DE69115393T2

DE69115393T2 - Nicht-invasives verfahren zur bestimmung der bewegung der halswirbelsäule

Info

Publication number: DE69115393T2
Application number: DE69115393T
Authority: DE
Inventors: Arlan Fuhr; Paul Osterbauer; Jack Winters
Original assignee: Individual
Current assignee: Dynamic Spinal Analysis Inc (ndgesd Staates
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: DE69115393D1; CA2058767A1; EP0474829B1; WO1991015148A1; EP0474829A1; JPH05500466A; AU7564691A; ATE131369T1; AU654947B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgmein ein nicht-invasives Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule. Insbesondere betrifft die Erfindung ein nicht-invasives Verfahren zum Bestimmen der dreidimensionalen (3-D) Drehachse des Kopfes während bestimmter Bewegungen. Die Drehachse des Kopfes wird anschließend in Verbindung mit normalen Daten zur Diagnose einer anormalen kinematischen Funktion der Halswirbelsäule aufgrund einer Verletzung verwendet, und um eine Therapie zu überwachen, die zur Behandlung der Halsverletzungen verordnet worden ist.

Hintergrund der Erfindung

Seit Jahren hat es beträchtliche Anstrengungen gegeben, um zuverlässige Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Bewegung von Teilen des menschlichen Körpers zu gestalten. Bewegungsmessungen werden gemacht, um zu bestimmen, ob sie innerhalb normaler Bewegungsbereiche fallen, und um vergleichende Informationen als zukünftigen Bezug bei Überwachungsänderungen zu schaffen. Bei vielen Bewegungen verlangt eine vollständige Definition des Bewegungsbereiches eine dreidimensionale Messung. Eine Wirbelsäulenbewegung ist ein typisches Beispiel. Die kinematische Funktion der Halswirbelsäule hat in den letzten Jahren beträchtliche Aufmerksamkeit erhalten, weil eine große Anzahl Menschen an Rückenschmerzen leidet.
Eine anormale, kinematische Funktion der Halswirbelsäule aufgrund einer Halswirbelverrenkung oder von Halszerrungsverletzungen, die sich beispielsweise bei Kraftfahrzeugunfällen ergeben, die allgemein als "Peitschenschlagverletzung" bekannt sind, quälen jährlich über eine Millionen Amerikaner. Solche Verletzungen schließen typischerweise nur eine Beschädigung des weichen Gewebes ein, und ein hauptsächliches medizinisches sowie juristisches Problem ist, nicht nur das Ausmaß der Verletzung am Anfang zu bestimmen, sondern auch die Wirkungen der Therapie und der medizinischen Behandlung. Verschiedene Verfahren zur Röntgenanalyse (ein invasives Verfahren) des Kopfes und des Halses sind vorgeschlagen worden. Es können nur Skelettbeschädigungen und wesentliche Änderungen des weichen Gewebes mit invasiven Techniken, und dann nur in den schwerwiegendsten Fällen gesehen werden. Es sind auf ähnliche Weise Studien mit rechnergestützter Tomographie (CT) und von Magnetresonanzbilderzeugung (MRG) gemacht worden, wobei sie aber versagt haben, nicht-invasive, diagnostische oder prognostische Parameter zu liefern, um sie als eine Voraussage des klinischen Zustands zu verwenden.
Die finite und momentane Drehachse eines starren Körpers kann durch eine Vielzahl von mathematischen Verfahren gefunden werden. Die finite ebene Achse kann gefunden werden durch Verfahren, wie das klassische Rouleaux Verfahren (z. B. Panjabi, M.M., "Centers and Angles of Rotation of Body Joints: A Study of Errors and Optimization", J. Biomechanics, Bd. 12, 1979, Seite 911-920) oder das Rotationsmatrixverfahren von Spiegelmann und Woo, S., "A Rigid-Body Method for Finding Centers of Rotation and Angular Displacements of Planar Jomt Motion", J. Biomechanics, Bd. 20, 1985, 5. 715-721. Diese ebenen Achsen sind eine untergruppe der allgemeineren dreidimensionalen Schraubenachsenanalyse, liefern aber die dreidimensionalen Schraubenachsenparameter für das Kopf-Hals-System nicht.
Die dreidimensionale Achse für eine gegebene, endliche Drehung, die die x-, y- und z-Koordinaten von Markierungseinrichtungen an dem starren Körper ausnutzen, können durch zwei mathematisch verschiedene Verfahren erhalten werden, i) eine Analyse auf der Grundlage der Methode der Verschiebungsmatrix (beispielsweise Suh, C.H. und Raddiffe, C.W. Kinematics and Mechanisms Design, John Wiley & Sons, New York 1979); und ii) eine Methode auf der Grundlage der Fehlerminimierung bei der Matrixdarstellung (Spoor, C.W. und Veldpaus, F.E., "Rigid body motion calculated from spatial co-ordinates of markers", J. Biomechanics, 13: 391-393, 1980; Woltring, H.J., Huiskes, R., De Lange, A. und Veldpaus, F.E., "Finite centroid and helical axis estimation from noisy landmark measurements in the study of human joint kinematics", J. Biomechanics, Bd. 18, 1985, 5 379-389. Im ersten Fall verwendet der Algorithmus jede Kombination von 4 Markierungseinrichtungen, um die Schraubenachsenparameter abzuschätzen. Somit gibt es mit 5 Markierungseinrichtungen 5 Lösungen, die in der Theorie dieselben sind, und mit 6 Markierungen gibt es 15 solche Lösungen. Die beste Abschätzung ist dann entweder der Durchschnitt oder der Median der Population. Das zweite Verfahren verwendet alle Markierungseinrichtungen, um die geeigneten Informationen abzuschätzen, im wesentlichen numerisches Lösen eines Optimierungsproblems. Vergangene Ergebnisse schlagen vor, daß das letztere Verfahren besser ist. Woltring, H.J., Huiskes, R., De Lange, A. und Veldpaus, F.E., "Finite centroid and helical axis estimation from noisy landmark measurements in the study of human joint kinematics", J. Biomechanics, Bd. 18, 1985, 5. 379-389.
Dieses leistungstarke Verfahren zum Bestimmen der Halskinematikfunktion mittels der Schraubenachsenparameter des Kopfes ist jedoch bei vergangenen Untersuchungen nicht verwendet worden. Ingenieurmäßige Forschung über die Halswirbelsäule hat eine Datenbank ergeben, in der die Grundparameter des Halsbewegungsbereiches und statische Beziehungen eines Wirbels zu seinen benachbarten Wirbeln in erster Näherung bestimmt worden sind. Eine begrenzte Datenmenge besteht, in der die ebene, endliche Achse (beispielsweise die Polbahn) für einzelne Wirbeldrehungen gefunden worden ist. Clinical Biomechanics of the Spine, White, A.A. und Panjabi, M.M., Second Edition, 1990, J.B. Lippincott, Phila., Pa. Diese zweidimensionalen Verfahren verwenden Kadaver oder grobe invasive Techniken (beispielsweise Röntgenstrahlen) und geben ferner kein Maß über die gesamte kinematische Halsfunktion während Kopfbewegungen.
Modelle einer Peitschenschlagverletzung sind kürzlich versucht worden, wobei anthropomorphe Puppen und Computersimulation verwendet wurden (zusammengefaßt von Winters (1978), Sances u. a., (1981)). Jedoch haben diese Untersuchungen nur die allgemeine Beziehung zwischen möglichen Verletzungsarten und Unfallbedingungen betrachtet. Auch sind die Kennzeichnungsparameter typischerweise Kopfbeschleunigung und der Kopfbewegungsbereich bei der Drehung und Verschiebung. Schraubenachsenparameter sind ohne Bedeutung gewesen. Wenige Messungen sind an Menschen gemacht worden. Wichtiger ist, daß es wenig Beziehung zwischen Messungen der Zusammenstoßkinematik, wobei Modelle verwendet werden, und Messungen von freiwilligen Bewegungen bei Menschen gibt. Keine dieser Untersuchungen der "Peitschenschlagverletzungen" haben jemals dreidimensionale, kinematische Schraubenparameter des Kopfes als ein diagnostisches Werkzeug verwendet, um das Ausmaß einer anormalen, kinematischen Halswirbelsäulenbewegung zu bestimmen. Vergleiche Winters J. Biomechanics; Wyss und Pollack 1981 Med. Biol. Eng. Computers; Panjabi u. a., J. Biomech. 14, 1981. Somit sind tatsächlich nicht-invasive Messungen der momentanen oder endlichen Drehachse nicht verwendet oder nicht zur Verwendung als einer Voraussage oder diagnostischer Parameter der grundsätzlichen, biomechanischen Verletzung vorgeschlagen worden, die durch die Peitschenschlagverletzung erzeugt wird.
U.S. Patente Nr. 4,664,130 und 4,699,156 von Gracovetsky offenbaren ein nicht-invasives Verfahren und Gerät zum Bestimmen einer mechanischen Anomalität oder Verletzung der Lendenwirbelsäule oder der Halswirbelsäule eines Patienten, und um diese Anomalität oder Verletzung als entweder vom Kompressionsoder Torsionstyp zu identifizieren. Bei einem ersten Schritt wird jede Änderung der Lendenkurve des Patienten gemessen, wobei eine nicht-invasive Technik verwendet wird. Dann wird jegliche Diskrepanz der Asymmetrie bei der genannten gemessenen Änderung der Lendenkurve bestimmt. Gracovetsky verwendet keine dreidimensionale Schraubenparameterkinematik eines bestimmten starren Körpers (beispielsweise des Wirbels oder Kopfes) und kann tatsächlich die dreidimensionale Achse unter Verwendung des darin geoffenbarten Verfahrens und Gerätes nicht erhalten.
EP 0,310,901 von Gracovetsky offenbart ein nicht-invasives Verfahren und Ausrüstung zum Bestimmen der Flexibilität der Wirbelsäule eines Patienten, und, auf der Grundlage dieser Bestimmung, zum Nachweisen und Identifizieren möglicher mechanischer Verletzungen an der Lenden- oder Halswirbelsäule des Patienten. Im Bezug auf die Halswirbelsäule schließt das Verfahren ein, Markierungseinrichtungen, vorzugsweise lichtaussendende Dioden, auf der Haut des Rückens und des Halses des Patienten anzubringen, und Markierungseinrichtungen können auch auf der Rückseite des Kopfes des Patienten angebracht werden. Der Patient beugt dann seinen Kopf nach vorwärts und rückwärts und/oder biegt ihn zur Seite, während er an einer Nabelschnur oder einem telemetrischen System befestigt ist, das die Markierungseinrichtungen mit einer Computersteuerung verbindet. Die Markierungseichrichtungen werden von zwei beabstandeten Kameras verfolgt, und die dreidimensionalen Koordinaten von jeder Markierungseinrichtung werden dann von dem Computer aus den Daten rekonstruiert, die durch die Kameras erzeugt werden. Von den sich ergebenden Daten wird behauptet, daß sie die Messung der Schulterblattbewegung, den Beitrag der Halswirbelsäule zu der gesamten Haisbewegung und die zwischensegmentäre und segmentäre Beweglichkeit der Halswirbelsäule ermöglichen.
U.S. Patent Nr. 4,528,990 von Knowles offenbart eine kopfbefestigte Vorrichtung zum Messen der Bewegung der Wirbelsäule oder des Kopfes um eine im wesentlichen vertikale Achse, und sie kann auch eine Wirbelsäulen- oder Kopfneigung angeben. Ein Stirnband, das fest an dem Kopf befestigt ist, schließt eine Meßskala ein, die in Verbindung mit einer Körperbezugsanzeigeeinrichtung verwendet wird, wodurch die Anzeigeeinrichtung ortsfest beibehalten wird, während die Wirbelsäule oder der Kopf 50 gedreht werden, daß die Beziehung zwischen der Anzeigeeinrichtung und der Meßskala die Drehbewegung des Körpers darstellt. Eine durch das Eigengewicht betriebene Meßeinrichtung ist ebenfalls an dem Kopf in bezug auf die Horizontale befestigt. Diese Einrichtung mißt nur die Ausrichtung (Neigungswinkel), und es gibt keinen Versuch, die Drehachse zu messen. Das gleiche gilt für Farrar, U. S. Patent Nr. 3,955,562 (1976).
Gilman u. a. Instrumentation & Techniques, Measurement of Head Movement During Auditory Localization, Behavior Research Methods & Instrumentation, Bd. 11(1), 37-41 (1979), verwendet eine Helmvorrichtung mit einer Lichtquellenmarkierungseinrichtung, um die Winkelposition und die Geschwindigkeit des Kopfes in Reaktion auf Hörsignale zu bestimmen. Das Verfahren versucht jedoch nicht und kann tatsächlich die dreidimensionalen Momentan- oder endlichen Kopfachsendrehungen nicht finden. Obgleich sogar Gilman u. a. offenbaren, daß über ein dreidimensionales System nachgedacht wird, würde diese Hinzufügung nur die Bestimmung der Winkelposition in drei Achsen erlauben und weiterhin nicht die Drehachsendaten liefern.
Gorron u. a. erörtert auch die Verwendung von Röntgenstrahlen, um die momentane Drehachse der Halswirbelsäule zu berechnen und beansprucht, zu zeigen, daß eine Änderung von dem Normalen in der Mittellinie einer Person auftrat, was eine Verschiebung des C-7 Wirbels anzeigt. Gorron, J.P., Deschamps G., Dimnet J., Fischer L.P., Kinematic Study of the Inferin Cervical Spine in Saggital Plane, S.32-37. In: P. Kehn & W. Widner (Herausg.) Cervical Spine I Springer Verlag, N.Y. (1987). Dieses Verfahren berechnet jedoch nicht die dreidimensionalen Schraubenachsenparameter des Kopfes und ist nicht dazu eingerichtet, um ein Maß der gesamten Halsfunktion zu schaffen.
Huntington u. a., A Method of Measuring from Photographic Records the Movements of the Knee Joint During Walking, IMechE, Bd. 8, Nr.3 (1979) betrifft ein nicht-invasives Diagnoseverfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Bewegungsbereichen des Kniegelenks eines Patienten in Echtzeit, indem mindestens eine Fernsehkamera verwendet wird, um von Markierungseinrichtungen reflektiertes Licht zu verfolgen und aufzuzeichnen, die an dem Kniegelenk befestigt sind. Huntington u. a. offenbart nicht die Verwendung von Schraubenachsenparametern, und offenbart ferner kein Verfahren oder Gerät zur Verwendung mit dem Kopf-Hals-System.
Ähnliche Vorrichtungen und Verfahren sind zur Untersuchung des Kiefers, des Rückens und des Armes verwendet worden. Beispielsweise ist einfache Photographie verwendet worden, um die Kieferbewegung aufzuzeichnen, und Graphische Darstellungen der Bewegungsbahn der Kieferbewegung sind versucht worden. Jedoch sind keine Kriterien zum Unterscheiden einer normalen von einer anormalen Bewegung verwendet worden, und das Verfahren ist auf das Kopf-Hals-System nicht anwendbar.
Das Russische Patent 904,666 offenbart eine Vorrichtung, die die Kopfposition eines Betrachters aufzeichnet, während er einen Gegenstand beobachtet. Ein Schirm ist an dem Kopf des Betrachters angeordnet und trägt zwei Punktlichtquellen. Die Meßelemente der Punktkoordinaten bestimmen die kartesischen Koordinaten und übertragen zwei X, Y Werte zu einer Umwandlungseinrichtung, die die Bewegung der zwei Punkte und damit die Bewegung des Kopfes beschreibt. Indem die Anzahl der Schirme und Aufzeichnungseinrichtungen erhöht wird, kann der allgemeine Fall mit 3 Dimensionen gehandhabt werden. Es gibt keine Lehre, Schraubenparameter zu erhalten oder solche Informationen als ein diagnostisches Werkzeug zu verwenden.
Berger, U.S. Patent Nr. 4,586,515, offenbart eine Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Position und/oder Bewegung eines Körperteils und insbesondere des Kopfes, um eine Wirbelsäulenstörung zu diagnostizieren. Drei Sensoren werden verwendet, um die dreidimensionale Bewegung des Kopfes zu bestimmen. Die Drehung, die Beugung und die seitliche Neigung des Kopfes werden durch die Vorrichtung erfaßt, um das Bewegungsmuster des Körperteils im Raum zu bestimmen, um eine Bewegungsstörung zu diagnostizieren. Berger verwendet keine biomechanischen Schraubenachsenwege, um die Art und das Ausmaß der anormalen Kopfbewegung zu bestimmen.
Somit ist es trotz verschiedener Versuche des Durchschnittsfachmanns auf dem Gebiet fehlgeschlagen, ein zuverlässiges Verfahren zum Bestimmen einer anormalen kinematischen Bewegung der Halswirbelsäule zu entwickeln. Insbesondere ist es auf dem Gebiet fehlgeschlagen, die Verwendung der dreidimensionalen, kinematischen Schraubenachsenparameter des Kopfes als ein Anzeigemittel der Halswirbelsäulenfunktion zu verwenden, und somit ist fehlgeschlagen, ein zufriedenstellendes, nicht-invasives Verfahren zur Verwendung der dreidimensionalen kinematischen Schraubenachse des Kopf-Hals-Systems als ein diagnostisches Werkzeug zu schaffen, um die Art und das Ausmaß einer anormalen, kinematischen Halswirbelsäulenbewegung zu bestimmen.
Demgemäß ist es eine Hauptzielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein nicht-invasives Verfahren zum Verwenden der dreidimensionalen, kinematischen Schraubenachsenparameter als ein diagnostisches Werkzeug zu schaffen, um die Art und das Ausmaß einer anormalen, kinematischen Halswirbelsäulenbewegung zu bestimmen.
Es ist eine genauere Zielsetzung dieser Erfindung, biomechanische, numerische Parameter bereitzustellen, um durch sie eine anormale, kinematische Funktion der Halswirbelsäule zu bestimmen, die bei Patienten auftritt, die an einer "Peitschenschlagverletzung" leiden.
Eine noch andere Zielsetzung der Erfindung ist, ein Vorgehen zu schaffen, das notwendig ist, um die oben angegebenen Verfahren auszuführen.
Diese und andere Vorteile der Erfindung sowie zusätzliche, erfindungsgemäße Merkmale werden aus der folgenden, ins einzelne gehende Beschreibung einer bevorzugten, beispielhaften Ausführungsform der Erfindung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sagt über die Entdeckung aus, daß die kinematische Bewegung eines Körperteils biologisch relevante Informationen über den Weg liefert, entlang dem sich der Körperteil dreht. Der biomechanische Weg wiederum liefert ein Mittel, um eine physikalisch beeinträchtigte Bewegung mit einer normalen oder üblichen Bewegung zur Diagnose und Prognose der physikalischen Verletzung an dem Körperteil zu vergleichen. Die vorliegende Erfindung ist besonders zweckmäßig für das Kopf-Hals-System. Die momentane Achse des Drehvektors, die Polbahn und/oder der endliche Drehpol des Kopfes definieren den biomechanisch relevanten Weg der Kopfbewegung. Da der Kopf das größte Element der kinematischen Kette des Kopf-Hals- Systems ist, kann der biomechanische Weg des Kopfes verwendet werden, kinematische Anomalitäten bei der Halswirbelsäule zu diagnostizieren.
Die vorliegende Erfindung schafft ein nicht-invasives, dreidimensionales Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule eines Patienten und kann verwendet werden, auch anormale kinematische Funktionen zu erfassen. Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Drehachse des Kopfes verwendet, die Halsfunktion zu bestimmen, indem der richtige Wert dieser Drehung und irgendeiner gekoppelten Drehung gefunden wird.
Gemäß der Erfindung wird ein nicht-invasives, dreidimensionales Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule eines menschlichen Patienten geschaffen, das die Schritte umfaßt:
a. Anbringen aufzeichenbarer, nachweisbarer Markierungseinrichtungen an dem Kopf des Patienten;
b. Verwenden einer Ziel- bzw. Anleitungseinrichtung, um den Patienten durch räumliche Kopfbewegungen zu führen;
c. Aufzeichnen der Positionen der Markierungseinrichtungen, wenn der Patient seinen Kopf in Reaktion auf die Zielbzw. Anleitungseinrichtung bewegt;
d. Verarbeiten der aufgezeichneten Positionen der Markierungseinrichtungen mit einer mathematischen Analyseeinrichtung für einen starren Körper, um Schraubenachsenparameter des Kopfes des Patienten herzuleiten, die eine dreidimensionale momentane und, wahlweise, eine endliche Drehachse des Kopfes des Patienten definieren;
e. Verwenden der Drehachse des Kopfes des genannten Patienten als ein Maß der kinematischen Halsfunktion bei Kopfbewegungen; und
f. Vergleichen der hergeleiteten Kopfdrehachse für den genannten Patienten entweder mit einer Kopfdrehachse für vorgegebene, standardisierte Daten, um irgendwelcvhe Abweichungen festzustellen, oder mit einer zuvor hergeleiteten Kopfdrehachse für den genannten Patienten, um Veränderungen zu erkennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1 ist eine perspektivische Ansicht der Ausrüstung, die zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig.2 ist eine perspektivische Ansicht eines Helmes, der von den Patienten getragen wird, um die Markierungseinrichtungen und Zeigereinrichtung bereitzustellen;
Fig.3 ist eine schematische Ansicht einer Zieleinrichtung, die Lampen umfaßt, die selektiv eingeschaltet werden können, um die erwünschten Kopfbewegungen des Patienten hervorzurufen;
Fig.4 ist eine perspektivische Ansicht einer Zieleinrichtung mit allgemein kuppelförmiger Struktur;
Fig.4a ist eine Endansicht des Inneren des kuppelförmigen Ziels;
Fig.4b ist ein Schema der Lage der Signaleinrichtung der Zieleinrichtung für eine ebene Zieleinrichtung und für eine kuppelförmige Zieleinrichtung;
Fig. 5 und 6 sind schematische Ansichten der in Fig. 3 dargestellten Zieleinrichtung, wobei verschiedene vorausgewählte Muster für die Analyse des Bewegungsbereiches gekennzeichnet worden sind;
Fig. 7a und 7b (nach 6 Wochen) stellen dreidimensionale graphische Darstellungen der hergeleiteten, endlichen Drehachsen für eine Beugungsfortsetzung in Intervallen von 100 für einen normalen Patienten dar;
Fig. 8a und 8b (nach 6 Wochen) stellen dreidimensionale graphische Darstellungen der hergeleiteten, endlichen Drehachsen für eine Beugungsfortsetzung in Intervallen von 100 für Patienten dar, die von einer Peitschenschlagverletzung gequält werden.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die kinematische Funktion der Halswirbelsäule durch Aufzeichnungseinrichtungen erfaßt, die die dreidimensionalen Bewegungen des Patienten aufzeichnen. Die Aufzeichnungseinrichtungen zeichnen, wenn der Patient seinen Kopf entsprechend der Zieleinrichtung bewegt, ein Signal von Markierungseinrichtungen auf, die radial über einen von dem Patienten getragenen Helm angeordnet sind. Die Zieleinrichtung besteht aus einer Mehrzahl von signalaussendenden Einrichtungen, bevorzugt Lampen oder lichtaussendenden Dioden. Die signalaussendenden Einrichtungen werden auf geeignete Weise durch eine Steuerungseinrichtung gesteuert, die bewirkt, daß die signalaussendenden Einrichtungen Licht in einem vorausgewählten Muster aussenden. Der Patient wird angeleitet, dem Signal, das von der Zieleinrichtung erzeugt wird, zu folgen, indem sein Kopf in Reaktion auf das von der Zieleinrichtung ausgesandte Signal bewegt wird. Wenn dies geschieht, bewegt der Patient seinen Kopf in dem ausgewählten Muster, und sein Kopf bewegt sich in drei Dimensionen im Raum. Wenn der Patient den Zielsignalen folgt, wird seine Bewegung des Kopfes durch Aufzeichnungseinrichtungen aufgezeichnet, die die Bewegung der Markierungseinrichtungen erfassen und aufzeichnen. Mit der Verwendung eines dreidimensionalen, räumlichen Analysesystems werden die dreidimensionalen Koordinaten von jeder der Markierungseinrichtungen bestimmt. Unter Verwendung der kinematischen Grundsätze für einen starren Körper werden die kinematischen Parameter, die die "Schraubenachse" definieren, erhalten, um die der Kopf gedreht wird. Die hergeleiteten Parameterdaten für die Schraubenachse für den Patienten können dann mit standardisierten Parameterdaten für die Schraubenachse verglichen werden, um die kinematische Funktion der Halswirbelsäule des Patienten zu bestimmen.
Während wir nicht möchten, auf irgendeine bestimmte Theorie festgelegt zu werden, wird angenommen, daß eine Analyse des größten, starren Körpers des Kopf-Hals-Systems, nämlich des Kopfes, Informationen liefert, die die kinematische Funktion der Halswirbelsäule anzeigen. Diese Theorie wird aufgrund der Tatsache behauptet, daß der Kopf an dem Ende einer kinematischen Kette starrer Körper ist, die verwickelt gekoppelt sind, so daß Einzelheiten einer gegebenen Kopfausrichtung von der Funktion der Halswirbelsäule abhängen. Beispielsweise ist, wenn sich der C1-C2 Bereich nicht normal drehen kann, die Schraubenachse des Kopfes niedriger. Im Gegensatz wird eine Verletzung, die den Bewegungsbereich in dem C5-C7 Bereich begrenzt, wahrscheinlich bewirken, daß die Achse bei einer gegebenen Aufgabenart höher ist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine vollständige, dreidimensionale, quantitative Analyse in Echtzeit des Kopf-Hals- Systems, indem der biomechanische Halswirbelsäulenweg des Kopfes während natürlicher Kopfbewegungen bestimmt wird. Abweichungen des biomechanischen Weges der sich in Untersuchung befindenden Person von standardisierten Daten oder vom Normalen zeigen eine anormale Bewegung der Halswirbelsäule an und geben wiederum eine Verletzung der Wirbelsäule an. Somit können, indem der biomechanische Weg des sich in Untersuchung befindenden Patienten beobachtet wird, Asymmetrien irgendwo in der Halswirbelsäule sofort erkannt werden. Ferner können wegen der breiten Veränderbarkeit der Vektorrichtungen der Schraubenachse mehr Anomalitäten bei Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verglichen mit irgendeiner früheren Vorrichtung gemessen werden. Beispielsweise sind Bewegungen, wie eine axiale Drehung und eine seitliche Neigung tatsächlich häufig schwieriger für Personen mit Peitschenschlagverletzungen, die typischerweise eine Beschädigung des weichen Gewebes einschließen. Geringe Änderungen der Schraubenachsenparameter von Personen mit Peitschenschlagverletzung sind gemäß der vorliegenden Erfindung meßbar und können zufriedenstellend als klinische Auswertungsgrößen ohne invasive Verfahren und ohne Kenntnis des pathomechanischen Grundes der Verletzung verwendet werden.
Demgemäß sind bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die dreidimensionalen Schraubenachsenparameter für den Kopf eines menschlichen Patienten von Hauptinteresse. Die Schraubenachsenparameter für den Kopf bestehen aus (a) der Achse des Drehvektors, (b) einem Punkt auf diesem Vektor und, wenn geeignet, (c) dem Drehwinkel um diesen Vektor und das Verschieben entlang diesem Vektor und (d) die Winkelgeschwindigkeit. Der biomechanische Weg des Kopfes bei seiner Bewegung besteht aus der momentanen Drehachse, dem Polbahnweg und dem endlichen Drehpol. Indem der biomechanische Weg berechnet wird, vorzugsweise mit Hilfe eines Computers, können klinisch zuverlässige Daten erhalten werden, aus denen das Maß der anormalen, kinematischen Funktion bestimmt werden kann. Wünschenswerterweise werden die verschiedenen Elemente des biomechanischen Weges graphisch aufgetragen, um einen Vergleich mit den biomechanischen Wegen standardisierter Daten zu erleichtern, die beispielsweise die biomechanischen Wege einer Menge normaler Menschen umfassen können, d. h., jene, die nicht verletzt worden sind, und/oder die frühere Geschichte des Patienten. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung liefert somit ein bedeutendes, diagnostisches und prognostisches Werkzeug zum Bestimmen der Art und des Ausmaßes der anormalen, kinematischen Bewegung der Halswirbelsäule.
Es wird sich der Fig. 1 zugewandt, in der eine Ausrüstung gezeigt ist, die zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform wird ein Helm 1 von dem Patienten P getragen. Der Helm 1 kann an verschiedene Kopfgrößen und -formen mittels eines einstellbaren Bandes 2 (Fig. 2) angepaßt werden und ist vorzugsweise leichtgewichtig, so daß er bequem auf den Kopf paßt. Um die Untersuchung auszuführen (mehr im einzelnen nachfolgend beschrieben) wird der Helm eingestellt, damit er eng während der Untersuchung an den Kopf des Patienten paßt. Somit gibt die Bewegung des Helms genau die Kopfbewegungen des Patienten wieder.
Der Helm 1 schließt Markierungseinrichtungen ein, die von einer Aufzeichnungseinrichtung erfaßt werden können, um die Bestimmung der Kopfausrichtung des Patienten im Raum zu ermöglichen. Die Größe und Form der Markierungseinrichtungen ist für das Verfahren der Erfindung nicht kritisch, vorausgesetzt, daß die Markierungseinrichtungen von der Aufzeichnungseinrichtung erfaßt und aufgezeichnet werden können. Bei der dargestellten Ausführungsform umfassen die Markierungseinrichtungen Bolzen 3 unterschiedlicher Länge, die an dem Helm 1 befestigt sind, und vorzugsweise an ihren Enden eine Markierungseinrichtung 4 enthalten, die Licht reflektieren kann. Vorzugsweise umfassen die Markierungseinrichtungen 4 eine sphärische Kugel mit einem Durchmesser von 1,27cm (ein halbes Zoll), die von einem geeigneten, reflektierenden Material bedeckt ist, vorzugsweise Glaskugeln. Vorzugsweise sind fünf oder sechs Bolzen an dem Helm derart angebracht, daß alle Markierungseinrichtungen einzig von jeder Aufzeichnungseinrichtung ohne eine Überlappung oder Störung der Markierungseinrichtungen miteinander über den Bewegungsbereich des Patienten aufgezeichnet werden können.
Die Ausrüstung zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung schließt ferner eine Zieleinrichtung ein, die eine Mehrzahl von signalaussendenden Einrichtungen in einer vorausgewählten Anordnung umfaßt. Die signalaussendenden Einrichtungen können selektiv betätigt werden, um ein Signal auszusenden, das von dem Patienten erfaßt wird. Der Patient verfolgt das Zielsignal, und indem er dies ausführt, bewegt er seinen Kopf, um dem Muster zu folgen, das erzeugt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die signalaussendenden Einrichtungen so gesteuert, daß die Signaleinrichtung in einem vorausgewählten Muster aktiviert werden kann, das mit einer bestimmten Kopfbewegung, die gepruft werden soll, zusammenfällt. Somit kann beispielsweise die Signaleinrichtung auf eine Weise so aktiviert werden, daß der Bewegungsbereich des Kopfes des Patienten auf eine axiale Drehung (d.h. eine Bewegung von links nach rechts), Beugung-Streckung (Aufwärts- und Abwärtsbewegung) oder seitliche Neigung (Bewegung von einer Seite zur anderen) oder eine schräge Bewegung untersucht wird, wie ein X-förmiges Muster, ein kastenförmiges Muster oder ähnliches. Vorzugsweise umfaßt die signalaussendende Einrichtung eine Mehrzahl von Lichtquellen, von denen jede selektiv gesteuert werden kann, in irgendeiner erwünschten Abfolge oder Muster aufzuleuchten. Die Lichtquelle, um die Verfolgungsrichtung anzugeben, der der Patient folgen soll, ist vorzugsweise eine Lampe oder ein Laser.
Bei der dargestellten Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die Zieleinrichtung eine feste, ebene Mehrfachanordnung oder Gitter 11 kleiner Lampen 12, von denen jede einen Durchmesser von etwas weniger als 1,27cm (1/2 Zoll) hat. Das Gitter ist so angeordnet, daß der gesamte Sichtwinkel des Patienten von der weit linken Seite des Gitters zu der weit rechten Seite des Gitters ungefähr 100º ist, und so, daß der Sichtwinkel von dem oberen Ende des Gitters zu dem unteren Ende des Gitters ebenfalls ungefähr 100º ist (Fig. 3). Die Sichtwinkel nach links von der Mitte, nach rechts von der Mitte, nach oben von der Mitte und nach unten von der Mitte sind alle ungefähr 50º. Ferner sind die Lampen in dem Gitter mit einem Sichtwinkelschritt von ungefähr 10º voneinander beabstandet eingerichtet (Fig. 3). Bei der beispielhaften Ausführungsform umfaßt das Gitter einundsechzig Lampen (Fig. 3). Alternativ können die Lampen in einer anderen Konfiguration ausgerichtet werden, wobei die gleiche oder eine ähnliche Winkelbeziehung zwischen den Lampen verwendet wird. Beispielsweise können die Lampen in einer kuppelförmigen oder regenschirmförmigen Struktur ausgestaltet sein. Die Fig. 4 stellt eine leicht zu errichtende, tragbare kuppelförmige Zieleinrichtung 20 dar, die von Beinen 21 gehalten ist, die auf einem Grundteil 22 befestigt sind. Die tragbare, kuppelförmige Zieleinrichtung kann ohne weiteres bewegt werden, und kann wegen ihrer kleinen Gesamtabmessung im Gegensatz zu einer ebenen Zieleinrichtung, in einem kleineren Bereich als ein ebenes Ziel verwendet werden. Ein beispielhaftes Muster der Lampen der Zieleinrichtung ist in Fig. 4a gezeigt, die eine Endansicht des Gitters ist, wenn man in die Kuppel von einem Punkt X außerhalb der Kuppel blickt. Bei der kuppelförmigen Zieleinrichtung, die in Fig. 4 gezeigt ist, befinden sich die Lampen in der gleichen Winkelbeziehung, wie sie sie bei einer ebenen Zieleinrichtung haben, wie aus Fig. 4b gesehen werden kann. Bei der kuppelförmigen Zieleinrichtung 20 sind alle Lichter von dem Patienten gleich beabstandet.
Die Lampen in dem Gitter werden selektiv gesteuert, so daß sie in irgendeinem vorausgewählten, erwünschten Muster betätigt werden können. Hierfür werden die Lampen in der beispielhaften Ausführungsform in dem Gitter durch eine geeignete, zentrale Verarbeitungseinheit gesteuert, wie beispielsweise einen Personalcomputer 5, eine Schnittstellenkarte (nicht gezeigt) für die zentrale Verarbeitungseinheit, einen Optokopplerkasten 6 und die geeignete Verdrahtung (nicht gezeigt), um die Lampen mit den anderen Bauteilen zu verbinden. Der Optokopplerkasten wandelt die Computerausgangssignale niedriger Leistung in Hochleistungssignale um, die die Gitterlampen in der geeigneten Abfolge einschalten können. Der Optokopplerkasten 6 kann ein Personalcomputer, eine Computerschnittstellenkarte und eine geeignete Optokopplerschaltungsanordnung oder andere geeignete, elektronische Schaltungsanordnung zum Erzeugen der erwünschten Lichtabfolgen sein. Die Schnittstellenkarte der zentralen Verarbeitungseinheit kann beispielsweise eine Karte sein, die im Handel von Metrabyte unter DDA-6 erhältlich ist. Im Handel erhältliche Datenerfassungs- und Anzeigesoftware, wie beispielsweise Lab Tech Notebook, das von Laboratory Technologies erhältlich ist, können als das Mittel verwendet werden, eine vorprogrammierte Abfolge von Lichtmustern einzurichten, um den erwünschten Bewegungsbereich hervorzulocken.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden sechzehn Lampen mit den digitalen Eingabe/Ausgabe-Kanälen gesteuert, die an der Schnittstellenkarte des Computers zur Verfügung stehen. Während das computerisierte System zum Steuern der Gitterlampen eine beträchtliche Flexibilität liefert, erkennt man, daß andere Arten von Steuerung auch auf geeignete Weise verwendet werden können. Somit ist eine Alternative zu dem computerisierten Steuersystem die Verwendung einer elektronischen Schalterschaltung. Die elektronische Schalterschaltung kann von Hand mit Druckknöpfen oder ähnlichem betätigt werden, um eine gewisse, vorausgewählte Lichtfolge zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Helm eine Anzeigeeinrichtung 13. Die Anzeigeeinrichtung arbeitet mit der Zieleinrichtung zusammen, um anzuzeigen, ob der Patient seinen Kopf von einer Lampe zu der nächsten bewegt hat, wenn die Lampen in dem erwünschten Muster erleuchtet werden. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, daß die Anzeigeeinrichtung oder die Zieleinrichtung ausgewählt werden kann, um ein Signal auszusenden, und die andere ausgewählt wird, das Signal zu empfangen, um eine Bestätigung zu schaffen, daß sich der Kopf des Patienten gemäß dem vorgeschriebenen Muster bewegte.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sendet die Anzeigeeinrichtung 13 einen Lichtstrahl aus, der auf das Ziel gerichtet werden soll, und auf dem Ziel oder durch es erfaßt wird. Beim Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung bewegt, da der Patient den Zielsignalen folgt, wenn sie aktiviert werden, er seinen Kopf, so daß der Strahl von der Anzeigeeinrichtung die aktivierte Zielsignallampe beleuchtet. Die Beleuchtung der Zielsignallampe auf diese Weise liefert eine sichtbare Bestätigung, daß der Patient seinen Kopf in Reaktion auf das Zielsignal bewegt hat und somit dem vorgeschriebenen Muster folgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Aufzeichnungseinrichtung mindestens zwei übliche ladungsgekoppelte (CDC) Fernsehkameras 7 und 8, die die Position der Markierungseinrichtungen über den vorausgewählten Bereich der Bewegungsauf gaben aufzeichnen, die von dem Patienten verlangt werden, durchgeführt zu werden. Die zwei Kameras sind in bezug auf den Kopf des Patienten so angeordnet, daß alle Markierungseinrichtungen 4 an dem Helm 1 innerhalb des Aufzeichnungssichtfeldes der Kamera für den gesamten Bereich der erwarteten Bewegung des Patienten sind. Im allgemeinen werden die Kameras unter einem Winkel von 50º bis 60º in Bezug zueinander eingerichtet. Jedoch ist der Winkel, unter dem sich die Kameras in Bezug zueinander befinden, nicht kritisch, vorausgesetzt, daß sie nicht zu nah zusammen sind, was die Genauigkeit verringern kann, und vorausgesetzt, daß jede Kamera den gesamten Bereich der erwarteten Bewegung überdecken kann und fortfahren kann, alle Markierungseinrichtungen zu sehen und ihre Bewegungen aufzuzeichnen. Bei der bevorzugten Ausführungsform zeichnen die Videoauf zeichnungsvorrichtungen Licht auf, das von den von dem Helm getragenen Markierungseinrichtungen reflektiert worden ist und der Bewegung des Kopfes des Patienten im Raum entspricht.
Jede Fernsehkamera ist mit einem Videokassettenaufzeichnungsgerät 9, 10 verbunden, wo ein Videoband der Bewegung des Patienten auf einer Videokassette aufgezeichnet wird. Ein Bildmonitor (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die Videokamerabilder zu betrachten, wenn sie aufgezeichnet werden. Um unerwünschte Reflexionsstörungen bei der Videoauf zeichnung zu minimieren, wird bevorzugt, daß alle von den Markierungseinrichtungen 4 verschiedenen Helmteile eine nichtreflektierende Farbe aufweisen, wie Dunkelblau oder Schwarz.
Um eine genaue, dreidimensionale Analyse der Kopfbewegungen des Patienten zu liefern, werden die zwei Videobänder zuerst mit einer "Expert Vision Remote Site" Einheit synchronisiert, wie im Handel von Motion Analysis, Inc., erhältlich ist. Die Expert Vision Remote Site Einheit synchronisiert die Kameraabtastung, die alle 17ms gemacht wird, über ein Signal von dem fernliegenden Ort zu jeder Kamera, und gibt einen von einem Benutzer inituerten Audioton auf jedes Videoband bei demselben Abtastbild. Die Einheit des fernliegenden Orts ist mit der VCR verbunden, die mit den zwei Videokameras verbunden ist, so daß die Zeitmarken gleichzeitig mit den tatsächlichen Filmen des Patienten erzeugt werden.
Gemäß der Erfindung werden die dreidimensionalen Koordinaten der Polbahnen der Markierungseinrichtungen 4 während der ganzen Kopfbewegung während der Durchführung der verlangten Verfolgungsuntersuchungen des Patienten verwendet, um den endlichen Rotationspol, die momentane Drehachse und die Polbahnbewegung des Kopfes zu berechnen. Um die dreidimensionalen Koordinaten der Polbahn von jeder Markierungseinrichtung 4 von dem Videoband zu erhalten, wird das volle "Expert Vision Motion Analysis System" vorzugsweise verwendet, das handelsmäßig von Motion Analysis, Inc., Santa Rosa, Ca., erhältlich ist. Dieses System umfaßt ein dreidimensionales Bewegungsanalysesystem, das in einer SUN Computerarbeitsstation untergebracht ist, und ein Hauptsoftwareprogramm, das "EV3d" genannt wird. Während gewisse Standardbefehle von dem Expert Vision System zur Eichung und Initialisierung verwendet werden, wird der besondere Befehl "vide" verwendet, um Computerdateien von einem Videoband zu erzeugen. Der "vide" Befehl koppelt den Computer mit der Motion Analysis' "VP-110" Hardware oder ihrem Äquivalenten, die den Grauwertübergang, der im wesentlichen der Umriß der Markierungseinrichtungen 4 ist, von einem Videoband mißt. Der "track" Befehl des Expert Vision System erlaubt, daß Computerdateien, die von jedem Videoband erzeugt werden, kombiniert werden und die Polbahn oder der Ort jeder Markierungseinrichtung während der gesamten Kopfbewegung und in drei Dimensionen für jede Bewegungsaufgabe erhalten werden, die der Patient ausführt. Andere photoelektronische oder elektromagnetische Systeme können ebenfalls verwendet werden.
Nachdem die Orte der Markierungseinrichtungen bestimmt worden sind, werden die Schraubenachsenparameter vorzugsweise mit Hilfe eines Computers berechnet. Hierfür kann Software auf der Grundlage von Gleichungen zufriedenstellend verwendet werden, die zuerst von Spoor, C.W. und Veldpaus, F.E., "Rigid body motion Calculated from spatial co-ordinates of markers", J. Biomechanics, 13: 391-393, 1980, vorgestellt worden sind und in Woltring, H. J., Huiskes, R., De Lange, A. und Veldpaus, F.E., "Finite centroid and helical axis estimation from noisy landmark measurements in the study of human joint kinematics", J. Biomechanics, Bd. 18, 1985, 5. 379-389 vorgelegt worden sind. Markierungseinrichtungsorte werden zusätzlich zu den vier typischerweise von klinischen, theoretischen Techniken verwendeten vorteilhafterweise verwendet, um den Fehler bei der Berechnung aufgrund von Meßrauschen zu verringern. Unter Verwendung der Gleichungen von Spoor und Veldpaus und Woltering u. a. können die Schraubenachsenparameter oder der biomechanische Weg für den Kopf, nämlich die momentane Drehachse, ein Punkt auf dieser Achse (beispielsweise der endliche Rotationspol oder die Polbahn) und die Drehung um und das Verschieben entlang dieser Achse erhalten werden. Graphische Darstellungen dieser verschiedenen Bewegungen und Wege können dann mit üblichen graphischen Verfahren gemacht werden.
Graphische Darstellungen der hergeleiteten Schraubenachsenparameter für den sich in Untersuchung befindenden Patienten können auf zweierlei Weise verwendet werden. Die hergeleiteten Schraubenachsenparameter können als ein diagnostisches Werkzeug verwendet werden, indem die Schraubenachsenparameter mit standardisierten Schraubenachsenparametern verglichen werden, einschließlich beispielsweise graphischer Darstellungen der Schraubenachsenparameter für normalerweise gesunde Personen, um irgendwelche Abweichungen zwischen den beiden zu bestimmen. Auf diese Weise kann irgendeine anormale kinematische Bewegung der Halswirbelsäule beobachtet und quantifiziert werden, so daß das Ausmaß der Verletzung bestimmt werden kann.
Therapeutische Änderungen (beispielsweise eine Verbesserung) bei der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule können auch quantitativ bestimmt werden, indem die hergeleiteten Schraubenachsenparameter des Patienten nach der Therapie mit analogen Schraubenachsenparametern verglichen werden, die für diesen Patienten hergeleitet worden sind, bevor die Therapie begonnen hatte. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt ohne weiteres, daß die Verwendung der hergeleiteten Schraubenachsenparameterdaten nach der Verletzung kombiniert mit den Schraubenachsenparametern, die periodisch nach der Behandlung gemessen worden sind, quantitative Informationen in bezug auf dem Fortschritt des Patienten nach der Therapie und das relative Maß der beeinträchtigten, kinematischen Funktion liefern, an der der Patient weiterhin leidet.
Um das Verfahren der vorliegenden Erfindung auszuführen, wird einem Patienten P der Helm 1 aufgepaßt, der oben beschrieben worden ist. Der Patient wird dann angeleitet, eine Reihe von freiwilligen Bewegungsbereichsaufgaben auszuführen, um die Außenparameter seines Bewegungsbereiches für die tatsächliche Untersuchung zu liefern. Insbesondere beginnt der Patient damit, daß eine übliche, freiwillige, selbstbemessene, langsame Bewegungsbereichs-Bewegung in Richtung der Beugung-Streckung (aufwärts-abwärts), der axialen Drehung (links-rechts) und der seitlichen Neigung (von Seite zu Seite) ausgeführt wird. Nach den freiwilligen Bewegungsbereichsaufgaben wird der Patient angeleitet, Zielmustern innerhalb seines freiwilligen Bewegungsbereiches zu folgen. Vorzugsweise werden fünf Zielfolgen verwendet: links-rechts (Fig. 5); aufwärts-abwärts (Fig. 5); ein Kastenmuster (Fig. 6) in beide Richtungen und ein schräges oder X-förmiges Muster (Fig. 5). Während der Patient dem Zielmuster folgt, werden die Bewegungen der Markierungseinrichtungen an dem Helm (die der Kopfbewegung entsprechen) auf den synchronisierten Videokassettenbändern zur späteren Verarbeitung aufgezeichnet, wie es bisher beschrieben worden ist. Die auf die Videobänder aufgezeichneten Daten werden dann verarbeitet wie es oben beschrieben worden ist. Aus diesen Daten, die den Kopfbewegungen entsprechen, werden die Schraubenachsenparameter berechnet und aufgetragen. Die abgeleiteten graphischen Darstellungen werden dann mit graphischen Standarddarstellungen und/oder früheren, graphischen Darstellungen desselben Patienten verglichen, so daß die Art und/oder das Ausmaß der anormalen, kinematischen Bewegung der Halswirbelsäule bestimmt werden kann.
Die folgenden Beispiele sollen weiter die hier beschriebene Erfindung erläutern und sind nicht beabsichtigt, den Bereich der Erfindung zu beschränken.

Beispiel 1

Ein normaler Patient, d. h., einer, der nicht von einer Peitschenschlagverletzung gequält wird, wurde bezüglich der dreidimensionalen Kopfbewegung untersucht, wobei die vorstehend beschriebene Vorrichtung und Verfahren verwendet worden sind. Die Beugung-Steckung (vertikale Bewegung) des Patienten wurde in Intervallen von 10º über 40º gemessen. Der Patient wurde untersucht, wobei die in Fig. 3 dargestellte Zieleinrichtung und die fünf Zielabfolgen verwendet wurden, die oben beschrieben worden sind. Die Schraubenachse zur vertikalen Bewegung wurde dann berechnet und aufgetragen. Die endliche Drehachse (durch die Schraubenachsenparameter definiert) wird in Zentimetern ausgedrückt in bezug auf den fünften Halswirbel (C5) aufgetragen, wie es in Fig. 7a dargestellt ist. Der Patient wurde dann nach sechs Wochen (Fig. 7b) erneut untersucht, um Übereinstimmung der Bewegung des Patienten während dieses Zeitintervalls zu bestimmen.
Man kann aus diesen Daten sehen, daß sich die Schraubenachsenparameter eines normalen Patienten fließend in bezug auf Ort und Ausrichtung ändern. Die Stetigkeit in bezug auf Ort und Ausrichtung der Bewegung war bei einem normalen Patienten erwartet. Tatsächlich stellte sich heraus, daß sich die Durchquerung der durchschnittlichen (n = 9), endlichen Achse für die gesamte, normale Populationbei vertikalen Bewegungen mit 10º Intervallen fließend zwischen dem dritten Halswirbel und dem ersten Brustwirbel ändert. Dieses Beispiel zeigt die Wirksamkeit des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, um die Schraubenachsenparameter der Kopfbewegung und die mathematischen Werte einer solchen Bewegung zu liefern, wobei letztere eine vollständige Beschreibung der Art dieser Bewegung liefern. Demgemäß ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum ersten Mal sowohl die Berechnung der Schraubenachsenparameter des Kopf- Hals-Systems als auch eine mathematische Analyse dieser Bewegung zur diagnostischen und prognostischen Bestimmung.

Beispiel II

Ein Patient, der durch eine Peitschenschlagverletzung beeinträchtigt war, wurde auf die dreidimensionale Kopfbewegung auf die gleiche Weise untersucht, auf die der normale Patient beim Beispiel I untersucht worden ist. Die Beugung-Streckung des Patienten wurde in Intervallen von 10º über 30º gemessen. Die endliche Drehachse (durch die Schraubenachsenparameter definiert) für die Beugung-Streckung wurde dann für den Patienten berechnet und aufgetragen, wie es in Fig. 8a dargestellt ist. Diese Schraubenachsenparameter wurden in unterschiedlichen Ebenen, die durch Zentimeter ausgedrückt sind, in bezug auf den fünften Halswirbel (C5) aufgetragen. Der Patient wurde dann sechs Wochen später erneut untersucht (Fig. 8b), nachdem er sich einer Behandlung für die Peitschenschlagverletzung unterzogen hatte.
Man kann sehen, daß sich bei dem Patienten mit der Peitschenschlagverletzung der Schraubenachsenort in der Z-Ebene von dem der normalen Population unterscheidet. Vor der Behandlung neigt der Patient dazu, alle Drehungen um die obere Halswirbelsäule (Medianachse ungefähr auf der Höhe des dritten Halswirbels) zu machen, was Schwierigkeiten mit dem unteren Halsbereich anzeigen kann. Nach sechs Wochen Behandlung hat sich der endliche Achsenort auf der Z-Achse in Richtung zu einer normaleren Verteilung verschoben, wobei sich die Medianachse bei ungefähr dem fünften Halswirbel befindet.

Claims

1. Nicht-invasives, dreidimensionales Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule eines menschlichen Patienten, das die folgenden Schritte umfaßt:

a) Anbringen aufzeichenbarer, nachweisbarer Markierungseinrichtungen am Kopf des Patienten;

b) Einsatz einer Ziel- bzw. Anleiteinrichtung, um den Patienten durch räumliche Kopfbewegungen zu führen;

c) Aufzeichnen der Positionen der Markierungseinrichtungen, wenn der Patient seinen Kopf in Reaktion auf die Ziel- bzw. Anleitungseinrichtung bewegt;

d) Verarbeiten der aufgezeichneten Positionen der Markierungseinrichtungen mit einer mathematischen Starrkörper-Analyseeinrichtung, um Schraubenachsenparameter des Kopfes des Patienten herzuleiten, die eine dreidimensionale Momentan- und wahlweise eine finite Drehachse des Kopfes des Patienten definieren;

e) Verwenden der Drehachse des Kopfes des Patienten als ein Maß der kinematischen Halsfunktion bei Kopfbewegungen; und

f) Vergleichen der hergeleiteten Kopfdrehachse für den Patienten entweder mit einer Kopfdrehachse für vorgegebene standardisierte Daten, um mögliche Abweichungen festzustellen, oder mit einer zuvor hergeleiteten Kopfdrehachse für den Patienten, um Veränderungen zu erkennen.

2. Nicht-invasives, dreidimensionales Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule eines menschlichen Patienten nach Anspruch 1, das den zusätzlichen Schritt des Speicherns der aufgezeichneten Positionen der Markierungseinrichtungen vor dem Verarbeitungsschritt umfaßt.

3. Nicht-invasives, dreidimensionales Verfahren zum Bestimmen der kinematischen Funktion der Halswirbelsäule nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wenn der Verarbeitungsschritt die Schritte des Verarbeitens der aufgezeichneten Positionen der Markierungseinrichtungen durch dreidimensionale Analyse umfaßt, um dreidimensionale Information der Markierungseinrichtungen zu erhalten, sowie des Verarbeitens der dreidimensionalen Information der Markierungseinrichtungen mit der mathematischen Starrkörper-Analyseeinrichtung.