DE69618482T2

DE69618482T2 - Vorrichtung zur kontrolle von prothesen und anderer hilfsmittel

Info

Publication number: DE69618482T2
Application number: DE69618482T
Authority: DE
Inventors: Aage Groenningsaeter; Oeyvind Stavdahl
Original assignee: Leiv Eiriksson Nyfotek AS
Current assignee: Leiv Eiriksson Nyfotek AS
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1996-10-22
Publication date: 2002-08-29
Anticipated expiration: 2016-10-23
Also published as: JPH11514276A; NO954221D0; ES2170879T3; NO954221L; AU7345396A; NO301259B1; EP0865262B1; WO1997015249A1; EP0865262A1; DE69618482D1; ATE211639T1

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zum Steuern von Prothesen und anderen Hilfsmitteln bzw. -geräten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Ausdruck "Prothese" bezeichnet primär ein künstliches Körperglied (Arm, Fuß, Bein oder dergl.) mit einem oder mehreren motorisch angetriebenen Gelenken. Der Ausdruck lässt sich zu "Hilfsgeräten" verallgemeinern; er bezeichnet also auch andere mechanische Vorrichtungen, die von Behinderten eingesetzt werden, um ein völlig oder teilweise fehlendes oder defektes Körperglied auszugleichen und so die Funktion des fehlenden Glieds wenigstens teilweise wieder herzustellen. Beispiele hierfür sind aktive oder aktiv blockierbare Orthosen, Rollstühle und andere orthopädische oder unterstützende Vorrichtungen. Weiterhin kann der Ausdruck "Hilfsgerät" sämtliche steuer- bzw. regelbaren technischen Systeme bezeichnen, wie sie von Behinderten und/oder Gesunden eingesetzt werden, wie Roboter für die Fernmanipulation, Miniaturmanipulatoren für endoskopische Operationen sowie Maschinen, Werkzeuge und Fahrzeuge im allgemeinen, Programmsysteme, Computer und dergl.
Der Ausdruck "prothetischer Zustand" bezeichnet einen mechanischen oder geometrischen Zustand in der Prothese - bspw. die lineare oder Winkelposition, die lineare oder Winkelgeschwindigkeit, Drehmoment/Kraft usw. oder eine Kombination solcher Werte.
Im Folgenden bezeichnet der Ausdruck "Muskel" einen Muskel im physiologischen Sinn sowie auch - einzeln oder in Kombination - andere Gewebe und/oder Knochen/Gelenke, die sich unter direkter oder indirekter Kontrolle durch das zentrale Nervensystem der Person verformen oder bewegen lassen. "Muskelkontraktion" bezeichnet die resultierenden mechanischen oder geometrischen Veränderungen in einem Muskel. Der Ausdruck "motorische Intention (Absicht)" bezeichnet die spezielle Funktion, die der Benutzer der vorliegenden Erfindung aktivieren möchte. Im Fall einer Prothese im üblichen Sinn ist die "motorische Intention" diejenige motorische Bewegung bzw. das Bewegungsmuster, die/das die Prothese ausführen soll.
Das Steuern von Prothesen auf Grund myoelektrischer Signale ist bekannt. Ein Beispiel hierfür findet sich in der EP 0 421 780. Die US-PS 4 571 750 zeigt die Ausnutzung myoakustischer Signale für den gleichen Zweck. Die bekannten Verfahren nutzen u. a. die Amplitude detektierter Signale als Grundlage für die Steuerung der Prothese aus. Schwankungen der Hautfeuchtigkeit sowie elektrische und akustische Störungen aus der Umgebung verursachen häufig unerwünschte Schwankungen der Signalamplitude und wirken damit direkt auf die Steuerung der Prothese ein. Weiterhin drücken auf der Hautoberfläche gemessene myoelektrische und myoakustische Signale eine gewichtete Summe der Aktivität aller Muskeln dort aus, wo der detektierende Wandler angeordnet ist; es ist jedoch schwierig, zwischen den Beiträgen der einzelnen Muskeln zu unterscheiden.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Steuern von Prothesen und anderen Hilfsgeräten anzugeben, die eine größere Störungstoleranz aufweist als bekannte Lösungen, so dass sich die motorische Intention des Trägers leichter abschätzen lässt. Weiterhin ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Steuern von Prothesen und dergl. anzugeben, die die Identifikation der Muskelkontraktion in mehreren subkutanen Muskeln gleichzeitig zulässt, so dass die motorische Intention des Trägers sich genauer und in einer größeren Anzahl von Freiheitsgraden abschätzen lässt.
Das Ziel der Erfindung wird mit einer Vorrichtung nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 erreicht. Weitere Eigenheiten sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im Folgenden wird die Erfindung ausführlicher anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1a zeigt einen Axialschnitt durch einen Körperteils mit kontrahiertem Muskel;
Fig. 1b zeigt einen Axialschnitt durch einen Körperteil mit entspanntem Muskel;
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Körperteil mit unterschiedlichen Gewebestrukturen, wobei gepunktete Linien das erfindungsgemäße Aufnehmen geometrischer Informationen aus mehreren Muskeln unter Anwendung von Ultraschallmessungen in mehreren Richtungen zeigen;
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Körperteil mit unterschiedlichen Gewebestrukturen, wo externe Wandler erfindungsgemäß angeordnet sind;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Körperteil mit unterschiedlichen Gewebestrukturen, wo externe und implantierte Wandler und Reflektoren erfindungsgemäß angeordnet sind; und
Fig. 5 zeigt eine Prinzipienskizze einer erfindungsgemäßen Ein-/Aus-Regelung.
Die Fig. 1a zeigt einen Körperteil 1 mit einer Hautoberfläche 2, einem Knochen 3 und einem Muskel 4. Der Muskel 4 ist im kontrahierten (verkürzten) Zustand gezeigt und die Strecke von der Hautoberfläche 2 zum Knochen 3 mit Δa bezeichnet. Die Fig. 1b zeigt den Körperteil 1 mit entspanntem Muskel 4; die Strecke von der Hautoberfläche 2 zum Knochen 3 ist mit Δb bezeichnet. Die Geometrie des Muskels 4 ändert sich ersichtlich mit der Kontraktion, so dass die Strecke Δa von der Hautoberfläche 2 zum Knochen 3 bei kontrahiertem Muskel größer ist als die Strecke Δb bei entspanntem Muskel. In dem in der Fig. 1a gezeigten Fall ist das Ausmaß der Muskelkontraktion durch die Beziehung (Δa - Δb) gegeben.
Erfindungsgemäß erfolgen Messungen des entspannten und des kontrahierten Zustands des Muskels durch Aussenden eines Ultraschallimpulses in das Gewebe und Aufnehmen des Echos aus den Gewebestrukturen. Tatsächlich sind die verschiedenen Gewebestrukturen in mehreren Schichten angeordnet. Dies ist in der Fig. 2 gezeigt. Hier sind mehrere Muskeln 4 im Körperteil 1 um den Knochen 3 herum verteilt. Zum Messen des Zustands aller Muskeln 4 reicht es aus, Ultraschallimpulse 5 in einigen wenigen Richtungen auszusenden: im vorliegenden Beispiel werden Ultraschallimpulse 5 in vier Richtungen abgegeben, um sieben Muskeln 4 zu beobachten. Bei einer eindimensionalen Datenaufnahme (d.h. bei Benutzung nur eines Strahls) ist die einzige Komponente der Muskelverformung, die sich beobachten lässt, diejenige, die sich mit der Strahlrichtung deckt. Mit einer zweidimensionalen Datenaufnahme (d.h. in einer Ebene) lassen sich die Komponenten der Muskeldeformation in dieser Ebene (zwei Dimensionen) erfassen. Mit einer dreidimensionalen Datenaufnahme (also in einem Volumen) erfasst man die Komponenten der Muskeldeformation in allen drei Dimensionen.
Die praktische Realisierung der vorliegenden Erfindung erreicht man mit Ultraschallwandlern, die in akustischem Kontakt mit der Hautoberfläche stehen oder alternativ in den Körper implantiert sind. Die Fig. 3 zeigt drei mögliche Realisierungen der Erfindung, wo eine Sende- /Empfangswandler-Kombination 6, 7 sowie auch zwei Sendewandler 6', 6" und zwei Empfangswandler 7', 7" auf dem Körperteil 1 in Berührung mit der Hautoberfläche 2 angeordnet sind. Die Sende- /Empfangswandler-Kombination 6, 7 gibt Ultraschallimpulse 5 in den Körperteil 1 ab; das Echo aus den subkutanen Gewebestrukturen wird von der gleichen Wandlerkombination 6, 7 aufgenommen. In der Fig. 3 ist nur das Echo des Knochens 3 gezeigt, während Echos aus anderen Gewebestrukturen ebenfalls Informationen über Muskelkontraktionen im betreffenden Bereich bieten. Der Sendewandler 6' sendet Ultraschallimpulse zum Knochen 3 hin aus; das Echo 5' wird vom Empfangswandler 7' aufgenommen. Zwischen den Wandlern 6" und 7" werden Ultraschallimpulse 5" in direkter Linie vom Sende- zum Empfangswandler gesendet.
Die Fig. 4 zeigt drei weitere Beispiele von Ultraschallmessverfahren, wo ein Wandler oder ein passiver Reflektor in den Körperteil 1 implantiert ist. Die Sende- /Empfangswandler-Kombination 6, 7 wird in akustischem Kontakt mit der Hautoberfläche 2 angeordnet und gibt Ultraschallimpulse 5 in den Körperteil ab. Der gleiche Wandler 6, 7 nimmt dann das von einem implantierten Reflektor 8 kommende Echo auf. Der implantierte Sendewandler 6' sendet Ultraschallimpulse 5' aus, die der Empfangswandler 7' an der Hautoberfläche 2 aufnimmt. Die Sende-/Empfangswandler-Kombination 6", 7" sendet Ultraschallimpulse 5" aus und empfängt Echos aus den in der Nähe liegenden Gewebestrukturen. Die Fig. 4 zeigt nur das Echo der Hautoberfläche 2; die Echos anderer Gewebestrukturen liefern Informationen auch über Muskelkontraktionen im betreffenden Bereich.
Es lassen sich unterschiedliche analytische Verfahren zum Abschätzen der relevanten Daten aus den Ultraschallsignalen anwenden, die die Empfangswandler 7, 7' und 7" aufnehmen. Zunächst führt man eine globale und/oder eine oder mehrere lokale Analysen der reflektierten oder gesendeten Signale aus den Muskeln und anderen Gewebestrukturen aus. Aus diese Analyse schätzt man dann die motorische Intention ab. Die Analyse kann auf einer Kreuzkorrelation von zwei oder mehreren Ultraschallmessungen beruhen, die zeitlich verteilt sind. Die Kreuzkorrelationsanalyse kann in einer, zwei oder drei Dimensionen erfolgen, um die Muskelkontraktionen in einer entsprechenden Anzahl von Dimensionen zu messen. Alternativ kann der Analyse eine "Optical flow"-Analyse zu Grunde liegen, bei der das Geschwindigkeitsfeld des Gewebes in einer, zwei oder drei Dimensionen aus zwei oder mehr zeitlich verteilten Ultraschallmessungen abgeschätzt wird. Das geschätzte Geschwindigkeitsfeld lässt sich integrieren, um Schätzwerte für die Rotation, Translation und Deformation des Gewebes in einer entsprechenden Anzahl von Dimensionen abzuleiten. Weiterhin können eine oder mehrere Muskelkontraktionen klassifiziert und/ oder quantifiziert werden durch Anwendung von Mustererkennungstechniken, wobei man nach den oben erwähnten Analyseverfahren berechnete Zahlenwerte als Eingangsgrößen einer Mustererkennungseinheit benutzt.
Die Analyse kann auf Messungen der Gewebetranslation in einer oder mehr Tiefen durch Integration der Phasenänderung des Empfangssignals (Geschwindigkeitsmessung) basiert sein. Alternativ kann die Analyse auf einer Messung der "time of flight" des Ultraschallimpulses vom Sendewandler 6, 6', 6" zum Empfangswandler 7, 7', 7" basieren.
Um robustere Schätzwerte für die motorische Intention des Trägers zu erreichen, lassen sich Ultraschallmessungen mit Messungen anderer observierbarer physiologische Signale und Werte - bspw. myoelektrischer Signale (EMG) und/oder elektrischer Nervensignale (ENG) - kombinieren.
Die vorliegende Erfindung kann auch die Interaktionen des Trägers mit mechanischen, elektrischen und/oder elektromechanischen Eingabeeinrichtungen, bspw. einem Geschirr mit Gurten, die die Schulterbewegung messen, mit Schaltern/Kontakten oder Kraftsensoren kombinieren.
Die Abschätzung der Muskelkontraktion kann statisch oder dynamisch erfolgen. Die statische Abschätzung wendet eines oder mehrere der oben erwähnten Verfahren an. Die dynamische Abschätzung lässt sich unter Anwendung einer dynamisch arbeitenden Zustandsschätzeinrichtung auf Grund eines mathematischen Modells des dynamischen Muskelverhaltens durchführen, wo Schätzwerte aus einem oder mehreren der oben erwähnten Verfahren als Eingangssignale der Schätzeinrichtung dienen.
Wie bereits festgestellt, lassen die Wandler sich auf unterschiedliche Weise anordnen. Bspw. können sie so in die Prothesefassung eingesetzt werden, dass sie bei an den Körperteil angesetzter Prothese in akustischem Kontakt mit der Hautoberfläche stehen. Ein Gel, ein Silikonkissen oder dergl. kann erforderlich sein, um einen guten akustischen Kontakt zu gewährleisten. Weiterhin können die Wandler in eine separate Fassung, ein "Armband", eingesetzt sein, das sich ohne starre mechanische Verbindung zur Prothesefassung auf den Körperteil aufsetzen lässt, so dass die Kraft, die den Wandler auf die Haut drückt, unabhängig ist von den zwischen der Prothesefassung und dem Körperteil wirkenden Kräften. Die Wandler lassen sich auch in den Körper implantieren oder es lassen sich passive Reflektoren als Bezugspunkte in Impulsecho- Messungen in das Gewebe implantieren.
Um Redundanz und damit eine bessere Qualität zu erreichen, lassen sich mehrere Wandler einsetzen; sie ermöglichen eine automatische Detektion und Korrektur der Wandlerposition relativ zum Gewebe, eine unabhängige Steuerung mehrerer Prothesenzustände usw. Ein Sondenfeld aus einer Anzahl von Wandlern kann Einsatz finden, um in mehreren Richtungen oder Ebene zu senden und zu messen, indem man die den einzelnen Feldelementen zugeordneten Signale geeignet verzögert.
Die Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Prothesensteuerung für die Ein-/Aus-Regelung eines einzigen prothetischen Zustands. Ein Ultraschallwandler 6, 7, der sowohl sendet als auch empfängt, ist mit gutem akustischem Kontakt auf die Hautoberfläche 2 eines Körperteils 1 aufgesetzt, und zwar so, dass ein Muskel 4 sich zwischen dem Wandler und einem Knochen 3 befindet. Auf diese Weise durchlaufen sowohl der gesendete als auch der reflektierte Ultraschallimpuls 5, 5' den Muskel 4. Das Ausgangssignal des Wandlers wird in eine Einheit 9 eingespeist, die die Signalverarbeitung und Abschätzung durchführt. Auf Grund des observierten Signals berechnet die Einheit 9 einen Schätzwert für die Entfernung zwischen der Hautoberfläche 2 und dem Knochen 3. Ein Signal aus der Einheit 9 wird auf eine Einheit 10 gegeben, die die Spannung am Prothesenmotor 11 nach folgendem Schema steuert:
Handelt es sich beim Prothesenmotor um einen permanentmagnetischen Gleichstrom-Motor, ist die End- Winkelgeschwindigkeit der relevanten Gelenkfunktion proportional zur an den Motor gelegten Spannung. Das in Fig. 5 gezeigte System bringt also das jeweilige Prothesegelenk in den Stillstand, falls der Muskel 4 entspannt oder nur leicht kontrahiert ( < Δ&sub1;) ist. Eine mäßige Kontraktion (Δ&sub1; < < Δ&sub2;) bewirkt eine konstante Geschwindigkeit in einer Richtung, eine starke Kontraktion ( > Δ&sub2;) eine konstante Geschwindigkeit in der entgegen gesetzten Richtung.
Die Einheit 10 lässt sich durch eine stetige Funktion ersetzen. Alternativ kann sie einen oder mehrere Rückkoppelzweige von den Prothesenzuständen her aufweisen, die dann komplexere Steuerungen bzw. Regelungen zulassen.

Claims

1. Gerät zur Steuerung von Prothesen und anderen Hilfsgeräten mittels eines Gewebes, dessen Zustand vom Zentralnervensystem eines Benutzers beeinflusst wird, das mindestens einen Messwertgeber(6, 7) aufweist, der zur Erfassung des Zustandes des Gewebes ausgeführt ist, wobei diese Information in eine Einheit (9, 10) eingespeist wird, die eine Signalverarbeitung und eine Schätzung der motorischen Absicht des Benutzers vornimmt, wodurch das Gerät so arbeitet, dass es die Prothese entsprechend dieser Schätzung steuert, dadurch gekennzeichnet, dass

der mindestens eine Ultraschall-Messwertgeber (6, 7) ausgeführt ist, um Ultraschallsignale in das Gewebe zu senden,

der mindestens eine Ultraschall-Messwertgeber (6, 7) ausgeführt ist, um vom Gewebe modulierte Ultraschallsignale zu empfangen, und

die Einheit (9, 10) zur Signalverarbeitung und Schätzung mit mindestens einem Ultraschall-Messwertgeber (6, 7) verbunden ist und die motorische Absicht des Benutzers auf Basis dieser empfangenen Ultraschallsignale schätzt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein und derselbe Ultraschall-Messwertgeber (6, 7) sowohl für Übertragung als auch Empfang von Ultraschallsignalen ausgeführt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Ultraschall-Messwertgeber (6) für die Übertragung von Ultraschallsignalen und ein zweiter Ultraschall- Messwertgeber (7) für den Empfang von Ultraschallsignalen ausgeführt ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) zum sequentiellen Übertragen und Empfangen von Ultraschallsignalen mit konstanten oder variierenden Zeitintervallen ausgeführt ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) zum kontinuierlichen Übertragen und Empfangen von Ultraschallsignalen ausgeführt ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) zum Übertragen und Empfangen von Ultraschallsignalen in einer oder mehreren Richtungen ausgeführt ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) zum Übertragen und Empfangen von Ultraschallsignalen in einem kontinuierlichen Raum mit zwei oder mehr Dimensionen ausgeführt ist.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger-Messwertgeber (7) zum Empfangen von Ultraschallsignalen ausgeführt ist, die vom Sender-Messwertgeber (6) über Streuung/Reflexion durch Gewebestrukturen übertragen werden.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger-Messwertgeber (7) zum Empfangen von Ultraschallsignalen ausgeführt ist, die von einer Reihe Ultraschallreflektoren (8) reflektiert werden, die im Körperteil implantiert sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger-Messwertgeber (7) zum Empfangen von Ultraschallsignalen ausgeführt ist, die vom Sender-Messwertgeber (6) über direkte Übertragung durch das Gewebe übertragen werden.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) außerhalb von und in gutem akustischen Kontakt mit dem Körperteil angeordnet ist.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ultraschall- Messwertgeber (6, 7) im Körperteil implantiert ist.

13. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (9, 10) zur Signalverarbeitung und Schätzung zur Schätzung der motorischen Absicht des Benutzers durch Querkorrelation einer Reihe zeitlich getrennter Ultraschallmessungen oder Mengen von Messungen ausgeführt ist.

14. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (9, 10) zur Signalverarbeitung und Schätzung zur Schätzung der Muskelkontraktionen und der motorischen Absicht des Benutzers durch eine "optische Fluss"-Analyse einer Reihe zeitlich getrennter Ultraschallmessungen oder Mengen von Messungen ausgeführt ist.

15. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (9, 10) zur Signalverarbeitung und Schätzung zur Schätzung der Kombination von Ultraschallmessungen mit anderen beobachtbaren physiologischen Signalzuständen wie myoelektrische Signale (EMG) nervenelektrischen Signale (ENG), oder die Wechselwirkungen des Benutzers mit mechanischen, elektrischen und/oder elektromechanischen Eingabegeräten ausgeführt ist.

16. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (9, 10) zur Signalverarbeitung und Schätzung zur Schätzung der Muskelkontraktionen und der motorischen Absicht des Benutzers durch Anwendung einer Mustererkennungstechnik, bei der die Eingangssignale zur Mustererkennungseinheit durch Anwendung einer oder mehrerer der in den vorstehenden Ansprüchen beschriebenen Techniken generiert werden, ausgeführt ist.