DE3829885A1 - Device for continuously performed, separate recording and measurement of head and trunk movements during standing and locomotion - Google Patents

Device for continuously performed, separate recording and measurement of head and trunk movements during standing and locomotion

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Abstract

The invention relates to a device for continuously performed, separate recording and measurement of head and trunk movements during standing and locomotion, which consists of a head and trunk marking which is arranged on the subject and formed from optical markers, as well as a device which is fixed at a distance from the subject and continuously receives and records the optical signals of the markers. The device is intended to be easy to operate, to have a high measurement accuracy, to permit time-critical spectral movement analysis, and to prevent superimpositions and overlaps when recording the optical signals. This is achieved according to the invention by having the device consist of at least three sensors which adopt a polygonal arrangement and whose measured values can be matched with one another in a temporal sequence and can be continuously interrogated by a central unit in the form of data series. In addition to the field of medicine, the device can also be used to monitor movements of personnel in dangerous work areas, or in conveyor technology for the purpose of exactly locating and guiding moving machines or workpieces, or for assembly. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum fortlaufend erfolgenden, getrennten Aufzeichnen und Messen der Kopf- und Rumpfbewegungen beim Stehen und Gehen, die aus einer am Proban­ den angeordneten, aus optischen Markern gebildeten Kopf- und Rumpfmarkierung sowie einer im Abstand vom Probanden ortsfest angebrachten, die optischen Signale der Marker kontinuierlich empfangenden und registrierenden Vorrichtung besteht.The invention relates to a device for continuous separate recording and measurement of the head and Trunk movements when standing and walking, which from one on the Proban the arranged head and formed from optical markers Fuselage markings and one fixed at a distance from the test subject attached, the optical signals of the markers continuously receiving and registering device.

Eine solche Einrichtung ist bislang bei der sogenannten Cranio- Corpo-Graphie (CCG) verwendet worden. Dieser bekannten Einrich­ tung haften jedoch mehrere Nachteile an. So befindet sich da­ bei, um einen ausreichenden Höhenabstand zwischen Probanden und optischer Empfangs- und Registriervorrichtung herzustellen, an der Raumdecke ein Spiegel, gegen den zentral von unten eine Ka­ mera gerichtet ist; dadurch entsteht ein Zentralschatten, in dem nicht registriert werden kann. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß zur Bedienung der Kamera ein schwieriges Überkopf- Arbeiten erforderlich ist. Da alle Aufnahmen nur außerhalb des Zentralschattens möglich sind, unterliegen sie einer Meßunge­ nauigkeit durch parallaktische Verzerrung, die nach außen hin zunimmt, was recht ungünstig ist. Eine zeitkritische spektrale Bewegungsanalyse, die wegen der hierarchisch gestaffelten zen­ tralnervösen Steuereinflüsse von z.B. Großhirn, Hirnstamm und Rückenmark erforderlich ist, läßt sich mit der bekannten zwei­ dimensionalen Einrichtung nicht durchführen. Schließlich wird eine auf die einzelnen Körper-Markierungspunkte abzielende Aus­ wertung durch hin- und herschwingende Leuchtspurüberlagerungen bzw. -überschneidungen teilweise unmöglich gemacht.Such a device has so far been used in the so-called cranio- Corpo-Graphie (CCG) has been used. This well-known institution However, there are several disadvantages. So there is at a sufficient height distance between test subjects and to produce optical receiving and registration device a mirror on the ceiling, against which a Ka from below centrally mera is directed; this creates a central shadow, in which cannot be registered. Another shortcoming exists in the fact that a difficult overhead Work is required. Since all recordings are only outside the Central shadows are possible, they are subject to a measurement accuracy due to parallactic distortion that faces the outside increases, which is quite unfavorable. A time critical spectral Motion analysis that zen because of the hierarchical staggered nervous tax influences of e.g. Cerebrum, brainstem and Spinal cord is required can be used with the known two do not perform dimensional setup. Eventually an off aimed at the individual body marking points evaluation through oscillating traces of traces of light  or overlaps made partially impossible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, der diese Nachteile nicht anhaften. Ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Einrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung aus mindestens drei Senso­ ren besteht, die eine Vieleckanordnung einnehmen und deren Meß­ werte in zeitlicher Abfolge miteinander abgleichbar und fort­ laufend von einer Zentraleinheit in Form von Datenserien ab­ fragbar sind.The invention has for its object a device create who do not have these disadvantages. Starting from the Known device described above, this task solved in that the device from at least three Senso ren exists that take a polygon arrangement and their measurement values can be compared with one another in chronological order and continue continuously from a central unit in the form of data series are questionable.

Bei dieser Ausgestaltung bewirkt die polygonale Sensorenanord­ nung den Fortfall eines Zentralschattens und die Vermeidung jeglicher parallaktischer Verzerrungen, da das beobachtete Ob­ jekt kleiner als das "elektronische Objektiv" ist. Das weitere Merkmal, wonach die Meßwerte in zeitlicher Abfolge miteinander abgleichbar und fortlaufend von einer Zentraleinheit in Form von Datenserien abfragbar sind, wobei ein rotierender Vergleich aller Sensorenmeßwerte stattfindet, ergibt eine räumlich-zeit­ liche Bewegungsstruktur der einzelnen Körper-Markierungspunkte, wodurch eine spektrale Bewegungsanalyse dieser Punkte möglich ist, und zwar im Hinblick auf die Ganzkörperbewegungen sowie auch auf die Körperteilbewegungen und die rechnerischen Körper­ differenzbewegungen, z.B. zwischen Kopf und Rumpf. Gerade die für die Diagnostik wichtigen Körperdifferenzbewegungen lassen sich mittels der Meßdaten-Zeitserien sowohl tabellarisch als auch graphisch für die einzelnen Meßpunkte getrennt darstellen.With this configuration, the polygonal sensor arrangement results the elimination of a central shadow and the avoidance any parallactic distortions, since the observed Ob is smaller than the "electronic lens". The further Characteristic, according to which the measured values in chronological order with each other adjustable and continuously in the form of a central unit of data series can be queried, with a rotating comparison of all sensor measurements takes place, results in a spatial-time movement structure of the individual body marking points, which enables a spectral movement analysis of these points is, with regard to the whole body movements as well also on the body part movements and the arithmetic body differential movements, e.g. between head and torso. Just that leave important body differential movements for diagnostics by means of the measurement data time series both in tabular form and also display separately for the individual measuring points.

Zweckmäßigerweise sind die Sensoren als fotoelektrische Elemen­ te bzw. Optokoppler ausgebildet. Das gewährleistet eine sehr rasche Umwandlung der von den Markern einfallenden Lichtenergie in elektrische Impulse.The sensors are expediently used as photoelectric elements te or optocoupler trained. That guarantees a very rapid conversion of light energy from the markers into electrical impulses.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Sensoren entweder auf die Abgabe von Analogsignalen oder auf die Abgabe von analog-digital-gewandelten Signalen abgestellt sein. Die letztgenannte Alternative hat den Vorteil, daß die Zentralein­ heit beständige Signale zur sofortigen Verarbeitung erhält, was die Störanfälligkeit durch Zuleitungswiderstände, Störfelder usw. vermindert.In a further embodiment of the invention, the sensors either on the delivery of analog signals or on the delivery be switched off from analog-to-digital converted signals. The the latter alternative has the advantage that the central constant signals for immediate processing receives what  susceptibility to interference due to lead resistance, interference fields etc. diminished.

Als Vieleckanordnung der Sensoren im Sinne der Erfindung hat sich ein Sechseck als besonders günstig erwiesen. Das Sechseck bietet zum einen eine für eine hochwertige Messung ausreichende große Vergleichsbasis und zum anderen die Möglichkeit, durch abstandslose wabenartige Aneinanderfügung mehrerer Sensoren- Vieleckanordnungen einen Raum ganzflächig abzudecken.As a polygon arrangement of the sensors in the sense of the invention a hexagon proved to be particularly cheap. The hexagon on the one hand offers a sufficient for a high quality measurement great basis of comparison and secondly the possibility of going through spaced honeycomb-like joining of several sensors Polygonal arrangements cover a room over the entire area.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die Zentral­ einheit aus einem Digital-Computer. Dieser Computer vergleicht rotierend die von den Sensoren in Form von bitkodierten Hellig­ keitsunterschieden ankommenden Meßwerte und bestimmt dadurch die Flächenpunkte der maximalen Markerhelligkeiten. Außerdem führt der Computer weitere Operationen wie die Synthese der Wegmuster, die spektrale Analyse der Markerbewegungen hinsicht­ lich ihrer Frequenz- und Amplitudenanteile sowie deren numeri­ sche und graphische Darstellung, die Berechnung sowie die nume­ rische und graphische Darstellung der Auswerteparameter, d.s. Längsabweichung, Längsschwankung, Querschwankung, Seitenabwei­ chung, rotierende Ganzkörperverdrehungen, winkelmäßige Kopf- Rumpf-Verstellungen, Kopf-Rumpf-Schwankungsdifferenzen und be­ vorzugte Bewegungs-Bestreichungs-Konfigurationen durch.According to a further feature of the invention, the central unit consists of a digital computer. This computer rotates the measured values arriving from the sensors in the form of bit-coded differences in brightness and thereby determines the surface points of the maximum marker brightness. In addition, the computer performs other operations such as the synthesis of the path pattern, the spectral analysis of the marker movements with regard to their frequency and amplitude components and their numerical and graphic representation, the calculation and the numerical and graphic representation of the evaluation parameters, i.e. Longitudinal deviation, longitudinal fluctuation, transverse fluctuation, side deviation, rotating whole-body twists, angular head-trunk adjustments, head-trunk fluctuation differences and preferred movement-brushing configurations.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Digital-Computer mit mindestens einer Sensoren-Schnittstelle mit Multiplexer so­ wie ggf. mit einem Analog-Digital-Wandler versehen ist. Selbst­ verständlich kann jedoch jeder Sensor auch seinen eigenen Ein­ gang in den Computer haben.It has proven to be beneficial if the digital computer with at least one sensor interface with multiplexer like this as may be provided with an analog-to-digital converter. Yourself understandably, however, each sensor can also have its own on have a go into the computer.

Für den Fall sehr präziser Markerlokalisationen ist es erfor­ derlich, die maximale Zahl der möglichen Helligkeitsvergleiche auszuschöpfen. Dafür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dem Compu­ ter im Zentrum der Vieleckanordnung eine Lichtquelle zuzuord­ nen, die bei kontinuierlicher Lichtabstrahlung hinsichtlich Lichtintensität und Farbe sowie bei intermittierender Lichtab­ strahlung hinsichtlich Lichtintensität, Farbe und Rhythmus von ihm steuerbar ist. Auf diese Weise kann jeweils nur ein Marker wahrgenommen werden.In the case of very precise marker locations, it is required The maximum number of possible brightness comparisons to exhaust. According to the invention, the Compu a light source in the center of the polygon arrangement with regard to continuous light emission Light intensity and color as well as with intermittent light radiation in terms of light intensity, color and rhythm of  it is controllable. This way, only one marker can be used at a time be perceived.

Dem gleichen Zweck dient eine weitere Ausgestaltung der Erfin­ dung, gemäß welcher der Computer mit den Sensoren verbunden ist derart, daß sie hinsichtlich ihrer Lichtempfindlichkeit modu­ liert und/oder mit der Lichtquelle abgestimmt werden.A further embodiment of the Erfin serves the same purpose according to which the computer is connected to the sensors such that they modu with regard to their sensitivity to light lated and / or coordinated with the light source.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung am Beispiel der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrich­ tung für eine medizinische Untersuchung der Kopf-Körper-Taume­ ligkeit dargestellt.In the drawing is a preferred embodiment of the inven tion using the example of the application of the device according to the invention device for a medical examination of head-body dew shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Seitenansicht der in einem Raum angebrachten Ein­ richtung, Fig. 1 is a side view of the mounted in a space A direction,

Fig. 2 die Sensorenanordnung gemäß Fig. 1 im Aufblick, Fig. 2 shows the sensor arrangement of FIG. 1 in Aufblick,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Probanden gemäß Fig. 1, Fig. 3 is a plan view of the subject of FIG. 1,

Fig. 4 das Schema eines teilweisen rotierenden paarweisen Sen­ sorenabgleichs, Fig. 4 shows the scheme of a partial sorenabgleichs rotating paired Sen,

Fig. 5 das Schema eines vollständigen rotierenden paarweisen Sensorenabgleichs, Fig. 5 shows the diagram of a complete rotating paired sensors balance,

Fig. 6 eine Seitenansicht eines abgewandelten Ausführungsbei­ spiels mit Fremdanregung, Fig. 6 is a side view of a modified Ausführungsbei game with external excitation,

Fig. 7 die Sensorenanordnung gemäß Fig. 6 und das Schema eines teilweisen rotierenden paarweisen Sensorenabgleichs, Fig. 7 shows the sensor arrangement of FIG. 6 and the diagram of a partial rotating paired sensors balance,

Fig. 8 die Bewegungsleuchtspur eines beliebigen Markers und Fig. 8 shows the movement tracer of any marker and

Fig. 9 die Bewegungsleuchtspuren aller vier Marker. Fig. 9 shows the movement traces of all four markers.

In Fig. 1 ist ein Proband dargestellt, der sich in einem Raum bewegt, von dem Fußboden 2 und Decke 3 sichtbar sind. Auf den Schultern 4 a und 4 b sowie dem Helm 5 des Probanden 1 sind Mar­ ker 6 a-6 d angebracht, die Lichtstrahlen l aussenden. Diese Lichtstrahlen l werden von Sensoren 7 a-7 h empfangen und ver­ arbeitet, die an der Decke 3 gehalten sind.In Fig. 1 a test subject is illustrated, which moves in a space, are visible from the floor 2 and ceiling 3. On the shoulders 4 a and 4 b and the helmet 5 of the subject 1 , markers 6 a - 6 d are attached, which emit light rays l . These light beams l are received and processed by sensors 7 a - 7 h , which are held on the ceiling 3 .

Fig. 2 zeigt die Anordnung der Sensoren 7 a-7 h in Form eines regelmäßigen Achtecks, während die Fig. 3 die räumliche Anord­ nung der Marker 6 a-6 d auf den Schultern 4 a, 4 b und dem Helm 5 veranschaulicht. Fig. 2 shows the arrangement of the sensors 7 a - 7 h in the form of a regular octagon, while Fig. 3 illustrates the spatial arrangement of the markers 6 a - 6 d on the shoulders 4 a , 4 b and the helmet 5 .

Fig. 6 zeigt im wesentlichen die gleiche Darstellung wie Fig. 1 mit dem einzigen Unterschied, daß im Zentrum des Sensorenviel­ ecks eine Lichtquelle 8 als Fremdanregung für die dabei passi­ ven, d.h. also keine eigene Lichtquelle besitzenden, nur re­ flektierenden Marker 6 a-6 d angeordnet ist. Die von der Licht­ quelle 8 ausgehenden, von den Markern 6 a-6 d empfangenen Lichtstrahlen sind mit l x bezeichnet. Fig. 6 shows essentially the same representation as Fig. 1 with the only difference that in the center of the sensor polygon, a light source 8 as external excitation for the passi ven, ie no own light source, only re reflecting markers 6 a - 6 d is arranged. Of the light source 8 emanating from the markers 6 a - 6 d received light beams are denoted by l x.

Fig. 8 veranschaulicht den am Ausgangspunkt O beginnenden, sich sensenschnittartig fortsetzenden Bewegungsablauf des vermeint­ lich auf der Stelle tretenden Probanden 1, und zwar anhand der berechneten Bewegungsspur eines beliebigen Markers 6. Fig. 9 veranschaulicht das Gleiche für alle vier Marker 6 a-6 d, wobei zu erkennen ist, daß durch rechnergestützte Auseinanderziehung der einzelnen Bewegungsspuren jede für sich der vollständigen Betrachtung zugänglich ist, d.h. also, daß Verdeckungen bzw. Überlagerungen und/oder Überschneidungen aufgehoben sind. Fig. 8 illustrates the beginning at the starting point O, to sense simplistically continuing movement of the supposes Lich passing on the spot subject 1, namely on the basis of calculated moving track of any marker. 6 Fig. 9 illustrates the same for all four markers 6 a - 6 d , whereby it can be seen that each of the individual traces of movement can be viewed individually by computer-aided extraction of the individual movement tracks, ie that obscurations or overlaps and / or overlaps are eliminated are.

Vorstehend ist die Erfindung am Beispiel einer medizinischen Anwendung erläutert worden. Selbstverständlich kommen jedoch auch andere Anwendungen in Betracht, so bsp. die Überwachung von Personalbewegungen in gefährlichen Arbeitsbereichen wie z.B. in Kernkraftwerken; darüber hinaus sind aber auch Anwen­ dungen in der Fördertechnik zur exakten Lokalisation und Füh­ rung bewegter Maschinen bzw. Werkstücke sowie schließlich auch zur Montage denkbar.The invention is based on the example of a medical Application has been explained. Of course, come other applications are also considered, for example The supervision of personnel movements in dangerous work areas such as e.g. in nuclear power plants; beyond that there are also users in conveyor technology for exact localization and guidance moving machines or workpieces and finally also conceivable for assembly.

Claims (9)

1. Einrichtung zum fortlaufend erfolgenden, getrennten Auf­ zeichnen und Messen der Kopf- und Rumpfbewegungen beim Ste­ hen und Gehen, die aus einer am Probanden angeordneten, aus optischen Markern gebildeten Kopf- und Rumpfmarkierung sowie einer im Abstand vom Probanden ortsfest angebrachten, die optischen Signale der Marker kontinuierlich empfangenden und registrierenden Vorrichtung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus mindestens drei Sensoren (7 a, 7 b, 7 c) besteht, die eine Vieleckanordnung einnehmen und deren Meßwerte in zeitlicher Abfolge miteinander abgleichbar und fortlaufend von einer Zentraleinheit in Form von Datenserien abfragbar sind.1.Device for continuous, separate recording and measuring of the head and trunk movements when standing and walking, the head and trunk marking arranged on the subject, formed from optical markers and a fixed distance from the subject, the optical signals the marker continuously receiving and registering device, characterized in that the device consists of at least three sensors ( 7 a , 7 b , 7 c ) which adopt a polygon arrangement and whose measured values can be compared with one another in time sequence and continuously by a central unit in the form of data series can be queried. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7 a, 7 b, 7 c, ...) als fotoelektrische Elemente bzw. Optokopoler ausgebildet sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the sensors ( 7 a , 7 b , 7 c , ...) are designed as photoelectric elements or optocopers. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7 a, 7 b, 7 c, ...) auf die Abgabe von Analogsignalen abgestellt sind.3. Device according to claim 2, characterized in that the sensors ( 7 a , 7 b , 7 c , ...) are switched to the delivery of analog signals. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7 a, 7 b, 7 c, ...) auf die Abgabe von analog-digi­ tal-gewandelten Signalen abgestellt sind.4. Device according to claim 2, characterized in that the sensors ( 7 a , 7 b , 7 c , ...) are switched to the delivery of analog-digital-converted signals. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vieleckanordnung ein Sechseck ist.5. Device according to claims 1-4, characterized net that the polygon arrangement is a hexagon. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zentraleinheit aus einem Digital-Computer be­ steht.6. Device according to claims 1-5, characterized net that the central unit be from a digital computer stands. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Computer mit mindestens einer Sensoren-Schnittstelle mit Multiplexer sowie ggf. mit einem Analog-Digital-Wandler versehen ist. 7. Device according to claim 6, characterized in that the Digital computer with at least one sensor interface with multiplexer and possibly with an analog-digital converter is provided.   8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Computer im Zentrum der Vieleckanordnung eine Lichtquelle (8) zugeordnet ist, die bei kontinuierli­ cher Lichtabstrahlung hinsichtlich Lichtintensität und Far­ be sowie bei intermittierender Lichtabstrahlung hinsicht­ lich Lichtintensität, Farbe und Rhythmus von ihm steuerbar ist.8. Device according to claims 6 and 7, characterized in that the computer is assigned a light source ( 8 ) in the center of the polygon arrangement, which be with regard to light intensity and color as well as intermittent light radiation with respect to light intensity, color and rhythm is controllable by him. 9. Einrichtung nach den Ansprüchen 6-8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Computer mit den Sensoren (7 a, 7 b, 7 c, ...) verbunden ist derart, daß sie hinsichtlich ihrer Lichtemp­ findlichkeit moduliert und/oder mit der Lichtquelle abge­ stimmt werden.9. Device according to claims 6-8, characterized in that the computer with the sensors ( 7 a , 7 b , 7 c , ...) is connected in such a way that it modulates sensitivity to their Lichtemp and / or with the Light source can be coordinated.
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