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Bericht Pilot-Untersuchung Polychrom

outdoor industry award 2011

staatspreis design

erfinderaward tirol 2011

ispo brand new award 2012


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Inhaltsverzeichnis

Thermoregulation  ..............................................................................................................................  3     Was ist Thermoregulation?  .......................................................................................................................  3  

  Wie wird Wärme produziert?  ..................................................................................................................  3  

   

Wie kann eine drohende Überhitzung abgewandt werden?  ..............................................................  3   Wie schützt sich der Körper vor Kälte?  .................................................................................................  4  

  Wie kann ein Kleidungsstück bei der Thermoregulation helfen?  ....................................................  5  

   

Wie funktioniert so einen Membran?  .....................................................................................................  5  

Testprotokoll  .......................................................................................................................................  6     Vergleich der Temperatur  ...............................................................................................................  8     Vergleich der Luftfeuchte  ...............................................................................................................  9     Thermographische Aufnahmen  ...................................................................................................  11     Literatur  ...........................................................................................................................................  13                            


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Thermoregulation

 

Was ist Thermoregulation? Unter

dem

Begriff

Thermoregulation

werden

alle

physiologischen

Vorgänge

zusammengefasst, die dazu dienen, die Körperkerntemperatur konstant zu halten. Da der Mensch ein gleichwarmes Lebewesen ist, im Gegensatz zu den wechselwarmen Lebewesen (z.B. Reptilien), sind Menschen in der Lage, ihre Körperkerntemperatur auf einem bestimmten Niveau konstant zu halten. [1]  

Wie wird Wärme produziert? Durch die im Körper ablaufenden Stoffwechselvorgänge wird ständig Wärme produziert. Diese ist einerseits nötig, um den Körper vor Unterkühlung (Hypothermie) zu schützen, andererseits muss sie abtransportiert werden, um eine Überhitzung (Hyperthermie) zu verhindern. Die Menge der gebildeten Wärme hängt stark von der körperlichen Aktivität und der Außentemperatur ab. Der Großteil der Wärme wird bei Ruhe in den besonders stoffwechselaktiven Organen des Körperkerns (Leber, Niere) gebildet. [1]  

Wie kann eine drohende Überhitzung abgewandt werden?   Sowohl durch hohe Umgebungstemperaturen als auch durch körperliche Arbeit kann es zur Überwärmung des Organismus kommen. Um dies zu verhindern, stehen dem menschlichen Körper

mehrere

Regulationsmechanismen

zur

Verfügung

(Radiation,

Konduktion,

Konvektion, Evaporation). Eine dieser Möglichkeiten zur gesteigerten Wärmeabgabe ist die gleichmäßige Erwärmung des gesamten Körpers. Erreicht wird dies durch eine gesteigerte Durchblutung der Körperschale, insbesondere der Haut. Die verbesserte Durchblutung der Haut wird durch Gefäßweitstellung der Blutgefäße erreicht. Sie führt zu einem geringeren Wärmedurchgangswiderstand. Bei Steigerung der Körperkerntemperatur ist jedoch die effektivste Methode zur Regelung der Körpertemperatur die Schweißabgabe. Für die Verdunstung des Schweißes ist viel Energie (580 kcal pro Liter Schweiß) nötig, die der Haut in Form von Wärme entzogen wird. Die Schweißverdunstung ist außerdem die einzige Möglichkeit, bei Außentemperaturen über der Körpertemperatur Wärme abzugeben. [1]


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Abbildung  1  Veränderung  der  Wärmeabgabe  bei  verschiedenen  Aussentemperaturen  [2]  

   

Wie schützt sich der Körper vor Kälte? Die Schutzmechanismen des menschlichen Körpers gegen Unterkühlung sind, verglichen mit denen gegen Überwärmung, schlecht ausgebildet. Er behilft sich deshalb z.B. durch das Anziehen warmer Kleidung. Aber auch eine Veränderung der Körperhaltung führt zu geringerer Wärmeabgabe durch Verkleinerung der wirksamen Körperoberfläche. Die erste physiologische Reaktion auf drohende Unterkühlung ist die Verringerung der Hautdurchblutung (Vasokonstriktion). Dadurch wird der Wärmedurchgangswiderstand der Haut erhöht. Durch die verminderte Durchblutung sinkt zusätzlich die Hauttemperatur und durch den geringeren Temperaturgradienten von der Haut zur Umgebung die Wärmeabgabe. Des Weiteren kommt es zu einer Steigerung des Stoffwechsels der inneren Organe und der Körper beginnt zu zittern. Zunächst wird lediglich der Muskeltonus gesteigert, was äußerlich aber nicht sichtbar ist. In einem weiteren Schritt kommt es zum sichtbaren Kältezittern. Dies erzeugt zwar eine große Wärmemenge, jedoch ist diese Wärmebildung unökonomisch. Dies liegt vor allem an der gesteigerten Hautdurchblutung über den zitternden Muskeln und damit gesteigerter Wärmeabgabe in diesen Regionen. Außerdem kommt es durch das Kältezittern zu Einschränkungen der Willkürmotorik, was insbesondere beim Sport das Verletzungsrisiko erhöht. [1]


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Wie kann ein Kleidungsstück bei der Thermoregulation helfen? Die Eigenschaften von Bekleidung werden von einer Vielzahl von Konstruktionsparametern bestimmt. In erster Linie denkt man dabei an das Fasermaterial. Jedoch ist der Tragekomfort nicht nur faser- sondern auch konstruktionsabhängig (d. h. von Dicke, Ausrüstung, Webart, Porenanteil, Luftdichtigkeit der Textilien). [1] Indem man moderne Textilfasern Wasser und Winddicht macht, kann die Thermoregulation unterstützt werden, ohne dabei die Atmungsaktivität zu vernachlässigen. Kleidungsstücke sollen den Körper vor Kälte schützen wenn es kalt ist, aber vor Überhitzung bewahren wenn es warm ist. Dafür sind bestimmte „Membranen“ notwendig, die in den letzten Jahren immer wieder weiterentwickelt und verbessert wurden.

Wie funktioniert so einen Membran? Wassertropfen sind etwa 10.000 - 20.000-mal größer als die Poren einer solchen Membran. Deswegen ist die Membran sehr dicht gegen Wasser und Wind. Körperfeuchtigkeit wird jedoch als Wasserdampf durchgelassen, sie ist also atmungsaktiv. Jedoch ist die sogenannte Atmungsaktivität wie bei allen wasserdichten Systemen limitiert. Das Verdampfen von Schweiß durch die Membran kann nur erfolgen, wenn die Außentemperatur wesentlich niedriger als die Temperatur in dem Bekleidungsteil ist. Für die Funktion der Membran ist also ein ausreichender osmotischer Druck und eine Temperaturdifferenz von etwa 15 °C nötig. Somit funktioniert diese Atmungsaktivität nur bei Außentemperaturen niedriger als ungefähr 15−18 °C. Bei höheren Temperaturen diffundiert nur noch wenig Wasserdampf durch die Membran, man schwitzt. [3]


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Testprotokoll

    Untersucht wurden bei diesem Protokoll die thermoregulatorischen Auswirkungen von 2 verschiedenen Jacken (Referenz | Polychrom). Zu diesem Zweck wurde versucht, einen realitätsgetreuen Versuchsaufbau nachzustellen. Im Allgemeinen bestand dieser aus 5 min Akklimatisation, 30 min Belastung und 10 min Ruhephase. Die gesamte Untersuchung wurde in der Klimakammer an der Universität Innsbruck bei einer Umgebungstemperatur von 5° Celsius und einer Luftfeuchte von 60% durchgeführt. Zu Beginn der Untersuchung wurden dem Probanden die Sensoren zur Messung der Hauttemperatur und Luftfeuchte angebracht. Diese wurden an der Laufbekleidung (Löffler CTEX Kompressionsshirt und Hose) außen befestigt. Die Positionen der Sensoren wurden im Vorhinein festgelegt und während der Untersuchung nicht mehr verändert. Sensor A:

Vorderseite – M. pectoralis major (rechte Seite | Brust) knapp vor Achselhöhle

Sensor B:

Vorderseite – M. obliquus externus (linke Seite | seitl. Bauchmuskel)

Sensor C:

Rückseite – M. latissimus dorsi (oberes Ende |Schulterblatt) knapp hinter Achselhöhle

Sensor D:

Rückseite – M. obliquus externus abdominis (Rückseite)

Als nächstes wurden Gewichtsmessungen am Probanden und den jeweiligen Jacken durchgeführt. Mit

dem

Ausfüllen

eines

Befindlichkeitsfragebogens

waren

die

Vorbereitungen

abgeschlossen und das eigentliche Protokoll konnte starten.     Die   Messungen   von   Körperkerntemperatur   (KKT)   sowie   Herzfrequenz   also   auch   die   thermographischen   Aufzeichnung     fanden an den vorgegebenen Zeitpunkten statt und wurden immer schriftlich festgehalten. Messung 1:

6. Minute

(nach Akklimatisation)

Messung 2:

22. Minute

(nach 15 min Gehen ohne Bestrahlung)

Messung 3:

38. Minute

(nach 15 min Gehen mit Bestrahlung durch Infrarotleuchte)

Messung 4:

40. Minute

(nach Wenden der Jacke Poly silber/schwarz)

Messung 5:

45. Minute

(nach 5 min Ruhe mit Bestrahlung)

Messung 6:

51. Minute

(nach 5 min Ruhe ohne Bestrahlung)


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In der Klimakammer wurden als erstes die Sensoren zur Messung der Temperatur und Feuchte gestartet. Diese zeichneten alle 8 Sekunden die Umgebungstemperatur

und

Luftfeuchte (zwischen Unterwäsche und Jacke) auf und wurden erst nach Beendigung des Testprotokolls wieder ausgeschaltet. Nun musste der Proband 5 Minuten ruhig sitzen, um sich zu akklimatisieren. Nach diesen 5 Minuten und bevor die Belastungsphase startete wurde eine thermographische Aufnahme vom Rücken des Probanden gemacht und die Körperkerntemperatur gemessen. Der Proband musste nun 15 Minuten bei einer Steigung von 17,5 % und einer Geschwindigkeit von 4km/h (entspricht 700 hm/h) gehen. Nach dieser Belastung wurde wieder jeweils ein Foto gemacht und die Körperkerntemperatur aufgezeichnet. Führte der Proband das Protokoll mit der Polychrom-Jacke (schwarz aussen) durch, wurde diese jetzt gewendet. Dies wurde durchgeführt um eine realitätsnahe Situation darzustellen. Die andere Jacke wurde normal weitergetragen. Bevor die zweiten 15 Minuten Belastung starteten, wurde eine Infrarotleuchte hinter dem Laufband positioniert und auf den Rücken des Probanden ausgerichtet. Nach weiteren 15 Minuten Belastung wurde erneut ein Infrarotbild gemacht und die Körperkerntemperatur aufgezeichnet. Nun wurden die Polychrom-Jacken gewendet, sodass die schwarze Seit aussen sichtbar war. Die Referenzjacke wurde normal weitergetragen. Erneut wurde ein thermographische Aufnahme gemacht und die KKT gemessen. Nun   hieß   es   für   den   Probanden   5   Minuten   unter   Bestrahlung   der   Infrarotleuchte   zu  

Abbildung  2  Schaubild  |  Messungen  im  Überblick


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sitzen.   Anschließend  führte  man  wieder  die  üblichen  Messungen  durch.   Bevor  die  letzten  5  Minuten  „Sitzen“  begannen,  wurde  die  Infrarotleuchte  entfernt.   Nach   Beendigung   des   Protokolls   wurde   erneut   gemessen   und   anschließend   die   Aufzeichnung  der  Sensoren  beendet.   Im  Durchschnitt  wurden  für  die  gesamte  Messung  52  Minuten  benötigt.     Für  einen  Überblick  der  gesamten  Messungen  dient  die  Abbildung  1.    

 

Vergleich der Temperatur Referenz | Polychrom (schwarz)

Im Folgenden werden die Ergebnisse des Vergleichs zwischen den beiden Jacken Referenz und Polychrom (schwarz) dargestellt. In Abbildung 2 sind einerseits die Daten der Temperatursensoren über die gesamte Messdauer dargestellt, andererseits werden die einzelnen Messpunkte hervorgehoben. Bezieht man nun diese Daten auf das durchgeführte Testprotokoll so kann man erkennen, dass in den ersten 15 Minuten der Belastung beide Jacken einen leichten Anstieg der

Abbildung  3  Veränderung  der  Temperatur  über  die  gesamte  Testdauer  und  zu  den  jeweiligen  Messzeitpunkten,   vertikale  blaue  Linien  geben  die  jeweiligen  Messzeitpunkte  an;  hellrot  und    schwarz  geben  die  Messdaten  über  die   gesamte  Messdauer  an.  


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Hauttemperatur verursachen. Dies war aufgrund der vermehrten Wärmeproduktion unter Belastung zu erwarten. Große Unterschiede sind erst in den zweiten 15 min der Belastung zu erkennen. Hier steigt die Temperatur unter der Referenz-Jacke stark an wogegen die Polychrom-Jacke die Temperatur sehr konstant hält. Betrachtet man die Kurve der Polychrom-Jacke über die gesamte Messdauer etwas genauer so ist zu erkennen, dass die Temperatur bei Minute 22 stark abfällt. Dies ist wahrscheinlich mit dem „Wenden“ der Jacke zu erklären. Nichts desto trotz erfüllt die gewendete Jacke (silber aussen) ihren Sinn und hält die Strahlung der Infrarotleuchte weitestgehend ab. Nach Beendigung der insgesamt 30 minütigen Belastung liegt somit die Temperatur unter der Referenz- Jacke deutlich höher als die der Polychrom-Jacke. Der Sportler erfährt unter Belastung mit der Polychrom-Jacke somit einen „Kühlungseffekt“, was positiv für Leistungsfähigkeit und Kreislaufsystem zu bewerten ist. Zwischen  Minute  38  und  40  wird  die  Polychrom-­‐Jacke  wieder  gewendet,  was  den   erneuten  Temperaturabfall  erklären  kann.  Jedoch  steigt  die  Temperatur  wieder  an,   sobald  die  schwarze  Seite  aussen  liegt  und  mit  der  Infrarotleuchte  bestrahlt  wird.  In   Erholungspausen  nach  oder  zwischen  Belastungen  wird  der  Sportler  also  bei   Sonneneinstrahlung  gewärmt.   Beendet  man  die  Bestrahlung  durch  die  Infrarotleuchte,  so  sinkt  auch  die  Temperatur   unter  der  Polychrom-­‐Jacke  wieder  leicht  ab.   Im  Vergleich  dazu  erreicht  die  Referenz-­‐Jacke  die  höchste  Temperatur  mit  Beendigung   der  Belastung  und  fällt  anschließend  stetig  ab.   Abschließend  kann  man  sagen,  dass  die  Polychrom-­‐Jacke  den  Temperaturhaushalt   besser  reguliert.  Auch  ein  unkontrolliertes  „Frösteln“  nach  Beendigung  der  Belastung   kann  somit  hinausgezögert  werden.    

Vergleich der Luftfeuchte Referenz | Polychrom (schwarz)   Im Vergleich zur Temperatur unterscheiden sich die beiden Jacken bei der Luftfeuchte nur geringfügig. In Abbildung 3 ist ersichtlich, dass die Luftfeuchte unter beiden Jacken mit Beginn der Belastung rapide ansteigt.


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Bis zum Ende der Belastung haben beide Jacken einen Höchstwert von 75% (Polychrom) bzw. 71% (Referenz) erreicht. Wieder auffallend ist, dass die Luftfeuchte unter der Polychrom-Jacke nach der ersten „Wendung“ schnell abfällt jedoch schon nach kurzer Zeit wieder auf dem Niveau der Referenz-Jacke ist. Ein Grund dafür kann die Bestrahlung durch die Infrarotleuchte sein. Nach Beendigung der Belastung sinkt die Luftfeuchte bei beiden Jacken recht schnell wieder ab. Schon nach 10 Minuten Ruhephase ist der Wert unter der Umgebungsluftfeuchte von 60%. Auffallend ist auch, dass die Polychrom-Jacke, trotz Bestrahlung durch die Infrarotleuchte, in den ersten 5 Minuten der Ruhephase die Feuchte gut abtransportiert.

Abbildung  4  Veränderung  der  Luftfeuchte  über  die  gesamte  Testdauer  und  zu  den  jeweiligen  Messzeitpunkten                   ��                     vertikale  blaue  Linien  geben  die  jeweiligen  Messzeitpunkte  an;  hellrot  und    schwarz  geben  die  gesamten  Messdaten   über  die  gesamte  Messdauer  an;    

Die objektiven Messungen unterscheiden sich, wie in Abbildung 4 ersichtlich ist kaum, jedoch darf man das subjektive Empfinden nicht außer Acht lassen. Durch das zweimalige Wenden (nach 15 und nach 30 Minuten) der Polychrom-Jacke fühlt sich diese zu jedem Zeitpunkt trockener an als die Referenz-Jacke. Dieses Ergebnis stimmt auch mit der Auswertung der Befindlichkeitsfragebögen überein. Die Probanden gaben an, dass sie sich während der Messung mit der Polychrom-Jacke weniger nass gefühlt haben.


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Thermographische Aufnahmen In den folgenden zwei Abbildungen sieht man die thermographischen Aufnahmen der beiden Jacken. Die Bilder wurden nach Beendigung der 30 minütigen Belastung aufgezeichnet. Auf der rechten Seite der beiden Abbildungen ist eine Skala zu erkennen. Diese gibt Aufschluss welche Temperatur zu den jeweiligen Farben gehört. Abbildung 5 zeigt die Polychrom-Jacke. Zum Zeitpunkt der Aufnahme wurde die Jacke mit der silbernen Seite nach aussen getragen. Die roten Flächen zeigen die hohe Wärmestrahlung an der Jackenoberfläche. Diese können nicht allein durch die Wärmeproduktion des Trägers entstanden sein, vielmehr zeigt die Aufnahme wie gut die Jacke die Wärmeeinstrahlung der Infrarotleuchte reflektiert, was bedeutet, dass sich die Jacke weniger von außen erhitzt.

Abbildung  5  Thermographische  Aufnahme  der  Polychrom  Jacke  

Vergleicht man nun die beiden Abbildungen miteinander so ist deutlich zu erkennen, dass es in Abbildung 6 weitaus weniger warme Flächen gibt. Lediglich der Bereich oberhalb der Schulterblätter ist leicht rot gefärbt. Zum einen könnte das heißen, dass man beim Tragen dieser Jacke weniger Wärme produziert zum anderen aber auch, dass diese Jacke weniger


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Wärme ableitet. Man kann auch davon ausgehen, dass diese Jacke durch ihre Oberfläche nicht so viel Wärme von der Infrarotleuchte reflektiert.

Abbildung  6  Thermographische  Aufnahme  der  Referenz  Jacke  


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Abbildung  7  Versuchsaufbau:  Proband  auf  Laufband    in  Klimakammer  +  Testleiter  

Literatur 1. http://www.hohenstein.de/content/content1.asp?hohenstein=36-0-0-0-0 2. Reer R., Universität Hamburg, www1.uni-hamburg.de/spomed 3. Viewed on 16.06.2001; http://de.wikipedia.org/wiki/Gore-Tex 4. Gavin, T. P., (2003), Clothing and Thermoregulation During Exercise. Sports Med; 33 (13): 941-947


Bericht Pilot-Untersuchung Polychrom