Frakturschwellungen – Simulationsmodelle und geregelte Therapiegeräte

Typ: Fortschritt-Berichte VDI
Erscheinungsdatum: 07.10.2020
Reihe: 17
Band Nummer: 297
Autor: Dipl.-Ing. Annekathrin Päßler
Ort: Großröhrsdorf
ISBN: 978-3-18-329717-7
ISSN: 0178-9600
Erscheinungsjahr: 2020
Anzahl Seiten: 246
Anzahl Abbildungen: 101
Anzahl Tabellen: 48
Produktart: Buch (paperback DINA5)

Produktbeschreibung

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Kühl-Kompressionssystems zum aktiven Schwellungsabbau bzw. zur präventiven Schwellungsverhinderung für die Anwendung an Sprunggelenkfrakturen. Das in dieser Arbeit entwickelte hydraulisch-pneumatische System berücksichtigt die lokalen physio­logischen Reaktionen des Körpers auf eine Temperatur- und Druckänderung über entspre­chende Sensoren. Regelalgorithmen sind in der Lage, vorgegebene Kühl- und Druckkurven angepasst an individuelle Patienten zu verfolgen. Durch Erstellung von Modellen zur Nach­bildung der zu beeinflussenden Physiologie des Menschen können nötige Parameter für die technischen Teilsysteme simuliert werden. Die Aufspaltung der Blutgefäße in Gefäßarten unterschiedlicher Größe und Lage in verschiedenen Gewebeschichten im Bereich der unteren Extremität liegen dabei im Fokus. Dadurch ist es möglich, sowohl auf die Druckänderungen in den Gefäßen, als auch auf die Wärmeleitung zwischen den Gewebeschichten einzugehen.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort …………… III
Inhaltsverzeichnis ……………… VI
Abkürzungsverzeichnis …………… X
Symbolverzeichnis …………………. XII
Kurzfassung ………………………….. XXVI
Abstract ………………………………… XXVII
1 Einleitung ……………………………. 1
1.1 Problembeschreibung und Motivation ……. 1
1.2 Zielstellung der Arbeit …………….. 2
2 Medizinische Grundlagen …………….. 3
2.1 Frakturen und ihre Behandlung ……………. 3
2.2 Beeinflussung der Entzündungsreaktion …………. 6
2.2.1 Entzündungsreaktion ………………………………… 6
2.2.2 Lokale Kältetherapie …………………… 7
2.3 Beeinflussung der Venen- und Lymphtätigkeit ………….14
2.3.1 Ödembildung ………………………………………………….. 14
2.3.2 Transportmechanismen ………………………………. 16
2.3.3 Kompressionstherapie ………………………………..17
2.4 Zusammenfassung ……………………………………… 24
3 Stand der Technik ………………………………………… 25
3.1 Kühlsysteme ……………………………………………… 25
3.2 Kompressionssysteme ………………………………. 28
3.3 Kühl-Kompressionssysteme ………………………..32
3.4 Simulationsmodelle menschlicher Physiologie …………..34
3.5 Zusammenfassung ………………….38
4 Präzisierung der Aufgabenstellung …………………….40
4.1 Konzeptvorstellung ……………………………………….. 40
4.2 Anforderungsliste ………………………………………….. 41
4.3 Arbeitsschritte ……………………………………………… 44
4.4 Zusammenfassung ……………………………………….. 45
5 Entwicklung eines Lösungsansatzes …………………. 46
5.1 Funktionsstruktur ……………………………………….. 46
5.2 Hardwareseitige prinzipielle Wirkstruktur ……. 48
5.2.1 Auswahl des Wärmesenke-Prinzips ………….. 48

5.2.2 Bestandteile des Systems …………………………. 48
5.3 Simulationstechnische Modellebenen ………….. 50
5.4 Zusammenfassung ……………………………………..52
6 Modelle der Physiologie …………………………………53
6.1 Klinische Umgebung ………………………………….. 53
6.2 Modellerstellung des genormten Körpers ………… 54
6.2.1 Festlegung eines genormten Mensch-Extremitäten-Modells ………… 54
6.2.2 Modellierung des kardiovaskulären Systems ……………… 55
6.2.3 Validierung des kardiovaskulären Modells ………………………. 70
6.2.4 Bewertung des Physiologie-Modells des genormten Körpers ……………. 83
6.3 Schwellungsverlauf an der Sprunggelenkfraktur ………… 83
6.4 Thermoregulation und Temperatureinfluss ………………….. 85
6.4.1 Thermomodellierung des gesunden Körpers …………………. 85
6.4.2 Thermomodellierung der Sprunggelenkfraktur mit Entzündungsherd ………. 90
6.4.3 Simulationen mit dem Thermomodell …………………………….. 90
6.4.4 Bewertung des Modells von Thermoregulation und Temperatureinfluss …….. 95
6.5 Gewebemodellierung und Druckeinfluss ………….. 95
6.5.1 Gewebemodellierung des gesunden Körpers ……………. 95
6.5.2 Simulationen mit dem Druckmodell………………….. 99
6.5.3 Bewertung des Modells von Gewebemodellierung und Druckeinfluss……. 104
6.6 Zusammenfassung ………………………… 104
7 Kühlung in technischer Realisierung und Modell …………… 105
7.1 Aufbau des hydraulischen Kühlsystems ……………… 107
7.1.1 Kühladern …………………………. 107
7.1.2 Kühlmedium …………………………….. 110
7.1.3 Hydraulische Zuleitungsstrecke ……………… 110
7.1.4 Elektronikkomponenten zur Steuerung des hydraulischen Kreislaufs ………… 111
7.1.5 Temperatursensormatte ……………………………. 112
7.2 Aufbau der Wärmesenke aus Peltier-Elementen …………………… 119
7.2.1 Auswahl eines geeigneten Peltier-Elements ………………….. 119
7.2.2 Ansteuerung der Peltier-Elemente ………………………… 120
7.2.3 Ableitung der Abwärme ………………………… 120
7.3 Einfacher Reglerentwurf für das Kühlsystem ……………………. 121
7.3.1 Festlegung von Regelgrößen des Kühlystems …………………… 122
7.3.2 Umsetzung des Kühlreglers ……………………….. 122
7.3.3 Regelung der Lüfterdrehzahl ………………………….. 123

7.4 Messungen und Ergebnisse mit dem Kühlsystem ………………. 123
7.4.1 Parametervariation ………………………………. 123
7.4.2 Einfluss der einfachen Regelung …………………. 126
7.4.3 Messungen am Menschen …………………………………………………………………126

7.4.4 Messunsicherheit…………….. 132
7.4.5 Bewertung des entwickelten Kühlsystems …………… 132
7.5 Simulation des Kühlsystems………………….. 133
7.5.1 Modellierung von Peltier-Elementen……………………. 133
7.5.2 Modellierung des Kühlsystems ………………… 136
7.5.3 Simulationen mit dem modellierten Kompressionssystem………… 138
7.5.4 Zusammenschluss der Modelle Physiologie und Kühlung ………. 140
7.5.5 Bewertung des simulierten Kühlsystems ……………….. 142
7.6 Zusammenfassung………. 142
8 Kompression in technischer Realisierung und Modell ………….. 143
8.1 Aufbau des Kompressionssystems ………………….. 144
8.1.1 Druckkammern ………… 145
8.1.2 Druckmedium ………………….. 148
8.1.3 Elektronikkomponenten zur Steuerung des pneumatischen Kreislaufs …. 149
8.1.4 Pneumatische Zuleitungsstrecke …………………………. 150
8.2 Einfacher Reglerentwurf für das Kompressionssystem …………. 150
8.2.1 Festlegung von Regelgrößen des Kompressionssystems ………… 150
8.2.2 Notwendige Drücke und Druckverläufe …………………. 151
8.2.3 Umsetzung des Konstantdruckreglers ……………… 152
8.2.4 Umsetzung der Druckimpulssteuerung …………. 152
8.3 Messungen und Ergebnisse mit dem Kompressionssystem ……………… 152
8.3.1 Parametervariation bei Messungen am Menschen …… 153
8.3.2 Einfluss der einfachen Regelung durch Muskelspannung …………. 157
8.3.3 Einfluss verschiedener Anfangsdrücke ………………. 158
8.3.4 Messunsicherheit ………… 159
8.3.5 Bewertung des entwickelten Kompressionssystems ……….. 159
8.4 Simulation des Kompressionssystems ……………… 160
8.4.1 Modellierung des Kompressionssystems……….. 160
8.4.2 Simulationen mit dem modellierten Kompressionssystem………. 162
8.4.3 Zusammenschluss der Modelle Physiologie und Kompression ……….. 164
8.4.4 Bewertung des simulierten Kompressionssystems……….. 168
8.5 Zusammenfassung …………… 168

9 Bewertung des Kühl-Kompressionssystems ………………. 169
9.1 Bewertung des Gesamtsystems …………………. 169
9.1.1 Zusammenschluss von Kühlsystem und Kompressionssystem ……… 169
9.1.2 Betrachtungen zusätzlicher Komponenten ………. 169
9.1.3 Systembewertung ………………….. 172
9.2 Bewertung der Simulationsmodelle …………………….. 172
9.2.1 Zusammenschluss beider Therapie-Modelle mit der Physiologie …….. 172
9.2.2 Verhinderung oder Abbau des Schwellungsvolumens ………… 175
9.2.3 Modellbewertung …………….. 176
9.2.4 Vorschlag für zu optimierende Systemparameter ………….. 176
9.3 Vorschlag für Patientenstudien ……….. 177
9.4 Zusammenfassung ……………….. 178
10 Richtlinien für den Entwurf von Kühl-Kompressionssystemen an Frakturschwellungen …… 179
11 Gesamtzusammenfassung…..
……….. 183
11.1 Wichtigste Ergebnisse der Arbeit und Schlussfolgerungen…………….. 183
11.2 Weiterführende Aufgaben ………………… 186
Glossar …………….. 190
Anhang A Physiologische Parameter ………………. 196
Anhang B Protokoll der Auswahl des Peltier-Elements ………………. 199
Anhang C Bestimmung der Kenngrößen
SM, RM und KM………. 200
Literaturverzeichnis ……………. 203

Keywords: 329717, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 17, Band 297, Annekathrin Päßler, Kühlsystem, Kompressionssystem, Peltier-Element, Photoplethysmograpie, Kardiovaskuläres System, Physiologie, Gewebeschichten, Freiformverschweißen, Kühlkurve, Druckkurve, IFTE, TU Dresden

85,00 € inkl. MwSt.
VDI-Mitgliedspreis:*
76,50 € inkl. MwSt.

* Der VDI-Mitgliedsrabatt gilt nur für Privatpersonen

Inhaltsverzeichnis
Vorwort …………… III
Inhaltsverzeichnis ……………… VI
Abkürzungsverzeichnis …………… X
Symbolverzeichnis …………………. XII
Kurzfassung ………………………….. XXVI
Abstract ………………………………… XXVII
1 Einleitung ……………………………. 1
1.1 Problembeschreibung und Motivation ……. 1
1.2 Zielstellung der Arbeit …………….. 2
2 Medizinische Grundlagen …………….. 3
2.1 Frakturen und ihre Behandlung ……………. 3
2.2 Beeinflussung der Entzündungsreaktion …………. 6
2.2.1 Entzündungsreaktion ………………………………… 6
2.2.2 Lokale Kältetherapie …………………… 7
2.3 Beeinflussung der Venen- und Lymphtätigkeit ………….14
2.3.1 Ödembildung ………………………………………………….. 14
2.3.2 Transportmechanismen ………………………………. 16
2.3.3 Kompressionstherapie ………………………………..17
2.4 Zusammenfassung ……………………………………… 24
3 Stand der Technik ………………………………………… 25
3.1 Kühlsysteme ……………………………………………… 25
3.2 Kompressionssysteme ………………………………. 28
3.3 Kühl-Kompressionssysteme ………………………..32
3.4 Simulationsmodelle menschlicher Physiologie …………..34
3.5 Zusammenfassung ………………….38
4 Präzisierung der Aufgabenstellung …………………….40
4.1 Konzeptvorstellung ……………………………………….. 40
4.2 Anforderungsliste ………………………………………….. 41
4.3 Arbeitsschritte ……………………………………………… 44
4.4 Zusammenfassung ……………………………………….. 45
5 Entwicklung eines Lösungsansatzes …………………. 46
5.1 Funktionsstruktur ……………………………………….. 46
5.2 Hardwareseitige prinzipielle Wirkstruktur ……. 48
5.2.1 Auswahl des Wärmesenke-Prinzips ………….. 48

5.2.2 Bestandteile des Systems …………………………. 48
5.3 Simulationstechnische Modellebenen ………….. 50
5.4 Zusammenfassung ……………………………………..52
6 Modelle der Physiologie …………………………………53
6.1 Klinische Umgebung ………………………………….. 53
6.2 Modellerstellung des genormten Körpers ………… 54
6.2.1 Festlegung eines genormten Mensch-Extremitäten-Modells ………… 54
6.2.2 Modellierung des kardiovaskulären Systems ……………… 55
6.2.3 Validierung des kardiovaskulären Modells ………………………. 70
6.2.4 Bewertung des Physiologie-Modells des genormten Körpers ……………. 83
6.3 Schwellungsverlauf an der Sprunggelenkfraktur ………… 83
6.4 Thermoregulation und Temperatureinfluss ………………….. 85
6.4.1 Thermomodellierung des gesunden Körpers …………………. 85
6.4.2 Thermomodellierung der Sprunggelenkfraktur mit Entzündungsherd ………. 90
6.4.3 Simulationen mit dem Thermomodell …………………………….. 90
6.4.4 Bewertung des Modells von Thermoregulation und Temperatureinfluss …….. 95
6.5 Gewebemodellierung und Druckeinfluss ………….. 95
6.5.1 Gewebemodellierung des gesunden Körpers ……………. 95
6.5.2 Simulationen mit dem Druckmodell………………….. 99
6.5.3 Bewertung des Modells von Gewebemodellierung und Druckeinfluss……. 104
6.6 Zusammenfassung ………………………… 104
7 Kühlung in technischer Realisierung und Modell …………… 105
7.1 Aufbau des hydraulischen Kühlsystems ……………… 107
7.1.1 Kühladern …………………………. 107
7.1.2 Kühlmedium …………………………….. 110
7.1.3 Hydraulische Zuleitungsstrecke ……………… 110
7.1.4 Elektronikkomponenten zur Steuerung des hydraulischen Kreislaufs ………… 111
7.1.5 Temperatursensormatte ……………………………. 112
7.2 Aufbau der Wärmesenke aus Peltier-Elementen …………………… 119
7.2.1 Auswahl eines geeigneten Peltier-Elements ………………….. 119
7.2.2 Ansteuerung der Peltier-Elemente ………………………… 120
7.2.3 Ableitung der Abwärme ………………………… 120
7.3 Einfacher Reglerentwurf für das Kühlsystem ……………………. 121
7.3.1 Festlegung von Regelgrößen des Kühlystems …………………… 122
7.3.2 Umsetzung des Kühlreglers ……………………….. 122
7.3.3 Regelung der Lüfterdrehzahl ………………………….. 123

7.4 Messungen und Ergebnisse mit dem Kühlsystem ………………. 123
7.4.1 Parametervariation ………………………………. 123
7.4.2 Einfluss der einfachen Regelung …………………. 126
7.4.3 Messungen am Menschen …………………………………………………………………126

7.4.4 Messunsicherheit…………….. 132
7.4.5 Bewertung des entwickelten Kühlsystems …………… 132
7.5 Simulation des Kühlsystems………………….. 133
7.5.1 Modellierung von Peltier-Elementen……………………. 133
7.5.2 Modellierung des Kühlsystems ………………… 136
7.5.3 Simulationen mit dem modellierten Kompressionssystem………… 138
7.5.4 Zusammenschluss der Modelle Physiologie und Kühlung ………. 140
7.5.5 Bewertung des simulierten Kühlsystems ……………….. 142
7.6 Zusammenfassung………. 142
8 Kompression in technischer Realisierung und Modell ………….. 143
8.1 Aufbau des Kompressionssystems ………………….. 144
8.1.1 Druckkammern ………… 145
8.1.2 Druckmedium ………………….. 148
8.1.3 Elektronikkomponenten zur Steuerung des pneumatischen Kreislaufs …. 149
8.1.4 Pneumatische Zuleitungsstrecke …………………………. 150
8.2 Einfacher Reglerentwurf für das Kompressionssystem …………. 150
8.2.1 Festlegung von Regelgrößen des Kompressionssystems ………… 150
8.2.2 Notwendige Drücke und Druckverläufe …………………. 151
8.2.3 Umsetzung des Konstantdruckreglers ……………… 152
8.2.4 Umsetzung der Druckimpulssteuerung …………. 152
8.3 Messungen und Ergebnisse mit dem Kompressionssystem ……………… 152
8.3.1 Parametervariation bei Messungen am Menschen …… 153
8.3.2 Einfluss der einfachen Regelung durch Muskelspannung …………. 157
8.3.3 Einfluss verschiedener Anfangsdrücke ………………. 158
8.3.4 Messunsicherheit ………… 159
8.3.5 Bewertung des entwickelten Kompressionssystems ……….. 159
8.4 Simulation des Kompressionssystems ……………… 160
8.4.1 Modellierung des Kompressionssystems……….. 160
8.4.2 Simulationen mit dem modellierten Kompressionssystem………. 162
8.4.3 Zusammenschluss der Modelle Physiologie und Kompression ……….. 164
8.4.4 Bewertung des simulierten Kompressionssystems……….. 168
8.5 Zusammenfassung …………… 168

9 Bewertung des Kühl-Kompressionssystems ………………. 169
9.1 Bewertung des Gesamtsystems …………………. 169
9.1.1 Zusammenschluss von Kühlsystem und Kompressionssystem ……… 169
9.1.2 Betrachtungen zusätzlicher Komponenten ………. 169
9.1.3 Systembewertung ………………….. 172
9.2 Bewertung der Simulationsmodelle …………………….. 172
9.2.1 Zusammenschluss beider Therapie-Modelle mit der Physiologie …….. 172
9.2.2 Verhinderung oder Abbau des Schwellungsvolumens ………… 175
9.2.3 Modellbewertung …………….. 176
9.2.4 Vorschlag für zu optimierende Systemparameter ………….. 176
9.3 Vorschlag für Patientenstudien ……….. 177
9.4 Zusammenfassung ……………….. 178
10 Richtlinien für den Entwurf von Kühl-Kompressionssystemen an Frakturschwellungen …… 179
11 Gesamtzusammenfassung…..
……….. 183
11.1 Wichtigste Ergebnisse der Arbeit und Schlussfolgerungen…………….. 183
11.2 Weiterführende Aufgaben ………………… 186
Glossar …………….. 190
Anhang A Physiologische Parameter ………………. 196
Anhang B Protokoll der Auswahl des Peltier-Elements ………………. 199
Anhang C Bestimmung der Kenngrößen
SM, RM und KM………. 200
Literaturverzeichnis ……………. 203

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