Ech­ter Wär­me­aus­gleich bei Brustprothesen

D. Muscat, C. Kaltenecker
Auf dem Markt für Brustprothesen gibt es verschiedene Konzepte für einen Temperaturausgleich. Durch Untersuchungen mittels Wärmebildkamera, Tagesablauftests und eines künstlichen beheizten Körpers können die verschiedenen Konzepte miteinander verglichen werden. Ein funktionierender Temperaturausgleich scheint demnach nur möglich zu sein, wenn eine Wachskugeltechnik angewandt wird. Dieser aktive Wirkmechanismus unterscheidet sich von anderen Konzepten dadurch, dass tatsächlich Wärme absorbiert und wieder abgegeben werden kann.

Brust­kreb ist die häu­figs­te bäs­ar­ti­ge Tumor­er­kran­kung bei Frau­en in der west­li­chen Welt. In Deutsch­land wer­den jähr­lich etwa 70.000 Neu­erkran­kun­gen regis­triert. Daher spielt die Erhal­tung und Wie­der­her­stel­lung der Kör­per­sym­me­trie bei Frau­en mit Brust­krebs eine wich­ti­ge Rol­le. Auch wenn aktu­ell die Mög­lich­kei­ten der brust­er­hal­ten­den The­ra­pie und der rekon­struk­ti­ven Chir­ur­gie öffent­lich inten­siv dis­ku­tiert wer­den, sind die Aspek­te der Brust­pro­the­tik wei­ter­hin ein wich­ti­ger Bestand­teil der Nach­sor­ge. Denn die Brust­pro­the­se ist die häu­figs­te Wahl, wenn es um den Aus­gleich der Sil­hou­et­te geht. Nicht jede Frau will sich wei­te­ren – oft lang­wie­ri­gen und oft schmerz­haf­ten – Ope­ra­tio­nen unter­zie­hen. Durch die bestän­di­gen tech­ni­schen Inno­va­tio­nen der Brust­pro­the­sen ist es heu­te mög­lich, Frau­en bedarfs­ge­recht zu ver­sor­gen – ­en­t­sprechend ihrer jewei­li­gen Lebens­si­tua­ti­on und ihrem Lebensstil.

Inno­va­tio­nen sind an den Bedürf­nis­sen der Trä­ge­rin­nen aus­zu­rich­ten. Die meist­ge­nann­te Anfor­de­rung lau­tet, unter der Pro­the­se nicht zu schwit­zen. Durch Hor­mon­the­ra­pie, Meno­pau­se oder auch auf­grund sport­li­cher Akti­vi­tät kann ein Hit­ze­stau zwi­schen Brust­wand und Pro­the­se ent­ste­hen, der von den Frau­en als sehr unan­ge­nehm beschrie­ben wird. Denn nicht nur Schweiß und Hit­ze sind stö­rend, auch uner­wünsch­te Geruchs­bil­dung kann die Trä­ge­rin­nen zusätz­lich verunsichern.

Der­zeit gibt es auf dem Markt von den ver­schie­de­nen Her­stel­lern unter­schied­li­che Lösun­gen zur Tem­pe­ra­tur­re­du­zie­rung zwi­schen Pro­the­se und Brust­wand, etwa durch Ein­ar­bei­tung von Luft­ka­nä­len, Rau­ten oder Nop­pen auf der Rück­sei­te. Hier­durch kann die war­me Luft ent­wei­chen und in der Bewe­gung küh­le­re Luft hin­ter die Pro­the­se gelangen.

Doch wie effek­tiv sind Luft­ka­nä­le, Rau­ten oder Nop­pen? Rei­chen sie aus, um einen für die Trä­ge­rin zufrie­den­stel­len­den Tra­ge­kom­fort her­zu­stel­len? Denn Tem­pe­ra­tur­aus­gleich ist das eigent­li­che Ziel. Erwärmt sich die Pro­the­se, z. B. durch kör­per­li­che Akti­vi­tät der Frau, soll­te die Wär­me gespei­chert wer­den, um sie beim Abküh­len des Kör­pers wie­der abge­ben zu kön­nen. Nur so kann ein ange­neh­mes Haut­kli­ma zwi­schen Pro­the­se und Brust­wand geschaf­fen wer­den. Daher sind die Anfor­de­run­gen an die medi­zin­tech­ni­sche Ent­wick­lung weit höher, wie eine Stu­die an der Fach­hoch­schu­le Rosen­heim nach­ge­wie­sen hat, die in die­sem Arti­kel vor­ge­stellt wird.

Brust­pro­the­sen sind hoch­wer­ti­ge und inno­va­ti­ve medi­zin­tech­ni­sche Kunst­stoff­pro­duk­te. Im All­ge­mei­nen besteht die äuße­re Schicht einer Pro­the­se aus einer Kunst­stoff­fo­lie. Die­se ver­hält sich auf der Haut wie eine Wär­me­bar­rie­re: Wär­me, die zum Bei­spiel durch kör­per­li­che Betä­ti­gung ent­steht, staut sich unter der Folie und kann nicht abge­führt wer­den. Umge­kehrt ver­liert die Pro­the­se bei plötz­li­chem Abküh­len wie z. B. bei kurz­zei­ti­gem Able­gen oder Lösen vom Kör­per durch Bewe­gung etc. schnell die durch Kör­per­kon­takt erziel­te Temperatur.

Wün­schens­wert ist ein akti­ver Tem­pe­ra­tur­aus­gleich. Sol­che akti­ven Tem­pe­ra­tur­aus­gleichs­sys­te­me kom­men bei Sport­klei­dung, in der Luft- und Raum­fahrt­tech­nik (Funk­ti­on­s­klei­dung) oder aber auch im moder­nen Haus­bau vor 1 2 3. Erreicht wird die­ser akti­ve Wär­me­aus­gleich durch Wach­se, die im gewünsch­ten Tem­pe­ra­tur­ge­biet einen Pha­sen­wech­sel haben, sprich schmel­zen. Der Schmelz­vor­gang kann gro­ße Wär­me­men­gen auf­neh­men, ohne dass es zu einer wei­te­ren Erhö­hung der Tem­pe­ra­tur kommt. Men­schen emp­fin­den die­sen Vor­gang als küh­lend auf der Haut. Umge­kehrt bedeu­tet ein Abküh­len, dass geschmol­ze­nes Wachs erstarrt und dabei gro­ße Men­gen an Wär­me­en­er­gie frei­gibt, was wir wie­der­um als wär­mend auf der Haut emp­fin­den. Die Fir­ma Amoe­na erreicht dies bei Brust­pro­the­sen durch einen patent­ge­schütz­ten Ein­bau von wär­me­re­gu­lie­ren­den gekap­sel­ten Wachskugeln.

Die beson­de­re Eigen­schaft die­ser mit Wachs gefüll­ten Kugeln ist ihr Ver­mö­gen, im Kör­per­wär­me­be­reich sowohl Wär­me zu spei­chern als auch abzu­ge­ben. Erwärmt die Haut die Pro­the­se durch kör­per­li­che Betä­ti­gung, beginnt das Wachs in den Kugeln zu schmel­zen. Das Schmel­zen benö­tigt Ener­gie – jene Ener­gie, die der Kör­per durch die Betä­ti­gung erzeugt hat. Nor­ma­ler­wei­se baut der Kör­per die­se Wär­me­en­er­gie durch Schwit­zen ab. Unter einer Kunst­stoff­fo­lie ist er dazu aber nicht in der Lage. Das Auf­neh­men die­ser Wär­me erle­di­gen somit die Wachs­ku­geln in der Pro­the­se. Wenn die Haut­ober­flä­che abkühlt, zum Bei­spiel wenn man im Win­ter aus dem geheiz­ten Haus ins Freie tritt, beginnt das Wachs wie­der fest zu wer­den (zu kris­tal­li­sie­ren). Die Kris­tal­li­sa­ti­on ist mit der Abga­be von Wär­me verknüpft.

Im Fol­gen­den wer­den drei Metho­den auf­ge­zeigt, wie die­ser Effekt nach­ge­wie­sen wer­den kann (Abb. 1):

Unter­su­chung mit Wärmebildkamera

Wär­me kann mit Hil­fe spe­zi­el­ler Kame­ras, soge­nann­ter Wär­me­bild­ka­me­ras, sicht­bar gemacht wer­den. Wär­me­bild­ka­me­ras wer­den unter ande­rem ein­ge­setzt, um die Wär­me­däm­mung von Häu­sern durch Sicht­bar­ma­chen der Wär­me­ab­ga­be zu unter­su­chen. Für die Unter­su­chung der Wär­me­re­gu­lie­rung bei Brust­pro­the­sen wur­den zwei Model­le aus­ge­wählt: ein Modell mit Tem­pe­ra­tur­aus­gleich (Brust­pro­the­se „Ener­gy” von Amoe­na) und ein Ver­gleichs­pro­dukt ohne akti­ve Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung. Abbil­dung 2 zeigt die Testprothesen.

Wär­me­auf­nah­me

Häu­fig wird gewünscht, dass die Pro­the­se bei Hit­ze­wal­lun­gen und sport­li­cher Betä­ti­gung Kör­per­wär­me auf­neh­men kann. Die Wär­me­bil­der (Abb. 3a‑e) zei­gen die Brust­pro­the­sen bei Raum­tem­pe­ra­tur zu Beginn des Expe­ri­ments und den Tem­pe­ra­tur­an­stieg im Lau­fe der Zeit, wenn die Pro­the­sen erhöh­ter Tem­pe­ra­tur aus­ge­setzt wer­den. Die Wär­me­bil­der bele­gen: Nur Pro­the­sen mit akti­ver Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung sind in der Lage, Wär­me aktiv auf­zu­neh­men und zu spei­chern. In den Wär­me­bil­dern wird dies durch die lan­ge Zeit, in der die Pro­the­se „grün­blau” erscheint, deutlich.

Wär­me­ab­ga­be

Um die Wär­me­re­gu­lie­rung mit der Wär­me­bild­ka­me­ra zu ver­deut­li­chen, wer­den die Pro­the­sen erwärmt, anschlie­ßend bei Raum­tem­pe­ra­tur gela­gert und der Tem­pe­ra­tur­ver­lauf beim Abküh­len gemes­sen. Eine gute Pro­the­se gibt die Wär­me nur lang­sam ab. Hier­durch fühlt sich die Pro­the­se einer Trä­ge­rin, wel­che die Pro­the­se kurz­zei­tig ablegt, zum Bei­spiel zum Duschen für 10 Minu­ten, nach dem Wie­der­ein­le­gen nicht kalt an.

Zu Beginn sind bei­de Pro­the­sen auf Raum­tem­pe­ra­tur erwärmt, im Wär­me­bild als blau zu erken­nen. Danach wer­den sie 100 Minu­ten in einem Ofen bei 50 °C durch­wärmt und anschlie­ßend wie­der bei Raum­tem­pe­ra­tur gelagert.

Nach dem Ent­neh­men aus dem Ofen soll­te die Pro­the­se noch lan­ge Zeit Wär­me abge­ben, aber mög­lichst nicht zu warm sein. In der Wär­me­bild­ka­me­ra­auf­nah­me ist nach 10 Minu­ten Abküh­lungs­zeit zu erken­nen, dass das Vergleichsp­rodukt rechts rot erscheint, wäh­rend die Pro­the­se mit akti­ver Tem­pe­ra­tur­re­ge­lung links deut­lich küh­ler ist, im ange­neh­men Kör­per­wär­me­be­reich. Nach 30 Minu­ten keh­ren sich die Far­ben prak­tisch um, da das Ver­gleichs­pro­dukt rechts aus­ge­kühlt ist, wäh­rend die Pro­the­se mit akti­ver Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung links noch deut­lich Wär­me abgibt (Abb. 4a‑f).

Pra­xis­test: Tages­ab­lauf mit Temperaturmessung

Test­auf­bau und ‑ablauf

Die Pro­the­sen wer­den mit einem Tem­pe­ra­tur­füh­ler auf der Mit­te der kör­per­zu­ge­wand­ten Sei­te ver­se­hen, fixiert und der Pro­ban­din in einen BH ein­ge­legt. Mit­tels eines Daten­auf­zeich­nungs­ge­rä­tes („Daten­log­ger”) wer­den die Tem­pe­ra­tu­ren alle 20 Sekun­den gemes­sen. Dabei soll die Pro­ban­din einen Tages­ab­lauf mit sport­li­chen Akti­vi­tä­ten sowie Ruhe­pau­sen und leich­ten Tätig­kei­ten simulieren.

Die Pro­the­sen wer­den direkt am Mor­gen nach dem Auf­ste­hen ange­legt. Beim Früh­stück und bei leich­ten Tätig­kei­ten wird zunächst das Auf­wär­men betrach­tet. Sport­li­che Akti­vi­tä­ten wie z. B. Wal­king, Jog­ging oder Rad­fah­ren wer­den in Form einer Moun­tain­bik­e­fahrt simu­liert, wobei auch das Berg­ab­fah­ren ohne Anstren­gung einen wich­ti­gen Auf­schluss über das Abkühl­ver­hal­ten gibt – beson­ders die Abküh­lung nach dem Schwit­zen bewirkt häu­fig ein unan­ge­neh­mes Käl­te­emp­fin­den. Wie die Pro­the­sen auf die­se Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen reagie­ren, lässt sich mit Hit­ze­wal­lun­gen der Trä­ge­rin­nen korrelieren.

Um den Ablauf rea­lis­tisch zu gestal­ten, legt die Pro­ban­din die Pro­the­sen beim Duschen ab, womit das Abkühl- und anschlie­ßen­de Auf­wärm­ver­hal­ten bei kurz­zei­ti­gen Tra­ge­un­ter­bre­chun­gen ermit­telt wer­den kann. Leich­te Tätig­kei­ten, die nur gerin­ge Schwan­kun­gen der Kör­per­tem­pe­ra­tur bewir­ken, schlie­ßen den Tages­ab­lauf ab.

In Abbil­dung 5 sind die Tem­pe­ra­tur­kur­ven der bei­den im Ver­gleich gemes­se­nen Pro­the­sen wie­der­ge­ge­ben. Gute Brust­pro­the­sen sol­len weder stei­le Tem­pe­ra­tur­an­stie­ge noch ‑abfäl­le auf­wei­sen. Die blaue Linie der Pro­the­se mit akti­ver Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung zeigt die­sen gewünsch­ten Ver­lauf. Bei der Berg­fahrt kühlt sie deut­lich, bei der Tal­fahrt wärmt sie nach. Dies ist auch bei leich­ten Tätig­kei­ten zu beobachten.

Ein wei­te­rer wich­ti­ger Hin­weis auf den akti­ven Wär­me­aus­gleich besteht dar­in, dass sich nach der Moun­tain­bik­e­fahrt bei der Pro­ban­din, die die akti­ve Pro­the­se trug, deut­lich weni­ger Schweiß unter der Pro­the­se ange­sam­melt hatte.

Die hier gezeig­ten Ergeb­nis­se ste­hen im Ein­klang mit For­schungs­er­geb­nis­sen der Eid­ge­nös­si­schen Mate­ri­al­prü­fungs- und For­schungs­an­stalt St. Gal­len, kurz EMPA 4. Ent­spre­chen­de Unter­su­chun­gen dort an PCM-Mate­ria­li­en in Klei­dungs­stü­cken zei­gen einen ana­lo­gen Effekt: die ange­neh­me Küh­lung bei sport­li­cher Betä­ti­gung, die Wär­me­ab­ga­be in Ruhe­pha­sen und die Schweißreduktion.

Pra­xis­si­mu­la­ti­on im Labor­auf­bau mit Dummy

Ein aus Kunst­stoff (Poly­pro­py­len) nach­ge­bil­de­ter Kör­per („Dum­my”) wird mit­tels Tem­pe­rier­bad beheizt, wobei ein Zulauf­schlauch Was­ser in Höhe der Leber („Kraft­werk des Kör­pers”) ein­flie­ßen lässt und der Rück­fluss in Höhe des Hal­ses statt­fin­det. Durch die Mate­ri­al­aus­wahl für den Kör­per, der nahe der Wär­me­leit­fä­hig­keit der Haut bzw. des Fett­ge­we­bes liegt, kann durch das Wär­me­leit­ver­hält­nis (Haut: 0,3 W/m°C, Poly­pro­py­len: 0,22 W/m°C) eine Kern­tem­pe­ra­tur ein­ge­stellt wer­den. Will man eine Ober­flä­chen- resp. Haut­tem­pe­ra­tur von 35 °C errei­chen, so muss man die Kern­tem­pe­ra­tur auf ca. 38 °C brin­gen. Um eine höhe­re Tem­pe­ra­tur bei sport­li­chen Akti­vi­tä­ten zu simu­lie­ren, erhält man ana­log bei 37 °C eine Kern­tem­pe­ra­tur von ca. 40 °C. Lässt man das Ver­duns­tungs­ver­hal­ten von Schweiß unter der Pro­the­se unbe­rück­sich­tigt, so kann mit die­sem Auf­bau eine Pra­xis­si­mu­la­ti­on erfol­gen. Mes­sun­gen an der Kör­per­ober­flä­che und unter der Pro­the­se im Ver­gleich bestä­ti­gen die Simu­la­ti­on eines Tages­ab­lau­fes, wie oben beschrie­ben. Damit kann ein direk­ter Ver­gleich ohne Stör­ein­flüs­se simu­liert werden.

Das Dia­gramm in Abbil­dung 6 zeigt das Ergeb­nis der Mes­sun­gen. Deut­lich ist der Wär­me­aus­gleich bei der akti­ven Pro­the­se anhand des gleich­mä­ßi­ge­ren, kon­stan­te­ren Tem­pe­ra­tur­ver­laufs der blau­en Linie zu erken­nen, wäh­rend die Ver­gleichs­pro­the­se (rote Linie) deut­li­che Tem­pe­ra­tur­spit­zen auf­weist. Nach dem Able­gen, simu­liert durch Aus­schal­tung der Tem­pe­rie­rung, bleibt die tem­pe­ra­tur­re­gu­lier­te Pro­the­se noch deut­lich län­ger warm: Die blaue kreuzt die rote Linie, wäh­rend sie vor­her stets unter ihr blieb. All die­se Phä­no­me­ne sind nur dank des akti­ven Wär­me­ma­nage­ments mit­tels Tem­pe­ra­tur­re­gu­la­to­ren wie der hier ver­wen­de­ten Wachs­ku­geln möglich.

Fazit

Bei Pro­the­sen mit Tem­pe­ra­tur­re­gu­lie­rung wie der getes­te­ten Pro­the­se „Amoe­na Ener­gy” ist im Ver­gleich zum Wett­be­werb ein deut­li­cher wär­me­aus­glei­chen­der Effekt nach­zu­wei­sen, der die Tem­pe­ra­tur zwi­schen Haut und Pro­the­se im „Wohl­fühl­be­reich” aus­ba­lan­ciert. Bei der Ver­gleichs­pro­the­se eines ande­ren Her­stel­lers waren star­ke Tem­pe­ra­tur­aus­schlä­ge bei allen Tests zu ver­zeich­nen. Die redu­zier­te Schweiß­men­ge im Pra­xis­ver­such nach sport­li­cher Akti­vi­tät unter­streicht eben­falls die Wirk­sam­keit des wär­me­aus­glei­chen­den Materials.

Für die Autoren:
Prof. Dr. Dirk Muscat
Hoch­schu­le Rosenheim
Stu­di­en­gang Kunststofftechnik
Hoch­schul­stra­ße 1
83024 Rosen­heim
muscat@fh-rosenheim.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Mus­cat D, Kal­ten­ecker C. Ech­ter Wär­me­aus­gleich bei Brust­pro­the­sen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2014; 65 (11): 52–56

 

  1. Weder M. Pha­se chan­ge mate­ri­als (PCM): Erfah­run­gen aus Labor und Pro­ban­den­ver­su­chen. Eid­ge­nös­si­sche Mate­ri­al­prü­fungs- und For­schungs­an­stalt St. Gal­len, Schweiz, o. J., http://www.texbac.de/PCMempa.pdf
  2. Rupp J. Pha­se Chan­ge Mate­ri­als (PCMs): A Modern Way of Mois­tu­re Manage­ment. Tex­ti­le World, Febru­a­ry 4, 2014, http://textileworld.com/Articles/2014/February/The_Rupp_Report-Phase_Change_Materials_PCMs-A_Modern_Way_Of_Moisture_Ma-nagement
  3. Büh­ler M, Popa AM, Sche­rer LJ, Lehmei­er FKS, Ros­si RM. Heat pro­tec­tion by dif­fe­rent pha­se chan­ge mate­ri­als. App­lied Ther­mal Engi­nee­ring, 2013; 54: 359–364
  4. Weder M. Pha­se chan­ge mate­ri­als (PCM): Erfah­run­gen aus Labor und Pro­ban­den­ver­su­chen. Eid­ge­nös­si­sche Mate­ri­al­prü­fungs- und For­schungs­an­stalt St. Gal­len, Schweiz, o. J., http://www.texbac.de/PCMempa.pdf
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