DE2115970A1

DE2115970A1 - Ergometer

Info

Publication number: DE2115970A1
Application number: DE2115970A
Authority: DE
Inventors: Franz Hampl; Erich Jaeger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-04-01
Filing date: 1971-04-01
Publication date: 1972-10-12
Also published as: NL7204260A; FR2136105A5; GB1385382A

Description

8459-71/Dr.v.B/Ro. .

Erich Jaeger, 8700 Würzburg, Röntgenring 5

Ergometer

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ergometer mit einer Belastungseinrichtung, welche zur körperlichen Belastung einer zu untersuchenden Person mit dieser koppelbar ist und welche einen Regler enthält, der eine Betriebsgröße der Belastungseinrichtung, die eine Funktion der von der zu untersuchenden Person bei der Untersuchung aufgewendeten Leistung ist, auf einen Sollwert . regelt, der durch eine Sollwerteinstellvorrichtung veränderbar ist.

Unter einem Ergometer versteht man ein medizinische Gerät, das es gestattet, eine zu untersuchende Person einer definierten körperlichen Belastung zu unterziehen.

Es sind mindestens zwei wesentlich verschiedene Typen von Ergometern bekannt. Der eine Typ hat eine mit "einer energieverbrauchenden Anordnung gekoppelte Antriebsvorrichtung» die von der zu untersuchenden Person im Stehen, Sitzen oder Liegen bedient werden kann. Ein typischer Vertreter dieser Art von Ergometer ist als "Fahrradergometer" bekannt und z.B. in der DT-PS j 1 O542O4 beschrieben. Die energieverbrauchende Anordnung kann ■ z.B. aus einem Dynamo bestehen, dessen Ausgangsklemmen mit einem -Belastungswiderstand verbunden sind. Andere bekannte energieverbrauchende Anordnungen sind mechanische Bremsen (Prony'scher Zaum), Wirbelstrombremsen und dgl.

Ergometer des zweiten Typs, die als sogenannte "Laufbandergometer" bekannt sind, enthalten ein durch einen Elektromotor angetriebenes Band, durch das die darauf befindliche Person ge-

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zwungen wird, mit einer einstellbaren Geschwindigkeit zu gehen oder zu laufen. Bei solchen Ergometern ist die von der zu untersuchenden Person aufzuwendende Leistung also durch die Laufgeschwindigkeit des Bandes und gegebenenfalls den Winkel, den das Band mit der Horizontalen bildet, bestimmt. Ein Laufbandergometer ist z.B. in der DT-OS 1 803 963 beschrieben.

Einwandfreie Ergebnisse können mit einem Ergometer bekanntlich nur erzielt werden, wenn die von der zu untersuchenden Person abgegebene Leistung einwandfrei bestimmt und vorgegeben werden kann. Bei den Ergometern des ersterwähnten Typs ist es zu diesem Zweck bekannt, Regelschaltungen zu verwenden, die die Leistung, die die zu untersuchende Person an die Antriebskurbel abgibt, unabhängig von der Kurbeldrehzahl macht, siehe z.B. die DT-OS .1 466 837. Auch für Laufbandergometer sind wirkungsgleiche Anordnungen vorgeschlagen worden (OS 1 803 963) um die Belastung ■ der zu untersuchenden Person auf einem einstellbaren konstanten ι Wert zu halten.

In allen bekannten Fällen ist es jedoch die von der zu unter- !suchenden Person aufgewendete Leistung, die vom untersuchenden Arzt vorgegeben und vom Ergometer wenigstens annähernd konstant gehalten wird. Dies kann in der Praxis jedoch, insbesondere bei leidenden Patienten, zu erheblichen Nachteilen führen. Stellt man nämlich z.B. bei einem Laufbandergometer eine zu hohe Laufgeschwindigkeit ein, so wird der Patient unter Umständen gezwungen schneller zu gehen oder zu laufen als es seine körperliche Konstitution zuläßt und es besteht die Gefahr von schweren körperlichen Schädigungen. Wird bei einem Fahrradergometer eine Leistung eingestellt, die vom Patienten nicht oder nur kurzzeitig aufgebracht werden kann, so erhält man keine brauchbaren Untersuchungsergebnisse ganz abgesehen davon, daß der Patient ungebührlich erschöpft wird und schlimmstenfalls sogar Schaden leidet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde/ diesen Nachteil zu vermeiden und ein Ergometer anzugeben, bei dem die dem. Patienten abverlangte Leistung durch den Patienten selber

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INSPECTED

beeinflußt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Ergometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Sollwerteinstellvorrichtung noch einen zweiten Regler, der einen mit der zu untersuchenden Person gekoppelten Aufnehmer für eine physiologische Größe, die von der Leistung, die der untersuchten Person abverlangt wird, abhängt, enthält und den Sollwert für den ersten Regler im Sinne einer Konstanthaltung der physiologischen Größe auf einen einstellbaren Wert regelt.

Bei'einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der. Aufnehmer ein PuIsaufnehmer, so daß die dem Patienten bei der Untersuchung abverlangte Leistung in Abhängigkeit von der Pulszahl geregelt wird.

Der Aufnehmer kann jedoch auch zum Beispiel ein Blutdruckaufnehmer, ein Pulswellenlaufzeitaufnehmer usw. sein.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. . -

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels, näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Laufbandergometers, das gemäß der Erfindung aufgebaut ist, und

Fig. 2 eine graphische Darstellung der längs der Ordinate aufgetragenen Ausgangsgleichspannung U_ einer Tachometergeneratoranordnung des Ergometers gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit von der beispielsweise in km/h angegebenen Laufgeschwindigkeit L, die längs der Abszisse aufgetragen ist.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte .Laufbandergometer kann im Prinzip so aufgebaut sein, wie es in der DT-OS 1 803 963 beschrieben ist, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Es enthält ein endloses Band 10, das über zwei Rollen 12, 14 läuft und im oberen Teil durch Stützrollen 16 unterstützt ist. Die Rolle 14 ist mit einem Antriebsmotor 18 gekoppelt, der über eine Drehzahlsteuerschalttihg 20 mit einer Energiequelle, z.B. dem 220-V-Wechselstromnetz verbünden ist. Die DrehzahlSteuer-

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schaltung kann Thyristoren enthalten und in bekannter Weise aufgebaut sein.

Die Drehzahlsteuerschaltung wird ihrerseits durch eine Fehlerspannung υ- von einem Differenzverstärker 22 gesteuert, an dessen einem Eingang eine der tatsächlichen Drehzahl und damit der Laufgeschwindigkeit L des Bandes 10 entsprechende Istwertspannüng U_liegt, die z.B. durch einen mit dem Motor 18 gekoppelten Tachometergenerator 24 erzeugt werden kann. Das Drehzahl-Istwerts ignal kann auch auf andere Weise erzeugt werden, wie es z.B. aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist. Die Ist-Drehzahl kann durch ein mit dem Motor 18 oder dem Tachometergenerator 24 gekoppeltes Anzeigeinstrument 26 angezeigt werden.

Bei der dargestellten Schaltung enthält die Istwertspannung !u_ einen konstanten Vorspannungsanteil Uq (siehe Fig. 2), der durch einen Spannungsteiler aus Widerständen 25 und 27 erzeugt wird, die in Reihe miteinander zwischen eine Vorspannung U„ und Masse' geschaltet und mit ihrer Verbindung einerseits an den einen Eingang des Differenzverstärkers 22 und andererseits über einen Widerstand 29 an den Ausgang des Tachometergenerators 24 ange-. j ^:schlossen ist. Der Zweck dieser Maßnahme wird noch erläutert werden.

Dem anderen Eingang des Differenzverstärkers wird eine DrehzaH-Sollwertspannung U- zugeführt. Diese Spannung wird von einem verstellbaren Abgriff 28 eines Pötentiometerwiderstandes 30 abge- , nommen, dessen eine Klemme über einen Widerstand 32 mit einem Bezugspotential, z.B. Masse, der die Einheiten 18-24 enthaltenen Drehzahlregelschleife verbunden ist, während die andere Klemme über einen Widerstand 34 an ein Bezugspotential U_v angeschlossen ist. . · : V ■ .-.."- . "■ '■■'-/■ ' ■.'-:.-..■

Soweit beschrieben, entspricht das Ergometer gemäß Fig. 1 -hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise dem Laufbandergometer gemäß der DT-OS 1 803 963. Im Betrieb wird also das Laufband 10 durch den Motor mit einer durch/das Sollwertsignal U_c vorgegebe- ;nen Geschwindigkeit angetrieben. Wenn die Drehzahl des Motors und damit die Laufgeschwindigkeit L des Bandes 10 über den Sollwert ansteigt, wird die Istwert spannung U₁ größer als die SoIl-

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wertspannung U_g und es entsteht eine Fehlerspannung U_, die die Drehzahl herabsetzt. In entsprechender Weise wird die Drehzahl erhöht, wenn die Istwertspannung U₁ kleiner als die Sollwertspannung Ug ist. Die Drehzahl kann durch Einstellung des Abgriffes 28 in einem vorgegebenen Bereich, z.B. zwischen O und 20 km/h vorgegeben werden.

Gemäß der Erfindung ist bei dem vorliegenden Ergometer noch vorgesehen, den Drehzahl-Sollwert in Abhängigkeit von einer phy- ^; siologischen Größe, z.B. der Pulsfrequenz, der untersuchten Person 36 so zu regeln, daß die physiologische Größe einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.

j Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird als physiologische Grenze die Pulsfrequenz verwendet. Mit der untersuchten Person 36 ist ein Pulsaufnehmer 38, z.B. ein Herzschallmikrophon oder vorzugsweise eine Elektrode zur Abnahme eines Aktionspotentials wie bei einem Elektrokardiographen (EKG) verbunden. Der Meßwertaufnehmer 38 für die physiologische Größe ist mit einer Schaltungsanordnung 42 verbunden, die eine von der ,

physiologischen Grenze abhängige, z.B. eine der Pulsfrequenz | proportionale Spannung U_p liefert. Die Spannung ü_p kann durch ■ eine Anzeigevorrichtung 40 angezeigt und/oder einem nicht dargestellten Anschluß für ein Registriergerät zugeführt werden.

Man könnte die Spannung ü_p an sich direkt in die die Elemente 18-25 und 27-34 enthaltende Drehzahlregelung einspeisen, z.B.; am Verbindungspunkt 44 zwischen den Widerständen 30 und 32, wobei' ■ die Polarität der Spannung U_p bezüglich der Polarität der Spanj nung U_v so gewählt werden, daß die Sollwertspannung ü_g abnimmt, wenn die Spannung U_p zunimmt. Dies würde jedoch folgendes Problem j mit sich bringen: Da der Meßwertaufnehmer 38 mit der untersuchten ! Person 36 unmittelbar in Verbindung steht, muß selbstverständlich eine einwandfreie Isolation gegen die Netzspannung gewährleistet \ sein. Dies könnte man an sich dadurch erreichen, daß man die : energieverbrauchenden Teile des Ergometers, also insbesondere ί : die Drehzahlsteuerschaltung 20 und die Schaltungsanordnung 42, : ^; über einen gut isolierten Trenntransformator speist. Ein solcher; ; Trenntransformator wäre jedoch verhältnismäßig groß und teuer,

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da das Ergometer als Ganzes bei bestimmten Betriebszuständen verhältnismäßig viel Betriebsleistung benötigt.

Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung wird diese Schwierigkeit dadurch behoben, daß die Spannung U über eine hochisolierende Kopplungsanordnung in den Drehzahlregelkreis eingespeist wird. Die Spannung U_p wird hierzu über einen verstell- !baren Abschwächer 46 (z.B. einen verstellbaren Widerstand), der ;mit einem in Einheiten der Pulsfrequenz geeichten Drehknopf verbunden sein kann, einer Lichtquelle 48 zugeführt. Die Lichtquelle j48 kann z.B. eine Glühlampe oder ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement sein und ist optisch mit einem lichtempfindlichen Widerstand 5O gekoppelt, elektrisch gegen diesen jedoch gut isoliert. Der Widerstand 50 ist mit seinem einen Ende an Bezugspotential oder Masse für die Drehzahlregelschaltung angeschlossen und mit seinem anderen Ende über einen Widerstand 52 mit U„ verbunden. In die Leitung zwischen dem Differenzverstärker 22 und dem Abgriff 28 des Potentiometerwiderstands 3O ist ein zweipoliger Umschalter 54 geschaltet, der in der ausgezogen gezeichneten

. ι-Stellung den einen Eingang des Differenzverstärkers 22 mit dem ! Abgriff 28 und in der gestrichelt gezeichneten Stellung den Eingang des Differenzverstärkers 22 mit der Verbindung zwischen den Widerständen 50 und 52 verbindet.

Das anhand von Fig. 1 beschriebene Ergometer arbeitet foligendermaßen: Wenn der Umschalter 54 in der ausgezogen gezeichneten ,Stellung steht, arbeitet das Ergometer wie üblich, d.h. die Laufgeschwindigkeit L des Bandes IO wird auf einem durch die Einstel-j lung des Abgriffes 28 bestimmten Wert konstant gehalten.

j Wenn jedoch der Umschalter 54 in der gestrichelt gezeichneteii Stellung steht, ist die Einstellung des Abgriffs 28 ohne Einfluß j auf die Laufgeschwindigkeit Ii, diese wird, vielmehr nun in Ab- ^: hängigkeit von der Pulsfrequenz geregelt. Die maximale Pulsfrequenz der untersuchten Person 36 kann mittels des Abschwächers 46 eingestellt werden. Bei der vorgegebenen Pulsfrequenz haben die j Spannung U_p und dementsprechend der von der Lichtquelle 48 .emittJb?- I te Lichtstrom sowie der Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes 50 solche Werte, daß die an der Verbindung der Wider-

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stände 50 und 52 auftretende Sollwertspannung U_ gleich der Drehzahl-Istwertspannung U_T ist. Steigt die Pulsfrequenz über den vorgegebenen Wert an, so steigen die Spannung U_p und der von der Lichtquelle 48 emittierte Lichtstrom, der Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes 50 sinkt und die Spannung ü_ wird dementsprechend herabgesetzt. Hierdurch wird wiederum die Drehzahl verringert. Steigt die Pulsfrequenz aus irgendwelchen Gründen weiter an, so bleibt das Laufband L schließlich stehen. Eine Gefährdung der untersuchten Person 36 durch körperliche Überlastung kann daher nicht eintreten.

Die Regelung bis zur Laufgeschwindigkeit null ist durch den zu der drehzahlproportionalen Ausgangsspannung des- Tachometergenerators 24 addierten VorSpannungsanteil Unmöglich. Sobald nämlich der Spannungsabfall am lichtempfindlichen Widerstand kleiner wird als U_Q, bleibt der Motor stehen.

Der Erfindungsgedanke läßt sich selbstverständlich auch auf andere Ergometertypen als Laufbandergometer anwenden. Z.B. kann bei Ergometern, deren leistungsaufnehmende Vorrichtung aus einem elektrischen Generator besteht, die vom Generator und Antriebsmechanismus aufgenommene Leistung entsprechend der physiologischen Größe geregelt werden. Bei dem aus der DT-OS 1 466 837 bekannten Ergometer würde man dann also das die Bezugsspannung liefernde Potentiometer durch einen Spannungsteiler ersetzen, der an eine feste Spannung angeschlossen ist und einen lichtempfindlichen Widerstand sowie einen Festwiderstand entsprechend den Widerständen 50 und 52 in Fig. 1 enthält und durch eine in der beschriebenen Weise gesteuerte Lichtquelle beeinflußt wird, ι Bei Ergometern, die ohne Netzanschluß auskommen (DT-OS 1 616 895); kann unter Umständen auf die beschriebene hochisolierte Kopplungsjanordnung 48-50 verzichtet werden. '

Bei Ergometern mit mechanischer Bremsung oder Wirbelstrombremsung kann in entsprechender Weise die mechanische bzw. elektromagnetische Bremskraft durch die physiologische Größe geregelt werden.

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Claims

21 1o970 - 8 -. Patentansprüche

1.) Ergometer mit einer Belastungseinrichtung, welche zur körperlichen Belastung einer zu untersuchenden Person mit dieser koppelbar ist und welche einen Regler enthält, der eine Betriebsgröße der Belastungseinrichtung, die eine Funktion der von der zu untersuchenden Person bei der Untersuchung aufgewendeten Leistung ist, auf einen Sollwert regelt, der durch eine Sollwerteinstellvorrichtung veränderbar ist, dadurch gokennzeichnet , daß die Sollwerteinstellvorrichtung eine zweite Regeleinrichtung (38, 42, 46, 48, 50, 52, 54) enthält, die einen mit der zu untersuchenden Person (36) gekoppelten Aufnehmer (38) für eine physiologische Größe, die von der Leistung, die die untersuchte Person bei der Untersuchung auf-, wendet, abhängt, enthält und den Sollwert (U ) im Sinne einer Konstanthaltung der physiologischen Größe auf einen einstellbaren Wert regelt. .

2.) Ergometer nach Anspruch,1, dadurch gekennzeichnet , daß der Aufnehmer (38) ein Pulsaufnehmer ist.

3.) Ergometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kenn ze Ic h η et , daß der Aufnehmer (38) mit einer Lichtquelle (48) gekoppelt ist, die einen von der physiologischen Größe abhängigen Lichtstrom liefert und daß die Lichtquelle optisch mit einem lichtempfindlichen Widerstand (50) gekoppelt ist, der elektrisch mit dem ersten Regler (18-24) verbunden, vom Aufnehmer (38) und der zugehörigen Schaltungsanordnung (42, 46, 48) .jedoch elektrisch isoliert ist und einen Teil eines den Sollwert des ersten Reglers beeinflussenden Spannungsteilers (50, 52) bildet.

4.) Ergometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler die Drehzahl eines Motors (18) regelt, der ein Laufband (10) antreibt, auf dem die untersuchte Person (36) zur körperlichen Belastung läuft.

5.)-Ergometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Regler die Leistung

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regelt, die von einer durch die untersuchte Person (36) angetriebenen energieaufnehmenden Vorrichtung aufgenommen wird.

6.) Ergometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die energieaufnehmende Vorrichtung ein mit einem Belastungswidefstand verbundener elektrischer Generator ist.

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