WO2011032575A1 - Verfahren und system zum erfassen von parametern zur charakterisierung von bewegungsabläufen am menschlichen körper und computerimplementiertes verfahren zur analyse von parametern zur charakterisierung von bewegungsabläufen am menschlichen körper - Google Patents

Verfahren und system zum erfassen von parametern zur charakterisierung von bewegungsabläufen am menschlichen körper und computerimplementiertes verfahren zur analyse von parametern zur charakterisierung von bewegungsabläufen am menschlichen körper Download PDF

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WO2011032575A1 PCT/EP2009/006806 EP2009006806W WO2011032575A1 WO 2011032575 A1 WO2011032575 A1 WO 2011032575A1 EP 2009006806 W EP2009006806 W EP 2009006806W WO 2011032575 A1 WO2011032575 A1 WO 2011032575A1
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bending
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data
human body
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PCT/EP2009/006806
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Tobias Happel
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Epionics Medical Gmbh
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    • A61B5/1116—Determining posture transitions

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for detecting functional parameters for characterizing movements of the human body and a computer-implemented method for analyzing such functional parameters.
  • the acquisition of the bending information should be done primarily in the lumbar spine, as the cause of a large part of all back pain can be seen here.
  • FIG. 1 shows a system according to a preferred embodiment of the present invention comprising a memory unit 10 and two sensor bands 1 1 a and 1 1 b.
  • FIG. 2 shows a block diagram which schematically illustrates the electronic components of a preferred embodiment of the sensor band and their connection to one another.
  • FIG. 3 shows a block diagram which schematically illustrates the power supply of an embodiment of the sensor band 11.
  • Figures 4a and 4b show in a greatly simplified form the construction of an embodiment of the sensor tape 1 1 in a side or sectional view.
  • FIG. 4c shows the sensor electronics 43 from FIG. 4a in a sectional view.
  • FIG. 5 shows a sketch for converting a bend into an angle.
  • FIG. 6 shows a simplified illustration of a preferred exemplary embodiment of a memory unit.
  • FIG. 7 shows a block diagram which schematically illustrates the electronic components of a preferred embodiment of the memory unit and their connection to one another.
  • FIG. 8 shows a block diagram which schematically illustrates the power supply of an embodiment of the memory unit.
  • Figures 9a and 9b show schematically a mounting patch according to a preferred embodiment of the invention in a plan view and a sectional view.
  • FIG. 10 a shows a sketch which simplifies the overall structure of the fastening plaster according to FIG. 9.
  • FIG. 10b schematically shows the total construction of the fastening plaster in a top view, wherein the sensor band is already inserted into the plaster.
  • FIGS. 11a and 11b show the cutting patterns 102 and 103 from FIG. 10b, wherein in each case the areas are indicated on which they are firmly connected to a cutting pattern 102, 103.
  • FIGS. 12a and 12b show cutting patterns 101 and cutting patterns 102, 103, with the respective areas being indicated on which they are firmly connected.
  • FIG. 13a shows a graph in which various angle sums measured in parallel patching are plotted over time.
  • FIG. 13b shows a graph in which various angle sums measured in the case of a V-shaped plaster arrangement are plotted over time.
  • FIG. 14a schematically shows an arrangement of the memory unit 10 and the sensor bands 11a, 11b on a carrier back according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 14b shows a rear view of a carrier, on the back of which reference points for the arrangement of the sensor bands according to FIG. 14a are marked.
  • FIG. 15 shows a sketch in which the position of a fastening plaster relative to the reference line 145 and connecting line 144a or 144b from FIG. 14b is shown.
  • FIG. 16 shows a simplified program flow chart for the interface between the embedded software and the user software.
  • FIG. 17 shows a simplified program flowchart of the main program.
  • FIG. 18 shows a simplified program flow chart of the interrupt service routine "Timer3-ISR".
  • FIG. 19 shows a simplified program flowchart of the interrupt service routines "1 2 C-ISR” and "UART-ISR".
  • FIG. 20 shows an overview of various header and source code files of the embedded software of the memory unit.
  • FIG. 21 shows a simplified program flow chart of the "SD_Start" function.
  • FIG. 22 shows a simplified program flowchart of the "memory" function.
  • FIGS. 23a and 23b show a simplified program flow chart of the "main" function.
  • FIG. 24 shows a simplified program flow chart of the function "UART interrupt”.
  • FIG. 25 shows a simplified program flowchart of the function "I 2 C interrupt”.
  • FIGS. 26a and 26b show a simplified program flow chart of the "Timer3 Interrupt" function.
  • FIG. 27 shows an overview of various header and source code files of the sensor band's embedded software.
  • FIG. 28 shows a simplified program flow chart of the "main" function.
  • FIG. 29 shows a simplified program flow chart of the function "I 2 C interrupt”.
  • FIG. 30 shows an overview of the subprograms used in the live software.
  • FIG. 31 shows a first raw data plot in which angles are plotted over time.
  • FIG. 32 shows a second raw data plot in which the current angles are shown in segments.
  • Figure 33 shows two plots in which the angular velocity and angular acceleration are plotted over time, respectively.
  • FIG. 34 shows two dynamic plots in which the angular velocity is plotted over the angle sum.
  • FIG. 35 shows a bar plot in which the current angles and accelerations of the position sensor are displayed.
  • FIG. 36 shows illustrations of the curvature surfaces for the right and the left sensor, in which the current bending angles are visualized.
  • FIG. 37 shows a representation in which the current angles and angular velocities of the right and left sensors are shown and their maximum and minimum values are recorded.
  • FIG. 38 shows a raw data representation of the position sensor, in which the results of the position sensors of both sensor bands are shown.
  • FIG. 39 shows an overview of the subroutines used in the analysis software.
  • FIG. 40 shows a sketch for explaining the terms circulation direction, inflection point and starting point, which are used in the envelope calculation.
  • Figure 41 shows a raw data representation in the analysis software in which the angle is plotted over time.
  • FIG. 42 shows dynamic plots, in each of which the angle is plotted against the speed.
  • Figure 43 shows velocity plots in which velocity is plotted over time.
  • FIG. 44 shows graphs in which the measurement results of the position sensors are shown.
  • FIG. 45 shows a comparison between right and left sensor, in which the sensor segments of the right or left sensor are respectively summed up and represented with the buzzer of all sensor segments in a plot over time.
  • Figure 46 shows level crossing graphs with and without activity, showing the number of "boundary crossings" for each boundary.
  • Figures 47a and 47b show intensity plots in two different graphical representations.
  • Figures 48a and 48b show two velocity-time diagrams with an example of "healthy” and "sick motion”.
  • Figures 49a and 49b show two phase diagrams with an example of "healthy” and "sick motion”.
  • FIG. 50 shows an angle-time diagram of an example motion in which a plurality of equidistant threshold levels for the angle are plotted.
  • FIG. 51 shows by way of example a calculated relative arrangement of individual vortices in a schematic representation.
  • the device or the system according to the present invention measures the functional parameters for characterizing movement sequences in the everyday life of the patient. This has the advantage of being natural during a measurement phase and according to its
  • the system according to the invention can be seen as an "eye” of the therapist on the back of the patient in everyday situations. This system makes it possible to register the movements of the patient in everyday life and to use them for an objective assessment of findings.
  • a bending sensor having at least one strain gauge (DMS) for detecting bending parameters, wherein the at least one strain gauge changes its impedance when stretched or compressed, and sensor electronics for reading out and processing the bending parameter detected by the at least one strain gauge; and
  • DMS strain gauge
  • a fastener for attaching the flexure sensor to the skin of the human body, the fastener configured to receive the flexure sensor so as to be fixed at only one point of the fastener and movements of the portion of the human body to which the fastener is fixed; follows, without thereby possibly stretching the skin of the human body to follow.
  • the system according to the invention is intended to detect, for example, the flexion of the back. Bending refers to the deformation of a body under a load acting perpendicular to a body axis.
  • Bending refers to the deformation of a body under a load acting perpendicular to a body axis.
  • a fastening element in particular a fastening plaster.
  • the flexion of the back causes stretching of the skin.
  • Elongation is the relative dimensional change (extension or shortening) of a body under stress. As the dimension of the body increases, it is called a positive strain, otherwise it is called a negative strain or compression.
  • the stretching of the skin during flexion of the back carries about 50% change in length in the area of the lumbar spine during a flexion movement.
  • the fastening means is thus expediently expansible, so that it does not detach from the skin due to the illustrated change in length.
  • the transducers are fixed to the human skin (preferably on the left and right of the spine to detect back movement) using the attachment means.
  • the sensor band is connected to the fastening element only via one point, also referred to as "reference point", and otherwise slides freely, preferably within a cavity provided by the fastening element, in order to be able to follow the movements of the human body.
  • the cavity similarly forms a guide channel, wherein the sensor band is indeed held on the body in order to understand its flexion, but without having to follow the change in length of the skin.
  • DMS Strain gauges
  • the electrical impedance of the strain gauge changes with a strain or compression of the strain gauge. By measuring the impedance, in particular the electrical resistance, the extent of the change in length of the strain gauge can be determined.
  • the bending sensor comprises an elastically bendable substrate on which the strain gages are secured, e.g. are glued, are.
  • the strain gauges attached to the substrate are arranged in a guide channel-forming cavity on the examination object, for example the spine, back-bowing leads to a corresponding bending of the substrate and thus to a change in length of the strain gage.
  • a workpiece made of elastic material can be up to a voltage determined by the material
  • FR 4 is a designation for the fire resistance of the printed circuit board material; FR4 is the standard for consumer electronics.
  • the bending sensor comprises a plurality of strain gauges, wherein two strain gauges are mounted on opposite sides of the substrate such that both strain gauges detect substantially the same bending of the substrate, which tracks the diffraction of the examination object, for example the spine.
  • a bridge circuit e.g. a Wheatstone bridge, which forms a differential signal from the signals of the two strain gages, effectively compensated and the actual measurement signal are amplified: Error influences such as tensile or compressive stresses and temperature fluctuations, which may possibly cause additional changes in length of the substrate are compensated, as these the Measurement results of both strain gauges alike affect and thus be compensated when forming the difference between the two measurement signals.
  • the actual measurement signal is amplified, since a diffraction of the substrate causes a positive change in length of the one DMS and a negative change in length of the other DMS, wherein both changes in length have substantially the same amount. When subtracting thus the measurement signal is substantially doubled. The actual bend can thus be determined with greater accuracy and reliability.
  • the bending sensor comprises a plurality of strain gauges for detecting the bending parameters in respectively different measuring zones.
  • the DMS can be cascaded or overlapping. Thus, it is possible spatially resolved to capture the bending information resulting from the body movement by measurement.
  • Each bending-sensitive measuring zone records the respective curvature applied in its measuring section in a positive or negative bending direction in at least one room level.
  • the strain gauges arranged in the different measuring zones are preferably arranged offset in time. controls, which significantly reduces the hardware and power consumption.
  • only one analog-to-digital converter and also only one return line is required for all strain gages of a substrate side, since only data from a single sensor are read out at any one time.
  • the read-out frequency is large enough to record the dynamics of the movement in a spatially resolved manner. For example, with a drive frequency of 1 kHz and, for example, 10 bending zones, a readout frequency of 100 Hz is possible, which enables dynamic motion detection (speed, acceleration of the bend).
  • the system according to the invention can advantageously have a space position sensor for detecting the position of the sensor band relative to the gravitational field of the earth or to the earth's magnetic field.
  • the gravitational field of the earth provides a constant direction.
  • the spatially resolved measurement of the diffraction makes it possible to detect the diffraction in a certain plane relative to the direction of the gravitational field. Thus, for example, it can be determined how the back is bent for lifting loads.
  • the space position sensor can also specify a start vector for the detection of the bending information.
  • the room position sensor detects the position of the sensor on the back before the beginning of the bending measurement.
  • the subsequently detected bend represents a relative deviation from the orientation of the start vector.
  • the data detected by the detector are preferably output by the sensor electronics as digitized electronic signals and advantageously stored in a memory unit in an electronic data memory.
  • a data storage for example, a flash memory, such as an SD memory card or micro-SD card can be used.
  • the advantage of the flash memory is that it is relatively small and lightweight and stores the stored data without the data memory having to be connected to a power supply.
  • the detected bending parameters are preferably used to determine a plurality of dynamics parameters.
  • the bending angle as a function of time and / or location
  • the bending speed as a function of time and / or location
  • the bending acceleration as a function of time and / or location
  • the Fourier transformation The functions of the bending angle, the bending speed and / or the bending acceleration can be derived.
  • the detection of bending parameters of the bending sensor is preferably carried out over a period of time of at least 24 hours to allow a long-term analysis.
  • the application can therefore be carried out analogously to long-term ECG measurements in any time periods of up to 24 hours.
  • the detection of bending parameters can in particular be carried out during therapy in order to determine a positive or negative correlation between therapeutic measures and the detected motion parameters.
  • Figure 1 shows a system according to a preferred embodiment of the present invention comprising a memory unit 10 and two sensor bands 11a and 11b each connected to a cable 12a, 12b, e.g. a 4-pole cable, are connected to the memory unit 10 for power and data transmission.
  • the system may include other accessories, such as:
  • a memory card for example a 1 CB, 2GB or 4GB Micro SD memory card
  • the two sensor bands 1 1 a, 1 1 b are constructed with substantially identical hardware components. The differences between the two sensors are in the embedded software and a solder bridge in the sensor electronics. The address for sensor differentiation (left / right) is stored in the embedded software and the address of the EEPROM is defined with the solder bridge. 2.1 .1. Function description sensor band
  • the sensor electronics convert the movement of the spine by means of strain gauges (DMS) into electrical detectable values, which are amplified and digitized.
  • DMS strain gauges
  • an integrated position sensor detects the spatial position of the sensor band 1 1 in relation to the earth's gravity. All measurement data can be transmitted via the cable connection 12 to the memory unit 10.
  • Figure 2 is a block diagram schematically illustrating the electronic components of a preferred embodiment of the sensor band and their interconnection.
  • a microcontroller ( ⁇ ) is used in the sensor band 1 1, which is responsible for the acquisition of the measured values and the transmission of the measured data to the memory unit 10.
  • the program sequence is initiated on the command of the memory unit 10.
  • the digitization of the measured data takes place, for example, with an internal 12-bit A / D converter of the PC.
  • An external reference module supplies a reference voltage of, for example, 2.5V.
  • the strain gauges convert the diffraction of the sensor tape into an electrically detectable size.
  • the resistance change is used as a function of the strain of the strain gage.
  • Field effect transistor (FET) as a switch 23
  • strain gauges are connected to the measuring bridge with the FETs. This is done sequentially with two opposite strain gauges. This gives you a variety of measuring bridges, of which only one is ever active.
  • the amplifier used is a differential amplifier. This boosts the bridge voltage and produces a ground-referenced output voltage that can be processed by the A / D converter.
  • the position sensor used provides information about the spatial position in relation to the earth's gravity. On request, measured values for the acceleration in the X, Y and Z directions can be read out digitally.
  • the sensor is controlled and read by the pC via an SPI interface.
  • the acceleration is preferably up to a maximum of eight times the gravitational acceleration (G) with a resolution of e.g. 8bit measurable.
  • the EEPROM memory serves as a storage of the calibration data. For example, it is controlled and read out by a pC of the memory unit via an I 2 C (lnter-Integrated Circuit) interface.
  • an identification number and a tag for the respective sensor for example "L" for the left sensor or "R” for the right sensor, can be stored on it, for example. Since there are two sensor strips on a PC interface, make sure that the pC of the memory unit can distinguish them. This is implemented, for example, by differently defining the EEPROM addresses using solder bridges on the electronic circuit board. 2.1.3. Power sensor tape
  • FIG. 3 is a block diagram schematically illustrating the power supply of an embodiment of the sensor tape 11.
  • Voltage regulator 31 is a block diagram schematically illustrating the power supply of an embodiment of the sensor tape 11.
  • a voltage regulator 31 is used as a voltage source for the measuring bridge. It provides a constant voltage, e.g. 3.0V, with which disturbances of the measuring signal are minimized as far as possible.
  • the remaining electronics 32 on the sensor band such as pC 21, EEPROM 27, amplifier 25, reference voltage source and position sensor 26 are supplied directly from the voltage regulator of the memory unit with a voltage of 3.3V, for example. 2.1.4. Mechanics sensor band
  • Figures 4a and 4b show in greatly simplified form the structure of an embodiment of the sensor band 1 1 in a side or sectional view.
  • an electronic circuit board 43 is preferably used as base material for the sensor strip 1 1. This consists of a substantially inflexible, for example, about 1, 5mm thick
  • the DMS 42 are each top and bottom, applied in pairs congruent.
  • Each strain gauge 42 preferably has a length of e.g. 50mm up.
  • On each side of the substrate preferably 7 strain gauges are applied without any gaps, resulting in a bending-sensitive length of 350mm in this example.
  • the electrical contact between the strain gages 42 and the conductor tracks on the sensor circuit board 43 can be produced, for example, by soldering a copper foil strip, for example, about 50 pm thick.
  • the inflexible region of the printed circuit board 43 with the sensor electronics 41 is located in the lower part of the sensor band.
  • the circuit board 43 is advantageously equipped on both sides with electronic components 47.
  • the electrical connection to the memory unit 10 is preferably made with a 4-pole cable 46, which is used both for data transmission and for power supply to the sensor band.
  • FIG. 4c shows the sensor electronics 41 from FIG. 4a in a sectional view.
  • the sensor electronics 41 is protected by a housing 45 against mechanical, chemical and electrical environmental influences.
  • the housing 45 is advantageously made of two shells, which are connected to each other, for example. Screwed, be.
  • the cable 46 on the sensor band passes through a version on the housing shells to the outside.
  • a strain relief is preferably provided, wherein the embodiment of the housing 45 can serve as a strain relief (see Figure 1), wherein a suitable ring, for example. An aluminum ring is pulled over the execution of the two housing parts to the Cable presses.
  • two wings are advantageously mounted on the sensor housing in order to be able to fix the sensor to the fastening plaster.
  • the protective cover 44 is preferably made of a so-called “shrink tube”, i. a plastic tube that contracts greatly under the influence of heat. This protects the DMS 42 from mechanical and chemical environmental influences and, thanks to its smooth surface, ensures the necessary slipperiness in the fixing plaster.
  • shrink tube i. a plastic tube that contracts greatly under the influence of heat.
  • Each sensor band has production-related tolerances that affect the measured values. This results in different measurement results with different sensor bands under the same measuring conditions. In order to be able to make the sensor strips comparable in terms of measurement and to be able to depict the reality, they are calibrated.
  • the sensor strip reproducibly converts bending information to a voltage value. This is then converted into the desired measured variable, in this case an angle.
  • the desired measured variable in this case an angle.
  • an angle for this purpose, for example, serve a calibration.
  • the bend which is assigned to an angle, can be determined from the segment length and the radius (see FIG. 5) according to the following formula: Angle - Length ⁇ it segment-360 "
  • the corresponding reading from each segment of the sensor band is advantageously taken and stored.
  • the respective angles can be advantageously adjusted with a gauge that is e.g. a plurality of slots (e.g., 0 ° (straight), -12 12 ° at a radius of, for example, 238.7mm) with various suitable bends.
  • the negative bending direction can be realized by pushing the sensor tape upside down into the slot.
  • the obtained measurement data are stored in the sensor band on the EEPROM. From this, the user program calculates two interpolation lines (in this example from -12 ° to 0 ° and from 0 ° to 12 °) with which each bend can be converted into the corresponding angle.
  • the storage unit includes a power supply (e.g., an accumulator) and controls the measurement procedures.
  • FIG. 6 shows a simplified representation of a preferred exemplary embodiment of a memory unit with its display and operating elements.
  • the memory unit controls both sensor bands and advantageously transmits the measurement data to a user computer.
  • the measurement data can be stored on a removable memory card.
  • the measured data are advantageously obtained with a sampling rate of e.g. 100Hz recorded.
  • Two buttons and a display are used to operate the device or to obtain status information.
  • FIG. 7 is a block diagram which schematically illustrates the electronic components of a preferred embodiment of the memory unit and their interconnection.
  • Microcontroller 71 is a block diagram which schematically illustrates the electronic components of a preferred embodiment of the memory unit and their interconnection.
  • the C8051 F410 from “Silicon Laboratories” is used as pC, for example, and has various interfaces, such as I 2 C, SPI and UART, which serve for communication with the periphery (see FIG Due to the mentioned characteristics, this PC is particularly well suited, but of course any other PC's can be used which have the necessary features for this application.
  • the PC in the memory unit controls the operation and control Display elements, the storage of the digital measurement data, the communication with the user software and the communication with the two sensor bands.
  • a pSD card (1 GB, 2 GB or 4 GB), which ensures a measurement duration of at least 24 hours, serves as memory for the recorded measurement data.
  • the pC controls the memory card on which the measured data is stored via the SPI interface.
  • buttons are for input purposes. They are connected directly to two ports of the pC. When pressed, they change the level from high to low.
  • the example alphanumeric display which is addressed via the SPI interface, serves as a display element. It is equipped with a backlight, which can be activated by a pC transistor.
  • the data transfer to the user software can be done via Bluetooth or USB (Universal Serial Bus). Both interfaces are controlled by the microcontroller via U-ART (Universal Asynchronous Receiver / Transmitter). The data traffic can be switched to one of the two interfaces via a multiplexer.
  • the USB interface has priority, ie as soon as the memory unit is connected to a PC via USB, it is active and Bluetooth is deactivated. To save power, the Bluetooth module is deactivated by a transistor when inactivated and the UART / USB interface converter is powered via the connected PC.
  • the memory unit is connected via the PC interface with two sensor bands.
  • FIG. 8 is a block diagram schematically illustrating the power supply of one embodiment of the memory unit.
  • the accumulator can advantageously be charged via a mini USB socket on the storage unit.
  • the charge can, for example, be made via a USB charging adapter or directly on the PC.
  • the charge controller automatically regulates the charge when the USB cable is plugged in.
  • a built-in LED (Light-Emitting Diode) symbolizes the charge.
  • the complete system is powered by a suitable accumulator, e.g. a 3.7V lithium polymer battery with a capacity of at least 1500mAh.
  • a suitable accumulator e.g. a 3.7V lithium polymer battery with a capacity of at least 1500mAh.
  • the accumulator should be designed to allow operation of the system for at least 24 hours.
  • the accumulator state is advantageously displayed by a percentage on the display.
  • the accumulator voltage can be measured via a voltage divider. Voltage monitor with switching transistor 84
  • the voltage monitor with switching transistor has the task of protecting the accumulator from deep discharge. If the lower voltage limit of eg approx. 3.3V is reached on the accumulator, the voltage monitor disconnects the entire electronics from the switching transistor Accumulator. This protects the accumulator from irreparable damage.
  • the upper voltage limit, at which the electronics are supplied with power again, is approximately 4V, for example.
  • the on / off switch is used to manually turn the system on or off. When switched off, it disconnects the battery voltage from the electronics.
  • the voltage regulator converts the accumulator voltage into a constant voltage, e.g. 3.3V, um. This is used as supply voltage for the entire system including the sensor tapes.
  • the user receives status information via the display and can, for example, operate the device via two buttons and a switch.
  • the accumulator capacity determines the operating time of the system. It is calculated according to the following formula:
  • the capacity of the memory card should be dimensioned so that at least 24 hours of data can be stored on it.
  • the formula for the calculation is:
  • Memory Capacity Record Size Per Second * 3600 * 24
  • a record size of e.g. 41 bytes per record in 10ms (for example, 100Hz) results in a data volume of 354.24MB after 24 hours. It is used e.g. a memory card with a storage capacity of at least 1 GB.
  • the storage unit may advantageously be housed in a bag of e.g. Imitation leather worn on the left hip.
  • the bag is provided with a suitable fastening device so that it can be attached to a belt.
  • suitable means e.g. Velcro fasteners, the bag can be opened or closed.
  • the fastening patch represents the connection of the sensor bands to the human back. It couples the sensor band to the mechanical system "back of the wearer", i.e. the back of the person wearing the system according to the invention.
  • the sensor band has a stretchable guide channel in which the flexible portion of the sensor band can slide during a flexion or extension movement of the back.
  • the sensor band (especially the sensor electronics) is fixed to the back and pressed close to the skin surface at each bending position of the back.
  • the fastening plaster is described. It should be noted that the attachment patch described below represents only one embodiment of a plurality of possible embodiments of a fastening patch according to the invention. Thus, this embodiment only exemplary character and scope of the present invention is not limited by the optional features listed below.
  • Figures 9a and 9b show schematically a mounting patch according to a preferred embodiment of the invention in a plan view and a sectional view.
  • the attachment patch advantageously has a flexible portion 90b and an inflexible portion 90a.
  • the inflexible area fixes the sensor electronics to the mounting patch to ensure the location of the sensor electronics at two lower reference points P UL and P UR .
  • the flexible region of the fastening plaster is provided with a guide channel 95, in which the sensor tape 91 can slide.
  • the guide channel can be realized, for example, by means of two fabric layers which are extensible in the longitudinal direction (see FIG. 10) and which are glued together. This ensures that the fixation plaster stretches and compresses with the skin surface at each backsize and adapts ideally to the shape of the back.
  • FIG. 10 a shows a sketch which simplifies the overall structure of the fastening plaster according to FIG. 9.
  • the fastening plaster has three main components, which are referred to below as (first) pattern 101, (second) pattern 102 and (third) pattern 103.
  • FIG. 10b schematically shows the overall structure of the fastening plaster according to FIG. 9 in a plan view, wherein the sensor band has already been introduced. 2.3.2. Requirements for the fixing plaster
  • the fixing plaster is glued to the human back. Therefore, it is necessary that at least the materials used in the pattern 101 be biocompatible.
  • the patch is elastic, so that it can mimic the change in length of the skin when moving. It is advantageously designed so that the patch loses its adhesive power after the first detachment from the skin and thus prevents it from being used a second time.
  • the patch is further designed so that the full adhesion is achieved a few minutes after the application and stops so long that the patch reliably adheres to the human skin for at least 24 hours.
  • the fixing plaster fixes the sensor band in the lower part of the back.
  • the seam surface 1 1 1 a and 1 1 1 b (see Figures 1 1 a and 1 1 b) is tear-resistant and serves as a stop for the enclosed pattern 103 of the sensor part.
  • the sensor housing has small lateral projections, so-called "wings" (see FIG. 10b).
  • the sensor In the guide channel 105, the sensor is inserted until it stops. About the hook and loop fasteners 107 and 108, a pocket is formed, which prevents slipping out of the sensor.
  • the guide channel 105 is formed from the materials of patterns 101 and 102.
  • the sensor part to be inserted into the guide channel 105 should be held close to the human skin at each supine position. This requirement is valid for the entire length of the guide channel 105.
  • the guide channel 105 is to be dimensioned to be slippery for the sensor strip and is designed such that it neither constricts nor widens due to a change in length (positive and negative).
  • Cutting pattern 101 is provided on one side with an adhesive surface.
  • the adhesive surface extends essentially over the entire material surface and is protected with a foil for removal.
  • the material of pattern 101 is biocompatible. It is elastic only in the longitudinal direction. It mimics the stretching or compression of the skin during an extension or flexion movement of the human back.
  • the material of pattern 102 is also advantageously biocompatible. It is elastic in the longitudinal direction and, following an extension or flexion movement of the human back, follows the stretching or compression of the skin. It holds the sensor close to the cutting edge pattern 1 01 and thus on the skin. Cutting pattern 102 has a Velcro strip 107, as can be seen in FIG. 11a.
  • Pattern 1 02 is preferably made of mono-elastic jersey and is sewn on pattern 1 03.
  • the seam is made on the surfaces 1 1 1 a and 1 1 1 b (see Figure 1 1 a).
  • the material of pattern 1 03 is advantageously also biocompatible. It is inelastic in the longitudinal and transverse directions and has a Velcro strip 108, as can be seen in FIG. 11a.
  • Sewing pattern 103 is sewn under pattern 1 02.
  • the seam is made on the surfaces 1 1 1 a and 1 1 1 b (see Figure 1 1 b).
  • the pattern is e.g. made of denim with 100% cotton content.
  • Sewing pattern 102 is sewn on pattern 103.
  • the seam surfaces 1 1 1 1 a and 1 1 1 b of cutting patterns 102 and 103 are to overlap congruently when sewing.
  • Both Velcro straps 107 and 108 are after sewing on the same surface side of pattern 102, 1 03.
  • Cutting pattern 102, 03 is bonded to cutting pattern 101 in accordance with the illustrations in FIGS. 1 a and 2 b:
  • the adhesive surface 122 of cutting pattern 1 01 and 1 02, 103 is superimposed on one another during bonding.
  • An adhesive is used which does not limit the extensibility of the materials bonded together.
  • FIG. 14 a schematically shows the arrangement of the memory unit 10 and of the sensor bands 11a, 11b, in each case with the sensor electronics 41.
  • the two sensor bands 11a, 11b are fastened to the human back in a V-shape and the storage unit 10 is preferably attached to the left hip.
  • fastening patches for example the preferred embodiments for fastening patches described above, are used.
  • the system is no longer perceptible by the wearer after a settling time of ⁇ 30 minutes and neither actively nor passively affects the human musculoskeletal system.
  • the fixation plasters are adhered to the dorsal skin of the wearer on the left and right next to the spinal column in a V shape.
  • FIG. 13a shows a graph in which the angle sum is plotted over time.
  • a zero measurement, a flexion, an extension, a torsion to the left and a torsion to the right were measured successively with parallel plaster arrangement. It is plotted both the sum of angles of the right and the left sensor individually, as well as the difference of the angle sums of the two sensors.
  • FIG. 13b shows a graph in which, analogously to FIG. 1 a, both the angle sum of the right of the left sensor are respectively plotted individually, as well as the difference of the angle sums of the two sensors.
  • a zero measurement, a flexion, an extension, a torsion to the left and a torsion to the right were measured successively, but with a V-shaped sensor arrangement.
  • both the flexion and extension movements, as well as the torsional movements are clearly visible.
  • the peaks for the torsional movements are clearly pronounced and thus well detectable. Test measurements have shown that the peaks of the difference value of the angle sums of the two sensors were up to 4 times more pronounced with a V-shaped arrangement of the sensors than with a parallel sensor arrangement.
  • the patches it is advantageous to align the patch with respect to the carrier good tactile landmarks to ensure the same conditions in each application, in this case, essentially the same arrangement.
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention is described, which meets the above requirements.
  • the patches are integrated in a template with the aid of which the position of the sensors or patches on the back can be easily reproduced.
  • FIG. 14b shows a rear view of the carrier on which are marked orientation points which have proved to be particularly advantageous for the application of the fastening patches:
  • the upper reference points P OL (left upper reference point) and P OR (right upper reference point) are the two palpable outer ends of the Schulterblattgräte (Akromion) at normal level of the shoulder blades.
  • the reference line lies 5 cm below the palpable pelvic crests 141 a and 141 b (Spina lliaca Posterior Superior).
  • the position of the fastening patches relative to the reference line 145 and connecting line 144a or 1 14b is shown in the sketch shown in Figure 15:
  • the axis of symmetry of the fastening plaster lies on the connecting line 144a or 144b while the reference line crosses the axis of symmetry of the patch near the hook and loop fastener.
  • the patches are mirror-symmetric to the spine, glued along the connecting lines. When bonding the skin of the wearer with the attachment patches, care must be taken that the patch is not or only slightly stretched.
  • the skin surface should not be sweaty or greasy during patch application.
  • the bonding is preferably carried out from bottom to top. If the patch is completely attached, it is briefly massaged. During this time, the carrier advantageously repeatedly performs some flexion and extension movements. 2.4.2. Application of the sensor tapes
  • the sensor strips After bonding the fixing patches, the sensor strips can be applied. It is advisable to insert the sensor tapes after a waiting period of at least 15 minutes in the fixing plaster, since then the adhesive strength of the patch is sufficiently developed.
  • each sensor band is marked accordingly on the housing, e.g. with "left” or "right”. Furthermore, make sure that the sensor cables go off to the left (see Figure 14a).
  • the sensor ribbon cables connect to the jacks on the storage unit.
  • Appropriately located on the housing of the memory unit is a suitable identification of the sockets for the left or right sensor.
  • the test person wears the storage unit with a belt pouch on his left hip.
  • the connection sockets of the storage unit show from the perspective of the wearer to the rear. This allows the sensors' cables to be connected to the storage unit without looping.
  • an embedded software controls the reading and storage of the digitized measured data, the functionality of the operating and display elements and the transmission of the measured data.
  • Time-critical processes such as starting a new AD conversion (for example every 10 ms), reading out measurement data from the sensors or sending the measurement data to a PC, are hereby preferably treated.
  • the priorities of time-critical processes are also staggered among each other.
  • the embedded software controls the reading, conversion and digitization of the analog measurement data of the sensor strips.
  • FIG. 16 For a better understanding of the complex program flow, this is shown in simplified form in FIG. 16. For this purpose, only the main program (see Figure 1 7) and interrupt service routines (ISR) of the memory unit are shown. These include the routines labeled "PC-ISR”, “U-ART-ISR” (see Figure 19) and “Timer3-ISR” (see Figure 18).
  • ISR interrupt service routines
  • FIG. 17 the program flow of the application software and in the middle of the memory unit can be seen in the left-hand column. On the right is the interface to the ISRs. The arrows show the flow of data or information between the three modules.
  • FIGS. 18 and 19 the program flow of the memory unit is shown in the left-hand column, and the right-hand column describes where / where the information or data comes / go.
  • the memory unit's embedded software is divided into various header and source code files for clarity.
  • the file “main.c” contains the main program and the interrupt service routines.
  • the file C8051 F410.h contains the names of all function registers of the microcontroller used.
  • In the file “init.c” the periphery of the microcontroller is initialized and in the file “spi.c / i2c.c” are the control of the SPI / l 2 C interfaces.
  • the main program starts by including the required header files and creating symbolic names. This is followed by the creation and initialization of the global variables. This is followed by the functions and the actual main program, as well as the interrupt service routines.
  • This function tries to initialize the memory card and looks for the boot sector. After the initialization of all variables, the function "SD_init" tries to get the
  • This function receives the transfer value "data” and inserts it into a memory array If the memory array is filled with a predetermined amount of data, for example 512 bytes, it is written to the memory card and a second memory array is switched to accept new data main (see Figures 23a and 23b)
  • the main program starts with the functions "lnit_Device ()” and “lnit_LCD ()” in which the microcontroller and the display are initialized. Afterwards the actual endless loop begins. It will first check if a memory card is inserted.
  • a corresponding message eg "SD: no card”
  • the sector will be after If a predetermined group of characters, eg the first five characters of this sector, are not provided with a predefined assignment, eg "X”, then a corresponding message, eg "SD: unformatted", appears on the display In this example, if the first five characters are "X”, then it is assumed that the memory card is empty. Subsequently, the EEPROMs of both sensor tapes are read out and the calibration data and serial numbers contained therein are written to the memory card.
  • the measuring and reading process of the sensor tapes is activated. This process runs interrupt-controlled in the background.
  • the next step is to check which interface to the application software is activated. If a USB cable is connected, this is the primary interface. If no USB cable is connected, the user has the option of pressing the left button to to activate tooth interface. Which interface is activated is shown on the display. Next it is checked if one of the two data buffers is full. If this is the case, it is written to the memory card and the starting sector is increased by one. Subsequently, it is checked whether the data counter at a predetermined number of records, eg 24Mio. Records, arrived.
  • a predetermined number of records eg 24Mio. Records
  • the measuring process is stopped and an appropriate error message, eg "Memory full!”, Is displayed.Finally, preferably every minute, the accumulator voltage is measured to convert an approximate accumulator capacity indication, after which point the infinite loop begins from the front uart_isr interrupt (see Figure 24)
  • the UART interrupt service routine is executed as soon as a character is received via the serial interface or should be sent.
  • timer3_isr interrupt (see Figures 26a and 26b)
  • a timer here "Timer3" is set so that its interrupt service routine is executed at predetermined intervals, eg every 10 ms.
  • the key control, the switching on and off of the display backlight, the transmission of the calibration data and the starting and reading out of the sensor tapes are realized.
  • TimerO is initialized in 8bit Autoreload mode for the l 2 C bus. Its clock is in this embodiment 360kHz, which corresponds to a PC clock of 120kHz.
  • Timerl is initialized in 8bit autoreload mode for the UART interface. Its clock is in this embodiment 230kHz, which corresponds to a UART baud rate of 1 1 5200 bits per second.
  • Timer3 is initialized in 16bit autoreload mode. Its clock is exactly 100Hz in this embodiment and is used as a time base for the measurement cycles.
  • PC initialization the PC bus is activated as the master, the clock source is selected and the automatic timeout detection is activated.
  • Interrupts are globally enabled and enabled for UART, PC and Timer3. In addition, PC and UART get a high interrupt priority.
  • the file main.c contains the main program and the interrupt service routines.
  • the file C8051 F410.h contains the names of all function registers of the pC used. In the init.c the periphery of the pC is initialized and in the spi.c the control of the SPI interface takes place.
  • the main program starts by including the required header files and creating symbolic names. This is followed by the creation and initialization of the global variables. This is followed by the actual main program and the interrupt service routines. main (see FIG. 28)
  • the main program starts with the functions "lnit_Device ()” and “lnit_Gsensor ()” in which the pC and the position sensor are initialized. Then the FETs are deactivated for all measuring bridges. Afterwards the actual endless loop begins. In it, the variable “Start_AD” is interrogated, if this is equal to a first predetermined value, eg 0, the program is in an "idle” state Only when this variable is equal to another predetermined value, eg 1, does the reading begin If this is the case, the A-D converter and the first measuring bridge are activated so that the system can settle in, wait briefly before the A / D converter starts the measurement.
  • a first predetermined value eg
  • the communication between sensor band and memory unit is realized.
  • the sensor band operates as a slave, i. it will only respond to requests from the master. If the sensor tape receives the address for reading out the sensors, the measuring process is started. If the address for sending the measured values is received, the data transmission to the memory unit begins.
  • Reading a byte value from the SPI bus Setting the position sensor to a predetermined measuring range, eg + 2G (where "G” stands for gravitational acceleration) and to a predetermined sampling rate of eg I OOHz;
  • the calibration data are expediently entered by hand for each sensor band in the embedded software and each sensor band is individually programmed with it.
  • the application software is divided into two parts.
  • the “live software” receives the data directly from the Bluetooth interface of the storage unit and instantly visualizes it.
  • the “analysis software” can load and display previously stored data records from the hard disk.
  • FIG. 30 shows an overview of the subprograms used in the live software. Most subroutines are called directly from the main program DAQ_Start. In some cases, more branching occurs.
  • DAQ_0_Start is the main program. Here all other functions are triggered and all results and visualizations are brought together.
  • the subroutine calls the function DAQ_read_caldat and tries to read out the calibration data of the connected sensor tapes and uses the formula:
  • Calibration data input value * 2.5V / 4096 to be converted. If successful, the subroutine will be terminated and the calibration data returned. If the reading does not succeed, the subroutine closes the comport and reconnects it. This will reinitialize the connection. Then the calibration data is read again. The procedure is repeated a maximum of 3 times. If successful, the calibration data will be returned; if successful, only an empty field will be returned.
  • the subroutine searches for comports where measurement devices send. For this, the subroutine DAQ_find_sensor is called. The user can then select a comport and use the "Name", “Filename” and "Path” entries to determine the storage location and the name of the storage file, and then create folders and files with the DAQ_Path_and_File subroutine.
  • the subroutine searches for available comports on the computer. Subsequently, each found Comport is opened and read in a predetermined number of characters. If they contain a specific string, e.g. "SDV", the comport will be added to the output list. If the output variable is still empty after tests of all comports, the subroutine is repeated again.
  • SDV specific string
  • the function creates two subdirectories in the input folder. First a directory with the patient name and secondly a directory with the current date. D AQ_Ca I cu I ate_ROM
  • the function checks whether the current angles are within the previous maxima. If the maxima are exceeded, the output values are overwritten with the new maxima. In addition, the function calculates the fields with data required for the ROM display.
  • the function checks if the communication with the memory unit is synchronized. For this purpose, it reads in a complete data record and checks whether the first three bytes correspond to a specific string, eg "SDV.” If this is the case, the communication is synchronous and the subroutine is left, otherwise a byte is read in and the function begins This means that the read-in data records are always shifted by one byte until the communication is synchronous.
  • the subprogram closes the current memory file and then tries to create a new memory file in the directory. Then the new storage path is returned.
  • the data records read in as strings are converted into angles or accelerations by means of the calibration data.
  • Two's complement 256 + bytes for bytes> 127
  • the subroutine converts the input data so that they can be displayed as a bar chart in an XY plot.
  • the subroutine receives the current angles as input and returns the Cartesian coordinates of the circle segments. For this purpose, first the angles of the right sensor are separated from those of the left sensor and then to the subroutine
  • This subroutine splits the angles of a sensor, lets you calculate the curves of the individual segments and combines the results into a plot.
  • the function DAQ_Circlesegment is called to calculate the individual segments.
  • the circle segment is divided into 51 sections. This is about
  • Angular section calculated in radians ((entrance angle / 180 °) * ⁇ ) / 51.
  • the radius is calculated from the angle to the circle calculation.
  • Y radius * sin (angle) for application.
  • the angle is increased by an angle section with each loop pass.
  • the offset angle is added to the angle in each loop pass.
  • the current angle is passed.
  • the entire circle segment is now shifted by the values a predetermined value ("offset"). This starts the current circle segment at the very end of the previous segment.
  • the last coordinates of the current circle segment are passed to the variables and are available to the next segment as starting points.
  • the subprogram uses the DAQ_Circlesegment function to calculate the course of a sensor.
  • DAQ_Circlegraph In contrast to DAQ_Circlegraph, all circle segments are combined in one plot (curvature). The end point of the curvature is returned via the variables. This determines the angle to the rotation of the curvature representation.
  • DAQ_Kurvatur
  • the subroutine searches for the zero crossing of the Y coordinates and divides the graph into two areas at that point. Subsequently, the area contents of both surfaces with n area - K l - 1 1
  • the DAQ_Dynamic subroutine calculates the dynamic plot from the input angles using the formulas below.
  • the subroutine processes the last 30 data points of each acceleration vector. These are summed up and divided by 30.
  • the output field will be 30 values shorter than the input field.
  • the subprogram serves to prevent accidental overwriting of measured data. After a measurement has been terminated by "Save”, the subroutine is called and adds the string "_neu" to the file name of the last memory file. If this file name already exists and the user refuses to overwrite the file, the attachment will be repeated until a new file is found. 4.2.3. Visualizations of live measurement data
  • FIG. 31 shows a first raw data plot in which the angles of the individual segments of the right and left sensors are shown over time. In addition to the individual channels, the angle sums of the right and left sensors are also displayed.
  • FIG. 32 shows a second raw data plot in which the current angles are shown in segments. It is differentiated between right and left sensor.
  • Figure 33 shows two plots in which the angular velocity and angular acceleration are plotted over time, respectively.
  • the data are determined by discrete derivation at a distance of, for example, 10 data points.
  • FIG. 34 shows two dynamic plots in which the angular velocity is plotted over the angle sum.
  • the left diagram shows the sums of the left and right sensor bands. In the right plot, both sensor bands are added up and viewed as a whole.
  • FIG. 35 shows a bar plot in which the actual angles and accelerations of the position sensor are processed.
  • the X and Z axes of the position sensors determine the start vector of the sensor bands.
  • the angles determine the course. It is distinguished between right and left sensor band.
  • FIG. 36 shows diagrams of the curvature surfaces for the right and the left sensor, in which the current bending angles are visualized.
  • the start and end points of the sensor band are turned into a plane. Then the areas separated by the zero crossing are calculated and displayed. 4.2.3.7. Presentation of the "Range of Motion"
  • FIG. 38 shows a raw data representation of the position sensor, in which the results of the position sensors of both sensor bands are shown.
  • the three spatial coordinates X, Y and Z are differentiated.
  • the measured values are heavily filtered because information about the spatial position is desired.
  • FIG. 39 shows an overview of the subroutines used in the analysis software.
  • This program serves as a starting point for data analysis.
  • the measurement files to be analyzed are selected, loaded and the data analysis is started.
  • the transferred position field contains information about the data analysis data files. These are loaded by the function and hung together. Then the field is returned.
  • the subroutine is the main function for data analysis. In it the different forms of visualization are selected. For this purpose, the data are sorted into angles and accelerations of the position sensor, smoothed if necessary and then visualized. In the case of the visualization forms for the bending angles, the user then has the additional option of showing or hiding individual sensor segments in the display.
  • the subprogram uses the angle measurement data to determine the maximum and minimum values of the sliders identified by the references. This subroutine is called only once at the beginning of "Analysis_data_analysis”.
  • the subroutine cuts the desired time range from the entire measurement data according to the slider setting and returns it to "Analysis_data_analysis" for display, which will zoom in on the desired measurement data.
  • the input data is averaged.
  • the field is shortened by window_in places.
  • the subroutine searches for the zero crossing of the Y coordinates and divides the graph into two areas at that point. Subsequently, the areas of both surfaces with
  • n number of curve points. If there is no zero crossing, only one surface is calculated.
  • the subroutine calculates the integral of the envelope.
  • the calculated value is not the exact integral but only the approximation via the trapezoidal rule.
  • the envelope of a dynamic plot (see FIG. 40) is to be calculated.
  • X n-intervals are calculated between the starting point X and the inflection point.
  • the envelope is now composed of the following points.
  • the maximum and minimum points should be calculated in parallel.
  • This subprogram forms the first instance of the envelope calculation.
  • the minima and maxima of the X and Y coordinates as well as the interval width are determined.
  • the subroutine "Analysis_envelope_sub” is called, and the values returned from there are used to compose the envelope.
  • the subroutine sequentially calculates the current interval limits in the X direction and then invokes the subroutine "Analysis_main_envelope_count_on" This returns the coordinates of all points that lie within the current interval, and then searches for and sets the maximum and minimum values within these coordinates Pass "Analysis_envelope_top".
  • the subprogram searches for all values in the current max and min intervals and returns them. 4.3.3. Visualizations in the analysis software
  • Figure 41 shows a raw data representation in the analysis software in which the angle is plotted over time.
  • a time range can be selected via the sliders below the plots. This allows the user to view small temporal sections zoomed.
  • the raw data can also be smoothed using the "Sliding window parameter.”
  • the displayed sensor segments can be selected individually.
  • Figure 42 shows dynamic plots with an angle over velocity representation of the raw data.
  • the user receives the maximum and minimum angles and velocities as parameters, as well as the surface area of the envelope.
  • the number of intervals for the envelope calculation can be set via "Envelope Intervalls.” Segments can be individually selected and viewed in this display.
  • Figure 43 shows velocity plots in which velocity is plotted over time (as raw data). Individual segments can be selected and viewed.
  • FIG. 45 shows a comparison between right and left sensor, in which the sensor segments of the right or left sensor are respectively summed up and represented with the buzzer of all sensor segments in a plot over time. Also in this plot, individual segments can be taken out of the presentation. It must Care must be taken that the displayed sensor segments are the same for the right and left sensors, otherwise the displays will not make sense.
  • the activity of the subject should be visualized and evaluated.
  • Figure 46 shows two level crossing graphs, one with activity and the other with almost no activity, showing the number of "boundary crossings" for each boundary.
  • the "intensity" is thus a measure of how long the subject stays in a certain attitude.
  • Figures 47a and 47b show two different graphical representations thereof.
  • Pain or avoidance movements during a movement should be detected. For this, the evenness of the movement is quantified. An interruption during a movement indicates a point of pain, rapid jerks to an avoidance movement.
  • a movement is defined as the distance of the angle amplitude from the initial state to the return to the initial state. For the determination of the flatness, a slight smoothing of the raw data is also useful.
  • Figures 48a and 48b show two velocity-time diagrams with an example of "healthy” and "sick motion”.
  • FIGS. 49a and 49b Another visualization possibility for the evenness of a movement is a phase diagram or dynamic plot, as shown in FIGS. 49a and 49b.
  • the evenness should be used as a quantifiable parameter.
  • a healthy, painless movement will result in an almost elliptical figure in the dynamics plot.
  • the dynamic plot of a sick person will show a much more complex figure with some speed dips.
  • the aim of the algorithm is to quantitatively evaluate the differences. For this the Fourier analysis is used.
  • the early interrupted row development will be a good approximation. This is not the case with the more complex curves of sick movements. This fact should be exploited.
  • a solution to this problem is a reduction in the amount of data without the parameters relevant to the subsequent analysis, such as e.g. Restrict movement or dynamics. This should be done during the extraction of the data from the memory card. Instead of a constant sample rate of 100Hz, a dynamic sample rate is sought. The dynamic sample rate should be low in the periods when there is no movement and be high as the subject moves.
  • FIG. 50 shows an angle-time diagram of an exemplary movement.
  • the individual (small) points of the curve represent the total number of data recorded. If this curve intersects one of the threshold levels (dash-dotted lines), the predefined threshold is exceeded and the currently acquired data is stored (represented as a thicker dot). The thicker dots thus symbolize the data remaining after compression which will be used for subsequent analysis. Since this method no longer has a static recording frequency, it is necessary to save the time of occurrence in addition to the angle.
  • the compression factor provides a way to generally assess the activity of a subject during a long term measurement. With high activity or a lot of movement, the compression factor decreases as the limit values are exceeded more frequently. At low activity, e.g. while sleeping, a significantly larger compression factor is expected.
  • the distance between the last cervical vertebra C7 and the first sacral vertebra S1 is measured.
  • the size of each vortex is calculated. Since the sensor band has only a limited length, depending on the size of the patient, only the number of vertebrae is detected, which are also detected by the sensor (see FIG. 51).
  • the direction of the first sensor is determined by the position sensor in the sensor band electronics.
  • the angles between the segments are calculated from the bending data of the sensor band. For this purpose, it is determined whether the vortex is detected only by one or more segments. With only one segment, the vertebra receives the bending of the segment. If the vortex is detected over several segments, the calculation of its angle is proportional:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper, aufweisend einen Biegesensor mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen, DMS, zum Erfassen von Biegeparametern, wobei der mindestens eine DMS seine Impedanz bei einer Dehnung oder Stauchung verändert, und einer Sensorelektronik zum Auslesen und Verarbeiten der durch den mindestens einen DMS erfassten Biegeparameter; und ein Befestigungselement zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen Körpers, wobei das Befestigungselement dafür eingerichtet ist, den Biegesensor so aufzunehmen, dass dieser nur an einem Punkt des Befestigungselements fixiert ist und Bewegungen des Teils des menschlichen Körpers, auf welchem das Befestigungselement fixiert ist, folgt, ohne dabei evtl. Dehnungen der Haut des menschlichen Körpers zu folgen.

Description

Verfahren und System zum Erfassen von Parametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper und computerimplementiertes Verfahren zur Analyse von Parametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Erfassen von Funkti- onsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper sowie ein computerimplementiertes Verfahren zur Analyse solcher Funktionsparameter.
Rückenschmerzen sind mehr oder minder starke Schmerzen des menschlichen Rückens, die ganz unterschiedliche Ursachen haben können. Mediziner sprechen von Dorsalgie oder von Lumbalgie, wenn die Lenden-Kreuzbeinregion betroffen ist. Der wohl häufigste Anlass für eine Dorsalgie besteht in einer Funktionsstörung der Gelenke im Bereich der Wirbelsäule. Allerdings sind nach wie vor ca. 90% aller chronischen (rezidivierenden oder persistierenden) Rückenschmerzen unspezifisch - d.h.: im Rahmen ärztlicher Untersuchungen sind letztlich keine Befunde zu erheben, die die Beschwerden hinreichend erklären. Derzeit können Bewegungsfunktionen beispielsweise zur Behandlung von unspezifischem Rückenschmerz nicht objektiv erfasst werden. Lediglich strukturelle Befunde über bildgebende Diagnoseverfahren sind üblich (die jedoch bei unspezifischem Rückenschmerz nicht greifen).
Daher ist eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System be- reitzustellen, welche ermöglichen, Funktionsparameter zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper zu erfassen und ggf. zu analysieren, damit unspezifische oder chronische Beschwerden den erfassten Bewegungsmustern zugeordnet werden können. Die Erfassung der Biegeinformation soll vornehmlich im Bereich der Lendenwirbelsäule erfolgen, da hier die Ursache für einen Großteil aller Rückenschmerzen zu sehen ist. Diese und weitere Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 , 9 und 14 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und ein System zum Erfassen von Parametern zur Cha- rakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper gemäß den Ansprüchen 1 und 9 und ein computerimplementiertes Verfahren zur Analyse von Parametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper gemäß Anspruch 14 bereitgestellt. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Unteransprüchen definiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 zeigt ein System gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung welches eine Speichereinheit 10 und zwei Sensorbänder 1 1 a und 1 1 b aufweist. Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild, welches die Elektronikkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform des Sensorbandes und deren Verbindung untereinander schematisch darstellt.
Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild, welches die Stromversorgung eines Ausführungsbeispiels des Sensorbandes 1 1 schematisch darstellt.
Figuren 4a und 4b zeigen in stark vereinfachter Form den Aufbau eines Ausführungsbei- spiels des Sensorbandes 1 1 in einer Seiten- bzw. Schnittansicht.
Figur 4c zeigt die Sensorelektronik 43 aus Figur 4a in einer Schnittansicht.
Figur 5 zeigt eine Skizze zur Umrechnung einer Biegung in einen Winkel.
Figur 6 zeigt in vereinfachter Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Speichereinheit.
Figur 7 zeigt ein Blockschaltbild, welches die Elektronikkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform der Speichereinheit und deren Verbindung untereinander schematisch darstellt. Figur 8 zeigt ein Blockschaltbild, welches die Stromversorgung eines Ausführungsbeispiels der Speichereinheit schematisch darstellt.
Figuren 9a und 9b zeigen schematisch ein Befestigungspflaster gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht und einer Schnittansicht.
Figur 10a zeigt eine Skizze, welche den Gesamtaufbau des Befestigungspflasters gemäß Figur 9 vereinfacht darstellt.
Figur 10b zeigt schematisch den Cesamtaufbau des Befestigungspflasters in einer Draufsicht, wobei das Sensorband bereits in das Pflaster eingeführt ist.
Figuren 1 1 a und 1 1 b zeigen die Schnittmuster 102 und 103 aus Figur 10b, wobei jeweils die Flächen angezeigt sind, an welchen sie fest zu einem Schnittmuster 102,103 verbunden werden.
Figuren 12a und 12b zeigen Schnittmuster 101 und Schnittmuster 102,103, wobei jeweils die Flächen angezeigt sind, an welchen sie fest verbunden werden.
Figur 13a zeigt einen Graphen, in welchem verschiedene, bei paralleler Pflasteranordnung gemessene Winkelsummen über die Zeit aufgetragen sind.
Figur 13b zeigt einen Graphen, in welchem verschiedene, bei V-förmiger Pflasteranordnung gemessene Winkelsummen über die Zeit aufgetragen sind.
Figur 14a zeigt schematisch eine Anordnung der Speichereinheit 10 und der Sensorbänder 1 1 a, 1 1 b auf einem Trägerrücken gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung.
Figur 14b zeigt eine Rückansicht eines Trägers, auf dessen Rücken Orientierungspunkte für das Anordnen der Sensorbänder gemäß Figur 14a markiert sind.
Figur 15 zeigt eine Skizze, in welcher die Lage eines Befestigungspflasters relativ zu der Referenzlinie 145 und Verbindungslinie 144a bzw. 144b aus Figur 14b dargestellt ist.
Figur 1 6 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan für die Schnittstelle zwischen der Embedded Software und der Anwendersoftware.
Figur 1 7 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan des Hauptprogramms.
Figur 18 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Interrupt-Service-Routine "Ti- mer3-ISR".
Figur 19 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Interrupt-Service-Routinen "l2C- ISR" und "UART-ISR".
Figur 20 zeigt eine Übersicht über verschiedene Header- und Quellcodedateien der Embedded Software der Speichereinheit. Figur 21 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "SD_Start".
Figur 22 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "Speicher".
Figuren 23a und 23b zeigen einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "main". Figur 24 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "UARTJnterrupt". Figur 25 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "l2C-lnterrupt".
Figur 26a und 26b zeigen einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "Timer3- Interrupt".
Figur 27 zeigt eine Übersicht über verschiedene Header- und Quellcodedateien der Em- bedded Software des Sensorbands.
Figur 28 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "main".
Figur 29 zeigt einen vereinfachten Programmablaufplan der Funktion "l2C-lnterrupt".
Figur 30 zeigt eine Übersicht über die in der Livesoftware verwendeten Unterprogramme.
Figur 31 zeigt einen ersten Rohdatenplot, in welchem Winkel über Zeit dargestellt sind.
Figur 32 zeigt einen zweiten Rohdatenplot, in welchem die aktuellen Winkel segmentweise dargestellt sind.
Figur 33 zeigt zwei Plots, in welchen die Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung jeweils über die Zeit aufgetragen sind.
Figur 34 zeigt zwei Dynamikplots, in welchen die Winkelgeschwindigkeit über die Winkelsumme aufgetragen ist.
Figur 35 zeigt einen Stangenplot, in welchem die aktuellen Winkel und Beschleunigungen des Lagesensors angezeigt werden.
Figur 36 zeigt Darstellungen der Kurvaturflächen für den rechten und den linken Sensor, bei welchen die aktuellen Biegewinkel visualisiert sind.
Figur 37 zeigt eine Darstellung, bei welcher die aktuellen Winkel und Winkelgeschwindig- keiten des rechten und linken Sensors dargestellt und deren Maximal- und Minimalwerte erfasst sind.
Figur 38 zeigt eine Rohdatendarstellung des Lagesensors, in welcher die Ergebnisse der Lagesensoren beider Sensorbänder dargestellt sind.
Figur 39 zeigt eine Übersicht über die in der Analysesoftware verwendeten Unterprogram- me.
Figur 40 zeigt eine Skizze zur Erläuterung der Begriffe Umlaufrichtung, Wendepunkt und Startpunkt, welche bei der Hüllkurvenberechnung verwendet werden. Figur 41 zeigt eine Rohdatendarstellung in der Analysesoftware, in welcher der Winkel über die Zeit aufgetragen ist.
Figur 42 zeigt Dynamikplots, in welchen jeweils der Winkel über die Geschwindigkeit aufgetragen ist.
Figur 43 zeigt Geschwindigkeitsdarstellungen, in welchen die Geschwindigkeit über die Zeit aufgetragen ist.
Figur 44 zeigt Graphen, in welchen die Messergebnisse der Lagesensoren dargestellt sind. Figur 45 zeigt eine Vergleichsdarstellung zwischen rechtem und linkem Sensor, in welcher die Sensorsegmente des rechten bzw. linken Sensors jeweils aufsummiert und mit der Summer aller Sensorsegmente in einem Plot über die Zeit dargestellt sind.
Figur 46 zeigt Levelcrossings-Graphen mit und ohne Aktivität, wobei die Anzahl an "Grenzüberschreitungen" für die jeweilige Grenze dargestellt sind.
Figuren 47a und 47b zeigen Intensitätsplots in zwei verschiedenen graphischen Darstellungsmöglichkeiten.
Figuren 48 a und 48b zeigen zwei Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme mit einem Beispiel für eine "gesunde" und eine "kranke Bewegung".
Figuren 49 a und 49b zeigen zwei Phasendiagramme mit einem Beispiel für eine "gesunde" und eine "kranke Bewegung".
Figur 50 zeigt ein Winkel-Zeit-Diagramm einer beispielhaften Bewegung, in welches eine Vielzahl äquidistanter Grenzwertniveaus für den Winkel eingezeichnet ist.
Figur 51 zeigt beispielhaft eine errechnete relative Anordnung einzelner Wirbel in einer schematischen Darstellung.
1 . Allgemeine Anforderungen
Die Vorrichtung bzw. das System gemäß der vorliegenden Erfindung misst die Funktionsparameter zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen im Alltag des Patienten. Dies hat den Vorteil, dass er sich während einer Messphase natürlich und entsprechend seiner
Krankheits- oder Schmerzsituation bewegt. Aus diesem Grund wurde bei der Entwicklung der Vorrichtung insbesondere auf folgende Funktionsmerkmale wertgelegt:
• Messung erfolgt mit hoher Zeit- und Ortsauflösung • Messung erfolgt mit hoher Zeit- und Ortsauflösung
• Langzeitmessung bis zu 24h
• Livedarstellung
• portabel, klein, leicht (verursacht keine Beweglichkeitseinschränkungen)
· robust und dadurch alltagstauglich (Arbeit, Sport, Freizeit, Schlaf)
• einfache Anwendung und Bedienung
Das erfindungsgemäße System ist als„Auge" des Therapeuten auf dem Patientenrücken in der Alltagssituation zu sehen. Mit diesem System wird es möglich, die Bewegungen des Patienten im Alltag zu registrieren und zu einer objektiven Befunderhebung zu nutzen.
Das erfindungsgemäße System zur Erfassung von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper kann aufweisen:
einen Biegesensor mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen (DMS) zum Erfassen von Biegeparametern, wobei der mindestens eine DMS seine Impedanz bei einer Dehnung oder Stauchung verändert, und einer Sensorelektronik zum Auslesen und Verarbeiten der durch den mindestens einen DMS erfassten Biegeparameter; und
ein Befestigungselement zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen Körpers, wobei das Befestigungselement dafür eingerichtet ist, den Biegesensor so aufzunehmen, dass dieser nur an einem Punkt des Befestigungselements fixiert ist und Bewegungen des Teils des menschlichen Körpers, auf welchem das Befestigungselement fixiert ist, folgt, ohne dabei evtl. Dehnungen der Haut des menschlichen Körpers zu folgen.
Das erfindungsgemäße System soll beispielsweise die Beugung des Rückens erfassen. Mit Biegung wird die Verformung eines Körpers unter einer Last bezeichnet, die senkrecht auf eine Körperachse wirkt. Zur Erfassung der Dynamik von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper (beispielsweise am Rücken im Bereich der Lendenwirbelsäule) sollen ein oder mehrere Messaufnehmer mittels eines Befestigungselements, insbesondere eines Befestigungspflasters, in entsprechender Position auf der Haut befestigt werden. Die Beugung des Rückens führt zu einer Dehnung der Haut. Dehnung ist die relative Dimensionsänderung (Verlängerung bzw. Verkürzung) eines Körpers unter Belastung. Wenn die Abmessung des Körpers sich vergrößert, spricht man von einer positiven Dehnung, andernfalls von einer negativen Dehnung oder Stauchung. Die Dehnung der Haut bei Beugung des Rückens be- trägt ca. 50% Längenänderung im Bereich der Lendenwirbelsäule bei einer Flexionsbewegung. Das Befestigungsmittel ist somit zweckmäßigerweise dehnbar, damit es sich nicht aufgrund der dargestellten Längenänderung von der Haut löst. Die Messaufnehmer werden mit Hilfe der Befestigungsmittel auf der menschlichen Haut (vorzugsweise links und rechts der Wirbelsäule zur Erfassung von Rückenbewegungen) fixiert. Hierbei ist das Sensorband nur über einen Punkt, auch "Referenzpunkt" genannt, mit dem Befestigungselement verbunden und gleitet im Übrigen frei, bevorzugt innerhalb eines von dem Befestigungselement bereitgestellten Hohlraums, um den Bewegungen des menschlichen Körpers folgen zu können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet der Hohlraum gleich- sam einen Führungskanal, worin das Sensorband zwar am Körper gehalten wird, um dessen Beugung nachzuvollziehen, ohne aber die Längenänderung der Haut nachvollziehen zu müssen.
Dehnungsmessstreifen (DMS) sind Messeinrichtungen zur Erfassung von dehnenden Ver- formungen. Sie ändern schon bei geringen Verformungen ihre Impedanz und werden als Dehnungssensoren eingesetzt. Sie erfassen somit eine physikalische Eigenschaft, eine Dehnung oder Stauchung, und wandeln diese in elektrische Signale um.
Die elektrische Impedanz des Dehnungsmessstreifens verändert sich mit einer Dehnung oder Stauchung des Dehnungsmessstreifens. Durch Messung der Impedanz, insbesondere des elektrischen Widerstandes, kann das Ausmaß der Längenänderung des Dehnungsmessstreifens ermittelt werden.
Vorzugsweise weist der Biegesensor ein elastisch biegbares Substrat auf, auf dem die DMS befestigt, z.B. geklebt, sind. Wenn der auf dem Substrat befestigte Dehnungsmessstreifen, wie vorteilhaft vorgesehen, in einem einen Führungskanal bildenden Hohlraum am Untersuchungsobjekt, beispielsweise dem Rücken, angeordnet ist, führt eine Rückenbeugung zu einer entsprechenden Biegung des Substrats und somit zu einer Längenänderung des Dehnungsmessstreifens.
Das verwendete Substrat sollte daher elastische Eigenschaften besitzen. Ein Werkstück aus elastischem Material kann bis zu einer durch den Werkstoff bestimmten Spannung
(Elastizitätsgrenze) verbogen werden, um danach ohne bleibende Verformung elastisch in den Ausgangszustand zurückzukehren. Als Substratmaterial eigenen sich bspw. Federbandstahl oder FR 4. FR 4 ist eine Bezeichnung für die Feuerfestigkeit (Fire Resistance) des Leiterplattenmaterials; FR4 ist der gängige Standard für Consumer Elektronik.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der Biegesensor mehrere DMS, wobei jeweils zwei DMS so auf einander entgegengesetzten Seiten des Substrates befestigt sind, dass beide DMS im Wesentlichen dieselbe Biegung des Substrates erfassen, welches die Beugung des Untersuchungsobjektes, beispielsweise des Rückens, nachvollzieht.
Da die Beugung des Substrats zeitgleich von zwei DMS auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats gemessen wird, können Störgrößen mit Hilfe einer Brückenschaltung, z.B. einer Wheatstone-Messbrücke, welche ein Differenzsignal aus den Signalen der zwei DMS bildet, effektiv kompensiert und das eigentliche Messsignal verstärkt werden: Fehlereinflüsse wie Zug- oder Druckspannungen sowie Temperaturschwankungen, welche ggf. zusätzliche Längenänderungen des Substrats hervorrufen können, werden kompensiert, da diese die Messergebnisse beider DMS gleichermaßen beeinflussen und somit beim Bilden der Differenz aus den beiden Messsignalen kompensiert werden. Das eigentliche Messsignal wird jedoch verstärkt, da eine Beugung des Substrats eine positive Längenänderung des einen DMS und eine negative Längenänderung des anderen DMS hervorruft, wobei beide Längenänderungen im Wesentlichen denselben Betrag aufweisen. Bei der Differenzbildung wird somit das Messsignal im Wesentlichen verdoppelt. Die tatsächliche Biegung kann folglich mit einer größeren Genauigkeit und Zuverlässigkeit ermittelt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Biegesensor eine Vielzahl von DMS zum Erfassen der Biegeparameter in jeweils unterschiedlichen Messzonen. Die DMS können kaskadiert oder überlappend angeordnet sein. Damit ist es möglich, ortsaufgelöst die aus der Körperbewegung resultierenden Biegeinformationen messtechnisch zu erfassen.
Jede biegesensitive Messzone erfasst die jeweilig in ihrer Messstrecke applizierte Kurvatur in positiver oder negativer Biegerichtung in mindestens einer Raumebene. Die in den unterschiedlichen Messzonen angeordneten DMS werden vorzugsweise zeitlich versetzt ange- steuert, wodurch der Hardwareaufwand und der Stromverbrauch erheblich reduziert werden. Insbesondere wird nur ein Analog-Digital-Wandler und auch nur eine Rückleitung für alle DMS einer Substratseite benötigt, da zu jedem Zeitpunkt jeweils nur Daten von einem einzigen Messaufnehmer ausgelesen werden. Gleichzeitig ist die Auslesefrequenz groß ge- nug, um die Dynamik der Bewegung ortsaufgelöst zu erfassen. Zum Beispiel ist bei einer Ansteuerfrequenz von 1 kHz und beispielsweise 10 Biegezonen eine Auslesefrequenz von 100 Hz möglich, was eine dynamische Bewegungserfassung (Geschwindigkeit, Beschleunigung der Biegung) ermöglicht. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße System vorteilhafterweise einen Raumlagesensor zum Erfassen der Position des Sensorbandes relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld aufweisen. Das Gravitationsfeld der Erde gibt eine konstante Richtung vor. Die ortsaufgelöste Messung der Beugung ermöglicht es, die Beugung in einer bestimmten Ebene relativ zur Richtung des Gravitationsfeldes zu erfassen. Somit kann beispielsweise ermittelt werden, wie der Rücken zum Heben von Lasten gebeugt wird.
Der Raumlagesensor kann auch einen Startvektor für die Erfassung der Biegeinformationen vorgeben. Der Raumlagesensor erfasst dafür die Lage des Sensors am Rücken vor Beginn der Biegemessung. Die nachfolgend erfasste Biegung stellt eine relative Abweichung gegen- über der Orientierung des Startvektors dar.
Die vom Detektor erfassten Daten werden vorzugsweise von der Sensorelektronik als digitalisierte elektronische Signale ausgegeben und vorteilhafterweise in einer Speichereinheit in einem elektronischen Datenspeicher abgespeichert. Als Datenspeicher kann beispielsweise ein Flash-Speicher, wie eine SD Memory Card oder Mikro-SD-Karte, eingesetzt werden. Der Flash-Speicher bietet den Vorteil, dass er relativ klein und leicht ist und die abgespeicherten Daten verwahrt, ohne dass der Datenspeicher an eine Energieversorgung angeschlossen sein muss.
Die erfassten Biegeparameter werden vorzugsweise dazu verwendet, eine Vielzahl von Dy- namikparametern zu bestimmen. Insbesondere der Biegewinkel als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegegeschwindigkeit als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Biegebeschleunigung als Funktion der Zeit und/oder des Ortes, die Fouriertransformation der Funktionen des Biegewinkels, der Biegegeschwindigkeit und/oder der Biegebeschleunigung können abgeleitet werden.
Das Erfassen von Biegeparametern des Biegesensors erfolgt vorzugsweise über einen Zeit- räum von mindestens 24 Stunden, um eine Langzeitanalyse zu ermöglichen. Die Anwendung kann demnach analog zu Langzeit EKG - Messungen in beliebigen Zeiträumen von bis zu 24h erfolgen. Das Erfassen von Biegeparametern kann insbesondere therapiebegleitend durchgeführt werden, um eine positive oder negative Korrelation zwischen therapeutischen Maßnahmen und den erfassten Bewegungsparametern festzustellen.
2. Hardware-Komponenten
Figur 1 zeigt ein System gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches eine Speichereinheit 10 und zwei Sensorbänder 1 1 a und 1 1 b aufweist, welche jeweils mit einem Kabel 12a, 12b, z.B. einem 4poligen Kabel, mit der Speichereinheit 10 zur Stromversorgung und Datenübertragung verbunden sind. Vorteilhafterweise kann das System weitere Zubehörteile aufweisen, wie z.B.:
• ein USB-Datenkabel 1 9
· ein USB-Bluetooth-Modul
• einen Koffer
• Befestigungspflaster
• eine Speicherkarte (z.B. eine 1 CB, 2GB oder 4GB Micro-SD Speicherkarte)
• Anwendersoftware
2.1 . Sensorband
Die zwei Sensorbänder 1 1 a, 1 1 b sind mit im Wesentlichen identischen Hardwarekompo- nenten aufgebaut. Die Unterschiede zwischen beiden Sensoren liegen in der Embedded- Software und einer Lotbrücke in der Sensorelektronik. In der Embedded-Software ist die Adresse zur Sensorunterscheidung (links/rechts) hinterlegt und mit der Lotbrücke wird die Adresse des EEPROMS definiert. 2.1 .1 . Funktionsbeschreibung Sensorband
Die Sensorelektronik wandelt die Bewegung des Rückens mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) in elektrische erfassbare Werte, welche verstärkt und digitalisiert werden. Vorteilhaft erfasst ein integrierter Lagesensor die Raumlage des Sensorbandes 1 1 im Bezug auf die Erdgravitation. Alle Messdaten können über die Kabelverbindung 12 zur Speichereinheit 10 übertragen werden.
2.1 .2. Elektronik Sensorband
Figur 2 ist ein Blockschaltbild, welches die Elektronikkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform des Sensorbandes und deren Verbindung untereinander schematisch darstellt.
MikroController 21
Im Sensorband 1 1 kommt ein MikroController (μθ zum Einsatz, welcher die Messwerterfas- sung und die Messdatenübermittlung an die Speichereinheit 10 zur Aufgabe hat. Auf Befehl der Speichereinheit 10 wird der Programmablauf initiiert. Einige der Aufgaben des \}C sind:
• Ansteuern der Messbrücken der DMS;
• Einlesen und Digitalisieren der Messdaten der DMS;
• Einlesen der Messdaten des Lagesensors;
· Speichern der erfassten Messdaten; und
• Senden der erfassten Messdaten an die Speichereinheit.
Die Digitalisierung der Messdaten erfolgt beispielsweise mit einem internen 12bit-A/D- Wandler des pC's. Ein externer Referenzbaustein liefert eine Referenzspannung von bspw. 2,5V.
Dehnungsmessstreifen (DMS) 22
Die Dehnungsmessstreifen wandeln die Beugung des Sensorbandes in eine elektrische erfassbare Größe um. Dabei wird die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Dehnung des DMS genutzt. Feldeffekttransistor (FET) als Schalter 23
Mit den FETs werden die DMS an die Messbrücke geschaltet. Dies erfolgt sequenziell mit jeweils zwei gegenüberliegenden DMS. Damit erhält man eine Vielzahl von Messbrücken, von denen immer nur eine aktiv ist.
Wheatstonesche Messbrücke 24
Durch den Einsatz von zwei DMS in einer Halb-Messbrücke werden Störgrößen wie Temperatur und elektromagnetische Strahlung weitestgehend kompensiert. Zusätzlich erhält man ein stärkeres Messsignal, da sich dieses aus beiden DMS additiv zusammensetzt.
Verstärker 25
Als Verstärker wird ein Differenzverstärker verwendet. Dieser verstärkt die Brückenspannung und erzeugt eine zur Masse bezogene Ausgangsspannung die vom A/D-Wandler verarbeitet werden kann.
Lagesensor 26
Der verwendete Lagesensor gibt Informationen über die Raumlage in Bezug auf die Erdgravitation aus. Auf Abfrage können Messwerte für die Beschleunigung in X-, Y- und Z- Richtung digital ausgelesen werden. Der Sensor wird vom pC über eine SPI-Schnittstelle angesteuert und ausgelesen. Die Beschleunigung ist bevorzugt bis maximal zur achtfachen Erdbeschleunigung (G) mit einer Auflösung von z.B. 8bit messbar.
EEPROM 27
Der EEPROM-Speicher dient als Ablage der Kalibrierdaten. Er wird bspw. über eine l2C (ln- ter-lntegrated Circuit)-Schnittstelle vom pC der Speichereinheit gesteuert und ausgelesen. Zusätzlich können auf ihm beispielsweise eine Identifikationsnummer und ein Kennzeichen für den jeweiligen Sensor, z.B. "L" für linker Sensor bzw. "R" für rechter Sensor, abgelegt werden. Da sich zwei Sensorbänder an einer PC-Schnittstelle befinden, ist sicherzustellen, dass der pC der Speichereinheit sie unterscheiden kann. Dies wird beispielsweise durch unterschiedliches Definieren der EEPROM-Adressen mithilfe von Lotbrücken auf der Elektronikleiterplatte umgesetzt. 2.1.3. Stromversorgung Sensorband
Figur 3 ist ein Blockschaltbild, welches die Stromversorgung eines Ausführungsbeispiels des Sensorbandes 1 1 schematisch darstellt. Spannungsregler 31
Ein Spannungsregler 31 wird als Spannungsquelle für die Messbrücke genutzt. Er liefert eine konstante Spannung, z.B. 3,0V, mit welcher Störungen des Messsignals weitestgehend minimiert werden. Elektronik 32
Die restliche Elektronik 32 auf dem Sensorband;wie pC 21, EEPROM 27, Verstärker 25, Referenzspannungsquelle und Lagesensor 26, werden direkt vom Spannungsregler der Speichereinheit mit einer Spannung von z.B. 3,3V versorgt. 2.1.4. Mechanik Sensorband
Figuren 4a und 4b zeigen in stark vereinfachter Form den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Sensorbandes 1 1 in einer Seiten- bzw. Schnittansicht.
Als Grundmaterial für das Sensorband 1 1 wird bevorzugt eine Elektronikleiterplatte 43 ver- wendet. Diese besteht aus einem im Wesentlichen unflexiblen, bspw. ca. 1 ,5mm dicken
Bereich, auf dem die Sensorelektronik 41 bestückt ist und einem flexiblen, bspw. ca. 0,5mm dicken, biegesensitiven Bereich auf dem die Dehnungsmessstreifen aufgeklebt sind.
Die DMS 42 sind jeweils ober- und unterseitig, paarweise deckungsgleich appliziert. Jeder DMS 42 weist bevorzugt eine Länge von z.B. 50mm auf. Auf jeder Substratseite sind bevor- zugt 7 DMS lückenlos aufgebracht, wodurch in diesem Beispiel eine biegesensitive Länge von 350mm entsteht. Es ist jedoch auch denkbar, eine andere Anzahl von DMS, bspw. 3, 4, 5, 6, 8, 9 oder mehr DMS, zu verwenden, wobei auch die Länge der DMS nicht auf die bevorzugte Länge von 50mm festgelegt ist, sondern die DMS auch kürzer oder länger als 50 mm sein können.
Der elektrische Kontakt zwischen den DMS 42 und den Leiterbahnen auf der Sensorleiterplatte 43 kann bspw. durch Löten eines z.B. ca. 50pm dicken Kupferfolienstreifens hergestellt werden. Der unflexible Bereich der Leiterplatte 43 mit der Sensorelektronik 41 befindet sich im unteren Teil vom Sensorband. Die Leiterplatte 43 ist vorteilhaft beidseitig mit Elektronikbauteilen 47 bestückt.
Die elektrische Verbindung zur Speichereinheit 10 wird bevorzugt mit einem 4poligen Ka- bei 46 hergestellt, welches sowohl zur Datenübertragung als auch zur Stromversorgung für das Sensorband verwendet wird.
Figur 4c zeigt die Sensorelektronik 41 aus der Figur 4a in einer Schnittansicht. Die Sensorelektronik 41 wird mit einem Gehäuse 45 vor mechanischen, chemischen und elektrischen Umwelteinflüssen geschützt. Das Gehäuse 45 besteht vorteilhaft aus zwei Schalen, die miteinander verbunden, bspw. verschraubt, werden. Das Kabel 46 am Sensorband gelangt über eine Ausführung an den Gehäuseschalen nach außen. Für das Kabel 46 ist bevorzugt eine Zugentlastung vorgesehen, wobei die Ausführung am Gehäuse 45 bspw. als Zugentlastung (siehe Figur 1) dienen kann, wobei ein geeigneter Ring, bspw. ein Aluminiumring, über die Ausführung gezogen wird, der die beiden Gehäuseteile an das Kabel andrückt. Zusätzlich sind am Sensorgehäuse vorteilhaft zwei Flügel (siehe Figur 1 ) angebracht, um den Sensor an das Befestigungspflaster fixieren zu können.
Die Schutzhülle 44 besteht bevorzugt aus einem sogenannten "Schrumpfschlauch", d.h. einem Kunststoffschlauch, der sich unter Hitzeeinwirkung stark zusammenzieht. Dieser schützt die DMS 42 vor mechanischen und chemischen Umwelteinflüssen und sorgt durch seine glatte Oberfläche für die notwendige Gleitfähigkeit im Befestigungspflaster.
2.1.5. Kalibrierung
Jedes Sensorband besitzt fertigungsbedingt Toleranzen, die sich auf die Messwerte auswirken. Dadurch erhält man mit verschiedenen Sensorbändern bei gleichen Messbedingungen unterschiedliche Messergebnisse. Um die Sensorbänder untereinander messtechnisch vergleichbar zu machen und die Realität abbilden zu können, werden diese kalibriert.
Das Sensorband wandelt reproduzierbar eine Biegeinformation in einen Spannungswert um. Dieser wird dann in die gewünschte Messgröße, in diesem Fall einen Winkel, umgewandelt. Dazu kann bspw. eine Kalibrierlehre dienen.
Die Biegung, die einem Winkel zugeordnet wird, lässt sich aus der Segmentlänge und dem Radius (siehe Figur 5) gemäß der folgenden Formel ermitteln: Winkel — Länge ^es Segmentes-360"
2 -Radius
Zur Kalibrierung wird vorteilhaft für drei Winkel (z.B. 12°, 0° und -12° ) der entsprechende Messwert von jedem Segment des Sensorbandes aufgenommen und gespeichert. Die jeweiligen Winkel können vorteilhaft mit einer Kalibrierlehre eingestellt werden, welche z.B. mehrere Schlitze (z.B. 0° (Gerade), -12 12° bei einem Radius von z.B. 238,7mm) mit verschiedenen, geeigneten Biegungen aufweist. Die negative Biegerichtung kann realisiert werden, indem das Sensorband umgedreht in den Schlitz geschoben wird. Die erhaltenen Messdaten werden im Sensorband auf dem EEPROM abgelegt. Daraus berechnet das Anwenderprogramm zwei Interpolationsgeraden (in diesem Beispiel von -12° bis 0° und von 0° bis 12°) mit denen jede Biegung in den entsprechenden Winkel umgerechnet werden kann.
2.2. Speichereinheit
Die Speichereinheit beinhaltet eine Spannungsversorgung (z.B. einen Akkumulator) und steuert die Messabläufe. Figur 6 zeigt in vereinfachter Darstellung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Speichereinheit mit ihren Anzeige- und Bedienelementen. 2.2.1 . Funktionsbeschreibung Speichereinheit
Die Speichereinheit steuert beide Sensorbänder und übermittelt vorteilhafterweise die Messdaten an einen Anwenderrechner. Zusätzlich können die Messdaten auf einer austauschbaren Speicherkarte abgelegt werden. Um hochaufgelöst die Biegebewegung und die Raumorientierung zu messen, werden die Messdaten vorteilhaft mit einer Abtastrate von z.B. 100Hz erfasst. Über zwei Taster und ein Display wird das Gerät bedient bzw. erhält man Statusinformationen.
2.2.2. Elektronik Speichereinheit
Figur 7 ist ein Blockschaltbild, welches die Elektronikkomponenten einer bevorzugten Aus- führungsform der Speichereinheit und deren Verbindung untereinander schematisch darstellt. Mikrocontroller 71
In einem besonders bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird als pC bspw. der C8051 F410 von„Silicon Laboratories" eingesetzt. Dieser besitzt diverse Schnittstellen wie l2C, SPI und UART, welche zur Kommunikation mit der Peripherie dienen (siehe Figur 7). Er wird durch einen externen Quarz getaktet, wodurch eine hochgenaue Zeitbasis entsteht. Aufgrund der genannten Eigenschaften ist dieser pC besonders gut geeignet. Es können jedoch natürlich auch beliebige andere pCs verwendet werden, welche für diese Anwendung erforderliche Leistungsmerkmale besitzen. Der pC in der Speichereinheit steuert die Bedien- und Anzeigeelemente, die Speicherung der digitalen Messdaten, die Kommunikation mit der Anwen- dersoftware und die Kommunikation mit den zwei Sensorbändern.
Speicherkarte 72
Als Speicher für die aufgenommenen Messdaten dient bspw. eine pSD-Karte (1 GB, 2GB oder 4GB), welche eine Messdauer von mindestens 24 Stunden gewährleistet. Der pC steu- ert über die SPI-Schnittstelle die Speicherkarte, auf der die Messdaten abgelegt werden.
Taster 73
Die zwei Taster dienen zu Eingabezwecken. Sie sind direkt an zwei Ports des pC angeschlossen. Bei Betätigung ändern sie den Pegel von High auf Low.
Display 74
Das bspw. alphanumerische Display, welches über die SPI-Schnittstelle angesprochen wird, dient als Anzeigeelement. Es ist mit einer Hintergrundbeleuchtung bestückt, die über einen Transistor vom pC aktiviert werden kann.
Bluetooth 75 / USB 76 Schnittstelle
Die Datenübertragung zur Anwendersoftware kann wahlweise über Bluetooth oder USB (Universal Serial Bus) erfolgen. Beide Schnittstellen werden vom Mikrocontroller über U- ART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) angesteuert. Dabei kann der Datenver- kehr über einen Multiplexer zu einer der beiden Schnittstellen geschaltet werden. Die USB- Schnittstelle hat Priorität, das heißt sobald die Speichereinheit per USB an einen PC angeschlossen wird, ist diese aktiv und Bluetooth wird deaktiviert. Um Strom zu sparen wird das Bluetooth-Modul bei Inaktivität durch einen Transistor deaktiviert und der UART/USB-Schnittstellenwandler über den angeschlossenen PC versorgt.
Kommunikation zu den Sensorbändern
Die Speichereinheit ist über die PC-Schnittstelle mit zwei Sensorbändern verbunden.
2.2.3. Stromversorgung Speichereinheit
Figur 8 ist ein Blockschaltbild, welches die Stromversorgung eines Ausführungsbeispiels der Speichereinheit schematisch darstellt.
USB 81
Der Akkumulator kann vorteilhaft über eine Mini-USB-Buchse an der Speichereinheit aufgeladen werden. Die Ladung kann bspw. über einen USB-Ladeadapter oder direkt am PC er- folgen.
Laderegler mit Ladeanzeige 82
Der Laderegler regelt bei eingestecktem USB-Kabel selbständig die Ladung. Vorteilhaft symbolisiert eine eingebaute LED (Light-Emitting Diode) die Ladung.
Lithium-Polymer-Akkumulator 83
Das komplette System wird von einem geeigneten Akkumulator, z.B. einem 3,7V Lithium- Polymer-Akkumulator mit einer Kapazität von mindestens 1500mAh, versorgt. Der Akkumulator sollte so ausgelegt sein, dass er einen Betrieb des Systems von mindestens 24 Stun- den ermöglicht.
Der Akkumulatorzustand wird vorteilhaft durch eine Prozent-An zeige am Display dargestellt. Zur Berechnung der Akkumulator-Kapazität kann die Akkumulatorspannung über einen Spannungsteiler gemessen werden. Spannungsmonitor mit Schalttransistor 84
Der Spannungsmonitor mit Schalttransistor hat die Aufgabe, den Akkumulator vor Tiefentladung zu schützen. Ist die untere Spannungsgrenze von z.B. ca. 3,3V am Akkumulator erreicht, trennt der Spannungsmonitor über den Schalttransistor die gesamte Elektronik vom Akkumulator. Dies schützt den Akkumulator vor irreparablen Schäden. Die obere Spannungsgrenze, bei der die Elektronik wieder mit Strom versorgt wird, liegt bei z.B. ca. 4V.
Ein-/Aus-Schalter 85
Der Ein-/Aus-Schalter dient zum manuellen Ein- bzw. Ausschalten des Systems. Beim Ausschalten trennt er die Akkumulatorspannung von der Elektronik.
Spannungsregler 86
Der Spannungsregler wandelt die Akkumulatorspannung in eine konstante Spannung, z.B. 3,3V, um. Diese wird als Versorgungsspannung für das gesamte System inklusive der Sensorbänder genutzt.
2.2.4. Bedien- und Anzeigeelemente Speichereinheit
Der Anwender erhält Statusinformationen über das Display und kann bspw. über zwei Tas- ter und einen Schalter das Gerät bedienen.
Es sind bspw. folgende Funktionen wählbar:
• Speichereinheit ein-/ausschalten mit I/O-Schalter
• Displaybeleuchtung aktivieren über Taste nbetätigung
(automatische Abschaltung nach 3,5 sec.)
· Bluetooth-Schnittstelle mit linkem Taster ein-/ausschalten
• Schmerzpunkt setzen mit rechtem Taster
2.2.5. Berechnung der Kapazität des Akkumulators
Die Akkumulatorkapazität bestimmt die Betriebszeit des Systems. Sie berechnet sich nach folgender Formel:
Akkumulatorkapazität = Strom * Betriebszeit
Bei einer Betriebszeit von mindestens 24 Stunden und einem durchschnittlichen Strombe- darf von ca. 26mA im Modus„Bluetooth aus" und Datenablage auf der Speicherkarte ergibt sich eine Akkumulatorkapazität von ca. 624mAh. Im Modus„Bluetooth an" und Datenablage auf der Speicherkarte liegt der Strombedarf bei ca. 50mA, was einer Akkumulatorkapa- zität von 1200mAh bei gleicher Betriebszeit bedarf. Eingesetzt wird z.B. ein Akkumulator mit einer Kapazität von mindestens 1 500mAh.
2.2.6. Berechnung Kapazität Speicherkarte
Die Kapazität der Speicherkarte sollte so dimensioniert sein, dass auf diese mindestens 24 Stunden Daten abgelegt werden können. Die Formel für die Berechnung lautet:
Speicherkapazität = Datensatzgröße pro Sekunde * 3600 * 24 Bei einer Datensatzgröße von z.B. 41 Bytes pro Datensatz in 10ms (für z.B. 100Hz), ergibt sich nach 24 Stunden eine Datenmenge von 354,24MB. Verwendet wird z.B. eine Speicherkarte mit einer Speicherkapazität von mindestens 1 GB.
2.2.7. Tasche für Speichereinheit
Die Speichereinheit kann vorteilhaft in einer Tasche aus z.B. Kunstleder an der linken Hüfte getragen werden. Die Tasche ist mit einer geeigneten Befestigungsvorrichtung versehen, so dass diese an einem Gürtel befestigt werden kann. Durch geeignete Mittel, z.B. Klettverschlüsse, lässt sich die Tasche öffnen bzw. schließen. 2.3. Befestigungspflaster
Das Befestigungspflaster stellt die Verbindung der Sensorbänder zum menschlichen Rücken dar. Es koppelt das Sensorband mit dem mechanischen System„Trägerrücken", d.h. dem Rücken der Person, die das erfindungsgemäße System trägt.
Das Sensorband besitzt einen dehnfähigen Führungskanal, in welchem der flexible Bereich vom Sensorband bei einer Flexion- bzw. Extensionsbewegung des Rückens gleiten kann. Mit dem Befestigungspflaster wird das Sensorband (speziell die Sensorelektronik) am Rücken fixiert und bei jeder Biegeposition des Rückens eng an die Hautoberfläche angedrückt. Im folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das Befestigungspflaster beschrieben. Es ist zu beachten, dass das im Folgenden beschriebene Befestigungspflaster nur ein Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl möglicher Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Befestigungspflaster darstellt. Somit hat dieses Ausführungsbeispiel nur exemplarischen Charakter und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die im Folgenden aufgeführten optionalen Merkmale eingeschränkt.
2.3.1 . Aufbau und Eigenschaften
Figuren 9a und 9b zeigen schematisch ein Befestigungspflaster gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht und einer Schnittansicht. Das Befestigungspflaster weist vorteilhaft einen flexiblen Bereich 90b und einen unflexiblen Bereich 90a auf.
Der unflexible Bereich fixiert die Sensorelektronik am Befestigungspflaster, um die örtliche Lage der Sensorelektronik zu zwei unteren Referenzpunkten PUL und PUR sicherzustellen. Der flexible Bereich des Befestigungspflasters ist mit einem Führungskanal 95 versehen, in welchem das Sensorband 91 gleiten kann. Der Führungskanal kann bspw. durch zwei in Längsrichtung dehnfähige Stofflagen (siehe Figur 10), die miteinander verklebt werden, realisiert werden. Damit wird gewährleistet, dass sich das Befestigungspflaster bei jeder Rü- ckenlage mit der Hautoberfläche dehnt bzw. staucht und sich ideal an die Rückenform an- passt.
Figur 10a zeigt eine Skizze, welche den Gesamtaufbau des Befestigungspflasters gemäß Figur 9 vereinfacht darstellt. Das Befestigungspflaster weist drei Hauptkomponenten auf, die im Folgenden als (erstes) Schnittmuster 101 , (zweites) Schnittmuster 102 und (drittes) Schnittmuster 103 bezeichnet sind. Figur 10b zeigt schematisch den Gesamtaufbau des Befestigungspflasters gemäß Figur 9 in einer Draufsicht, wobei das Sensorband, bereits eingeführt ist. 2.3.2. Anforderungen an das Befestigungspflaster
Das Befestigungspflaster wird an den menschlichen Rücken geklebt. Daher ist es erforderlich, dass zumindest die im Schnittmuster 101 verwendeten Materialien biokompatibel sind. Das Pflaster ist elastisch ausgebildet, so dass es Längenänderung der Haut bei Bewegung nachahmen kann. Es ist vorteilhaft so ausgebildet, dass das Pflaster seine Klebkraft nach dem ersten Ablösen von der Haut verliert und somit verhindert wird, dass es ein zweites Mal benutzt wird. Vorteilhaft ist das Pflaster ferner so ausgebildet, dass die volle Klebkraft einige Minuten nach der Applikation erreicht wird und so lange anhält, dass das Pflaster mindestens 24 Stunden auf der menschlichen Haut verlässlich haftet. Das Befestigungspflaster fixiert das Sensorband im unteren Bereich des Rückens. Es hat die Aufgabe, das Sensorband mit der Pflasterkomponente„Schnittmuster 103" örtlich festzuhalten. Dies erfolgt, indem der dort befindliche Sensorteil fest vom Material umschlossen wird. Die beiden Klettbänder 107 und 108 erzeugen eine feste, aber lösbare Verbindung.
Die Nahtfläche 1 1 1 a und 1 1 1 b (siehe Figuren 1 1 a und 1 1 b) ist reißfest ausgebildet und dient als Anschlag für den von Schnittmuster 103 umschlossenen Sensorteil. Hierfür weist das Sensorgehäuse kleine seitliche Vorsprünge, sogenannte "Flügel", auf (siehe Figur 10b). In den Führungskanal 105 ist der Sensor bis zum Anschlag einführbar. Über die Klettverschlüsse 107 und 108 wird eine Tasche gebildet, welche ein Herausrutschen des Sensors verhindert. Der Führungskanal 105 wird aus den Materialien von Schnittmuster 101 und 102 gebildet. Der Sensorteil, der in den Führungskanal 105 einzuführen ist, soll bei jeder Rückenlage eng an der menschlichen Haut gehalten werden. Diese Anforderung ist für die gesamte Länge des Führungskanals 105 gültig.
Der Führungskanal 105 ist für das Sensorband gleitfähig zu dimensionieren und ist so aus- gebildet, dass er sich durch eine Längenänderung (positiv und negativ) weder einschnürt noch verbreitert.
Der Träger spürt das Befestigungspflaster nicht bzw. vergisst es nach einer kurzen Eingewöhnungszeit (z.B. < 30min). 2.3.3. Schnittmuster
Beschreibung zum ersten Schnittmuster 101
Schnittmuster 101 ist einseitig mit einer Klebefläche versehen. Die Klebefläche erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Materialfläche und wird mit einer Folie zum Abzie- hen geschützt. Das Material von Schnittmuster 101 ist biokompatibel. Es ist nur in Längsrichtung elastisch. Es ahmt bei einer Extensions- oder Flexionsbewegung des menschlichen Rückens die Dehnung bzw. Stauchung der Haut nach.
Beschreibung zum zweiten Schnittmuster 102
Das Material von Schnittmuster 102 ist vorteilhafterweise ebenfalls biokompatibel. Es ist in Längsrichtung elastisch und folgt bei einer Extensions- bzw. Flexionsbewegung des menschlichen Rückens der Dehnung bzw. Stauchung der Haut. Es hält den Sensor eng an Schnitt- muster 1 01 und somit an der Haut. Schnittmuster 102 weist ein Klettband 107 auf, wie in Figur 1 1 a zu sehen ist.
Schnittmuster 1 02 besteht bevorzugt aus monoelastischem Jersey und ist auf Schnittmuster 1 03 vernäht. Die Naht erfolgt an den Flächen 1 1 1 a und 1 1 1 b (siehe Figur 1 1 a).
Beschreibung zum dritten Schnittmuster 103
Das Material von Schnittmuster 1 03 ist vorteilhafterweise ebenfalls biokompatibel. Es ist in Längs- und Querrichtung unelastisch und weist ein Klettband 108 auf, wie in Figur 1 1 a zu sehen ist.
Schnittmuster 103 ist unter Schnittmuster 1 02 vernäht. Die Naht erfolgt an den Flächen 1 1 1 a und 1 1 1 b (siehe Figur 1 1 b). Das Schnittmuster ist z.B. aus Jeansstoff mit 100% Baumwollanteil gefertigt.
Klebe- und Nahtflächen des Befestigungspflasters
Schnittmuster 102 ist auf Schnittmuster 103 vernäht. Die Nahtflächen 1 1 1 a und 1 1 1 b von Schnittmuster 102 und 103 sind beim Vernähen deckungsgleich übereinander zu legen. Nach dem Vernähen von Schnittmuster 1 02 auf Schnittmuster 1 03 erhält man eine Pflaster- komponente die im Folgenden als Schnittmuster 102, 103 bezeichnet wird. Beide Klettbänder 107 und 108 liegen nach dem Vernähen auf derselben Flächenseite von Schnittmuster 102, 1 03.
Schnittmuster 102,1 03 wird auf Schnittmuster 101 gemäß der Abbildungen in den Figuren 1 2a und 12b verklebt: Die Klebefläche 122 von Schnittmuster 1 01 und 1 02,103 wird bei der Klebung deckungsgleich übereinander gelegt. Es wird ein Kleber verwendet, welcher die Dehnfähigkeit der miteinander verklebten Materialien nicht einschränkt.
2.4. Applikation des Messsystems
Figur 14a zeigt schematisch die Anordnung der Speichereinheit 1 0 und der Sensorbänder 1 1 a, I I b, jeweils mit der Sensorelektronik 41 . Erfindungsgemäß werden die zwei Sensorbänder 1 1 a, 1 1 b V-förmig am menschlichen Rücken befestigt und die Speichereinheit 10 bevorzugt an der linken Hüfte angebracht.
Zum Applizieren der Sensorbänder auf den menschlichen Rücken werden Befestigungspflaster, bspw. die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen für Befestigungs- pflaster, verwendet.
Das System ist vom Träger nach einer Eingewöhnungszeit von <30 Minuten nicht mehr wahrnehmbar und beeinflusst weder aktiv noch passiv den menschlichen Bewegungsapparat.
Durch den Vergleich der Biegeinformation zwischen rechtem und linkem Sensorband kön- nen Rückschlüsse auf Torsionsbewegungen des Körpers gezogen werden.
2.4.1 . Applikation der Befestigungspflaster
Erfindungsgemäß werden die ßefestigungspflaster auf die Rückenhaut des Trägers links und rechts neben der Wirbelsäule V-förmig aufgeklebt.
Die V-förmige Anordnung der Sensoren hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da mit dieser Anordnung auch Torsionen (d.h. Rotationsbewegungen der Schulter) detektiert werden können. Figur 13a zeigt einen Graphen, bei welchem die Winkelsumme über die Zeit aufgetragen ist. Es wurden aufeinanderfolgend eine Nullmessung, eine Flexion, eine Extension, eine Torsion nach links und eine Torsion nach rechts bei paralleler Pflasteranordnung gemessen. Es ist sowohl die Winkelsumme des rechten und des linken Sensors jeweils einzeln aufgetragen, als auch die Differenz der Winkelsummen der beiden Sensoren.
Hierbei wird deutlich, dass bei dieser Anordnung Flexions- und Extensionsbewegungen gut, Torsionsbewegungen dagegen nur sehr schlecht detektiert werden können. Auch der Differenzwert der Winkelsummen zeigt für die Torsionsbewegungen nur geringe Ausschläge.
Figur 13b zeigt einen Graphen, in welchem, analog zu Figur 1 3a, sowohl die Winkelsumme des rechten des linken Sensors jeweils einzeln aufgetragen sind, als auch die Differenz der Winkelsummen der beiden Sensoren. Auch hier wurden aufeinanderfolgend eine Nullmessung, eine Flexion, eine Extension, eine Torsion nach links und eine Torsion nach rechts gemessen, jedoch bei V-förmiger Sensoranordnung. In diesem Graphen sind sowohl die Flexions- und Extensionsbewegungen, als auch die Torsionsbewegungen gut erkennbar. Insbesondere in der Auftragung der Differenz der Winkelsummen der beiden Sensoren sind die Peaks für die Torsionsbewegungen deutlich ausgeprägt und somit gut detektierbar. Testmessungen haben ergeben, dass die Peaks des Diffe- renzwertes der Winkelsummen der beiden Sensoren bei V-förmiger Anordnung der Sensoren bis zu 4 mal stärker ausgeprägt waren als bei paralleler Sensoranordnung.
Für die Applikation der Pflaster ist es vorteilhaft, das Pflaster bezüglich am Träger gut ertastbarer Orientierungspunkte auszurichten, um bei jeder Applikation gleiche Bedingungen, in diesem Fall, im Wesentliche gleiche Anordnung, zu gewährleisten. Im folgenden ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, welches den obengenannten Anforderungen entspricht. Es sind jedoch auch andere Ausführungsbeispiele denkbar, in welchen bspw. die Pflaster in eine Schablone integriert sind, mit Hilfe welcher die Position der Sensoren bzw. Pflaster auf dem Rücken einfach reproduzier- bar ist.
Figur 14b zeigt eine Rückansicht des Trägers, auf welcher Orientierungspunkte markiert sind, welche sich für die Applikation der Befestigungspflaster als besonders vorteilhaft erwiesen haben:
Als obere Referenzpunkte POL (linker oberer Referenzpunkt) und POR (rechter oberer Referenzpunkt) dienen die beiden ertastbaren äußeren Enden der Schulterblattgräte (Akromion) bei Normal läge der Schulterblätter.
Die Referenzlinie liegt 5cm unter den ertastbaren Beckenkämmen 141 a und 141 b (Spina lliaca Posterior Superior).
Die Lage der Befestigungspflaster relativ zur Referenzlinie 145 und Verbindungslinie 144a bzw. 1 14b ist in der in Figur 15 gezeigten Skizze dargestellt: Die Symmetrieachse des Befestigungspflasters liegt auf der Verbindungslinie 144a bzw. 144b während die Referenzlinie die Symmetrieachse des Pflasters nahe des Klettverschlusses quert.
Die Pflaster werden spiegelsymmetrisch zur Wirbelsäule, entlang der Verbindungslinien aufgeklebt. Beim Bekleben der Haut des Trägers mit den Befestigungspflastern ist darauf zu achten, dass das Pflaster nicht oder nur leicht gestreckt wird.
Bei starker Behaarung, ist es zweckmäßig, dass der Träger an den entsprechenden Bereichen rasiert wird. Für optimalen Halt sollte die Hautoberfläche während der Pflasterapplika- tion nicht verschwitzt oder fettig sein.
Die Klebung erfolgt bevorzugt von unten nach oben. Ist das Pflaster komplett angebracht, wird es kurz einmassiert. Der Träger führt in dieser Zeit vorteilhaft wiederholt einige Flexi- ons- und Extensionsbewegungen aus. 2.4.2. Applikation der Sensorbänder
Nach dem Kleben der Befestigungspflaster können die Sensorbänder appliziert werden. Es ist zweckmäßig, die Sensorbänder erst nach einer Wartezeit von mindestens 15 Minuten in die Befestigungspflaster einzuführen, da dann die Klebkraft der Pflaster ausreichend entwickelt ist.
Um das Einführen der Sensorbänder zu erleichtern, hält der Träger seinen Oberkörper leicht nach vorne gebeugt. Der Sensor wird bis zum Anschlag in den Führungskanal des Befestigungspflasters eingeführt. Hierbei ist darauf zu achten, dass linker und rechter Sensor nicht vertauscht werden. Hierfür ist es zweckmäßig, dass jedes Sensorband auf dem Gehäuse entsprechend gekennzeichnet ist, z.B. mit„links" bzw.„rechts". Des Weiteren ist darauf zu achten, dass die Sensorkabel auf der linken Seite abgehen (siehe Figur 14a).
Die Kabel der Sensorbänder werden mit den Buchsen an der Speichereinheit verbunden. Zweckmäßig befindet sich auf dem Gehäuse der Speichereinheit eine geeignete Kennzeichnung der Buchsen für den linken bzw. rechten Sensor. 2.4.3. Applikation der Speichereinheit
Vorteilhaft trägt der Proband die Speichereinheit mit einer Gürteltasche auf seiner linken Hüftseite. Die Anschlussbuchsen der Speichereinheit zeigen dabei von Sicht des Trägers nach hinten. Dadurch können die Kabel der Sensoren ohne Schlaufenbildung an die Speichereinheit angeschlossen werden. 3. Embedded Software
In der Speichereinheit steuert eine Embedded Software das Auslesen und die Speicherung der digitalisierten Messdaten, die Funktionalität der Bedien- und Anzeigeelemente sowie die Weitergabe der Messdaten.
Zeitkritische Prozesse, wie das Starten einer neuen AD-Wandlung (z.B. alle 10ms), das Auslesen von Messdaten aus den Sensoren oder das Senden der der Messdaten an einen PC, werden hierbei bevorzugt behandelt. Auch die Prioritäten der zeitkritischen Prozesse sind untereinander gestaffelt.
Im Sensorband steuert die Embedded Software das Auslesen, Umwandeln und Digitalisieren der analogen Messdaten der Sensorbänder.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Softwaresteuerung näher beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel dient nur zur Erläuterung und hat rein beispielhaften Charakter. Es wird darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf Grundlage der Merkmale dieses Ausführungsbeispiel zu definieren oder einzuschränken ist.
3.1 . Vereinfachter Programmablauf Zum besseren Verständnis des komplexen Programmablaufs ist dieser in Figur 16 vereinfacht dargestellt. Dazu werden nur das Hauptprogramm (siehe Figur 1 7) und Interrupt- Service-Routinen (ISR) der Speichereinheit dargestellt. Dazu gehören die mit "PC-ISR", "U- ART-ISR" (siehe Figur 19) und "Timer3-ISR" (siehe Figur 18) bezeichneten Routinen. Zusätzlich wird die Schnittstelle zur Anwendersoftware vereinfacht dargestellt. In Figur 1 7 ist in der linken Spalte der Programmablauf der Anwendersoftware und in der Mitte der der Speichereinheit zu sehen. Rechts ist die Schnittstelle zu den ISRs dargestellt. Die Pfeile zeigen den Daten- oder Informationsfluss zwischen den drei Modulen. In Figuren 18 und 19 ist in der linken Spalte der Programmablauf der Speichereinheit dargestellt und in der rechten Spalte wird beschrieben woher/wohin die Informationen oder Daten kommen/gehen.
3.2. Software Speichereinheit
Wie in Figur 20 zu sehen ist, ist die Embedded Software der Speichereinheit zum Zwecke der besseren Übersicht in verschiedene Header- und Quellcodedateien aufgeteilt.
Die Datei "main.c" beinhaltet das Hauptprogramm und die Interrupt-Serviceroutinen. In der Datei C8051 F410.h befinden sich die Namen aller Funktionsregister des eingesetzten Mik- rocontrollers. In der datei "init.c" wird die Peripherie des MikroControllers initialisiert und in der Datei "spi.c/i2c.c" befinden sich die Ansteuerung der SPI-/l2C-Schnittstellen.
3.2.1. Funktionen Speichereinheit
3.2.1 .1 . main.c
Das Hauptprogramm beginnt mit dem Einbinden der benötigten Header-Dateien und dem Erstellen von symbolischen Namen. Danach erfolgt das Anlegen und Initialisieren der globalen Variablen. Im Anschluss folgen die Funktionen und das eigentliche Hauptprogramm, sowie die Interrupt-Service-Routinen.
SD_Start (siehe Figur 21 )
Diese Funktion versucht, die Speicherkarte zu initialisieren, und sucht den Startsektor. Nach der Initialisierung aller Variablen wird durch die Funktion "SD_init" versucht, die
Speicherkarte zu initialisieren. Geschieht dies fehlerlos, ist der Rückgabewert dieser Funktion z.B. gleich 0. Im Fehlerfall wird die Funktion mit einer Fehlerausgabe auf dem Display beendet. Bei keinem Fehler wird ab einem vordefiniertem Sektor, z.B. Sektor 500, ein Start- string, z.B. "Epionics", auf der Speicherkarte gesucht, welcher den Beginn der Speicherdatei kennzeichnet. Wird dieser bis zu einem weiteren vordefiniertem Sektor, z.B. Sektor 1000, nicht gefunden, wird die Schleife beendet und eine Fehlervariable, z.B. die Variable "kein_Start", auf einen bestimmten Wert, welcher in diesem Beispiel ungleich 0 ist, also bspw. 1 , gesetzt. Ist die Variable "kein_Start" gleich dem bestimmten Wert, hier z.B. 1 , wird die Funktion bei der nächsten Abfrage mit einer Fehlerausgabe auf dem Display beendet. Sind keine Fehler aufgetreten, wird die Funktion mit der Ausgabe "SD okay" auf dem Display beendet. Speicher (siehe Figur 22)
Diese Funktion empfängt den Übergabewert„daten" und fügt ihn in ein Speicherarray ein. Ist das Speicherarray mit einer vorbestimmten Datenmenge, z.B. 512 Bytes, gefüllt, wird es auf die Speicherkarte geschrieben. Gleichzeitig wird auf ein zweites Speicherarray umgeschaltet, um neue Daten entgegen zu nehmen. main (siehe Figuren 23a und 23b)
Das Hauptprogramm beginnt mit den Funktionen ,,lnit_Device()" und ,,lnit_LCD()" in denen der MikroController und das Display initialisiert werden. Im Anschluss beginnt die eigentliche Endlosschleife. Darin wird als erstes überprüft, ob eine Speicherkarte eingesteckt ist. Ist keine Speicherkarte eingesteckt, wird eine entsprechende Meldung, z.B.„SD: keine Karte", auf dem Display ausgegeben. Wenn eine Speicherkarte vorhanden ist, dann wird versucht, diese zu initialisieren. Gab es keine Fehler bei der Initialisierung, wird der Sektor nach dem Startsektor von der Speicherkarte gelesen. Sind eine vorbestimmte Gruppe von Zeichen, z.B. die ersten fünf Zeichen dieses Sektors, nicht mit einer vordefinierten Belegung, z.B. „X", versehen, dann wird eine entsprechende Meldung, z.B.„SD: unformatiert", auf dem Display ausgegeben. Sind in diesem Beispiel die ersten fünf Zeichen„X", dann wird davon ausgegangen dass die Speicherkarte leer ist. Daraufhin werden die EEPROMs beider Sensorbänder ausgelesen und die darin enthaltenen Kalibrierdaten und Seriennummern auf die Speicherkarte geschrieben. Im Anschluss wird der Mess- und Auslesevorgang der Sensor- bänder aktiviert. Dieser Vorgang läuft Interrupt-gesteuert im Hintergrund ab. Im nächsten Schritt wird überprüft, welche Schnittstelle zur Anwendersoftware aktiviert wird. Wird ein USB-Kabel angeschlossen, ist dies die vorrangige Schnittstelle. Ist kein USB-Kabel angeschlossen, hat der Benutzer die Möglichkeit durch Betätigung der linken Taste die Blue- tooth-Schnittstelle zu aktivieren. Welche Schnittstelle aktiviert ist, wird auf dem Display angezeigt. Als nächstes wird überprüft ob einer der beiden Datenpuffer voll ist. Ist dies der Fall, wird dieser auf die Speicherkarte geschrieben und der Startsektor um eins erhöht. Im Anschluss wird geprüft, ob der Datenzähler bei einer vorbestimmten Anzahl von Datensät- zen, z.B. 24Mio. Datensätze, angekommen ist. In diesem Fall wird der Messvorgang gestoppt und eine entsprechende Fehlermeldung, z.B.„Speicher voll!", auf dem Display ausgegeben. Zum Schluss wird, bevorzugt jede Minute, die Akkumulatorspannung gemessen, um eine ungefähre Akkumulatorkapazität-Anzeige umzusetzen. Nach diesem Punkt beginnt die Endlosschleife von vorn. uart_isr Interrupt (siehe Figur 24)
Die UART-Interrupt-Service-Routine wird ausgeführt sobald ein Zeichen über die serielle Schnittstelle empfangen wurde oder gesendet werden soll.
Die Funktion unterscheidet zwischen einem Sendeinterrupt ("TI0=1 ") und einem Empfang- sinterrupt ("RI0=1 ").
Bei einem Sendeinterrupt wird überprüft ob noch ein Zeichen gesendet werden soll. Gegebenenfalls wird es gesendet.
Bei einem Empfangs Interrupt wird untersucht, welches Zeichen empfangen wurde, und, abhängig von dem empfangenen Zeichen, die entsprechende Aktion, bspw. Starten des Messvorgangs, Stoppen des Messvorgangs, Senden der Kalibrierdaten, veranlasst. i2c_isr Interrupt (siehe Figur 25)
In der Interrupt-Service-Routine für die PC-Schnittstelle wird die Kommunikation zwischen Speichereinheit und Sensorbänder bzw. EEPROMs gesteuert. Dazu gehören das Senden von Adressen und Daten und das Empfangen von Daten. Dabei wird zwischen der Kommunikation mit den EEPROMs und dem Datenaustausch zu den Sensorbändern unterschieden. timer3_isr Interrupt (siehe Figuren 26a und 26b)
Ein Timer, hier "Timer3" ist so eingestellt, dass seine Interrupt-Service-Routine in vorbe- stimmten Intervallen, z.B. alle 10ms, ausgeführt wird. Hier wird die Tastensteuerung, das Ein- und Ausschalten der Display-Hintergrundbeleuchtung, das Senden der Kalibrierdaten und das Starten und Auslesen der Sensorbänder realisiert. 3.2.1.2. init.c
Eine beispielhafte Auswahl der Funktionen bzw. Aufgaben der Datei "init.c":
• Deaktivierung des Mikrocontroller-internen Spannungsreglers;.
• Definieren aller Ein- und Ausgänge;
• Eine Oszillator-Initialisierung, welche den externen Oszillator aktiviert und wartet bis dieser stabil läuft.
• Initialisierung mehrerer Timer, z.B.:
o TimerO wird im 8bit-Autoreload-Modus für den l2C-Bus initialisiert. Sein Taktbeträgt in diesem Ausführungsbeispiel 360kHz, was einem PC-Takt von 120kHz entspricht.
o Timerl wird im 8bit-Autoreload-Modus für die UART-Schnittstelle initialisiert. Sein Takt beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 230kHz, was einer UART-Baudrate von 1 1 5200 Bit pro Sekunde entspricht.
o Timer3 wird im 16bit-Autoreload-Modus initialisiert. Sein Takt beträgt in diesem Ausführungsbeispiel genau 100Hz und wird als Zeitbasis für die Messzyklen genutzt.
• PC-Initialisierung: der PC-Bus wird als Master aktiviert, die Taktquelle wird ausgewählt und die automatische Timeout-Erkennung wird aktiviert.
• Einstellen der seriellen Schnittstelle auf 8Bit Datenlänge mittels eines Start- und Stoppbits und Aktivierung des Empfangs.
• Initialisierung der SPI-Schnittstelle im 4-Draht-Single-Master-Mode mit einem Takt von bspw. 1 MHz.
• Takten des A/D-Wandlers mit dem Systemtakt und Aufnahme eines Messwerts.
• Interrupte werden global freigegeben und für UART, PC und Timer3 aktiviert. Außerdem bekommen PC und UART eine hohe Interrupt-Priorität.
• Deaktivierung des Spannungsmonitors des MikroControllers sowie des Watchdog- Timers.
• Warteschleifenfunktion.
• Bereitstellen eines 100Byte großen Ringspeichers, der Daten an die serielle Schnittstelle weitergibt, wobei die Daten als einzelne Byte-Werte oder Zeichenketten übergeben werden. 3.2.1 .3. spi.c
Eine beispielhafte Auswahl der Funktionen bzw. Aufgaben der Datei "spi.c":
• Übertragen eines übergebenen Byte-Wertes über den SPI-Bus
• Lesen eines Byte-Wertes vom SPI-Bus.
· Senden eines Kommandos an die Speicherkarte und Empfangen der Antwort der
Speicherkarte.
• Initialisieren der Speicherkarte mit verringertem SPI-Takt.
• Lesen von Datenblöcken von der Speicherkarte.
• Lesen eines Sektors, z.B. 512Byte, von der Speicherkarte gemäß übergebener Spei- cheradresse und Speichervariable.
• Schreiben eines Datenblocks, z.B. 512Byte, auf die Speicherkarte gemäß übergebener Speicheradresse.
• Senden eines übergebenen Kommandos an das Display.
• Initialisieren des Displays.
· Senden eines einzelnes Zeichen an das Display.
• Senden einer Zeichenkette an das Display
• Setzen des Cursors an eine bestimmte Position auf dem Display.
3.2.1.4. i2c.c
Eine beispielhafte Auswahl der Funktionen bzw. Aufgaben der Datei "i2c.c":
• Beschreiben der EEPROMs auf den Sensorbändern gemäß übergebener EEPROM- Adresse, Speicheradresse und Datenwert.
• Auslesen der EEPROMs auf den Sensorbändern gemäß übergebener EEPROM- Adresse und Speicheradresse.
· Starten des Messvorgangs auf dem Sensorband mit der übergebenen Adresse.
• Starten der Datenübertragung von dem Sensorband mit der übergebenen Adresse.
3.3. Software Sensorband Wie in Figur 27 zu sehen ist, ist die Embedded Software vom Sensorband zum Zwecke der besseren Übersicht in verschiedene Header- und Quellcodedateien aufgeteilt. Die Datei main.c beinhaltet das Hauptprogramm und die Interrupt-Serviceroutinen. In der Datei C8051 F410.h befinden sich die Namen aller Funktionsregister des eingesetzten pC. In der init.c wird die Peripherie des pC initialisiert und in der spi.c befindet sich die Ansteue- rung der SPI-Schnittstelle.
3.3.1. Funktionen Sensorband
Da es zwei Sensorbänder an einem Bus gibt, ist es erforderlich, dem linken Sensorband eine andere Adresse zu geben als dem rechten Sensorband. Es gibt je Sensorband eine Adresse zum Starten der Messung und eine Adresse zum Senden der Messwerte. Durch diese verschiedenen Adressen ist eine Unterscheidung möglich.
3.3.1 .1. main.c
Das Hauptprogramm beginnt mit dem Einbinden der benötigten Header-Dateien und dem Erstellen von symbolischen Namen. Danach erfolgt das Anlegen und Initialisieren der globalen Variablen. Im Anschluss folgen das eigentliche Hauptprogramm und die Interrupt- Service-Routinen. main (siehe Figur 28)
Das Hauptprogramm beginnt mit den Funktionen ,,lnit_Device()" und ,,lnit_Gsensor()" in denen der pC und der Lagesensor initialisiert werden. Danach werden die FETs für alle Messbrücken deaktiviert. Im Anschluss beginnt die eigentliche Endlosschleife. In ihr wird die Variable„Start_AD" abgefragt, wenn diese gleich einem ersten vorbestimmten Wert ist, z.B. 0, befindet sich das Programm in einem "idle" Zustand. Erst wenn diese Variable gleich einem weiteren vorbestimmten Wert ist, z.B. 1 , beginnt das Auslesen und Digitalisieren der Messwerte. Ist dies der Fall, werden der A D-Wandler und die erste Messbrücke aktiviert. Damit das System einschwingen kann, wird kurz gewartet bevor der A/D-Wandler die Messung startet. Zur Mittelung werden eine Anzahl von Werten, z.B. 16 Werte, eingelesen und der Mittelwert berechnet und gespeichert. Dann wird diese Messbrücke deaktiviert, die Nächste aktiviert und der Mess- und Speichervorgang beginnt erneut bis alle Messbrücken ausgemessen wurden. Am Ende wird der A/D-Wandler deaktiviert und der Lagesensor ausgelesen. Die drei Messwerte für jede Dimension werden ebenfalls gespeichert. Im Anschluss wird überprüft, ob die letzten Daten schon von der Speichereinheit abgerufen wurden. Trifft dies zu, werden die neuen Messwerte in das Datenarray zur neuen Übertragung geschrieben. i2c_interrupt (siehe Figur 29)
In der Interrupt-Service-Routine für die PC-Schnittstelle wird die Kommunikation zwischen Sensorband und Speichereinheit realisiert. Dabei arbeitet das Sensorband als Slave, d.h. es wird nur auf Anfragen vom Master geantwortet. Empfängt das Sensorband die Adresse zum Auslesen der Sensoren, wird der Messvorgang gestartet. Wird die Adresse zum Senden der Messwerte empfangen, beginnt die Datenübertragung zur Speichereinheit.
3.3.1.2. init.c
Eine beispielhafte Auswahl der Funktionen bzw. Aufgaben der Datei "init.c":
• Deaktivieren des Mikrocontroller-internen Spannungsreglers.
• Aktivieren der externen Referenzspannungsquelle für den A/D-Wandler, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen.
• Definieren aller Ein- und Ausgänge.
• Initialisieren von "TimerO" im 8bit-Autoreload-Modus für den l2C-Bus, wobei sein Takt ca. 360kHz beträgt, was einem l2C-Takt von ca. 120kHz entspricht.
• l2C-lnitialisierung: der l2C-Bus wird aktiviert und die Taktquelle wird ausgewählt.
• Initialisieren der SPI-Schnittstelle im 4-Draht-Single-Master-Mode, wobei der Takt auf ca. 3MHz eingestellt wird.
• Die Interrupt-Routinen global freigeben und für l2C aktivieren.
• Deaktivieren des Spannungsmonitors des pC sowie des Watchdog-Timers.
• Warteschleifenfunktion.
3.3.1.3. spi.c
Eine beispielhafte Auswahl der Funktionen bzw. Aufgaben der Datei "spi.c":
• Übertragen eines übergebenen Byte-Wertes über den SPI-Bus;
• Lesen eines Byte-Wertes vom SPI-Bus; • Einstellen des Lagesensors auf einen vorbestimmten Messbereich, z.B. +2G (wobei "G" für die Erdbeschleunigung steht) und auf eine vorbestimmte Abtastrate von z.B.I OOHz;
• Starten des Sensors;
· Ansprechen des Lagesensors mit der übergebenen Adresse, wobei als Antwort der
Messwert zurückgegeben wird.
3.4. Embedded-Kalibriersoftware
Zum Kalibrieren der Sensoren wird eine gesonderte Embedded-Software in der Speichereinheit verwendet. Diese legt die Kalibrierdaten im EEPROM jedes Sensors ab und überprüft, ob die Daten exakt gespeichert wurden.
Die Kalibrierdaten werden zweckmäßigerweise per Hand für jedes Sensorband in die Em- bedded-Software eingetragen und jedes Sensorband wird einzeln damit programmiert.
4. Anwendersoftware
4.1 . Allgemeine Softwarebeschreibung
Die Anwendersoftware teilt sich in zwei Teile. Die„Livesoftware" empfängt die Daten direkt von der Bluetooth-Schnittstelle der Speichereinheit und visualisiert sie sofort. Die„Ana- lysesoftware" kann zuvor gespeicherte Datensätze von der Festplatte laden und darstellen.
Im Folgenden wird jewei ls ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der beiden Teile der Anwendersoftware, die "Livesoftware" und die "Analysesoftware", näher beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele dienen jeweils nur zur Erläuterung und haben rein beispielhaften Cha- rakter. Es wird darauf hingewiesen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf Grundlage der Merkmale dieser Ausführungsbeispiele zu definieren oder einzuschränken ist. 4.2. Livesoftware
4.2.1 . Hierarchische Übersicht der Unterprogramme
Figur 30 zeigt eine Übersicht über die in der Livesoftware verwendeten Unterprogramme. Die meisten Unterprogramme werden direkt aus dem Hauptprogramm DAQ_Start aufgerufen. In einigen Fällen treten weitere Verzweigungen auf.
4.2.2. Beschreibung der (Unter-)Programme
DAQ_0_Start
DAQ_0_Start bildet das Hauptprogramm. Hier werden alle anderen Funktionen angestoßen und alle Ergebnisse und Visualisierungen zusammengeführt.
• Sensorbänder initialisieren (siehe DAQJnitialisation)
• Kalibrierdaten einlesen (siehe DAQ_Caldat)
• Kommunikation mit der Speichereinheit synchronisieren (siehe
DAQ_Synchronize_Communication)
• Einen Datensatz von der seriellen Schnittstelle einlesen
• Datensatz mit Hilfe der Kalibrierdaten in Winkel und umrechnen (siehe
DAQ_Caldat) DAQ-Caldat
Das Unterprogramm ruft die Funktion DAQ_read_caldat auf und versucht die Kalibrierdaten der angeschlossenen Sensorbänder auszulesen und über die Formel:
Kalibrierdaten = Eingangswert * 2,5V / 4096 umzurechnen. Bei Erfolg wird das Unterprogramm beendet und die Kalibrierdaten zurückgegeben. Sollte das Auslesen nicht gelingen, schließt das Unterprogramm den Comport und verbindet ihn neu. Damit wird die Verbindung neu initialisiert. Dann wird erneut versucht die Kalibrierdaten einzulesen. Das Vorgehen wird maximal 3-mal wiederholt. Bei Erfolg werden die Kalibrierdaten zurückgegeben, bei Misserfolg nur ein leeres Feld.
D AQ_read_ca I dat
Unterprogramm zum Einlesen und Speichern der Kalibrierdaten. DAQJnitialisation
Das Unterprogramm sucht nach Comports, an denen Messvorrichtungen senden. Dazu wird das Unterprogramm DAQ_find_sensor aufgerufen. Anschließend kann der Anwender einen Comport wählen und über die Eingaben„Name",„Filename" und„Path" den Speicherort und den Namen der Speicherdatei bestimmen. Den Angaben entsprechend werden Ordner und Dateien mit dem Unterprogramm DAQ_Path_and_File im Anschluss erstellt.
DAQ_find_sensor
Das Unterprogramm sucht nach verfügbaren Comports am Computer. Anschließend wird jeder gefundene Comport geöffnet und eine vorbestimmte Anzahl von Zeichen eingelesen. Enthalten die diese eine bestimmte Zeichenfolge, z.B. "SDV", so wird der Comport der Ausgabeliste hinzugefügt. Ist die Ausgangsvariable nach Tests aller Comports noch leer, wird das Unterprogramm noch einmal wiederholt.
DAQ_Path_and_File
Die Funktion erstellt im Eingangsordner zwei Unterverzeichnisse. Erstens ein Verzeichnis mit dem Patientennamen und zweitens ein Verzeichnis mit dem aktuellen Datum. D AQ_Ca I cu I ate_ROM
Die Funktion überprüft ob die aktuellen Winkel innerhalb der bisherigen Maxima liegen. Sollten die Maxima überschritten werden, so werden die Ausgangswerte mit den neuen Maxima überschrieben. Außerdem berechnet die Funktion die Felder mit für die ROM Anzeige notwendigen Daten.
DAQ_Synchronize_Communication
Die Funktion prüft ob die Kommunikation mit der Speichereinheit synchronisiert ist. Dazu liest sie jeweils einen kompletten Datensatz ein und prüft ob die ersten drei Byte einer bestimmten Zeichenfolge, z.B.„SDV", entsprechen. Ist das der Fall ist die Kommunikation synchron und das Unterprogramm wird verlassen. Andernfalls wird ein Byte eingelesen und die Funktion beginnt noch einmal. Dadurch werden die eingelesenen Datensätze immer um ein Byte verschoben bis die Kommunikation synchron ist. DAQ_close_and_create
Das Unterprogramm schließt die aktuelle Speicherdatei und versucht dann in dem Verzeichnis eine neue Speicherdatei anzulegen. Anschließend wird der neue Speicherpfad zurückgegeben.
DAQ_Conversion
Die als Strings eingelesenen Datensätze werden mittels der Kalibrierdaten in Winkel oder Beschleunigungen umgerechnet.
Umrechnungsformeln der Winkel:
Spannung = [Highbyte + (256*Lowbyte)] * 2,5V/ 4096
Winkel größert) = [12,5° / (Kalibrierwert12,5° - Kalibrierwert0J] * (Spannung - Kalibrierwert0.) Winkel kleiner0 =
= - 12,5° + [ 12,5° / (Kalibrierwert0. - Kalibrierwert.125°)] * (Spannung - Kalibrierwert.125
Umrechnungsformeln der Beschleunigungen:
Zweierkomplement = 256 +Byte für Byte > 127
Zweierkomplement = 256 +Byte für Byte <= 127
Beschleunigung = (Zweierkomplement / '255) * 2 * maximaler Beschleunigungsbereich DAQ_Barplot
Das Unterprogramm rechnet die Eingangsdaten so um, dass sie als Balkendiagramm in einem XY-Plot dargestellt werden können.
DAQ_Calculate_XYZ
Das Unterprogramm erhält als Eingang die aktuellen Winkel und gibt die kartesischen Koordinaten der Kreissegmente zurück. Dazu werden erst die Winkel des rechten Sensors von denen des linken Sensors getrennt und anschließend an das Unterprogramm
DAQ_Circlegraph übergeben. Außerdem werden die erhaltenen Werte in eine geeignete Form übertragen. DAQ_Circlegraph
Dieses Unterprogramm splittet die Winkel eines Sensors auf, lässt die Kurvenverläufe der einzelnen Segmente berechnen und fügt die Ergebnisse zu einem Plot zusammen. Zum Berechnen der einzelnen Segmente wird die Funktion DAQ_Circlesegment aufgerufen.
DAQ_Circlesegment
Als erstes prüft das Unterprogramm, ob der aktuelle Winkel gleich Null ist. Da Null für die Winkelberechnung eine Asymptote darstellt (Radius unendlich), wird in diesem Fall der Eingangswinkel = 0,0001 ° gesetzt. Das Kreissegment wird in 51 Abschnitte geteilt. Dieser wird über
Winkelabschnitt in Radiant = ((Eingangswinkel/180°) * π) / 51 berechnet. Parallel wird aus dem Winkel der Radius zur Kreisberechnung berechnet.
Radius = (50mm * 360°) / (Winkel * 2π)
Nun kommen die Kreisformeln: X = Radius * cos(Winkel)
Y= Radius * sin(Winkel) zur Anwendung. Der Winkel wird bei jedem Schleifendurchlauf um einen Winkelabschnitt erhöht. Außerdem wird der Offsetwinkel in jedem Schleifendurchlauf zum Winkel hinzu addiert. Nach dem letzten Schleifendurchlauf wird der aktuelle Winkel übergeben. Das gesamte Kreissegment wird jetzt noch um die Werte einen vorgegebenen Wert ("Offset") verschoben. Damit beginnt das aktuelle Kreissegment genau am Ende des vorhergehenden Segments. Die letzten Koordinaten des aktuellen Kreissegmentes werden an die Variablen übergeben und stehen dem nächsten Segment als Startpunkte zur Verfügung.
DAQ_Kurvatur
Das Unterprogramm nutzt die Funktion DAQ_Circlesegment zur Berechnung des Verlaufs eines Sensors. Im Gegensatz zu DAQ_Circlegraph werden alle Kreissegmente in einem Plot (Kurvatur) zusammengefasst. Der Endpunkt der Kurvatur wird über die Variablen zurückge- geben. Damit wird der Winkel zur Drehung der Kurvaturdarstellung ermittelt. DAQ_Kurvaturfläche
Das Unterprogramm sucht den Nulldurchgang der Y-Koordinaten und teilt den Graph an diesem Punkt in zwei Flächen. Anschließend werden die Flächeninhalte beider Flächen mit n Flä- · - K l- 11
ch,eninhalt = ^r{r(xr[i u.
+ 1]— x ru-jn)■ y r[i- ^ + - ί
1m]}— j (*Π + 1] - x[i]) - (y|i + 1 | - y[iD) > i=i ^ ' mit n = Anzahl der Kurvenpunkte berechnet. Gibt es keinen Nulldurchgang, wird nur eine Fläche berechnet. DAQ_Derivation
Es werden Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte berechnet.
DAQ_Dynamic
Das Unterprogramm DAQ_Dynamic berechnet über die unten genannten Formeln aus den Eingangswinkeln den Dynamikplot.
7
XKoordinate[i] = ^ EingangswinkelSegment n ]
n=t
YKoordinate[i] = 10 · Eingangswinkel[i]— Eingangswinkel[i + 10]) DAQ_f i lter_acceleration
Das Unterprogramm verarbeitet die jeweils letzten 30 Datenpunkte eines jeden Beschleuni- gungsvektors. Diese werden aufsummiert und durch 30 geteilt.
Σ«° l Beschleunigungswert[i— n]
Beschleunigung swert[i] = —
Damit wird eine Glättung der Beschleunigungswerte erreicht. Spitzen, die bspw. durch Ge- hen erzeugt wurden, werden unterdrückt.
D AQ_SI i d i ng_wi n dow_acc
Das Unterprogramm funktioniert ähnlich wie DAQ_filter_acceleration. Allerdings wird die Formel Ση=ι Beschleunigungswert[i— n]
Beschleunigung swert[i] =
Figure imgf000042_0001
nicht nur auf die letzten 30 Datenpunkte angewendet, sondern der Reihe nach auf das ge- samte Feld. Das Ausgangsfeld wird dadurch 30 Werte kürzer als das Eingangsfeld.
D AQ_create_tmp-f i le
Das Unterprogramm dient dazu, ein versehentliches Überschreiben von Messdaten zu verhindern. Nachdem eine Messung durch„Speichern" beendet wurde, wird das Unterpro- gramm aufgerufen und fügt dem Dateinamen der letzten Speicherdatei die Zeichenfolge „_neu" hinzu. Sollte auch dieser Dateiname schon existieren und der Benutzer das Überschreiben der Datei ablehnen, wird das anhängen solange wiederholt bis eine neue Datei gefunden wurde. 4.2.3. Visualisierungen von Livemessdaten
4.2.3.1 . Rohdatenplot 1
Figur 31 zeigt einen ersten Rohdatenplot, in welchem die Winkel der einzelnen Segmente des rechten und linken Sensors über die Zeit dargestellt sind. Zusätzlich zu den einzelnen Kanälen werden auch noch die Winkelsummen des rechten und des linken Sensors dargestellt.
4.2.3.2. Rohdatenplot 2
Figur 32 zeigt einen zweiten Rohdatenplot, in welchem die aktuellen Winkel segmentweise dargestellt sind. Es wird zwischen rechtem und linkem Sensor unterschieden.
4.2.3.3. Geschwindigkeit und Beschleunigung
Figur 33 zeigt zwei Plots, in welchen die Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung jeweils über die Zeit aufgetragen sind. Die Daten werden durch diskrete Ableitung mit einem Abstand von bspw. 10 Datenpunkten ermittelt. 4.2.3.4. Dynamikplots
Figur 34 zeigt zwei Dynamikplots, in welchen die Winkelgeschwindigkeit über die Winkelsumme aufgetragen ist. Im linken Diagramm sind die Summen des linken und des rechten Sensorbandes zu sehen. Im rechten Plot werden beide Sensorbänder aufsummiert und als Ganzes betrachtet.
4.2.3.5. Stangendarstellung
Figur 35 zeigt einen Stangenplot, in welchem die aktuellen Winkel und Beschleunigungen des Lagesensors verarbeitet sind. Die X- und die Z-Achse der Lagesensoren bestimmen den Startvektor der Sensorbänder. Die Winkel bestimmen den Verlauf. Es wird zwischen rechtem und linkem Sensorband unterschieden.
4.2.3.6. Darstellung der Kurvaturflächen
Figur 36 zeigt Darstellungen der Kurvaturflächen für den rechten und den linken Sensor getrennt, bei welchen die aktuellen Biegewinkel visualisiert sind. Start- und Endpunkt des Sensorbandes werden dazu in eine Ebene gedreht. Anschließend werden die durch den Nulldurchgang getrennten Flächen berechnet und angezeigt. 4.2.3.7. Darstellung der„Range of Motion"
Figur 37 zeigt eine sogenannte„Range of Motion" Darstellung, bei welcher die aktuellen Winkel und Winkelgeschwindigkeiten (jeweils für den rechten und linken Sensor getrennt) dargestellt und deren Maximal- und Minimalwerte erfasst sind. 4.2.3.8. Darstellung des Lagesensors
Figur 38 zeigt eine Rohdatendarstellung des Lagesensors, in welcher die Ergebnisse der Lagesensoren beider Sensorbänder dargestellt sind. Unterschieden werden die jeweils 3 Raumkoordinaten X,Y und Z. Die Messwerte werden stark gefiltert, da eine Information über die Raumlage gewünscht ist. 4.3. Analysesoftware
4.3.1 . Hierarchische Übersicht der Unterprogramme
Figur 39 zeigt eine Übersicht über die in der Analysesoftware verwendeten Unterprogram- me.
4.3.2. Beschreibung der (Unter-)Programme
Ana lysis_0_f i le_selection
Dieses Programm dient als Startpunkt für die Datenanalyse. Hier werden die zu analysie- renden Messdateien ausgewählt, geladen und die Datenanalyse gestartet.
Analysis_load_files
Das übergebene Positionsfeld enthält Informationen über die Messdateien für die Datenanalyse. Diese werden von der Funktion geladen und aneinander gehängt. Anschließend wird das Feld zurückgegeben.
Analysis_data_analysis
Das Unterprogramm bildet die Hauptfunktion zur Datenanalyse. In ihm werden die verschiedenen Visualisierungsformen ausgewählt. Dazu werden die Daten in Winkel und Be- schleunigungen des Lagesensors sortiert, bei Bedarf geglättet und anschließend visualisiert. Der Anwender hat bei den Visualisierungsformen für die Biegewinkel dann zusätzlich die Möglichkeit, einzelne Sensorsegmente in der Darstellung ein- oder auszublenden.
Analysis_window_selection_first
Das Unterprogramm legt anhand der Winkelmessdaten die Maximalwerte und Minimalwerte der durch die Referenzen gekennzeichneten Schieberegler fest. Dieses Unterprogramm wird nur einmal zu Beginn von„Analysis_data_analysis" aufgerufen.
Analysis_window_selection
Das Unterprogramm schneidet entsprechend der Schiebereglerstellung den gewünschten Zeitbereich aus den gesamten Messdaten heraus und gibt diese an„Analysis_data_analysis" zur Darstellung zurück. Damit wird ein Zoom auf die gewünschten Messdaten erreicht. Analysis_sliding_window swjndow.in Eingangswert[i + n]
Ausgangswert[i] =
Window in
Nach der oben stehenden Formel werden die Eingangsdaten gemittelt. Das Feld wird dabei um Window_in-Stellen verkürzt.
Analysis_derivation (siehe DAQ_ urvaturfläche )
Das Unterprogramm sucht den Nulldurchgang der Y-Koordinaten und teilt den Graph an diesem Punkt in zwei Flächen. Anschließend werden die Flächeninhalte beider Flächen mit
Figure imgf000045_0001
Flacheninhalt =
mit n = Anzahl der Kurvenpunkte berechnet. Gibt es keinen Nulldurchgang, wird nur eine Fläche berechnet.
Analysis_dynamic
Siehe DAQ_Dynamic. Analysis_array_selection
Die Funktion schneidet ausgewählte Sensorkanäle aus und gibt diese an„Analy- sis_data_analysis" zurück. Damit kann der Anwender Berechnungen und Visualisierungen auf ausgewählte Sensorbereiche beschränken. Analysis_envelo e_area_calculation
Flache =
Figure imgf000045_0002
für n = Länge der Hüllkurve
Nach der oben stehenden Formel berechnet das Unterprogramm das Integral der Hüllkurve. Der errechnete Wert ist nicht das exakte Integral, sondern nur die Annäherung über die Trapezregel. Analysis_envelope_top
In diesem Unterprogramm soll die Hüllkurve eines Dynamikplots (siehe Figur 40) berechnet werden. Dazu werden zwischen dem Startpunkt X und dem Wendepunkt X n-Intervalle berechnet. Die Hüllkurve setzt sich nun aus folgenden Punkten zusammen.
• Startpunkt X
• Dem Maximalpunkt von jedem Intervall beginnend vom Startpunkt in Umlaufrich- tung.
• Wendepunkt X
· Dem Minimalpunkt von jedem Intervall beginnend vom Wendepunkt in Umlauf- richtung.
• Startpunkt zum Schließen der Hüllkurve.
Die Maximal- und Minimalpunkte sollen parallel berechnet werden.
Dieses Unterprogramm bildet die erste Instanz zur Hüllkurvenberechnung. Hier werden die Minima und Maxima der X- und Y-Koordinaten sowie die Intervallbreite bestimmt. Anschließend wird das untergeordnete Unterprogramm„Analysis_envelope_sub" aufgerufen. Mit den von dort zurückerhaltenen Werten wird dann die Hüllkurve zusammengesetzt.
Analysis_envelope_sub
Das Unterprogramm berechnet nacheinander die aktuellen Intervallgrenzen in X-Richtung und ruft dann das Unterprogramm„Analysis_ main_envelope_ calculation_auf" auf. Dies liefert die Koordinaten aller Punkte, welche im aktuellen Intervall liegen. Anschließend werden innerhalb dieser Koordinaten die Maximal- bzw. Minimalwerte gesucht und an „Analysis_envelope_top" übergeben.
Analysis_ main_envelope_ calculation
Das Unterprogramm sucht alle Werte in dem aktuellen Max- und Min-Intervall und liefert diese zurück. 4.3.3. Visualisierungen in der Analysesoftware
4.3.3.1 . Rohdaten und Glättung
Figur 41 zeigt eine Rohdatendarstellung in der Analysesoftware, in welcher der Winkel über die Zeit aufgetragen ist. Über die Schieberegler unter den Plots kann ein Zeitbereich ausgewählt werden. Damit kann der Anwender kleine zeitliche Abschnitte gezoomt betrachten. Über den„Sliding window parameter" können die Rohdaten zusätzlich geglättet werden. Die dargestellten Sensorsegmente können einzeln ausgewählt werden.
4.3.3.2. Dynamikplot
Figur 42 zeigt Dynamikplots mit einer Winkel über Geschwindigkeit-Darstellung der Rohdaten. Als Parameter erhält der Anwender hier die maximalen und minimalen Winkel und Geschwindigkeiten und außerdem den Flächeninhalt der Hüllkurve. Die Anzahl der Inter- valle für die Hüllkurvenberechnung kann über„Envelope Intervalls" eingestellt werden. In dieser Darstellung können Segmente einzeln ausgewählt und betrachtet werden.
4.3.3.3. Geschwi ndigkeitsdarstel lung
Figur 43 zeigt Geschwindigkeitsdarstellungen, in welcher die Geschwindigkeit über die Zeit (als Rohdaten) aufgetragen ist. Es können einzelne Segmente ausgewählt und betrachtet werden.
4.3.3.4. Darstellungen der Lagesensoren
Figur 44 zeigt Darstellungen der Lagesensoren, in welchen die Messergebnisse der Lagesen- soren dargestellt sind. Es werden für den rechten und linken Sensor alle 3 Raumachsen über die Zeit dargestellt. Die Achseneinteilung erfolgt in Vielfachen der Erdbeschleunigung (1 g=9,81 ms-2).
4.3.3.5. Vergleich zwischen rechtem und linkem Sensor
Figur 45 zeigt eine Vergleichsdarstellung zwischen rechtem und linkem Sensor, in welcher die Sensorsegmente des rechten bzw. linken Sensors jeweils aufsummiert und mit der Summer aller Sensorsegmente in einem Plot über die Zeit dargestellt sind. Auch in diesem Plot können einzelne Segmente aus der Darstellung heraus genommen werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die angezeigten Sensorsegmente für den rechten und den linken Sensor gleich sind, da die Anzeigen sonst keinen Sinn ergeben.
4.3.4. Weitere Datenanalyse in der Analysesoftware
4.3.4.1 Aktivität
Die Aktivität des Probanden soll visualisiert und ausgewertet werden.
Hierfür sind folgende Schritte und Überlegungen sinnvoll:
• Auswahl der zu analysierenden Daten;
· Sollen einzelne Segmente aufsummiert werden oder nicht?
• Auswahl von Grenzen bzw. Grenzwerten mit geeignetem Abstand;
• Ermitteln, wie häufig die Winkelsumme oder ein Winkel eines Segments die einzelnen Grenzen überschreitet;
• Graphisches Darstellen der Zählung.
In Figur 46 sind zwei Levelcrossings-Graphen, der eine mit Aktivität und der andere annähernd ohne Aktivität, gezeigt, wobei die Anzahl an "Grenzüberschreitungen" für die jeweilige Grenze dargestellt sind.
Im ersten Plot fand wenig Aktivität statt. Es wurden nur wenige Grenzen überschritten, diese dafür häufig. Hieraus resultiert der sehr hohe, schmale Peak.
Im zweiten Plot fand neben der Ruhephase eine Phase mit mehr Aktivität statt. Die Ruhephase wird von der Spitze, d.h. dem hohen, schmalen Peak, repräsentiert. Während der Aktivitätsphase werden deutlich mehr Grenzen überschritten. Diese werden durch die er- höhte Dynamik der Bewegung dafür deutlich seltener überschritten.
4.3.4.2 Intensität
Des Weiteren kann untersucht werden, wie lange die Winkelsumme oder der Winkel des einzelnen Segments sich in den einzelnen Intervallen zwischen den festgelegten Grenzen (zur Ermittlung der Aktivität) aufgehalten hat. Die "Intensität" ist somit ein Maß dafür, wie lange sich der Proband in einer bestimmten Haltung aufhält.
Zur graphischen Darstellung wird für jedes Intervall (d.h. für verschiedene "Haltungen" des Probanden) die Zeitdauer (d.h. "Verweildauer" in einer bestimmet Haltung) aufgetragen. Hierbei deutet eine gleichmäßige Verteilung mehrerer Intervalle während eines Zeitintervalls auf eine große Aktivität hin.
Figuren 47a und 47b zeigen zwei verschiedene graphische Darstellungsmöglichkeiten hier- für.
4.3.4.3. Ebenheit einer Bewegung
Schmerzen oder Vermeidungsbewegungen während einer Bewegung sollen detektiert wer- den. Hierfür wird die Ebenheit der Bewegung quantifiziert. Eine Unterbrechung während einer Bewegung deutet auf einen Schmerzpunkt hin, schnelle Zuckungen auf eine Vermeidungsbewegung.
Hieraus ergeben sich folgende Parameter für die Quantifizierung der Ebenheit einer Bewe- gung:
• Homogenität der Geschwindigkeit
• Homogenität des Winkels
• Rundheit des Dynamikplots
Eine Bewegung wird definiert als Entfernung der Winkelamplitude vom Ausgangszustand bis zur Rückkehr zum Ausgangszustand. Für die Bestimmung der Ebenheit ist zusätzlich eine leichte Glättung der Rohdaten sinnvoll.
Figuren 48 a und 48b zeigen zwei Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme mit einem Beispiel für eine "gesunde" und eine "kranke Bewegung".
Eine weitere Visualisierungsmöglichkeit für die Ebenheit einer Bewegung ist ein Phasendiagramm oder Dynamikplot, wie in Figuren 49a und 49b gezeigt.
Patienten mit Rückenschmerzen bewegen sich vorsichtiger und abgehackter. Dieser Unterschied in der Ebenheit ist im Phasendiagramm (Dynamikplot) deutlich zu erkennen.
Für die Bewertung des Dynamikplots soll die Ebenheit als quantifizierbarer Parameter herangezogen werden. Eine gesunde, schmerzfreie Bewegung wird eine annähernd elliptische Figur im Dynamik- plot zur Folge haben. Im Gegensatz dazu wird der Dynamikplot eines kranken Menschen eine deutlich komplexere Figur mit einigen Einbrüchen in der Geschwindigkeit zeigen. Ziel des Algorithmus ist es, die Unterschiede quantitativ zu bewerten. Dazu wird die Fourieranalyse verwendet.
Die Fourieranalyse zerlegt eine periodische Funktion in eine unendliche Reihe aus Sinus- und Kosinus-Schwingungen. Die Formeln dafür sind allgemein bekannt.
/(*) = y + 2 · cos 1 ) + bn■ sin(nx)]
n=l
1 f2n
a0 =— - J f{x)dx
1 Γ2Π
an =— - J f(x) - cos(nx) dx 1 f2n
bn = - - j f{x)■ sin nx) dx
Diese Reihenentwicklung wird sowohl auf die Winkelamplitude, als auch auf die Winkelgeschwindigkeit angewendet. Je weiter die Reihenentwicklung fortgeführt wird, desto besser wird die zu Grunde liegende Funktion angenähert.
Ziel ist es, zwei Näherungen zu bilden und zu vergleichen: Eine Reihenentwicklung, die früh abgebrochen wurde (n=2 bis 5) und eine Entwicklung, welche die Kurve sehr gut annähert (n=100 oder größer). Bei den elliptischen Figuren der gesunden Bewegungsmuster wird schon die früh abgebrochene Reihenentwicklung eine gute Näherung bilden. Bei den komplexeren Kurven von kranken Bewegungen ist dies nicht der Fall. Diese Tatsache soll ausgenutzt werden.
Aus den für die Amplitude und die Geschwindigkeiten berechneten Reihen werden wieder Phasendiagramme (siehe Figuren 49a und 49b) gebildet. Beide berechnete Konturen (n=5 und n=100) sollen möglichst gut übereinander gelegt werden. Die verbleibende Abweichung dient als Parameter der Ebenheit. Eine große Abweichung bedeutet eine unebene Bewegung, während eine kleine Abweichung ein gesundes Bewegungsmuster bedeutet. Alternativ zum Flächeninhalt kann auch die Summe der Fehlerquadrate nach dem Fitten der Konturen (d.h. Kurvenanpassung: Anpassung der Konturen an mathematische Funktionen) als Parameter ausgewertet werden.
4.3.4.4. Kompression der Daten
Während einer Langzeitmessung über 24h und mehr fallen sehr große Datenmengen an. Diese lassen sich nur zeitaufwändig verarbeiten. Derzeit lassen sich nur Datenmengen von etwa 1 h in einer angemessenen Zeit verarbeiten. Auch Algorithmen zur Berechnung verschiedener Parameter laufen mit großen Datenmengen zu langsam.
Eine Lösung dieses Problems ist eine Reduktion der Datenmenge ohne die für die nachfol- gende Analyse relevanten Parameter wie z.B. Bewegung bzw. Dynamik einzuschränken. Dies soll vorteilhaft während der Extraktion der Daten von der Speicherkarte geschehen. Statt einer konstanten Samplerate von 100Hz wird eine dynamische Samplerate angestrebt. Die dynamische Samplerate soll in den Zeitabschnitten niedrig sein, in welchen keine Bewegung stattfindet, und hoch sein, sobald der Proband sich bewegt.
Dies kann erreicht werden, indem der aktuelle Messwert mit dem letzten gespeicherten Wert verglichen wird. Überschreitet die Änderung einen vordefinierten Schwellwert (z.B. 0.25°), wird der neue Wert gespeichert. Wird der Schwellwert nicht überschritten, wird der neue Wert verworfen. Mit dem nächsten Wert beginnt die Prozedur erneut. Dieser Vorgang wird in Figur 50 veranschaulicht. Figur 50 zeigt ein Winkel-Zeit-Diagramm einer beispielhaften Bewegung. Die einzelnen (kleinen) Punkte der Kurve stellen die Gesamtzahl der aufgenommen Daten dar. Wenn diese Kurve eines der Grenzwertniveaus (strichpunktierte Linien) schneidet, wird der vordefinierte Schwellwert überschritten und der aktuell erfasste Datenwert gespeichert (als dickerer Punkt dargestellt). Die dickeren Punkte symbolisieren somit die nach der Kompression verbleibenden Daten, welche für eine nachfolgende Analyse verwendet werden. Da mit dieser Methode keine statische Aufnahmefrequenz mehr vorliegt, wird es erforderlich, dass zusätzlich zum Winkel noch der Zeitpunkt des Auftretens gespeichert wird.
Erste Versuche mit großen Mengen an Messdaten zeigen, dass mit dieser Methode eine Re- duktion der Daten um einen Faktor 20 möglich ist, ohne Dynamikinformationen zu verlieren (eigtl. wäre ein Faktor 40 möglich, doch halbiert die zusätzlich benötigte Zeitinformation diesen Faktor).
Neben der Reduktion der zu verarbeitenden Datenmenge bildet der Kompressionsfaktor eine Möglichkeit, die Aktivität eines Probanden während einer Langzeitmessung allgemein zu beurteilen. Bei hoher Aktivität bzw. viel Bewegung wird der Kompressionsfaktor kleiner, da die Grenzwerte häufiger überschritten werden. Bei niedriger Aktivität, z.B. während des Schlafens, ist ein deutlich größerer Kompressionsfaktor zu erwarten.
4.3.4.5. Rückschluss auf die Struktur
Für einige therapeutische Entscheidungen ist die Beweglichkeit einzelner Wirbelsegmente von großer Bedeutung. Hierfür ist jedoch eine Aufbereitung der erfassten Rohdaten erforder- lieh.
Zu Beginn der Messung wird der Abstand zwischen dem letzten Halswirbel C7 und dem ersten Sakralwirbel Sl gemessen. Über konstante Faktoren (d.h. unter der Annahme, dass alle Wirbel zwischen dem Wirbel C7 und dem Wirbel S1 gleich groß sind) wird aus diesem Abstand die Größe jedes Wirbels errechnet. Da das Sensorband nur eine begrenzte Länge hat, werden je nach Größe des Patienten nur die Anzahl von Wirbeln dargestellt, die vom Sensor auch erfasst werden (siehe Figur 51 ).
Die Richtung des ersten Sensors wird über den Lagesensor in der Sensorbandelektronik be- stimmt. Die Winkel zwischen den Segmenten werden aus den Biegedaten des Sensorbandes berechnet. Dazu wird bestimmt, ob der Wirbel nur von einem oder von mehreren Segmenten erfasst wird. Bei nur einem Segment erhält der Wirbel die Biegung des Segmentes. Wird der Wirbel über mehrere Segmente erfasst, erfolgt die Berechnung seines Winkels anteilig:
Figure imgf000053_0001
Sollten mehr als 2 Segmente den Wirbel überspannen, muss die Formel erweitert werden. Ist die Wirbelbreite bekannt, kann anschließend aus geometrischen Überlegungen die Position der Wirbel genauer berechnet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . System zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper, aufweisend
einen Biegesensor mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen, DMS, zum Erfassen von Biegeparametern, wobei der mindestens eine DMS seine Impedanz bei einer Dehnung oder Stauchung verändert, und einer Sensorelektronik zum Auslesen und Verarbeiten der durch den mindestens einen DMS erfassten Biegeparameter; und
ein Befestigungselement zum Befestigen des Biegesensors auf der Haut des menschlichen Körpers, wobei das Befestigungselement dafür eingerichtet ist, den Biegesensor so aufzunehmen, dass dieser nur an einem Punkt des Befestigungselements fixiert ist und Bewegungen des Teils des menschlichen Körpers, auf welchem das Befestigungselement fixiert ist, folgt, ohne dabei evtl. Dehnungen der Haut des menschlichen Körpers zu folgen.
2. System gemäß Anspruch 1 , wobei der Biegesensor eine Vielzahl von DMS aufweist, welche in einer Vielzahl von Messzonen angeordnet sind.
3. System gemäß Anspruch 2, wobei jeweils zwei DMS in einer Messzone aus der Vielzahl von Messzonen angeordnet sind und die Sensorelektronik ferner eine Wheatstone- sche Messbrücke und eine Vielzahl von Schaltern aufweist, welche mit der Messbrücke verbunden sind und wobei für jede Messzone aus der Vielzahl von Messzonen jeweils ein Schalter vorgesehen und mit den zwei DMS der entsprechenden Messzone verbunden ist.
4. System gemäß Anspruch 3, wobei die Schalter dafür eingerichtet sind, jeweils die zwei DMS einer Messzone aus der Vielzahl von Messzonen mit der Messbrücke zu verbinden, und die Sensorelektronik ferner einen Mikroprozessor aufweist, welcher dafür eingerichtet ist, die Messbrücke und die Vielzahl von Schaltern so anzusteuern, dass stets nur die zwei DMS einer Messzone aus der Vielzahl von Messzonen mit der Messbrücke verbunden sind und die durch die DMS erfassten Biegeparameter sequentiell für die verschiedenen Messzonen ausgelesen werden.
5. System gemäß Anspruch 4, wobei der Mikroprozessor der Sensorelektronik ferner dafür eingerichtet ist, die durch die DMS erfassten Biegeparameter mit einer vorbestimmten Abtastrate auszulesen.
6. System gemäß Anspruch 5, wobei der Mikroprozessor der Sensorelektronik ferner dafür eingerichtet ist, die ausgelesenen Biegeparameter zu digitalisieren und zu speichern.
7. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
einen Raumlagesensor zum Erfassen der Position des Biegesensors relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld.
8. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Speichereinheit, welche dafür eingerichtet ist:
die verarbeiteten Biegeparameter aus der Sensorelektronik auszulesen und zu speichern; drahtlos oder drahtgebunden mit einem PC verbunden zu werden und die gespeicherten Biegeparameter an den PC zu übertragen.
9. Verfahren zum Erfassen von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewe- gungsabläufen am Rücken eines Trägers, aufweisend:
Bereitstellen eines ersten und zweiten Biegesensors mit jeweils mindestens einem Dehnungsmessstreifen, DMS, und einer Sensorelektronik;
Bereitstellen eines ersten und zweiten Befestigungselements zum Befestigen des ersten und zweiten Biegesensors auf der Haut des Trägers;
Befestigen des ersten und zweiten Biegesensors am Rücken des Trägers mittels des ersten und zweiten Befestigungselements, wobei der erste und zweite Biegesensor V-förmig am Rücken angeordnet werden;
Erfassen von Biegeparametern mit Hilfe des jeweils mindestens einen DMS des ersten und zweiten Biegesensors; und
Auslesen und Verarbeiten der durch den mindestens einen DMS des ersten bzw. zweiten Biegesensors erfassten Biegeparameter mit Hilfe der Sensorelektronik des ersten bzw. zweiten Biegesensors.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, ferner aufweisend:
Erfassen von Torsionsbewegungen durch Bilden der Differenz aus den verarbeiteten Biegeparametern des ersten Biegesensors und den verarbeiteten Biegeparametern des zweiten Biegesensors.
1 1. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, ferner aufweisend:
Bereitstellen einer Speichereinheit
Auslesen der verarbeiteten Biegeparameter aus der jeweiligen Sensorelektronik des ersten und zweiten Biegesensors mit Hilfe der Speichereinheit; und
Speichern der ausgelesenen Biegeparameter in der Speichereinheit.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 - 1 1 , ferner aufweisend:
Erfassen einer Position des Biegesensors mittels eines Raumlagesensors, wobei die Position relativ zum Gravitationsfeld der Erde oder zum Erdmagnetfeld erfasst wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 - 12, wobei die Biegeparameter ortsaufgelöst erfasst werden, indem eine Vielzahl von DMS zum Erfassen von Biegeparametern eingesetzt werden.
14. Computerimplementiertes Verfahren zur Analyse von Funktionsparametern zur Charakterisierung von Bewegungsabläufen am menschlichen Körper, aufweisend:
Empfangen von Messwerten mit Biegeparametern, welche mit einer Vielzahl von biegesensitiven Segmenten eines ersten und eines zweiten Biegesensors zu verschiedenen diskreten Zeitpunkten erfasst wurden;
Umrechnen der Biegeparameter in zugehörige Winkel;
Bilden von Winkelsummen für den ersten Biegesensor für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte, wobei für jeden diskreten Zeitpunkt die Summe aus den Winkeln gebildet wird, die von der Vielzahl von Segmenten des ersten Biegesensors zu dem jeweiligen dis- kreten Zeitpunkt erfasst wurden;
Bilden von Winkelsummen für den zweiten Biegesensor für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte, wobei für jeden diskreten Zeitpunkt die Summe aus den Winkeln gebil- det wird, die von der Vielzahl von Segmenten des zweiten Biegesensors zu dem jeweiligen diskreten Zeitpunkt erfasst wurden;
Bilden der Differenz aus den Winkelsummen des ersten und des zweiten Biegesensors für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte, wobei für jeden diskreten Zeitpunkt die Differenz aus der Winkelsumme des ersten Biegesensors für den jeweiligen Zeitpunkt und der Winkelsumme des zweiten Biegesensors für den jeweiligen Zeitpunkt gebildet wird; und Erzeugen einer graphischen Darstellung für mindestens einen der folgenden Datensätze:
- die Winkelsummen des ersten Biegesensors für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte;
- die Winkelsummen des zweiten Biegesensors für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte; - die Differenz aus den Winkelsummen des ersten und des zweiten Biegesensors für die verschiedenen diskreten Zeitpunkte.
15. Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens gemäß Anspruch 14.
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