BI BE BU VA BSc in Maschinentechnik Messen des Wirkungsgrades beim Fahrradfahren Institut für Rehabilitation und Leistungstechnologie / Betreuer: Prof. Dr. Kenneth J. Hunt Experte: Beat Schär Die funktionelle Elektrostimulation erlaubt querschnittsgelähmten Patienten durch stimuliertes Anspannen e inzelner Muskelgruppen Bewegungen ausführen zu können. Wird die Stimulation der Muskelgruppen in Abhängigkeit der Pedalposition durchgeführt, kann der Patient so Fahrradfahren. Der Wirkungsgrad ist dabei aber um etwa ein Drittel kleiner als beim normalen Fahrradfahren [1]. Dieser wird aus dem Quotienten d er mechanischen Leistung an der Tretkurbel und der metabolischen Leistung, der aufgenommenen Leistung aus der Umgebungsluft bestimmt. Dominik Hosmann Ausgangslage In der Thesis musste ein System aufgebaut werden, mit dem es möglich ist die Wirkungsgrade beim stimulierten und normalen Fahrradfahren zu erfassen und so vergleichen zu können. Als Basis diente ein Liegedreirad, das mit den nötigen Komponenten erweitert wurde. Da eine signifikante Differenz der beiden Werte zu erwarten war, basierte der Vergleich der Wirkungsgrade auf einer Studie mit n = 6 Probanden. Durchführung Die Gesetzgebung setzt voraus, dass bei Forschungen am Menschen ein sogenannter Ethikantrag bei der Ethikkommission des entsprechenden Kantons beantragt werden muss. Dieser umfassende Antrag stand am Anfang der Thesis und wurde genehmigt. Die Grundlage für das Erfassen des Wirkungsgrades ist das Messen einer Differenz zwischen zwei Niveaus der Tretleistung. Wichtig dabei ist, dass dadurch beim Probanden ein unterschiedlicher metabolischer Aufwand hervorgerufen wird. Da es sich beim System um einen Laboraufbau handelt, fehlte der nötige Fahrwiderstand. Aus diesem Grund wurde am Fahrradrahmen ein Elektromotor ange- 196 ti.bfh.ch baut, der über den Kettentrieb ein Bremsmoment erzeugt. Zusätzlich gibt er auch die Drehzahl der Pedale vor und ist über einen Drehzahlregler geregelt. Ein Winkelsensor misst über ein Zahnrad die Geschwindigkeit der Kette und kann so die Position der Pedale bestimmen. Der absolute Winkel der Pedale ist die Grundlage für das Ansteuern der einzelnen Muskelgruppen, die für die Tretbewegung bei der Stimulation verantwortlich sind (Quadriceps, Hamstring, Gluteus Maximus). Die Messungen wurden in zwei Sitzungen abgehalten: - Fahrradfahren durch willkürliche Muskelkontraktion - Fahrradfahren durch stimulierte Muskelkontraktion Beim normalen Fahrradfahren soll der Proband die Tretleistung selbständig auf den geforderten Niveaus halten. Ein Biofeedback in Form eines Bildschirmes zeigt ihm ein Vergleich der Ist- und der Soll-Leistung an. So ist er in der Lage die Differenz durch Ändern der Tretkraft selbständig auszugleichen. Die Leistungsregelung beim stimulierten Fahrradfahren übernimmt das System durch anpassen der Pulsbreite. Für das Einlesen und Verarbeiten der Signale wurde Matlab/Simulink verwendet. Ergebnis Die Kernaussage, dass der Wirkungsgrad bei der funktionellen Elektrostimulation tiefer ist konnte durch die Studie bestätigt werden. Es hat sich aber gezeigt, dass es schwierig ist allgemeine Parameter für funktionelle Elektrostimulation zu bestimmen, so dass die Probanden bei den Messungen ein ähnliches Verhalten ausweisen und somit ein Vergleich aussagekräftig ist. Das war besonders durch die zum Teil extrem en unterschiedlichen Reaktionen auf die Stimulation erkennbar. Während einige Probanden kaum die geforderten Tretleistungsniveaus erreichten, konnten andere dies bereits mit einer sehr niedrigen Pulsbreite. Der Aufbau bietet nun die Grundlage um in weiteren Projekten den Wirkungsgrad bei der FES verbessern zu können. [1] K. J. Hunt, B. A. Saunders, C. Perret, H. Berry, D. B. Allan, N. Donaldson, T. H. Kakebeeke. Energetics of paraplegic cycling: a new theoretical framework and efficiency characterisation for untrained subjects. Eur. J. Appl. Physiol. (2007) 101: 277–285.
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