DE4304388A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Umfangsprofils länglicher Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zum Ermitteln eines Umfangprofils länglicher Körper, insbesondere menschlicher Extremitäten gemäß dem Gat­ tungsbegriff des Anspruchs 1 bzw. Anspruch 7.

Derartige Vorrichtungen finden Anwendung im Sanitätswe­ sen, wo es zur Anpassung von Kompressionsstrümpfen not­ wendig ist, den Umfang beispielsweise eines Beines an verschiedenen standardisierten Stellen zu bestimmen. Anhand der dort gemessenen Umfangswerte wird dann entwe­ der ein standardisierter Kompressionsstrumpf ausgewählt, oder einzelgefertigt.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art, wie sie in der Offenlegungsschrift 35 35 270 beschrieben ist, ist ein beweglicher Meßrahmen vorgese­ hen, an welchem nach innen gerichtete Lichtquellen und Lichtsensoren vorgesehen sind. Diese von den Lichtquel­ len und -sensoren gebildete Lichtschrankenanordnung bildet im Rahmen eine Meßebene aus. Die Normale dieser Meßebene bildet die Bewegungsrichtung des Meßrahmens aus. Während sich der das auszumessende Bein oder der­ gleichen umfassende Rahmen beispielsweise vom Fuß zum Oberschenkel längs über den auszumessenden Körper be­ wegt, werden von einem Rechner die Lichtquellen und -sensoren aktiviert. Hierdurch wird ein der jeweiligen Meßstelle zugeordnetes Schattenbild in verschiedenen Winkellagen in der Meßebene ausgemessen. Dabei wird durch die Aktivierung einer oder mehrerer Lichtquellen gleichzeitig oder nacheinander eine Projektion des Quer­ schnitts des Körpers auf den Sensoren abgebildet. Hier­ durch werden eine Vielzahl von Querschnittsstrecken des Beines bestimmt. Anhand dieser Strecken läßt sich dann eine Umfangsform annähern, durch welche der Umfang des Beines an der Meßstelle bestimmbar ist. Diese Umfangsmes­ sungen werden an den charakteristischen Stellen durchge­ führt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren wird auch in der DE 36 34 065 beschrieben. Dort werden jeweils durch die Bestimmung der Projektion des Körpers Querschnittsflächen approximiert. Durch Addition der an jeder Meßstelle bestimmten Querschnitts­ fläche und Multiplikation mit der Distanz zweier Meßstel­ len soll dort das Gesamtvolumen eines Körpers bestimmt werden.

Nachteilhaft an diesen bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren ist jedoch, daß bei den auszumessenden längli­ chen Körpern in den seltensten Fällen die Körperachse mit der Normalen der Meßebene übereinstimmt. Hierdurch kommt es zu starken Verfälschungen des Meßergebnisses. Es wird nicht der wahre Umfang gemessen, welcher dem lokalen Achsverlauf entspricht, sondern es wird der Umfang eines Querschnittes durch den länglichen Körper gemessen, der in einem Winkel zur tatsächlichen Achse verläuft. Dieser Umfang ist größer als der wahre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung im Hinblick auf eine genauere Bestimmung des wahren Umfanges weiterzubilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebe­ ne Erfindung und durch das im Anspruch 7 angegebene Verfahren.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.

Zufolge der Erfindung ist eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren gegeben, die oder das das Ermitteln des loka­ len Umfangwertes ermöglicht. Ein auszumessendes Bein ist in der Regel derart gekrümmt, daß keine einheitliche Achse gegeben ist. Vielmehr besitzt jeder Punkt in Erst­ reckungsrichtung des Beines seine eigene lokale Achse. Die senkrecht zu dieser lokalen Achse verlaufende Quer­ schnittsebene liegt deshalb im allgemeinen in einem bestimmten Winkel zur Meßebene des Meßrahmens. Um Winkel­ verkippungen zwischen der Extremitätenachse und einer Meßebenennormale zu eliminieren ist aus der DE-OS 37 05 718 eine Vorrichtung bekannt, die zwei Lichtschrankenan­ ordnungen aufweist, die zwei parallele Meßebenen ausbil­ det. Zur Bestimmung des wahren Umfanges wird dort die Lage der Schattengrenzen in zwei benachbarten Ebenen ausgemessen und ihr arithmetisches Mittel berechnet. Diese Vorrichtung liefert aber nur sehr ungenaue Ergeb­ nisse und außerdem ist mit dieser Vorrichtung keine exakte Zuordnung der Meßwerte zu einem Meßpunkt möglich. Erfindungsgemäß werden an jeder Meßstelle sowohl die Werte für die absolute Lage als auch die Werte für die relative Größe der Projektion gemessen. Aus den Projekti­ onen lassen sich dann, wie beispielsweise aus der DE 36 34 065 bekannt, in der Meßebene liegende Querschnitts­ strecken ermitteln. Durch die Verlagerbarkeit des Meßrah­ mens senkrecht zur Meßebene werden scheibchenweise durch Schattenwurf die zur Umfangsbestimmung notwendigen Quer­ schnittsstrecken gemessen. Beim Vorliegen sämtlicher Daten läßt sich dann die tatsächliche Lage des Beines oder dergleichen in der Vorrichtung rekonstruieren. Unter Hinzuziehen der Meßwerte, die jeweils den benach­ barten Meßstellen zugeordnet sind, wird erfindungsgemäß mittels der Gesetze der Geometrie die Querschnittsfläche durch den Meßpunkt ermitteln, welche die minimale Quer­ schnittsfläche aufweist. Dieser daraus resultierende Umfangswert stellt den wahren Umfang dar, da die so ermittelte Querschnittsfläche senkrecht zur lokalen Achse liegt. Die Lage der lokalen Achse ist im allgemei­ nen bei jeder Meßstelle verschieden. Auch kann die loka­ le Achse relativ zur Normalen der Meßebene in jeder Richtung geneigt sein. Es wird also, ohne daß in der Ebene senkrecht zur lokalen Achse gemessen wird, ein dieser Ebene entsprechender Umfangswert ermittelt. Bevor­ zugt werden die lokalen Querschnittsstrecken durch Inter­ polation ermittelt. Dabei wird mittels der an der Meß­ stelle und den benachbarten Meßstellen gemessenen Meßwer­ ten (Lage und Größe einer Querschnittsstrecke) eine Längsschnittkonturlinie des länglichen Körpers funktio­ nalisiert. Der an der Meßstelle minimale Abstand zwi­ schen den beiden Konturlinien entspricht dann der loka­ len Querschnittsstrecke. Diese Prozedur kann dann für jede der in der Meßebene winkelversetzt liegenden Quer­ schnittsstrecken durchgeführt werden. Bevorzugt werden für die Berechnung der lokalen Umfänge nicht nur die Werte der unmittelbar benachbart liegenden Meßstellen hinzugezogen, sondern auch die übernächsten und die Meßstellen höherer Ordnung. Die Interpolation der Längs­ schnittkontur kann dabei nach einem gängigen Interpolati­ onsverfahren durchgeführt werden beispielsweise über einen vollständigen Satz von Polynomen. Es ist vorgese­ hen, daß alle Werte für die Lage und die Größe der an jeder Meßstelle gemessenen Querschnittsstrecken im Rech­ ner abgespeichert werden. Als Lichtquellen können Leucht­ dioden oder Halbleiterlaser und als Sensoren Halbleiter­ sensoren wie zum Beispiel Photodioden oder Phototransi­ storen verwendet werden. Die Verwendung dieser Halblei­ terbauelemente hat den Vorteil, daß sie in kürzester Zeit aktivierbar sind. Hierdurch können die reihenförmig angeordneten Lichtquellen nacheinander angesprochen werden und ebenso die korrespondierenden Sensoren. Das Ausmessen einer Meßstelle erfolgt dann in wenigen Milli­ sekunden. Bevorzugt wird ein rechteckiger Rahmen verwen­ det mit zwei im rechten Winkel zueinanderstehenden rei­ henförmig angeordneten Paaren von Lichtquellen und gegen­ überliegenden -sensoren. Bei dieser Anordnung werden zu jeder Meßstelle zwei Querschnittsstrecken ausgemessen, die senkrecht zueinander stehen. Hierzu wird der Reihe nach jeweils eine Leuchtdiode oder dergleichen aktiviert und gleichzeitig nur der dieser Leuchtdiode gegenüberlie­ gende Sensor aktiviert. Je nachdem ob diese Lichtschran­ ke unterbrochen oder nicht unterbrochen ist, wird durch den Rechner, gerastert der Schattenwurf aufgezeichnet. Bevorzugt liegen die Strecken der jeweils aktivierten Lichtschranken parallel zueinander. Dann entsprechen die Längen der Projektionen den Längen der Querschnittsstrek­ ken. Anhand der errechneten lokalen Querschnittsstrecken läßt sich dann der Querschnitt des länglichen Körpers als Ellipse annähern und daraus der Umfang bestimmen. Die Praxis hat gezeigt, daß diese elliptische Näherung zur Bestimmung des Durchmessers in vielen Fällen aus­ reicht. Durch die starre Führung des Rahmens ist neben der relativen Größe der Querschnittsstrecken auch deren absolute Lage relativ zur Vorrichtung bestimmbar. Durch die Synchronisierung der Längsverschiebung des Rahmens zur Querschnittsausmessung ist darüber hinaus jedem Meßwert eine axiale Position zuordenbar. Das Ausmessen des Querschnittes kann aber auch nach einer anderen Methode, wie sie beispielsweise in der DE-OS 35 35 270 offenbart ist, durchgeführt werden. Es können einer Lichtquelle eine Vielzahl von Sensoren zugeordnet sein oder umgekehrt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Vorrich­ tung,

Fig. 2 ein Schnittbild der Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Meßstellen,

Fig. 4 eine Meßstelle im Querschnitt,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung einer Meßstelle und

Fig. 6 die graphische Darstellung der Meßergebnisse.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einer Grundplatte 8, auf der auf Schienen 5 und 7 der Meßrahmen 1 geführt ist. Der Meßrahmen 1 kann dabei mit Rollen 6 auf Schienen 5 geführt sein. Der Meßrahmen 1 weist dabei eine Öffnung mit einem im wesentlichen recht­ eckigen Querschnitt auf. Durch diese Öffnung ist der längliche Körper, im Falle des Ausführungsbeispiels ein menschliches Bein 11, hindurchführbar. Zur Stützung der Ferse ist eine Fersenstütze 4 am Ende der Vorrichtung angeordnet. An den Innenseiten des Rahmens in die Öff­ nung gerichtet befinden sich Leuchtdioden 2, 2′ und Phototransistoren 3, 3′. Die Leuchtdioden 2, 2′ sind rei­ henförmig hintereinander angeordnet. Die Leuchtdioden bilden zwei senkrecht aufeinander stehende Reihen aus, die zusammen eine gemeinsame Meßebene aufspannen. Eben­ falls in dieser Meßebene liegen die Phototransistoren 3, 3′, die ebenfalls rechtwinklig zueinander angeordnet sind und zwar so, daß jeweils ein Phototransistor zu einer gegenüberliegenden Leuchtdiode 2, 2′ ausgerichtet ist. Durch die jeweils paarweise angeordneten Leuchtdi­ oden 2, 2′ und Phototransistoren 3, 3′ sind eine Viel­ zahl von parallel bzw. rechtwinklig zueinander angeordne­ ten Lichtschranken gegeben. Der Abstand der Leuchtdioden 2, 2′ bzw. der Phototransistoren 3, 3′ zueinander ist jeweils der identische und hängt von der Größe der Meßge­ nauigkeit ab. Der Abstand beträgt einige Millimeter. Der Meßrahmen kann von einem Computer 10 motorgetrieben auf der Grundplatte 8 in Richtung x hin und her bewegt wer­ den. Hierzu kann ein Zahnrad vorgesehen sein, das in eine Zahnstange 7 eingreift. Es ist aber auch vorgese­ hen, daß der Meßrahmen von Hand in x- Richtung verlagert werden kann, dann wird aber die jeweilige Meßrahmenposi­ tion über die Datenleitung 9 dem Rechner mitgeteilt.

Über die Datenleitung 9 zwischen Rechner und Rahmen 1 werden aber auch die Leuchtdioden 2, 2′ und die Sensoren 3, 3′ aktiviert. Die Leuchtdioden werden dabei eine nach der anderen aktiviert und gleichzeitig wird am zugehöri­ gen Sensor gemessen. Wegen der sehr kurzen An- und Ab­ klingzeiten von Lichtquelle und Sensor sind außerordent­ lich hohe Meßgeschwindigkeiten erzielbar. So kann in wenigen Millisekunden ein Querschnitt aufgenommen wer­ den, so daß die Zeit für die Gesamtbenutzung im Bereich von Sekunden liegt.

In Fig. 3 ist schematisch die Lage der einzelnen Meß­ stellen 12 dargestellt. Dargestellt ist beispielhaft eine Meßstelle am Unterschenkel und eine weitere Meßstel­ le am Oberschenkel. Zur Ermittlung der lokalen Quer­ schnittsstrecke 15 werden zunächst an den Meßstellen 12, 12′, 12′′ die Lage und die Größe 14, 14′, 14′′ der Quer­ schnittsstrecken bestimmt. Anhand dieser Werte wird dann die Längsschnittkontur 18, 18′ des länglichen Körpers 11 interpoliert. Dies ist möglich, da die Meßpunkte 16, 16′, 16′′ und 17, 17′, 17′′ im Raum bzw. in der Ebene der Längsschnittkontur bestimmt sind. Es wird dann der durch die Meßstelle 12 gehende minimale Abstand zwischen den Konturlinien 18, 18′ bestimmt. Dieser Abstand ent­ spricht dann der lokalen Querschnittsstrecke 15 und steht senkrecht auf der lokalen Achse 13. Die lokale Querschnittsstrecke 15 wird jeweils zu den beiden in der Meßebene senkrecht aufeinanderstehenden Meßrichtungen bestimmt. Liegen diese beiden Querschnittsstrecken 15 fest, so liegt auch die minimale Querschnittsfläche fest, und ihre relative Winkellage zur Meßebene. Der lokale Umfang wird bestimmt aus der von den beiden Quer­ schnittsstrecken 15 aufgespannten Elypsen. Wegen der Parallelität der Lichtstrahlen 20 und 21 bzw. 20′ und 21′ entspricht die Querschnittsstrecke 14 der Projektion 19 und die Querschnittsstrecke 14′ der Projektion 19′. Projektionen 19, 19′ und Querschnittsstrecken 14, 14′ stehen jeweils senkrecht aufeinander. Im Ausführungsbei­ spiel liegen sämtliche zu einer Meßstelle gemessenen Projektionen 19, 19′ in einer Ebene, nämlich der Meßebe­ ne. Durch die Verschiebbarkeit des Meßrahmens in Rich­ tung zur Flächennormale der Meßebene liegen sämtliche Meßebenen der verschiedenen axial distanzierten Meßstel­ len parallel zueinander. Im Unterschied dazu liegen die zu jeder Meßstelle ermittelten lokalen Querschnittsebe­ nen des länglichen Körpers, welche senkrecht auf der lokalen Achse stehen, nicht unbedingt parallel zueinan­ der, sondern werden sich im allgemeinen schneiden. Da zu jeder Meßstelle 12 ein Umfangswert bestimmt wird, wird insgesamt ein Umfangsprofil des ganzen Körpers aufgenom­ men.

Anhand vorgegebener Charakteristika können nun bestimmte Meßstellen ausgewählt werden, deren Umfangsdaten für die Anpassung eines Kompressionsstrumpfes charakteristisch sind. Dies kann entweder manuell geschehen oder aber auch vom Rechner selbsttätig durchgeführt werden. Die so bestimmten charakteristischen Meßwerte können dann gra­ phisch dargestellt werden wie dies beispielsweise in Fig. 6 angedeutet ist. Die Kleinbuchstaben a bis f stellen dabei die charakteristischen Werte dar und die Lage der Markierungen 33 in Richtung des Pfeiles 34 die Größe des dort ermittelten Umfanges relativ zu einem vorgegebenen Umfangsbereich, der jeweils einer Standard­ strumpfgröße zugeordnet ist. Liegen sämtliche Markierun­ gen 33 in einem für einen Standardstrumpf charakteristi­ schen Bereich, so kann ein solcher gewählt werden. Fal­ len jedoch verschiedene Markierungen 33 in bestimmter Weise aus diesem Bereich heraus, so ist erkennbar, daß kein Standardstrumpf verwendet werden kann, sondern eine Einzelanfertigung notwendig ist.

Die Ermittlung der Beinmaße a bis f wird teilweise vom Rechner selbst durchgeführt. Anhand aller lokalen Um­ fangswerte kann er z. B das b-Maß, den geringsten Umfang des Unterschenkels, oder das c-Maß, den größten Waden­ durchmesser, bestimmen. Ebenso läßt sich aus der Kontur des Umfangsprofils die Lage des Knies ermitteln.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ermittlung eines Umfangsprofils länglicher Körper, insbesondere menschlicher Extremi­ täten (11), mit einem Meßrahmen (1), an welchem nach innen gerichtet, umfänglich angeordnet, eine Meßebene ausbildend eine Lichtschrankenanordnung aus einer Vielzahl von Lichtquellen (2, 2′) und -sensoren (3, 3′) vorgesehen ist, welche von einem Rechner (10) gesteuert aktivierbar sind, wobei der Meßrahmen (1) in Richtung x normal zur Meßebene eine Vielzahl von Meßstellen (12, 12′, 12′′) abtastend verlagerbar ist und wobei durch Schattenwurf an jeder Meßstelle (12, 12′, 12′′) eine Vielzahl von Projektionen (19, 19′) des Körpers aufgenommen und abgespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines jeder Meßstelle (12) zugeordneten lokalen Umfangs (16), welcher einer senkrecht zur lokalen Achse (13) des Körpers liegenden lokalen Querschnittsebene zuge­ ordnet ist, neben der Größe der Projektion auch die Lage der Projektion sowohl der Meßstelle (12) als auch der benachbarten Meßstellen (12′, 12′′) hinzuge­ zogen werden.

2. Vorrichtung nach oder insbesondere nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rechteckigen Rahmen (1) mit zwei im rechten Winkel zueinander stehenden rei­ henförmig angeordneten Paaren von Lichtquellen (2, 2′) und gegenüberliegenden -sensoren (3, 3′), zur Aufnahme jeweils zwei einer Meßstelle zugeordneten senkrecht zueinander stehenden Querschnittsstrecken (14, 14′, 14′′), wobei eine lokale Querschnittsstrec­ ke (15, 15′) ein Interpolationswert aus den Werten der relativen Lage und der Größe der Projektionen (19, 19′) benachbarter Meßstellen ist.

3. Vorrichtung nach oder insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die lokalen Querschnittsstrecken (15, 15′) die Minimalabstände der durch die Interpolation funktionalisierten Längsschnittkonturlinien (18, 18′) sind.

4. Vorrichtung nach oder insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestimmung der Umfangswerte eine Vielzahl von benachbarter Meßstellen (12, 12′) hinzu­ gezogen wird.

5. Vorrichtung nach oder insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Werte für die Lage und Größe der jeder Meßstelle zugeordneten Querschnittsstrecken (14, 14′1, 14′′) in einem Rechner abgespeichert werden.

6. Vorrichtung nach oder insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquellen (2, 2′) Leuchtdioden oder Halbleiterlaser und die Sensoren Halbleitersenso­ ren wie Photodioden oder Phototransistoren sind.

7. Verfahren zur Ermittlung eines Umfangprofils längli­ cher Körper, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abspeichern aller Meßwer­ te für die Lage und die Größe der Projektionen (19, 19′) zu jedem Meßpunkt (12) ein lokaler Umfangswert bestimmt wird, welcher einer senkrecht zu einer loka­ len Achse liegenden lokalen Querschnittsebene zugeord­ net ist, wobei sowohl die Lage als auch die Größe der Projektionen (19, 19′) der jeweils benachbarten Meß­ stellen (12′, 12′′) hinzugezogen werden.