APPARATUS FOR THE DETERMINATION AND IMPROVEMENT OF THE FUNCTIONAL CAPABILITY OF THE LOCOMOTOR SYSTEM OF MAN

Abstract: 1. Device for determining and improving the efficiency of the locomotor system of humans, in particular its extremities, comprising a holding device (12) which serves to accommodate the extremity and which can rotate by means of a drive motor (15) about a shaft (14) corresponding to a joint axis, accommodated in the holding device (12), of an extremity (13), characterized in that the drive shaft (20) is provided with a measured angle sensing device (22) and a torque sensing device (23).

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extremitäten, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens. Die Ermittlung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen nach objektiven Kriterien und die quantitative Erfassung des Grades der Funktionsfähigkeit,sowohl beim kranken Menschen als auch beim gesunden,ist ein bis zum heutigen Tage ungelöstes Problem geblieben. Zwar ist durch die Elektromyographie eine Untersuchungsmethode geschaffen worden, die mittelbar einen Schluss auf die Funktionsfähigkeit bzw. Beweglichkeit von Gliedmassen zulässt,sie erlaubt jedoch bei bestimmten Arten von Funktionsstörungen von Gliedmassen keine Aussage Uber den Grad des Defektes. aarüberhinaus ist ebenfalls die Verbesserung der Funktionsfähigkeit eines als defekt erkannten Bewegungsapparates unter Festlegung quantitativer Bewegungsparameter ebenfalls ein bis heute ungelöstes Problem. Ein physikalisches Training beispielswefse erkrankter GliedmaBen wird bis zum heutigen Tage durch ausgebildete Therapeuten ausgefUhrt, jedoch weist das eben durch einen Menschen ausgeführte Training der Glied massen den Nachteil auf, dass die Bewegungstherapie trotz Ge Ubtheit. und Nühe des Therapeuten niemals unter beliebig oft nach Art und Grösse reproduzierbaren Bewegungskriterien vonstatten gehen kann. Schliesslich erfordern therapeutische Bewegungsabläufe zur Yerbesserung der Funktionsfähigkeit der 61iedeassen vom Therapeuten einen Uber längere Zeit zu erbringenden erheblichen Kraftaufwand, so dass auch aus diesem Grunde der Zeitdauer einer Therapie natürliche im Menschen liegende Grenzen gesetzt sind. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Yorrichtung zu schaffen, Mit denen es möglich ist, für diagnostische und Testzwecke die Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen sowohl kranker als auch gesunder Hen- schen anhand objektive und qualitativer Bewegungsparameter zu ermitteln und sie ebenfalls für therapeutische Zwecke einsetzen zu können, so daB auch Bewegungsabläufe Uber langandauernde Zeiträume hinweg frei von therapeutischem Personal unter Beachtung beliebig reproduzierbarer qualitativer und quantitativer Betriebs parameter vonstatten gehen können. Gelöst wird die Aufgabe gemäss der Erfindung dadurch, dass bei der Ausführung des Verfahrens die Extremität zunächst in einer ihrer Anatomie entsprechend ausgebildeten gelenkigen Haltevorrichtung angeordnet wird, die nachfolgend unter dem Einfluss eines die Haltevorrichtung von aussen beaufschlagenden Drehmoments entweder In Richtung oder entgegen der Richtung des vom Bewegungsapparat der Extrenität ausgeübten Dreh moments verdreht wird. Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das die Haltevorrichtung mit der darin angeordneten menschlichen Extremi- tät von aussen beaufschlagende Drehmoment zu diagnostischen und therapeutischen Zwecken in Bezug auf seine Grösse variabel einstellbar ist und somit die Extremität aktiv verdrehen kann, so dass diese alle gewünschten Dreh- bzw. Bewegungsgrade durch laufen .kann, wozu ein anderes bekanntes Verfahren (DE-OS 29 12 981) nicht in der Lage ist, da dort die zu untersuchenden Extremitäten lediglich feste Blattfedereinrichtungen zur Ermittlung bestimmter Bewegunnsgrössen der Extremität verbiegen und der Verbi egungsgrad entsprechend gemessen und angezeigt wird. Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die von der Extremität auf die Haltevorrichtung ausgeübten Kraftund Drehmomentparameter und der Grad der Verdrehung erfasst und sichtbar gemacht, so dass die das Verfahren überwachende Bedienungsperson sich sofort einen Oberblick über die momentane Funktionsfähigkeit der untersuchten Extremität machen kann. Vorteilhafterweise kann das von aussen die Haltevorrichtung beaufschlagende Drehmoment derart eingestellt werden, dass der Drehwinkel der die Extremität aufnehmenden Haltevorrichtung von der Extremität noch bei entspannter Extremitätenmuskulatur veränderbar ist. Durch diese Massnahme kann sowohl eine "passive" Messung erfolgen, falls der Gelenkdrehwinkel bei in einem der zu untersuchenden Person möglichen Grade entspannter Muskulatur verkürzt oder verlängert wird, als auch eine "aktive" Messung, bei der die zu untersuchende Person durch wilikürliche Muskelinnervation ein Drehmoment entweder in Richtung der Drehrichtung der Haltevorrichtung (konzentrische Messung), oder in entgegengesetzter Richtung (exzentrische Messung) ausübt. Zu diesem Zweck muss das die Haltevorrichtung von aussen beaufschlagende Drehmoment in seiner Grösse definiert einstell- bar sein. Vorzugsweise ist deshalb ebenfalls die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Haltevorrichtung um ihr Gelenk gedreht wird, definiert einstellbar. Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird die Winkelgeschwindigkeit bei beliebigem Betrag und beliebiger Richtung konstant eingestellt, da-die Bewegung der Extremität bei der Diagnnse kein konstantes Drehmoment voraussetzt, sondern der Extremität vielmehr eine konstante Geschwindigkeit auferzwungen werden soll. Der Vorteil ist, dass die Geschwindigkeit der Extremität sich auch bei maxl malen Krafteinsatz durch die zu untersuchende Person nicht ändern kann. Weitere Vorteile sind schliesslich, dass die Messung vollständig reproduzierbar wiederholt werden kann und somit keine durch Massenträgkeit und Dämpfung verursachten Einflüsse auf die Messung Einfluss nehmen. Darüberhinaus hat das so ausgefUhrte Verfahren den Vorteil, dass auf die zu untersuchende Person während des Verfahrensverlaufes kein negativer und subjektiver Einfluss ausgeht, da die Geschwindigkeit konstant bleibt, unabhängig davon, ob diese ihre Ex tremität entgegen der Bewegungsrichtung der Haltevorrichtung hält, oder ob sie ihre Extremität entspannt. Gemäss einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Yerfahrens ist die Winkelgeschwindigkeit beim Durchlaufen einer Bewegung der Haltevorrichtung mit darin aufgenommener Extrem ität nicht konstant. Durch die Veränderung der Winkelgeschwindigkeit, die sowohl von der das Verfahren überwachenden Bedienungsperson als auch durch vorgegebene Steuerprogrammschritte bewirkt werden kann, können bestimmte Effekte besonderer Art, beispielsweise ein geschwlndigkeltsabhängiges Zittern der Muskeln, erfasst werden. Bei Anwendung des Verfahrens zu therapeutischen Zwecken kann ebenfalls je nach Art der Therapie oder einzelner Therapieschritte die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung der Haltevorrichtung konstant oder nichtkonstant gewählt werden. Bestimmte Verfahrensabläufe der Bewegung der Haltevorrichtung für therapeutische Zwecke fordern während des Ablaufes eines Bewegungszyklus eine vielfältige Parameteränderung, deren gesonderte Eingabe durch die das Verfahren überwachende Bedienungsperson nur sehr mühsam zu vollziehen ist. Deshalb kann vorteilhafterweise die Halt:evorrichtung vor der Verdrehung mit der darin angeordneten Extremität von der Bedienungsperson in einem gewünschten Bewegungszyklus bewegt werden, wobei dessen Bewegungsparameter beim Durchlaufen des Bewegungszyklus erfasst werden, so dass die Haltevorrichtung eine dieser Bewegung entsprechende Bewegung nachfolgend anhand dieser erfassten Bewegungsparameter selbständig ausführen kann. Der durch die Bedienungsperson ausgeführte Bewegungszyklus wird also vor der nachfolgenden selbständigen Bewegung zuvor in Bezug auf seine Parameter wie die Beschleunigung und die Geschwindigkeit analysiert. Das Verfahren wird dann nachfolgend zum Zwecke der Therapie, aber nicht ausschliesslich dafür, selbständig und beliebig oft ausgeführt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Lösung der Aufgabe weist eine der Aufnahme einer Extremität dienenden Haltevorrichtung auf, die durch einen Antriebsmotor um eine der in der Haltevorrichtung aufgenommenen Gelenkachse einer Extremität entsprechenden Achse drehbar ist. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt einerseits darin, dass sie gerade für die angestrebto Dauereinsatzfähigkeit geeignet ist und zwar durch ihren robusten Aufbau, anderer seits Jedoch, da it Ihr insbesondere der menschliche Bewegungsapparat untersucht bzw. trainiert werden soll, aus psychologischen Gründen unauffällig gestaltet ist. Von Vorteil darüberhtnaus ist, dass die Haltevorrichtung selbst bei Aufnahme so untersrhiedlicher Extremitäten wie Arme und Beine grundsätrlich den gleichen Aufbau hat, was wegen der Niedrighaltung der Kosten für Herstellung, Ersatzteil lagerhaltung und Wartung erhebliche Vorteile hat. Darüberhinaus ist auch die Steuerung des Antriebes der Vorrichtung beim Einsatz ¯beispielsweise #ur Bewegung des Beines eines Menschen und zur Bewegung eines Armes,grundsStzlich-die gleiche, so dass auch hier keine zusätzlichen konstruktiven Massnahmen nötig sind. Vorzugsweise ist der Antriebsmotor in Form eines Schrittmo- tors ausgebildet, der über ein Getriebe sit der Achse der Haltevorrichtung verbünden ist. Das Vorsehen eines Schrittrotors als Antriebsiotor der Vorrichtung hat den Vorteil, dass bei einem Ausfall der elektronischen Steuereinrichtungen kein Hochlaufen des Antriebsmotors erfolgen kann, wie dies beispielsweise bei einer Regelung In Verbindung mit einem Gleich- strommotor geschehen konnte, vit den sich daraus ergebenden nachteiligen Folgen für die zu untersuchende Person und die Vorrichtung selbst. Bei Oberlast des Schrittmotors bleibt dieser einfach stehen. Vorzugsweise ist zwischen dem Getriebe und der Achse der Haltevorrichtung eine Kupplungseinrichtung angeordnet, die den Antrieb der Haltevorrichtung durch den Schrittiotor unterbricht, und zwar einmal durch eine Steuereinrichtung oder einen Rechner, wenn beispielsweise ein von einer Bedienungsperson eingegebenes maximales Drehmoment überschritten wirdmduenn durch die Bedienungsperson oder die zu untersuchende Person eine Unterbrechung erfolgt, beispielsweise in einer Gefahrensituation, und bei mechanischem Ausrasten der Kupplung bei Oberlast, beispielsweise'.bei Ober schreiten eines bestimmten vorgegebenen Drehmoments der Kupplung aufgrund ihrer Bauform. Obwohl grundsätzlich die Achse des Antriebsmotors mit oder ohne Getriebe direkt mit der Achse der Haltevorrichtung verbunden sein kann, ist gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die Achse der Haltevorrichtung über eine Zahnradanordnung mit der Antriebsachse verbunden, wobei die Zahnräder selbst vorzügsweise Uber einen Zahnriemen miteinander verbunden sind. Eine derartige Ausbildung der Vorrichtung ermöglicht auf einfache Weise über das Obersetzungsverhältnis Einfluss auf die nötige Motorleistung zu nehmen und gestattet es, den Antriebsmotor unterhalb der Achse bzw. unterhalb der Haltevorrichtung insgesamt anzubringen, so dass der eigentliche Antrieb der Vorrichtung für die zu untersuchende Person nicht sichtbar angeordnet werden kann, was aus psychologischen Gr-ünden besonders vorteilhaft ist. Schliesslich wird damit auch vermieden, dass der Antriebsmotor hinderlich in den Bereich der Bedienungsperson bzw. In den der zu untersuchenden Person hineinragt. Vorzugsweise ist die Antriebsachse mit einer Messwinkelauf nahmeeinrichtung sowie einer Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments versehen. Die gesonderte Messwinkelaufnehmeeinrich- tung gestattet die Feststellung selbst kleinster Winkeländerungen, beispielsweise bis zu einer Winkelauflösung von 2 Zehntel Grad und darunter. Die Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments. und dessen Darstellung in Abhängigkeit vom Drehwinkel erlaubt eine schnelle Evaluation des Zustandes der zu untersuchenden Person und dient ebenfalls der Erfassung des Drehmoments für gesonderte theoretische Betrachtungen, wenn beispielsweise durch Integration die Muskelverspannarbeit bzw. Leistung berechnet werden soll. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen mit ihr verbundenen Rechner, der die Bewegung der Haltevorrichtung über den Antriebsmotor in Abhängigkeit programmierbarer Bewegungs- und Drehmomentparameter steuert. Der Rechner, der den elektrischen Antrieb der Vorrichtung und die Auswertung der Messgrössen in Abhängigkeit von sonstigen Parametern übernimmt und die Aufgabe der für die Bedienungsperson entsprechend aufbereiteten Daten übernimmt, kann in Form eines Mikroprozessors aber auch in Form eines beliebigen anderen Rechners ausgebildet sein. Insbesondere dann, wenn mehrere der Vorrichtungen zu einer Diagnostikund Therapieeinhelt zusammengefasst sind, beispielsweise zur gleichzeitigen Bewegung der Beine und Arme, kann die Steuerung auch durch gröbere Prozessrechner erfolgen, die ihrerseits selbst wiederum mehrere dieser Einheiten gleichzeitig steuern und überwachen können. Mit der Vorrichtung werden vorzugsweise die bei der Bewegung der Haltevorrichtung um ihre Achse durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit durch sie selbst verursachten Kräfte erfasst und nachfolgend zur Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung typischen tatsächlichen Bewegungsparameter einer Extrerität miniealisiert Vorzugsweise erfolgt die Erfassung dieser Parameter vor der Untersuchung einer Person bzw. bevor eine Therapie mit ihr ausgeführt wird, indem die Parameter mit einer leeren Haltevorrichtung bei einem ersten Eichlauf aufgenommen werden. Die ermittelten Eichparameter werden zur Korrektur der nachfolgend bei einer Diagnose er ermittelten Messwerte ¯ herangezogen, so dass die tatsächlichen Bewegungsparameter zur Beurteilung und zur datenmässigen Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen. Zur Diagnose als auch zur objektiven Beurteilung eines Therapieerfolges werden die bei der Vorrichtung auftretenden Be wegungsparaxeter, wie das Drehmoment der Haltevorrichtung als Funktion ihres Verdrehungswinkels, der zeitabhängige Verdrehungswinkel als Funktion eines Drehimpulses sowie die Verdrehungsarbeit und Leistung ermittelt und mit Aufzeichnungsmitteln aufgezeichnet, so dass die Bedienungsperson sofort einen Oberblick über die therapeutische Wirksamkeit der Bewegungsmass nahme hat. Das gleiche gilt für den Fall der Diagnostik. Auch kann sich die Bedienungsperson ebenfalls sehr schnell Informationen. darüber verschaffen, ob eine medikamentöse Behandlung der behandelten Person einen sichtbaren Niederschlag in der Beweglichkeit der Extremität gehabt hat. Die Ermittlung und Aufzeichnung der Bewegungsparameter der Haltevorrichtung mit darin angeordneter Extremi tät erfolgt vorzugsweise für jede Drehrichtung gesondert, so dass die Bedienungsperson sich noch schneller und eingehender über die Beweglichkeit der zu untersuchenden Extremität informiert wird. Als Aufzeichnungsmittel eignet sich insbesondere ein Koordinatenschreiber aber auch ein Plotter oder dergleichen. Schliesslich ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung vorteilhaft, wenn die ermittelten Bewegungsparmeter durch Anzeigemittel, beispielsweise in Form von Bewegungsverläufen auf einem Bildschirm und/oder auf gesonderten digitalen Anzeigeei nr;chtungen in Form ihrer exakten Werte angezeigt werden. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Vor richtung zur Aufnahme einer Extremität in Form eines menschlichen Armes, Fig. 2 in perspektivischer Darstellung eine Drauf sicht auf ein Gestell mit zwei Vorrichtungen zur Aufnahme menschlicher Arme und einer Vor richtung zur Aufnahme eines menschlichen Bei nes unter Weglassung einer Ruhefläche für den Menschen, Fig. 3 eine Draufsicht auf das in Fig. 2 dargestellte Gestell mit umrissartig dargestellten Menschen unterschiedlicher körperlicher Grösse mit teil weise in der Haltevorrichtung angeordneten Ex tremi täten > Fig. 4 ein BlÏckschaltbild der Vorrichtung zur Dar stellung der Steuerungsfunktionszusammenhän ge, Fig. 5 ein Blockschaltbild der Ansteuerungs elektronikeinheit und Fig. 6 ein Schaltbild der Steuerschaltung der Kup plungseinrichtung. Der mechanische Teil der Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einer Haltevorrichtung 12, die der Aufnahme einer Extremität 13 dient. Die Haltevorrichtung 12 weist eine geeignet ausgebildet Achse 14 auf, um die diese schwenkbar ist. Die Haltevorrichtung 12 umfasst zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordnete Stege 120, die über einen u-förmig ausgebildeten Quersteg 121 miteinander auf der einen Seite verbunden sind. Durch die Schenkel des u-förmig ausgebildeten Querstegs 121 geht die Achse 14 der Haltevorrichtung 12 hindurch. Die freien Enden der Stege 120 weisen Schlitze 122 auf, in denen ein Handgriff 123 verschiebbar und durch Feststellmittel 124 feststellbar angeordnet ist. Durch eine Abschlussplatte 125 wird die Haltevorrichtung 12 im wesentlichen parallel zu ihrer Achse 14 an ihrem freien Ende abgeschlossen. Zwischen Quersteg 121 und dem zur Achse 14 weisenden Ende der Schlitze 122 ist eine Einrichtung 126 zum Festhalten der Extremität 13 angeordnet. Die Einrichtung 126 ist entsprechend der Grösse und Art der Extremität 13 ausgebildet, die in ihr aufgenommen werden soll, beispielsweise in Form eines Armes oder eines Beines. Lagereinrichtungen 127 zu beiden Seiten der verschwenkbaren Querstrebe der HalteVorrichtung 12 sind auf einer Unterlage, beispielsweise in Form eines Gestells 11 geeignet befestigt. Unterhalb der Achse 14 ist im wesentlichen parallel zu dieser Achse ein Antriebsmotor 15 angeordnet, der mit einem Getriebe 16,einer Kupplungseinrichtung 17 und einem Zahnrad 19 versehen ist. Ober einen Zahnriemen 21 treibt der Antriebsmotor 15 ein Zahnrad 18 an, das auf der Achse 14 der Haltevorrichtung 12 angeordnet ist. Durch diese Anordnung der durch den Antriebsmotor 15, das Getriebe 16 und die Kupplungseinrichtung 17 und das Zahnrad 19 hindurchgehenden Antriebsachse 20 im wesentlichen unterhalb der Achse 14 ist es möglich, das liegeartige Gestell 11 frei von wesentlichen Teilen der Vorrichtung 10 zu halten, so dass nachteilige psychologische Wirkungen auf die Testperson bzw. den. Patienten nicht befürchtet zu werden brauchen. Auf der Antriebsachse 20 ist ebenfalls auf geeignete Weise eine Messwinkelaufnehmeeinrichtung 22 in Form eines Winkeldekoders angeordnet, der elektrische Impulse liefert, die von der nachfolgend.noch beschriebenen elektronischen Steuerung erfasst und ausgewertet werden. Die zwei-kanaligen Impulse (2 Kanal Vor-Rückwärtserkennung + 1 Indeximpuis) werden je nach Phasenlage zueinander vor- und rückwärts gezählt, so dass dadurch ein absoluter Zählerstand in einem noch später beschriebenen Rechner 24 existiert.Der Winkeldekoder besteht aus einer "500 - Loch - Scheibe", wobei durch eine Vierfachauswertung somit 2000 Stellunqen pro Umdrehungen unterschieden werden können, woraus eine Auflösung von 0,18 resultiert. Zwischen Zahnrad 19 und Kupplungseinrichtung 17 ist eine Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments angeordnet. Die Einrichtung 23 ist in Form eines Dehnungs-Messstreifenaufnehmers ausgebildet. Bei Verdrehung der Antriebsachse 20 beim Antrieb der Haltevorrichtung 12 erfolgt bei einem entgegen der Drehung des Antriebsmotors gerichteten Drehmoment eine Verdrehung der Einrichtung 23 relativ zur Antriebsachse 20 des Antriebsmotors 15, in dem ein Drehmomentaufnehmer, der hier in Form eines Biegebalkenaufnehrners ausgebildet ist der Teil der Einrichtung 23 ist, unter dem Einfluss der durch das Gegendrehmoment auf ihn ausgeübten Kraft verbogen wird. Das Verbiegen wird durch die Dehnungs ¯essstreifen in eine Widerstandsänderung umgesetzt und diese wiederum in einerBrückenschaltung in eine Spannungsänderung, wobei die durch das Gegendrehmoment ausgeübte Kraft direkt proportional der Spannungsänderung ist. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Mehrzahl von Einrichtungen, die der Steuerung der Haltevorrichtung 12 dienen, vgl. Fig. 4. Die Vorrichtung 10 weist einen Rechner 24 auf, der sowohl in Form eines nur diese eine Vorrichtung steuernden Mikro- prozessors als auch in Form eines handelsüblichen Prozessrechners ausgebildet sein kann. Der Rechner 24 ist über eine Ansteuerelektronik 27 mit dem Antriebsmotor verbunden. Ebenfalls mit dem Rechner verbunden ist die Kupplungseinrichtung 17, die ebenfalls von aussen durch die Bedienungsperson oder die zu untersuchende Person deaktivierbar ist, was symbolisch durch die Leitung 170 dargestellt ist und nachfolgend noch beschrieben wird. Die zuvor schon beschriebene Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments ist Uber einen Verstärker 231, ein Tiefpassfilter 232. einen Verstärker 233 und einen Analog Digital-Wandler 234 mit dem Rechner 24 verbunden. Das von der Einrichtung 23 kommende Signal wird im Verstärker 231 verstärkt und in dem nachfolgend angeordneten Tiefpassfilter 232 geglättet. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters 232 verläuft direkt proportional der Geschwindfgkeit des Antriebsmotors 15. Dadurch werden höherfrequente Anteile, die keine Aussagen zur gewünschten Messung der Bewegungsparameter liefern, beseitigt. Die Frequenz dieser Störungen, hervorgerufen durch mechanische Resonanzen und Schwingungen der Vorrichtung 10 oder gegebenenfalls des gesamten Gestells 11, sind geschwindigkeitsabhängig, d. h. durch die Verknüpfung der Eckfrequenz des Tiefpassfilters 232 mit der Umdrehungsgeschwindigkeit des Antriebsmotors 15 erreicht man automatische die fehlerfreien Messwertaufnahmen im richtigen Frequenzbereich. Nachfolgend wird das Signal durch den Verstärker 233 zur Pufferung des diesem nachfolgenden Analog-Dlgital-Wandlers 234 gepuffert. Der Erfassungs- bzw. Messbereich der Einrichtung 23 zur Aufnahme des Drehmoments beträgt im vorliegenden Fall + 120 Nm. Dieser Messbereich wird durch den im vorliegenden Fall beschriebenen 12 bit Analog-Digital-Wandler 234 so digitalisiert, dass die kleinste Auflösung 0,06 Nm beträgt. Schliesslich ist die zuvor schon erwähnte Messwinkelaufnehmeeinrichtung 22, die ebenfalls digitale Signale liefert, mit dem Rechner 24 verbunden Dieser Winkeldecoder 22 dient eigentlich nur zur Kontrolle der Stellung der Extremität. Ausserdem kann die Stellung der Extremität bei ausgekuppeltem Antrieb gemessen werden (z. B.: notwendig bei Aufnahme der Winkelstellung für Therapiebewegung). Bei der eigentlichen Messung (=Diagnose) wird die Winkelstellung durch ein Mitzählen der Motorimpulse gewonnen. (Bei 1200 Bewegung werden an die Motorsteuerung ca. 16.000 Impulse gegeben - d. h. die maximale Auflösung beträgt: 1200/16000= 0,0075 ). Dies ist ein weiterer Vorteil der Verwendung des Schrittmotors 15. Die Ansteuerelektronikeinrichtung 27 setzt eine ankommende Impulsfolge in die notwendigen Stromzustände der einzelnen 4 Phasen des Schrittmotors 15 um. Diese einzelnen Zustände sind einem Ringzähler zugeordnet, der bei jedem Impuls (abhängig vom Eingang vorwärts/rückwärts) um eine Stellung weiterschaltet. Der Strom einer einzelnen Phase wird von einer gechoppten bipolaren Brückschaltung erzeugt. Mit der Ansteuerungselektronikeinrichtung 27 ist ein Bit Rate-Multitlier 28 verbunden, der wiederum vom Rechner 24 gesteuert wird. Im Bit-Rate-Multitlier 28 wird vom Rechner 24 gesteuert eine Frequenzfolge erzeugt, die wiederum zur Bewegung des Antriebsmotors 15 dient, wie es zuvor im Zusammenhang mit der Darstellung der Funktion der Ansteuerungselektronikeinrichtung 27 beschrieben worden ist. Es können Frequenzen von 0 bis 8000 Hz mit einer Auflösung von 2 Hz erzeugt werden. Der Rechner rauss, um die Taktiolge für den Antriebsmotor 15 aufrecht zu erhalten, eine ständige Aktion (Jede 1/100 sek.) durchführen, d. h. ein Monoflop 29 muss ständig vom Rechner 24 getriggert werden. Wird diese Bedingung nicht eingehalten, beispielsweise bei evtl. Ausfall des Rechners 24, wird die Frequenzfolge durch das Gatter 30 unterbrochen und der Antriebsmotor 15 stoppt sofort. Die Bedienungsperson oder ggf. die zu untersuchende bzw. zu behandelnde Person kann dann die Kupplung 17 durch einen Not-Aus-Schalter 171 öffnen. Die der Kupplungseinrichtung 17 zugeordnete Steuerschaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Sie besteht aus einem Relais 172 sit drei getrennten 50hliesskontakten,einells Transistor 173, einem Optokoppler 174 und neben dem Uffner 171 aus einem weiteren Uffner 175 sowie einem Schliesser 176. Vom Rechner 24 erhält der Optokoppler 174 ein Signal, so dass der Transistor 173 leitend wird. Sind die beiden Uffner 171 (Not-Aus-Uffner) und der Uffner 175 geschlossen, und wird der Taster 176 gedrückt,so zieht das Relais 172 an, da der Stromkreis über die positive Versorgungsspannung, den Taster 176, die Uffner 175 und 171 über die Spule des Relais 172 und über den Transistor 173 zur Masse geschlossen ist. Die Schalter des Relais werden nachfolgend geschlossen und das Relais 172 hält sich selbst. Der Taster 176 kann wieder losgelassen werden. Die Kupplungseinrichtung 17 kann nun über die an der Ausgangsklemme der Steuerschaltung liegende positive Versorgungsspannung, da es sich um eine Magnetkupplung handelt, geschlossen werden. Die zwischen der positiven Versorgungsspannung und der zur Kupplungseinrichtung 17 führenden Ausgangsklemme der Steuerschaltung geschaltete Reihe#schaltung aus Kondensator 177 und Widerstand 178 dient zur Glättung bzw. Entstörung der Schaltung, ebenso wie die Diode 179 zwischen der zur Kupplungseinrichtung 17 führenden Ausgangsklemme der Steuerschaltung und der Masse. Der Rechner 24 kann über eine von der Masse über einen Kontakt des Relais 172 geschalteten Fühlerleitung den momentanen Zustand der Kupplungseinrichtung 17 überwachen, beispielsweise wenn durch Drücken des Uffners 171 (Not-Aus-Schalter) die Kupplung deaktiviert worden ist oder zur Oberprüfung der Deaktivierung der Kupplungseinrichtung 17 über den Optokoppler 174 und den Transistor 173 durch den Rechner 24 selbst. Die Kupplungsein richtung 17 bleibt nun solange deaktiviert, bis der Schlie sser 176 gedrückt worden ist, unter der Voraussetzung, dass -der Rechner 27 über Optokoppler 174 den Transistor 173 leitend schaltet. An den Rechner 24 ist noch ein.Aufzeichnungsmittel 25 25 in Form eines Druckers, Plotters oder in Form eines Koordinatenschreibers angeschlossen, sowie ein Anzeigemittel 26 in Form eines Slchtgerätes. Nach dem Betten einer Person auf einer Unterlage auf dem Gestell 11 wird eine oder werden mehrere Extremitäten 13 in die jeweilige Haltevorrichtung 12 der Vorrichtung bzw. Vorrichtungen 10 eingelegt und dort mittels der Einrichtung 126 festgehalten. Von der Bedienungsperson werden nun über eine dem Rechner 24 zugeordnete Eingabetastatur neben dem Datum der Uhrzeit,der zeichnung der Person und der Bedienungsperson und einem evtl. Kommentar,die bewegungsspezifischen Parameter wie Bewegungsdauer, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkelbereich und maximal einzuhaltendes Drehmoment sowie Angaben zur Formatierung der ermittelten Werte bei der Darstellung im Aufzeich nungsmittel 25 bzw. i Anzeigemittel 26 eingegeben. Vor der eigentlichen Aufnahme der Extremltät 13 in der Vorrichtung 10 erfolgt jedoch nach jedem Neu-Einschalten des Geräts, beispielsweise einmal am Tag, die Aufnahme einer Eichkurve der Vorrichtung, d. h. es werden die die Reibung in den Lagern der Haltevorrichtung 12, die durch das Gewicht der Haltevorrichtung 12 und die durch seine Trägheit verursachten Messfehler verursachenden Parameter mit der leeren Haltevorrichtung 12 ermittelt, so dass diese nachfolgend bei der Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung 12 mit eingelegter Extrernität 13 typischen Bewegungsparameter berücksichtigt werden können, inde sie inimalisiert werden. Nach Eingabe der Parameter in den Rechner 24 wird die Kupplungseinrichtung 17 aktiviert und die Haltevorrichtung 12 wird beispielsweise auf ¯Messbereich Anfang Streckung11 positioniert. Nachfolgend erfolgt die Messung "Streckung", Daran anschliessen kann beispielsweise ein Positionieren auf ¯Mess- bereich Anfang Beugung erfolgen und nachfolgend die Messung Beugung". Anschliessend wird die Kupplung deaktiviert. Nachfolgend erscheint beispielsweise der oder die ermittelten Messwerte, beispielsweise in Form eines auf einem Plotter dargestellten Diagramms. Dieser für einen Diagnostikfall typische Verfahrensablauf kann anschliessend beliebig oft unter Variation einzelner Bewegungsparameter wiederholt werden und erlaubt somit eine objektive und quantitative beliebig oft reproduzierbare Erfassung des Grades der Funktionsfähigkeit des jeweils untersuchten Bewegungsapparates eines Menschen Für therapeutische Zwecke vollzieht sich die Eingabe der Parameter in den Rechner 24 auf gleiche Weise und nachdem diese abgeschlossen ist, vollführt die Vorrichtung mit in der Haltevorrichtung 12 eingelegter Extremität 13 die den eingegebenen Befehlen entsprechenden Bewegungsabläufe. Zu diesem Zweck ist es möglich, dass der Bewegungsablauf für therapeutische oder Trainingszwecke anhand eines bestimmten vorgegebenen Programms durchgeführt wird, es ist jedoch auch mögl-ich, dass die Bedienungsperson die von der Vorrichtung 10 nachfolgend automatisch zu durchlaufenden Bewegungszyklen zunächst durch Bewegung der Haltevorrichtung 12 In Echtzeit vorgibt und der Rechner dabei die durch die Bedienungsperson geführte Bewegung der Haltevorrichtung in Bezug auf Beschleunigung und Geschwindigkeit analysiert und speichert, so dass die Vorrichtung 10 anhand dieser Werte die Bewegung bei der Therapie selbständig oft ausführen kann. Schliesslich besteht noch die Möglichkeit einer Verknüpfung von Therapie und Diagnose, indem beispielsweise zunächst die Parameter einer Person für diagnostische Zwecke gemessen werden, nachfolgend dann eine bestimmte Anzahl von Therapiebewegungen durchgeführt wird, und dann anschliessend wiederum eine Messung der Person zu diagnostischen Zwecken erfolgt und schliesslich hachfolgend die Auswertung durch den Rechner 24. Darüberhinaus sind beliebige andere Kombinationen von Therapie-und Diagnoseschritten mit dem hier beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung 10 möglich, je nach der Art der Funktionsstörung des Bewegungsapparates. Sowohl beim Einsatz der Vorrichtung 10 für diagnostische Zwecke als auch zum Zwecke der Therapie wird :om Rechner 24 ständig das von der Bedienungsperson eingestellte maximale Drehmoment der Haltevorrichtung 12, seine Winkelstellung, das Auslösen einer Notsituation durch Drücken einer der beiden Uffner 171 und 174 und das Auslösen einer Notsituation durch Eingabe beliebiger Tasten am Terminal überwacht. Vom Rechner 24 wird nach der Ermittlung der entsprechenden Bewegungsparameter das maximal vorkommende Drehmoment für Beugung und Streckung, die Drehmomentarbelt für Beugung und Streckung, die Hysterese (Arbeit Beugung - Arbeit Streckung) und die Leistung für Beugung und Streckung berechnet. Diese Werte weren vorzugsweise Im Klartext auf einem Aufzeichnungsmittel 25, beispielsweise einem Plotter dargest#Ilt. Ebenfalls dargestellt werden auf dem Aufzelchnungsmittel 25 in grafischer Form Winkel-Zelt-Diagramm für Beugung und Strek kung und ein Fourier-Spektrum für Beugung und Streckung Das dargestellte Fourier-Spektrum gibt eine Aussage über die Frequenzanteile, die bei Wirikeländerungen der Haltevorrichtung 12 bei der Messung auftreten, d. h. die vom Verdrehungswinkel abhängigen und vom statistischen bzw. dynamischen Betrieb abhängigen überlagerten Messwertschwankungen, die relativ zum jeweiligen bzw. momentanen Messzust.#nd existieren, können vorzugsweise im Sinne einer Fourier-Analyse ausgewertet werden. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Vorrichtung 231 Verstärker 11 Gestell 232 Tiefpassfilter 12 Haltevorrichtung 233 Verstärker 120 Steg 234 Analog-Digital-Wandler 121 Quersteg 24 Rechner 122 Schlitz 25 Aufzeichnungsmittel 123 Handgriff 26 Anzeigemittel 124 Feststellmittel 27 Ansteuerelektronik125 Platte einrichtung 126 Einrichtung zum Festhalten 28 Bit-Rate-Multitlier der Extremität 29 Monoflop 14 Achse 30 Gatter 15 Antriebsmotor 16 Getriebe 17 Kupplungseinrichtung 170 Leitung 171 Uffner 172 Relais 173 Transistor 174 Optokoppler 176 Schliesser 1 77 Kondensator 178 Widerstand 179 Diode 18 Zahnrad 19 Zahnrad 20 Antriebsachse 21 Zahnriemen 22 Messwinkelaufnehmeeinrichtung 23 Einrichtung zur Aufnahme des Drehmoments

Claims: PATENTANSPROCHE 1. Verfahren zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extreaitäten, dadurch gekennzeichnet, dass die Extre mität zunächst in einer ihrer Anatomie entsprechend ausgebildeten gelenkigen Haltevorrichtung angeordnet wird, die nachfolgend unter dem Einfluss eines die Haltevorrichtung von aussen beaufschlagenden Drehmomentes entweder in Richtung oder entgegen der Richtung des vom Bewegungsapparat der Ex tremität ausgeübten Drehmomentes verdreht wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Extremität auf die Haltevorrichtung ausgeübten Kraft- und Drehmoientparameter und der Grad der Verdrehung der Haltevorrichtung erfasst und/oder sichtbar gemacht werden. 3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das von aussen die Haltevorrichtung beaufschlagende Drehmoment derart gross eingestellt wird, dass der Drehwinkel der die Extremität aufnehmenden Haltevorrichtung von der Extremität noch bei entspannter Extremitätenmuskulatur veränderbar ist. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Haltevorrichtung um ihr Gelenk gedreht wird, einstellbar ist. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit bei beliebigem Geschwindigkelts- betrag und beliebiger Richtung konstant ist. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit bei Durchlaufen einer Bewegung der Haltevorrichtung nicht konstant ist. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung vor der Verdrehung mit der darin angeordneten Extremität vom Bediener in einem gewünschtenBewegungsprogrambewegt wird, wobei dessen Bewegungsparameter beim Durchlaufen des Bewegungszyklus erfasst werden, so dass die Haltevorrichtung eine dem vorherigen Beweoungsprogranmentsprechende Bewegung nachfolgend anhand dieser erfassten Bewegungsparameter selbständig ausführen kann. 8. Vorrichtung zur Ermittlung und Verbesserung der Funktionsfähigkeit des Bewegungsapparates des Menschen, insbesondere seiner Extremitäten, zur Ausführung des Verfahrens nach An spruch 1 > gekennzeichnet durch eine der Aufnahme der Extremi- tät (13) dienende Haltevorrichtung (12), die durch einen An triebsmotor (15) um eine der in der Haltevorrichtung (12) aufgenornuenen Gelenkachse einer Extremität (13) entsprechenden Achse (14) drehbar ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (15) ein Schrlttmotor ist, der über ein Getriebe (16 > mit der Achse (14) der Haltevorrichtung (12) verbunden ist, 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Getriebe (16) und der Achse (14) der Haltevorrichtung (12) eine Kupplungseinrichtun (17) angeordnet ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (17) bei einem frei wählbaren höchstzulässigen Drehmoment automatisch auslöst. 12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis II, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (14) der Haltevorrichtung (12) über eine Zahnradanordnung (18, 19) mit der Antriebsacbse (20) verbunden ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder (18, 19) über einen Zahnriemen (21) miteinander verbunden sind. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis t3, dadurch gekennzeichnet, daS die Antriebsachse (20) mit einer Messwinkelaufnehmereinrichtung (22) sowie einer Einrichtung (23) zur Aufnahme des Drehmomentes versehen ist. 15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 14. dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel der Haltevorrichtung (12) über den Antriebsmotor (15) steuernde Taktimpulse erfasst wird. 16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine den tatsächlichen Drehwinkel des Gelenks einer Extremität erfassende Winkel aufnehme rel nri chtung unmittelbar auf der Extremität angebracht ist. 17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit ihr verbundenen Rechner (24) umfasst, der die Bewegung der Haltevorrichtung (12) über den Antriebsmotor (15) in Abhängigkeit programmierbarer Bewegungs- und Drehmomentsparameter steuert. 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Bewegung der Haltevorrichtung (12) um ihre Achse (14) durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit durch sie selbst verursachten Kräfte erfasst und nachfolgend zur Darstellung der für die Bewegung der Haltevorrichtung (12) typischen tatsächlichen Bewegungsparameter einer Extremität (13) minimalisiert werden. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (12) vor der Aufnahme einer Extremität (13) einen Bewegungszyklus zur Ermittlung einer durch Reibung, Schwerkraft und Trägheit der Haltevorrichtung (12) bedingten Eichkurve durchläuft. 20. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Vorrichtung (10) ermittelten Bewegungsparameter wie das Drehmoment der Haltevorrichtung (12) als Funktion dieses Verdreungswinkels, der zeitabhängige Verdrehungswinkel als Funktion eines Drehimpulses sowie die Verdrehungsarbei t und Leistung ermittelt und mit Aufzeichnungsmitteln (25) aufgezeichnet werden. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsparameter für jede Drehrichtung der Haltevorrichtung ( gesondert ermittelt und aufgezeichnet werden. 22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet > dass die ermittelten Bewegungsparameter durch Anzeigemittel (26) dargestellt werden. 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansrüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge eines Bewegungsablaufes kurzzeitige Schwankungen einzelner Messparameter erfolgt und analysiert werden. 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Messparaneter das Drehmoment erfasst und nach dem Prinzip der Fourier-Analyse.analysiert wird. 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekenazeichnet, dass die die Messwerte beeinflussende Eigenmasse bzw. das Eigengewicht der bewegten Teile der Extremität bei der Ermittlung von deren Bewegungsparameter berücksichtigt wird. 26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenmasse des Gelenks mittels eines zeitlich sinusförmig ablaufenden Test-Schwingungsvorgangs des Gelenks ermittelt wird.

Inventors: KONIG, HERBERT, PROF. DR.-ING., OTT, EMIL, DIPL. ING., König, Herbert, Prof. Dr.-Ing.
Applicants: GGT MEDIZIN-ELECTRONIC-SYSTEME GMBH
Application year: 1984
Main classification: A61B5
IPC codes: A61B5, A61H1