DE4119150A1 - Messanordnung fuer die ganganalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur dreidimen­ sionalen Bewegungsanalyse, insbesondere zum Einsatz bei der Ganganalyse.

Meßvorrichtungen zur Bewegungsanalyse auf der Basis der Laufzeitmessung von Schallimpulsen sind grundsätzlich bekannt. (z. B. Anmeldung 03 05 780). Es werden hierbei die Laufzeiten, insbesondere von Ultra­ schallimpulsen von einem Schallsender zu mindestens drei Mikrofonen gemessen, wodurch sich die dreidimensionalen Koordinaten bestimmen lassen. Sollen mehrere Meßorte bestimmt werden, so können diese durch sequentielles Abstrahlen von Schallimpulsen verschiedener Schallgeber bestimmt werden.

Bewegungslinien werden durch fortlaufende Aussendung und Auswertung der Schallaufzeiten erfaßt.

In der Medizin insbesondere der Rehabilitationsmedizin der Sportmedizin und der Orthopädie gilt es oftmals, Analysen der menschlichen Körperbewegung durchzuführen. Der Registrierung und Auswertung von Bewegungsvorgängen des menschlichen Ganges kommt hierbei besondere Bedeutung zu. Als Einsatzbeispiele seien hier die Anpassung von Prothesen oder die Therapiekontrolle nach Operationen im Bereich des menschlichen Bewegungsapparates zu nennen.

Die Erfindung beschreibt eine Meßanordnung, insbesondere für die ein- und beidseitige Ganganalyse, bei der eine hohe Meßrate, eine hohe Meßgenauigkeit und eine gute Aus­ leuchtung des Meßobjektes bei geringem Platzbedarf und hoher Störsicherheit, insbesondere auch bei der beid­ seitigen saggitalen Messung realisiert werden kann.

Bei der Ganganalyse werden die Meßpunkte bzw. die Schall­ sender entlang des Körpers von den Füßen bis zu den Schultern oder zum Kopf an markanten Punkten angebracht. Hierbei ergibt sich die Schwierigkeit, daß alle Meß­ punkte erfaßt werden müssen, wobei die Schallsender durch ihre nach vorne ausgerichtete Schallkeule nur eine be­ grenzte Abstrahlcharakteristik aufweisen.

Beispielsweise muß der unterste Meßpunkt vom obersten Mikrofon einwandfrei empfangen werden.

Damit der Abstrahlwinkel der Schallsender möglichst klein sein kann, muß der Abstand zu den Mikrofonen möglichst groß sein. Dies erfordert jedoch einen großen Schallpegel und erhöht die Gefahr von unerwünschten Reflexionen.

Durch den erforderlichen hohen Meßabstand wird außerdem die Meßgenauigkeit vermindert.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden mindestens zwei Empfängereinheiten aus dreieckförmig angeordneten Schallempfängern gebildet. Es können pro Empfängereinheit auch mehr als drei Schallempfänger redundant angeordnet sein, wobei durch Bildung weiterer Empfängerdreiecke und Mittelwertbildung die Meßgenauigkeit bzw. die Meßausbeute erhöht wird.

Es werden erfindungsgemäß mindestens zwei Schallsender (S1) und (S2) eingesetzt, wobei jeder jeweils einer Emp­ fängereinheit (EE) zugeordnet ist. Werden mehr als zwei Schallsender eingesetzt, so müssen diese in Gruppen ein­ geteilt und ebenfalls zugeordnet werden.

Die beiden Empfängereinheiten werden zeitlich versetzt jeweils frühestens bei Abstrahlung eines Schallimpulses in Meßbereitschaft versetzt bzw. aktiviert.

Eine starke Erhöhung der Meßrate kann dadurch erreicht werden, daß mit einer jeweils erneuten Schallabstrahlung nicht gewartet wird bis der zuerst abgegebene Schall­ impuls an der zugehörigen Empfängereinheit angekommen ist, sondern daß die Schallimpulse verschachtelt d. h. vor dem Empfang an der Empfängereinheit abgegeben wird. Hierbei kommt es wesentlich zur eindeutigen Zuordnung darauf an, daß die Schallimpulse in der gleichen Reihen­ folge an den Empfängern ankommen, wie sie abgegeben wer­ den. Dabei ist es möglich, daß durch entsprechende Anord­ nung und Bewegung der am Körper befestigten Schallsender, die Zeitabstände der ankommenden Schallsignale sehr kurz sind.

In einer besonderen Ausführung bietet hierbei die erfin­ dungsgemäße Anordnung den Vorteil, daß die einzelnen Empfänger der beiden Empfangseinheiten und deren Auswer­ teelektronik durch fortlaufendes Umschalten zwischen den Empfängereinheiten Zeit zur Verarbeitung und Berechnung der Laufzeiten der Schallimpulse bleibt. Während die eine Empfängereinheit die empfangenen Meßsignale auswertet, ist die andere in Meßbereitschaft.

Werden mehr als zwei Schallsender verwendet, so müssen diese in so viele Gruppen eingeteilt werden, wie sie der Anzahl der Empfängereinheiten entsprechen. Hierbei kann wiederum abwechselnd aus jeder Gruppe ein Schallsender einen Schallimpuls abgeben.

Alternativ hierzu ergibt sich die Möglichkeit, daß zunächst die Schallsender einer Gruppe und danach die Schallsender der anderen Gruppe ihre Schallimpulse abge­ ben. Hierbei muß die Empfängerseite eine entsprechend schnelle Signalverarbeitung durchführen können, damit verschachtelt gemessen werden kann.

Für diesen Fall ergibt sich jedoch erfindungsgemäß die Möglichkeit, daß ein oder mehrere Schallempfänger von zwei oder mehreren Empfängereinheiten mitverwendet wer­ den. Beispielsweise können mit vier Schallaufnehmern zwei örtlich getrennte Empfängereinheiten gebildet werden.

Die direkte Zuordnung von Schallsendern zu bestimmten Empfängereinheiten bietet den besonderen Vorzug, daß die Bewegungslinien der einzelnen Schallsender keine Sprünge aufweisen, die durch zwangsläufige Montagetoleranzen der Schallempfänger und dem Umschalten zwischen verschiedene Empfängerdreiecken entstehen würden.

Selbstverständlich ist es auch möglich jeweils alle Schallempfänger der Empfängereinheiten gleichzeitig zu aktivieren und die Meßergebnisse der nicht zugeordneten Empfängereinheiten hinterher zu ignorieren.

Werden zwei Empfängereinheiten erfindungsgemäß übereinan­ der angeordnet, so wird bei der Analyse des menschlichen Ganges der notwendige Abstrahlwinkel der Schallsender vermindert. Hierdurch kann der Meßabstand verringert werden, wodurch die Meßgenauigkeit gesteigert wird.

Ferner ergibt sich durch den ermöglichten kleinen Meßab­ stand die- Möglichkeit in beengten Raumverhältnissen zu messen.

Besondere Vorteile ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch die Möglichkeit zur schnellen beidseiti­ gen Ganganalyse.

Hierbei werden Meßaufnehmer auf beiden Seiten einer Geh­ strecke installiert.

Um eine hohe Meßrate zu gewährleisten werden erfindungsgemäß zwei Meßaufnehmer jeder Seite parallel betrieben.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich hierbei durch die erfindungsgemäße Anordnung von jeweils zwei Meßaufnehmern übereinander auf jeder Seite.

Wird auf jeder Seite beispielsweise nur eine Empfänger­ einheit mit drei oder vier Schallempfängern angeordnet, so ergibt sich das Problem, daß es durch die Bewegung der Beine zu einem überholen der Schallsignale der einen Seite durch die andere Seite kommt. Schwingt ein Bein beim Gehen nach vorne, so sind die an den Füssen ange­ brachten Schallsender des Standbeines den gegenüber­ liegenden Schallempfängern in der Regel näher als die eigentlich zugehörigen Schallsender des Schwungbeines. Da immer der zuerst an den Schallempfängern ankommende Schallimpuls ausgewertet wird, ist ein Auseinanderhalten der Schallsignale beider Seiten nicht möglich.

Kommen die Schallsignale gleichzeitig an, so sind die Meßergebnisse ebenfalls nicht auswertbar.

Dieser Fehler wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch verhindert, daß die übereinander angeordneten Meßaufnehmer so aktiviert werden, daß gleichzeitig die Einheiten beispielsweise rechts unten und links oben oder links unten und rechts oben gleichzeitig aktiviert werden. Die Schallsender am Körper der Probanden werden jeweils einer bestimmten Empfänger - Einheit zugeordnet und sol­ len sich für die obere Empfänger-Einheit im oberen und für die untere Empfängereinheit im unteren Körperbereich befinden. Die Schallimpulse der beiden Seiten können sich somit nicht beeinflussen.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, die Schallaufnehmer insbesondere der unteren Empfängereinheit nicht quadratisch oder in einem gleichseitigen Dreieck, sondern mit kleinerem Höhenabstand anzuordnen.

Eine bevorzugte Anordnung für die Ganganalyse ergibt sich beispielsweise bei der Verwendung von vier Schallauf­ nehmern pro Empfängereinheit in einer etwa quadratischen Anordnung der Schallaufnehmer der oberen Einheit und einer rechteckigen Anordnung der unteren Empfängerein­ heit, wobei das Rechteck in der Breite der Seitenlänge und in der Höhe etwa der halben Seitenlänge des Quadrats entsprechen kann. In einer erprobten Ausführung hat das Quadrat eine Seitenlänge von etwa 0,5 m. Der Abstand der beiden Einheiten zueinander dann einstellbar sein, es hat sich jedoch ein Abstand von etwa 0,3 m als geeignet erwiesen.

Vorteil dieser Anordnung bei der Ganganalyse ist es, daß eine eigene Empfängereinheit für die schnellbewegten Schallsender vom Fuß bis zum Kniegelenk verwendet werden kann, wobei diese in einem sehr guten Abstrahlwinkel arbeiten können, während die restlichen Marker beispiels­ weise bis zur Schulter von der oberen Empfängereinheit erfaßt werden.

Die optimal niedrigen Entfernungen der Schallsender ins­ besondere der unteren Empfängereinheit verhindern bei der beidseitigen Messung ein überholen der Schallimpulse der einen durch die andere Seite.

Die maximal zulässige Entfernung zu den Empfängerein­ heiten, die sich aus der Strecke ergibt den ein Schall­ impuls in der vorgegebenen Zeit zurücklegen kann ver­ größert sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung, da immer der am weitesten entfernt liegende Schallempfänger die Grenze vorgibt.

Um Störungen durch Schallreflexionen zu vermindern ist es sinnvoll, die Schallaufnehmer jeweils mit einer gewissen Verzögerung nach der Schallabstrahlung zu aktivieren, da praktisch immer von einem Mindestabstand der Schallsender zu den Empfängern ausgegangen werden kann.

Durch diese Verzögerung kann bei verschachtelter Messung der Abstand der Schallsender zueinander vergrößert werden ohne daß es zu einem Überholen der Schallsignale kommt.

Um eine weitere Sicherheit gegen reflektierte oder sei­ tenvertauschte Schallsignale zu erhalten, ist es sinnvoll die Signale, wie in den Unteransprüchen ausgeführt, durch mindestens zwei Schallfrequenzen zu codieren. Hierdurch können Schallsignale, die nicht in der Reihen­ folge an den Schallempfängern ankommen wie sie abgegeben wurden identifiziert werden.

Zur Erhöhung der Störsicherheit werden in den Schallempfängern (M) die Mikrofone zusammen mit Mikro­ fonverstärkern und eventuell weiteren elektronischen Auswerteschaltungen in einem oder mehreren Gehäusen un­ tergebracht. Hierbei besteht die Gefahr, daß die Schall­ impulse von diesen Gehäusen direkt reflektiert und über eine weitere Reflexionsfläche (z. B. einer Wand) wieder zu den Mikrofonen gelangen und somit Fehlmessungen verur­ sachen.

Diese Reflexionen können, wie im Unteranspruch beschrie­ ben, dadurch verhindert werden, daß die dem Meßraum zuge­ wandte Seite der Mikrofongehäuse mit einem ultraschallab­ sorbierenden Material beschichtet werden. Besonders be­ währt haben sich hier offenporige Schaumstoffmaterialien.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßanordnung mit zwei Empfängereinheiten E1 und E2 mit je vier Schallaufnehmern M1 bis M8 und zwei Schallsendern. Dargestellt ist der unterschiedliche Höhen- und Breitenabstand H und B sowie zwei der Schallaufnehmer - Dreiecke (M1, M2, M3 und M5, M6, M7) die zur Berechnung gebildet werden können.

Fig. 2 zwei Möglichkeiten von Meßanordnungen bei denen einzelne Schallaufnehmer für zwei Empfängereinheiten verwendet werden.

Fig. 3 den Schnitt durch eine Anordnung zur beidseitigen Ganganalyse, wobei dargestellt ist, daß einmal gleich­ zeitig links unten und rechts oben etc. gemessen wird.

Claims (19)

1. Meßanordnung zur Messung räumlicher Bewegung von Meß­ punkten, insbesondere für die Ganganalyse, wobei mittels Ultraschallsignalen zwischen Schallsendern an Meßpunkten unbekannter Raumposition und Schallempfängern an Meß­ orten bekannter Raumpositionen deren wechselseitige Ent­ fernungen und damit die Position des jeweiligen Meß­ punktes herleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus mindestens zwei Empfängereinhei­ ten (EE) mit je mindestens drei Schallempfängern (M) sowie mindestens zwei Schallsendern (S) besteht und daß mindestens ein erster Schallsender (S1) einer ersten Empfängereinheit (EE1) zugeordnet ist und daß mindestens ein zweiter Schallsender (S2) einer zweiten Empfänger­ einheit (EE2) zugeordnet ist und daß die beiden Empfängereinheuten zeitlich versetzt aktiviert werden.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinheiten im wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängereinheiten örtlich übereinander angeord­ net sind.

4. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallimpulse so abgegeben werden, daß bevor der erste Impuls eines Schallsenders (S1) eine Empfängerein­ heit (EE) erreicht, ein zweiter Impuls von einem weiteren Schallsender (S2) abgegeben wird.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehr als zwei Schallsendern (S), diese in mindestens zwei Gruppen eingeteilt werden, wobei die erste Gruppe die erste Empfängereinheit (EE1) akti­ viert und die zweite Gruppe die zweite Empfängereinheit (EE2) aktiviert.

6. Meßanordnung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß alternierend ein Schallsender (S) aus einer ersten Gruppe eine erste Empfängereinheit (EE1) aktiviert und danach ein Schallsender (S) aus einer zweiten Gruppe eine zweite Empfängereinheit (EE2) aktiviert.

7. Meßanordnung nach Anspruch 1-4, daß die Schallsender (S) einer Gruppe örtlich im oberen und die Schallsender einer anderen Gruppe im unteren Bereich des Körpers einer Person angebracht sind.

8. Meßanordnung nach Anspruch 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufnehmer (M) insbesondere der unteren Empfängereinheit (EE2) so angeordnet sind, daß deren Höhenabstand wesentlich kleiner ist als deren Breitenabstand.

9. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schallaufnehmer (M) für mehrere Emp­ fängereinheiten (EE) verwendet wird.

10. Meßanordnung nach Anspruch 1, 6, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Empfängereinheit (EE) aus mindestens vier Schallempfängern besteht, wobei mindestens ein Schall­ empfänger (M) redundant ist.

11. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Meßraumes zwei Meßvorrichtungen mit mindestens je zwei Empfänger­ einheiten (EE) übereinander im wesentlichen parallel gegeneinander angeordnet sind.

12. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Empfängereinheit (EE2) der einen Seite und die obere Empfängereinheit (EE3) der anderen Seite im wesentlichen gleichzeitig aktiviert werden und im wei­ teren die obere Empfängereinheit der einen Seite (EE1) und die untere Empfängereinheit der anderen Seite (EE4) gleichzeitig aktiviert werden.

13. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schallfrequenzen der Schallsender der beiden Seiten unterscheiden.

14. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesandten aufeinanderfolgenden Schallimpulse mindestens aus zwei abwechselnd ausgestrahlten Schallfre­ quenzen bestehen.

15. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallempfänger Vorrichtungen zur Identifizierung der Schallfrequenzen aufweisen.

16. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Empfängereinheiten eigene Schallfrequenzen zugeordnet sind und daß Schallsignale anderer Frequenzen ignoriert werden.

17. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufnehmer im wesentlichen zum Zeitpunkt des Absendens der Schallimpulse von den Schallgebern akti­ viert werden.

18. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallaufnehmer (M) erst nach einer Ver­ zögerungszeit nach dem Absenden der Schallimpulse akti­ viert werden.

19. Meßanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßraum zugewandte Seite der Mikrofongehäuse oder der Halterung mit ultraschallabsorbierendem Material beschichtet ist.