Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Oberflächenform von Körpern sowie eine Vorrichtung in Form eines Meßaufnehmers zur Durchführung des Verfahrens.

Im Bereich der Medizin ist die Bestimmung der Position und der Bewegungsabläufe von Gelenken, wie z. B. der Wirbelsäule oder des Kniegelenks, von großem Interesse. Die Position der Wirbelsäulen­ segmente kann beispielsweise durch röntgentechnische Maßnahme bestimmt werden. Dies bringt zum eine schädliche Strahlenbelastung mit sich, zum anderen sind nur statische Messungen in bestimmten Positionen möglich. Die Erfassung von Oberflächenformen, insbesondere des menschlichen Körpers, die sich bei Bewegungsabläufen verändern können, war bisher nur mit dem menschlichen Tastsinn möglich, was zu individuellen Unterschieden bzw. Fehlern führte. Eine instrumentelle und damit reproduzierbare Erfassung von Oberflächenformen von Körpern, insbesondere bei Bewegungsabläufen, war bisher nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Oberflächenform von Körpern, insbesondere von menschlichen oder tierischen Körpern, sowohl in Ruhe- als auch bei Bewegungsabläufen erfaßt, gemessen, dargestellt und gespeichert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Erfassung der Oberflächenform von Körpern gemäß dem kennzeichnenden Teil des Verfahrenshauptanspruchs. Der Vorrichtungshauptanspruch gibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wieder, die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die Erfassung der tatsächlichen Position, beispielsweise der Dornfortsätze der Wirbelsäule ist insbesondere bei Bewegungsabläufen durch die Hautverschiebung erschwert. Durch die erfindungsgemäße Abtastung der Oberfläche können die tatsächlichen Positionen der Dornfortsätze, insbesondere zueinander, genau bestimmt werden. Hieraus können segmentale Störungen an der Wirbelsäule, wie Blockierungen oder Hypermobilitäten, diagnostiziert werden. Im Bereich des Knie­ gelenks können bei entsprechend schneller Abtastung Verschiebungen zwischen den Gelenkknochen ermittelt werden, die mit dem menschlichen Tastsinn nur schwer erfaßbar sind.

Da sich über den zu erfassenden Körperoberflächen Haut, Fettgewebe oder Muskulatur befinden kann, muß eine entsprechende Kraft auf die Körperoberfläche ausgeübt werden, wodurch diese zusammengedrückt oder verdrängt wird, um brauchbare Meßergebnisse zu bekommen. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß ein oder mehrere elastische Elemente eingesetzt, die von Hand oder mit einer entsprechenden Vorrichtung in Form eines Meßstempels gegen die zu erfassende Oberfläche gedrückt werden. An den der zu erfassenden Oberfläche zugewandten Seite der elastischen Elemente sind matrixförmige Anordnungen von elektrischen Sensoren angebracht, die auf Abstands- bzw. Wegänderungen reagieren und dabei elektrische Signale abgeben. Diese Signale werden dann erfaßt und ausgewertet und ermöglichen damit die Erfassung der Oberflächenform des Körpers. Das Aufdrücken der Meßfläche auf den Körper kann mit einer Vorrichtung in Form eines Meßstempels von Hand erfolgen. Dabei sollen die Meßstempel eine bestimmte Größe möglichst nicht überschreiten, um die aufzu­ wendende Kraft nicht unnötig zu vergrößern. Das Aufbringen kann aber auch mit entsprechenden Vorrichtungen geschehen.

Erfindungsgemäß ergeben sich bei Messungen an der Wirbelsäule besondere Vorteile durch eine Ausgestaltung des Meßstempels in der Form, daß dessen Länge wesentlich größer als dessen Breite ist. Hierdurch können mehrere Dornfortsätze gleichzeitig abgetastet und die Beweglichkeit zueinander gemessen werden. Die Vermessung nur eines Dornfortsatzes würde aufgrund der Verschiebung der Haut keine verwertbaren Ergebnisse bringen. Es ist möglich, die Position des Meßstempels durch eine Echtzeitauswertung zu korrigieren. Führt der Proband nach dem Aufdrücken des Meßstempels Bewegungen aus, so kann die Beweglichkeit der einzelnen Wirbelsäulensegmente gemessen und ausgewertet werden. Hierbei können als Referenzpunkte die Stellen höchster Erhebung herangezogen werden. Da sich die Knochenvorsprünge beispielsweise an der Wirbelsäule um einen Radius bewegen, ist es besonders vorteilhaft, die Oberflächenform des Meßstempels mit einer Wölbung zu versehen. Diese hat vorzugsweise einen ähnlichen Radius wie die Bewegungsbahn des zu messenden Knochenvorsprungs. Hierdurch wird der Fehler, der sonst durch eine Verlagerung des Referenzpunktes entstehen würde, minimiert. Anstelle der Vermessung beispielsweise der Knochenbewegung durch die Feststellung der Punkte der höchsten Erhebung können auch charakteristische Oberflächenstrukturen gespeichert werden. Der zurückgelegte Weg wird dadurch bestimmt, daß mittels eines Rechenprogramms die gemessene Oberflächenstruktur nach einer durchgeführten Bewegung durch Variation bzw. Annäherung des Abstandes gesucht und im Falle der größtmöglichen Deckungs­ gleichheit ausgewertet wird.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Oberflächenwölbung des Meßstempels variiert und den zu vermessenden Oberflächen und den Bewegungsradien der Gelenke angepaßt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Ausgestaltung der Meßfläche aus einzelnen Lamellen bewerkstelligt werden. Die eingestellte Form der Meßfläche muß selbstverständlich bei der Aus­ wertung der Oberflächenform als Offset-Wert berücksichtigt werden.

Die genannten Gestaltungen der Oberfläche haben den weiteren Vorteil, daß der Meßstempel nicht von den zu messenden Vorsprüngen abrutschen kann. Des weiteren kann beispielsweise durch eine konvexe Gestaltung der Oberfläche eines Rundstempels unter Umständen besser an die entsprechenden Körperstellen herangegangen werden.

Zur Erzeugung von Referenzpunkten zu umliegenden Körperteilen und/oder einer besseren Führung des Meßstempels kann dieser erfindungsgemäß auch über einen oder mehrere Ausleger mit umliegenden Körperteilen verbindbar sein.

Für die Vermessung von Gelenkbewegungen an den Extremitäten kann ein Meßstempel mittels einer Klammer gegen die entsprechende Meßstelle gedrückt werden. Die Klammer kann entweder selbst federnde Eigenschaften aufweisen oder es kann mittels eines federnden Elementes eine Kraft auf den Meßstempel ausgeübt werden. Die Meßstempel können auch an beiden Seiten der bügelförmigen Halterung Meßstempel angebracht sein. Es kann eine Anpreßkraft auf die Meßstellen ausgeübt werden. Die Stempel können beispielsweise am Gelenkspalt des Kniegelenks aufgesetzt werden, wodurch sich Gelenkinstabilitäten erfassen lassen. Durch diese Haltevorrichtung können auch Messungen am gehenden Menschen durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die absolute Raumposition des Meßstempels beispielsweise mit mindestens drei Meßpunkten bestimmt. Diese können beispielsweise in Sternform am Ende der Halterung angebracht sein.

Bei rotationssymmetrischen Abtaststempeln kann die Positionsbestimmung auch mit zwei Meßpunkten erfolgen.

Werden die Dimensionen des Meßstempels berücksichtigt, so kann die genaue Position der gemessenen Oberfläche auch bei Bewegungs­ abläufen erfaßt werden. Hierzu kann es notwendig sein zusätzliche Referenzmarker am Körper des Probanden anzubringen. Wird der Meßstempel aus einem veränderten Winkel aufgedrückt, so ist hierdurch eine Korrektur des Referenzpunktes möglich.

Die Oberflächenmessungen aus verschiedenen Positionen können beispielsweise zu Meßdaten in Form von Tabellen, Bildern oder Filmen zusammengefaßt werden, was durch eine Auswertung der von den Sensoren abgegebenen Signale durch Rechner ohne weiteres möglich ist.

In einer einfachen Form können diese Positionsbestimmungen durch die Laufzeitmessung von Schallimpulsen durchgeführt werden. Hierbei kann ein an für sich bekanntes Verfahren zum Einsatz kommen, bei dem die Positionen von drei kleinen Schallsendern (Empfängern) zumindest drei stationär angeordneten Schallempfängern (Sendern) bestimmt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Meßaufnehmer, in dem ein elastisches Element mit einer oder mehreren der zu erfassenden Körperoberfläche zuge­ wandten Meßflächen, auf der matrixförmige Anordnungen von elektrischen Sensoren zur Abstands- bzw. Wegbestimmung enthalten sind, und die mit einer Auswerteinrichtung für die von den Sensoren abgegebenen Signale verbindbar ist, durchgeführt werden. Die Meß­ flächen können aus den Oberflächen von quaderförmigen kompressiblen Elementen bestehen, die auf einer oder zwei Seiten mit einer Matrix der Sensoren, die auf Abstands- oder Wegeänderungen reagieren beauf­ schlagt ist. Bei einer Wegeveränderung durch Zusammendrücken des kompressiblen Elements können die Kapazitäten oder elektrischen Widerstände der Sensoren geändert werden. Durch die Änderung der von den Sensoren abgegebenen Signale kann dann der zurückgelegte Weg bestimmt werden.

Das quaderförmige Element kann bevorzugt aus einem Schaumstoff oder einem elektrisch leitfähigen Schaumstoff bestehen. Dabei sollte vorzugsweise die Dicke des quaderförmigen Elements mindestens dem Abstand der Sensoren voneinander entsprechen.

Da z. B. an der Wirbelsäule bis zu drei Dornfortsätze gleichzeitig abgetastet werden, diese aber in der Regel unterschiedlich weit heraus­ ragen, ist es sinnvoll, unter dem ersten elastischen Element ein weiteres elastisches Element anzuordnen, das vorzugsweise von etwa gleicher Formgestaltung sein sollte. Dieses zusätzliche Element kann in einer Ausgestaltung weicher als das erste sein, um vorab einen Ausgleich der unterschiedlichen Höhen zu erreichen.

Die Sensoren können beispielsweise aus Drucksensoren einer im wesent­ lichen weglos arbeitenden Drucksensormatrix bestehen, über die eine oder mehrere Platten der kompressiblen elastischen Elemente angeordnet sind. Dabei ist vorzugsweise auch die Drucksensormatrix flexibel ausge­ staltet und unter der Matrix befindet sich als kompressibles elastisches Element ein plattenförmiger Körper. Die Meßfläche kann dabei im wesentlichen eine Rechteckform aufweisen. Bei der Verwendung eines Meßstempels für manuelle Anwendung sollte die Meßfläche eine Größe von 10×20 cm, vorzugsweise 5×10 cm nicht wesentlich überschreiten, um den manuell aufzubringenden Druck nicht unnötig zu erhöhen. Wird eine im wesentlichen kreisförmige Meßfläche verwendet, so sollte deren Durchmesser vorzugsweise 6 cm, insbesondere 3 cm nicht überschreiten. Bevorzugt kann die Meßfläche einseitig oder beidseitig eine konvexe oder konkave Wölbung aufweisen, um sich einer zu erfassenden Körperoberfläche besser anzupassen. Besonders bevorzugt wird die Meßfläche auch so ausgestaltet, daß sich ihre Oberflächenform zumindest nach einer Seite hin variabel verändern läßt. Dabei können auch einzelne Lamellen verwendet werden, die gegeneinander bewegt werden können.

Die Genauigkeit einer Flächenerfassung kann dadurch verbessert werden, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die eine Führung und Verbindung zu weiteren Körperpunkten als Referenzpunkten gestattet. Es können auch mindestens drei Meßmarker zur Bestimmung der absoluten Raum­ position vorgesehen sein, die von einer stationären Meß- und Steuer­ vorrichtung gesteuert und bestimmt werden können.

Weiterhin ist es möglich, die elastischen Elemente walzenförmig auszu­ bilden, so daß sie über den zu erfassenden Körper abgerollt werden können.

Die Auswertung der von den Sensoren abgegebenen Signale kann beispielsweise vermittels einer Recheneinheit erfolgen, so daß die absoluten Raumpositionen der Oberflächenstrukturen der zu erfassenden Oberflächen bestimmbar sind. Als Meßpunkte können auch Schallsender bzw. Schallempfänger vorgesehen sein, wobei die stationäre Meßeinheit aus mindestens drei Schallempfängern bzw. Sendern besteht, aus deren Schallaufzeiten die Position der Meßpunkte herleitbar ist.

Da die Markierungs- bzw. Meßpunkte zur Positionsbestimmung nicht beliebig von der Empfängereinheit weggedreht werden können, ist es für manche Meßaufgaben sinnvoll, die Ebene der Meßpunkte gegenüber der Ebene des Oberflächensensors verdrehen zu können. In einer besonderen Ausführungsform kann eine automatische Erkennung der Verdrehposition vorgesehen sein, die in einer Recheneinheit bei der Bestimmung der Oberflächenform berücksichtigt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Figuren beispielhaft näher erläutert. Hierin zeigt

Fig. 1 einen Meßaufnehmer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Meßstempels;

Fig. 2A einen senkrechten Schritt durch den Meßstempel der Fig. 1;

Fig. 2B einen Schritt durch eine Ausführungsform des Meß­ stempels mit Lamellen;

Fig. 2C eine Ausführungsform des Meßstempels mit mehreren Elastomeren und Sensormatrizen;

Fig. 3A eine Ausführungsform des Meßstempels mit einer konkaven Meßfläche;

Fig. 3B eine Ausführungsform des Meßstempels mit einer konvexen Oberfläche;

Fig. 3C eine Ausführungsform, in der die Meßfläche rollenförmig ausgestaltet ist;

Fig. 4 einen Meßstempel mit Markern zur Positionserkennung;

Fig. 5 die Anwendung des Meßstempels der Fig. 4 am menschlichen Körper mit der Auswertung der Signale durch eine Meßanordnung;

Fig. 6 eine Ausführungsform des Meßstempels mit Bügeln zur Fixierung des Stempels;

Fig. 7 eine Ausführungsform mit drehbaren Meßpunkten; und

Fig. 8 eine Ausführungsform mit Halterungen für Meßstempel.

In Fig. 1 besteht der Meßaufnehmer 10, der die Form eines Meßstempels aufweist, aus einer Grundplatte 30, an der ein elastisches Element 12 in Form eines plättenförmigen Schaumstoffkörpers angebracht ist, dessen der zur erfassenden Körperoberfläche zuge­ wandten Meßfläche 14 mit Sensoren 16 ausgerüstet ist, die auf Abstands- bzw. Wegeänderungen reagieren. Die Sensoren 16 sind in einer rasterförmigen Anordnung in Form eines rechtwinkligen Raster­ netzes angeordnet. Die Grundplatte 16 ist mit einem Griff 32 verbunden, der das Aufdrücken des Meßstempels auf die zu erfassende Körperoberfläche ermöglicht.

Die elektrischen Leitungen zur Ableitung der von den Sensoren abge­ gebenen Signale können beliebig am Meßstempel befestigt sein, bevorzugt ist eine Ableitung durch den Griff 32, wie er beispiels­ weise in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 2A zeigt einen Schnitt durch den Meßstempel der Fig. 1, wobei auf beiden Seiten des elastischen Elements 12 elektrisch leitfähige Elektroden als Kondensatorplatten oder zur Messung des elektrischen Widerstandes ausgebildet sein können.

Fig. 2B zeigt eine Ausführungsform des elastischen Elements mit Lamellen, wobei dem elastischen Element 12 und der Grundplatte 30 weglos arbeitende Drucksensoren angebracht sind.

Eine weitere Ausführungsform ist in der Fig. 2C beschrieben, bei der zwei elastische Elemente 12 und 16 über- bzw. untereinander angeordnet sind mit dazwischenliegenden Matrizen von Sensoren 16.

Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform, in der die Meß­ fläche 14 konkav bzw. konvex ausgestaltet sind, um eine Anpassung an gebogene zu erfassende Körperoberflächen zu verbessern. Die Fig. 3C zeigt eine Meßfläche in Rollenform, die zum Abrollen über die zu erfassende Fläche geeignet ist.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, die Marker zur Positions­ erkennung aufweist. Die Fig. 5 zeigt die Anwendung des Meßaufnehmers am menschlichen Körper, wobei die Signale, die von den Sensoren erzeugt werden, über elektrische Leitungen an einen Rechner 38 weiter­ geben, in dem die Signale ausgewertet werden.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform des Meßaufnehmers mit Bügeln 40 dargestellt, mit der der Meßaufnehmer an dem zu erfassenden Körper befestigt werden kann.

Da die Markierungs- bzw. Meßpunkte zur Positionsbestimmung nicht beliebig von der Empfängereinheit 48 weggedreht werden können, ist es für manche Meßaufgaben sinnvoll, die Ebene der Meßpunkte gegenüber der Ebene des Oberflächensensors bzw. der Meßfläche 14 verdrehen zu können, wie in Fig. 7 dargestellt ist. In einer besonderen Ausführungsform kann eine automatische Erkennung der Verdrehposition vorgesehen sein, die im Rechner 38 bei der Bestimmung der Oberflächenform berücksichtigt werden kann.

In Fig. 8 sind Ausführungsformen der Halterungen für ein oder zwei Meßstempel an den Extremitäten, hier am Kniegelenk, dargestellt. Dabei wird ein Meßstempel mittels einer Klammer 42 gegen die ent­ sprechende Meßstelle gedrückt. Die Klammer kann entweder selbst federnde Eigenschaften aufweisen oder es kann mittels eines federnden Elements 44 eine Kraft auf den Meßstempel ausgeübt werden.

Auch können an beiden Seiten einer bügelförmigen Halterung 46 Meßstempel angebracht sein. Es kann, wie bereits beschrieben, eine Anpreßkraft auf die Meßstellen ausgeübt werden. Die Stempel können beispielsweise am Gelenkspalt des Kniegelenks aufgesetzt werden, wodurch sich Gelenkinstabilitäten erfassen lassen.

Durch die beschriebene Haltevorrichtung können auch Messungen am gehenden Menschen durchgeführt werden.