DE4336144A1

DE4336144A1 - Verfahren zur Erfassung der Oberflächenform von Körpern sowie eine Vorrichtung in Form einer Meßwalze zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4336144A1
Application number: DE4336144A
Authority: DE
Inventors: Wolfang Brunner
Original assignee: Zebris Medizintechnik GmbH
Current assignee: Zebris Medizintechnik GmbH
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1995-04-27

Description

Im Bereich der Medizin ist die Bestimmung der Position und der Bewegungsabläufe von Gelenken, wie zum Beispiel der Wirbelsäule von großem Interesse. Die Position der Wirbelsäulensegmente kann beispielsweise durch röntgentechnische Maßnahmen bestimmt werden. 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 der Oberflächenform der Dornfortsätze der Wirbelsäule 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 Wirbelsäulen erfaßt, gemessen, dargestellt und gespeichert werden kann.

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 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.

Da sich über den zu erfassenden Körperoberflächen Haut, Fettgewebe oder Muskulatur befinden kann, muß eine entsprechende Kraft auf die Oberfläche ausgeübt werden, wodurch diese zusammengedrückt oder verdrängt wird, um brauchbare Ergebnisse zu bekommen. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß auf der Oberfläche einer Walze rasterförmig angeordnete Druck- bzw. Wegsensoren eingesetzt, die von Hand oder mit einer entsprechenden Vorrichtung gegen die zu erfassende Oberfläche gedrückt und abgerollt werden. Die auf Abstands- bzw. Wegänderungen oder Druck reagierenden Elemente geben dabei elektrische Signale ab. Diese Signale werden dann erfaßt und derart ausgewertet, daß die Meßsignale der nacheinander abgerollten Sensoren zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Das Aufdrücken der Meßfläche auf den Körper kann mit einer Vorrichtung in Form eines Meßstempels von Hand erfolgen. Dabei soll die Meßwalze eine bestimmte Größe möglichst nicht überschreiten, um die aufzuwendende Kraft nicht unnötig zu vergrößern.

Die Walze ist in ihrem Querschnitt vorzugsweise kreisrund. Ausführungen in ovaler oder halbrunder Form sind insbesondere für Ausführungen mit großem Krümmungsradius möglich. Das Aufbringen kann auch mit entsprechenden Vorrichtungen geschehen.

Um ein Abrutschen der Walze von den Knochenvorsprüngen beispielsweise an der Wirbelsäule zu verhindern, ist es u. a. vorteilhaft, die Oberfläche der Meßrolle mit einer Innenwölbung zu versehen. Ebenso kann eine Außenwölbung der Oberflächenform entlang der Meßrolle nützlich sein, um den Druck auf die Meßfläche zu vergrößern.

Die abgerollte Oberflächenstruktur kann von einer Recheneinheit in einer Auswertung zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden. Die Länge des ausgewerteten Bildes entspricht hierbei dem Umfang der Walze. Wird die Walze in ihrem Umfang einmal ganz abgerollt, so können die Meßwerte eines weiteren Abrollvorgangs direkt an die ersten Meßergebnisse angefügt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die absolute Raumposition des Meßstempels mit einem Positionssensor gegenüber einer stationären Meßvorrichtung bestimmt. Dieser kann beispielsweise am Ende des Haltegriffs angebracht sein. Wird die Dimension der Meßwalze berücksichtigt, so kann die genaue Position der gemessenen Oberfläche bestimmt werden. Hierzu kann es notwendig sein, zusätzliche Referenzmarker am Körper des Probanden anzubringen und die Position der Meßwalze hierzu in Bezug zu setzen.

Die Oberflächenmessungen aus verschiedenen Positionen können hierdurch 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 Positionsmessungen 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) zu zumindest drei stationär angeordneten Schallempfängern (Sendern) bestimmt wird. In anderer Form können die Positionen mit Kameras oder anderen Einrichtungen zur Positionsbestimmung bestimmt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem Meßaufnehmer, in dem eine Walze mit einer der zu erfassenden Körperoberfläche zugewandten Meßfläche, auf der matrixförmige Anordnungen von elektrischen Sensoren zur Druck- oder Abstands- bzw. Wegbestimmung enthalten sind, und die mit einer Auswerteeinrichtung für die von den Sensoren abgegebenen Signale verbindbar ist, durchgeführt werden. Die Meßflächen können aus den Oberflächen von kompressiblen Elementen bestehen, die auf einer oder zwei Seiten mit einer Matrix der Sensoren, die auf Druck-, Abstands- oder Wegänderung reagieren, beaufschlagt 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 oder der eingeleitete Druck bestimmt werden.

Das elastische Element kann bevorzugt aus einem Schaumstoff oder einem elektrisch leitfähigen Schaumstoff bestehen.

Die Sensoren können beispielsweise auch aus Drucksensoren einer im wesentlichen weglos arbeitenden Drucksensormatrix bestehen, über die eine oder mehrere Platten der kompressiblen elastischen Elemente angeordnet sein können. Befindet sich unter der Matrix ein kompressibles elastisches Element, so wird die Drucksensormatrix vorzugsweise auch flexibel ausgestaltet.

Eine einfache Ansteuerung der Sensoren ergibt sich durch eine zeilen- und spaltenförmige Anordnung der Sensoren, wobei diese nacheinander zeilen- und spaltenförmig angesteuert und abgefragt werden können. Bei kapazitiven Sensoren können hierbei leitfähige, sich kreuzende Bahnen auf beiden Seiten eines elastischen Dielektrikums angeordnet sein. Jeder Sensor kann dadurch abgefragt werden, daß beispielsweise an einer Zeile ein Wechselspannungssignal angelegt wird und an einer Spalte ausgelesen wird. Wird auf die Kreuzungsstelle Druck ausgeübt, so verringert sich der Plattenabstand und das Ausgangssignal erhöht sich und kann über eine Eichung einem Druck oder einem Weg zugeordnet werden.

Da die Sensoren der Walze nicht gleichzeitig sondern nur an der Aufdruckstelle belastet werden, ist es möglich, entlang des Umfangs der Walze Sensorgruppen zu bilden, wobei jeweils eine der im wesentlichen senkrecht zum Umfang angeordneten Spalten jeder Gruppe gleichzeitig angesteuert oder abgefragt wird.

Die Sensorgruppen entlang des Umfangs müssen so groß sein, daß es durch die belastete Fläche nicht möglich ist, daß zwei gleichartig angeordnete Spalten jeder Gruppe gleichzeitig belastet werden. Durch diese Anordnung läßt sich die Ansteuer- oder Abfrageelektronik erheblich vereinfachen.

Zur Bestimmung des Drehwinkels der Meßwalze oder der Neigung der Meßfläche kann in einer besonderen Ausführungsform eine zweite Führungsrolle mit der Meßrolle verbunden sein. Wird der Drehwinkel mittels eines Drehwinkelgebers in bezug zu dieser Führungsrolle oder zum Haltegriff gemessen, so kann bestimmt werden, welche Sensorgruppe gerade gemessen wird.

Durch das Anbringen eines Neigungssensors an der Verbindung zwischen Führungs- und Meßrolle kann die Neigung der Meßfläche mitausgegeben werden. Ebenso kann durch seitliche Auslegearme, sowohl eine Führung als auch mit den entsprechenden Winkelsensoren eine Schrägstellung der Meßwalze gemessen und in der Auswertung berücksichtigt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann die aufgebrachte Anpreßkraft mit einer Kraftmeßvorrichtung (Kraftmeßsensor) vorzugsweise an der Achse oder im unteren Teil des Griffs gemessen werden. Hierdurch ist eine Eichung der Meßdaten der Einzelsensoren möglich.

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

Fig. 1 einen Meßaufnehmer zur Durchführung eines erfindungs gemäßen Verfahrens in Form einer Meßwalze;

Fig. 2 Ausführungsformen des Meßstempels mit einer nach innen und außen gewölbten Meßfläche;

Fig. 3 eine Ausführungsform des Meßstempels mit zeilen- und spaltenförmig zu Gruppen verschalteten Meßflächen;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Meßstempels mit zu Zeilen und Spalten verschalteten Meßsensoren (5) und elastischem Dielektrikum (6);

Fig. 5 Meßstempel mit zusätzlicher Führungsrolle (7), Drehwinkelgeber (8) und Neigungsmesser (9);

Fig. 6 einen Meßstempel mit Markern (10) zur Positionserkennung;

Fig. 7 die Anwendung der Meßwalze bei Fig. 6 am mensch lichen Körper mit der Auswertung der Signale durch eine Meßanordnung.

In Fig. 1 besteht der Meßaufnehmer aus einer Meßwalze (1), die an der Außenfläche rasterförmig angeordnete Druck- oder Wegesensoren (2) aufweist. Die Meßwalze ist auf einer Achse (3) drehbar angeordnet, welche mit einem Griff (4) verbunden ist, der das Aufdrücken der Meßwalze auf die zu erfassende Körperoberfläche ermöglicht.

Von der Meßwalze abzuleitende elektrische Meßsignale können über Schleifkontakte, die im Innern der Meßwalze angebracht werden können, nach außen abgeleitet werden. Bevorzugt ist eine Ableitung durch den Griff.

Die Fig. 2 zeigt Ausführungsformen, in der die Meßfläche nach innen oder außen gewölbt ausgestaltet sind, um eine Anpassung an die Körperoberflächen zu verbessern.

Fig. 3 zeigt eine Verschaltung von vorzugsweise kapazitiven oder resistiven Sensoren, die durch sich kreuzende leitfähige Bahnen gebildet werden. Zwischen diesen Bahnen kann sich bei kapazitiven Sensoren beispielsweise ein elastisches Dielektrikum befinden. Die Ansteuerung und das Auslesen der Meßsignale kann jeweils über einen der zeilen- und spaltenförmigen Bahnen erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind hier die Sensoren beispielhaft zu zwei Gruppen I + II zusammengeschaltet, wodurch sich die Ansteuerung wesentlich vereinfacht.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Meßwalze mit kapazitiven Sensoren (5) und elastischem Dielektrikum (6).

Fig. 5 zeigt eine Meßanordnung mit einer Meßwalze (1) und zusätzlich einer damit verbundenen Führungsrolle (7). Der Haltegriff (4) ist vorzugsweise gegenüber dem Befestigungselement zur Führungsrolle (7) beweglich angeordnet. Am Befestigungselement zur Führungsrolle (7) ist zur Bestimmung der Neigung der Meßfläche ein Neigungssensor (9) angebracht. Durch den mit der Drehachse verbundenen Drehwinkelgeber (8) kann der Drehwinkel der Walze bestimmt werden.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, die Marker (10) zur Positionserkennung aufweist.

Die Fig. 7 zeigt die Anwendung des Meßaufnehmers am menschlichen Körper, wobei die Signale, die von den Sensoren erzeugt werden, über elektrische Leitungen an einen Rechner weitergegeben werden, in dem die Signale ausgewertet werden.

Claims

1. Verfahren zur Erfassung der Oberflächenform von Körpern, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßfläche gegen den Körper gedrückt und abgerollt wird, die auf einer Walze, die beim Aufdrücken eine Kraft gegen die Meßfläche erzeugt, angeordnet ist, die matrixförmige Anordnungen von elektrischen Sensoren enthält, die auf Druck, Abstands- bzw. Wegänderungen reagieren, und die von den Sensoren elektrischen Signale nach dem Meßort ausgewertet und einander zugeordnet werden.

2. Meßaufnehmer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Walze mit einer der zu erfassenden Körperoberfläche zugewandten Meßfläche, matrixförmige Anordnungen von elektrischen Sensoren, die auf Druck, Abstands- oder Wegänderung reagieren, sowie eine Haltevorrichtung, die eine Druckausübung gegen die zu erfassende Körperoberfläche ermöglicht, wobei die Sensoren mit einer Auswertevorrichtung für die von den Sensoren abgegebenen Signale verbindbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren der Matrix durch Zusammendrücken eines kompressiblen Elements die Kapazitäten oder der elektrische Widerstand der Sensoren geändert wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormatrix zu Zeilen und Spalten zusammengefaßt ist, wobei im wesentlichen jede Kreuzungsstelle einen Sensor darstellt.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren im wesentlichen nacheinander durch Ansteuerung und Auslesen der zeilen- und spaltenförmig angeordneten Leiterbahnen abgefragt werden.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspalten quer zum Umfang der Walze zu Gruppen zusammengefaßt werden, wobei jeweils eine Spalte jeder Gruppe gleichzeitig angesteuert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Sensorgruppen entlang dem Umfang der Walze mindestens der Länge der Kontaktfläche zum Meßobjekt entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über den Sensoren eine oder mehrere Schichten eines kompressiblen elastischen Elements angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich unter der Matrix eine Schicht eines kompressiblen elastischen Elements befindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwalze im wesentlichen eine Breite von etwa 2 cm nicht über schreitet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze entlang ihrer Meßfläche eine konvexe oder konkave Wölbung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Vorrichtung verbunden ist, die eine Führung und Verbindung zu weiteren Körperpunkten als Referenzpunkte gestattet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vorrichtung zur Bestimmung der absoluten Raumposition aufweist, die von einer stationären Meßvorrichtung bestimmt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung aus mindestens 3 Meßpunkten als Schallsender I Schallempfänger und die stationäre Meßeinheit aus mindestens 3 Schallempfängern/Schallsendern besteht, aus deren Schall lautzeiten die Position der Meßpunkte und damit der Meßfläche herleitbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßaufnehmer mit Meß- und Steuervorrichtung mit einer Rechenein heit verbunden ist, an dem die Oberflächenstrukturen darstellbar sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Sensorwalze eine weitere Führungswalze verbunden ist, die auf dem zu messenden Körper mitgeführt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehwinkelgeber an der Meßwalze angeordnet ist und die Position der Meßwalze bezüglich des Haltegriffs oder der Führungswalze bestimmt werden kann.

18. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Verbindung der Sensorwalze zur Führungswalze ein Neigungsmesser angebracht ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufpreßkraft durch eine Kraftmeßeinrichtung registriert wird.