Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Wanda Hörnig

Simulation der Betäubung Afrikanischer Welse mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse

(FEA)

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-109852

title (eng.)

Simulation of electrical stunning of African catfish using the finite element (FE) anaylsis

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2017

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/hoernigw_ss17.pdf

abstract (deutsch)

Die Elektrobetäubung ist ein Betäubungsverfahren, welches zu einem schnellen und sicheren Bewusstseinsverlust des Schlachttieres führen kann. Nicht nur bei der Schlachtung von landwirtschaftlichen Nutztieren findet sie Anwendung, sondern auch im Aquakulturbereich kann die Elektrobetäubung eine geeignete Methode sein, um größere Mengen an Fisch auf einmal zu betäuben. Durch die steigende Produktion des Afrikanischen Welses als Speisefisch in Deutschland ist die Notwendigkeit einer tierschutzgerechten Betäubungsmethode aktueller denn je. §12 Abs. 1 der Deutschen Tierschutzschlachtverordnung fordert, dass Tiere, die der Schlachtung zugeführt werden, „so zu betäuben“ sind „dass sie schnell und unter Vermeidung von Schmerzen oder Leiden in einen bis zum Tod anhaltenden Zustand der Wahrnehmungs- und Empfindungslosigkeit versetzt werden.“ Daher ist eine Untersuchung erforderlich, ob die Betäubung mittels elektrischer Durchströmung eine geeignete Betäubungsmethode für den Afrikanischen Wels darstellt.

 

In der vorliegenden Studie wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) die elektrische Durchströmung anhand eines dreidimensionalen Modells des Kopfes des Afrikanischen Welses simuliert. Dabei wurden sowohl der Stromfluss als auch die Stromdichte in den einzelnen Geweben des Modells berechnet. Durch ein solches in silico Modell können sowohl die Anzahl der Tierversuche als auch die Anzahl der Tiere in den Tierversuchen reduziert werden und detaillierte Einblicke in das Verhalten elektrischer Ströme im Gewebe gewonnen werden.

Das für die FEA benötigte 3D Modell wurde auf Basis von CT- und MRT-Aufnahmen eines Afrikanischen Welses erstellt. Anatomisch korrekt, aber vereinfacht wurde es aus den Geweben Haut, Muskulatur, Knochen, Augen und Sehnerven, den Riechnerven, dem Gehirn, dem um das Gehirn befindlichen Fettkörper, den großen Blutgefäßen und den Luftatmungsorganen aufgebaut. Dabei waren die genaue Modellierung der das Gehirn umgebenden Strukturen sowie die Eintrittswege der Nerven und Gefäße in das Gehirn besonders wichtig. Jedem modellierten Gewebe wurde anschließend die der jeweiligen Stromfrequenz entsprechende elektrische Leitfähigkeit zugewiesen. Die elektrischen Leitfähigkeiten wurden der humanmedizinischen Literatur entnommen. Randbedingungen, wie die für die Simulationen nötigen Spannungen, Elektrodenarten und –positionen wurden definiert.

 

Die Simulationen des elektrischen Stromflusses wurden mit unterschiedlichen Frequenzen, Spannungen, Elektrodenarten und –ansätzen ausgeführt. Der Verlauf der elektrischen Ströme wurde visuell dargestellt und die mittleren Stromdichten in den einzelnen Modellgeweben berechnet.

Während der Modellierung der elektrischen Durchströmung zeigte es sich, dass der Großteil des Stromes um das Gehirn und die Luftatmungsorgane floss. Die im Vergleich zum übrigen Gewebe niedrigen Stromdichten im Gehirn bestätigten dies. Eine Variation der Spannung und Position der Elektroden konnte, aufgrund der starken Abschirmung des Gehirns durch die umgebenden anatomischen Strukturen, die elektrische Stromdichte im Gehirn nicht maßgeblich erhöhen.

 

Es ist davon auszugehen, dass aufgrund der in den Simulationen erhaltenen geringen Stromdichten im Gehirn ein langanhaltender Verlust des Bewusstseins beim Afrikanischen Wels durch eine elektrische Durchströmung nicht möglich ist. Durch wesentlich höhere Stromdichten zum Beispiel in der Muskulatur ist eine Schmerzreizung durch Stromstöße ohne Wahrnehmungs- und Empfindungsverlust wahrscheinlich. Auf Grundlage der Ergebnisse der Simulationen ist somit eine Elektrobetäubung aus Tierschutzsicht zu diesem Zeitpunkt nicht zu empfehlen.

Es sollten jedoch Bemühungen dahingehend angestellt werden, die Höhe der elektrischen Stromdichte im Gehirn zu bestimmen, die notwendig ist, um einen sicheren und bis zum Tod anhaltenden Bewusstseinsverlust, wie er in §12 Abs. 1 der Tierschutzschlachtverordnung gefordert wird, zu erreichen. Liegt dieser Wert vor, können die Ergebnisse von Simulationen mit in silico Modellen noch umfassender interpretiert und neue Erkenntnisse zur Wirksamkeit der Elektrobetäubung gewonnen werden.

abstract (englisch)

Electrical stunning is a stunning method which can lead to a rapid and sustained loss of consciousness. This method is used not only during the slaughtering of farm animals, but also in aquacultures electrical stunning may be an appropriate method for stunning larger amounts of fish all at once. Due to the increasing production of African catfish for human consumption in Germany the need for a humane stunning method is more relevant than ever. §12 (1) of the German Regulations for Animal Protection and Slaughter specifies that animals which are sent for slaughter have to be stunned rapidly to avoid pain and suffering. They have to be transfered into a state of unconsciousness and insensibility which lasts until death. Therefore a study is necessary to clarify whether stunning by electric current flow is a suitable stunning method for the African catfish.

 

The present study was carried out by means of the finite element (FE) analysis to simulate electric current flow through a three-dimensional model of the African catfish’s head.

Both the current flow and the current density in the different tissues of the model were calculated. This model enables a reduction in both the number of animal experiments and the number of animals used in the animal experiments as well as enabling detailed insights to be gained into the behaviour of electric currents in tissues.

The three-dimensional model, which was required for FE analysis, was created on the basis of CT and MR images of an African catfish. Anatomically correct, but simplified the three-dimensional model was built from the tissues skin, muscles, bones, eyes and optic nerves, olfactory nerves, brain, fatty-substance around the brain, major blood vessels and air-breathing organs. The precise modeling of the structures surrounding the brain and the entry routes of the nerves and blood vessels into the brain were particularly important. Subsequently, the appropriate electrical conductivity for each tissue was assigned to the respective current frequency. The electrical conductivities were taken from the human medical literature.

Boundary conditions such as voltages, electrode types and positions were defined.

 

The simulations of the electric current flow were performed with different frequencies, electrode types and positions. The course of the electric currents was visually displayed and the current densities of the individual tissues of the model were calculated.

During the modeling of the electric current, it became apparent that most of the current flowed around the brain and the suprabranchial organs. This was confirmed by the low current densities in the brain compared to the current densities in the other tissues.  Due to the strong shielding of the brain by the surrounding anatomical structures a variation in the voltage and positions of the electrodes could not substantially increase the current density in the brain.

 

It can be assumed that due to the low current densities obtained in the simulations a long- lasting loss of consciousness through electrical flow is not possible in African catfish.

Through far higher current densities, for example in the muscles, it is likely that there is a pain stimulus caused by electrical shocks without any loss of perception and sensibility. Thus, on the basis of our results electrical stunning can not be recommended for animal welfare reasons.

However, efforts should be made to determine the amount of the current density which is necessary to achieve a loss of consciousness which persists until death, as required in §12 (1) of the German Regulations for Animal Protection and Slaughter. If this value exists, the results of the simulations from in silico models can be interpreted more fully and new findings on the effectiveness of electrical stunning can be gained.

keywords

Afrikanischer Wels, Elektrische Betäubung, Finite-Elemente-Analyse, African catfish, Electrical stunning, Finite element analysis

kb

11.527