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Einbinden von Inhomogenitäten in FE-Modelle

Author(s):

Roman Suter
Conference/Journal:

Semester/Bachelor Thesis, WS 05/06
Abstract:

In dieser Arbeit wird ein Modell weiterentwickelt, das bereits in einfacher Weise von einer Projektgruppe ausgearbeitet wurde. Es geht dabei um ein Modell, an dem man die Elektrostimulation des menschlichen Unterarms simulieren kann um diese zu optimieren . Grundsätzlich hat die Elektrostimulation das Ziel, das Nervensystem des Menschen zu erreichen und in einem Nerv ein Aktionspotential auszulösen. Dieses Potential pflanzt sich im Nerv weiter bis das Nervende erreicht ist und dort eine Kontraktion des Muskels auslöst. Bei einem gesunden Menschen wird dieses Aktionspotential vom Gehirn oder Rückenmark ausgelöst. Durch einen Unfall oder durch Krankheit können diese Nerven aber gelähmt werden und somit hat die betreffende Person keine Kontrolle mehr über die von diesen Nerven versorgten Muskeln. Die hier simulierte Elektrostimulation nimmt deshalb den Platz des Auslösers ein, indem durch zwei Elektroden auf der Hautoberfläche elektrische Impulse durch die Haut bis in den Muskel zum Nerv geschickt werden. Bisher wurde der Weg von der Hautoberfläche bis zum Nerv als ein Durchlaufen von homogenen Schichten angesehen. Die Schichten von entsprechender Dicke repräsentierten jeweils eine charakteristische Hautschicht. In dieser Arbeit wurden nun Inhomogenitäten in die oberste Schicht eingefügt, um schweissgefüllte Poren zu simulieren und deren Einfluss auf die Stimulation zu testen. Leider zeigte sich schnell, dass es nicht möglich ist ein realitätsgetreues Modell zu erstellen, sondern dass man bei einem FE-Modell schnell an die Grenze des Machbaren stösst und deshalb ein Kompromiss eingegangen werden muss. Eine Möglichkeit dafür ist den schlimmstmöglichen Fall zu simulieren und von diesen Resultaten Rückschlüsse zu ziehen. Dazu wurde ein Modell gewählt, welches nur noch drei Poren pro Elektrode enthält, diese jedoch mit den realen Durchmessern von 40 bis 100 Mikrometer zu versehen. Dazu wurde unter die eigentliche Elektrode noch eine Schicht gelegt, welche das Gel und damit den Übergang von der gut leitenden Elektrode zur Haut simulieren soll. Die Simulation zeigte dann, dass durch das Erhöhen des spezifischen Widerstandes des Gels eine Abschwächung der Belastung der obersten Hautschichten und der Fettschicht erreicht werden kann ohne die Aktivierung der Nerven im Muskel zu beeinträchtigen. Ein hochohmiger Widerstand sollte deshalb jegliche Effekte von Inhomogenitäten während der Elektrostimulation dämpfen und sie somit auch angenehmer gestalten.
Zur Zeit wird noch an einer speziellen Elektrode gearbeitet, welche sich in mehrere Elemente aufteilt. Sie wird Array-Elektrode genannt und hat den Vorteil einer virtuellen Elektrode, welche man auf der physikalischen Elektrode verschieben kann, je nach dem welche Elemente man aktiviert. Das Verschieben der Elektrode macht deshalb Sinn, weil man dadurch die optimale Stelle auf jedermanns Arm für die Stimulation finden kann. Solange es möglich ist die Elektrode virtuell zu verschieben, muss man nicht die ganze Elektrode vom Arm lösen und neu auf dem Arm lokalisieren. Hier galt es herauszufiltern, welchen Einfluss die Lücken zwischen den verschiedenen Elementen auf die Stimulation haben und ob sie den Vorteil durch das virtuelle Herumschieben durch einen Nachteil erworben haben. Bis zu einer Lücke von 2mm, was durchaus üblich ist, scheint es keinen Nachteil in der Aktivierung der Nerven zu geben und die Stimulation könnte sogar angenehmer für die entsprechende Person sein. Die Untersuchungen haben zudem ergeben, dass ein grösserer Abstand diesen Vorteil nicht mehr erfüllt.

Supervisors: A. Kuhn, Dr. T. Keller, Prof. M. Morari

Year:

2006
Type of Publication:

(13)Semester/Bachelor Thesis
Supervisor:

M. Morari

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