Verfahren und Vorrichtung zur bildlichen Darstellung der Druckverteilung an der Berührungsfläche zwischen elastischen und unelastischen Körpern. Gegenstand der Erfindung ist ein Ver fahren zur bildlichen Darstellung der Druck- verteilung an der Berührungsfläche zwischen elastischen und unelastischen Körpern. Das Verfahren gemäss Erfindung wird mit Vor teil angewendet zur Ermittlung und Darstel lung der Druekverteilung an der Berührungs fläche zwischen Fusssohle und Bodenfläche als Grundlage für die gewerbliche Herstel lung orthopädischer Geräte und Gegenstände, wie Fusseinlagen, Prothesen, Bandagen oder dergleichen.
.Sofern ein mehr oder weniger elastisch deformierbarer Körper und ein nahezu star rer Körper einander berühren, schmiegt sich je nach den besonderen Verhältnissen der erstere .der Oberfläche des starren in einer mehr oder weniger ausgedehnten und zu meist kompliziert geformten Fläche an.
Die Feststellung der Druckverteilung innerhalb dieser Flächen ist nur sehwer möglich, da sich im allgemeinen unter gewissen Voraus- Setzungen wohl. rechnerisch Zahlenwerte ab leiten lassen, eine experimentelle Nachprü fung des Rechnungsergebnisses jedoch ist bisher nicht möglich gewesen. Das analy- ti:
sche Verfahren ist aber völlig ungangbar, wenn -die Elastizitätsverhältnisse komplizier ter werden und die zu untersuchenden elasti- schen Gebilde einen komplizierten Aufbau aus nicht einfach gebauten Elementen stark verschiedenen Elastizitätsgrades besitzen.
Gerade @dieser letzte Fall ist aber von wesentlicher Bedeutung für die Herstellung orthopädischer Geräte und -Gegenstände, wie Fusseünlagen, Prothesen und dergleichen. Es sei nur erinnert an die mannigfachen, auf Druck zurückzuführenden Erkrankungen des Fusses, die ebenso die Weichteile wie -das Skelett betreffen und sieh hauptsächlich aus von der Norm abweichender Grösse, Lage oder Haltung einzelner oder aller, oft auch entfernterer Skeletteile ergeben.
Hier ist es eine dringende Notwendigkeit, für die ein- wandfreie Formgebung von Fusseinlagen usw., die Druckverteilung auf der Stütz fläche im Falle .des gesunden ebenso wie des abnormen oder kranken Fusses festzustellen und aufzuzeichnen und ihre Abhängigkeit von Lage,
Stellung oder Belastung des Glie- --des und unter dem Einfluss von Stützmass nahmen oder im 'Gefolge plastischer Opera tionen zu bestimmen. Auch die Druckerkran kungen der Haut bei lange bettlägerigen Iranken oder auf Amputationsstümpfen mit Prothesendruck gehören hierher.
Es hat natürlich nicht an Versuchen ge fehlt, dieses Problem zu lösen. Diese Ver suche sind aber über nur rein qualitative oder ganz roh quantitative Feststellungen nicht hinausgekommen. Dass man mit einer Feststellung der Form der Kontaktfläche durch Einfärben der betreffenden Hautflä- ehen, und Abdrücken auf der starren Unter lage über die Druckverteilung in dieser Kon taktfläche nichts erfahren kann, ist klar.
Auch die Versuche, die Druckverteilung aus dem Mass der Blutentleerung der Hautkapil laren und .somit der Abblassung der 'Sohlen haut durch eine als Unterlage gewählte Glasplatte hindurch zu beurteilen, leiden an Fehlerquellen, so dass auf diese Weise eine zahlenmässige Bestimmung des Druckes von Punkt zu Punkt nicht möglich ist. Ein an deres bekanntes Verfahren, nach welchem der Fuss auf eine Papierunterlage gestellt ist,
die durch ein engamaschiges Gitternetz von einer mit Methylenblausäure getränkten Flanellage getrennt ist, so .dass die durch .den Druck ,des Fusses in das Gitterwerk ein gedrückten Papierteile gefärbt werden, lässt keine absoluten Messwerte feststellen. Schliess lich ist auch die Methode bekannt, bei wel eher mittels eines Saitendynamometers die Druckmessung vorgenommen wird.
Auch hier werden keine Punktwerte erhalten, so ,dass das Messergebnis nicht einwandfrei ist.
Durch das Verfahren .gemäss Erfindung können die nach den erwähnten bekannten Verfahren unvermeidlichen Fehler weit- gehend ausgeschlossen und damit wis,sen- sehaftlieh sovielwie einwandfreie Messungen erhalten werden, die als Grundlage bei der Herstellung orthopädischer Geräte und der- g <B>o</B> Verfahren be- leichen dienen können.
Daz steht darin, dass wenigstens ein Messorgan, dessen im Verhältnis der zu untersuchenden Druckfläche kleine Messfläche im unbelaste ten Zustand ,des Messorganes bündig mit der Oberfläche des unelastischen Körpers liegt, parallel zu dieser Messfläche schrittweise verschoben wird, wobei die Grösse des Be- lastungsdruckes an :
den verschiedenen .Stel len der elastischen Fläche angezeigt und gleichzeitig .die untersuchte Stelle markiert wird, unter Vermeidung, von wesentlichen Veränderungen des Belastungsdruckes und der gegenseitigen Lage der aneinanderliegen- den Körper während des ganzen Messvor- ganges. Gegebenenfalls kann dabei so ver fahren werden,
dass die beim Messorgan auf tretende Einsenkung der Berührungsfläche durch einen äussern Gegendruck ausgeglichen wird, dessen Grösse gemessen wird und somit die tatsächliche Grösse des eigentlichen zu messenden Druckes darstellt.
Zur. Durchführung des Verfahrens be dient man sich zweckmässig einer Vorrich tung, die eine in einem horizontalen, zum Beispiel rechteckigen Rahmen verschieblieh angeordnete Platte aufweist, in welcher wenigstens eine quer zu der Platte ver schiebbare Messdose angeordnet ist, welche eine Feststellung der Grösse des auf die Be rührungsfläche ausgeübten Druckes an be liebigen Stellen ermöglicht,
wobei die Ein zeldrücke durch Ausschlag des Messorganes sichtbar werden und Mittel vorgesehen sind, um die untersuchten Stellen zu markieren.
Die Messdose kann dabei entweder in einer in .der verschieblichen Platte vorgesehenen drehbaren Scheibe oder in einem quer zu der verschieblichen Platte verschiebbaren Schlit ten angebracht sein, so dass auf jeden Fall die allseitige Verschiebbarkeit der Messdose ermöglicht ist.
Die Zeichnung veranschaulicht in. , bei spielsweiser Ausführungsform eine Vorrich tung zur Durchführung des Verfahrens ge mäss vorliegender Erfindung, und zwar zur bildlichen Darstellung der Druckverteilung eines menschlichen Fusses auf einer starren Unterlage.
Fig. 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Messvorrichtung mit :doppelter Messfläche, welche eine gleichzeitige Erfassung des Mess- bildesder Druckfeder beider Füsse eines Pa tienten ermöglicht: Fig. 2 zeigt das verwendete Messübertra- gungsorgan in vergrösserter Darstellung; Fig. 3 zeigt die graphische Auswertung der ermittelten Druckkurven;
Fig. 4 bis 7 verdeutlichen den Unter schied zwischen :den Ergebnissen der bekann ten Methoden und denjenigen gemäss Erfin dung; Fig. 4 zeigt ein Bild, das gewonnen wurde von einem Fuss nach dem Abdruck verfahren mittels Pauspapier; Fig. 5 verdeutlicht das neue Verfahren an einem Druckbild eines normalen Fusses; Fig. 6 zeigt das Druckbild eines schwe ren Plattfusses und Fig. 7 das Druckbild eines schweren Iilumphohlfusses, der die gegenteilige Defor mation eines Plattfusses in grossen Zügen darstellt.
Die gezeichnete Vorrichtung besitzt ge mäss Fig. 1 einen horizontalen Rahmen 1 aus Winkeleisen, :der auf einem Holzgestell 2 be festigt ist. Im Rahmen 1 sind nebeneinan- derhegend zwei vor- und rückwärts ver schiebbare Platten 3 angeordnet. In jede die ser Platten ist eine drehbare Scheibe 4 ein gelassen und in diese drehbare Scheibe wie- derum :
die zur Messung der hier vertikal nach unten .gerichteten Einzeldrücke die nende Messdose 5. Diese Anordnung der ein zelnen Teile gestattet, beide Füsse der glei chen Person dicht nebeneinander auf die bei den Platten 3 der Messvorrichtung zu stellen und sie unabhängig voneinander und gege benenfalls gleichzeitig zu messen, wobei jede :1lessdose 5 an jeden einzelnen Punkt der von ihr abzutastenden Druckfläche .gebracht wer den kann.
Die Oberfläühe der Messdwe 5, der Scheibe 4 und der Platte 3 liegen in einer Ebene. Über diese Ebene ist eine .dünne, unelastische Stofflage mit möglichst ge ringer Reibung, zum Beispiel ein glattes Papier 6 gespannt, auf das .der zu messende Körperteil, zum Beispiel der Fuss, gestellt wird und das verhindert, dass die Haut beim Verschieben der Platte 3 oder der Scheibe 4 mitgenommen und gezerrt wird.
Die .Span- nung des Papieres 6 erfolgt durch Aufrollen um @Stäbchen, .die mittels der Haltevorrich tung 7 fest mit dem Rahmen 1. verbunden sind. In :der Zeichnung ist bei :der :dem Be- schauer näher liegenden Hälfte des Mess- rahmens .das Papier weggelassen, um,die dar unter gelegenen Teile erkennen zu können.
Die Messdose 5, die nur einen kleinen Teil der unelastischen Fläche ausmacht, dient zur Messung :des Druckes an :den ver schiedenen Stellen der elastischen Fläche. Sie kann natürlich in mannigfacher Weise ausgebildet sein und die Messung in irgend einer bekannten Weise ermöglichen.
Der Ausschlag des Messorganes kann bei- spielsweise :durch ein Hebelsystem mecha nisch vergrössert und entweder direkt oder unter Vermittlung einer Spiegelmethode an gezeigt werden.
Er kann auch dazu benutzt werden, den Duftspalt in einem magne- tischen Kreis zu ändern, um mit Hilfe der so :erzeugten magnetischen Feldänderungen Induktionswirkungen zur Registrierung zu benützen. Statt dessen können elektrosta tische Kapazitätsänderungen bewirkt und in bekannter Weise zur Messgrundlage :gemacht werden.
Bei allen diesen Methoden findet eine, wenn auch nur sehr kleine Veränderung, bei- spielsweise ein Einsinken des in der Mess- dose angebrachten Messorganes statt, die im allgemeinen leicht unter %,o mm gehalten werden kann, so dass hierdurch eine Entstel lung ,des Messergebnisses praktisch nicht ein tritt.
Um eine annähernd vollkommen ein wandfreie Messung zu erhalten, kann man zum Beispiel einen durch Druck auf seine Fläche .sich elektrostatisch aufladenden Piezo- Quarzkristall verwenden, bei welchem die eintretenden Formveränderungen schon an der Grenze der Naehweisbarkeit sind.
Eine absolute Vermeidung des Einsinkens des Messorganes wird erreicht, wenn man durch eine abstufbare äussere -Gegenkraft die zu nächst am Messorgan ;durch den zu messenden Druck erzeugte Lage- oder Formänderung genau kompensiert und die hierzu nötige G#egen.kraft zur Grundlage der Messung macht.
In Fig. 2 ist ein Messübertragungsorgan dargestellt, bei welchem die Vergrösserung .des Ausschlages mittels der iSpiegelmethode erfolgt. Die Messdose 5 besteht aus der eigent lichen Membran 9, die von .dem ringförmi- gen Träger 8 gehalten wird.
Da nur der mittlere, höchstens 1 cm' umfassende Teil der Membran 9 bei Einwirkung eines äussern Druckes deformiert wird, ist es möglich, die Druckaufnahme punktw=eise durchzuführen, zumal der zur Übertragung der . Membran durchbiegung dienende Stab 10 nur mit seiner Spitze am Mittelpunkt ;der Membran 9 anliegt.
. In den Träger 8 ist das Rohr 14 von un ten eingeschraubt. Der auf dieses Rohr auf geschobene Rohrstutzen 13 kann sowohl ge dreht, als auch etwas in der Längsrichtung verschoben werden. Zu seiner Fixierung dient die seitlich angeordnete Feststell- schraube. Die Drehung des Rohres 13 be wirkt dabei eine Verschiebung des reflektier ten Lichtstrahls in der Horizontalen, die Längsverschiebung des Rohres 13 bewirkt eine Drehung der Spiegelachse und damit eine Vertikalverschiebung,
welche Verschie- bungen notwendig sind, um den Lichtstrahl auf die Nullage einstellen zu können.
In der Mitte der Membran 9 ist nach Fix. 2 ein senkrecht nach unten gerichteter Stab 10 gegen die Membran angedrückt, des sen freies unteres Ende ein kleines .Metall- plättchen 11 trägt. Parallel zu diesem im Abstand von etwa 0,4 mm befindet sich ein zweites Plättchen 12., das fest mit :
dem Rohr stutzen 13 verbunden ist. Zwischen die bei den Metallplättchen 11 und 12 wird waag- recht ein dünnes Stäbchen 15 geklemmt, an dessen einem Ende ein kleiner .Spiegel 15a befestigt ist.
Wenn nun bei. Durahbiegung der Mem bran 9 die beiden Plättchen 11 und 12 ge geneinander verschoben werden, wird das (Stäbchen 15 und damit auch,der Spiegel 15a gedreht. Ein Lichtstrahl, der auf den Spiegel fällt, wird entsprechend der Drehung abge lenkt. Er fällt auf eine mit einer Skala ver sehene Tafel 23 und kann .dort abgelesen werden.
Der Abstand der Skala 23 von der verschiebbaren Platte 3 soll nach Möglich keit konstant gehalten werden, um Verände rungen im -Übersetzungsverhältnis während des Messvorganges zu vermeiden.
Um ausser dem zu verhindern, dass der Lichtstrahl in folge der Verdrehung der Scheibe 4 beim Durchlaufen der verschiedenen Messlagen ins Freie fällt, ist durch einen Winkelhebel, des sen einer Arm 17a an dem Rohr 14 sitzt, während der andere Arm 17b durch einen Ringflansch an der Platte 3 befestigt ist, da für .gesorgt,
dass der durch den Spiegel 15a abgelenkte Strahl stets auf die Skala 23 fällt.
Als zweckmässig hat es sich erwiesen, die Messdose 5 derart mit einem Halter 16 zu verbinden, dass der an .diesem angebrachte Zeiger 1,8 stets auf die Mitte der Messdose weist.
Hierdurch kann man sich jederzeit über die Lage der Messdose orientieren, falls diese von -dem zu messenden Körperteil oder durch das aufgespannte Papier verdeckt ist. Der Halter 16 wird dabei vorteilhaft hoch klappbar ausgestaltet, um im Wege stehen- den Teilen, wie zum Beispiel dem Unterbein, nicht hinderlich zu sein.
Am Halter 16 ist ein federnder Arm 19 mit einer Nadel befestigt, welche somit ent sprecUend den Bewegungen :der Mess@dose 5 über einem auf dem Schemel '20 aufspann- baren Papierblatt entlang bewegt wird. Durch einen leichten Druck der Nadel wer den die einzelnen Stellungen der Messdose auf das Papier punktweise aufgezeichnet und jeder aufgezeichnete Punkt mit dem Zahlen- wert versehen, den die Ausschläge des Licht strahls auf der Skala 2,3 ergeben.
An Stelle dieser Durchführung des Mess- vorganges kann auch eine automatische Auf zeichnung erfolgen, indem man den Licht strahl auf einen Filmstreifen oder derglei chen wirft, so dass sich auf diesem entspre chend der stetig fortlaufenden Bewegung der Messdose unter der biessfläehe hinweg Drucklinien ergeben.
Um den zu messenden Körperteil in einer einmal eingenommenen Lage fixieren zu können, sind zum Beispiel bei der Druck messung eines Fusses vier Stäbe 21 vorge sehen, welche an den vier F.eken des Rah mens 1 befestigt und untereinander durch in der Zeichnung nicht näher dargestellte Querstangen verbunden sind.
In dieser Vor richtung kann der Körper der auf der Mess- fläche stehenden Person durch eine Holz platte, welche an Rücken und Gesäss anliegt, oder durch einen Beckenkorb mit gelenkig verbundenen Stäben in Stellung .gehalten -werden, wodurch wesentliche Veränderungen des Berührungsdruckes und der gegenseiti gen Lage der aneinanderliegenden Körper während des ganzen Messvorganges vermie den werden sollen.
Vor oder nach der eigentlichen Unter suchung .des Körperteils, zum Beispiel des Fusses, kann dieser noch geröntget werden, ahne :da-ss dieser seine Stellung ändern muss. Zu diesem Zweck wird durch einen seitlichen Schlitz 22 im Rahmen 1 eine lichtempfind- liche Schicht, zum Beispiel ein Röntgenfilm in die Platte 3 eingeschoben.
Um dabei die Korrespondenz zwischen dem Röntgenbild und dem Druckbild bei späterem Aufeinan- derlegendieser beiden zu erzielen, werden auf ihnen Fixpunkte markiert, beispielsweise durch Anbringung von. Fadenkreuzen auf der Scheibe 4, deren Lage sich einerseits auf dem Röntgenbild abzeichnet und anderseits mittels der am Arm 19 sitzenden Nadel auf dem Druckbild aufgezeichnet wird.
Wenn man die Druckfel.daufnahme nicht sler Röntgenaufnahme zeitlich unmittelbar vorangehen oder folgen lassen kann oder will, oder die Durchführung beider Auf nahmen in der gleichen Vorrichtung nicht möglich ist, wird an den zu untersuchenden Körper, zum Beispiel den Fuss, zweckmässig ein Winkel angelegt, durch den die Lage des Fusses eindeutig festgelegt ist,
sofern er diesen an drei Punkten berührt. Wenn dann bei der Röntgenaufnahme zu anderer Zeit und an anderem Ort der Fuss zusammen mit dem ebenso angelegten :Schienenwinkel auf genommen wird, so kann die Korrespondenz von Röntgenbild und Druckbild durch Ver mittlung des Winkelschattens oder beson derer Hilfsmarken im Winkel jederzeit ziem lich genau durchgeführt werden.
Die Messung und Darstellung der Druck- verteilung mittels der gezeichneten Vorrich tung wird nun in der Weise vorgenommen, dass die Messdose 5 von vorne nach rückwärts unter dem Fuss entlang gezogen wird; ent sprechend den, verschiedenen Drücken der Fusssohle erhält man eine Kurve, die .den je weiligen Druck der Fusssohle als Funktion auf der Messlinie angibt.
Durch seitliches Verschiebender biessdose 5 und Durchziehen der Messdose wieder von vorne nach rück wärts erhält man wiederum eine neue Mess- lin.ie. Es ist klar ersichtlich, dass auf diese Art und Weise jeder beliebige Punkt des Körperteils, welcher gemessen werden soll, abgetastet werden kann.
Verbindet mau nun die Punkte gleichen Druckes der verschiedenen Messlinien, so er hält man .gemäss Fig. 3 Linien :gleichen Druckes (Isobaren), wie .dies bei -der Her- stellung von Wetterkarten geschieht.
Nach Herstellung aller Linien .gleiehen Druckes ergibt das Gesamtbild eine Darstellung der Druckverteilung über der- ganzen Fusssohle. Die Feinheit des Druckbildes wird erhöht durch möglichst viele Messlinnen einerseits, und möglichst viele Isobaren anderseits.
Durch dieses Verfahren ist es somit mög lich, die Druckverteilung .des Fusses zu mes sen und darzustellen und die gefundenen Werte in einwandfreier Weise auf das zum Beispiel mittels einer Röntgenaufnahme er- mittelte Skelettbild des Fusses zu übertragen, wie dies beispielsweise in Fig. 3 verans.chau- licht ist.
Die Fig. 4 bis 7 veranschaulichen deut lich,den Unterschied zwischen den bekannten Methoden und der gemäss Anmeldung.
Fg. 4 zeigt ein Bild, das gewonnen wurde von einem Fuss nach. dem Abdruck verfahren mittels Pauspapier. Es ist hier lediglich die Gesamtkontaktfläche zu er kennen.
Fig. 5 zeigt bei einem normalen Fuss die Belastung im vordern Teil des Fusses und an der Ferse, während im Mittelfuss, im so- genannten Längsgewölbe, kaum eine Be lastung vorliegt.
Im vordern Teil des Fusses im Bereich des sogenannten Quergewölbes sieht man einen gleichmässigen Abfall des Druckes vom ersten Fussstrahl zum fünften Fussstrahl (metatarsus I-V).
Fig. 6 ist ein schwerer Plattfuss, bei dem bekanntlich das Längsgewölbe durchgesunken ist und bei dem als sekundäre Deformation fast immer ein Durchbruch des Quergewölbes auftritt.
Man sieht tatsächlich, dass die Partie zwischen Ferse und Vorfuss stark belastet ist, dass im Quergewölbe ,die sonst kaum be lastete -Stelle um den zweiten und dritten Fussstrahl stark belastet wird, also auch das vordere Quergewölbe durchgesunken ist.
Bei dem Klumpfuss gemäss Fig. 7 tritt der Patient fast nur mit Ferse und Aussen rand auf und belastet ganz besonders den fünften Strahl stark. Man sieht .dabei einen starken Abfall der Druckflächen im Aussen rand der Ferse und eine übermässig starke Belastung des fünften 'Strahls, der, wie aus dem Bild hervorgeht, fast die ganze Be- lastung des Vorfusses übernimmt.
Bei Vergleich des alten Bildes mit den neuen und anderseits der neuen Bilder unter einander geht einwandfrei und klar hervor, dass .durch das beschriebene Verfahren ein wesentlicher technischer Fortsohritt erreicht wird,
die ermittelten Druckbilder genau die Grösse und die Labe der einzelnen Drücke über .den gesamten Bereich des zu unter- suchenden Körpers erkennen lassen.