JUNGBECKER, Nadine (Laurensbergerstraße 125, Aachen, 52072, DE)
RÖTHLINGSHÖFER, Lisa (Mariabrunnstraße 38-40, Aachen, 52064, DE)
KIM, Saim (Augustastraße 14, Aachen, 52070, DE)
WALTER, Marian (Rolandstraße 59, Aachen, 52070, DE)
LEONHARDT, Steffen (Zedernweg 12A, Ober Forstbach, 52076, DE)
MAI, Harald (Wallwiesenweg 12, Ottrau, 34633, DE)
JUNGBECKER, Nadine (Laurensbergerstraße 125, Aachen, 52072, DE)
RÖTHLINGSHÖFER, Lisa (Mariabrunnstraße 38-40, Aachen, 52064, DE)
KIM, Saim (Augustastraße 14, Aachen, 52070, DE)
WALTER, Marian (Rolandstraße 59, Aachen, 52070, DE)
LEONHARDT, Steffen (Zedernweg 12A, Ober Forstbach, 52076, DE)
| P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Textile Flächenelektrode bestehend aus einer Maschenware aus einem ersten und einem zweiten Faden oder einem ersten und einem zweiten Fadensystem, wobei zumindest der erste Faden oder zumindest das erste Fadensystem elektrisch leitfähig ist und der zweite Faden oder das zweite Fadensystem ein Grundmaschensystem bestehend aus mehreren in Längsrichtung aneinander anschließenden Maschenreihen bildet dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faden oder das erste Fadensystem in Längsrichtung über mindestens eine Maschenreihe oder in Querrichtung über mindestens ein Maschenstäbchen keine Bindung mit dem zweiten Faden oder dem zweiten Fadensystem aufweist. 2. Textile Flächenelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Faden vorzugsweise über mindestens zwei Maschenreihen oder Maschenstäbchen und am besten über drei Maschenreihen oder Maschenstäbchen keine Bindung mit dem zweiten Faden oder dem zweiten Fadensystem aufweist. 3. Textile Flächenelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fadensystem mindestens zwei in Querrichtung oder in Längsrichtung um mindestens eine Maschenbreite oder Maschenlänge, vorzugsweise um mindestens zwei Ma- schenbreiten oder Maschenlängen des Grundmaschensystems voneinander beabstande- te Fäden aufweist. 4. Textile Flächenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fadensystem derart angeordnet ist, dass mehrere Kontaktflächen gebildet werden, innerhalb derer das erste Fadensystem im wesentlichen mit jeder Masche des Grundmaschensystems verbunden ist, wobei die Kontaktflächen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung um mindestens zwei Maschenbreiten voneinander beabstandet sind. 5. Textile Flächenelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Kontaktflächen zur Gesamtfläche der textilen Flächenelektrode zwischen 15 % und 85%, vorzugsweise zwischen 25% und 75 % und am besten zwischen 30% und 55% beträgt. 6. Textile Flächenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fadensystem zumindest teilweise elastisch ist. 7. Kleidungsstück mit einer textilen Flächenelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 6. 8. Kleidungsstück nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelektrode lösbar, vorzugsweise mittels einer Klettverbindung, mit dem Kleidungsstück verbunden ist. 9. Kleidungsstück nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlussleitungen vorgesehen sind, die mittels einer Verbindungsvorrichtung mit dem ersten Fade oder dem ersten Fadensystem der textilen Flächenelektrode verbunden ist, wobei die Verbindungsvorrichtung vorzugsweise ein Druckknopf ist. 10. Kleidungsstück nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elastische Unterlage, vorzugsweise eine Schaumstoffunterlage zwischen textiler Flächenelektrode und Kleidungsstück vorgesehen ist. |
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flächenelektrode sowie ein Kleidungsstück mit einer Flächenelektrode. Flächenelektroden werden beispielsweise bei der Bioimpedanzspektroskopie, mit der die prozentualen Anteile von Wasser, Muskeln und Fett im menschlichen Körper ermittelt werden können, eingesetzt. Mit Hilfe der Bioimpedanzspektroskopie kann sowohl der Wasserhaushalt als auch der Ernährungszustand des Körpers festgestellt werden. Insbesondere im Alter treten häufig Veränderungen des Körpers auf, die zu einer Dehydrierung führen können.
Die Krankenhausverweildauer von Patienten kann sich bei vorliegen eines Protein-Energie- Mangel verlängern und sogar die Mortalität erhöhen. Eine regelmäßige Überwachung des Wasserhaushaltes und des Ernährungszustandes ist somit wünschenswert. Zur Zeit ist dies nur durch zeit- und kostenintensive Besuche des Hausarztes oder eines Pflegedienstes verwirklichbar.
Ziel ist es jedoch, eine Möglichkeit bereitzustellen, bioimpedanzspektroskopische Messungen kontinuierlich und ortsunabhängig durchzuführen, da dies nicht nur bei den bereits üblichen Anwendungsgebieten die Kosten verringert, sondern darüber hinaus völlig neue Gebiete für die Bioimpedanzspektroskopie erschließt. So könnte ein kontinuierliches und mobiles System ge- fährdete Personen (z. B. ältere Menschen) überwachen und schützen, der Prävention und Unterstützung der Therapie von Unterernährung, Fettleibigkeit und Dehydration sowie der Gesunderhaltung und Steigerung der Leistungsfähigkeit (z. B. von Sportlern und Arbeitskräften in extremen Umgebungsbedingungen) dienen. Die WO 2007/094993 beschreibt einen flexiblen kapazitiven Sensor. Zur Herstellung eines solchen flexiblen Sensors wird zunächst eine dielektrische Schicht aus Web-, Strick-, Vlies- oder geknüpften Materialien hergestellt, welche zwischen leitfähigen Schichten aus Textilwaren angeordnet werden. Dieser Sensor dient der Kapazitätsmessung, wodurch Rückschlüsse auf den auf den Sensor aufgebrachte Kraft gezogen werden können.
Die DE 10 2004 030261 beschreibt bereits ein Kleidungsstück mit integrierter Sensorik. Das Kleidungsstück, das beispielsweise ein sogenannter Body oder auch eine Weste oder ein T-Shirt sein kann, weist einen Sensor zum Erfassen einer Vitalfunktion, wie z. B. dem Hautwiderstand, der Transpiration, der Atmung, dem Puls, der Herzströme, der Körpertemperatur oder Ähnlichem, auf. Zur Kontaktierung der Elektrode wird ein Bandkabel als flaches Band mit geschlossenen Rändern gewebt. Der Sensor selbst besteht aus einem elastomeren Material mit eingebetteten leitfähigen Partikeln. Da der Sensor aus elastomeren Material besteht und flächig auf der Haut aufliegt, wird die Haut abgedichtet, so dass es zu Schweissbildung mit erhöhtem Juckreiz kommen kann. Daher schlägt die DE 10 2004 030261 vor, das elastomere Material zu strukturieren, um die Belüftung der Haut und das Ablaufen von Schweiß zu verbessern.
In der DE 199 27 686 ist bereits eine Vorrichtung zur Messung mindestens eines physikalischen und/oder chemischen und/oder biologischen und/oder medizinischen Parameters vorgeschlagen worden, bei dem ein Teil der Sensoren von einem textilen Material getragen werden soll, um den Tragekomfort zu verbessern. Dabei ist vorgesehen, einzelne Widerstandsdrähte in das Gewebe eines Bekleidungsstückes zu integrieren. Die Anmelderin hat daher bereits textile Flächenelektroden aus einer Maschenware hergestellt, welche wiederum aus einem ersten und einem zweiten Faden oder einem ersten und einem zweiten Fadensystem besteht. Dabei ist zumindest ein Faden oder zumindest ein Fadensystem elektrisch leitfähig. So kann beispielsweise in die Maschenware ein leitfähiger Faden eingestrickt bzw. eingewirkt werden. Die Maschenware wird dadurch elektrisch leitfähig und kann als Elektro- de eingesetzt werden.
Die textilen Elektroden können in ein Kleidungsstück integriert werden. Die textilen Elektroden liegen dann direkt auf der Haut des zu überwachenden Menschen auf und sind mittels elektrischer Leiter, die in dem Kleidungsstück angeordnet sind, mit einer Mikroelektronik verbunden, welche die entsprechenden gemessenen elektrischen Widerstandswerte auswertet.
Die Verwendung von textilen Flächenelektroden hat sich in der Bioimpedanzspektroskopie jedoch bislang nicht durchgesetzt. Dies liegt im wesentlichen daran, dass der Übergangswiderstand zwischen der Haut des menschlichen Körpers und der textilen Flächenelektrode nicht konstant ist. Auch wenn bei der Anbringung der textilen Elektroden meist zunächst, d.h. sobald sich zwischen Elektrode und Haut eine minimale Feuchtigkeitsschicht ausgebildet hat, geeignete Übergangswiderstände erzielt werden können, steigen diese nach kurzer Zeit deutlich an, wenn sich die Person bewegt, so dass eine zufriedenstellende Messgenauigkeit nicht erzielt werden kann.
Der Übergangswiderstand kann zwar reduziert und gegenüber Bewegungen weniger empfindlich werden, wenn die Kraft, mit der die textile Flächenelektrode auf den Körper gepresst wird. Insbesondere bei älteren Menschen ist der dadurch notwendige Druck jedoch derart hoch, dass sich an der betreffenden Körperregion Hämatome ausbilden können. Zudem erhöht sich das Thromboserisiko. Unabhängig von diesen Gefahr wird das Tragen des Kleidungsstückes mit den bekannten Flächenelektroden aufgrund des notwendigen hohen Druckes als unangenehm empfunden, so dass das Kleidungsstück nur selten getragen wird und damit der eigentliche Zweck der kontinuierlichen Überwachung des Wasserhaushaltes des Körpers verfehlt wird.
Die bislang verwendeten Elektroden zeigen entweder nicht die notwendige Flexibilität um eine ausreichende Haftung auf der Haut und damit ein reproduzierbares Meßergebnis zu gewährleisten, oder zeigen einen nur geringen Tragekomfort, da sie auf die Haut geklebt oder mit Hilfe eines elastischen Materials luftdicht auf die Haut gedrückt werden, oder müssen mit solch großer Kraft auf die Haut aufgedrückt werden, dass die Elektrode nicht angenehm zu tragen ist.
Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine textile Flächenelektrode sowie ein Kleidungsstück mit einer solchen Flächenelektrode bereitzustellen, die zuverlässige Bioimpedanzmessungen ermöglicht, ohne dass ein zu hoher Druck auf den Körper aufgebracht werden muss.
Hinsichtlich der textilen Flächenelektrode wird die Aufgabe durch eine Maschenware aus einem ersten und einem zweiten Faden oder einem ersten und einem zweiten Fadensystem gelöst, wobei zumindest der erste Faden oder zumindest das erste Fadensystem elektrisch leitfähig ist und der zweite Faden oder das zweite Fadensystem ein Grundmaschensystem bestehend aus mehreren in Querrichtung verlaufende und in Längsrichtung aneinander anschließenden Maschenreihen bildet und der erste Faden oder das erste Fadensystem in Längsrichtung über mindestens eine Maschenreihe oder in Querrichtung über mindestens ein Maschenstäbchen keine Bindung mit dem zweiten Faden oder dem zweiten Fadensystem aufweist. Mit anderen Worten wird durch das erste Fadensystem eine Maschenanordnung auf dem Grundmaschensystem bereitgestellt, die strukturiert ist, d.h. es wechseln sich Abschnitte mit leitfähigen Maschen mit Abschnitten ohne leitfähige Maschen ab. Dadurch, dass das erste Fadensystem in Längsrichtung über mindestens eine oder sogar mehrere Maschenreihen und/oder in Querrichtung über mindestens eine oder sogar mehrere Maschenstäbchen keine Bindung hat, erheben sich die leitfähigen Maschen über die Abschnitte ohne leitfähige Maschen. Zwar wird durch dieses Maßnahme die leitfähige Kontaktfläche der Flächenelektrode reduziert, was prinzipiell auch eine ungünstige Erhöhung des Übergangswiderstandes zwischen Elektrode und Haut nach sich zieht, durch die Reduzierung der Fläche wird jedoch im Bereich der leitfähigen Ma- sehen der Druck auf die Haut bei gleicher Kraft punktuell erhöht, was wiederum zu einer Verringerung des Übergangswiderstandes führt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass der Ü- bergangswiderstand durch diese Maßnahme reduziert werden kann, obgleich die Kontaktfläche der leitfähigen Bereiche reduziert wird.
Kommt als Maschenware ein Gestrick zum Einsatz, so hat erfindungsgemäß der erste Faden oder das erste Fadensystem in Querrichtung über mindestens ein Maschenstäbchen keine Bindung mit dem zweiten Faden oder dem zweiten Fadensystem. Kommt hingegen als Maschenware ein Gewirk zum Einsatz, so hat erfindungsgemäß der erste Faden oder das erste Fadensystem in Längsrichtung über mindestens eine Maschenreihe keine Bindung mit dem zweiten Faden oder dem zweiten Fadensystem.
Die textile Flächenelektrode kann daher mit deutlich geringerer Kraft auf dem Körper aufgedrückt werden als dies bei den bekannten textilen Flächenelektroden der Fall ist.
Grundsätzlich ist es möglich, auch das zweite Fadensystem leitfähig auszugestalten. Eine solche Ausführungsform verbessert den Kontaktwiderstand sogar noch weiter. Aufgrund der hohen Kosten, die mit leitfähigen Garnen verbunden sind, ist eine solche Ausführungsform voraussichtlich nur für besonderer Anwendungsgebiete sinnvoll.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erste Fadensystem mindestens zwei in Querrichtung und mindestens einer Maschenbreite, vorzugsweise mindestens zwei Maschenbreiten des Grundmaschensystems voneinander beabstandete Fäden auf. Durch diese Maßnahme bil- den sich inselförmige Kontaktflächen, die aus leitfähigen Maschen bestehen. Die inselförmigen Kontaktflächen sind zwar über das elektrisch leitfähige Fadensystem miteinander verbunden, es besteht jedoch zwischen den Inseln im wesentlichen keine Maschenverbindung zum Grundmaschensystem. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Fadensystem derart angeordnet, dass mehrere Kontaktflächen gebildet werden, innerhalb derer das erste Fadensystem im wesentlich mit jeder Masche des Grundmaschensystems verbunden ist, wobei die Kontaktflächen sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung um mindestens zwei Maschenbreiten bzw. Maschenlängen voneinander beabstandet sind.
Es hat sich gezeigt, dass das Verhältnis der Kontaktflächen zur Gesamtfläche der textilen Flächenelektrode zwischen 15 % und 85 %, vorzugsweise zwischen 25 % und 75 % und am besten zwischen 30 % und 55 % betragen sollte. Wird der Anteil der Kontaktfläche noch kleiner gewählt, so führt dies im Ergebnis zu größeren Kontaktwiderständen, welche die Auflösung der Bioimpedanzspektroskopie verschlechtern.
Vorzugsweise ist das zweite Fadensystem elastisch ausgebildet, da dies insbesondere bei der Überwachung des Wasserhaushaltes bei Sportlern zu einem besseren Tragekomfort und vor allem einer besseren Anpassung der textilen Flächenelektroden an die Haut führt. Beispielsweise kann das zweite Fadensystem aus einem einem elastischen und einem nichtelastischen Garn bestehen. Obwohl das Fadensystem somit aus zwei Garnen besteht, werden beide Garne beim Stricken oder Wirken wie ein Faden behandelt.
Die textile Flächenelektrode könnte prinzipiell direkt auf die Haut ausgesetzt werden und z. B. mit Hilfe einer Binde befestigt werden. Am unauffälligsten und zugleich am bequemsten ist es jedoch, wenn die textile Flächenelektrode an der Innenseite eines Kleidungsstückes angeordnet ist. Auch wenn hier prinzipiell jedes beliebige Kleidungsstück verwendet werden könnte, so hat sich gezeigt, dass die textile Flächenelektrode am besten an der Innenseite eines Hosenbeins angeordnet ist, und zwar am besten derart, dass wenn die Hose getragen wird, die textile Flächenelektrode im Bereich des Oberschenkels zwischen Kniegelenk und Hüftgelenk auf der Haut aufliegt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei Flächenelektroden verwendet, die beide am Kleidungsstück mit einem Abstand zwischen etwa 3 cm und 15 cm, vorzugweise zwischen 4cm und 10 cm und am besten zwischen 5 cm und 8 cm befestigt sind. Insbesondere bei der Impedanzspektroskopie werden am besten sogar vier Flächenelektroden verwendet, von denen jeweils zwei in der beschriebenen Art und Weise im Bereich eines Oberschenkels zwi- sehen Kniegelenk und Hüftgelenk auf der Haut aufliegen, so dass an jedem Oberschenkel zwei Elektroden angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Flächenelektrode lösbar mit dem Kleidungsstück verbunden. Die Lösbarkeit kann beispielsweise mittels einer Klettverbindung bereitgestellt wer- den.
Insbesondere dann, wenn die Flächenelektrode zusammen mit einer Hose verwendet wird, stellt sich nämlich das Problem, dass die textile Flächenelektrode bei der aus hygienischen Gründen angezeigten Reinigungsbearbeitung Schaden nehmen kann. Daher ist es von Vorteil, wenn vor dem Waschen des Kleidungsstückes die textile Flächenelektrode, deren leitfähige Fäden sehr empfindlich sind, abgenommen werden kann. Die textile Flächenelektrode kann dann beispielsweise manuell mit kaltem Wasser gereinigt werden, während das Kleidungsstück beispielsweise mit 95 0 C gewaschen werden kann. Grundsätzlich muss die textile Flächenelektrode an entsprechende Zuleitungen angeschlossen werden. Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform derart bewerkstelligt werden, dass entsprechende Anschlussleitungen in oder auf dem Kleidungsstück bereitgestellt werden. Diese Anschlussleitungen können beispielsweise im Unterteil eines Druckknopfes enden.
Die textile Flächenelektrode ist dann mit dem Oberteil des Druckknopfes derart verbunden, dass eine elektrische Verbindung zwischen Oberteil des Druckknopfes und dem ersten Fadensystem besteht. Nachdem die Flächenelektrode beispielsweise mit Hilfe der Klettverbindung mit dem Kleidungsstück verbunden ist, kann dann die Oberseite des Druckknopfes mit der Unterseite des Druckknopfes verbunden werden und auf diese Art ein elektrischer Kontakt hergestellt werden.
Um den Druck, der auf die Kontaktflächen ausgeübt wird, weiter zu vergrößern, ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass eine elastische Unterlage, beispiels- weise eine Schaumstoffunterlage zwischen der textilen Flächeelektrode und dem Kleidungsstück angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann der Druck auf die Flächenelektrode erhöht werden, ohne dass das Kleidungsstück insgesamt einen höheren Druck ausüben muss, so dass der erhöhte Druck auf die Flächenelektrode begrenzt ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie der dazugehörigen Figur. Es zeigt
Figur 1 eine symbolische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform. In Figur 1 ist ein Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der textilen Flächenelektrode dargestellt. Jedes Quadrat symbolisiert eine Masche.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Maschenware ein Gestrick, d.h. die einzelnen Fäden verlaufen im wesentlichen in Querrichtung 6. Man erkennt, dass in Querrichtung 6 mehrere paral- IeI zueinander angeordnete Maschenreihen vorgesehen sind. In Längsrichtung 5 spricht man von Maschenstäbchen.
Das Maschengrundsystem besteht aus einem System aus sechs parallelen Maschenreihen aus Baumwolle und Elasthan, d.h. einem Block-Copolymer aus Polyurethan und Polyethylenglycol, und einem System aus zwei parallelen Maschenreihen aus Polyamid, wie z. B. PA 6.6 und E- lasthan, abwechselnd zueinander angeordnet. Die Maschen aus Baumwolle und Elasthan tragen die Bezugszahl 2. Die Maschen aus Polyamid und Elasthan tragen die Bezugszahl 1. Zwischen jeweils zwei benachbarten Maschenreihen der sechs parallelen Maschenreihen aus Baumwolle und Elasthan verläuft der zweite Faden bzw. das zweite Fadensystem. Das zweite Fadensystem ist leitfähig und kann beispielsweise ein Metallgarn aus Silber sein. Dieses Metallgarn ist jeweils mit drei in Querrichtung 6 benachbarten Maschen verknüpft und wird dann ohne Bindung über drei weitere Maschen geführt (Flottung). Die Metallgarnmaschen tragen die Bezugszahl 4. Mit der Bezugszahl 3 sind lediglich Verbindungen gezeigt, die jedoch nicht mit dem ersten Fadensystem verbunden sind.
Durch diese Struktur ergibt sich auf der Oberseite der textilen Flächenelektrode eine durch das Metallgarn gebildete Inselstruktur, wobei die Inseln jeweils aus drei mal fünf Maschen bestehen. Da die Inseln über die Fläche des Maschengrundsystems hervorstehen, treten sie mit der Haut zuerst in Kontakt und werden bei moderaten Kräften fest auf die Hautoberfläche gepresst.
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