montiert sind. Zur Bewegung der Teile dienen Gummigurte sowie Federbeine und Teleskopstangen, wobei außerdem zur Bewegung des Sprunggelenks ein mit den übrigen Schienenteilen nicht verbundenes Widerlager vorgesehen ist, das mit Hilfe von weiteren Gummigurten gegen die Fußsohle gedrückt wird.

Diese Schiene dient daher der aktiven Bewegungstherapie, das heißt, die einzelnen Bewegungen müssen vom Patienten mit Muskelkraft durchgeführt werden, wobei allein die Bewegungen von Unter- und Oberschenkel miteinander ge­ koppelt sind.

Andererseits hat sich auch gezeigt, daß gerade unmittelbar nach Operationen die passive Bewegungstherapie von aussch­ laggebender Bedeutung ist, das heißt, sämtliche Gelenke der betreffenden Extremität werden ohne Muskelkraft zwangsweise bewegt, was bei der vorgenannten Ausführungs­ form nicht möglich ist.

Es ist weiterhin ein orthopädisches Behandlungsgerät be­ kannt (DT-OS 21 63 561), bei dem eine Mehrzahl von in jeder Lage feststellbarer Schienen für die betreffenden Körperteile vorgesehen ist, wobei diese Schienen ver­ längerbar sind und in Längs- und Querrichtung verstellbare Backen aufweisen. Es sollte hier insbesondere ein Gerät geschaffen werden, mit dem eine einwandfreie Ruhestellung, Lagerung und Fixierung eines verletzten Körperteiles in der jeweils günstigsten Lage erreicht wird, wobei außerdem auch eine klinische Behandlung, z.B. Beugen oder Strecken sowie Korrigieren von Brüchen möglich sein soll.

Aus der DE-PS 25 24 468 ist ferner eine Bewegungsschiene bekannt, die derart ausgebildet sein soll, daß alle Gelenke der äußeren Extremitäten bei der oberen Ex­ tremitätsbeugung von Schultergelenk, Ellenbogengelenk und Handgelenk und bei der unteren Extremität gleichzeitig Beugung von Hüftgelenk, Kniegelenk und Sprunggelenk gleichzeitig und zwangsweise erreicht wird und die betref­ fende Person selbständig die Bewegung in der gewünschten Intensität ausführen kann, indem der mittlere Schienenteil eine parallelogrammartige Führung aufweist, in die der äußerste Schienenteil als kurzes Gelenkstück einbezogen ist und daß an der Führung eine motorisch betätigbare Schubstange angreift.

Bei den vorbekannten Bewegungsvorrichtungen besteht zum Teil das Ziel, den Bewegungsbereich unter Einschluß der zu rehabilitierenden Gelenkbereiche möglichst vollständig zu durchlaufen - bei anderen Einrichtungen soll aber die Be­ wegung unter aktiver Anspannung der Muskeln erfolgen, um Muskelschwund entgegenzuwirken.

Bei den bekannten Bewegungsvorrichtungen erfolgt also ent­ weder eine rein passive Mobilisierung in der betreffenden Extremität in dem Sinne, daß die Bewegung dem Patienten vollständig aufgezwungen wird. Für die Konditionsverbes­ serung des Patienten insgesamt ist es jedoch von Bedeu­ tung, daß auch ein Muskeltraining durchgeführt wird, da der sonst eintretende Muskelschwund die Beweglichkeit des Patienten ebenfalls beeinträchtigt.

Die bekannten federbelasteten Bewegungsvorrichtungen haben insbesondere den Nachteil, daß der Kraftverlauf entlang der Bewegungsbahn von mechanischen Gegebenheiten abhängig ist, die nur unzulänglich beeinflußbar sind. So steigen die Kräfte mit zunehmender Dehnung in der elastischen Ele­ mente ohne Rücksicht darauf an, ob eine derartige Bela­ stungszunahme überhaupt erwünscht ist. Die Kräfte selbst können lediglich durch Veränderung der Hebelübersetzungen oder dergleichen für die gesamte Bewegungsbahn verändert werden. Bei einer derartigen Ansteuerung wird der Patient danach trachten, diejenigen Teile der Bewegungsabläufe die für ihn schmerzhaft sind, diese nicht durchlaufen, sondern die Bewegung vorher abbrechen bzw. deren Richtung umkeh­ ren.

Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu geben, Einleitung und Auf­ rechterhaltung der therapeutischen Bewegung eine aktive Mitwirkung des Patienten bei den betroffenen Muskelberei­ chen erforderlich ist und auf Grund der zu erarbeitenden Signalparameter eine hohe Variabilität der durchlaufenden Bewegung nach Art des Bewegungsablaufs und der Bewegungs­ geschwindigkeit gegeben ist.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch die Steuerung des Bewegungsablaufs über die Ableitung myo­ elektrischer Potentiale sichergestellt werden kann, daß mit der Bewegungstherapie eine Anspannung der Muskeln ein­ hergeht, so daß daher der postoperativ auftretenden Immo­ bilisationsathropie der Muskulatur sowie der oft einge­ schränkten Gelenkbeweglichkeit entgegengewirkt wird. Weiterhin wird der knöcherne Einbau von zementfreien Ge­ lenkimplantaten gefördert. Ohne Muskelanspannung erfolgt im einfachsten Fall also keine Bewegung. Um die Anspannung weiter zu erhöhen, ist bei einer vorteilhaften Weiterbil­ bildung die Antriebsrichtung der Anspannungsrichtung ent­ gegengerichtet, wobei Antriebskraft und Muskelkraft sich nicht vollständig kompensieren, damit eine Bewegung auf­ rechterhalten werden kann.

Durch programmierte Vorgabe bestimmter Bewegungsabläufe läßt sich die Therapie weitgehend patientenindividuell beeinflussen.

Darüber hinaus geben die myoelektrischen Potentiale die Möglichkeit, auch die Begrenzung der Bewegung bei auf­ tretendem Schmerz durch den Patienten selbst zu steuern. Eine Unterbrechung seiner Muskelaktivität oder eine aktive Gegenbewegung - gegebenenfalls über einen bestimm­ ten, vorgegebenen Zeitraum - werden als entsprechendes Signal ausgewertet.

Um den Patienten trotz auftretendem Schmerz zu einer ge­ steigerten Mobilisierung zu verhelfen, ist es bevorzugt vorgesehen, den Antrieb nach einer auf das Stillsetzen desselben abzielenden Aktivität des Patienten noch für einen vorgegebenen Weg oder Zeitraum weiterlaufen zu lassen, um auf diese Weise den Bewegungsbereich des be­ treffenden Gelenks kontinuierlich zu steigern.

Die Vorrichtung ist auch geeignet, in Form eines Servo­ mechanismus mit positiver oder negativer Gegenkopplung zu wirken.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den konstruktiven Teil eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung, sowie

Fig. 2 den zugehörigen Signalverarbeitungsteil schema­ tisch.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ei­ nen Patienten 1 mit einer Bewegungsvorrichtung für die Therapie des Hüft- und Kniegelenks.

Eine Auflage 2 für den Oberschenkel und eine Auflage 3 für den Unterschenkel sind mittels eines Gelenks 4 verbunden, wobei die Auflage 2 relativ zu einer feststehenden Grund­ platte 5 durch ein Gelenk 6 drehbeweglich gelagert ist. Ein mittels eines Gelenks 7 ebenfalls mit der Grundplatte 5 verbundener Stab 8 ist über ein Gelenk 9 mit der Auflage 3 für den Unterschenkel verbunden und ergänzt die Anord­ nung zu einer parallelogrammartigen Führung, wobei die Auflage 3 für den Unterschenkel im wesentlichen parallel zur Grundplatte geführt wird. Der Stab 8 erstreckt sich (gegebenenfalls in abgewinkelter Form) über das Gelenk 9 hinaus und bildet dort in Verbindung mit einer nicht dar­ gestellten Platte eine Auflage für die Fußsohle. Ein mit der Grundplatte verbundener Antrieb 9 erzeugt eine in der Ebene der Hebelanordnung parallel zur Grundplatte 5 ge­ richtete Bewegung. In diesen Antrieb einbezogen ist eine Vorrichtung zur elektrischen Ermittlung der Rückwirkung der Bewegungskräfte- oder -momente, welche vom Patienten her dem Antrieb entgegengesetzt oder zu dessen Unterstüt­ zung aufgebracht werden.

Von einem verschiebbaren Teil 11 der Antriebseinheit 9 wird eine Betätigungsstange 12 angetrieben, welche mittels eines Gelenks 13 mit der Auflage 2 für den Oberschenkel verbunden ist, so daß die Bewegung der Auflage 2 um das Gelenk 6 entsprechend der momentanen Winkelbeziehung aus dem Antrieb abgeleitet ist. Aus der aktuellen Position des Elements 11 läßt sich die Momentanübersetzung für die Steuerung ableiten.

Ein Steuerteil 14 enthält den Stromversorgungsteil und die Signalverarbeitungsmittel, welche die von den Myoelek­ troden 15 und 16 abgeleiteten Signale auswerten und in Ab­ hängigkeit von Eingaben auf einem Bedienungsfeld die An­ triebseinheit 10 ansteuern.

Die Myoelektroden 15 und 16 bilden jeweils eine vollstän­ dige Einheit zur Erfassung von myoelektrischen Potentialen und sind antagonistischen Muskelpartien zugeordnet, in Fig. 1 dem Beuger und dem Strecker, so daß die von den bei­ den Elektroden abgeleiteten Signale jeweils abhängig sind von der der jeweiligen Muskelaktivierung zugeordneten Be­ wegungsrichtung.

In Fig. 2 ist der Signalverarbeitungsteil des Steuerteils 14 gemäß Fig. 1 schematisch dargestellt. Die von den Elektroden 15 und 16 abgeleiteten Signale werden Diffe­ renzverstärkern 21 und 22 zugeführt, welche übliche Ein­ gangsverstärker für myoelektrische Signale bilden. Die Ausgangssignale der Verstärker 21 und 22 gelangen zu Schwellwertstufen 23 und 24, mit denen Signalpegel vorgeb­ bar sind, welche von den Eingangssignalen überschrittten werden müssen, damit eine Signalweiterleitung erfolgt. Die Schwellwertstufen 23 und 24 enthalten gegebenenfalls auch Signalformerstufen, welche für die Verarbeitung von myoe­ lektrischen Signalen bekannt sind. Die Schwellwertstufen 23 und 24 lassen sich von einem nachgeschalteten Mikrop­ rozessorsystem (CPU 25) über eine zwischengeschaltete Ein- Ausgangseinheit 26 beeinflussen. Der Schwellwert wird da­ bei durch vorgegebene digitale in die Baugruppen 23 bzw. 24 übertragbare Signale in definierten Stufen festgelegt.

Die Ausgangssignale der Schwellwertstufen 23 und 24 ge­ langen zu Analog-Digital-Wandlern 27 und 28, deren Ausgän­ ge ebenfalls mit der Ein-/Ausgangseinheit 26 verbunden sind, so daß die von den Elektroden 15 und 16 aufgenomme­ nen Signale zur Weiterverarbeitung von der CPU 25 erfaßt werden könnten. Die CPU wird gesteuert durch ein in einem ROM-Speicher festgehaltenem Program, wobei veränderliche Betriebswerte oder Programmteile in einem zusätzlichen RAM-Speicher 30 ablegbar sind.

Ein Kraftaufnehmer, welcher in den Antrieb integriert ist, ermittelt die auf den Antrieb wirkende Reaktionskraft, so daß eine Kontrolle des durch den Patienten der Bewegung entgegengebrachten Widerstands erfolgen kann. Der Kraft­ aufnehmer besteht bevorzugt aus einer Kraftermeßdose, der ein Analog-Digital-Wandler nachgeschaltet ist, so daß die entsprechende Signalverarbeitung ebenfalls durch den Mikroprozessor erfolgen kann. Bei der Verwendung eines Linearmotors sind Rückführungen für die Position (x) und die Geschwindigkeit (v) nicht erforderlich. Bei Benutzung anderer elektromotorischer Antriebe wird jedoch die Meßgröße für die aufzuwendende Kraft f bevorzugt entweder aus dem Motorstrom selbst abgeleitet oder eine entspre­ chende Größe herangezogen, während die augenblickliche Po­ sition über einen entsprechenden Meßwertaufnehmer erfaßt wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit v des Antriebs kann entweder über einen separaten Geber oder aber aus der zeitlichen Änderung der Position des Antriebselemtents 11 durch die CPU selbst ermittelt werden.

Die vorstehend dargestellten Funktionen sind durch ent­ sprechende Schaltmittel eines - nicht im einzelen darge­ stellten - Bedienungsfeldes einstell- bzw. vorprogrammier­ bar, wobei die betreffenden Betriebszustände an die Be­ dienungsperson durch entsprechende Anzeigen zurückgemel­ det werden.

Bei den bekannten Bewegungsvorrichtungen erfolgt also ent­ weder eine rein passive Mobilisierung in der betreffenden Extremität in dem Sinne, daß die Bewegung dem Patienten vollständig aufgezwungen wird. Für die Konditionsverbes­ serung des Patienten insgesamt ist es jedoch von Bedeu­ tung, daß auch ein Muskeltraining durchgeführt wird, da der sonst eintretende Muskelschwund die Beweglichkeit des Patienten ebenfalls beeinträchtigt.

Für den Fall, daß der Antrieb nicht durch Wahl des Servo­ faktors direkt von den myoelektrischen Potentialen beein­ flußt wird, sind mittels eines Bedienungsfeldes die Be­ dingungen vorgebbar, die zum Anhalten des Antriebs durch Muskelanspannung des Patienten - beispielsweise bei auf­ tretenden Schmerzen oder dergleichen - führen. Ein Ab­ schalter bewirkt ein Abschalten entweder wenn ein vorge­ gebener Schwellwert unterschritten wird, der mittels des Einstellers vorgebbar ist, oder aber, wenn der Patient die Anspannung seiner Muskeln umkehrt, d.h. eine Bewegung in Gegenrichtung hervorzurufen versucht. Dabei wird dann das myoelektrische Potential der jeweils anderen Bewegungs­ richtung zugeordneten Elektrode ausgewertet und deren Sch­ wellwert über einen Schalter vorgegeben. Entsprechend kann auch ein impulsartiges Anspannen der Muskeln - bei ent­ sprechender Voreinstellung - ein Abschalten des Gerätes oder eine Begrenzung der Bewegung herbeiführen.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Viel­ mehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders ge­ arteten Ausführungen Gebrauch machen.

Mittels eines Schalters 40 lassen sich Zyklenzahlen vorge­ ben, welche von der Anordnung durchlaufen werden. Nach Erreichen der eingestellten Zahl wird die Vorrichtung stillgesetzt.

Über einen Schalter 41 läßt sich zusätzlich eine Variation der mittels der Schalter 37 bis 39 oder der mittels des Programmierfeldes 36 eingegebenen Größen in der Weise er­ zeugen, daß ausgehend von dem vorgegebenen Wert über die Zahl der mittels des Einstellers 40 vorgegebenen Zyklen linear eine Veränderung des über den Schalter 33 vorge­ gebenen Steuerwertes erfolgt. Zwischen der Beibehaltung eines konstanten Wertes in Mittelstellung des Einstellers (Wert 1) steigert sich der entsprechende Wert in Rechts­ stellung bis zu dem vorgegebenen Faktor bzw. vermindert sich bei Linksstellung bis zu dem angegebenen Bruchteil.

Bei den bekannten Bewegungsvorrichtungen erfolgt also ent­ weder eine rein passive Mobilisierung in der betreffenden Extremität in dem Sinne, daß die Bewegung dem Patienten vollständig aufgezwungen wird. Für die Konditionsverbes­ serung des Patienten insgesamt ist es jedoch von Bedeu­ tung, daß auch ein Muskeltraining durchgeführt wird, da der sonst eintretende Muskelschwund die Beweglichkeit des Patienten ebenfalls beeinträchtigt.

Für den Fall, daß der Antrieb nicht - wie in den Posi­ tionen "s" des Schalters 33 durch Wahl des Servofaktors direkt von den myoelektrischen Potentialen beeinflußt wird, sind mittels eines besonderen Bereiches 42 innerhalb des Bedienungsfeldes 17 die Bedingungen vorgebbar, die zum Anhalten des Antriebs durch Muskelanspannung des Patien­ ten ä beispielsweise bei auftretenden Schmerzen oder der­ gleichen - führen. Ein Abschalter 43 bewirkt ein Abschal­ ten entweder wenn ein vorgegebener Schwellwert unter­ schritten wird, der mittels des Einstellers 44 vorgebbar ist, oder aber, wenn der Patient die Anspannung seiner Muskeln umkehrt, d.h. eine Bewegung in Gegenrichtung her­ vorzurufen versucht. Dabei wird dann das myoelektrische Potential der jeweils anderen Bewegungsrichtung zugeordne­ ten Elektrode 15 oder 16 ausgewertet und deren Schwellwert über den Schalter 44 vorgegeben. Entsprechend kann auch ein impulsartiges Anspannen der Muskeln - bei entsprechen­ der Voreinstellung - ein Abschalten des Gerätes oder eine Begrenzung der Bewegung herbeiführen.

Um den Patienten trotz auftretendem Schmerz zu einer ge­ steigerten Mobilisierung zu verhelfen, ist es bevorzugt vorgesehen, den Antrieb nach einer auf das Stillsetzen desselben abzielenden Aktivität des Patienten noch für einen vorgegebenen Weg oder Zeitraum weiterlaufen zu las­ sen, um auf diese Weise den Bewegungsbereich des betref­ fenden Gelenks kontinuierlich zu steigern.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen.

Claims (9)

1. Bewegungsvorrichtung zur kraftunterstützten Bewegung menschlicher Gliedmaßen mit vom Patienten steuerbarer Antriebsbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung der Antriebssteuerung in Abhängigkeit von an den zu bewegenden Gliedmaßen abgeleiteten Myopoten­ tialen erfolgt.

2. Bewegungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesehene Bewe­ gung eingeleitet bzw. abgebrochen wird, wenn eine aus den aufgenommenen Myopotentialen abgeleitete Größe einen vorge­ gebenen Schwellwert über- bzw. unterschreitet.

3. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag mindestens einer der die durch myographisch abgeleitete Signale beeinflußte Bewegung kennzeichnenden Größen (Kraft, Weg, Geschwindigkeit) proportional oder umgekehrt proportional dem myographisch abgeleiteten Signal ist.

4. Bewegungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Proportionalitätsfaktor und/oder die Polarität vorwählbar sind.

5. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der die Bewegungsvorrichtung antreibende bzw. auf den Patienten einwirkende Kraft und/oder die Geschwindigkeit dieser Bewegung vorprogrammierbar ist.

6. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Maximalwerte für die die Bewegungsvorrichtung antreibende bzw. auf den Patienten einwirkende Kraft und/oder die Geschwindigkeit dieser Bewegung in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg und/oder der Zeit fest vorgebbar sind.

7. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu durchlaufende Zyklenzahl bzw. eine Zeitgrenze vorgebbar ist.

8. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stillsetzen der Antriebsvorrichtung bei einem vorgege­ benen zeitlichen bzw. Amplitudenverlauf des aufgenommenen Myogramms erfolgt.

9. Bewegungsvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine mittels eines mechanischen Schalters betätigbare Abschaltvorrichtung vorgesehen ist.