Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Be¬ weglichkeit von Körperteilen durch Positionsmessung mit Hilfe von teils körperfest und teils raumfest angeordneten felderzeugenden und -empfangenden Einrichtungen.

Messungen des menschlichen Bewegungssystems werden derzeit hauptsäch¬ lich als Exkursionsmessungen, d.h. Messung der endlagigen Beweglich¬ keit verschiedener Gelenke (z.B. Hüfte, Knie etc.) durchgeführt. Da¬ bei wird die endlagige Bewegung gemessen bzw. mit Hilfe eines Me߬ zirkels (oder Magnetnadel, bzw. Schwerkraftnadel) festgestellt. Dieses Verfahren ist sehr grob, da nur wenige definierte (standardisierte) endlagige Positionen vermerkt werden. Eine Erfassung der gesamten end¬ lagigen Beweglichkeit ist somit nicht möglich.

Der dynamische Bewegungsablauf in Bezug auf Qualität und Quantität in alle möglichen Bewegungsrichtungen (Hüfte: z.B. Rotation, Beugung, Streckung, Adduktion, Abduktion oder Kombination dieser Bewegungen) kann derzeit nur durch sehr teure, apparativ aufwendige Verfahren er-

folgen. Diese Verfahren sind deshalb fast nur der Forschung zugänglich und sind für eine weitere Verbreitung z.B. in Praxis, Krankenhäusern etc. ungeeignet. Die derzeitigen Meßverfahren verwenden z.B. zwei oder mehrere Videokameras mit entsprechend aufwendiger elektronischer Da¬ tenverarbeitung oder Lichtscannerverfahren über Drehspiegel oder sonstig bewegtem Licht (auch Laserlicht) mit Aufnahme des Lichtsignals durch spezielle Kameras bzw. Reflexorsyste mit lichtempfindlichen Elementen.

Diese Systeme erfordern teils entsprechend große Untersuchungsräume und sind nur eingeschränkt in der Lage, dreidimensionale Nebenbewegun¬ gen z.B. des Kopfes, zu erfassen.

Es ist bekannt, die Bewegungen von Körpern mit Hilfe von Feldern zu überwachen. So ist beispielsweise durch die DE-OS 1 541 180 ein Verfah¬ ren und eine Einrichtung zur postoperativen Überwachung von Patienten bekannt geworden, wobei der Patient einem Hochfrequenzstrahlungsfeld ausgesetzt wird, wobei die durch Körperbewegungen des Patienten beding¬ ten Änderungen des Strahlungsfeldes optisch oder akustisch angezeigt werden. Zur Erfassung von Orts- und Lageänderungen eines.starren-Kör¬ pers dient eine in der DE-OS 2 715 106 beschriebene Vorrichtung mit einem Felderzeuger, der ein definiertes unregelmäßiges Feld erzeugt, dessen Lage im Raum durch eine Vielzahl von Sensoren erkannt wird. Im speziellen werden zu diesem Zweck Magnetfelder verwendet und als Sen¬ soren Hallgeneratoren vorgesehen.

Alle diese bekannten Einrichtungen gestatten nur eine eindimensionale und ungenaue Orts- und Bewegungsbestimmung der zu untersuchenden Kör¬ per, die für eine Ermittlung der Beweglichkeit unzureichend wäre. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die räumliche Bewegung von Körperteilen genau zu erfassen und erzielt dies dadurch, daß zur Po¬ sitionsbestimmung eine Messung der Koordinaten einer oder mehrerer, durch Ultraschallempfänger oder -sender markierter Körperstellen mit Hilfe von Impuls-LaufZeitmessungen zwischen weiteren zugeordneten,

raumfest angeordneten Ultraschallsendern bzw. -empfängern vorgesehen ist, wobei eine zeitliche und bzw. oder frequenzmäßige Staffelung der einzelnen Laufzeitmessungen der Vermeidung von gegenseitigen Störun¬ gen dient.

Bei Ultraschallaufnahmen treten häufig Störungen durch Echos und Re¬ sonanzerscheinungen auf, die bei der gleichzeitigen Messung verschiede¬ ner Komponenten zu falschen Resultaten führen würden. Dies wird bei der Erfindung durch die zeitliche bzw. frequenzmäßige Staffelung der einzelnen, den Koordinaten zugeordneten Laufzeitmessungen vermieden. Dies läßt sich entweder dadurch erzielen, daß die Impulse aller Ultra¬ schallsender in zyklischer Reihenfolge zeitlich gegeneinander versetzt sind oder dadurch, daß gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung die von den Ultraschallsendern gelieferten Impulse nach Primzahlen gestuf¬ te Verhältnisse ihrer Ultraschallfrequenzen aufweisen. Dadurch werden ganzzahlige Frequenzrelationen und entsprechende Resonanzerscheinungen unterdrückt.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung der grund¬ sätzliche Aufbau der Geräte und das Prinzipschaltbild einer Vorrich¬ tung zur Positionsmessung von Körperteilen dargestellt, die besonders zur Bestimmung der Beweglichkeit dieser Körperteile geeignet ist.

An diesem Körperteil, der in der Zeichnung selbst nicht dargestellt ist, wird ein Mikrofon 1 mit Kugelcharakteristik befestigt, das zweck¬ mäßig aus einem Bündel von einzelnen, nach verschiedenen Richtungen orientierten Mikrofonen besteht. Die dargestellte Anordnung gestattet die Erfassung aller Bewegungskomponenten durch das Zusammenwirken von drei raumfest angeordneten und in verschiedene Richtungen des Raumes abstrahlenden Ultraschallsendern (Transmitter) 2, 3 und 4 mit dem Mikrofon l.und zwar in der Weise, daß die Ultraschallsender 2, 3 und 4 kurze Ultraschallimpulse aussenden, deren Laufzeiten auf dem Weg vom jeweiligen Ultraschallsender bis zum Mikrofon 1 gemessen werden, worauf

aus diesen Zeitmessungen die Entfernungen dieser Wege errechnet werden.

Die zur Erzeugung der Ultraschallimpulse und zur Auswertung der empfan¬ genen Impulse dienende Schaltung ist durch strichlierte Linien abge¬ grenzt.

Zur Steuerung aller dieser Vorgänge dient ein Mikroprozessor 5, der von einem Taktgenerator 6 angesteuert wird. Aus der Taktfrequenz des Taktgenerators 6 werden mit Hilfe von Frequenzteilern 7, 8 und 9 die für den Betrieb der Ultraschallsender 2, 3 und 4 erforderlichen Ultra¬ schallfrequenzen gewonnen. Um gegenseitige Störungen der Ultraschall¬ signale durch Echos oder Resonanzen zu vermeiden, stehen diese Frequen¬ zen in primzahligen Verhältnissen zueinander. Die .Wechselspannungen mit den solcherart gewonnenen Frequenzen werden den Signaleingängen dreier Schaltverstärker 10, 11 und 12 zugeführt, die jeweils nur kurz¬ zeitig zur Abgabe von Impulsen (Wellenpaketen) durchgeschaltet werden. Diese Durchschaltungen erfolgen in Abhängigkeit von einer vom Mikro¬ prozessor 5 durchgeführten Steuerung und zwar derart, daß von den Schaltverstärkern 10, 11 und 12 in zyklischer Reihenfolge die Ultra¬ schallsender 2, 3 und 4 betätigt werden.

Die von den Ultraschallsendern 2, 3 und 4 ausgesandten Schallimpulse werden vom Mikrofon 1 mit den entsprechenden Laufzeitverzögerungen empfangen. Die daraus vom Mikrofon 1 gewonnenen elektrischen Signale werden mittels eines Verstärkers 13 breitbandig verstärkt und drei schmalbandigen Frequenzfiltern 14, 15 und 16 zugeführt. An die Aus¬ gänge der Frequenzfilter 14, 15 und 16 sind drei Impulsformungsglie- der 17, 18 bzw. 19 angeschlossen, die die von den einzelnen Ultra¬ schallsendern 2, 3 und 4 empfangenen Impulse getrennt dem Mikropro- zessor 1 zuführen, der jeden einzelnen der empfangenen Impulse mit seinem zugehörigen auslösenden Impuls hinsichtlich seiner Laufzeit vergleicht.

Die sich aus den Laufzeiten ergebenden Entfernungswerte werden eben¬ falls vom Mikroprozessor 1 errechnet und einem Rechner oder einer Aus¬ gabeeinheit 20 zugeführt.

Es ist aber auch möglich, die gezeigte Anordnung von Ultraschallsendern und -empfängern umzukehren und demgemäß einen Ultraschallsender an dem betreffenden Körperteil, dessen Bewegung zu messen ist, anzubringen und dessen Position gegenüber raumfest angebrachten Mikrofonen zu er¬ mitteln. Eine drahtlose Verbindung zwischen den Ultraschallsendern und -empfängern einerseits und dem Mikroprozessor anderseits wäre allen¬ falls mit Hilfe von UKW-Signalen möglich.

Um bei der Bewegung von Körperteilen mit großer Exkursion wie z.B. Oberarm (Schultergelenk) oder Oberschenkel (Hüfte) eine Sichverbin¬ dung zwischen Sender und Empfänger zu gewährleisten, ist erfahrungsge¬ mäß in diesen Fällen die Verwendung von bis zu 4 Ultraschallgebern an einem Punkt notwendig, um eine gleichmäßige Abstrahlcharakteristik zu erreichen.

Zur konkreten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die me¬ dizinische Diagnose ist folgendes anzuführen:

1. Messung der Hüftbeweglichkeit a) Der Patient liegt am Rücken. Der Sender mit einer fächerförmi¬ gen Anordnung von 3 Ultraschallgebern wird über der Kniescheibe des gebeugten Knies befestigt und das Knie bzw. Oberschenkel wird in einem kreisförmigen Bogen in der maximalen Exkursion (Beugung, Abduktion, Adduktion, Streckung) bewegt. Mittels Koor¬ dinatentransformation kann die Lage des Hüftkopfes errechnet werden und die Exkursion des Knies auf einem Kreisdiagramm (ähnlich Gesichtsfeldbestimmung) eingetragen werden.

b) Der Patient liegt am Rücken. Der Ultraschallgeber ist am Knie befestigt, das ausgestreckte Bein wird maximal adduziert und abduziert um den Ad- bzw. Abduktionsgrad zu ermitteln.

c) Der Patient liegt am Rücken. Die Hüfte ist um 90 Grad gebeugt, ein Sendesystem ist über der Kniescheibe befestigt, das zweite über dem Sprunggelenk. Aus dieser Position (Knie und Hüfte um 90 Grad gebeugt) wird die Innen- bzw. Außenrotation gemessen und in einem entsprechenden Diagrammschema dargestellt.

2. Messung der Beweglichkeit des Kopfes

Um die Exkursion und den Bewegungsablauf des Kopfes bzw. der Hals¬ wirbelsäule zu bestimmen, sitzt der Patient aufrecht in einem Stuhl, in einem Stirnband bzw. Helm sind 4 Ultraschallgeber (zwei ver¬ schiedene Frequenzen) befestigt. 4 Ultraschallgeber sind deshalb notwendig, um bei der großen Exkursionsmöglichkeit des Kopfes den Schlagschatten vermeiden zu können, sodaß jeweils 2 Ultraschall¬ geber vom Empfängersystem erfaßt werden können. Durch eine stan¬ dardisierte Untersuchungsmethode können Flexion, Extension, Seit¬ neigung und Rotation erfaßt werden.

3. Untersuchungen von Wirbelsäulenbewegungen

Durch Anbringen mehrerer Sender (mit verschiedenen Frequenzen) im Bereich der Wirbelsäule z.B. in Scheitelregion, cervicothoracal, thoracolumbal, lumbosacral, können Bewegungsmessungen der Wirbel¬ säule am stehenden oder sitzenden Patienten erfolgen, wobei spezifi¬ sche standardisierte Untersuchungsmethoden Aussagen über Bewegungs¬ hemmungen einzelner Abschnitte geben können. Zur Messung der Rota¬ tion ist die Anbringung eines zusätzlichen Sendesystems um die Schultern notwendig.

4. Messung des Kniegelenkes

Durch Anbringung eines Ultraschallsenders über dem Sprunggelenk kann beim sitzenden Patienten der Grad der maximalen Beugung und Streckung ermittelt werden. Die Messung der Rotation könnte durch zusätzliches Anbringen eines Sendersystems im Bereich des Vorfusses erfolgen.

5. Durch Anbringung des Ultraschallsenders an den Zähnen des Unter¬ kiefers (z.B. mittels Plastillin oder Zahnklammer) kann bei fixier¬ tem Kopf eine Messung der Beiß-, Sprech- oder willkürlichen Bewe¬ gungen des Unterkiefers erfolgen. Eine weitere Optimierung des Meßergebnisses ist durch die Verwendung zweier Ultraschallgeber an der Vorder- und Außenseite des Unterkiefers (ca. 3. und 4. Zahn beidseits) zu erreichen.

6. Um Gangabläufe registrieren zu können kann ein jeweils einzelnes System an jedem Fuß (z.B. über Archillessehne) befestigt werden, wodurch bei längerer Gehstrecke (Korridor) eine exakte Erfassung des Gangablaufes in qualitativer und quantitativer Hinsicht möglich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß nur ein leicht im Raum zu installierendes Empfängersystem notwendig ist und der oder die Geber leicht an den entsprechenden Körperteilen be¬ festigt werden können.

Die Besonderheit des gesamten Systems liegt darin, daß mittels spe¬ zieller Anwenderprogramme der Datenverarbeitung eine automatische standardisierte Auswertung und graphische Darstellung der jeweiligen Meßergebnisse erfolgen kann, sodaß der untersuchende Arzt z.B. nur mehr die Art der Untersuchung (z.B. Hüfte) eingeben muß, den Sensor am Knie befestigt und das Meßergebπis automatisch ausgewertet wird z.B. mit zusätzlichen Angaben, wie die Länge des Oberschenkels etc. Bei aktiven, d.h. vom Patient durchgeführten Bewegungen kann eine Analyse von Bewegungsgeschwindigkeit, Verzögerung bzw. Beschleuni¬ gung während der Bewegung (z.B. Gang bei Parkinsonisten) erfolgen. Mit Hilfe akustischer Signale können Bewegungen gestartet werden, was z.B. die Verzögerung (bei Erkrankungen des zentralen Nervensy¬ stems, Muskelerkrankungen etc.) meßbar macht. Durch spezifische Untersuchungsanordnungen und entsprechende Softwareprogramme können

spezifische Fragestellungen (wie z.B. Spastik, Rigor) untersucht werden. Zittern (Tremor) vorgestreckter Hände kann exakt ermittelt werden.

Das Meßsystem ist zweckmäßig so auszulegen, daß das "Meßfenster" je¬ weils entsprechend eingestellt wird, d.h. der Empfindlichkeitsbereich z.B. von 3 cm bis 10 m vorhanden ist.