DE3827999A1 - Messvorrichtung fuer auftrittskraefte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für Auftritts­ kräfte der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Im Rahmen der Rehabilitation ist es notwendig, die Bela­ stung beim Auftreten zu kontrollieren. Insbesondere ist es erwünscht, daß diese Kräfte regelmäßig einen vorgegebenen Wert überschreiten, damit der Patient die wiederherge­ stellten Gliedmaßen auch regulär in Benutzung nimmt und nicht wegen bei der Beanspruchung auftretender Schmerzen oder dergleichen oder sonstiger Unannehmlichkeiten eine Belastung zu vermeiden sucht.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Meßvorrichtung anzugeben, welche bei einfachem konstruktiven Aufbau und einfacher Handhab­ barkeit eine zuverlässige Kontrolle der Gehgewohnheiten des Patienten ermöglicht.

Diese Aufgabe ist mit den im kennzeichnenden Teil des gül­ tigen Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Belastung der unteren Extremitäten durch eine Anzahl von Druckemp­ fängern ermittelbar ist, welche über die Auftrittsfläche verteilt die im Bereich der Druckempfänger aufgetretenen lokalen Belastungen summieren und den ermittelten Summa­ tionswert registrieren bzw. auswerten. Auf diese Weise ist es möglich, die sich über das jeweilige Bein einschließ­ lich der betreffenden Gelenke in den Rumpf übergeleiteten Kräfte sicher zu erfassen. Diese Erfassung erfolgt unab­ hängig von der Art des Auftretens und dem vom Patienten bevorzugt gewählten Belastungsbereich des Ballens oder der Ferse.

Gemäß vorteilhaften Weiterbildungen sind die Druckempfän­ ger als Piezokeramikscheiben ausgebildet, wobei die Inte­ gration im Fersen- und Ballenbereich getrennt vorgenommen werden kann. Günstigerweise ist für einen einer Meßfläche zugeordneten Bereich jeweils ein Meßwertspeicher vorgese­ hen, der bevorzugt als Spitzenwertspeicher ausgebildet ist. Zur exakteren Diskriminierung ist dem Spitzenwert­ speicher eine Schwellwertschaltung vorangeschaltet, wobei die Einspeicherung durch die jeweilige Entlastung gesteu­ ert wird.

Zur Information des Patienten für die gezielte Beeinflus­ sung der Belastung und/oder Entlastung wird diese jeweils durch einen optischen und/oder akustischen Signalgeber angezeigt.

Bevorzugt ist eine Vorrangschaltung vorgesehen, welche jeweils das Ausgangssignal einer Meßbereichsflächenan­ ordnung weiterleitet, die das maximale Ausgangssignal abgibt, wobei bevorzugt Ferse und/oder der Ballen jeweils einen Meßbereich bilden.

In günstiger Weise ist ein Histogrammspeicher vorgesehen, welcher für verschiedene Klassen von Auftrittskräften jeweils einen Zähler aufweist. Dabei ist auch ein Zähler für die Gesamtzahl der Auftrittsereignisse vorgesehen bzw. einzelnen Flächenbereichen zugeordnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Schuh, Einlege­ sohle oder Galosche ausgebildet sein, wobei die Befesti­ gung bevorzugt mittels eines Klettbandes erfolgt.

Ein Batterieteil für die Stromversorgung und/oder elektro­ nische Bauelemente zur Signalverarbeitung sind innerhalb der Sohle oder dem Hackenbereich vorgesehen.

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 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meß­ vorrichtung in Seitenansicht,

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 in der An­ sicht von unten sowie

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Signalverarbeitungteils der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Schuhs als Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in einer Sohle 2 und in einem Absatz 3 druckempfindli­ che Signalwandler 4 vorgesehen, deren genaue Anordnung aus der Draufsicht gemäß Fig. 2 ersichtlicht ist. Die Druck­ wandler bilden piezokeramische Scheiben, die bei Druckbe­ lastung eine elektrische Spannung abgeben, die im wesent­ lichen proportional der auf die runde Fläche ausgeübten Druckkraft ist.

Der Schuh 1 kann als Sandale getragen werden, und wird in diesem Fall durch ein Klettband 5 verschlossen. Es sind aber auch andere zweckentsprechende Ausbildungen als Schuhwerk geeignet. Im Fersenbereich zwischen Absatz und Fußauflage 6 befindet sich ein Raum 7, der zur Aufnahme von Batterien und elektronischen Bauelementen dient. An der Rückseite der Ferse ist aber eine Steckeraufnahme vorgesehen, in die ein Stecker 8 eingefügt werden kann, der seinerseits über eine elektrische Zuleitung 9 mit ei­ nem Display 10 verbunden ist, welches gesteuert durch eine Taste 11 zyklisch nacheinander verschiedene Meßwerte aus­ gibt. Dabei wird ein innerhalb des Elektronikteils vorge­ sehener Speicher ausgelesen, der Aufschluß über die wäh­ rend der Benutzung des Schuhs 1 aufgetretenen Auftritts­ kräfte gibt. Im Normalbetrieb sind Schuh 1 und Display 10 voneinander getrennt. Das Display wird von der die Rehabi­ litation des Patienten überwachenden Person benutzt, be­ findet sich also üblicherweise in der Hand des Arztes.

Aus der Anordnung der verschiedenen kreisrunden Druckauf­ nehmer 4 gleichmäßig verteilt in Sohlen- und Fersenbereich geht hervor, daß bei sämtlichen Auftrittsmöglichkeiten die übertragenen Druckkräfte vollständig erfaßt werden. Von Bedeutung ist dabei, daß die Druckwandler 4 so angeordnet sind, daß die Übertragung der Kraft zwischen den Ver­ schleißschichten im Sohlen- und Fersenbereich 12 bzw. 13 ausschließlich über die Druckempfänger stattfindet, daß also die an die Druckempfänger oberhalb und unterhalb an­ grenzenden Schichten so stabil sind, daß sie sich nicht derart verformen, daß sie zwischen die vorzugsweise runden Druckwandler gelangen können und sich zur (parasitären) Kraftübertragung aneinanderlegen können.

Durch die im wesentlichen kreisrunden Druckwandler ergibt sich der Vorteil, daß einerseits ein relativ preisgünsti­ ges Druckwandlerelement, das großindustriell gefertigt wird, kostengünstig zur Verfügung steht. Dadurch, daß die Auftrittsbereiche von diesen Elementen mosaikartig abge­ deckt werden, besteht eine ausreichende Flexibilität des Auftrittsbereiches, um auch ein orthopädisch notwendiges Abrollen beim Gehen im Sohlen- bzw. Fersenbereich zu ermöglichen.

Bei der die Meßwertaufnehmer enthaltenden Sohle bzw. dem Absatz handelt es sich also um Bauelemente mit sandwichar­ tigem Aufbau, bei dem eine flexible Verschleißschicht, die Meßwertaufnehmer und die die Auftrittskräfte aufnehmende Grundstruktur des Schuhs 1 in der Gestalt eines entspre­ chenden Formkörpers aneinandergrenzen. Die Meßwertaufneh­ mer 4 sind dem Fuß möglichst unmittelbar benachbart ange­ ordnet, befinden sich also an der Oberseite des Sohlen­ bzw. Fersenbereich des Schuhs 1.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Signalverarbeitung sind die Ausgangssignale der Meßwandler 4 jeweils getrennt für den Sohlenbereich 2 und den Fersenbereich 3 Summierschaltungen 14 und 15 zuge­ führt, die die Ausgangssignale der Signalwandler addieren, so daß der analoge Wert des Ausgangssignals proportional zur auf den Sohlen- bzw. Fersenbereich auftreffenden Druckkraft ist - und zwar unabhängig davon, in welchem Teil des Bereichs die betreffende Kraft ausgeübt wird. Die Ausgangssignale der Stufen 14 bzw. 15 werden Analog- Digital-Wandlern 16 und 17 zugeführt, wobei die digitali­ sierten Signale wiederum zu Maximalwertspeichern 18 bzw. 19 gelangen, welche in einem entsprechendem Speicherplatz jeweils den größten aufgetretenen Signalwert festhalten. Die interne Logik dieser Schaltung enthält also Verglei­ chermittel, welche feststellen, ob der am Eingang anste­ hende digitale Wert größer ist als der eingespeicherte. Trifft diese Bedingung zu wird der eingespeicherte Wert durch den am Eingang stehenden ersetzt.

Die Maximalwertspeicher 18 und 19 werden jeweils zurückge­ setzt über "Reset"-Eingänge, die nach jedem Belastungszy­ klus (Auftritt) angesprochen werden.

Die Ausgangssignale der Maximalwertspeicher 18 und 19 ge­ langen zu einem Komparator 20, der ein Ausgangssignal ("High") abgibt, wenn der Digitalwert in dem Speicher 18 überwiegt. Durch den Komparator 20 wird eine Schaltstufe 21 angesteuert, welche in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators 20 entweder das digitale Ausgangssignals des Maximalwertspeichers 18 oder dasjenige des entspre­ chenden Speichers 19 an den Ausgang des Schalters 21 ge­ langen läßt. Das Ausgangssignal des Schalters 21 wird ei­ nem Adressierer 22 als Eingangssignal zugeführt, wobei dieses Signal durch den Adressierer in ein Adressensignal eines Speichers 23 umgewandelt wird, der aus einer Reihe von Zählern besteht, welche jeweils durch ein dem betref­ fenden Zähler zugeordnetes Taktsignal um "1" heraufgesetzt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Zähler vorgesehen, die verschiedenen Belastungsstufen entsprechen und denen jeweils vom Adressierer in Abhängig­ keit von der aufgetretenen Belastung (entsprechend dem Ma­ ximalwertspeicher) ein Steuersignal als Taktsignal zuge­ führt wird. Das Taktsignal für das Heraufsetzen des adres­ sierten Zählers im Speicher 23 wird durch zwei Schwell­ wertstufen 24 und 25 erzeugt, deren Ausgangssignale einem UND-Gatter 26 zugeleitet werden. Unterschreitet das digi­ tale Ausgangssignal der Analog-Digital-Wandler 16 bzw. 17 einen vorgegebenen Wert, der einer vollständigen Entla­ stung der Druckaufnehmer entspricht, so geben die Schwell­ wertstufen 24 und 25 ein diesen Signalzustand charakteri­ sierendes logisches Signal aus, wobei wenn beide Bereiche (Sohle und Ferse) entlastet sind, vom UND-Gatter 26 ein Signal abgegeben wird, welches das entsprechende Taktsig­ nal für den Speicher 23 bildet. Der Speicher 23 stellt ei­ nen Histogrammspeicher dar, dessen Zählerstände bei diesen einzelnen Zählern die Häufigkeit des Auftretens vorbe­ stimmter Druckwerte (Auftrittskräfte) wiedergeben.

Durch das Taktsignal als Ausgangssignal des UND-Gatters 26 werden gleichzeitig die Maximalwertspeicher 18 und 19 bei jeder Entlastung zurückgesetzt, so daß sie für eine neue Auftrittskraftmessung bereit sind.

Das Ausgangssignal des Komparators 20 wird optional als zusätzliches Adressensignal dem Adressierer 22 zugeführt. Es enthält eine Information darüber, ob der Maximalwert aus dem Fersen- oder aus dem Sohlenbereich stammt. Werden die Zählerbereiche des Speichers 23 in zwei Gruppen ge­ teilt, läßt sich einmal jeder Druckwert absolut (d.h., un­ abhängig davon, ob er im Fersen- oder im Sohlenbereich auftrat) klassieren. In der anderen Gruppe von Zählern er­ folgt die Registrierung lediglich in Zuordnung zu dem Ort, der den Maximalwert erreichte, beispielsweise hier im Soh­ lenbereich. Aus der Anzahl der für einen digitalen Wertbe­ reich von Auftrittskräften in den entsprechenden Zählern der beiden Zählergruppen registrierten Werte läßt sich beim späteren Auslesen also eine Zuordnung treffen, in welchem Bereich die jeweiligen Belastungszahlen auftraten, so daß eine feinere Analyse des Auftrittsverhalten des Pa­ tienten möglich ist. Hierbei können beliebige Gruppen von Druckwandlern logisch einzelnen Zählerbereichen zugeordnet werden. Dazu wäre jeweils für eine Gruppe derartiger Druckwandler ein entsprechender Summierer 14 oder 15 mit dem nachgeordneten Maximalwertspeicher vorzusehen.

Zum Auslesen der in dem Zähler 23 gespeicherten Werte wird die Anzeigeeinheit 10 mit dem Ausgang des Zählers verbun­ den. Die Taste 11 gibt ein Taktsignal für einen Zähler 24, welcher bei eingestecktem Ausleseteil (Display 10) ein Adressensignal abgibt, welches die Ausgangssignale der Stufen 21 und 20 ersetzt. Durch zyklisches Betätigen der Taste 11 und das darauf hin erfolgende Verändern des Zäh­ lerstandes des Zählers 24 lassen sich zyklisch alle Zäh­ lerstände abfragen, so daß dem Arzt die Möglichkeit gege­ ben ist, nach einer vorzugebenden Benutzungszeit die ge­ wünschten Informationen abzufragen. Die Grenzen zwischen den einzelnen Zählbereichen im Histogramm können vorzugs­ weise in Stufungen von jeweils 25 N vorgesehen werden.

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. Insbesonde­ re beschränkt sich die Ausführung nicht auf die Realisie­ rung mit diskreten logischen Baugruppen, sondern läßt sich vorteilhaft auch mit programmierter Logik - vorzugsweise unter Verwendung eines Mikroprozessors - realisieren.

Claims (18)

1. Meßvorrichtung für Auftrittskräfte dadurch gekennzeichnet, daß im Sohlen- und/oder Fersenbereich (2, 3) eines Schuhs (1) oder einer Galosche bzw. Einlegesohle Druckempfänger (4) über mindestens einen Teil der Auftrittsfläche ver­ teilt angeordnet sind, wobei die Signalausgänge der mechanisch-elektrische Signalwandler bildenden Druckemp­ fänger derart zusammengeschaltet sind, daß Druckkräften entsprechende Signale über einen zusammenhängenden Flä­ chenbereich summiert bzw. integriert werden.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckempfänger (4) als Piezokeramikscheiben ausgebildet sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß für jeweils eine mehrere Druckempfänger aufweisende Fläche (2, 3) jeweils ein Meßwertspeicher (18, 19) und/oder ein Sum­ mierer bzw. Integratoren (14, 15) vorgesehen ist.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Fersen- und Ballenbe­ reich (2, 3) jeweils eine derartige Meßfläche bilden.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertspeicher (18, 19) als Spitzenwertspeicher ausgebil­ det ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spitzenwertspeicher eine Schwellwertschaltung (22, 24, 25) zugeordnet ist.

7. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeicherung durch eine Schaltung (24, 25) zur Ermitt­ lung der jeweiligen Entlastung ausgelöst wird.

8. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das das Erreichen oder Überschreiten eines vorgebbaren oder festen unteren oder oberen Belastungswertes optischen und/oder akustischen Signalgeber (10) angezeigt wird.

9. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne Schaltung (22) vorgesehen ist, welche jeweils dasjenige Ausgangssignal einer Meßfläche zur Weiterleitung auswählt oder kennzeichnet, die das maximale Ausgangssignal abgibt.

10. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (23) vorgesehen ist, welcher für verschiedene Be­ reichsklassen von Auftrittskräften jeweils einen Zähler aufweist.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Speicher (23) einen Hi­ stogrammspeicher bildet.

12. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (23) für die Gesamtzahl der Auftrittsereignisse vorgesehen ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähler (23) einzelnen der Meßflächen (2, 3) zugeordnet sind.

14. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnehmer (2) an der Oberseite der Sohle oder Ferse des Schuhs nahe der Oberfläche angeordnet sind.

15. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung mittels eines Klettbandes erfolgt.

16. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Batterieteil zur Stromversorgung und/oder elektronische Bauelemente zur Signalverarbeitung innerhalb der Sohle oder dem Hackenbereich vorgesehen sind.

17. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung der Energieversorgung mindestens der Auswer­ tungsschaltung durch das Ausgangssignal der Druckempfänger ausgelöst wird.

18. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausschaltung nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls erfolgt.