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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für die Messung
feinmotorischer Handfunktionen.
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Störungen
in der präzisen Kontrolle der feinen Fingerkräfte
beim Greifen und der Bewegung von Objekten sind häufige
Begleitsymptome einer Vielzahl neurologischer Erkrankungen.
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Aus
Phillip (Phillip, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung
der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen.
Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München
(1999)) ist ein Griffkraftsensor zur Erfassung von Griffkräften
beim freien Bewegen eines Sensors im dreidimensionalen Raum bekannt.
Der zylindrische Sensor hat einen Durchmesser von 95 mm und eine
Höhe von 40 mm. Seine Masse beträgt 372 g. Die
Oberfläche des Sensors, insbesondere auch der Griffflächen,
bestehen aus Aluminium. Im Inneren des Gehäuses sind elektronische
Bausteine für Signalerfassung, -verarbeitung, Datenspeicherung
und Stromversorgung angeordnet. Die gesamte Messtechnik ist in das
Gerät integriert, so dass keine Kabelverbindung zu einem
externen Computer benötigt wird, welche das freie Manipulieren
des Objektes behindern würde. Über eingebaute
Miniatursensoren können die Griffkraft, die über
die beiden Griffflächen auf das Objekt ausgeübt wird,
sowie die linearen Beschleunigungen in den drei Raumachsen erfasst
werden. Zur Aufzeichnung der Griffkraft stehen zwei Kanäle
mit unterschiedlich großen Messbereichen von 0–100
N bzw. 0–25 N zur Verfügung.
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Bei
den durchgeführten Untersuchungen wird die Vorrichtung
zwischen Daumen und den anderen vier Fingern in Opposition mittig
gehalten, so dass der Schwerpunkt des Objektes in der Mitte der Verbindungslinien
zwischen den Angriffsflächen der Fingerkräfte
liegt und Drehmomente vernachlässigbar sind.
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Die
Vorrichtung kann vom Probanden mit der untersuchten Hand aufgenommen
werden. Ein Untersucher kann per Knopfdruck am Objekt die Messung
starten und stoppen.
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Aus
Nowak und Hermsdörfer (Nowak, D.A., Hermsdörfer,
J. (2004). Die Analyse der Griffkraft bei der Manipulation von Objekten.
Nervenarzt 75: 725–733) ist bekannt, dass derartige
Sensoren auch von Patienten mit deutlich beeinträchtigter
Handmotorik problemlos gegriffen und bewegt werden können.
Weiterhin ist hieraus bekannt, dass der Kraftsensor Griffkräfte
mit einer digitalen Auflösung von bis zu 0,0125 N/Bit zu
registrieren vermag. Die Linearbeschleunigungssensoren messen Beschleunigungen
zwischen ±50 m/s2. Krankhafte Veränderungen
der Kontrolle isometrischer Fingerkräfte sind über
eine zu Vergleichspersonen unökonomisch überhöhte
Griffkraft, als auch durch eine Desynchronisation der Profile von
Griffkraft und Last ermittelbar. Störungen der Kontrolle
der Griffkraft werden anhand verschiedener neurologischer Krankheitsbilder
auf diese Weise darstellbar.
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Nachteilig
ist die Funktionalität der Sensoren gemäß Stand
der Technik bei der Messung feinmotorischen Abläufe deutlich
eingeschränkt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Sensorvorrichtung für
die Messung der Handfunktionen bereit zu stellen, welche ein größeres
Spektrum an Untersuchungen ermöglicht, als die vorhandenen Sensoren
nach Stand der Technik.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Hauptanspruch
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
darauf rückbezogenen Ansprüchen.
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Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist gekennzeichnet
durch einen Kraftsensor für die Messung der feinmotorischen
Handfunktion. Die Kraftsensorkomponente der Sensorvorrichtung ist
dabei derart ausgestaltet, dass der Sensor gegen elektromagnetische
Wechselfelder geschirmt ist.
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Vorteilhaft
wird durch diese Maßnahme ein Griffkraftsensor bereitgestellt.
Die Bezeichnungen Sensorvorrichtung und Griffkraftsensor werden
im Weiteren synonym verwendet. Die Sensorvorrichtung kann im Wechsel-Magnetfeld
eines Magnetresonanztomographen frei beweglich eingesetzt werden
ohne, dass es zu Störungen des Sensors oder des Magnetresonanztomographen
kommt.
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Dies
stellt eine deutliche Erhöhung der Funktionalität
der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gegenüber
den Sensoren aus dem Stand der Technik dar. Insbesondere kann das
bislang mit der Sensorvorrichtung nach Philip (1999) gewonnene Wissen über
die Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen
zusammengeführt werden mit dem über die funktionelle
Magnetresonanztomographie gewonnenen Daten über die an
dieser Koordination beteiligten Hirnareale. Zusätzlich
können qualitativ neue Erkenntnisse über die nun
mögliche direkte Korrelation der mittels des Sensors erfassten
feinmotorischen Handfunktion mit einem mittels Magnetresonanztomograph
erfolgtem Monitoring der an der Handfunktion beteiligten Hirnareale
bei Gesunden und bei neurologisch erkrankten Patienten gewonnen
werden.
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Hierzu
wurde ausgehend von dem Sensor nach Philipp (Phillip, J.
Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen
und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität
München (1999)) die Kraftsensorkomponente der
Sensorvorrichtung ersetzt, so dass der Sensor auch in einem Magnetresonanztomographen
einsetzbar ist. Insbesondere ist gewährleistet, dass der
Sensor in einem 3 Tesla-Magnetresonanztomograph eingesetzt werden
kann.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als
Schirmung ein Faradaykäfig vorgesehen.
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Die
Sensorvorrichtung ist dann besonders vorteilhaft in einem Magnetresonanztomographen
für die Messung der feinmotorischen Handfunktionen eines
Probanden besonders geeignet. Das Material des Faradaykäfigs
soll eine elektrische Leitfähigkeit und einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufweisen, dergestalt, dass der Kraftsensor nicht durch Hitzeentwicklung
durch das elektromagnetische Wechselfeld beeinträchtigt
oder sogar zerstört wird. Das Material für den
Faradaykäfig kann insbesondere Silizium oder Germanium
oder andere halbleitenden Materialien umfassen.
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Bei
geeigneter Ausgestaltung hinsichtlich der zu erwartenden Eindringtiefe
der elektromagnetischen Wechselfelder schützt diese Schirmung
die innerhalb des Käfigs befindliche Messelektronik vor dem
Einfluss der elektromagnetischen Wechselfelder. Weiterhin stellt
eine geeignete Ausgestaltung des Faradaykäfigs sicher,
dass die mit der Schirmung verbundene Energieabsorption und die
damit verbundene Wärmeentwicklung zu keiner Beeinträchtigung
der Messwerte und insbesondere zu keiner Gefährdung des
Patienten oder Probanden führt.
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Die
statischen Magnetfelder sowie die durch die Bewegung der Sensorvorrichtung
durch das magnetisches Gradientenfeld des MRT verursachten extrem
niederfrequenten Feldänderungen im unmittelbaren Nahbereich
des Sensors werden dagegen durch den Faradaykäfig nicht
abgeschirmt. Eine entsprechende Schirmung durch sogenanntes μ-Metall würde
das Gewicht des Griffkraftsensors bzw. der Sensorvorrichtung in
einem nicht tolerierbaren Maße erhöhen und zudem
auch die Messfelder des Magnetresonanztomographen verformen. Dementsprechend
muss der verwendete Kraftsensor so ausgestaltet sein, dass auch
bei einer bestimmungsgemäßen Bewegung des Sensors
durch das Gradientenfeld des Magnetresonanztomographen Kraftmessungen
mit der notwendigen Auflösung im Amplituden und Zeitbereich
möglich sind.
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Durch
die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
im Magnetresonanztomograph ist eine Korrelation der mittels der
Sensorvorrichtung erhobenen feinmotorischen Handfunktionen mit einem
mittels Magnetresonanztomograph erfolgtem Nachweis der an den Handfunktionen
beteiligten Hirnareale überhaupt erst möglich.
Beide Parameter, also feinmotorische Handfunktion und die an der Ausführung
der Handfunktionen beteiligten Hirnareale, sind auf diese Weise
erstmalig überhaupt miteinander korrelierbar.
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Die
Sensorvorrichtung erlaubt eine online Analyse der feinmotorischen
Bewegungsabläufe sowie auch eine Rückprojektion
von visuell aufbereiteten Teilaspekten dieser Daten an die untersuchte Person
während eines Biofeedback. Dadurch können vorteilhaft
verschiedene Leistungsaspekte der feinmotorischen Handfunktionen
dissoziiert werden. Dies ist für eine komparative Untersuchung
der an diesen Funktionen beteiligten Hirnstrukturen in der funktionellen
Magnetresonanztomographie häufig der Fall.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftsensor der erfindungsgemäßen
Vorrichtung hierzu eine effektive Auflösung der Kraftamplitude von
bis zu 0,01 N auf.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kraftsensor
einen Messbereich bis etwa 80 N auf. Der Messbereich entspricht
dann vorteilhaft einer maximal zu erwartenden Kraft, die ein Proband
auf den Kraftsensor überhaupt auszuüben vermag.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die
Vorrichtung ein Gehäuse aus PVC auf. PVC ist vorteilhaft
ebenfalls durch elektromagnetische Felder, und insbesondere durch
die 3T-Felder, wie sie üblicherweise im Magnetresonanztomographen
auftreten, nicht beeinflussbar. Die Kraft bzw. die Beschleunigung,
die der Proband auf die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
ausübt, wird ohne Abweichung gemessen. Insbesondere ist
durch geeignete Wahl des Gehäusematerials sichergestellt,
dass es zu keiner Krafteinwirkung auf die Vorrichtung durch die
Magnetfelder des Magnetresonanztomographen und auch zu keiner thermischen Einwirkung
auf das Gehäuse kommt. Es ist selbstverständlich
möglich, an Stelle von PVC ein anderes geeignetes Material
für das Gehäuse zu verwenden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Sensorvorrichtung einen Faraday-Kraftsensor oder einen gegen
elektromagnetische Wechselfelder geschirmten FSR-Kraftsensor. Beide
Kraftsensortypen sind der Klasse der elektrischen Kraftsensoren
zugehörig, wobei der Faradaykraftsensor zu den sogenannten
kapazitiven Kraftsensoren und der FSR-Sensor zu den Widerstandskraftsensoren
zugehörig ist. Diese können, insbesondere sofern
ein Faradaykäfig als Schirmung vor elektromagnetischen
Feldern vorgesehen ist, in einem Magnetresonanztomographen eingesetzt
werden.
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Es
wurde im Rahmen der Erfindung überraschend erkannt, dass
aus der Vielzahl der möglichen Kraftsensoren und auch der
kapazitiven Sensoren als beteiligte Kraftsensorkomponente, die Kraftsensoren
mit Faradaykäfig die am meisten geeignete Alternative darstellen.
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Insbesondere
ist der Faradaykraftsensor durch seine Geometrie so ausgestaltet,
dass auch bei einer bestimmungsgemäßen Bewegung
des Sensors durch das Gradientenfeld des Magnetresonanztomographen
Kraftmessungen mit der notwendigen Auflösung im Amplituden
und Zeitbereich möglich sind. Durch die Verwendung von
Silizium als Schirmung und Strukturgebendes Element kann der Abstand
der Kondensatorelektroden mit beispielsweise 5 μm so gering
ausfallen, dass auch bei bestimmungsgemäßer Bewegung
des Sensors durch das starke Gradientenfeld des Hauptfeldes im Inneren des
Magnetresonanztomographen und des Streufeldes in unmittelbarer Nähe
der Magnetresonanztomograph-Öffnung beide Elektroden die
gleiche Feldänderung durchlaufen und sich somit der die
Messung eigentlich störende Effekt der zeitlich extrem
niederfrequenten magnetischen Feldänderung aufhebt.
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Eine
Abschirmung nicht Magnetresonanztomographiekompatibler Sensoren
gegenüber dem statischen Magnetfeld erscheint kaum möglich,
da das Gewicht des Griffkraftsensors bzw. der Sensorvorrichtung
voraussichtlich in einem nicht tolerierbaren Maße erhöht
würde und außerdem eine derartige Schirmung auch
die Messfelder des Magnetresonanztomographen verformen würde.
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Aus
Tsekos et al. (Magnetic Resonance–Compatible Robotic
and Mechatronics Systems for Image-Guided Interventions and Rehabilitation:
A Review Study. Nikolaos V. Tsekos, N.V. Khanicheh, A., Christoforou,
E., and Mavroidis, C. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007. 9: 14.1–14.37)
ist zudem bekannt, dass im Falle der Verwendung elektrischer Kraftsensoren
(engl. load cells), die Kraftmessung basiert hierbei auf der Messung
der kraftabhängigen Änderung entweder des elektrischen
Widerstandes oder der elektrischen Kapazität, während
magnetresonanztomographischer Untersuchungen zur Korrelation von
Griffkraft mit den beteiligten Hirnarealen, die Sensoren zum Kopfbereich
des Probanden fixiert angeordnet werden müssen. Elektrische
Kraftsensoren sind daher gemäß bisher vorherrschender
Lehre ungeeignet, um in einem Magnetresonanztomographen frei, das
heißt ohne Rücksicht auf die Position der Sensorvorrichtung
zum Kopfbewegt werden zu können. Derartige Sensoren wurden
lediglich zu Rehabilitationszwecken bei der Korrelation von absoluter
Griffkraft und Hirnarealen eingesetzt. Eine funktionelle Studie
zu feinmotorischen Handfunktionen und der hieran beteiligten Hirnareale
mittels im Magnetresonanztomograph frei beweglichen Griffkraftsensoren
existierte daher bisher nicht, bzw. war per se sogar mit Faradaykraftsensoren
für nicht möglich gehalten worden. So ist beispielsweise
aus der Internetseite http://www.faradaysensoren.de/index-d.htm sowie
der darin offenbarten Produktbeschreibung zu Faraday-Kraftsensoren
mit Faradaykäfig bekannt, dass diese keinen Schutz gegen
magnetische Felder bieten.
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Überraschend
wurde daher im Rahmen der Erfindung erkannt, dass gerade Kraft-Sensoren
mit einem Faradaykäfig und insbesondere Faraday-Kraftsensoren
als eine spezielle Ausgestaltung kapazitiver Sensoren, alle Erfordernisse
erfüllen, die an eine Sensorvorrichtung zu stellen sind,
um frei beweglich in einem Magnetresonanztomograph relativ zum Kopf
eines Probanden beweglich eingesetzt werden können. Hierdurch
werden die oben geforderten Studien dementsprechend realisierbar.
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Der
Faraday-Kraftsensor ist auf Grund einer inhärenten Schirmung
abweichend von der bisherigen Lehrmeinung daher als ein Kraftsensor
anzusehen, der besonders gut geeignet ist, in einem Magnetresonanztomographen
eingesetzt zu werden.
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Dabei
sollten vorteilhaft die Messelektroden der Faraday-Kraftsensoren
einen Abstand von weniger als 1 Millimeter aufweisen. Dann ist gewährleistet,
dass auch bei bestimmungsgemäßer Bewegung des
Sensors durch das starke Gradientenfeldes des Hauptfeldes im Inneren
des MRT und des Streufeldes in unmittelbarer Nähe der MRT-Öffnung
beide Elektroden die gleiche Feldänderung durchlaufen und
sich somit der die Messung eigentlich störende Effekt der
zeitlich extrem niederfrequenten magnetischen Feldänderung
aufhebt.
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Es
ist denkbar, an Stelle eines Faraday-Kraftsensors einen anderen
Kraftsensor zu verwenden, sofern dieser gegen die elektromagnetischen
Felder geschirmt ist und konstruktiv die Kraftmessung auch in einem
extrem niederfrequent variablen Magnetfeld erlaubt. So ist es denkbar,
auch einen FSR-Kraftsensor in einem geeignet ausgestalteten Faradaykäfig
anzuordnen, um auf diese Weise zu einem Sensor zu gelangen, der
gegen die elektromagnetischen Felder eines Magnetresonanztomographen
geschirmt ist.
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Es
wurde erkannt, dass die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
die Messung des Magnetresonanztomograph vorteilhaft nicht stört.
Es wurde ferner erkannt, dass die Sensorvorrichtung selbst auch keine
störenden elektromagnetischen Felder aussendet und somit
die elektromagnetischen Messfelder des Tomographen nicht verformt.
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Weiterhin
wurde erkannt, dass die Erfindung in ihrer Messleistung, also der
Registrierung der 3-achsigen Beschleunigung und auch der Griffkraft nicht
durch die extrem hohen Felder des Magnetresonanztomograph beeinflusst
wird.
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Besonders
vorteilhaft stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung
darüber hinaus keine Gefahr für die untersuchte
Person dar, da die erfindungsgemäße Vorrichtung
durch die Magnetfelder des Magnetresonanztomograph nicht beschleunigt
oder erhitzt wird.
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Da
die Erfindung in ihren Abmessungen und dem Gewicht dem beschriebenen
Sensor von Philip (Phillip, J: Ein Meßsystem zur
Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen.
Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München
(1999)) entspricht, ist die Griffkraft und die Beschleunigung
der Sensorvorrichtung, insbesondere was dessen freie Bewegbarkeit
im Magnetresonanztomograph angeht, uneingeschränkt auch
im Magnetresonanztomographen möglich.
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Im
Vergleich zu allen bisher in bzw. vor Magnetresonanztomographen
eingesetzten Griffkraftsensoren, ist die erfindungsgemäße
Sensorvorrichtung völlig frei bewegbar und zwar auch im
Magnetresonanztomographen, ohne dass die Sensorvorrichtung oder
der Magnetresonanztomograph beeinflusst wird. Die aus dem Stand
der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren sind hingegen
zu dem abzubildenden Hirnbereich fixiert, also unbeweglich angeordnet,
da elektromagnetische Felder und insbesondere das Durchlaufen magnetischer
Feldgradienten bei der Bewegung des Sensors sowohl die Messung des
Sensors als auch die Messungen des Magnetresonanztomographen stören
würden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt diesbezüglich eine Erweiterung des Aufgabenbereichs
und der Funktionalität der bekannten Sensoren dar.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist darüber
hinaus geeignet, die Griffkraft mit einer solchen Genauigkeit aufzulösen,
dass auch die adaptive und prädiktive Steuerung der Griffkraft
sowohl in der Amplitudenänderung als auch im zeitlichen
Verlauf quantifiziert werden kann. Dies erfordert eine Zeitabtastung
der Kraft mit mindestens 256 Hz sowie eine Auflösung der
Kraftamplitude besser als 0,05 N, die die erfindungsgemäße
Sensorvorrichtung ohne weiteres einzuhalten vermag.
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Im
Falle eines Faraday-Kraftsensors kann vorteilhaft ein Nichtmetallischer,
insbesondere eine Rubinkugel oder eine Saphirkugel umfassender Kraftaufnehmer
vorgesehen sein. Die in Faraday-Kraftsensoren üblicherweise
angeordneten Kraftaufnehmer aus Metall sind nicht ungeeignet zum Aufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind, da die
sinnvolle Kraftmessung durch die extreme Krafteinwirkung des Magnetfeldes
auf die metallische Kugel verhindert und zudem die Messung des Magnetresonanztomograph
durch die bewegte Kugel gestört würde.
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In
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weist die Sensorvorrichtung einen MEMS-Beschleunigungssensor auf.
Der Beschleunigungssensor nimmt die Beschleunigung des Sensors,
die seitens des Probanden auf diesen ausgeübt wird, in
den drei Raumachsen auf. Es kann somit ausgehend vom Sensor wie
in Philipp (Phillp, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung
der Feinmotorik beim Greifen und Bewegen von Gegenständen.
Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität München (1999))
beschrieben ausgegangen werden. Diese Druckschrift wird daher in
Bezug auf Abmessungen, Gewicht und der verwendeten Beschleunigungssensoren
sowie der Datenaufzeichnung des Sensors als solcher als Referenz
in die vorliegende Patentanmeldung inkorporiert. Änderungen
gegen diesen Sensor bestehen, wie beschrieben, in der Kraftsensor-Komponente.
Eine weitere Änderung besteht darin, dass die Digitaleinheit
aus der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung entfernt
wurde und diese stattdessen mittels eines Koaxialkabels mit der
Sensorvorrichtung verbunden ist. In der Digitaleinheit, die somit
außerhalb der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung angeordnet
ist, werden die Daten gespeichert, aufgearbeitet und hiervon ausgehend
im Rahmen des Biofeedback an den Probanden zurückgeführt.
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Allerdings
ist es denkbar, auf den Beschleunigungssensor zu verzichten, sofern
nur sichergestellt ist, dass ein Nachweis der Bewegungen und Beschleunigungen
stattfindet, beispielsweise durch optische Überwachung
der ausgeführten Bewegungen.
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Im
Weiteren wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel
und der beigefügten Figuren näher beschrieben,
ohne dass dies zu einer Einschränkung der Erfindung führt.
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Es
zeigen:
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1 Faraday-Kraftsensor
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2 Griffkraftsensor
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3 Test-Messung
im Magnetresonanztomograph Siemens, 3 T Trio
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Es
wurde der Kraftsensor K50N der Fa. Gisma GmbH, Buggingen, als Faraday-Kraftsensor Komponente
verwendet. Der Kraftsensor ist auf der Internetseite http://www.faraday-sensoren.de/index-d.htm oder
auch auf der Internetseite http://www.ib-hoch.de/faraday_kraftsensoren.pdf näher
beschrieben.
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Es
wird ein hochelastischer, nahezu ermüdungsfreier Siliziumdeckel 15 hergestellt.
Deckel 15 und ein ebenfalls aus Silizium hergestellter
Grundkörper 11 sind am äußeren
Rand miteinander verschweißt und so mechanisch und elektrisch
verbunden. Im Inneren dieser Messzelle ist eine Kavität (Höhlung)
geätzt. Auf dem Grundkörper 11 und dem Deckel 15 ist
innenseitig jeweils eine isolierende Schicht aus Siliziumoxid (SiO2) 12 abgeschieden. Darauf sind
zwei Messelektroden 13 aufgebracht, die somit vollständig
von Siliziummaterial 14 umgeben sind. Dieses leitende Silizium 14 bildet
einen Faradaykäfig um die Messelektroden 13 herum.
Die lateralen Abmessungen des Sensors betragen 4,32 mm × 5,08
mm. Die Bauhöhe des Sensors beträgt 1,4 Millimeter,
davon beträgt allein die die Elektroden 13 einhüllende
Schicht 14 bereits mehr als 1 Millimeter. Der Abstand der
beiden Messelektroden 13 zueinander beträgt lediglich
5 μm. Dies führt zu einer Grundkapazität
von 5 pF. Der geringe Abstand zwischen den beiden Messelektroden 13 stellt
sicher, dass die Feldgradienten des Magnetfeldes durch die der Griffkraftsensor
bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung, das
heißt bei der Bewegung geführt wird, keinen störenden
Einfluss auf die Kraftmessung hat, da die zeitliche Änderung
des Magnetfeldes für die beiden Elektroden zu jedem Zeitpunkt
als identisch angesehen werden kann.
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Aus
dem geringen Elektrodenabstand resultiert zudem eine geringe Durchbiegung
der Membran von maximal 5 μm. Im Rahmen der Erfindung wurde diesbezüglich
erkannt, dass der Abstand der Messelektroden diesbezüglich
nicht größer sein sollte als 1 Millimeter. Wenn
der Abstand zwischen den Messelektroden zu groß ist, dann
ist keine sinnvolle Kraftmessung im Betrieb des Magnetresonanztomographen
möglich.
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Die
Messelektroden 13 werden durch eine Öffnung in
der Verbindung zwischen der Membran 15 und dem Grundkörper 11 nach
außen geführt, wo beide Elektroden 13 und
das abschirmende Silizium mit zwei ⌀ 0,3 mm dicken Koaxialkabeln
kontaktiert werden (Dreileiterversion).
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Der
Faradaykäfig wird mittels der allseitig geschlossenen Umhüllung 14 aus
Grundkörper 11 und Deckel 15 gebildet.
Die Umhüllung 14 schirmt durch ein elektrisch
leitendes Material das Innere des Käfigs 14 aber
nicht nur gegen äußere elektrische Felder sondern
per se auch gegen elektromagnetische Wechselfelder im Allgemeinen
ab. Umhüllung 14 kann vollständig aus
Silizium bestehen.
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Zur
Ausbildung eines Kraftsensors ist auf dem Silizium 15 über
einer der Messelektroden 13 eine Nicht-Metallische Rubinkugel 16 aufgeklebt.
Die Kugel überträgt im Betrieb die vom Probanden
ausgeübte Kraft auf die Elektroden 13. Die Kugel
hat einen Durchmesser von 0,1 Millimeter. Der Faraday-Kraftsensor 1 weist
einen Messbereich von 0 bis 50 N auf. Die aufgebrachte Kraft bewirkt
eine Änderung der Kapazität des Sensors, welche
durch eine entsprechende Analogschaltung außerhalb der
Sensorvorrichtung ausgelesen wird.
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Beide
Messelektroden sind hierzu mit Kontakten 17 kontaktiert.
Je eine Messelektrode ist demnach mit je einem Kontakt 17 verbunden.
Lediglich ein Kontakt 17 ist in 1 dargestellt.
Durch den Verzicht auf die galvanische Verbindung einer der beiden Elektroden
mit dem als Faradaykäfig eingesetzten Hüllmaterial
wird sichergestellt, dass die Feldgradienten des Magnetfeldes, die
der Griffkraftsensor bei seiner bestimmungsgemäßen
Verwendung, das heißt bei der Bewegung, durchläuft,
keinen störenden Einfluss auf die Kraftmessung haben.
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Bei
dem Sensor selbst treten keine temperaturabhängigen Halbleitereffekte
auf, da das Silizium als einheitlicher Kristall und nicht als p-n-Übergang verwendet
wird. Eventuelle Temperaturänderungen gehen nur in die
thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein. In den meisten Anwendungen
ist damit keine Temperaturkompensation notwendig (Temperaturkoeffizient < 0,01%/Kelvin).
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Es
ist selbstverständlich, dass die 1 nicht
maßstabsgetreu dargestellt ist. Insbesondere kann der Deckel 15 im
Vergleich zum Grundkörper 11 kleiner ausgeführt
sein, so dass Kugel 16 nahe genug an den Messelektroden 13 für
die Kraftübertragung angeordnet ist. Die abführenden
Koaxialkabel sind ebenfalls nicht dargestellt.
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In 2 ist
schematisch der verwendete Griffkraftsensor gezeigt. Das runde,
komplett aus PVC gefertigte Gehäuse 21 des Griffkraftsensors
hat einen Durchmesser von 9,5 cm, eine Tiefe von 4,5 cm und kann
auch von Personen mit stark eingeschränkter Handmotorik
gegriffen und bewegt werden.
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Für
die Messung der Beschleunigung ist neben dem genannten Kraftsensor
ein triaxialer Beschleunigungssensor ADXL-330 von Analog Devices in
das Gehäuse integriert. Der ADXL-330 ist eine Ein-Chip-Entwicklung,
und verbraucht bei einer Versorgungsspannung von 1,8 V etwa 180 μA.
Es weist einen Messbereich von ± 3G auf. Die verwendete MEMS-Technologie
macht ihn für die extremen Magnetfelder eines klinischen
3-T Magnetresonanztomographen unanfällig.
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Die
Digitalisierung, Signalvorverarbeitung und Speicherung der Daten
sowie das online-Streaming dieser Daten erfolgt durch einen Mikrokontroller der
Firma Texas Instruments. Das zylindrische Gehäuse und die
verwendeten Schrauben sind aus PVC gefertigt. Die Digitaleinheit,
die auch die analoge Schaltung zur Auslese des Kraftsensors umfasst, wird
beim Betrieb im Kernspintomographen aus der Hochfeld-MR-Zone mittels
geschirmter Kabel herausgeführt.
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Lediglich
die beiden Sensoren, also der Faraday-Kraftsensor und der Beschleunigungssensor sind
neben einem Analogfilter in das Gehäuse 21 integriert.
Der Analogfilter eliminiert als Tiefpassfilter hohe Störfrequenzen
des Magnetresonanztomographen. Der Analogfilter ist sensornah im
Signalweg zwischen Beschleunigungssensor und abgehender Kabelverbindung
(nicht dargestellt) eingebaut um hohe Störfrequenzen zu
eliminieren. Die Kabelverbindung ist als Koaxialkabel ausgeführt.
Sie übermittelt die erhobenen Daten zur ausgeübten
Kraft und Beschleunigung an Mit Bezugszeichen 22 ist das
Gewicht der Sensorvorrichtung lediglich symbolisch dargestellt.
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Ausgehend
vom Kraftsensor der 1 und den beiden hierfür
beschriebenen Koaxialkabeln wird ein weiteres Kabel, ausgehend vom
Beschleunigungssensor, zusammen über ein insgesamt ebenfalls
geschirmtes Kabel an die außerhalb der Sensorvorrichtung
angeordnete Digitaleinheit zwecks Datenverarbeitung und – Speicherung
geführt.
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Die
Sensorvorrichtung wurde erfolgreich sowohl in dem Bereich des höchsten
Magnetfeldes als auch im Bereich des stärksten Streufeldes
eines klinischen 3 T Magnetresonanztomographen getestet (3).
Die Testung umfasste eine Messung mit dem unbewegten und mit dem
bewegten Sensor. Die Sensorvorrichtung wurde dabei mit einer Frequenz von
ca. 1 Hz und einer Auslenkung von ca. 50 cm bewegt, entsprechend
einem typischen Experiment für die Griffkraftmessung. Auf
beide Sensoren wurden durch die Magnetfelder des Magnetresonanztomographen
keine spürbaren Kräfte ausgeübt, außerdem verursachten
beide keine Störungen im Magnetresonanztomographie-Bild.
Maßgeblich über die während der Tests
geschirmten Analogkabel wurden die Ausgangssignale jedoch durch
die Wechselfelder der Anregungssequenzen des Magnetresonanztomographen
beeinflusst. Diese Störungen liegen jedoch in einem Frequenzbereich
deutlich über den interessierenden Signalfrequenzen und
waren in der Amplitude so gering, dass sie durch den erwähnten
Tiefpassfilter von 150 Hz entfernt werden konnten.
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Die
Digitaleinheit wurde inklusive des verwendeten Lithium-Polymer-Akkus
als herausnehmbarer Einschub konzipiert. Beim Betrieb im Magnetresonanztomograph
wird die Digitaleinheit durch einen gleichschweren, nichtmagnetischen
Adapter ersetzt und mittels geschirmter Kabel (bis zu einer Länge
von 5 m) aus dem Messraum herausgeführt. Auf diese Weise
ist ein Vergleich der beiden Sensorvorrichtungen mit und ohne Digitaleinheit
in und außerhalb des Magnetresonanztomographen möglich.
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Der
Feinmotoriksensor kann über einen Drucktaster vollkommen
autark bedient werden. Statusmeldungen (laufende Messung, Anzahl
der aufgezeichneten Messungen, Fehlermeldung, Kalibrierungsanweisungen)
werden über eine zweistellige alphanumerische Anzeige ausgegeben.
Beim Einschalten führt das System automatisch einen Selbsttest
durch und initiiert gegebenenfalls eine Kalibrierung. Bei dieser
muss der Anwender gemäß Anweisungen der Anzeige
das System in 3 verschiedenen Stellungen auf eine ebene Oberfläche
legen. Die Kalibrierung dauert etwa 1 Minute. Es können
bis zu 96 Messungen mit einer Gesamtgröße von
4 GB in der Digitaleinheit gespeichert und verwaltet werden. Eine integrierte
Echtzeituhr identifiziert die Messungen eindeutig. Derzeit werden
die Beschleunigungen in die drei Raumrichtungen und die Griffkraft
mit jeweils 256 Hz digitalisiert, deutlich höhere Abtastraten
sind jedoch vom System her möglich. Der verwendete Akku
erlaubt eine maximale Messzeit von 5 Stunden. Über eine
serielle Verbindung wird das System für das Auslesen der
Messdaten, die Änderung der Grundkonfiguration oder das
online Visualisieren der Messdaten an einen normalen Windows-PC
angeschlossen. Die Steuerung und Visualisierung erfolgt über
eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) in QT- bzw. MATLAB.
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Durch
die Anwendbarkeit im Magnetresonanztomographen wird die direkte
Korrelation der feinmotorischen Handfunktionen mit funktionell anatomischen
Hirnstrukturen ermöglicht. Zusätzlich erlaubt
die erfindungsgemäße Vorrichtung unter anderem
die Aufzeichnung der isometrischen Fingerkräften und bewegungsinduzierten
Lasten bei der Objektmanipulation sowie bei der online Analyse und Rückprojektion
von visuell aufbereiteten Teilaspekten der feinmotorischen Bewegungsabläufe
an die untersuchte Person (Biofeedback). Dadurch können
verschiedene Leistungsaspekte der feinmotorischen Handfunktion dissoziiert
werden, wie dies für die komparative Untersuchung der an
diesen. Funktionen beteiligten Hirnstrukturen in der funktionellen Magnetresonanztomographie
notwendig ist.
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Auf
diese Weise wird eine Magnetresonanztomographiekompatible Sensorvorrichtung
bereitgestellt, welche eine online Rückprojektion von visuell aufbereiteten
Teilaspekten der feinmotorischen Bewegungsabläufe an die
untersuchte Person im Sinne eines Biofeedbacks erlaubt. Dadurch
ist die Identifikation der an der präzisen Koordination
der feinen Fingerkräfte bei der Manipulation von Gegenständen beteiligten
funktionellen anatomischen Hirnstrukturen bei Gesunden und Patienten
mit neurologischen Erkrankungen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Phillip, J:
Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik beim Greifen
und Bewegen von Gegenständen. Dissertation, Ludwig-Maximilians-Universität
München (1999) [0003]
- - Nowak, D.A., Hermsdörfer, J. (2004). Die Analyse
der Griffkraft bei der Manipulation von Objekten. Nervenarzt 75:
725–733 [0006]
- - Phillip, J. Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik
beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation,
Ludwig-Maximilians-Universität München (1999) [0013]
- - Magnetic Resonance–Compatible Robotic and Mechatronics
Systems for Image-Guided Interventions and Rehabilitation: A Review
Study. Nikolaos V. Tsekos, N.V. Khanicheh, A., Christoforou, E.,
and Mavroidis, C. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2007. 9: 14.1–14.37 [0027]
- - http://www.faradaysensoren.de/index-d.htm [0027]
- - Phillip, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik
beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation,
Ludwig-Maximilians-Universität München (1999) [0035]
- - Phillp, J: Ein Meßsystem zur Untersuchung der Feinmotorik
beim Greifen und Bewegen von Gegenständen. Dissertation,
Ludwig-Maximilians-Universität München (1999) [0039]
- - http://www.faraday-sensoren.de/index-d.htm [0046]
- - http://www.ib-hoch.de/faraday_kraftsensoren.pdf [0046]