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Sensorsystem zur Erfassung der Oberschenkelmuskelaktivität von Nutzern einer Kniegelenk-Orthese

Koch, Nicole :
Sensorsystem zur Erfassung der Oberschenkelmuskelaktivität von Nutzern einer Kniegelenk-Orthese.
TU Darmstadt, Institut EMK, FG MuST
[Bachelorarbeit], (2014)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Rahmen des Projekts "Adaptive Orthese" am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt, wird an einem Verfahren zur Messung von Muskelaktivität geforscht. Aus dieser Information soll der Bewegungswunsch des Nutzers abgeleitet werden, um die Orthese zu steuern. In dieser Arbeit werden die biomechanischen Vorgänge, die während der Kontraktion des Quadrizeps ablaufen, aus der Literatur abgeleitet. Darauf aufbauend wird ein Sensorsystem entwickelt, das die Aktivität der Oberschenkelmuskulatur beim Aufstehen von einem Stuhl messtechnisch erfassen kann.Charakteristisch für die Aufstehbewegung ist die Aktivierung des Musculus quadriceps femoris, dem vierköpfigen Oberschenkelmuskel. Im Fokus zur Messung der Muskelaktivität stehen die beiden elektromechanischen Verfahren Sonomyographie und Mechanomyographie. Die Sonomyographie misst die Querschnittsflächenänderung des Muskels während der Kontraktion. Die Mechanomyographie erfasst die intramuskulären Vibrationen der Muskelfasern bei der Kontraktion.Der Fokus wird auf die Mechanomyographie gelegt, aufgrund der niedrigen Kosten und dem geringen Aufwand der Signalverarbeitung. Zur Messung der Vibrationen auf der Hautoberfläche wird ein dreiachsiger kapazitiver Beschleunigungssensor ausgewählt. Sie sind klein, leicht und lassen sich einfach applizieren, was gerade für ältere Nutzer eine wichtige Anforderung darstellt. Zum Nachweis der Tauglichkeit des Systems werden verschiedene Messungen an Probanden durchgeführt. Bei der Messung unter isometrischen Bedingungen, d.h. bei angespannter Muskulatur aber ohne Bewegung der Knochen, konnten die muskulären Vibrationen nachgewiesen werden und so die Tauglichkeit des Beschleunigungssensors zur Messung von Muskelaktivität nachgewiesen werden. In weiteren Versuchen beim Aufstehen aus dem Sitzen, werden die Signale des Beschleunigungssensors zusammen mit zwei weiteren Muskelaktivitätssensoren aufgezeichnet und die Signale auf Übereinstimmungen überprüft. Durch eine Bandpassfilterung werden die Störeinflüsse durch Gravitation und Muskelbewegung erfolgreich eliminiert. Am aussagekräftigsten stellen sich die Oszillationen, die in z-Richtung also der Achse senkrecht zur Hautoberfläche erfasst werden, heraus. Derzeit treten noch Störungsimpulse im Signal der Tests mit Orthese auf. Deren Ursache wird in der Orthesenaktorik vermutet, da die Störungen in den Untersuchungen ohne Orthese nicht auftreten. Eine Störgrößenkompensation durch einen zweiten Beschleunigungssensor zeigte im Rahmen dieser Arbeit noch keine Besserung. Sobald die Störeinflüsse behoben sind, eignet sich das Verfahren zur Erfassung der Aktivität der kniestreckenden Oberschenkelmuskulatur und die Signale können zur Regelung der Orthese genutzt werden.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2014
Autor(en): Koch, Nicole
Titel: Sensorsystem zur Erfassung der Oberschenkelmuskelaktivität von Nutzern einer Kniegelenk-Orthese
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Im Rahmen des Projekts "Adaptive Orthese" am Institut für Elektromechanische Konstruktionen der Technischen Universität Darmstadt, wird an einem Verfahren zur Messung von Muskelaktivität geforscht. Aus dieser Information soll der Bewegungswunsch des Nutzers abgeleitet werden, um die Orthese zu steuern. In dieser Arbeit werden die biomechanischen Vorgänge, die während der Kontraktion des Quadrizeps ablaufen, aus der Literatur abgeleitet. Darauf aufbauend wird ein Sensorsystem entwickelt, das die Aktivität der Oberschenkelmuskulatur beim Aufstehen von einem Stuhl messtechnisch erfassen kann.Charakteristisch für die Aufstehbewegung ist die Aktivierung des Musculus quadriceps femoris, dem vierköpfigen Oberschenkelmuskel. Im Fokus zur Messung der Muskelaktivität stehen die beiden elektromechanischen Verfahren Sonomyographie und Mechanomyographie. Die Sonomyographie misst die Querschnittsflächenänderung des Muskels während der Kontraktion. Die Mechanomyographie erfasst die intramuskulären Vibrationen der Muskelfasern bei der Kontraktion.Der Fokus wird auf die Mechanomyographie gelegt, aufgrund der niedrigen Kosten und dem geringen Aufwand der Signalverarbeitung. Zur Messung der Vibrationen auf der Hautoberfläche wird ein dreiachsiger kapazitiver Beschleunigungssensor ausgewählt. Sie sind klein, leicht und lassen sich einfach applizieren, was gerade für ältere Nutzer eine wichtige Anforderung darstellt. Zum Nachweis der Tauglichkeit des Systems werden verschiedene Messungen an Probanden durchgeführt. Bei der Messung unter isometrischen Bedingungen, d.h. bei angespannter Muskulatur aber ohne Bewegung der Knochen, konnten die muskulären Vibrationen nachgewiesen werden und so die Tauglichkeit des Beschleunigungssensors zur Messung von Muskelaktivität nachgewiesen werden. In weiteren Versuchen beim Aufstehen aus dem Sitzen, werden die Signale des Beschleunigungssensors zusammen mit zwei weiteren Muskelaktivitätssensoren aufgezeichnet und die Signale auf Übereinstimmungen überprüft. Durch eine Bandpassfilterung werden die Störeinflüsse durch Gravitation und Muskelbewegung erfolgreich eliminiert. Am aussagekräftigsten stellen sich die Oszillationen, die in z-Richtung also der Achse senkrecht zur Hautoberfläche erfasst werden, heraus. Derzeit treten noch Störungsimpulse im Signal der Tests mit Orthese auf. Deren Ursache wird in der Orthesenaktorik vermutet, da die Störungen in den Untersuchungen ohne Orthese nicht auftreten. Eine Störgrößenkompensation durch einen zweiten Beschleunigungssensor zeigte im Rahmen dieser Arbeit noch keine Besserung. Sobald die Störeinflüsse behoben sind, eignet sich das Verfahren zur Erfassung der Aktivität der kniestreckenden Oberschenkelmuskulatur und die Signale können zur Regelung der Orthese genutzt werden.

Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Beschleunigungsaufnehmer Schwingungsmessung mechanisch Elektromyogramm EMG Bionisches Exoskelett Bewegungsanalyse Ultraschall Laufzeitmessung
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 11 Jun 2014 06:07
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKX xxxx X: S=Studienarbeit, D=Diplomarbeit, B=Bachelorarbeit, M=Masterarbeit, xxxx: Laufende Nummer

Art der Arbeit: Bachelor- oder Masterarbeit

Beginn Datum: 01-11-13

Ende Datum: 31-03-14

ID-Nummer: 17/24 EMK B1847
Gutachter / Prüfer: Werthschützky, Prof. Roland
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