DE4039098A1

DE4039098A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung und auswertung statodynamischer veraenderungen an biologischen funktionsgruppen

Info

Publication number: DE4039098A1
Application number: DE19904039098
Authority: DE
Inventors: Manfred Prof Dr Schneider; Winfried Karg; Bernd Heinrich
Original assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Current assignee: Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date: 1990-12-07
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1992-06-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Apparatur, die in der Lage ist, Bewegungsabläufe in supravitalen Funktionsgruppen zu simu lieren und die dabei auftretenden Veränderungen meßtech nisch zu erfassen.

Die Simulation von Bewegungsabläufen in Systemgruppen zur Klärung spezifischer Fragestellungen wurde bisher wenig verwendet, da diese Untersuchungen an besondere Bedingungen geknüpft sind. Supravitales Material und physiologische Untersuchungsbedingungen sind Voraussetzung, da sonst der Bioelastizität des menschlichen Stützgewebes nicht Rechnung getragen wird. Es wurden zumeist nur Kraft-Weg-Diagramme von biologischen Materialien aufgenommen, die nur im be schränkten Maße Aussagen über die Belastbarkeit zulassen. Aufgrund der inhomogenen Strukturen biologischer Materia lien und ihrer Wechselbeziehungen innerhalb eines Systems sind die klassischen Festigkeitsuntersuchungen zur Beurtei lung der Belastbarkeit biologischer Strukturen nicht aus reichend anwendbar. Man versucht mittels Auswertung rein mechanischer Vorgänge Informationen über die Belastbarkeit des Stützgewebes zu gewinnen. Dabei werden Versuchsanord nungen verwendet, die individuell erstellt wurden. So wurde von Plaue (Plaue, R.: Das Frakturverhalten von Brust-und Lendenwirbelkörpern. Zeitschr. f. Orthopädie 110, 1972, 159-166) die Tragfähigkeit von Wirbelkörpern getestet. Diese Testung erfolgte unter den herkömmlichen Bedingungen. Bisher wurden keine fort laufenden Bildanalysen über das Zusammenwirken der biologischen Komponenten innerhalb ihrer Bewegungsabläufe durchgeführt und somit Probleme der Bio elastizität und auftretender Mikroveränderungen innerhalb der einzelnen Segmente im Hinblick auf die entsprechende Belastbarkeit nicht geklärt.

Das Problem der Erfindung besteht darin, einen Bewegungs simulator zu schaffen, der es ermöglicht, Bewegungsabläufe an biologischen Systemen bei unterschiedlichen Belastungs bedingungen und Bewegungsrichtungen zu analysieren und durch eine kontinuierliche meßdiagnostische Überwachung die Veränderungen im Detail zu erfassen und auszuwerten. Erfindungsgemäß wird das Problem durch eine mechanische und eine meßtechnische Aufgabenstellung gelöst. Die mechanische Vorrichtung besteht aus einer variablen Spannvorrichtung, die über einen Kugeltisch eine Anpassung gewährleistet und eine Höhenverstellbarkeit aufweist. Das zu testende biolo gische System wird über eine Kupplung mit der pneumatischen Kraftanlage verbunden und der gewünschten Belastung ausge setzt. Dabei können die Belastungsgrößen und -richtungen Hub- und Frequenzunterschiedlich gewählt werden. Außerdem ist eine intermittierende Belastung möglich.

Meßtechnisch wird die Aufgabe so gelöst, daß eine reprodu zierbare Darstellung des Versuchsablaufes ermöglicht wird. Es werden ständig meßtechnische Werte ermittelt, die es gestatten, während des Versuchsablaufes steuerungstechnisch einzugreifen und Informationen über das statisch-dynamische Verhalten des Versuchsgegenstandes zu gewinnen. So werden eine Röntgendurchleuchtungsanlage mit Bildwandler, eine Videokamera und weitere informationsaufnehmende Systeme bei auftretenden Veränderungen mit dem Ziel einer späteren gründlichen Analyse des Versuches zugeschaltet. Über den gesamten Versuchszeitraum wird sichergestellt, daß die gleichen dem biologischen Material angepaßten Umgebungsbe dingungen eingehalten werden.

Der Bewegungssimulator setzt sich zusammen aus Kraftanlage, bestehend aus Antriebsaggregat, Intervallzeitschalter und Bewegungszähler, verbunden mit der Versuchshalterung, be stehend aus Versuchstisch und Arretierungen, einer video technischen Apparatur, bestehend aus bildwiedergebenden Verfahren, dem meßtechnischen Teil, bestehend aus den Sen soren mit digitaler Meßwerterfassung, gekoppelt mit der Versuchssteuerung, bestehend aus Personalcomputer, Massen speicher und meßtechnischer Aufbereitung, und der Klima anlage, bestehend aus Thermoblock, Benebelungsanlage und Flüssigkeitsaufnahmevorrichtung. Weiterhin werden die benö tigten digitalisierten Bilder in der Versuchssteuerung gespeichert.

Die Kraftanlage ist unmittelbar mit dem biologischen Ver suchsobjekt über ein Kupplungsgestänge mit Arretierung verbunden. Am Versuchsobjekt sind eine Reihe von Meßsenso ren befestigt, die alle benötigten Informationen während des Versuchsablaufes in den Meßwertblock übertragen. Treten Unregelmäßigkeiten oder Veränderungen im Versuchsablauf unter Belastung auf, wird vom Versuchssteuercomputer eine Information an die videotechnische Apparatur geleitet und diese aktiviert. Die digitalisierten Bilder können dann während des Versuchsablaufes über die Datenkopplung gespei chert und zu einem späteren Zeitpunkt in der gewünschten Form ausgewertet werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der Durchführung statischer und dynamischer Belastungsstudien, wobei diese sowohl für Kurzzeit-Tests, als auch für Dauer belastung möglich sind. Ferner ermöglicht die Versuchsan ordnung die Gewinnung von Daten über segmentale Mikrobewe gungen und bioelastisches Verhalten biologischer Materialien während des Versuches. Hierbei muß mit supravitalen Präpa raten gearbeitet werden.

Die Versuchsanordnung ist einsetzbar bei der Untersuchung des Verhaltens von Bewegungssegmenten und/oder des bioela stischen Verhaltens von Gewebsstrukturen unter physiologi schen, pathologischen und operationstechnischen Gesichts punkten.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, das die Grundanordnung für das Verfahren zur Messung stato-dynamischer Veränderungen an der Halswirbelsäule (HWS) in Fig. 1 enthält.

In der dazugehörigen Zeichnung bedeuten:

1. Kraftanlage mit Zähler und Intervallschalter
2. Kupplungsgestänge
3. belastende Kraft
4. Versuchshalterung
5. Meßblock mit Sensoren und Meßwandlern
6. videotechnische Apparatur mit Digitalisierer
7. Versuchssteuerungsanlage mit PC und Massenspeicher
8. Klimaanlage mit Thermoblock, Flüssigkeitszerstäuber und Flüssigkeitsauffangschale.

Die Kraftanlage versetzt durch ein Kupplungsgestänge die HWS unter eine vom Nutzer eingestellte Kraft F in vertika ler Ebene in eine translatorische Bewegung. Die dabei auf tretenden unterschiedlichen segmentalen Bewegungen an der supravitalen HWS werden in dem Meßblock mit Hilfe der Sensoren erfaßt. Die Winkelveränderungen zwischen den Hals wirbelsäulensegmenten und die Gesamtbewegung während der Versuchsdurchführung werden ermittelt. Alle gemessenen Werte, die zur Berechnung und Bewertung des laufenden Ver suches herangezogen werden, gelangen in die Versuchssteue rung und den Rechner. Sind meßtechnische Veränderungen oder Abweichungen in einer festgelegten Größenordnung feststell bar, wird die videotechnische Apparatur aktiviert und über eine Kamera und eine Röntgendurchleuchtungsanlage mit Bild wandler die Veränderung über einen Bilddigitalisierer im Massenspeicher des Rechners gespeichert. Die videotech nische Apparatur liefert in einer vorher festgelegten Fre quenz regelmäßig Bilder vom Versuchsablauf, die programm technisch vor dem Versuch im PC festgelegt wurden. Der Klimablock schafft für die Dauer des Versuches die notwen digen Umgebungsbedingungen für das biologische Material.

Claims

1. Verfahren zur Messung stato-dynamischer Veränderungen am biologischen Objekt zur Verbesserung der Operations methoden, gekennzeichnet dadurch, daß auf die zu un tersuchenden supravitalen oder künstlich beschaffenen Materialien eine gerichtete Kraft derart erfolgt, daß sie weitgehend den natürlichen Bedingungen entspricht und die segmentalen Bewegungen sowie Mikrobewegungen elektronisch gemessen und somit das bioelastische Ver halten visuell und bildanalytisch gespeichert und aus gewertet werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die wirkenden Kräfte auf das zu testende Material durch eine Bewegungsanlage kontinuierlich und/oder intermit tierend erfolgt und daß biologische Erholungsphasen im Versuchsablauf programmierbar sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, daß eine Versuchssteuerungsanlage mit allen meßtechnischen Ap paraturen so gekoppelt ist, daß durch den Programmauf bau so in den Versuchsablauf eingegriffen werden kann, daß die bildaufnehmenden Systeme jederzeit eine Erfassung jeder Veränderungen und Reproduzierbarkeit ermöglichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 gekennzeichnet dadurch, daß diese bei der Untersuchung des Verhaltens von Bewe gungselementen und/oder des bioelastischen Verhaltens von Gewebsstrukturen unter physiologischen, patholo gischen und operativ-technischen Gesichtspunkten so gestaltet ist, das durch die variierbare Versuchshal terung eine ausreichende operationstechnische Fixie rung gegeben ist, die die den veränderten Versuchsbe dingungen angepaßten Kräfte selbständig regelt, und die physiologischen Bedingungen eingehalten werden.