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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sitzpolster (Sitzkissen), das
besonders zur Minimierung von Grenzflächendruck und zur Verhinderung
von Druckgeschwüren
bei einer sitzenden Person geeignet ist.
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Hintergrund
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Druckgeschwüre sind
eine Hauptsorge von Rollstuhlbenutzern; sollte der Benutzer eine
Wundheit entwickeln, kann dies zu signifikanten medizinischen Kosten,
einer Zeit strenger Bettruhe, Infektion und schließlich zum
Tode führen.
Es wird geschätzt, dass
die durchschnittlichen Kosten zur Behandlung eines Druckgeschwürs heute
in der Größenordnung von
$ 15.000 liegen. Auch haben verschiedene Studien ungefähr 5 % der
Todesfälle
von Paraplegikern und Quadriplegikern auf Komplikationen von Druckgeschwüren zurückgeführt.
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Sorgfältige Verteilung
und regelmäßige Entlastung
des Drucks bei einer sitzenden Person an der Sitzgrenzfläche ist
zur Vermeidung von Druckgeschwüren
wichtig. Bei einer nicht behinderten Person ist eine Bewegung in
und aus oder um einen Sessel ein prinzipieller Mechanismus, um dies
zu erreichen. Für
Para/Quadriplegiker und andere Personen mit einem Risiko für Druckgeschwüre wie Senioren
oder Personen mit Multipler Sklerose oder degenerativen Muskelerkrankungen
im Allgemeinen kann dies keine Option sein. Üblicherweise angewendete Strategien
zur Vermeidung von Druckgeschwüren
bei anfälligen
Personen können
allgemein in passive und aktive kategorisiert werden.
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Passive
Sitzkissen verteilen die Last optimaler über das Gesäß der sitzenden Person. Diese
Kissen werden eingesetzt, um Last von Bereichen des Gesäßes mit
höherem
Risiko, nämlich
dem Gewebe über
her vorstehenden Knochen wie dem Sitzbein, dem Steißbein, dem
Kreuzbein und den Trochantern auf Bereiche mit geringerem Risiko
zu übertragen wie
den Hinterbacken. Passive Sitzkissen umfassen Luftträgertypen,
Geltypen, Kissen mit Kombination von Luft/Schaum, Wabenstrukturen
sowie einfache Schaumstoffblöcke.
Der Ausdruck „Schaumstoff" wie er in dieser
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
verwendet wird, bezieht sich auf eine Klasse von Materialien, die
aus eingeschlossenen Hohlräumen
(oder „Zellen") bestehen, die mit
Luft oder einem anderen Fluid in der Matrix eines Feststoffs gefüllt sind,
welche Materialien ein gewisses Maß an Nachgiebigkeit zeigen,
so dass sie ihr ursprüngliches Volumen
nach Kompression und Entlastung teilweise oder ganz zurückgewinnen.
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Für Personen
mit einem hohen Risiko Druckgeschwüre zu entwickeln oder für Personen,
die nicht in der Lage sind, ihr Gewicht regelmäßig auf einem Sitz umzulagern,
ist ein passives Sitzkissen allgemein nicht angemessen, um das Risiko
zu eliminieren. In diesem Fall wird allgemein empfohlen, das passive
Kissen mit einem Kipp- und/oder Verstellsitzsystem zu ergänzen oder
ansonsten kann eine Hilfsperson mit Druckentlastung von Hand unterstützen. Ein
Kipp- und/oder Verstellverfahren, sei es mit Antrieb oder von Hand,
legt den Benutzer typischerweise auf den Rücken, während Druckentlastung durch eine
Hilfsperson typischerweise Anheben des Benutzers und erneutes Positionieren
des Benutzers im Sessel beinhaltet.
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Eine
weitere Möglichkeit
für Personen
mit einem hohen Risiko ist ein aktives Sitzkissen, das pneumatische
oder mechanische Mittel einsetzt, um Druck unter einem Teil der
Anatomie wiederholt zu entlasten. Solche Vorrichtungen verwenden
allgemein positiven Luftdruck, um einen Teil des Kissens aufzublasen
und durch Erhöhen
des Drucks im aufgeblasenen Bereich, den Benutzer anzuheben und den
Grenzflächendruck
in den Teilen des Sitzes, die nicht aufgeblasen sind, zu verringern.
Der Ausdruck „Grenzflächendruck" wie er in dieser
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
verwendet wird, bezieht sich auf die Kraft pro Flächeneinheit,
die durch das Gewicht der sitzenden Person auf das Polstermaterial
ausgeübt
wird, und die gleiche und entgegengesetzte Kraft pro Flächeneinheit,
die durch das Kissen auf den Körper
der sitzenden Person ausgeübt
wird.
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1. Schaumeigenschaften
und Polster zum Sitzen
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Wie
oben definierte Schaumstoffe werden ausführlich bei L. Gibson, Cellular
Solids: Structures and Properties (Pergamon Press, 1988) diskutiert. Die
Zellen eines Schaumstoffs werden außerdem in Bezug auf den Strom
von Luft in oder aus den entsprechenden Zellen in „offen" oder „geschlossen" unterteilt.
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Schaumstoffe
werden herkömmlich
in Bezug auf „Steifigkeit" charakterisiert,
ein Maß,
das auf Grundlage einer Standardmesstechnik angibt, wie viel Kraft
pro Flächeneinheit
erforderlich ist, um einen spezifischen Eindruck in der Mitte eines
Testblocks des Materials am Stück
zu bewirken. Zum Beispiel spezifiziert die Indentation Load Deflection
(ILD), spezifiziert im ASTM Standard Test D-3574-81 die Last, die
einen Eindruck von 25% des Materials bewirkt.
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Die
Verwendung eines einzelnen Steifigkeitsmaßes ist in zwei bedeutenden
Punkten mangelhaft, die für
die vorliegende Erfindung relevant sind. Einerseits kann das einzelne
Steifigkeitsmaß nicht
zwischen Merkmalen der funktionalen Abhängigkeit des Drucks von der
Verdrängung
des Schaums unterscheiden, bei dem viele Vorgehensweisen betroffen
sein können,
wie ausführlich
in der folgenden Beschreibung diskutiert wird. Außerdem ist
das einzelne Steifigkeitsmaß auf
die Charakterisierung von Material am Stück beschränkt und berücksichtigt nicht die strukturelle
Konfiguration, in der das Material verwendet wird. Wäh rend das
Verhalten einer Konfiguration von Material am Stück durch seine Kompression
dominiert sein kann, wird es bei hohen Materialsäulen, die viel höher sind
als die charakteristische Querabmessung des Materials, durch Knicken
oder Einbruch der gesamten Säule
dominiert. In einer dritten Vorgehensweise zeigen sogenannte „kurze
Säulen" Materialeigenschaften
zwischen den Grenzwerten für
Stückmaterial
und Säulen.
Der relevante Strukturparameter ist daher das Seitenverhältnis der
Säule,
nämlich
das Verhältnis der
Höhe des
Materials normal zur Kontaktfläche
mit der sitzenden Person zur schmalsten Querabmessung der Säule, wie
ihrer Breite, wenn der Querschnitt der Säule quadratisch ist.
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Insbesondere
bei offenzelligen Schaumstoffen wie auf Polyether und Polyester
basierenden Polyurethanen ist die Druck-Verdrängungs-Charakteristik nicht linear. Dies steht
in Widerspruch zum Verhalten einer gewöhnlichen Feder, in der gemäß dem Hookeschen
Gesetz die Druck- oder Zugverschiebung proportional zur aufgebrachten
Kraft ist. Das nicht lineare Verhalten offenzelliger Schaumstoffe wird
durch die Zellstruktur des Materials bewirkt, und ist in gewissem
Grad in allen viskoelastischen offenzelligen Materialien vorhanden,
wovon Schaumstoff das gebräuchlichste
ist. Außer
der Nichtlinearität
weichen Schaumstoffe typischerweise vom Federverhalten gemäß dem Hookeschen
Gesetz dadurch ab, dass sie eine Hysterese zeigen: die Verdrängungs-Druck-Kurve verändert sich
in Abhängigkeit davon,
ob der Schaumstoff Kompression erfährt oder sich von einer Kompression
erholt.
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Einige
Hersteller machen Sitze aus mehr als einer Schaumstoffsteifigkeit
mit dem Ziel, den Grenzflächendruck
in Hinblick auf Gesundheit, Sicherheit oder Komfort der sitzenden
Person zu optimieren. Beispiele umfassen US-Patent Nr. 5,000,515
von Deview und US-Patent Nr. 5,442,843 von Siekman et al. Außer der
Verwendung von Schaumstoff in gefertigten Sitzen werden Schaumstoffsitzmaterialien
zur bedarfsgerechten Konstruktion von Sitzen an Klinikpersonal verkauft.
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Die
Lebensdauer von Schaumstoffkissen wird beträchtlich verkürzt, wenn
der Schaumstoff mit Flüssigkeiten
wie Schweiß oder
Urin in Kontakt kommt. Sitzkissen können deshalb einen Kunststoffüberzug aufweisen,
um sie trocken zu halten, aber der Überzug kann einen negativen
Einfluss auf die Fähigkeit
des Kissens haben, den Druck zu verteilen und die Kontaktfläche mit
der Person aufheizen. Schaumstoffkissen können auch mit einer Siliconabdichtung
oder einer anderen Wasser abweisenden Verbindung beschichtet sein,
aber solche Beschichtungen können
das Verhalten des Kissens negativ beeinflussen.
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Die
Kissenform kann verwendet werden, um das Druckverteilungsverhalten
zu verbessern und kann für
den Bedarf des Benutzers ausgebildet sein, wobei jedoch alle Vorteile
einer speziellen Gestaltung beeinträchtigt werden, wenn der Benutzer
bezüglich des
Kissens nicht wie beabsichtigt sitzt.
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Die
Unzulänglichkeiten
von Schaumstoffkissen charakterisieren allgemein auch Gelkissen,
die außerdem
dazu neigen, das Gewicht einer Sitzvorrichtung signifikant zu erhöhen und
das Druckverteilungsverhalten von Gelkissen wird durch Veränderungen
der Umgebungstemperatur negativ beeinflusst.
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2. Pneumatische Vorrichtungen
zum Sitzen
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Verschiedene
Produkte verwenden einen positiven Druck von Luft oder einem anderen
Fluid, um die Eigenschaften von Vorrichtungen zum Unterstützen des
menschlichen Körpers
zu beeinflussen. Diese umfassen Liegepolster, Luftkammern, das ROHO-Rollstuhlkissen
(US-Patent Nr. 4,698,864 von Graebe) und einstellbare Automobilsitze.
Produkte dieser Sorte verwenden Fluidblasen, um auf bestimmte Teile
der Anatomie Druck auszuüben.
Die Vorrichtung kann nur aus Blasen bestehen, einer seriellen Kombination
von Schaumstoff und Blasen oder einer parallelen Kombination von
Kissen und Pneumatik. Im Falle einer seriellen Kombination von Schaumstoff
und Blasen, wie sie in einigen Autositzen und Luftkammern eingesetzt
werden, werden die Blasen verwendet, um die Form und damit den Kontaktpunkt
des Benutzers mit dem darunter liegenden Schaumstoffkissen einzustellen.
In parallelen Anwendungen, die in bestimmten Rollstuhlkissen und Liegepolstern
verwendet werden, ist der Schaumstoff typischerweise mit den Blasen
verbunden und ergibt eine minimale Polsterung falls der Druck verloren geht,
und modifiziert auch signifikant die pneumatische Impedanz der Luftblasen,
sollte ihr Belastungszustand sich verändern.
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Viele
oder vorstehenden Vorrichtungen verwenden eine konstante Masse an
Luft oder anderem Fluid, wobei das Volumen der Vorrichtung und der Druck
darin mit der Position und Bewegung des Benutzers schwanken. Wenn
beispielsweise das Polster dick genug ist, dass der Benutzer nicht
durchdrückt,
und der Benutzer sitzt auf dem aufgeblasenen Polster, verdrängt der
Benutzer einen Teil des Volumens des Kissens und der Innendruck
steigt, möglicherweise
beträchtlich.
Wenn sich das Gewicht des Benutzers um das Kissen verschiebt, erzeugt
der Innendruck einen Balloneffekt, was ein Gefühl der Instabilität vermittelt.
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Pneumatische
Kissen weisen bedingt durch die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen
der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks mit der Zeit, einen
engen Parameterbereich auf, in dem akzeptables Druckverteilungsverhalten
erreicht werden kann. Wenn außerdem
ein pneumatisches Kissen ein Loch entwickelt, verliert es schnell
an Luft, was den Benutzer ungepolstert auf dem Kissensubstrat sitzen
lässt.
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Die
dem Oberbegriff der Ansprüche
entsprechende
US 5,029,939 offenbart
einen Fahrzeugsitz, in dem ein Kissen aus zahlreichen Stützab schnitten gebildet
ist. Jeder Abschnitt ist mit einer Druckzufuhrleitung verbunden
und die Abschnitte sind in zwei Gruppen angeordnet. Es können auf
die beiden Gruppen von Stützabschnitten
unterschiedliche Drücke
aufgebracht werden, so dass die Person im Sitz abwechselnd durch
verschiedene Teile des Sitzkissens unterstützt werden kann.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
wird ein Polstersystem zur Verfügung
gestellt zum Unterstützen
einer Masse, wobei das Polstersystem eine Anordnung von Schaumelementen
umfasst, wobei jedes Schaumelement eine Außenfläche und eine Länge aufweist, jedes
Schaumelement derart angeordnet ist, dass seine Außenfläche im Wesentlichen
von der Außenseite
irgendeines anderen Schaumelements sowohl unter Bedingungen der
Kompression und Relaxation irgendeines Schaumelements getrennt ist,
und eine Matrix, um jedes Schaumelement in einer Unterstützungskonfiguration
in Bezug auf die Masse zu halten, worin ein Drucksystem zu jedem
Schaumelement ein Fluid zuführt
und eine Steuerung den Druck des Fluids in der Weise reguliert,
dass jedes Schaumelement aktiv vorgespannt wird, um im Wesentlichen gleichmäßigen konstanten
Druck über
einen Lastbereich in Zuordnung zur Masse zeigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Matrix eine Anordnung von Bindungen
zwischen jedem Schaumelement und einer kontinuierlichen Bodenfläche sein.
Die Außenfläche jedes
Schaumelements kann über
die gesamte Länge
jedes Schaumelements durch ein Schmiermaterial getrennt sein, derart,
dass jegliche Scherkraft, die zwischen jedem Schaumelement und irgendeinem
anderen Schaumelement übertragen wird,
unwesentlich ist. Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung kann die Außenfläche jedes Schaumelements
mindestens teilweise umschlossen sein. Die unterstütze Masse
kann eine Person sein, die sitzt oder liegt. Außerdem kann die unterstützte Masse
ein Frachtstück
sein. Jedes Schaumelement kann das Längenverhältnis einer kurzen Säule aufweisen
und jedes Schaumelement kann ein Längenverhältnis im Bereich zwischen ungefähr eins-zu-zwei (1 : 2) bis
ungefähr
drei-zu-eins (3 : 1) aufweisen. Jedes Schaumelement zeigt im Wesentlichen
konstante Kraft pro Flächeneinheit,
wenn es die Masse unterstützt
und kann, wie unten definiert, einen Übergangsdruck von mehr als
11 kPa (80 mm Hg) aufweisen oder im Wesentlichen im Bereich von 3,3
kPa bis 11 kPa (25 bis 80 mm Hg). In dieser Beschreibung und den
beigefügten
Ansprüchen
werden Druck und Belastung in Einheiten von Millimeter Quecksilbersäule (mm
Hg) oder in Kilopascal (kPa) ausgedrückt, wo 1 mm Hg 0,133 kPa entspricht.
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Gemäß weiterer
alternativer Ausführungsformen
der Erfindung kann jedes der Schaumelemente eine Breite aufweisen,
derart, dass Strukturmerkmale der unterstützen Masse keine Scherkräfte aufeinander
ausüben,
da sie vom Polster unterstützt
werden, und jedes der Schaumelemente kann eine Breite von weniger
als 10 cm (4 Zoll) aufweisen. Die Schaumelemente können in
einer integralen Hülle
eingekapselt sein, die undurchlässig
für Flüssigkeit
sein kann, die Urethan sein kann und die aus Kunststofffolie gebildet
sein kann.
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Das
Polster kann eine Mehrzahl von offenzelligen Schaumelementen aufweisen,
und das Drucksystem kann das Fluid der Mehrzahl von offenzelligen
Schaumelementen entweder einzeln oder in Gruppen zuführen. Jedes
Element kann eine flexible Abdeckung aufweisen und die flexible
Abdeckung kann luftdicht sein.
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Aufgrund
der in Bezug auf die vorliegende Erfindung gelehrten Innovationen
wird ein Polster zur Verfügung
gestellt, das die Druckverteilungscharakteristiken eines pneumatischen
Sitzpolsters mit verbesserter Stabilität, gutartigem Versagensmodus
und den Vorteilen des effektiven Lagerns eines Objekts auf einem
festen Kissen kombinieren kann.
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Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine typische experimentelle
Hystereseschleife, die Belastung in Funktion des Drucks für einen
offenzelligen Schaumstoff zeigt.
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2 zeigt eine Verdrängungs-Druck-Hystereseschleife
eines Schaumstoffmaterials, das für ein Polster für Sitzanwendungen
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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3 ist eine Perspektivschnittansicht
eines Sitzpolsters gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt den Effekt beim
Anwenden von Vakuum auf Verdrängungs-Druck-Kurven auf
die Stellung des Knickübergangspunktes
für einen
bestimmten offenzelligen Schaumstoff.
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5 zeigt eine Konturdarstellung
des durch ein einfaches ungeregeltes Polster auf ein künstliches
Gesäß ausgeübten Drucks.
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6 zeigt eine Konturdarstellung
des auf das künstliche
Gesäß von 5 durch ein Polster mit Vakuumanwendung
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ausgeübten
Drucks.
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7 ist ein Schema eines monolithischen Polsters
mit aktiver Steuerung des Drucks gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist eine Photographie,
die die interne Modularstruktur eines einstellbaren Polstersystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 stellt ein schematisches
Diagramm eines Aufblassystems für
ein Polstersystem vom modularen Typ gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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10 stellt ein schematisches
Diagramm eines alternativen Aufblassystems für ein Polstersystem vom modularen
Typ gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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11 stellt ein schematisches
Diagramm eines weiteren alternativen Aufblassystems für ein Polstersystem
vom modularen Typ gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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12 ist eine Photographie
eines einstellbaren Polstersystems der vorliegenden Erfindung, wobei
das Druckwandlerteil oben darauf platziert ist.
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13 zeigt eine Konturdarstellung
des auf eine auf einem Polster vom modularen Typ gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sitzenden Person einwirkenden Druckes.
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Ausführliche Beschreibung spezieller
Ausführungsformen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
dieser Erfindung nutzen die Eigenschaft der Nichtlinearität der Verschiebungs-Druck-Hysteresiskurve
(oder Belastung-Verdrängung),
die Schaumstoffmaterialien charakterisiert. Die Verdrängungs-Druck-Hysteresiskurve
eines typischen Schaumstoffs wird mit Bezug zu 1 diskutiert, wo die Verdrängungs-Druck-Hysteresiskurve allgemein
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Horizontalachse 12 ist
in Dehnung graduiert, oder die teilweise Verdrängung eines Testgewichts, das
den Schaumstoff komprimiert, als einen Bruchteil der Dicke des Schaums
in Einheiten von cm pro cm, wobei der Ursprung keiner Verdrängung entspricht.
Die Verdrängung
nimmt nach rechts zu. Die Vertikalachse 14 ist in kPa graduiert.
Das durch die Verdrängungs-Druck-Hysteresiskurve 10 beschriebene
Testprotokoll läuft
entlang eines Asts mit zunehmender Kraft und Verdrängung (durch
nach rechts weisende Pfeile 16 angegeben), bis zum Ende 18 des
Tests, an welchem Punkt die Kraft abnimmt und dann der Schaumstoff
sich gemäß dem Ast
der Hysteresekurve 10 entspannt, der durch nach links weisende
Pfeile 20 angegeben ist. Hysterese bezieht sich auf die
bestimmten Formen der beiden Äste
der Kurve 10 in den entsprechenden Richtungen mit zunehmendem
und abnehmendem Druck.
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Sowohl
experimentelle Ergebnisse wie die Theorie zeigen, dass ein Anfangsteil 22 der
Verdrängungs-Druck-Hysteresiskurve 10 nahezu
linearelastisch ist, d. h. das Belastungs-Verdrängungs-Verhältnis folgt dem Hookeschen
Gesetz. Daher nimmt in der linear-elastischen Phase 22 die
vom Schaumstoff für
eine gegebene Verdrängung
gehaltene Kraft proportional mit der Verdrängung zu. In weiteren Teilen der
Verdrängungs-Druck-Hysteresekurve 10 durchläuft der
Schaumstoff ein "Knickplateau" 24 und schließlich eine „Verdichtungsphase" 26. Das
Knickplateau 24 wird auch als „Knickphase" bezeichnet. Der
Ausdruck „Übergangsdruck" wie er in dieser
Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verwendet wird, bezieht
sich auf den Druck 28, bei dem, bei Kompression, zwischen
der linear-elastischen Phase und der Knickphase des Schaumstoffs
der Übergang
erfolgt. Alternativ kann der Übergangsdruck
als „Knickschwelle" bezeichnet werden.
Gleichermaßen
bezieht sich die Übergangsverdrängung 30 auf
die Verdrängung
des Materials am ersten Biegungspunkt 32 der Druck-Verdrängungs-Hysteresiskurve.
Es herrscht breite Übereinstimmung
in der Literatur, dass der Übergang
zur Knickplateauphase 24 durch das Falten der Zellwände des
Materials bedingt ist.
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Ein
weiterer Aspekt des Schaumstoffverhaltens ist, dass das Volumen
der Schaumstoffzellen sich bei kleinen Lastinkrementen in der elastischen Phase 22 nicht
signifikant verändert.
Wenn die Last die Knickschwelle 28 übersteigt, knickt der Schaum rasch
ein, bis die Last aufgehoben wird oder bis der Schaumstoff die Verdichtungsphase 26 erreicht.
Im Allgemeinen wird die Verdichtungsphase 26 bei ungefähr 25% des
Anfangsvolumens des Schaumstoffs erreicht. Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird die relativ flache Natur der Knickplateauphase 24 mit
Vorteil verwendet, um im Wesentlichen konstanten Druck gegen den
Körper
einer auf einem Polster sitzenden Person vorzusehen.
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Eine
auf einem auf diese Weise gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung konstruierten Polster sitzende Person
kann effektiv als „auf
einem Feststoff schwebend" bezeichnet
werden, in dem die Kraft pro Flächeneinheit,
die vom Körper der
Person erfahren wird, im Wesentlichen von der Orientierung und Position
des Körpers
auf dem Polster unabhängig
ist. Außerdem
ist die Verschiebung von Fluid, das für das Schweben eines Körpers auf einem
Fluid verantwortlich ist, im Wesentlichen eliminiert.
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Materialien
mit den Merkmalen eines flachen Knickplateaus 24, das nach
einem scharfen ersten Biegungspunkt 32 (auch als „Knie" der Kurve 10 bezeichnet)
bei einem Übergangsdruck
in einem typischen Bereich von 3,3–11 kPa (25–80 mm Hg) auftritt, sind gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung für
Sitzanwendungen bevorzugt. Wenn die gestützte Masse ein Frachtstück ist oder
etwas Anderes als ein Mensch ist, können höhere Drücke wünschenswert sein. Der spezielle
Schaumstofftyp bestimmt den Steifigkeitsbereich, in dem die Vorrichtung
funktioniert, aber es kann eine breite Vielfalt von Schaumstoffen
im Rahmen der beanspruchten Erfindung eingesetzt werden. Die flache
Ausbildung der Kurve 10 impliziert, dass eine im Wesentlichen
konstante Maximalkraft aufgebracht wird, um die sitzende Person
zu unterstützen.
Mit Bezug zu 2 entspricht
die Verdrängungs-Druck-Hysteresiskurve 34 einem
Schaumstoffmaterial mit gewünschten
Merkmalen, nämlich
Polyetherschaumstoff Grade 2560CFR, hergestellt von OD Flexible
Foam der Ohio DEC Plastic Group. Dieser Schaumstoff kann von Special
Design Products in Columbus, OH erhalten werden.
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Nun
mit Bezug zu 3 ist eine
Perspektivschnittansicht eines Sitzpolsters gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet ist.
Das Polster 40 enthält
eine oder mehrere Schaumzellen 42, die auch als Schaumelemente
bezeichnet werden, die nebeneinander in einer Anordnung ange ordnet
sind, die zum Beispiel in Form eines Rechtecks von m × n Zellen
vorliegen kann, aber keine regelmäßige Form aufweisen müssen. Gleichermaßen sind
Schaumzellen 42 als rechte Säulen gezeigt, aber die Schaumzellen 42 können im
Rahmen der beanspruchten Erfindung andere Formen annehmen. In einer
Ausführungsform
sind die Schaumzellen 42 in einer 6 × 6 Matrix angeordnet, wo jede
Zelle einen quadratischen Querschnitt mit ungefähr 6,4 cm (2,5 Zoll) an einer
Seite aufweist, und jede Zelle ungefähr 8,9 cm (3,5 Zoll) hoch ist. Jede
Zelle besteht aus einem Block von offenzelligem Schaumstoff, der
in einer Hülle
(oder „Beutel") 44 aus
flexibler, luftdichter Folie umschlossen ist, die zum Beispiel aus
Urethan hergestellt sein kann. Der jede Schaumzelle umschießende Beutel 44 kann eine
Reihe von Funktionen erfüllen.
Der Beutel 44 kann den Schaumstoff vor Flecken oder anderer Nässe schützen, die
ansonsten das Wachstum von Schimmel fördern und die nutzbare Lebensdauer
des Polsters verkürzen
kann. Ein weitere Funktion ist, Gleitfähigkeit bei der Relativbewegung
benachbarter Schaumzellen vorzusehen. Auf diese Weise werden bei
Sitzanwendungen Bereiche, zu die einem höheren Auftreten von Druckgeschwüren neigen
wie Sitzbein, Steißbein,
Trochanter usw. durch separate und unabhängig kompressible Elemente
gestützt,
so dass sowohl Spitzendruck und Scherkräfte reduziert werden.
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Das
Polster 40 ist in einer Stoffmatrix (oder „Bahn") 46 enthalten,
die die einzelnen Zellen hält,
so dass sie in einer speziellen geometrischen Anordnung bleiben.
Die Matrix 46 ist irgendeine Struktur oder ein Befestigungsmittel,
das freie vertikale Bewegung von Schaumzellen 42 erlaubt,
aber seitliche Bewegung minimiert. Alternativ können Schaumzellen 42 (ansonsten
als „Säulenelemente" bezeichnet) oder
Beutel 44 an ihren Bodenseiten mit einer kontinuierlichen
Bodenfläche 50 verbunden
sein, wie es unten weiter diskutiert wird. Verbinden der Bodenseiten
der Zellen 42 mit einer kontinuierlichen Bodenfläche 50 kann
zum Beispiel durch Schweißen
oder Klebstoff erfolgen. Die Matrix 46 kann eine Ober seite 48 aufweisen,
die aus einem Material konstruiert ist wie zum Beispiel einem Spandexgebilde,
das freie Bewegung ohne Skineffekt erlaubt. Außerdem kann die Oberseite 48 auch
mit Vorteil wasserdicht sein.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die wasserdichte Abdeckung (oder die
wasserdichte Membran) 48 in zahlreiche Teile aufgeteilt
sein, die Unterteilen des Polsters entsprechen. Eine solche Abdeckung
ergibt die Vorteile der Wasserdichtigkeit ohne Einführung von
Skineffekten, die das Druckverteilungsverhalten des Polsters verringern.
Da einzelne Abschnitte der Abdeckung 48 eine kleinere Flächenausdehnung
aufweisen als eine einteilige Abdeckung, kann ein dünneres Material verwendet
werden, während äquivalente
Abrieb- und Reißfestigkeit
erhalten bleibt.
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Das
Polster ruht auf einer Bodenfläche 50, die
eine wesentlich geringere Flexibilität aufweisen kann als die anderen
Komponenten des Polsters 40. Insbesondere hält eine
Befestigung von Beuteln 44 an der Bodenfläche 50 durch
Verschweißen,
Annähen
oder Kleben jeglicher Art die Beutel 44 in im Wesentlichen
fester relativer horizontaler Anordnung. Beispiele von für die Bodenfläche 50 geeigneten
Materialien umfassen Kunststofffolie oder wenig dehnbare textile
Flächengebilde.
Die bezüglich
einer integralen Matrix 46 und einer Oberseite (oder „Abdeckung") 48 beschriebene
Struktur kann bezüglich leichter
Konstruktion und Herstellungskosten als vorteilhaft betrachtet werden.
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Ein
Vorteil der multizellulären
Struktur des Polsters 40 ist, dass es ein Maßschneidern
zum Unterstützen
eines Objekts beliebiger Gestalt oder zum Vermeiden von übermäßigem Druck
auf eine Wunde oder einen anatomischen Vorsprung ermöglicht.
Zum Beispiel ist ein Objekt einer beliebigen unregelmäßigen Form
auf einem Polster, das gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist. Sollte der Druck in irgendeinem Be reich
des Objekts den Druck am Übergang
von elastisch/knicken des Schaumstoffs übersteigen, wandert der Schaumstoff
in dem Bereich plastisch vom Objekt weg. Diese leichte Bewegung
bewirkt, dass andere Bereiche des Objekts einen erhöhten Anteil
des Gewichts tragen, und der Druck im betrachteten Bereich entsprechend
weniger trägt.
Zusätzlich
kann die Höhe
der einzelnen Elemente der Schaumanordnung dem Bedarf gemäß ausgebildet
sein, so dass es an ein besonderes Merkmal des unterstützten Objekts
angepasst ist.
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Nun
wurde mit Bezug zu 4 gefunden, dass
es durch Aufbringen eines Vakuums oder eines positiven Drucks in
der Größenordnung
von weniger als 7 kPa auf eine pneumatisch isolierte Masse von offenzelligem
viskoelastischem Material (z. B. einem Schaumstoffblock in einer
flexiblen luftdichten Hülle) möglich ist,
die mechanische Last zu beeinflussen, die notwendig ist, damit sich
das Material von der linearelastischen Phase 22 in die
Knickphase 24 bewegt. Drei Verdrängungs-Druck-Kurven 52, 54 und 56 sind
in 4 gezeigt. Kurve 52 entspricht
einem zur umgebenden Atmosphäre
offenen Schaum, während
Kurve 54 dem selben Schaumstoff entspricht, auf den ein
leichtes Vakuum von ungefähr –0,7 kPa aufgebracht
wurde, und Kurve 56 entspricht dem selben Schaumstoff mit
einem aufgebrachten Vakuum von ungefähr –1,7 kPa. Die auf das Material
aufgebrachte Gesamtkraft (pneumatische Kraft + mechanische Kraft)
bleibt am Übergangspunkt 32 nahezu konstant,
weil es aber möglich
ist, den aufgebrachten pneumatischen Druck zu steuern, ist man effektiv
in der Lage, die mechanische Kraft zu steuern, die erforderlich
ist, um eine Faltung zu induzieren. In der Tat bleibt die Gesamtkraft
(pneumatisch + mechanisch), bei der das Knickverhalten beginnt,
nahezu konstant, obwohl die einzelnen mechanischen und pneumatischen
Komponenten veränderlich
sein können.
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Pneumatischer
Druck und mechanische Last können
kombiniert werden, um den Schaum in seine Knickphase zu bringen,
worauf der Schaum stoff einknickt, bis die Last aufgehoben wird oder
die Verdichtungsphase des Materials erreicht wird. Durch Nutzung
der Verdrängungs-Druck-Kurve auf diese Weise
können
sowohl Maßschneiderung
und aktive Steuerung in Bezug auf den auf einzelne Elemente des
unterstützten
Objekts durch Schaumelemente des Polsters ausgeübten Druck erreicht werden.
Da Anwendung eines Vakuums oder positiven Drucks auf eine spezielle
Zelle des Polsters ermöglicht,
den Übergangspunkt
zu verändern,
kann im optimalen Fall der Übergangspunkt
von elastisch/knicken des Schaumstoffs nur infinitesimal über der
Durchschnittsdruck (Gewicht pro Flächeneinheit) gesetzt werden,
der vom Objekt ausgeübt
wird. Nach einer Beruhigungsperiode (und ohne Schereffekte, Skineffekte
usw.) kann der Druck an irgendeinem speziellen Punkt des Objekts
auf gleich dem Durchschnitt beschränkt werden. Sollte der Bereich
des Objekts, der mit dem Schaumstoff in Kontakt ist, beim Übergang zunehmen
(zum Beispiel als Folge einer Zuspitzung), sollte dies weiter dazu
neigen, den Druck auf das Objekt an irgendeinem gegebenen Punkt
zu verringern.
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Die
Entdeckung kann für
jegliche Anwendung genutzt werden, bei der es wünschenswert ist, die auf irgendeinem
speziellen Punkt an einem Objekt aufgebrachte Maximalkraft zu beschränken. Ein Beispiel
dafür ist
das Bereitstellen eines verbesserten einstellbaren Sitzpolsters,
insbesondere zur Verwendung in einem Rollstuhl. Bei dieser Anwendung kann
die Erfindung gegenüber
bekannten Rollstuhlkissen die folgenden Vorteile bieten. Die Anwendung von
Druck oder Vakuum zum Festlegen des Übergangsdrucks einzelner Zellen
nahe dem Übergang zum
Knickplateaubereich bei im Wesentlichen konstantem Druck ermöglicht besser
optimierte Steuerung des Drucks auf eine sitzende Person, was Spitzengrenzflächendruckwerte
reduziert und bei der Vermeidung von Druckgeschwüren hilft. Wenn außerdem höhere Vakuumwerte
(in der Größenordnung von
14 bis 35 kPa) auf einen kleinen Sektor des Polsters aufgebracht
werden, kann es auf ein beträchtlich kleineres
Volumen komprimiert werden als im Normalzustand. Dies hat den Effekt,
diesen Bereich des Polsters unter dem Benutzer hervorzuziehen, wobei der örtliche
Grenzflächendruck
vorübergehend
und wesentlich gesenkt wird. Durch periodisches Anwenden dieser
Technik auf verschiedene Bereiche des Polsters kann der Druck auf
eine Weise verändert werden,
die einer Drehbewegung äquivalent
ist. Ein signifikanter Vorteil dieser Methode ist, dass sie periodische
Druckentlastung erlaubt, ohne die Position des Benutzers signifikant
zu verändern.
Traditionelle Methoden der Druckentlastung beinhalten Anheben des
Benutzers um etwa 7,6 cm (3 Zoll) oder Drehen um 45 Grad, was eine
signifikant einwirkende Prozedur ist.
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Ein
Schaum, der zur Verwendung in aktiv mit Druck beaufschlagter Zellanwendung
geeignet ist, ist ein Material, dessen Belastung-Verdrängungs-Hysteresekurve 10 in 1 abgebildet ist. Das Material
ist Polyetherschaumstoff Grade 15080, hergestellt von OD Flexible
Foam der Ohio DEC Plastic Group. Dieser Schaum kann von Special
Design Products, Columbus, OH erhalten werden.
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Die
Wirksamkeit der Erfindung kann durch Bezug zu 5 erkannt werden, worin eine Konturdarstellung 58 des
Druckprofils gezeigt ist, das von einem typischen ungeregelten Polster
auf einem Testaufbau ausgeübt
wird, der ein menschliches Gesäß simuliert. 5 zeigt den Basisfall; der
Maximaldruck an jedem Punkt ist Punkt 60, wo ein Druck
von 5,7 kPa (43 mm Hg) ausgeübt
wird. Im Gegensatz dazu zeigt 6 eine
Konturdarstellung 62 eines Druckprofils, das auf das selbe
künstliche
Gesäß wie bei 5 ausgeübt wird, jedoch wurde im Fall
von 6 ein Vakuum auf
das Polster aufgebracht, wodurch der Innendruck günstiger
beeinflusst wird. Der Maximaldruck, der an Punkt 64 auftritt,
ist auf etwa 4,7 kPa (35 mm Hg) gefallen. Außerdem hat sich die gesamte
Druckverteilung zu niedrigeren Drücken verschoben. Es ist anzumerken,
dass die Fläche
der Niederdruckbereiche um den Umfang sich etwas erweitert hat;
die Last verteilt sich auf eine größere Fläche. Wie erwartet zeigen die
Bereiche unter den simulierten Sitzknochen die größte Druckentlastung. Es
ist anzumerken, dass der Druck entlang der Mittellinie ebenso signifikant
gefallen ist. Dieser Effekt ist über
die Zeit beständig;
es wurden Tests über
zwei Stunden durchgeführt,
die übereinstimmende
Ergebnisse brachten.
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Nun
mit Bezug zu 7 ist in
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ein einziges einstückiges Polster verwendet und
in einer flexiblen, luftdichten Folie eingeschlossen. 7 zeigt ein Schema einer
solchen Ausführungsform. Vakuum
oder positiver Druck wird auf das gesamte Polster 40 aufgebracht,
um die Gesamtkraft zu beeinflussen, die auf Teile des Polsters wirken,
so dass sie sich dem Übergangsdruck
nähert.
Der Druck wird von einem Druckwandler 70 überwacht,
der ein Signal erzeugt, das den Druck im Polster 40 anzeigt,
und das Signal wird einer Steuerung 72 zugeführt, die Pumpen 74 und
Ventile 76 reguliert, um einen gewünschten Druck einzuhalten.
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Die
oben mit Bezug zu 3 beschriebene Konfiguration,
in der zahlreiche Schaumstoffzellen in einer Anordnung angeordnet
sind, ist in Perspektivansicht in 8 gezeigt.
Eine alternative Konfiguration ist schematisch in 9 abgebildet, worin jede Zelle mittels
eines flexiblen Schlauchs mit einer oder mehreren weiteren Zellen
verbunden ist, um eine Gruppe 80 auszubilden. Jede Gruppe 80 ist
mit einem Ventil 82 verbunden, das sie von einem Verteiler 84 pneumatisch
isoliert. Jede Gruppe 80 weist einen gemeinsamen pneumatischen
Druck auf. Einzelne in einer Gruppe 80 enthaltene Zellen
brauchen nicht physikalisch zusammenhängend sein, so dass verschiedene
Druckregelstrategien implementiert sein können. Eine Strategie sieht
vor, dass die Summe der Momente aufgrund von Druck auf die interessierenden
Zellen um das Zentrum des Drucks null ist, so dass aktive Manipulation
der Zellenanordnung keinen Effekt auf eine Verschiebung des Schwerpunkts einer auf
dem Polster sitzenden Person hat. Der Verteiler 84 kann
auf irgendeinen beliebigen Druck geregelt sein. Durch Öffnen von
Ventil 82, das eine Gruppe 80 von Zellen mit dem
Verteiler 84 verbindet, kann die Gruppe 80 auf
irgendeinen beliebigen pneumatischen Druck gebracht werden. Diese
Konfiguration einzeln ansprechbarer Gruppen von Zellen wird als modulare
Polstersteuerung bezeichnet. Ein alternatives Schema zum Regeln
des Drucks in den Gruppen 80 von Zellen ist in 10 abgebildet. In dieser
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind separate Verteiler 86 und 88 für Vakuum
bzw. positiven Druck vorgesehen.
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Nun
mit Bezug zu 11 ist
ein weiteres alternatives Schema zum Regeln von Druck in Gruppen
von Zellen 80 gezeigt. Mehrere Zonen 90, 92, 94 und 96 von
Zellen werden durch Regelventile 98 einzeln angesprochen,
die alternativ aktiviert werden können, um eine spezielle Zone
entweder mit einem Druckverteiler 100 zu verbinden oder
zu ermöglichen,
dass die Zone sich über
einen Verteiler 102 an die Atmosphäre entlüftet. Ventile 104 und 106 steuern
den Zugang zum Druckverteiler 100 von Vakuumpumpe 108 und
der Atmosphärenöffnung 110.
Periodisch wird, typischerweise in der Größenordnung von viermal pro
Stunde, eine bestimmte Zone, zum Beispiel Zone 90 angesprochen
und eine Druckentlastung auf folgende Weise durchgeführt. Zone 90 wird durch
Ventil 98 mit dem Druckverteiler 100 verbunden,
während
die übrigen
Zonen über
den Verteiler 102 an die Atmosphäre abgelassen werden. Die Vakuumpumpe 108 arbeitet
und die Ventile 104 und 106 sind so konfiguriert,
dass ein partielles Vakuum aus den Zellen der Zone 90 gezogen
wird, bis ein geeigneter Sollpunkt erreicht ist, typischerweise
in der Größenordnung
von –14
kPa. Die Ventile 104 und 106 werden gesperrt,
um die Zone 90 zu isolieren und die Pumpe 108 wird
deaktiviert. Für
den nächsten
Zeitraum, typischerweise 2–3
Minuten, wird die Pumpe 108 aktiviert, wie es notwendig
ist, um Zone 90 „abzurunden", um kleine Lecks
oder Hysteresiseffekte im Schaumstoff auszugleichen. Nach diesem
Intervall von 2–3
Minuten wird das Ventil 98 gesperrt, so dass Zone 90 auf
Atmosphärendruck
zurück
kommen kann. Die Ventile 104 und 106 können dann
so konfiguriert werden, dass ein leichter Überdruck in Zone 90 in
der Größenordnung
von 0,7 kPa, über eine
Dauer in der Größenordnung
von 30 Sekunden erreicht wird. Zone 90 wird dann wieder
an die Atmosphäre
belüftet,
und der Prozess wird für
eine andere Zone wiederholt. Es können unter Verwendung der gezeigten
Konfiguration auch Variationen der beschriebenen Druckablassstrategie
erreicht werden.
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Mit
Bezug zu 12 wird eine
Druckwandlerausgabe von einem Satz Drucksensoren erhalten, die im
Druckwandlerteil 120 angeordnet sind, das zwischen dem
Polster 40 und dem unterstützten Objekt oder der Person
positioniert ist. Ein solches Teil 120 kann verwendet werden,
um die Wirksamkeit eines bestimmten Sitzpolsters zu bewerten.
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Wie
im Falle des oben beschriebenen passiven Sitzpolsters ist das aktive
Polster, auf das Vakuum oder Druck aufgebracht wird, in einer Stoffabdeckung
enthalten, die die einzelnen Zellen zwingt, in einer bestimmten
geometrischen Relation zu bleiben. Der Stoff erlaubt freie vertikale
Bewegung, schränkt aber
seitliche Bewegung ein. Die Oberseite der Abdeckung ist aus Material
konstruiert (z. B. Spandex), das freie Bewegung erlaubt, ohne Skineffekte,
die die Schaumstoffzellen durch Seitenkräfte koppeln können.
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Das
Polster ruht auf einer festen Basis, die geeignete Durchtritte enthält, um Verbindung
der Schlauchverbindungen zwischen Schaumstoffzellen und zwischen
Gruppen von Zellen und dem Ventilverteiler zu ermöglichen.
Gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann das Polster im passiven Modus betrieben
werden, wobei die Schaumstoffzellen über zahlreiche Schottenanschlüsse an der
Basis des Polsters zur Umgebung offen sind. Alternativ können Leitungsanschlüsse in der
Bodenfläche
des Polsters eingebracht sein. Es ist eine Option vor gesehen zum
Anschließen
von Schläuchen
an die Schottenanschlüsse,
um Vakuum oder Druck gemäß der Lehren
der vorliegenden Erfindung anzuwenden.
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13 zeigt eine Konturdarstellung 122 eines
Druckprofils, das auf eine sitzende Person ausgeübt wird, wobei der Zellendruck
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung modular reguliert wird. Der Maximaldruck
von 67 mm Hg ist an Position 124 angegeben. Außer, dass
sie für
Anwendungen anwendbar ist, wo Druckgeschwüre zu befürchten sind (z. B. Rollstühle oder
Betten), kann die vorliegende Erfindung auch auf jegliche Situation
angewendet werden, wo Langzeitimmobilität und Druckbeeinflussung oder
-entlastung ein Thema sind (z. B. Automobilsitze, Militärflugzeuge,
Pflegeheime) und/oder in jeglicher Situation, wo Bewegung oder Drehen
unerwünscht
und/oder unmöglich
ist. Die vorliegende Erfindung ist auch auf bestimmte Verpackungssituationen
anwendbar, in welchen Fällen
der vom Polster unterstützte
Körper
ein Frachtstück
ist. Die beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung sind nur als Beispiel vorgesehen und den Fachleuten
werden zahlreiche Variationen und Modifikationen ersichtlich sein.
Alle diese Variationen und Modifikationen sind im Rahmen der vorliegenden
Erfindung vorgesehen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.