Beschreibung

ANORDNUNG ZUM MESSEN EINER TORSION ODER TORSION MIT FLEXION

Die Erfindung betrifft eine erste Sensorvorrichtung zum Messen einer Torsion, eine Sensorvorrichtung zum Messen einer Flexion und einer Torsion sowie eine Anordnung zum Messen ei- ner Torsion oder Torsion mit Flexion, wobei die jeweiligen Sensorvorrichtungen und die Anordnung einen ersten beziehungsweise zweiten Lichtleiter mit sensitiven Zonen umfassen.

Aufgrund einer stetigen Zunahme an Wirbelsäulenerkrankungen, beispielsweise verursacht durch körperliche Fehlhaltung am

Arbeitsplatz, übergewicht oder unzureichende Bewegung der Rückenmuskulatur, steigt ein Bedarf an therapeutischen und diagnostischen Hilfsmitteln in der Orthopädie zur Identifikation und Reduktion von Krankheitsursachen und die daraus resultie- renden Wirkungen für Patienten.

In einer deutschen Patentanmeldung mit einem Aktenzeichen DE 10 2006 045138.4 sind eine Vorrichtung, ein Sensor, ein Sensorelement sowie ein Verfahren zur Vermessung eines Wirbel- Säulenverlaufs und von Verlaufsänderungen der Wirbelsäule bekannt. Dort wird vorgeschlagen, mit Hilfe eines Lichtleiters eine Vermessung von verschiedenen Bewegungsebenen der Wirbelsäule vorzunehmen. Dieses Dokument gibt an, in welcher Art und Weise der Lichtleiter durch eine partielle geometrische Veränderung im Kern-Mantel-übergang, das heißt durch eine mechanische Verletzung (= biegesensitive Zone) , biegesensitiv ausgestaltet werden kann. Um eine Beschädigung des Lichtleiters durch Bewegung eines Patienten zu verhindern wird ebenfalls vorgeschlagen den Lichtleiter mäanderförmig oder mit- tels Dehnschlaufen anzuordnen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine jeweilige Sensorvorrichtung bzw. Anordnung zur Verfügung

zu stellen, mit der sowohl eine Beschädigung der jeweiligen Sensorvorrichtung bzw. Anordnung durch eine mechanische Bewegung vermieden als auch eine Messung der Torsion beziehungsweise der Torsion und Flexion mit hoher Empfindlichkeit er- möglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung betrifft eine erste Sensorvorrichtung zum Messen einer Torsion, wobei die erste Sensorvorrichtung einen ersten Lichtleiter mit sensitiven Zonen umfasst, bei der der erste Lichtleiter in zumindest einer ersten Schlaufe in einer Ebene geformt ist, wobei sich der erste Lichtleiter in einer zur Anzahl erster Schlaufen entsprechenden Anzahl an Kreuzungspunkten kreuzt, eine Torsionsachse durch die Anzahl an Kreuzungspunkten verläuft und die Torsionsachse die Anzahl an ersten Schlaufen in zwei Hälften teilt. Ferner ist in einer der beiden Hälften links und rechts um einen jeweiligen

Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters über der Torsionsachse jeweils eine der sensitiven Zonen auf dem ersten Lichtleiter angeordnet. Dabei sind die sensitiven Zonen derart angeordnet, dass sie eine aufgrund der Torsion auftretende Verbie- gung des ersten Lichtleiters in einen jeweiligen Bereich der sensitiven Zonen anzeigen.

Die erste Sensorvorrichtung zeigt den Vorteil, dass sie aufgrund ihrer schlaufenförmigen Anordnung in der Ebene, wie beispielsweise angeordnet auf einem Rücken eines Patienten, auch geometrischen Veränderungen der Ebene, wie beispielsweise durch Dehnen des Rückens, folgen kann. Zudem wird durch ein Anordnen der sensitiven Zonen links und rechts um den jeweiligen Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters über der Tor- sionsachse erreicht, dass eine hohe Genauigkeit bei der Messung der Torsion erzielt werden kann. Dabei ist der erste Lichtleiter einseitig mechanisch verletzt. Als Ebene ist hierbei ganz allgemein eine planare oder nicht-planare Fläche

zu verstehen, wobei diese parallel zu einer Oberfläche eines Körpers, bspw. einer Rückenoberfläche oder einer Oberfläche eines Gegenstands, ausgeformt sein kann. Der erste Lichtlei ^¬ ter kann in einer einzigen ersten Schlaufe, in einer als acht geformten ersten Schlaufe oder mit einer beliebigen Anzahl an ersten Schlaufen ausgebildet sein.

Vorzugsweise umfasst die erste Sensorvorrichtung ein dehnba ^¬ res Trägermaterial, wobei der erste Lichtleiter an seinem zu- mindest einen Kreuzungspunkt mit dem dehnbaren Trägermaterial verbunden ist. Die Verwendung des Trägermaterials hat den Vorteil, dass die geometrische Anordnung der Sensorvorrich ^¬ tung auf dem Trägermaterial fixiert und anschließend der ers ^¬ te Lichtleiter zusammen mit dem dehnbaren Trägermaterial in einfacher Weise auf den zu vermessenden Körper, zum Beispiel den Rücken eines Patienten, aufgebracht werden kann. Dadurch, dass das Trägermaterial dehnbar ist, passt sich sowohl das Trägermaterial als auch der in Schlaufen geformte erste Lichtleiter Bewegungen der Oberfläche des Körpers an.

Die Erfindung betrifft ferner eine Sensorvorrichtung zum Messe einer Flexion mit einer Torsion, umfassend die erste Sensorvorrichtung und eine zweite Sensorvorrichtung zum Messen der Flexion, wobei die zweite Sensorvorrichtung a) einen zweiten Lichtleiter mit sensitiven Zonen umfasst; b) der zweite Lichtleiter in zumindest einer zweiten Schlaufe in einer Ebene geformt ist, wobei sich der zweite Licht ^¬ leiter in entsprechend einer Anzahl an zweiten Schlaufen an Kreuzungspunkten kreuzt, die Achse durch die Anzahl der Kreuzungspunkte verläuft und die Achse die Anzahl der zweiten Schlaufen in jeweils zwei Hälften aufteilt; c) in den beiden Hälften der jeweiligen zweiten Schlaufen in dem jeweiligen Scheitelpunkt des zweiten Lichtleiters über der Achse die jeweilige sensitive Zone angeordnet ist; d) die sensitiven Zonen derart angeordnet sind, dass sie eine aufgrund der Flexion auftretenden Verbiegung des zweiten Lichtleiters in einem jeweiligen Bereich der sensitiven Zonen anzeigen;

jeweils einer der Kreuzungspunkte des ersten Lichtleiters mit jeweils einem der Kreuzungspunkte des zweiten Lichtleiters, insbesondere fest, verbunden ist.

Durch diese Sensorvorrichtung ist ein Sensorelement verfügbar, welches sowohl Torsion als auch Flexion mit Hilfe von Lichtleitern in einfacher und zuverlässiger Weise messen kann. Da die beiden Lichtleiter der Sensorvorrichtung schlau- fenförmig angeordnet sind, ist gewährleistet, dass die Licht- leiter einer änderung der Ebene, d.h. bspw. einer änderung einer Rückenform des Patienten, folgen können. Zudem weist die feste Verbindung eines jeweiligen Kreuzungspunkts des ersten mit einem jeweiligen des zweiten Lichtleiters den Vorteil auf, dass eine jeweilige Lage des ersten und zweiten Lichtleiters zueinander auch bei änderungen der Ebene bzw. Oberfläche des Körpers in einem definierten geometrischen Verhältnis zueinander steht. Hierdurch wird ein Auswerten der Messergebnisse, die durch die Torsion und Flexion aufgrund der jeweiligen sensitiven Zonen des ersten und zweiten Licht- leiters generiert werden, in einfacher Weise möglicht, da die Lage des ersten und zweiten Lichtleiters auch bei änderungen der Ebene zueinander definiert ist. Der zweite Lichtleiter kann einseitig mechanisch verletzt sein.

Als Ebene ist ganz allgemein eine planare oder nicht-planare Fläche zu verstehen, wobei diese parallel zu einer Oberfläche eines Körpers, bspw. einer Rückenoberfläche oder einer Oberfläche eines Gegenstands, ausgeformt sein kann. Der erste Lichtleiter kann in einer einzigen ersten Schlaufe, in einer als acht geformten ersten Schlaufe oder mit einer beliebigen Anzahl an ersten Schlaufen ausgebildet sein. Eine jeweilige Anzahl an ersten und zweiten Schlaufen kann unterschiedlich sein. Die Verbindung der beiden Lichtleiter an den Kreuzungspunkten kann mittels einem Klebstoff oder einer Klammer er- folgen.

Ferner kann die Messung der Torsion dadurch verbessert werden, dass Abschnitte des ersten Lichtleiters zwischen Kreu-

zungspunkt und Scheitelpunkt, insbesondere im übergangsbereich einer Anordnung der sensitiven Zonen, möglichst parallel, bspw. kleiner +/- 10 Grad, zueinander angeordnet sind. Zudem verbessert auch eine möglichst symmetrische Anordnung des ersten Lichtleiters um die Torsionsachse das Messergebnis .

Vorzugsweise wird in einer Erweiterung der Sensorvorrichtung ein erster Abstand zwischen Torsionsachse und Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters größer als ein zweiter Abstand zwischen der Achse und dem Scheitelpunkt des zweiten Lichtleiters gewählt. Durch diese spezifische Ausprägung der ersten und zweiten Sensorvorrichtung bzw. einer Lage der ersten und zweiten Lichtleiter wird erreicht, dass die Torsion mit einer besonders hohen Genauigkeit messbar ist.

In einer Erweiterung kann die Sensorvorrichtung ferner ein dehnbares Trägermaterial umfassen, wobei der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an dem zumindest einen gemein- sam, insbesondere fest, verbundenen Kreuzungspunkt mit dem dehnbaren Trägermaterial verbunden sind. Diese Erweiterung zeigt den Vorteil, dass der erste und zweite Lichtleiter in einfacher Weise auf dem Trägermaterial befestigt und anschließend gemeinsam mit dem Trägermaterial auf der zu ver- messenden Körperoberfläche, zum Beispiel dem Rücken des Patienten, aufgebracht werden können. Dadurch, dass das Trägermaterial auch dehnbar und flexibel und die beiden Lichtleiter in Schlaufen geformt sind, folgen sowohl das Trägermaterial als auch die beiden Lichtleiter Veränderungen der zu messen- den Körperoberfläche.

Ferner können zusätzliche Fixierungspunkte zum Fixieren des ersten Lichtleiters auf dem dehnbaren Trägermaterial derart aufgebracht werden, dass diese sich zwischen dem jeweiligen Scheitelpunkt und den jeweiligen sensitiven Zonen befinden. Hiermit lässt sich eine weitere Verbesserung der Messungen für die Torsion erreichen, da der erste Lichtleiter exakter Veränderungen der Ebene bei der Torsionsbewegung folgen kann.

Auch diese Fixierung kann mittels einem Klebstoff oder einer Klammer erfolgen.

Eine weitere Verbesserung bei der Messung der Torsion mittels der ersten Sensorvorrichtung beziehungsweise der Sensorvorrichtung kann dadurch erreicht werden, dass der erste Lichtleiter derart schlaufenförmig angeordnet wird, dass Abschnitte des ersten Lichtleiters, die sich zwischen den jeweiligen Scheitelpunkten befinden, möglichst beziehungsweise nahezu parallel angeordnet sind. Eine Genauigkeit des Messergebnisses zum Messen der Torsion lässt sich ferner dadurch verbessern, dass die besagten Abschnitte nahezu orthogonal zur Torsionsachse angeordnet werden.

Schließlich ist Teil der Erfindung eine Anordnung zum Messen einer Torsion oder einer Torsion und einer Flexion über einen Bereich, wobei die Anordnung zumindest zwei erste Sensorvorrichtungen oder zumindest zwei Sensorvorrichtungen in hintereinander angeordneter Reihe aufweist. Durch die Hintereinan- derreihung mehrerer erster Sensorvorrichtungen beziehungsweise Sensorvorrichtungen kann eine Messung der Torsion beziehungsweise der Torsion und Flexion über einen größeren Bereich, zum Beispiel vom ersten bis zum letzten Wirbel der Wirbelsäule des Patienten, gemessen werden.

In den vorangegangenen Ausführungen ist die jeweilige sensitive Zone mittels einer partiellen geometrischen Veränderung im Kern-Mantel-übergang, das heißt durch eine mechanische Verletzung, beschrieben werden. Da auch eine Biegung eines jeweiligen Lichtleiters ohne eine derartige mechanische Verletzung eine änderung einer Lichtdämpfung, d.h. Transmission, in Abhängigkeit der Biegung verwirkt, soll im Rahmen dieser Beschreibung auch eine Zone ohne mechanische Verletzung des Lichtleiters als weitere Ausführungsform als sensitive Zone verstanden werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Sensorvorrichtung zum Messen einer Torsion;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Sensorvorrichtung zum Messen einer Flexion beziehungsweise Extension;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrich- tung zum Messen einer Flexion und einer Torsion, angeordnet auf einem dehnbaren Trägermaterial;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen der Torsion oder der Torsion und der Flexion .

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele für Sensorvorrichtungen basieren auf dem Messprinzip, dass Licht an einem ersten Ende in einen Lichtleiter eingekoppelt und aufgrund von Verletzungen des Lichtleiters, das heißt partiellen geometrischen Veränderungen im Kern-Mantel-übergang des Lichtleiters (= sensitive Zone) teilweise oder vollständig, gedämpft wird, so dass am weiteren Ende des Lichtleiters eine in Abhängigkeit von einer Biegung des Lichtleiters im Bereich der sensitiven Zone abhängigen Dämpfung detektiert werden kann. Dieses Messprinzip ist beispielsweise aus einer deut- sehen Patentanmeldung DE 10 2006 045138.4 bekannt.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erste Sensorvorrichtung Sl zum Messen einer Torsion. Die erste Sensorvorrichtung Sl umfasst einen ersten Lichtleiter Ll, wobei an dem einen Ende des ersten Lichtleiter ein Licht Ql in den ersten Lichtleiter eingekoppelt und am weiteren Ende des ersten Lichtleiters das durch den ersten Lichtleiter gedämpfte Licht Q'l ausgekoppelt wird. Diese gedämpfte Licht und durch eine

nachgeschaltete Verarbeitungseinheit, beispielsweise einer Fotodiode, ausgewertet.

Der erste Lichtleiter ist schlaufenförmig angeordnet, bei- spielsweise mit einer, zwei oder n>2 ersten Schlaufen SCl, in Figur 1 mit zwei ersten Schlaufen. Die Kreuzungspunkte KP des ersten Lichtleiters befinden sich vorzugsweise auf der Torsionsachse TA. In Figur 1 sind die Kreuzungspunkte KP als gestrichelte Kreise dargestellt. Durch die Torsionsachse werden die ersten Schlaufen in zwei Hälften HTl und HT2 aufgeteilt. Jede der ersten Schlaufen weist auf der jeweiligen Hälfte HTl beziehungsweise HT2 einen Scheitelpunkt WP auf. Die sensitiven Zonen Vl sind auf dem ersten Lichtleiter zwischen dem jeweiligen Scheitelpunkt und Kreuzungspunkt in einem jeweiligen übergangsbereich UB angeordnet. Durch die spezifische Anordnung der sensitiven Zone Vl in dem übergangsbereich UB wird erreicht, dass bei einer Torsionsbewegung des ersten Lichtleiters das eingekoppelte Licht derart gedämpft wird, dass hiermit die Torsionsbewegung gut detektierbar ist. Vorzugs- weise befinden sich die sensitiven Zonen Vl auf der Oberseite oder Unterseite des ersten Lichtleiters, d.h. senkrecht auf der Ebene der verlegten ersten Schlaufe SCl .

Mit Hilfe von Figur 2 wird im Folgenden die bereits aus dem Stand der Technik bekannte zweite Sensorvorrichtung kurz erläutert. Die zweite Sensorvorrichtung S2 umfasst einen zweiten Lichtleiter L2, der analog zum ersten Lichtleiter schlau- fenförmig in einer Ebene angeordnet ist. Diese zweiten Schlaufen SC2 des zweiten Lichtleiters kreuzen sich an den Kreuzungspunkten KP. Eine Achse A teilt die zweiten Schlaufen in jeweils zwei Hälften HTl, HT2. Bei beiden Hälften der jeweiligen zweiten Schlaufen wird an einem jeweiligen Scheitelpunkt WP (siehe Dreieck-Symbol) des zweiten Lichtleiters über der Achse A die jeweilige sensitive Zone V2 angeordnet. Die sensitiven Zonen V2 (siehe runder schwarzgefüllter Punkt- Symbol) sind hierbei derart auf dem zweiten Lichtleiter angebracht, dass sie eine aufgrund der Flexion auftretenden Biegung des zweiten Lichtleiters in dem jeweiligen Bereich WPB

der sensitiven Zone V2 anzeigen. Durch diese sensitiven Zonen wird ein in den zweiten Lichtleiter eingekoppeltes Licht Q2 entsprechend einer Biegung der sensitiven Zonen mehr oder weniger gedämpft. Ein gedämpfte Licht Q' 2 ist dann am anderen Ende des zweiten Lichtleiters mit Hilfe einer nachgeschalteten Verarbeitungseinheit detektierbar .

Figur 3 zeigt eine Sensorvorrichtung S3, bei der auf einem dehnbaren und flexiblen Trägermaterial T, wie beispielsweise ein Pflasterklebestreifen, die erste Sensorvorrichtung Sl und die zweite Sensorvorrichtung S2 gemeinsam befestigt sind, insbesondere an den jeweiligen Kreuzungspunkten KP. Dabei können die Kreuzungspunkte KP mit einem Klebstoff oder einer Klammer FP auf dem Trägermaterial fixiert werden. Zusätzlich kann (in Figur 3 nicht dargestellt) zwischen dem jeweiligen Scheitelpunkt und der jeweiligen sensitiven Zone der ersten Sensorvorrichtung Sl ein weiterer Fixierungspunkt, beispielsweise mit Hilfe eines Klebstoffs, den ersten Lichtleiter Ll mit dem dehnbaren Trägermaterial fest verbinden. In der Pra- xis kann es vorteilhaft sein, dass ein erster Abstand zwischen Torsionsachse und Scheitelpunkt des ersten Lichtleiters größer ist als ein zweiter Abstand zwischen der Achse A und dem Scheitelpunkt des zweiten Lichtleiters, wie in Figur 3 graphisch dargestellt. Hierdurch wird erreicht, dass die Tor- sion genauer gemessen werden kann.

Die Sensorvorrichtung S3 stellt ein kompaktes Sensorelement dar, welches mit Hilfe des dehnbaren Trägermaterials auf beliebige Oberflächen, wie zum Beispiel auf dem Rücken oder Arm des Patienten, aufgebracht werden kann, wobei eine Lage der ersten und der zweiten Sensorvorrichtung, die zum Messen der Flexion und Torsion eingesetzt werden, auf dem Trägermaterial fixiert ist, so dass die Sensorvorrichtung auch bei sich ändernden Oberflächen, zum Beispiel bei Dehnung des Rückens des Patienten, eingesetzt werden kann.

Figur 4 zeigt eine exemplarische Anordnung SA zum Messen einer Torsion und einer Flexion über einen Bereich BE. Der Be-

reich BE erstreckt sich beispielsweise über einen Abschnitt der Wirbelsäule vom zweiten bis zum siebten Lendenwirbel. Um eine genaue Messung der Torsion und Flexion im Bereich dieser Wirbel zu ermöglichen, werden gemäß der Anordnung SA zwei o- der mehrere Sensorvorrichtungen in Reihe hintereinander auf dem Bereich angebracht. Jede der Sensorvorrichtungen misst die Torsion und die Flexion an der Stelle, an der sich die jeweilige Sensorvorrichtung innerhalb des Bereichs BE befindet. Durch eine (nicht in Figur 4 dargestellte) Verarbeitung der jeweiligen Messsignale der zwei oder mehreren Sensorvorrichtungen kann ein Verlauf der Torsion und der Flexion über den Bereich BE ermittelt werden. An Stelle der Sensorvorrichtungen S3 kann die Anordnung SA nur zwei oder mehrere erste Sensorvorrichtungen Sl aufweisen, wobei in diesem Fall ledig- lieh die Torsion innerhalb des Bereichs BE messbar ist.

Die Erfindung ist zur Messung der Torsion und der Torsion mit Flexion von Körperteilen des Patienten dargestellt worden. Im Allgemeinen können die ausgeführten Sensorvorrichtungen bzw. Anordnung beliebige Oberflächen vermessen. Ferner können auch die Ausführungsbeispiele kombiniert werden.