DE10300069A1

DE10300069A1 - Elektrotrainer

Info

Publication number: DE10300069A1
Application number: DE2003100069
Authority: DE
Inventors: Dietrich H W Groenemeyer; Till Groenemeyer; Peter Weuthen; Peter Friedrich
Original assignee: Gronemeyer Dietrich H W Prof Drmed; Weuthen Peter Dr
Current assignee: Gronemeyer Dietrich H W Prof Drmed; Weuthen Peter Dr
Priority date: 2003-01-03
Filing date: 2003-01-03
Publication date: 2004-07-22
Also published as: WO2004060481A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gerät (7) zur elektrischen Stimulation des innervierten Muskels mittels transkutanter Übertragung elektrischer Impulse, die über Elektroden appliziert werden, wobei elektrische Impule im Niederfrequenzbereich von 2 Hz bis 100 Hz generiert werden. Das Gerät zur elektrischen Stimulation dient demnach hauptsächlich der neuromuskulären Stimulation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur elektrischen Stimulation eines Körpers mittels transkutanter Übertragung elektrischer Impulse, die über Elektroden appliziert werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Generierung therapeutisch einsetzbarer elektrischer Impulse, die über Elektroden appliziert werden.
Geräte zur transkutanten Übertragung elektrischer Impulse haben sich als leistungsfähige Instrumentarien in der elektromedizinischen Therapie und Diagnostik erwiesen.
Da bestimmte Frequenzen verschiedene physiologische Wirkungen aufweisen, unterscheidet man grundsätzlich drei Frequenzbereiche.

Niederfrequenz: >0 Hz bis 1000 Hz (= 1 KHz)

Mittelfrequenz: 1 KHz bis 100 KHz

Hochfrequenz: > 1000 KHz.
Niederfrequente und mittelfrequente Ströme erzeugen elektrische Reize in erregbaren Geweben. Daher spricht man auch von Reizstromtherapie. Dabei kann die Erregung entweder eine analgetische, d. h. schmerzlindernde Wirkung oder eine motorische Muskeltätigkeit (Muskelkontraktion) enthalten.
Besonders Reizfrequenzen von 100 Hz und mehr können zu einer Schmerzlinderung beitragen. Auch fördern Impulsströme in diesem Frequenzbereich die Durchblutung. Reizfrequenzen von 100 Hz und darüber erzeugen anfänglich auch Muskelkontraktionen. Dabei kommt es jedoch rasch infolge der Ermüdung des neuromuskulären Systems zu einem Muskelwogen ohne gerichtete (= kraftausübende) Kontraktion. Diese Reizfrequenzen werden daher zur Detonisierung der Muskulatur eingesetzt. Dies kann bei vielen Wirbelsäulen- und Gelenkerkrankungen genutzt werden, weil sie meist von schmerzhaften Muskelverspannungen begleitet sind.
Die meisten zur Zeit verwendeten Reizstromgeräte erzeugen allerdings periodische Impulsströme, die weit oberhalb des Niedrigfrequenzbereiches liegen. So ist aus der europäischen Patentschrift 0 203 336 ein Reizstromgerät zur transkutanten Muskelstimulation mittels Erzeugung impulsförmiger Ströme im Mittelfrequenzbereich bekannt.
Erhöhte Aufmerksamkeit werden mittlerweile Übungen zur Stärkung und zum Aufbau der Muskulatur geschenkt. Dieses Bedürfnis resultiert vornehmlich aus der Erkenntnis, daß ein Kraftzuwachs der Muskulatur zum körperlichen Wohlbefinden beiträgt. Ein Aufbau kann auch aus therapeutischen Gründen notwenig oder sinnvoll sein.
Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, daß Impulsserien mit Frequenzen von etwa 20–80 Hz der Stärkung der Muskulatur dienen. Neben der motorischen Wirkung üben niedrige Frequenzen auch eine förderliche Wirkung auf den Stoffwechsel der Muskelzellen aus. Ab einer Reizfrequenz von 10 Hz gehen die Einzelzuckungen in eine tetanische Kontraktion über, wobei die mechanische Zuckung sehr viel länger andauert als der elektrische Reiz. Folglich bauen sich die einzelnen Zuckungen bei einer Reizung mit einer Impulsfolge von mehr als 10 Hz aufeinander auf. Der Muskel entfaltet mit diesen tetanisch genannten Kontraktionen seine Kraft. Die Folge ist, daß Frequenzen von etwa 20 bis 80 Hz die Muskulatur tonisieren. Daher begünstigt diese Form der (neuromuskulären) Stimulation in geeigneter Dosierung auch einen Kraftzuwachs der Muskulatur.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, ein Gerät und Verfahren zur Erzeugung elektrischer Impulse zur Verfügung zu stellen, welche zur neuromuskulären Stimulation eingesetzt werden können. Gerät und Verfahren sollen hinsichtlich der Impulsparameter variabel so einstellbar sein, daß ein optimaler therapeutischer Effekt erzielt wird und insbesondere auch keine Ermüdungserscheinungen auftreten.

Diese Aufgabenstellung wird ausgehend von einem Gerät und Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Frequenz der – elektrischen Impulse im Bereich von 2 Hz bis 100 Hz liegt –, wobei

– die Impulsdauer auf einen Wert von 1 s bis 10 s einstellbar ist,
– Impulse mit einer Pulsbreite (2) von 50 μs bis 400 μs erzeugbar sind, und
– eine Impulspause (6) zwischen 1 s und 10 s anwählbar ist.

Es hat sich gezeigt, daß mit Impulsen und Parametern innerhalb der oben genannten Grenzen ein optimaler Trainings-/Behandlungseffekt erzielt werden kann. Zweckmäßigerweise ist das erfindungsgemäße Gerät derart eingerichtet, daß das Zeitregime variabel ist. Dadurch können insbesondere unterschiedliche Impulsdauern, Pulsbreiten, Impulspausendauern und Trainingseinheitenzeiten angewählt werden, wobei

– die Impulsdauer in Schritten von 1 s vergrößert bzw. verkleinert werden kann, und/oder
– die Pulsbreite (2) in 50 μs Schritten variiert werden kann, und/oder
– die Impulspause (6) sich in Schritten von 1 s vergrößern bzw. verkleinern läßt, und/oder
– sich eine Trainingszeit von 5 min bis 45 min variabel einstellen läßt, und zwar vorzugsweise von 5 min bis 15 min in 1 min-Schritten und von 15 min bis 45 min in 5 min-Schritten.

Die Variabilität des Geräts bzw. Verfahrens erlaubt eine gute Anpassung an die physiologischen Gegebenheiten.

Gerät und Verfahren arbeiten bei einer Spannung im Bereich von 5 bis 30 V, vorzugsweise 10 bis 20 V. Die Energieabgabe an den Körper liegt bei weniger als 30 W, vorzugsweise weniger als 20 W.

Die Erzeugung von elektrischen Impulsen mit unterschiedlichen Impulsdauern, Pulsbreiten und Impulspausendauern innerhalb variierender Trainingseinheitenzeiten hat zur Folge, daß ein Gewöhnungseffekt bzw. Lerneffekt der Nerven und Muskulatur auf gleichförmige Reizstromimpulse vermieden wird. Dies würde einer erhöhten Reizwirkung des Stimulationsstromes entgegenstehen. Auch wird durch das variable Zeitregime der körperlichen Verfassung der Trainingspersonen Rechnung getragen. Spezielle an den Bedürfnissen der Trainingsperson orientierte Trainingsprogramme können so realisiert werden.

Vorteilhaft ist das Gerät so eingerichtet, daß die elektrischen Impulse eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Der sich ergebende Polaritätswechsel des bidirektionalen Reizstromes ist insofern von Bedeutung, als bei jedem Wechsel Reize an unterschiedlichen Stellen des Muskels stattfinden unter Vermeidung einer Beeinträchtigung des Ionengleichgewichtes an der Membran, so daß eine ausgeglichene Ladungsbilanz aufrechterhalten bleibt. Der Polaritätswechsel bewirkt also, daß eine frühzeitige Ermüdung der Muskulatur vermieden wird.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn während der Trainingszeit Änderungen des Zeitregimes vorgenommen werden können. Dadurch wird gewährleistet, daß die Trainingsperson direkten Einfluß auf das individuelle Trainingsprogramm ausübt. Änderungen des Zeitregimes während der Trainingszeit haben auch den Vorteil, daß Gewöhnungs- bzw. Lerneffekte der Muskulatur auf gleichförmige Reizstromimpulse zusätzlich vermieden werden.

Es ist sinnvoll, daß mehrere für bestimmte Körperregionen spezifische Elektroden zur Verfügung stehen. Dabei kann es sich beispielsweise um Rückenelektroden, Bauchelektroden oder aber auch um Beinelektroden oder Gesäßelektroden handeln. Eine Elektrodenapplikation unter Berücksichtigung anatomisch-funktioneller Gegebenheiten ist Voraussetzung für den Erfolg einer Trainingseinheit.

Das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren wird eingesetzt, um die Muskulatur der Trainingsperson zu stärken. Das Anwendungsgebiet kann jedoch noch weiter ausgedehnt werden. So eignet sich das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren auch zum Ausdauertraining, zur Körperentspannung sowie für Schlankheitsprogramme.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 Ein Impulsdiagramm zur Definition der Reizstromparameter;
2 Diagramm zur Berechnung der
Impulsleistung
1 zeigt ein Impulsdiagramm 10 des erfindungsgemäßen Gerätes 7. Es wird ein monopolarer Impuls zugrunde gelegt. Für die Reizung der Nerven und Muskeln sind dabei die Impulsintensität 1, die Impulsbreite 2, die Impulsanstiegzeit 3, die Impulsabfallzeit 4 sowie die Impulsfrequenz von Bedeutung. In dem erfindungsgemäßen Gerät 7 können diese Reizparameter unabhängig voneinander mittels der Tastenfunktion 8 variiert werden. Die Impulsintensität 1 gibt den Spitzenwert der Stromstärke 1 an. Die Impulsanstiegzeit 3 charakterisiert die Steilheit des Impulses, d. h. sie entspricht der Zeit, in der der Strom vom Wert Null bis zum Scheitelwert 1 ansteigt, wohingegen die Impulsabfallzeit 4 der Zeit entspricht, in der der Strom vom Scheitelwert bis Null absteigt. Aus der Summe der Impulsanstiegszeit 3 und der Impulsabfallszeit 4 ergibt sich die Impulsdauer 2. Impulsintensität 1, Impulsdauer 2, Impulsanstieg 3 und -abfallzeit 4 bestimmen die Impulsform 9.
Die Zahl der Impulse je Zeiteinheit gibt die Impulsfrequenz an, wohingegen die Impulsperiodendauer 5 den Zeichenabstand zwischen den Anfangsfußpunkten zweier aufeinanderfolgender Impulse entspricht. Der zeitliche Abstand zwischen dem Endpunkt eines Impulses und dem Anfangspunkt des folgenden Impulses wird durch die Impulspause 6 festgelegt.
Das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren können beispielsweise zu therapeutischen Zwecken eingesetzt werden, aber auch zum Muskelaufbau und -training, im Rahmen von Schlankheitsprogrammen, zur Körperentspannung, etc.
Beispiel
Bei der therapeutischen Nachbehandlung einer Oberarmfraktur zur Kräftigung und zum Aufbau der Muskulatur kommen beispielsweise die folgenden Behandlungsparameter zum Tragen:

Spannung: 16 V

Impulsdauer: 4 s

Pausendauer: 2 s

Frequenz: 80 Hz

Anstiegszeit: < 0,1 s

Pulsbreite: 350 μs

Behandlungszeit: 20 min

Betriebsart: bipolar
Das Programm läuft mit der gewählten Einstellung automatisch ab. Zur Erhöhung des therapeutischen Effekts können beispielsweise Impulsdauer, Pausendauer und Pulsbreite über die Behandlungszeit variiert werden, so daß sich Phasen mit hohem und niedrigem Reizpotential ergeben bzw. ablösen. Die Impulse werden über eine Manschettenelektrode und eine feuchte textile Abdeckung des Oberarms appliziert. Die Elektroden werden immer paarweise die Extremität umschließend angelegt.
Das in 2 dargestellte Diagramm zeigt den Zusammenhang zwischen der Spannung U und dem Strom 1 bei einem Armelektrodenpaar, der sich beispielsweise bei einer Behandlung zur Kräftigung der Muskulatur nach einer erfolgten Fraktur des Oberarmes herstellen läßt. Der Zeitmaßstab (waagerecht) beträgt 2 ms/cm. Der Maßstab (senkrecht) für den Impuls 11 beträgt 10 V/cm und für den Impuls 12 50 mA/cm. Die Impulsbreite beläuft sich auf 350 μs. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß bei einer Spannung von ca. 16 V ein Strom von ca. 30 mA fließt. Daraus läßt sich gemäß der Formel P = U·I die Impulsleistung berechnen. Sie beträgt 16·0.03 A = 0.48 W. Die elektrische Arbeit des positiven Impulses beträgt nach der Formel A = P·t bei einer Impulsbreite von 350 μs = 0.035 ms = 0.00035 s folglich 0.48 W·0.00035s = 0.00017 Ws. Die gleiche Leistung wird ungefähr auch bei dem negativen Impuls abgegeben. Bei 80 Impulsen pro Sekunde werden in einer Sekunde 0.00017·2·80 = 0.03 Ws an den Körper abgegeben.

Claims

Gerät zur elektrischen Stimulierung eines Körpers mittels transkutanter Übertragung elektrischer Impulse, die nach einem vorgegebenen Programm erzeugt und über Elektroden appliziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Spannung von 5 bis 30 V die Frequenz der elektrischen Impulse im Bereich von 2 Hz bis 100 Hz liegt, wobei – die Impulsdauer von 1 s bis 10 s einstellbar ist, – Impulse mit einer Pulsbreite (2) von 50 μs bis 400 μs erzeugbar sind, – eine Impulspause (6) zwischen 1 s und 10 s anwählbar ist
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein variables Zeitregime anwählbar ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß – die Impulsdauer in Schritten von 1 s einstellbar ist, – die Pulsbreite (2) in 50 μs Schritten variierbar ist, – die Impulspause (6) in Schritten von 1 s variierbar ist, und/oder – eine Trainingszeit von 5 min bis 45 min einstellbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der elektrischen Impulse einstellbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitregime über einen gewählten Zeitraum veränderbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder mehrere für bestimmte Körperregionen spezifische Elektroden aufweist.
Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für den Einsatz im Kosmetik-/Wellness- und Fitnessbereich.
Verfahren zur Generierung therapeutisch einsetzbarer elektrischer Impulse, die über Elektroden appliziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Spannung von 5 bis 30 V elektrische Impulse im Niederfrequenzbereich von 2 Hz bis 100 Hz erzeugt werden, wobei – eine Impulsdauer von 1 s bis 10 s eingestellt wird, – Impulse mit einer Pulsbreite (2) von 50 μs bis 400 μs erzeugt werden, und – eine Impulspause (6) zwischen 1 s und 10 s eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitregime ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß – die Impulsdauer in Schritten von 1 s vergrößert bzw. verkleinert wird, – die Pulsbreite (2) in 50 μs Schritten variiert wird, – die Impulspause (6) in Schritten von 1 s vergrößert bzw. verkleinert wird, und/oder – eine Trainingszeit von 5 min bis 45 min eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Impulse eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Trainingszeit Änderungen des Zeitregimes vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere für bestimmte Körperregionen spezifische Elektroden mit Reizstrom beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 zur Anwendung im Kosmetik-/Wellness-, Fitnessbereich wie zur Anwendung in der medizinischen Therapie.