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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gleichgewichtstrainer, der
zur Abstützung
von Personen mit verringerter Balancefähigkeit im Stehen geeignet
ist und eine Vorrichtung aufweist, die dazu dient, den Benutzer
in eine aufrechte Position zu drücken,
wenn dieser in der frontalen bzw. sagittalen Ebene davon abweicht.
Das Gerät
weist ein einstellbares Federsystem auf, das ein zwei Freiheitsgrade aufweisendes
Gelenk und die besagte Vorspanneinrichtung zu einer einfachen und
vorteilhaften Konstruktion vereint.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Gleichgewichtstrainer
mit einer nachgebenden Kniestützvorrichtung,
die so angeordnet ist, dass mit ihrer Hilfe die Vorderseite der
Unterschenkel gestützt wird,
wobei sie den Bewegungen der Person in den besagten Ebenen folgt
und dadurch die Knieextensoren beim Training unterstützt.
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EINLEITUNG
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Das
Gleichgewichtstraining im Stehen ist ein entscheidender Vorgang
bei der Rehabilitation von neurologisch beeinträchtigten Personen. Moderne Konzepte
der neurologischen Rehabilitation bevorzugen die aufgabenorientierte
Therapie, bei der man sein Gleichgewicht üben muss, um es von neuem zu erlernen.
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Verschiedene
neuromuskuläre
Störungen vermindern
die Fähigkeit
einer Person, im Stehen das Gleichgewicht zu behalten. Beeinträchtigte
Personen können
je nach verbleibendem Gleichgewichtsvermögen in zwei Gruppen unterteilt
werden: Die erste Gruppe besteht aus Personen mit herabgesetzter
Fähigkeit
(z. B. Hemiparese, Paraparese und Tetraparese), während die
andere Gruppe sich durch ernsthafte Beeinträchtigung (Hemiplegie) oder
den völligen
Verlust des Gleichgewichtsvermögens
(Paraplegie und Tetraplegie) kennzeichnet.
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Ziel
der neurologischen Rehabilitation von Personen in der Gruppe mit
verminderter Gleichgewichtsfähigkeit
ist es, das verbleibende periphere und zentrale Nervensystem so
umzuschulen, dass mit Hilfe der verbleibenden Fähigkeiten alternative Bewegungsstrategien
erlernt werden können
und die Motorik trotz der Einschränkungen durch die Verletzung
möglichst
effizient koordiniert werden kann. Es sind verschiedene Methoden
zur Erleichterung des Gleichgewichtstrainings entwickelt worden. Üblicherweise
wird eine schwingende Plattform verwendet, worauf die beeinträchtigte
Person steht, oder es findet eine Vermittlung von Biofeedback hinsichtlich
der Verteilung des Gewichts statt. Beide Methoden haben die Verbesserung
der Balancefähigkeit
beeinträchtigter
Personen zum Ziel. Doch sollten diese Techniken mit Vorsicht angewandt
werden, da sie die betroffene Person in eine instabile Lage versetzen und
die Gefahr eines Sturzes mit sich bringen, die mit entsprechenden
Mitteln beseitigt werden muss. Sicherheitsvorkehrungen wiederum
verringern den gewünschten
Trainingseffekt.
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Solche
Methoden können
nicht bei der Gruppe von stark behinderten Personen angewendet werden,
da diese nicht in der Lage sind, ohne Unterstützung zu stehen. Infolgedessen
sind sie häufig
zu einer sitzenden Körperhaltung
gezwungen, was wiederum verschiedene medizinische Komplikationen und
deren langwierige und teure medizinische Behandlung zur Folge haben
kann. Eine übliche
Therapieform für
die zweite Gruppe ist daher passives Stehen in einem starren Rahmen
oder auf schiefen Ebenen. Diese Methoden sind eher statisch und
daher als Aktivität
wenig ansprechend, da sie zu wenig kognitive Beteiligung verlangen.
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Eine
bekannte Vorrichtung ist in folgenden Publikationen beschrieben:
Matja•i• und Sinkjær: A mechanical
Apparatus for Arm-Free Therapeutical Paraplegic Standing, Proc.
of the international Biomechanics Workshop, April 1999, Enschede, Niederlande,
und Matja•i•, Sinkjær und Johannesen:
Unsupported Standing after Spinal Cord Injury, Proc. of the 4th
Annula Conference of the International Functional Electrical Stimulation
Society, August 1999, Sendai, Japan. Diesen Druckschriften ist zu
entnehmen, dass in einer fallsicheren Trainingsumgebung die Bemühungen einer
behinderten Person, das Gleichgewicht zu halten, durch auf Höhe des Beckens
stabilisierend wirkende Kräfte
in der sagittalen bzw. frontalen Bewegungsebene verstärkt werden, wobei
die Balancieraktivitäten
der Sprunggelenkmuskeln (in der sagittalen Ebene) und der Sprunggelenk-
und Hüftmuskeln
(in der frontalen Ebene) unterstützt
werden. Die hierin offenbarte Vorspannvorrichtung umfasst zwei hydraulische
Motoren, die dazu dienen können,
den Benutzer aktiv in eine bestimmte Richtung zu schieben oder einen
federnden Effekt zu haben, der als passive Federwirkung beschrieben wird.
Ein solches System mit hydraulischen Motoren ist jedoch teuer in
der Herstellung und kompliziert in der Anwendung, und häufige Wartung
ist für
eine ordnungsgemäße Funktion
notwendig. Des Weiteren ist der Platzbedarf ziemlich groß, und die
Vorrichtung ist insgesamt nur für
wissenschaftliche Experimente geeignet und nicht für den Gebrauch
in Rehakliniken oder gar zu Hause beim Trainingsbedürftigen.
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Eine
weitere, der vorliegenden Erfindung nicht so nahe stehende Vorrichtung
wird in Godall et al.: Enhancing postural stability in hemiplegic
using externally applied forces, Int. Journal of Rehabilitation,
1985 und in Wing, Allison und Jenner: Retraining and retaining balance
after stroke, Baillière's Clinical Neurology,
Band 2, Nr. 1, April 1993 beschrieben, wobei der Patient durch einen
Gurt auf Hüftniveau gestützt wird,
auf den in der horizontalen Ebene zwei rechtwinklig zueinander wirkende
Betätigungselemente
wirken, sodass der Patient gestutzt und gleichzeitig gezielt zu
Trainings- und Auswertungszwecken geschoben bzw. perturbiert wird.
Dieser Apparat hat die gleichen Nachteile wie der oben genannte
und dient vorrangig wissenschaftlichen Zwecken.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleichgewichtstrainer
bereitzustellen, der zur Abstützung
von Personen mit verringerter Balancefähigkeit im Stehen geeignet
ist und eine Vorspanneinrichtung aufweist, die dazu dient, den Benutzer
in eine aufrechte Position zu drücken,
wenn dieser davon in der frontalen bzw. sagittalen Ebene abweicht,
wobei die besagte Vorspanneinrichtung eine einfache und preiswerte
Konstruktion aufweist.
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Während des
Gebrauchs der Vorrichtung kann es gegebenenfalls notwendig sein,
die Knie des stehenden Benutzers gestreckt zu halten, wenn dieser
dazu nicht in der Lage ist. Dies wird bei den oben beschriebenen
bekannten Vorrichtungen mittels steifer Kunststoffstützen erreicht.
Eine andere Lösung besteht
in der Verwendung einer steifen Traverse zwischen den senkrechten
Stäben
einer ähnlichen Vorrichtung,
die dem Patienten unterhalb der Knie von vorne Halt gibt, damit
diese ganz gestreckt sind. Dies ist beschrieben in: Matja•i• und Bajd:
Arm-Free Pareplegic Standing – Part
II: Experimental Results, IEEE Trans. an Rehabilitation Eng., Band
6, Nr. 2, Juni 1998. Das Training der Kniemuskulatur muss bei den
bekannten Vorrichtungen mit anderen Mitteln durchgeführt werden.
Man hat überraschender
Weise festgestellt, dass es zu Verbesserungen im Gleichgewichtstraining
durch Abstützung
der ausgestreckten Knie des Patienten mit nachgebenden Mitteln kommen
kann, wenn sie so angeordnet sind, dass mit ihrer Hilfe die Vorderseiten
beider Beine des Benutzers im Bereich des oberen Endes der Unterschenkel
gestützt
werden und wenn sie so ausgeführt
sind, dass sie den Bewegungen des Benutzers sowohl in der sagittalen
als auch in der frontalen Ebene folgen. Dadurch kann der Patient
das Training um die vertikale Körperachse
erhöhen,
das hauptsächlich
von den Kniegelenken her gesteuert wird.
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Feedbacksysteme,
die den Patienten mit Informationen über seine Abweichung von der
Vertikalen versorgen, sind z. B. in der oben erwähnten Druckschrift von Matja•i• und Bajd:
Arm-Free Pareplegic
Standing – Part
II: Experimental Results, IEEE Trans. an Rehabilitation Eng., Band
6, Nr. 2, Juni 1998 beschrieben. Darin vermittelt ein Audiosignal die
Neigung in der sagittalen Ebene, und ein visuelles Feedbacksystem,
das zu Trainingszwecken die Anzeige der Abweichungen in beiden Ebenen
vermittelt ist aus Nichols: Balance Retraining After Stroke Using
Force Platform Biofeedback, Physical Therapy, Band 77, Nr. 5, Mai
1997 bekannt. Das in diesem Artikel beschriebene Trainingsprogramm
ist für
den Einsatz einer Plattform bestimmt, aud der der Trainingsbedürftige steht,
aber ein solches Computerprogramm kann ebenso effektiv mit der Vorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt werden. Ein bevorzugtes Trainingssystem wird
weiter unten beschrieben, in das einige Verbesserungen eingebaut
sind. Insbesondere wurde eine für
den Patienten am Bildschirm sichtbare "tote Zone" eingeführt, die einen Neigungsbereich
um die senkrechte Position darstellt, in dem der Cursor sich nicht
bewegt, sodass sich der Patient in einen Neigungsbereich außerhalb der
toten Zone verlagern muss, um den Computer zu aktivieren und den
Gleichgewichtstrainer beispielsweise als Computerzeigegerät zu verwenden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben angeführte
Aufgabe der Erfindung wird dadurch erreicht, dass das zwischen der
Grundplatte und dem senkrechten Stab befindliche Gelenk und die
Vorspanneinrichtung, die den Benutzer am Fallen hindert, vereint
sind. Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen Gleichgewichtstrainer
umfassend:
zwei senkrechte Stützstäbe, die jeweils am unteren Ende
mit einer Grundplatte durch ein zwei Freiheitsgrade aufweisendes
Gelenk verbunden sind,
eine Abstützvorrichtung zum Tragen des
Beckens eines zwischen den beiden senkrechten Stützstäben stehenden Benutzers, wobei
die Abstützvorrichtung jeweils
mit dem oberen Ende eines jeden Stützstabes durch ein Gelenk mit
einem Freiheitsgrad verbunden ist, wodurch eine gemeinsame Bewegung
der Abstützvorrichtung
und der senkrechten Stäbe
in der Ebene der beiden senkrechten Stäbe ermöglicht wird, und
eine
Vorspanneinrichtung, die dazu dient, den Benutzer in eine aufrechte
Position zu drücken,
wenn davon in einer frontalen bzw. sagittalen Ebene des Benutzers
abgewichen wird,
wobei mindestens einer der senkrechten Stäbe einen elastischen
Unterteil aufweist, der einen steiferen Oberteil des Stabes mit
der Grundplatte verbindet und sowohl das dazwischen liegende Gelenk
als auch die Vorspanneinrichtung darstellt, und wobei der Gleichgewichtstrainer
weiter eine Einstellvorrichtung zur Regulierung der Steifigkeit
des elastischen Unterteils umfasst.
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Dadurch,
dass das Gelenk und die Vorspanneinrichtung durch den Einsatz eines
elastischen Teils an mindestens einem der senkrechten Stäbe zu einer
Einheit vereint sind, ergibt sich eine Vereinfachung der Konstruktion,
die zu niedrigen Produktionskosten und einer hohen Wartungsfreundlichkeit führt. Es
genügt,
wenn nur einer der senkrechten Stäbe den elastischen Teil aufweist.
Es wird jedoch zum Erzielen einer Symmetrie der Kräfte bevorzugt,
dass jeder der beiden senkrechten Stäbe einen elastischen Unterteil
aufweist, der einen steiferen Oberteil des Stabes mit der Grundplatte
verbindet und sowohl das dazwischen liegende Gelenk als auch die
Vorspanneinrichtung darstellt.
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Der
elastische Teil kann beispielsweise aus natürlichem oder synthetischem
Gummi oder aus flachen Federn bestehen. Es wurde jedoch gefunden, dass
der elastische Teil am besten aus einer senkrecht ausgerichteten
Schraubenfeder besteht. Solche vertikalen Schraubenfedern sind preiswert
und weitestgehend wartungsfrei und können serienmäßig mit
geeigneten elastischen Eigenschaften besorgt werden.
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Es
wird auch bevorzugt, dass die Vorrichtung weiterhin Begrenzer umfasst,
die den Neigungswinkel aus der Vertikalen bei jedem senkrechten
Stab begrenzen, um die Gefahr zu vermeiden, dass der Benutzer sich übermäßig neigt
und die ganze Vorrichtung dadurch ins Umkippen gerät.
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Zur
Einstellung der Steifigkeit des elastischen Unterteils wird vorzugsweise
eine Einstellvorrichtung eingesetzt, mit deren Hilfe die effektive
Länge des
elastischen Unterteils eingestellt werden kann. Dies lässt sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass ein Stab senkrecht innerhalb
einer den elastischen Teil darstellenden Schraubenfeder verstellt
wird. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Einstellvorrichtung für jeden
senkrechten Stab eine um den elastischen Teil angeordnete Außenhülle umfasst,
wobei eine senkrechte Innenfläche
der Hülle
an der Außenseite
des elastischen Teils anliegt und die Hülle derart höhenverschiebbar
ist, dass mit deren Hilfe die effektive Länge des elastischen Teils regulierbar
ist. Bei einer solchen Anordnung sind die Begrenzer vorzugsweise
jeweils mit der entsprechenden Hülle
verbunden und zusammen mit dieser verschiebbar ausgeführt und
runde Öffnungen
umgrenzen, durch die die senkrechten Stäbe geführt sind.
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Des
Weiteren besitzt die Vorrichtung vorteilhaft eine Verriegelungsvorrichtung,
mit deren Hilfe die senkrechten Stäbe temporär in einer senkrechten Stellung
verriegelt werden können,
wenn der Benutzer die Vorrichtung betritt oder verlässt, oder
wenn die Steifigkeit des elastischen Teils eingestellt wird. Die
Verriegelungsvorrichtung kann mit der besagten Hülle verbunden und zusammen
mit dieser verschiebbar sein.
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Zur
Abstützung
von Benutzern, die nicht in der Lage sind, die Knie anhaltend auszustrecken, kann
es von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung eine Kniestützvorrichtung
aufweist, die so angeordnet ist, dass mit deren Hilfe die Vorderseiten
beider Beine des Benutzers im Bereich des oberen Endes der Unterschenkel
gestützt
werden, wobei die Kniestützvorrichtung
so ausgeführt
ist, dass sie der Bewegung des Benutzers sowohl in der frontalen
als auch in der sagittalen Ebene folgt. Für das oben erwähnte Training
der Knie ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Kniestützvorrichtung
nachgebend ausgebildet ist.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Kniestützvorrichtung mit mindestens
einem der senkrechten Stäbe
verbunden ist.
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Es
wird außerdem
bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Sensoreinheit umfasst, die
zur Messung der Neigung der senkrechten Stäbe sowohl in der frontalen
als auch in der sagittalen Ebene sowie zur Erzeugung eines entsprechenden
Ausgangssignals dient und somit ein Auswertungs- und/oder Feedbacksystem
ermöglicht.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht der kompletten Vorrichtung mit der Grundplatte
und einer darin befindlichen Person,
-
2 die
Vorrichtung gemäß 1 von
der Seite betrachtet, wobei sich die Person in der sagittalen Ebene
nach vorne neigt,
-
3 die
Vorrichtung gemäß 1 von
vorne betrachtet, wobei sich die Person in der frontalen Ebene nach
vorne neigt,
-
4 die
Vorrichtung gemäß 1 von
der Seite betrachtet, wobei die Person in der sagittalen Ebene sich
nach vorne neigt und gleichzeitig die Knie beugt, wodurch die Kniestützvorrichtung
in Aktion tritt,
-
5 den
Unterteil eines senkrechten Stabes mit der Verriegelungsvorrichtung
in verriegelter Stellung, von der Seite betrachtet,
-
6 die
Verriegelungsvorrichtung gemäß 5 von
oben betrachtet,
-
7 den
Unterteil eines senkrechten Stabes mit der Verriegelungsvorrichtung
in unverriegelter Stellung und dem Oberteil des Stabes in geneigter Stellung,
von der Seite betrachtet,
-
8 die
Verriegelungsvorrichtung gemäß 7 von
oben betrachtet,
-
9 einen
Vertikalschnitt durch den Unterteil eines senkrechten Stabes mit
der Verriegelungsvorrichtung in verriegelter Stellung, von der Seite
betrachtet,
-
10 einen
Vertikalschnitt durch den Unterteil eines senkrechten Stabes mit
der Verriegelungsvorrichtung in unverriegelter Stellung und dem Oberteil
des Stabes in geneigter Stellung, von der Seite betrachtet,
-
11 einen
Vertikalschnitt gemäß 10, wobei
der Einstellzylinder zur Gewährleistung
höherer
Steifigkeit nach oben eingestellt ist,
-
12 einen
Vertikalschnitt in der sagittalen Ebene durch den Unterteil eines
den Neigungssensor für
die frontale Ebene aufweisenden, senkrechten Stabes,
-
13 den
Ausschnitt gemäß 12,
wobei sich das Oberteil des Stabes in der sagittalen Ebene neigt,
-
14 einen
Vertikalschnitt in der frontalen Ebene durch den Unterteil eines
den Neigungssensor für
die frontale Ebene aufweisenden, senkrechten Stabes, wobei sich
der Oberteil des Stabes in der frontalen Ebene neigt,
-
15 eine
schematische Darstellung der Verbindung der Sensoren mit dem Personalcomputer,
-
16 Diagramme
der toten Zone und der Mausgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Neigung in der frontalen bzw. sagittalen Ebene beim Einsatz
für eine
Computerschulung, und
-
17A–D
vier Bildschirmabbildungen des Computerschulungsprogramms.
-
Die
hierin offenbarte Erfindung ermöglicht die
Versorgung an eine beeinträchtigte
Person mit einer sturzsicheren Umgebung, wobei das Bemühen um Gleichgewicht
einer stehenden Person durch Stabilisierungskräfte auf Höhe des Beckens in der sagittalen
und frontalen Bewegungsebene verstärkt wird, wobei die Gleichgewichtsaktivität der Sprunggelenkmuskeln
(in der sagittalen Ebene) und Sprunggelenk- und Hüftmuskeln
(in der frontalen Ebene) und – im
Bereich der Unterschenkel – des
Knieextensors unterstützt
wird. Die Größe der Stützkräfte kann bis
zu einem Punkt verändert
werden, der keinerlei Gleichgewichtsaktivität der stehenden Person erfordert.
Zusätzlich
wird die Bewegung in den sagittalen und frontalen Ebenen durch Messfühler erfasst
und zu einer elektronischen Schnittstelle geleitet, welche die aktuellen
Neigungen in Maus-, Joystick- oder ähnliche Zeigegerätsignale
umwandelt, die dann einem Personalcomputer (PC) zugeführt werden.
Auf diese Weise kann eine stehende Person durch freiwilliges Ändern der
Körperhaltung
in den sagittalen und frontalen Ebenen verschiedene auf dem PC laufende
Anwendungsprogramme steuern. Des Weiteren wird ein fortgeschrittenes
Gleichgewichtstrainings- und Auswertungsprogramm beschrieben, welches
zur Erleichterung und Kontrolle der Ausbalancierung im gesamten
anterioposterioren und mediolateralen Handlungsraum auf allmähliche und
systematische Weise geeignet ist, wodurch ein gleichmäßiges Neurorehabilitationsprogramm
und eine objektive Auswertung der Gleichgewichtsfähigkeit
einer stehenden Person möglich
sind.
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Die 1 zeigt
eine schematische Zeichnung der Vorrichtung 1 mit einer
darin stehenden Person 2. Der Apparat ist zusammengesetzt
aus der Grundplatte 3, zwei jeweils zwei Freiheitsgrade
aufweisenden verstellbaren Federsystemen 4 mit einer einstellbaren
Steifigkeit von jeweils bis zu beispielsweise 15 Nm/Grad, zwei je
einen Freiheitsgrad aufweisenden Gelenken 5, zwei senkrechten
Stützstäben 6 mit
einstellbarer Höhe,
einem in der Größe verstellbaren
Abstützsystem 7,
einem nach Steifigkeit einstellbaren nachgebenden Gurt 8,
einem Fersenanschlagstück 9 und
zwei Bewegungsbegrenzern 10. Beide jeweils zwei Freiheitsgrade
aufweisende verstellbare Federsysteme 4 mit einstellbarer
Steifigkeit sind an der Grundplatte 3 befestigt und über die senkrechten
Stützstäbe 6 mit
dem ein Freiheitsgrad aufweisenden Gelenk 5 verbunden.
Eine Person 2 steht auf der Platte 3 mit den Fersen
vor dem Fersenanschlagstück 9 platziert,
wobei das Becken von dem Abstützsystem 7 und
die Schenkel vom verstellbaren nachgebenden Gurt 8 gestützt ist
bzw. sind. Der Apparat 1 hat die folgenden drei Freiheitsgrade,
wie die 2 bis 4 zeigen:
- 1. Die Neigung in der sagittalen Ebene wie
in 2 dargestellt, wobei die Neigung mechanisch auf
z. B. ± 15
Grad mittels Bewegungsbegrenzern beschränkt ist.
- 2. Die Neigung in der frontalen Ebene wie in 3 dargestellt,
wobei die Neigung mechanisch auf z. B. ± 15 Grad mittels Bewegungsbegrenzern
beschränkt
ist.
- 3. Die Kniebeugung wie in 4 dargestellt,
wobei die Neigung mechanisch auf z. B. 15 Grad mittels locker gespannter,
mit dem verstellbaren nachgebenden Gurt verbundener Drähte beschränkt ist.
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Das
verstellbare Federsystem 4 und die Eigenschaften und Funktionen
sind im Einzelnen in 5 bis 14 dargestellt. 5 zeigt
den Unterteil eines senkrechten Stabes mit dem zwei Freiheitsgrade
aufweisenden verstellbaren Federsystem 4, von der Seite
betrachtet. Es besteht aus einem mit der Grundplatte 3 verbundenen
Basiszylinder 11, einer Schraubenfeder 12, die
am unteren Ende mit der Grundplatte 3 und am oberen Ende
mit einem steifen Teil 13 des senkrechten Stabes 6 verbunden
ist, einem Einstellzylinder 14, der aus einer um die Feder 12 angeordneten äußere Hülle besteht,
die mit einer Innenfläche
an der Außenseite
der Feder 12 anliegt. Der Einstellzylinder 14 ist
durch eine Gewindebindung mit dem Basiszylinder 11 verbunden
und kann durch Drehung höhenverstellt
werden. Auf dem Einstellzylinder 14 liegt ein Abstandshalter 15 zur
Erzeugung eines senkrechten Abstandes zwischen der oberen Kante 16 des
Einstellzylinders 14, oberhalb derer sich die Feder 12 biegen
kann, und dem Begrenzer 10, der eine runde Öffnung 17 hat,
durch die das steife Teil 13 des senkrechten Stabes 6 geführt ist.
Ein Paar Verriegelungsplatten 18 ist am Begrenzer 10 schwenkbar
gelagert und kann geschaltet werden zwischen einerseits einer verriegelten
Stellung gemäß 5 und 6,
worin die zwei in den Platten 18 befindlichen halbkreisförmigen Öffnungen
den Stab 6 in einer im Wesentlichen senkrechten Stellung verriegeln,
und andererseits einer unverriegelten Stellung gemäß 7 und 8,
worin die Verriegelungsplatten 18 den Stab 6 freigeben
und diesem somit erlauben, eine geneigte Stellung anzunehmen.
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Durch
Drehung des Einstellzylinders 14 kann die freie, effektive
Länge der
Feder 12 variiert werden, wodurch sich auch die mechanische
Steifigkeit des zwei Freiheitsgrade aufweisenden verstellbaren Federsystems 4 verändert. Somit
vereint das hierin offenbarte verstellbare Federsystem 4 das
zwei Freiheitsgrade aufweisende Gelenk und die Vorspanneinrichtung,
die dazu dient, den Benutzer 2 in eine aufrechte Position
zu drücken,
wenn davon in einer frontalen bzw. sagittalen Ebene des Benutzers 2 abgewichen
wird, zu einem einzelnen Element, welches eine preiswerte und einfache
Herstellung ermöglicht und
praktisch wartungsfrei bei sehr geringen Abmessungen ist.
-
Andere
Funktionen, wie der Begrenzer 10 zur Neigungsbegrenzung
des senkrechten Stabes 6 und die Verriegelungsvorrichtung 18,
sind leicht in das erfindungsgemäße verstellbare
Federsystem 4 zu integrieren. Die Verriegelungsvorrichtung,
die aus den beiden schwenkbaren Verriegelungsplatten 18 besteht,
wird zur Stabilisierung des Trainers 1 eingesetzt, wenn
z. B. eine Person 2 die Vorrichtung 1 betritt
oder verlässt
oder wenn die Steifigkeit des Federsystems 4 durch Drehung
des Einstellzylinders 14 verstellt wird.
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Die 9 bis 11 zeigen
Vertikalschnitte des verstellbaren Federsystems 4, in welchen
die Biegung der Feder 12 und die Wirkung der senkrechten
Verstellung des Einstellzylinders 14 demonstriert wird.
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9 zeigt
einen Vertikalschnitt durch den Unterteil eines senkrechten Stabes 6 mit
der Verriegelungsvorrichtung 18 in verriegelter Stellung,
von der Seite betrachtet, und in 10 ist
die Verriegelungsvorrichtung 18 in unverriegelter Stellung
und der steife Oberteil 13 des Stabes 6 in geneigter
Stellung gezeigt. Der Unterteil der Feder 12 wird auf der Außenseite
durch die Innenseite des Einstellzylinders 14 gestützt, so
dass sich die Feder 12 nur ab der Höhe der oberen Kante 16 des
Einstellzylinders 14 biegen kann. Dadurch ist die effektive
Länge der
Feder 12 reduziert, wodurch sich die Steifigkeit des verstellbaren
Federsystems 4 in der Stellung des Einstellzylinders 14 gemäß 11 erhöht gegenüber der
Stellung gemäß 10 infolge
der höheren
Lage der Oberkante 16.
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Die
aktuellen Neigungswinkel der senkrechten Stäbe 6 werden mit zwei
Transducern gemessen, welche für
den Neigungswinkel in der sagittalen bzw. frontalen Ebene je ein
Ausgangssignal liefern. Ein Transducer, der für diesen Zweck entwickelt und
für die
Neigungsmessung in der frontalen Ebene eingerichtet wurde, ist in
den 12 bis 14 dargestellt,
wobei die 12 und 13 Querschnitte
in der sagittalen Ebene zeigen und 14 einen
Querschnitt in der frontalen Ebene darstellt. Der Transducer umfasst
einen Schieber 19, der in einer Öffnung des steifen Oberteils 13 des
senkrechten Stabes 6 angebracht ist, wobei der Schieber 19 in
der Längsrichtung
des Oberteils 13 verschiebbar ist, so dass die Veränderung
der Strecke zum Oberteil 13 bei einer Neigungswinkelveränderung
ausgeglichen wird, sowie einen verstellbaren Widerstand 20,
einen Trimmpotentiometer, der auf dem Basiszylinder 11 oder
der Grundplatte 3 angebracht ist. Der Schieber 19 und
der verstellbare Widerstand 20 sind mit einem Stab 21 aus
dünnem
Blech verbunden, der in der frontalen Ebene wesentlich breiter ist
als in der sagittalen Ebene, so dass sich der Stab 21 bei
einer Neigung in der sagittalen Ebene gemäß 13 biegt, wohingegen
eine Neigung in der frontalen Ebene zu einer Drehung des beweglichen
Kontakts des verstellbaren Widerstands 20 und somit zu
einer Änderung
seines Widerstands führt,
welche als Ausgangssignal für
die Anzeige des Neigungswinkels in der frontalen Ebene dient. Ein ähnlicher
Transducer ist an dem anderen senkrechten Stab 6 zur Messung des
Neigungswinkels in der sagittalen Ebene vorgesehen. Die Signale
von den Transducern werden zu einer elektronischen Schnittstelle
geführt,
welche die beiden Neigungswinkel des Trainers in Maus- und/oder
Joysticksignale verwandelt, die zum Mausanschluss bzw. zum Spielanschluss
des Personalcomputers geleitet werden, wie schematisch in 15 dargestellt.
-
Die
Funktion der Schnittstelle ist in zwei graphischen Darstellungen
gemäß 16 gezeigt.
In der Mitte der linken Darstellung bedeutet eine viereckige Fläche eine
tote Zone für
beide Neigungswinkel, wo keine Änderungen
an den Computer signalisiert werden. Dies entspricht dem Ausgangssignal der
Computermaus beim Stillstand derselben oder dem Zustand des Joysticks,
wenn er in neutraler Stellung gehalten wird. Eine in der Vorrichtung
befindliche Person steht dem Bildschirm eines PCs gemäß 1 gegenüber. Um
den Cursor am Bildschirm in die gewünschte Richtung zu bewegen,
muss die Person die Körperhaltung
in der sagittalen oder frontalen Ebene oder gleichzeitig in beiden
Ebenen verändern.
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Wenn
die tote Zone z. B. auf eine Bewegung von ± 5 Grad in beiden Ebenen
gestellt wird, so wird die Person Sprunggelenk- und Hüftbewegungen im Bereich von
mindestens ± 5
Grad leisten müssen,
solang sie versucht, den Cursor auf dem Bildschirm zu bewegen oder
den Zustand des Joysticks zu verändern.
Auf der rechten Darstellung wird ein mögliches Verhältnis zwischen
dem momentanen Neigungswinkel in jeder Ebene und der Geschwindigkeit
des bewegten Cursors auf dem Computerbildschirm gezeigt. Solange
die tote Zone nicht überschritten
wird, bleibt das Ausgangssignal der Schnittstelle unverändert. Der über die
tote Zone hinaus gehende Neigungswinkel manifestiert sich durch
eine lineare Erhöhung
der Cursorgeschwindigkeit. Allerdings kann ein anderes Verhältnis implementiert
werden. Die Maustasten können
am Abstützsystem
innerhalb der Reichweite der in der Vorrichtung befindlichen Person
befestigt sein.
-
Durch
Kopplung des Apparates mit dem PC werden Maus und Joystick ersetzt,
welche in den meisten EDV-Anwendungen die vorwiegenden Eingabegeräte sind.
Auf diese Weise übt
die in der Vorrichtung befindliche Person heilsames Bewegungs- und
Gleichgewichtstraining
- 1. durch Nutzung des
weiter unten beschriebenen fortgeschrittenen Gleichgewichtstrainings-
und Auswertungsprogramms,
- 2. durch Spielen ihres Lieblingscomputerspieles, und/oder
- 3. durch den Einsatz von anderen EDV-Anwendungen.
-
Dabei
wird das Gleichgewicht der in der Vorrichtung befindlichen Person
perturbiert und wiederhergestellt, wodurch das verbleibende zentrale
und periphere Nervensystem in sich umgeschult wird und alternative
Gleichgewichtsstrategien entwickelt werden.
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Mit
einer entsprechenden Wahl der abstützender Steifigkeit, wie dies
durch das verstellbare Federsystem bereitgestellt wird, könnte ein
großer
Teil der durch unterschiedliche Behinderungen betroffenen Bevölkerung,
der ohne Hilfestellung nicht stehen kann, in der Lage sein, die
Gleichgewichtsfähigkeit neu
zu erlernen.
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Das fortgeschrittene Gleichgewichtsschulungs-
und Auswertungsprogramm
-
Eine
weitere vorteilhafte Komponente, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
sowie mit anderen ähnlichen
Schulungseinrichtungen genutzt werden kann, ist das fortgeschrittene
Gleichgewichtsschulungs- und Auswertungsprogramm, der Folgendes
bereitstellt:
- 1. Mittel zur Herstellung eines
individuellen Gleichgewichtsschulungsprogramms und
- 2. Mittel zur objektiven Auswertung der Gleichgewichtsfähigkeit
der jeweiligen Person.
-
Eine
objektive Auswertung ist notwendig, um dem Patienten bzw. Therapeut
Rückmeldungen über eine
Verbesserung der Gleichgewichtsfähigkeit
als Ergebnis von täglichem Üben in der
Vorrichtung zu geben. Im Folgenden wird ein Beispiel eines Softwarealgorithmus
beschrieben, der für
Gleichgewichtstraining und Auswertung von neurologisch beeinträchtigten
Personen geeignet ist. Dabei stehen diese in der Vorrichtung bei
vorbestimmten Höhen der
durch das verstellbare Federsystem und die gegebene tote Zone erzielten
Unterstützung,
die durch die oben beschriebene elektronische Schnittstelle implementiert
wird.
-
17A–D
zeigt vier Bildschirmabbildungen des Computerschulungsprogramms.
Die erste auf dem Computerbildschirm erscheinende Szene ist in 17A dargestellt. In der Mitte des Computerbildschirms
erscheint ein Objekt, welches hier die Form eines Kreises hat (kann
aber auch eine andere Form aufweisen). Dieser Kreis wird als Verfolger
bezeichnet. Rund um den Verfolger sind acht zusätzliche Kreise auf solche Weise
gezeichnet, dass ein symmetrisches Objekt entsteht, dessen Bestandteile
vom Verfolger gleich weit entfernt sind. Jeder Kreis dieses symmetrischen
Objekts ist als ein Ziel gekennzeichnet. Es können mehr oder weniger als
die in diesem Ausführungsbeispiel
angegebenen acht Ziele vorhanden sein. Alle diese Ziele haben dieselbe
Größe (in Falle
von Kreisen, den gleichen Durchmesser), während die Größe des Verfolgers
(im Falle eines Kreises, der Durchmesser) variieren kann. So kann diese
Größe 10%,
30%, 50%, 70% oder 90% der Zielgröße betragen, um fünf verschiedene
Schwierigkeitsniveaus zu schaffen. Die Aufgabe der in der Vorrichtung
befindlichen Person besteht darin, den Verfolger in eines der ausgewählten Ziele
zu bewegen und ihn dort für
eine gewisse Zeit zu halten. Dies wird als Verfolgungsversuch bezeichnet.
Der Algorithmus kann in die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte zusammengefasst
werden:
- • Schritt
1 (17B): Die erste Aufgabe für eine in der
Vorrichtung befindliche Person besteht darin, den Cursor in die
vom Verfolger belegte Zone hinein zu bewegen. Zu diesem Zeitpunkt
ist die Größe des Verfolgers
gleich derjenigen der Ziele. Sobald der Mauscursor in diese Zone
gebracht wird, leitet sich ein Verfolgungsversuch ein, und der Verfolger
verriegelt sich mit dem Mauscursor, d. h. er bewegt sich danach
genauso wie der Mauscursor.
- • Schritt
2 (17C): Wenn der Verfolger mit dem Mauscursor
verriegelt ist, wird eines der zufällig ausgewählten Ziele aktiv und beginnt
zu blinken, z. B. verändert
sich farblich zwischen den beiden vorgegebenen Farben, was in 17C als fett gedruckt dargestellt ist. Zur gleichen
Zeit ändert sich
die Größe des Verfolgers
gemäß dem zu
Beginn der Übung
gewählten,
vorgeschriebenen Schwierigkeitsniveau.
- • Schritt
3 (17D): Die zweite Aufgabe besteht darin,
den Verfolger derart in das aktive Ziel hinein zu bewegen, dass
die gesamte Fläche
des Verfolgers in der vom aktiven Ziel belegten Zone für mindestens
eine Sekunde gehalten wird. Die an die Person zur Verfügung gestellte
Zeit, den Verfolgungsversuch zu vollenden, kann variiert werden.
Als Beispiel seien zwei verschieden lange Zeitintervalle als „langsam" und „schnell" bezeichnet, die
jeweils 10 bzw. 5 Sekunden betragen. Falls die Aufgabe, den Verfolger
in das Ziel zu bewegen und ihn dort für die vorgeschriebene Zeit zu
halten, vor Ablauf des vorgeschriebenen Zeitintervalls ausgeführt wird,
dann gilt der Verfolgungsversuch als erfolgreich durchgeführt, und dies
wird entsprechend an die Person signalisiert, z. B. durch einen
Hochfrequenzpiepton. Falls dagegen der Zeitintervall abläuft, ohne
dass die Person erfolgreich ist, wird dies ebenso signalisiert,
z. B. durch einen Niederfrequenzpiepton. Die beschriebene Signalisierung
kann jede andere geeignete Form annehmen.
- • Schritt
4 (17A): Nachdem entweder die Person
die Aufgabe erfolgreich durchgeführt
hat oder der ausgewählte
Zeitintervall vor Beendigung des Verfolgungsversuchs abgelaufen
ist, wird der Verfolgungsversuch beendet und der Verfolger vom Mauscursor
gelöst.
Dann wird die Größe des Verfolgers
neu bestimmt, um den gleichen Durchmesser wie die Zielkreise zu
erhalten, wobei der Verfolger zurück zur Mitte des Computerbildschirms
in Position gebracht wird, während
das Resultat des Verfolgungsversuchs im Computerspeicher hinterlegt
wird.
- • Schritt
5: Der Algorithmus ist untätig
und wartet, bis die in der Vorrichtung befindliche Person sich vornimmt,
einen weiteren Verfolgungsversuch zu starten, indem sie den Schritt
1 wieder durchführt.
-
Ein
Probelauf besteht aus einer gewissen Anzahl von Wiederholungen der
oben genannten fünf
Schritte. Wird jedes Ziel, die eine von acht Bewegungsrichtungen
darstellt, beispielsweise fünf
Mal wiederholt, und zwar in zufälliger
Reihenfolge, welche der in der Vorrichtung befindlichen Person nicht bekannt
ist, dann werden insgesamt vierzig Verfolgungsversuche innerhalb
eines jeden Probelaufes durchgeführt.
-
Wenn
der Probelauf vollendet ist, wird die prozentuale Auswertung für jeden
der acht Ziele errechnet. Die prozentuale Auswertung wird dann zur Auswertung
der Leistungsfähigkeit
des Patienten benutzt. Zum Beispiel können die prozentualen Auswertungen
für alle
einzelnen Ziele gemittelt und das Ergebnis dem Patienten vorgelegt
werden. Zusätzlich
wird eine noch komplexere Auswertung der Probelaufergebnisse auf
dem Bildschirm des PCs auf geeignete Weise dargestellt. Zum Beispiel
kann an jeder Zielstelle ein Balken erscheinen, der beispielsweise
aus fünf
Elementen bestehen kann, wenn fünf Wiederholungen
pro Probelauf für
jedes Ziel angewandt werden sollen. Je nach der Anzahl von erfolgreich
abgeschlossenen Verfolgungsversuchen wird eine entsprechende Anzahl
von Balkenelementen beleuchtet. Zusätzlich zeigt ein anderer Balken
die Ergebnisse des erfolgreichsten Probelaufs (bewertet z. B. nach
der mittleren prozentualen Auswertung), der unter den gleichen Bedingungen
(umfassend das verstellbare Federsystem, die tote Zone, das Schwierigkeitsniveau
und den Zeitintervall) von der gleichen Person bei vorhergehenden
Trainingsübungen durchgeführt wurde.
Durch diesen Vergleich ist eine Verbesserung bzw. Verschlechterung
der Gleichgewichtsfähigkeit
der Person optisch darstellbar. Ein weiterer Verbesserungshinweis
ergibt sich durch Änderung
der Probelaufbedingungen (umfassend das verstellbare Federsystem,
die tote Zone, das Schwierigkeitsniveau und den Zeitintervall).
Eine Verbesserung erweist sich durch eine verringerte Unterstützung seitens
des verstellbaren Federsystems, eine erhöhte tote Zone (einen erhöhten Körperraum),
ein erhöhtes
Schwierigkeitsniveau (eine erhöhte
Präzision
der Feinregulierung der gewünschten
Haltung) oder einen verringerten Zeitintervall (eine erhöhte Geschwindigkeit
der Haltungsreaktion). Die obige Beschreibung des Auswertungsprogramms
dient nur als Beispiel. Andere Auswertungen eines Probelaufs können angewandt
werden.
-
Die
Schlüsselidee
hinter dem vorgeschlagenen Algorithmus für Schulung und Auswertung von Gleichgewichtsfähigkeiten
ist, ein einheitliches Neurorehabilitationsprogramm bereitzustellen,
welches den direkten Vergleich der Gleichgewichtsfähigkeit einer
bestimmten Person zwischen verschiedenen Probeläufen sowie den direkten Vergleich
zwischen verschiedenen von unterschiedlichen Personen durchgeführten Probeläufen ermöglicht.
Die Verbesserung der Gleichgewichtsfähigkeiten kann direkt anhand
von verminderten bzw. erhöhten
Parametern (dem verstellbaren Federsystem, der toten Zone, dem Schwierigkeitsniveau
oder dem Zeitintervall) beobachtet werden.
-
Aus
den obigen Ausführungen
ist es ersichtlich, dass die Benutzung der Einrichtung nicht nur
auf neurologisch Beeinträchtigte
begrenzt ist, sondern auch für
Gleichgewichtstraining im Sport, etc. geeignet ist.