Textile Sensorik – Druckerfassung mittels textiler Komponenten

Kurzfassung

Personen, die berufsbedingt viel sitzen müssen, leiden häufig an Rückenbeschwerden und Haltungsschäden. Ursachen sind in der Regel das lange statische Sitzen oder sogar das verkehrte Sitzpolster. Noch schlimmer betroffen sind Menschen, die dauerhaft im Rollstuhl sitzen oder krankheitsbedingt im Bett liegen müssen. Gravierende Folgen für die Haut drohen – Wundliegegeschwüre, der sogenannte Dekubitus, können entstehen. Ein neues, intelligentes Sensorsystem auf textiler Basis sorgt für beschwerdefreies Sitzen und Liegen. Eine integrierte Aktorik steuert den Druckausgleich automatisch und punktuell.

 

Ausgangssituation und Motivation

Manchmal lässt sich Immobilität nicht vermeiden. Berufskraftfahrer, Menschen an PC-Arbeitsplätzen oder bewegungseingeschränkte Personen verbindet eine Gemeinsamkeit – langes kontinuierliches Sitzen. Gerade für Menschen, die auf den Rollstuhl angewiesen sind oder wegen einer Erkrankung lange Zeit im Bett liegen, kann das heftige Konsequenzen haben. Der dauerhafte Druck auf einzelne Körperregionen oder punktuelle Reibung sorgen für anhaltende Durchblutungsstörungen und das Absterben von Nervenzellen. Der Stoffwechsel wird unterbrochen, das Gewebe übersäuert. Dekubitus werden die Geschwüre genannt, die sich dann in der menschlichen Haut bilden und bis tief ins Gewebe eindringen. Suchen dekubitusgefährdete Menschen heute nach praktischen Hilfsmitteln, haben sie meist die Wahl zwischen verschiedenen Vakuum-, Gel- oder Luftkissen, die den Druck und die damit verbundenen Schmerzen eher passiv lindern sollen. Kritische Stellen selbständig erfassen oder den potenziellen Druckstellen gar punktuell entgegenwirken können diese Systeme allerdings nicht. Sie sollen es den Betroffenen vor allem so bequem wie möglich machen. Patient und Pflegepersonal müssen gefährdete Regionen daher noch immer permanent beobachten. Danach wird manuell eingegriffen, etwa indem Liege- und Sitzpositionen ständig verändert werden. Besonders problematisch ist das bei in hohem Grad immobilen oder ICP- und Wachkoma-Patienten, denen jede Möglichkeit zur aktiven Kommunikation und zur Mitteilung von Druckschmerzen fehlt.

Um den Beschwerden entgegenzuwirken wurde für die Betroffenen im Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF ein intelligentes Druckerfassungssystem entwickelt.

 

Stand der Technik

Die Entwicklung von Messsystemen zur flächigen Erfassung von Druck und ortsaufgelösten Bestimmung von Kräften begann in den 1980er Jahren und umfasst mittlerweile eine breite Technologiepalette mit unterschiedlichen Messprinzipien für die verschiedensten Anwendungen. Man unterscheidet resistive und kapazitive Prinzipien, Kraft- und Drucksensoren, sowie nach einzelnen Messzellensensoren und Sensorarrays. Sie ermöglichen eine nach Ort und Betrag aufgelöste Erfassung von Druck oder Kraft.

Derartige Messsysteme sind heute bereits kommerziell verfügbar, erscheinen aber in der aktuell angebotenen Konfiguration sowie auf Grund der Kosten für einen Massenmarkt ungeeignet. Foliensysteme zur Druckerfassung zum Beispiel sind nicht dehnbar, verhindern einen Luftaustausch und sind somit für personennahe Anwendungen materialtechnisch untauglich, um Komforteigenschaften und Erwartungshaltungen zu erfüllen.

 

Lösungsansatz

Insbesondere um medizinischen Applikationen gerecht zu werden, hat sich das Fraunhofer IFF Magdeburg zum Ziel gestellt, einen Sensor zur flächigen Druckerfassung auf der Grundlage textiler Materialien zu entwickeln. Auf der Basis eines neuartigen leitfähigen Textilgewebes wurde ein innovatives Sensorsystem für die ortsaufgelöste Erfassung von Kräften und Drücken entwickelt. Die Forscher streben mit diesem neuen System die nahtlose Integration in vorhandene Polstersysteme, wie Rollstuhlformteile, medizinische Lagerungssysteme oder LKW-Sitze, an. Um die Sensormatte für konkrete Anwendungen und für die Massenherstellung besonders interessant zu machen, liegt ein weiteres Entwicklungsziel darin, die Herstellungskosten im Gegensatz zu vergleichbaren Messsystemen massiv zu senken.

 

Sensortechnologie

Das neuartige System weist einen matrixförmigen Aufbau aus Zeilen und Spalten auf bei dem ein kapazitives Sensorprinzip zum Einsatz kommt. Hier wird das Prinzip des Plattenkondensators genutzt. Der Kondensator entsteht durch die Verwendung zweier textiler Komponenten – ein leitfähiges Garn als Elektrode und herkömmlicher Schaumstoff als Dielektrikum. Die Messzellen sind matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet (Abb. 1). Drückt man eine einzelne Sensorzelle (Abb. 2) zusammen, ändert sich die Kapazität, die ein Maß für den Druck auf diesem Punkt ist.

Matrixstruktur der SensorzellenPrinzip PlattenkondensatorDurch einen ausgeklügelten Aufbau, eine spezielle Messelektronik und aufwendige Korrekturalgorithmen können Druckverteilungen mit hoher Ortsauflösung oder auf großen Flächen erfasst werden. Der kapazitive Sensor zeichnet sich zudem durch eine exzellente Empfindlichkeit aus und bietet eine hohe Druckauflösung.

Die im Ergebnis entstandene textile Sensormatte ist flexibel, dehnbar, atmungsaktiv und dünn genug, um sie problemlos in vorhandenes Interieur oder vorhandene Applikationen zu integrieren und bietet dadurch beste Voraussetzungen für den Einsatz auf Sitz- oder Liegeflächen.

 

 

Anwendungsszenarien

 

Medizinische Lagerungssysteme

Ein besonderes Thema in der medizinischen Pflege ist die Problematik des Wundliegens von Patienten, welche Pflegewissenschaftler, Mediziner und Pflegekräfte gleichermaßen beschäftigt. Das belegen Ergebnisse aus verschiedenen veröffentlichen Studien. Danach haben Stichproben ergeben, dass ca. 14 Prozent aller im Krankenhaus behandelten Patienten ein oder mehrere Druckgeschwüre verschiedener Schweregrade davontragen. Im Bereich der älteren Patienten steigt diese Zahl sprunghaft auf 30 Prozent und mehr an. Die Angaben der durchschnittlichen Kosten für die Therapie eines Dekubitus können auf bis zu 50.000 Euro beziffert werden. Der daraus resultierende volkswirtschaftliche Schaden beläuft sich auf 1-2 Mrd. Euro pro Jahr [1]. Durch den Einsatz verschiedener Lagerungssysteme kann das Wundliegen therapiert oder sogar verhindert werden

Sitzdruckabblid

Kernziel für die Forscher war es deshalb, den Druck von intensiv und zu lange belasteten Arealen des Körpers automatisch zu erfassen, Druckspitzen zu entlasten und somit die bestehenden Nachteile aktueller Prophylaxe-Systeme auszugleichen. Zur Zeit sind auf dem Markt nur Systeme verfügbar, die nach einem bestimmten zeitlichen Muster verschiedene Druckgebiete auf einer Matratze be- oder entlasten. Mit Hilfe der am Fraunhofer IFF entwickelten flächigen Druckmessmatte kann in diesen Prozess aktiv eingegriffen werden und die Druckverteilung sowie die Liegeposition eines dekubitusgefährdeten Patienten erfasst, analysiert und bewertet werden.

 

Die Forschungen haben ergeben, dass 100 Messpunkte auf einer typischen Sitzfläche ausreichen, um das Sitzverhalten einer Person genau darzustellen.Monitoring des Gesäßes Algorithmen leiten aus dem resultierenden Sitzabdruck (Abb. 3) ab, wie die Körperhaltung einer Person verändert werden muss, um eine Entlastung vom gefährdeten Bereiche zu erzielen. Wird eine schon wundgelegene Stelle oder eine bedrohte Stelle länger einem hohen Druck ausgesetzt, wird sie automatisch entlastet. Dazu wurde eine Aktorik auf der Basis handelsüblicher Gel- oder Luftkissen zur Dekubitusprophylaxe entwickelt und unter den textilen Sensor gesetzt.

Eine Steuerung ergänzt das Sensor- und Pneumatiksystem und variiert gezielt einzelne Regionen punktuell. Somit wird das Risiko minimiert, dass aus bedrohten Hautpartien oder Druckstellen gefährliche Geschwüre werden.

 

 

Konturadaptive Sitze und Liegen

Eine Vielzahl menschlicher Tätigkeiten in den verschiedensten Lebenslagen wird im Sitzen oder Liegen verbracht. Insbesondere oft unbeeinflussbare lange Sitz- oder Liegedauern oder notgedrungenes Sitzen am Arbeitsplatz führen zu hohen körperlichen Belastungen. Werden derartige Belastungen zur Regel, sind häufig Beschwerden und Erkrankungen die Folge. Durch geeignete Maßnahmen, welche gezielt die Ergonomie sowie den Komfort von Sitzen oder Liegen beeinflussen, können hohe körperliche Belastungen gemildert werden. Eine zentrale Größe im Zusammenhang mit Sitz- und Liegebelastungen ist eine geeignete Unterstützungskontur, welche eine ergonomisch optimale und an individuelle körperliche Gegebenheiten angepasste Gewichtsaufnahme und -verteilung realisiert.

SensormatteSo haben bereits Hersteller von Lkw-Sitzen das System für sich entdeckt (Abb. 5). Sie kennen sich mit Rückenbeschwerden und Haltungsschäden von Kraftfahrern bestens aus. Der Sitz hinterm Steuer ist deren ständiger Arbeitsplatz. Heute sind diese Sitze zwar bereits mit aufwendig gedämpften und gefederten Systemen ausgestattet. Dennoch kommt es auch hier immer wieder zu körperlichen Beschwerden. Auch die neuesten Dämpfungsmethoden können noch nicht punktuell Rücksicht auf Druckbeschwerden nehmen.

Das taktile Sensorsystem kann hierbei ebenso wie im Rollstuhl, die Belastungen auf den menschlichen Körper analysieren und aktiv beeinflussen. Die textile Sensormatte misst die Druckbelastung, bildet die Grundlage für Regelparameter und steuert eine Aktorik zur aktiven Unterstützung. Somit werden Druckspitzen minimiert und der Kraftfahrer kann zusätzlich zum gesunden Sitzen bewegt werden.

Über den Autor

David Stähle

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