DE60224721T2

DE60224721T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der gleichgewichtskräfte des skeletts

Info

Publication number: DE60224721T2
Application number: DE60224721T
Authority: DE
Inventors: Eric Berthonnaud; Joannès DIMNET.; Pierre Roussouly
Original assignee: Warsaw Orthopedic Inc
Current assignee: Warsaw Orthopedic Inc
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: ATE383815T1; KR100881116B1; CA2472388A1; EP1458279A2; ES2298430T3; FR2834197A1; FR2834197B1; KR20040069206A; US20040228510A1; WO2003055378A3; JP4268051B2; US7361150B2; EP1458279B1; DE60224721D1; JP2005512718A; AU2002364874A1; WO2003055378A2

Description

FACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bewertung der Muskel- und Gelenkkräfte bei einem Individuum, das eine stabile Stellung einnimmt.
Seit Langem wird die Anatomie der Lebewesen analysiert, um insbesondere deren Skelett mit seinen Gelenken und deren Muskeln, die deren Bewegung bewirken, zu bestimmen.
Insbesondere ist die Form des Skeletts bekannt, die möglichen Bewegungsumfänge, die Ansatzpunkte der Muskeln und der Umfang ihrer Bewegungen.
Es ist jedoch fast nichts über die Werte der Muskelkräfte bekannt, die die Bewegungen hervorrufen.
Es ist auch nichts bekannt über die Werte der Muskelkräfte, die zum Erreichen und Beibehalten einer stabilen Stellung bei einem Lebewesen erforderlich sind, noch auch über die ausgeübten Gelenkkräfte. Übermäßige Muskel- und/oder Gelenkkräfte sind jedoch mit Sicherheit die Ursache von Ermüdung, Funktionsstörungen und Abnutzung der Gelenke, so dass es nützlich ist, diese Kräfte zu bewerten.
Die Schrift US 4 277 828 beschreibt ein Verfahren zur Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Skelettes eines Individuums, das die folgenden Schritte umfasst:

– Aufnahme eines Röntgenbildes des zu untersuchenden Skelettes, aufgenommen in einer im Allgemeinen rechtwinklig zu den Rotationsachsen der Gelenke des zu untersuchenden Skelettes stehenden Ebene,
– Bestimmung der Stellung der globalen Schwereachse des Körpers auf dem Röntgenbild,
– Auswahl der aneinander angelenkten Segmente des Skelettes auf dem Röntgenbild, Bestimmung ihrer Positionen und derer der Gelenke und Zuordnung des Gewichtes des entsprechenden Körpersegmentes zu jedem Segment,
– Bestimmung durch Berechnung der Stärke der Rückstellkraft, die von den hauptsächlichen Spannmuskeln ausgeübt wird.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die von der vorliegenden Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zu schaffen, die die Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Skelettes oder Muskelkräfte, die am Einnehmen und Beibehalten einer stabilen Stellung beteiligt sind, erlauben und die Bewertung der sich daraus ergebenden Gelenkkräfte.
Die Erfindung ergibt sich aus der Beobachtung, derzufolge bei einem Menschen, der eine stabile Stellung einnimmt, davon ausgegangen werden kann, dass jedes der Körpersegmente auf dem Segment unter ihm durch Muskelkräfte im Gleichgewicht gehalten wird, die die Wirkung des Gewichtes ausgleichen. Wie bei der Analyse der Bewegungen der Segmente relativ zueinander, werden die als unverformbar angenommenen Segmente betrachtet: Kopf, Unterarm, Oberarm, Füße, Beine, Schenkel. Im Gegensatz zur Analyse der Bewegungen, In der der Rumpf als eine einzige praktisch starre Einheit betrachtet wird, geht die Erfindung davon aus, dass der Rumpf aus einem Halswirbel-Segment, das der Halswirbelsäule entspricht, einem Rückenwirbel-Segment, das der Rückenwirbelsäule entspricht, einem Kreuzwirbel-Segment, das der Kreuzwirbelsäule entspricht, und dem Becken besteht. Die Erfindung geht auch von der Feststellung aus, derzufolge eine stabile Stellung nicht starr ist; es gibt momentane Korrekturen der Stellung, die nicht die zervikale, dorsale oder lumbare Krümmung ändern, aber ihre Winkelstellungen zueinander betreffen.
Zur Bewertung der Muskel- und Gelenkkräfte geht die Erfindung von zwei vorherigen Informationen aus.
Die erste Information betrifft die Form und die relative Stellung der Körpersegmente im Gleichgewicht. Die Morphologie der Körpersegmente und ihre relativen Stellungen werden mit Hilfe eines Röntgenbildes erhalten. So werden die gelenkig verbundenen Enden jedes Skelettsegmentes und ihre relativen Stellungen bestimmt.
Die zweite vorherige Information betrifft die Gewichtskräfte, die auf die Körperstruktur ausgeübt werden und die anstreben, sie aus dem Gleichgewicht zu bringen. Diese Information wird in Form der globalen Schwereachse gesucht, die durch den globalen Schwerpunkt des Individuums in Gleichgewichtsstellung verläuft und deren Stellung im Allgemeinen relativ zum Skelett versetzt ist.
In einer globalen Stellung wird so der Kopf als das Endsegment angesehen, das zunächst relativ zum Segment unter ihm in Gleichgewicht gebracht wird, bei dem es sich um das Halswirbel-Segment handelt. Die Gesamtheit aus Kopf und Halswirbel-Segment wird auf dem Segment unter ihm in Gleichgewicht gebracht, bei dem es sich um das Rückenwirbel-Segment handelt. Schrittweise werden alle Gelenke zwischen Gruppen oberer und unterer Segmente absteigend ins Gleichgewicht gebracht. Schließlich wird der gesamte Körper um den Knöchel ins Gleichgewicht gebracht.
So sieht die Erfindung zur Bewertung der Gleichgewichts-Muskel- und -Gelenkkräfte des Skelettes eines Individuums ein Verfahren vor, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Aufnahme eines Röntgenbildes des zu untersuchenden Skelettes, aufgenommen in einer im Allgemeinen rechtwinklig zu den Rotationsachsen der Gelenke des zu untersuchenden Skelettes stehenden Ebene,
b) gleichzeitig Bestimmung der Stellung der globalen Schwereachse des Körpers auf dem Röntgenbild,
c) Auswahl der aneinander angelenkten Segmente des Skelettes auf dem Röntgenbild, Bestimmung ihrer Positionen und derer der Gelenke und Zuordnung des Gewichtes des entsprechenden Körpersegmentes zu jedem Segment,
d) Bestimmung der Angriffsrichtungen und -punkte der hauptsächlichen Gleichgewichts-Spannmuskeln des zu untersuchenden Skelettes auf dem Röntgenbild,
e) Bestimmung der Größe der Rückstellkraft, die von den hauptsächlichen Spannmuskeln ausgeübt wird, durch Berechnung, aus der Tatsache, dass sie das Drehmoment der Schwerkraft, die an jedes Segment angreift, um das untere Gelenk des genannten Segmentes kompensiert.

Vorzugsweise bestimmt das Verfahren außerdem durch Berechnung die Stützkraft jedes Segmentes auf sein unteres Gelenk aus der Tatsache, dass sie der Resultante aus der Schwerkraft und der Rückstellkraft, die an das Segment angreifen, gleich ist.
In der Praxis wird zur Ausführung eines derartigen Bewertungsverfahrens folgendermaßen vorgegangen:

– Als gelenkig verbundene Segmente werden alle oder ein Teil der folgenden Segmente gewählt: Kopf, Halswirbel-Segment, Rückenwirbel-Segment, Kreuzwirbel-Segment, Beckensegment, Oberschenkelknochen;
– als hauptsächliche Spannmuskeln zur Herstellung des Gleichgewichtes werden angesehen: die wichtigsten Agonisten, Antagonisten, sowohl lateral, als auch median. Diese Muskeln, die zur Teilnahme an der Herstellung des Gleichgewichtes hinzugezogen werden, werden vom klinischen Anwender in Abhängigkeit von der Stellung der Einheit aus Wirbelsäule und Becken ausgewählt.

Vorteilhafterweise können geringfügige Bewegungen des Individuums, wenn es in eine Stellung stabilen Gleichgewichts gebracht wird, berücksichtigt werden. Hierzu werden die aufeinanderfolgenden Positionen der globalen Schwereachse während einiger Sekunden mit einer Frequenz von mehreren Erfassungen pro Sekunde gespeichert, wobei die Gesamtheit der gespeicherten Positionen eine elliptische Positionswolke bildet. Die Dispersionsellipse wird bestimmt, die die genannte Positionswolke einhüllt, und die Röntgenbilder werden ausgewählt, die einer globalen Schwereachse entsprechen, deren Position in der Dispersionsellipse enthalten ist.
Ebenfalls kann in Abhängigkeit von der Dispersionsellipse die Ungewissheit in der Bewertung der Rückstell- oder Stützkräfte durch Berechnung bestimmt werden.
Die Erfindung sieht ebenfalls eine Vorrichtung zur Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Skelettes vor, umfassend:

– eine Röntgenquelle und Haltemittel für eine Zielplatte, die auf Röntgenstrahlen empfindlich ist,
– eine Tragplatte für das Individuum, geeignet, das Individuum an festgelegter Stelle zwischen der Röntgenquelle und den Zielplatten-Haltemitteln zu tragen und Bildpositionssignale der Horizontalposition der globalen Schwereachse des Individuums zu erzeugen,
– Mittel zur Digitalisierung des Röntgenbildes des Individuums auf der Zielplatte und dadurch zur Erzeugung eines digitalisierten Röntgenbildes, das in einem geeigneten Speicher gespeichert wird,
– Mittel zur Überlagerung des digitalisierten Röntgenbildes des Individuums mit dem digitalisierten Bild des Schlagschattens der globalen Schwereachse auf der Zielplatte,
– Mittel zur Auswahl der gelenkig verbundenen Skelett-Segmente und ihrer Gelenke, sowie der Angriffspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln, auf dem digitalisierten Röntgenbild,
– Rechenmittel und ein Programm zur Berechnung der Stärke der Rückstellkraft, die von den Gleichgewichts-Spannmuskeln ausgeübt wird, aus der Tatsache, dass sie das Drehmoment der Schwerkraft, die an jedes Segment angreift, um das untere Gelenk des genannten Segmentes kompensiert.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung außerdem Mittel zur Bewertung der Änderungen in der Vertikalstellung des Individuums durch die Abmessungen der Dispersionsellipse der horizontalen Position seiner globalen Schwereachse, wenn es eine stabile Stellung einnimmt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Programm eine oder mehrere Erfassungssequenzen, in denen

– der Bediener auf dem Röntgenbild die Positionen der Gelenke, der Segmente und der Angriffspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln bezeichnet,
– die Mittel zur Digitalisierung des Röntgenbildes des Individuums im Speicher die Positionen speichern, die vom Bediener bezeichnet wurden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen deutlicher werden, die auf die entsprechenden beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht, die die Hauptkörpersegmente des menschlichen Körpers mit ihren Gelenken und der Stellung der globalen Schwereachse des Körpers darstellt;
2 eine Seitenansicht, die die partielle Herstellung des Gleichgewichtes durch die Gewichts- und Muskelkräfte und die Berührungskräfte zwischen einer oberen Untereinheit, bestehend aus dem Kopf und dem Halswirbel-Segment, und dem anschließenden unteren Körpersegment darstellt;
3 die Berechnung der Kräfte bei der Herstellung des Gleichgewichtes der oberen Untereinheit, bestehend aus dem Kopf und dem Halswirbel-Segment;
4 eine Seitenansicht, die die Stellungen und Richtungen der Hauptmuskeln darstellt, die die globale Herstellung des Gleichgewichtes in der aufrechten Stellung des menschlichen Körpers sicherstellen;
5 eine Seitenansicht, die die Bestimmung der Resultante aus den Muskelkräften im Bereich des Knies darstellt;
6 eine Seitenansicht, die das Schema des Prinzips der Bestimmung der Gleichgewichtskräfte im Bereich des Knies darstellt;
7 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufnahme von Röntgenbildern unter Bestimmung der Stellung der globalen Schwereachse; und
8 ein theoretisches Schema, das die wesentlichen Berechnungsmittel zur Bewertung der Gleichgewichtskräfte der Erfindung darstellt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst wird die in 7 dargestellte Vorrichtung betrachtet, die beispielsweise die Erfassung der Daten für die Analyse der aufrechten Stellung eines Individuums 4 erlaubt.
Die Vorrichtung umfasst eine Röntgenquelle 1, Zielplatten-Haltemittel 2 zum Halten einer Zielplatte, die auf Röntgenstrahlen empfindlich ist und die in einem bestimmten Horizontalabstand von der Röntgenquelle 1 vertikal orientiert ist und Mittel 3 zum Tragen des Individuums, die geeignet sind, ein Individuum 4 in fester Stellung zwischen der Röntgenquelle 1 und den Zielplatten-Haltemitteln 2 zu tragen. Die Vorrichtung ist also eine Anlage zur Aufnahme von Röntgenbildern. Die Röntgenquelle 1 und die Zielplatten-Haltemittel 2 können einen Aufbau haben, wie die üblicherweise in den medizinischen Röntgenbildanlagen verwendeten.
In der Vorrichtung der 7 umfassen die Tragemittel 3 für das Individuum Mittel zur Feststellung der Horizontalstellung der Trageebene und zur Feststellung der momentanen Stellung der globalen Schwereachse 5 des Individuums 4 oder vertikalen Achse, die durch den Schwerpunkt G des Individuums 4 verläuft, während der Arbeit der Röntgenquelle 1. Die globale Schwereachse 5 wird während der Aufnahme des Röntgenbildes erfasst und ihre Stellung ausgehend von der Röntgenquelle 1 in einer Kegelprojektion in die Ebene des Röntgenbildes projiziert. Ein Prinzip eines Sensors der Stellung der globalen Schwereachse und der Projektion auf das Röntgenbild wird in der Schrift WO 01/50956 oder der ihr entsprechenden Schrift FR 2 803 507 A beschrieben.
Beispielsweise umfassen die Tragemittel 3 für das Individuum eine modifizierte Gleichgewichts-Kraftplatte 15, die mit mehreren Kraftsensoren versehen ist, die horizontal an Positionen verteilt sind, die relativ zu einem Koordinatensystem Xb Yb bestimmt sind, und die mit Berechnungsmitteln 21 verbunden sind, um die Stellung Og der Resultante der Kräfte, die vom Individuum 4 auf die Kraftplatte 15 im Koordinatensystem Xb Yb ausgeübt werden, in der horizontalen Ebene zu berechnen. Die Berechnungsmittel 21 können beispielsweise die Recheneinheit eines Mikrocomputers sein, der auch über einen Anzeigebildschirm 23 und eine Tastatur 22 verfügt.
In der aufrechten Stellung können die Arme 6 und 7 des Individuums 4 freigelassen werden. Alternativ hierzu kann als vorteilhaft angesehen werden, Halter 8 und 9 vorzusehen, auf die das Individuum seine Hände oder Arme legen kann, was erlaubt, eine stabile und reproduzierbare Stellung des Individuums 4 festzulegen.
In der Vorrichtung der 7 werden außerdem Mittel 20 vorgesehen, um durch Abtasten das Röntgenbild des Individuums auf den Zielplatten-Haltemitteln 2 zu digitalisieren. Hierzu kann ein geeigneter Scanner verwendet werden, um durch Abtasten das auf der auf Röntgenstrahlen empfindlichen Zielplatte 2 erzeugte Röntgenbild zu untersuchen und um eine Folge digitaler Signale zu erzeugen, die das digitale Röntgenbild darstellt. Dieses Bild wird an die Berechnungsmittel 21 übermittelt, die seine Speicherung und Verarbeitung vornehmen.
Die Verarbeitung umfasst insbesondere einen Vorgang, der darin besteht, dem Röntgenbild des Individuums das Bild des Schlagschattens Hg der globalen Schwereachse 5 des Individuums auf der Zielplatte 2 zu überlagern, die das Röntgenbild aufweist.
Diese Überlagerung kann durch die Berechnungsmittel 21 erfolgen, die von der Kraftplatte 15 die Information der Koordinaten der horizontalen Projektion Og des Schwerpunktes G empfangen, die daraus die Position des Schlagschattens Hg ableiten und die ihn ins digitalisierte Bild einfügen, das sich im Speicher befindet.
Eine derartige Vorrichtung kann derart sein, wie die in der Schrift WO 01/50956 beschriebene, auf die für weitere Einzelheiten verwiesen sei.
Jetzt werden die 1 bis 4 betrachtet, um das erfindungsgemäße Kraftbewertungsverfahren und die Arbeitsweise der Vorrichtung der 7 besser zu verstehen.
1 stellt die Form der Hauptsegmente des menschlichen Skeletts, ihre Stellungen zueinander und die Gelenkpunkte schematisch dar. So können das obere Segment S1, aus dem Kopf bestehend, das zweite Segment S2, aus der Halswirbelsäule bestehend, das dritte Segment S3, aus der Rückenwirbelsäule bestehend, das vierte Segment S4, aus der Kreuzwirbelsäule bestehend, das fünfte Segment S5, aus dem Becken bestehend, ein sechstes, aus dem Femur bestehendes Segment S6 und der obere Teil eines siebten Segmentes S7 unterschieden werden, das aus der Tibia besteht. Zu erkennen sind die entsprechenden Gelenke dazwischen A1, A2, A3, A4, A5 und A6, wie in der Figur dargestellt.
Jedem Segment S1–S7 des Skelettes entspricht ein Körpersegment, das das Skelett und die anderen Organe umfasst, die sich im selben Höhenabschnitt des Körpers befinden. Im Allgemeinen sind die anderen Organe relativ zum Skelett seitlich versetzt.
Es wird von der Annahme ausgegangen, dass der Schwerpunkt jedes der Segmente des Körpers auf der Vertikalen liegt, die durch den Schwerpunkt G der Gesamtheit verläuft. Diese Vertikale wird durch die globale Schwereachse 5 dargestellt, wie sie von der Vorrichtung der 7 bestimmt wird, wie oben angegeben wurde.
Das Kopf-Segment S1 ist im Gelenkpunkt A1 angelenkt. Die Einheit aus dem Kopf-Segment S1 und dem Halswirbel-Segment S2 ist im Gelenkpunkt A2 angelenkt. Die Einheit aus dem Kopf-Segment S1, dem Halswirbel-Segment S2 und dem Rückenwirbel-Segment S3 ist im Gelenkpunkt A3 angelenkt. Die aus dem Kopf-Segment S1, dem Halswirbel-Segment S2, dem Rückenwirbel-Segment S3 und dem Kreuzwirbel-Segment S4 gebildete Einheit ist im Gelenkpunkt A4 angelenkt etc.
Jedes Körpersegment verfügt über ein Eigengewicht. Früher veröffentlichte anatomische Studien definieren jedes Segmentgewicht als Anteil am Gesamtgewicht des Körpers.
Als Beispiel wird jetzt das Gleichgewichtsmodell der beiden oberen Segmente S1 und S2 auf dem dritten Segment S3 betrachtet, wie in 2 dargestellt. Die Gesamtheit S1 und S2 ist in der Lage, sich in der Ebene der Figur um das Gelenk A2 des Rückenwirbel-Segmentes S3 zu drehen. Die Einheit S1 und S2 unterliegt einer Gewichtskraft W1 + W2, deren Betrag relativ zum Gesamtgewicht W aus den früheren Arbeiten über die Anatomie bekannt ist. Diese Gewichtskraft W1 + W2 greift in einem lokalen Schwerpunkt an, der von der bekannten Richtung der globalen Schwereachse 5 getragen wird.
Diese Gewichtskraft W1 + W2 versetzt die Einheit S1 und S2 in Drehung um den Gelenkpunkt A2, der auf der Röntgenaufnahme bezeichnet ist und damit auf dem digitalisierten Röntgenbild. Ihre Drehwirkung wird durch die Kraft kompensiert, die von den Muskeln ausgeübt wird. Im vorgeschlagenen Beispiel sind zwei Muskelstränge beteiligt: Der eine entspringt am Segment S3 in Höhe des dritten Rückenwirbels, wobei der Ursprung in 2 durch das Bezugszeichen B3 bezeichnet ist, und setzt am Kopf S1 im Punkt C1 an; ein anderer Strang geht vom selben dorsalen Ursprung B3 aus zum vierten Halswirbel, an dem er im Punkt C2 ansetzt. Die resultierende Wirkung der Muskeln kombiniert die Wirkung der beiden Stränge und es wird angenommen, dass die resultierende Kraft der Muskeln einer mittleren Richtung B3B2 folgt, die so aus der Röntgenaufnahme bestimmt wird.
Es muss also ein Problem der Statik in der Ebene gelöst werden, in dem drei Kräfte auftreten:

– eine Gewichtskraft, deren vertikale Richtung, d. h. die Richtung der globalen Schwereachse, bekannt ist und deren Wert bekannt ist und, bekannten Wertetabellen entnommen, W1 + W2 beträgt,
– eine Muskelkraft, deren Richtung B3B2 aus der Röntgenaufnahme oder dem digitalisierten Röntgenbild bestimmt wird und deren Stärke unbekannt ist,
– eine Berührungskraft, die durch das Gelenk A2 verläuft und deren Stärke und Richtung unbekannt sind.

Dieses Problem wird graphisch gelöst, entweder direkt auf der Röntgenaufnahme oder vorzugsweise durch Vektorrechnung unter Verwendung der Daten des digitalen Röntgenbildes.
Zur Bestimmung des Wertes der Gleichgewichtskraft, die von den Muskeln ausgeübt wird, besteht eine einfache Berechnungsweise darin, davon auszugehen, dass die Gleichgewichtskraft das Drehmoment der Gewichtskraft kompensiert, die auf die Einheit ausgeübt wird, um das untere Gelenk A2. Die Richtung der bei den Kräfte ist nämlich bekannt, sowie die Stärke der Gewichtskraft, und daraus wird die Stärke der Muskelkraft abgeleitet.
Ein globales Lösungsverfahren, wie es in 3 dargestellt ist, erlaubt es, das Problem zu lösen und gleichzeitig die Muskelkraft und die Berührungskraft zu bestimmen. Hierfür wird davon ausgegangen, dass die Richtung der resultierenden Muskelkraft B3B2 die globale Schwereachse 5 im Punkt K2 schneidet. Dieser Punkt K2 definiert ebenfalls die Richtung der Berührungskraft Fc, da auf diese Weise das Drehmoment der drei Kräfte um das Gelenk A2 verschwindet.
Dann wird geschrieben, dass die geometrische Resultante der Gewichtskraft W1 + W2, die die globale Schwereachse 5 trägt, der Muskelkraft Fm, die die Richtung B3B2 trägt, und der Berührungskraft Fc der bekannten Richtung A2K2 gleich null ist. Diese Berechnung ist in 3 dargestellt, in der Fc in der Richtung A2K2 eingezeichnet ist, dann W1 + W2 in der vertikalen Richtung ausgehend von K2, und daraus wird Fm abgeleitet, die die Enden der beiden vorangehenden Vektoren verbindet. Dieselbe Bestimmung der Kraft Fm erfolgt durch Berechnung aus den Daten des digitalisierten Röntgenbildes. Auf diese Weise ergibt sich die Stärke der Muskelkraft Fm und die Stärke der Berührungskraft Fc. Diese letztgenannte kann in eine Normalkomponente FN im rechten Winkel zum Berührungsbereich im Gelenk A2 und eine Tangentialkomponente FT parallel zum Berührungsbereich A2 zerlegt werden. FN stellt die Druckkraft der Einheit S1 und S2 auf S3 dar. FT stellt die Scherkraft im Berührungsbereich A2 dar.
Die Erfindung beschränkt sich darauf, unter der Gesamtheit an Muskeln, die am Gleichgewicht der Stellung beteiligt sind, die Muskeln zu betrachten, die eine Hauptrolle spielen. Diese Muskeln sind in 4 dargestellt.
So wird für die Herstellung des Gleichgewichtes des Kopfes S1 der Muskel M1 betrachtet, der der musculus complexus maior ist.
Zur Herstellung des Gleichgewichtes des Halswirbel-Segmentes S2 wird der zervikale Abschnitt der Nackenmuskeln, wie des latissimus dorsi und des m. trapezius M2 betrachtet.
Zur Herstellung des Gleichgewichtes des Rückenwirbel-Segmentes S3 wird der Muskel M3 betrachtet, bei dem es sich um den dorsalis maior handelt.
Zur Herstellung des Gleichgewichtes des Kreuzwirbel-Segmentes S4 werden die Lumbalrinnen M4 betrachtet, deren Stränge vom Rückenwirbel D12 zum Lendenwirbel L3 verlaufen.
Zur Herstellung des Gleichgewichtes des Beckens S5 wird der Muskel M5 betrachtet, bei dem es sich um den großen Gesäßmuskel handelt, der tätig wird, wenn die globale Schwereachse vor das Zentrum der Femurköpfe tritt; dieser Muskel setzt fächerförmig am Kreuzwirbel an; wenn die globale Schwereachse hinter das Zentrum der Femurköpfe tritt, wird der Muskel M6 betrachtet, bei dem es sich um den Psoas handelt, der den Femurkopf umgibt.
Zur Herstellung des Gleichgewichtes der Oberschenkel wird der m. rectus anterior M62 und die ischiokrurale Muskelgruppe M61 (siehe 6) betrachtet.
Als zweites Beispiel wurde in den 5 und 6 die Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Kniegelenks dargestellt.
Das Knie ist das Gelenk zwischen dem Femur F und der Tibia T. Es weist eine anatomische Besonderheit auf. Der Femur F kann sich drehen, er kann sich aber auch an der Kniegelenkfläche Pt entlang verschieben, so dass er sich dreht und gleitet, Dieses Gleiten wird klinisch durch den Schubladentest verdeutlicht.
Erfindungsgemäß wird davon ausgegangen, dass die Berührung zwischen Femur F und Tibia T ohne Reibung erfolgt, um die Bedingung von Rollen und Gleiten zu berücksichtigen. Die Agonisten-Muskelkräfte (in Richtung der Bewegung, die vom Gewicht auferlegt wird) und Antagonisten-Muskelkräfte (in entgegengesetzter Richtung) sind derart, dass sie mit einer Berührung ohne Reibung kompatibel sind.
Die Gewichtskraft W1–6 der Segmente, die sich oberhalb des Knies befinden, ist in Stärke und Richtung bekannt. Es ist die Summe der Gewichtskräfte W1, W2, W3, W4, W5 und W6. Diese Kraft W1–6 wird von der globalen Schwereachse getragen.
Die Richtung der Berührungskraft Fc ist bekannt: Sie verläuft durch den Berührungspunkt A6 zwischen Femur F und Tibia T, der auf der Röntgenaufnahme identifiziert werden kann. Sie steht senkrecht auf der Kniegelenkfläche Pt, die ebenfalls auf der Röntgenaufnahme sichtbar ist. Der rechte vordere Muskel M62 erzeugt eine Agonisten-Kraft Fag, während die ischiokrurale Muskelgruppe M61 eine Antagonisten-Kraft Fat erzeugen, deren Wirkungsrichtungen auf die Tibia T in 5 dargestellt sind und sich im Punkt I6 schneiden.
Für die Bestimmung der Kräfte wird wie oben vorgegangen, wie jetzt unter Bezug auf die 5 und 6 angegeben wird. Die Richtung der Berührungskraft Fc, die durch den Berührungspunkt A6 verläuft, schneidet die globale Schwereachse 5 im Punkt K6.
Die Resultante Fm aus den Agonisten- und Antagonisten-Muskelkräften muss durch K6 verlaufen, um die Drehwirkungen der Schwerkraft aufzuheben. Diese Resultante verläuft auch durch den Punkt I6. So ist I6K6 die Richtung der Resultante der Muskelkräfte.
Wie in 6 dargestellt, kann das Problem durch Einzeichnen der Vektoren gelöst werden, indem die Regel des Kräfteprallelogramms für ein System im Gleichgewicht angewandt wird. Mit der bekannten Gewichtskraft W1–6 und der bekannten Richtung der Berührungskraft Fc kann daraus die Muskelkraft Fm abgeleitet werden, die dann zerlegt wird, um die Agonisten-Kraft Fag und die Antagonisten-Kraft Fat zu bestimmen. Dieselbe Berechnung kann am digitalisierten Röntgenbild ausgeführt werden.
Jetzt wird wieder die 7 betrachtet, die die Vorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Nachdem der Bediener das Röntgenbild aufgenommen und die Stellung der globalen Schwereachse 5 verzeichnet hat, geht der Bediener zur Bewertung der Muskelkräfte und der Druckkräfte auf die Gelenke über.
Nach einer ersten Möglichkeit betrachtet er das Röntgenbild, wie es sich auf der empfindlichen Platte 2 in den Haltemitteln befindet, und gibt auf diesem Röntgenbild die Stellen der Gelenke, der Segmente und der Verankerungspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln an. Die Mittel 20 zur Digitalisierung des Röntgenbildes des Individuums speichern gleichzeitig die vom Bediener bezeichneten Punkte, die in der Folge für die Berechnungen der Kräfte verwendet werden.
Nach einer anderen Möglichkeit stellt der Bediener auf einem Bildschirm 23 das digitalisierte Röntgenbild dar, sowie die Stellung der globalen Schwereachse 5, und gibt mit Hilfe der Tastatur 22 oder einer Maus die Stellen der Gelenke, der Segmente und der Verankerungspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln an. Die Berechnungsmittel 21 und das zugehörige Programm erlauben es, die vom Bediener bezeichneten Punkte für die spätere Ausführung der Berechnungen der Kräfte zu speichern.
Ein besonderes Erfassungsprogramm erlaubt dem Bediener, einen anatomischen Punkt mit der Maus auf dem digitalisierten Bild des Filmes zu erfassen. Aus der Bildverarbeitung hervorgegangene Techniken sind in das Programm eingearbeitet, um die Erfassung eines Punktes oder eines Details zu erleichtern. Dabei handelt es sich um: einen Vergrößerungseffekt, eine Kontrasterhöhung, um eine unscharfe Aufnahme verwendbar zu machen, Hilfen zur Erfassung der Tangenten an Knochenprofile oder zur reproduzierbaren Identifizierung des Zentrums quasi kreisförmiger Konturen.
Ein Programm zur digitalen Darstellung erlaubt dem Benutzer, die verschiedenen Schritte der Berechnung der Muskel- und Berührungskräfte aus der Form der Stellung anzuzeigen.
Das in den Berechnungsmitteln 21 enthaltene Programm erlaubt dann, die Berechnungen der Kräfte nach dem weiter oben angegebenen Prinzip auszuführen und das Programm zeigt die Ergebnisse auf dem Bildschirm 23 an oder auf einem beliebigen anderen geeigneten Träger.
Vorzugsweise berücksichtigt das Programm die Abmessung der Dispersionsellipse der Horizontalstellung der globalen Schwere achse, um einen Bereich der Ungewissheit der Berechnung der Muskel- und Berührungskräfte zu berechnen.
So erlaubt die Erfindung, durch erfindungsgemäße Ausnutzung einer begrenzten Anzahl an Punkten, die auf den Röntgenaufnahmen bezeichnet werden, die den Gelenkbereichen und den Richtungen der das Gleichgewicht herstellenden Muskeltätigkeiten entsprechen, und unter Verwendung der Stellung der globalen Schwereachse des Individuums, den Wert der Hauptmuskelkraft zu berechnen, die für das Gleichgewicht eines Segmentes oder einer Gesamtheit von Segmenten zu sorgen, die vorab relativ zu den folgenden Segmenten ins Gleichgewicht gebracht worden sind. Die Beträge und Richtungen der in Höhe des Gelenks ausgeübten Berührungskräfte werden ebenfalls bestimmt.
Diese Bewertungen verwenden einfache Gesetze der Statik und der Kenntnisse aus der Physiologie der Gelenke.
Die Erfindung erlaubt so die Bewertung der Muskelkräfte und der Druckkräfte auf die Gelenke, ohne das Einsetzen von Sensoren oder anderen Messinstrumenten ins Innere des menschlichen Körpers zu erfordern.
Die Erfindung kann bei der Abschätzung der Kräfte a priori zum Studium einer gegebenen Stellung angewandt werden.
Die Erfindung wird ebenfalls im Vergleich mehrerer aufeinanderfolgender Bewertungen der Kräfte desselben Individuums angewandt, beispielsweise vor und nach einer Operation oder vor und nach orthopädischer Behandlung. So ist es möglich, erheblich aussagekräftigere Veränderungen aufzuzeigen als die, die die Morphologieänderungen darstellen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die ausdrücklich beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt, sondern sie schließt deren verschiedene Varianten und Verallgemeinerungen ein, die im Bereich der folgenden Patentansprüche liegen.

Claims

Verfahren zur Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Skelettes eines Individuums, folgende Schritte umfassend: a) Aufnahme eines Röntgenbildes des zu untersuchenden Skelettes, aufgenommen in einer im Allgemeinen rechtwinklig zu den Rotationsachsen der Gelenke des zu untersuchenden Skelettes stehenden Ebene, b) gleichzeitig Bestimmung der Stellung der globalen Schwereachse (5) des Körpers auf dem Röntgenbild, c) Auswahl der aneinander angelenkten Segmente des Skelettes auf dem Röntgenbild, Bestimmung ihrer Positionen und derer der Gelenke und Zuordnung des Gewichtes des entsprechenden Körpersegmentes zu jedem Segment, d) Bestimmung der Angriffsrichtungen und -punkte der hauptsächlichen Gleichgewichts-Spannmuskeln des zu untersuchenden Skelettes auf dem Röntgenbild, e) Bestimmung der Größe der Rückstellkraft, die von den hauptsächlichen Spannmuskeln ausgeübt wird, durch Berechnung, aus der Tatsache, dass sie das Drehmoment der Schwerkraft, die an jedes Segment angreift, um das untere Gelenk des genannten Segmentes kompensiert.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem durch Berechnung die Stützkraft jedes Segmentes auf sein unteres Gelenk aus der Tatsache bestimmt wird, dass sie der Resultante aus der Schwerkraft und der Rückstellkraft, die an das Segment angreifen, gleich ist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – als angelenkte Segmente alle oder ein Teil der folgenden Segmente gewählt werden: der Kopf (S1), das Halswirbel-Segment (S2), das Rückenwirbel-Segment (S3), das Kreuzwirbel-Segment (S4), das Beckensegment (S5), die Oberschenkelknochen (S6), – als hauptsächliche Spannmuskeln zur Herstellung des Gleichgewichtes werden angesehen: die wichtigsten Agonisten, Antagonisten, sowohl lateral, als auch median. Diese Muskeln, die zur Teilnahme an der Herstellung des Gleichgewichtes hinzugezogen werden, werden vom klinischen Anwender in Abhängigkeit von der Stellung der Einheit aus Wirbelsäule und Becken ausgewählt.
Verfahren nach irgendeinem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Individuum in eine Stellung stabilen Gleichgewichtes gebracht wird, die aufeinanderfolgenden Positionen der globalen Schwereachse (5) während einiger Sekunden mit einer Frequenz von mehreren Erfassungen pro Sekunde gespeichert werden, wobei die Gesamtheit der gespeicherten Positionen eine elliptische Positionswolke bildet, die Dispersionsellipse bestimmt wird, die die genannte Positionswolke einhüllt, und die Röntgenbilder ausgewählt werden, die einer globalen Schwereachse (5) entsprechen, deren Position in der Dispersionsellipse enthalten ist.
Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Dispersionsellipse die Ungewissheit in der Bewertung der Rückstell- oder Stützkräfte durch Berechnung bestimmt wird.
Vorrichtung zur Bewertung der Gleichgewichtskräfte des Skelettes, umfassend: – eine Röntgenquelle (1) und Haltemittel für eine Zielplatte (2), die auf Röntgenstrahlen empfindlich ist, – eine Tragplatte (3) für das Individuum, geeignet, das Individuum (4) an festgelegter Stelle zwischen der Röntgenquelle und den Zielplatten-Haltemitteln (2) zu tragen und Bildpositionssig nale der Horizontalposition (Og) der globalen Schwereachse (5) des Individuums (4) zu erzeugen, – Mittel (20) zur Digitalisierung des Röntgenbildes des Individuums auf der Zielplatte und dadurch zur Erzeugung eines digitalisierten Röntgenbildes, das in einem geeigneten Speicher gespeichert wird, – Mittel (21) zur Überlagerung des digitalisierten Röntgenbildes des Individuums mit dem digitalisierten Bild des Schlagschattens (Hg) der globalen Schwereachse (5) auf der Zielplatte (2), – Mittel (22) zur Auswahl der gelenkig verbundenen Skelett-Segmente und ihrer Gelenke, sowie der Angriffspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln, auf dem digitalisierten Röntgenbild, – Rechenmittel (21) und ein Programm zur Berechnung der Stärke der Rückstellkraft, die von den Gleichgewichts-Spannmuskeln ausgeübt wird, aus der Tatsache, dass sie das Drehmoment der Schwerkraft, die an jedes Segment angreift, um das untere Gelenk des genannten Segmentes kompensiert.
Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Bewertung der Änderungen in der Vertikalstellung des Individuums durch die Abmessungen der Dispersionsellipse der horizontalen Position seiner globalen Schwereachse (5), wenn es eine stabile Stellung einnimmt, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm eine oder mehrere Erfassungssequenzen umfasst, in denen – der Bediener auf dem Röntgenbild die Positionen der Gelenke der Segmente und der Angriffspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln bezeichnet, – die Mittel (20) zur Digitalisierung des Röntgenbildes des Individuums im Speicher die Positionen speichern, die vom Bediener bezeichnet wurden.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm eine oder mehrere Erfassungsseqenzen umfasst, in denen – der Bediener das digitalisierte Röntgenbild auf einem Bildschirm (23) anzeigt, – der Bediener auf dem digitalisierten Röntgenbild mit Hilfe einer Ein-/Ausgabevorrichtung der Art einer Tastatur (22) oder einer Maus die Positionen der Gelenke, der Segmente und der Angriffspunkte der Gleichgewichts-Spannmuskeln bezeichnet, – das Programm die Koordinaten der Punkte speichert, die vom Bediener bezeichnet wurden.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm die Abmessungen der Dispersionsellipse der Horizontalposition der globalen Schwereachse (5) berücksichtigt, um einen Bereich der Ungewissheit der Berechnung der Muskel- und Berührungskräfte zu berechnen.