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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Ganganalyse und/oder zur Gangrehabilitation.
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Im Rahmen einer Ganganalyse, welche bei gesunden als auch bei beim Gehen beeinträchtigten Personen durchgeführt werden kann, oder einer Gangrehabilitation, beispielsweise bei von Schlaganfall betroffenen Patienten, wird eine genauere Beurteilung der Gangqualität unter Zuhilfenahme von Ganganalysesystemen angestrebt. Diese Ganganalysesysteme und -verfahren können beispielsweise ein Laufband umfassen, sind jedoch in der Anwendbarkeit und Genauigkeit der Analyse unterschiedlich ausgestaltet.
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So offenbart die Druckschrift
DE 198 05 164 C1 ein Gerät für den Einsatz in der Gangrehabilitation von gehbehinderten Patienten, welches zwei Fußplatten aufweist, die sich auf einer vorgegebenen Trajektorie bewegen lassen. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass nur eingeschränkte Analysemöglichkeiten durch eine Leistungsmessung an einem Umrichter gegeben sind. Die Ergebnisse einer derartigen Analyse sind daher auch nur eingeschränkt verwendbar für eine Anpassung der Therapie. Zudem erfolgt die Anzeige der Leistungsmessung für einen Benutzer eines derartigen Geräts durch eine Analoganzeige, was Benutzer mit eingeschränktem Sehvermögen nur schlecht oder gar nicht wahrnehmen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Gerät zur Ganganalyse bzw. zur Gangrehabilitation zu entwickeln, welches die genannten Nachteile vermeidet, mit dem also während der Benutzung eines erfindungsgemäßen Geräts, beispielsweise im Rahmen einer Therapie, bereits eine Analyse von Gangparametern schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie ein Gerät nach Anspruch 7.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur visuellen Darstellung von Gangparametern im Rahmen einer gerätegestützten Gangtherapie umfasst mehrere Schritte. In einem ersten Schritt wird eine Messung der auf mindestens ein Sensorelement durch einen Fuß eines Benutzers ausgeübten Kräfte und/oder Momente durchgeführt. In einem zweiten Schritt werden die gemessenen Kräfte und/oder Momente in Echtzeit ausgewertet und schließlich in einem dritten Schritt mindestens ein aus den ausgewerteten Kräften und/oder Momenten ermittelter Gangparameter visuell dargestellt, sodass ein Benutzer durch die visuelle Darstellung ein Feedback seiner momentanen Gehbewegung erhält. Dieses als Biofeedback bezeichnete Verfahren macht psychophysiologische Prozesse durch Rückmeldung wahrnehmbar bzw. diese Prozesse werden dadurch verstärkt.
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Ein derartiges Verfahren bietet den Vorteil, dass die während der gerätegestützten Gangtherapie erhaltenen Daten durch die Auswertung in Echtzeit sofort dem Benutzer zur Verfügung gestellt werden und daraufhin unmittelbar eine Anpassung der Gehbewegung durch den Benutzer selbst oder einen Therapeuten geschehen kann. Somit wird wertvolle Therapiezeit gespart und der Benutzer durch die auch für ihn wahrnehmbare Darstellung des Gangparameters stärker in die Therapie eingebunden und motiviert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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In einer Ausführungsform wird zur Durchführung des Verfahrens mindestens eine Fußplatte verwendet. Der Fuß des Benutzers eines zur gerätegestützten Gangtherapie verwendeten Geräts wird auf der Fußplatte fixiert und durch die Fixierung mit der Fußplatte mitbewegt. Die Fußplatte weist mindestens ein Sensorelement auf, welches die durch den darauf fixierten Fuß auf die Fußplatte ausgeübten Kräfte misst. Hierdurch erfolgt ein gezieltes Trainieren von durch die Fußplattenbewegung vorgegebenen Bewegungsabläufen, beispielsweise dem Gehen in der Ebene.
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In einer Ausführungsform kann zusätzlich zur visuellen Darstellung mindestens eines der Gangparameter auch eine taktile Darstellung erfolgen. Dies kann durch ein Bewegungselement erfolgen, welches eine zusätzliche Bewegung auf die Fußplatte ausübt. Alternativ kann das Bewegungselement auf einen anderen Körperteil des Benutzers eine für den Benutzer wahrnehmbare Bewegung ausüben. Die zusätzliche Bewegung kann hierbei entsprechend dem dargestellten Gangparameter ausgeübt werden und eine taktile Stimulation umfassen. Hierdurch kann auch in ihrer visuellen Wahrnehmung beeinträchtigten Benutzern durch ein fühlbares Signal geholfen werden, die Gehbewegung entsprechend den Vorgaben anzupassen. Durch Ausüben des Signals auf einen oder beide Füße wird in besonders vorteilhafter Weise gezielt das in der Gangtherapie zu trainierende Körperteil stimuliert.
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In einer Ausführungsform kann die visuelle Darstellung von Gangparametern durch mindestens eine Animation, vorzugsweise eine selbsterklärende Animation, erfolgen. Dies bietet den Vorteil, dass die Darstellung in einer einfach wahrnehmbaren Weise erfolgt und somit auch durch in ihrer visuellen Wahrnehmung eingeschränkte Personen wahrgenommen werden kann. Insbesondere Patienten mit einer kognitiven Beeinträchtigung, beispielsweise nach einem Schlaganfall, profitieren von einer derart einfach wahrnehmbaren Darstellung. Gegenüber einer detaillierteren Darstellung beispielsweise durch Diagramme weist eine Animation den Vorteil auf, schneller erfassbar zu sein und den Benutzer nicht mit zusätzlichen Informationen zu überfordern. Insbesondere das Vorsehen einer selbsterklärenden Animation ist hierbei vorteilhaft, da somit auch ohne Eingreifen eines Therapeuten ein Benutzer angehalten ist, seine Gehbewegung entsprechend der selbsterklärenden Animation anzupassen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann außerdem vorgesehen sein, dass die Ausgabe der ausgewerteten Daten zusätzlich in Form mindestens eines Diagramms, vorzugsweise eines zeitabhängigen Diagramms, erfolgt. Dies bietet den Vorteil, dass eine anschauliche und schnell zu erfassende Form der Darstellung gewählt wird, die darüber hinaus einer detaillierteren Analyse zu einem späteren Zeitpunkt leicht zugänglich ist.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zur visuellen und bzw. oder taktilen Darstellung auch eine akustische und/oder haptische Darstellung der Gangparameter erfolgt. Durch diese Ausführungsform können auch in ihrer Sinneswahrnehmung stark beeinträchtigte Benutzer eine Rückmeldung über ihre Gehbewegung durch zumindest eine der gewählten Darstellungsformen erhalten.
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Es kann in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit von den gemessenen Kräften und bzw. oder Momenten eine Anpassung mindestens eines Regelparameters erfolgt. Als Regelparameter können vorzugsweise ein Grad der Unterstützung, eine Schrittlänge, eine Schritthöhe, eine Schrittfrequenz und/oder eine Ganggeschwindigkeit umfasst sein. Diese Anpassung kann den Benutzer eher an seine Leistungsgrenze führen und erlaubt eine angenehmere Therapie, da sich das Gerät dem Benutzer anpasst und nicht umgekehrt.
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Eine Ausführungsform kann vorsehen, dass der Gangparameter mindestens ein Kraftprofil, eine zeitliche Symmetrie, eine Kraftsymmetrie, eine Gewichtsbe- oder -entlastung eines Beins, eine Fußhebung oder eine Gewichtsverteilung umfassen. Die Auswahl des darzustellenden Gangparameters kann sich am Rehabilitationsschwerpunkt orientieren. Die genannten Gangparameter bieten hierzu eine Auswahl der wesentlichen für eine Rehabilitation nötigen Parameter, sodass gezielt hieran gearbeitet werden kann.
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Das Verfahren kann vorsehen, dass in Abhängigkeit von den gemessenen Kräften und/oder Momenten eine Anpassung mindestens eines Regelparameters erfolgt. Die Anpassung umfasst hierzu vorzugsweise einen Grad der Unterstützung, eine Schrittlänge, eine Schritthöhe, eine Schrittfrequenz, welche auch als Kadenz bezeichnet wird, und/oder eine Ganggeschwindigkeit. Aus dem oder den ermittelten Gangparametern kann ein optimierter Therapieverlauf erhalten werden, welcher durch die Regelparameter in die Therapie einfließt. Durch die Anpassung mindestens eines der Regelparameter wird der Therapieverlauf somit optimiert und beschleunigt.
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Ein erfindungsgemäßes Gerät zur Ganganalyse und/oder zur Gangrehabilitation entsprechend Anspruch 7 umfasst mindestens eine bewegliche und in ihrer Bewegung in bis zu sieben Freiheitsgraden steuerbare Fußplatte, wobei eine Steuerung der Bewegung der Fußplatte durch eine Steuereinheit erfolgt und mindestens ein Fuß eines Benutzers auf der Fußplatte fixiert ist und durch die Fußplatte auf einer durch eine Bauart des Geräts oder durch eine Bauart der Steuereinheit vorgegebenen Trajektorie geführt wird. Die vorgegebene Trajektorie ahmt hierbei in vorteilhafter Weise eine natürliche Gehbewegung nach.
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Die Fußplatte weist außerdem mindestens ein Sensorelement zum Messen von auf die Fußplatte ausgeübten Kräften und/oder Momenten auf. Durch die Fixierung des Fußes des Benutzers auf der Fußplatte und die Führung der Fußplatte auf durch die Steuereinheit vorgegebenen Trajektorien wird sichergestellt, dass der Benutzer in seiner Bewegung geführt wird und beispielsweise ein in seiner Bewegung eingeschränkter Patient als Benutzer somit die Bewegungsabläufe wieder erlernt. Die Fußplatte kann hierzu in bis zu sieben Freiheitsgraden steuerbar sein, vorzugsweise jedoch in weniger als sechs, insbesondere vier Freiheitsgraden, da zur Durchführung einer Therapie in der Regel nicht mehr Freiheitsgrade benötigt werden, während gleichzeitig sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen erfasst werden können. Neben den jeweils drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgraden kann der siebte Freiheitsgrad durch die Bewegung des Metatarsalgelenks gegeben sein. Hierzu kann die Fußplatte zwei getrennte Segmente aufweisen. Durch das Vorsehen mindestens eines Sensorelementes an der Fußplatte kann eine Messung der ausgeübten Kräfte bzw. Momente durchgeführt, die Messdaten ausgewertet und dem Benutzer bzw. einem Therapeuten in Echtzeit zugänglich gemacht werden. Zur Auswertung umfasst das Gerät eine Auswerteeinheit, die nach Auswertung der Kräfte bzw. Momente die ausgewerteten Daten an eine Ausgabeeinheit weiterleitet, welche die aus den Daten ermittelten Gangparameter darstellt. Somit kann bereits während der Rehabilitationsmaßnahme eine Analyse des Gangs durchgeführt werden und die Maßnahme zielgerichtet angepasst werden.
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In vorteilhafter Weise kann ein Gerät zur Ganganalyse oder Gangrehabilitation zwei Fußplatten umfassen, wobei auf jede der Fußplatten ein Fuß eines Benutzers fixiert ist. Die Fußplatten können die bereits beschriebenen Eigenschaften aufweisen. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, nicht nur ein einzelnes Bein zu beanspruchen, sondern vielmehr beide Beine gleichzeitig zu trainieren und hierdurch den natürlichen Gang eines Menschen zu simulieren und analysieren bzw. zu therapieren.
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In einer Ausführungsform kann das Sensorelement eine Kraftmessplatte und/oder mindestens einen Kraft-/Momentensensor umfassen, welche vorzugsweise zur Messung von Kräften und/oder Momenten in bis zu, vorzugsweise jedoch weniger als sechs Freiheitsgraden ausgebildet sind. Eine Kraftmessplatte als Sensorelement weist den Vorteil auf, dass an verschiedenen Punkten Messwerte erfasst werden können und somit auch eine Druckverteilung des Fußes auf der Platte gemessen werden kann. Eine Messung von Kräften bzw. Momenten in bis zu sechs Freiheitsgraden deckt einen Großteil der Freiheitsgrade ab, vorteilhaft können jedoch weniger als sechs Freiheitsgrade verwendet werden, vorzugsweise vier Freiheitsgrade, da gewöhnlich die Messung sämtlicher Freiheitsgrade nicht benötigt wird und bereits aus vier Freiheitsgraden die maßgeblichen Informationen gewonnen werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die durch die Bauart des Geräts oder die Steuereinheit vorgegebenen Trajektorien der Füße des Benutzers eine Standbeinphase von 60% einer Bewegungszeit und eine Schwungbeinphase von 40% der Bewegungszeit vorsehen. Somit werden die Füße des Benutzers auf einer dem natürlichen Gang eines Menschen möglichst nahekommenden Weise geführt, sodass eine Analyse des Gangs unter den Bedingungen einer natürlichen Gehbewegung durchgeführt werden kann. Dies kann auch für nur eine Fußplatte vorgesehen sein, sodass gezielt ein Fuß hinsichtlich Schwungbein- und Standbeinphase trainiert werden kann.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Gerät ein Bewegungselement zum Ausüben einer zusätzlichen motorisierten Bewegung auf die Fußplatte umfasst. Durch dieses Bewegungselement kann neben einer Darstellung durch die Ausgabeeinheit eine weitere Möglichkeit der Darstellung der ausgewerteten Daten erfolgen. Vorteilhaft umfasst dieses Bewegungselement eine Vorrichtung zur taktilen Stimulation, insbesondere einen Vibrationsmagneten und/oder einen Motor mit Unwucht. Hierdurch kann durch eine mechanische Bewegung der Fußplatte der Körper des Benutzers die ausgewerteten Daten direkt spürbar wahrnehmen und so den Bewegungsablauf entsprechend anpassen.
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Vorteilhaft kann außerdem vorgesehen sein, dass das Sensorelement eine Messung der Kräfte und/oder Momente an einem oder mehreren Messpunkten, vorzugsweise mindestens vier Messpunkten durchführt. Die Messpunkte können hierbei auch Dehnungs- oder Kraftmessstreifen umfassen, sind also nicht auf eine reine Punktgeometrie beschränkt. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine flächige Messung möglich ist, welche beispielsweise die Abrollspur eines Fußes umfassen kann. Somit werden weitere Messdaten erlangt, die zur Bestimmung von Abweichungen des Gangs des Benutzers von einer natürlichen Gehbewegung dienen.
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Eine weitere Ausführungsform kann darüber hinaus vorsehen, dass die Ausgabeeinheit mindestens einen Bildschirm und/oder mindestens einen Lautsprecher zur grafischen und/oder akustischen Ausgabe von von der Auswerteeinheit ausgewerteten Daten umfasst. Die in Echtzeit ausgewerteten Daten der Ganganalyse, also die Gangparameter, können somit in vorteilhafter Weise einem Benutzer und/oder einem Therapeuten ausgegeben werden, sodass eine entsprechende Anpassung des Gangs durch den Benutzer bzw. den Therapeuten vorgenommen werden kann. Die Ausgabe kann hierzu grafisch oder akustisch erfolgen, je nachdem, welche Ausgabe durch einen Patienten eher wahrnehmbar ist bzw. kann auch eine gemeinsame grafische und akustische Ausgabe umfassen.
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In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Ausgabe der ausgewerteten Daten in Form einer Animation, insbesondere einer selbsterklärenden Animation erfolgt. Hierdurch kann eine Darstellung in einer für den Benutzer leicht wahrnehmbaren Weise erfolgen und der Benutzer kann auf die Darstellung reagieren und seine Gehbewegung anpassen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann außerdem vorgesehen sein, dass die Ausgabe der ausgewerteten Daten in Form mindestens eines Diagramms, vorzugsweise eines zeitabhängigen Diagramms, erfolgt. Dies bietet den Vorteil, dass eine quantitativ anschauliche und schnell zu erfassende Form der Darstellung gewählt wird, die darüber hinaus einer detaillierteren Analyse zu einem späteren Zeitpunkt leicht zugänglich ist.
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In vorteilhafter Weise umfassen die ausgewerteten und als Diagramm dargestellten Daten mindestens einen Gangparameter, vorzugsweise ein Zyklogramm, ein Zeitverlaufsdiagramm der Bodenreaktionskraft, eine Schritterkennung, eine Gangsymmetrie bzw. eine dreidimensionale Visualisierung des Bewegungsablaufs umfassen. Durch die Darstellung der genannten Größen als Diagramm kann eine zielgerichtete Anpassung der Therapie bzw. eine Anpassung von Regelungsparametern erfolgen. Die genannten Parameter weisen darüber hinaus den Vorteil auf, verhältnismäßig einfach visualisierbar zu sein und somit von einem Benutzer des Geräts bzw. einem Therapeuten leicht erfassbar zu sein.
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Eine Fußplatte zum Anbau an ein Gerät zur Ganganalyse und/oder Gangrehabilitation umfasst ein Sensorelement zum Messen von auf die Fußplatte ausgeübten Kräften und/oder Momenten. Diese Fußplatte kann nachträglich leicht in bereits existierende Geräte zur Gangrehabilitation eingebaut werden. Somit ergibt sich eine erleichterte Nachrüstbarkeit, um die bereits genannten Vorteile einer Analyse während einer Rehabilitationsmaßnahme nutzen zu können.
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In einer Ausführungsform der Fußplatte weist die Fußplatte ein Bewegungselement auf, welches eine zusätzliche Bewegung auf die Fußplatte ausübt. Die zusätzliche Bewegung kann hierbei eine taktile Stimulation umfassen. Hierzu kann das Bewegungselement eine Vorrichtung zur taktilen Stimulation umfassen, insbesondere einen Vibrationsmagneten und bzw. oder einen Motor mit Unwucht als Vibrationsmotor. Hierdurch kann auch in ihrer visuellen Wahrnehmung beeinträchtigten Benutzern durch ein fühlbares Signal geholfen werden, die Gehbewegung entsprechend den Vorgaben anzupassen.
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Eine Ausführungsform einer derartigen Fußplatte kann vorsehen, dass das Sensorelement eine Kraftmessplatte und/oder einen Kraft-Momentensensor umfasst. Vorzugsweise ist das Sensorelement zur Messung von Kräften und/oder Momenten in bis zu, besonders vorzugsweise weniger als sechs Freiheitsgraden ausgebildet. Somit können wiederum sowohl translatorische als auch rotatorische Bewegungen in sämtlichen Freiheitsgraden erfasst werden, wobei vorzugsweise vier für die Analyse notwendige Freiheitsgrade erfasst werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 7 erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Gerät zur Ganganalyse bzw. Gangrehabilitation mit einem Benutzer,
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2 Animationen zur Darstellung von Gangparametern,
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3 Diagramme zur Darstellung von Gangparametern,
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4 eine animierte Figur zur Darstellung von Gangparametern,
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5 eine schematische Darstellung eines Regelkreises zum Biofeedback,
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6 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäße Fußplatte und
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7 eine seitliche Ansicht einer erfindungsgemäße Fußplatte mit zusätzlichem Bewegungselement.
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In 1 ist in einer seitlichen Ansicht ein stationäres und fest an einem Boden verankertes Gerät zur Ganganalyse und/oder zur Gangrehabilitation dargestellt. Das dargestellte Gerät ist ein Therapiegerät, ein entsprechendes Gerät kann aber auch nur zur Ganganalyse verwendet werden. Das Gerät umfasst eine erste Fußplatte 1a sowie eine zweite Fußplatte 1b, welche beweglich und in ihrer Bewegung in jeweils bis zu sechs Freiheitsgraden steuerbar sind. Die Steuerung der Bewegung der Fußplatten 1a, 1b erfolgt durch eine Steuereinheit 2, welche mit der ersten Fußplatte 1a durch eine erste Stange 3a und mit der zweiten Fußplatte 1b durch eine zweite Stange 3b verbunden ist. Die Steuereinheit 2 kann zur Durchführung der Bewegung der Fußplatten 1a, 1b beispielsweise einen Motor umfassen, der über ein Getriebe die erste Stange 3a und die zweite Stange 3b bewegt und somit die erste Fußplatte 1a und die zweite Fußplatte 1b mitbewegt. Das Getriebe ist hierbei als Planetengetriebe ausgestaltet und kann eine Einstellung unterschiedlicher Schrittlängen und unterschiedlicher Verhältnisse von Schwungbein- zu Standbeinphase zulassen. Durch das Getriebe kann die Bewegung der ersten Fußplatte 1a und der zweiten Fußplatte 1b miteinander gekoppelt werden, d. h. sie sind nicht mehr in allen Freiheitsgraden unabhängig voneinander bewegbar. Zur Ansteuerung kann die Steuereinheit 2 ein elektronisches Steuermodul umfassen, welches intern die Steuerung der Fußplatten 1a, 1b übernimmt oder extern von einem Rechner angesteuert wird. Somit wirkt die Steuereinheit 2 als Antriebseinheit, die die Bewegung der Fußplatten 1a, 1b sowohl steuert als auch antreibt.
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Auf der ersten Fußplatte 1a und der zweiten Fußplatte 1b ist jeweils ein Fuß eines Benutzers 4 fixiert, beispielsweise eines Schlaganfallpatienten, der sich einer Rehabilitationsmaßnahme unterzieht. Die Fixierung der Füße kann hierbei durch je ein Befestigungselement 5, beispielsweise durch Schlaufen aus Stoff oder einem Kunststoff oder unter Verwendung von Klettband, erfolgen. Die Fixierung ist einstellbar, beispielsweise durch einen Schieber, und sichert die Füße jeweils gegen vollständiges Abheben von der ersten Fußplatte 1a oder der zweiten Fußplatte 1b. Durch die Fixierung wird sichergestellt, dass die Füße der Bewegungsbahn der Fußplatten 1a, 1b folgen und somit die durch eine Bauart des Geräts oder der Steuereinheit 2 vorgegebene Trajektorie abgefahren wird. Die Fußplatten 1a, 1b weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine ebene Oberfläche auf, sie können jedoch auch eine Konturierung des Fußes aufweisen, sodass der Fuß des Benutzers 4 hier zusätzlichen Halt findet. Der Benutzer 4 kann zur Entlastung des Bewegungsapparats durch eine Haltevorrichtung 6 gestützt oder getragen werden. Die Haltevorrichtung 6 kann hierzu ein massenschwerpunktgesteuertes Gurtsystem umfassen. Somit entfällt ein körperliches Eingreifen eines Therapeuten zur Korrektur der Gehbewegung, und der Therapeut kann sich voll auf die Analyse des Gangs konzentrieren.
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Die Führung der Füße kann hierzu auf einer einzelnen festgelegten Trajektorie erfolgen, welche das Gehen auf der Ebene simuliert. Alternativ kann die Führung auch derart ausgestaltet sein, beliebige Trajektorien nachzufahren, beispielsweise das Hinauf- oder Herabsteigen von Treppen. Die Festlegung einer einzelnen Trajektorie kann hierbei auch durch die Bauart des Geräts oder der Steuereinheit 2 bedingt sein, indem beispielsweise die erste Stange 3a und die zweite Stange 3b nur in bestimmten Freiheitsgraden bewegbar sind, beispielsweise wird durch eine Kopplung je eines Endes der ersten Stange 3a oder der zweiten Stange 3b, welches der jeweiligen Fußplatte 1a, 1b entgegengesetzt ist, an eine sich drehende Scheibe des Getriebes eine Bewegung in der durch ein in 1 dargestelltes Koordinatensystem definierten x-z-Ebene ermöglicht, während die Stangen 3a, 3b bauartbedingt keine Bewegung in y-Richtung zulassen. Vorteilhaft werden die Trajektorien entsprechend einer natürlichen Gehbewegung gewählt.
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Die Steuerung der Bewegung durch die Steuereinheit 2 ist derart ausgebildet, dass die Fußplatten 1a, 1b und somit auch die auf der ersten Fußplatte 1a und der zweiten Fußplatte 1b fixierten Füße eine Standbeinphase von 60% einer Bewegungszeit und eine Schwungbeinphase von 40% der Bewegungszeit vorsehen. Dies erlaubt eine Anpassung an den natürlichen Gangrhythmus eines Menschen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, in der Steuereinheit 2 durch Vorsehen beispielsweise eines alternativen Getriebes auch andere Verhältnisse von Standbeinphase und Schwungbeinphase einstellen zu können. Derartige Verhältnisse können beispielsweise 30:70 bzw. 70:30 oder 50:50 sein. Außerdem kann vorgesehen sein, die Schrittfrequenz stufenlos in einem Bereich von 0 bis zu 70 Schritten pro Minute zu variieren, um unterschiedliche Gangarten wie langsames Gehen oder eine schnellere Bewegung zu simulieren.
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In der ersten Fußplatte 1a und in der zweiten Fußplatte 1b ist jeweils mindestens ein Sensorelement 7 enthalten, die die von den auf den Fußplatten 1a, 1b fixierten Füßen eines Benutzers 4 ausgeübten Kräfte bzw. Momente messen. Im vorliegenden Fall sind jeweils vier Sensorelemente 7 enthalten, wovon bedingt durch die seitliche Darstellung an jeder Fußplatte nur zwei Sensorelemente sichtbar sind. Die Sensorelemente 7 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kraftmessplatte enthalten und umfassen mindestens einen Kraft-/Momentensensor, im vorliegenden Fall jeweils je einen Kraft- und einen Momentensensor. Der Kraft- bzw. Momentensensor ist hierbei zur Messung von Kräften bzw. Momenten in bis zu sechs Freiheitsgraden, also in allen translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden, ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Kraft-/Momentensensoren zur Messung von lediglich vier Freiheitsgraden ausgebildet, da bedingt durch die Geometrie der Steuerung der Bewegung lediglich eine Anpassung in vier Freiheitsgraden möglich ist. Die vier Freiheitsgrade umfassen zwei translatorische und zwei rotatorische Freiheitsgrade. Vorzugsweise erfolgt eine Messung von Kräften in x- und z-Richtung, wobei diese Richtungen durch das in 1 dargestellte Koordinatensystem definiert sind.
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Die Sensorelemente 7 führen eine Messung der Kräfte und/oder Momente an mindestens vier Messpunkten durch. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, eine entsprechende Anzahl von Kraft-/Momentensensoren vorzusehen. Die durch die Sensorelemente 7 erfassten Kräfte bzw. Momente werden einer Auswerteeinheit 8 über ein erstes Kabel 9a sowie ein zweites Kabel 9b zugeführt. Das erste Kabel 9a ist hierzu mit der ersten Fußplatte 1a, das zweite Kabel 9b mit der zweiten Fußplatte 1b verbunden. Die Verbindung kann auch eine kabellose Verbindung durch Funksignale oder optische Signale umfassen. Hierzu käme beispielsweise eine drahtlose Verbindung über Radiosignale in Frage. Durch Vorsehen einer drahtlosen Verbindung kann der Gefahr eines Verwickelns des Benutzers 4 in einem der Kabel 9a, 9b begegnet werden.
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An der ersten Fußplatte 1a und bzw. oder der zweiten Fußplatte 1b oder auch an beiden Fußplatten 1a, 1b kann ein zum Ausüben einer zusätzlichen Bewegung auf die jeweilige Fußplatte 1a, 1b ausgebildetes motorisiertes Bewegungselement 17 vorgesehen sein. Dieses Bewegungselement 17 kann eine Vorrichtung zur taktilen Stimulation der Haut des Benutzers 4 umfassen, beispielsweise einen Motor mit Unwucht. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, die Bewegung visuell auf dem Bildschirm 10 darzustellen und die Standbeinphase der jeweiligen Fußplatte durch eine taktile Stimulation. Somit ist ein multimediales Biofeedback an den Benutzer 4 möglich.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, nur eine Fußplatte und somit auch nur einen Fuß eines Patienten zu bewegen. Dies kann beispielsweise durch Blockieren der ersten Fußplatte 1a oder der zweiten Fußplatte 1b durch die Steuereinheit 2 geschehen. Alternativ kann auch eine Vorrichtung eingesetzt werden, die nur eine bewegliche Fußplatte umfasst. Die Fußplatte und die Vorrichtung können hierzu die bereits genannten Eigenschaften aufweisen. Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, gezielt lediglich einen Fuß zu trainieren, bevor beide Füße gleichzeitig verwendet werden sollen.
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Die Auswerteeinheit 8 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Computer, welcher die an ihn übermittelten Daten der Kräfte bzw. Momente weiterverarbeitet und speichern kann. Die Auswertung der Daten findet hierbei in Echtzeit statt. Die erfassten Daten umfassen hierbei Kraft-/Momentenprofile und Timing, also zeitliches Ausüben von Kräften bzw. Momenten. Die gespeicherten Daten können als Grundlage für eine spätere, detailliertere Auswertung dienen. Die Auswerteeinheit 8 ist über ein drittes Kabel 9c mit der Steuereinheit 2 verbunden und kann Signale über das dritte Kabel 9c übertragen, die eine Anpassung der Bewegung in Abhängigkeit von den ausgewerteten Daten bewirken. Diese Anpassung umfasst die Einstellung mindestens eines Regelparameters, insbesondere Grad der Unterstützung der Bewegung durch die Steuereinheit 2, Schrittlänge, Schrittfrequenz und Schritthöhe. Statt eines Kabels kann auch in diesem Fall eine kabellose Verbindung vorgesehen sein.
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Die ausgewerteten Daten werden von der Auswerteeinheit 8 an eine Ausgabeeinheit 16, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Bildschirm 10 sowie einen Lautsprecher 11, weitergeleitet. Der Bildschirm 10 ist derart angeordnet, dass der Benutzer 4 ihn einsehen kann. Die ausgewerteten Daten werden nun auf dem Bildschirm 10 dargestellt, sodass ein Benutzer 4 die ausgewerteten Daten wahrnehmen kann und seine Bewegung entsprechend anpassen kann. Außerdem erfolgt auch eine akustische Darstellung der Daten durch den Lautsprecher 11. Alternativ zu dem Lautsprecher 11 kann die Ausgabe der akustischen Signale auch über einen Kopfhörer erfolgen, sodass nur der Benutzer 4 die ausgegebenen Signale wahrnimmt. Es kann auch jeweils ein Bildschirm 10 sowohl für den Benutzer 4 als auch für einen Therapeuten vorgesehen sein, wobei auf beiden Bildschirmen identische oder unterschiedliche Informationen, beispielsweise unterschiedliche Gangparameter oder unterschiedliche Darstellungsformen der Informationen, wiedergegeben werden können.
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Die Ausgabeeinheit 16 kann neben dem Bildschirm 10 und dem Lautsprecher 11 auch weitere Elemente umfassen. Dazu zählt beispielsweise das Bewegungselement 17 zum Ausüben einer durch den Benutzer 4 wahrnehmbaren zusätzlichen Bewegung. Diese Bewegung kann auf eine oder beide Fußplatten 1a, 1b ausgeübt werden und insbesondere eine taktile Stimulation umfassen. Hierzu weist das Bewegungselement 17 einen Vibrationsmagneten oder einen Vibrationsmotor, z. B. einen Motor mit Unwucht, auf. Das Bewegungselement 17 kann auch ausgestaltet sein, einen anderen Teil des Körpers des Benutzers 4 zu stimulieren. In diesem Fall ist das Bewegungselement nicht an einer Fußplatte befestigt, sondern beispielsweise direkt mit der Hand des Benutzers 4 in Kontakt.
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In einer weiteren Ausführungsform können die Fußplatten 1a, 1b einen weiteren steuerbaren Freiheitsgrad aufweisen für das jeweilige Metatarsalgelenk. Somit sind erste Fußplatte 1a und zweite Fußplatte 1b in insgesamt sieben Freiheitsgraden steuerbar. Hierzu werden die Fußplatten 1a, 1b in zwei Segmente unterteilt, die durch ein Gelenk miteinander verbunden sind. Eines der Segmente soll dabei beweglich ausgebildet sein, während das andere Segment fest an den Stangen 3a, 3b befestigt ist. Hierdurch kann die Gehbewegung des Fußes auch für das Metatarsalgelenk nachgebildet werden, die Sensorelemente 7 können unter beiden Segmenten der Fußplatten 1a, 1b eingebaut sein.
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Die Darstellung der Gangparameter kann in einer in 2 dargestellten Weise als Animation auf dem Bildschirm 10 erfolgen. Die Animationen sind hierbei zumindest teilweise selbsterklärend. Identische Elemente sind in 2 wie auch in allen anderen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in dieser Figur dargestellten Beispiele für Animationen umfassen eine Gewichtsverteilung, wie in 2a) dargestellt. Hierbei wird ein Sollwert als oberer Punkt auf beiden Seiten vorgegeben. Die beiden unteren Punkte reagieren auf Gewichtsverlagerungen zwischen rechtem und linkem Fuß und sollen möglichst gleichzeitig an den vorgegebenen Sollwert herangeführt werden. Hierzu sind diese beiden Punkte senkrecht verschiebbar in Abhängigkeit der Gewichtsverteilung und reagieren auf die ausgeübte Kraft, das Timing und die Position der Füße.
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Die in 2b) beispielhaft dargestellte Animation nutzt eine Figur, im hier dargestellten einfachsten Fall ein Strichmännchen, um die Symmetrie der Gehbewegung anzuzeigen. Bei einem symmetrischen Gang steht die Figur aufrecht, während sie bei unsymmetrischem Gang zu einer Seite kippt. Alternativ bzw. zusätzlich kann die Symmetrie durch ein lächelndes Gesicht bei symmetrischem Gang und einem traurigen Gesicht bei unsymmetrischem Gang dargestellt werden.
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Eine gezielte Gewichtsverlagerung kann durch eine Animation entsprechend 2c) gezeigt werden. Hierbei wird ein am unteren Bildende dargestelltes Glas in Abhängigkeit vom Körperschwerpunkt nach links und rechts bewegt und soll herunterfallende Gegenstände, z. B. Wassertropfen, auffangen. Je erfolgreicher dies geschieht, desto höher kann der Füllstand im Glas werden. Dies kann beispielsweise ausgenutzt werden, um eine gleichmäßige Belastung beider Beine während des Gehens zu trainieren. Die herunterfallenden Gegenstände können hierzu in einer an den natürlichen Gehrhythmus angepassten Frequenz auftauchen, sodass spielerisch eine Angleichung an diesen Rhythmus erreicht wird.
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Wiederum auf die Gleichgewichtsverteilung zielt die in 2d) dargestellte Animation ab. Hier wird ein u-förmiges Rohr dargestellt, welches mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Abhängig von einer symmetrischen bzw. unsymmetrischen Gewichtsverteilung steigt die Flüssigkeit in einem Schenkel des Rohres höher als im anderen.
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In 2e) sollen Bälle durch Gewichtsverlagerung des Benutzers 4 in die dargestellten Öffnungen geleitet werden, in 2f) eine vorgegebene Markierung, im dargestellten Bild eine Linie, während des Gehens nicht verlassen werden. Einzelne Schritte sind hierbei durch auf oder neben der Markierung befindliche Punkte angezeigt.
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Die beschriebenen Animationen können einen unterschiedlichen Schwierigkeitsgrad aufweisen, beispielsweise durch Variation der Geschwindigkeit, mit der sie ablaufen. Der Schwierigkeitsgrad ist hierbei beispielsweise auf die körperliche Leistungsfähigkeit oder den Therapiefortschritt des Benutzers 4 einstellbar. Ziel der Animationen ist einerseits eine direkte Wahrnehmung der Gangparameter beim Benutzer 4 durch eine einfache Darstellung zu erreichen, und den Benutzer 4 andererseits durch spielerische Elemente zur Mitwirkung und Anpassung seiner Bewegungen zu motivieren.
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Zur Ermittlung der Gewichtsverteilung kann bei allen Animationen eine Mittelwertbildung über mehrere Messwerte wie auch die sofortige Darstellung einer einzelnen Messung erfolgen. Dies kann auch bei der Ermittlung aller anderen Gangparameter angewandt werden, auch hierbei können jeweils nur einzelne Messwerte oder ein Mittelwert mehrerer Messwerte herangezogen werden.
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Neben der Gewichtsverteilung können grafisch darstellbare Gangparameter auch ein Kraftprofil, eine zeitliche Symmetrie, eine Kraftsymmetrie, eine Gewichtsbe- und -entlastung eines Beins oder eine Fußhebung umfassen. Mindestens ein Gangparameter wird durch jeweils eine Animation dargestellt, es können auch Animationen zur Darstellung mehrerer Gangparameter oder mehrere Gangparameter in aufeinanderfolgenden Animationen dargestellt werden.
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Die Darstellung der Daten kann auch in grafischer Weise in Form eines Diagramms, insbesondere eines zeitabhängigen Diagramms, erfolgen. 3 stellt derartige Diagramme dar. Die Diagramme umfassen verschiedene Gangparameter, beispielsweise ein Zyklogramm 12, also eine Projektion des Körperschwerpunkts, ein Zeitverlaufsdiagramm der Bodenreaktionskraft 13, welches die von dem jeweiligen Fuß auf den Boden ausgeübten Kräfte angibt, eine Schritterkennung 14 und eine ebenfalls nach Füßen aufgeschlüsselte Gangsymmetrie 15. Die Diagramme können, wie in 3 dargestellt, gleichzeitig auf dem Bildschirm 10 angezeigt oder in wählbarer Reihenfolge jeweils nur ein Diagramm auf dem Bildschirm 10 dargestellt werden. Durch die Darstellung nur eines Diagramms kann dieses vergrößert dargestellt werden, sodass auch in ihrer Wahrnehmung beeinträchtigte Personen das Diagramm wahrnehmen können. In allen Diagrammen können die dargestellten Werte durch eine Mittelwertsbildung über mehrere Messwerte wie auch die sofortige Darstellung einer einzelnen Messung erhalten werden.
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Eine hier nicht dargestellte Ausführungsform sieht vor, auf dem Bildschirm 10 selbsterklärende Animationen der Gangparameter für den Benutzer 4, beispielsweise einen in seiner Wahrnehmung eingeschränkten Schlaganfallpatienten, vorzusehen, während der Therapeut auf einem zweiten Bildschirm die Gangparameter als Diagramme ausgegeben bekommt. Hierdurch erhält der Benutzer 4 sofort ein Feedback und kann selbständig seine Bewegung anpassen während der Therapeut eine genauere Auswertung der Gangparameter zur Anpassung des langfristigen Therapieverlaufs erhält.
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Außerdem kann eine in 4 dargestellte dreidimensionale Visualisierung des Bewegungsablaufs von der Darstellung umfasst sein. Diese dreidimensionale Visualisierung kann beispielsweise eine animierte menschliche Figur oder einen sogenannten Avatar umfassen, durch welche die jeweiligen Bewegungen des Benutzers 4 wiedergegeben werden. Die dreidimensionale Visualisierung kann auch ein dreidimensionales Biofeedback mit Störreizen umfassen. Hierbei kann beispielsweise ein Spaziergang durch einen Park, einen Wald oder eine sonstige Umgebung simuliert und auf dem Bildschirm 10 dargestellt werden, wobei der Benutzer 4 durch Gewichtsverlagerung gezielt eingebrachten Störreizen, beispielsweise einem Hindernis auf der Strecke, ausweichen muss. Hierzu kann eine animierte Figur oder eine Darstellung aus der Ich-Perspektive ohne mitbewegte Figur verwendet werden.
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5 stellt in einem Kreislaufdiagramm die Funktionsweise des Biofeedback als Regelkreis dar. Das Kreislaufdiagramm stellt hierzu die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Der Benutzer 4 eines erfindungsgemäßen Geräts bzw. der Anwender eines erfindungsgemäßen Verfahrens interagiert mit einem Sensorelement 7 während der Ganganalyse bzw. der Gangrehabilitation. Die auf das Sensorelement 7 von dem Benutzer 4 ausgeübten Kräfte bzw. Momente werden von dem Sensorelement 7 gemessen, also als Daten erfasst. Die von dem Sensorelement 7 erfassten Daten werden in Echtzeit ausgewertet und im folgenden Schritt mindestens ein Gangparameter, der aus den ausgewerteten Daten durch die Auswerteeinheit 8 ermittelt wurde, in einer für den Benutzer 4 wahrnehmbaren Weise dargestellt.
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Hierzu dient in erster Linie eine visuelle Darstellung, es kann allerdings auch eine alternative oder ergänzende haptische, akustische oder taktile Darstellung verwendet werden. Die Darstellung dient als Feedback für den Benutzer 4, welcher daraufhin seine Bewegung anpasst, sodass das Sensorelement 7 neue Daten erhält. Dieser Zyklus läuft im Wesentlichen in Echtzeit ab, insbesondere die Auswertung und Darstellung der Daten, sodass eine sofortige Anpassung durch den Benutzer 4 erfolgen kann. Hierdurch werden dem Benutzer 4 körpereigene Signale kontinuierlich zurückgemeldet und Veränderungen dieser Körpersignale verstärkt.
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Ein in 5 dargestelltes erfindungsgemäßes Verfahren kann in allen zur Ganganalyse oder Gangrehabilitation verwendeten Geräten eingesetzt werden, vorzugsweise wird jedoch ein endeffektorbasiertes Gerät ähnlich dem in 1 dargestellten verwendet, da hierbei die Sensorelemente 7 an den Endeffektor anbringbar und diesem eindeutig zuordenbar sind.
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6 gibt in perspektivischer Ansicht eine erfindungsgemäße Fußplatte 1 wieder. Die dargestellte Fußplatte 1 ist zum Anbau bzw. späteren Nachrüsten an ein Gerät zur Ganganalyse und/oder Gangrehabilitation vorgesehen. Eine derartige Fußplatte 1 kann z. B. als erste Fußplatte 1a oder als zweite Fußplatte 1b in dem in 1 dargestellten Gerät verwendet werden. Die Fußplatte 1 umfasst ein Metallelement sowie vier auf ihrer Oberseite angebrachte Sensorelemente 7. Die Sensorelemente 7 sind als Kraftmessstreifen bzw. Dehnmessstreifen ausgebildet. Es können jedoch auch Kraft-/Momentensensoren oder eine Kraftmessplatte vorgesehen sein. Alternativ können die Sensorelemente 7 auch an der Unterseite der Fußplatte 1 angebracht sein. Die Sensorelemente 7 messen Kräfte und bzw. oder Momente in bis zu sechs Freiheitsgraden, vorzugsweise jedoch vier Freiheitsgraden.
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Die von den Sensorelementen 7 erfassten Daten werden durch eine nicht dargestellte Elektronik umgewandelt und über ein Kabel 9 an weitere Einheiten, beispielsweise die bereits erwähnte Auswerteeinheit 8, weitergeleitet. Alternativ kann auch in diesem Fall eine kabellose Übertragung der Daten vorgesehen sein.
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Die Fußplatte 1 umfasst darüber hinaus ein Plattenbefestigungselement 18, welches beispielsweise eine Schraub- oder Klemmverbindung bzw. eine magnetische Verbindung umfasst. Durch dieses Plattenbefestigungselement 18 ist die Fußplatte 1 einfach mit bereits bestehenden Geräten zur Ganganalyse und/oder zur Gangrehabilitation verbindbar.
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Auch die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Fußplatte 1 und die dargestellten Sensorelemente 7 sind zur Messung von Kräften und/oder Momenten in bis zu sechs Freiheitsgraden, vorzugsweise vier Freiheitsgraden, ausgebildet.
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7 stellt eine erfindungsgemäße Fußplatte 1 in seitlicher Ansicht mit einem darauf fixierten Fuß und einer zusätzlichen Bewegungseinheit dar. Der Fuß des Benutzers 4 ist durch Stoffschlaufen mit Klettband als Befestigungselement 5 auf der Fußplatte 1 fixiert. Die Fußplatte 1 umfasst ein Sensorelement 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel einen kombinierten Kraft-/Momentensensor. Außerdem ist ein Bewegungselement 17 an der Fußplatte 1 angebracht. Diese Bewegungseinheit dient der taktilen Stimulation und umfasst einen Vibrationsmagneten. Durch die taktile Stimulation wird beispielsweise die Haut des Benutzers 4 gereizt.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Fußplatte 1 ebenfalls einen weiteren steuerbaren Freiheitsgrad aufweisen für das jeweilige Metatarsalgelenk. Hierzu wird die Fußplatte 1 in zwei Segmente unterteilt, die durch ein Gelenk miteinander verbunden sind und gegeneinander um einen Winkel klappbar sind. Eines der Segmente soll dabei beweglich ausgebildet sein, während das andere Segment fest installiert ist, beispielsweise durch Verbindung mit einer Stange. Durch diese Segmentierung der Fußplatte 1 kann die Gehbewegung des Fußes auch für das Metatarsalgelenk nachgebildet werden, die Sensorelemente 7 können unter beiden Segmenten der Fußplatte 1 eingebaut sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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