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WO2015188867A1 - Analyse und bewertung der qualität von körperbewegungen - Google Patents

Analyse und bewertung der qualität von körperbewegungen Download PDF

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WO2015188867A1
WO2015188867A1 PCT/EP2014/062262 EP2014062262W WO2015188867A1 WO 2015188867 A1 WO2015188867 A1 WO 2015188867A1 EP 2014062262 W EP2014062262 W EP 2014062262W WO 2015188867 A1 WO2015188867 A1 WO 2015188867A1
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WO
WIPO (PCT)
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transducer
transducers
measurement signal
patient
measurement signals
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2014/062262
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mario Weiss
Bernhard WELLHÖFER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GAIA AG
Original Assignee
GAIA AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to PCT/EP2014/062262 priority Critical patent/WO2015188867A1/de
Publication of WO2015188867A1 publication Critical patent/WO2015188867A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H50/00—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics
    • G16H50/20—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for computer-aided diagnosis, e.g. based on medical expert systems

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for determining the quality of a movement, in which at least one measurement signal of a transducer attached externally to a human or animal body is provided.
  • the determination of characteristic variables of the movement of a human or animal body can be of importance in particular for rehabilitation after surgical interventions, for example after an endoprosthesis of a joint (eg hip joint) and, for example, for the analysis of individual body movements, detection of errors in movement sequences Of joint loads, etc. be very important.
  • the object of the present invention is to provide an advantageous device and method (systems, etc.) for determining characteristics of the movement of a human or animal body, which supplements the known devices and methods and opens up new opportunities for statements, and methods for obtaining and Evaluation of parameters determined by means of such a device. Solutions of this object according to the invention are provided by the following aspects and exemplary embodiments.
  • At least one measurement signal of a transducer attached externally to a human or animal body is provided.
  • the at least one transducer comprises at least one position and / or acceleration sensor, which provides the measurement signal over time.
  • the measurement signal or the measurement signals are advantageously evaluated at least visually with reference to one or more positions or areas within the human or animal body.
  • the positions or areas within the body can advantageously also be visualized.
  • a value can be determined from the measurement signals of the transducer, which represents a position of the body.
  • a value can be determined from the measuring signals of the measuring transducer, which represents an activity of the body.
  • a value may be determined from the measurement signals of the transducer that visually represents a force on the positions or surfaces within the body.
  • a value from the measurement signals of the transducer which represents an activity of a muscle, can be determined.
  • one or more transducers may, for example, provide the following three types of measurement signals: accelerations, angular velocity and magnetic field.
  • a sensor fusion of several measurement signals of different transducers can be performed in order to determine an absolute orientation in space.
  • quaternions may be used to achieve simple numerical stability, to reduce the number of arithmetic operations, or to circumvent the gimbal lock problem.
  • measurement signals can be collected from one master unit per transducer and transmitted periodically, for example via a SIM card or via WLAN to a server.
  • At least one of the following motion algorithms may be applied to the measurement signals: force evaluations, movement activity, critical angles, muscular movements, or impulses.
  • the evaluations of the measurement signals can be carried out continuously and / or retroactively again.
  • the evaluation of the measurement signals can be based on data mining, in particular decision trees and naive bayes approaches.
  • forces in joints can be determined using inverse-dynamic models, in particular by anthropometric body models.
  • the transducer or transducers can be calibrated once on the patient in order to adapt them to his physical circumstances or to be calibrated by means of continuous and independent calibration of the sensors by the transducer of the transducers or centrally by the controller of the master unit.
  • Each transducer and possibly also the master unit may have its own unique ID, which allows the identification and assignment to the position on the patient.
  • the invention also provides a device for determining the quality of a movement which comprises at least one transducer which can be attached to a human or animal body and which comprises at least one position and / or acceleration sensor and which provides a measuring signal over time.
  • the device may further comprise at least one visualization means arranged such that the measurement signal can be evaluated visually with reference to one or more positions or areas within the human or animal body.
  • This visualization means is, for example, a screen of a computer or server terminal.
  • the visualization means is advantageously not arranged in the transducer or the master unit. Other aspects of the device will be apparent from the above aspects of the method.
  • a method of determining force at a point in a human or animal body comprises the steps of acquiring measuring signals over time, which indicate a relative state of a first measuring sensor arranged on the body.
  • the activity of the human or animal being can be determined in principle on the nature, duration and intensity.
  • a force on a point in the body can be determined from the measurement signals of the first transducer.
  • position, position and / or acceleration sensors are arranged in the transducer whose measurement signals are then evaluated.
  • a force on a body in particular on or in the vicinity of a joint, can be determined by at least two sensors, which detect the movements of the limbs closest to the joint and, based on the measurement signals, determine the force in the joint. This can preferably be done depending on the movement of the links.
  • the first transducer provides measurement signals that represent the location in the room. These may be coordinates with respect to a fixed reference point or the like. The same can apply to other transducers. Furthermore, the first and / or each additional transducer can also provide measurement signals which represent the instantaneous acceleration in space in three dimensions.
  • the sensor (s) may preferably comprise an acceleration sensor.
  • the transducer and other transducers may include a gyro sensor for providing measurement signals relating to a rotational movement.
  • the detected measurement signals can preferably be recorded over time and stored and / or transmitted wirelessly to an evaluation unit.
  • the measuring signals are advantageously digitized
  • the force can then be determined in a certain direction to the one or more points within the body.
  • different models, formulas, or equations can be used to determine the forces.
  • any other meaningful signal can be determined on or in the joint, or on the bone or in the muscle.
  • physiological data of the patient / subject are advantageously used. These include, for example, dimensions of the joints, weight of the subject and the weight of individual body parts, as well as the resulting position and the distance of the transducers.
  • the activation of muscle parts can also be determined and evaluated.
  • the activity pattern of the measurement signals is determined and evaluated.
  • the force applied to points or surfaces within the body can be integrated over time to determine if the joint has been overused.
  • the transducers can be advantageously calibrated.
  • the subject can assume a predetermined position or posture, etc. Then the calibration can be initialized. This can advantageously be done regularly and also advantageous after the application of the transducers.
  • the signals can advantageously be preprocessed electrically or digitally.
  • the signals can be filtered.
  • the preprocessing can be done within the transducers or on a computer, server etc.
  • a self-calibration can advantageously be carried out after the sensors have been applied.
  • body models can be used to calculate the quality of the movement. There may also be critical points; Angles, maximum or minimum angles, the quality of movement and / or stress at a point or over areas of joints or other positions within the body.
  • the anatomical conditions such as, for example, length of the bones, dimensions of the joints, distances of the sensors, weight or mass of the body parts and / or the weight of the patient can be taken into account.
  • the signals can advantageously be represented graphically. This can be done on a computer display. It is particularly advantageous if the signals are displayed together in relation to the body in a graph. By graphic selection of certain points or areas within a graphical representation of one or more parts of the body can then be given very quickly and intuitively on the quality of movements for the corresponding part of the body.
  • an app can also be provided which, for example, can run on a computer and / or portable electronic device, such as a mobile telephone.
  • This app can then already provide feedback to the subjects, whether the nature of the movements was favorable or unfavorable. If necessary, you can also contact the responsible doctor via the app, who will then be able to evaluate data.
  • the app can configure the portable electronic device so that it receives the data from one or more measured value recorded wired or wireless.
  • FIG. 2 are exemplary diagrams for time traces of measurement signals
  • FIG. 3 are exemplary diagrams for time traces of measurement signals
  • FIG. 4 is a flowchart of a process for providing values for the application of force to a joint.
  • FIG. Figure 1 is a simplified schematic illustration of a right side hip joint from the back, illustrating aspects of the invention.
  • the contour of the skin or body surface with clothing is indicated.
  • the transducers (sensors) S1 and S2 are attached to the body.
  • the first transducer S1 is arranged above the hip joint (eg at the hip).
  • the second transducer S2 is attached below the hip joint on the right leg (thigh).
  • an endoprosthesis of the hip joint can be seen on which the exemplary points P1, P2 and P2 are arranged.
  • the measurement signals of the transducers S1 and S2 are evaluated in such a way that effects on the artificial joint can be determined at the points P1, P2 and P3.
  • the transducer S2 provides the measurement signals X2, Y2 and Z2, which represent the position in space. These may be coordinates with respect to a fixed reference point or the like. Also, the transducer S2 may for this purpose preferably comprise a magnetometer.
  • the sensor S1 can also provide the measurement signals A1, B1 and C1, which represent the instantaneous acceleration in space in three dimensions.
  • the sensor S1 may preferably comprise an acceleration sensor.
  • the transducer S2 can also provide the measurement signals A2, B2 and C2, which the instantaneous acceleration in space in three Play back dimensions.
  • the transducer S2 may for this purpose preferably include an acceleration sensor.
  • FIG. 2 shows exemplary diagrams for time profiles of measurement signals X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2 as well as A1, B1, C1, A2, B2, C2 of the two transducers S1 and S2.
  • the activation of muscle parts can also be determined and evaluated.
  • the time and the type of feedback can be displayed.
  • it could be displayed on a browser or within an app (computer program) that the patient has been making a dangerous move on a particular day at a certain time. (March 17, 11 o'clock).
  • the activity of the patient can be displayed. For example, this could be the number of steps per day.
  • further information may be presented, in particular specific recommendations to the patient or the treated physician or physiotherapist.
  • a system is provided that sensor signals from transducers, which are mounted on the body of the patient (ie outside, for example. On the skin or clothing) preprocessed and transmitted by electronic data transmission to a data processing unit (SERVER).
  • SERVER data processing unit
  • the data will be evaluated and there will be a direct or indirect feedback to the doctor, the patient or others Given to individuals.
  • evaluated data and evaluations can also be transmitted to a hospital information system (HIS), for example via the Internet.
  • HIS hospital information system
  • after operations on the human body, such as joint surgery on the hip or other joints, can be reduced or even avoided by means of a system according to the invention aftertreatments. Overall, the quality of movements can be determined for the successful course of recovery.
  • gyroscope gyroscope
  • acceleration sensors gyroscope
  • magnetometers gyroscope
  • a position in space can be determined.
  • two sensor units hip, thigh
  • the sensors can be combined with the battery and a controller on a board and integrated in a sticky and easily replaceable plaster.
  • a "master” unit can be provided which collects the raw data of the three sensor types for all sensor units or transducers and, for example, also calculates the position in the room
  • the sensor units should be as small and flat as possible, and any action (such as continuous CPU processing time of the controller) that consumes energy and thus results in larger batteries should be avoided can transmit the data wirelessly.
  • a suitable solution could be the current Bluetooth 4.0 version ("low energy").
  • All four types of data are collected by the master unit per sensor unit and periodically, e.g. via a SIM card or via WLAN (private WLAN of the patient or the clinic) to the server.
  • the data from the sensor units (transducers) or a master unit can also first be transmitted to a mobile electronic device, such as a smartphone, a notebook or tablet computer or the like.
  • a corresponding app application / software / computer program
  • the mobile device can then at least partially evaluate the data, memory, compress and possibly already provide feedback.
  • the data can be transmitted in preprocessed or already more or less evaluated form of the mobile device to a data processing unit with electronic memory (database, etc.) using WLAN, Bluetooth, GPS, UMTS or the like, among others, over the Internet.
  • the data processing unit or the server stores, for example, for all patients all four types of data over time. Now different evaluation algorithms are applied to this data:
  • Another model calculates whether the muscles are properly trained by the movements in order to prevent muscle breakdown after surgery
  • assessments are advantageously based on the "data mining" environment, where various approaches to discovery and identification are known, primarily decision trees and na ⁇ ve bayes approaches, or statistical series determined by trial series.
  • the three types of sensors on the sensor units consume different amounts of power. At a frequency of e.g. 50 Hz, smaller batteries will soon be exhausted. Certain sensors should therefore be temporarily deactivated and / or operated at a lower frequency without later losing quality. The lower the power consumption, the smaller the battery. Furthermore, transferring the data to the master unit consumes power. It may advantageously be transmitted only periodically and stored therebetween on the units. Depending on the application and available energy storage or data storage and their energy consumption different transmission and storage concepts come into consideration, which manage without a master unit.
  • the present invention therefore provides, among other things, methods and apparatus that can measure, record and evaluate various physiological parameters of the joint. These include movement and rest times, bending angles and amplitudes of the joints, loads, torsion, temperature, etc.
  • the present invention allows physicians to obtain information about the quality of movement of the operated patient. Likewise, information on the quality of life and the individual pain situation of the patient is provided.
  • the operating physician or the clinic can see the quality of movement of the operated patient in the rehabilitation phase via a secure web portal as well as the physician receives additional information on the subjective pain intensity, etc. This allows targeted intervention to optimize the care of the patient.
  • the present invention can then give feedback as a trainer, how the movement behavior can be optimized. Further, the surgeon / sports physician / coach can mark fixed points on the patient's skin (e.g., via waterproof pens) and attach patches embedded sensors or transducers according to the present invention (other approaches to capture the data are also possible).
  • the present invention detects the movement of the joints in order to respond to erroneous movements and overloads.
  • the present invention detects the movement of the joints in order to respond to erroneous movements and overloads.
  • Over two hinges can advantageously be used, by means of the relative movement of the sensors relative to each other (acceleration vector) Movement and loading of the joint are closed in three-dimensional space.
  • the recording and synchronization of the motion vectors collected by the sensors takes place over time.
  • subjects are recorded by video and the actual movements are compared with the measurements, or one uses, for example, inverse-dynamic models.
  • the readout of the data from the sensors or transducers takes place, for example, wirelessly via Bluetooth, WLAN, Near Field Communication, or induction.
  • the weight of the patient can be included.
  • information on the position of the sensors and the length of the bones can be used.
  • the present invention also relates to the visualization of the measurement results.
  • the following parameters can be visualized and evaluated: the range of motion, which states which radii were covered and with which frequency.
  • the acceleration forces are also the static forces into consideration, the occurrence when the subject stands or sits.
  • certain movement patterns walking, running, sitting, getting up, etc.
  • biomechanical models for this.
  • acceleration vectors from which it is possible to deduce the movement and stress of joints.
  • the sensors or transducers can indicate the relative position to each other in three-dimensional space. These sensors also detect and store advantageously the movement behavior of the patient over several months (for example 6 months).
  • the values can be from patients themselves or be read by his orthopedist and be forwarded via the Internet to a secure server (eg once or twice a week).

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Abstract

Zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung wird mindestens ein Messsignal eines außen an einem menschlichen oder tierischen Körper befestigten Messwertaufnehmers über die Zeit aufgenommen und ausgewertet. Der Messwertaufnehmer umfasst mindestens einen Lage- und/oder Beschleunigungssensor.

Description

ANALYSE UND BEWERTUNG DER QUALITÄT VON KÖRPERBEWEGUNGEN
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung, bei denen mindestens ein Messsignal eines außen an einem menschlichen oder tierischen Körper befestigten Messwertaufnehmers bereitgestellt wird.
Hintergrund
Die Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers kann insbesondere bei der Rehabilitation nach chirurgischen Eingriffen, bspw. nach einer Endoprothese eines Gelenks (z.B. Hüftgelenks) von Bedeutung sein und dabei beispielsweise zur Analyse von einzelnen Körperbewegungen, Erkennen von Fehlern in Bewegungsabläufen, Messen von Gelenkbelastungen usw. sehr wichtig sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Einrichtung und Verfahren (Systeme, etc.) zur Bestimmung von Kenngrößen der Bewegung eines menschlichen oder tierischen Körpers bereitzustellen, welche die bekannten Einrichtungen und Verfahren ergänzt und neue Aussagemöglichkeiten eröffnet, sowie Einrichtungen Verfahren zur Gewinnung und zur Bewertung von mittels einer solchen Einrichtung bestimmten Kenngrößen. Erfindungsgemäße Lösungen dieser Aufgabe werden durch die nachfolgenden Aspekte und Ausführungsbeispiele bereitgestellt.
So werden Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung bereitgestellt, bei denen mindestens ein Messsignal eines außen an einem menschlichen oder tierischen Körper befestigten Messwertaufnehmers bereitgestellt wird. Der mindestens eine Messwertaufnehmer umfasst mindestens einen Lage- und/oder Beschleunigungssensor, der das Messsignal über der Zeit bereitstellt.
Das Messsignal oder die Messsignale werden vorteilhaft mindestens visuell unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Positionen oder Flächen innerhalb des menschlichen oder tierischen Köpers ausgewertet.
Die Positionen oder Flächen innerhalb des Körpers können vorteilhaft ebenfalls visuell dargestellt werden.
Vorteilhaft kann ein Wert aus den Messsignalen des Messwertaufnehmers bestimmt werden, der eine Position des Körpers darstellt.
Ferner kann alternativ oder kumulativ ein Wert aus den Messsignalen des Messwertaufnehmers bestimmt werden der eine Aktivität des Körpers darstellt.
Ferner kann alternativ oder kumulativ ein Wert, aus den Messsignalen des Messwertaufnehmers bestimmt werden, der eine Kraft auf die Positionen oder Flächen innerhalb des Körpers visuell wiedergibt.
Ferner kann alternativ oder kumulativ ein Wert aus den Messsignalen des Messwertaufnehmers bestimmt werden, der eine Aktivität eines Muskels darstellt.
Ferner können einer oder mehrere Messwertaufnehmer bspw. die folgenden drei Arten von Messsignalen bereitstellen: Beschleunigungen, Winkelgeschwindigkeit und Magnetfeld.
Vorteilhaft kann eine Sensorfusion mehrerer Messsignale verschiedener Messwertaufnehmer durchgeführt werden, um eine absolute Orientierung im Raum zu ermitteln.
Vorzugsweise können dabei Quaternionen verwendet werden, um eine einfache numerische Stabilität zu erreichen, um die Anzahl der Rechenoperationen zu reduzieren oder um das Problem des„Gimbal Locks" zu umgehen. Vorteilhaft können Messsignale von einer Master-Einheit pro Messwertaufnehmer gesammelt und periodisch z.B. über eine SIM-Karte oder per WLAN an einen Server übertragen werden.
Gemäß einem Aspekt kann mindestens einer folgenden Bewegungsalgorithmen auf die Messsignale angewandt werden: Kräftebewertungen, Bewegungsaktivität, kritische Winkel, Bewegungen die Muskulatur, oder Impulse.
Die Bewertungen der Messsignale können kontinuierlich und/oder rückwirkend erneut ausgeführt werden. Die Bewertung der Messsignale kann auf dem„Data Mining, insbesondere auf „decision trees" und„Naive Bayes"-Ansätze basieren.
Ferner können Kräfte in Gelenken mit Hilfe von invers-dynamischen Modellen bestimmt werden, insbesondere durch anthropometrische Körpermodelle .
Der oder die Messwertaufnehmer können vorteilhaft einmalig am Patienten kalibriert werden, um diese auf seinen körperlichen Gegebenheiten anzupassen oder mittels kontinuierlicher und selbstständige Kalibrierung der Sensoren durch den Controller der Messwertaufnehmer oder zentral durch den Controller der Master-Einheit kalibriert werden.
Jeder Messwertaufnehmer und ggf. auch die Mastereinheit kann eine eigene eindeutige ID aufweisen, welche die Identifizierung und Zuordnung zur Position am Patienten ermöglicht.
Die Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung bereit, welche mindestens einen auf einem menschlichen oder tierischen Körper anbringbarer Messwertaufnehmer umfasst, der mindestens einen Lage- und/oder Beschleunigungssensor umfasst, und welcher ein Messsignal über der Zeit bereitstellt.
Die Vorrichtung kann ferner mindestens ein Visualisierungsmittel umfassen, das so eingerichtet ist, dass das Messsignal visuell unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Positionen oder Flächen innerhalb des menschlichen oder tierischen Köpers auswertbar ist. Bei diesem Visualisierungsmittel handelt es sich bspw. um eine Bildschirm eines Computers oder Server-Terminals. Das Visualisierungsmittel ist vorteilhaft nicht im Messwertaufnehmer oder der Master-Einheit angeordnet. Weitere Aspekte der Vorrichtung ergeben sich aus den oben stehenden Aspekten des Verfahrens.
Gemäß einen Aspekt der Erfindung wird eine Verfahren zur Bestimmung der Kraft an einem Punkt in einem menschlichen oder tierischen Körper bereitgestellt. Dieses umfasst die Schritte: Erfassen von Messsignalen über die Zeit, welche einen relativen Zustand eines am Körper angeordneten ersten Messwertaufnehmers angeben. Insoweit kann hiermit bereits die Aktivität des menschlichen oder tierischen Wesens grundsätzlich nach Art, Dauer und Intensität bestimmt werden. Dieser Aspekt kann vorteilhaft mit den weiteren Aspekten der Erfindung, die nachfolgend beschrieben sind kombiniert werden.
Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung kann aus den Messsignalen des ersten Messwertaufnehmers eine Kraft auf einen Punkt in dem Körper bestimmt werden. Hierbei werden insbesondere Lage, Positions- und/oder Beschleunigungssensoren in dem Messwertaufnehmer angeordnet, deren Messsignale dann ausgewertet werden.
Ferner kann eine Kraft an einem Körper, insbesondere an oder in der Nähe eines Gelenks durch mindestens zwei Sensoren, welche die Bewegungen der dem Gelenk nächstliegenden Glieder erfassen und anhand der Messsignale die Kraft in dem Gelenk bestimmen. Dies kann vorzugsweise in Abhängigkeit von der Bewegung der Glieder erfolgen.
Der erste Messwertaufnehmer stellt beispielsweise Messsignale bereit, welche die Lage im Raum wiedergeben. Hierbei kann es sich um Koordinaten bezügliche eines festen Bezugspunktes oder ähnliches handeln. Gleiches kann für weitere Messwertaufnehmer gelten. Des Weiteren kann der erste und/oder jeder weitere Messwertaufnehmer auch Messsignale bereitstellen, welche die momentane Beschleunigung im Raum in drei Dimensionen wiedergeben. Hierzu können der oder die Messwertaufnehmer vorzugsweise einen Beschleunigungssensor umfassen.
Schließlich können der Messwertaufnehmer sowie weitere Messwertaufnehmer einen Gyrosensor zur Bereitstellung von Messsignalen betreffend eine Drehbewegung umfassen.
Die erfassten Messsignale können vorzugsweise über die Zeit erfasst und gespeichert und/oder drahtlos zu einer Auswerteeinheit übertragen werden. Die Messsignale werden vorteilhaft digitalisiert
Aus den Messsignalen kann dann die Krafteinwirkung in einer bestimmte Richtung auf die einen oder mehrere Punkte innerhalb des Körpers bestimmt werden. Grundsätzlich können hier verschiedene Modelle, Formeln, oder Gleichungen zur Bestimmung der Kräfte angewandt werden. Natürlich kann anstelle der Kraft auch jedes andere sinnvolle Signal am oder im Gelenk, oder an den Knochen oder auch im Muskel bestimmt werden. Hierzu werden vorteilhaft physiologische Daten des Patienten/Probanden verwendet. Hierzu gehören bspw. Abmessungen der Gelenke, Gewicht des Probanden sowie das Gewicht einzelner Köperteile, sowie die daraus resultierend Lage und der Abstand der Messwertaufnehmer.
Anhand der Kraftverläufe, insbesondere von Peaks aber auch zeitlichen Verläufen wird dann ermittelt, ob und ggf. wie lange bestimmte Grenzwerte bspw. überschritten werden. Aus den einzelnen Punkten kann weiter die Belastung ganzer Flächen innerhalb von Körperteilen, vorteilhaft von Gelenkinnenflächen bestimmt werden.
Auch die Aktivierung von Muskelpartien kann bestimmt und bewertet werden. Dazu wird bspw. das Aktivitätsmuster der Messsignale bestimmt und ausgwertet.
Beispielsweise kann auch die Krafteinwirkung an Punkten oder Flächen innerhalb des Körpers über die Zeit integriert werden, um festzustellen, ob das Gelenk überstrapaziert wurde.
Ferner können die Aktivität, die Benutzung in Punkten oder Flächen am oder im Körper, am oder im Gelenk oder am oder im Muskel oder am oder im Knochen bestimmt werden. Die Messwertaufnehmer können vorteilhaft kalibriert werden. Dazu kann der Proband eine vorgegebenen Position oder Körperhaltung etc. einnehmen. Dann kann die Kalibrierung initialisiert werden. Dies kann vorteilhaft regelmäßig erfolgen und ebenso vorteilhaft nach dem Anlegen der Messwertaufnehmer.
Die Signale können vorteilhaft elektrisch oder digital vorverarbeitet werden. Insbesondere könne die Signale gefiltert werden. Die Vorverarbeitung kann innerhalb der Messwertaufnehmer oder auf einem Computer, Server etc. erfolgen. Zur Bestimmung der relativen Lage der Messwertaufnahmer kann vorteilhaft eine Selbst-Kalibrierung nach dem Anlegen der Sensoren durchgeführt werden. Ferner können Körpermodellen zur Berechnung der Qualität der Bewegung angewandt werden. Es können ebenfalls kritische Punkte; Winkeln, maximale oder minimale Winkel, die Qualität der Bewegung und/oder Belastung am einem Punkt oder über Flächen von Gelenken oder anderen Positionen innerhalb des Körpers ermittelt werden. Dabei können die anatomischen Gegebenheiten, wie bspw. Länge der Knochen, Abmessungen der Gelenke, Abstände der Sensoren, Gewicht bzw. Masse der Körperpartien und/oder das Gewicht des Patienten berücksichtigt werden.
Ferner können die Signale vorteilhaft graphisch dargestellt werden. Dies kann auf einem Computerdisplay erfolgen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Signale in Bezug auf den Körper in einer Graphik gemeinsam dargestellt werden. Durch graphische Auswahl bestimmter Punkte bzw. von Flächen innerhalb einer graphischen Darstellung eines oder mehrerer Körperteile kann dann sehr schnell und intuitive über die Qualität von Bewegungen für die entsprechende Körperpartie Auskunft gegeben werden.
Ferner kann auch eine App bereitgestellt werden, die bspw. auf einem Computer und/oder portablen elektronischen Gerät, wie einem Mobiltelefon ablaufen kann. Diese App kann dann bereits Rückmeldung an den Probanden liefern, ob die Art der Bewegungen günstig oder ungünstig war. Gegebenenfalls kann über die App auch mit dem zuständigen Arzt in Verbindung getreten werden, der dann bereits bestimmt Daten auswerten kann. Vorteilhaft kann die App das tragbare elektronische Gerät so konfigurieren, dass es die Daten von einem oder mehreren Messwertaufnehmen drahtgebunden oder drahtlos übermittelt bekommt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei
FIG. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Hüftgelenks der rechten Seite von hinten ist, anhand derer Aspekte der Erfindung illustriert werden,
FIG. 2 beispielhafte Diagramme für Zeitverläufe von Messsignalen sind, FIG. 3 beispielhafte Diagramme für Zeitverläufe von Messsignalen sind,
FIG. 4 ein Flussdiagram eines Ablaufs zur Bereitstellung von Werten für die Krafteinwirkung auf ein Gelenk ist, und
FIG. 5 ein Gesamtbild des Systems mit allen Beteiligten (Messwertaufnehmer, Patienten, Server, Ärzte, etc.) ist.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsbeispiele
FIG. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Hüftgelenks der rechten Seite von hinten ist, anhand derer Aspekte der Erfindung illustriert werden. Die Kontur der Haut oder Körperoberfläche mit Kleidung ist angedeutet. Die Messwertaufnehmer (Sensoren) S1 und S2 sind am Körper befestigt. Der erste Messwertaufnehmer S1 ist oberhalb des Hüftgelenks (bspw. an der Hüfte) angeordnet. Der zweite Messwertaufnehmer S2 ist unterhalb des Hüftgelenks am rechten Bein (Oberschenkel) befestigt. Ferner ist eine Endoprothese des Hüftgelenks zu sehen auf der die beispielhaften Punkte P1 , P2 und P2 angeordnet sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Messsignale der Messwertaufnehmer S1 und S2 derart ausgewertet, dass Einwirkungen auf das künstliche Gelenk an den Punkten P1 , P2 und P3 bestimmt werden können.
Der Messwertaufnehmer S1 stellt die Messsignale X1 , Y1 und Z1 bereit, mit Hilfe derer, die Lage im Raum wiedergegeben kann. Die Raumlage basiert vorteilhaft auf einer Sensorfusion, also einer Auswertung von Signalen mehrerer verschiedener Sensortypen. Bei der Raumlage kann es sich um Koordinaten bezügliche eines festen Bezugspunktes oder ähnliches handeln.
Der Messwertaufnehmer S2 stellt die Messsignale X2, Y2 und Z2 bereit, welche die Lage im Raum wiedergeben. Hierbei kann es sich um Koordinaten bezügliche eines festen Bezugspunktes oder ähnliches handeln. Auch der Messwertaufnehmer S2 kann hierzu vorzugsweise ein Magnetometer umfassen.
Des Weiteren kann der Messwertaufnehmer S1 auch die Messsignale A1 , B1 und C1 bereitstellen, welche die momentane Beschleunigung im Raum in drei Dimensionen wiedergeben. Hierzu kann der Messwertaufnehmer S1 vorzugsweise einen Beschleunigungssensor umfassen.
Des weiteren kann der Messwertaufnehmer S2 auch die Messsignale A2, B2 und C2 bereitstellen, welche die momentane Beschleunigung im Raum in drei Dimensionen wiedergeben. Auch der Messwertaufnehmer S2 kann dazu vorzugsweise einen Beschleunigungssensor umfassen.
Schließlich kann der Messwertaufnehmer S1 sowie der Messwertaufnehmer S2 einen Gyrosensor zur Bereitstellung von Messsignalen betreffend eine Drehbewegung umfassen.
FIG. 2 zeigt beispielhafte Diagramme für Zeitverläufe von Messsignalen X1 , Y1 , Z1 , X2, Y2, Z2 sowie A1 , B1 , C1 , A2, B2, C2 der beiden Messwertaufnehmern S1 und S2.
Aus den Messsignalen wird hier beispielhaft die Krafteinwirkung FP1 , FP2 in eine bestimmte Richtung auf die Punkte P1 und P2 basierend auf den Messsignalen bezüglich der Lage (X, Y, Z) und/oder basierend auf den Messsignalen bezüglich der Beschleunigung (A, B, C).
Anhand der Kraftverläufe FP1 , FP2 ist dann zu erkennen, ob und ggf. wie lange bestimmte Grenzwerte bspw. THR1 überschritten werden. Aus den einzelnen Punkten kann weiter die Belastung von Flächen etc. bestimmt werden.
Auch die Aktivierung von Muskelpartien kann bestimmt und bewertet werden.
FIG. 3 zeigt weitere beispielhafte Diagramme für Zeitverläufe von Signalen, die aus den Messsignalen der Messwertaufnehmer S1 und S2 bestimmt werden können. Beispielsweise kann die Krafteinwirkung an Punkten oder Flächen über die Zeit integriert (Signal INTFP1 in FIG. 3) werden um festzustellen, ob das Gelenk überstrapaziert wurde.
FIG. 4 ist ein Flussdiagram eines Ablaufs zur Bereitstellung von Werten für die Krafteinwirkung auf ein Gelenk. Entsprechend werden die Daten eines Messsignals eines Messwertaufnehmers gespeichert. Dann wird eine Kraft FPX an einem Punkt aus den Messsignalen, wie nachfolgend beschrieben, bestimmt. Nachdem die Kräfte FPX alle bestimmt sind, können die Daten visuell auf einem Bildschirm, vorzugsweise anhand der Darstellung des interessierenden Körperteils, wie bspw. eines Gelenks, oder Hüftgelenks, dargestellt und visuell aber auch numerisch bewertet werden.
FIG. 5 zeigt eine illustrative Ansicht einer möglichen Ausführungsform des Gesamtsystems gemäß der Erfindung. Der Patient trägt die erfindungsgemäßen Messwertaufnehmer S1 und S2. Die von den Messwertaufnehmern S1 und S2 ermittelten Signale bzw. Daten können gemäß Option 1 beispielsweise direkt in das Internet übertragen werden (bspw. WLAN etc.). Gemäß der alternativen Option 2 können die Signale bzw. Daten der Messwertaufnehmer S1 , S2 auch zunächst an eine Smartphone oder anderes mobiles Gerät übertragen werden. Die Übertragung kann bspw. drahtgebunden (bspw. per USB Anschluss) oder drahtlos (bspw. Bluetooth) erfolgen. Das Smartphone kann die Daten dann weiter in das Internet übertragen. Über das Internet gelangen die Daten dann zu einer Datenverarbeitungseinheit SERVER, die die Bewertung der Qualtität der Bewegung nach den vorstehend und nachfolgend beschriebenen Kriterien vornimmt. Dabei werden, wie bereits erläutert, bspw. die allgemeine Aktivität, die Bewegungswinkel pro Gelenk, Kräfte in bestimmten Bereichen eines Gelenks u.v.m. beurteilt. Die Datenverarbeitungseinheit kann unter anderem dem Nutzer auch eine unmittelbare Rückmeldung geben. Dies kann bspw. darin bestehen, dass ein Warnsignal erzeugt wird, wenn der Patient eine ungeeignete Bewegung ausführt oder ausgeführt hat, oder der Patient kann zu häufigeren oder spezifischen anderen Bewegungen aufgefordert werden. Die Rückmeldung (Feedback) an den Patienten kann bspw. direkt per Email oder SMS an den Patienten, dessen Angehörigen oder auch den behandelten Arzt, den Chirurgen einer vorangegangenen oder bevorstehenden Operation oder den Physiotherapeuten gehen. Das System ist so ausgelegt, dass diese Art der Rückmeldung für alle in dem System registrierten Patienten erfolgen kann. Die Rückmeldung kann dann von dem Empfänger der Rückmeldung ausgewertet werden. Insbesondere können bspw. der Zeitpunkt und die Art der Rückmeldung angezeigt werden. In diesem Beispiel könnte auf einem Browser oder innerhalb einer App (Computerprogram) angezeigt werden, dass der Patient an einem bestimmten Tag zu einer bestimmten Zeit eine gefährliche Bewegung ausgeführt hat. (17. März, 11 Uhr). Außerdem kann die Aktivität des Patienten angezeigt werden. Beispielsweise könnten dies die Anzahl der Schritte pro Tag sein. Außerdem können weitere Informationen dargestellt werden, insbesondere konkrete Empfehlungen an den Patienten oder den behandelten Arzt oder Physiotherapeuten. Erfindungsgemäß wird also ein System bereitgestellt, dass Sensorsignale von Messwertaufnehmern, die auf dem Körper des Patienten (also außerhalb, bspw. auf der Haut oder der Kleidung) angebracht sind vorverarbeitet und mittels elektronischer Datenübertragung an eine Datenverarbeitungseinheit (SERVER) übermittelt. Die Daten werden ausgewertet und es wird eine unmittelbare oder mittelbare Rückmeldung an den Arzt, den Patienten oder andere Personen gegeben. Insbesondere können derartige ausgewertete Daten und Bewertungen auch ein Krankenhausinformationssystem (KIS), bspw. über das Internet übermittelt werden. Insbesondere nach Operationen am menschlichen Körper, wie bspw. Gelenkoperationen an der Hüfte oder anderen Gelenken, können mittels eines Systems gemäß der Erfindung Nachbehandlungen reduziert oder sogar vermieden werden. Insgesamt kann die Qualität von Bewegungen für den erfolgreichen Verlauf der Genesung bestimmt werden.
Vorteilhaft werden pro Messwertaufnehmer bzw. Sensor-Einheit drei Sensoren- Typen verwendet: Gyroskop, Beschleunigungssensoren und Magnetometer. Aus der Kombination dieser drei Sensoren-Typen kann eine Lage im Raum bestimmt werden. Pro Patient können bspw. zwei Sensor-Einheiten (Hüfte, Oberschenkel) an zuvor markierten Fixpunkten befestigt. Optional gibt es eine dritte Sensor- Einheit am Unterschenkel.
Die Sensoren können mit der Batterie und einem Controller auf einer Platine zusammengefasst und in einem aufklebbaren und so leicht austauschbaren Pflaster integriert sein.
Es kann eine„Master"-Einheit vorgesehen, sein die für alle Sensor-Einheiten bzw. Messwertaufnehmer die Rohdaten der drei Sensoren-Typen sammelt und bspw. zusätzlich die Lage im Raum berechnet. Das Berechnen der Lage im Raum könnte auch auf dem Controller der Sensor- Einheiten erfolgen. Gerade aber die Sensor-Einheiten sollten möglichst klein und flach sein und jede Aktion (wie hier kontinuierliche CPU-Rechenzeit des Controllers), die Energie verbraucht und somit größere Batterien zur Folge hat, sollte vermieden werden. Die Sensor-Einheiten können die Daten drahtlos übertragen. Eine geeignete Lösung könnte die derzeit aktuelle Bluetooth 4.0 Version („Low Energie") sein.
Theoretisch kann die Master-Einheit z.B. auch in der Hüft-Sensoren-Einheit integriert sein. Um die Sensoren-Einheiten aber flach und klein zu halten, kann die Master-Einheit vorteilhaft mit einem Gurt am Rücken oberhalb des Gürtels getragen werden und so eine viel größer Batterie nutzen als die Sensoreinheiten:
Es gibt bspw. die folgenden drei Arten von Rohdaten: Beschleunigungen, Winkelgeschwindigkeit und Magnetfeld. Natürlich können auch noch andere Arten Sensoren für anderen Arten von Daten oder Signalen verwendet. Auf Basis dieser Sensordaten ist es möglich Sensorfusion zu betreiben, um eine absolute Orientierung im Raum zu ermitteln.
Mit Kaiman-Filtern kann man die Lage im Raum berechnen. Der Nachteil ist, dass Kaiman-Filter sehr komplex sind. Um eine Lage im Raum zu beschreiben, sollten vorteilhaft Quaternionen verwendet werden, da diese weniger CPU- Leistung brauchen, numerisch stabil(er) sind (weniger Rundungsfehler bei Computerrechnungen) und das Problem der„Gimbal Lock" nicht aufweisen.
Alle vier Datenarten werden von der Master-Einheit pro Sensor-Einheit gesammelt und periodisch z.B. über eine SIM-Karte oder per WLAN (privates WLAN des Patienten oder das der Klinik) an den Server übertragen. Wie bereits vorstehend erläutert, können die Daten von den Sensor-Einheiten (Messwertaufnehmern) oder einer Master-Einheit auch zunächst an eine mobiles elektronisches Gerät, wie bspw. ein Smartphone, eine Notebook oder Tablet- Computer oder ähnliches übertragen werden. Auf dem mobilen Gerät kann eine entsprechende App (Application/Software/Computerprogram) installiert sein, die das Gerät entsprechend konfiguriert. Das mobile Gerät kann die Daten dann bereits zumindest teilweise auswerten, Speicher, komprimieren und ggf. bereits Rückmeldungen anzeigen. Die Daten können in vorverarbeiteter oder bereits mehr oder weniger ausgewerteter Form von dem mobilen Gerät an eine Datenverarbeitungseinheit mit elektronischem Speicher (Datenbank etc.) unter Einsatz von WLAN, Bluetooth, GPS, UMTS oder ähnlichem unter anderem auch über das Internet übertragen werden.
Die Datenverarbeitungseinheit bzw. der Server speichert bspw. für alle Patienten alle vier Datenarten über die Zeit. Nun werden verschieden Bewertungsalgorithmen auf diese Daten angesetzt:
- Kräftebewertungen
- Bewegungsaktivität
- Kritische Winkel
- ein weiteres Model berechnet, ob durch die Bewegungen die Muskulatur passend trainiert wird, um ein Muskelabbau nach der OP vorzubeugen
- Impulse
- andere Diese verschiedenen Bewertungen der Daten werden kontinuierlich durchgeführt, können aber auch bei Adaption der Bewertungsalgorithmen rückwirkend erneut ausgeführt werden. Die Bewertungen basieren vorteilhaft auf dem„Data Mining"-Umfeld. Dort sind verschieden Ansätze zum Entdecken und Bestimmen bekannt. Primär kommen„decision trees" und„Naive Bayes"-Ansätze in Betracht. Es kann sich auch über Versuchsreihen ermittelte statistische Modelle handeln.
Für einige der Bewertungen braucht man weitere Daten wie z.B. einige Körpermaße und Körpergewichte des Patienten. Verfahren zur Bestimmungen von Kräften in Gelenken kann man mit Hilfe von invers-dynamischen Modellen rechnen. Diese können über anthropometrische Körpermodelle auf die Gelenke umgerechnet werden (inverse Dynamik), um somit bspw. Gelenkbelastungen zu bestimmen
Zur Darstellung und zur Rückmeldung an den Probanden, bzw. die Ärzte etc. kommen Apps, das Internet, SMS, Daily-Zusammenfassung per Email in Betracht
Vorteilhaft kann eine einfache und schnelle Bewertung auf dem Master-Controller durchgeführt werden. So kann der Master dann bspw. vibrieren als Feedback zur Veränderung der Haltung/Bewegung.
Die drei Sensoren-Arten auf den Sensoren-Einheiten verbrauchen unterschiedlich viel Strom. Bei einer Frequenz von z.B. 50 Hz werden kleinere Batterien zeitnah erschöpft sein. Bestimmte Sensoren sollten daher zeitweise deaktiviert werden und/oder mit einer geringeren Frequenz betrieben werden, ohne später einen Verlust an qualitativer Aussage zu haben. Je geringer der Stromverbrauch, umso kleiner die Batterie. Weiterhin verbraucht das Übertragen der Daten an die Master-Einheit Strom. Es kann vorteilhaft nur periodisch übertragen und dazwischen auf den Einheiten gespeichert werden. Je nach Anwendung und verfügbarem Energiespeicher bzw. Datenspeicher und deren Energieverbrauch kommen unterschiedliche Übertragungs- und Speicherkonzepte in Betracht, die auch ohne Master-Einheit auskommen.
Die Sensor-Einheit kann einmalig am Patienten kalibriert werden, um diese auf seinen körperlichen Gegebenheiten anzupassen. Aufgrund der Sensoren-Drift (was passiert zwischen den Abtastraten) und der den lokal sehr unterschiedlichen Magnetfeldern (im Auto, daheim, ...) werden die berechneten räumliche Orientierungsdaten sehr schnell unbrauchbar. Es ist daher vorteilhaft, wenn eine kontinuierliche und selbstständige Kalibrierung der Sensoren durch den Controller der Sensoren-Einheiten oder zentral durch den Controller der Master-Einheit durchgeführt wird.
Jede Sensoreinheit und ggf. auch die Mastereinheit hat eine eigene eindeutige ID, welche die Identifizierung und Zuordnung zur Position am Patienten ermöglicht.
Die Art der Bewegung bspw. nach einer Hüftprothesen-OP ist entscheidend für den Therapieerfolg. Bisher haben Operateure keine Chance nachzuvollziehen, ob Qualitätsprobleme (Lockerungen, Infektion, Schmerzen, Funktionsprobleme) an ihrer OP-Technik, an der Endoprothese, an der Nachsorge (Reha, Krankengymnastik) oder dem Bewegungsverhalten des Patienten liegen. Dies hat zur Folge das Qualitätsprobleme nicht erkannt werden und eine Vielzahl von Patienten unnötig leidet und therapiert werden müssen. Beispielsweise kann eine Revision-OP erforderlich werden oder eine Schmerzmedikation mit Nebenwirkungen.
Die vorliegende Erfindung stellt daher unter anderem Verfahren und Geräte bereit, die verschiedene physiologische Parameter des Gelenkes messen, aufzeichnen und auswerten können. Dazu gehören unter anderem Bewegungs- und Ruhezeiten, Knickwinkel und Amplituden der Gelenke, Belastungen, Torsion, Temperatur, etc.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es Ärzten Informationen zur Bewegungsqualität des operierten Patienten zu erhalten. Ebenso werden Informationen zur Lebensqualität und zur individuellen Schmerzsituation des Patienten zur Verfügung gestellt.
Der operierende Arzt bzw. die Klinik kann die Bewegungsqualität des operierten Patienten in der Rehabilitationsphase über ein gesichertes Webportal einsehen ebenso erhält der Arzt zusätzlich Informationen zur subjektiven Schmerzintensität etc. Dies ermöglicht es gezielt einzugreifen um die Versorgung des Patienten zu optimieren.
Ferner kann bspw. der Physiotherapeut sehen wie der Patient bestimmte Übungen durchgeführt hat. Von besonderer Bedeutung können dabei die folgenden Körperpartien sein: die Hüfte, das Knie, die Schulter oder die Wirbelsäule.
Bezüglich der Wirbelsäule können bspw. der oder die erfindungsgemäßen Messwertaufnehmer und Auswertealgorithmen und Geräte genutzt werden, um den Patienten auf richtiges Sitzen hinzuweisen und die passenden Übungen zu vermitteln. Die Daten der Messwertaufnehmer werden hierbei häufiger ausgelesen, bspw. täglich oder wöchentlich. Die Daten der Messwertaufnehmer können beim Patienten zuhause oder in der Praxis des Arztes oder in der Klinik ausgelesen werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass Daten, Bewertungen und Rückmeldungen visuell, insbesondere in Diagrammen, Tabellen und graphisch dargestellt werden. Der Arzt kann bspw. durch Mausklick auf einen bestimmten Bereich oder einen Punkt einer ebenfalls grafisch dargestellten Widergabe eines Gelenks spezifische Informationen automatisch darstellen lassen, die zu diesem Punkt oder Bereich gehören. Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung betrifft Sportler. So kann mit der vorliegenden Erfindung das Bewegungsverhalten analysieren werden. Dies kann bspw. Laufen, Schwimmen, Golf spielen, Fußball und andere Sportarten betreffen. Die vorliegende Erfindung kann dann quasi wie eine Trainer Rückmeldung geben, wie das Bewegungsverhalten optimiert werden kann. Ferner kann der Chirurg/Sportarzt/Coach auf der Haut des Patienten Fixpunkte markieren (z.B. über wasserfeste Stifte) und befestigt in Pflastern eingebettete Sensoren bzw. Messwertaufnehmer gemäß der vorliegenden Erfindung (andere Lösungswege die Daten zu erfassen sind auch möglich).
Bekannte Lösungen gehen davon aus, dass die Sensoren im oder am Knochen befestigst werden. Das kann zu Problemen mit der Energieversorgung, Infektionsanfälligkeit etc. führen kann.
Ebenso gibt es Sensoren die „Bewegung" lediglich nachverfolgen. Die vorliegende Erfindung erfasst die Bewegung der Gelenke um dadurch auf Fehlbewegungen und Überlastungen zu reagieren. Je Gelenk können vorteilhaft zwei Sensoren eingesetzt werden, über die relative Bewegung der Sensoren zueinander (Beschleunigungsvektor) wird auf die Bewegung und Belastung des Gelenkes im drei-dimensionalen Raum geschlossen. Die Aufzeichnung und Synchronisation der von den Sensoren gesammelten Bewegungsvektoren erfolgt über die Zeit. Zur Entwicklung passender Modelle werden Probanden per Video aufgezeichnet und die tatsächlichen Bewegungen mit den Messungen abgeglichen, oder man nutzt bspw. invers-dynamische Modelle.
Das Auslesen der Daten aus den Sensoren bzw. Messwertaufnehmern erfolgt bspw. drahtlos über Bluetooth, WLAN, Near Field Communication, oder Induktion.
Der Proband oder Patient kann bspw. auch zum Arzt gehen, der einen Aufsatz zu einem Smartphone hat und die Daten ausliest. Dann kann sich der Arzt die Signale in seiner Analysesoftware ansehen.
Die Daten auf den Messwertaufnehmern können auch vom Patient ausgelesen und dann auf einen Speicher, Computer oder Server hochgeladen werden. Der Patient oder Proband kann die Daten um weitere Informationen zum Schmerz- und/oder Bewegungsprofiel ergänzen. Daraus können Diagnosen erstellt werden. Es kann festgestellt werden, welche Bewegungen der Proband oder Patient in einem bestimmten Zeitraum, bspw. innerhalb der letzen Wochen durchgeführt hat, wie dieses Bewegungen mit dem Zustand des Probanden oder Patienten (bspw. Gelenk -und/oder Rückenschmerzen) korrelieren. Das wirkt bspw. dem Problem entgegen, dass in der Rückenchirurgie auf einem Röntgenbild oft zahlreiche Schäden zu sehen sind, ohne das erkennbar ist, was der jeweilige Schaden bewirkt bzw. wodurch ein spezifischer Schmerz entsteht. Das Führen eines„Schmerzprotokols" kann zudem wichtige Informationen zur subjektiven Beschwerdeeinschätzung des Patienten liefern und einen wichtigen Faktor bilden, um über eine Operation zu entscheiden.
Die Erfindung betrifft auch die Energieversorgung der Messwertaufnehmer bzw. Sensoren. Diese sind vorteilhaft sehr klein ausgeführt und können einfach am Körper oder der Kleidung des Probanden befestigt werden. Dies gelingt bspw. durch Gurte, Riemen oder Pflaster. Die Energieversorgung erfolgt mittels integrierten elektrischen Energiespeichern, wie Batterien oder Akkus. Für kurzzeitige Überwachungen kommen auch Kondensatoren in Betracht. Ebenso kann eine induktive drahtlose Übertragung von Energie erfolgen, durch die der integrierte Energiespeicher aufgeladen wird.
Vorteilhaft hält die Energieversorgung eines Messwertaufnehmers oder Sensors für vier bis sechs Wochen. Dann kann dieser ggf. ausgelesen, wieder aufgeladen oder weggeworfen werden. Um die Laufzeit des Energiespeichers Batterielaufzeit zu erhöhen, schlägt die Erfindung die folgenden Konzepte vor: bspw. kann sich der Sensor nach einer vorgegeben Zeit abschalten, wenn keine Aktivität vorliegt. Er kann sich dann wieder einschalten, wenn eine Bewegung auftritt. Ferner kann der Sensor oder Messwertaufnehmer Bewegungsenergie nutzen, um sich selbst aufzuladen. Ferner kann ein Schalter vorgesehen sein, der betätigt wird, um die Daten auszulesen. Erst dann schaltet sich die drahtlose oder drahtgebunden Datenübertragung zum Auslesen der Daten ein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch Konzept zur Kalibrierung der Messungen bereit. So kann der Patient nach Anbringung der Sensoren gebeten werden, bestimmte Bewegungen durchzuführen, mit denen das Gerät kalibriet werden kann. Diese Bewegungen können Strecken und Beugen bestimmter Gelenke oder Körperpartien umfassen.
Ferner kann das Gewicht des Patienten mit einbezogen werden. Ferner können Angaben zur Position der Sensoren und der Länge der Knochen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft vor allem auch die Visualisierung der Messergebnisse. Dabei können unter anderem folgende Parameter visuell dargestellt und ausgewertet werden: der Bewegungsumfang, der aussagt, welche Radien abgedeckt wurden und mit welcher Häufigkeit. Die Beschleunigungen und Kräfte die an den Körperpartien und Gelenken anliegen. Neben den Beschleunigungskräften kommen hier auch die statischen Kräfte in Betracht, die Auftreten wenn der Proband steht oder sitzt. Basierend auf dem Wissen um die Lage des Sensors im Raum können bestimmte Bewegungsmuster (Gehen, Laufen, Sitzen, Aufstehen etc.) ausgewertet werden. Man kann dann anhand der Daten erkennen, ob ein Proband bspw. steht und daraus folgern, welche Kräfte bei seinem Körpergewicht auf bestimmte Körperpartien bzw. Gelenke wirken. Hierzu gibt es biomechanische Modelle.
Gemessen werden vorteilhaft und unter anderem Beschleunigungsvektoren, Hieraus kann auf die Bewegung und Belastung von Gelenken gefolgert werden.
Ferner können die Sensoren bzw. Messwertaufnehmer die relative Position zueinander im dreidimensionalen Raum angeben. Diese Sensoren erfassen und speichern ebenfalls vorteilhaft das Bewegungsverhalten des Patienten über mehrere Monate (bspw. 6 Monate). Die Werte können von Patienten selber oder von seinen niedergelassenen Orthopäden ausgelesen und über das Internet an einen gesicherten Server weitergeleitet werden (z.B. ein bis zwei Mal die Woche).
Gleichzeitig kann der Patient über eine "App" die auf einem handelsüblichen Smartphone läuft oder über ein Internetportal Informationen zur Schmerzintensität und dem subjektiven Bewegungsverhalten etc. abgeben. Idealerweise kann der Patienten über ein solches Smartphone auch die Daten selber auslesen.
Ferner können eines oder mehrere elektronische Goniometer in den Sensoren angeordnet sein, welche die maximale Beweglichkeit des Körpers als einem Winkel entsprechende elektronische Größe ermitteln Zusätzlich können zur Ortsbestimmung des Körpers bezüglich seiner Umgebung noch weitere Einrichtungen, wie z. B. optische oder magnetische Ortungssysteme in der Umgebung oder Druck-und/oder Beschleunigungssensoren vorgesehen sein.
Es kann auch eine Kombination von einem Lagesensor und einem Beschleunigungssensor vorliegen.
Die Signale der Sensoren können mit einer Taktfrequenz von 20Hz bis 5 kHz abgetastet und über einen größeren Zeitraum gespeichert werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung, bei dem mindestens ein Messsignal eines außen an einem menschlichen oder tierischen Körper befestigten Messwertaufnehmers, der mindestens einen Lage- und/oder Beschleunigungssensor umfasst, der das Messsignal über der Zeit bereitstellt,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Messsignal mindestens visuell unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Positionen oder Flächen innerhalb des menschlichen oder tierischen Köpers ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Positionen oder Flächen innerhalb des Körpers ebenfalls visuell dargestellt werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner umfasst. Bestimmen eines Wertes aus dem Messsignal des Messwertaufnehmers, der eine Position des Körpers darstellt.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner umfasst. Bestimmen eines Wertes aus dem Messsignal des Messwertaufnehmers, der eine
Aktivität des Körpers darstellt.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner umfasst. Bestimmen eines Wertes aus dem Messsignal des Messwertaufnehmers, der eine Kraft auf die Positionen oder Flächen innerhalb des Körpers visuell wiedergibt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das ferner umfasst. Bestimmen eines Wertes aus dem Messsignal des Messwertaufnehmers, der eine Aktivität eines Muskels darstellt.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere Messwertaufnehmer drei Arten von Messsignalen bereitstellt bzw. bereitstellen: Beschleunigungen, Winkelgeschwindigkeit und Magnetfeld.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Sensorfusion mehrerer Messsignale verschiedener Messwertaufnehmer durchgeführt wird, um eine absolute Orientierung im Raum zu ermitteln.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Sensorfusion unter Verwendung von Quaternionen zur Bestimmung der Lage im Raum verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Messsignal oder mehrere Messignale von einer Master-Einheit, insbesondere einem Smartphone, pro Messwertaufnehmer gesammelt und periodisch, insbesondere unter Einsatz von GSM, UMTS, LTE oder per WLAN an einen Server übertragen werden.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens einer der folgenden Bewegungsalgorithmen auf das Messsignal oder mehrere Messsignale angewandt wird: Kräftebewertungen, Bewegungsaktivität, kritische Winkel, Bewegungen der Muskulatur, oder Impulse.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bewertungen des Messsignals oder mehrerer Messsignale kontinuierlich und/oder rückwirkend erneut ausgeführt werden.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bewertung des Messignals oder mehrerer Messsignale auf dem„Data Mining, insbesondere auf„decision trees" und„Naive Bayes"-Ansätze basieren.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung von Kräften in Gelenken mit Hilfe von invers-dynamischen Modellen bestimmt werden, insbesondere durch anthropometrische Körpermodelle.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der oder die Messwertaufnehmer einmalig am Patienten kalibriert werden, um diese auf seinen körperlichen Gegebenheiten anzupassen oder mittels kontinuierlicher und selbstständige Kalibrierung der Sensoren durch den Controller der Messwertaufnehmer oder zentral durch den Controller der Master-Einheit durchgeführt kalibriert werden.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder Messwertaufnehmer und ggf. auch die Mastereinheit hat eine eigenen eindeutige ID aufweist, welche die Identifizierung und Zuordnung zur Position am Patienten ermöglicht.
18. Vorrichtung zur Bestimmung der Qualität einer Bewegung, umfassend: mindestens einen auf einem menschlichen oder tierischen Körper anbringbarer Messwertaufnehmer, der mindestens einen Lage- und/oder Beschleunigungssensor umfasst, der ein Messsignal über der Zeit bereitstellt,
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Vorrichtung ferner mindestens ein Visualisierungsmittel umfasst, das so eingerichtet ist, dass das Messsignal visuell unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Positionen oder Flächen innerhalb des menschlichen oder tierischen Köpers auswertbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Positionen oder Flächen innerhalb des Körpers ebenfalls visuell dargestellt werden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei mindestens zwei Messwertaufnehmer an unterschiedlichen Stellen außen an dem menschlichen oder tierischen Körper vorgesehen sind.
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