DE4321733C2

DE4321733C2 - Vorrichtung zur Applikation von Drehmomenten und zur Messung biomechanischer Parameter

Info

Publication number: DE4321733C2
Application number: DE19934321733
Authority: DE
Inventors: Uwe Bradl; Hans-Christoph Scholle; Frank Horn
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: DE4321733A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Applikation von Drehmomenten und zur Messung biomechanischer Parameter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung dient der Messung von mechano-physiologischen Parameter durch eine definierte mechanische Stimulation, indem zeitkonstante oder funktionell variable Drehmomente auf einen Probanten einwirken. Die Vorrichtung findet in der medizinischen Forschung, der Diagnose und der Therapie Anwendung.

Bekannt ist eine Methode zur isokinetischen Muskeldiagnose (Seibert, G., Verdonck, A., Duesberg, F.: "Isokinetische Systeme - Funktionsprüfung und Kalibrierung" medizintechnik, 111. Jg. 5/91, S. 165-172). Es werden die Funktionsanalyse verschiedener isokinetischer BeIastungs- und Diagnosegeräte, der Vergleich der erhobenen Geräteparameter und eine Bewertung der untersuchten gerätetechnischen Lösungen geliefert. Bei isokinetischen Untersuchungen werden gleichbleibende Untersuchungsbedingungen dadurch geschaffen, daß die Winkelgeschwindigkeit der untersuchten Extremität bezüglich der Gelenkachse konstant gehalten wird. Dynamische Belastungsuntersuchungen sind mit den vorgestellten Geräten nicht möglich.

Bekannt sind weiterhin kommerzielle Untersuchungssysteme (Firmenprospekt "LIDO" von der Firma Loredan Biomedical Inc., DAVIS, California, U.S.A.), die dem Tracking (Nachfolgen von Vorgabefunktionen durch Bewegung in bestimmten Gelenken) dienen und dabei die Bewegungen der jeweiligen Extremitäten (keine Kräfte oder Drehmomente!) aufzeichnen.

Hierbei erfolgt jedoch keine definierte Störung durch Applikation von Störsignalen oder Störkräften. Eine kombinierte Untersuchung der Halte- und/oder Folgeregelung ist mit den bekannten Anordnungen nur eingeschränkt möglich. Die Bewegungsmöglichkeiten sind eingeschränkt und sind nicht ausreichend, um die Vielzahl physiologisch möglicher Extremitätenstellungen zu untersuchen. Die bekannten Anordnungen sind große und schwer zu handhabende Geräte. In DE-OS 39 29 636 ist ein Gerät zur Untersuchung der Handfunktion beschrieben. Pneumatisch erzeugte Kräfte wirken mittels einer Zylinder-Kolben-Anordnung nur zwischen Hand und Daumen ein. Kräfte und Wege werden gemessen und ausgewertet. Mit diesem Gerät ist eine differenzierte Untersuchung einzelner Finger nicht möglich. Das Gerät ist nicht für andere Extremitäten anwendbar.

Die Erfindung soll das Problem lösen, eine leichte und transportable Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, nahezu alle physiologisch möglichen Extremitätenstellungen zu untersuchen. Es sollen freiwählbare Drehmoment-Zeit- Verläufe applizierbar sein. Weiterhin sollen Sollbewegungen frei vorgebbar sein. Das Prinzip des Gerätes soll für nahezu alle Gelenke des Menschen anwendbar sein.

Die Lösung der Aufgabe gelingt bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine elektromechanische Apparatur. Sie besteht aus einer Stimulationsbaugruppe mit Motor, einer Sensorikbaugruppe zur Aufnahme der biomechanischen Parameter (Weg und Drehmoment) und einem beistehenden Gerät zur Spannungsversorgung, Motorsteuerung und Meßwertverarbeitung.

Die Stimulationsbaugruppe besteht aus einem auf einer Grundplatte befestigten Motor, der mit einer Antriebsachse verbunden ist. Zwischen der Antriebsachse und einer Abtriebsachse befindet sich ein Drehmomentsensor. In der Abtriebsachse erfolgt eine elektrische Potentialtrennung zwischen Motor und Stimulationsteil. Auf der Grundplatte sind Lagerstellen für die Abtriebsachse angeordnet. Die Abtriebsachse ist im Bereich der zu lagernden Extremität aus der Drehachse so verlagert, daß die zu bewegenden Extremitäten mit ihrem Gelenkdrehpunkt in der Drehachse liegen können. Die Abtriebsachse ist in Richtung Grundplatte verlagert. Auf dem verlagerten Teil der Abtriebsachse ist eine auswechselbare Platte zur Auflage der bewegten Extremitäten befestigt. Zusätzlich ist an der Grundplatte eine feststehende Auflage für die festliegenden Extremitäten befestigt.

Die Verlagerung der Abtriebsachse aus dem Drehpunkt und das Hineinlegen der Gelenkachse in den Drehpunkt gewährleistet, daß verfälschende Reibungsmomente zwischen bewegten Extremitäten und der beweglichen Auflage vermieden werden. Es ist eine exakte Übertragung und Bestimmung des stimulierenden Drehmomentes gewährleistet. Der Bewegungsspielraum der drehbaren Auflage ist durch mechanische Anschläge sicher begrenzt.

Die beweglich drehbare Auflage und die feststehende Auflage sind verschiedenartig dimensioniert. Die Gestaltung erfolgt so, daß die Extremitäten des Drehgelenkes die nicht bewegt werden sollen festliegen und die Extremitäten, die bewegt werden sollen in einem festen Kontakt mit der beweglichen Auflage sind. Dieser Kontakt wird durch das Fixieren mittels Klettverschluß erreicht. Die Auflagen haben den Extremitätengrößen angepaßte Längen und Breiten.

Zur Meßwertgewinnung ist die Antriebsachse motorseitig unterbrochen. Die Unterbrechung wird durch einen Drehmomentsensor so überbrückt, daß eine spielfreie Bewegungsübertragung erfolgt und eine exakte richtungsabhängige Drehmomentmessung erreicht wird.

Weiterhin ist ein Drehwinkelgeber über einen Riementrieb mit der Drehachse verbunden, der die exakte Position der beweglichen Auflage mißt. Drehmomentgeber und Drehwinkelgeber sind mit Eingängen der Meßwertverarbeitung verbunden.

Die Meßwertverarbeitung besteht aus Baugruppen zur AD-Wandlung der Meßsignale und einen Rechner zur Steuerung, Speicherung, Visualisierung und Auswertung. Mittels statistischer und/oder signal- und/oder systemanalytischer Methoden und Modelle erfolgt eine Auswertung der gewonnenen Meßwerte. Die Meßergebnisse werden gespeichert und/oder graphisch dargestellt. Die Motorsteuerung erfolgt ebenfalls über einen Rechner, der der Rechner der Meßwertverarbeitung sein kann. Der Rechner ist über DA-Wandler mit dem Motor verbunden.

Die Verarbeitung der Meßwerte und die Motorsteuerung erfolgen nach speziellen Algorithmen, wobei die gewonnenen Meßwerte wahlweise die Steuerung des Motors beeinflussen.

Die elektromechanische Apparatur ist drehbar, verschiebbar und arretierbar an einem Fahrstativ befestigt. Durch die transportable Ausführung sind flexible Untersuchungen in verschiedenen Extremitäten und Extremitätenstellungen (z. B. Normal-, Supination- und Pronationsstellung der oberen Extremität) möglich.

Der Drehmomentsensor besteht aus einem antriebseitig befestigten Balken und einem abtriebseitig befestigten Balken. Zwischen den Balken sind in einem Abstand zur Drehachse Kraftmeßdosen angeordnet, wobei diese elektrisch als Brücke miteinander verschalten und mechanisch vorgespannt sind, um einen hysteresefreien linearen Kennlinienverlauf zu erreichen.

Weiterhin werden im Zusammenhang mit der Messung der biomechanischen Parameter elektrophysiologische Parameter ermittelt und der Meßwertverarbeitung zugeführt.

Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung definierter reproduzierbarer probandenbezogener Belastungsbedingungen. Während der Untersuchung und/oder Applizierung verschiedener Testmuster erfolgt die Bestimmung der (patho-)physiologischen Eigenschaften. Durch sprung- oder impulsförmige periodische oder aperiodische Belastungsänderungen mit variablen Signalformen und Signalbreiten für die Grobkoordination und die Feinkoordination, motorische Adaption, motorisches Lernen und motorische Reaktionsfähigkeit werden die physiologischen Eigenschaften der motorischen Halte- und/oder Folgeregelung bestimmt.

Es werden die unterschiedlichsten Ebenen der Regulation (muskulär, spinal, subspinal) erfaßt. Es ergibt sich somit die Möglichkeit der quantifizierenden Beurteilung von Gesamt- und Teilfunktionen des motorischen Systems durch die Ermittlung von Kennfunktionen (die beispielsweise das Verhältnis einer Ausgangsfunktion zu einer vorgegebenen Eingangsfunktion beschreibt). Es können passive und aktive Belastungsbedingungen realisiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel der Anordnung für die Hand beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 Vorrichtung zur Applikation von Drehmomenten in der Seitenansicht,

Fig. 2 Vorrichtung zur Applikation von Drehmomenten in der Draufsicht,

Fig. 3 Drehmomentsensor.

Gemäß der Fig. 1 und 2 sind auf einer Grundplatte 1 Lagerböcke 3 und 4 und ein weiterer Lagebock 2 aufgeschraubt.

Der weitere Lagerbock 2 trägt den Motor 18. Zwischen dem Lagerbock 3 und dem weiteren Lagerbock 2 ist ein Drehmomentsensor 5 gelagert. Die Verbindung zwischen dem Motor 18 und dem Drehmomentsensor 5 ist motorseitig durch eine Antriebsachse 9 hergestellt. Der Drehmomentsensor 5 ist auf der anderen Seite mit einer Abtriebsachse 8 verbunden. Am Lagerbock 3 ist antriebseitig ein Drehwinkelgeber 6 angeordnet, der über einen Riementrieb 7 mit der Abtriebsachse 8 gekoppelt ist. Zwischen dem Lagerbock 3 und dem Lagerbock 4 sind antriebseitig Konstruktionsteile 10 zur Potentialtrennung der Abtriebsachse 8 vorgesehen. Zwischen den Konstruktionsteilen 10 zur Potentialtrennung und dem Lagerbock 4 befinden sich die Konstruktionselemente 11 zur Aufnahme der Finger. Diese Konstruktionselemente 11 zeichnen sich dadurch aus, daß die Drehachse der Abtriebsachse 8 im Bereich des Gelenkes der zu bewegenden Extremitäten durch einen verlagerten Achsteil 12 aus der Drehachse 13 der zu bewegenden Extremitäten verlagert ist. Weiterhin sind eine mit der Grundplatte 1 verbundene feste Auflage 14 und die mit dem verlagerten Achsteil 12 verbundene kippbare Auflage 15 zur Lagerung der Extremitäten vorgesehen. Zur definierten Fixierung der Extremitäten sind an der festen Auflage 14 und an der kippbaren Auflage 15 Bänder mit Klettverschlüssen vorgesehen.

Die konstruktiven Ausführungen der festen Auflage 14 und der kippbaren Auflage 15 richten sich nach den zu untersuchenden Extremitäten. Mit der Anordnung werden zum Beispiel die Finger einer Hand einzeln beweglich oder in beliebiger Kombination beweglich, Oberschenkel fest und Unterschenkel beweglich, Oberarm fest und Unterarm beweglich untersucht.

An der Grundplatte 1 ist eine Klemme 23 befestigt, die einen Stab 22 eines Statives klemmt. Die Klemmung ermöglicht eine variable Lageeinstellung der Vorrichtung. Die Fig. 1 und 2 zeigen die Ausführung der Konstruktionselemente 11 für die Untersuchung der Hand mit beweglichen Zeigefinger, Mittelfinger, Ringfinger und feststehender Mittelhand, Daumen und kleinen Finger.

Die feste Auflage 14 ist flächig ausgebildet und dient zur Auflage der Mittelhand. Die feste Auflage 14 ist mit der Grundplatte 1 so verbunden, daß ihre Auflagefläche unterhalb der Drehachse 13 in Richtung der Platte 1 liegt und ihre Begrenzung in einem Abstand von der Drehachse 13 ist. In der Ebene der festen Auflage 14 sind auswechselbare feststehende Fingerauflagen 16 mit der Grundplatte 1 verbunden, die die Abtriebsachse 8 so überdecken und die so breit sind, daß die festzulegenden Finger eine genügende Auflage erhalten. Im Bereich, in dem die anderen Finger bewegt werden sollen, ist die kippbare Auflage 15 mit dem verlagerten Achsteil 12 über eine Führung 17 verbunden, die ein leichtes Wechseln der kippbaren Auflage 15 ermöglicht. Die Breite der kippbaren Auflage 15 entspricht der Breite von Zeigefinger, Mittelfinger und Ringfinger.

Die Fingerauflagen 16 und die kippbare Auflage 15 können auch beliebig anders dimensioniert werden, um eine Anpassung an die Länge und Breite der zu untersuchenden Hand zu erreichen.

Fig. 3 zeigt den Drehmomentsensor. Er besteht aus einem antriebseitig befestigten Balken 19 und einem abtriebseitig befestigten Balken 20. Zwischen den Balken 19 und 20 sind in einem Abstand zur Drehachse 13 Kraftmeßdosen 21 angeordnet. Die Kraftmeßdosen 21 sind elektrisch als Brücke verschalten und mechanisch vorgespannt, um einen hysteresefreien linearen Kennlinienverlauf zu erreichen.

Bezugszeichenliste

1 Grundplatte
2 Lagerblock
3 Lagerblock
4 Lagerblock
5 Drehmomentsensor
6 Drehwinkelgeber
7 Riementrieb
8 Abtriebsachse
9 Antriebsachse
10 Konstruktionsteile zur Potentialtrennung
11 Konstruktionselemente
12 verlagerter Achsteil
13 Drehachse
14 feste Auflage
15 kippbare Auflage
16 Fingerauflage
17 Führung
18 Motor
19 antriebseitig befestigter Balken
20 abtriebseitig befestigter Balken
21 Kraftmeßdose
22 Stab
23 Klemme

Claims

1. Vorrichtung zur Applikation von Drehmomenten und zur Messung biomechanischer Parameter, bestehend aus einer elektromechanischen Stimulationsbaugruppe an einem verstellbaren Stativ und einem zugehörigen beistehenden Gerät zur Spannungsversorgung, Motorsteuerung und Meßwertverarbeitung, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stimulationsbaugruppe eine Grundplatte (1) hat, auf der Grundplatte (1) Lagerböcke (3, 4) und ein weiterer Lagerbock (2) befestigt sind, die eine Achse in einem Abstand zur Grundplatte (1) lagern,
mit der Grundplatte (1) zwischen den zwei Lagerböcken (3, 4) in einem Abstand eine feste Auflage (14, 16) befestigt ist, wobei eine Auflagefläche der festen Auflage (14, 16) zwischen der Drehachse (13) und der Oberfläche der Grundplatte (1) liegt, der weitere Lagerbock (2) einen Motor (18) mit seiner Antriebsachse (9) trägt, zwischen den zwei Lagerböcken (3, 4) eine Abtriebsachse (8) gelagert ist, weiterhin die Abtriebsachse (8) im Bereich der festen Auflage (14, 16) aus ihrer Drehachse (13) in Richtung Grundplatte (1) verlagert ist (verlagerter Achsteil 12) und an dem verlagerten Achsteil (12) eine kippbare Auflage (15) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lagerbock (3) und dem weiteren Lagerbock (2) ein Drehmomentsensor (5) die Antriebsachse (9) und die Abtriebsachse (8) zur Kraftübertragung verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor (5) aus einem antriebseitig mittig gelagerten Balken (19) und einem abtriebseitig mittig gelagerten Balken (20) aufgebaut ist und die Balken (19) und (20) in einem gleichen Abstand zur Drehachse (13) einander gegenüberliegen, wobei in einem gleichen radialen Abstand von der Drehachse (13) Kraftmeßdosen (21) unter Vorspannung zwischen den Balken (19) und (20) eingeklemmt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtriebsachse (8) zwischen dem Lagerbock (3) und dem verlagerten Achsteil (12) eine Teilung erfolgt, wobei durch Konstruktionsteile (10) aus isolierendem Material eine Potentialtrennung erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensorikbaugruppe aus einen Drehmomentsensor (5), der zwischen einer Antriebsachse (9) und einer Abtriebsachse (8) angeordnet ist, und einen Drehwinkelgeber (6), der mittels Riementrieb (7) mit der Abtriebsachse (8) verbunden ist, besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau und die Abmessungen der festen Auflage (14, 16) und der kippbaren Auflage (15) von den zu untersuchenden Extremitäten bestimmt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßwertverarbeitung zusätzlich Eingänge zur Erfassung elektrophysiologischer Parameter vorhanden sind.