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Einrichtung zur Messung des Druckfeldes in der Kontaktfläche zwischen
ganz oder teilweise elastischen und unelastischen Körpern Es ist in vielen Fällen
wünschenswert, die Verteilung des Druckes in solchen Fällen kennen zu lernen, in
welchen sich ein mehr oder weniger elastisch deformierbarer und ein nahezu starrer
Körper berühren, wenn sie mit gegebenen Kräften gegeneinandergepreßt werden. Es
schmiegt sich dann je nach den besonderen Verhältnissen der elastisch deformierbare
Körper der Oberfläche des starren, in einer mehr oder weniger ausgedehnten und u.
U. verwickelt geformten oder rar unterteilten Fläche an, und man kann über die Druckverteilung
innerhalb dieser Fläche nur in seltenen, besonders einfachen Fällen etwas aussagen.
So kann man z. B. über die Druckverteilung in der-Berührungsfläche eines luftgefüllten
Gummiradreifens eines belasteten Fahrzeuges mit einer eben glatten und starren Unterlage
unter gewissen Voraussetzungen rechnerisch Zahlenwerte ableiten, eine experimentelle
Nachprüfung des Rechenergebnisses war aber bisher nicht möglich.
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Völlig ungangbar ist aber das analytische Verfahren, wenn die Elastizitätsverhältnisse
komplizierter werden. Schon beim Vollgummireifen werden die mathematischen Zusammenhänge
so verwickelt, daß die praktische Durchrechnung unmöglich wird. Vollends unanwendbar
aber wird dies Verfahren, wenn die elastischen Gebilde einen komplizierten Aufbau
aus nicht einfach gebauten Elementen stark verschiedenen Elastizitätsgrades haben-,
wie z. B. Körperteile von Mensch oder Tier.
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Gerade dieser letzte Fall hat aber ein hohes praktisches medizinisches
Interesse. Es sei nur erinnert an die mannigfachen auf Druck zurückzuführenden Erkrankungen
etwa des Fußes, die ebenso die Weichteile wie das Skelett betreffen und sich hauptsächlich
aus der von der Norm abweichender Größe, Lage oder Haltung einzelner oder _aller,
oft auch entfernterer Skeletteile ergeben. Hier ist es ein dringendes Bedürfnis
für den Forscher wie für den heilenden Praktiker, die Druckverteilung auf der Stützfläche
im Fall des gesunden ebenso wie des abnormen oder kranken Fußes messend festzulegen
und ihre Abhängigkeit von Lage, Stellung oder Belastung des Gliedes und unter dem
Einfluß von Stftzmaßnahmen oder im Gefolge plastischer Operationen zu bestimmen.
Auch die Druckerkrankungen der Haut bei lange bettlägerigen Kranken oder auf Amputationsstümpfen
mit Prothesedruck gehören hierher.
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Es hat natürlich nicht an Versuchen gefehlt, dieses Problem zu lösen;
diese Versuche sind aber über nur rein qualitative oder ganz roh quantitative Feststellungen
nicht hinausgekommen. Daß man mit einer Feststellung
der Form der
Kontaktfläche durch Einfärben der=betreffenden Hautflächen und Abdrücken auf der
starren Unterlage über die Druckverteilungnichts'erfahren kann, istklar und auch
die bereits gemachten Versuche, die Druckverteilung aus der mehr oder weniger weitgehenden
Blutentleerung der Hauptkapillaren und Erblassung der Sohlenhaut durch eine als
Unterlage gewählte Glasplatte hindurch zu beurteilen, leidet an so beträchtlichen
Fehlerquellen (Hautschwielen, Hautverfärbungen, individuelle Verschiedenheiten im
Kapillarnetz und seiner nervösen Versorgung usw.), daB damit kaum viel mehr zu .erreichen
ist. Eine zahlenmäßige Bestimmung des Drucks von Punkt zu Punkt ist damit keinesfalls
möglich.
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Daß man durch Auftretenlassen auf eine nicht starre, nicht einmal
elastische, sondern rein plastische Unterlage zwar Eindrücke herstellen kann, diese
aber zur Gewinnung von Maßzahlen über die lokalen Druckwerte gänzlich unbrauchbar
sind, muß hier gesagt werden, weil in dieser Richtung viele Versuche gemacht worden
sind und hierbei die Druckverteilung in plastischen Stoffen, deren Gesetze hier
maßgebend sind, nicht genügend allgemein bekannt zu sein scheinen.
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Weiterhin wurde zur Darstellung * des Druckes am Fuß eine Flanellage
verwendet, welche mit Methylenblaulösung getränkt, wird. Auf diese Kissen wird ein
Gitternetz gelegt aus Eisendraht, dessen Maschen 3,5 mm voneinander abstehen. Auf
dieses Gitterwerk wird ein Papier gelegt und der Fuß auf dieses Papier gestellt.
Wenn nun vom Fuß ein Druck ausgeübt wird, so werden in das Papier durch das Gitterwerk
kleine Wölbungen gedrückt und diese vorgestülpten Papierteile durch das Farbkissen
gefärbt. Wenn auch zugegeben werden kann, daß zwischen der Größe des in einer Masche
zustandegekommenen Farbflecks und dem an dieser Stelle herrschenden Druck ein gewisser
Zusammenhang besteht und daher ein gewisses Urteil auch für die Druckverteilung
in der Fläche möglich ist, so leidet doch auch dieses Verfahren infolge des Umstandes,
daß das halbstarre Netz die Unterschiede verflacht und die Tiefe der Durchbiegung
der Haut in der einzelnen Masche infolge des beträchtlichen zur Aufnahme des Farbbildes
nötigen Absolutwertes in allerstärkstem Maße von den Unterschieden in der Elastizität
der Epidermis abhängt, daran, daß es nur ganz rohe und schwer mit anderen Fällen
vergleichbare, in keinem Fall absolute Werte festzustellen erlaubt. Außerdem weist
die Methode noch den Fehler auf, daß bei dieser Art der Messung auch der Vorgang
beim Auftreten das Bild beeinflußt, das Ergebnis also nicht das Druckfeld darstellt,
wie es sich unter dem stehenden Fuß ausgebildet hat.
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Eine letzte bekannte Methode benutzt zur Messung ein Saitendynamometer.
Der Fuß tritt in einer Längs- oder Querrichtung auf eine Rastenvorrichtung von io
Rasten, welche mit Saiten verbunden sind. Die Spannung der Saiten wird aus der Tonhöhe
der Saiten gemessen. Die Fehler sind ähnlich wie bei der Drahtnetzmethode. Die zugelassenen
Deformationen sind relativ zu groß, die Gestalt der Kontakt- oder Tragfläche ist
nicht genau definiert, und die gemessenen Druckwerte stellen im jeinzelnen nicht
zerlegbare Linienintegrale des Druckverlaufs längs der Raste dar, d. h. die Methode
liefert keine annähernden Punktwerte.
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Für die Praxis kommt aber noch eine Forderung hinzu, der keine der
genannten Methoden nachkommen konnte, d. i. die Herstellung einer zuverlässig genauen
Beziehung des Druckfeldes zu den anatomisch gegebenen Punkten des Skeletts.
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung des Druckfeldes
zwischen ganz oder teilweise elastischen und unelastischen Körpern, z. B. zwischen
der Fußsohle und ihrer Standfläche, mit einem im Verhältnis zu der gesamten zu untersuchenden
Fläche eine kleine Druckfläche aufweisenden Meßorgan; die Erfindung besteht darin,
daß dieses Meßorgan innerhalb der Gesamtfläche des Druckfeldes verschiebbar angeordnet
ist und auf diese Art die Messung bzw. Registrierung der Teildrucke an jedem Punkt
der Gesamtfläche ermöglicht. Ferner kann gemäß der Erfindung zwischen der Druckfläche
und dem den Druck ausübenden Körper eine glatte Zwischenlage, z. B. Ölpapier, angeordnet
sein oder eine lichtempfindliche Schicht unter der Druckfläche derart angebracht
sein, daß Röntgenaufnahmen des Druckkörpers, z. B. des Fußes, in der Lage möglich
sind, in der die Druckmessung erfolgt. Um hierbei eine korrespondierende Deckung
des Röntgenbildes mit dem Druckdiagramm zu erzielen, können weiterhin gemäß der
Erfindung in bezug auf den den Druck ausübenden Körper festliegende Marken vorgesehen
sein, die der Lage nach sowohl auf das Druckdiagramm als auch auf das Röntgenbild
aufgezeichnet werden. Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sind auf den
Zeichnungen beispielsweise veranschaulicht. Abb. z zeigt eine Gesamtansicht; Abb.
z stellt einen Einzelteil und Abb. 3 das Meßresultat dar.
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Hiernach besteht der Apparat (Abb. i) aus einem horizontalen Rahmen
i aus Winkeleisen, der auf einem Holzgestelle befestigt ist. Im Rahmen befindet
sich eine vor- und rückwärts verschiebbare Platte 3. In diese
verschiebbare
Platte ist eine drehbare Scheibe 4 eingelassen, und in diese drehbare Scheibe wiederum
die zur Messung der hier vertikal nach unten gerichteten Einzeldrucke dienende Meßdose
5.
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Diese Anordnung gestattet nicht nur, daß die Meßvorrichtung an jeden
einzelnen Punkt der abzutastenden Druckfläche gebracht werden kann, sondern es können
auch zwei derartige Apparate ohne sich zu stören, so dicht aneinandergerückt werden,
daß beide Füße der gleichen Person dicht nebeneinander unabhängig und eventuell
gleichzeitig durchgemessen werden können.
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Die Oberfläche der Meßdose, der Scheibe und der Platte liegen in einer
Ebene, sofern der Körper auf einer Ebene ruht. Wollte aber man z. B. den Fuß auf
einer Eintage messen, so würde die Ebene durch eine entsprechend geformte Fläche
ersetzt werden.
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Über diese Ebene ist ein Papier 6 mittels einer besonderen Spannvorrichtung
7 gespannt und durch diese fest mit dem Rahmen verbunden. Auf das Papier wird der
Fuß gestellt oder ein anderer zu messender Körperteil.
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Das Papier verhindert, daß die Haut leim Verschieben der Meßplatte
mitgenommen und gezerrt werden kann. Andererseits ist das Material so gewählt, daß
der Druck bzw. die Druckverteilung nicht wesentlich beeinflußt werden.
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Das Papier wird an drei Seiten auf Stäbchen gewickelt, deren Ende
mit dem Rahmen mit Spannung verbunden sind, während die mediale Seite des Papiers
um eine halbrunde Leiste gewickelt ist und mit dieser in eine Hohlkehle an der Längsseite
des Holzgesi-ells gepreßt wird.
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Diese Anordnung ist ebenfalls deshalb gewählt, damit zwei Apparate,
z. B. für den rechten und linken Fuß, dicht aneinandergestellt werden und diese
beiden Apparate auch bei Querstellung der Füße verwendet werden können.
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Die Meßdose 5 hat die Aufgabe, die Drucke in der Tragfläche zu messen.
Sie kann natürlich in mannigfacher Ausführung ausgebildet sein und die Messung in
irgendeiner bekannten Weise ermöglichen.
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Der Ausschlag des Meßorgans kann beispielsweise durch ein Hebelsystem
mechanisch vergrößert direkt oder unter Vermittlung von Spiegelmethoden abgelesen
oder aufgezeichnet werden. Er kann dazu benutzt werden, den Luftspalt in einem magnetischen
Kreise zu ändern, um mit Hilfe der so erzeugten magnetischen Feldänderungen Induktionswirkungen
zur Registrierung zu benutzen. Statt dessen können elektrostatische Kapazitätsänderungen
bewirkt und in bekannter Weise zur Meßgrundlage gemacht werden. In der Regel werden
noch endliche, wenn auch kleine Deformationen des eigentlichen Meßorgans zulässig
sein. Bei Verwendung eines durch Druck auf seine Fläche sich elektrostatisch aufladenden
Piezokristalles sind die Deformationen schon an der Grenze der Nachweisbarkeit.
Sie lassen sich sogar vollständig vermeiden, wenn man durch eine abstufbare äußere
Gegenkraft die zunächst am ,Meßorgan durch den zu messenden Druck erzeugte Lage
oder Formänderung wieder kompensiert und die hierzu nötige Gegenkraft zur Grundlage
der Messung macht.
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In der hier beschriebenen Ausführung wird die Spiegelung, und zwar
in folgender Weise benutzt In der Mitte der Membran ist ein senkrecht nach unten
gerichteter Stab io angenietet (Abb. z), dessen freies unteres Ende eine- kleine
Metallplatte ii trägt. Parallel zu dieser befindet sich eine zweite Platte i?, die
über zwei Rohre 13, 14 starr mit dem Eisenkörper verbunden ist. Zwischen die beiden
Metallplatten wird waagerecht eine dünne Nadel geklemmt, an deren einem Ende ein
kleiner Spiegel 15 befestigt ist.
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Wenn nun bei Durchbiegung der Membran 9 die beiden Plättchen gegeneinander
verschoben -werden, wird die Nadel und damit auch der Spiegel gedreht. Ein Lichtstrahl,
der auf den Spiegel fällt, wird entsprechend der Drehung abgelenkt. Er fällt, wie
Abb. i zeigt, auf eine mit einer Skala versehene Tafel und wird dort abgelesen.
Der Abstand der Tafel von der Meßdose muß festgelegt werden, damit das Übersetzungsverhältnis
bei dem Ablesen der Ausschläge an der Skala gewahrt bleibt. Außerdem nimmt aber'
die Meßdose an der Drehung der runden Scheibe um die vertikale beim Übergang von
einer Meßlage zur anderen teil. Die sich hierdurch zwangsläufig ergebende Änderung
des Abstandes zwischen Spiegel und Skala muß bei dem Ablesen der Ausschläge des
Lichtzeigers berücksichtigt werden. Durch eine geeignete Vorrichtung, hier Viergelenk
17a, 17v, wird dafür gesorgt, daß der zur Messung benutzte abgelenkte Strahl stets
auf die in festem Ab-
stand vertikal angebrachte Meßteilung fällt.
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Als praktisch hat sich erwiesen, das Viergelenk bzw. die Meßdose mit
einem über der Dose und dem zu untersuchenden Körperteil befindlichen Halter 16
zu verbinden, der einen stets auf die Mitte der Membran weisenden, verschiebbaren
Zeiger 18 trägt. Hierdurch kann man sich jederzeit über die Lage der Meßdose orientieren,
falls die Membran bei der Messung durch den Körperteil verdeckt ist.
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Am Taster ist wiederum eine.Blattfeder i9
mit einer
feinen Nadel- befestigt, welche entsprechend den Bewegungen der Meßdose über dem
Schemel 2o, auf dem ein Papief gespannt ist, entlang bewegt wird: ' - Die Ausschläge-
des Lichtstrahls an der Skala werden auf dieseln Papier punktweise markiert und
mit dem jeweiligen Zahlenwert versehen. .
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Diese Art der Messung kann durch eine automatische Meß'vorrichtung
ersetzt werden, die dann gekuppelt wird mit der automatischen Verschiebung der Meßdose
bzw. der Meßplatte, -so daß die Drucklinien zugleich automatisch aufgezeichnet werden.
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Damit der Körperteil, der gemessen werden soll, in einer einmal eingenommenen
Lage fixiert wird, verwendet @ man eine Fixierung durch vier Stäbe 21, welche an
den vier Eckerz des Rahmens befestigt sind und untereinander durch Querstangen verbunden
werden können.
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In dieser Vorrichtung kann der Körper durch eine Holzplatte, -welche
an Rücken und Gesäß anliegt, oder durch einen Beckenkorb mit gelenkig verbundenen
Stäben gehalten werden, so daß eine horizontale Verschiebung nicht möglich ist.
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Vor oder nach der eigentlichen Untersuchung des Körperteils; z.B.
des Fußes, kann dieser noch in der Maßstellung geröntgt werden. Zu diesem Zweck
wird an Stelle der Platte.3 eine andere mit einem Röntgenfilm oder -papier versehene
Platte geschohen und die Röntgenaufnahme vorgenommen.
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Die Korrespondenz zwischen Röntgenbild und Druckbild kann z. B. dadurch
erreicht werden, daß Marken, die in bezug auf den Körper festliegen, auf das Röntgenbild
aufgenommen und auch durch die Tastvorrichtung auf das Druckdiagramm übertragen
werden.
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Die- Messung mittels des Apparates wird nun in der Weise vorgenommen,
daß die Dose von vorn nach rückwärts unter dem Fuß entlang gezogen wird. Entsprechend
den verschiedenen Drucken der Fußsohle erhält matt eine Kurve, die den jeweiligen
Druck der Fußsohle auf der Meßlinie 'angibt. Durch seitliches Verschieben der Meßdose
und Durchziehen der Meßdose wieder von vorn nach rückwärts erhält man wiederum eine
neue Meßlinie. Es ist klar ersichtlich, daß auf diese Art und Weise jeder beliebige
Punkt des Körperteils, welcher gemessen werden soll, abgetastet werden kann.
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Verbinden .wir nun so, wie es Abb. 3 veranschaulicht,. die Punkte
gleichen Druckes der verschiedenen Meßlinien, so erhalten wir Linien gleichen Druckes
(Isobaren), wie dies bei der Herstellung von Wetterkarten geschieht. Nach Herstellung
aller Linien gleichen Druckes ergibt das Gesamtbild eine Darstellung der Druckverteilung
über das ganze Objekt. Die Feinheit des Druckbildes wird erhöht durch möglichst
viele Maßlinien.
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Durch dieses Verfahren ist es möglich, nicht nur den Streit über die
Stützpunkte des Fußes zu lösen, sondern auch möglich, den ganzen Fuß in seine einzelnen
Stützflächen zu - zerlegen. Außerdem ist es möglich, mit diesem Apparate die Druckverhältnisse
des Fußes- in jeder beliebigen Lage des Körpers zu messen.
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Ganz besonders wichtig erscheint der Erfindungsgegenstand deshalb,
weil es mittels des neuen Apparates nicht nur möglich ist, eine genaue zahlenmäßige
Darstellung der Druckflächen zu geben, sondern auch die gewonnenen Resultate, und
zwar in diesem Fall mathematisch einwandfreie Ergebnisse, auf das Skelett zu übertragen.
Es genügt nämlich nicht nur zu wissen, welcher Teil des Fußes die Hauptlast aufnimmt
bzw. wie sich auf die einzelnen Teile des Fußes die Belastung verteilt, da selbst
an Hand eines derartigen gefundenen Resultates eine Korrespondenz mit dem Fußskelett
noch nicht möglich ist. Die übertragung eines Punktes auf der Fußsohle auf das Skelett
ist viel schwieriger als allgemein angenommen wird. Selbst wenn wir, wie dies von
einigen Autoren gemacht worden ist, die zu messenden Punkte auf der Fußsohle anzeichnen
in der Annahme, daß diese betreffenden Punkte genau unter den zu messenden Skeletteilen
liegen, so sind diese angezeichneten Punkte bei der Belastung des Fußes nicht mehr
genau unter dem zu messenden Skeletteil gelegen. Es wurde aber ein Versuch hierzu
bisher nicht als bekannt nachgewiesen. Jedes Skelett weicht bei der Belastung entsprechend
dem Druck und entsprechend seiner Elastizität etwas auseinander in der Länge und
in der Breite, während der angezeichnete Punkt auf der ebenen Unterlage bzw. auf
dem Gitter fixiert ist; auf alle Fälle verschiebt sich das Skelett gegen die Weichteile,
an denen die Punkte fixiert worden sind. Ganz abgesehen von den übrigen Fehlern,
welche in den früheren Messungen enthalten sind, besteht hier ein zweiter großer
Fehler darin, daß diese Punkte niemals mit dem Skelett in Korrespondenz gebracht
"werden können.