FI109652B - Menetelmä ja laite yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman rekisteröimiseen ja analysointiin - Google Patents

Description

109652

MENETELMÄ JA LAITE YKSILÖN RUUMIINOSAAN KOHDISTUVIEN VOIMIEN JAKAUTUMAN REKISTERÖIMISEEN JA ANALYSOINTIIN

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman rekisteröimiseen ja analysointiin.

Fysioterapeuttisissa tutkimuksissa on suuri tarve saada 5 tietoa yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien paikallisesta ja ajallisesta jakaumasta. Tällaisia tutkimuksia ovat esimerkiksi kävelyyn, juoksuun ja hyppyihin liittyvät dynamiikan tutkimukset sekä tasapainoon liittyvät tutkimukset. Näissä tutkimuksissa on tarve mitata jalkapohjiin 10 kohdistuvia voimia sekä saada selville niiden jakautuma jalkapohjan alueella. Sovellusalueina ovat sekä urheilusuoritukseen liittyvät tutkimukset että puhtaasti lääketieteelliset tutkimukset. Muita tutkimuskohteita ovat esimerkiksi istuttaessa tai maatessa kehoon kohdistuvien 15 voimien rekisteröinti. Tämä on tärkeää, kun pyritään kehittämään istuimia tai makuualustoja liikuntakyvyttömien tai •t sairaiden henkilöiden rasitusten pienentämiseksi. Istumis- • · ! . prosessin tutkimuksesta saatavaa tietoa voitaisiin käyttää • · · ;;· : esimerkiksi pyörätuolin istuinosan räätälöimiseen käyttäjän 20 mittojen mukaan sopivaksi. Vastaavasti voitaisiin estää • · ” painehaavojen syntymistä pitkäaikaisessa makuullaolossa.

: Muita sovelluksia ovat esimerkiksi raajan tyngän ja protee si ' sin sovittamisessa tarvittavan paine jakautuman mittaus, jolloin proteesin tarkemmalla työstämisellä voidaan ehkäis-25 tä hiertymisestä tai voimakkaasta pistemäisestä kuormituk- • t .···. sesta aiheutuvien kivuliaiden vammojen syntyminen. Toinen alue, jossa tieto voimien jakautumisesta on tärkeää, on :·· : hampaiden purennan mittaus hammasproteesin sovituksen tai ·...' hampaan paikkauksen yhteydessä.

.·. : 30 Voimajakautuman mittaamiseen kykeneviä antureita on olemassa markkinoilla. Ne perustuvat joko pietsosähköiseen PVDF-kalvoon (PVDF = polyvinyylideenifluoridi), pietsokide-elementteihin, resistiivisiin venymäliuskoihin tai puhtaasti 2 109652 mekaanisiin kalvokytkimiin. Pietsosähköiset anturielementit ovat herkkiä ja luotettavia, mutta ne ovat hyvin kalliita. PVDF-kalvosta valmistettu yksinkertainen, muutaman mittauspisteen käsittävä anturilevy maksaa kymmeniä tuhansia 5 markkoja. Resistiiviset anturit vaativat signaalin aikaansaamiseksi herätesignaalin, joten niiden pohjalta tehdyt anturilevyt tulevat monimutkaisiksi, kalliiksi ja myös herkiksi ulkopuolisille häiriöille. Mekaaniset kytkinmat-riisit antavat tietoa vain tietyn voimarajan ylityksestä.

10 Useissa sovellutuksissa tavoitteena on anturilevy, joka käsittää kymmeniä mittauspisteitä ja joka on voitava kiinnittää epätasaisille pinnoille. Sopivan anturilevyn täytyy näin ollen olla taipuisa. Anturilevyn on kestettävä suuriakin rasituksia vaurioitumatta. Sen olisi joissakin sovel-15 luksissa oltava lähes kertakäyttöinen, joten kalliit ratkaisut eivät voi tulla kysymykseen.

Julkaisussa EP 182764, Kari Kirjavainen, kuvataan ns. EMF-kalvo (Electro Mechanical Film), joka on ohut muovikalvo, jossa on hyvin pieniä kaasukuplia, joiden pinnalle on 20 ajettu sähkövaraus. Päällystämällä tällainen kuplakalvo molemmin puolin ohuella metallikalvolla aikaansaadaan • '·· rakenne, jossa metallikalvojen väliltä on mitattavissa : : : jännite, kun kalvoon kohdistetaan muuttuva voima (esimer kiksi, kun kalvoa puristetaan). Tätä kalvoa voidaan sovel-25 taa esimerkiksi voima-, paine-, kosketus- ja rajakytkinan-: turina tai mikrofonina. Vastaavasti, kun kalvoon kytketään • jännite, se muuttaa muotoaan ja sitä voidaan käyttää kaiut- timena tai sähköisesti ohjattavana toimielimenä. Tämän kalvon etuna on sen suurempi herkkyys ja halpa hinta ver-· 30 rattuna muihin vastaaviin tuotteisiin kuten esimerkiksi '·* ‘ PVDF-kalvo. Kalvo ei tarvitse erillistä ohjausjännitettä, vaan siinä oleva varaus jakautuma saa aikaan biasoinnin.

,”·. Signaalin mittaamiseen tarvitaan vain sopiva virta/jännite- muunnin tai varausvahvistin. Kalvo voidaan suojata tehok-35 kaasti ulkopuolisia häiriöitä vastaan. Kalvo voidaan hel-'·.. posti taivuttaa ja sitä voidaan tarvittaessa venyttää kupe rille pinnoille.

3 109652 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uusi, yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman rekisteröintiin soveltuva anturiyhdistelmä, joka sisältää useita, yllä mainitusta kuplakalvosta valmistettuja anturielementtejä.

5 Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada menetelmä ja laitteisto, jolla voidaan rekisteröidä ja analysoida yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuma.

Keksinnön tunnusmerkit ilmenevät patenttivaatimuksista.

Keksinnön mukainen useita anturielementtejä sisältävä 10 yhdistelmä, joka erään suoritusmuodon mukaan on taipuisa levy, voidaan periaatteessa valmistaa useammalla tavalla.

Ensimmäisen suoritusmuodon mukaan yllä kuvattu kuplakalvo-rakenne jaetaan sopivalla sähköä eristävällä materiaalilla useisiin lohkoihin siten, että vierekkäisten lohkojen sekä 15 kuplia sisältävät muovikalvot että niiden metalliset pääl-lyskalvot ovat täydellisesti eristettyjä toisistaan. Tällainen matriisityyppinen anturilevy valmistetaan sopivasti siten, että leikataan metallikalvopäällystetty kuplakalvo ; ·· pieniin osiin, joita liitetään toisiinsa. Toisen vaihtoeh- _·: 20 don mukaan anturilevy voidaan valmistaa yhtenäisestä kupla- kalvosta, joka on päällystetty kuvioidulla elektroditasol-;\j la. Eräs mahdollisuus on jo ekstruusiovaiheessa jakaa : .·. kuplia sisältävä muovikalvo toisistaan eristettyihin kent- tiin ja sen jälkeen päällystää tämä tuote metallifilmillä 25 vain kenttien keskeltä, jolloin vierekkäisten kenttien metallifilmit eivät kosketa toisiaan.

Anturilevyt voidaan toisen suoritusmuodon mukaan valmistaa : : siten, että upotetaan metallipäällystetystä kuplakalvosta valmistetut yksittäiset sormimaiset anturielementit, tai-30 puisasta ja sähköä eristävästä materiaalista tehdyn laatan ·’ syvennyksiin. Ohuesta (n. 0.1 mm:n paksuisesta) metallipin- ···' noitetusta kalvosta voidaan leikata tarkoitukseen sopivia, mielivaltaisen muotoisia anturielementtejä, joiden pinta- 4 109652 ala voi vaihdella neliömillimetristä aina neliömetreihin. Pintojen ei tarvitse olla tasaisia, koska kalvoa voidaan taivuttaa vaikkapa pallopinnoille. Fysioterapeuttisissa sovelluksissa käytettyjen eri anturielementtien pinta-alat 5 voivat olla saman- tai erikokoisia.

Jalkapohja-anturiyhdistelmät on tarkoituksenmukaisinta valmistaa erillisistä anturielementeistä, jotka kiinnitetään joko suoraan jalkapohjaan tai kengässä olevaan pohjal-liseen, joka on tehty sähköä eristävästä materiaalista.

10 Kumpaankin jalkaan voidaan kiinnittää esimerkiksi 16 antu-rielementtiä. Istuin-anturiyhdistelmän pinta voi esimerkiksi matriisin, jossa on 16 x 16 (tai 32 x 32) anturielement-tiä. Alueiden koot voivat olla painotettu pinta-alojen suhteen. Mittausten kannalta tärkeimmät alueet voivat olla 15 tiheämmin anturoidut. Anturipinnan kokonaisala voi esimerkiksi olla luokkaa 30 cm x 40 cm. Periaatteessa on mahdollista tehdä yllä mainitusta kuplakalvosta erittäin suuren resoluution omaavia matriisityyppisiä anturiyhdistelmiä, mutta sen yhteyteen tarvittava elektroniikka (esimerkiksi 20 signaalivahvistimet) erittäin suuren signaalimäärän käsittelyyn asettaa rajat.

;* : Keksinnön mukaisen anturiyhdistelmän pintaan kohdistuva muuttuva voima aiheuttaa jokaiseen anturielementtiin siihen koskettavaan voimaan verrannollisen varauksen. Varauksen : ,·. 25 määrä kasvaa lineaarisesti voiman kasvaessa. Käytetyn antu- /;·. rielementin taajuuskaista on useita satoja kilohertsejä ja resonanssitaajuus on noin 170 kHz.

·;;/ Keksinnön eräs suoritusmuoto koskee menetelmää ja laitetta ’·' yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman mit- : 30 taamista ambulatorisissa olosuhteissa, jolloin muistiin i”‘; tallennetut signaalit voidaan käsitellä myöhempänä ajankoh tana ja erillisessä paikassa. Eri anturielementtien antamat sähkösignaalit voidaan tarvittaessa vahvistaa anturielemen-···' tiliä olevilla puskurivahvistimilla. Signaalit tallennetaan 35 joko analogiseen tai digitaaliseen muistiin. Sopivan suori- 5 109652 tusmuodon mukaan vahvistetut signaalit viedään ns. mittaus-kortille, joka muuttaa analogiset mittaussignaalit digitaalimuotoon ja tallentaa ne muistikortille, josta ne myöhemmin voidaan siirtää esimerkiksi RS-232-liitäntää käyttäen 5 ohjelmoituun prosessoriin käsiteltäväksi.

Toisen suoritusmuodon mukaan keksinnön mukainen menetelmä voidaan suorittaa laboratorio-olosuhteissa. Tällöin digitaalimuotoon muunnetut signaalit siirretään suoraan kaapelia (esim. RS-232-liitäntää) pitkin prosessoriin käsiteltä-10 väksi.

Signaalivahvistimina voidaan esimerkiksi käyttää pienen virtakohinan omaavia pintaliitettäviä komponentteja, jotka toimivat virtavahvistinkytkennässä ja suorittavat signaalin esikäsittelyn (integroinnin). Vahvistimet sijoitetaan 15 sopivasti anturiyhdistelmän reuna-alueelle.

Mittauskortin kanavalukumäärän on oltava riittävä, jotta jokaisen anturielementin signaali voidaan käsitellä erikseen. Tarvittaessa voidaan käyttää kahta tai useampaa korttia rinnan.

: ! : 20 Muistikorttina voidaan esimerkiksi käyttää PCMCIA-tyyppistä muistikorttia, jolloin tiedon siirto mittauslaitteesta : analyysilaitteeseen (prosessoriin) voi tapahtua pelkkää muistikorttia siirtämällä.

Prosessoriin syötetyt signaalit voidaan haluttaessa havain-, 25 nollistaa näyttöpäätteellä tai piirturin avulla. Ohjel moidun prosessorin avulla voidaan myös laskea erilaisia signaaleihin pohjautuvia arvoja ja verrata niitä keskenään.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteiston avulla saatua 30 tietoa voidaan laajasti hyödyntää esimerkiksi fysioterapiassa, kuten raajaproteesien suunnittelussa sekä istuma-ja makuualustojen ja jalkatukien suunnittelussa. Toisena merkittävänä sovellutusalueena voidaan mainita hammaspuren- 6 109652 nan mittaus esimerkiksi hampaiden paikkauksen tai erilaisten hammasproteesien sovituksen yhteydessä.

Keksintöä selostetaan tarkemmin oheisten piirustusten avulla, jolloin 5 Kuvio 1 esittää anturielementin leikkausta edestä,

Kuvio 2 esittää kuvion 1 elementin leikkausta sivulta, Kuvio 3 esittää anturiyhdistelmää erään suoritusmuodon mukaan,

Kuvio 4 esittää anturiyhdistelmän toista suoritusmuotoa, 10 ja

Kuvio 5 esittää useamman anturielementin liitäntärat-kaisua.

Kuvioissa 1 ja 2 nähdään anturielementin 10 kuplakalvo 11 laminointikerroksen 12 ympäröimänä. Kuvioissa 11a tarkoit-15 taa kuplakalvojohdinta. Viitenumero 13 on liitin ja 14 esivahvistin.

Kuviossa 3 nähdään jalkapohjaan 30 sovittetava anturiyhdis-• '·· telmä 20, joka koostuu useammasta yksittäisestä anturiele- : : : mentistä 10. Esivahvistimesta 14 signaalit johdetaan latta- 20 kaapelia 15 pitkin tiedonkeruuyksikköön 16, joka tässä : ratkaisussa on kytketty suoraan tietokoneeseen 17. Vaih- ; .·. toehtoisesti tiedonkeruuyksikkö 16 olisi voinut olla yhdis tettynä henkilön mukana kannettavaan muistikorttiin (ambu-latorinen ratkaisu).

25 Kuviossa 4 on esitetty anturiyhdistelmä 20 sovellettuna raajaproteesiratkaisuun. Anturiyhdistelmä 20 on putkimainen :,i.: järjestely, joka ympäröi raajan tyngän 50 pinnat. Anturiyh- ' distelmä 20 on taas raajaproteesin 40 ympäröimä (raajapro- teesi 40 on osittain leikattuna). Tiedot kerätään erillis-.. 30 ten paineanturien 10 avulla ja viedään esivahvistimen 14 ja kaapelin 15 välityksellä tiedonkeruuyksikön 16 kautta muistikorttiin 18.

7 109652

Kuviossa 5 nähdään tarkemmin erillisten anturien 10 kytkentä liittimien 13 avulla esivahvistimeen 14 ja sitä kautta lattakaapeliin 15.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön erilaiset 5 sovellutusmuodot voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (9)

1. Yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman rekisteröimiseen tarkoitettu yhdistelmä (20), joka sisältää useita, eri mittauskohtiin sijoitettavissa olevia antu-rielementtejä (10), jolloin jokainen anturielementti kyke- 5 nee muuttamaan anturielementtiin kohdistuvan voiman säh-kösignaaliksi, jolloin anturielementti on valmistettu sinänsä tunnetusta kaasukuplia sisältävästä muovikalvosta (11), johon on ajettu sähkövarauksia ja joka molemmin puolin on varustettu metallikalvolla, joiden välille syntyy 10 jännite, kun kalvoon kohdistetaan muuttuva voima, tunnettu siitä, että anturiyhdistelmä (20) on levy, joka on muotoiltu yksilön jalkapohjan mukaan tai pyörätuolipotilaan pyörätuolin istuinosan, tai raajaproteesin raajan tynkää koskettavan pinnan ja raajan tyngän väliin sovitettavaksi levyk-15 si, tai hammaspurennan mittaamiseksi tarkoitettu levy.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen yhdistelmä (20) tunnettu siitä, että se koostuu patenttivaatimuksessa 1 mainitusta muovikalvosta (11), jonka pinta on jaettu toisistaan eris-tettyhin anturielementteihin (10).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen yhdistelmä (20) tunnettu ; siitä, että se koostuu taipuisasta, sähköä eristävästä . · materiaalikerroksesta, jonka haluttuihin tarkkailukohtiin on sijoitettu yksittäiset anturielementit (10).

4. Menetelmä yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien 25 jakautuman rekisteröimiseen ja tallentamiseen, tunnettu siitä, että - tarkkailtavan ruumiinosan tuntumaan sovitetaan jonkin : i patenttivaatimuksista 1-3 mukainen, useita voima-antu- rielementtejä (10) sisältävä yhdistelmä (20) niin, että 30 ruumiinosaan kohdistuvat, mitattavat voimat välittyvät mainittuun yhdistelmään, ja - tallennetaan eri anturielementtien (10) rekisteröimät :*·: signaalit muistiin (18). 9 109652

5. Menetelmä yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautuman analysoimiseen, tunnettu siitä, että - tarkkailtavan ruumiinosan tuntumaan sovitetaan jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen, useita voima-antu- 5 rielementtejä (10) sisältävä yhdistelmä (20) niin, että ruumiinosaan kohdistuvat, mitattavat voimat välittyvät mainittuun yhdistelmään (20), ja muutetaan eri anturiele-menttien rekisteröimät signaalit digitaaliseen muotoon ja viedään ne prosessoriin (17) käsiteltäväksi ja mahdollises-10 ti havainnollistettavaksi, tai - viedään patenttivaatimuksen 4 mukaisesti muistiin tallennetut signaalit prosessoriin (17) käsiteltäväksi ja mahdollisesti havainnollistettavaksi.

6. Laite yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautu-15 man rekisteröimiseen ja tallentamiseen, tunnettu siitä, että se käsittää tarkkailtavan ruumiinosan tuntumaan sovitettavan jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukaisen, useita voima-anturielementtejä (10) sisältävän yhdistelmän (20), sekä muistin (18) eri anturielementtien rekisteröimi-20 en signaalien tallentamiseen.

: 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite tunnettu siitä, että se käsittää komponentit (14) signaalien vahvistamisek-, . ; si ja muuntamiseksi digitaaliseen muotoon.

8. Laite yksilön ruumiinosaan kohdistuvien voimien jakautu-25 man analysoimiseen, tunnettu siitä, että se käsittää - tarkkailtavan ruumiinosan tuntumaan sovitettavan jonkin patenttivaatimuksista 1-3 raukaisen, useita voima-anturielementte jä (10) sisältävän yhdistelmän (20), ja - komponentit (14) eri anturielementtien (10) rekisteröimi- : 30 en signaalien vahvistamiseksi ja muuntamiseksi digitaali- ·’ seen muotoon, ja - prosessorin (17) eri signaalien rinnakkaiseen käsittelyyn.

8 109652

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite tunnettu siitä, 10 109652 että se myös käsittää eri anturielementtien (10) rekiste-röimien signaalien tallentamiseen tarkoitetun muistin (18), josta signaalit myöhempänä ajankohtana ovat purettavissa ja syötettävissä prosessoriin (17). » » I I » · • * I * » » * ,, 109652