Beschreibung

Vorrichtung, Sensor, Sensorelement sowie Verfahren zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs, einen Sensor sowie ein Sensorelement für eine solchen Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinu- ierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs.

Aufgrund der stetigen Zunahme an Wirbelsäulenerkrankungen, beispielsweise verursacht durch körperliche Fehlhaltung am Arbeitsplatz, übergewichtigkeit und unzureichende Mobilisie- rung der Rückenmuskulatur durch Bewegungsmangel, steigt der Bedarf an therapeutischen und diagnostischen Hilfsmitteln in der Orthopädie zur Identifikation und Reduktion von Krankheitsursachen und daraus resultierenden Auswirkungen für den Patienten .

Derzeitig am Markt verfügbare Systeme zur Vermessung des Wir ^¬ belsäulenverlaufes weisen entscheidende Nachteile auf. Entwe ^¬ der wird der Verlauf der Wirbelsäule vollständig, aber in ei ^¬ nem statischen Zustand vermessen, oder es handelt sich um mo- bile Systeme für dynamische Vermessungen, wobei die Sensoren jedoch nur punktuell entlang der Wirbelsäule befestigt sind und der Wirbelsäulenverlauf somit nicht durchgängig vermessen werden kann.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der eine verbesserte Vermessung ermöglicht ist, sowie ein Verfahren zur kontinuierlichen Vermessung zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs nach den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Sensor für eine solche Vorrichtung nach den Merkmalen

des Anspruchs 8, ein Sensorelement für einen solchen Sensor nach den Merkmalen des Anspruchs 15 und ein Verfahren zur kontinuierlichen Vermessung nach den Merkmalen des Anspruch 22. Weiterbildungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben.

Ein erster Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs, welche Mittel zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs, sowie Mittel zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung um- fasst .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine vollständige, durchgängige Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs hinsichtlich lateraler und dorsaler Richtung sowie Torsion sowohl in statischem, ruhendem, als auch in dynamischem, bewegtem Zustand.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und die Mittel zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgra- den ihrer Verformung mindestens einen gemeinsamen, in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheits ^¬ grads sensitiven, mindestens den zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erfassenden Sensor, sowie eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit. Dabei können entweder ein Sensor zur Erfassung aller Freiheitsgrade, oder getrennte Sensoren zur Erfassung jeweils eines Freiheitsgrads vorgesehen sein. Wesentlich ist hierbei, dass sowohl die kontinuierliche Ver ^¬ messung des Wirbelsäulenverlaufs, als auch die kontinuierli ^¬ che Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Be- wegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung mit dem selben Sensor oder den selben Sensoren erfolgt. Dies wird unter anderem dadurch

ermöglicht, dass der Sensor die Wirbelsäule nicht nur punktu- ell erfasst, sondern sich beispielsweise über den gesamten zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstreckt und so diesen ge ^¬ samten Teil insbesondere im Hinblick auf Verlaufsänderungen zu erfassen in der Lage ist. Dabei ist es durchaus denkbar, dass die Wirbelsäule in diskrete Abschnitte unterteilt er ^¬ fasst wird, wobei durch den sich vorzugsweise entlang der Wirbelsäule erstreckenden Sensor Relativbewegungen zwischen den einzelnen Abschnitten in Richtung aller Freiheitsgrade erfasst werden können. Hierdurch wird der Aufwand sowohl zur Anbringung geeigneter Mittel zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule, als auch zur Auswertung der gewonnenen Sensordaten in einem überschaubaren Maß gering gehalten. Durch die gerin- ge Anzahl einzelner Sensoren wird eine effektive, kontinuierliche Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs in Ruhe, sowie eine Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung ermöglicht, da Haltung und Bewegung einer zu vermessenden Wirbelsäule nicht, bzw. so wenig wie möglich einge- schränkt wird.

Vorzugsweise umfasst der in Bezug auf eine Verformung mindes ^¬ tens in Richtung eines Freiheitsgrads sensitive Sensor min ^¬ destens einen sich über mindestens einen zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstreckenden, mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter, mindestens eine an einem ersten Ende des Lichtleiters eine konstante Licht ^¬ leistung einstrahlende Lichtquelle, sowie mindestens einen die an einem zweiten Ende des Lichtleiters ankommende Licht ^¬ leistung messenden Empfänger, wobei der Empfänger mit der Auswerteeinheit verbunden ist. Als Sensor sind optische Lichtleiter vorgesehen, die beispielsweise durch partielle geometrische Veränderungen im Kern-Mantel-übergang, welche bei Biegung des Lichtleiters beispielsweise wie eine Störung wirken, biegesensitiv werden. Der Bereich eines Lichtleiters mit einer derartigen, beispielsweise im Kern-Mantel-übergang

angeordneten Veränderung wird als sensitive oder biegesensi ^¬ tive Zone bezeichnet. Wird bei einem Lichtleiter mit einer biegesensitiven Zone am ersten Ende des Lichtleiters eine konstante Lichtleistung beispielsweise mittels einer LED (Light Emitting Diode) oder einer Laserlichtquelle, wie etwa einer Laserdiode, eingestrahlt, und wird am zweiten Ende die Lichtleistung gemessen, beispielsweise mittels einer Photodi ^¬ ode oder einem Phototransistor, so verändert sich die am zweiten Ende gemessene Lichtleistung in Abhängigkeit von der Biegung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone.

Durch eine geeignete Software lassen sich die Messdaten in eine grafische Darstellung des Wirbelsäulenverlaufs unter Be ^¬ rücksichtigung aller Freiheitsgrade der Verlaufsänderung ü- berführen. Lichtwellenleiter mit biegesensitiven Zonen können im Gegensatz zu konventionellen Sensoren entlang der gesamten Wirbelsäule verlaufend angeordnet werden. Dadurch kann der Verlauf der Wirbelsäule kontinuierlichen vermessen werden, ebenso wie Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Frei- heitsgraden ihrer Verformung gemessen werden können.

Der Begriff konstante Lichtleistung bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die in den Lichtleiter zum Zeitpunkt einer Messung eingestrahlte Lichtleistung unveränder- lieh ist, so dass durch Messung der ankommenden Lichtleistung gleichzeitig die im Bereich der biegesensitiven Zonen verloren gegangene Lichtleistung qualitativ bestimmt werden kann, bzw. die ankommende Lichtleistung unmittelbar ein Maß für den Anteil der in der biegesensitiven Zone verloren gegangene Lichtleistung darstellt. Dabei ist unerheblich, ob die konstante Lichtleistung kontinuierlich, also pausenlos, oder impulsartig zu diskreten Zeitpunkten, zu denen jeweils eine Messung erfolgt, in den Lichtleiter eingestrahlt wird.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Sensor in mehrere Abschnitte un ^¬ terteilt ist. Dabei umfasst jeder Abschnitt mindestens einen

mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung min ^¬ destens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule innerhalb des jeweiligen Abschnitts und/oder über benachbarte Abschnit ^¬ te hinweg. Ein solcher Sensor ist mit geringem Aufwand aus mehreren gleichartigen Sensorelementen, von denen jedes einen Lichtleiter mit einer biegesensitiven Zone umfasst, in beliebiger Länge herstellbar.

Die Abschnitte sind dabei vorzugsweise mindestens im Abstand benachbarter Wirbel einer Wirbelsäule aufeinander folgend, oder unmittelbar aufeinander folgend angeordnet. Die Wirbel ^¬ säule ist nur zwischen den Wirbeln beweglich, die Wirbel selbst sind starr. Indem die Abschnitte im Abstand der Wirbel angeordnet sind, wird in ausreichendem Maße sichergestellt, dass jede Bewegung der Wirbelsäule, welche sich aus Relativ ^¬ bewegungen zwischen benachbarten Wirbeln zusammensetzt, er- fasst werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind je Abschnitt drei Lichtleiter mit jeweils mindes ^¬ tens einer biegesensitiven Zone vorgesehen. Dabei ist innerhalb des Abschnitts jeweils ein mindestens eine biegesensiti- ven Zone aufweisender Lichtleiter zur Vermessung jeweils eines der Freiheitsgrade laterale und dorsale Bewegung sowie Torsion vorgesehen. Es ist wesentlich einfacher, biegesensitive Zonen an einem Lichtleiter vorzusehen, welche in Bezug auf einen Freiheitsgrad sensitiv sind, als eine biegesensiti- ve Zone herzustellen, welche in Bezug auf mehrere oder alle Freiheitsgrade sensitiv ist. Durch Verwendung dreier Lichtleiter mit jeweils unterschiedlichen sensitiven Zonen für Torsion, dorsale und laterale Bewegung können mit geringem konstruktivem Aufwand alle Freiheitsgrade erfasst werden.

Ein zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft einen Sensor zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und

von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung. Der Sensor umfasst mindestens einen sich über mindestens einen zu vermessenden Teil der Wirbelsäule erstre- ckenden, mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in

Richtung mindestens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter, mindestens eine an einem ersten Ende des Lichtleiters eine konstante Lichtleistung einstrahlen ^¬ de Lichtquelle, sowie mindestens einen die an einem zweiten Ende des Lichtleiters ankommende Lichtleistung messenden Emp ^¬ fänger. Lichtwellenleiter mit biegesensitiven Zonen können im Gegensatz zu konventionellen Sensoren entlang der gesamten Wirbelsäule verlaufend angeordnet werden. Dadurch kann der Verlauf der Wirbelsäule kontinuierlichen vermessen werden, ebenso wie Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der insbesondere gesamten Wirbelsäule in allen Frei ^¬ heitsgraden ihrer Verformung gemessen werden können.

Der Sensor kann mehrere unmittelbar oder mindestens im Ab- stand benachbarter Wirbel einer Wirbelsäule aufeinander fol ^¬ gend angeordnete Sensorelemente umfassen, welche jeweils zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule innerhalb eines von dem jeweiligen Sensorelement gebildeten Abschnitts, oder zwischen benachbarten Abschnitten vorgesehen sind. Jedes der Sensorelemente umfasst mindestens einen mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheits ^¬ grads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter. Bei dem Sensor ist je Lichtleiter eine an einem ersten Ende des je- weiligen Lichtleiters eine konstante Lichtleistung einstrahlende Lichtquelle, sowie mindestens ein die an einem zweiten Ende des jeweiligen Lichtleiters ankommende Lichtleistung messender Empfänger vorgesehen.

Vorzugsweise sind die Sensorelemente auf einem gemeinsamen, mindestens innerhalb der Beweglichkeit der gesamten Wirbel ^¬ säule in allen ihren Freiheitsgraden ihrer Verformung elas-

tisch dehnbaren streifenförmigen Trägermaterial angeordnet. Als dehnbares Trägermaterial eignen sich beispielsweise Schaumstoff oder Pflaster. Damit die Lichtleiter des Sensors bzw. der Sensorelemente einer elastischen Dehnung des Träger- materials folgen können, sind die Lichtleiter beispielsweise mäanderförmig auf dem Trägermaterial angeordnet. Ebenso ist denkbar, eine longitudinale Flexibilität dadurch zu erhalten, indem die Lichtleiter abschnittsweise auf zugfesten, aber biegsamen Trägerplatten befestigt sind, welche wiederum auf dem streifenförmigen Trägermaterial angeordnet sind. Zwischen den Trägerplatten verlaufen die Lichtleiter in bogenförmigen Dehnschlaufen. Ein derartig aufgebauter Sensor wird nachfolgend auch als Sensorband bezeichnet.

Der Sensor kann geeignete Mittel zum Schutz vor einer Zerstörung durch überdehnung des streifenförmigen Trägermaterials aufweisen. Solche Mittel können beispielsweise beidseitig an den Längsseiten des streifenförmigen Trägermaterials angeordnete Zugbänder sein, welche sich ab einer festlegbaren Deh- nung des Trägermaterials straffen und so eine weitere Dehnung des Trägermaterials verhindern.

Ein dritter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Sensorele ^¬ ment zur Verwendung in einem oben beschriebenen Sensor. Ein erfindungsgemäßes Sensorelement umfasst mindestens einen sich über einen Teil der zu vermessenden Wirbelsäule erstreckenden, mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung mindestens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufwei ^¬ senden Lichtleiter. Vorzugsweise ist jeweils ein Lichtleiter je Freiheitsgrad vorgesehen, wobei jeder Lichtleiter mindes ^¬ tens jeweils eine für eine Verformung in Richtung des jewei ^¬ ligen Freiheitsgrades ausgelegte biegesensitive Zone umfasst. Die Bestimmung und Unterscheidung der Verformungen bzw. Verlaufsänderungen und ihrer Ausprägung in einem bestimmten Ab- schnitt des Lichtleiters erfordert für jeden zu berücksichti ^¬ genden Freiheitsgrad der Verlaufsänderung einen Lichtleiter mit einer sensitiven Zone entsprechender Beschaffenheit.

Durch geeignete Kombination von Lichtleitern mit jeweils für die Messung eines bestimmten Freiheitsgrads ausgelegten sensitiven Zonen entsteht insgesamt ein Sensorelement welches die Messung von Verlaufsänderungen in den für eine Wirbelsäu- Ie in Frage kommenden Freiheitsgraden ermöglicht. Ein Sensorelement zur Vermessung einer Wirbelsäule ist vorzugsweise für die Freiheitsgrade dorsale und laterale Bewegung und Torsion vorgesehen und umfasst insgesamt drei Lichtleiter mit jeweils mindestens einer für die Messung des jeweiligen Freiheitsgra- des ausgelegten biegesensitiven Zone. Erstrecken sich die sensitiven Zonen der kombinierten Lichtleiter des Sensorelements über die gleichen Abschnitte entlang der Wirbelsäule, so kann eine Verlaufsänderung in diesem Abschnitt bezüglich aller betrachteter Freiheitsgrade gemessen werden.

Kombiniert man mehrere solcher Sensorelemente in der Weise, dass sich ihre sensitiven Zonen aneinander reihen, so erhält man einen Sensor, mit dem die Verlaufsänderungen in mehreren durch die Sensorelemente gebildeten Abschnitten in allen be- trachteten Freiheitsgraden bestimmt werden können. Hierdurch erhält man einen oben beschriebenen, mehrere Sensorelemente umfassenden Sensor. Durch messtechnische Bestimmung der Verlaufsänderungen in den sensitiven Abschnitten der einzelnen Sensorelemente kann die Verlaufsänderung eines Objekts über größere Abschnitte vollständig und nahtlos bestimmt werden. Durch eine geeignete Software lassen sich die Messdaten aus den sensitiven Zonen der verketteten Sensorelemente in eine grafische Darstellung des Wirbelsäulenverlaufs unter Berück ^¬ sichtigung aller Freiheitsgrade der Verlaufsänderung überfüh- ren.

Die biegesensitiven Zonen eines Lichtleiters eines Sensorele ^¬ ments können beispielsweise durch partielle geometrische Ver ^¬ änderungen im Kern-Mantel-übergang gebildet werden. Das hier- bei genutzte physikalische Prinzip ist, dass die partielle Störung des Lichtleiters im Kern-Mantel-übergang einen Verlust der Lichtleistung im Lichtleiter in der sensitiven Zone

verursacht. Eine Biegung des Lichtleiters im Bereich der sen ^¬ sitiven Zone verstärkt oder verringert den Verlust der Licht ^¬ leistung. Die partiellen geometrischen Veränderungen im Kern- Mantel-übergang können beispielsweise durch mechanische Bear- beitung des Lichtleiters im Bereich dessen Kern-Mantel- übergangs hergestellt werden. Je nach zu messendem Freiheits ^¬ grad sind die biegesensitiven Zonen des Lichtleiters an einer bestimmten Umfangsposition des Lichtleiters angeordnet. Die partiellen geometrischen Veränderungen können beispielsweise in Abhängigkeit der Biegung des Lichtleiters das Streuungs ^¬ und Reflexionsverhalten im Inneren des Lichtleiters beeinflussende Einkerbungen im Kern-Mantel-übergang umfassen.

Wichtig ist hervorzuheben, dass es grundsätzlich auch denkbar ist, einen gemeinsamen Lichtleiter mit biegesensitiven Zonen für Torsion und Bewegung in lateraler und dorsaler Richtung zu verwenden, in Kombination mit auf geeignete Ebenen polarisiertem Licht und polarisationsebenenspezifischer Detektion der ankommenden Lichtleistung. Ebenso ist denkbar, am Licht- leiter wellenlängenspezifische biegesensitive Zonen anzuord ^¬ nen, sowie eine Lichtquelle zu verwenden, die auf den unter ^¬ schiedlichen Wellenlängen eine konstante Lichtleistung ausstrahlt und die empfangene Lichtleistung wellenlängenspezifisch auszuwerten.

Ebenso ist wichtig hervorzuheben, dass es generell auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, anstelle eine konstanten Lichtleistung an einem ersten Ende in einen Lichtleiter einzustrahlen und eine Messung der ankommenden Lichtleis- tung an einem zweiten Ende des Lichtleiters vorzunehmen, Einstrahlung und Messung am selben Ende vorzunehmen und das eingestrahlte Licht am gegenüberliegenden Ende durch geeignete Mittel zu reflektieren, oder alternativ hierzu auch austreten zu lassen und nur die Rückstreuung zu messen.

Ein vierter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs so-

wie der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Ver ^¬ fahrensschritte : - Anordnung mindestens eines Lichtleiters mit mindestens einer in Bezug auf mindestens einen zu vermessenden Freiheitsgrad biegesensitiven Zone entlang der Wirbelsäule,

Einstrahlung einer bestimmten Lichtleistung in den Lichtleiter an einem ersten Ende des Lichtleiters,

Messung der ankommenden Lichtleistung an einem zweiten Ende des Lichtleiters, sowie

Bestimmung der Verformung des Lichtleiters und damit der Wirbelsäule durch Vergleich der ankommenden mit der ein- gestrahlten Lichtleistung.

Zur Anordnung des mindestens einen Lichtleiters mit mindes ^¬ tens einer biegesensitiven Zone entlang der Wirbelsäule ist denkbar, zunächst die Wirbelsäule in mehrere zu vermessende Abschnitte zu unterteilen und anschließend jeweils ein min ^¬ destens einen Lichtleiter mit mindestens einer für einen zu vermessenden Freiheitsgrad sensitiven Zone umfassendes Sen ^¬ sorelement je Abschnitt entlang der Wirbelsäule anzuordnen.

Dabei kann zur Unterteilung der Wirbelsäule in Abschnitte und zur Anordnung jeweils eines Sensorelements je Abschnitt eine mindestens der Anzahl von Abschnitten entsprechende Anzahl von Lichtleitern auf einem Trägerband befestigt werden, wobei die einzelnen Lichtleiter jeweils in einem bestimmten Ab- schnitt mindestens eine biegesensitive Zone aufweisen, und anschließend das Trägerband mitsamt den darauf angeordneten Lichtleitern entlang der zu vermessenden Wirbelsäule zu befestigen .

Vorzugsweise sind je drei Lichtleiter zur Vermessung jeweils eines Freiheitsgrades innerhalb eines Abschnitts vorgesehen.

Die biegesensitiven Zonen der Lichtleiter in den jeweiligen Abschnitten sind vorzugsweise durch mechanische Bearbeitung der Lichtleiter hergestellt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Verformung der Wirbelsäule durch Vergleich der ankommenden mit der eingestrahlten Lichtleistung zeitdiskret bestimmt und die so bestimmten Verformungen erfasst und beispielsweise zur späteren Auswertung über einen bestimmten Zeitraum gespeichert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläu ^¬ tert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Auswirkung einer partiellen geometrischen Veränderung eines Lichtleiters in dessen Kern-Mantel-übergang auf die änderung der übertragenen Lichtleistung bei Biegung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Freiheitsgrade der Wirbelsäulenbewegung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ein elastisch dehnbares streifenförmiges Trägermaterial umfassen- den Sensors, wobei eine longitudinale Flexibilität des Sensorbandes durch eine mäanderförmige Anord ^¬ nung der Lichtleiter erreicht wird,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines ein elastisch dehnbares streifenförmiges Trägermaterial umfassen ^¬ den Sensors, wobei eine longitudinale Flexibilität des Sensorbandes durch Dehnschlaufen bei paralleler Anordnung der Lichtleiter erreicht wird,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Konfiguration sensitiver Zonen auf Lichtleitern,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts ei ^¬ nes mit Mitteln zum Schutz gegen longitudinale ü- berdehnung ausgestatteten Sensorbandes,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines mit Mitteln zum Schutz gegen Druckbelastung ausgestatteten Sensorbandes, sowie

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Sensorbandes, welches durch eine Schutzlage gegenüber mechani ^¬ schen Belastungen geschützt ist.

Ein Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung ist, eine Vermessung des Verlaufes sowie von Verlaufsänderungen einer Wirbel- säule in ruhendem sowie in bewegtem Zustand kontinuierlich, d.h. durchgängig in all ihren Freiheitsgraden der Bewegung mittels einer geeigneten Vorrichtung durchführen zu können. Erfindungsgemäß ist hierfür eine Vorrichtung vorgesehen, welche Mittel vorzugsweise in Form von geeigneten Sensoren so- wohl zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs, als auch zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung um- fasst .

Als Sensor sind optische Lichtleiter 1 vorgesehen, die wie in Fig. 1 dargestellt durch partielle geometrische Veränderungen 5 im Kern-Mantel-übergang, welche sich auf das übertragungsverhalten von Licht wie eine Störung auswirken, biegesensitiv werden. Der Bereich eines Lichtleiters 1 mit einer derartigen Veränderung 5 im Kern-Mantel-übergang wird als sensitive Zone 4 bezeichnet.

Wird an einem ersten Ende eines Lichtleiters 1 mit einer sen- sitiven Zone 4 beispielsweise mit einer LED oder einer Laserdiode eine konstante Lichtleistung eingestrahlt und an einem zweiten Ende die ankommende Lichtleistung beispielsweise mit

einer Photodiode oder einem Phototransistor gemessen, so verändert sich die am zweiten Ende gemessene Lichtleistung in Abhängigkeit von der Biegung des Lichtleiters 1 in der sensi ^¬ tiven Zone 4. Die partielle Störung 5 des Lichtleiters 1 im übergang zwischen Kern 3 und Mantel 2 verursacht einen Verlust der Lichtleistung im Lichtleiter 1 in der sensitiven Zone 4. Eine Biegung des Lichtleiters 1 im Bereich der sensiti ^¬ ven Zone 4 verstärkt (Fig. Ic) oder verringert den Verlust der Lichtleistung (Fig. Ib) . Fig. Ia zeigt den Lichtleiter 1 in gestrecktem Zustand.

Durch geeignete Anordnung und Form der sensitiven Zone lässt sich jede Verlaufsänderung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone durch Messung der sich verändernden Licht- leistung bestimmen. Messbare Verlaufsänderungen des Lichtleiters sind (Fig. 2) : die so genannte dorsale Bewegung, welche eine vertikale Biegung in beiden Richtungen umfasst (Fig. 2a), Torsion (Fig. 2b), sowie - die so genannte laterale Bewegung, welche eine horizon ^¬ tale Biegung in beiden Richtungen umfasst (Fig. 2c) .

Um den Verlauf und die Verlaufsänderungen einer Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Bewegung erfassen zu können, erstreckt sich der Sensor mindestens über den zu vermessenden Teil der Wirbelsäule. Der Sensor ist dabei in mehrere Ab ^¬ schnitte unterteilt, wobei jeder Abschnitt mindestens einen mindestens eine in Bezug auf eine Verformung in Richtung min ^¬ destens eines Freiheitsgrads biegesensitive Zone aufweisenden Lichtleiter zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs und von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule innerhalb des jeweiligen Abschnitts bzw. über benachbarte Abschnitte hinweg umfasst.

Die Bestimmung und Unterscheidung der Verlaufsänderungen und ihrer Ausprägung in einem bestimmten Abschnitt des Lichtleiters erfordert für jeden

zu berücksichtigenden Freiheitsgrad der Verlaufsänderung einen Lichtleiter mit einer sensitiven Zone entsprechender Beschaffenheit. Durch geeignete Kombination von Lichtleitern mit jeweils für die Messung eines bestimmten Freiheitsgrads ausgelegten sensitiven Zonen entsteht insgesamt ein Sensorelement, welches die Messung der Verlaufsänderung in den drei hier betrachteten Freiheitsgraden ermöglicht. Erstrecken sich die sensitiven Zonen der kombinierten Lichtleiter über die gleichen Abschnitte entlang des Sensorelements, so kann eine Verlaufsänderung in diesem Abschnitt bezüglich aller betrachteter Freiheitsgrade gemessen werden. Je Abschnitt sind somit zur Erfassung aller Freiheitsgrade drei Lichtleiter mit jeweils mindestens einer biegesensitiven Zone angeordnet, wobei innerhalb des Abschnitts jeweils ein mindestens eine biege- sensitiven Zone aufweisender Lichtleiter zur Vermessung jeweils eines der Freiheitsgrade laterale und dorsale Bewegung sowie Torsion vorgesehen ist.

Kombiniert man mehrere solcher Sensorelemente in der Weise, dass sich ihre sensitiven Zonen aneinander reihen, so erhält man einen Sensor, mit dem die Verlaufsänderungen in mehreren durch die Sensorelemente gebildeten Abschnitten in allen betrachteten Freiheitsgraden bestimmt werden können. Durch messtechnische Bestimmung der Verlaufsänderungen in den sen- sitiven Abschnitten der einzelnen Sensorelemente kann die Verlaufsänderung eines Objekts wie einer Wirbelsäule über größere Abschnitte vollständig und nahtlos bestimmt werden.

Durch eine geeignete Software lassen sich die Messdaten aus den sensitiven Zonen der verketteten Sensorelemente in eine grafische Darstellung des Sensorverlaufs unter Berücksichti ^¬ gung aller Freiheitsgrade in der Verlaufsänderung überführen.

Bei der Verwendung eines oben beschriebenen, aus mehreren Sensorelementen bestehenden Sensors zur Vermessung von Verlauf und Verlaufsänderungen einer Wirbelsäule, wird die Wirbelsäule in mehrere zu vermessende, durch die Sensorelemente

vorgegebene Abschnitte unterteilt, wobei jeder Abschnitt in ^¬ dividuell durch ein eigenes Sensorelement über die jeweiligen sensitiven Zonen in allen Bewegungsrichtungen vermessen werden kann.

Zur Herstellung eines entsprechenden Sensors wird eine entsprechende Anzahl von Lichtleitern vorzugsweise parallel oder in einem mäanderförmigen Verlauf auf einem aus einem streifenförmigen Trägermaterial bestehenden Trägerband befestigt und jeweils in einem bestimmten Abschnitt entlang der Wirbel ^¬ säule durch mechanische Bearbeitung biegesensitiv gemacht. Hierbei wird pro Abschnitt jeweils ein Lichtleiter für jede Bewegungsrichtung vorgesehen, entsprechend je drei Lichtleiter je Abschnitt, und in diesem Abschnitt entsprechend mecha- nisch an seiner Oberfläche bearbeitet.

Das Trägerband mit den darauf angeordneten, durch die sensi ^¬ tiven Zonen abschnittsweise biegesensitiven Lichtleitern wird mit geeigneten Verbindungsmaterialien, wie beispielsweise ei- nem Klebeband oder einem Pflaster auf dem Rücken über der Wirbelsäule eines Patienten befestigt.

Die auf dem Trägerband geführten Lichtleiter werden an Sende- und Empfängerbauteile, wie etwa LED und Photodiode, gekop- pelt. Sende- und Empfängerbauteile befinden sich in einem lichtundurchlässigen Gehäuse.

Eine ebenfalls in diesem Gehäuse angeordnete, eine geeignete Elektronik umfassende Auswerteeinheit erfasst zeitdiskret die Veränderung des analogen Signals der Lichtleistung am Empfängerbauelement in Abhängigkeit der Bewegungsausprägung in der sensitiven Zone des Lichtleiters bei konstanter Lichtleistung des Sendebauelements und speichert die in digitale Daten ge ^¬ wandelten analogen Messwerte zur nachfolgenden Analyse ab.

Mittels geeigneter zusätzlicher Hard- und Software kann ein kontinuierliches Dynamogramm der Wirbelsäule hinsichtlich Be-

wegungsart- und -ausprägung über einen zu bestimmenden Zeitraum aufgezeichnet und grafisch dargestellt werden.

Die resultierende Information über die Dynamik und damit ver- bundener Belastung der Wirbelsäule über einen bestimmten

Zeitraum hinweg kann einem behandelnden Therapeuten oder Mediziner als wesentliche Entscheidungshilfe bei der Festlegung geeigneter präventiver und therapeutischer Maßnahmen für den Patienten dienen.

Um das oben beschrieben Sensorprinzip für die Bewegungsmessung an der Wirbelsäule anwenden zu können, müssen bestimmte technologische Herausforderungen erfüllt werden. Diese sind: Longitudinale Flexibilität des Sensorbandes - Bei Krüm- mung des Rückens durch Neigen des Oberkörpers erhöht sich die Länge des Rückens um ca. 15-20% gegenüber der gestreckten Rückenlänge. Ein über der Wirbelsäule befes ^¬ tigter Sensor zur Vermessung der Wirbelsäule darf dabei seine Position auf dem Rücken nicht verändern. Dazu muss die Dehnung des Rückens auf den wegen des Trägerbands mit den darauf angeordneten, biegesensitiven Lichtleitern auch als Sensorband bezeichneten Sensor übertragbar sein und dieser sich demzufolge in longitudinaler Richtung flexibel verhalten. - Konfiguration der sensitiven Zonen an den Lichtleitern - Um die an der Wirbelsäule auftretenden Bewegungsarten dorsale und laterale Bewegung sowie Torsion (Fig. 2) ü- ber die Sensorelemente abschnittsweise erfassen zu kön ^¬ nen, müssen die sensitiven Zonen auf den Lichtleitern unterschiedlich konfiguriert, d.h. die Oberflächen der Lichtleiter des Sensors in unterschiedlicher Weise z.B. mechanisch bearbeitet sein. über die in drei Lichtlei ^¬ tern angeordneten drei sensitiven Zonen eines Sensorelementes, von denen je eine je Bewegungsart pro Sensorele- ment vorgesehen ist, sollen letztlich die drei Bewegungsrichtungen voneinander unabhängig in ihrer Ausprägung detektierbar sein.

Schutz der Lichtleiter vor mechanischen Belastungen - Die Lichtleiter des am Rücken befestigten Sensorbandes sind gegen mechanische Belastungen und Beschädigungen, die das Sensorsignal beeinflussen oder stören könnten, zu schützen.

überdehnungsschutz des Sensorbandes - Trotz longitudina- ler Flexibilität des Sensorbandes muss eine überdehnung durch geeignete Maßnahmen vermieden werden.

Die erfindungsgemäßen Lösungen für die genannten technologischen Herausforderungen werden im Folgenden beschrieben.

Um die longitudinale Flexibilität des Sensorbandes zu ermög ^¬ lichen, ohne den Lichtleiter mechanisch zu belasten, sind grundsätzlich zwei Aufbauvarianten denkbar:

a) Longitudinale Flexibilität des Sensorbandes 9 durch mäan- derförmige Anordnung der Lichtleiter 29 (Fig. 3). Die Lichtleiter 29 werden gemäß Fig. 3 auf einem dehnbaren, streifenförmigen Trägermaterial 6 mäanderförmig verlegt und punktuell in der Weise fixiert, dass die danach unfi- xierten Lichtleiterabschnitte zwischen den möglichen Fixierungspunkten 7 am Rand des Trägermaterials 6 oder den Fixierungspunkten 8 in der Längsachse des Trägermaterials 6 bei Dehnung des Trägermaterials 6 ihre Lage verändern und somit der Dehnbewegung des Trägermaterials 6 folgen, ohne einer mechanischen Spannung oder Belastung, die sich auf das Transmissionsverhalten der Lichtleiter 29 auswirken könnte, ausgesetzt zu sein. Bei einem Sensorband 9 werden die sensitiven Zonen je nach zu detektierender Bewegungsart an geeigneten, unfixierten Stellen des Lichtleiters 29 eingebracht oder angeordnet.

b) Longitudinale Flexibilität des Sensorbandes 10 durch Dehn- Schlaufen bei paralleler Anordnung der Lichtleiter 30

(Fig. 4). Auf einem dehnbaren, streifenförmigen Trägermaterial 6 werden gemäß Fig. 4 abschnittsweise Trägerplatten

13 aus zugfestem, aber biegsamem Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff wie etwa PET- oder Mylar-Folie in einem festgelegten Abstand zueinander befestigt. Die Lichtleiter 30 werden auf den Trägerplatten 13 in geeigneter Weise fi- xiert . Die Fixierung erfolgt durch Festlegen der Lichtlei ^¬ ter an den Fixierungspunkten 11. Im Bereich der Abstände zwischen den Trägerplatten 13 werden die Lichtleiter 30 in Dehnschlaufen 12 gelegt. Die sensitiven Zonen der Lichtleiter 30 befinden sich jeweils in den Bereichen der zug- festen Trägerplatten 13, da hier nur die Bewegungsart, nicht jedoch die Dehnung des Sensorbandes 10 Einfluss auf die sensitive Zone des Lichtleiters 30 haben soll. Das dehnbare Trägermaterial 6 nimmt die longitudinale Zugbe ^¬ lastung am Sensorband 10 auf. Dabei wird der auf den Trä- gerplatten 13 befestigte Lichtleiter 30 nicht gedehnt, sondern durch änderung des Biegeradius in der Dehnschlaufe 12 auf die longitudinale Verlängerung des Sensorbandes 10 angepasst .

Als dehnbares Trägermaterial 6 eignen sich sowohl für das

Sensorband 9 (Fig. 3), als auch für das Sensorband 10 (Fig. 4) beispielsweise Schaumstoff oder Pflaster. Die Fixierung der Lichtleiter 29, 30 an den Fixierungspunkten 7, 8, 11 kann beispielsweise durch geeignete Klebstoffe oder polymere Ver- gussmaterialien erfolgen.

Die sensitiven Zonen der Lichtleiter müssen entsprechend einer der drei zu bestimmenden Bewegungsarten dorsale Bewegung, laterale Bewegung, Torsion mechanisch bearbeitet werden (Fig. 5) . Hierzu sind bei wahlweise paralleler oder mäanderförmiger Anordnung eines drei Lichtleiter 14, 15, 16 umfassenden Lichtleiterbündels 17 die mechanischen Bearbeitungen der einzelnen Lichtleiter 14, 15, 16 an unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche der Lichtleiter 14, 15, 16 anzuordnen. Das Lichtleiterbündel 17 ist beispielsweise auf einem dehnbaren, streifenförmigen Trägermaterial 6 angeordnet. Ein ein solches Lichtleiterbündel 17 bzw. dessen sensitive Zonen umfassender

Abschnitt des Trägermaterials 6 entspricht dabei einem Sen ^¬ sorelement. Mehrere derart auf einem Trägermaterial 6 aufein ^¬ ander folgend angeordnete Lichtleiterbündel 17, dass die sen ^¬ sitiven Zonen der Lichtleiterbündel 17 unmittelbar aufeinan- der folgen, entspricht einem aus mehreren Sensorelementen zusammengesetzten Sensor bzw. Sensorband.

a) Eine dorsale Bewegung A erfolgt in der vertikalen Ebene des Sensorbandes. Um eine Sensitivität eines Lichtleiters 14 des Lichtleiterbündels 17 in dieser Ebene zu erhalten, sind wie in Fig. 5 dargestellt Oberflächenbehandlungen in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern-Mantel-übergangs des Lichtleiters 14 an einer Um- fangsposition auf der Oberseite o des verlegten Lichtlei- ters 14 ausgeführt.

b) Eine Torsionsbewegung B erfolgt in der horizontalen Ebene des Sensorbandes als Twist des Sensorbandes. Es findet al ^¬ so eine Bewegung in beiden Richtungen der horizontalen E- bene statt, die in ihrer Gesamtheit von der sensitiven Zo ^¬ ne erfasst werden muss. Zur Erzielung einer Sensitivität eines Lichtleiters 15 des Lichtleiterbündels 17 in dieser Ebene müssen Oberflächenbehandlungen in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern- Mantel-übergangs des Lichtleiters 15 an einer Umfangsposi- tion auf der Ober- o und Unterseite u des verlegten Licht ^¬ leiters 15 ausgeführt sein, wie Fig. 5 zeigt.

c) Eine laterale Bewegung C erfolgt in der horizontalen Ebene des Sensorbandes. Zur Erzielung einer Sensitivität eines

Lichtleiters 16 des Lichtleiterbündels 17 in dieser Ebene müssen die Oberflächenbehandlungen in Form von partiellen geometrischen Veränderungen im Bereich des Kern-Mantel- übergangs des Lichtleiters 16 an einer Umfangsposition auf der Seite s des verlegten Lichtleiters 16 ausgeführt sein, wie Fig. 5 zeigt.

Die Anordnung der partiellen geometrischen Veränderungen an der jeweiligen Umfangsposition der Lichtleiter 14, 15 und 16 ist in Fig. 5 symbolisch durch die Symbole D, E, F verdeutlicht. Dabei dient Fig. 5b) als Legende, welche die an den in Fig. 5a) für die drei Bewegungsfälle dorsale Bewegung A, Tor ^¬ sionsbewegung B und laterale Bewegung C angegebenen Stellen der Lichtleiter 14, 15, 16 an den jeweiligen Umfangspositio- nen entsprechend durchzuführenden Behandlungen angibt. Dabei gibt das Symbol D eine Behandlung eines Lichtleiters an sei- ner Oberseite o an, so dass an dessen Oberseite o eine par ^¬ tielle geometrische Veränderung entsteht. Das Symbol E gibt eine Behandlung eines Lichtleiters an seiner Unterseite u an, so dass an dessen Unterseite u eine partielle geometrische Veränderung entsteht. Das Symbol F gibt eine Behandlung des Lichtleiters an dessen Seiten s an, so dass an dessen Seiten s eine partielle geometrische Veränderung entsteht. Die ent ^¬ sprechenden Umfangspositionen sind dabei rechts des jeweiligen Symbols nochmals im Detail dargestellt.

Trotz erwünschter longitudinaler Flexibilität des Sensorbandes muss eine überdehnung durch geeignete Maßnahmen vermieden werden .

Ein denkbarer Lösungsansatz für ein gegen überdehnung ge- schütztes Sensorband 31 ist, die Lichtleiter 18 wie in Fig. 6 dargestellt auf Stegen 19 aus einem festen Material, wie etwa einem Kunststoff, punktuell an Fixierungspunkten 20 auf den Stegen 19 zu fixieren. Die Stege 19 sind beispielsweise mit beidseitig angeordneten Zugbändern 21 untereinander verbun- den, wodurch eine Begrenzung der longitudinalen Ausdehnung des dehnbaren streifenförmigen Trägermaterials 6 erzielt wird. Der Lichtleiter 18 wird dadurch vor mechanischer Zugbelastung, die zur änderung des optischen Transmissionsverhaltens und damit zur Verfälschung des Sensorsignals führen kann, geschützt.

Eine weitere Möglichkeit zum Schutz des Lichtleiters 18 gegen longitudinale überdehnung ist, ein flexibles Trägermaterial 6 mit einer begrenzten Ausdehnung zu verwenden.

Zudem sind die Lichtleiter des am Rücken befestigten Sensorbandes gegen mechanische Belastungen und Beschädigungen zu schützen, die das Sensorsignal beeinflussen oder stören würden .

Hierzu ist beim in Fig. 7 dargestellten Sensor 22 ein mehrere Lichtleiter 23 umfassendes Lichtleiterbündel 24 mit Schlaufen 25 aus einem festem Material, die das Lichtleiterbündel 24 an einem dehnbaren, streifenförmigen Trägermaterial 6 fixieren, vor mechanischen Belastungen wie beispielsweise Druck ge- schützt.

Der in Fig. 8 im Querschnitt dargestellte Sensor 26 ist mit ^¬ tels einer flexiblen Schutzlage 27 vor mechanischen Belastungen geschützt. Die Schutzlage 27 kann beispielsweise aus dem Selben Material, wie das Trägermaterial 6 hergestellt sein.

Die Schutzlage 27 wird auf dem Trägermaterial 6 beispielswei ^¬ se durch Kleben so befestigt, dass die Lichtleiter 28 zwischen dem Trägermaterial 6 und der Schutzlage 27 vollständig eingebettet sind. Trägermaterial 6 und Schutzlage 27 sind so im gleichen Maß dehn- und stauchbar. Anstelle einzelner

Lichtleiter kann auch ein oder mehrere Lichtleiterbündel unter der Schutzlage 27 angeordnet sein.

Wichtig ist hervorzuheben, dass die in den Fig. 3, 4, 6, 7 und 8 dargestellten Sensorbänder 9, 10, 22, 26 und 31 für eine eingangs erwähnte erfindungsgemäße Vorrichtung geeignete Mittel sowohl zur kontinuierlichen Vermessung des Wirbelsäulenverlaufs, als auch zur kontinuierlichen Vermessung der Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bei Bewegung entlang der gesamten Wirbelsäule in allen Freiheitsgraden ihrer Verformung darstellen.

Bezugszeichenliste

1 Lichtleiter

2 Mantel 3 Kern

4 sensitive Zone

5 partielle geometrische Veränderung (Störung)

6 dehnbares, streifenförmiges Trägermaterial

7 Fixierungspunkt 8 Fixierungspunkt

9 Sensorband (Sensor)

10 Sensorband (Sensor)

11 Fixierungspunkt

12 Dehnschlaufe 13 Trägerplatte

14 Lichtleiter mit sensitiver Zone zur Erfassung dorsaler Bewegungen

15 Lichtleiter mit sensitiver Zone zur Erfassung von Torsi ^¬ on 16 Lichtleiter mit sensitiver Zone zur Erfassung lateraler Bewegungen

17 Lichtleiterbündel aus drei Lichtleitern 14, 15, 16

18 Lichtleiter

19 Steg 20 Fixierungspunkt

21 Zugband

22 Sensorband (Sensor)

23 Lichtleiter

24 Lichtleiterbündel 25 Schlaufe

26 Sensorband (Sensor)

27 Schutzlage

28 Lichtleiter

29 Lichtleiter 30 Lichtleiter

31 Sensorband

A dorsale Bewegung

B Torsionsbewegung

C laterale Bewegung

D Behandlung des Lichtleiters an dessen Oberseite

E Behandlung des Lichtleiters an dessen Unterseite

F Behandlung des Lichtleiters an dessen Seiten o oben u unten s seitlich