Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von verschiedenen Geweben von Fischen

Der Tierschutz spielt bei der Schlachtung von Tieren eine zunehmende Rolle. So werden viele Tiere vor der Schlachtung elektrisch betäubt. Zur Verbesserung der Verfahren und der Vermeidung von Tierleid können Computersimulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse beitragen. Um den Stromfluss und die Stromdichte im Kopf eines Tieres bei der elektrischen Betäubung zu simulieren, werden die elektrischen Leitfähigkeiten der vorhandenen Gewebe benötigt. Diese Daten liegen jedoch bisher nur für Säugetiere (einschließlich des Menschen) und nicht für Fische vor. Deshalb wurden bei bisherigen Computersimulationen der elektrischen Betäubung die elektrischen Leitfähigkeiten von menschlichen Geweben und den Geweben anderer Säugetiere verwendet. Fisch- und Säugetiergewebe sind in ihrer Zusammensetzung jedoch unterschiedlich, sodass mit Hilfe der elektrischen Leitfähigkeiten von Fischgeweben die Genauigkeit der Computersimulationen wesentlich verbessert werden kann. Um die elektrische Leitfähigkeit von Fischgeweben messen zu können, wurde in dieser Arbeit ein Messaufbau auf Basis der 4-Punkt-Methode entwickelt. Als Stromquelle wurde ein Vielkanal-EKG genutzt, welches im Rahmen einer Masterarbeit an der TU Braunschweig entwickelt wurde (Gehring 2015). Zur zuverlässigen und reproduzierbaren Kontaktierung des Gewebes wurde eine spezielle Elektrodensonde mit Platin-Iridium-Elektroden entwickelt. Die Elektroden wurden mit gleichem Abstand in ein Kunststoffplättchen eingebettet, welches sie jeweils um 1 mm überragen. Beim Eindringen der Elektroden in das biologische Gewebe verteilt sich die Andruckkraft auf die Fläche des Kunststoffplättchens statt auf die Elektrodenspitzen, so dass sie keinen Einfluss auf die Messung des elektrischen Widerstandes hat. Die Validierung dieses Messaufbaus zeigte, dass der elektrische Widerstand von biologischem Gewebe zuverlässig und reproduzierbar gemessen werden konnte. Es wurden Gewebeproben der Speisefische Karpfen, Forelle und afrikanischer Welse untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf den Gewebetypen, die am Kopf eines Fisches vorkommen (Muskel, Haut, Knochen, Augen, Fett, Gehirn). Insgesamt erfolgte die Auswertung von ca. 2000 Messwerten, indem aus den gemessenen elektrischen Widerständen die zugehörigen elektrischen Leitfähigkeiten berechnet wurden. Für jedes der o. g. biologischen Gewebe wurde der Mittelwert für die elektrische Leitfähigkeit einschließlich des 95 % Konfidenzintervalles bestimmt. Bei künftigen Computersimulationen sollen diese Leitfähigkeitswerte zur Optimierung der Parameter bei der elektrischen Betäubung vor der Schlachtung verwendet werden. Die elektrischen Leitfähigkeitswerte der Fischgewebe zeigen unterschiedlich starke Abweichungen von den entsprechenden Werten für menschliche Gewebe. Einerseits ist z. B. die elektrische Leitfähigkeit der Fischhaut im Vergleich zur menschlichen Haut um bis zu 20-mal größer. Andererseits beträgt z.B. die elektrische Leitfähigkeit von Gehirngewebe beim Fisch 0,07 bis 0,10 S/m und beim Menschen 0,08 S/m. Zusätzlich wurden auch zwischen den untersuchten Fischarten Unterschiede festgestellt, sodass für jede Fischart eigene Computersimulationen durchgeführt werden müssen. Z.B. beträgt die elektrische Leitfähigkeit der Muskulatur von Forellen ca. 0,3 S/m, während die Muskulatur der anderen beiden untersuchten Fischarten eine elektrische Leitfähigkeit von nur ca. 0,1 S/m aufweist. Zur Verfeinerung und Validierung der Messprotokolle wurde der Einfluss der Parameter Temperatur und Zeit auf die Messergebnisse untersucht. Dies diente auch der Abschätzung, inwieweit die ex vivo gemessenen Werte von den nicht zugänglichen in vivo Werten abweichen und welche Parameter bei der elektrischen Betäubung beachtet werden müssen. Dabei wurde z. B. für Muskelgewebe festgestellt, dass die Schwankungen infolge der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands im Vergleich zu den individuellen Unterschieden des elektrischen Widerstands der verschiedenen Gewebeproben vernachlässigbar gering sind. Weiterhin konnte im Rahmen dieser Dissertation gezeigt werden, dass der elektrische Widerstand sich während des Alterungsprozesses der Gewebeproben unterschiedlich stark verändert. Während der elektrische Widerstand von Muskelgewebe mit der Zeit abnimmt, zeigte der elektrische Widerstand von Haut- und Fasziengewebe keine einheitliche Abhängigkeit von der Zeit. Deshalb ist es empfehlenswert, die Messungen des elektrischen Widerstandes möglichst sofort nach dem Tod des Fisches durchzuführen. Die elektrische Leitfähigkeit von verschiedenen Fischgeweben wurde in dieser Arbeit erstmalig bestimmt. Diese Ergebnisse dienen zur Optimierung der Computersimulationen. Außerdem kann der entwickelte Messaufbau für weitere Messungen des elektrischen Widerstandes an tierischen Geweben verwendet werden.

Animal welfare becomes increasingly important when animals are slaughtered. Thus, many animals are electrically stunned before slaughter. Computer simulations using finite element analysis can help to improve procedures and prevent animal suffering. To simulate the current flow and current density in the head of an animal during electric stunning, the electrical conductivity of the existing tissues is required. However, these data are currently only available for mammals (including humans) and not for fish. Therefore, previous computer simulations of electric stunning have used the electrical conductivities of human tissues and the tissues of other mammals. However, fish and mammalian tissues are different in their composition, so that the electrical conductivities of fish tissues can be used to significantly improve the accuracy of computer simulations. In order to measure the electrical conductivity of fish tissues, this dissertation developed a measurement setup based on the 4-point method. A multi-channel ECG, which was developed in the context of a master thesis at the TU Braunschweig, was used as a power source (Gehring 2015). For reliable and reproducible contacting of the tissue a special electrode probe with platinum-iridium electrodes was developed. The electrodes were embedded with equal spacing in a plastic platelet, which they protrude by 1 mm each. When the electrodes penetrate into the biological tissue, the pressure force is distributed over the surface of the plastic platelet instead of over the electrode tips, so that it has no influence on the measurement of the electrical resistance. The validation of this measurement setup showed that the electrical resistance of biological tissue could be measured reliably and reproducibly. Tissue samples of the edible fish carp, trout and African catfish were examined. The focus was on the tissue types found on the head of a fish (muscle, skin, bone, eyes, fat, brain). In total, about 2000 measured values were evaluated by calculating the corresponding electrical conductivities from the measured electrical resistances. For each of the above-mentioned biological tissues, the mean value for the electrical conductivity including the 95 % confidence interval was determined. In future computer simulations, these conductivity values will be used to optimize the parameters for electric stunning before slaughter. The electrical conductivity values of fish tissues show varying degrees of deviation from the corresponding values for human tissue. On the one hand, the electrical conductivity of fish skin, for example, is up to 20 times greater than that of human skin. On the other hand, the electrical conductivity of brain tissue, for example, is 0.07 to 0.10 S/m in fish and 0.08 S/m in humans. In addition, differences were also found between the investigated fish species, so that separate computer simulations have to be carried out for each fish species. For example, the electrical conductivity of the muscles of trout is about 0.3 S/m, while the muscles of the other two investigated fish species have an electrical conductivity of only about 0.1 S/m. To refine and validate the measurement protocols, the influence of the parameters temperature and time on the measurement results was investigated. This also served as an estimation of the extent to which the ex vivo measured values deviate from the in vivo values that are not accessible and which parameters have to be taken into account for electrical stunning. For muscle tissue, for example, it was found that the fluctuations due to the temperature dependence of the electrical resistance are negligible compared to the individual differences in electrical resistance of the different tissue samples. Furthermore, it could be shown within the scope of this dissertation that the electrical resistance changes to different degrees during the aging process of the tissue samples. While the electrical resistance of muscle tissue decreases over time, the electrical resistance of skin and fascial tissue did not show a uniform dependence on time. Therefore, it is recommended to perform the measurements of the electrical resistance as soon as possible after the death of the fish. The electrical conductivity of different fish tissues was determined for the first time in this dissertation. These results serve to optimize the computer simulations. Furthermore, the developed measurement setup can be used for further measurements of the electrical resistance of animal tissues.

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