EP2194870A1

EP2194870A1 - Sensorvorrichtung für die messung feinmotorischer handfunktionen

Info

Publication number: EP2194870A1
Application number: EP08801160A
Authority: EP
Inventors: Michael Schiek; Roger Heil; Dennis Nowak; Manuel Dafotakis
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2010-06-16
Also published as: DE102007046171A1; WO2009039806A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für die Messung von feinmotorischen Handfunktionen. Sie ist gekennzeichnet durch einen gegen elektromagnetische Wechselfelder geschirmten Kraftsensor. Dies bewirkt eine freie Bewegbarkeit der Sensorvorrichtung im Magnetresonanztomograph. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung im Magnetresonanztomograph ist eine Korrelation der mittels der Sensorvorrichtung erhobenen feinmotorischen Handfunktionen mit einem mittels Magnetresonanztomograph erfolgtem Nachweis der an den Handfunktionen beteiligten Hirnareale möglich. Beide Parameter, also feinmotorische Handfunktion und die an der Ausführung der Handfunktionen beteiligten Hirnareale, sind auf diese Weise miteinander korrelierbar.

Description

B e s c h r e i b u n g

Sensorvorrichtung für die Messung feinmotorischer Handfunktionen

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für die Messung feinmotorischer Handfunktionen.

Störungen in der präzisen Kontrolle der feinen Fingerkräfte beim Greifen und der Bewegung von Objekten sind häufige Begleitsymptome einer Vielzahl neurologischer Erkrankungen.

Aus Phillip (Phillip, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig-Maximilians- Universität München (1999)) ist ein Griffkraftsensor zur Erfassung von Griffkräften beim freien Bewegen eines Sensors im dreidimensionalen Raum bekannt. Der zylindrische Sensor hat einen Durchmesser von 95 mm und eine

Höhe von 40 mm. Seine Masse beträgt 372 g. Die Oberfläche des Sensors, insbesondere auch der Griffflächen, bestehen aus Aluminium. Im Inneren des Gehäuses sind elektronische Bausteine für Signalerfassung, -Verarbeitung, Datenspeicherung und Stromversorgung angeordnet. Die gesamte Messtechnik ist in das Gerät integriert, so dass keine Kabelverbindung zu einem externen

Computer benötigt wird, welche das freie Manipulieren des Objektes behindern würde. Über eingebaute Miniatursensoren können die Griffkraft, die über die beiden Griffflächen auf das Objekt ausgeübt wird, sowie die linearen Beschleunigungen in den drei Raumachsen erfasst werden. Zur Aufzeichnung der Griffkraft stehen zwei Kanäle mit unterschiedlich großen Messbereichen von 0-

100 N bzw. 0-25 N zur Verfügung.

Bei den durchgeführten Untersuchungen wird die Vorrichtung zwischen Daumen und den anderen vier Fingern in Opposition mittig gehalten, so dass der Schwerpunkt des Objektes in der Mitte der Verbindungslinien zwischen den Angriffsflächen der Fingerkräfte liegt und Drehmomente vernachlässigbar sind. Die Vorrichtung kann vom Probanden mit der untersuchten Hand aufgenommen werden. Ein Untersucher kann per Knopfdruck am Objekt die Messung starten und stoppen.

Aus Nowak und Hermsdörfer (Nowak, D.A., Hermsdörfer, J. (2004). Die Analyse der Griffkraft bei der Manipulation von Objekten. Nervenarzt 75:725-733) ist bekannt, dass derartige Sensoren auch von Patienten mit deutlich beeinträchtigter Handmotorik problemlos gegriffen und bewegt werden können. Weiterhin ist hieraus bekannt, dass der Kraftsensor Griffkräfte mit einer digitalen Auflösung von bis zu 0,0125 N/Bit zu registrieren vermag. Die Linearbeschleunigungssensoren messen Beschleunigungen zwischen ±50 m/s .

Krankhafte Veränderungen der Kontrolle isometrischer Fingerkräfte sind über eine zu Vergleichspersonen unökonomisch überhöhte Griffkraft, als auch durch eine Desynchronisation der Profile von Griffkraft und Last ermittelbar. Störungen der Kontrolle der Griffkraft werden anhand verschiedener neurologischer Krankheitsbilder auf diese Weise darstellbar.

Nachteilig ist die Funktionalität der Sensoren gemäß Stand der Technik bei der Messung feinmotorischer Abläufe deutlich eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sensorvorrichtung für die Messung der Handfunktionen bereit zu stellen, welche ein größeres Spektrum an Untersuchungen ermöglicht, als die vorhandenen Sensoren nach dem Stand der

Technik.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen

Kraftsensor für die Messung der feinmotorischen Handfunktion. Die Kraftsensorkomponente der Sensorvorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass der Sensor gegen elektromagnetische Wechselfelder geschirmt ist. Vorteilhaft wird durch diese Maßnahme ein Griff kraftsensor bereitgestellt. Die Bezeichnungen Sensorvorrichtung und Griffkraftsensor werden im Weiteren synonym verwendet. Die Sensorvorrichtung kann im Wechsel-Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen frei beweglich eingesetzt werden, ohne dass es zu Störungen des Sensors oder des Magnetresonanztomographen kommt.

Dies stellt eine deutliche Erhöhung der Funktionalität der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gegenüber den Sensoren aus dem Stand der Technik dar. Insbesondere kann das bislang mit der Sensorvorrichtung nach Philip (1999) gewonnene Wissen über die Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen zusammengeführt werden mit dem über die funktionelle

Magnetresonanztomographie gewonnenen Daten über die an dieser Koordination beteiligten Hirnareale. Zusätzlich können qualitativ neue Erkenntnisse über die nun mögliche direkte Korrelation der mittels des Sensors erfassten feinmotorischen Handfunktion mit einem mittels Magnetresonanztomograph erfolgtem Monitoring der an der Handfunktion beteiligten Hirnareale bei

Gesunden und bei neurologisch erkrankten Patienten gewonnen werden.

Hierzu wurde ausgehend von dem Sensor nach Philipp (Phillip, J. Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München (1999)) die Kraftsensorkomponente der Sensorvorrichtung ersetzt, so dass der Sensor auch in einem Magnetresonanztomographen einsetzbar ist. Insbesondere ist gewährleistet, dass der Sensor in einem 3 Tesla-Magnetresonanztomograph eingesetzt werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Schirmung ein Faradaykäfig vorgesehen.

Die Sensorvorrichtung ist dann besonders vorteilhaft in einem Magnetresonanztomographen für die Messung der feinmotorischen Handfunktionen eines Probanden besonders geeignet. Das Material des Faradaykäfigs soll eine elektrische Leitfähigkeit und einen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, dergestalt, dass der Kraftsensor nicht durch Hitzeentwicklung durch das elektromagnetische Wechselfeld beeinträchtigt oder sogar zerstört wird. Das Material für den Faradaykäfig kann insbesondere Silizium oder Germanium oder andere halbleitenden Materialien umfassen.

Bei geeigneter Ausgestaltung hinsichtlich der zu erwartenden Eindringtiefe der elektromagnetischen Wechselfelder schützt diese Schirmung die innerhalb des Käfigs befindliche Messelektronik vor dem Einfluss der elektromagnetischen Wechselfelder. Weiterhin stellt eine geeignete Ausgestaltung des Faradaykäfigs sicher, dass die mit der Schirmung verbundene Energieabsorption und die damit verbundene Wärmeentwicklung zu keiner Beeinträchtigung der Messwerte und insbesondere zu keiner Gefährdung des Patienten oder Probanden führt.

Die statischen Magnetfelder sowie die durch die Bewegung der Sensorvorrichtung durch das magnetisches Gradientenfeld des MRT verursachten extrem niederfrequenten Feldänderungen im unmittelbaren Nahbereich des Sensors werden dagegen durch den Faradaykäfig nicht abgeschirmt. Eine entsprechende

Schirmung durch sogenanntes μ-Metall würde das Gewicht des Griffkraftsensors bzw. der Sensorvorrichtung in einem nicht tolerierbaren Maße erhöhen und zudem auch die Messfelder des Magnetresonanztomographen verformen. Dementsprechend muss der verwendete Kraftsensor so ausgestaltet sein, dass auch bei einer bestimmungsgemäßen Bewegung des Sensors durch das

Gradientenfeld des Magnetresonanztomographen Kraftmessungen mit der notwendigen Auflösung im Amplituden und Zeitbereich möglich sind.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung im Magnetresonanztomograph ist eine Korrelation der mittels der Sensorvorrichtung erhobenen feinmotorischen Handfunktionen mit einem mittels

Magnetresonanztomograph erfolgtem Nachweis der an den Handfunktionen beteiligten Hirnareale überhaupt erst möglich. Beide Parameter, also feinmotorische Handfunktion und die an der Ausführung der Handfunktionen beteiligten Hirnareale, sind auf diese Weise erstmalig überhaupt miteinander korrelierbar. Die Sensorvorrichtung erlaubt eine online Analyse der feinmotorischen Bewegungsabläufe sowie auch eine Rückprojektion von visuell aufbereiteten Teilaspekten dieser Daten an die untersuchte Person während eines Biofeedback. Dadurch können vorteilhaft verschiedene Leistungsaspekte der feinmotorischen Handfunktionen dissoziiert werden. Dies ist für eine komparative Untersuchung der an diesen Funktionen beteiligten Hirnstrukturen in der funktionellen Magnetresonanztomographie häufig der Fall.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftsensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung hierzu eine effektive Auflösung der Kraftamplitude von bis zu 0,01 N auf.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftsensor einen Messbereich bis etwa 80 N auf. Der Messbereich entspricht dann vorteilhaft einer maximal zu erwartenden Kraft, die ein Proband auf den Kraftsensor überhaupt auszuüben vermag.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Gehäuse aus PVC auf. PVC ist vorteilhaft ebenfalls durch elektromagnetische Felder, und insbesondere durch die 3T-Felder, wie sie üblicherweise im Magnetresonanztomographen auftreten, nicht beeinflussbar. Die Kraft, bzw. die Beschleunigung, die der Proband auf die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ausübt, wird ohne Abweichung gemessen. Insbesondere ist durch geeignete Wahl des Gehäusematerials sichergestellt, dass es zu keiner Krafteinwirkung auf die Vorrichtung durch die Magnetfelder des Magnetresonanztomographen und auch zu keiner thermischen Einwirkung auf das Gehäuse kommt. Es ist selbstverständlich möglich, an Stelle von PVC ein anderes geeignetes Material für das Gehäuse zu verwenden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung einen Faraday-Kraftsensor oder einen gegen elektromagnetische Wechselfelder geschirmten FSR-Kraftsensor. Beide Kraftsensortypen sind der Klasse der elektrischen Kraftsensoren zugehörig, wobei der Faradaykraftsensor zu den sogenannten kapazitiven Kraftsensoren und der FSR-Sensor zu den Widerstandskraftsensoren zugehörig ist. Diese können, insbesondere sofern ein Faradaykäfig als Schirmung vor elektromagnetischen Feldern vorgesehen ist, in einem Magnetresonanztomographen eingesetzt werden.

Es wurde im Rahmen der Erfindung überraschend erkannt, dass aus der Vielzahl der möglichen Kraftsensoren und auch der kapazitiven Sensoren als beteiligte Kraftsensorkomponente, die Kraftsensoren mit Faradaykäfig die am meisten geeignete Alternative darstellen.

Insbesondere ist der Faradaykraftsensor durch seine Geometrie so ausgestaltet, dass auch bei einer bestimmungsgemäßen Bewegung des Sensors durch das

Gradientenfeld des Magnetresonanztomographen Kraftmessungen mit der notwendigen Auflösung im Amplituden und Zeitbereich möglich sind. Durch die Verwendung von Silizium als Schirmung und strukturgebendes Element kann der Abstand der Kondensatorelektroden mit beispielsweise 5 μm so gering ausfallen, dass auch bei bestimmungsgemäßer Bewegung des Sensors durch das starke

Gradientenfeld des Hauptfeldes im Inneren des Magnetresonanztomographen und des Streufeldes in unmittelbarer Nähe der Magnetresonanztomograph-Öffnung beide Elektroden die gleiche Feldänderung durchlaufen und sich somit der die Messung eigentlich störende Effekt der zeitlich extrem niederfrequenten magnetischen Feldänderung aufhebt.

Eine Abschirmung nicht magnetresonanztomographiekompatibler Sensoren gegenüber dem statischen Magnetfeld erscheint kaum möglich, da das Gewicht des Griffkraftsensors bzw. der Sensorvorrichtung voraussichtlich in einem nicht tolerierbaren Maße erhöht würde und außerdem eine derartige Schirmung auch die Messfelder des Magnetresonanztomographen verformen würde.

Aus Tsekos et al. (Magnetic Resonance-Compatible Robotic and Mechatronics Systems for Image-Guided Interventions and Rehabilitation: A Review Study. Nikolaos V. Tsekos, N.V. Khanicheh, A., Christoforou, E., and Mavroidis, C. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007. 9:14.1-14.37) ist zudem bekannt, dass im Falle der Verwendung elektrischer Kraftsensoren (engl, load cells) die Kraftmessung hierbei auf der Messung der kraftabhängigen Änderung, entweder des elektrischen Widerstandes oder der elektrischen Kapazität, basiert, während bei magnetresonanztomographischen Untersuchungen zur Korrelation von Griffkraft mit den beteiligten Hirnarealen die Sensoren zum Kopfbereich des Probanden fixiert angeordnet werden müssen. Elektrische Kraftsensoren sind daher gemäß bisher vorherrschender Lehre ungeeignet, um in einem

Magnetresonanztomographen frei, das heißt ohne Rücksicht auf die Position der Sensorvorrichtung zum Kopf, bewegt werden zu können. Derartige Sensoren wurden lediglich zu Rehabilitationszwecken bei der Korrelation von absoluter

Griffkraft und Hirnarealen eingesetzt. Eine funktionelle Studie zu feinmotorischen Handfunktionen und der hieran beteiligten Hirnareale mittels im Magnetresonanztomograph frei beweglichen Griffkraftsensoren existierte daher bisher nicht, bzw. war per se sogar mit Faradaykraftsensoren für nicht möglich gehalten worden. So ist beispielsweise aus der Internetseite http://www.faraday- sensoren.de/index-d.htm sowie der darin offenbarten Produktbeschreibung zu Faraday-Kraftsensoren mit Faradaykäfϊg bekannt, dass diese keinen Schutz gegen magnetische Felder bieten.

Überraschend wurde daher im Rahmen der Erfindung erkannt, dass gerade Kraft- Sensoren mit einem Faradaykäfϊg, und insbesondere Faraday-Kraftsensoren, als eine spezielle Ausgestaltung kapazitiver Sensoren alle Erfordernisse erfüllen, die an eine Sensorvorrichtung zu stellen sind, um frei beweglich in einem Magnetresonanztomograph relativ zum Kopf eines Probanden beweglich eingesetzt werden können. Hierdurch werden die oben geforderten Studien dementsprechend realisierbar.

Der Faraday- Kraftsensor ist auf Grund einer inhärenten Schirmung abweichend von der bisherigen Lehrmeinung daher als ein Kraftsensor anzusehen, der besonders gut geeignet ist, in einem Magnetresonanztomographen eingesetzt zu werden. Dabei sollten vorteilhaft die Messelektroden der Faraday-Kraftsensoren einen Abstand von weniger als 1 Millimeter aufweisen. Dann ist gewährleistet, dass auch bei bestimniungsgemäßer Bewegung des Sensors durch das starke Gradientenfeldes des Hauptfeldes im Inneren des MRT und des Streufeldes in unmittelbarer Nähe der MRT-Öffnung beide Elektroden die gleiche Feldänderung durchlaufen und sich somit der die Messung eigentlich störende Effekt, der zeitlich extrem niederfrequenten magnetischen Feldänderung, aufhebt.

Es ist denkbar, an Stelle eines Faraday-Kraftsensors einen anderen Kraftsensor zu verwenden, sofern dieser gegen die elektromagnetischen Felder geschirmt ist und konstruktiv die Kraftmessung auch in einem extrem niederfrequent variablen

Magnetfeld erlaubt. So ist es denkbar, auch einen FSR-Kraftsensor in einem geeignet ausgestalteten Faradaykäfig anzuordnen, um auf diese Weise zu einem Sensor zu gelangen, der gegen die elektromagnetischen Felder eines Magnetresonanztomographen geschirmt ist.

Es wurde erkannt, dass die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung die Messung des

Magnetresonanztomograph vorteilhaft nicht stört. Es wurde ferner erkannt, dass die Sensorvorrichtung selbst auch keine störenden elektromagnetischen Felder aussendet und somit die elektromagnetischen Messfelder des Tomographen nicht verformt.

Weiterhin wurde erkannt, dass die Erfindung in ihrer Messleistung, also der

Registrierung der 3-achsigen Beschleunigung und auch der Griffkraft nicht durch die extrem hohen Felder des Magnetresonanztomograph beeinflusst wird.

Besonders vorteilhaft stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus keine Gefahr für die untersuchte Person dar, da die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die Magnetfelder des Magnetresonanztomograph nicht beschleunigt oder erhitzt wird.

Da die Erfindung in ihren Abmessungen und dem Gewicht dem beschriebenen Sensor von Philip (Phillip, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig- Maximilians-Universität München (1999)) entspricht, ist die Griffkraft und die Beschleunigung der Sensorvorrichtung, insbesondere was dessen freie Bewegbarkeit im Magnetresonanztomograph angeht, uneingeschränkt auch im Magnetresonanztomographen möglich.

Im Vergleich zu allen bisher in bzw. vor Magnetresonanztomographen eingesetzten Griffkraftsensoren, ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung völlig frei bewegbar und zwar auch im Magnetresonanztomographen, ohne dass die Sensorvorrichtung oder der Magnetresonanztomograph beeinflusst wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind hingegen zu dem abzubildenden Hirnbereich fixiert, also unbeweglich angeordnet, da elektromagnetische Felder und insbesondere das Durchlaufen magnetischer Feldgradienten bei der Bewegung des Sensors, sowohl die Messung des Sensors als auch die Messungen des Magnetresonanztomographen, stören würden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt diesbezüglich eine Erweiterung des Aufgabenbereichs und der Funktionalität der bekannten Sensoren dar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber hinaus geeignet, die Griffkraft mit einer solchen Genauigkeit aufzulösen, dass auch die adaptive und prädiktive Steuerung der Griffkraft, sowohl in der Amplitudenänderung als auch im zeitlichen Verlauf, quantifiziert werden kann. Dies erfordert eine Zeitabtastung der Kraft mit mindestens 256 Hz sowie eine Auflösung der Kraftamplitude besser als 0,05 N, die die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ohne weiteres einzuhalten vermag.

Im Falle eines Faraday-Kraftsensors kann vorteilhaft ein nichtmetallischer, insbesondere eine Rubinkugel oder eine Saphirkugel umfassender Kraftaufnehmer vorgesehen sein. Die in Faraday-Kraftsensoren üblicherweise angeordneten

Kraftaufnehmer aus Metall sind nicht ungeeignet zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da die sinnvolle Kraftmessung durch die extreme Krafteinwirkung des Magnetfeldes auf die metallische Kugel verhindert und zudem die Messung des Magnetresonanztomographen durch die bewegte Kugel gestört würde. In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Sensorvorrichtung einen MEMS-Beschleunigungssensor auf. Der Beschleunigungssensor nimmt die Beschleunigung des Sensors, die seitens des Probanden auf diesen ausgeübt wird, in den drei Raumachsen auf. Es kann somit ausgehend vom Sensor, wie in Philipp (Phillip, J: Ein Meßsystem zur

Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München (1999)) beschrieben, ausgegangen werden. Diese Druckschrift wird daher in Bezug auf Abmessungen, Gewicht und der verwendeten Beschleunigungssensoren sowie der Datenaufzeichnung des Sensors als solcher als Referenz in die vorliegende

Patentanmeldung inkorporiert. Änderungen gegen diesen Sensor bestehen, wie beschrieben, in der Kraftsensor-Komponente. Eine weitere Änderung besteht darin, dass die Digitaleinheit aus der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung entfernt wurde und diese stattdessen mittels eines Koaxialkabels mit der Sensorvorrichtung verbunden ist. In der Digitaleinheit, die somit außerhalb der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung angeordnet ist, werden die Daten gespeichert, aufgearbeitet und hiervon ausgehend im Rahmen des Biofeedback an den Probanden zurückgeführt.

Allerdings ist es denkbar, auf den Beschleunigungssensor zu verzichten, sofern nur sichergestellt ist, dass ein Nachweis der Bewegungen und Beschleunigungen stattfindet, beispielsweise durch optische Überwachung der ausgeführten Bewegungen.

Im Weiteren wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel und der beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne dass dies zu einer Einschränkung der Erfindung führt.

Es zeigen:

Fig. 1 Faraday-Kraftsensor

Fig. 2 Griffkraftsensor Fig. 3 Test-Messung im Magnetresonanztomograph Siemens, 3T Trio

Es wurde der Kraftsensor K50N der Fa. Gisma GmbH, Buggingen, als Faraday- Kraftsensor Komponente verwendet. Der Kraftsensor ist auf der Internetseite http://www.faraday-sensoren.de/index-d.htm oder auch auf der Internetseite http://www.ib-hoch.de/faraday_kraftsensoren.pdf näher beschrieben.

Es wird ein hochelastischer, nahezu ermüdungsfreier Siliziumdeckel 15 hergestellt. Deckel 15 und ein ebenfalls aus Silizium hergestellter Grundkörper 11 sind am äußeren Rand miteinander verschweißt und so mechanisch und elektrisch verbunden. Im Inneren dieser Messzelle ist eine Kavität (Höhlung) geätzt. Auf dem Grundkörper 11 und dem Deckel 15 ist innenseitig jeweils eine isolierende

Schicht aus Siliziumoxid (SiO₂) 12 abgeschieden. Darauf sind zwei Messelektroden 13 aufgebracht, die somit vollständig von Siliziummaterial 14 umgeben sind. Dieses leitende Silizium 14 bildet einen Faradaykäfig um die Messelektroden 13 herum. Die lateralen Abmessungen des Sensors betragen 4,32 mm x 5,08 mm. Die Bauhöhe des Sensors beträgt 1,4 Millimeter, davon beträgt allein die die Elektroden 13 einhüllende Schicht 14 bereits mehr als 1 Millimeter. Der Abstand der beiden Messelektroden 13 zueinander beträgt lediglich 5 μm. Dies führt zu einer Grundkapazität von 5 pF. Der geringe Abstand zwischen den beiden Messelektroden 13 stellt sicher, dass die Feldgradienten des Magnetfeldes, durch die der Griffkraftsensor bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung, das heißt bei der Bewegung geführt wird, keinen störenden Einfluss auf die Kraftmessung hat, da die zeitliche Änderung des Magnetfeldes für die beiden Elektroden zu jedem Zeitpunkt als identisch angesehen werden kann.

Aus dem geringen Elektrodenabstand resultiert zudem eine geringe Durchbiegung der Membran von maximal 5 μm. Im Rahmen der Erfindung wurde diesbezüglich erkannt, dass der Abstand der Messelektroden diesbezüglich nicht größer sein sollte als 1 Millimeter. Wenn der Abstand zwischen den Messelektroden zu groß ist, dann ist keine sinnvolle Kraftmessung im Betrieb des Magnetresonanztomographen möglich. Die Messelektroden 13 werden durch eine Öffnung in der Verbindung zwischen der Membran 15 und dem Grundkörper 11 nach außen geführt, wo beide Elektroden 13 und das abschirmende Silizium mit zwei 0 0,3 mm dicken Koaxialkabeln kontaktiert werden (Dreileiterversion).

Der Faradaykäfig wird mittels der allseitig geschlossenen Umhüllung 14, aus

Grundkörper 11 und Deckel 15 gebildet. Die Umhüllung 14 schirmt durch ein elektrisch leitendes Material das Innere des Käfigs 14, aber nicht nur gegen äußere elektrische Felder, sondern per se auch gegen elektromagnetische Wechselfelder im Allgemeinen ab. Umhüllung 14 kann vollständig aus Silizium bestehen.

Zur Ausbildung eines Kraftsensors ist auf dem Silizium 15 über einer der

Messelektroden 13 eine Nicht-Metallische Rubinkugel 16 aufgeklebt. Die Kugel überträgt im Betrieb die vom Probanden ausgeübte Kraft auf die Elektroden 13. Die Kugel hat einen Durchmesser von 0,1 Millimeter. Der Faraday-Kraftsensor 1 weist einen Messbereich von 0 bis 50 N auf. Die aufgebrachte Kraft bewirkt eine Änderung der Kapazität des Sensors, welche durch eine entsprechende

Analogschaltung außerhalb der Sensorvorrichtung ausgelesen wird.

Beide Messelektroden sind hierzu mit Kontakten 17 kontaktiert. Je eine Messelektrode ist demnach mit je einem Kontakt 17 verbunden. Lediglich ein Kontakt 17 ist in Fig. 1 dargestellt. Durch den Verzicht auf die galvanische Verbindung einer der beiden Elektroden mit dem als Faradaykäfig eingesetzten Hüllmaterial wird sichergestellt, dass die Feldgradienten des Magnetfeldes, die der Griffkraftsensor bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung, das heißt bei der Bewegung, durchläuft, keinen störenden Einfluss auf die Kraftmessung haben.

Bei dem Sensor selbst treten keine temperaturabhängigen Halbleitereffekte auf, da das Silizium als einheitlicher Kristall und nicht als p-n-Übergang verwendet wird. Eventuelle Temperaturänderungen gehen nur in die thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein. In den meisten Anwendungen ist damit keine Temperaturkompensation notwendig (Temperaturkoeffizient <0,01 % / Kelvin). Es ist selbstverständlich, dass die Fig. 1 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Insbesondere kann der Deckel 15 im Vergleich zum Grundkörper 11 kleiner ausgeführt sein, so dass Kugel 16 nahe genug an den Messelektroden 13 für die Kraftübertragung angeordnet ist. Die abführenden Koaxialkabel sind ebenfalls nicht dargestellt.

In Figur 2 ist schematisch der verwendete Griffkraftsensor gezeigt. Das runde, komplett aus PVC gefertigte Gehäuse 21 des Griffkraftsensors hat einen Durchmesser von 9,5 cm, eine Tiefe von 4,5 cm und kann auch von Personen mit stark eingeschränkter Handmotorik gegriffen und bewegt werden.

Für die Messung der Beschleunigung ist neben dem genannten Kraftsensor ein triaxialer Beschleunigungssensor ADXL-330 von Analog Devices in das Gehäuse integriert. Der ADXL-330 ist eine Ein-Chip-Entwicklung, und verbraucht bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V etwa 180 μA. Es weist einen Messbereich von ± 3 G auf. Die verwendete MEMS-Technologie macht ihn für die extremen Magnetfelder eines klinischen 3 -T Magnetresonanztomographen unanfällig.

Die Digitalisierung, Signalvorverarbeitung und Speicherung der Daten sowie das online-Streaming dieser Daten erfolgt durch einen Mikrokontroller der Firma Texas Instruments. Das zylindrische Gehäuse und die verwendeten Schrauben sind aus PVC gefertigt. Die Digitaleinheit, die auch die analoge Schaltung zur Auslese des Kraftsensors umfasst, wird beim Betrieb im Kernspintomographen aus der Hochfeld-MR-Zone mittels geschirmter Kabel herausgeführt.

Lediglich die beiden Sensoren, also der Faraday-Kraftsensor und der Beschleunigungssensor sind neben einem Analogfilter in das Gehäuse 21 integriert. Der Analogfilter eliminiert als Tiefpassfilter hohe Störfrequenzen des Magnetresonanztomographen. Der Analogfilter ist sensornah im Signalweg zwischen Beschleunigungssensor und abgehender Kabelverbindung (nicht dargestellt) eingebaut, um hohe Störfrequenzen zu eliminieren. Die Kabelverbindung ist als Koaxialkabel ausgeführt. Sie übermittelt die erhobenen Daten zur ausgeübten Kraft und Beschleunigung an. Mit Bezugszeichen 22 ist das Gewicht der Sensorvorrichtung lediglich symbolisch dargestellt.

Ausgehend vom Kraftsensor der Fig. 1 und den beiden hierfür beschriebenen Koaxialkabeln wird ein weiteres Kabel, ausgehend vom Beschleunigungssensor, zusammen über ein insgesamt ebenfalls geschirmtes Kabel an die außerhalb der

Sensorvorrichtung angeordneten Digitaleinheit zwecks Datenverarbeitung und - Speicherung geführt.

Die Sensorvorrichtung wurde erfolgreich sowohl in dem Bereich des höchsten Magnetfeldes als auch im Bereich des stärksten Streufeldes eines klinischen 3 T Magnetresonanztomographen, getestet (Fig. 3). Die Testung umfasste eine

Messung mit dem unbewegten und mit dem bewegten Sensor. Die Sensorvorrichtung wurde dabei mit einer Frequenz von ca. 1 Hz und einer Auslenkung von ca. 50 cm bewegt, entsprechend einem typischen Experiment für die Griffkraftmessung. Auf beide Sensoren wurden durch die Magnetfelder des Magnetresonanztomographen keine spürbaren Kräfte ausgeübt, außerdem verursachten beide keine Störungen im Magnetresonanztomographie-Bild. Maßgeblich über die während der Tests geschirmten Analogkabel wurden die Ausgangssignale jedoch durch die Wechselfelder der Anregungssequenzen des Magnetresonanztomographen beeinflusst. Diese Störungen liegen jedoch in einem Frequenzbereich deutlich über den interessierenden Signalfrequenzen und waren in der Amplitude so gering, dass sie durch den erwähnten Tiefpassfϊlter von 150 Hz entfernt werden konnten.

Die Digitaleinheit wurde inklusive des verwendeten Lithium-Polymer- Akkus als herausnehmbarer Einschub konzipiert. Beim Betrieb im Magnetresonanztomograph wird die Digitaleinheit durch einen gleichschweren, nichtmagnetischen Adapter ersetzt und mittels geschirmter Kabel (bis zu einer Länge von 5 m) aus dem Messraum herausgeführt. Auf diese Weise ist ein Vergleich der beiden Sensorvorrichtungen mit und ohne Digitaleinheit in und außerhalb des Magnetresonanztomographen möglich. Der Feinmotoriksensor kann über einen Drucktaster vollkommen autark bedient werden. Statusmeldungen (laufende Messung, Anzahl der aufgezeichneten Messungen, Fehlermeldung, Kalibrierungsanweisungen) werden über eine zweistellige alphanumerische Anzeige ausgegeben. Beim Einschalten fuhrt das System automatisch einen Selbsttest durch und initiiert gegebenenfalls eine

Kalibrierung. Bei dieser muss der Anwender gemäß Anweisungen der Anzeige das System in 3 verschiedenen Stellungen auf eine ebene Oberfläche legen. Die Kalibrierung dauert etwa 1 Minute. Es können bis zu 96 Messungen mit einer Gesamtgröße von 4 GB in der Digitaleinheit gespeichert und verwaltet werden. Eine integrierte Echtzeituhr identifiziert die Messungen eindeutig. Derzeit werden die Beschleunigungen in die drei Raumrichtungen und die Griffkraft mit jeweils 256 Hz digitalisiert, deutlich höhere Abtastraten sind jedoch vom System her möglich. Der verwendete Akku erlaubt eine maximale Messzeit von 5 Stunden. Über eine serielle Verbindung wird das System für das Auslesen der Messdaten, die Änderung der Grundkonfiguration oder das online Visualisieren der

Messdaten an einen normalen Windows-PC angeschlossen. Die Steuerung und Visualisierung erfolgt über eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) in QT- bzw. MATLAB.

Durch die Anwendbarkeit im Magnetresonanztomographen wird die direkte Korrelation der feinmotorischen Handfunktionen mit funktionell anatomischen

Hirnstrukturen ermöglicht. Zusätzlich erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung unter anderem die Aufzeichnung der isometrischen Fingerkräfte und bewegungsinduzierten Lasten bei der Objektmanipulation sowie bei der online Analyse und Rückprojektion von visuell aufbereiteten Teilaspekten der feinmotorischen Bewegungsabläufe an die untersuchte Person (Biofeedback).

Dadurch können verschiedene Leistungsaspekte der feinmotorischen Handfunktion dissoziiert werden, wie dies für die komparative Untersuchung der an diesen Funktionen beteiligten Hirnstrukturen in der funktionellen Magnetresonanztomographie notwendig ist. Auf diese Weise wird eine Magnetresonanztomographiekompatible Sensorvorrichtung bereitgestellt, welche eine online Rückprojektion von visuell aufbereiteten Teilaspekten der feinmotorischen Bewegungsabläufe an die untersuchte Person im Sinne eines Biofeedbacks erlaubt. Dadurch ist die Identifikation der an der präzisen Koordination der feinen Fingerkräfte bei der Manipulation von Gegenständen beteiligten funktionellen anatomischen Hirnstrukturen bei Gesunden und Patienten mit neurologischen Erkrankungen möglich.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Sensorvorrichtung für die Messung von feinmotorischen Handfunktionen, gekennzeichnet durch einen gegen elektromagnetische Wechselfelder geschirmten Kraftsensor.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Faradaykäfig als Schirmung.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Faradaykäfigs eine elektrische Leitfähigkeit und einen entsprechenden Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, dass der Kraftsensor nicht durch Hitzentwicklung durch das elektromagnetische Wechselfeld beeinträchtigt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Silizium als Material des Faradaykäfigs.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen Kraftsensor mit einer Auflösung von bis zu 0,01 N.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 , umfassend einen Kraftsensor mit einem Messbereich von bis zu 80 N.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung mit einem Gehäuse aus PVC.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Faraday-Kraftsensor oder einen FSR-Kraftsensor.

9. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch 8, gekennzeichnet durch zwei Messelektroden in einem Abstand von weniger als 1 Millimeter.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine nichtmetallische, insbesondere eine Rubin- oder eine Saphirkugel als Kraftaurhehmer des Faraday-Kraftsensors.

11. Vorrichtung nach vorhergehendem Anspruch, gekennzeichnet durch einen Beschleunigungssensor, insbesondere auf MEMS-Basis.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Gewicht von etwa maximal 500 g.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Analogfilter als Tiefpassfilter.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Magnetresonanztomographen.