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EP0811364A2 - Verfahren zur Steuerung einer Streckliege mit Rückkopplung der Muskelaktivität - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Streckliege mit Rückkopplung der Muskelaktivität Download PDF

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EP0811364A2
EP0811364A2 EP97109211A EP97109211A EP0811364A2 EP 0811364 A2 EP0811364 A2 EP 0811364A2 EP 97109211 A EP97109211 A EP 97109211A EP 97109211 A EP97109211 A EP 97109211A EP 0811364 A2 EP0811364 A2 EP 0811364A2
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EP
European Patent Office
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treatment
patient
tensile force
data
force
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EP0811364A3 (de
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Nis Peter Boysen
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BOYSEN, NIS PETER
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H1/00—Apparatus for passive exercising; Vibrating apparatus; Chiropractic devices, e.g. body impacting devices, external devices for briefly extending or aligning unbroken bones
    • A61H1/02—Stretching or bending or torsioning apparatus for exercising
    • A61H1/0218—Drawing-out devices
    • A61H1/0222—Traction tables
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
    • A61H2230/08—Other bio-electrical signals

Definitions

  • stretchers for lumbar extraction is a recognized form of therapy in the treatment of various acute back ailments.
  • a stretching couch consists of two lying surfaces, where the second can be stored on rollers and moved along the longitudinal axis of the couch.
  • the patient is secured with a belt around the chest on the fixed lying surface.
  • a second belt is fastened around the patient's waist on the movable lying surface.
  • This belt is connected to a rope that is attached to a traction device (motor-driven rope drum) at the other end. After switching on the motor, the rope is slowly wound up and exerts a tensile force on the belt and thus on the patient's spine.
  • the cable drum can be equipped with a mechanical emergency coupling that can be triggered by the patient. ( DE OS 27 44 275 ).
  • the invention specified in claim 1 is based on the problem of ensuring the patient's cooperation with the treatment. In many cases, the patient contracts his back muscles reflexively or out of fear of the treatment and "fights" against the traction device, which leads to a lumbar contraction instead of the desired extraction and ultimately to increased pain and treatment failure.
  • the invention specified in claim 2 represents an alternative or supplement to the invention mentioned in claim 1. This invention is based on the trivial problem, which often occurs in practice, that the treatment must be stopped prematurely because of increased pain in the patient.
  • the advantages achieved with this invention consist in the fact that the patient received a certain control over the course of the treatment through his inputs and thus feels a better feeling of security, which ultimately increases the patient's motivation and cooperation again.
  • claim 3 An advantageous addition to the inventions is given in claim 3.
  • the display of muscle activity ensures that the patient is first made aware of this often unconscious activity.
  • the comprehensive patient information according to claim 3 again serves to increase the motivation and acceptance of the patient.
  • the recorded tensile force values can be stored together with the recorded values of muscle activity and pain intensity in time intervals during the entire course of the treatment. After completion of the treatment, this data can be displayed or printed out in tabular or graphic form (e.g. as curve diagrams).
  • This invention enables the course of treatment to be documented and thus creates a solid basis for planning further treatments. Furthermore, the collected data can form the basis for statistics that are intended to clarify the tendency or relationships between patient characteristics, pain sensation, traction and other treatment parameters.
  • the invention specified in claim 5 is based on the problem of determining an optimal feedback strategy for the inventions according to claims 1 and 2. With the integration of a neural network as specified in claim 5, a self-optimizing control is created and the problem is solved.
  • FIG. 2 An exemplary embodiment of a digital implementation of the invention is shown in FIG. 2 and is described in more detail below.
  • the feedback strategy contained here is only intended to illustrate the principle of feedback. Depending on the computing capacity, strategies of any complexity can be implemented in the control algorithm.
  • the muscle activity is fed back with the help of a four-channel EMG (ElektroMyoGraphie).
  • EMG ElektroMyoGraphie
  • Four surface electrodes measuring the voltages (approx. 1 mV) of the Glutaeus Maximus and Erector Spinae muscles are attached to the left and right at the height of L4.
  • the analog signal treatment takes place in an EMG amplifier where the signals are filtered and amplified.
  • the amplified signals are read in the control computer via A / D converters.
  • the digitized voltage values as a measure of the muscle activity in the four regions are queried cyclically (for example in 10 msec intervals).
  • the program can then monitor muscle activity. If an individual activity or the entire activity exceeds the threshold values specified by the doctor (El imit ), the program calculates a discount (dF EMG ) depending on the size of the exceedance (dF EMG ) on the theoretical target value of the pulling force.
  • Two pushbuttons are used as input medium for the pain intensity felt by the patient, which the patient holds in the left and right hand during the treatment and is operated with the thumb. Hereby he can enter the felt pain intensity before and during the treatment in the computer incrementally by pressing the right (increment) or left (decrement) button.
  • the patient's pain increments are also queried and summed up by the program and in the same cyclical process. If the pain intensity exceeds an adjustable threshold (slimit), the program calculates a discount (dF pain ) depending on the size of the exceeding (eg proportional) on the theoretical target value of the tensile force.
  • a discount dF pain
  • the theoretical target value of the tensile force (F theoretical ) is calculated in each cycle depending on the selected treatment mode (constant, increasing or intermittent force) as well as the set parameters (minimum and maximum force, interval time and total time). After that, the currently calculated discounts are subtracted and the current target value of the tensile force is obtained.
  • a conventional control loop controls the motor energy on the basis of the calculated setpoint and the actual value of the tensile force measured with the aid of a force converter.
  • the program saves e.g. every 100 cycles all recorded and calculated values in a database built for this purpose.
  • control computer can be equipped with a modem in a pilot phase in order to enable the data to be transmitted to a central computer.
  • data can then serve as training sets for a neural network.
  • the control program itself is to be constructed in such a modular manner that the data processing of the feedback signals in the core functionality (see FIG. 2) can be exchanged with a neural network as soon as a satisfactory neural network is trained on the central computer.

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Abstract

Verfahren zur Steuerung einer therapeutischen Streckliege für die lumbare Extraktion von Patienten, wo die Steuerung auf die Rückkopplung der Muskelaktivität und der Schmerzintensität basiert. Weiter umfaßt die Steuerung eine Patienteninformationsmodul worüber der Patient laufend über dem Behandlungsverlauf informiert wird. Schließlich kann mit Hilfe eines neuralen Netzwerks die Behandlungsverläufe laufend optimiert werden. <IMAGE>

Description

  • Verfahren zur Steuerung einer Streckliege mit Rückkopplung der Muskelaktivität.
    • Stand der Technik
  • Der Einsatz von Streckliegen zur lumbaren Extraction ist eine anerkannte Therapieform in der Behandlung von diversen akuten Rückenleiden. Eine Streckliege besteht im Prinzip aus zwei Liegeflächen, wo die zweite auf Rollen gelagert und entlang der Längsachse der Liege verschoben werden kann. Der Patient wird mit einem Gurt um die Brust auf der feststehenden Liegefläche fixiert. Ein zweites Gurt auf der beweglichen Liegefläche wird um die Hüfte des Patients befestigt. Dieser Gurt ist mit einem Seil verbunden, das am anderen Ende an einer Zugvorrichtung (motorbetriebener Seiltrommel) befestigt ist. Nach dem Einschalten des Motors, wird das Seil langsam aufgewickelt und übt dadurch eine Zugkraft auf das Gurt und dadurch auf die Wirbelsäule des Patients aus.
  • Um die Zugkraft zu steuern, werden elektronische Steuerungen (DE OS 28 31 405 und DE PS 31 34 999) eingesetzt, die die Behandlungsmodi "konstanter Zugkraft", "stetig steigender Zugkraft" und "intermittierender Zugkraft" unterstützt und je nach Modus die Einstellung von minimaler und maximaler Zugkraft, Intervalzeit und Gesamtzeit ermöglicht. Der Behandler stellt diese Parameter gemäß seiner Einschätzung über Alter, Gewicht und Schmerzintensität des Patients ein, bevor er den Motor einschaltet. Durch diese Einstellungen ist die Soll-Zugkraft für die Behandlungsdauer vorprogrammiert. Während der Behandlung wird mit Hilfe eines z.B. im Seil angebrachten Druckwandlers die Ist-Kraft gemessen und der Motor im Soll-Ist-Vergleichsverfahren geregelt.
  • Als Sicherheitsvorkehrung kann die Seiltrommel mit einer mechanischen Notkupplung versehen werden, die vom Patient ausgelöst werden kann. (DE OS 27 44 275).
    • Problem und Lösung
  • Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Kooperation des Patients mit der Behandlung zu sichern. In viele Fällen kontrahiert der Patient reflektorisch oder aus Angst vor der Behandlung sein Rückenmuskulatur und "kämpft" gegen die Zugvorrichtung, was zu einer lumbaren Kontraktion anstatt die angestrebte Extraktion führt und letztendlich zu verstärkten Schmerzen und zum Scheitern der Behandlung.
  • Dieses Problem wird durch die im Anspruch 1 angeführte automatische negative Rückkopplung der Muskelaktivität und die damit verbundene Senkung der Zugkraft gelöst, indem die physikalische Entlastung sowie die spürbare Nachgiebigkeit des Motors dem Patient zur Beruhigung und Entspannung verhilft. Sobald die Muskelaktivität nachläßt wird die Behandlung gemäß dem gewählten Behandlungsmodus und den eingestellten Parameter fortgeführt.
  • Die mit dieser Erfindung erzielte Vorteile bestehen darin, daß die lumbare Extraktion in mehr Fällen und unter weniger Schmerzen gelingen wird; daß weniger Behandlungen unterbrochen werden müssen und daß die Behandlungsakzeptanz und die Kooperation des Patients im Allgemein gesteigert werden, wodurch diese preisgünstige und risikoarme Behandlungsmethode vermehrt eingesetzt werden kann.
  • Die in Patentanspruch 2 angegebenen Erfindung stellt eine Alternative oder Ergänzung zu der im Anspruch 1 genannte Erfindung da. Dieser Erfindung liegt das triviale aber in Praxis oft auftretende Problem zu Grunde, daß die Behandlung wegen erhöhten Schmerzten des Patients vorzeitig abgebrochen werden muß.
  • Dieses Problem wird durch die im Anspruch 2 aufgeführte Anpassung der Zugkraft nach unten (negative Rückkopplung) und/oder Anpassung des zeitlichen Ablaufs gelöst, wie z.B. Bremsen oder Hinauszögern eines Kraftanstiegs oder Verkürzung der Haltezeit der Maximalkraft bei intermittierende Zugkraft, so daß eine Schmerzlindernde Entlastung bzw. Pause sich ergibt.
  • Die mit dieser Erfindung erzielte Vorteile bestehen neben der bereits oben genannten Vorteile der ersten Erfindung darin, daß der Patient durch seine Eingaben eine gewisse Kontrolle über dem Behandlungsverlauf erhielt und dadurch eine bessere Sicherheitsgefühl empfindet, die schließlich die Motivation und die Kooperation des Patients nochmals erhöht.
  • Eine vorteilhafte Ergänzung der Erfindungen ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Anzeige der Muskelaktivität sichert, daß der Patient auf diese oft unbewußte Aktivität erst aufmerksam gemacht wird. Außerdem dient die umfassende Patienteninformation nach Patentanspruch 3 nochmals zur Erhöhung der Motivation und der Akzeptanz des Patients.
  • Eine weitere Ergänzung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. In der rechnerbasierten Steuerung können die erfaßten Zugkraftwerte zusammen mit den erfaßten Werten der Muskelaktivität und der Schmerzintensität in äkvidistante Zeitabschnitte während des gesamten Behandlungsverlauf gespeichert werden. Nach Abschluß der Behandlung können diese Daten in tabellarischer oder grafischer Form (z.B. als Kurvendiagramme) dargestellt oder ausgedruckt werden.
  • Diese Erfindung ermöglicht die Dokumentation der Behandlungsverläufe und schafft somit eine solide Grundlage für die Planung weitere Behandlungen. Ferner können die angesammelten Daten die Grundlage für Statistiken bilden, die Tendenz oder Zusammenhänge zwischen Patientenmerkmale, Schmerzempfinden, Zugkraft und weitere Behandlungsparameter aufklären sollen.
  • Der im Patentanspruch 5 angegebenen Erfindung liegt das Problem der Ermittlung einer optimale Rückkopplungsstrategie für die Erfindungen gemäß Anspruch 1 und 2 zur Grunde. Mit der Integration eines neuralen Netzes wie im Patentanspruch 5 angegeben ist eine selbstoptimierende Steuerung geschaffen und das Problem gelöst.
    • Technische Ausführung
  • Ein Ausführungsbeispiel einer digitalen Implementierung der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die hierin enthaltene Rückkopplungsstrategie soll nur das Prinzip der Rückkopplung anschaulich machen. Je nach Rechnerkapazität können beliebig komplizierte Strategien in der Steueralgoritme implementiert werden.
  • Die Rückkopplung der Muskelaktivität erfolgt mit Hilfe einer Vierkanal-EMG (ElektroMyoGraphie). Es werden vier Oberfläche-Elektroden, die Spannungen (ca. 1 mV) von Musculus Glutaeus Maximus und Musculus Erector Spinae messen, werden links und rechts in der Höhe von L4 angebracht. Die analoge Signalbehandlung erfolgt in einem EMG-Verstärker wo die Signale gefiltert und verstärkt werden.
  • Die Verstärkte Signale werden über A/D-Wandlern im Steuerrechner eingelesen. Im Steuerrechner werden die digitalisierte Spannungswerte als Maße für die Muskelaktivität in der vier Regionen vom Steuerprogramm zyklisch (z.B. in 10 msek. Takt) abgefragt. Es können dann vom Programm die Muskelaktivitäten überwacht werden. Überschreitet eine individuelle oder die gesamte Aktivität den vom Arzt vorgegebene Schwellwerten (Elimit), berechnet das Programm einen von der Größe der Überschreitung (z.B. proportional) abhängigen Abschlag (dFEMG) auf dem theoretischen Sollwert der Zugkraft.
  • Als Eingabemedium für die vom Patient gefühlte Schmerzintensität werden zwei Drucktaster verwendet, die der Patient im linken und rechten Hand währende der Behandlung hält und mit den Daumen bedient. Hiermit kann er durch Betätigung der rechten (Inkrement) bzw. linken (Dekrement) Taster die gefühlte Schmerzintensität vor und während der Behandlung im Rechner inkremential eingeben.
  • Die Schmerzinkremente des Patients werden ebenfalls vom Programm und im gleichen Zyklischen Verfahren abgefragt und aufsummiert. Überschreitet die Schmerzintensität eine einstellbare Schwellwert (Slimit), dann berechnet das Programm ein von der Größe der Überschreitung (z.B. proportional) abhängigen Abschlag (dFSchmerz) auf dem theoretischen Sollwert der Zugkraft.
  • Der theoretische Sollwert der Zugkraft (Ftheoretisch) wird in jedem Zyklus in Abhängigkeit der gewählten Behandlungsmodus (konstante, steigende oder intermittierende Kraft) sowie der eingestellten Parameter (Minimal- und Maximalkraft, Intervalzeit und Gesamtzeit) berechnet. Danach werden die aktuell berechnete Abschläge abgezogen und es ergibt sich der aktuelle Sollwert der Zugkraft. Eine konventionelle Reglerschleife steuert die Motorenergie auf Basis des berechneten Sollwertes und des mit Hilfe eines Kraftwandlers gemessenen Istwertes der Zugkraft.
  • Der Patient bekommt auf einem Bildschirm folgende Informationen angezeigt:
    • Graphische Darstellung (Säulendiagramm) der Muskelaktivität für alle vier Kanäle
    • Darstellung der Schmerzintensität auf einem VAS (Visual Analog Scale) von 0 bis 10, wo 0 Schmerzfreiheit und 10 Schmerzmaximum entspricht.
    • Darstellung der Behandlungsparameter (Patientendaten, Behandlungsmodus, Maximalkraft, usw.)
    • Darstellung des Behandlungsverlaufs (aktuelle Zugkraft (in Kg), aktuelle Zeit, verbleibende Zeit, usw.)
  • Das Programm speichert z.B. alle 100 Takten alle erfaßten und berechneten Werte in eine hierfür aufgebaute Datenbank.
  • Mit Hinblick auf das Trainieren eines neuralen Netzwerk kann der Steuerrechner in einer Pilotphase mit einem Modem ausgerüstet werden um die Übertragung der Daten zu einem Zentralrechner zu ermöglichen. Auf diesem Zentralrechner können die Daten dann als Trainingssätze für ein neurales Netzwerk dienen.
  • Das Steuerprogramm selbst soll so modular aufgebaut werden, daß die Datenverarbeitung der Rückkopplungssignale in der Kernfunktionalität (siehe Fig. 2) mit einem neuralen Netzwerk ausgetauscht werden kann, sobald auf dem Zentralrechner ein zufriedenstellendes neurales Netzwerk auftrainiert werden wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Steuerung des Motorantriebs einer Streckliege für die lumbare Extraktion, womit die Zugkraft und der zeitlichen Ablauf in Übereinstimmung mit dem ausgewählten Behandlungsmodus und der eingestellten Parametern gesteuert werden und
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Muskelaktivität im Rücken des Patients laufend erfaßt wird und die Erfassung dazu genutzt wird, den Zugkraft-Sollwert nach voreinstellbaren Kriterien an der Muskelaktivität dynamisch und automatisch anzupassen, so daß eine augenblickliche vorübergehende Senkung der Zugkraft bei starker Muskelaktivität erfolgt. (negative Rückkopplung).
  2. Verfahren zur Steuerung des Motorantriebs einer Streckliege für die lumbare Extraktion, womit die Zugkraft und der zeitlichen Ablauf in Übereinstimmung mit dem ausgewählten Behandlungsmodus und der eingestellten Parametern gesteuert werden und
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Steuerung eine Eingabegerät umfaßt, worüber der Patient vor und während der Behandlung seine subjektiv gefühlte Schmerzintensität eingeben kann. Die Eingabe dient in der Steuerung dazu, den Zugkraft-Sollwert und/oder die Zugzeit nach voreinstellbaren Kriterien an der Schmerzintensität dynamisch und automatisch anzupassen. Die Anpassung besteht je nach Behandlungsmodus in a) der Senkung der Zugkraft, b) das Hinauszögern und/oder c) Bremsen des weiteren Kraftanstiegs oder in d) die Verkürzung der Haltezeit der Maximalkraft bei intermittierender Zugkraft.
  3. Steuerung nach Patentanspruch 1 und 2
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie eine Schnittstelle zum Patient umfaßt, womit der Patient über seine Muskelaktivität und eingegebene Schmerzintensität sowie über dem Verlauf der Behandlung laufend informiert wird. Hierzu zählt die angezielte sowie die aktuelle Zugkraft, die verlaufene sowie die verbleibene Behandlungszeit.
  4. Steuerung nach Patentanspruch 1 und 2
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie auf einem Rechner basiert, der die gesamte Daten einer Behandlung (Voreinstellungen sowie laufende Zugkraft und Rückkopplungsdaten) tabellarisch und grafisch darstellen kann sowie auf Papier für die Behandlungsdokumentation ausdrucken kann. Weiter erfolgt die datentechnische Archivierung der Daten, mit Hinblick auf dem Heranziehen zur Unterstützung bei der Behandlungsplanung bei späteren Behandlungen oder für die statistische Auswertung von Behandlungsverläufe.
  5. Steuerung nach Patentanspruch 1, 2 und 4
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie ein selbstlernende künstliche neurale Netz umfaßt, das die Zugkraft-Sollwerte auf Basis voreingestellter Patientendaten, Daten aus eventuellen früheren Behandlungen des Patient und der laufenden Rückkopplungen ermittelt. Das neurale Netz erkennt verschiedene Muster in den Rückkopplungen und ist in der Lage die Zugkraft frühzeitig und immer besser anzupassen.
EP97109211A 1996-06-05 1997-06-05 Verfahren zur Steuerung einer Streckliege mit Rückkopplung der Muskelaktivität Withdrawn EP0811364A3 (de)

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