DE102008038234A1

DE102008038234A1 - Sensor zur Messung der Muskelanspannung mit Kompensationsfunktion

Info

Publication number: DE102008038234A1
Application number: DE102008038234A
Authority: DE
Inventors: Heinz Anton Dr. Selic; Stefan Wöstefeld
Original assignee: Selic Heinz A Dr
Current assignee: Selic Heinz A Dr
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-08-18
Publication date: 2009-07-02

Abstract

Sensor zur Messung der Muskelanspannung im Training mittels eines Druckfühlers, wobei der Sensor imstande ist, den Einfluss des Fettbelags des Körpers auf die Messung durch einen Einstellmechanismus zu unterdrücken.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Sensor zur Messung der Muskelanspannung mit Kompensationsfunktion, der imstande ist, den Einfluss einer Fettschicht über den Muskeln bei der Messung zu kompensieren.
Bei medizinisch-technischen Behandlungen eines physiotherapeutischen Instituts oder auch eines Fitnesscenters wird ein Patient oftmals angewiesen, spezielle Bewegungsabläufe durchzuführen, um auf diese Weise bestimmte Muskeln oder Muskelgruppen zu trainieren oder zu unterdrücken.
Alle physiotherapeutischen Hilfen erleben immer wieder dasselbe: der Patient bewegt sich korrekt, solange der Therapeut daneben sitzt, wenn der Therapeut jedoch seinen Platz verlässt, bewegt sich der Patient wieder in seiner gewohnten hergebrachten Weise oder verändert seine Haltung. Moderne Trainingstherapien fordern vor allem das Training des Zusammenspiels vieler unterschiedlicher Muskelgruppen bei der Ausführung einer Bewegung. Hierbei sollen auch Muskeln aktiviert werden, die nicht direkt an der Bewegung beteiligt sind, z. B. sollen beim Pressen einer Brustpresse sollen auch zusätzlich Rückenmuskeln wie Erector Spinae, Multifidi, Bauchmuskulatur, Gesäßmuskulatur, Beckenbodenmuskulatur aktiviert sein, obwohl diese Muskelgruppen nicht direkt an der Bewegung beteiligt sind.
Präzise Messungen der Muskelanspannungen sind jedoch nicht einfach durchführbar, weil die über den Muskeln liegende Fettschicht diese Messung verfälscht.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwindet und zur Überwachung von Patienten eine effektive Messung der Muskelanspannung ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen Sensor zur Messung der Muskelanspannung mit Kompensationsfunktion nach Anspruch 1 gelöst, bei dem die Messung mit einem Druckfühler (Manometer) durchgeführt wird, wobei durch einen Einstellmechanismus der Anfangsdruck des Sensors auf den Körper eingestellt werden kann.
Diese Druckfühler sind bevorzugt der Gruppe der Piezoelemente, insbesondere Piezokristalle oder Piezokeramiken, Rohrfeder-Manometer, Barometer, Ringwaagen, Diffe renzdrucksensoren, Dehnungsmessstreifen und Druckwaagen entnommen. Besonders bevorzugt werden dabei Piezoelemente verwendet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Sensor zur Messung der Muskelanspannung aus einer Außenhülle und einem zur Außenhülle beweglich angeordneten Druckkörper. Des weiteren befindet sich in der Außenhülle ein Gegendruckkörper. Der Druckfühler ist dabei so zwischen Druckkörper und Gegendruckkörper angeordnet, dass ein Druck auf den Druckkörper gegen den Gegendruckkörper ein Signal im Druckfühler erzeugt.
Im Folgenden wird als Druckfühler nur noch ein Piezoelement betrachtet, jedoch sind anstelle eines Piezoelements auch beliebige andere Druckfühler verwendbar.
Der Sensor wird dabei mit Halteelementen relativ zum Körper fest positioniert. Halteelemente sind z. B. Bänder, spezielle Textilien, Manschetten oder sonstige Halterungen. Der Sensor kann aber auch auf einer Unterlage, z. B. einer Liege, fest montiert sein und in dieser Position durch einen auf ihm stehenden, sitzenden oder liegenden Körper belastet werden. Das Halteelement ist also in diesem Fall die Unterlage. Dabei ist der Sensor mit seiner Außenhülle an dem Halteelement befestigt und berührt mit seinem Druckkörper den menschlichen Körper.
Bei einer solchen festen Positionierung erzeugt eine Anspannung der Muskeln des Körpers ein Signal in dem Druckfühler in Abhängigkeit vom wirkenden Druck bzw. der durch die Anspannung entstehenden Druckänderung. Im Falle des bevorzugten Druckfühlers, des Piezoelements, ist dieses Signal eine Spannung. Diese Spannung ist dabei abhängig von dem auf das Piezoelement wirkenden Druck und kann mit Spannungsmessgeräten gemessen werden.
Der Gegendruckkörper kann sowohl fest als auch verschiebbar in der Außenhülle angeordnet sein, solange bei Einwirkung einer äußeren Kraft auf den Druckkörper durch den Gegendruckkörper ein Gegendruck auf den Druckkörper ausgeübt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Einstellmechanismus aus Kompensationselementen, die in der Außenhülle angeordnet sind und eine Kraft auf den Gegendruckkörper in Richtung des Druckkörpers ausüben können. Im Allgemeinen wird durch eine Verstellung dieser Kompensationselemente die Länge des Sensors verän dert, damit dieser in die Fettschicht hineindrücken kann. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des Sensors sind diese Kompensationselemente elastisch ausgestaltet. Insbesondere enthalten die Kompensationselemente Federn, Kammern mit Gelen, Flüssigkeiten oder Gasen oder elastische Kunststoffe wie z. B. Schäume oder Gummi.
Bei weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen bestehen diese Kompensationselemente aus festen Materialien und sind in ihrer Länge einstellbar. Bevorzugte Kompensationselemente sind dabei Schrauben, Kammern mit inkompressiblen Flüssigkeiten, Piezoelemente, oder verschiebbare Achsen. Die Einstellung der Kompensationselemente kann manuell oder automatisch, z. B. per Elektromotor oder Pumpen, erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Sensor eine Arretierung, um die durch die Kompensationselemente auf den Gegendruckkörper ausgeübte Kraft, bzw. die Position des Gegendruckkörpers, auf einen bestimmten Wert einzustellen. Solche Arretierungen sind dem Fachmann bekannt und bestehen bevorzugt aus Gegenständen der Gruppe der Gewinde, Schrauben, Klemmen, Rasten, oder Zahnräder oder -stangen, oder Kugeln und dazu passenden Mulden.
Eine solche Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass der Sensor so eingestellt werden kann, dass er einen vorher festgelegten Druck auf die den Körper umgebende Fettschicht ausübt und auf diese Weise den verfälschenden Einfluss dieser Fettschicht auf die Messung der Muskelanspannung kompensiert.
Der Gegendruckkörper ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Teil des Kompensationselements oder das Kompensationselement selber. So kann die Arretierung und Verstellung zum Beispiel aus einer Schraube bestehen, die von oben durch ein Gewinde in der Außenhülle gehalten in Richtung des Druckkörpers auf den Gegendruckkörper drückt, wobei der Gegendruckkörper aus Gummi besteht.
Die Stirnfläche des Sensors, mit der dieser die Haut berührt, vorzugsweise die Stirnseite des Druckkörpers, kann alle möglichen Formen haben, insbesondere Kreise, Drei-, Vier- und Vielecke. Bevorzugt sind dabei solche Formen, welche der Haut und den unter dem Sensor liegenden Blutgefäßen nicht schaden, insbesondere Formen, bei denen Ecken und Kanten abgerundet sind.
Die Größe der Stirnfläche eines Sensors ist abhängig von seiner Position am Körper. Bevorzugte Flächengrößen liegen zwischen 1 dm² und 1 mm², besonders bevorzugt zwischen 4 cm² und 0,2 cm². Eine kleine Stirnfläche hat den besonderen Vorteil, dass eine Muskelanspannung annähernd punktuell gemessen werden kann. Besonders vorteilhaft wirkt sich dabei die Verwendung von Piezoelementen aus, da sie mit diesen sehr kleinen Abmessungen problemlos passend hergestellt werden können.
Die Piezoelemente sind mit Signalleitern, welche in der Regel normale Kabel sind, mit einer Ausleseeinheit verbunden. Diese Ausleseeinheit misst die Spannungen der Piezoelemente, konvertiert sie in Messgrößen und gibt diese aus. Da im Falle der Kompensation der Fettschicht eine zusätzliche Kraft durch die einstellbaren Elemente auf den Gegendruckkörper und damit auch auf das Piezoelement ausgeübt wird, ist in diesem Fall eine Nullpunktseinstellung der ausgewerteten Messgröße vorteilhaft. Dies kann beispielsweise einfach durch Subtraktion der gemessenen Messgröße von sich selber bei Druck auf einen bestimmten Knopf an der Ausleseeinheit geschehen. Die Verwendung eines Piezoelements hat darüber hinaus noch den Vorteil, dass nach einer Zeit zwischen 1 s und 20 s eine automatische Nullpunktseinstellung erfolgt, indem die Spannung bei konstantem Druck auf Null abfällt.
Der Sensor zur Messung der Muskelanspannung ist dazu geeignet, die Anspannung aller von außen spürbaren Muskeln des menschlichen Körpers zu messen. Insbesondere sind dies die Muskulaturen im Kopf-, Hals- und Schulterbereich, wie z. B. der Pectoralis, Armmuskulatur, wie z. B. Bi- und Triceps, Rumpfmuskulatur, Bauchmuskulatur, Gesäßmuskulatur, Beckenbodenmuskulatur, Oberschenkelmuskulatur, z. B. die ischiocrurale Muskulatur oder der Quadrizeps Femoris oder Unterschenkelmuskulatur, z. B. der Gastrocnemius.
Der Sensor kann Teil eines Trainingsgerätes sein. In einer bevorzugten Ausführungsform misst er durch seine spezielle Anordnung am Körper gezielt die Anspannung solcher Muskelgruppen, die nicht primär bei der Kraftübung an diesem Trainingsgerät erforderlich sind. Dies hat den Vorteil, dass wichtige Grundvoraussetzungen für die Kraftübung, wie z. B. der richtige Sitz oder die richtige Körperhaltung insbesondere während einer medizinischen Rehabilitationsmaßnahme überwacht werden können.
Der Sensor zur Messung der Muskelanspannung mit Kompensationsfunktion und seine Anwendung sind in den Zeichnungen 1 bis 4 dargestellt.
In den Zeichnungen 1A bis 1C wird der schematische Aufbau des Sensors aus mehreren Perspektiven gezeigt.
2A bis 2C stellen den schematischen Aufbau eines Sensors mit einer Schraube als Kompensationselement und Arretierung aus mehreren Perspektiven dar.
3A und 3B zeigen die Messung der Kraftanstrengung an einem Bizeps.
4 stellt die Messung der Bauchmuskulatur mit dem Sensor dar.
5A und 5B verdeutlichen die Messung der Rückenmuskulatur um die Lendenwirbelsäule mit zwei Sensoren.
In einer bevorzugten Ausführungsform (1A bis 1C) besteht der Sensor (1) aus einer Spiralfeder (7), die in einer Hülse liegt, welche aus dem Außenkörper (2) und dem Druckkörper (4) gebildet wird. Die Feder drückt über den Gegendruckkörper (3) auf den Druckfühler (5), vorzugsweise ein Piezoelement. Durch die Spiralfeder drückt sich der Druckkörper des Sensors bei Einwirkung einer äußeren Kraft, z. B. durch Anziehen der Befestigung des Sensors am Körper, elastisch in die Fettschicht hinein. Dies dient der Kompensation des Einflusses der Fettschicht auf die Messung. Das Piezoelement kann über die Signalleiter (6) ausgelesen werden.
In den 2A bis 2C ist ein ähnlicher Sensor dargestellt, bei dem der Druck auf den Druckkörper statt durch eine Feder durch eine Schraube (9) eingestellt werden kann. Um eine Drehung des Druckkörpers relativ zum Außenkörper zu verhindern, laufen diese beiden Elemente in einer Laufschiene (8). Bei einer solchen Anordnung kann es vorteilhaft sein, den Gegendruckkörper etwas elastisch zu gestalten, um eine Beschädigung des Piezoelements zu vermeiden.
Bei einem Muskeltrainingsgerät wie z. B. der Brustpresse sollen die Muskeln Pectoralis, Bizeps, Trizeps trainiert werden. Zur Ausführung der Trainingsübung an der Brustpresse benötigt der Trainierende (Patient) keinen Einsatz der oben beschriebenen Muskelgruppen (Rückenmuskel, Multifidi, Gesäßmuskel etc.). Um dieses Verhalten der Trainierenden (Patienten) zu verbessern, muss gemessen werden, welche Muskeln mit welcher Kraft angespannt werden und welche nicht, so dass der Patient per Messgerät sich selbst kontrollieren kann. Die prinzipielle Idee dabei ist, über ein Piezoelement den Druck der aufgebrachten Kraft auf den Muskel zu messen, um die Therapie zu steuern. Es ist dabei auch möglich, die Anspannung von Muskeln zu messen, welche nicht bewusst vom Körper angespannt werden können. Dies ist insbesondere bei der Therapie von gelähmten Personen vorteilhaft, da durch die visuelle Rückkopplung des „Bewegungserfolges" eine Bewegung des gelähmten Körperteils antrainiert werden kann.
Die folgenden Beispiele verdeutlichen die Anwendung des Sensors:

1) Messung der Armmuskulatur
2) Messung der Bauchmuskulatur
3) Messung der Rückenmuskulatur um die Wirbelsäule (LWS)
4) Integrierte Muskelspannungsanzeige bei einem beliebigen Krafttrainingsgerät

Zu 1) Messung der Armmuskulatur (3A und 3B):
Als Gerät zur Messung der Muskelanspannung wird ein Sensor nach den 1 oder 2 verwendet, wobei mit Hilfe einer mechanischen Feder oder einer Schraube das Einsinken in die über der Muskulatur legenden Fettschicht kompensiert wird. Der Sensor wird dabei mit einem starken Band (10) am Arm befestigt. Diese Tiefe wird gegebenenfalls mechanisch arretiert. Danach wird bei Muskelanspannung eine Kraft beziehungsweise ein Druck auf das Piezoelement ausgeübt, von dem daraufhin ein Signal empfangen wird. Eine Anzeige kann damit ohne den störenden Einfluss der Fettschicht die Kraft ermitteln, die von dem Muskel ausgeübt wird. Bei dieser Kraftmessung der Muskeln wird normalerweise nur ein Sensor benötigt, es können jedoch auch mehrere Sensoren verwendet werden.
Zu 2) Messung der Bauchmuskulatur (4):
Zur Ermittlung der Bauchmuskulaturspannung werden mehrere Sensoren mit Bändern (10) am Bauch angeordnet. Die Bauchmuskulatur hat einen breiten Aufbau von Muskeln, die unterschiedlich wirken. Je nach Bedarf werden mindestens 3 bis 5 Zylinder an unterschiedlichen Stellen angeordnet, um auch mögliche unterschiedliche Belastungen und Belastungseffekte festzustellen. Für den Therapeuten wichtig ist, dass Bauch-, Rumpf und Gesäßmuskulatur so eingesetzt werden, dass der Hohlraum der Lendenwirbelsäule (LWS) geschlossen wird und der Druck der tiefen Muskeln auf die Senso ren an den Wirbelgelenken der LWS groß genug ist, um den Reflex deren Aktivierung zu erzeugen.
Zu 3) Messung der Rückenmuskulatur um die Wirbelsäule (LWS) (5A und 5B):
Die Lenden-Wirbel-Säule (LWS) verbirgt sich in ihrem natürlichen Zustand in einem konkaven Hohlraum. In diesem Beispiel soll im Rahmen einer therapeutischen Kraftübung durch Muskeleinsatz aus der gekrümmten Linie eine annähernd gerade Linie erzeugt werden. Um die Muskelspannung zu messen, ist es notwendig, dass 3 oder 4 Sensoren derart auf einer Unterlage (11) angeordnet werden, dass die Muskelspannung links und rechts der Wirbelsäule erfasst werden kann. Siehe hierzu Bild 4. Außerdem soll der Druck gemessen werden, den die Wirbelsäule auf einen beliebigen Untergrund oder einer beliebigen Lehne erzeugt, wenn aus dem Hohlraum eine annähernde Ebene wird, weil die umliegende Muskulatur aktiviert wurde. Der Messpunkt ist dann an der Stelle der LWS, an der im natürlichen Zustand des Hohlraums diese in einer Krümmung endet, das heißt, an der tiefsten Stelle des Hohlraumes.
Zu 4) Integrierte Muskelspannungsanzeige bei einem beliebigen Krafttrainingsgerät:
Kraft-Trainingsgeräte sind in der Regel so konzipiert, dass sie einen bestimmten Muskel (z. B. Bizeps beim Bizeps Curl) oder eine Muskelgruppe (z. B. Rotationsmaschine) trainieren. Für den Therapeuten ist es wichtig, dass auch Muskeln aktiviert werden, die nicht an der eigentlichen Kraftübung beteiligt sind, weil die Bewegung auch ohne ihren Einsatz auszuführen ist. Mittels des Sensors kann festgestellt werden, ob auch die betreffenden, nicht an der Bewegung direkt beteiligten Muskelgruppen angespannt sind. Beispielsweise kann ermittelt werden, ob im Rahmen der Therapie während der Bewegung im Bizeps Curl auch die Bauchmuskeln oder die Gesäßmuskeln aktiviert sind.
Die bevorzugte Ausführungsform, bei der die Druckmessung mittels eines Piezoelements erfolgt, hat durch diese Elemente eine schnelle Reaktionszeit. Es können dadurch Druckänderungen schon im Bereich von Mikrosekunden bis hin zu einigen hundert Nanosekunden gemessen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die eine schnelle Auslese ermöglicht, ist mindestens ein Sensor mit einer Analyseeinheit verbunden, welche eine schnelle Verarbeitung der Sensordaten gewährleistet. Solche Analyseeinheiten sind z. B. Oszilloskope oder Analog/Digital-Converter (ADC), vorzugsweise in Verbindung mit Datenverarbeitungsanlagen wie z. B. prozessorgestützten Rechnern.
Verbindet man ein Oszilloskop mit einem Sensor, welcher über eine Manschette an ein Wadenbein einer Testperson befestigt ist, ist die durch den Sensor gemessene Muskelanspannung während des Gehens der Testperson als Kurve auf dem Bildschirm des Oszilloskops deutlich zu erkennen. Dadurch ermöglicht der Sensor eine genaue, dynamische Messung der Muskelanspannung, die nach Integration der Messkurve Rückschlüsse auf die von der Testperson aufgewendete Energie zulässt.
Aufgrund der großen Messgeschwindigkeit des Piezoelements sind dabei auch mannigfaltige Anwendungen des Sensors auf verschiedensten Gebieten außerhalb der oben beschriebenen möglich. Zum Beispiel können insbesondere schnelle Muskelgruppen bei Tieren, z. B. bei Kolibris, erforscht werden, wobei der Einfluss des Federkleids auf die Messung kompensiert werden kann.
Des weiteren kann der Sensor auch komplett außerhalb des Bereichs der Messungen am menschlichen oder tierischen Körper eingesetzt werden, nämlich überall, wo Druckveränderungen in elastisch ummantelten Materialien oder Strukturen gemessen werden sollen, und dazu der Einfluss der Ummantelung kompensiert werden muss. Zum Beispiel können Ausbreitungen von Schallwellen in ummantelten Heizungsrohren gemessen werden, um Schäden der Rohre zu erkennen, oder Schwingungen in Betonböden, welche mit z. B. einem Teppich bedeckt sind.

Claims

Sensor zur Messung der Muskelanspannung, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Druckfühler und einen Einstellmechanismus aufweist, wobei mit dem Einstellmechanismus ein Anfangsdruck auf den Muskel eingestellt werden kann.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellmechanismus elastische oder inelastische Kompensationselemente zur Kompensation der Fettschicht durch Ausübung einer Kraft auf den Druckfühler enthält, wobei die Kompensationselemente vorzugsweise aus der Gruppe der Federn, Kammern mit Gelen, Flüssigkeiten oder Gasen, elastischen Kunststoffe, Schrauben und Achsen ausgewählt sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Arretierung das Eindringen des Sensors in die Fettschicht des Körpers fest eingestellt wird.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfühler aus der Gruppe der Piezoelemente, Rohrfeder-Manometer, Barometer, Ringwaagen, Differenzdrucksensoren, Dehnungsmessstreifen und Druckwaagen ausgewählt ist und vorzugsweise ein Piezoelement ist, welches elektronisch ausgewertet wird.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß der Stirnfläche des Sensors, mit der dieser den Körper berührt, zwischen 1 dm² und 1 mm² und besonders bevorzugt zwischen 4 cm² und 0,2 cm² liegt.
Verfahren zur Messung der Muskelanspannung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüchen in eine klar definierte feste Position relativ zum Körper gebracht wird und mit seinem Einstellmechanismus ein Druck auf den Körper ausgeübt und vorzugsweise die Fettschicht bis zum Muskel heruntergedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Datenverarbeitungsanlage mit dem Sensor verbunden wird, welche vorzugsweise ein Oszilloskop oder Analog/Digital-Converter ist oder enthält.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dynamische Messung der Muskelanspannung über einen Zeitraum erfolgt.
Verwendung eines Sensors zur Messung der Muskelanspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Muskelkraftmessung in mindestens einer Position, vorzugsweise an 1 bis 5 Positionen.
Verwendung nach Anspruch 9 zur Muskelkraftmessung an Bizeps, Trizeps, Pectoralis, der Rumpfmuskulatur, an der Bauchmuskulatur, der Gesäßmuskulatur, der ischiocruralen Muskulatur, Quadrizeps Femoris, Unterschenkelmuskulatur, Gastrocnemius, der Beckenbodenmuskulatur oder an der Rückenmuskulatur um die Wirbelsäule, vorzugsweise an Erector Spinae oder Multifidi.
Verwendung eines Sensors zur Messung der Muskelanspannung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für eine integrierte Muskelspannungsanzeige bei einem beliebigen Krafttrainingsgerät.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zur Muskelkraftmessung während einer Kraftübung, dadurch gekennzeichnet, dass die Anspannung von Muskelgruppen gemessen wird, die nicht primär an der Kraftübung beteiligt sind.
Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Messung von Druckveränderungen in elastisch ummantelten Materialien oder Strukturen, vorzugsweise zur Messung der Ausbreitung von Schallwellen in ummantelten Heizungsrohren oder Messung von Schwingungen in bedeckten Betonböden.