Energie-autarke Plattform für elektrisch stimulierende Implantate

Juli 2017 - Juni 2021

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1270 "Elektrisch aktive Implantat - ELAINE" wird in diesem Projekt ein hochintegriertes elektronisches System für neuartige, elektrisch stimulierende Implantate zur Verfügung gestellt. Das Potential miniaturisierter thermoelektrischer Wandler Energiegewinnung in subkutanen Implantaten wird untersucht und dieser Ansatz zur Energieversorgung verfügbar gemacht.

Thermische Modellierung von Körpergewebe

Temperaturverteilung im Körperinneren

Wir implementieren die thermischen Mechanismen zur Wärmeerzeugung und -verlusten in dreidimensionale Geometrien menschlicher Köper. Als Wärmequellen berücksichtigen wir Durchblutung und metabolischen Energieumsatz der jeweiligen Gewebearten (z.B. Knochen-, Muskel, Fett- oder Hautgewebe). Die Entwärmung des Köper geschieht mittels Konvektion, Strahlung und Schwitzen über die Haut. 

Das Ziel dieser Modellierung ist die Identifikation von Körperregionen mit möglichst großen Temperaturgradienten zwischen Körperinnerem und der Hautoberfläche.

Modellierung und Optimierung thermoelektrischer Generatoren

Implantat mit thermoelektrischer Energieversorgung
Potentialverteilung über die Thermoelemente

Thermoelektrische Generatoren basieren auf dem Seebeck-Effekt. Wir erstellen parametrisierte multiphysikalische Modelle solcher Module, unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Eigenschaften der verwendeten Materialien. Erste Ergebnisse von Generatoren im menschlichen Gewebe lassen eine elektrische Leistungsabgabe von ca. 100 µW bei einer Temperaturdifferenz von 2,5 °C erwarten.

Publikationen

  • U. Verma, J. Bernhardt, D. Hohlfeld, „ Modeling and simulation of bioheat powered subcutaneous thermoelectric generator “,accepted for publication in Proc. European Conference on Modelling and Simulation, May 2018.
  • O. S. Jadhav, C. D. Yuan, E. B. Rudnyi, D. Hohlfeld, T. Bechtold, “Nonlinear-Input Model Order Reduction of a Thermoelectric Generator for Electrically Active Implants”, accepted for publication in Proc. International Conference on Bioelectromagnetism (ICBEM), May 2018.
  • C. D. Yuan, O. S. Jadhav, E. B. Rudnyi, D. Hohlfeld, T. Bechtold , “Parametric Model Order Reduction and System-level Simulation of a Thermoelectric Generator for Electrically Active Implants”, accepted for publication in Proc. EuroSimE, April 2018.
  • J. Bernhardt, U. Verma, D. Hohlfeld, “Thermoelektrische Energieversorgung subkutaner Implantate”, GMM-Workshop Energieautonome Sensorsysteme, February 2018.
  • J. Bernhardt, U. Verma, T. Bechtold, D. Hohlfeld, “ Entwurf eines thermoelektrischen Generators für elektrisch aktive Implantate”, ANSYS Conference, November 2017.
  • T. Bechtold, D. Hohlfeld, “ Entwurf eines thermoelektrischen Generators für elektrisch aktive Implantate”, Proc. Mikrosystemtechnik-Kongress, October 2017, pp. 402-405.

Projektmitarbeiter

Dipl.-Ing.
Stefanie Kreß

Tel.: +49 381 498-7242
E-Mail
Raum L126

Prof. Dr.-Ing.
Tamara Bechtold

Tel.: +49 381 498-7208
E-Mail
Raum L127

Prof. Dr.-Ing.
Dennis Hohlfeld

Tel.: +49 381 498-7205
E-Mail
Raum: S14