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Dokumentenidentifikation DE3932405C2 11.02.1993
Titel Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen
Anmelder Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 7770 Überlingen, DE
Erfinder Hartmann, Ulrich, Dipl.-Ing. Dr., 7772 Uhldingen, DE;
Schwieder, Wilhelm, Dipl.-Ing., 7770 Überlingen, DE
Vertreter Weisse, J., Dipl.-Phys.; Wolgast, R., Dipl.-Chem. Dr., Pat.-Anwälte, 5620 Velbert
DE-Anmeldedatum 28.09.1989
DE-Aktenzeichen 3932405
Offenlegungstag 11.04.1991
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.02.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.02.1993
IPC-Hauptklasse A61F 2/70
IPC-Nebenklasse G05D 3/12   G01P 15/00   A61N 1/36   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen, die mit funktioneller neuromuskulärer Stimulation im geschlossenen Regelkreis arbeiten, enthaltend

  • (a) eine Sensoreinheit, die inertiale Sensoren enthält,
  • (b) einen Signalprozessor, auf welchen Signale der intertialen Sensoren aufgeschaltet sind,
  • (c) eine Stimulationselektronik zur Erzeugung von Stimulationsströmen zur Stimulation und Ansteuerung von Muskeln und
  • (d) ein Bediengerät zur Vorgabe gewünschter Haltungs- und Bewegungsmuster an den Signalprozessor.


Solche Neuroprothesen dienen dazu, verlorengegangene motorische Funktionen bei Patienten mit Querschnittslähmungen und anderen zentralmotorischen Störungen wenigstens teilweise wiederherzustellen. Insbesondere sollen es solche Neuroprothesen dem Patienten ermöglichen, aufzustehen, zu stehen oder zu gehen. Neuroprothesen beruhen auf dem Prinzip, in Abhängigkeit von Kommandos und von Sensoren am Körper des Patienten elektrische Reize zu erzeugen, durch welche die Nerven und Muskeln des Patienten koordiniert so gereizt werden, daß durch die Muskeln gewünschte Bewegungen eingeleitet werden. Man bezeichnet dies als "funktionelle elektrische Stimulation" (FES) oder "funktionelle neuromuskuläre Stimulation" (FNS). Durch die Möglichkeit, Bewegungen auszuführen und dabei die eigenen Muskeln für die Krafterzeugung zu benutzen, werden nachteilige Auswirkungen auf Knochenstruktur, Bewegungsumfang der Gelenke, Kreislauf, Blase und Darm sowie Muskelschwund jedenfalls vermindert.

Zugrundeliegender Stand der Technik

In "J. Biomechanics" Bd. 19 (1956), 1-11 ist ein Regelkreis beschrieben, durch welchen einem querschnittsgelähmten Patienten das Stehen ermöglicht werden soll. Der mathematischen Analyse des Regelkreises liegt eine vereinfachte Betrachtung des Patienten als "umgekehrtes Pendel" zugrunde. Meßgröße ist der Winkel am Fußgelenk. Das Reglerausgangssignal stimuliert einen auf das Fußgelenk wirksamen Muskel.

In einer Veröffentlichung von Mulder, Verheyen und Nijmeijer in "Advances in External Control of Human Extremities" IX, Belgrad 1987 ist ein Meß-und Regelsystem beschrieben, das ebenfalls dem Patienten ein Stehen ermöglichen soll. Der mathematischen Behandlung des Regelkreises liegt ein Modell zugrunde mit einem in drei Abschnitte unterteilten Körper, nämlich in Unterschenkel, Oberschenkel und (senkrechtem) Oberkörper. Die gemessene Größe ist der Knickwinkel am Knie.

Eine Veröffentlichung in "IEEE Transactions on Biomedical Engineering" Bd. BME 32 (1985), 668-676 beschreibt einen Regelkreis zur stimulierten Erzeugung einer bestimmten Muskelkraft.

Bei den bekannten Systemen erfassen die Sensoren Gelenkwinkel. Diese Systeme ersetzen nicht die Ansteuerung der Muskeln in Abhängigkeit von "Signalen" des Gleichgewichtsorgans des Patienten. Der Mensch hat ein Gefühl für oben und unten. Auch dieses Gefühl liefert normalerweise "Signale", welche Muskeln so ansteuern, daß der Mensch sich z. B. aufrecht hält. Bei einem Querschnittsgelähmten ist aber der "Signalpfad" zwischen Gleichgewichtsorgan und Muskeln unterbrochen.

Durch die DE 34 16 873 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzielung eines aufrechten, freien und harmonischen Ganges bei ganzer oder teilweiser Einschränkung der Bewegungsfunktionen mit einem Meß- und Regelsystem der eingangs genannten Art bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus einer Kombination von Senoren, z. B. Druckmeßplatten, und fluiddynamischen Meßsystemen mit optoelektronischer Abtastung, von einem Rechnersystem zur Steuerung und Regelung von Muskeln und Nerven zur Verarbeitung der Steuersignale und für Rückmeldungen aus den erregten Muskeln, und von Stimulatoren für Nerven und Muskeln. Als Sensoren werden Druckmeßplatten an den Fußsohlen und am Gesäß vorgeschlagen. Die fluiddynamischen Meßsysteme arbeiten nach dem Prinzip der Wasserwaage. Weiterhin werden als Systeme zur Erlangung des Gleichgewichts "Trägheitslenksysteme" vorgeschlagen. Wie diese Trägheitslenksysteme aufgebaut sind und wirken, ist in der DE 34 16 873 nicht offenbart.

Durch die US 47 50 499 ist ein Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen bekannt, die mit funktioneller neuromuskulärer Stimulation in einem geschlossenen Regelkreis arbeiten. Dort erfolgt die Rückführung in dem Regelkreis durch einen implantierten Kraftsensor im angesteuerten Muskel.

Die US 46 97 808 betrifft eine Gehhilfe, bei welcher in Abhängigkeit von der Belastung eines Beines das andere Bein durch einen Computer in definierter Weise stimuliert wird.

Die EP-A 03 02 148 zeigt ebenfalls eine Neuroprothese mit geschlossenem Regelkreis. Als Sensor dient ein auf die Durchbiegung des Knies ansprechender Winkelgeber.

Durch die DE 29 22 414 C2 ist ein Kurs-Lage-Referenzgerät zur Bestimmung des Kurses eines Fahrzeugs mit Drehgeschwindigkeitsfühlern und Beschleunigungsmessern bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem es dem Patienten erleichtert wird, beim Stehen oder Gehen das Gleichgewicht zu halten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

  • (e) die Sensoreinheit als inertiale Sensoren Winkelgeschwindigkeitssensoren enthält, die Winkelgeschwindigkeitssignale liefern,
  • (f) die Winkelgeschwindigkeitssignale auf den Signalprozessor aufgeschaltet sind, durch welchen
    • - aus diesen Signalen eine Lotreferenz und Lagereferenzsignale erzeugbar sind und
    • - nach vorgegebenen Regelalgorithmen Reglerausgangssignale berechenbar sind, welche die an einem Gelenk aufzubringenden Drehmomente wiedergeben, und
  • (g) die Reglerausgangssignale des Signalprozessors über eine Schnittstelle auf die Stimulationselektronik aufgeschaltet sind, die mit Elektroden zur Übertragung der Stimulationsströme auf Muskeln nach vorgegebenen Reizmustern verbunden ist.


Das Meß- und Regelsystem enthält als Sensoren Kreisel, welche eine Orientierung im inertialen Raum ermöglichen. Sie bilden so den Orientierungs- und Gleichgewichtssinn des Menschen nach. Die so von diesen inertialen Sensoren gelieferten Signale können nach entsprechender Verarbeitung zur Stimulation von Muskeln benutzt werden, derart, daß eine gewünschte Orientierung im Raum, beispielsweise eine aufrechte Haltung des Oberkörpers, beibehalten wird.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Auf den Signalprozessor können zusätzlich Gelenkwinkelsignale von Goniometern aufgeschaltet sein. Weiterhin können auf den Signalprozessor zusätzlich Neigungswinkelsignal von Neigungswinkelmesser aufgeschaltet sein.

Die Sensoreinheit kann Drehgeschwindigkeits- und Lagewinkelsignale liefern. Weiterhin können Mittel zur Erzeugung eines die Winkelbeschleunigung darstellenden Winkelbeschleunigungs-Signals vorgesehen sei. Das Regelsystem kann so aufgebaut sein, daß es das Lagewinkelsignal mit einem ersten Faktor multipliziert, dem Produkt das Winkelgeschwindigkeitssignal überlagert, die so erhaltene Summe mit einem zweiten Faktor multipliziert, der daraus erhaltenen Summe wiederum das Winkelbeschleunigungs-Signal überlagert. Die so erhaltene Summe kann dann mit einer Übertragungsfunktion



zur Bildung eines Reglerausgangssignals aufgeschaltet sein.

Aus dem Reglerausgangssignal und Signalen der Trägheitssensoren können Schätzwerte von Störmomenten berechenbar sein. Es kann dann der Sollwert eines die gewünschte Haltung bestimmenden Lagewinkels nach Maßgabe des Schätzwertes des Störmomentes veränderbar sein. Zur Bildung des Schätzwertes des Störmomentes kann dabei das Reglerausgangssignal mit einer die Dynamik des Muskels annähernden Übertragungsfunktion mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt aufgeschaltet sein, das den Lagewinkel gegenüber der Vertikalen wiedergebende Lagewinkelsignal mit einem den Einfluß der Schwerkraft wiedergebenden Faktor ebenfalls mit negativem Vorzeichen auf den Summierpunkt aufschaltbar sein und schließlich das Winkelbeschleunigungs-Signal mit einem einen Schätzwert des Trägheitsmoments des Patienten darstellenden Faktor mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt aufgeschaltet sein. Es kann dann das Störmoment dividiert durch den besagten, den Einfluß der Schwerkraft wiedergebenden Faktor auf den Sollwert des Lagewinkels am Eingang des Reglers aufgeschaltet sein.

Der Lagewinkel gegenüber der Vertikalen kann durch einen Kreisel geliefert werden, der durch einen Beschleunigungsmesser gestützt ist. Zu diesem Zweck können durch eine Kreiselanordnung Lagewinkel in Form einer Richtungskosinusmatrix geliefert werden. Beschleunigungswerte von den Beschleunigungssensoren können dann durch die Richtungskosinusmatrix in transformierte Beschleunigungswerte transformiert werden, die auf ein lotfestes Bezugssystem bezogen sind. In dem lotfesten Bezugssystem erfolgt dann eine Filterung und Schätzung des Lotfehlers, der in Form einer Fehlermatrix ausgegeben wird. Die Richtungskosinusmatrix wird durch die Fehlermatrix korrigiert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht das Prinzip der Neuroprothesen.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Meß- und Regelsystems für eine Neuroprothese mit geschlossenem Regelkreis und inertialen Sensoren.

Fig. 3 zeigt das Prinzip der Lotstützung über Beschleunigungsmesser bei einem Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des Lageregelkreises.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein "Signal" normalerweise vom Gehirn 10 über ein oberes motorisches Neuron 12, das Rückenmark 14 zu einem peripheren Nerv 16 geleitet wird, der ein unteres motorisches Neuron 18 enthält. Das untere motorische Neuron 18 ist zu einem Muskel 20 geführt. In Fig. 1 ist das obere motorisch Neuron 12 an einer Stelle 22 geschädigt. Die "Signale" vom Gehirn können daher nicht zu dem Muskel 20 weitergeführt werden. Das Prinzip der Neuroprothesen besteht nun darin, den Muskel durch Elektrostimulation im peripheren Nervensystem mittels geeigneter Elektroden 24 anzusteuern und zu Bewegungen zu veranlassen.

Fig. 2 zeigt ein hierfür geeignetes Meß- und Regelsystem.

In Fig. 2 ist mit 26 eine Sensoreinheit bezeichnet. Diese Sensoreinheit wird fest am Körper des Patienten angebracht. Diese Sensoreinheit 26 enthält Kreisel und Beschleunigungsmesser sowie die zugehörige Signalaufbereitung. Die Sensoreinheit 26 wird durch die Bewegung des Patienten, die hier durch einen Block 28 "Biomechanik" dargestellt ist, linearen Beschleunigungen und Winkelgeschwindigkeiten unterworfen. Die Beschleunigungen sind in Fig. 1 durch einen Vektor ª dargestellt. Die Winkelgeschwindigkeiten sind zu einem Vektor ωs zusammengefaßt.

Die Sensoreinheit 26 liefert Winkelgeschwindigkeits- Signale ωm, Beschleunigungs-Signale ª und Winkelinkrement- Signale ΔΦ an einen Signalprozessor 30. Der Signalprozessor 30 erhält weiterhin Gelenkwinkel von Goniometern 32. Der Signalprozessor 30 erhält weiterhin Neigungswinkel von Neigungswinkelmessern 34. Ein Bediengerät 36 gibt auf den Signalprozessor 30 Befehle wie "Lagehaltung", "Lageänderung" oder "Schrittsteuerung".

Das Bediengerät 36 erzeugt eine Lotreferenz und Lagereferenzsignale. Nach geeigneter Signalaufbereitung werden nach bestimmten Regelalgorithmen Reglerausgangssignale erzeugt, welche jeweils bestimmten Gelenkmomenten entsprechen, also Drehmomenten, welche an den verschiedenen anzusteuernden Gelenken (oder ggf. nur einem Gelenk) aufgebracht werden sollen. Über eine Schnittstelle 38 beaufschlagen diese Reglerausgangssignale eine Stimulationselektronik 40. Die Stimulationselektronik erzeugt geeignete Reizmuster und steuert Elektroden 24 an den verschiedenen Muskeln 20 an (Fig. 1). Das ist in Fig. 2 durch den Block 42 "Muskeldynamik" dargestellt.

Die Muskeln 20 erzeugen Kräfte KM und Drehmomente TM, wobei sich die Kräfte von den verschiedenen Muskeln überlagern. Das ist in Fig. 2 durch das Summenzeichen dargestellt. Diese Kräfte wirken auf die "Biomechanik" gemäß Block 28.

Fig. 3 zeigt das Prinzip der Lagestützung über die Beschleunigungsmesser.

Mit 44 sind in Fig. 3 die Kreisel mit der zugehörigen Auswerteelektronik bezeichnet. Die Kreisel sind mit der gesamten Sensoranordnung von inertialen Sensoren fest am Körper des Patienten angebracht. Auf die Kreisel wirken die Drehraten, die hier durch einen Pfeil 46 angedeutet sind. Die Kreisel liefern Winkelinkremente, wie durch Pfeil 48 angedeutet ist. Mit einer durch einen Pfeil 50 dargestellten Initialisierung, also der Vorgabe eines Anfangszustandes, werden daraus durch Block 52 Lageinformationen in Form einer Richtungskosinus- oder Transformationsmatrix C¹ erzeugt. Diese Richtungskosinusmatrix transformiert einen Vektor aus einem körperfesten System in ein lotfestes System.

Die Richtungskosinusmatrix C¹ und die daraus gewonnene Lageinformation wird gestützt durch Beschleunigungssignale von Beschleunigungsmessern. Mit 54 sind in Fig. 3 die Beschleunigungsmesser der Sensoreinheit 26 und die zugehörge Auswerteelektronik bezeichnet. Auf die Beschleunigungsmesser 54 wirkt einmal die Erdbeschleunigung, die durch Pfeil 56 dargestellt ist, und zum anderen Newtonsche Beschleunigungen der Sensoreinheit 26 und damit des Körpers des Patienten. Diese Newtonschen Beschleunigungen sind durch Pfeil 58 dargestellt. Die Überlagerung ist durch einen Summierpunkt 60 symbolisiert. Auf die Beschleunigungsmesser 54 wirkt eine resultierende Beschleunigung, die durch einen Pfeil 62 dargestellt ist. Die resultierende Beschleunigung 62 ist wieder auf das körperfeste System bezogen. Transformationsmittel 64 transformieren die den körperfest gemessenen Beschleunigungen entsprechenden Beschleunigungssignale, die durch einen Pfeil 66 dargestellt sind, mit einem Schätzwert der Richtungskosinusmatrix C¹ in transformierte Beschleunigungswerte. Diese Beschleunigungswerte sind auf ein erd- und lotfestes System bezogen. Die transformierten Beschleunigungswerte sind durch einen Pfeil 68 dargestellt.

Die transformierten Beschleunigungswerte beaufschlagen ein Filter 70 zur Filterung und Schätzung des Lotfehlers. Wenn keine Newtonsche Beschleunigung auftritt oder eine solche Beschleunigung im Mittel null sein muß, dann müssen die mit dem Schätzwert der Richtungskosinusmatrix C¹ berechneten Horizontalkomponenten der transformierten Beschleunigungen, d. h. insbesondere der Erdbeschleunigung null sein. Wenn das nicht der Fall ist, ist die Richtungskosinusmatrix mit einem Fehler behaftet. Dieser Lotfehler wird durch eine Fehlermatrix C¹ dargestellt. Die Matrix des Lotfehlers ist in Fig. 3 durch Pfeil 72 dargestellt. Mit dem Lotfehler wird die aus den Winkelinkrementen der Kreisel 44 gebildete Richtungskosinusmatrix C¹ korrigiert. Die korrigierte Richtungskosinusmatrix beaufschlagt wiederum gemäß Pfeil 74 die Transformationsmittel 64.

Im Endzustand ist der Lotfehler null. Der Schätzwert der Richtungskosinusmatrix C¹ liefert die Transformation in ein lotfestes System.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines Lageregelkreises, wobei von einem stark vereinfachten System ausgegangen wird. Der Patient wird hier als "umgekehrtes Pendel" dargestellt. Die Lage wird durch einen Lagewinkel repräsentiert, welcher der Winkel am Fußgelenk ist. Das biomechanische Modell des Patienten ist dadurch sehr vereinfacht: Wirksame Drehmomente dividiert durch das Trägheitsmoment I, dargestellt durch Block 76, liefern die Winkelbeschleunigung ≙. Integration der Winkelbeschleunigung ≙, dargestellt durch Block 78 mit der Übertragungsfunktion 1/s, liefert die Winkelgeschwindigkeit . Integration der Winkelgeschwindigkeit , dargestellt durch Block 80 mit der Übertragungsfunktion 1/s, liefert den Neigungswinkel φ gegen die Vertikale. Der Neigungswinkel bewirkt ein Drehmoment m · g · lφ. Dabei ist s die Variable der Laplace-Transformation, m die Masse des Patienten, g die Erdbeschleunigung und l die Höhe des Schwerpunktes. Auf das "umgekehrte Pendel" wirkt einmal ein Störmoment Mz und zum anderen ein Drehmoment, das von dem Muskel durch die Stimulation ausgeübt wird. Das ist ein stark vereinfachtes Modell der physikalischen Gegebenheiten oder das biomechanische Modell. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß dieses Modell ohne ein Drehmoment von dem Muskel instabil wäre. Jedes Störmoment und jede Winkelabweichung von der Vertikalen würde zu einer weiteren Vergrößerung der Winkelabweichung führen. Das "umgekehrte Pendel" würde umfallen.

Es sind nun inertiale Sensoren in Form von Kreiseln vorgesehen, welche die Winkelgeschwindigkeit liefern. In der in Fig. 3 dargestellten Weise wird auch die durch Beschleunigungssignale gestützte Richtungskosinusmatrix ermittelt, die sich bei dem vereinfachten Modell auf den Winkel φ reduziert. Schließlich wird durch Differentiation auch die Winkelbeschleunigung gemessen. Diese Meßgrößen werden auf den Regler 82 aufgeschaltet.

In dem Regler 82, der Teil des Signalprozessors 30 von Fig. 2 ist, ist auf einen Summierpunkt 84 am Eingang des Reglers 82 das Winkelsignal geschaltet. Das Winkelsignal φ wird multipliziert mit einem Faktor Kp. Das ist durch Block 86 dargestellt. In einem Summierpunkt 88 wird dem so erhaltenen Produkt das Winkelgeschwindigkeits-Signal mit negativem Vorzeichen überlagert. Die so erhaltene Differenz wird mit einem Faktor Kv multipliziert. Das ist durch einen Block 90 dargestellt. In einem Summierpunkt 92 wird dem als Ausgang des Blocks 90 erhaltenen Produkt das Winkelbeschleunigungs-Signal mit negativem Vorzeichen überlagert. Die so erhaltene Differenz ist mit einer Übertragungsfunktion



die durch Block 94 dargestellt ist, auf einen Reglerausgang 96 geschaltet. Am Reglerausgang erscheint ein Reglerausgangssignal u. Dieses Reglerausgangssignal u steuert über die Schnittstelle 38 die Stimulationselektronik 40 an (Fig. 2). Dadurch wird der Muskel zur Erzeugung eines Drehmoments MM angeregt. Dieses Drehmoment wirkt zusammen mit dem Störmoment Mz und dem durch die Schwerkraft hervorgerufenen Drehmoment Mu auf das Fußgelenk. In dem biomechanischen Modell ist das durch einen Summierpunkt 98 dargestellt. Das Verhalten des Muskels ist durch eine Übertragungsfunktion von der Form



zu beschreiben. Diese Übertragungsfunktion des Muskels ist in Fig. 4 durch Block 100 dargestellt.

Durch bestimmte Bewegungen des Patienten können vorhersehbare Störmomente auftreten. Wenn beispielsweise der Patient seinen Arm nach vorn streckt, dann ist vorhersehbar, daß ein Drehmoment auftreten wird, welches das "umgekehrte Pendel" nach vorn zu neigen trachtet. Es ist dann nicht zweckmäßig, zunächst zu warten, bis tatsächlich eine solche Neigung eintritt und dann aufgrund der Sensorsignale das durch die Muskelkraft hervorgerufene Drehmoment zu erhöhen. Einmal bringt eine solche Reaktion über das Auftreten einer Regelabweichung eine Verzögerung, die leicht zu einer Instabilität der Regelung führt. Zum anderen führt eine Erhöhung der Muskelkraft bei ansonsten unveränderter Geometrie zu einer unnötigen Beanspruchung des Muskels und zu einer frühzeitigen Ermüdung. Der gesunde Mensch reagiert meist auf solche Störmomente mit einer Verlagerung des Körpers, so daß die von den Muskeln aufgebrachten Kräfte minimiert werden können. In dem soeben erwähnten Beispiel des nach vorn ausgestreckten Armes wird der Mensch instinktiv in der Weise reagieren, daß er sich zurücklehnt, also hier den Winkel verändert.

In der Regeltechnik gibt es den Begriff der "Störgrößenaufschaltung". Eine vorhersehbare Störung wird durch eine Kompensation der Störung weitgehend korrigiert, bevor durch eine Regelabweichung der Regelvorgang im geschlossenen Kreis erfolgt.

Hierzu muß das Störmoment geschätzt werden. Diesem geschätzten Störmoment wird durch eine Änderung des Sollwertes des Reglers, also durch eine Änderung der Körperhaltung entgegengewirkt. Das ist in Fig. 4 schematisch dargestellt.

Das Reglerausgangssignal u liefert über eine Übertragungsfunktion



durch welche das Verhalten des Muskels angenähert wird, einen Schätzwert ≙M für ein von dem Muskel ausgeübtes Drehmoment. Das ist in Fig. 4 durch einen eine Übertragungsfunktion angebenden Block 102 dargestellt. Ein Schätzwert ≙u für das durch die Schwerkraft hervorgerufene Drehmoment ergibt sich aus dem Winkel φ durch Multiplikation mit einem Schätzwert m × g · l. Das ist durch einen die Schwerkraft berücksichtigenden Faktor Block 104 dargestellt. Diese beiden Drehmomente plus das Störmoment Mz müssen Trägheitsmoment mal Winkelbeschleunigung ergeben. Wenn man also von dem mit einem Schätzwert des Trägheitsmomentes Î multiplizierten Winkelbeschleunigungs-Signal die Schätzwerte des durch den Muskel und durch die Schwerkraft hervorgerufenen Drehmomente abzieht, dann erhält man einen Schätzwert für das Störmoment. Die Multiplikation mit Î ist durch einen weiteren Block 104 dargestellt. Die Bestimmung des Schätzwertes für das Störmoment durch die besagte Differenzbildung ist in Fig. 4 durch den Summierpunkt 106 angedeutet.

Der so erhaltene Schätzwert ≙z des Störmomentes wird durch ein Tiefpaßfilter 108 gefiltert und durch den Schätzwert m · g · l dividiert. Diese Division ist durch Block 110 dargestellt. Das ergibt einen Winkel, um welchen die Haltung des Patienten verändert werden muß, um ein dem Störmoment Mz entgegenwirkendes schwerkraftbedingtes Drehmoment zu erzeugen. Ein dem so erhaltenen Winkel entsprechendes Signal wird in dem Summierpunkt 84 dem Lagewinkelsignal "entgegengeschaltet". Der Muskel wird auf diese Weise durch das Störmoment praktisch nicht beansprucht.


Anspruch[de]
  1. 1. Meß- und Regelsystem für Neuroprothesen, die mit funktioneller neuromuskulärer Stimulation im geschlossenen Regelkreis arbeiten, enthaltend
    1. (a) eine Sensoreinheit (26), die inertiale Sensoren enthält,
    2. (b) einen Signalprozessor (30), auf welchen Signale der inertialen Sensoren aufgeschaltet sind,
    3. (c) eine Stimulationselektronik (40) zur Erzeugung von Stimulationsströmen zur Stimulation und Ansteuerung von Muskeln und
    4. (d) ein Bediengerät (36) zur Vorgabe gewünschter Haltungs- und Bewegungsmuster an den Signalprozessor.
  2. dadurch gekennzeichnet, daß
    1. (e) die Sensoreinheit (26) als inertiale Sensoren Winkelgeschwindigkeitssensoren enthält, die Winkelgeschwindigkeitssignale liefern,
    2. (f) die Winkelgeschwindigkeitssignale auf den Signalprozessor (30) aufgeschaltet sind, durch welchen
      1. - aus diesen Signalen eine Lotreferenz und Lagereferenzsignale erzeugbar sind und
      2. - nach vorgegebenen Regelalgorithmen Reglerausgangssignale berechenbar sind, welche die an einem Gelenk aufzubringenden Drehmomente wiedergeben, und
    3. (g) die Reglerausgangssignale des Signalprozessors (30) über eine Schnittstelle (38) auf die Stimulationselektronik (40) aufgeschaltet sind, die mit Elektroden zur Übertragung der Stimulationsströme auf Muskeln nach vorgegebenen Reizmustern verbunden ist.
  3. 2. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Signalprozessor (30) zusätzlich Gelenkwinkelsignale von Goniometern (32) aufgeschaltet sind.
  4. 3. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Signalprozessor zusätzlich Neigungswinkelsignale von Neigungswinkelmessern (34) aufgeschaltet sind.
  5. 4. Meß- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. (a) die Sensoreinheit (26) Drehgeschwindigkeits- und Lagewinkelsignale liefert und
    2. (b) weiterhin Mittel zur Erzeugung eines die Winkelbeschleunigung darstellenden Winkelbeschleunigungs-Signals vorgesehen sind,
    3. (c) der Regelalgorithmus
      1. - das Lagewinkelsignal mit einem ersten Faktor (Kp) multipliziert,
      2. - dem Produkt das Winkelgeschwindigkeitssignal überlagert,
      3. - die so erhaltene Summe mit einem zweiten Faktor (Kv) multipliziert,
      4. - der daraus erhaltenen Summe wiederum das Winkelbeschleunigungs-Signal überlagert und
      5. - die so erhaltene Summe mit einer Übertragungsfunktion



        zur Bildung eines Reglerausgangssignals (u) aufgeschaltet ist.
  6. 5. Meß- und Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. (a) Mittel vorgesehen sind zur Berechnung von Schätzwerten von Störmomenten (Mz) aus dem Reglerausgangssignal (u) und Signalen der Trägheitssensoren und
    2. (b) der Sollwert eines die gewünschte Haltung bestimmenden Lagewinkels nach Maßgabe des Schätzwertes (Mz) des Störmomentes veränderbar ist.
  7. 6. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Schätzwertes des Störmomentes
    1. (a) das Reglerausgangssignal (u) mit einer die Dynamik des Muskels annähernden Übertragungsfunktion (102) mit negativem Vorzeichen auf einen Summierpunkt (106) aufschaltbar ist,
    2. (b) das den Lagewinkel gegenüber der Vertikalen wiedergebende Lagewinkelsignal mit einem den Einfluß der Schwerkraft wiedergebenden Faktor (104) ebenfalls mit negativem Vorzeichen auf den Summierpunkt (106) aufschaltbar ist und
    3. (c) das Winkelbeschleunigungs-Signal mit einem einen Schätzwert des Trägheitsmoments (I) des Patienten darstellenden Faktor mit positivem Vorzeichen auf den Summierpunkt (106) aufschaltbar ist.
  8. 7. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmoment (Mz) dividiert durch den den Einfluß der Schwerkraft wiedergebenden Faktor (110) auf den Sollwert des Lagewinkels am Eingang (84) des Reglers (82) aufgeschaltet ist.
  9. 8. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Lagewinkel gegenüber der Vertikalen Kreisel (44) vorgesehen sind, die durch Beschleunigungsmesser (54) gestützt sind.
  10. 9. Meß- und Regelsystem nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch
    1. (a) eine Kreiselanordnung (44) zur Messung von Lagewinkeln in Form einer Richtungskosinusmatrix,
    2. (b) Mittel zur Transformation der Beschleunigungswerte von den Beschleunigungssensoren der Beschleunigungsmesser (54) durch die Richtungskosinusmatrix in transformierte Beschleunigungswerte, die auf ein lotfestes Bezugssystem bezogen sind,
    3. (c) Mittel zur Filterung und Schätzung des Lotfehlers in dem lotfesten Bezugssystem, wobei der Lotfehler in Form einer Fehlermatrix ausgegeben wird, und
    4. (d) Mittel zur Korrektur der Richtungskosinusmatrix durch die Fehlermatrix.






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