Wärmemanagement in hydraulischen Kniegelenksprothesen

Abstract

Bei mikroprozessorgesteuerten Kniegelenken kommt es bei intensiver Nutzung (z.B. steiles Abwärtsgehen) zu einer schnellen Erwärmung der Hydraulik und ab Überschreitung einer kritischen Temperatur, kann die Prothese nur mehr eingeschränkt verwendet werden, um die temperatursensible Elektronik nicht zu beschädigen. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde untersucht, ob die anfallende Wärmeenergie in den hydraulischen Dämpfern über eine Heatpipe (Thermosiphon-Effekt) auf den Prothesenrahmen geleitet werde kann, um dort die größere Oberfläche zur Wärmeabgabe zu nutzen. Dafür wurde mit einer Wärmebildkamera der aktuelle Zustand der Wärmeentwicklung in einer ausgewählten Prothese ermittelt, anschließend ein passender Prototyp eines Kühlsystems erstellt und in eine bestehende Prothese integriert. In einer abschließenden Prüfung konnte gezeigt werden, dass sich das Kühlsystem sowohl auf die Aufheizung als auch auf die Abkühlung der hydraulischen Dämpfer positiv auswirkt. Bei gleicher anfallender Leistung konnte die gekühlte Prothese 2,4mal solange betrieben werden wie die ungekühlte Prothese, während die Abkühlung, speziell im hohen Temperaturbereich, deutlich beschleunigt wurde. Die Dauer der Abkühlung um 20 Grad ab der kritischen Temperatur konnte durch das Kühlsystem um 24% reduziert werden.

In microprocessor controlled knee prosthesis heat generation in the hydraulic dampers due to heavy usage (e.g. walking down stairs) is a limiting factor for the user. After reaching a critical temperature the prosthesis has to operate in a safe mode which limits the mobility to prevent overheating and damage to the heat sensitive electronics. For this master thesis a cooling system was designed to study the possibility of transferring heat from the hydraulic dampers to the prosthesis frame through a heat pipe system based on the thermosiphon effect and thereby improving heat emission due to the increased surface. The designed system was integrated in an existing prosthesis and evaluated in a test comparing the modified prosthesis to an unmodified prosthesis. A significant improvement of the heating phase as well as the cooling phase was measured. The duration of the heating phase until reaching the critical temperature could be raised by 140% while the duration of the cooling phase was reduced by 24% for the first 20°C from the critical temperature.