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Messung und Analyse elektrischer Signale in der Elektromedizin mit detaillierter Betrachtung der physiologischen Muskelerregung

Kimmich, Peter (2000):
Messung und Analyse elektrischer Signale in der Elektromedizin mit detaillierter Betrachtung der physiologischen Muskelerregung.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

Durch die koordinierte Aktivierung von Nerven- und Muskelzellen entstehen im menschlichen Körper elektrische Felder, die an der Körperoberfläche ein meßbares Potential erzeugen. Je nach Ort der Ableitung des Potentials können durch eine zeitabhängige Spanungsaufzeichnung Rückschlüsse auf die Funktionstüchtigkeit unterschiedlicher Organe gezogen werden.

Im umgekehrten Sinn können Nerven- und Muskelzellen durch ein elektrisches Signal aktiviert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Beine einer querschnittgelähmten Probandin durch ein elektrisches Signal künstlich zur Kontraktion geführt. Dafür steht ein fahrradartiger Versuchsaufbau zur Verfügung, in dem die Kniestrecker und Kniebeuger der Probandin zeitlich so stimuliert werden, daß daraus eine Fahrradfahrbewegung entsteht.

Die anschließend durchgeführte Optimierungsanalyse des Versuchsaufbaus liefert Lösungsvorschläge zur Wirkungsgradsteigerung des elektrisch stimulierten Fahrradfahrens. Durch die Stimulation der Kniestrecker und Kniebeuger entsteht eine Tretbewegung, bei der ca. 30% der Pedalkraft wirkungslos ist. Zusätzliches Einbeziehen der Waden- und Schienbeinmuskulatur reduziert diese Verluste.

Durch die Wahl der optimalen Tretfrequenz wird der Wirkungsgrad des menschlichen Stoffwechsels verbessert. Da die Tretfrequenz von der mechanischen Leistung und der Tretkraft abhängt, wird eine Tretfrequenzregelung empfohlen, die diese Parameter berücksichtigt. Zur Erhöhung der Sicherheit im Versuchsaufbau, wird die Ergänzung einer Muskelermüdungsmessung empfohlen, in der ständig die Pedalkraft mit dem Stimulationssignal verglichen wird. Nimmt das Verhältnis von Pedalkraft zu Stimulationssignal ab, wird auf eine Muskelermüdung geschlossen. Zusätzlich wird eine Abbremsvorrichtung vorgeschlagen, die entscheidet ob ein Not- oder Abbremsvorgang vorliegt. Bei einer Notbremsung, wird der Stimulationsprozeß unterbrochen, bei einer Abbremsung wird das Stimulationssignal entsprechend zurückgeregelt. Zur Stimulation der Muskulatur wird ein Sinusstrom benutzt, der ständig zwischen 5 und 10 kHz durchgewobbelt wird. Dieses Signal führt zu einer raschen Ermüdung der gereizten Muskulatur. Durch die Verwendung rechteckförmiger Reizpulse, die im Frequenzbereich 1-150 Hz einstellbar sind, kann die Muskelermüdung aufgehoben werden. Die in der Optimierungsanalyse dargestellten Lösungsansätze werden in einem Optimierungskonzept zusammengefaßt.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2000
Creators: Kimmich, Peter
Title: Messung und Analyse elektrischer Signale in der Elektromedizin mit detaillierter Betrachtung der physiologischen Muskelerregung
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

Durch die koordinierte Aktivierung von Nerven- und Muskelzellen entstehen im menschlichen Körper elektrische Felder, die an der Körperoberfläche ein meßbares Potential erzeugen. Je nach Ort der Ableitung des Potentials können durch eine zeitabhängige Spanungsaufzeichnung Rückschlüsse auf die Funktionstüchtigkeit unterschiedlicher Organe gezogen werden.

Im umgekehrten Sinn können Nerven- und Muskelzellen durch ein elektrisches Signal aktiviert werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Beine einer querschnittgelähmten Probandin durch ein elektrisches Signal künstlich zur Kontraktion geführt. Dafür steht ein fahrradartiger Versuchsaufbau zur Verfügung, in dem die Kniestrecker und Kniebeuger der Probandin zeitlich so stimuliert werden, daß daraus eine Fahrradfahrbewegung entsteht.

Die anschließend durchgeführte Optimierungsanalyse des Versuchsaufbaus liefert Lösungsvorschläge zur Wirkungsgradsteigerung des elektrisch stimulierten Fahrradfahrens. Durch die Stimulation der Kniestrecker und Kniebeuger entsteht eine Tretbewegung, bei der ca. 30% der Pedalkraft wirkungslos ist. Zusätzliches Einbeziehen der Waden- und Schienbeinmuskulatur reduziert diese Verluste.

Durch die Wahl der optimalen Tretfrequenz wird der Wirkungsgrad des menschlichen Stoffwechsels verbessert. Da die Tretfrequenz von der mechanischen Leistung und der Tretkraft abhängt, wird eine Tretfrequenzregelung empfohlen, die diese Parameter berücksichtigt. Zur Erhöhung der Sicherheit im Versuchsaufbau, wird die Ergänzung einer Muskelermüdungsmessung empfohlen, in der ständig die Pedalkraft mit dem Stimulationssignal verglichen wird. Nimmt das Verhältnis von Pedalkraft zu Stimulationssignal ab, wird auf eine Muskelermüdung geschlossen. Zusätzlich wird eine Abbremsvorrichtung vorgeschlagen, die entscheidet ob ein Not- oder Abbremsvorgang vorliegt. Bei einer Notbremsung, wird der Stimulationsprozeß unterbrochen, bei einer Abbremsung wird das Stimulationssignal entsprechend zurückgeregelt. Zur Stimulation der Muskulatur wird ein Sinusstrom benutzt, der ständig zwischen 5 und 10 kHz durchgewobbelt wird. Dieses Signal führt zu einer raschen Ermüdung der gereizten Muskulatur. Durch die Verwendung rechteckförmiger Reizpulse, die im Frequenzbereich 1-150 Hz einstellbar sind, kann die Muskelermüdung aufgehoben werden. Die in der Optimierungsanalyse dargestellten Lösungsansätze werden in einem Optimierungskonzept zusammengefaßt.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Elektroenzephalogramm EEG, Elektrokardiogramm EKG, Elektromyogramm EMG, Elektrostimulation funktional, Fahrradfahren Trettechnik, Sensorik Medizintechnik
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 08 Sep 2011 16:53
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1455

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 06-04-1999

Ende Datum: 11-12-1999

Querverweis: keiner

Studiengang: Wirtschaftsingenieur Elektrotechnik (WI-ET)

Vertiefungsrichtung: Elektromechanische Konstruktionen (EMK)

Abschluss: Diplom (WiET)

Identification Number: 17/24 EMKS 1455
Referees: Zahout-Heil, Dipl.-Ing. Carsten and Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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