Abschlussbericht - vesta Informationsportal€¦ · 4 Einleitung und Ziele des Vorhabens 4.3 AP 3:...

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


5


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.


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


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


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.


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


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


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


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,


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


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-


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,


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


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,


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-


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-


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).


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


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


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-


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


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.


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


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.


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.


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-


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-


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


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-


nen längeren Zeitraum ein angenehmes Tragegefühl sichergestellt sein muss.




Tabelle 4-8 gibt einen Überblick über die hergestellten Elektroden.


EL 1 Rundgestrick aus BW/Edelstahl

EL 2 Flachgestrick aus PES/Silber

EL 3 Flachgestrick aus PA240/10

EL 4 Flachgestrick aus Inox


Ergebnisse des Teilvorhabens 41 EL 5 Rundgestrick aus PA117/17


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




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


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


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


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


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


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 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.




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



Bild der Elektrode



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



Bild der Elektrode




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


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


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



Bild der Elektrode




Tabelle 4-9 mit denen der vollflächigen Elektroden aus


52 Ergebnisse des Teilvorhabens EL 5 Rundgestrick aus PA117/17


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


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


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.


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


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-


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.


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-


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


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).


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.


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-


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


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-


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


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.


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)


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-


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


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.


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.


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.


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


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).


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


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


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.


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.


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-


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


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


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-


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-


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 4-9: 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 4-14: Vergleich der Kontaktimpedanz für textile Elektroden mit

und ohne Oberflächenstruktur

Abbildung 4-15: Darstellung der Elektroden EL 7, EL 14 und EL 15


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


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


7.1 Veröffentlichungen und Vorträge

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Beckmann, L.; Kim, S.; Jungbecker, N.; Ingerl, G.; Leonhardt, S.; "Entwicklung intelli-genter Textilien für die Überwachung des Ernährungs- und Wasserhaushalts"; 2. Deutscher AAL Kongress 2009, Berlin; 27. - 28. Jan, 2009

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Beckmann, L.; Neuhaus, C.; Zimmermann, N.; Mai, H.; Leonhardt, S.: "Characterization of textile conductors for Bioimpedance Spectroscopy"; Proc. 4th Int. Congress for Medical and Biomedical Engineering, MBEC 2008, Antwerpen

Jungbecker, N.; Beckmann, L.; Kim, S.; Gries T.; Leonhardt, S.: "NUTRIWEAR – An intelligent System for the Monitoring of Body Composition based on textile Electrodes"; International Conference on Intelligent Textiles and Mass Customisation (ITMC 2009), Casablanca, Morocco; November 12 - 14, 2009

Kim, S.; Oliveira, J.; Röthlingshöfer, L.; Leonhardt., S.:; "Development of a System to Measure Local Measurement Conditions Around Textile Electrodes"; 32nd Annual International Conference of the IEEE EMBS (EMBC 2010); Buenos Aires, Argentina, Aug. 31st – Sep. 4th; 2010

Kim, S.; Beckmann, L.; Pistor, M.; Cousin, L.; Walter, M.; Leonhardt, S.: "A Versatile Body Sensor Network for Health Care Applications"; Fifth International Conference Series on Intelligent Sensors, Sensor Networks and Information Processing (ISSNIP2009), Melbourne, Australia; 7-10. December, 2009

Veröffentlichungen/Literaturverzeichnis 91

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Schlebusch, T.; Röthlingshöfer, L.; Kim, S.; Walter, M.; Leonhardt, S.: "On the road to a textile integrated bioimpedance early warning system for lung edema"; 7th International Conference on Body Sensor Networks (BSN 2010), Biopolis, Singapore, June 7th - 9th; 2010

Schlebusch, T.; Röthlingshöfer, L.; Kim, S.; Walter, M.; Leonhardt, S.: "Textilintegrier-te Bioimpedanz-Spektroskopie"; 44. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Bio-medizinische Technik (BMT2010), Rostock, Deutschland, 6. - 8. Okt.; 2010

Zimmermann, N.; Gries, T.; Beckmann, L.; Kim, S.; Medrano, G.; Leonhardt, S.: “Monitoring of Body Functions using Textile Electrodes"; World Textile Conference (AUTEX 2008), Città Studi – Biella, Italy; June 24-26, 2008

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7.2 Literaturverzeichnis

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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

Abschlussbericht - vesta Informationsportal€¦ · 4 Einleitung und Ziele des Vorhabens 4.3 AP 3:...

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