Post on 31-Aug-2020
Abschlussbericht
Zuwendungsempfänger:
RWTH Aachen
Institut für Textiltechnik
Lehrstuhl für medizinische Informationstechnik
Förderkennzeichen:
Förderkennzeichen: 16FV3480
Vorhabensbezeichnung:
Rahmenprogramm „Mikrosysteme 2004-2009“ des BMBF
Verbundprojekt: Textilintegriertes, intelligentes System zum Er-nährungs- und Wasserhaushaltsmanagement – NutriWear
Vorhabenslaufzeit:
01.03.2007 – 31.07.2010
Einleitung und Ziele des Vorhabens
3
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Ziele des Vorhabens 5
1.1 Ziele des Gesamtvorhabens 6
1.2 Ziele des Teilvorhabens 6
2 Wissenschaftlicher und technischer Stand 8
2.1 2-dimensionale Leiter in elastischen Textilien 8
2.2 Textile Elektroden 9
2.3 Schnittstelle Textil – Elektronik 10
2.4 Bioimpedanz-Spektroskopie 10
3 Arbeits- und Zeitplan 13
3.1 Arbeitspaket 1: Anwender- und Funktionsanalyse 13
3.2 Arbeitspaket 2: Systemspezifikation und –design 13
3.3 Arbeitspaket 3: Textile Elektroden 14
3.4 Arbeitspaket 4: Elektrische Leiter in Textilien 15
3.5 Arbeitspaket 5: Schnittstelle vom Textil zur Mikroelektronik und textile
Integration 15
3.6 Arbeitspaket 6: Mikroelektronik 16
3.7 Arbeitspaket 7: Datenanalyse 17
3.8 Arbeitspaket 8: Feedback 17
3.9 Arbeitspaket 9: Systemintegration 18
3.10 Arbeitspaket 10: Systemvalidierung 18
3.11 Arbeitspaket 11: Projektmanagement und Ergebnisverwertung 20
4 Ergebnisse des Teilvorhabens 21
4.1 AP 1: Anwender- und Funktionsanalyse 21
4.2 AP 2: Systemspezifikation und –design 23
4.2.1 Systemarchitektur 23
4.2.2 Anforderungen an das textile Teilsystem 26
4 Einleitung und Ziele des Vorhabens
4.3 AP 3: Textile Elektroden 28
4.3.1 Testverfahren für BIS-Elektroden 28
4.3.2 Herstellung und Bewertung textiler Elektroden 39
4.3.3 Konzepte zur Gestaltung textiler Oberflächenstrukturen 47
4.4 AP 4: Elektrische Leiter in Textilien 53
4.4.1 Messstand für textile Leiterbahnen 53
4.4.2 Herstellung textiler Leiterbahnen 55
4.4.3 Charakterisierung textiler Leiterbahnen 56
4.5 AP 5: Schnittstelle vom Textil zur Mikroelektronik und textile
Integration 58
4.6 AP 6: Mikroelektronik 68
4.7 AP 7: Datenanalyse 68
4.7.1 Konzept zur modularen Datenanalyse 68
4.7.2 Verfahrenentwicklung zur Detektion und Kompensation von Artefakten 69
4.8 AP 8: Feedback 72
4.8.1 Feedbackkonzept für Sportler 72
4.8.2 Feedbackkonzept für Senioren 74
4.8.3 Feedbackkonzept für die Validierungsstudie und Implementierung 75
4.9 AP 9: Systemintegration 77
4.10 AP 10: Systemvalidierung 82
4.11 AP 11: Projektmanagement und Ergebnisverwertung 82
4.12 Zusammenfassung /Ausblick 82
5 Abbildungsverzeichnis 85
6 Tabellenverzeichnis 89
7 Veröffentlichungen/Literaturverzeichnis 90
7.1 Veröffentlichungen und Vorträge 90
7.2 Literaturverzeichnis 92
Einleitung und Ziele des Vorhabens
5
1 Einleitung und Ziele des Vorhabens
Im Alter verringert sich die Adaptions- und Belastungsfähigkeit körpereigener physio-
logischer Regelkreise (sog. „labile Homöostase“). Zum Ausdruck kommt dies in einer
unangemessenen Reaktion auf Störungen des biologischen Gleichgewichtes, verur-
sacht durch langsamere Adaptionszeiten, Abnahme der Bandbreite, in der die Regu-
lation erfolgen kann, und veränderte Kompensationsmechanismen. Ein Beispiel ei-
nes störanfälligen physiologischen Regulationssystems ist der Wasser- und Elektro-
lythaushalt. Funktionseinschränkungen der Niere, Änderungen im Hormonhaushalt,
ein Nachlassen des Durstempfindens [PRL+84] und die Nebenwirkungen von Medi-
kamenten führen sehr häufig zu einer Dehydratation mit schwerwiegenden Folgen.
Diese äußern sich unter anderem in Schwächeanfällen und Krämpfen, Bewusst-
seinstrübung und Gefahr der Kreislaufinsuffizienz [KN92, Nik00]. Diese Symptome
können schleichend und ohne wesentliche Vorboten zu klinisch relevanten Erkran-
kungen bis hin zum Tod des Patienten führen. Für den behandelnden Arzt ist es
schwer, die richtige Diagnose zu stellen und zu unterscheiden, ob die Symptome ty-
pisch für das Alter oder für eine Dehydratation/Mangelernährung sind [Füs00]. Ein
besonders drastisches Beispiel ist der Jahrhundertsommer 2003 in Frankreich, bei
dem es auf Grund der thermischen Belastung und Dehydratation zu einem deutli-
chen Anstieg der Sterbeziffer kam (2004: 518.100, 2003: 560.100, 2002: 544.100)
[Ric05].
Protein-Energie-Mangelernährung reduziert die Lebensqualität, verlängert die Kran-
kenhausverweildauer und erhöht drastisch die Mortalität. Untersuchungen der deut-
schen Gesellschaft für Ernährungsmedizin zufolge sind 20 – 30 % aller Kranken-
hauspatienten mangelernährt [Pir05]. Tumorpatienten beispielsweise leiden häufig
an einem starken Körpergewichtsverlust (Kachexie), insbesondere nach einer Che-
motherapie. In diesen Fällen ist eine genauere Überwachung des Ernährungszu-
standes und des Wasserhaushaltes als Therapiemaßnahme notwendig. Bisher ist
dies allerdings nur durch kostenintensive Besuche des Hausarztes oder eines Pfle-
gedienstes realisierbar. Auch wenn alte Menschen autonom in ihrer eigenen Woh-
nung leben möchten, ist ein Überwachungssystem notwendig, welches eine Ferndi-
agnose bezüglich des Ernährungszustandes und des Wasserhaushaltes des Patien-
ten ermöglicht. Somit kann Fehl- oder Mangelernährung und Dehydratation frühzeitig
erkannt und verhindert werden.
6 Einleitung und Ziele des Vorhabens
Es besteht ein großer Forschungsbedarf nach textilen Elektroden, deren Integration
und zur Umsetzung des Systems. Bisher sind Systeme zur Bioimpedanz-
Spektroskopie (BIS) nicht textilintegriert und nur bedingt mobil. Die Elektronik für die-
se Systeme ist noch zu groß für ein tragbares System. Es gibt bisher kein Gesamt-
system, welches unabhängig vom Standort und vom Arzt die BIS-Signale auswertet,
diese kommuniziert und ein Feedback mit konkreten Handlungsempfehlungen gibt
bzw. individuelle Serviceleistungen anbietet.
1.1 Ziele des Gesamtvorhabens
Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung eines Gesamtsystems zum
kontinuierlichen Monitoring und zur Regelung des Ernährungszustandes und des
Wasserhaushaushaltes, z. B. von älteren Menschen oder Sportlern.
Das System besteht aus einem körpernah getragenen Kleidungsstück mit integrierter
textiler Sensorik, mikroelektronischer Messtechnik und Kommunikationselektronik.
Die Messung erfolgt durch die BIS, mit der die prozentualen Anteile von Wasser,
Muskeln und Fett im Körper ermittelt werden können. Die Messung erfolgt durch in
das Kleidungsstück integrierte textile Elektroden. Die Messströme werden durch tex-
tile elektrische Leiter im Kleidungsstück zu einer Schnittstelle geleitet, die das Textil
mit einer Mikroelektronik verbindet. Diese Mikroelektronik setzt die Messsignale in
digitale Daten um, bereitet sie auf und leitet sie kabellos an das mobile Endgerät
(Auswerteeinheit) weiter, wo sie dann ausgewertet werden. Das Endgerät gibt dem
Nutzer ein direktes akustisches oder visuelles Feedback. Darüber hinaus ist aber
auch die Übermittlung zu einem medizinischen Dienstleistungsanbieter möglich. So
kann der Ernährungszustand und Wasserhaushalt online, kabellos und kontinuierlich
überwacht werden. Es können Ferndiagnosen gestellt und eine akute Unterversor-
gung erkannt und schnell beseitigt werden, indem der Patient und/oder ein Pflege-
dienst informiert werden.
1.2 Ziele des Teilvorhabens
Institut für Textiltechnik (ITA)
Das Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen konzipiert Technologien zur Integra-
tion von Mikrosystemtechnik in textile Strukturen. Durch die Entwicklung neuer oder
die Modifikation existierender Textilmaschinentechnologien wird die Herstellung von
Einleitung und Ziele des Vorhabens
7
textilen Elektroden, elektrischen Leitern und elektrischen Schnittstellen ermöglicht.
Neue Konzepte für textile Strukturen werden erstellt und deren wirtschaftliche Um-
setzbarkeit evaluiert. Die Fertigung von Prototypen der neuen textilen Strukturen wird
begleitet und die Prüfungen und Optimierung an diesen Textilien durchgeführt. Die
Versuchsreihen werden in enger Kooperation mit dem MedIT durchgeführt. Konzepte
zur Einbindung der Entwicklungen in die klassische Fertigungskette der Textil- und
Bekleidungsindustrie werden erstellt und mit Hilfe der Projektpartner umgesetzt.
Lehrstuhl für medizinische Informationstechnik (MedIT)
Der Lehrstuhl für medizinische Informationstechnik wird im Rahmen des Projektes
gemeinsam mit Phillips die mikroelektronischen Schaltungen für die Messtechnik
entwickeln und charakterisieren. Es werden im Bereich der Datenanalyse Verfahren
zur Detektion und Kompensation von Artefakten untersucht sowie Algorithmen für die
modellbasierte Messwertanalyse entwickelt. In Zusammenarbeit mit dem ITA werden
Prüfverfahren und Geräte zur Charakterisierung und Prüfung textiler Elektroden und
Leiter gestaltet. Für das Anwender-Frontend werden die zu Grunde liegenden medi-
zinisch-physiologischen Algorithmen und die daraus abgeleiteten Kenngrößen entwi-
ckelt, sowie Algorithmen zur Klassifikation und Assistenzentscheidung untersucht.
8 Wissenschaftlicher und technischer Stand
2 Wissenschaftlicher und technischer Stand
Das Bedürfnis des Menschen nach mobiler Kommunikation und Information steigt
stetig an. Dabei wird steigender Wert auf Multifunktionalität, intuitive Bedienung,
ständige Verfügbarkeit und die nahtlose Einbindung in die direkte Umgebung des
Menschen gelegt. Da uns Textilien wie Bekleidung oder Haus- und Heimtextilien
ständig umgeben, liegt die Integration von elektrischen Systemen in solche Struktu-
ren nahe. Dies gilt insbesondere für medizinische Sensorik in Bekleidung, die in di-
rektem Hautkontakt steht.
Anwendungsbereiche für textilintegrierte elektrische Systeme sind
• Personal Healthcare (Prävention, Diagnostik, Therapie, Wellness, Sport),
• Wearable Computing (mobile Kommunikation, Information),
• Sicherheit (Arbeitssicherheit, Bauteilsicherheit),
• Komfort (Automobil, Haus, Bekleidung) und
• Unterhaltung, Multimedia. [HL05 , Trö05]
Dem Bereich Personal Healthcare kommt eine besonders große Bedeutung zu
[SJK05].
Realisierte Funktionen intelligenter Textilien innerhalb dieser Anwendungsbereiche
sind das Übertragen von Energie oder Signalen (z.B. Datenleitungen), Sensorik (z.B.
Elektroden, Dehnungsmessung, Taster), Ausgabe (z.B. Audio, Visuell, Geruch),
Aktuatorik (z.B. Verformung, Antrieb), Energieumsetzung (z.B. Solarzellen), Schnitt-
stellen (z.B. Antennen, Kontakte), Trägermaterial (z.B. Medikamentendosierung, me-
chanischer Träger) und elektronische Schaltungen (z.B. Transistoren, Kondensato-
ren, Spulen).
Nachfolgend wird der Stand der Technik für die im Forschungsvorhaben relevanten
Bereiche dargestellt.
2.1 2-dimensionale Leiter in elastischen Textilien
2-dimensionale elektrische Leiter verlaufen sowohl horizontal als auch vertikal im
Textil, um komplexe Schaltstrukturen zu realisieren. Bisher wurden solche Leiter er-
zeugt, indem diese durch Sticken oder Nähen nachträglich auf die textile Fläche auf-
gebracht wurden. Damit können horizontale und vertikale, aber auch spiralförmige
Wissenschaftlicher und technischer Stand
9
Leiterstrukturen hergestellt werden [Bar05, SJK05, LHÖ+06, GMN+05, PCH+05,
KLA+05, LK05]. Auch die geradlinige Integration von elektrisch leitenden Fasern in
die textile Fläche ist möglich [NN10, PW05, Par05, TK04]. Des Weiteren können lei-
tende beschichtete Polymerfasern und sensorische Fasern [LST+05] in Textilien in-
tegriert werden.
2-dimensionale Leiter, welche unempfindlich gegen Störeinflüsse, frei von Bewe-
gungsartefakten und direkt bei der Herstellung der textilen Fläche integrierbar sind,
konnten noch nicht realisiert werden.
2.2 Textile Elektroden
Die Überwachung der Vitalfunktionen mit Hilfe von textilen Elektroden findet in vielen
Forschungsprojekten bereits Anwendung. Dabei werden Körperfunktionen wie Herz-
rhythmus, Atmung, Körpertemperatur, aber auch Blutdruck oder Sauerstoffsättigung
aufgezeichnet. In verschiedenen Projekten wurden hierfür T-Shirts, Bodys oder Un-
terwäsche entwickelt, die mit Hilfe von textilen Elektroden und integrierter Hardware
die Messdaten aufnehmen und übertragen [PGR+99, Ver10, LHÖ+06, Gro04, NN03,
WBD+03, Wed07].
An der Tampere University of Technology in Finnland wurde ein tragbares Messsys-
tem zur Überwachung des Wasserhaushaltes mittels Bioimpedanz-Spektroskopie
entwickelt. Dieses System ermöglicht die mobile textilintegrierte Analyse mit einem
direkten Feedback über einen Vibrationsalarm. Zur Messung und Übertragung der
Signale sind verschiedene textile Systeme miteinander verbunden, was die Energie-
versorgung der einzelnen Elemente erschwert. Ein wesentlicher Nachteil dieses Sys-
tems ist daher die Einschränkung der Alltagstauglichkeit. Die Position der textilen
Elektroden an Hand- und Fußgelenken führt aufgrund der geringen Muskelmasse an
diesen Stellen zu Einschränkungen in der Messgenauigkeit. Anwendungsszenarien
im medizinischen Bereichen sowie eine Fernanalyse der Messdaten mit Hilfe draht-
lose Kommunikationstechnologien wurden hier nicht untersucht [VKR+03, VHV+05].
Der Stand der Technik zeigt, dass sich bereits diverse Forschungseinrichtungen und
Unternehmen mit dem Thema mobile Überwachung beschäftigt haben und eine Viel-
zahl an Prototypen mit textilen Elektroden entwickelt wurde. Die damit zu überwa-
chenden Körperfunktionen beschränken sich derzeit aber bei fast allen Beispielen
auf die Messung von Herztätigkeit mittels EKG oder die Überwachung der Atmung.
10 Wissenschaftlicher und technischer Stand
Teilweise werden Parameter wie Körperfeuchtigkeit oder Temperatur gemessen.
Im Gegensatz dazu unterscheidet sich die Überwachung der Körperzusammenset-
zung mittels Bioimpedanz-Spektroskopie dadurch, dass zuerst ein Messstrom in den
Körper eingespeist werden muss, bevor ein Abgreifen der Spannung erfolgt. Damit
ergeben sich auch hinsichtlich der Oberflächenleitfähigkeit und der Waschbeständig-
keit höhere Anforderungen an die textilen Elektroden, die bisher noch nicht realisiert
wurden. Auch die Schnittstelle zwischen Haut und Elektrode ist bei dem Messverfah-
ren von enormer Bedeutung.
Ein weiteres Defizit ist, dass viele Systeme bisher lediglich integrierte Leiterbahnen
haben. Die Elektroden werden nachträglich an das Kleidungsstück angebracht, wo-
bei es sich in diesem Fall nicht um textile Elektroden handelt. Weiterhin ist auf den
Bildern zu sehen, dass viele Systeme noch Kabelverbindungen zwischen dem Klei-
dungsstück und der Auswerteelektronik haben, was die Mobilität stark einschränkt.
2.3 Schnittstelle Textil – Elektronik
Zur Realisierung der Schnittstelle Textil-Elektronik befassen sich mehrere For-
schungsinstitute mit elektrisch leitfähigen Druckknopfverbindungen oder elektrisch
leitfähigen Bänder, die auf das Textil genäht werden und so die textilen Leiterbahnen
mit der Mikroelektronik verbinden [LK05]. Eine weitere Möglichkeit ist die Kontaktie-
rung der Elektronik und des Textil mittels leitfähigem Klebstoff [LK05, Trö04]. Die
Kontaktierung kann mit elektrisch leitfähigem Kleben, Löten, Sticken, Nähen oder
Schweißen [JL03, LHP+06] oder über dünne, flexible Isolatorbänder (Flexbänder),
auf die elektrisch leitfähige Leiterbahnen aufgedruckt oder aus einer ursprünglichen
Metallisierung durch Foto- und Ätztechnik strukturiert werden [Lau03].
Es ist hervorzuheben, dass die Integration von textilen Elektroden in die klassische
Fertigungskette der Textil- und Bekleidungsindustrie noch nicht realisiert wurde und
dass die Qualität der Signaleinkopplung in die Haut unter Umwelteinflüssen und Be-
wegung nicht ausreicht um verlässliche Ergebnisse zu erhalten.
2.4 Bioimpedanz-Spektroskopie
Bislang existieren keine standardisierten Verfahren zur Bestimmung des Ernäh-
rungsstatus. Zurzeit erfolgt die Bestimmung mittels Nutrition Scores wie dem
Wissenschaftlicher und technischer Stand
11
Subjective Global Assessment (SGA) oder dem Nutrition Risk Screening (NRS)
[BSL+78]. Dabei werden für den SGA bestimmte Symptome überprüft und nach
Schweregrad vom Begutachter beurteilt. Beim NRS wird zusätzlich auch die Schwe-
re der Erkrankung berücksichtigt. Beide Verfahren basieren stark auf den subjektiven
Einschätzungen des Begutachters, sind zeitintensiv und für eine kontinuierliche Pati-
entenüberwachung daher nicht geeignet.
Eine Lösung dieses Problems verspricht die Bioimpedanz-Messung. Sie erlaubt die
kontinuierliche Überwachung und Bewertung des Flüssigkeits- und Ernährungsstatus
eines Menschen und ist ein in der Technik schon lange bekanntes Verfahren. Hierbei
wird ein winziger und ungefährlicher Wechselstrom in den Körper eingeleitet und
damit der elektrische Widerstand des Körpers gemessen. Bekannt ist dieses Verfah-
ren beispielsweise bei Körperfettwaagen, die mittlerweile für den Hausgebrauch wei-
te Verbreitung gefunden haben. Allerdings handelt es sich bei diesen nur um eine
Einfrequenz-Messung. Die hiermit ermittelte Körperzusammensetzung ist unter me-
dizinischen Gesichtspunkten zu ungenau und nicht validiert. Bei der Bioimpedanz-
Spektroskopie wird diese Messung bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt. Das
Ergebnis ist eine Ortskurve, deren charakteristische Form Aussagen über die Zu-
sammensetzung des Gewebes erlaubt [KPP03]. Eine der bisherigen Hauptanwen-
dungen der Bioimpedanz-Spektroskopie in der Forschung ist die Analyse des
Flüssigkeitsstatus von Dialysepatienten [PSK+01]. Nur wenige Forschergruppen ha-
ben sich bislang mit der Messung von Dehydratation beschäftigt [BBJ+99, SBB98]
und damit erste grundlegende Ergebnisse über die Erkennung dieser mit Hilfe von
BIS geliefert. Diese Untersuchungen wurden allerdings an gesunden, sportlich trai-
nierten Personen durchgeführt und sind deshalb nur auf einen begrenzten Teil der
Bevölkerung übertragbar. Andere Forschergruppen verwenden die Impedanz-
Spektroskopie zur Erfassung und Kontrolle des Ernährungsstatus von Patienten
[BCH+02]. Die Messgenauigkeit hierbei ist aber im Vergleich zu Messungen an ge-
sunden Personen noch sehr ungenau. Neuere Forschungen beschäftigen sich mitt-
lerweile damit, die gewonnenen Ergebnisse zur Therapie-Kontrolle und Planung zu
verwenden [Wie06].
Der Stand der Technik zeigt, dass trotz erster Forschungsergebnisse der allgemeine
Einfluss von physiologischen und pathophysiologischen Parametern noch eingehen-
der untersucht und auch die Messtechnik an diese neu entstehenden Anforderungen
12 Wissenschaftlicher und technischer Stand
angepasst werden muss.
Arbeits- und Zeitplan
13
3 Arbeits- und Zeitplan
3.1 Arbeitspaket 1: Anwender- und Funktionsanalyse
Ziel des Arbeitspaketes ist die Identifizierung attraktiver Marktsegmente sowie der
benötigten Systemfunktionen. Die einzelnen Zielgruppen werden genau definiert und
speziell auf die einzelnen Gruppen abgestimmte Anwendungsszenarien erstellt. Ba-
sierend auf den erstellten Nutzergruppenprofilen werden für die einzelnen Gruppen
spezifische Systemfunktionalitäten, Textilanforderungen und Kommunikationsstan-
dards erarbeitet. Es wird ein Anwendungsszenario für die Implementation und Vali-
dierung ausgewählt. Eine Liste aller notwendigen Systemanforderungen wird erstellt.
Output:
• Nutzergruppenprofile
• Matrix der Nutzergruppen und Systemfunktionalität
• Systemanforderungsliste
3.2 Arbeitspaket 2: Systemspezifikation und –design
Entsprechend der im AP 1 definierten Systemanforderungen werden in einem ersten
Arbeitsschritt die Systemarchitektur definiert und die Schnittstellen zwischen den
Hard- und Softwarekomponenten spezifiziert. Hiermit wird vor allem die Integrations-
fähigkeit der einzelnen Komponenten sichergestellt. Ein zweiter Arbeitsschritt spezi-
fiziert die einzelnen Komponenten, insbesondere die Elektrodenpositionierung, Grö-
ße und Anzahl der Elektroden, Anpressdruck und Leitfähigkeit, textile Schnittstelle
sowie die Datenprotokolle und -formate. Die weitere Entwicklung der Systemkompo-
nenten erfolgt dann in den nachfolgenden Arbeitspaketen. Der abschließende Ar-
beitsschritt erstellt den Testplan für die Demonstratoren und Anforderungen an die
Feedbacksysteme.
Output:
• Systemarchitektur
• Schnittstellenspezifikation
• Spezifikation der Komponenten
• Testplan
14 Arbeits- und Zeitplan
3.3 Arbeitspaket 3: Textile Elektroden
In diesem Arbeitspaket werden textile Elektroden für die Anwendung der Bioimpe-
danz-Spektroskopie (BIS) entwickelt.
Ein neues Testverfahren zur Bewertung der Eignung der erzeugten Textilien für die
BIS wird vom MedIT konzipiert und aufgebaut.
Die im Vorfeld zu diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Untersuchungen zu
textilen Elektroden werden weitergeführt. Hierzu werden weitere elektrisch leitende
Garne recherchiert und bezüglich ihrer Struktur, ihres Werkstoffes und ihrer Verarbei-
tungseigenschaften vom ITA ausgewählt und beschafft. Die Garne werden dann vom
ITA zu einfachen Rundgestricken weiterverarbeitet, die anschließend mit Hilfe des
vom MedIT entwickelten Testverfahrens für textile BIS-Elektroden bewertet werden.
So kann eine relative Bewertung der beschafften Garne erfolgen und eine endgültige
Auswahl von 1 – 3 Garnen für das weitere Vorgehen getroffen werden. Neben den
Garnen ist die textile Struktur (insbesondere die Oberflächenstruktur) der textilen
Elektroden entscheidend über die spätere Funktionssicherheit der textilen Elektrode.
Es werden realisierbare Konzepte für Maschenwaren entwickelt, welche die Oberflä-
che der textilen Elektroden darstellen. Dabei soll die Oberfläche gezielt strukturiert
werden und insbesondere eine hohe Elastizität der Elektroden realisiert werden, um
einen festen Sitz auf der Haut des Patienten sicherzustellen. Nach Fertigstellung des
Konzeptes werden Prototypen der Textilien hergestellt. Hierzu werden konventionelle
Maschinen zur Herstellung von Maschenware für die Verarbeitung der neuen Materi-
alien und zur Erzeugung der konzipierten Strukturen modifiziert. Die hergestellten
Textilien werden nun vom ITA zu fertigen Elektroden konfektioniert. Durch verglei-
chende Testreihen mit konventionellen, medizinisch zugelassenen BIS-Elektroden
wird die Güte der erzeugten Elektroden bewertet. Nach Auswertung der Ergebnisse
werden die Textilien weiter optimiert.
Output:
• Testverfahren für textile BIS-Elektroden
• Textile Werkstoffe und Strukturen für Elektroden
• Fertigungsverfahren für die neuen Werkstoffe und Strukturen
• Prototypen der textilen Elektroden
Arbeits- und Zeitplan
15
3.4 Arbeitspaket 4: Elektrische Leiter in Textilien
Zur Verbindung der textilen Elektroden mit der Schnittstelle zur Mikroelektronik wer-
den in diesem Arbeitspaket Verfahren zur Herstellung von 2-dimensionalen, elektri-
schen Leitern in hoch-elastischen Bekleidungstextilien entwickelt. Zur zuverlässigen,
durchgängigen Übertragung der Messströme, vor allem unter dem Einfluss der Um-
welt und der Bewegung des Trägers sind hohe Anforderungen an die Isolation, die
Schirmung und die Konstanz der elektrischen Impedanz zu erfüllen. Das MedIT ent-
wickelt bzw. modifiziert ein mechanisch/elektrisches Testverfahren, welches die Be-
wertung der elektrischen Leiter in Bezug auf diese Anforderungen ermöglicht.
Wie in AP 3 wird auch hier ein Recherche mit anschließender Bewertung und die
Beschaffung elektrisch leitender Garne durchgeführt. Kriterien sind Leitfähigkeit,
Verarbeitbarkeit, Verträglichkeit etc. Die beschafften Garne werden mit der Prüfvor-
richtung zunächst ohne die Einbindung in einer textilen Fläche auf ihre Eignung für
die Anwendung Signalleiter sowie für die Anwendung Stromleiter untersucht. Auch in
diesem AP werden 1 – 3 Garne für das weitere Vorgehen ausgewählt. Es erfolgt nun
die Konzepterstellung für die textile Fläche mit integrierten zweidimensionalen elekt-
rischen Leitern. Dabei ist insbesondere die Realisierbarkeit der Konzepte durch Mo-
difizierungen an den Maschinen zu beachten. Auf Basis der Konzepte und unter Be-
rücksichtigung der Spezifikationen bezüglich des Aufbaus des Kleidungsstückes
werden Prototypen gefertigt und mit dem neuen Testverfahren bewertet. Danach er-
folgt eine Optimierungsschleife.
Output:
• Testverfahren für textile elektrische Leiter
• Überprüfung und Charakterisierung der elektrischen Leiter
• Prototypen: Maschenwaren mit integrierten elektrischen Leitern
3.5 Arbeitspaket 5: Schnittstelle vom Textil zur Mikroelektronik und textile Integration
Zur Verbindung des Kleidungsstückes mit integrierten elektrischen Leitern und der
Mikroelektronik wird eine zuverlässige, textilgerechte, reversible Schnittstelle entwi-
ckelt. Realisiert wird dies durch eine umfangreiche Recherche bezüglich klassischer
elektrotechnischer und klassischer bekleidungstechnischer Verbindungstechniken,
16 Arbeits- und Zeitplan
auf deren Basis Konzepte für die Schnittstelle entwickelt werden. Die verschiedenen
Konzepte werden experimentell auf die Erfüllung der Anforderungen sichere intuitive
Bedienbarkeit, Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und reproduzierbare
adäquate elektrische Verbindung der Teilsysteme hin untersucht. Mögliche Lösungen
sind speziell konstruierte Stecker, welche durch Stoff-, Form- oder Kraftschluss eine
sichere Verbindung zum textilen System ermöglichen. Es werden Konzepte erstellt
und prototypisch umgesetzt.
Des Weiteren wird die Konfektion von Textilien mit integrierten elektrischen Leitern
unter Berücksichtigung der Kontaktierung zwischen den textilen Flächen vom ITA
entwickelt. Hierbei werden das Nähen und/oder das Sticken unter Verwendung von
elektrisch leitendem Nähgarn eingesetzt und für diese Anwendung evaluiert. Am ITA
stehen alle wichtigen Stichtypen und Stickmaschinen zur Verfügung. Zur Bewertung
der Güte der Konfektion wird das Testverfahren aus AP 4 genutzt.
Output:
• Reversible Schnittstelle Textil–Mikroelektronik
• Elektrisch leitende Konfektionierung
• Schnittmuster/Design
3.6 Arbeitspaket 6: Mikroelektronik
Für die weitere Verarbeitung der über die Schnittstelle Textil–Mikroelektronik gesen-
deten Signale wird in diesem Arbeitspaket eine tragbare Mess- und Übertragungs-
elektronik entwickelt. Die Messelektronik wird die an die Schnittstelle gesendeten,
analogen Messwerte aufnehmen, verstärken und digitalisieren. Die Übertragungs-
elektronik wird die digitalisierten Werte bearbeiten und die weitere Übertragung über
eine Funk-Schnittstelle ermöglichen. Dafür wird ein geeignetes standardisiertes Pro-
tokoll für den kabellosen Datentransfer definiert, das zusammen mit der Integration
eines Mobiltelefons eine drahtlose Kommunikation des mobilen Systems zur Auswer-
tung bzw. zum Provider ermöglicht. Über diese Schnittstelle können die Messelekt-
ronik und die Datenübertragung zusätzlich periodisch, ereignisbasiert oder bei Anfor-
derung initialisiert und adressiert werden.
Für den Betrieb der Mikroelektronik wird ein Energieversorgungskonzept erstellt und
entwickelt, welches einen kontinuierlichen Einsatz gewährleistet. Im Rahmen dieses
Arbeits- und Zeitplan
17
Arbeitspakets wird die entwickelte Mikroelektronik als Demonstrator aufgebaut und
verschiedene Funktionstests durchgeführt.
Output:
• Quantifizierung bestehender Hardwaretechnologien, sowie Entwicklung neuer Hardwarekonzepte
• Bioimpedanz- und EKG Mikroelektronik (Mess- und Übertragungselektronik)
• Zulassungsbedingungen (Risikoanalyse, elektrische Sicherheit)
3.7 Arbeitspaket 7: Datenanalyse
Für die Auswertung der Messdaten wird eine modulare Datenanalyse durchgeführt,
die in diesem Arbeitspaket implementiert wird. Dafür wird zunächst ein modulares
Datenanalyse-Konzept entwickelt, in dem zentrale und dezentrale Teile der Daten-
analyse zwischen Mikroelektronik, mobilem Gerät und zentralem Server aufgeteilt
werden. Es werden außerdem neue Verfahrensalgorithmen entworfen, die Bewe-
gungsartefakte und sonstige Fremdeinflüsse kompensieren und durch zusätzliche
Filterungsprozesse dafür sorgen, dass die Messwerte eindeutiger ausgewertet wer-
den können. Sind die Messwerte soweit vorbereitet, werden sie dazu benutzt, weite-
re Algorithmen zu implementieren, die spezielle medizinische-physiologische Zu-
stände anhand von Kenngrößen identifizieren und auswerten. Bei der Identifizierung
soll eine an den Patienten angepasste Kalibrierung ermöglicht werden, wodurch die
Auswertung ganz individuell erstellt wird. Am Ende der Datenanalyse erhalten der
Benutzer und/oder der Dienstleister über eine drahtlose Kommunikation ein entspre-
chendes Feedback über die Auswertung der physiologischen Messwerte.
Output:
• Konzept zur modularen Datenanalyse, Ein und Ausgabeparameter
• Kompensation der Messartefakte, Filterungsprozesse zur Datenaufbereitung
• Identifikation von Messergebnissen anhand von Kenngrößen, Probanden be-zogene Kalibrierung
3.8 Arbeitspaket 8: Feedback
In diesem Arbeitspaket wird ein Feedback-Konzept für die Benachrichtigung des Be-
nutzers und/oder des Providers entwickelt. Mit Hilfe dieses Konzepts erhalten der
Benutzer und/oder der Provider nach jeder Messung die gewünschten Messergeb-
18 Arbeits- und Zeitplan
nisse in Form von Trendanalysen und/oder Alarmanzeigen. Des Weiteren wird ein
vorausschauendes Warn- und Empfehlungsmanagement implementiert, wodurch ei-
ne noch genauere Bewertung der Messergebnisse ermöglicht wird und weitergehen-
de Empfehlungen durch eine Verbindung mit Datenbanken und
Informationssystemen automatisch erstellt und an den Benutzer gesendet werden.
Abschließend werden diese Empfehlungen durch zusätzliche Recherchen im
Hinblick auf Ernährungsrichtlinien und Nahrungsmittelinhalten ausgebaut, so dass
sie mit weiteren Vital- oder Aktivitätsparametern verknüpft werden können und
zusätzliche Diagnosen und Hilfestellungen liefern.
Output:
• Feedbackmechanismen und –algorithmen
• Bewertung der Messergebnisse anhand von Trendanalysen und Warnsyste-men
• Verknüpfung mit Informationen von Ernährungsrichtlinien und Nahrungsmittel-inhalten
• Prototypische Programmierung ausgewählter Feedbackszenarien
3.9 Arbeitspaket 9: Systemintegration
Die aus den einzelnen Arbeitspaketen vorliegenden Komponenten werden zum
Gesamtsystem kombiniert. Die Funktionsfähigkeit der Schnittstellen wird geprüft.
Datenerfassung und –übertragung werden labortechnisch getestet. Aufbauend auf
die Laboranalyse wird eine Risikoanalyse für die Validierung und die Zulassung
eines solchen Systems erstellt. Der Testplan wird entsprechend angepasst. Eine
Versuchsgruppe wird ausgewählt, erforderliche Zulassungen veranlaßt und die
Bekleidung entsprechend konfektioniert. Es erfolgt der Aufbau von 10 Messsystemen
zur späteren Validierung in AP 10.
Output:
• Komplettsysteme für die Validierung geprüft und zugelassen
3.10 Arbeitspaket 10: Systemvalidierung
Für die abschließende Bewertung des Systems und für die Auswertung der einzel-
nen Arbeitspunkte wird in diesem Arbeitspaket eine Systemvalidierung vorgenom-
men. Dabei sollen sowohl die einzelnen Komponenten des Systems validiert werden,
Arbeits- und Zeitplan
19
als auch das Gesamtsystem an ausgewählten Nutzergruppen und in genau festge-
legten Mess-Szenarien getestet werden. Für die Validierung der einzelnen Kompo-
nenten des Systems werden spezielle Messprotokolle erstellt und entsprechende
Tests durchgeführt. Die Textilkomponenten werden dabei besonders auf ihre Belas-
tungstauglichkeit, ihre Waschtauglichkeit und ihren Tragekomfort über einen länge-
ren Zeitraum hinaus untersucht. Bei den Elektroden und Leitern in den Textilien wie-
derum wird die Positionierung beim Tragen über einen gewissen Zeitraum genau
überprüft, sowie der Tragekomfort der Elektroden hinsichtlich möglichen Hautirritati-
onen. Des Weiteren werden auch spezielle Einflüsse wie z.B. Schweiß oder Proble-
me durch trockene Haut am Probanden untersucht und ausgewertet. Neben den
Textilkomponenten werden auch die elektronischen Komponenten einer eingehen-
den Validierung unterzogen. Dabei wird genau untersucht, inwiefern die einzelnen
Teile den allgemeinen Anforderungen, die in AP 1 und 2 gestellt wurden, entspre-
chen, als auch inwiefern sie die Vorgaben der Risikoanalyse bzw. der für das Gerät
geltenden Sicherheitsnormen einhalten. Neben diesen Komponentenvalidierungen
wird auch das Gesamtsystem an sich in ausgewählten und vorbereiteten Proban-
denstudien getestet. Dafür muss zunächst ein Antrag für die Durchführung einer Stu-
die gestellt und eingereicht werden. Anschließend müssen verschiedene Nutzer-
gruppen ausgewählt und vorbereitet werden, an denen das System getestet werden
kann. Je nach Nutzergruppe werden genau definierte Messprotokolle erstellt, um ei-
nen möglichst reibungslosen Ablauf der Studie zu ermöglichen und möglichst viele
Messsituationen zu testen. Die Probanden werden schließlich anhand dieser Mess-
protokolle in verschiedenen Situationen (z.B. verschiedene Tageszeiten oder ver-
schiedene Körperhaltungen) vermessen und die Ergebnisse ausgewertet. Dabei soll
zum einen die Stabilität, Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Systems zum anderen
die Handhabung und Benutzerfreundlichkeit genau überprüft werden. Durch die
Durchführung all dieser unterschiedlichen Tests wird eine systematische Systemvali-
dierung des Gesamtsystems sowie der einzelnen Komponenten ermöglicht. Ab-
schließend kann anhand der Ergebnisse eine Evaluierungsmatrix für die Validierung
erstellt werden und in einer ausführlichen Dokumentation festgehalten werden.
Output:
• Validierung der Systemkomponenten
• Evaluierung der Handhabung und Zuverlässigkeit des Systems
• Untersuchungen an Nutzergruppen, Durchführung einer Studie
20 Arbeits- und Zeitplan
3.11 Arbeitspaket 11: Projektmanagement und Ergebnisverwertung
In diesem Arbeitspaket werden die Aktivitäten und Arbeitspakete koordiniert, um eine
erfolgreiche Systementwicklung zu unterstützen. Durch eine enge und flexible Kom-
munikation werden der Austausch der erforderlichen Informationen und die Fort-
schrittskontrolle sichergestellt. Mindestens vierteljährlich sind Treffen der Arbeitspa-
ketpartner und halbjährlich sind Treffen aller Projektpartner vorgesehen. Die fristge-
rechte und qualitätsgerechte Lieferung der Meilensteine wird überprüft, sowie die
Kommunikation mit dem Projektträger koordiniert. Über die interne Koordination hin-
aus wird in diesem Arbeitspaket die externe Präsentation und Veröffentlichung des
Projektes vorangetrieben.
Nachfolgende Tabelle 3-1 fasst die Arbeitspakete in einem Gantt-Chart zusammen.
Arbeitsschritt Jahr 1 Jahr 2 Jahr 3
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 1 Anwender- und Funktionsanalyse 2 Systemspezifikation und Design
3 Textile Elektroden
4 Elektrische Leiter in Textilien 5 Schnittstelle Textil–Mikroelektronik
und textile Integration 6 Mikroelektronik 7 Datenanalyse
8 Feedback
9 Systemintegration
10 Systemvalidierung
11 Projektmanagement und Ergebnis-
verwertung
Tabelle 3-1: Gantt-Chart inklusive Meilensteine
Die Meilensteine sind nachfolgend definiert:
M1: Festlegung der Systemspezifikationen M2: Funktionsfähigkeit der Systemkomponenten M3: Freigabe des Gesamtsystems zur Validierung
M1 M2 M3
Ergebnisse des Teilvorhabens 21
4 Ergebnisse des Teilvorhabens
4.1 AP 1: Anwender- und Funktionsanalyse
Um die Anforderungen an das textile Teilsystem zu definieren, wurde zunächst eine
Anwenderanalyse durchgeführt. Den für die Nutzung eines solchen Systems relevan-
ten Personengruppen, wie z.B. Sportler oder ältere Menschen, wurden Fragen zu ih-
ren Lebensgewohnheiten, ihrem Umgang mit technischen Systemen sowie ihren
Wünschen an ein solches System gestellt. Des Weiteren wurde der momentane Ist-
Zustand bei der Überwachung von Körperfunktionen erfragt.
Die nachfolgende Tabelle 4-1 fasst die Ergebnisse der Befragung beider Personen-
gruppen zusammen.
Kategorie Sportler Ältere Menschen (teil-weise in Betreuung)
Gewohnheiten Keine festen Tagesabläu-fe oder Essgewohnheiten
Feste Tagesabläufe und Essgewohnheiten
Sportbekleidung eher eng anliegend, den in der Sportart üblichen angebo-tenen Kleidungstücken und Trends folgend
Keine eng anliegende Kleidung, nicht über Kopf anzuziehen, einfach zu öffnen und zu schließen, unauffällig zu tragen
Meist feste Trainingsein-heiten, viel körperliche Be-tätigung
Geringe körperliche Betä-tigung
Ist-Zustand
Ernährungskontrollen existieren meist nur vor Wettkämpfen oder bei be-stimmten Programmen
Keine Ernährungskontrolle
Gewicht wird gelegentlich kontrolliert
Gewicht wird selten kon-trolliert
Körperzusammensetzung wird selten untersucht
Körperzusammensetzung bisher nicht untersucht
Technikaffinität Handys oder smart Handys sind vorhanden,
22 Ergebnisse des Teilvorhabens
phones gehören zur Stan-dardausstattung
werden aber nur selten genutzt
Auswertung der Trai-ningseinheiten erfolgt häu-fig rechnergestützt
Technik muss einfach be-dienbar sein, Sehschwä-che und Übersichtlichkeit berücksichtigen
Integration von techni-schen Funktionen in Sportbekleidung möglich
Bisher keine Integration von technischen Funktio-nen in die Alltagskleidung
Systemanforderungen
Rückmeldung bzw. Aus-wertung im Zusammen-hang mit dem Trainings-fortschritt wünschenswert
Rückmeldung bzw. Aus-wertung im Wochen-rhythmus wünschenswert
Vergleich mit Idealwerten in Abhängigkeit von be-stimmten Körperformen und Sportarten
Ernährungsanforderungen und -einstellung sollen in-tegrierbar sein
Ernährungshaushalt in Trainingsplan integrieren
Statistische Vergleiche un-ter Berücksichtigung von BMI, Alter, Medikation und sonstigen Besonderheiten erforderlich
Wasser/Elektrolythaushalt während des Trai-nings/Wettkampfes inte-ressant
Dokumentation in Pflege-
pläne integrieren und auch
gegenüber Angehörigen
nutzbar machen
Tabelle 4-1: Zusammenfassung der Anwenderanalyse
Die Zusammenfassung der Befragung macht deutlich, dass die Anforderungen an
das textile Teilsystem für beide Personengruppen völlig verschieden sind, vor allem
was das Kleidungsstück selbst anbelangt. Während Sportler eher auf das äußere Er-
scheinungsbild eines solchen Kleidungsstückes Wert legen, stehen bei älteren Men-
schen eher praktische Aspekte sowie die Möglichkeit einer unauffälligen Nutzung im
Vordergrund. Unabhängig von den Wünschen der Anwender müssen ein paar gene-
Ergebnisse des Teilvorhabens 23
relle Anforderungen für die uneingeschränkte Funktionalität eines solchen Teil-
systems erfüllt werden:
• Kleidungsstück muss enganliegend sein, damit die Elektroden permanenten Kontakt zur Haut haben
• Gute bekleidungsphysiologische Eigenschaften müssen vorhanden sein, um den Tragekomfort auch über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten
• Textile Leiterbahnen müssen gegen Feuchtigkeit geschützt werden, beispiels-weise bei der Verwendung des Systems im Freien
4.2 AP 2: Systemspezifikation und –design
4.2.1 Systemarchitektur
Das Nutriwear-System besteht aus 3 Hauptkomponenten (Abbildung 4-1):
• Nutriwear Hosen inklusive textiler Elektroden und Leiterbahnen
• Nutriwear Messelektronik
• PDA
Abbildung 4-1: Aufbau des Nutriwear Messsystems
Die Schnittstelle zwischen der Nutriwear-Hose und der Messelektronik, in Form eines
textilen Kabels mit Interposer, wird im AP 5 beschrieben. Die Schnittstelle zwischen
der Nutriwear Messelektronik und dem PDA besteht aus zwei Komponenten: zum ei-
nen der physikalischen Schnittstelle und zum anderen aus dem Datenübertragungs-
protokoll. Die physikalische Schnittstelle ist in Form einer Bluetooth-basierten Funk-
24 Ergebnisse des Teilvorhabens
lösung realisiert worden. Über das sogenannte Serial-Port-Profile (SPP) werden Da-
ten seriell zwischen der Messelektronik und dem PDA ausgetauscht.
Das Datenprotokoll erfüllt mehrere Funktionen:
• Auslesen von Konfigurationen
• Senden von Steuerkommandos für BIS Messungen (Starten/Stoppen)
• Auslesen von Messdaten
Das Protokoll wurde von Philips entwickelt. Durch Unterstützungsleistung von uns
wurden Software-gesteuerte Messabläufe sowie Datenverarbeitungskomponenten
optimiert. Diese umfassten u.a. folgende Komponenten:
• Auswahl geeigneter Messbereiche und Messfrequenzen
• Berechnung der Impedanzwerte aus Rohdaten
• Optimierung der Messdauer auf Signalqualität
• Definierung einer erweiterbaren Softwareschnittstelle zur Datenanalysekom-ponente
• Berechnung der Cole-Cole Parameter
Die Software auf dem PDA ist modular entworfen worden. Sie besteht aus folgenden
Modulen:
• Kommunikationsmodul
• Konfigurationsmodul
• Datenanalysemodul
• Feedback und Visualisierung von Messdaten
Das Datenanalysemodul sollte als eigenständige Softwarekomponente entwickelt
werden, damit diese flexible und einfach ausgetauscht werden kann. Es bekommt als
Eingabeparameter die gemessenen BIS Rohdaten sowie einen Hardwareversions-
bedingten Skalierungsfaktor (Abbildung 4-2).
Ergebnisse des Teilvorhabens 25
Abbildung 4-2: Übersicht Datenanalysemodul
Weitere Eingabe- und Ausgabeparameter sind in der nachfolgenden
Tabelle 4-2 aufgelistet.
Tabelle 4-2: Ein- und Ausgabeparameter des Datenanalysemoduls
Weitere Details zum Datenanalysemodul sind im Kapitel 4.7 beschrieben. Das Feed-
backmodul wird im Kapitel 4.8 beschrieben.
Parameter Ein-
/Ausgabe Einheit
Impedanzamplituden Ein Ohm
Impedanzphasen Ein Grad
Messfrequenzen Ein kHz
Extrazellulärer und Intra-
zellulärer Widerstand (Re
& Ri)
Aus Ohm
Zellmembran (Cm) Aus nF
Extrazelluläres Wasser,
Intrazelluläres Wasser Aus Liter
Fat Free Mass Aus kg
26 Ergebnisse des Teilvorhabens
4.2.2 Anforderungen an das textile Teilsystem
In diesem Kapitel werden die Anforderungen an das Textile Teilsystem definiert. Die-
ses besteht aus folgenden Einzelkomponenten:
• Textile Elektroden
• Textile Leiterbahnen
• Textile reversible Verbindung zur Messelektronik
• Konfektionierte Bekleidung
Sowohl die textile Elektroden als auch die textilen Leiterbahnen müssen eine gute
Leitfähigkeit besitzen. Im Gegensatz zu den Leiterbahnen müssen die Elektroden vor
allem an der Oberfläche leitfähig sein, um in gutem elektrischen Kontakt zum Körper
zu stehen. Aufgrund der geforderten Integration in Bekleidungsstücke müssen so-
wohl Leiterbahnen als auch Elektroden den bekleidungstechnischen Anforderungen
gerecht werden. Da Bekleidungstextilien elastisch und flexibel sein müssen, um ei-
nen hohen Tragekomfort zu bieten, müssen auch die Elektroden und Leiterbahnen
an diese Anforderungen angepasst werden. Weitere Anforderungen an die Beklei-
dung, die ebenfalls von Elektroden und Leiterbahnen erfüllte werden müssen, sind
gute Pflegeeigenschaften, geringer Verschleiß für eine dauerhafte Beanspruchung
sowie eine langfristige Waschbeständigkeit.
Um den für die Elektroden notwendigen permanenten Hautkontakt zu realisieren,
müssen diese zudem drapierfähig sein, um sich jeder Körperform anpassen zu kön-
nen. Sowohl Leiterbahnen als auch Elektroden sollten zudem ästhetischen Ansprü-
chen hinsichtlich Design und Farbe gerecht werden.
Eine atmungsaktive, offene Struktur lässt den Luftaustausch an der Hautoberfläche
zu, was Hautirritationen und Entzündungen verhindert und den Tragekomfort erhöht,
jedoch für die Funktion der Elektrode nicht von Vorteil ist. Hierfür sind besonders
dichte Strukturen von Vorteil, die Wasser und Schweiß aufnehmen und speichern,
ebenso wie die Verwendung feuchtigkeitsspeichernder Materialien. Durch die Be-
feuchtung der Haut sinkt deren elektrischer Widerstand, wodurch sich die Messer-
gebnisse verbessern. Zusätzliche elektrolytische Beschichtungen zur Erhöhung der
Leitfähigkeit sollen allerdings vermieden werden, da diese allergische Reaktionen
Ergebnisse des Teilvorhabens 27
verursachen können.
Eine Forderung speziell an die Leiterbahnen ist deren Isolation gegen Feuchtigkeit
von Außen als auch gegen Schweiß von Innen, um auch den Einsatz des Gesamt-
systems im Freien zu gewährleisten. Des Weiteren wäre eine Abschirmung der texti-
len Leiterbahnen gegen Elektrosmog sowie die Unempfindlichkeit gegen umweltbe-
dingte Störeinflüsse wünschenswert.
Um die hohen Anforderungen an die textilen Elektroden und Leiterbahnen zu ge-
währleisten, müssen diese bereits bei der Auswahl der leitfähigen Garne berücksich-
tigt werden. Die verwendeten Garne müssen neben guten elektrischen Eigenschaf-
ten, wie einen geringen Garnwiderstand für hohe Leitfähigkeit, auch gute mechani-
sche Eigenschaften, wie z.B. hohe Festigkeit und Dehnung, haben.
Die mechanischen Eigenschaften spielen dabei vor allem bei der Verarbeitung eine
Rolle, da die Garne für die Herstellung der textilen Elektroden zu einer Fläche verar-
beitet werden müssen. Somit ist auch die Verarbeitbarkeit ein wichtiges Kriterium bei
der Auswahl des leitfähigen Garns. Des Weiteren dürfen die Materialien zur Herstel-
lung textiler Elektroden keine allergischen Hautreaktionen hervorrufen, nicht toxisch
und nicht carcinogen sein, d.h. die Biokompatibilität muss gewährleistet sein. Dies
bedeutet, dass das Material physikalisch und chemisch inert gegenüber der Haut
sein muss. Auch dürfen die elektrischen Eigenschaften im Kontakt mit Köperflüssig-
keiten wie Schweiß und Urin nicht leiden. Daher werden oft reaktionsträge Materia-
lien, wie z.B. Gold, Silber und Platin, zur Herstellung von leitfähigen Garnen verwen-
det.
An die reversible textile Verbindung zur Messelektronik werden zum einen Hauptan-
forderungen gestellt, die unter allen Umständen erfüllt werden müssen. Zum anderen
werden Nebenanforderungen definiert, deren Erfüllung wünschenswert ist, aber kein
Ausschlusskriterium. Folgende Hauptanforderungen müssen erfüllt werden:
• Elektrisch leitfähige Verbindung
• Reversible Verbindung
• Herstellbarkeit
Eine elektrisch leitfähige Verbindung ist Voraussetzung dafür, dass die Signale, die
über die textilen Elektroden abgegriffen werden, auch an die Messelektronik übermit-
28 Ergebnisse des Teilvorhabens
telt werden können. Eine reversible, d.h. jederzeit lösbare Verbindung wird gefordert,
um die Messelektronik vor dem Waschen des textilen Teilsystems entfernen zu kön-
nen, da diese in der Regel nicht mit gewaschen werden können. Die Schnittstelle
muss sowohl aus elektronischer als auch aus textiltechnologischer Sicht herstellbar
sein.
Alle Schnittstellenlösungen, die die Hauptanforderungen erfüllen, werden zusätzlich
gemäß den folgenden Kriterien bewertet:
• Benötigter Kraftaufwand
• Handhabung
• Geometrie
• Waschbarkeit des Materials
Der benötigte Kraftaufwand zum Verbinden und Lösen der Messelektronik und des
textilen Teilsystems sollte zum einen möglichst gering sein, da das System vor allem
für die Anwendung bei älteren Personen gedacht ist. Diese verfügen oft nicht mehr
über genug Kraft und Fingerfertigkeit, um sehr feste Verbindungen zu lösen. Zum
anderen sollte ein gewisser Kraftaufwand nötig sein, um ein unbeabsichtigtes Lösen
der Verbindung zu vermeiden oder anderweitige Sicherungsmaßnahmen getroffen
sein.
Unter dem Punkt Handhabung wird ein möglichst einfaches und schnelles Lösen und
Verschießen der Verbindung verstanden. Auch die Verschleißeigenschaften der Ver-
bindung über einen längeren Anwendungszeitraum gehen hier ein.
Die Anforderung Geometrie beinhaltet Größe und Platzbedarf der Schnittstelle, da
letzteres auf dem textilen Teilsystem nicht unbegrenzt zur Verfügung steht. Das für
die Schnittstelle verwendete Material muss zudem waschbar sein, da die Schnittstel-
le in das textile Teilsystem integriert werden soll. Außerdem dürfen bei eventuellem
Hautkontakt keine negativen Reaktionen auftreten.
4.3 AP 3: Textile Elektroden
4.3.1 Testverfahren für BIS-Elektroden
Basierend auf ersten Untersuchungsergebnissen wurde ein Teststand für textile
Elektroden entwickelt. Der Teststand ermöglicht es, die komplexe Impedanz des
Ergebnisse des Teilvorhabens 29
Elektroden-Haut-Kontakts zu messen und Einflussfaktoren wie Druck, Feuchtigkeit
und anatomische Gegebenheiten wie die Rundung eines Armes nachzubilden.
Der Teststand besteht aus drei Hauptkomponenten: Der zu untersuchenden textilen
Elektrode sowie einer vergoldeten Referenzelektrode und einem Haut-Dummie
(Abbildung 4-3)
Abbildung 4-3: Neuentwickelter Teststand für die Charakterisierung von textilen
Elektroden
Der Haut-Dummie ersetzt die menschliche Haut im Teststand und besitzt ungefähr
deren elektrische Eigenschaften. Der Dummie wurde aus Agar-Agar hergestellt, ei-
ner gelatineartigen Substanz, die aus Algen gewonnen wird. Zur Herstellung des
Dummies wird Agar-Agar mit heißem, destilliertem Wasser, Desinfektionsmittel und
Salz gemischt, so dass ein Dummie entsteht, der eine Leitfähigkeit von 29,3 µS/cm
besitzt. Dies entspricht der Leitfähigkeit von Hautgewebe bei 10 kHz. Um einen mög-
lichst stabilen Dummie herzustellen, der aber dennoch flexibel auf Druck reagieren
kann, wird 7 g Agar-Agar/100 ml verwendet. Um den Elektrodenkontakt an Bein und
Arm optimal simulieren zu können, ist die Form des Dummies der zylindrischen Form
der äußeren Extremitäten nachgebildet.
Die Herstellung des Dummies ist nicht ganz trivial und beeinflusst die Eigenschaften
des Dummies. So ändern sich diese unter anderem durch unterschiedlich temperier-
30 Ergebnisse des Teilvorhabens tes Wasser, Wassermenge, Trockendauer und Luftfeuchtigkeit des Trockenraums.
Diese Faktoren sollten möglichst konstant gehalten werden und müssen in Zukunft
noch genauer untersucht werden. Ist ein Dummie allerdings fertig hergestellt, sind
seine elektrischen Eigenschaften sehr stabil, so dass reproduzierbare Messungen im
Gegensatz zu menschlicher Haut im Laufe mehrerer Tage durchgeführt werden kön-
nen. Durch die Oberflächenfeuchtigkeit des Dummies wird eine dünne Schweiß-
schicht nachgebildet. Für Messungen werden die Testelektroden auf dem Haut-
Dummie positioniert und durch einen Plastikstempel fixiert. Durch unterschiedliche
Gewichte auf dem Stempel (2,1 N – 23,5 N), können verschiedene Anpressdrücke
eingestellt und untersucht werden. Für die Festlegung dieses Druckbereichs wurde
der Anpressdruck von Elektroden gemessen, die mit Gummibändern auf dem Arm
eines Probanden befestigt wurden. Theoretisch sollten höhere Anpressdrücke auto-
matisch bessere Kontaktimpedanzen und Positionierungen erzeugen. Allerdings darf
gerade bei Langzeit-Messungen der Anpressdruck auch nicht zu hoch sein, damit die
Gefahr von Thrombosebildungen möglichst gering gehalten wird. Bei den Proban-
denmessungen stellte sich heraus, dass ein Druckbereich zwischen 0-10 N stabile
Messungen ermöglicht und auch für Langzeit-Messungen geeignet ist. Um allerdings
festzustellen, in wie weit höhere Drücke tatsächlich die Impedanz immer weiter ver-
bessern oder doch eine obere Grenze existiert, bei der die Impedanz trotz Druckän-
derung konstant bleibt, wurde der Druckbereich um eine Stufe von 23,5 N erweitert.
Als Messinstrument wurde für die Elektrodencharakterisierung ein High Precision
LCR Meter 4980A von Agilent Technologies eingesetzt. Mit diesem Gerät wurden
2-Punkt-Messungen zwischen den beiden Elektroden innerhalb eines Frequenzbe-
reichs von 5 kHz bis 1 MHz durchgeführt. Der Frequenzbereich entspricht dem einer
Standard BIS Messung. Bei einer 2-Punkt Messung wird die gesamte Impedanz Ztotal
detektiert, die wie in Abbildung 4-3 zu sehen, aus der Impedanz der Testelektrode
(ZTest), der Impedanz des Haut-Dummies (ZHaut) und der Impedanz der Goldelektrode
(ZGold) besteht. Da die beiden Impedanzen ZHaut and ZGold für alle Messungen kon-
stant bleiben, hängen die gemessenen Impedanzänderungen nur von ZTest ab, d.h.
der Impedanz der textilen Elektrode sowie des Übergangs zwischen textiler Elektro-
de und Dummie.
Ergebnisse des Teilvorhabens 31
Bewertung und Auswahl leitfähiger Garne
Basierend auf dem in AP 2 erstellten Anforderungsprofil wurden die leitfähigen Garne
zur Herstellung der Elektroden ausgewählt. Dazu wurden zunächst unterschiedliche
Garne beschafft und auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften hin un-
tersucht. Auch die Verarbeitbarkeit der Garne wurde bewertet, da diese ein sehr
wichtiges Entscheidungskriterium ist. Dazu wurden die Garne mit Hilfe des bereits
ausgewählten Herstellungsverfahrens, dem Stricken, zu einer Fläche verarbeitet.
Nachfolgende Tabelle 4-3 beschreibt die zur Charakterisierung ausgewählten leitfä-
higen Garne.
Garn Materialbeschreibung
BW/Shieldex Baumwoll-Spinnfasergarn, umwunden mit Multifilament Shieldex (versilbertes Polyamid) 44 dtex f 12 (11 %), Gesamtfeinheit 176 dtex (Firma Fein-Elast, Zeulenroda)
BW/Edelstahl Seele aus Edelstahl-Monofilament, umwunden mit Spinnfaser-garn aus Baumwolle, Zusammensetzung 66 % Baumwolle, 34 % Edelstahl, Gesamtfeinheit 223 dtex (Firma Fein-Elast, Zeulenroda)
Edelstahl Multifilamentgarn aus 100 % Edelstahl, 2430 dtex f 186 S 172
PES/Silber Seele aus Polyester-Multifilament umwunden, mit einem Silber-Monofilament, Feinheit 311 dtex (Firma Karl Grimm, Roth)
PA25/1 Monofilamentgarn aus silberbeschichtetem Polyamid 25 dtex f 1 (Firma R.STAT, Frankreich)
PA240/10 Multifilamentgarn aus silberbeschichtetem Polyamid 240 dtex f 10 (Firma R.STAT, Frankreich)
Inox Spinnfasergarn aus 100 % Inox-Stahlfasern, Feinheit 784 dtex (Firma Schoeller, Bregenz)
PES/Inox Spinnfasergarn aus 80 % Polyester und 20 % Inox-Stahlfasern, Feinheit 396 dtex (Firma Schoeller, Bregenz)
PA44/13 Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 44 dtex f 13 Z 200 (Firma Statex, Bremen)
PA117/17 Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 117 dtex f 17, ungedreht (Firma Statex, Bremen)
PA235/34 Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid
32 Ergebnisse des Teilvorhabens
235 dtex f 34, ungedreht (Firma Statex, Bremen)
PA110/24 Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 dtex f 24 Z 256 (Firma Statex, Bremen)
PA110/24HC Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 dtex f 24 Z 259 HC; hochversilbertes Garn (Firma Statex, Bremen)
PA110/34 Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 dtex f 34, ungedreht (Firma Statex, Bremen)
Garn Materialbeschreibung
PA110/34,2x Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 f 34 Z 418 2-fach; gezwirntes Garn (Firma Statex, Bremen)
PA110/34,2x,HC Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 dtex f 34 Z 428 2-fach HC; gezwirntes und hochversilbertes Garn (Firma Statex, Bremen)
PA110/34,2x,HC,P Multifilamentgarn Shieldex aus versilbertem Polyamid 110 dtex f 34 Z 428 2-fach HC + P; gezwirntes und hochversil-bertes Garn, mit einer Dünstbeschichtung versehen (Firma Statex, Bremen)
Tabelle 4-3: Beschreibung der charakterisierten leitfähigen Garne
Die mechanischen Eigenschaften wurden mittels Zugprüfung auf dem Statimat M
(Abbildung 4-4) der Firma Textechno, M. Stein GmbH & Co. KG, Mönchengladbach
bestimmt. Pro Garn wurden 20 Proben verwendet und mit einer Einspannlänge von
500 mm und einer Prüfgeschwindigkeit von 500 mm/min sowie einer Vorspannkraft
von 0,5 cN/tex untersucht. Es wurden die Höchstzugkraft in cN sowie die Reißdeh-
nung in % nach DIN EN ISO 2062 ermittelt.
Ergebnisse des Teilvorhabens 33
v = 500 mm/min
l0 = 500 mm Garn
Abbildung 4-4: Zugprüfung: links: Skizze Versuchsaufbau, rechts: Statimat M der
Firma Textechno, M. Stein GmbH & Co. KG, Mönchengladbach
Des Weiteren wurde für alle Garne die Garnfeinheit mittels Weifverfahren nach EN
ISO 2060 bestimmt. Diese wird sowohl zur Angabe der feinheitsbezogenen Vor-
spannung bei der Ermittlung des elektrischen Widerstandes als auch zur Maschinen-
auswahl bei der späteren Verarbeitung der Garne zu einer textilen Fläche benötigt.
Zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften wurde von je 5 Proben pro Garn der
elektrische Widerstand gemessen. Die Proben wurden dazu an einer Aufhängung
befestigt und mit definiertem Gewicht belastet. Die Probenlänge betrug jeweils 1 m.
Zur Vorspannung wurden Gewichte von 10 g, 30 g und 60 g (entspricht 9,81 cN,
29,43 cN und 58,86 cN) verwendet. Die Ergebnisse der mechanischen und elektri-
schen Versuche werden in Tabelle 4-4 zusammengefasst.
Garn Vor-span-nung [cN]
Garnfein-heit [dtex]
Vorspan-nung [cN/dtex]
Widerstand [kΩ/m]
Höchstzugkraft [cN] Reißdehnung [%]
BW/Shieldex 9,81 29,43 58,86
176 0,06 0,17 0,33
1,7 1,8 2,1
327 cN 8,5 %
BW/Edelstahl 9,81 29,43 58,86
223 0,04 0,13 0,26
0,8 0,8 0,8
305 cN 5,5 %
34 Ergebnisse des Teilvorhabens Edelstahl 9,81
29,43 58,86
2430 0,004 0,012 0,024
0,03 0,03 0,03
4815 cN 1,2 %
PES/Silber 9,81 29,43 58,86
311 0,03 0,09 0,19
0,01 0,01 0,01
522 cN 12,5 %
PA25/1 9,81 29,43 58,86
25 0,39 1,18 2,35
16,9 gerissen gerissen
62 cN 27 %
PA240/10 9,81 29,43 58,86
240 0,04 0,12 0,25
0,9 1,2 1,1
928 cN 32 %
Inox 9,81 29,43 58,86
784 0,01 0,04 0,08
0,18 0,16 gerissen
1143 cN 1,15 %
Garn Vor-span-nung [cN]
Garnfein-heit [dtex]
Vorspan-nung [cN/dtex]
Widerstand [kΩ/m]
Höchstzugkraft [cN] Reißdehnung [%]
PES/Inox 9,81 29,43 58,86
396 0,02 0,07 0,15
1,6 1,5 1,4
664 cN 17 %
PA44/13 9,81 29,43 58,86
44 0,22 0,67 1,34
2,9 4,4 5,1
146 cN 42 %
PA117/17 9,81 29,43 58,86
117 0,08 0,25 0,50
3,5 5,7 5,0
699 cN 18 %
PA235/34 9,81 29,43 58,86
235 0,04 0,13 0,25
0,15 0,15 0,16
1397 cN 17 %
PA110/24 9,81 29,43 58,86
138 0,07 0,21 0,43
0,6 0,7 0,8
381 cN 32 %
Ergebnisse des Teilvorhabens 35 PA110/24HC 9,81
29,43 58,86
139 0,07 0,21 0,42
0,9 1,0 1,6
320 cN 22 %
PA110/34 9,81 29,43 58,86
129 0,08 0,23 0,46
0,06 0,06 0,08
309 cN 31 %
PA110/34,2x 9,81 29,43 58,86
264 0,04 0,11 0,22
1,1 1,0 1,0
771 cN 42 %
PA110/34,2x, HC
9,81 29,43 58,86
280 0,04 0,11 0,21
0,3 0,3 0,3
787 cN 39 %
PA110/34,2x, HC,P
9,81 29,43 58,86
283 0,03 0,10 0,21
8,7 7,2 2,4
775 cN 37 %
Tabelle 4-4: Elektrische und mechanische Eigenschaften der Garne
Da bei der Materialauswahl neben den elektrischen und mechanischen Eigen-
schaften vor allem die Verarbeitbarkeit eine Rolle spielt, da das Material zur Herstel-
lung von textilen Elektroden als Flächenware vorliegen muss, erfolgte eine Eingren-
zung der untersuchten Garne erst nach der Beurteilung der Verarbeitbarkeit der Gar-
ne. Zur Beurteilung dieser wurden aus allen Garnen textile Flächen hergestellt.
Zur Beurteilung der Verarbeitbarkeit wurden alle in Tabelle 4-3 beschriebenen Garne
zunächst auf der Rundstrickmaschine des ITA (Abbildung 4-5) verarbeitet. Für diese
Maschine stehen zwei unterschiedliche Strickköpfe mit der Teilungen E 16 und E 28
zur Verfügung. Die Teilung bestimmt die Feinheit des hergestellten Gestrickes. Eine
Teilung E 16 bedeutet, dass auf dem Strickkopf 16 Nadeln pro Inch angeordnet sind.
Auf dem Strickkopf der Teilung E 28 können Garne mit einer Feinheit zwischen 40
dtex und 180 dtex verarbeitet werden, auf dem der Teilung E 16 Garne mit Feinhei-
ten zwischen 200 dtex und 750 dtex. Die Verarbeitungsmöglichkeiten dieser Maschi-
ne sind allerdings sehr eingeschränkt, da hier nur Versuche im Labormaßstab durch-
geführt werden können.
36 Ergebnisse des Teilvorhabens
Abbildung 4-5: Links: Laborrundstrickmaschine des ITA, rechts: Detailaufnahme
des Strickkopfes
Daher wurde ein Teil der Garne auf einer industriellen Rundstrickmaschine mit der
Teilung E 28 bei der der Firma Elastic GmbH, Neukirchen zu einer Fläche verarbei-
tet. Darauf können Garne mit einer Feinheit bis zu 200 dtex verarbeitet werden.
Garne, die sich auch auf der industriellen Rundstrickmaschine nicht verarbeiten lie-
ßen, aber gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufwiesen, wurden in ei-
nem weiteren Versuch bei der Firma Stoll GmbH & Co. KG, Reutlingen auf einer
Flachstrickmaschine (Abbildung 4-6Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.) der Teilung E 16 verarbeitet.
Abbildung 4-6: Flachstrickmaschine der Firma Stoll GmbH & Co. KG, Reutlingen
Auf dieser Maschine können Garne mit Feinheiten bis zu 550 dtex verarbeitet wer-
Ergebnisse des Teilvorhabens 37
den. Beim Flachstrickprozess ist die Garnbelastung geringer, so dass hierbei auch
empfindlichere Materialien verarbeitet werden können. Zum einen besteht die Mög-
lichkeit, die Geschwindigkeit des Garneintrags zu variieren, zum anderen ist der
Flachstrickprozess im Gegensatz zum Rundstrickprozess wesentlich flexibler was
Garneintrag oder die Musterung betrifft.
Die Ergebnisse der Rundstrickversuche (Tabelle 4-5) sowie der Flachstrickversuche
(Tabelle 4-6) werden in den zwei nachfolgenden Tabellen zusammenfassend darge-
stellt. Die Rundstrickversuche wurden zum Teil intern am ITA und zum Teil extern bei
Elastic durchgeführt, daher ist jeweils die durchführende Institution genannt. In die
Beurteilung der Verarbeitbarkeit flossen auch alle vorbereitenden Maßnahmen, wie
z.B. das Umspulen der Garne, mit ein.
Garn Institution Beurteilung der Verarbeitung BW/Shieldex Elastic Garn frisst sich in den Nadeln der Maschine fest
und reißt dann. Schon das Umspulen des Gar-nes war sehr schwierig. Das Garn konnte nicht verarbeitet werden.
BW/Edelstahl ITA Garn ließ sich gut verarbeiten.
Edelstahl ITA Garn ließ sich nicht verarbeiten.
PES/Silber Elastic
Garn ist so hart, dass die Nadeln der Maschine stark beschädigt wurden. Ließ sich prinzipiell verarbeiten, aber das Umwindegarn riss beim Rundstricken.
PA25/1 Elastic Garn ließ sich nicht verarbeiten. Es ist sehr scharfkantig und beschädigte sowohl Metall- als auch Keramikteile der Maschine.
PA240/10 Elastic
Garn ist sehr scharfkantig und hart, so dass die Maschinenelemente beschädigt wurden. Das Garn riss beim Rundstricken sofort.
Inox ITA
Garn ließ sich nicht verstricken, sondern riss so-fort.
PES/Inox ITA Garn ließ sich nicht verstricken, sondern riss sehr schnell.
PA44/13 ITA Garn ist sehr fein. Es ließ sich nicht verstricken, sondern riss sofort ab.
PA117/17 ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
PA235/34 ITA Garn ist sehr dick und ließ sich nur schwer ver-stricken, dadurch wurden die Nadeln der Ma-
38 Ergebnisse des Teilvorhabens
schine teilweise beschädigt.
PA110/24 ITA Garn ließ sich sehr gut verstricken.
PA110/24HC ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
PA110/34 ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
PA110/34,2x ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
PA110/34,2xHC ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
PA110/34,2xHC,P ITA Garn ließ sich sehr gut und fehlerfrei verstri-cken.
Tabelle 4-5: Ergebnisse der Rundstrickversuche
Garn Institution Beurteilung der Verarbeitung PES/Silber Stoll Flachstrickversuch zeigte deutlich bessere
Verarbeitbarkeit, auch das Umwindegarn blieb unbeschädigt.
PA240/10 Stoll Flachstrickversuch zeigte eine gute Verarbeitbarkeit des Materials.
Inox Stoll Flachstrickversuch zeigte eine gute Verarbeitbarkeit des Materials.
Tabelle 4-6: Ergebnisse der Flachstrickversuche
Obwohl von den mechanischen und elektrischen Eigenschaften einige Garne zur
Herstellung textiler Elektroden geeignet scheinen, zeigt die Verarbeitung im Strick-
prozess eine deutliche Einschränkung in der Garnauswahl. Daher kamen für die wei-
teren Versuche nur die Garne in Betracht, die entweder im Rund- oder im Flachs-
trickprozess zu einer Fläche verarbeitet werden konnten. Diese sind in Tabelle 4-7
noch einmal zusammengefasst und gerankt.
Garn Mechanische Eigenschaften
Elektrische Eigenschaften
Verarbeitbarkeit
PA110/34 ++ +++ ++
PA110/24 ++ ++ ++
PA110/34,2xHC ++ ++ ++
Ergebnisse des Teilvorhabens 39 PA110/34,2x ++ + ++
PA110/34,2xHC,P ++ + ++
PA117/17 + + ++
PA110/24HC - + ++
BW/Edelstahl - + ++
Inox - +++ +
PES/Silber - +++ +
PA240/10 ++ + +
Tabelle 4-7: Ausgewählte Garne für die weiteren Versuche
4.3.2 Herstellung und Bewertung textiler Elektroden
Für die Versuche auf dem am MedIT entwickelten Elektrodenteststand wurden zu-
nächst nur die Garne PA117/17 und PA110/34 verwendet. Die weiteren Garne Statex
Produktions & Vertriebs GmbH, Bremen wurden zwar auch auf ihre mechanischen
und elektrischen Eigenschaften hin untersucht, standen aber zum Zeitpunkt der Ver-
suchsdurchführung noch nicht zur Verfügung.
Die aus den ausgewählten Garnen hergestellten textilen Elektroden (
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
EL 5 Rundgestrick aus PA117/17
EL 6 Rundgestrick aus PA110/34
Tabelle 4-8) wurden auf ihre Eignung zur Bioimpedanz-Spektroskopie (BIS) hin un-
tersucht. Dazu wurden neben der Messung der Impedanz auf dem am MedIT gebau-
ten Elektrodenteststand auch Faktoren wie z.B. die Haptik berücksichtigt, da die
Elektroden in direktem Kontakt zur Haut eingesetzt werden und somit auch über ei-
40 Ergebnisse des Teilvorhabens
nen längeren Zeitraum ein angenehmes Tragegefühl sichergestellt sein muss.
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
EL 5 Rundgestrick aus PA117/17
EL 6 Rundgestrick aus PA110/34
Tabelle 4-8 gibt einen Überblick über die hergestellten Elektroden.
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
EL 1 Rundgestrick aus BW/Edelstahl
EL 2 Flachgestrick aus PES/Silber
EL 3 Flachgestrick aus PA240/10
EL 4 Flachgestrick aus Inox
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
Ergebnisse des Teilvorhabens 41 EL 5 Rundgestrick aus PA117/17
EL 6 Rundgestrick aus PA110/34
Tabelle 4-8: Hergestellte textile Elektroden zur Charakterisierung
Zur Durchführung einer Messung auf dem Elektrodenteststand wird die trockene
Testelektrode auf den Hautdummy gelegt und mit einem Kunststoffstempel fixiert.
Die Elektrodengröße wurde in Anlehnung an konventionelle Elektroden zur BIS-
Messung mit 2,5 x 9,5 cm² gewählt. Durch Auflage von Gewichten auf den Stempel
kann die Anpresskraft der Testelektrode auf den Hautdummy variiert werden. Zur
Charakterisierung der textilen Elektroden wird die Anpresskraft zwischen 2,1 N und
23,5 N variiert, was einer Flächenbelastung von 0,09 N/cm² bis 1 N/cm² entspricht.
Alle in
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
EL 5 Rundgestrick aus PA117/17
EL 6 Rundgestrick aus PA110/34
Tabelle 4-8 vorgestellten Elektroden wurden wie beschrieben auf dem Elektroden-
teststand am MedIT untersucht und miteinander verglichen. Es wurden zwei unter-
schiedliche Messreihen mit jeweils 10 Messungen pro Elektrode und Anpresskraft
durchgeführt. Zunächst wurde die Impedanz ZTotal bei Frequenzen zwischen 5 kHz
und 1 MHz bei einer konstanten Anpresskraft von 9,73 N gemessen. Abbildung 4-7
42 Ergebnisse des Teilvorhabens
zeigt den Verlauf der Impedanz für die verschiedenen textilen Elektroden. in
Ω
EL 1
103 104 105 106
Frequenz f [Hz]
Impe
danz
|Z|
0
2
4
6
8x106
EL 2
EL 4
EL 3
EL 5
EL 6
103 104 105 106
Frequenz f [Hz]
100
150
200
250
300
350
400
Impe
danz
|Z|
Abbildung 4-7: Frequenzabhängige Kontaktimpedanz der textilen Elektroden
Der Verlauf der Impedanz ist für die Elektroden EL 2 – EL 6 ähnlich. Für alle Elektro-
den nimmt die Impedanz mit steigender Frequenz ab, was einhergeht mit dem kapa-
zitiven Verhalten des Elektrode/Haut-Übergangs. Auch die absoluten Werte der Im-
pedanz liegen bei EL 2 – EL 6 recht nah beisammen, während diese bei EL 1 etwa
105-mal höher sind. Diese extreme Differenz liegt vermutlich am Garnmaterial von
EL 1. Während alle anderen Garne entweder zu 100 % aus leitfähigem Material be-
stehen (EL 4) oder zumindest die komplette Garnoberfläche mit leitfähigem Material
beschichtet oder umwunden ist, hat das Garn von EL 1 nur einen Anteil von 34 %
leitfähigem Material. Daher ist die Leitfähigkeit dieser Elektrode deutlich geringer als
bei den anderen, die eine nahezu komplett leitfähige Oberfläche haben. Dies spiegelt
sich in der deutlich höheren Kontaktimpedanz wider.
EL 1: Rundgestrick aus BW/Edelstahl
EL 2: Flachgestrick aus PES/Silber
EL 3: Flachgestrick aus PA240/10
EL 4: Flachgestrick aus Inox EL 5: Rundgestrick aus
PA117/17 EL 6: Rundgestrick aus
PA110/34
Ergebnisse des Teilvorhabens 43
Neben den oben beschriebenen Einschränkungen der Garnauswahl hinsichtlich der
elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie der Verarbeitbarkeit beschrän-
ken auch die hohen Anforderungen an die Elektroden, vor allem für BIS-Messungen,
die Auswahl des Garnmaterials. Die Elektroden EL 2 und EL 3 beispielsweise haben
eine sehr schlechte Haptik, so dass sie aus diesem Grund nicht für Langzeit-
Anwendungen mit direktem Hautkontakt in Betracht gezogen werden können. Beur-
teilt wurde die Haptik der Elektroden durch unterschiedliche Testpersonen, indem bei
diesem Personen die Elektroden über einen längeren Zeitraum in Kontakt mit der
Haut gebracht wurden.
EL 1 schnitt auf dem Teststand im Vergleich zu den anderen am schlechtesten ab.
Sie konnte die Anforderung nach einer hohen Oberflächenleitfähigkeit nicht erfüllen.
Der Grund hierfür liegt vermutlich an dem geringen Anteil an Edelstahlfasern. Durch
die Verarbeitung im Strickprozess besteht nicht die komplette Oberfläche der Elekt-
rode aus leitfähigem Material. Die Elektrode EL 4 zeigte gute haptische Eigenschaf-
ten, schnitt auf dem Teststand aber schlechter ab als die Elektroden EL 5 und EL 6.
Diese wiesen mit Abstand die besten Testergebnisse auf
( Eignung als textile Elektrode zur Messung von BIS-Signalenschlecht gut
EL 1 EL 3 EL 2 EL 4 EL 5 EL 6
Abbildung 4-8).
Eignung als textile Elektrode zur Messung von BIS-Signalenschlecht gut
EL 1 EL 3 EL 2 EL 4 EL 5 EL 6
Abbildung 4-8: Ergebnis der Elektrodenbewertung auf dem Teststand
Die oben beschriebenen Untersuchungen hinsichtlich der Eigenschaften und der
Verarbeitbarkeit der leitfähigen Garne sowie die Charakterisierung der hergestellten
textilen Flächen auf dem Elektrodenteststand des MedIT dienten dazu, das beste
Material zur Herstellung textiler Elektroden für die Überwachung verschiedener Kör-
perfunktionen auszuwählen.
Neben ihren guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften waren die Garne
PA117/17 und PA110/34 hervorragend zu einer textilen Fläche verarbeitbar und
44 Ergebnisse des Teilvorhabens
schnitten bei der Bewertung auf Elektrodenteststand am besten ab. Das Garn
PA117/17 konnte allerdings nicht weiter berücksichtigt werden, da die Produktion
dieses Garns durch die Firma Statex Produktions & Vertriebs GmbH, Bremen inzwi-
schen eingestellt und durch die Garne PA110/24 und PA110/34 ersetzt wurde, wel-
che sowohl von den Eigenschaften als auch vom Preis mit dem Garn PA117/17 ver-
gleichbar sind.
Neben der Verarbeitbarkeit und den guten mechanischen und elektrischen Eigen-
schaften des Garns ist die Waschbarkeit ein wichtiges Kriterium, da die aus den
Garnen hergestellten Elektroden in Bekleidung eingesetzt werden. Daher wurden
Untersuchungen zur Waschbarkeit des Materials durchgeführt. Das zu einer Fläche
verarbeitete Garn wurde bei 30 °C und bei 60 °C in einer Haushaltswaschmaschine
unter Verwendung eines handelsüblichen Waschmittels gewaschen und mit ungewa-
schenen Proben mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) bei 50-facher Vergröße-
rung auf Beschädigungen hin untersucht.
Abbildung 4-9 zeigt, dass des Garn schon in ungewaschenem Zustand eine leichte
Beschädigung aufweist, die vermutlich beim Verarbeiten im Strickprozess entsteht.
Die REM-Aufnahme zeigt nach dem Waschen bei 30 °C eine größere Schädigung
des Materials, was eine deutliche Einschränkung der Leitfähigkeit und damit auch
der Eignung als textile Elektrode zur Folge hat. Zwischen einem Waschvorgang bei
30 °C und bei 60 °C konnte kein Unterschied bezüglich der Schädigung des Materi-
als nachgewiesen werden, d.h. dass vermutlich nicht die Temperatur sondern die
mechanische Belastung beim Waschvorgang zur Schädigung des Materials führt.
gewaschen bei 30 Cungewaschen °
Abbildung 4-9: PA110/34 ungewaschen und bei 30 °C gewaschen
Aufgrund seiner unzureichenden Stabilität beim Waschvorgang kam das Garn
PA110/34 somit nicht zur Herstellung textiler Elektroden in Betracht. Daher wurde
Ergebnisse des Teilvorhabens 45 anschließend das Garn PA110/24, das bei der Garncharakterisierung als zweitbestes
abschnitt (Tabelle 4-7), einem Waschversuch unterzogen. Dieses Garn ist sowohl
von den Eigenschaften und der Verarbeitung als auch preislich mit dem Garn
PA110/34 vergleichbar und daher ebenfalls zur Herstellung textiler Elektroden geeig-
net.
ungewaschen gewaschen bei 30 C
gewaschen bei 60 C
°
°
Abbildung 4-10: PA110/24 ungewaschen sowie bei 30 °C und 60 °C gewaschen
Abbildung 4-10 zeigt, dass das Garn PA110/24 weder bei der Verarbeitung noch bei
einem Waschvorgang bei 30 °C oder 60 °C geschädigt wird. D.h. die Leitfähigkeit
des Garns wird weder durch die Verarbeitung im Strickprozess noch durch den
Waschvorgang eingeschränkt. Das Garn ist somit für die Herstellung der textilen
Elektroden hervorragend geeignet und wird für alle weiteren Versuche verwendet.
Die Charakterisierung der textilen Elektroden auf dem Teststand hat gezeigt, dass
diese generell zur Messung von BIS-Signalen geeignet sind. Bei Messungen am
Menschen könnten allerdings Einflussfaktoren wie die notwendige Anpresskraft zu
Schwierigkeiten führen. Wie oben beschrieben, sind Anpresskräfte bis etwa 10 N
über einen längeren Zeitraum vertretbar. Allerdings kann dies von Mensch zu
Mensch variieren, außerdem wurde nachgewiesen, dass eine weitere Erhöhung der
Anpresskraft auf 23,3 N die Kontaktimpedanz noch einmal erheblich senkt. Für
46 Ergebnisse des Teilvorhabens
Langzeit-Anwendungen sind Kräfte in diesem Bereich allerdings nicht mehr vertret-
bar. Vor allem bei älteren Menschen könnte eine zu große Anpresskraft auf Dauer zu
einer Thrombosebildung führen.
Auch die Beschaffenheit der Haut unterscheidet sich von Mensch zu Mensch. Gera-
de ältere Menschen haben eine sehr trockene und damit schlecht leitfähige Haut.
Durch die Verwendung eines Elektrolyten oder Anfeuchten der Elektrode kann die
Leitfähigkeit verbessert und somit die Impedanz zwischen Elektrode und Haut ge-
senkt werden, wie in Abbildung 4-11 zu sehen ist. Dieser Versuch wurde mittels einer
4-Punkt-Messung am Menschen durchgeführt. Hierzu wurden vier Elektroden am
Körper befestigt. Über zwei Elektroden wurde ein frequenzabhängiger Messstrom in
den Körper eingeleitet und an den beiden anderen Elektroden die Impedanz des
Körpers gemessen. Nachfolgende Abbildung 4-11 vergleicht eine konventionelle
BIS-Elektrode aus Aluminium (hellgraue Kurve) mit einer trockenen (dunkelgraue
Kurve) sowie einer angefeuchteten (schwarze Kurve) textilen Elektrode.
5000
4000
3000
2000
1000
00 20 40 60 80 100
Frequenz f [kHz]
Impe
danz
|Z|
TrockenNassAluminium
Abbildung 4-11: Einfluss der Elektrodenbeschaffenheit auf die Impedanz
Das Anfeuchten der Elektroden führte zu deutlich besseren Messergebnissen. Die
Werte für die Kontaktimpedanz liegen bei der angefeuchteten textilen Elektrode un-
terhalb der Werte für die konventionelle BIS-Elektrode. Die Verwendung eines Elekt-
rolyten oder das Anfeuchten der Elektroden würde die Anwendung über einen länge-
ren Zeitraum allerdings stark limitieren und soll somit vermieden werden.
Um den Kontakt zwischen Elektrode und Haut ohne Verwendung eines Elektrolyten
Ergebnisse des Teilvorhabens 47
zu verbessern und somit die Impedanz zu verringern, werden mit dem ausgewählten
leitfähigen Garn weitere textile Elektroden hergestellt und untersucht. Die Oberfläche
der Elektroden soll dabei durch gezielte Strukturierung im Herstellungsprozess ver-
ändert werden.
4.3.3 Konzepte zur Gestaltung textiler Oberflächenstrukturen
Zunächst wurden unterschiedliche Oberflächenstrukturen ausgewählt, die dann auf
der Rundstrickmaschine umgesetzt wurden. Um den Einfluss der Oberflächenstruk-
tur beurteilen zu können, wurde zunächst ein möglichst breites Spektrum an Muster-
strukturen ausgewählt (Tabelle 4-9a: Hergestellte textile Elektroden mit unter-
schiedlicher Oberflächenstruktur
Elektrode Beschreibung der Elekt-rode
Skizze der Ober-flächenstruktur
Bild der Elektrode
EL 11 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 12 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 13 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht-leitfähigem Material
Tabelle 4-9).
Da auf der Laborrundstrickmaschine des ITA die Herstellung solcher Oberflächen-
strukturen nicht möglich ist, erfolgte die Herstellung dieser Textilstrukturen auf der
industriellen Rundstrickmaschine der Firma Elastic GmbH, Neukirchen. Als leitfähi-
ges Garn wurde das bereits ausgewählte Garn PA110/24 der Firma Statex Produkti-
ons & Vertriebs GmbH, Bremen verwendet.
48 Ergebnisse des Teilvorhabens
Elektrode Beschreibung der Elekt-rode
Skizze der Ober-flächenstruktur
Bild der Elektrode
EL 7 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur 2 x 2 mm² Kästchen aus leitfähigem Garn PA110/24, Grundflä-che aus nicht leitfähigem Material
EL 8 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur 2 x 2 mm² Kästchen aus leitfähigem Garn PA110/24, zusätzlich Grundfläche auch aus PA110/24
EL 9 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur wabenförmig aus leitfähigem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leitfähigem Mate-rial
EL 10 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur wabenförmig aus leitfähigem Garn PA110/24, zusätzlich Grundfläche auch aus PA110/24
Tabelle 4-9a: Hergestellte textile Elektroden mit unterschiedlicher Oberflächen-
struktur
Elektrode Beschreibung der Elekt-rode
Skizze der Ober-flächenstruktur
Bild der Elektrode
EL 11 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 12 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
Ergebnisse des Teilvorhabens 49 EL 13 Rundgestrick, Oberflä-
chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht-leitfähigem Material
Tabelle 4-9b: Hergestellte textile Elektroden mit unterschiedlicher Oberflächen-
struktur
Wie Tabelle 4-9a: Hergestellte textile Elektroden mit unterschiedlicher Oberflä-
chenstruktur
Elektrode Beschreibung der Elekt-rode
Skizze der Ober-flächenstruktur
Bild der Elektrode
EL 11 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 12 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 13 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht-leitfähigem Material
Tabelle 4-9 a+b zeigt, fiel die Wahl zum einen auf eine Struktur mit 2 x 2 mm² großen
Kästchen, die etwa 50 % der Oberfläche bedeckten. Zum anderen wurden eine wa-
benförmige Struktur sowie Karostrukturen mit variierendem Anteil an leitfähigem Ma-
terial ausgewählt.
Die Kästchenstruktur und die Wabenstruktur wurden jeweils in zwei Varianten gefer-
tigt. Bei der ersten Variante wurde nur die Oberflächenstruktur selbst aus leitfähigem
Garn gestrickt, für die Grundfläche wurde eine Baumwoll-Elastan-Mischung verwen-
det. Bei der zweiten Variante wurde sowohl die Oberflächenstruktur als auch die
50 Ergebnisse des Teilvorhabens
Grundfläche aus leitfähigem Garn hergestellt, um zu beurteilen, ob diese Verände-
rung in der Materialzusammensetzung einen Einfluss auf die Messergebnisse hat.
Die hergestellten Elektroden wurden im Anschluss auf dem Elektrodenteststand am
MedIT untersucht und miteinander verglichen. Genau wie bei den Versuchen ohne
Oberflächenstruktur wurde dabei die Impedanz Ztotal zwischen Test- und Goldelektro-
de bei Frequenzen zwischen 5 kHz und 1 MHz bei einer konstanten Anpresskraft von
9,73 N gemessen. Die Größe der Elektroden betrug auch bei diesem Versuch 2,5 x
9,5 cm².
Die Auswertung der Versuche auf dem Teststand des MedIT zeigt, dass die Elektro-
de EL 7 im Vergleich zu den anderen Elektroden die geringste Kontaktimpedanz
aufweist. Obwohl Elektrode EL 8 dieselbe Oberflächenstruktur hat wie EL 1, liegen
die Werte der Impedanz für EL 8 um etwa 50 Ω höher als bei EL 1. Es ist zu vermu-
ten, dass bei EL 7 ein besserer Kontakt zwischen Elektrode und Hautdummy ent-
steht. Die Elektroden EL 12 und 13 schneiden auf dem Teststand am schlechtesten
ab, was vermutlich daran liegt, dass der Anteil an leitfähigem Garn an der Oberfläche
strukturbedingt sehr gering ist. Obwohl auch bei EL 7 die Grundfläche aus nicht leit-
fähigem Material besteht, ist der Anteil an leitfähigem Material an der Oberfläche
durch die gewählte Struktur deutlich höher als bei den anderen Elektroden mit einer
nicht leitfähigen Grundfläche.
in Ω EL 12
EL 13
EL 11
EL 9
EL 10
EL 8
EL 7
103 104 105 106
Frequenz f [Hz]
150
200
250
300
350
400
Impe
danz
|Z|
100
Abbildung 4-12: Frequenzabhängige Kontaktimpedanz textiler Elektroden mit Ober-
flächenstruktur
EL 7: Oberflächenstruktur 2x2 mm² Kästchen, Grundfläche nicht leitfähig
EL 8: Oberflächenstruktur 2x2 mm² Kästchen, Grundfläche leitfähig
EL 9: Oberflächenstruktur kleine Waben, Grundfläche nicht leitfähig
EL10: Oberflächenstruktur kleine Waben, Grundfläche leitfähig
EL11: Oberflächenstruktur kleine Karos, Grundfläche nicht leitfähig
EL12: Oberflächenstruktur große Waben, Grundfläche nicht leitfähig
EL13: Oberflächenstruktur große Karos, Grundfläche nicht leitfähig
Ergebnisse des Teilvorhabens 51 Abbildung 4-13 stellt das Ergebnis der Elektrodenbewertung auf dem Teststand noch
einmal in Form eines Rankings dar.
Eignung als textile Elektrode zur Messung von BIS-Signalen
EL 7EL 10EL 9EL 12 EL 13 EL 11 EL 8
schlecht gut
Abbildung 4-13: Ergebnis der Elektrodenbewertung auf dem Teststand
Um den Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Kontaktimpedanz bewerten zu kön-
nen, werden die Ergebnisse der hergestellten Textilstrukturen aus Tabelle 4-9a: Her-
gestellte textile Elektroden mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur
Elektrode Beschreibung der Elekt-rode
Skizze der Ober-flächenstruktur
Bild der Elektrode
EL 11 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 12 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht leit-fähigem Material
EL 13 Rundgestrick, Oberflä-chenstruktur aus leitfähi-gem Garn PA110/24, Grundfläche aus nicht-leitfähigem Material
Tabelle 4-9 mit denen der vollflächigen Elektroden aus
Elektrode Beschreibung der Elektrode Bild der Elektrode
52 Ergebnisse des Teilvorhabens EL 5 Rundgestrick aus PA117/17
EL 6 Rundgestrick aus PA110/34
Tabelle 4-8 verglichen. In Abbildung 4-14 sind die Verläufe der frequenzabhängigen
Kontaktimpedanz sowohl für die Elektroden ohne Struktur als auch für die Elektroden
mit Oberflächenstruktur dargestellt.
in Ω
Elektroden mit Struktur
Elektroden ohne Struktur
150
200
250
300
350
400
Impe
danz
|Z|
103 104 105 106
Frequenz f [Hz]
100
Abbildung 4-14: Vergleich der Kontaktimpedanz für textile Elektroden mit und ohne
Oberflächenstruktur
Der Vergleich der Messergebnisse zeigt, dass die Werte für die Elektroden ohne
Struktur deutlich näher beieinander liegen als für die strukturierten Elektroden. Ein
Grund hierfür ist, dass die Größe der leitfähigen Oberfläche bei den strukturierten
Elektroden stärker variiert als bei den Elektroden ohne Struktur. Bei diesen besteht
die komplette Oberfläche aus leitfähigem Material, während bei einem Teil der struk-
turierten Elektroden die Grundfläche nicht leitfähig ist.
Für eine genauere Untersuchung der kästchenförmigen Oberflächenstruktur wurden
auf der Rundstrickmaschine zwei weitere Varianten dieser Struktur hergestellt. Bei
Ergebnisse des Teilvorhabens 53
einer Variante wurde die Größe der Kästchen von 2 x 2 mm² auf 2 x 4 mm² vergrö-
ßert, wobei auch hier etwa 50 % der Oberfläche strukturiert sind (EL 14). Als zweite
Variante wurde ein Textil gefertigt, bei dem weiterhin 2 x 2 mm² große Kästchen ver-
wendet wurden, aber der Abstand dieser zueinander in Maschinenrichtung deutlich
verringert wurde (EL 15). Dadurch erhöhte sich der Anteil der Oberflächenstruktur
von etwa 50 % auf 75 %. Durch diese Mustervariation wurde somit jeweils der Anteil
der leitfähigen Oberflächenstruktur vergrößert. Dadurch soll die Auflagefläche A der
Elektrode auf der Haut vergrößert und somit die Messergebnisse verbessert werden.
Bei beiden Varianten besteht die Struktur jeweils aus leitfähigem Garn PA110/24 und
die Grundfläche aus nicht leitfähigem Material. Die nachfolgende Abbildung 4-15
stellt das Layout der Elektroden EL 7, EL 14 und EL 15 zum Vergleich dar.
EL 7 EL 14 EL 15
Abbildung 4-15: Darstellung der Elektroden EL 7, EL 14 und EL 15
Beide Strukturen wurden anschließend wieder auf dem Elektrodenteststand des
MedIT bewertet. Dabei zeigte sich, dass die Textilstruktur mit 2 x 4 mm² großen
Kästchen (EL 14) bessere Ergebnisse erzielte als die ursprüngliche Textilstruktur von
EL 7 mit 2 x 2 mm² großen Kästchen. Die zweite Variante mit 2 x 2 mm² großen
Kästchen (EL 15), die in geringerem Anstand zueinander standen, schnitt im Ver-
gleich dazu sehr schlecht ab. Die Elektrode EL 14 wird daher ausgewählt und beim
Aufbau der Prototypen zur BIS-Messung verwendet.
4.4 AP 4: Elektrische Leiter in Textilien
Die Auswahl und Bewertung der leitfähigen Garne, die auch zum Aufbau der textilen
Leiterbahnen verwendet werden, wurde bereits ausführlich im AP 3 beschrieben. Die
Leiterbahnen wurden im ersten Prototyp zunächst aus dem Garn PA110/34 und in
den nachfolgenden Prototypen aus dem Garn PA110/24 hergestellt.
4.4.1 Messstand für textile Leiterbahnen
In vielen verschiedenen Projekten wird derzeit der Einsatz von textilen Leiterbahnen
54 Ergebnisse des Teilvorhabens
getestet und validiert [HH07, PGS+03]. Systematisch untersucht wurden textile Kabel
bisher weniger. Eine der wenigen Gruppen, die hierzu etwas veröffentlich hat, sind
Cottet et al. Sie untersuchten 2003 die Übertragungseigenschaften von textilen Ka-
beln mit einem speziellen Messsetup. Dieser Aufbau ermöglicht es u.a. den Einfluss
von Herstellungstoleranz, Übertragungsgeometrien, sowie Hochfrequenzeigenschaf-
ten reproduzierbar bis 6 GHz zu untersuchen und auszuwerten [CGK+03].
Basierend auf diesen ersten Untersuchungen und eigenen Messungen wurde ein
Teststand zur Charakterisierung von textilen Leiterbahnen entwickelt. Der in Abbil-
dung 4-16 dargestellte Aufbau besteht aus zwei Teilen. Einer Basis und einem flexib-
len Top Element. Bis zu vier textile Kabel können nebeneinander auf dem Teststand
zwischen Basis und Topelement befestigt und untersucht werden. Die Verbindung
zwischen Teststand und Topelement ist flexibel und kann mit Hilfe unterschiedlicher
Adapter variiert werden (Druckknöpfe, Stecker, etc.). Für die im Folgenden vorge-
stellten Untersuchungen wurden Druckknöpfe verwendet.
Abbildung 4-16: Teststand für die Charakterisierung textiler Leiterbahnen
Sobald eine textile Leiterbahn auf dem Teststand befestigt ist, kann die Impedanz
des Leiters mit Hilfe eines High Precision LCR Meter 4980A von Agilent Technolo-
gies gemessen werden. Der Frequenzbereich ist flexibel einstellbar, wurde allerdings
für alle folgenden Messungen dem Messbereich einer BIS Messung angepasst und
entspricht somit 5 kHz – 1 MHz.
Um Dehnungseffekte untersuchen zu können, ist es möglich, das Topelement ent-
lang der Basiseinheit zu verschieben. Dehnungen von bis zu 20 cm sind hierbei ein-
stellbar.
Ergebnisse des Teilvorhabens 55
4.4.2 Herstellung textiler Leiterbahnen
Auf dem neu entwickelten Teststand wurden fünf verschiedene textile Leiter charak-
terisiert. Alle Leiter bestehen aus gestrickten Flächen, hergestellt aus unterschiedli-
chen leitfähigen Garnen. Die Länge beträgt bei allen untersuchten Kabeln 30 cm, die
Breite variiert von 0,3 cm – 1,7 cm. Die folgende Tabelle 4-10 enthält die genauen
Spezifikationen der untersuchten textilen Kabel.
C1 Gestrickte Fläche hergestellt aus versilbertem Polyamid mit einem Titer von 110 dtex und 34 Filamenten. Zusätzlich wurde Elastan bei der Herstellung mit verwendet. Kabelabmaße: 1,7 cm x 30 cm
C2 Gestrickte Fläche hergestellt aus Baumwollte, Silber und zusätzlichem Elastan. Kabelabmaße: 0,5 cm x 30 cm
C3 Gestrickte Fläche hergestellt aus versilbertem Polyamid mit einem Titer von 110 dtex und 34 Filamenten. Zusätzlich wurde Elastan bei der Herstellung mit verwendet. Kabelabmaße: 0,3 cm x 30 cm
C4 Gestrickte Fläche hergestellt aus mehrfach-versilbertem Polyamid mit einem Titer von 110 dtex und 24 Filamenten. Zusätzlich wurde Elastan bei der Herstellung mit verwendet. Kabelabmaße: 0,3 cm x 30 cm
C5 Gestrickte Fläche hergestellt aus mehrfach-versilbertem Polyamid Zwirn mit einem Titer von 110 dtex und 34 Filamenten. Zusätzlich wurde Elastan bei der Herstellung mit verwendet. Kabelabmaße: 0,3 cm x 30 cm
Tabelle 4-10: Übersicht über die hergestellten Leiterbahnen
56 Ergebnisse des Teilvorhabens
4.4.3 Charakterisierung textiler Leiterbahnen
• Struktur und Dicke
Die fünf textilen Leiter wurden für die Untersuchungen zunächst ungedehnt auf dem
Teststand befestigt und es wurde die Impedanz im gesamten Frequenzbereich ge-
messen. Abbildung 3-13 A zeigt die gemessenen Impedanzwerte. In der Abbildung
sind zwei Frequenzbereiche erkennbar. Bei tiefen Frequenzen bleibt die Impedanz
für alle Kabel recht konstant. Bei höheren Frequenzen zwischen 400 kHz und 1 MHz
zeigen die Kabel leicht induktives Verhalten, indem die Impedanz langsam ansteigt.
Abbildung 4-17: A) Impedanz der textilen Kabel, B) Einfluss von Dehnung auf die
Impedanz der textilen Kabel
Insgesamt besitzt der textile Leiter 2 die höchste Impedanz (90 Ω / 30 cm), der Leiter
5 die niedrigste (10 Ω / 30 cm). Vergleichbar mit den textilen Elektroden ist die Impe-
danz abhängig vom Anteil des versilberten Materials. Der textile Leiter 2 besteht aus
Baumwolle, versilbertem Polyamid und Elastan. Diese Mischung besitzt eine
schlechtere Leitfähigkeit als die anderen Grundmaterialien. Die Leiter 4 und 5 wur-
den aus mehrfach versilbertem Garn hergestellt, so dass die Silbermenge im Ver-
gleich zu den anderen Garnen sehr groß ist. Die Impedanzen sind für beide Leiter
entsprechend klein. Die Leiter aus mehrfach versilbertem Garn haben außerdem den
Vorteil, dass sie robuster gegenüber Verarbeitungsschäden sind. Selbst wenn eine
Schicht Silber durch die Verarbeitung abgetragen wird, bleibt der Leiter an sich leit-
fähig.
Die Leiter 1 und 3 unterscheiden sich nicht im Ausgangsmaterial, sondern in der Lei-
Ergebnisse des Teilvorhabens 57
terdicke (0,3 cm zu 1,7 cm). Die breitere Variante 1 leitet besser als der textile Leiter
3, was durch den höheren Silberanteil sowie der erhöhten Anzahl leitfähiger Ma-
schen erklärbar ist.
• Dehnung
Im weiteren Verlauf der Messungen wurde das Dehnungsverhalten der textilen Kabel
untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass eine Kabeldehnung zwar die Leiter-
impedanz verändert, diese Änderung allerdings unabhängig von der Messfrequenz
ist. Aus diesem Grund wurde in Abbildung 4-17 B die Impedanz aller textilen Leiter
bei 5 kHz für verschiedene Dehnungszustände dargestellt.
Werden die einzelnen textilen Leiter miteinander verglichen, sind deutliche Unter-
schiede erkennbar. In manchen Fällen erhöht sich die Impedanz, in anderen bleibt
sie konstant bzw. nimmt eher ab.
Die Zunahme der Leitungsimpedanz ist hierbei leicht durch den stark resistiven Cha-
rakter der Leiter zu erläutern. Durch das Dehnen (l) des Materials werden die einzel-
nen Maschen auseinander gezogen und sowohl die Dicke (d) als auch die Weite (w)
des Kabels reduziert sich. Die Leitfähigkeit ρ des Materials bleibt trotz Dehnung kon-
stant, so dass die Leitungsimpedanz in Summe größer wird.
wdlRZ⋅
⋅=≈ ρ Gleichung 1
Diese Änderung ist für die Leiter 2, 4 und 5 nachzuvollziehen. Die textilen Leiter 1
und 3 hingegen zeigen ein recht konstanten Impedanzverhalten bzw. eine Reduzie-
rung der Impedanz. Dies ist durch einen weiteren Effekt bedingt. Beide textilen Lei-
terbahnen sind Gestricke. Werden diese gedehnt, werden die Maschen des Ge-
stricks auseinander gezogen. Dabei werden die einzelnen Maschenknoten aufeinan-
der gepresst. Diese Anpressung führt zu verbesserten Knotenimpedanzen und somit
insgesamt zu einer geringeren Impedanz. Beide Effekte in Summe resultieren in ei-
ner konstanten bzw. leicht negativen Impedanzverschiebung bei den beiden Leiter-
bahnen.
• Reproduzierbarkeit des Teststandes
Zur Validierung des neuen Teststandes wurden alle Messungen 5 mal wiederholt.
58 Ergebnisse des Teilvorhabens
Die Dehnung hatte dabei keine großen Auswirkungen auf die Reproduzierbarkeit. In
Abbildung 3-14 A ist für die textile Leiterbahn 1 die Impedanzvariation bei 5 Mess-
wiederholungen bei verschiedenen Dehnungszuständen aufgetragen. Gemessen
wurden diese Impedanzen bei 5 kHz. Insgesamt sind nur geringe Änderungen er-
kennbar. Die Impedanz variiert um ca. ± 2 % und nimmt bei zunehmender Dehnung
nur minimal ab.
Abbildung 4-18: A) Impedanzänderung des textilen Leiters 1 bei 5 kHz für ver-
schiedene Dehnungszustände und fünf-maliger Wiederholung, B)
Reproduzierbarkeit aller textiler Leiter bei 5 kHz und einer Dehnung
von 5 cm
Die Abbildung 4-18 B zeigt die Reproduzierbarkeit für alle textilen Leiter, gemessen
bei 5 kHz und einer Dehnung von 5 cm. Die Änderungen sind für alle Kabel leicht un-
terschiedlich, wobei Leiterbahn 3 am wenigsten schwankt und die beiden Leiterbah-
nen aus mehrfach versilberten Polyamid (4 und 5) am meisten. Insgesamt sind die
Änderungen aber eher gering (< 5 %), so dass die Reproduzierbarkeit des Teststan-
des als gut bezeichnet werden kann.
4.5 AP 5: Schnittstelle vom Textil zur Mikroelektronik und textile Integrati-on
Basierend auf den in AP 2 definierten Anforderungen an die textile reversible Verbin-
dung mit der Mikroelektronik wurden unterschiedliche Arten einer reversiblen elektri-
schen Verbindung ausgewählt und aufgebaut. Zum einen wurde die reversible Ver-
bindung direkt auf der textilen Fläche hergestellt. Zum anderen wurde die textile Flä-
Ergebnisse des Teilvorhabens 59
che unter Verwendung von Zusatzstoffen bzw. Zusatzkomponenten erst mit einem
Kabel kontaktiert, wobei das Ende des Kabels dann zum Lösen und Schließen der
Verbindung dient. Dies hat den Vorteil, dass auch aus der Elektrotechnik gängige
Steckverbindungen verwendet werden können.
Als Versuchsprobe wurde jeweils ein Gestrick mit integrierten Leiterbahnen aus
PA110/34 verwendet, welches bei der Elastic GmbH, Neukirchen hergestellt wurde.
Dieses wurde zur besseren Stabilität mittels eines Klebevlieses der Firma Freuden-
berg Vliesstoffe KG, Heidelberg auf ein Abstandsgewirk fixiert. In Abbildung 4-19
sind die einzelnen Komponenten der Versuchsproben dargestellt und Abbildung 4-20
zeigt den Aufbau der Komponenten.
Klebevlies
Abstandsgewirk Gestrick mitLeiterbahn
Abbildung 4-19: Komponenten der Versuchsproben
Gestrick mit Leiterbahn
Klebevlies
Abstandsgewirk
Abbildung 4-20: Aufbau der einzelnen Komponenten
Nicht alle Bindungsprinzipien der textilen Fügetechnologie können die definierten An-
forderungen an die Schnittstelle erfüllen. Die Bindungsprinzipien Kraft- und Stoff-
schluss eignen sich beispielsweise nicht zur Herstellung einer reversiblen Verbin-
dung. Nur das Bindungsprinzip Formschluss kommt hierfür in Frage. Das Bindungs-
prinzip Adhäsion wird zwar zur Herstellung von Versuchsproben ausgewählt, das ei-
gentliche Anwendungsgebiet der dafür verwendeten Klebstoffe liegt aber in der
60 Ergebnisse des Teilvorhabens
Elektrotechnik und nicht in der Textiltechnik.
Als reversible Schnittstelle zwischen Textil und Hardware haben sich Druckknöpfe
bewährt, da diese seit langer Zeit standardmäßig in Bekleidungstextilien eingesetzt
werden. Darum werden nachfolgend handelsübliche Druckknöpfe mit einem Durch-
messer von 8 mm zum Aufbau einer Schnittstelle ausgewählt. Der eine Teil des
Druckknopfes wird mit dem Kabel verlötet und der andere Teil kontaktiert die textile
Leiterbahn (Abbildung 4-21).
Textile Leiterbahn
Druckknopf10 mm
Abbildung 4-21: Kontaktierung der Leiterbahn mittels Druckknopf
Weitere in Textilien eingesetzte Verbindungselemente sind z.B. Reißverschlüsse
oder Klettverschlüsse. Diese eignen sich jedoch nicht als Schnittstelle, da die Reiß-
verschlussverbindung keine stabile elektrische Verbindung gewährleisten kann und
Klettverschlüsse noch nicht in leitfähiger Form auf dem Markt verfügbar sind.
Aus der Elektrotechnik bekannte Verbindungen wie Stecker bzw. Steckverbindungen
können nicht direkt auf der textilen Fläche angebracht werden. Die Kontaktierung der
textilen Fläche erfordert eine Zusatzkomponente, die dann das Befestigen von Ste-
ckern bzw. Steckverbindungen ermöglicht. Eine Möglichkeit zur Herstellung einer
Verbindung zwischen einer textilen Fläche und einem Leiter sind Crimpelemente.
Diese Crimpelemente ermöglichen die Verbindung zweier Leiter mittels Nieten oder
Schrauben (Abbildung 4-22).
Ergebnisse des Teilvorhabens 61
Textile Leiterbahn
10 mm10 mm
Abbildung 4-22: Befestigung eines Crimpelementes durch Nieten (links) oder
Schrauben (rechts)
Die Befestigung des Crimpelementes mittels Nieten hat den Nachteil, dass das Textil
und das Kabel, welches mit Hilfe der Nietverbindung am Textil befestigt ist, nicht
trennbar sind und dieses somit beim Waschen eine potentielle Schwachstelle gegen
mechanische Beanspruchung darstellt. Somit kommt diese Schnittstellenlösung zur
Verbindung von textilem Teilsystem und Messelektronik nicht in Betracht. Die in Ab-
bildung 4-22 rechts dargestellte Schraubverbindung erlaubt eine vollständige Tren-
nung vom Textil und stellt somit eine mögliche Schnittstellenlösung dar. Allerdings
muss hier die Handhabung genau geprüft werden, da vor allem ältere Personen häu-
fig nicht mehr über ausreichend Fingerspitzengefühl verfügen und somit Schwierig-
keiten beim Lösen der Schraubverbindung haben könnten.
Eine weitere Möglichkeit ist die Kontaktierung der textilen Fläche mit einem Kabel
mittels Löt- oder Klebeverbindung. Dafür eignen sich Lote mit einer niedrigen
Schmelztemperatur oder elektrisch leitfähige Klebstoffe (Abbildung 4-23).
Die Verbindung mittel elektrisch leitfähigem Klebstoff hat allerdings ebenfalls den
Nachteil, dass das Kabel somit nicht vom Textil getrennt werden kann und beim Wa-
schen die Gefahr der Beschädigung besteht. Des Weiteren sind die meisten leitfähi-
gen Klebstoffe nicht zum Waschen geeignet, d.h. die Verbindung zwischen Kabel
und Textil könnte sich lösen.
62 Ergebnisse des Teilvorhabens
Textile Leiterbahn
Kontaktierung über elektrisch leitfähigen Klebstoff
10 mm
Abbildung 4-23: Kontaktierung der Leiterbahn mittels eines elektrisch leitfähigen
Klebstoffs
Am ITA wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik
(IWE-1) zur Kontaktierung von leitfähigen textilen Flächen das Mikrobonden einge-
setzt [SG04]. Dieses Verfahren ist allerdings zur Verbindung der textilen Prototypen
mit der Messelektronik nur bedingt geeignet. Die Verbindung zur Messelektronik
kann damit auf zwei Arten hergestellt werden. Entweder wird ein Kabel auf die textile
Fläche gebondet, an dessen Ende die Messelektronik z.B. über einen Stecker ange-
schlossen werden kann oder der Stecker selbst wird mittels Bonden auf dem Textil
befestigt. Beide Varianten haben allerdings den Nachteil, dass auch hier das Kabel
bzw. der Stecker fest mit dem Textil verbunden ist und zum Waschen nicht entfernt
werden kann. Dies stellt in beiden Fällen eine potentielle Schwachstelle gegen die
mechanische Beanspruchung beim Waschen dar.
Alle aufgebauten Schnittstellenlösungen wurden im Anschluss sowohl auf ihre elekt-
rischen Eigenschaften als auch auf ihre Waschbeständigkeit hin untersucht und be-
wertet.
Eine der Hauptanforderungen, eine direkte reversible Verbindung der Schnittstelle
Textil/Elektronik auf der textilen Fläche zu ermöglichen, wurde nur von zwei der Ver-
suchsproben erfüllt. Sowohl die Kontaktierung mit einem Druckknopf als auch die Be-
festigung eines Crimpelementes mit einer Schraubverbindung kann beliebig oft ge-
löst und verschlossen werden.
Bei beiden Verbindungen war allerdings eine Verstärkung der zu kontaktierenden
textilen Fläche nötig, da die textile Fläche am Übergang zur Verbindung aufgrund
des benötigten relativ hohen Kraftaufwandes zum Öffnen und Schließen der Verbin-
Ergebnisse des Teilvorhabens 63
dungen riss. Der Vorteil der Druckknopfverbindung bestand darin, dass im Gegen-
satz dazu das Lösen der Verbindung mittels Crimpelements und Schraubverbindung
deutlich komplizierter war. Hierzu wurden Hilfsmittel, wie z.B. Schraubenschlüssel,
benötigt. Außerdem war der Kraftaufwand zum Lösen der Verbindung höher.
Bei den anderen Versuchsproben konnte die reversible Verbindung nicht direkt auf
der textilen Leiterbahn hergestellt werden. Mit Hilfe von Zusatzstoffen wurde hier zu-
nächst ein Kabel auf der leitfähigen textilen Fläche angebracht. Zur Herstellung der
reversiblen Verbindung zur Hardware diente dann das andere Ende des Kabels. Die-
se Versuchsproben konnten allerdings die definierten Hauptanforderungen an die
Schnittstelle nicht erfüllen und stellen somit für eine Integration in die hergestellten
Prototypen keine Option dar.
Zur Bewertung der Schnittstellen wurden die Durchgangswiderstände vor und nach
dem Waschen bei 60 °C bestimmt. Die Probenlänge betrug jeweils 20 cm. Tabelle
4-11 stellt das Ergebnis der Untersuchung dar.
Schnittstelle Durchgangswiderstand vor dem Waschen [Ω]
Durchgangswiderstand nach dem Waschen [Ω]
Druckknopf 3,8 5,5
Crimpelement mit Schraubverbindung
3,3 5,7
Tabelle 4-11: Durchgangswiderstände der untersuchten Schnittstellen
Tabelle 4-11 zeigt, dass die Durchgangswiderstände nach dem Waschen beinahe
doppelt so hoch sind wie vor dem Waschen. Da der Durchgangswiderstand der Ver-
suchsproben eine Reihenschaltung unterschiedlicher Widerstände, des Kabels, der
Schnittstelle und der textilen Fläche ist, wird davon ausgegangen, dass die textilen
Leiterbahnen besonders unter dem Waschvorgang gelitten haben. Der Grund hierfür
sind Beschädigungen des Materials, wie auch schon die Waschversuche in AP 3
zeigen.
Des Weiteren zeigten die Waschversuche, dass bei den Versuchsproben, bei denen
Kabel, Stecker, etc. fest mit dem Textil waren und somit nicht zum Waschen entfernt
werden konnten, die Verbindungsstellen am stärksten unter dem Waschvorgang lit-
ten. Im Falle des leitfähigen Klebstoffes löste sich die Verbindung zwischen Textil
64 Ergebnisse des Teilvorhabens
und Kabel komplett [Sil09].
Zur Bewertung der Stabilität der elektrischen Verbindung wurde ein Demonstrator
aufgebaut. Gemessen wird bei einer Spannung von 9 V. Die eingebauten Dioden zur
Überprüfung des Kontaktes benötigen eine Spannung von 20 mA. Um diese Strom-
stärke zu ermöglichen, wurde jeweils ein Widerstand von 450 Ω vor die Dioden ge-
schaltet. Die ganze Elektronik befindet sich in einem Holzkasten, aus dem die Lei-
tungen zu den Textilien und zur Stromversorgung herausgeführt werden. Die Textili-
en mit den jeweiligen Schnittstellen wurden mit einem doppelseitigen Klebeband auf
der Oberseite des Kastens befestigt. Bewertet wurden der Druckknopf und das
Crimpelement mit Schraubverbindung. Jede Versuchsprobe besteht auf der einen
Seite jeweils aus einer der genannten reversiblen Verbindungen und einer festen
Verbindung an der anderen Seite. Somit kann der Stromfluss zur Diode jederzeit un-
terbrochen und wieder hergestellt werden, was durch ein Leuchten der Diode ange-
zeigt wird.
Abbildung 4-24 zeigt ein Foto des Demonstrators, mit dessen Hilfe die verschiede-
nen Schnittstellen bezüglich ihres elektrischen Kontaktes überprüft werden.
Dioden zur Überprüfung des Kontaktes
Reversible VerbindungenFeste Verbindungen
20 mm
Abbildung 4-24: Demonstrator zur Überprüfung des elektrischen Kontaktes
Die Bewertung der Schnittstellen bezüglich ihres elektrischen Kontaktes hat ergeben,
dass sowohl die Schnittstelle mittels Druckknopf als auch mittels Crimpelement mit
Schraubverbindung dauerhafte Stabilität aufweist und somit geeignet wäre zur Ver-
Ergebnisse des Teilvorhabens 65
bindung des textilen Teilsystems und der Messelektronik.
Da die Messelektronik zur Durchführung einer BIS-Messung von Philips Technologie
GmbH, Aachen hergestellt wurde, war auch das Layout der Schnittstelle bereits vor-
gegeben. Somit blieb in dem Fall nur noch die Integration in das textile Teilsystem.
Diese Schnittstelle basiert auf einer gängigen USB-Steckverbindung und ist zum
Schutz vor dem Eindringen von Wasser beim Waschen von einem Gehäuse umge-
ben.
Abbildung 4-25 zeigt den Aufbau der USB-Steckverbindung inklusive der Messelekt-
ronik und Abbildung 4-26 zeigt die den Einbau der USB-Platine in das Gehäuse.
Messelektronik
USB-Stecker mit Leiterbahnen
Gehäuseoberteil
Gehäuseunterteil
Abbildung 4-25: Aufbau der USB-Steckverbindung incl. Messelektronik
Gehäuse zum Schutz beim Waschen
USB-Platine zum Kontaktieren der 4 Leiterbahnen
Abbildung 4-26: Schnittstelle auf Basis einer USB-Verbindung
66 Ergebnisse des Teilvorhabens
Um die Leiterbahnen im Textil mit der Platine des USB-Anschlusses zu kontaktieren,
wurde ein sogenannter „Interposer“ verwendet, eine Kunststofffolie, auf der Kupferlei-
terbahnen frei geätzt wurden. Über diese wurden dann die textilen Leiterbahnen kon-
taktiert. Mittels Löten wurden die Leiterbahnen auf dem Interposer mit den Leiterbah-
nen auf der USB-Platine verbunden. Zur Beurteilung, ob diese USB-Steckverbindung
als Schnittstelle zwischen Textil und Messelektronik geeignet ist, wurde ein Prototyp
aufgebaut und bezüglich seiner elektrischen Eigenschaften beurteilt. Abbildung 4-27
zeigt den Aufbau dieses Prototyps.
Gestrick mit textilen Leiterbahnen
Interposer Platine des USB-Anschlusses im Gehäuse-Unterteil
15 mm
.
Abbildung 4-27: Prototyp zur Beurteilung der Funktion der USB-Schnittstelle
Im Anschluss an die erfolgreiche Beurteilung dieser Schnittstelle erfolgte die Integra-
tion in das textile Teilsystem. Um die Bedürfnisse und die unterschiedliche Anatomie
der Benutzer besser berücksichtigen zu können, wurde ein textiles, flexibles und
dehnbares Kabel zur Verbindung zwischen der Nutriwear-Hose und der Mikroelekt-
ronik verwendet (Abbildung 4-28). Auf dieses Weise können alle drei möglichen Tra-
georte bequem verwendet werden. Die Trageoptionen (linke Innentasche, rechte In-
nentasche und Rückentasche) sind auf der Abbildung 4-29 markiert.
Ergebnisse des Teilvorhabens 67
Abbildung 4-28: Textilkabel zwischen Nutriwear-Hose mit Interposer (links) und Ste-
cker für die Nutriwear-Messelektronik (rechts). Das textile Kabel ist
auf den Interposer gelötet und mit thermoplastischem Kleber me-
chanisch fixiert.
Das flexible Kabel ist auf einer Seite mit einem von Philips entwickelten Stecker mit
der Elektronik verbunden. Die andere Seite ist auf eine speziell auf die Nutriwear-
Hose angepasste Interposer-Leiterplatine aufgelötet. Zur dauerhaften mechanischen
Fixierung wurde ein thermoplastischer Kleber auf die Lötstelle aufgebracht.
Abbildung 4-29: Trageoptionen der Nutriwear-Elektronik in der Nutriwear-Hose
(links) und halb eingelegte Nutriwear Elektronik in der Rückenta-
sche (rechts). Linke Seitentasche grau dargestellt (rechte Seitenta-
sche ist äquivalent)
68 Ergebnisse des Teilvorhabens
Die Anordnung der Knöpfe auf dem Interposer entspricht der Anordnung der Knöpfe
auf der Innenseite der Nutriwear-Hose im Rückenbereich. Eindeutige Markierung
stellen eine korrekte Fixierung der Knöpfe durch den Benutzer bzw. Betreuer sicher.
Der Interposer wird über vier Knöpfe mit der Nutriwear-Hose sowohl mechanisch als
auch elektrisch verbunden. Jeder Knopf verbindet damit eine Elektrode mit der
Nutriwear-Messelektronik.
4.6 AP 6: Mikroelektronik
Die von Philips neu entwickelte Elektronik wurde teilweise an Dummies vermessen
und so auf ihre Genauigkeit hin überprüft. Dadurch konnten verschiedene Verbesse-
rungen erzielt werden.
Für die medizinische Zulassung des Messgeräts musste das Sicherheitskonzept der
Messelektronik überprüft sowie eine Risikoalanyse durchgeführt werden. Dafür wur-
de mit der Firma Philipps gemeinsam relevante, existierende Sicherheitsrichtlinien
erarbeiten.
Als Vergleichsmessgerät für Bioimpedanz-Spektroskopie Messungen dient meist das
Xitron Hydra 4200, von Xitron Technologies, USA, da es als eine Art Goldstandard
angesehen wird. Das Xitron wurde bereits ausreichend validiert und getestet und
wurde im weiteren Verlauf des Nutriwearprojekts immer als Referenzmessgerät ein-
gesetzt. Es wurden aber noch weitere Geräte getestet wie zum Beispiel das
Impedimed SB7. Leider war dieses für unsere Messzwecke zu ungenau und wurde
daher nicht weiter untersucht.
4.7 AP 7: Datenanalyse
Im Rahmen der modularen Datenanalyse wurden ein Konzept zur modularen Daten-
analyse und ein Verfahren zur Detektion und Kompensation von Artefakten entwi-
ckelt.
4.7.1 Konzept zur modularen Datenanalyse
Das Konzept für die modulare Datenanalyse wurde in enger Kooperation mit den
Projektpartnern Motorola bzw. Philips erstellt. Das resultierende Konzept unterteilt
das Nutriwearsystem in ein Messsystem und dem Analyse/Feedbacksystem in Form
einer PDA basierten Nutzeranwendung (Abbildung 4-30). Die auf dem PDA gespei-
Ergebnisse des Teilvorhabens 69
cherten Daten können zusätzlich auf einem PC analysiert und die Messergebnisse
visualisiert werden.
Abbildung 4-30: Modulares Datenanalyse Konzept
Die vom Messsystem aufgezeichneten Messdaten werden drahtlos über eine Blue-
tooth Schnittstelle zum PDA gesendet. Dort werden die Daten aufbereitet und durch
eine modular aufgebaute Softwarekette verarbeitet. Die Analyseergebnisse sowie die
aufbereiteten Rohdaten werden in Form einer erweiterbaren XML-Datei gespeichert.
4.7.2 Verfahrenentwicklung zur Detektion und Kompensation von Artefakten
Das Verfahren zur Artefaktkompensation kann in mehrere Teilschritte unterteilt wer-
den:
• Artefakterkennung
• Artefaktfilterung
• Artefaktkompensation
Die Bewegung und die Köperlage haben einen signifikanten Einfluss auf BIS Mes-
sungen. In der Nutriwear Messelektronik kann daher über einen zusätzlichen Sensor
Information über die Messbedingungen gewonnen werden. Die Philips BIS-
Messelektronik verwendet einen 3-achsigen Beschleunigungssensor. Auf diese Wei-
se können Bewegungen bzw. im eingeschränkten Maße auch die Lage/Haltung des
Patienten erkannt werden. Sollte während einer Messung eine erhöhte Bewegung
70 Ergebnisse des Teilvorhabens
gemessen werden, so kann das Messergebnis der BIS-Messung verworfen werden
(Abbildung 4-31).
Abbildung 4-31: Artefakterkennung und –filterung
Außerdem wird für jede Messfrequenz (Frequenzbereich zwischen 10 kHz und
999 kHz) ein Mittelwert gebildet, um das Rauschen zu minimieren.
Zur Artefakterkennung wurde im Rahmen von Testmessungen am MedIT mit der
Nutriwear-Messelektronik und einem prototypischen Aufbau, geprüft, ob mit Hilfe des
Beschleunigungssensors eine Artefaktreduktion bzw. Artefaktkompensation für den
Fall der Lageänderung und der Bewegung durchgeführt werden kann.
Im Bereich der Artefaktkompensation wurden mit einem prototypischen Sensorauf-
bau erste Testmessungen durchgeführt. Es wurden sowohl statische (Abbildung
4-32) als auch dynamische Messungen (Abbildung 4-33) an verschiedenen Körper-
positionen getestet. Zusätzlich wurde ein Aktivitätsindex definiert, der eine quantitati-
ve Beurteilung der allgemeinen Aktivität aus Beschleunigungssensoren erlaubt.
Basierend auf den Testmessungen wurde ein Algorithmus zur Bewertung von Benut-
zeraktivitäten entwickelt. Ein Beschleunigungssensor in der Messelektronik liefert die
Rohdaten, die dann auf dem PDA analysiert werden. Durch diesen Algorithmus kann
die Aktivität des Benutzers quantifiziert und mit einem voreingestellten Schwellwert
verglichen werden. Liegt die Aktivität des Benutzers während einer BIS-Messung
oberhalb des Schwellwertes, so wird dies als Artefakt erkannt. Um die durch Bewe-
gung verfälschten Messdaten zu filtern, werden die betroffenen Messungen als un-
gültig verworfen. Um die fehlenden Messdaten zu kompensieren, kann eine erneute
BIS Messung durchgeführt werden.
Ergebnisse des Teilvorhabens 71
Abbildung 4-32: 3D Beschleunigungsdaten je von einem Oberschenkel und Unter-
schenkel Sensor. Die X-Achse zeigt in Richtung des Bodens, die Y-
Achse nach vorne und die Z-Achse nach rechts vom Probanden
ausgesehen. Die Spitzen werden durch die notwendigen Bewe-
gungen beim Haltungswechsel verursacht.
In einem prototypischen Aufbau sind zusätzlich drei verschiedene Betriebsmodi im-
plementiert worden:
• Manuelle Messung
• Halbautomatische Messung
• Automatische Messung
Bei der manuellen Messung wird eine BIS Messung vom PDA per Knopfdruck ge-
startet. Bei der halbautomatischen Messung wird an Hand eines definierten Proto-
kolls in Abhängigkeit z.B. der Lage, der Aktivität, Zeitpunkten der Mahlzeiten etc., ei-
ne Messempfehlung von der Software angezeigt. Der Benutzer muss diese manuell
bestätigen. Bei der automatischen Messung wird die Messung ohne Interaktion mit
dem Benutzer vollautomatisch durchgeführt.
72 Ergebnisse des Teilvorhabens
Abbildung 4-33: Eine dynamische Aktivitätsmessung mit einem 3D Beschleuni-
gungssensor am Torso. Die X-Achse zeigt in Richtung des Kop-
fes, die Y-Achse nach vorne und die Z-Achse nach rechts vom
Probanden ausgesehen. Die Klassifikation der Bewegungsarten
ist manuell annotiert.
4.8 AP 8: Feedback
Als Teil des Datenanalyse-Prototyps wurde neben der modularen Datenanalyse
ebenfalls ein Feedback für den Benutzer entwickelt. Das Feedbackkonzept sieht die
Aufbereitung der Messdaten vor, damit diese in einer geeigneten Form einem Benut-
zer (Arzt, Arzthelfer, Nutzer) gezeigt werden können. Für zwei Benutzergruppen
wurden Zielgruppengerechte Feedbackkonzepte entwickelt: Sportler und Senioren.
Beide sind so konzipiert, dass sie auf Basis der gemeinsamen Programmlogik und
den Datenmodellen aufbauen.
4.8.1 Feedbackkonzept für Sportler
Das Feedbackkonzept für Sportler orientiert sich an modernen grafischen Benutzer-
schnittstellen, wie z.B. dem Iphone. Es wird per Touchscreen und fingerfreundlichen
Eingabefelder gesteuert. Eine Übersicht über die GUI ist in Abbildung 4-34 gezeigt.
Ergebnisse des Teilvorhabens 73
Abbildung 4-34: Übersicht über die Screens des Feedbackkonzepts für Sportler
Bei dieser Anwendung werden helle und ansprechende Farbkombinationen verwen-
det um aktive Sportler (z.B. Jogger) anzusprechen. Ein wichtiger Feedbackaspekt ist
die übersichtliche Trenddarstellung der Cole-Cole Parameter mit zusätzlicher Ein-
blendung der Trainingsintensität.
Abbildung 4-35: Darstellung des Cole-Cole Parameter Trends
Eine beispielhafte Messung ist in Abbildung 4-35Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. gezeigt. Nach dem klicken auf den Menüpunkt Monitor wird
eine Eingabemaske geöffnet, in der der Benutzer zurückliegende Aktivitäten einge-
ben. Diese Aktivitäten werden geloggt, da diese bekannte Einflussfaktoren auf BIS
Messungen sind. Im nächsten Schritt wird der Benutzer aufgefordert die Standard-
messposition (Liegen) einzunehmen. Die Messung selbst kann durch Benutzer je-
derzeit abgebrochen werden. Nach dem Beenden der Messung wird die Messung im
74 Ergebnisse des Teilvorhabens
Trendverlauf angezeigt.
Abbildung 4-36: Graphical User Interface (GUI) Ablauf einer BIS Messung
4.8.2 Feedbackkonzept für Senioren
Das Feedbackkonzept für Senioren ist so übersichtlich wie möglich gestaltet. Die
Notwendigkeit der Interaktion wird auf ein Minimum reduziert. Die Farbkombinationen
und Schriftgrößen sind im Hinblick auf gute Lesbarkeit gewählt (Abbildung 4-37).
Des Weiteren werden seniorenfreundliche Metaphern und Icons verwendet welche
eine intuitive Benutzung unterstützen (Abbildung 4-38).
Ergebnisse des Teilvorhabens 75
Abbildung 4-37: Feedbackkonzept für Senioren
Abbildung 4-38: Seniorenfreundliche Icons zur Unterstützung der intuitiven Benut-
zung
4.8.3 Feedbackkonzept für die Validierungsstudie und Implementierung
Für die Durchführung der Validierungsstudie wurden zwei Daten- und Visualisie-
rungsprototypen implementiert, die im Folgenden näher beschrieben werden sollen.
Der erste Prototyp wurde auf Basis des Windows Mobile Net Compact Framework
3.5 erstellt. Das Hauptmenü ist in Abbildung 4-39 zu sehen. Die aufbereiteten Roh-
daten sowie die Messergebnisse können durch klicken des passenden Menüpunktes
ausgewählt werden.
Die Anzeige der aufbereiteten Rohdaten zeigt die charakteristische Messkurve der
BIS Messung. Aufgetragen wird der Imaginärteil über dem Realteil der komplexen
Körperimpedanz. Diese ist halbkreisförmig und liegt in der Regel je nach Darstel-
lungsart im vierten Quadranten. Die Wertebereiche sind jeweils links und rechts bzw.
oben und unten am Bildschirmrand angegeben. Jeder Datenpunkt entspricht dem
76 Ergebnisse des Teilvorhabens
gemittelten Impedanzwert eines Runs bei einer Messfrequenz.
Abbildung 4-39: Hauptmenü zur Auswahl der Messdatenvisualisierung („BIS Data“)
Anhand der Form lässt sich sehr leicht erkennen, ob die Messergebnisse plausibel
sind. Zusätzlich wird die Varianz des Runs jeweils für den Realteil und den
Imaginärteil berechnet (Abbildung 4-40). Sollte die Varianz ansteigen, so ist dies ein
Hinweis darauf, dass in der Messungen vermehrt Messfehler, wie z.B. durch Bewe-
gung, mangelhafter Elektrodenkontakt, etc. vorliegen.
Abbildung 4-40: BIS Messdatenvisualisierung
Zusätzlich lassen sich zwei BIS Messkurven übereinander anzeigen (Abbildung
4-41). Diese werden farblich unterschiedlich dargestellt. Dadurch wird der Vergleich
von zwei beliebigen Messungen erheblich vereinfacht. Der sichtbare Datenbereich
wird automatisch so angepasst, dass beide Kurven komplett dargestellt werden.
Nach erneutem Betätigen der Schaltfläche für die Auswahl einer Messung und an-
schließendem "Abbrechen" der Dateiauswahl wird die Messung (1 = gelb, 2 = rot)
wieder entfernt. Über die Plus und Minuszeichen können die verschiedenen Runs
Ergebnisse des Teilvorhabens 77
angezeigt werden (siehe AP7).
Abbildung 4-41: Gleichzeitige Darstellung von zwei Messkurven
In einem zweiten Prototyp, der mit unserer Unterstützung bei Philips entwickelt wur-
de, werden neben der grafischen Auswertung ebenfalls die charakteristischen Mess-
parameter: Re, Ri, Cm aus den Messdaten berechnet und angezeigt (Abbildung 4-42).
Dies sind die sogenannten Cole-Cole Parameter. Wie in der Beschreibung der BIS
Messtechnologie beschrieben, lässt sich daraus eine Veränderung des Wasserhaus-
halts erkennen. Eine Vergrößerung von Re zeigt eine zunehmende Austrocknung des
Körpers an. Sollte dieser Trend über mehrere Messtage hinweg andauern, so könnte
dies zu einer Dehydrierung führen.
Abbildung 4-42: Anzeige der charakteristischen Cole-Cole Parameter und Kurve
4.9 AP 9: Systemintegration
Nachfolgend wird der Aufbau verschiedener Prototypen zur Durchführung einer BIS-
Messung beschrieben.
78 Ergebnisse des Teilvorhabens
Zur Ermittlung der Körperzusammensetzung mittels BIS werden, wie bereits be-
schrieben, vier Elektroden benötigt. Diese müssen an den entsprechenden Körper-
stellen in der Kleidung platziert und über Leiterbahnen mit der Schnittstelle Textil-
Elektronik verbunden werden.
Ausgehend von der Anwenderanalyse wurden in der ersten Prototypenphase zwei
unterschiedliche Kleidungsstücke hergestellt. Die Integration der Elektroden und Lei-
terbahnen erfolgte zunächst in einem nachträglichen Arbeitsschritt durch Aufnähen.
Als erstes Kleidungsstück wurde ein Overall gewählt, der von der Firma Suprima
GmbH, Bad Berneck, für den Einsatz bei erwachsenen Personen im Pflegebereich
entwickelt wurde. Darin wurden auf der Innenseite im Ärmel und im Hosenbein einer
Körperseite je zwei Elektroden eingenäht. Die Leiterbahnen wurden auf der Außen-
seite des Overalls aufgenäht. Von jeder Elektrode führt eine Leiterbahn in die Mitte
des Overalls (Abbildung 4-43). Dort kann nun das Messgerät angeschlossen werden.
Textile Leiterbahnen
Vorderseite Rückseite
Textile Elektroden (Innenseite)
Abbildung 4-43: Overall mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
Die elektrische Verbindung von Elektrode und Leiterbahn erfolgt über metallische
Druckknöpfe, wie in Abbildung 4-44 im Detail zu sehen ist.
Ergebnisse des Teilvorhabens 79
Verbindung zwischen Elektrode und Leiterbahn
Abbildung 4-44: Druckknopf-Verbindung zwischen Elektrode und Leiterbahn
Als zweites Kleidungsstück wurde eine von Suprima GmbH, Bad Berneck, entwickel-
te Hüftprotektor-Hose gewählt. Diese wird ebenfalls bereits im Pflegebereich einge-
setzt, um ältere Menschen im Falle eines Sturzes vor Verletzungen der Hüfte zu
schützen. Hier wurden je zwei Elektroden in jedes Hosenbein eingenäht. Diese wur-
den, wie bei dem beschriebenen Overall, über Druckknöpfe mit den Leiterbahnen
verbunden, welche am Bund der Hose zusammenlaufen. Abbildung 4-45 zeigt die
Hose mit den textilen Elektroden und Leiterbahnen. Um die Hose an den Beinumfang
einer Person anzupassen, ist die Weite der Hosenbeine regulierbar.
Verbindung Elektrode und Leiterbahn
Textile Elektroden
Textile Leiterbahnen
Abbildung 4-45: Hose mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
Die Bewertung der hergestellten Kleidungsstücke hinsichtlich der elektrischen Eigen-
80 Ergebnisse des Teilvorhabens
schaften erfolgte über die Durchführung von BIS-Messungen an verschiedenen Per-
sonen sowohl am MedIT als auch in einem Pflegeheim. Neben der Eignung der texti-
len Systeme im Vergleich zu konventionellen Messsystemen sollte vor allem auch
deren Tragekomfort beurteilt werden.
Nach der Auswertung aller Messergebisse folgte die zweite Prototypenphase. Als
Kleidungsstück wurde erneut die Hose der Firma Suprima gewählt, da diese von den
Testpersonen im Vergleich zum Overall als deutlich praktischer und angenehmer zu
tragen empfunden wurde. Die Leiterbahnen, bestehend aus demselben Material wie
beim ersten Prototyp, wurden auch dieses Mal von außen auf die Hose genäht, wo-
gegen die Befestigung der Elektroden über Klettverschlüsse auf der Innenseite er-
folgte. So können diese vor dem Waschen entfernt werden bzw. bei Beschädigungen
einfach ausgetauscht werden. Des Weiteren wurde unter die Elektroden ein
Schaumstoffpolster integriert, um die Anpresskraft auf die Haut zu verstärken und
somit die Kontaktimpedanz zu verringern. Dabei wurden ein Teil der vorgestellten
strukturierten Elektroden verwendet.
Die Verbindung von Elektroden und Leiterbahnen erfolgte wie bei der ersten Prototy-
penphase über Druckknöpfe. Im Gegensatz dazu verlaufen allerdings die Leiterbah-
nen auf der Rückseite der Hose, da geplant ist, die Messelektronik hinten am Ho-
senbund in einer Tasche zu verstauen. Abbildung 4-46 zeigt die Hose mit den texti-
len Elektroden und Leiterbahnen.
Abbildung 4-46: Zweiter Prototyp mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
Ergebnisse des Teilvorhabens 81
Auch dieser Prototyp wurde vom MedIT auf seine elektrischen Eigenschaften hin un-
tersucht. Dies erfolgte ebenfalls mittels Durchführung von BIS-Messungen an ver-
schiedenen Personen am MedIT.
Im Rahmen einer dritten Prototypenphase wurden dann die Leiterbahnen direkt im
Herstellungsprozess integriert. Dafür wurde zunächst das Layout für die Leiterbah-
nen in der Hose festgelegt und in ein Schnittmuster überführt, danach erfolgten die
Produktion des Stoffes sowie die Konfektion zur Hose. Als Material für die Leiterbah-
nen wurde in diesem Prototyp das ausgewählte Garn PA110/24 verwendet. Die
Elektroden wurden auch hier nicht direkt integriert, sondern können wie in der zwei-
ten Prototypenphase nachträglich über Klettverschlüsse eingesetzt werden
(Abbildung 4-48). Der finale Prototyp ist in Abbildung 4-47 zu sehen.
Abbildung 4-47: Finaler Prototyp der Hose mit integrierten Leiterbahnen
82 Ergebnisse des Teilvorhabens
Abbildung 4-48: Innenseite des Hosenbeins mit textilen Elektroden
Die Validierung des finalen Prototyps findet im Rahmen einer medizinischen Studie
im Universitätsklinikum Aachen an ausgewählten Probanden statt (AP 10).
4.10 AP 10: Systemvalidierung
Eine geplante Benutzerstudie konnte auf Grund von Verzögerungen, durch den vor-
zeitigen Ausstieg eines Projektpartners und bei der Ethikkommission, zur Laufzeit
des Projekts nicht durchgeführt werden. Die Studie hat bereits ein positives Votum
der zuständigen Ethikkommission erhalten (Ethikkommission des
Universitätsklinkums Aachen: EK 148/10) und wird in Kürze durchgeführt. Ergebnis-
se der Benutzerstudie werden im Rahmen von wissenschaftlichen Publikationen dem
Fachpublikum zugänglich gemacht.
4.11 AP 11: Projektmanagement und Ergebnisverwertung
Inhalt dieses Arbeitspaketes war die Koordination der Zwischenberichte sowie des
Abschlussberichtes.
Zum Ende eines jeden Halbjahres wurde ein Zwischenbericht erstellt, in dem die in-
nerhalb des Berichtszeitraums erzielten Ergebnisse dargestellt wurden. Der Bericht
diente auch zur Überprüfung des inhaltlichen und zeitlichen Projektfortschritts dem
Projektträger gegenüber.
Auch die Koordination von Arbeitstreffen und Telefonkonferenzen war Teil dieses Ar-
beitspaketes.
4.12 Zusammenfassung /Ausblick
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Gesamtsystems zur konti-
nuierlichen Überwachung des Wasserhaushaltes.
Das Messsystem besteht aus einem körpernah getragenen Kleidungsstück mit inte-
grierten textilen Elektroden und Leitern, mikroelektronischer BIS-Messtechnik und ei-
nem externen PDA zur Steuerung und Auswertung.
Bei der Entwicklung wurden zunächst die Anforderungen an das textile Teilsystem
sowie an die Mikroelektronik definiert. Des Weiteren wurden potentielle Nutzergrup-
Ergebnisse des Teilvorhabens 83
pen festgelegt und Anwendungsszenarien entwickelt. Nach der Definition der Sys-
temspezifikationen erfolgte die Herstellung aller Komponenten des Gesamtsystems.
Zur Fertigung der textilen Elektroden und der textilen elektrischen Leiter mussten ge-
eignete leitfähige Garne ausgewählt werden. Hierfür wurden verschiedene leitfähige
Garne hinsichtlich ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften sowie ihrer
Verarbeitbarkeit charakterisiert.
Anschließend erfolgte die Gestaltung und Herstellung der textilen Elektroden und der
textilen elektrischen Leiter. Zunächst wurden Elektroden mit glatter Oberfläche her-
gestellt und mit Hilfe des im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelten Test-
stands bewertet. Dabei zeigt sich, dass vor allem die Auflagefläche der Elektrode auf
der Haut einen großen Einfluss auf die Messergebnisse hat. Daraufhin wurde die
Oberfläche der als Elektroden eingesetzten Textilien so konzeptioniert, dass eine
möglichst große Auflagefläche entsteht. Neben den elektrischen Messungen auf dem
Teststand wurden die Elektroden auch hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit
mittels digitaler Bildauswertung optisch beurteilt.
Für die Definition der geeignetsten elektrischen Leiter wurden verschiedene textile
Leiter hergestellt. Diese unterschieden sich vor allem hinsichtlich der Leiterdicke,
Garnmaterial und Herstellungsart. Auf einem eigens dafür entwickelten Teststand
wurden die Leiter auf ihre elektrischen und mechanischen Eigenschaften hin unter-
sucht. Neben dem Einfluss von Leiterdicke und Struktur wurde vor allem der Einfluss
der Dehnung auf die Leitfähigkeit bewertet.
Nach der Auswahl geeigneter Elektroden und Leiter erfolgte der Aufbau des textilen
Teilsystems. Dazu wurden verschiedene Prototypen mit textilen Elektroden und Lei-
tern hergestellt und bewertet. Zur Verbindung des textilen Teilsystems mit der Mikro-
elektronik wurde eine Schnittstelle entwickelt, die reversibel aufgebaut ist und somit
ein Entfernen der Mikroelektronik vor dem Waschen des Kleidungsstückes ermög-
licht.
Parallel zur Textilentwicklung erfolgten die Entwicklung der Mikroelektronik sowie die
Programmierung des mobilen Endgerätes. Dazu wurde zunächst ein Konzept zur
modularen Datenanalyse entworfen. Dieses unterteilt das Gesamtsystem in das
Messsystem und das Analyse/Feedbacksystem. Des Weiteren wurde ein Verfahren
zur Detektion und Kompensation von Artefakten entwickelt. Als Teil des Datenanaly-
84 Ergebnisse des Teilvorhabens
se-Prototyps wurde neben der modularen Datenanalyse ebenfalls ein Feedback für
den Benutzer entwickelt. Das Feedbackkonzept sieht die Aufbereitung der Messda-
ten vor, damit diese in einer geeigneten Form einem Benutzer angezeigt werden
können.
Das Gesamtsystem soll im Rahmen einer medizinischen Studie an verschiedenen
Probanden evaluiert werden. Der entsprechende Antrag bei der Ethikkommission ist
bereits bewilligt.
Erste Testmessungen haben gezeigt, dass das Gesamtsystem zur Überwachung
des Wasserhaushaltes geeignet ist. Es besteht allerdings nach wie vor Forschungs-
bedarf, was die Signalqualität angeht. Diese ist besonders bei der Messung mit tro-
ckenen Elektroden bei älteren Menschen mit trockener Haut schwierig. Ebenfalls be-
einflussen starke Bewegungen die Signalqualität. Zudem wird die metallische Elekt-
rodenbeschichtung durch häufiges Waschen mit aggressiven Waschmitteln, wie sie
z.B. bei der chemischen Reinigung eingesetzt werden, angegriffen, so dass die Leit-
fähigkeit der Elektroden abnimmt. Eine der größten Hürden, die textilbasierte Mess-
systeme vor ihrer flächendeckenden Einführung zu nehmen haben, ist die medizini-
sche Zulassung. Für eine solche Zulassung müssen alle Bestandteile des Messsys-
tems hinsichtlich ihrer Eignung als medizinisches Produkt zugelassen werden. Eine
solche Zulassung ist recht aufwändig, weshalb sich die finale Validierungsstudie des
Messsystems derzeit etwas verzögert.
AbbildungsverzeichnisErgebnisse des Teilvorhabens 85
5 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4-1: Aufbau des Nutriwear Messsystems
Abbildung 4-2: Übersicht Datenanalysemodul
Abbildung 4-3: Neuentwickelter Teststand für die Charakterisierung von
textilen Elektroden
Abbildung 4-4: Zugprüfung: links: Skizze Versuchsaufbau, rechts: Statimat
M der Firma Textechno, M. Stein GmbH & Co. KG,
Mönchengladbach
Abbildung 4-5: Links: Laborrundstrickmaschine des ITA, rechts:
Detailaufnahme des Strickkopfes
Abbildung 4-6: Flachstrickmaschine der Firma Stoll GmbH & Co. KG,
Reutlingen
Abbildung 4-7: Frequenzabhängige Kontaktimpedanz der textilen
Elektroden
Abbildung 4-8: Ergebnis der Elektrodenbewertung auf dem Teststand
Abbildung 4-9: PA110/34 ungewaschen und bei 30 °C gewaschen
Abbildung 4-10: PA110/24 ungewaschen sowie bei 30 °C und 60 °C
gewaschen
Abbildung 4-11: Einfluss der Elektrodenbeschaffenheit auf die Impedanz
Abbildung 4-12: Frequenzabhängige Kontaktimpedanz textiler Elektroden
mit Oberflächenstruktur
Abbildung 4-13: Ergebnis der Elektrodenbewertung auf dem Teststand
Abbildung 4-14: Vergleich der Kontaktimpedanz für textile Elektroden mit
und ohne Oberflächenstruktur
Abbildung 4-15: Darstellung der Elektroden EL 7, EL 14 und EL 15
86 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4-16: Teststand für die Charakterisierung textiler Leiterbahnen
Abbildung 4-17: A) Impedanz der textilen Kabel, B) Einfluss von Dehnung
auf die Impedanz der textilen Kabel
Abbildung 4-18: A) Impedanzänderung des textilen Leiters 1 bei 5 kHz für
verschiedene Dehnungszustände und fünf-maliger
Wiederholung, B) Reproduzierbarkeit aller textiler Leiter bei
5 kHz und einer Dehnung von 5 cm
Abbildung 4-19: Komponenten der Versuchsproben
Abbildung 4-20: Aufbau der einzelnen Komponenten
Abbildung 4-21: Kontaktierung der Leiterbahn mittels Druckknopf
Abbildung 4-22: Befestigung eines Crimpelementes durch Nieten (links)
oder Schrauben (rechts)
Abbildung 4-23: Kontaktierung der Leiterbahn mittels eines elektrisch
leitfähigen Klebstoffs
Abbildung 4-24: Demonstrator zur Überprüfung des elektrischen Kontaktes
Abbildung 4-25: Aufbau der USB-Steckverbindung incl. Messelektronik
Abbildung 4-26: Schnittstelle auf Basis einer USB-Verbindung
Abbildung 4-27: Prototyp zur Beurteilung der Funktion der USB-Schnittstelle
Abbildung 4-28: Textilkabel zwischen Nutriwear-Hose mit Interposer (links)
und Stecker für die Nutriwear-Messelektronik (rechts). Das
textile Kabel ist auf den Interposer gelötet und mit
thermoplastischem Kleber mechanisch fixiert.
Abbildung 4-29: Trageoptionen der Nutriwear-Elektronik in der Nutriwear-
Hose (links) und halb eingelegte Nutriwear Elektronik in der
Rückentasche (rechts). Linke Seitentasche grau dargestellt
(rechte Seitentasche ist äquivalent)
AbbildungsverzeichnisErgebnisse des Teilvorhabens 87
Abbildung 4-30: Modulares Datenanalyse Konzept
Abbildung 4-31: Artefakterkennung und –filterung
Abbildung 4-32: 3D Beschleunigungsdaten je von einem Oberschenkel und
Unterschenkel Sensor. Die X-Achse zeigt in Richtung des
Bodens, die Y-Achse nach vorne und die Z-Achse nach
rechts vom Probanden ausgesehen. Die Spitzen werden
durch die notwendigen Bewegungen beim Haltungswechsel
verursacht.
Abbildung 4-33: Eine dynamische Aktivitätsmessung mit einem 3D
Beschleunigungssensor am Torso. Die X-Achse zeigt in
Richtung des Kopfes, die Y-Achse nach vorne und die Z-
Achse nach rechts vom Probanden ausgesehen. Die
Klassifikation der Bewegungsarten ist manuell annotiert.
Abbildung 4-34: Übersicht über die Screens des Feedbackkonzepts für
Sportler
Abbildung 4-35: Darstellung des Cole-Cole Parameter Trends
Abbildung 4-36: Graphical User Interface (GUI) Ablauf einer BIS Messung
Abbildung 4-37: Feedbackkonzept für Senioren
Abbildung 4-38: Seniorenfreundliche Icons zur Unterstützung der intuitiven
Benutzung
Abbildung 4-39: Hauptmenü zur Auswahl der Messdatenvisualisierung („BIS
Data“)
Abbildung 4-40: BIS Messdatenvisualisierung
Abbildung 4-41: Gleichzeitige Darstellung von zwei Messkurven
Abbildung 4-42: Anzeige der charakteristischen Cole-Cole Parameter und
Kurve
Abbildung 4-43: Overall mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
88 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4-44: Druckknopf-Verbindung zwischen Elektrode und Leiterbahn
Abbildung 4-45: Hose mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
Abbildung 4-46: Zweiter Prototyp mit textilen Elektroden und Leiterbahnen
Abbildung 4-47: Finaler Prototyp der Hose mit integrierten Leiterbahnen
Abbildung 4-48: Innenseite des Hosenbeins mit textilen Elektroden
Tabellenverzeichnis
89
6 Tabellenverzeichnis
Tabelle 3-1: Gantt-Chart inklusive Meilensteine
Tabelle 4-1: Zusammenfassung der Anwenderanalyse
Tabelle 4-2: Ein- und Ausgabeparameter des Datenanalysemoduls
Tabelle 4-3: Beschreibung der charakterisierten leitfähigen Garne
Tabelle 4-4: Elektrische und mechanische Eigenschaften der Garne
Tabelle 4-5: Ergebnisse der Rundstrickversuche
Tabelle 4-6: Ergebnisse der Flachstrickversuche
Tabelle 4-7: Ausgewählte Garne für die weiteren Versuche
Tabelle 4-8: Hergestellte textile Elektroden zur Charakterisierung
Tabelle 4-9b: Hergestellte textile Elektroden mit unterschiedlicher
Oberflächenstruktur
Tabelle 4-10: Übersicht über die hergestellten Leiterbahnen
Tabelle 4-11: Durchgangswiderstände der untersuchten Schnittstellen
90 Veröffentlichungen/Literaturverzeichnis
7 Veröffentlichungen/Literaturverzeichnis
7.1 Veröffentlichungen und Vorträge
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92 Veröffentlichungen/Literaturverzeichnis
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[WBD+03] Weber J. L.; Blanc; D.; Dittmar, A.; Comet, B.; Corroy, C.; Noury, N.; Baghai, R.; Vaysse, S.; Blinowska, A.: VTAM : a new “Biocloth” for Am-bulatory Telemonitoring. Conference proceedings / 4th International IEEE EMBS Special Topic Conference on Information Technology Ap-plications in Biomedicine, 2003: new solutions for new challenges; 24 - 26 April 2003, Birmingham, United Kingdom. Piscataway, NJ: IEEE Op-erations Center, 2003, S. 299-301
[Wed07] Weder, M.: Personal textile electrode. avantex, 4. Internationales Forum für innovative Bekleidungstextilien, Messe Frankfurt, Frankfurt am Main, DE, 12.-14. Jun, 2007, Paper: Avantex\09_25 Weder.pdf
[Wie06] S. Wieskotten, "Bioimpedanz-basierte Erkennung von Mangelernährung mittels Fuzzy-Logik", Automed 2006, Rostock
BMBF-Vordr. 3831/03.07_2
Berichtsblatt
1. ISBN oder ISSN Geplant
2. Berichtsart (Schlussbericht oder Veröffentlichung) Schlussbericht
3. Titel NutriWear - Textilintegriertes, intelligentes System zum Ernährungs- und Wasserhaushaltsmanagement
4. Autor(en) [Name(n), Vorname(n)] Thomas Gries Steffen Leonhardt Nadine Jungbecker Lisa Röthlingshöfer Saim Kim
5. Abschlussdatum des Vorhabens 31.07.2010
6. Veröffentlichungsdatum Geplant
7. Form der Publikation Abschlussbericht
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse) RWTH Aachen Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) Otto-Blumenthal-Straße 1 52074 Aachen Philips Lehrstuhl für medizinische Informationstechnik (MedIT) Pauwelsstraße 20 52074 Aachen
9. Ber. Nr. Durchführende Institution
10. Förderkennzeichen 16FV3480
11. Seitenzahl 93
12. Fördernde Institution (Name, Adresse) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn
13. Literaturangaben 39
14. Tabellen 12
15. Abbildungen 48
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. Kurzfassung Im Forschungsvorhaben wurde ein tragbares System zur Überwachung des Wasserhaushaltes entwickelt, das auf intelligenten Textilien basiert. Das NutriWear System ermöglicht erstmals, Bioimpedanz-Spektroskopie Messungen 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche (24/7) mobil durchzuführen und dabei die Vorzüge eines Textils zu nutzen. Somit kann die Überwachung des Wasserhaushaltes auch auf das Arbeits- und Alltagsleben erweitert werden. Durch die präventive und therapeutische Nutzung des NutriWear System können Krankheitskosten erheblich reduziert werden. Das System besteht aus einem körpernah getragenen Kleidungsstück mit integrierter textiler Sensorik, mikroelektronischer Messtechnik und Kommunikationselektronik. Die Messung erfolgt durch in das Kleidungsstück integrierte textile Elektroden. Die Messströme werden durch textile elektrische Leiter im Kleidungsstück zu einer Schnittstelle geleitet, die das Textil mit einer Mikroelektronik verbindet. Diese Mikroelektronik setzt die Messsignale in digitale Daten um, bereitet sie auf und leitet sie kabellos an das mobile Endgerät (Auswerteeinheit) weiter, wo sie dann ausgewertet werden. Es wurden Technologien zur Integration von Mikrosystemtechnik in textile Strukturen konzipiert. Durch die Entwicklung neuer und die Modifikation existierender Textilmaschinentechnologien wurden textile Elektroden und elektrische Leiter entwickelt und hergestellt sowie Schnittstellenlösungen gefertigt.
19. Schlagwörter Textile Elektroden, Bioimpedanz-Spektroskopie,
20. Verlag
21. Preis
BMBF-Vordr. 3832/03.07_2
Document Control Sheet
1. ISBN or ISSN planned
2. type of document (e.g. report, publication) Final report
3. title NutriWear - Textilintegriertes, intelligentes System zum Ernährungs- und Wasserhaushaltsmanagement
4. author(s) (family name, first name(s)) Thomas Gries Steffen Leonhardt Nadine Jungbecker Lisa Röthlingshöfer Saim Kim
5. end of project 31.07.2010
6. publication date planned
7. form of publication Final report
8. performing organization(s) (name, address) RWTH Aachen Institut für Textiltechnik der RWTH Aachen (ITA) Otto-Blumenthal-Straße 1 52074 Aachen Philips Chair for Medical Information Technology (MedIT) Pauwelsstraße 20 52074 Aachen
9. originator’s report no.
10. reference no. 16FV3480
11. no. of pages 93
12. sponsoring agency (name, address) Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) 53170 Bonn
13. no. of references 39
14. no. of tables 12
15. no. of figures 48
16. supplementary notes
17. presented at (title, place, date)
18. abstract In this research project a portable textile based monitoring system for the water balance was developed. As a first, the NutriWear System enables mobile bioimpedance spectroscopy measurements 24 hours a day, 7 days a week (24/7) while using the amenity of the textile. Thus the monitoring of the water balance can be expanded to the working and everyday life. The preventive and therapeutic use of the NutriWear system allows a significant reduction of diseases costs. The system consists of a close-fitting garment with integrated textile sensor technology, microelectronic measurement systems and communication electronics. The measurement of the body impedance is carried out by integrated textile electrodes. Textile conductive paths integrated into the garment interface microelectronic device. The microelectronic device converts the measurement signals into digital data, prepares them and sends them wirelessly to the mobile device where they were evaluated. Afterwards the user gets a feedback. Technologies for the integration of micro systems technology in textile structures have been designed. New machine technologies have been developed as well as existing machine technologies have been modified for the fabrication of textile electrodes and conductive leads. Also, interface solutions have been created.
19. keywords Textile electrodes, bioimpedance spectroscopy,
20. publisher
21. price