WO2011057886A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung der tibiaverschiebung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur messung der tibiaverschiebung Download PDF

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WO2011057886A1
WO2011057886A1 PCT/EP2010/065856 EP2010065856W WO2011057886A1 WO 2011057886 A1 WO2011057886 A1 WO 2011057886A1 EP 2010065856 W EP2010065856 W EP 2010065856W WO 2011057886 A1 WO2011057886 A1 WO 2011057886A1
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WO
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rail
rails
displacement
knee
angle
Prior art date
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PCT/EP2010/065856
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Salomon
Sven Bruhn
Ralf Joost
Korinna Brackebusch
Original Assignee
Universität Rostock
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1121—Determining geometric values, e.g. centre of rotation or angular range of movement
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
    • A61B5/1126—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb using a particular sensing technique
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/45—For evaluating or diagnosing the musculoskeletal system or teeth
    • A61B5/4528—Joints
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    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/107—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof
    • A61B5/1071—Measuring physical dimensions, e.g. size of the entire body or parts thereof measuring angles, e.g. using goniometers

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring tibia displacement in mammals under stress.
  • the device has at least one first and one second splint, which can be fastened laterally to the thigh or lower leg and have an overlapping region in the area of the knee joint. From the displacement of the first and second splint in the overlap region, the tibial displacement can be calculated directly and / or indirectly.
  • the device according to the invention can also be used under movement and load.
  • Joints are an elementary part of the human musculoskeletal system because they serve to transform the muscular forces into movements.
  • the largest joint of the human body is the knee.
  • the basic function of the human knee is to ensure a stable upright posture and to transmit the muscular forces to the environment for movement or work.
  • the stability of the knee joint plays a central role in the fulfillment of this task.
  • the term functional stability in medicine refers to the ability to perform joint activities, i. Movements but also stress at rest, to control.
  • the functional stability of a joint is based on the interaction of various rigid and flexible components such as bones, muscles and ligaments. The individual components have a different influence here.
  • the anterior cruciate ligament is an important stabilizer.
  • An injury of the cruciate ligament leads to a pathological freedom of movement of the tibia (tibia) and thereby to the restriction of the stability.
  • the mobility of the person affected is impaired, which can lead to disabilities in everyday life, but especially in sports.
  • the menisci are exposed to the increased tibia displacement increased stress and thus an increased risk of injury. Therefore, the rupture of a cruciate ligament usually has to be surgically treated by a plastic band.
  • a measure of the health status of the anterior cruciate ligament thus represents the anterior tibial displacement, ie the forward displacement of the femur perpendicular to the longitudinal axis of the tibia in the sagittal plane. Based on this displacement, statements can be made about the health of the knee, identify injuries, the affected person may not have even noticed, and observe the healing process. Timely detection of anterior cruciate ligament injury can therefore reduce the severity of health damage.
  • WO 2008/040790 A1 discloses a corresponding device in which thighs and feet are fixed in the apparatus.
  • Stamp then presses the calf against the fixation against the measuring device.
  • the tibia is so according to the stability of the knee over the fixed
  • WO 98/31274 discloses a measuring apparatus which can be used at least on a standing patient.
  • This apparatus has at least two alignable distance sensors which are placed from the front on the patellar surface and the anterior tibia roughness.
  • the distance sensors are attached to the tibia of the patient via a framework structure and a support frame.
  • this device is also not suitable for in-situ use in motion sequences, such as during an acute athletic performance.
  • the object of the present invention to overcome the problems of the prior art and to provide an alternative apparatus and method for determining tibial displacement that can be used under load and during exercise, such as walking or jumping.
  • the freedom of movement of the knee by the measuring apparatus should as little as possible be limited and the tibial displacement in each possible position remain measurable.
  • the inventive task is solved with a device according to one of the main claims. Preferred embodiments are described in the subclaims.
  • the invention thus relates to a device for measuring the tibia displacement having
  • first splint having a first end and a second end adapted to be secured to the thigh of a mammal, the attachment being made such that the first splint is fixed substantially parallel to the femur in relation thereto,
  • a second splint having a first end and a second end adapted to be attached to the lower leg of a mammal, the attachment being made such that the second splint is fixed substantially parallel to the lower leg bone in relation thereto, first and second second rail are arranged such that the first ends form an overlap region,
  • a third rail having a first end and a second end, the third rail rotatably attached to the first rail by the second end, a fourth rail having a first end and a second end, the fourth rail having the second end is rotatably mounted on the second rail and wherein the third and fourth rails are rotatably connected to each other at their first ends,
  • the measuring device according to the invention thus consists of four rails in a
  • the rails i. the sides of the quadrilateral are rotatably connected at three of the four corners.
  • overlapping area is understood to mean that the first ends and / or the adjacent area of the first and second rails touch each other in the region of the fourth corner of the variable quadrangle, whereby the contact does not limit the lateral mobility of the first and second rails the first and second rails are shortened in such a way that the first ends and / or the adjacent area of the first and second rail do not touch each other in the area of the fourth corner of the variable quadrilateral, the overlap area being formed by the virtual extension of the first and second rail.
  • rail is to be understood as meaning any straight, spatially extended body whose extent in one spatial direction is significantly greater than in the other two spatial directions two of the four rails on one side, preferably the outside of the leg to be examined in the area of the upper and lower leg and the overlap area are positioned in the region of the knee third and fourth rail connecting first and second rail on the dorsal (posterior) side of the leg ie on the side of the popliteal fossa, with each other.
  • the detection of the tibia displacement is made possible according to the invention.
  • a rail is thus firmly attached to the upper leg or lower leg of a leg, so that the rail and the leg have the same sense of direction, ie are substantially parallel.
  • the term "substantially parallel” is to be understood as meaning that the angle between the axis of the thigh or lower leg bone and the rail fixed on the thigh or lower leg is less than 15 °, preferably less than 10 ° is smaller than 5 ° and most preferably 0 °
  • the other two rails are rotatably mounted above and below the knee on the first two rails and also rotatably connected to each other at the opposite end points
  • the rails on the upper and lower legs have no direct Connection, so that upper and lower leg can move freely to each other.
  • the first and second rails may be loosely connected to each other in the overlapping area.
  • a "loose connection” is understood in the context of the invention to mean a connection in which the freedom of movement of the rails in the overlapping region remains completely laterally, but it is ensured that the four rails remain positioned in one plane.
  • first and third rails, second and fourth rails and / or third and fourth rails are each connected to one another via a hinge.
  • the connection between the first and second rail is formed by the overlap area, here is deliberately omitted a solid connection, so as not to influence the natural knee mechanics.
  • suitable joints are all joints that are rotatable in one plane and otherwise fixed in position.
  • the joints are arranged such that the rails can be rotated against each other along their longitudinal axes and are arranged substantially planar in a plane.
  • the joints are slidably disposed along the longitudinal axis of the rails.
  • the hinges are arranged in the first and third thirds of the third and fourth rails, more preferably at the ends of the third and fourth rails.
  • the joints are arranged in the second third of the first and second rails, more preferably on the half of the first and second rails.
  • the attachment of the joints on the rails is designed so that the position of the joints is fixed on the rails during a measurement.
  • the length of the third and fourth rails, i. the third and fourth sides of the spanned quadrilateral after adjustment constant, while the lengths of the first and second rails, i. the first and second side of the stretched quadrilateral remain variable and yield to the knee movement.
  • the first rail and / or the second rail has a longitudinal extension in the range of 10 to 60 cm, preferably in the range of 15 to 45, more preferably in the range of 20 to 35 cm. Particularly preferred first and second rail are the same length.
  • a preferred extension of the third and / or fourth rail in the longitudinal direction is in the range of 5 to 40 cm, preferably in the range of 7 to 30, more preferably in the range of 10 to 15 cm.
  • the third and fourth rails are the same length.
  • the rails can be made of any material that has such rigidity that prevents bending of the rails or torsion of the device during the measurement. At the same time, the mass of the device must be as small as possible in order to minimize the relative movement of the device on the leg caused by the inertia.
  • Suitable materials for the rails are, for example, steels, reinforced, preferably glass fiber reinforced, or unreinforced plastics, such as polystyrene, polypropylene, polyurethane, polyoxymethylene, polymethyl methacrylate, polyethylene terephthalate, polybuthylene terephthalate, polyethersulfone, polycarbonate, polyamide or polyester resins.
  • the splints can be fixed either directly or via a relining on the leg to be examined.
  • Suitable relines are preferably made of foams, such as polyurethane or styrofoam, and allow a largely painless anatomical adaptation of the rails to the body shape.
  • the rails further comprise fastening elements with which the rails can be attached to the upper or lower leg. The attachment must be chosen such that the device has a permanently correct seat even under the influence of movement and stress and there is no displacement of the device on the leg.
  • Suitable fasteners are for example tensionable Velcro or inelastic adhesive tapes.
  • the Rails can also be incorporated into an orthosis-like device.
  • the mobility of the first and second rail in the overlapping area, as well as in the three rotatable joints must be completely preserved.
  • An additional sheathing of the measuring equipment can also protect the patient from injury and the measuring instruments from damage.
  • the first and second rails each have a position marking at their first ends. This is preferably a millimeter scale on which the change in length of the first or second rail during the movements performed can be read directly.
  • sensors preferably linear potentiometers, or optical sensors are used as position markings.
  • the first and third rails form an angle
  • the second and fourth rails form an angle
  • the third and fourth rails angle and the first and second rails angle, with the sum of angles of all interior angles being 360 °.
  • the angles between the first and third rails and the angles between the second and fourth rails are equal.
  • the angles between the first and second and the third and fourth rail are the same size. According to the combination of the resulting lengths and angles is selected so that the geometric knee angle of 0 (upper and lower legs are parallel to each other) to 200 ° (significantly overextended knee), preferably from 45 to 180 ° vary and can be measured.
  • the angle between the first and third rail, and preferably between the second and fourth rail in the slightly bent state of the leg in the range of 0 to 90 °, preferably in the range of 0 to 60 °, more preferably in the range from 0 to 30 °.
  • the angle between the third and fourth rail is in the slightly bent state of the leg preferably in the range of 90 to 180 °, preferably in the range of 120 to 180 °, more preferably in the range of 150 to 180 ° At a knee angle of about 30 °, the anterior tibial displacement is greatest, so that in this position, the greatest possible accuracy of measurement is guaranteed.
  • the means for determining the relative displacement means for measuring the angles in the three joints, so that the relative displacement is determined indirectly.
  • a protractor is mounted, which measures the angle between the respective rails.
  • Suitable goniometers are known to the person skilled in the art. For example, rotary potentiometers or optical absolute encoders can be used. Since all measured angles can theoretically assume values between 0 and 200 °, the protractors used must have a rotation angle of at least 200 °. In order to obtain the most accurate measured values, the protractors used have a larger angle of rotation, so that the angle measurement does not take place in the edge regions of the protractor.
  • the means for determining the relative displacement comprises means for calculating the tibia displacement from the measured angles. Due to the three angles and the two known side lengths of the third and fourth rail, the spanned square of the device according to the invention is clearly defined. Thus, the knee joint angle and the tibia displacement can be determined on the basis of the measured variables.
  • the means for calculating the tibia displacement from the measured angles is a data processing and / or evaluation unit, preferably a simple microcontroller or a PC. If previously defined, patient-related limit values are exceeded, the evaluation unit can trigger an acoustic and / or optical alarm.
  • the data processing and / or evaluation unit is wirelessly connected to the protractors.
  • the invention further relates to a method for determining the tibia displacement.
  • the device according to the invention is preferably used.
  • the procedure for determining tibial displacement includes the steps
  • the device according to the invention is preferably used.
  • the lengths of the third and fourth rails are determined. These are constant during the measurement and only have to be determined once.
  • the three angles between the first and third ( ⁇ 1), the third and fourth (cp2), and the second and fourth ( ⁇ 3) tracks depend on the angle of flexion and the loading state of the knee. These quantities are therefore time-variable and must be measured periodically.
  • the knee angle ( ⁇ 4) can be determined from the three measured angles over the sum of the internal angles of a quadrilateral:
  • the calculation of the tibia shift ⁇ can be determined from the displacement of the thigh As 0b er and the angle ⁇ 4 over the sinusoidal set for a right triangle, since the tibia displacement is measured perpendicular to the tibia.
  • Fig. 2 shows the geometric relationships.
  • a normalized thigh length s 0D er is determined and the length of the thigh s 0D er determined as a function of the three angles ⁇ p1, cp2 and ⁇ 3. The difference between s 0D er and s obe r then gives the tibial shift As 0
  • the length c is determined by means of the cosine theorem for the triangle D1.
  • the sum of the half angles ⁇ 3 ' and ⁇ 3 " is equal to the angle cp3
  • the magnitude ⁇ 3 ' can be determined via the sinusoidal set in the triangle D1 and thus the angle ⁇ p3 " can be derived.
  • a device for constructing the quadrilateral and determining the internal angles and the side lengths, a device according to the invention is preferably used. Alternatively, these data can also be determined by any other method. The calculation of the tibia displacement and the knee angle is preferably automated and computer-assisted.
  • the invention further relates to a diagnostic method for determining the condition of the anterior cruciate ligament, comprising the steps of applying a device according to the invention for determining the tibia displacement on a standing mammal, adapting the device to the size relationships of the mammal, wherein the first splint on the outside of the thigh and the second splint is positioned on the outside of the lower leg such that the overlapping area is at the level of the knee joint, determining the length of the third and fourth tracks after the adjustment, movement of the knee and continuous recording of the inner angle during the movement, calculating the tibia displacement on the basis of the determined angle for each state of motion and determining the condition of the anterior cruciate ligament from the calculated tibia displacement.
  • the diagnostic method is performed on humans.
  • the movement of the knee can be done in the unloaded and loaded condition. In this case, both upward and / or downward movements are included on the spot as well as in combination with forward, backward and / or sideways movements, such as walking, running or jumping during the measurement.
  • a calibration must be performed initially. In the calibration phase, the patient performs knee flexion and extension several times. This movement, referred to as the travel curve, is recorded and stored. With respect to this standard curve, the evaluation unit can detect and correct deviations.
  • the tibia displacement is determined by means of a position determination of two-dimensional coordinates by means of optical sensors. The invention therefore further relates to a device for measuring the tibia displacement having
  • first splint having a first end and a second end adapted to be attached to the thigh of a mammal, the attachment being made such that the first splint is fixed substantially parallel to the femur in relation thereto,
  • a second splint having a first end and a second end adapted to be attached to the lower leg of a mammal, the attachment being such that the second splint is fixed substantially parallel to the lower leg bone in relation thereto, wherein first and second second rail are arranged such that the first ends form an overlap region,
  • a second rail is attached along the lower leg on one side, the first end of which is positioned directly above the knee pivot point, the first end of the second rail serving as a scanning surface.
  • On the thigh a first rail is attached to the same side as on the lower leg, in the first end also at least two position markings are integrated.
  • the position of the axis of the second rail with respect to the position of the first rail can be determined exactly.
  • the knee angle and the tibia displacement can be calculated.
  • the at least two position markings are respectively arranged on the first ends of the rails at mutually opposite points, so that the axis displacement takes place from a common coordinate system.
  • rail is to be understood as meaning any straight, spatially extended body whose extent in one spatial direction is significantly greater than in the other two spatial directions the rails on one side of the leg to be examined are positioned in the area of the thigh and lower leg such that the overlapping area is positioned in the region of the knee
  • the first and second rails fastened to the upper and lower legs have no direct connection
  • a "loose connection” is understood to mean a connection in which the freedom of movement of the rails in the overlapping region is completely retained laterally and only in the third dimensions is restricted. That the two rails are displaceable in a plane against each other.
  • the rails are firmly attached to the upper and lower leg of the leg to be examined in such a way that the rail and the leg have the same sense of direction, i. are essentially parallel.
  • the term "substantially parallel” is to be understood as meaning that the angle between the axis of the thigh or lower leg bone and the rail fixed on the thigh or lower leg is less than 15 °, preferably less than 10 ° is less than 5 °, and most preferably 0 °.
  • first and second rails As the length of the first and second rails increases, the relative movement of the rail to the leg can be better controlled, increasing with increasing Length of the rails, the measurement accuracy of the device according to the invention.
  • Large rail lengths are thus preferred according to the invention, in particular the first rail and / or the second rail has an extension in the longitudinal direction in the range of 10 to 60 cm, preferably in the range of 15 to 45, more preferably in the range of 20 to 35 cm.
  • Particularly preferred first and second rail are the same length.
  • the first ends of the first and / or second rail are expanded to surfaces.
  • the surfaces form the complete overlap region.
  • the surfaces can take any shape, such as round, elliptical or polygonal.
  • the first and second rails have the same surface shape as an extension of the first end.
  • the extension of the first end is a circular surface.
  • a preferred diameter of the circular area is in the range of 5 to 30 cm, preferably 5 to 25 cm, more preferably in the range of 10 to 20 cm.
  • the two respective position markings are at a distance from each other.
  • the distance between the position markers is selected as large as possible. Suitable distances are in the range of 0.5 to 15 cm, preferably in the range of 5 to 10 cm.
  • the position markings have at least one optical sensor.
  • all the position markings in one of the two rails are optical sensors, while the other of the two rails serves as a scanning surface.
  • the scanning surface acts as a kind of mouse pad, so that the other rail with the two optical sensors performs the scan.
  • pressure sensitive sensors may be used instead of optical sensors.
  • the scanning surface acts quasi as a kind of touchpad, wherein the other rail with the two pressure-sensitive sensors performs the scanning.
  • Each of the two optical or pressure sensitive sensors can measure its own x and y displacement.
  • the optical or pressure sensitive sensors are then provided with the means for determining the relative displacement of the first and second rails in the overlap area This makes it possible to determine the position of the thigh with respect to the tibia and thus to calculate the knee angle and the tibia displacement.
  • the means for determining the relative displacement have at least one means for calculating the tibia displacement from the displacement of the at least two position markings.
  • the means for calculating the tibia displacement is preferably a data processing and / or evaluation unit, preferably a simple microcontroller or a PC. If previously defined, patient-related limit values are exceeded, the evaluation unit can trigger an acoustic and / or optical alarm.
  • the data processing and / or evaluation unit is wirelessly connected to the optical or pressure-sensitive sensors.
  • optical or pressure-sensitive sensors sensors are used, which meet the requirements of precision and accuracy, which can detect both translational and rotational movements and which can preferably indicate the position with respect to absolute landmarks.
  • Suitable optical or pressure-sensitive sensors are known to the person skilled in the art.
  • the rails can be made of any material that has such rigidity that prevents bending of the rails or torsion of the device during the measurement. At the same time, the mass of the device must be as small as possible in order to minimize the relative movement of the device on the leg caused by the inertia.
  • Suitable materials for the rails are, for example, steels, reinforced, preferably glass fiber reinforced, or unreinforced plastics, such as polystyrene, polypropylene, polyurethane, polyoxymethylene, polymethyl methacrylate, polyethylene terephthalate, polybuthylene terephthalate, polyethersulfone, polycarbonate, polyamide or polyester resins or hard fiber fabrics.
  • the surfaces of the rails in the overlap area are smooth in order to facilitate the optical or pressure-sensitive measurement. Alternatively, the surfaces may be in the overlap area be coated with a suitable coating for optical measurement. Suitable coatings are known to the person skilled in the art.
  • the splints can be fixed either directly or via a relining on the leg to be examined.
  • Suitable liners are preferably made of foams, e.g. Polyurethane or Styrofoam, and allow a largely painless anatomical adjustment of the rails to the body shape.
  • the rails further comprise fastening elements with which the rails can be attached to the upper or lower leg. The attachment must be chosen such that the device has a permanently correct seat even under the influence of movement and stress and there is no displacement of the device on the leg.
  • Suitable fasteners are for example tensionable Velcro or inelastic adhesive tapes.
  • the rails could also be incorporated into an orthosis-like device. In doing so, the mobility of the first and second rails in the overlapping area must be completely retained. An additional coating of the measuring equipment could also protect the patient from injury and the measuring instruments from damage.
  • the invention further relates to a method for determining the tibia displacement, in which preferably the second embodiment of the device according to the invention is used.
  • the procedure for determining tibial displacement includes the steps
  • a second rail including at one end a sensing surface having at least two position markers along one side of a lower leg such that the sensing surface is positioned directly above the knee pivot point
  • the second approach for determining the tibial displacement is thus based on a method for determining the position of two-dimensional coordinates by means of optical sensors. By measuring the coordinates with two optical sensors, the position of the sensor surface relative to the scanning surface can be determined exactly. Based on the determined positions, the knee angle and the tibia displacement are calculated. The geometric relationships are shown in Fig. 4.
  • a start position is set in advance, which represents the zero position between the two surfaces (Fig. 3, left).
  • the upper and lower rails cross directly above the knee joint, so that the centers of the scanning (M a ) and the sensor surface (M s ) are identical.
  • the position marks are in the middle of each other.
  • the knee angle q> 4 is set to a reference angle ⁇ 4 of the size 180 °. In the starting position, the leg to be examined is thus stretched out (FIG. 4).
  • Each position of the sensor surface is characterized by the absolute coordinates S ⁇ : (x s i, y s ) and S 2 : (x s2 , y s2 ).
  • the y-axis of the (x, y) coordinate system is defined to have the same sense of direction as the second rail on the lower leg.
  • the center point M a is selected on the scanning surface.
  • the tibia shift ⁇ corresponds to the proportion of the distance Am of two centers M s : (x Ms , YMS) and M a : (x Ma , ywia), which is perpendicular to the lower leg (us). Since according to the current definitions M a has the (x, y) coordinates (0,0) and the x-axis is perpendicular to the tibia, the tibia shift ⁇ is equal to the x-coordinate of the point M s .
  • the knee angle ⁇ 4 is composed of the reference angle 4 and the angle of rotation ⁇ 4 between the scanning and sensor surface. By leg movements, the angle ⁇ 4 can assume values between 0 ° and 180 °, GM can thus be determined via the cosine theorem for a right-angled triangle, since the cosine function is unambiguous in this range.
  • the sensor points Si and S-i are located on the x-axis of the (x, y) coordinate system. It thus applies:
  • the invention further relates to a diagnostic method for determining the condition of the anterior cruciate ligament, comprising the steps of applying a device according to the invention of the second embodiment for determining the tibia displacement of the standing mammal, adapting the device to the size ratios of the mammal, wherein the first rail on the outside of the thigh and the second rail is positioned on the outside of the lower leg such that the overlapping area is at the level of the knee joint, ie adjacent the knee joint, and the position marks on the first and second rails are exactly superimposed, movement of the knee and continuous recording of the positional shift Positioning marks during movement, calculating the tibia shift based on the determined positional shifts for each state of motion, and determining the condition of the anterior cruciate ligament from the calculated tibial displacement ,
  • the diagnostic method is performed on humans.
  • the movement of the knee can be done in the unloaded and loaded condition. In this case, both upward and / or downward movements are included on the spot as well as in combination with forward, backward and / or sideways movements, such as walking, running and / or jumping during the measurement. Since the knee is not a uniaxial joint from a mechanical point of view, a calibration must be performed initially. In the calibration phase, the patient performs knee flexion and extension several times. This movement, referred to as the travel curve, is recorded and stored. With respect to this standard curve, the evaluation unit can detect deviations.
  • both the knee angle and the associated tibia displacement can be determined correctly with the devices according to the invention and the methods described.
  • the devices and methods of the invention have a number of advantages.
  • the device can be used mobile and can be worn by the wearer or patient in daily life, including during exercise. This allows the wearer a higher quality of life and opens up completely new diagnostic and therapeutic options.
  • the measurement of tibial displacement during movement can be used to precisely analyze the stress on the knee joint during rehabilitation become. This makes it possible to individually dose the load on the knee during rehabilitation in order to shorten the rehabilitation times without endangering the success of the operation.
  • the devices according to the invention are attached to the side of the leg, the devices can also be applied during a surgical procedure.
  • the appropriate length of a cruciate ligament plastic can already be adjusted and checked on the operating table.
  • Suitable joints are, for example, foot, hip, shoulder, elbow, hand, finger or toe joints.
  • the device according to the invention determines the rotation of the joint in the longitudinal direction, as a measure of the deviation of the device from the measuring plane.
  • a first device according to the invention for measuring the tibia displacement on the right side of a knee and a second device according to the invention for measuring the tibia displacement on the left side of the same knee, wherein the difference between the measured values of the two devices on the rotation (or rotation) of the knee is closed about the longitudinal axis.
  • This method can be advantageously used both in diagnostics and in arthroplasty.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of the device according to the invention in a first embodiment 2 shows the geometric relationship for determining the tibia displacement in the embodiment according to FIG. 1
  • Fig. 3 shows a schematic structure of the device according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 4 shows the geometric relationship for determining the tibia displacement in the embodiment according to FIG. 3
  • Fig. 5 shows the average tibial displacement as a function of the knee angle ⁇ 4 measured with a device according to FIG. 1
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention for determining the tibia displacement.
  • the device represents a quadrangle composed of four rails, namely a first rail 10, a second rail 20, a third rail 30 and a fourth rail 40.
  • the third rail 30 is rotatably mounted on the first rail 10.
  • the third rail 30 is mounted with its second end 34 on the half of the first rail 10.
  • a hinge 50 provides the rotatable connection between the first rail 10 and the third rail 30.
  • a plane is defined by the rails 10, 30.
  • the hinge 50 is rotatable in the plane defined by the rails 10, 30, but otherwise rigid.
  • a first end 42 of the fourth rail 40 is rotatably mounted via a hinge 52.
  • the plane of rotation of the joint 52 corresponds to the plane of rotation of the joint 50, so that the fourth rail 40 is also in the plane defined by the first rail 10 and the third rail 30.
  • the second rail 20 is rotatably mounted via a hinge 54.
  • the plane of rotation of the joint 54 corresponds to the plane of rotation of the joints 50 and 52, so that the second rail 20 is also in the plane defined by the first rail 10, the third rail 30 and the fourth rail 40.
  • the hinge 54 is mounted on the second rail 20 approximately halfway. Three corners of the quadrilateral are fixed by the hinges 50, 52, 54.
  • the fourth corner represents an overlap area 16 formed from the overlap of the first end 12 of the first rail 10 and the first end 22 of the second rail 20.
  • the first and second rails 10, 20 are not or only loosely connected to each other, so that the rails 10 and 20 can move freely in the plane which is defined by the rails 10, 20, 30, 40.
  • the length of the first rail 10 is 32 cm
  • the length of the second rail 20 is 25 cm
  • the length of the third and fourth rails 30, 40 is 12 cm each.
  • the width of the rails is 3 cm and the thickness is 0.2 cm.
  • the rails are made of VA steel.
  • the device according to the invention is positioned for the measurement on the outside of a leg.
  • the first rail 10 rests on the thigh 46, wherein the longitudinal axis of the rail 10 is parallel to the femur.
  • the second end 14 of the first rail 10 points in the direction of the hip.
  • the second rail 20 is positioned on the lower leg 48.
  • the second rail 20 is located on the lower leg 48 such that the longitudinal axis of the rail 20 is parallel to the lower leg bone.
  • the second end 24 of the second rail 20 points in the direction of the foot.
  • the overlap area 16 is directly in front of the knee.
  • the knee angle is mapped by the interior angle ⁇ 4 between the first rail 10 and the second rail 20.
  • rotary potentiometer are installed as angle meter 26 in the pivot points between the rails.
  • the rotary potentiometers simultaneously represent the joints 50, 52, 54. Since the internal angles to be measured can assume values in the range from 0 to 180 °, the rotary potentiometers must have a rotation angle of at least 80 °. Linear rotary potentiometers with a maximum angle of rotation co ma x of 270 ° are suitable for the device according to the invention.
  • the internal angles to be measured are denoted by ⁇ 1, ⁇ 2 and q> 3, where with ⁇ p1 the internal angle between the first rail 10 and the third rail 30, with ⁇ 2 the internal angle between the third rail 30 and the fourth rail 40 and with ⁇ 3 the Internal angle between the fourth rail 40 and the third rail 30 is designated.
  • a DC voltage V dd is applied to the outer contacts of the rotary potentiometers.
  • the polarity is in this case such that an increase in the angle of rotation ⁇ , and the voltage U, increases the slider.
  • the contact which forms the voltage divider of a potentiometer and divides the total resistance R ig into two partial resistors is called.
  • the angles ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 can be calculated from the measured values for the partial voltages U1, U2 and U3.
  • the tibial displacement and the knee angle ⁇ 4 can then be calculated according to equations 1 to 7 by means of a calculation means 28.
  • the means 28 is a data processing unit, preferably a PC.
  • the transmission of the measured data from the protractors 26 to the data processing unit is wireless.
  • Fig. 2 shows the geometric relationships of the calculation.
  • the device has a first rail 10 and a second rail 20. At their first ends 12, 22, the first rail 10 to a circular surface F 2 and the second rail 20 to a circular surface F 2 2 extended.
  • the surfaces Fi 2 and F 22 have a diameter D of 15 cm and form the overlap region 16.
  • the first and second rails 10, 20 are not or only loosely connected to each other, so that the rails 10 and 20 move laterally freely can.
  • the length of the first rail 10 and the second rail 20 is 37.5 cm.
  • the width of the rails is 5 cm and the thickness 0.25 cm.
  • the rails are made of hardboard.
  • the device according to the invention is positioned for the measurement on the outside of a leg.
  • the first rail 10 is located on the side of the thigh 46, wherein the longitudinal axis of the rail 10 is parallel to the femur.
  • the second end 14 of the first rail 10 points in the direction of the hip.
  • the second rail 20 is positioned on the lower leg 48.
  • the second rail 20 abuts on the lower leg 48 such that the longitudinal axis of the rail 20 is parallel to the lower leg bone.
  • the second end 24 of the second rail 20 points in the direction of the foot.
  • the overlap area 16 is located directly next to the knee, ie at the level of the kneecap.
  • the knee angle is formed by the inner angle q> 4 between the first rail 10 and the second rail 20.
  • On the surfaces F12 and F22 are each two position markers M.
  • the position markings M 10 i and M 0 n or M 2 oi and M 20 n have a distance A from one another.
  • the distance A is 10 cm.
  • the distance A and the position of the position marks M and M1 i 10 0 11, and M 2 and M 2 on oi on the two surfaces F12 and F 22 exactly at the same place.
  • the position markings in the basic position are exactly above one another (FIG. 3, left).
  • the position markers M 10 i and M-ion are configured as optical sensors 36. From the displacement At the axes formed by the position markings M-mi and M-ion or M 20 i and M 2 on, the tibia shift and the knee angle ⁇ p4 can then be calculated according to equations 8 to 1 1 by means of calculation 38 become.
  • the means 38 is a data processing unit, preferably a PC.
  • the transmission of the measurement data from the optical sensors 36 to the data processing unit is wireless. 4 shows the geometric relationships of the calculation. example 1
  • a prototype of the device according to the invention as shown in FIG. 1 was attached to the healthy leg of a test person and several test series were recorded.
  • a certain motor movement was repeatedly performed. Three forms of movement are examined.
  • the load on the knee should be as low as possible.
  • the subject bends and stretches the leg with the measuring device in the air, while his weight rests only on the second leg. Squats from the squat into the stance represent the second form of movement.
  • the knees carry the full body weight.
  • a greater load is created by jumps in height. The individual movements exert different degrees of stress on the knee, so that the measurement series deliver correspondingly different results for the tibia displacement.
  • FIG. 5 shows the average tibial displacement ⁇ as a function of the knee angle q> 4. It can be clearly seen that the measured tibial displacement depends on the loads on the knee.
  • the mean tibial displacement ⁇ is the lowest without the influence of external stress. During the entire movement process, it changes over a span of about 4.5 mm. This is due to the rolling motion of the femur on the tibia. For squats which generate a light load, ⁇ is larger by up to 4 mm, the difference decreasing as the knee angle ⁇ p4 increases. In the jumps occur heavier loads at the moment of pushing off and on the return.
  • the course of the third graph has accordingly between 100 ° and 140 ° an increased displacement, which can be up to 15 mm.
  • Fig. 6 shows the statistical evaluation of the measurement results. At the variation span of the tibia shift As a function of the knee angle ⁇ p4, it can be seen that the results for the tibia displacement vary differently.
  • the first two series of measurements vary in a relatively constant range of less than 5 mm independent of the knee angle. The measurement thus has a high accuracy and reproducibility. When jumping, on the other hand, larger spans of more than 35 mm occur.
  • the results of the measurements thus show that the device according to the invention and the method for determining the tibia displacement are suitable for obtaining qualitatively usable results.
  • the knee angle could be determined with an accuracy of about a quarter of a degree and the tibia displacement with an accuracy in the range of hundredths of a millimeter.
  • the subject was not hindered by the frame in his movement, so that according to the invention measurements in the movement can be performed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Tibiaverschiebung bei Säugern unter Belastung. Die Vorrichtung weist mindestens eine erste und eine zweite Schiene auf, die seitlich an Ober- bzw. Unterschenkel befestigt werden können und im Bereich des Kniegelenks einen Überlappungsbereich aufweisen. Aus der Verschiebung der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich kann die Tibiaverschiebung direkt und/oder indirekt berechnet werden. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch unter Bewegung und Belastung einsetzbar.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Tibiaverschiebung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Tibiaverschiebung bei Säugern unter Belastung. Die Vorrichtung weist mindestens eine erste und eine zweite Schiene auf, die seitlich an Ober- bzw. Unterschenkel befestigt werden können und im Bereich des Kniegelenks einen Überlappungsbereich aufweisen. Aus der Verschiebung der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich kann die Tibiaverschiebung direkt und/oder indirekt errechnet werden. Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch unter Bewegung und Belastung einsetzbar.
Gelenke stellen einen elementaren Teil des menschlichen Bewegungsapparats dar, da sie der Umwandlung der Muskelkräfte in Bewegungen dienen. Das größte Gelenk des menschlichen Körpers ist das Knie. Die grundlegende Aufgabe des menschlichen Knies besteht darin, einen stabilen aufrechten Stand zu gewährleisten und die Muskelkräfte zur Fortbewegung oder zum Verrichten von Arbeit auf die Umwelt zu übertragen. Die Stabilität des Kniegelenks spielt bei der Erfüllung dieser Aufgabe eine zentrale Rolle. Der Begriff der funktionellen Stabilität bezeichnet in der Medizin die Fähigkeit, Gelenkaktivitäten, d.h. Bewegungen aber auch Belastungen im Ruhezustand, zu kontrollieren. Die funktionelle Stabilität eines Gelenkes beruht auf dem Zusammenspiel verschiedener starrer und flexibler Bestandteile wie den Knochen, Muskeln und Bändern. Die einzelnen Bestandteile haben hierbei einen unterschiedlich starken Einfluss.
Für das Kniegelenk ist besonders das vordere Kreuzband ein wichtiger Stabilisator. Eine Verletzung des Kreuzbandes (Kreuzbandriss) führt zu einer pathologischen Bewegungsfreiheit des Schienbeins (Tibia) und dadurch zur Einschränkung der Stabilität. Die Bewegungsfähigkeit des Betroffenen ist dadurch beeinträchtigt, was im Alltag, aber besonders im Sport zu Behinderungen führen kann. Zudem sind die Menisken durch die erhöhte Tibiaverschiebung einem erhöhten Stress und somit einem erhöhten Verletzungsrisiko ausgesetzt. Daher muss die Ruptur eines Kreuzbandes in der Regel operativ durch eine Bandplastik versorgt werden. Ein Maß zur Beurteilung des Gesundheitszustandes des vorderen Kreuzbandes stellt somit die anteriore Tibiaverschiebung, d.h. die nach vorne gerichtete Verschiebung des Oberschenkelknochens senkrecht zur Längsachse des Schienbeins in der Sagittalebene, dar. Anhand dieser Verschiebung lassen sich Aussagen über den Gesundheitszustand des Knies treffen, Verletzungen erkennen, die der Betroffene selbst vielleicht noch nicht bemerkt hat, und der Heilungsverlauf beobachten. Die rechtzeitige Erkennung einer Verletzung des vorderen Kreuzbandes kann die Schwere gesundheitlicher Schäden folglich reduzieren.
Vorrichtungen zur Messung der Tibiaverschiebung sind grundsätzlich bekannt.
Allerdings sind die vorhandenen Messapparaturen nur im Liegen anwendbar. Beispielsweise offenbart die WO 2008/040790 A1 eine entsprechende Vorrichtung, in der Oberschenkel und Fuß in der Apparatur fixiert werden. Ein mechanischer
Stempel drückt dann die Wade entgegen der Fixierung gegen die Messeinrichtung.
Die Tibia wird also entsprechend der Stabilität des Knies gegenüber dem fixierten
Oberschenkel mechanisch verschoben und die resultierende Tibiaverschiebung gemessen. Nachteilig an diesem System ist vor allem, dass keine Aussagen über die
Stabilität des Kniegelenkes unter Belastung bzw. der natürlichen Bewegung möglich und die Geräte nicht mobil einsetzbar sind.
Die WO 98/31274 offenbart eine Messapparatur, die zumindest am Stehenden Patienten eingesetzt werden kann. Diese Apparatur weist wenigstens zwei ausrichtbare Abstandssensoren auf, die von vorne auf die Kniescheibenfläche und die vordere Schienbeinrauhigkeit aufgesetzt werden. Die Abstandssensoren werden über eine Gerüststruktur und ein Trägergestell am Schienbein des Patienten befestigt. Allerdings ist auch diese Vorrichtung nicht zur in-situ Verwendung bei Bewegungsabläufen, wie beispielsweise während einer akuten sportlichen Leistung, geeignet.
Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme im Stand der Technik zu überwinden und eine alternative Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung bereitzustellen, die unter Belastung sowie bei Bewegung, wie z.B. beim Laufen oder Springen, eingesetzt werden kann. Dabei soll die Bewegungsfreiheit des Knies durch die Messapparatur möglichst wenig eingeschränkt werden und die Tibiaverschiebung in jeder möglichen Position messbar bleiben.
Die erfinderische Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach einem der Hauptansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung aufweisend
-eine erste Schiene mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die geeignet ist, am Oberschenkel eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die erste Schiene im Wesentlichen parallel zum Oberschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist,
-eine zweite Schiene mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die geeignet ist, am Unterschenkel eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die zweite Schiene im Wesentlichen parallel zum Unterschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist, wobei erste und zweite Schiene derart angeordnet sind, dass die ersten Enden einen Überlappungsbereich ausbilden,
-eine dritte Schiene aufweisend ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei die dritte Schiene mit dem zweiten Ende drehbar an der ersten Schiene befestigt ist, -eine vierte Schiene aufweisend ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei die vierte Schiene mit dem zweiten Ende drehbar an der zweiten Schiene befestigt ist und wobei die dritte und vierte Schiene an ihren ersten Enden drehbar miteinander verbunden sind,
-und ein Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung besteht also aus vier Schienen, die in einer
Ebene liegen und ein veränderliches Viereck aufspannen. Dabei sind die Schienen, d.h. die Seiten des Vierecks an drei der vier Ecken drehbar miteinander verbunden.
Somit ergibt sich ein Doppelgelenk bestehend aus zwei Hebeln und drei Achsen. An der vierten Ecke sind die Schienen nicht fest zueinander fixiert bzw. fest miteinander verbunden, sondern weisen einen Überlappungsbereich auf. Unter „Überlappungsbereich" wird erfindungsgemäß verstanden, dass sich die ersten Enden und/oder der angrenzende Bereich der ersten und zweiten Schiene im Bereich der vierten Ecke des veränderlichen Vierecks berühren. Dabei wird durch die Berührung die laterale Beweglichkeit der ersten und zweiten Schiene nicht beschränkt. Alternativ sind erste und zweite Schiene derart verkürzt, dass sich die ersten Enden und/oder der angrenzende Bereich der ersten und zweiten Schiene im Bereich der vierten Ecke des veränderlichen Vierecks nicht berühren, wobei der Überlappungsbereich aus der virtuellen Verlängerung der ersten und zweiten Schiene gebildet wird.
Unter„Schiene" soll erfindungsgemäß jeder gerade, räumlich ausgedehnte Körper verstanden werden, dessen Ausdehnung in eine Raumrichtung signifikant größer als in die anderen beiden Raumrichtungen ist. Bevorzugte Schienen sind zylindrische oder flache Stäbe. Während der Messung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart zu orientieren, dass zwei der vier Schienen auf einer Seite, vorzugsweise der Außenseite des zu untersuchenden Beines im Bereich des Ober- und Unterschenkels und der Überlappungsbereich im Bereich des Knies positioniert sind. Dritte und vierte Schiene verbinden erste und zweite Schiene auf der dorsalen (posterialen) Seite des Beines, d.h. auf der Seite der Kniekehle, miteinander.
Durch die Bestimmung aller vier Innenwinkel und Seitenlängen dieses Vierecks wird erfindungsgemäß die Detektion der Tibiaverschiebung ermöglicht. Je eine Schiene wird also am Ober- bzw. am Unterschenkel eines Beines fest angebracht, so dass die Schiene und der Schenkel den gleichen Richtungssinn besitzen, d.h. im Wesentlichen parallel sind. Unter„im Wesentlichen parallel" soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass der Winkel zwischen der Achse des Oberschenkel- bzw. Unterschenkelknochens und der auf dem Ober- bzw. Unterschenkel fixierten Schiene kleiner als 15°, vorzugsweise kleiner als 10°, weiter bevorzugt kleiner als 5° und am meisten bevorzugt 0° ist. Die anderen zwei Schienen werden oberhalb bzw. unterhalb des Knies drehbar an den ersten zwei Schienen befestigt und an den gegenüberliegenden Endpunkten ebenfalls drehbar miteinander verbunden. Die Schienen an Ober- und Unterschenkel besitzen keine direkte Verbindung, so dass sich Ober- und Unterschenkel frei zueinander bewegen können. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die erste und zweite Schiene im Überlappungsbereich lose miteinander verbunden sein. Unter einer „losen Verbindung" wird erfindungsgemäß eine Verbindung verstanden, bei der die Bewegungsfreiheit der Schienen im Überlappungsbereich lateral vollständig erhalten bleibt, allerdings gewährleistet wird, dass die vier Schienen in einer Ebene positioniert bleiben.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind erste und dritte Schiene, zweite und vierte Schiene und/oder dritte und vierte Schiene jeweils über ein Gelenk miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen erster und zweiter Schiene wird durch den Überlappungsbereich gebildet, hier wird bewusst auf eine feste Verbindung verzichtet, um die natürliche Kniemechanik nicht zu beeinflussen. Erfindungsgemäß geeignete Gelenke sind alle Gelenke, die in einer Ebene drehbar und ansonsten positionsfest sind. In der Vorrichtung sind die Gelenke derart angeordnet, dass die Schienen entlang ihrer Längsachsen gegeneinander verdreht werden können und im Wesentlichen planar in einer Ebene angeordnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Gelenke entlang der Längsachse der Schienen verschiebbar angeordnet. Dadurch kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung auf verschiedene Beingrößen angepasst werden. Vorzugsweise sind die Gelenke im ersten und dritten Drittel der dritten und vierten Schienen, besonders bevorzugt an den Enden der dritten und vierten Schienen angeordnet. Weiterhin bevorzugt sind die Gelenke im zweiten Drittel der ersten und zweiten Schienen, besonders bevorzugt auf der Hälfte der ersten und zweiten Schienen angeordnet. Die Befestigung der Gelenke auf den Schienen ist derart ausgelegt, dass die Position der Gelenke auf den Schienen während einer Messung fixiert ist. Somit ist die Länge der dritten und vierten Schiene, d.h. der dritten und vierten Seite des aufgespannten Vierecks, nach der Einstellung konstant, während die Längen der ersten und zweiten Schiene, d.h. der ersten und zweiten Seite des aufgespannten Vierecks variabel bleiben und der Kniebewegung nachgeben.
Mit abnehmender Länge der dritten Schiene/ vierten Schiene, d.h. abnehmender Größe des Vierecks, steigt die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daher sind kleine Schienenlängen der dritten Schiene und vierten Schiene erfindungsgemäß bevorzugt. Weiterhin werden große Schienenlängen der ersten und zweiten Schiene bevorzugt, da mit zunehmender Länge der ersten und zweiten Schiene die relative Bewegung der Schiene zum Bein besser kontrolliert werden kann. Vorzugsweise weist die erste Schiene und/oder die zweite Schiene eine Ausdehnung in Längsrichtung im Bereich von 10 bis 60 cm, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 45, weiter bevorzugt im Bereich von 20 bis 35 cm auf. Besonders bevorzugt sind erste und zweite Schiene gleich lang. Eine bevorzugte Ausdehnung der dritten und/oder vierten Schiene in Längsrichtung liegt im Bereich von 5 bis 40 cm, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 30, weiter bevorzugt im Bereich von 10 bis 15 cm. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind dritte und vierte Schiene gleich lang.
Die Schienen können aus jedem beliebigen Material hergestellt werden, das eine derartige Steifigkeit aufweist, dass eine Verbiegung der Schienen oder eine Torsion der Vorrichtung während der Messung verhindert wird. Gleichzeitig muss die Masse der Vorrichtung möglichst gering sein, um die durch die Massenträgheit hervorgerufene relative Bewegung der Vorrichtung am Bein zu minimieren. Geeignete Materialien für die Schienen sind beispielsweise Stähle, verstärkte, vorzugsweise glasfaserverstärkte, oder unverstärkte Kunststoffe, wie beispielsweise Polystyrol, Polypropylen, Polyurethan, Polyoxymethylen, Polymethylmetacrylat, Polyethylenterephthalat, Polybuthylenterephthalat, Polyethersulfon, Polycarbonat, Polyamid oder Polyesterharze. Die Schienen können entweder direkt oder über eine Unterfütterung auf dem zu untersuchenden Bein befestigt werden. Geeignete Unterfütterungen bestehen vorzugsweise aus Schaumstoffen, wie z.B. Polyurethan oder Styropor, und ermöglichen eine weitgehend schmerzfreie anatomische Anpassung der Schienen an die Körperform. Vorzugsweise weisen die Schienen weiterhin Befestigungselemente auf, mit denen die Schienen am Ober- bzw. Unterschenkel befestigt werden können. Die Befestigung muss derart gewählt werden, dass die Vorrichtung auch unter Einfluss von Bewegung und Belastung einen dauerhaft korrekten Sitz aufweist und es zu keiner Verschiebung der Vorrichtung am Bein kommt. Geeignete Befestigungselemente sind beispielsweise spannbare Klettverschluss- oder unelastische Klebebänder. Alternativ könnten die Schienen auch in eine orthesenähnliche Vorrichtung eingearbeitet werden. Dabei muss die Beweglichkeit der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich, sowie in den drei drehbaren Gelenken vollständig erhalten bleiben. Durch eine zusätzliche Ummantelung der Messapparaturen können zudem der Patient vor Verletzungen und die Messinstrumente vor Beschädigungen geschützt werden. In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen die erste und zweite Schiene an ihren ersten Enden jeweils eine Positionsmarkierung auf. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine Millimeterskala, auf der die Längenveränderung der ersten bzw. zweiten Schiene während der durchgeführten Bewegungen direkt abgelesen werden kann. Alternativ werden als Positionsmarkierungen Sensoren, vorzugsweise Linearpotentiometer, oder optische Sensoren verwendet.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung spannen die erste und dritte Schiene einen Winkel, die zweite und vierte Schiene einen Winkel, die dritte und vierte Schiene einen Winkel und die erste und zweite Schiene einen Winkel auf, wobei die Winkelsumme aller Innenwinkel 360 ° beträgt. Vorzugsweise sind die Winkel zwischen der ersten und dritten Schiene und die Winkel zwischen der zweiten und vierten Schiene gleich groß. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Winkel zwischen der ersten und zweiten und der dritten und vierten Schiene gleich groß. Erfindungsgemäß wird die Kombination aus den entstehenden Längen und den Winkeln so gewählt, dass der geometrische Kniewinkel von 0 (Ober und Unterschenkel liegen parallel aufeinander) bis 200° (deutlich überstrecktes Knie), vorzugsweise von 45 bis 180° variieren und gemessen werden kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Winkel zwischen erster und dritter Schiene und vorzugsweise auch zwischen zweiter und vierter Schiene im leicht gebeugten Zustand des Beines im Bereich von 0 bis 90°, vorzugsweise im Bereich von 0 bis 60°, weiter bevorzugt im Bereich von 0 bis 30°. Unter einem leicht gebeugten Bein wird erfindungsgemäß ein Kniebeugewinkel von 20 bis 40°, vorzugsweise von ca. 30°, d.h. ein geometrischer Kniewinkel von 160 bis 180°, vorzugsweise von 150° verstanden. Der Winkel zwischen dritter und vierter Schiene liegt im leicht gebeugten Zustand des Beines vorzugsweise im Bereich von 90 bis 180°, vorzugsweise im Bereich von 120 bis 180°, weiter bevorzugt im Bereich von 150 bis 180° Bei einem Kniebeugewinkel um die 30° ist die anteriore Tibiaverschiebung am größten, so dass in dieser Position die größtmögliche Messgenauigkeit gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung Mittel zur Messung der Winkel in den drei Gelenken auf, so dass die relative Verschiebung indirekt bestimmt wird. Das bedeutet, dass vorzugsweise in jedem der drei Gelenk-Drehpunkte ein Winkelmesser angebracht ist, der den Winkel zwischen den jeweiligen Schienen misst. Geeignete Winkelmesser sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise können Drehpotentiometer oder optische Absolutwertgeber eingesetzt werden. Da alle gemessenen Winkel theoretisch Werte zwischen 0 und 200° annehmen können, müssen die eingesetzten Winkelmesser einen Drehwinkel von mindestens 200° aufweisen. Um möglichst genaue Messwerte zu erzielen, weisen die eingesetzten Winkelmesser einen größeren Drehwinkel auf, so dass die Winkelmessung nicht in den Randbereichen der Winkelmesser erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung Mittel zur Berechnung der Tibiaverschiebung aus den gemessenen Winkeln auf. Durch die drei Winkel und die zwei bekannten Seitenlängen der dritten und vierten Schiene ist das aufgespannte Viereck der erfindungsgemäßen Vorrichtung eindeutig definiert. Somit können anhand der gemessenen Größen der Kniegelenkswinkel und die Tibiaverschiebung ermittelt werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Mittel zur Berechnung der Tibiaverschiebung aus den gemessenen Winkeln um eine Datenverarbeitungsund/oder Auswerteeinheit, vorzugsweise um einen einfachen Mikrokontroller oder einen PC. Bei Überschreiten vorher definierter, patientenbezogener Grenzwerte kann die Auswerteeinheit einen akustischen und/oder optischen Alarm auslösen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Datenverarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit kabellos mit den Winkelmessern verbunden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung. Dabei kommt vorzugsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz. Das Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung umfasst die Schritte
-Konstruieren eines Vierecks, wobei der Kniewinkel eine Ecke des Vierecks darstellt, und je eine Seite des Vierecks im Wesentlichen parallel zum Ober- bzw. Unterschenkel verläuft und seitlich an diesem angeordnet ist,
-Bestimmen der Innenwinkel der drei Ecken des konstruierten Vierecks, die nicht der Kniewinkel sind,
-Bestimmen der Länge der Seiten, die nicht am Ober- bzw. Unterschenkel angeordnet sind und
-Errechnen des Kniewinkels und der Tibiaverschiebung aus den ermittelten Winkeln und Längen mittels trigonometrischer Funktionen.
Zur Konstruktion des Vierecks und Bestimmung der Innenwinkel wird vorzugsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. Dazu werden zunächst die Längen der dritten und vierten Schiene bestimmt. Diese sind während der Messung konstant und müssen nur einmalig bestimmt werden. Die drei Winkel zwischen der ersten und dritten (φ1 ), der dritten und vierten (cp2) und der zweiten und vierten Schiene (φ3) hängen vom Beugungswinkel und dem Belastungszustand des Knies ab. Diese Größen sind daher zeitveränderlich und müssen periodisch gemessen werden.
Der Kniewinkel (φ4) kann aus den drei gemessenen Winkeln über die Summe der Innenwinkel eines Vierecks bestimmt werden:
Figure imgf000011_0001
Die Berechnung der Tibiaverschiebung ΔΤ lässt sich aus der Verschiebung des Oberschenkel As0ber und dem Winkel φ4 über den Sinussatz für ein rechtwinkliges Dreieck ermitteln, da die Tibiaverschiebung senkrecht zum Schienbein gemessen wird. Fig. 2 zeigt die geometrischen Zusammenhänge.
Figure imgf000012_0001
Zur Bestimmung der Oberschenkelverschiebung As0Der wird eine normierte Oberschenkellänge s0Der festgelegt und die Länge des Oberschenkels s0Der als Funktion der drei Winkel <p1 , cp2 und φ3 bestimmt. Die Differenz aus s0Der und sober ergibt dann die Tibiaverschiebung As0ber-
Figure imgf000012_0002
Für die Oberschenkellänge s0ber wird die Länge der Diagonalen c benötigt, wobei c die Winkel φ1 und φ3 teilt. Der Winkel zwischen c und der vierten Schiene wird mit φ3' und der Winkel zwischen c und der zweiten Schiene wird mit q>3" bezeichnet. Die Differenz Asober kann dann über den Sinussatz für das Dreieck D1 (dritte Schiene, vierte Schiene und Diagonale c) berechnet werden.
Figure imgf000012_0003
Aus den Gleichung 2 bis 4 ergibt sich für die Tibiaverschiebung ΔΥ folgende Formel:
Figure imgf000012_0004
Die Länge c wird mittels des Kosinussatzes für das Dreieck D1 bestimmt.
Figure imgf000012_0005
Die Summe der Halbwinkel φ3' und φ3" ist gleich dem Winkel cp3. Die Größe φ3' kann über den Sinussatz im Dreieck D1 ermittelt und somit der Winkel <p3"abgeleitet werden.
Figure imgf000013_0001
Zur Konstruierung des Vierecks und Bestimmung der Innenwinkel und der Seitenlängen wird vorzugsweise eine erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet. Alternativ können diese Daten auch mit jeder anderen Methode bestimmt werden. Das Errechnen der Tibiaverschiebung und des Kniewinkels erfolgt vorzugsweise automatisiert und computerunterstützt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Diagnoseverfahren zur Bestimmung des Zustande des vorderen Kreuzbandes umfassend die Schritte Anlegen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Tibiaverschiebung am stehenden Säugetier, Anpassen der Vorrichtung an die Größenverhältnisse des Säugetiers, wobei die erste Schiene an der Außenseite des Oberschenkels und die zweite Schiene an der Außenseite des Unterschenkels derart positioniert wird, dass sich der Überlappungsbereich in der Höhe des Kniegelenkes befindet, Bestimmen der Länge der dritten und vierten Schiene nach der Anpassung, Bewegung des Knies und kontinuierliche Aufnahme der Innenwinkel während der Bewegung, Errechnen der Tibiaverschiebung an Hand der ermittelten Winkel für jeden Bewegungszustand und Bestimmen des Zustands des vorderen Kreuzbandes aus der errechneten Tibiaverschiebung. Vorzugsweise wird das Diagnoseverfahren am Menschen durchgeführt. Die Bewegung des Knies kann im entlasteten und belasteten Zustand erfolgen. Dabei sind sowohl Aufwärts- und/oder Abwärtsbewegungen auf der Stelle als auch in Kombination mit Vorwärts-, Rückwärts- und/oder Seitwärtsbewegungen, wie Gehen, Laufen oder Springen während der Messung umfasst. Da das Knie unter mechanischen Gesichtspunkten betrachtet kein einachsiges Gelenk ist, muss anfänglich eine Kalibrierung durchgeführt werden. In der Kalibrierungsphase führt der Patient mehrmals eine Kniebeugung und -Streckung aus. Diese als Fahrkurve bezeichnete Bewegung wird aufgenommen und abgespeichert. Bezüglich dieser Normkurve kann die Auswerteeinheit Abweichungen feststellen und korrigieren. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Tibiaverschiebung mittels einer Positionsbestimmung von zweidimensionalen Koordinaten mittels optischer Sensoren ermittelt. Die Erfindung betrifft daher weiterhin eine Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung aufweisend
- eine erste Schiene mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die geeignet ist, am Oberschenkel eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die erste Schiene im Wesentlichen parallel zum Oberschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist,
- eine zweite Schiene mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die geeignet ist, am Unterschenkel eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die zweite Schiene im Wesentlichen parallel zum Unterschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist, wobei erste und zweite Schiene derart angeordnet sind, dass die ersten Enden einen Überlappungsbereich ausbilden,
- mindestens jeweils zwei Positionsmarkierungen auf der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich und
- ein Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird also längs des Unterschenkels an einer Seite eine zweite Schiene angebracht, deren erstes Ende direkt über dem Kniedrehpunkt positioniert ist, wobei das erste Ende der zweiten Schiene als Abtastfläche dient. Auf dem ersten Ende befinden sich mindestens zwei Positionsmarkierungen. Am Oberschenkel wird auf der gleichen Seite wie am Unterschenkel eine erste Schiene befestigt, in deren erstes Ende ebenfalls mindestens zwei Positionsmarkierungen integriert sind. Durch eine Koordinatenmessung mit den jeweils zwei Positionsmarkierungen als Bezugspunkten kann die Position der Achse der zweiten Schiene bezüglich der Position der ersten Schiene genau ermittelt werden. Anhand dieser Positionsbestimmung können der Kniewinkel und die Tibiaverschiebung berechnet werden. Zur Vereinfachung der Messung sind die mindestens jeweils zwei Positionsmarkierungen auf den ersten Enden der Schienen an einander gegenüberliegenden Stellen angeordnet, so dass die Achsenverschiebung aus einem gemeinsamen Koordinatensystem erfolgt.
Unter„Schiene" soll erfindungsgemäß jeder gerade, räumlich ausgedehnte Körper verstanden werden, dessen Ausdehnung in eine Raumrichtung signifikant größer als in die anderen beiden Raumrichtungen ist. Bevorzugte Schienen sind zylindrische oder flache Stäbe. Während der Messung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart zu orientieren, dass die Schienen auf einer Seite des zu untersuchenden Beines derart im Bereich des Ober- und Unterschenkels positioniert sind, dass der Überlappungsbereich im Bereich des Knies positioniert ist. Die an Ober- und Unterschenkel befestigten ersten und zweiten Schienen besitzen keine direkte Verbindung. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind erste und zweite Schiene im Überlappungsbereich lose miteinander verbunden. Unter einer „losen Verbindung" wird erfindungsgemäß eine Verbindung verstanden, bei der die Bewegungsfreiheit der Schienen im Überlappungsbereich lateral vollständig erhalten bleibt und nur in die dritte Dimension eingeschränkt ist. D.h. die beiden Schienen sind in einer Ebene gegeneinander verschiebbar.
Die Schienen werden derart am Ober- bzw. am Unterschenkel des zu untersuchenden Beines fest angebracht, dass die Schiene und der Schenkel den gleichen Richtungssinn besitzen, d.h. im Wesentlichen parallel sind. Unter „im Wesentlichen parallel" soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass der Winkel zwischen der Achse des Oberschenkel- bzw. Unterschenkelknochens und der auf dem Ober- bzw. Unterschenkel fixierten Schiene kleiner als 15°, vorzugsweise kleiner als 10°, weiter bevorzugt kleiner als 5° und am meisten bevorzugt 0° ist.
Da mit zunehmender Länge der ersten und zweiten Schiene die relative Bewegung der Schiene zum Bein besser kontrolliert werden kann, steigt mit zunehmender Länge der Schienen die Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Große Schienlängen sind somit erfindungsgemäß bevorzugt, insbesondere weist die erste Schiene und/oder die zweite Schiene eine Ausdehnung in Längsrichtung im Bereich von 10 bis 60 cm, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 45, weiter bevorzugt im Bereich von 20 bis 35 cm auf. Besonders bevorzugt sind erste und zweite Schiene gleich lang. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Enden der ersten und/oder zweiten Schiene zu Flächen erweitert. Vorzugsweise bilden die Flächen den vollständigen Überlappungsbereich aus. Die Flächen können jede beliebige Form annehmen, wie beispielsweise rund, elliptisch oder vieleckig. Vorzugsweise weisen erste und zweite Schiene die gleiche Flächenform als Erweiterung des ersten Endes auf. Besonders bevorzugt ist die Erweiterung des ersten Endes eine kreisförmige Fläche. Ein bevorzugter Durchmesser der kreisförmigen Fläche liegt im Bereich von 5 bis 30 cm, vorzugsweise von 5 bis 25 cm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 20 cm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die jeweils zwei Positionsmarkierungen zueinander einen Abstand auf. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen wird der Abstand zwischen den Positionsmarkierungen möglichst groß gewählt. Geeignete Abstände liegen im Bereich von 0,5 bis 15 cm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 10 cm.
In einer besonders bevorzugen Ausgestaltung weisen die Positionsmarkierungen mindestens einen optischen Sensor auf. Besonders bevorzugt sind alle Positionsmarkierungen in einer der beiden Schienen optische Sensoren, während die andere der beiden Schienen als Abtastfläche dient. Dabei fungiert also die Abtastfläche quasi als eine Art Mauspad, wobei die andere Schiene mit den zwei optischen Sensoren die Abtastung durchführt. Alternativ können anstelle von optischen Sensoren drucksensitive Sensor verwendet werden. Dabei fungiert dann die Abtastfläche quasi als eine Art Touchpad, wobei die andere Schiene mit den zwei drucksensitiven Sensoren die Abtastung durchführt. Jeder der beiden optischen oder drucksensitiven Sensoren kann seine eigene x- und y-Verschiebung messen. Die optischen oder drucksensitiven Sensoren sind dann mit dem Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich verbunden und ermöglichen es so die Position des Oberschenkels bezüglich des Schienbeins zu ermitteln und damit den Kniewinkel und die Tibiaverschiebung zu berechnen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung mindestens ein Mittel zur Berechnung der Tibiaverschiebung aus der Verschiebung der mindestens jeweils zwei Positionsmarkierungen auf. Bei dem Mittel zu Berechnung der Tibiaverschiebung handelt es sich vorzugsweise um eine Datenverarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit, vorzugsweise um einen einfachen Mikrokontroller oder einen PC. Bei Überschreiten vorher definierter, patientenbezogener Grenzwerte kann die Auswerteeinheit einen akustischen und/oder optischen Alarm auslösen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Datenverarbeitungs- und/oder Auswerteeinheit kabellos mit den optischen oder drucksensitiven Sensoren verbunden.
Als optische oder drucksensitive Sensoren werden Sensoren verwendet, die den Ansprüchen an Präzision und Messgenauigkeit gerecht werden, die sowohl Translations-, als auch Rotationsbewegungen erfassen können und die vorzugsweise die Position bezüglich absoluter Orientierungspunkte angeben können. Geeignete optische oder drucksensitive Sensoren sind dem Fachmann bekannt.
Die Schienen können aus jedem beliebigen Material hergestellt werden, das eine derartige Steifigkeit aufweist, dass eine Verbiegung der Schienen oder eine Torsion der Vorrichtung während der Messung verhindert wird. Gleichzeitig muss die Masse der Vorrichtung möglichst gering sein, um die durch die Massenträgheit hervorgerufene relative Bewegung der Vorrichtung am Bein zu minimieren. Geeignete Materialien für die Schienen sind beispielsweise Stähle, verstärkte, vorzugsweise glasfaserverstärkte, oder unverstärkte Kunststoffe, wie beispielsweise Polystyrol, Polypropylen, Polyurethan, Polyoxymethylen, Polymethylmetacrylat, Polyethylenterephthalat, Polybuthylenterephthalat, Polyethersulfon, Polycarbonat, Polyamid oder Polyesterharze oder Hartfasergewebe. Die Oberflächen der Schienen im Überlappungsbereich sind glatt ausgestaltet, um die optische oder drucksensitive Messung zu erleichtern. Alternativ können die Oberflächen im Überlappungsbereich auch mit einer zur optischen Messung geeigneten Beschichtung überzogen werden. Geeignete Beschichtungen sind dem Fachmann bekannt.
Die Schienen können entweder direkt oder über eine Unterfütterung auf dem zu untersuchenden Bein befestigt werden. Geeignete Unterfütterungen bestehen vorzugsweise aus Schaumstoffen, wie z.B. Polyurethan oder Styropor, und ermöglichen eine weitgehend schmerzfreie anatomische Anpassung der Schienen an die Körperform. Vorzugsweise weisen die Schienen weiterhin Befestigungselemente auf, mit denen die Schienen am Ober- bzw. Unterschenkel befestigt werden können. Die Befestigung muss derart gewählt werden, dass die Vorrichtung auch unter Einfluss von Bewegung und Belastung einen dauerhaft korrekten Sitz aufweist und es zu keiner Verschiebung der Vorrichtung am Bein kommt. Geeignete Befestigungselemente sind beispielsweise spannbare Klettverschluss- oder unelastische Klebebänder. Alternativ könnten die Schienen auch in eine orthesenähnliche Vorrichtung eingearbeitet werden. Dabei muss die Beweglichkeit der ersten und zweiten Schiene im Überlappungsbereich vollständig erhalten bleiben. Durch eine zusätzliche Ummantelung der Messapparaturen könnten zudem der Patient vor Verletzungen und die Messinstrumente vor Beschädigungen geschützt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung, bei dem vorzugsweise die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommt. Das Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung umfasst die Schritte
-Positionieren einer zweiten Schiene, die an einem Ende eine Abtastfläche mit mindestens zwei Positionsmarkierungen enthält, längs auf einer Seite eines Unterschenkels, so dass die Abtastfläche direkt über dem Kniedrehpunkt positioniert ist,
-Positionieren einer ersten Schiene, die an einem Ende eine Detektorfläche mit mindestens zwei Positionsmarkierungen enthält, längs der gleichen Seite eines Oberschenkels, so dass die Detektorfläche direkt über der Abtastfläche positioniert ist, wobei die Positionsmarkierungen auf der Detektorfläche Sensoren sind, -Bestimmen der Koordinaten der Positionsmarkierungen mittels der Sensoren der Detektorfläche
-Errechnen des Kniewinkels und der Tibiaverschiebung aus den ermittelten Koordinaten mittels trigonometrischer Funktionen.
Der zweite Ansatz zur Bestimmung der Tibiaverschiebung basiert somit auf einem Verfahren zur Positionsbestimmung von zweidimensionalen Koordinaten mittels optischer Sensoren. Durch die Koordinatenmessung mit zwei optischen Sensoren kann die Position der Sensorfläche bezüglich der Abtastfläche genau ermittelt werden. Anhand der ermittelten Positionen werden dann der Kniewinkel und die Tibiaverschiebung berechnet. Die geometrischen Zusammenhänge sind in Fig. 4 dargestellt.
Als optische Sensoren werden zwei optische Mäuse eingesetzt, die sich in den Punkten Si und S2 im Abstand d vom Mittelpunkt Ms der Sensorfläche befinden. Die Punkte Si und S2 liegen auf einer Geraden, die durch Ms verläuft. Wird eine Maus verwendet, die, wenn sie bewegt wird, nur die relative Positionsänderung misst, wird die absolute Position der Sensorfläche separat bestimmt. Hierzu wird vorab eine Startposition festgelegt, die die Nulllage zwischen den beiden Flächen darstellt (Fig. 3, links). In der Startposition kreuzen sich die obere und die untere Schiene direkt über dem Kniegelenk, so dass die Mittelpunkte der Abtast- (Ma) und der Sensorfläche (Ms) identisch sind. Die Positionsmarkierungen liegen mittig übereinander. Der Kniewinkel q>4 wird auf einen Bezugswinkel φ 4 der Größe 180° festgelegt. In der Startposition ist das zu untersuchende Bein also durchgestreckt (Fig. 4).
Jede Position der Sensorfläche wird durch die absoluten Koordinaten S} : (xsi , ys ) und S2 : (xs2, ys2) gekennzeichnet. Die y-Achse des (x,y)-Koordinatensystems wird so definiert, dass sie denselben Richtungssinn wie die zweite Schiene am Unterschenkel hat. Als Koordinatenursprung wird der Mittelpunkt Ma auf der Abtastfläche gewählt. Durch diese Festlegungen werden die Formeln zur Berechnung der Tibiaverschiebung ΔΥ vorteilhafterweise deutlich vereinfacht. Grundsätzlich entspricht die Tibiaverschiebung ΔΥ dem Anteil vom Abstand Am der zwei Mittelpunkte Ms : (xMs, YMS) und Ma : (xMa, ywia), der senkrecht zum Unterschenkel (us) steht. Da gemäß der jetzigen Definitionen Ma die (x,y)- Koordinaten (0,0) besitzt und die x-Achse senkrecht zum Schienbein liegt, ist die Tibiaverschiebung ΔΥ gleich der x-Koordinate des Punktes Ms .
Figure imgf000020_0001
Der Kniewinkel φ4 setzt sich aus dem Bezugswinkel 4 und dem Drehwinkel ω4 zwischen Abtast- und Sensorfläche zusammen. Durch Beinbewegungen kann der Winkel ω4 Werte zwischen 0° und 180° annehmen, GM kann somit über den Kosinussatz für ein rechtwinkliges Dreieck bestimmt werden, da die Kosinusfunktion in diesem Bereich eineindeutig ist.
Figure imgf000020_0002
Die Koordinaten der Sensoren 5, und S2 werden nach jeder Positionsänderung auf
Grundlage der vorherigen Koordinaten S und S' ? sowie der Bewegungsdaten Δ6 und AS2 der optischen Sensoren neu bestimmt. Da die Daten die Bewegung eines optischen Sensors relativ zur vorherigen Sensorposition charakterisieren, beziehen sich diese nicht auf das (x.y)-Koordinatensystem, sondern auf ein (a.b)-Koordinatensystem, das um den Winkel ω4 ' in Bezug auf das (x,y)-System gedreht ist. ω4 ' stellt hierbei den Drehwinkel in der vorherigen Position dar.
Figure imgf000021_0002
In der Startposition befinden sich die Sensorpunkte Si und S-i auf der x-Achse des (x,y)-Koordinatensystems. Es gilt somit:
Figure imgf000021_0001
Die Messung der Bewegungsdaten AS und AS2 wird immer in der Startposition begonnen. Für die erste Berechnung werden deshalb anstelle der vorherigen Koordinaten die Startwerte eingesetzt:
Figure imgf000021_0003
Mit den so erhaltenen Koordinaten können die Tibiaverschiebung und der Kniewinkel bestimmt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Diagnoseverfahren zur Bestimmung des Zustands des vorderen Kreuzbandes umfassend die Schritte Anlegen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung der zweiten Ausführungsform zur Bestimmung der Tibiaverschiebung am stehenden Säugetier, Anpassen der Vorrichtung an die Größenverhältnisse des Säugetiers, wobei die erste Schiene an der Außenseite des Oberschenkels und die zweite Schiene an der Außenseite des Unterschenkels derart positioniert wird, dass sich der Überlappungsbereich in der Höhe des Kniegelenkes, d.h. neben dem Kniegelenk, befindet und die Positionsmarkierungen auf der ersten und zweiten Schiene exakt übereinander liegen, Bewegung des Knies und kontinuierliche Aufnahme der Positionsverschiebung der Positionsmarkierungen während der Bewegung, Errechnen der Tibiaverschiebung an Hand der ermittelten Positionsverschiebungen für jeden Bewegungszustand und Bestimmen des Zustands des vorderen Kreuzbandes aus der errechneten Tibiaverschiebung. Vorzugsweise wird das Diagnoseverfahren am Menschen durchgeführt. Die Bewegung des Knies kann im entlasteten und belasteten Zustand erfolgen. Dabei sind sowohl Aufwärts- und/oder Abwärtsbewegungen auf der Stelle als auch in Kombination mit Vorwärts-, Rückwärts- und/oder Seitwärtsbewegungen, wie Gehen, Laufen und/oder Springen während der Messung umfasst. Da das Knie unter mechanischen Gesichtspunkten betrachtet kein einachsiges Gelenk ist, muss anfänglich eine Kalibrierung durchgeführt werden. In der Kalibrierungsphase führt der Patient mehrmals eine Kniebeugung und -Streckung aus. Diese als Fahrkurve bezeichnete Bewegung wird aufgenommen und abgespeichert. Bezüglich dieser Normkurve kann die Auswerteeinheit Abweichungen feststellen.
Sowohl der Kniewinkel als auch die zugehörige Tibiaverschiebung können mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen und den beschriebenen Verfahren korrekt bestimmt werden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Verfahren weisen eine Reihe von Vorzügen auf. Insbesondere lässt sich das Gerät mobil einsetzten und kann vom Träger oder Patienten im täglichen Leben, einschließlich bei sportlicher Betätigung getragen werden. Dies ermöglicht dem Träger eine höhere Lebensqualität und eröffnet völlig neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten. Die Messung der Tibiaverschiebung in der Bewegung kann beispielsweise zur genauen Analyse der Beanspruchung des Kniegelenks im Rehabilitationsverlauf eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich die Belastung des Knies während der Rehabilitation individuell zu dosieren, um die Rehabilitationszeiten zu verkürzen, ohne den Erfolg der Operation zu gefährden. Da die erfindungsgemäßen Vorrichtungen seitlich des Beines angebracht werden, können die Vorrichtungen auch während eines operativen Eingriffs angelegt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch die geeignete Länge einer Kreuzbandplastik bereits auf dem OP-Tisch angepasst und überprüft werden.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist am Beispiel des Kniegelenkes beschrieben worden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können selbstverständlich auch an allen anderen Gelenken eingesetzt werden, bei denen der Zustand des Bandapparates durch eine Verschiebung der anliegenden Knochen bestimmbar ist. Geeignete Gelenke sind beispielsweise Fuß-, Hüft-, Schulter-, Ellenbogen-, Hand-, Finger- oder Zehengelenke.
Zudem ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich die Verdrehung des Gelenkes in Längsrichtung, als Maß der Abweichung der Vorrichtung von der Messebene zu bestimmen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung an der rechten Seite eines Knies und eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung an der linken Seite desselben Knies anzulegen, wobei aus der Differenz der Messwerte der beiden Vorrichtungen auf die Rotation (bzw. Verdrehung) des Knies um die Längsachse geschlossen wird. Dieses Verfahren kann sowohl in der Diagnostik als auch in der Endoprothetik vorteilhaft eingesetzt werden.
Im Folgenden soll die Anmeldung an Hand von Ausführungsbeispielen und Figuren nähre erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform Fig. 2 den geometrischen Zusammenhang zur Bestimmung der Tibiaverschiebung bei der Ausführungsform nach Fig. 1
Fig. 3 einen schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform
Fig. 4 den geometrischen Zusammenhang zur Bestimmung der Tibiaverschiebung bei der Ausführungsform nach Fig. 3
Fig. 5 die durchschnittliche Tibiaverschiebung
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als Funktion des Kniewinkels φ4 gemessen mit einer Vorrichtung nach Fig. 1
Fig. 6 die Variationsspanne der Tibiaverschiebung
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als Funktion des
Kniewinkels <p4 gemessen mit einer Vorrichtung nach Fig. 1. Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Tibiaverschiebung. Die Vorrichtung stellt ein Viereck dar, das aus vier Schienen, nämlich einer ersten Schiene 10, einer zweiten Schiene 20, einer dritten Schiene 30 und einer vierten Schiene 40, zusammengesetzt wird. An der ersten Schiene 10 ist die dritte Schiene 30 drehbar befestigt. Die dritte Schiene 30 ist mit ihrem zweiten Ende 34 auf der Hälfte der ersten Schiene 10 montiert. Ein Gelenk 50 stellt die drehbare Verbindung zwischen der ersten Schiene 10 und der dritten Schiene 30 dar. Durch die Schienen 10, 30 wird eine Ebene definiert. Das Gelenk 50 ist in der durch die Schienen 10, 30 definierten Ebene drehbar, aber ansonsten starr. Am ersten Ende 32 der dritten Schiene 30 ist ein erstes Ende 42 der vierten Schiene 40 drehbar über ein Gelenk 52 befestigt. Die Drehebene des Gelenkes 52 entspricht der Drehebene des Gelenks 50, so dass die vierte Schiene 40 ebenfalls in der von der ersten Schiene 10 und der dritten Schiene 30 definierten Ebene liegt. An einem zweiten Ende 44 der vierten Schiene 40 ist die zweite Schiene 20 drehbar über ein Gelenk 54 befestigt. Die Drehebene des Gelenkes 54 entspricht der Drehebene der Gelenke 50 und 52, so dass die zweite Schiene 20 ebenfalls in der von der ersten Schiene 10, der dritten Schiene 30 und der vierten Schiene 40 definierten Ebene liegt. Das Gelenk 54 ist auf der zweiten Schiene 20 ungefähr auf der Hälfte angebracht. Drei Ecken des Vierecks werden durch die Gelenke 50, 52, 54 fixiert. Die vierte Ecke stellt einen Überlappungsbereich 16 dar, der aus der Überlappung des ersten Endes 12 der ersten Schiene 10 und des ersten Endes 22 der zweiten Schiene 20 gebildet wird. Im Überlappungsbereich 16 sind erste und zweite Schiene 10, 20 nicht oder nur lose miteinander verbunden, so dass sich die Schienen 10 und 20 frei in der Ebene bewegen können, die durch die Schienen 10, 20, 30, 40 definiert wird. Die Länge der ersten Schiene 10 beträgt 32 cm, die Länge der zweiten Schiene 20 beträgt 25 cm und die Länge der dritten und vierten Schienen 30, 40 beträgt jeweils 12 cm. Die Breite der Schienen beträgt 3 cm und die Stärke 0,2 cm. Die Schienen bestehen aus VA-Stahl.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird für die Messung an der Außenseite eines Beines positioniert. Dabei liegt die erste Schiene 10 auf dem Oberschenkel 46 auf, wobei die Längsachse der Schiene 10 zum Oberschenkelknochen parallel ist. Das zweite Ende 14 der ersten Schiene 10 weist in Richtung der Hüfte. Die zweite Schiene 20 ist auf dem Unterschenkel 48 positioniert. Dabei liegt die zweite Schiene 20 derart auf dem Unterschenkel 48 auf, dass die Längsachse der Schiene 20 zum Unterschenkelknochen parallel ist. Das zweite Ende 24 der zweiten Schiene 20 weist in Richtung des Fußes. Der Überlappungsbereich 16 liegt direkt vor dem Knie. Der Kniewinkel wird von dem Innenwinkel φ4 zwischen der ersten Schiene 10 und der zweiten Schiene 20 abgebildet.
An den drei Gelenken 50, 52, 54 sind in den Drehpunkten zwischen den Schienen Drehpotentiometer als Winkelmesser 26 eingebaut. In einer einfachsten Ausgestaltung stellen die Drehpotentiometer gleichzeitig die Gelenke 50, 52, 54 dar. Da die zu messenden Innenwinkel Werte im Bereich von 0 bis 180° annehmen können, müssen die Drehpotentiometer einen Drehwinkel von mindestens 80° besitzen. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich lineare Drehpotentiometer mit einem maximalen Drehwinkel comax von 270°. Die zu messenden Innenwinkel werden mit φ1 , φ2 und q>3 bezeichnet, wobei mit <p1 der Innenwinkel zwischen der ersten Schiene 10 und der dritten Schiene 30, mit φ2 der Innenwinkel zwischen der dritten Schiene 30 und der vierten Schiene 40 und mit φ3 der Innenwinkel zwischen der vierten Schiene 40 und der dritten Schiene 30 bezeichnet wird. Damit φ1 , φ2 und φ3 mit einer möglichst hohen Genauigkeit gemessen werden, werden die Potentiometer so eingesetzt, dass für jeden Gelenkwinkel cpi (i=1 , 2, 3) der Größe 90° der entsprechende Drehwinkel <x>j 135° beträgt. Dadurch wird eine Messung in den Randbereichen der Widerstandsbahn der Potentiometer vermieden. An die äußeren Kontakte der Drehpotentiometer wird eine Gleichspannung Vdd angelegt. Die Polung erfolgt hierbei derart, dass eine Vergrößerung des Drehwinkels ω, auch die Spannung U, am Schleifer erhöht. Als Schleifer wird der Kontakt, der den Spannungsteiler eines Potentiometers bildet und den Gesamtwiderstand Ri-g in zwei Teilwiderstande teilt bezeichnet. Auf Grundlage der Formeln für den elektrischen Widerstand und den Gesamtwiderstand zweier in Reihe geschalteter Teilwiderstände können aus den Messwerten für die Teilspannungen U1 , U2 und U3 die Winkel φ1 , φ2 und φ3 berechnet werden. Aus den Winkeln φ1 , φ2 und q>3 und den bekannten Längen der dritten Schiene 30 und vierten Schiene 40 können dann die Tibiaverschiebung und der Kniewinkel φ4 gemäß den Gleichungen 1 bis 7 mit Hilfe eines Mittels zur Berechnung 28 berechnet werden. Bei dem Mittel 28 handelt es sich um eine Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise einen PC. Die Übertragung der Messdaten von den Winkelmessern 26 auf die Datenverarbeitungseinheit erfolgt kabellos. Fig. 2 zeigt die geometrischen Zusammenhänge der Berechnung.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Tibiaverschiebung. Die zweite Ausführungsform basiert auf der zweidimensionalen Bestimmung von Koordinaten mittels optischer Sensoren. Die Vorrichtung weist eine erste Schiene 10 und eine zweite Schiene 20 auf. An ihren ersten Enden 12, 22 sind die ersten Schiene 10 zu einer runden Fläche F 2 und die zweite Schiene 20 zu einer runden Fläche F22 erweitert. Die Flächen Fi2 und F22 weisen einen Durchmesser D von 15 cm auf und bilden den Überlappungsbereich 16. Im Überlappungsbereich 16 sind ersten und zweite Schiene 10, 20 nicht oder nur lose miteinander verbunden, so dass sich die Schienen 10 und 20 lateral frei bewegen können. Die Länge der ersten Schiene 10 und der zweiten Schiene 20 beträgt 37,5 cm. Die Breite der Schienen beträgt 5 cm und die Stärke 0,25 cm. Die Schienen bestehen aus Hartfaserplatten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird für die Messung an der Außenseite eines Beines positioniert. Dabei liegt die erste Schiene 10 seitlich am Oberschenkel 46 an, wobei die Längsachse der Schiene 10 zum Oberschenkelknochen parallel ist. Das zweite Ende 14 der ersten Schiene 10 weist in Richtung der Hüfte. Die zweite Schiene 20 ist am Unterschenkel 48 positioniert. Dabei liegt die zweite Schiene 20 derart am Unterschenkel 48 an, dass die Längsachse der Schiene 20 zum Unterschenkelknochen parallel ist. Das zweite Ende 24 der zweiten Schiene 20 weist in Richtung des Fußes. Der Überlappungsbereich 16 liegt direkt neben dem Knie, d.h. in Höhe der Kniescheibe. Der Kniewinkel wird von dem Innenwinkel q>4 zwischen der ersten Schiene 10 und der zweiten Schiene 20 gebildet. Auf den Flächen F12 und F22 befinden sich jeweils zwei Positionsmarkierungen M. Auf der ersten Schiene 10 sind die Positionsmarkierungen mit M10| und M 0n und auf der zweiten Schiene 20 sind die Positionsmarkierungen mit M2oi und M2on bezeichnet. Die Positionsmarkierungen M10i und M 0n bzw. M2oi und M20n weisen zueinander einen Abstand A auf. Der Abstand A beträgt 10 cm. Der Abstand A und die Position der Positionsmarkierungen M10i und M1011 sowie M2oi und M2on sind auf den beiden Flächen F12 und F22 exakt an der gleichen Stelle. Dadurch liegen die Positionsmarkierungen in der Grundstellung genau übereinander (Fig. 3, links). Bei Bewegung des Knies und der daraus resultierenden Tibiaverschiebung bewegen sich die Flächen F12 und F22 unterschiedlich voneinander und die Position der Positionsmarkierungen M 0i und M 0n bzw. M2oi und M2on weicht voneinander ab. Vorzugsweise sind die Positionsmarkierungen M10i und M-ion als optische Sensoren 36 ausgestaltet. Aus der Verschiebung Am der durch die Positionsmarkierungen M-mi und M-ion bzw. M20i und M2on gebildeten Achsen können dann die Tibiaverschiebung und der Kniewinkel <p4 gemäß den Gleichungen 8 bis 1 1 mit Hilfe eines Mittels zur Berechnung 38 berechnet werden. Bei dem Mittel 38 handelt es sich um eine Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise einen PC. Die Übertragung der Messdaten von den optischen Sensoren 36 auf die Datenverarbeitungseinheit erfolgt kabellos. Fig. 4 zeigt die geometrischen Zusammenhänge der Berechnung. Beispiel 1
Als funktioneller Test wurde ein Prototyp der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 am gesunden Bein eines Probanden angebracht und mehrere Messreihen aufgenommen. Während der Aufnahme einer Messreihe wurde eine bestimmte motorische Bewegung wiederholt ausgeführt. Es werden drei Bewegungsformen untersucht. Bei der ersten Messreihe soll die Belastung des Knies möglichst gering sein. Dazu beugt und streckt der Proband das Bein mit der Messeinrichtung in der Luft, während sein Gewicht nur auf dem zweiten Bein ruht. Kniebeugen aus der Hocke in den Stand stellen die zweite Bewegungsform dar. Hierbei tragen die Knie das volle Körpergewicht. Bei der dritten Messreihe wird eine stärkere Belastung durch Sprünge in die Höhe erzeugt. Die einzelnen Bewegungen üben unterschiedlich starke Belastungen auf das Knie aus, so dass die Messreihen entsprechend unterschiedliche Ergebnisse für die Tibiaverschiebung liefern.
Fig. 5 zeigt die durchschnittliche Tibiaverschiebung ΔΤ als Funktion des Kniewinkels q>4. Es ist eindeutig ersichtlich, dass die gemessene Tibiaverschiebung von den Belastungen auf das Knie abhängt. Die mittlere Tibiaverschiebung ΔΤ ist ohne die Einwirkung von äußeren Belastungen am geringsten. Während des gesamten Bewegungsvorgangs ändert sie sich über eine Spanne von etwa 4,5 mm. Dies ist auf die Abrollbewegung des Oberschenkelknochens auf dem Schienbein zurückzuführen. Bei Kniebeugen, die eine leichte Belastung erzeugen, ist ΔΥ um bis zu 4 mm größer, wobei die Differenz mit größer werdendem Kniewinkel <p4 abnimmt. Bei den Sprüngen treten stärkere Belastungen im Moment des Abdrückens und beim Wiederaufkommen auf. Der Verlauf des dritten Graphen weist dementsprechend zwischen 100° und 140° eine verstärkte Verschiebung auf, die bis zu 15 mm betragen kann. Alle Messreihen zeigen im Bereich von 95° ein lokales Minimum, steigen mit wachsendem Kniewinkel an und fallen wieder ab, wenn das Kniegelenk in den durchgestreckten Zustand übergeht. Dies ist auf die nicht einachsige Funktionsweise des Kniegelenks und die Tatsache zurückzuführen, dass alle Bewegungen nur in die vertikale und nicht in die horizontale Richtung (wie z.B. beim Gehen oder Laufen) erfolgten. Fig. 6 zeigt die die statistische Auswertung der Messergebnisse. An der Variationsspanne der Tibiaverschiebung
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als Funktion des Kniewinkels <p4 ist zu erkennen, dass die Ergebnisse für die Tibiaverschiebung unterschiedlich variieren. Die ersten beiden Messreihen schwanken in einem relativ gleich bleibenden Bereich von unter 5 mm unabhängig vom Kniewinkel. Die Messung weist also eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit auf. Beim Springen hingegen treten größere Spannen bis über 35 mm auf. Die Ursache dafür liegt in den einzelnen Sprüngen, die in ihrer Ausführung, d.h. in ihrer Sprunghöhe und dem eingesetzten Kraftaufwand naturgemäß unterschiedlich ausfallen. Die Ergebnisse der Messungen belegen somit, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung geeignet sind, qualitativ verwertbare Resultate zu erzielen. Der Kniewinkel konnte mit einer Genauigkeit von ca. einem Viertel Grad und die Tibiaverschiebung mit einer Exaktheit im Bereich von Hundertstel-Millimetern bestimmt werden. Zudem wurde der Proband durch das Gestell in seinem Bewegungsablauf nicht behindert, so dass erfindungsgemäß Messungen in der Bewegung durchgeführt werden können.
Bezugszeichenliste
10 erste Schiene
12, 22, 32, 42 erstes Ende
14, 24, 34, 44 zweites Ende
16 Überlappungsbereich
20 zweite Schiene
26 Mittel zur Winkelmessung
28, 38 Mittel zur Berechnung
30 dritte Schiene
36 optischer Sensor
40 vierte Schiene
46 Oberschenkel
48 Unterschenkel
50, 52, 54 Gelenk
A Abstand
D Durchmesser
F Fläche
M Positionsmarkierung φ1 , φ2, φ3, φ4 Winkel

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung aufweisend
-eine erste Schiene (10) mit einem ersten Ende (12) und einem zweiten Ende (14), die geeignet ist, am Oberschenkel (46) eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die erste Schiene (10) im Wesentlichen parallel zum Oberschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist,
-eine zweite Schiene (20) mit einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (24), die geeignet ist, am Unterschenkel (48) eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die zweite Schiene (20) im Wesentlichen parallel zum Unterschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist, wobei erste und zweite Schiene (10, 20) derart angeordnet sind, dass die ersten Enden (12, 22) einen Überlappungsbereich (16) ausbilden, -eine dritte Schiene (30) aufweisend ein erstes Ende (32) und ein zweites Ende (34), wobei die dritte Schiene (30) mit dem zweiten Ende (34) drehbar an der ersten Schiene (10) befestigt ist,
-eine vierte Schiene (40) aufweisend ein erstes Ende (42) und ein zweites Ende (44), wobei die vierte Schiene (40) mit dem zweiten Ende (44) drehbar an der zweiten Schiene (20) befestigt ist und wobei die dritte und vierte Schiene (30, 40) an ihren ersten Enden (32, 42) drehbar miteinander verbunden sind,
-und ein Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Schiene (10, 20) im Überlappungsbereich (16).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass erste und dritte Schiene (10, 30), zweite und vierte Schiene (20, 40) und/oder dritte und vierte Schiene (30, 40) über ein Gelenk (50, 52, 54) miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gelenk (50, 52, 54) entlang der Längsachse der Schienen (10, 20, 30, 40) verschiebbar angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und dritte Schiene (10, 30) einen Winkel (φ1), die zweite und vierte Schiene (20, 40) einen Winkel (φ3), die dritte und vierte Schiene (30, 40) einen Winkel (q>2) und die erste und zweite Schiene (10, 20) einen Winkel (φ4) aufspannen, wobei die Winkel (φ1) und (φ3) gleich groß sind und die Winkelsumme 360 0 beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schiene (10) und/oder zweite Schiene (20) eine Ausdehnung in Längsrichtung im Bereich von 10 bis 60 cm, vorzugsweise im Bereich von 15 bis 45, weiter bevorzugt im Bereich von 20 bis 35 cm aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schiene (30) und/oder vierte Schiene (40) eine Ausdehnung in Längsrichtung im Bereich von 5 bis 40 cm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 30, weiter bevorzugt im Bereich von 12 bis 20 cm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung Mittel (26) zur Messung der Winkel (φ1 , φ2, <p3) aufweist.
:. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26) zur Messung der Winkel (φ1 , φ2, φ3) Drehpotentiometer sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung Mittel (28) zur Berechnung der Tibiaverschiebung aus den gemessenen Winkeln (φ1 , φ2, φ3) aufweist.
0. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (28) eine Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise ein PC ist.
11. Vorrichtung zur Messung der Tibiaverschiebung aufweisend
-eine erste Schiene (10) mit einem ersten Ende (12) und einem zweiten Ende (14), die geeignet ist, am Oberschenkel (46) eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die erste Schiene (10) im Wesentlichen parallel zum Oberschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist,
-eine zweite Schiene (20) mit einem ersten Ende (22) und einem zweiten Ende (24), die geeignet ist, am Unterschenkel (48) eines Säugetiers befestigt zu werden, wobei die Befestigung derart erfolgt, dass die zweite Schiene (20) im Wesentlichen parallel zum Unterschenkelknochen in Relation zu diesem fixiert ist, wobei erste und zweite Schiene (10, 20) derart angeordnet sind, dass die ersten Enden (12, 22) einen Überlappungsbereich (16) ausbilden, -mindestens jeweils zwei Positionsmarkierungen (Mi, Mu) auf der ersten und zweiten Schiene (10, 20) im Überlappungsbereich (16) und
-ein Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung der ersten und zweiten Schiene (10, 20) im Überlappungsbereich (16).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Enden (12, 22) der ersten und/oder zweiten Schiene zu einer Fläche (F12, F22) erweitert sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens jeweils zwei Positionsmarkierungen (M|, Mu) auf den Flächen (F12, F22) an einander gegenüberliegenden Stellen angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarkierungen mindestens einen optischen Sensor (36) aufweisen.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bestimmung der relativen Verschiebung mindestens ein Mittel (38) zur Berechnung der Tibiaverschiebung aus der Verschiebung der mindestens jeweils zwei Positionsmarkierung (Mi, Mu) aufweisen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (38) eine Datenverarbeitungseinheit, vorzugsweise ein PC ist.
17. Verfahren zur Bestimmung der Tibiaverschiebung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 an der rechten Seite eines Knies und eine zweite Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 an der linken Seite desselben Knies angelegt wird, wobei aus der Differenz der Messwerte der beiden Vorrichtungen auf die Rotation des Knies um seine Längsachse geschlossen wird.
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