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Title:
DEVICE FOR MEASURING AND MONITORING THE FRACTIONAL LOAD OF ORTHOPAEDIC AND SURGICAL PATENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/000195
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for measuring and motoring the fractional load of orthopaedic and surgical patients, comprising at least one measuring device for the direct and indirect determination of the weight load of a lower extremity, and additionally at least one alarm transmitter (17) which emits an alarm signal when an adjustable load exceeds or falls below a threshold.

Inventors:
CLAR HEIMO (AT)
WINTER EGON (AT)
Application Number:
PCT/AT2003/000173
Publication Date:
December 31, 2003
Filing Date:
June 18, 2003
Export Citation:
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Assignee:
CLAR HEIMO (AT)
WINTER EGON (AT)
International Classes:
A61B5/103; A61H3/00; A61H3/02; A61B5/11; (IPC1-7): A61H3/00; A61B5/00
Domestic Patent References:
WO2001036051A22001-05-25
Foreign References:
US5511571A1996-04-30
Attorney, Agent or Firm:
Matschnig, Franz (Wien, AT)
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Teilbelastung von orthopädischen und chirurgischen Patienten, bestehend aus zumindest einer Meßvorrichtung zur direkten oder indirekten Bestimmung der Gewichtsbelastung zumindest einer unteren Extremität sowie weiters aus zumindest einem Alarmgeber (17), welcher bei einem Überschreiten oder Unterschreiten einer einstellbaren Belastungsgrenze ein Alarmsignal abgibt, gekenn zeichnet dadurch, dass in beiden Krücken Messvorrichtungen vorgesehen sind, welche die Messwerte zwischen den beiden Krücken übertragen und dass in einer der beiden Krücken die Messwerte gemeinsam verarbeitet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Meßvorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Messvorrichtung zusammen mit dem zumindest einen Alarmgeber (17) und gegebe nenfalls der Auswertevorrichtung in einer oder mehreren Krücken eingebaut sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßvorrich tung in einer Schuhsohle, in einer Schuheinlage, oder im"Gehstöckel"eines Gehgipses eingebaut ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Alarmgeber (17) dazu eingerichtet ist, bei Überoder Unterschreiten einer einstellbaren Belastungsgrenze einen akustischen Alarm auszugeben.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Alarmgeber (17) dazu eingerichtet ist, bei Überoder Unterschreiten einer einstellbaren Teilbelastunggrenze einen Vibrationsalarm auszugeben.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überoder Unterschreitungen der einstellbaren Belastungsgrenze diese Überoder Unter schreitungen aufgezeichnet und in einem nichtflüchtigen elektronischen Speicher gespei chert werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere einstellbare Obergrenzen vorgesehen sind.
Description:
VORRICHTUNG ZUR MESSUNG UND ÜBERWACHUNG DER TEILBELASTUNG VON ORTHOPÄDISCHEN UND CHIRURGISCHEN PATIENTEN Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der Teilbelastung von orthopädischen und chirurgischen Patienten.

In der Unfallchirurgie und der Orthopädie sind die Mediziner sowohl bei konservativer als auch teils bei operativer Therapie mit dem Umstand konfrontiert, daß der Patient die verletz- te Extremität nicht vollbelasten darf, um ein sicheres Heilen mit zufriedenstellendem Ergeb- nis zu garantieren. Handelt es sich hierbei um eine untere Extremität, muß der Patient mit Krücken teilbelasten.

Eine Gewichtsbelastung ist daher von Bedeutung, da erst ein dabei auf den betroffenen Knochen ausgeübter Druck den Reiz für ein suffizientes Knochenwachstum auslöst. Ohne möglichst frühzeitige Belastung wäre daher ein gutes knöchernes Therapieergebnis fraglich.

Ebenso ist es im Sinne der modernen frühfunktionellen Behandlung, einen Patienten mög- lichst frühzeitig zu mobilisieren.

Der Umstand der Teilbelastung setzt seitens des Patienten viel Mitarbeit und Umsicht voraus : Er muß genauen Therapieschemata folgend sein betroffenes Bein mit je nach Diag- nose und Therapie unterschiedlicher Gewichtsbelastung aufsetzen, er muß z. B. das Bein 3 Wochen hindurch mit 10 kg belasten. Dies macht aufgrund des Fehlens einer exakten Ge- wichtssensorik in der menschlichen Sohle klarerweise Probleme ! Derzeit wird dem Patient mittels Waage eintrainiert zu erkennen, wieviel er auf einer Waage belasten muß um genau die angestrebte Gewichtsbelastung zu erreichen. In der nach thera- peutischer Exaktheit ringenden modernen Medizin also eine unexakte und fehleranfällige Lösung mit oft schlechtem Ausgang, die in einer Reoperation enden kann.

Aufgrund der Tatsache, daß an Patienten aller Altersgruppen mit unterschiedlicher Compli- ance so hohe Anforderungen in Mitarbeit und Sorgfalt gestellt werden, ist die bisherige Lösung, welche nicht für ein solches mannigfaltiges Patientengut gedacht war, obsolet.

Bekannt sind folgende Vorrichtungen : Die Amerikanische Patentschrift US 5 357 6 96 A (PARRIS JOHN) (25.10. 1994) zeigt eine Vorrichtung zum Messen der Kraft (Gewichtskraft), welche beim Stehen oder Laufen auf den Fuß des Patienten ausgeübt wird. Es ist eine integrierte Alarmvorrichtung vorgesehen, welche den Patienten darüber informiert, dass eine vorprogrammierte Schwelle überschrit- ten wird. Diese Alarmvorrichtung besteht aus einem Vibrationsgeber.

Es ist weiters eine Aufnahme-und Analyseeinheit (Auswerteeinheit) vorgesehen.

Die Übertragung der Messergebnisse kann über eine Verkabelung oder über Funk erfolgen.

Die gesamte Vorrichtung ist dazu geeignet, in einen Schuh eingebaut zu werden.

Da die Schwelle programmierbar ist, werden selbverständlich mehrere (d. h. beliebige) Obergrenzen einstellbar sein.

Die französische Offenlegungsschrift FR 2 638 340 A (UNIVERSITE CLERMONT FERRANT) (04.05. 1990) zeigt einen Sensor für Krücken oder Prothesen und Orthesen, welcher das Gewicht (die nach unten ausgeübte Kraft), welches auf ihnen lastet, messen soll. Das er- zeugte Signal wird verstärkt und gespeichert. Es ist ein Alarmgeber vorgesehen, welcher akustische, taktile oder optische Signale zur Warnung erzeugt.

Es sind sowohl ein oberer als auch ein unterer Grenzwert für die Belastung vorprogram- mierbar. Die Alarmvorrichtungen sind im Handgriff eingebaut.

Die Europäische Offenlegungsschrift EP 1 040 811 A2 (MOLNAR) (4.10. 2000) zeigt eine anmeldungsgemäße Krücke, bei welcher die Messung mittels einer Druckdose erfolgt.

An diesen Methoden ist als nachteilig anzumerken : In der Amerikanischen Patentschrift US 5 357 6 96 A wird die Meßvorrichtung in eine Schuh eingebaut. Dies ist technisch aufwendig (orthopädische Schusterarbeit) und ist zudem bei einer Teilbelastungszeit über mehrere Monate unhygienisch. Aufgrund der Nichtwieder- verwendbarkeit der Meßvorrichtung ist diese Methode teuer.

Die französische Offenlegungsschrift FR 2 638 340 A und ihr europäisches Pendant EP 1040 811 A2 weisen keine Synchronisation der Meßparameter der beiden Krücken auf oder messen nur die Gewichtsbelastung einer Krücke, was zu ungenauen Meßergebnissen führt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die ausreichend genaue Meßer- gebnisse liefert und mit der ein gutes Therapieergebnis auf für den Patienten unkomplizierte Weise erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Vorrichtung gelöst, welche erfindungs- gemäß aus zumindest einer Meßvorrichtung zur direkten oder indirekten Bestimmung der Gewichtsbelastung einer unteren Extremität sowie weiters aus zumindest einem Alarmgeber besteht, welcher bei einem Überschreiten einer einstellbaren Obergrenze der Belastung ein Alarmsignal abgibt.

Durch die Ausgabe eines Alarmsignals wird der Patient bei einem Überschreiten einer für die Therapie günstigen Belastung gewarnt, sodass er solche Belastungen zuverlässig ver- meiden kann. Die Obergrenze kann dabei für verschiedene Patienten je nach gewünschter bzw. notwendiger Belastung eingestellt werden, sodass sich die erfindungsgemäße Vorrich- tung einfach für verschiedene Patienten adaptieren lässt.

Vorteilhaft kann es sein, wenn die zumindest eine Meßvorrichtung mit einer Auswerteeinrichtung gekoppelt ist.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest eine Meßvorrichtung zusammen mit dem zumindest einen Alarmgeber (der z. B. einen akustischen Alarm oder einen Vibrationsalarm abgibt) und gegebenenfalls der Auswertevorrichtung in einer oder mehreren Krücken eingebaut. Diese Ausführungsform ist einfach zu realisieren und bietet Kostenvorteile, da die Krücken nach abgeschlossener Therapie an einen anderen Patienten weitergegeben werden können.

Bei anderen Ausführungsformen ist die Meßvorrichtung in einer Schuhsohle, in einer Schuheinlage, oder im"Gehstöckel"eines Gehgipses eingebaut. Dies eignet sich beispiels- weise für Personen, bei denen die Verwendung von Krücken nichtnotwendig ist, oder welche ohnehin einen Gips tragen müssen.

Besonders einprägsam für den Patienten ist es, wenn der zumindest eine Alarmgeber dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten einer einstellbaren Obergrenze der Belastung einen akusti- schen Alarm auszugeben.

Weniger auffällig ist es, wenn der zumindest eine Alarmgeber dazu eingerichtet ist, bei Überschreiten oder Unterschreiten einer einstellbaren Grenze für die Teilbelastung einen Vibrationsalarm auszugeben.

Damit die Belastungen auch noch nachträglich von einem Therapeuten oder Arzt nachvoll- zogen werden können, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass Über- schreitungen der einstellbaren Obergrenze und Untergrenze der Teilbelastung aufgezeichnet und in einem nichtflüchtigen elektronischen Speicher gespeichert werden.

Schließlich kann es auch noch vorteilhaft sein, wenn mehrere einstellbare Obergrenzen und Untergrenzen vorgesehen sind, und wenn bei Über. -oder Unterschreiten verschiedener Belastungsgrenzen unterschiedliche Alarmsignale, beispielsweise unterschiedliche akusti- sche Alarme ausgegeben werden. Auf diese Weise kann beispielsweise der Patient davon informiert werden, dass sich die Belastung bereits in einem kritischen Bereich befindet, und er diese keinesfalls mehr fortsetzen soll, oder dass eine Belastung in diesem Bereich über einen längeren Zeitraum für die Therapie nachteilig sein kann.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 in einem Diagramm die Belastungsverhältnisse beim Gehen mit Krücken unter Teilbelastung unter idealisierten statischen Verhältnissen Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Fig. 3 den Aufbau einer entsprechenden Auswerte-Elektronik.

Die Gewichtsbelastung des teilbelasteten Beines wird folgendermaßen ermittelt : : Während des Gehens findet ein fortlaufender Wechsel von Standbein-und Spielbeinphase sowohl für das gesunde wie für das teilzubelastende Bein statt. In der Standbeinphase des gesunden Beines trägt dieses das gesamte Körpergewicht A. In der Standbeinphase des teilzubelasten- den Beines wirkt auf dieses Bein und auf die beiden Krücken zusammen eine Belastung 2+3, die dem Gesamtkörpergewicht entspricht 1. Während des Wechsels des einen Beines vom Spielbein zum Standbein und des anderen Beines umgekehrt, findet ein fließender Belas- tungswechsel statt, welchen wir als Übergangsphase bezeichnen wollen B. Die Fig. 1 be- schreibt in einem idealisierten Diagramm die Belastungsverhältnisse beim Gehen mit Krü- cken unter Teilbelastung.

Abschnitt A zeigt eine Standbeinphase des gesunden Beines. Die Gewichtsbelastung des gesunden Beines erreicht das gesamte Körpergewicht KG, da sich Krücken und das kranke Bein während dieser Phase in der Luft befinden. Die Abschnitte B zeigen den Standbein- wechsel vom gesunden zum kranken Bein und umgekehrt, und Abschnitt C stellt die Stand- beinphase des kranken Beines dar. Kurve 1 gibt die Gewichtsbelastung des kranken Beines wieder, wenn keine Krücken verwendet werden. Kurve 2 zeigt bei Verwendung der Krücken die Gewichtsbelastung auf den Krücken alleine. Zu Beginn und Ende der Standbeinphase des teilbelasteten Beines erreicht die Gewichtsbelastung des kranken Beines unter Zuhilfe- nahme von Krücken jeweils ein Maximum, da das verletzte Bein in seiner Standbeinphase zeitverzögert aufgesetzt und frühzeitig wieder abgehoben wird Kurve 3.

Die tatsächliche Teilbelastung wird dadurch gefunden, indem nach Ablauf der Standbein- phase des teilbelasteten Beines die Höhe des Minimums zwischen den Maxima von Kurve 2 ermittelt wird. Das gesamte Körpergewicht abzüglich des Minimums ergibt die maximale Gewichtsbelastung TB des teilbelasteten Beines in der abgelaufenen Standbeinphase wieder.

Sie ergibt sich in Fig. 1 als das Maximum von Kurve 3.

Im Folgenden sind nochmals kurz die in Figur 1 verwendeten Bezeichnungen erläutert : A : Standbeinphase des gesunden Beines B : Übergangsphase C : Standbeinphase des teilbelasteten Beines KG : gesamtes Körpergewicht TB : maximal ermittelte Teilbelastung "1": Gesamtbelastung auf dem teibelasteten Bein und den Krücken "2 :"Belastung auf den Krücken alleine "3" : Belastung des teilbelasteten Beines als Differenzkurve von 1 und 2 Wie Fig. 2 zeigt, befindet sich im Fußteil (oder an einer anderen geeigneten Stelle) jeder der beiden Krücken ein Kraftaufnehmer 10 wie z. B. eine Kraftmeßdose, ein Membransensor mit Dehnungsmessstreifen, ein direkt an der Krücke außen angebrachter Dehnungsmessstreifen o. ä., welche die tatsächliche Gewichtsbelastung der Krücke mißt. Durch den Kraftaufnehmer wird ein analoges Signal erzeugt, welches proportional zur Gewichtsbelastung der jeweili- gen Krücke ist und von der nachfolgenden Schaltung 12 verstärkt und digitalisiert wird.

Dabei erfolgen die Messungen in der einen Krücke mit konstanter Meßrate, die digitalisier- ten Meßwerte werden mittels Funk zur anderen Krücke übertragen. Für diese Funkübertra- gung könnte z. B. ein einfaches Telemetriesystem basierend auf ASK (Amplitude Shift Key Modulation) oder FSK (Frequency Shift Key Modulation) mit einer Übertragungsfrequenz in einem der ISM-Frequenzbereiche (Industry, Science, Medicine) verwendet werden, ebenso könnte eine Funkschnittstelle nach dem Bluetooth-Standard zur Anwendung kommen.

Die zweite Krücke empfängt diese Daten, und nach dem Empfang der Daten erfolgt auch in dieser Krücke eine Messung. Die erste Krücke fungiert also als"Master", da in dieser die Messungen ihrer Belastung völlig unabhängig stattfinden, die zweite Krücke hingegen ist in der Rolle des"Slave", da in ihr eine Messung nur stattfindet, wenn sie vorher einen vollstän- digen Meßwert der ersten Krücke empfangen hat. In der zweiten Krücke (Slave) werden beide Meßwerte addiert, diese Summe der Meßwerte beider Krücken entspricht dem gesam- ten Körpergewicht abzüglich der Gewichtsbelastung des teilbelasteten Beines-abgesehen von dynamischen Einflüssen durch Abstoß-und Fallbewegungen, die vor allen zu Beginn und am Ende eines Schrittes stattfinden.

Die Summe beider Meßwerte wird in der als Slave fungierenden Krücke laufend von einem Mikrocontroller 16 verarbeitet, der mit Hilfe eines Algorithmus nach dem o. a. Modell die tatsächliche Teilbelastung mit oder ohne Dynamisierung errechnet. Bei Überschreiten der maximal zulässigen Teilbelastung ertönt ein Signalton 17. Anstelle eines akustischen Signal- gebers könnte auch ein etwa im Handgriff einer Krücke eingebauter Vibrationsmotor Ver- wendung finden.

In dieser Krücke kann auch ein Speicher eingebaut sein, der zu jedem Schritt die stattgefun- dene Teilbelastung speichert oder auch nur die Anzahl der stattgefundenen Überschreitun- gen der eingestellten Teilbelastungsgrenze. In diesem Fall könnte auch eine Aufschlüsselung z. B. in Anzahl aller Überschreitungen der Teilbelastungsgrenze, in Anzahl der Über.-und Unterschreitungen dieser Grenze z. B. um mehr als 5 Kg, um mehr als 10 Kg usw. stattfinden.

Diese gespeicherten Daten können im nachhinein über Funk oder über Kabelverbindung (z.

B. serielle Schnittstelle oder USB) 18 zu einem Computer übertragen und dort weiter verar- beitet werden. Ebenso können die Meßdaten in Echtzeit über Funk (z. B. Bluetooth) zu einem Computer übertragen und dort verarbeitet und extern gespeichert werden. Dies könnte z. B. bei einer Ganganalyse in Echtzeit durch medizinisches Personal im Therapiezimmer zur Anwendung kommen.

In einer zweckmäßigen Ausführung der Meßvorrichtung kann auch eine Untergrenze der Teilbelastung eingegeben werden, bei deren Unterschreiten ebenfalls einer der oben ange- führten Alarme gegeben wird, der vom Alarm bei Überschreitungen verschieden ist. Eben- falls könnte im vorderen Teil des Krückengriffs sichtbar eine Ziffernanzeige (LED oder LCD) eingebaut sein, die eine direkte Anzeige der im jeweils letzten Schritt stattgefundenen Teilbelastung ermöglicht.

Werden die Krücken in einer therapeutisch nicht wünschenswerten Weise verwendet, wie z.

B. Laufen, so kann dies von der Auswerteelektronik 12 erkannt werden, und es kann darauf- hin ebenfalls ein Alarm gegeben werden sowie eine Speicherung dieser unerwünschten Verwendungsweise erfolgen.

Die Einstellung von Körpergewicht, oberer und unterer Teilbelastungsgrenze kann mit Hilfe eines Computers oder eines anderen externen Gerätes durchgeführt werden, wobei die Übertragung dieser Einstellungen beispielsweise über eine Kabel-oder Funk-oder Infrarot- schnittstelle erfolgen kann 18. Ebenso kann an einer der Krücken ein Tastenfeld mit Display angebracht sein, um eine oder mehrere dieser Einstellungen direkt an der Krücke vorzu- nehmen.

Die Stromversorgung erfolgt z. B. über Batterien, die in oder an der Krücke angebracht sind.

Zweckmäßigerweise kann es sich um wiederaufladbare Batterien handeln. Diese können auch in Hohlräumen der Krücke angebracht sein, im geschützten oberen Ende dieses Teiles kann sich ein Stecker für den Anschluß an ein Ladegerät befinden. Um die Krücke mit einer Batterieladung für eine möglichst lange Zeit einsatzfähig zu halten, ist es zweckmäßig, einen Standby-Modus vorzusehen, in den die Schaltung in den Krücken automatisch wechselt, wenn einige Zeit keine Belastung erfolgen sollte, wie z. B. beim Sitzen oder Schlafen. Die Sensoren und die gesamte Elektronik kann im Krückenrohr untergebracht sein, die Krücken müssen daher spritzwasserfest sein, Sensoren und Elektronik müssen unempfindlich gegen- über Temperaturschwankungen sowie Erschütterungen sein.

Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung der Teilbelastung ist auch die direkte Messung mit Hilfe von Kraftsensoren oder Drucksensoren, die in einer Einlegesohle oder in einem "Gehstöckel"eines Gehgipses oder direkt in der Schuhsohle untergebracht sind. Die techni- sche Umsetzung gleicht der oben angeführten Methode bis auf den Umstand, daß hier eine Direktmessung der Gewichtsbelastung des betroffenen Beines möglich ist, die Messparame- ter könnten kabellos zu einer wie oben angeführten Datenverarbeitungsvorrichtung in zumindest einer der beiden Krücken zur weiteren Auswertung übertragen werden.

Bezugszeichenliste A. Standbeinphase des gesunden Beines B. Übergangsphase C. Standbeiphase des teilbelasteten oder kranken Beines f KG : Körpergewicht TB : Maximal ermittelte Teilbelastung 1. Gesamtbelastung auf dem teilbelasteten Bein und den Krücken 2. Belastung auf den Krücken alleine 3. Belastung des teilbelasteten Beines als Differenzkurve von 1 und 2 4. Krückenfuß aus Gummi 5. Krückenrohr 6. Befestigung der Kraftmeßdose 7. Analoges Ausgangssignal 8. Signalgeber 9. Spannungsversorgung der Kraftmeßdose 10. Kraftmeßdose 11. Stempel zur Übertragung der Gewichtsbelastung auf die Kraftmeßdose 12. Auswerteelektronik (Fig. 3) 13. Kraftsensor 14. Meßverstärker 15. ADC (Analog-Digital-Wandler) 16. Mikrocontroller mit Programm zur Auswertung der digitalisierten Messungen 17. Alarmgeber 18. Schnittstelle zur Eingabe von Körpergewicht und Teilbelastungsgrenze, sowie zum Auslesen der Teilbelastungs-Überschreitungen