Wireless modular multi-sensor systems for the analysis of mechanical coupling between respiration and locomotion in mammals

Medientyp: E-Book; Hochschulschrift

Titel: Wireless modular multi-sensor systems for the analysis of mechanical coupling between respiration and locomotion in mammals

Beteiligte: Bances, Enrique [VerfasserIn]; Witte, Hartmut [AkademischeR BetreuerIn]; Sattel, Thomas [GutachterIn]; Scholle, Hans-Christoph [GutachterIn]

Körperschaft: Technische Universität Ilmenau

Erschienen: Ilmenau: Universitätsbibliothek, 12.06.2018

Umfang: 1 Online-Ressource (xviii, 120 Seiten); Diagramme, Illustrationen (teilweise farbig)

Sprache: Englisch

Identifikator:

Schlagwörter: Fortbewegung > Atmung > Drahtloses Sensorsystem > Implantiertes medizinisches Gerät > Multisensor

Entstehung:

Hochschulschrift: Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2018

Anmerkungen: Das Erscheinungsdatum ist der Tag der Verteidigung
Systemvoraussetzung: Acrobat reader

Beschreibung: Die Kopplung zwischen Fortbewegung und Atmung (Locomotion-Respiration-Coupling LRC) basiert bei Säugetieren nach den gängigen Modellvorstellungen sowohl auf mechanischen als auch neuromuskulären Bindungen zwischen beiden Prozessen. Zur artübergreifenden Analyse dieser Interaktionen fehlt es bisher an einfach anpassbaren, modularen Systemen. Damit fehlt es an belastbaren Messdaten zur Beantwortung der Fragen, wie Fortbewegungszyklen zum Atemfluss beitragen oder wie die Atemmuskelkontraktionen die Fortbewegung beeinflussen. Die meisten der bisherigen artspezifischen Studien konzentrierten sich auf LRC während des Laufens, aber einige analysierten auch andere Aktivitäten wie Radfahren, Fliegen (Vögel) oder Tauchen. In dieser Arbeit wurde basierend auf einem modularen Multisensor-Funksystem eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Interaktion zwischen Fortbewegung und Atmung bei Säugetieren zu analysieren. Das entwickelte System besteht aus vier Komponenten für die LRC-Analyse: (1) einer Thoraxbinnendruckmessung basierend auf einem implantierbaren Gerät, (2) ein Volumenstrommodul zur Messung des lokomotorisch getriebenen Luftvolumens (LDV - Locomotor driven air volume) während des Atemzyklus, (3) ein Schrittidentifikationsmodul zur Berechnung des LRC-Verhältnisses (Schritt/Atem) und (4) ein Muskelaktivitätsmodul zur Analyse des Verhaltens des Atemmuskels während der Kopplung. Diese Module sind freizügig kombinierbar. Die drahtlose Kommunikation erlaubt es, Untersuchungen im Freifeld durchzuführen, wobei sich das Tier (oder der Mensch) im Gegensatz zu früheren Studien, in denen sich das Subjekt mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einem Laufband bewegt, frei mit einer selbstgewählten Laufgeschwindigkeit bewegen kann. Diese Möglichkeit könnte das Stressniveau von Tieren während der Experimente signifikant reduzieren, die Analyseergebnisse liegen absehbar näher am "natürlichen" Laufverhalten (unrestrained) als jene von Laufbandstudien (restrained). Als experimenteller Test des Systems wurde die Methode am Menschen angewendet. Das Respiratory Flow Module (RFM) wurde basierend auf einer „ergonomischen Maske“ und einem Strömungssensor entwickelt. Das Respiratory Muscles Module (RMM) nutzte vier Oberflächen-Elektromyographie-Sensoren (sEMG) an der Bauch- und Brustmuskulatur. Am Knöchel jedes Beines befanden sich zwei Beschleunigungssensoren, um den Fuß-Boden-Kontakt zu erkennen. Fünfzehn Teilnehmer wurden bei einem Sprint-Lauftest in einem Sportzentrum (50 m x 30 m) der Technischen Universität Ilmenau beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten ein variables LRC-Verhältnis von 2:1, 3:1, 4:1 wie in früheren Studien gezeigt wurde, zeigte jedoch zusätzlich im Falle des LDV die Nutzung der annähernd maximal möglichen Amplitude (Vitalkapazität) auf. Das Experiment belegt, dass die neue Methode zur Untersuchung von Säugetieren verwendet werden kann.

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