Physikalische Grundlagen der Elektrotherapie
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Physikalische Grundlagen der Elektrotherapie Weiterbildungskurs „Elektrotherapie“ Weserlandklinik - Bad Hopfenberg Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle 1 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Inhalt • Physikalische Größen, Einheiten und Gesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung •Gleichstromtherapie •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich •Hochvolttherapie •Elektrotherapie im HF-Bereich 2 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 1 Stromfluss durch den menschlichen Körper Spannung U: Einheit Volt [V] oder Millivolt [mV] Strom I: 3 Elektromedizin – Weserlandklinik Einheit Ampere [A], Milliampere [mA] oder Mikroampere [A] Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Stromleitungsmechanismen Leiter 1. Art: Stromtransport durch Elektronen (z.B. Kabel, Elektroden) Leiter 2. Art: Stromtransport durch Ionen (Flüssigkeiten, Körpergewebe) 4 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 2 Elektrischer Widerstand Ohmsches Gesetz: U = I ∙ R = I / G Widerstand R Einheit Ohm [], Kiloohm [k] oder Megaohm [M] Leitwert G = 1/R Einheit Siemens [S] Spezifischer Widerstand Einheit Ohmcm [cm] spezifische Leitfähigkeit Einheit Siemens pro Meter [S/m = 1/ m] 5 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Widerstand eines elektrischen Leiters R = l ∙ ρ / A = l / ( ∙ A) spezifische Leitfähigkeit von Körpergewebe: Blut 0,68 S/m Skelettmuskel 0,338S/m Herzmuskel 0,28 S/m Bindegewebe 0,1 S/m Lunge 0,061S/m Knochen 0,055S/m Fettgewebe 0,045S/m (zum Vergleich: Kupfer 6 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle 5,810 7 S/m) Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 3 Quer- und Längsdurchströmung bei unterschiedlicher Elektrodenanordnung S=I/A Stromdichte I = Stromstärke; A = durchströmter Querschnitt 7 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Stromdichte in Abhängigkeit von der Elektrodenfläche S=I/A Stromdichte eine eingestellte Stromstärke von z.B. 30 mA ergibt: • bei 100 cm2 Elektrodenfläche: S = 0,3 mA/cm2 5 cm2 Elektrodenfläche: S = 6,0 mA/cm2 • bei 8 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 4 Wichtig: Die Wirkung des elektrischen Stromes hängt – bei gleicher Stromstärke – von der Größe der verwendeten Elektroden ab. Hohe Stromdichte 9 Elektromedizin – Weserlandklinik Geringe Stromdichte Mittlere Stromdichte Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Unterschiedliche Elektrodengrößen erzeugen Konzentration von Stromlinien 10 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 5 Wechselstrom in der Elektrotherapie Frequenz f = c / λ f = Frequenz [Hz, kHz, MHz] c = Lichtgeschwindigkeit (3108 m/s) λ = Wellenlänge [μm, nm] Bei impulsförmigem Spannungs- oder Stromverlauf wird häufig auch die Einheit s-1 oder cps (cycles per second) verwendet. 11 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Frequenzbereiche in der Elektrotherapie Gleichstrom f = 0 Hz Niederfrequenz (NF) f < 1 kHz Mittelfrequenz (MF) f = 1 ... 100 kHz Hochfrequenz (HF) f > 100 kHz Bei wechselfrequenten Strömen treten neben den Strömen in Leitern elektrische und magnetische Felder auf. 12 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 6 Beispiele elektrischer Felder 13 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Elektrische Feldstärke elektrische Feldstärke E=U/d E, D elektrische Flussdichte D=ε∙E U = Spannung d = Elektrodenabstand ε = Dielektrizitätskonstante 14 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 7 Stromdichte im elektrischen Feld Stromdichte im Strömungsfeld SSt = ∙ E E, D = spez. elektrische Leitfähigkeit Stromdichte im Kondensatorfeld Sv = ε ∙ dE/dt ε = ε0 ·εr = Dielektrizitätskonstante z.B. Muskel εr = 45 – 115 Fett εr = 3,9 - 13 15 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Magnetische Feldstärke und Induktion magnetische Feldstärke H = I / d ∙ π magnetische Induktion B=H∙μ I = Strom; d = Abstand; μ = Permeabilität 16 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 8 Inhalt • Physikalische Größen, Einheiten und Grundgesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung Gleichstromtherapie Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich Hochvolttherapie Elektrotherapie im HF-Bereich 17 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Gleichstromtherapie (Galvanisation) • konstanter gleichgerichteter Stromfluss mit Ionentransport durch das Gewebe • gleichbleibende Stromstärke • gleichbleibende Polarität an den Elektroden • Einstellung einer konstanten Spannung oder eines konstanten Stromes • Anwendungen: Iontophorese, Stangerbad 18 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 9 Gleichstromtherapie (Galvanisation) • konstante Spannung (CV) bei kleiner werdendem Widerstand der Haut (Schwitzen) steigt der Strom Stromstärke I = U/R • konstanter Strom (CC) die Stromdichte steigt bei Verkleinerung der Elektrodenfläche (Anbringen oder Lösen der Elektrode) Stromdichte S = I/A Abhängig von der Elektrodengröße hat die gleiche Stromstärke eine unterschiedliche Wirkung !! Vorsicht beim Ein- und Ausschalten! 19 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Gleichstromtherapie (Galvanisation) Gerätespezifikationen: • Geräteauslegung nach IEC 60601-2-10 (VDE 0750 Teil 219) • Klasse IIa nach MPG • Maximalwert des Ausgangsstroms 80 mA (bei Hydrogalvanisation 300 mA) • meist CC-Regelung mit Begrenzung der Ausgangsspannung • Heimgeräte nach Schutzklasse III (batteriebetrieben) 20 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 10 Gleichstromtherapie (Galvanisation) Elektroden: • Plattenelektroden meist aus Zinn, Zink, Messing oder Kupfer • Standardgrößen 50, 100, 200 oder 300 cm2 verwendete Stromdichten: • schwache Dosis 0,05 mA/cm2 • mittlere Dosis 0,10 mA/cm2 • starke Dosis 0,15 mA/cm2 21 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Biologische Wirkungen von Gleichströmen (Stromfluss Arm - Arm ) 1 ... 10 mA Wahrnehmungsschwelle leichtes Kribbeln an den Kontaktflächen 10 ... 50 mA Schmerzen in den Gelenken Loslassen immer noch möglich 50 ... 150 mA Schmerz-, Wärme-, Druckgefühl in den Armen, Reizleitungsstörungen > 150 mA schlagartige Muskelreaktionen, aber keine Verkrampfungen, Bewusstlosigkeit, bei längerer Einwirkungsdauer Strommarken und Verbrennungen, Gefahr des Herzkammerflimmerns 22 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 11 Inhalt • Physikalische Größen, Einheiten und Gesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung •Gleichstromtherapie •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich •Hochvolttherapie •Elektrotherapie im HF-Bereich 23 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Niederfrequenzbereich (Faradisation) • kein konstanter Stromfluss sondern eine Folge von Stromimpulsen • Modulation der Stromimpulse • Frequenzbereich f < 1 kHz • unipolare oder bipolare Ströme • Reizung synchron zu den Stromimpulsen • Anwendungen: Schmerztherapie und Myostimulation 24 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 12 Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Niederfrequenzbereich Impulsformen A Impulsamplitude τ Impulsdauer P Pausendauer T = τ + P Periodendauer f = 1/T Frequenz τ/T Tastverhältnis 25 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Unipolare und bipolare Stromformen Unipolar Bipolar Biphasische Impulse: a. Asymmetrische I. b. Symmetrische I. c. Sequentielle I. 26 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 13 Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Niederfrequenzbereich Modulationsformen Amplitudenmodulation (AM) Pulsdauermodulation (PDM) Frequenzmodulation (FM) 27 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Modulationsformen Modulationstiefe: 28 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 14 Diadynamische Ströme Monophasische, sinusförmige Impulse, abgeleitet aus 50 Hz Netzwechselfrequenz: • DF (Diphasé Fixe) • MF (Monophasé Fixe) • CP (Modulé en Courte Periode) • LP (Modulé en Longue Periode) 29 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Biologische Wirkungen von Wechselströmen (50 Hz Sinus; Stromfluss Arm - Arm ) 1 mA Wahrnehmungsschwelle (ca. 1 μA/cm2 bezogen auf die Handflächen) 10 mA Loslassschwelle, Muskelkrämpfe (ca. 100 μA/cm2 bezogen auf den Muskelquerschnitt) 15 ... 30 mA Atemnot (ca. 30 μA/cm2 bezogen auf den Thoraxquerschnitt) 50 .. 100 mA Herzkammerflimmern (ca. 80 μA/cm2 bezogen auf den Thoraxquerschnitt) Therapeutische Stromdichten liegen bei 0,1 .... 1 mA/cm2 30 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 15 Biologische Wirkungen von Wechselströmen (Sinus; Stromfluss Arm - Arm ) Frequenzabhängigkeit der Krampfschwelle Netzfrequenz zum Vergleich: Grenzwerte für Geräte mit intrakardialer Anwendung: f < 1 kHz: 10 μA f = 1 kHz ... ... 1 MHz: 0,01 ... 10 mA f > 1 MHz: 10 mA 31 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Inhalt • Physikalische Größen, Einheiten und Gesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung •Gleichstromtherapie •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich •Hochvolttherapie •Elektrotherapie im HF-Bereich 32 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 16 Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Mittelfrequenzbereich • Frequenzbereich 1 .... 100 kHz • wegen kurzer Impulsdauer keine impulssynchrone Reizung • höhere Ströme bzw. Stromdichten als im Niederfrequenzbereich • Frequenzen meist 4 (.... 20) kHz • niederfrequente Modulation mit <100....150 Hz • bzw. Interferenz mehrerer Reizstromquellen 33 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Mittelfrequenzbereich Interferenz Durch Überlagerung der Ströme I1 und I2 mit unterschiedlicher Frequenz entsteht der amplitudenmodulierte Summenstrom IS I1 I2 IS 34 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 17 Hochvolt-Therapie HVS = Hochvoltstimulation HVPGS = high voltage pulsed galvanic stimulation • Spannung > 150 V (bis max. 500 V) • Impulsdauer 4 ... 40 μs • Impulsform unipolar oder bipolar • Trägerfrequenz 10 .... 50 kHz • niederfrequente Modulation mit 20 .... 100 Hz • Anwendung: Myostimulation, Schmerzkontrolle, Durchblutungsförderung 35 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Inhalt • Physikalische Größen, Einheiten und Gesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung •Gleichstromtherapie •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich •Hochvolttherapie •Elektrotherapie im HF-Bereich 36 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 18 Elektrotherapie im Hochfrequenzbereich HF-Bereich: f > 1 MHz Therapieform Frequenz f Kurzwellentherapie 27,12 MHz Wellenlänge 11,06 m Dezimeterwellentherapie 433,92 MHz 69,0 cm 915-MHz-Therapie 915,0 MHz 32,79 cm Mikrowellentherapie 2.450 MHz 12,5 cm wegen der hohen Frequenzen keine Reizung, ausschließlich thermische Wirkungen 37 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Thermische Eindringtiefe veschiedener Therapiearten Kondensatorfeld Spulenfeld Dezimeterwelle (Langfeldstrahler) Mikrowelle Fett 38 Elektromedizin – Weserlandklinik Muskel Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Dezimeterwelle (Muldenapplikator) Knochen Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 19 Kurzwellen-Therapie Kondensatorfeld-Methode: wirksam ist das elektrische Feld Spulenfeld-Methode: wirksam ist das magnetische Feld 39 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Kurzwellen-Therapie Kondensatorfeld: wirksam ist das elektrische Feld elektrische Feldstärke E elektrische Flussdichte D: E, D D=ε∙E Energiedichte des elektrischen Feldes: we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε 40 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 20 Kurzwellen-Therapie Kondensatorfeld: Querdurchströmung Fettgewebe: r klein Muskelgewebe Energiedichte des r groß elektrischen Feldes: we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε D = konst. 41 Elektromedizin – Weserlandklinik Bei Querdurchströmung ist die Flussdichte D in beiden Geweben gleich Stärkere Erwärmung Fettgewebe weil dessen Dielektrizitätszahl r kleiner ist! Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Kurzwellen-Therapie Kondensatorfeld: Längsdurchströmung Fettgewebe: r klein Muskelgewebe r groß Energiedichte des elektrischen Feldes: we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε E = konst. 42 Elektromedizin – Weserlandklinik Bei Längsdurchströmung ist die Feldstärke E in beiden Geweben gleich. Stärkere Erwärmung Muskelgewebe weil dessen Dielektrizitätszahl r größer ist ! Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 21 Kurzwellen-Therapie Spulenfeld: wirksam ist das magnetische Feld magnetische Feldstärke H magnetische Induktion B = μ ∙ H ~ I Induktionsgesetz Ui ~ dB/dt Stromdichte der Wirbelströme im Körper S = ∙ E I spezifische elektrische Leitfähigkeit : Skelettmuskel ca. 0,338 S/m Knochen ca. 0,055 S/m Fettgewebe ca. 0,045 S/m stärkere Erwärmung des gut leitenden Muskelgewebes im Vergleich zum schlecht leitenden Fettgewebe oder Knochen 43 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Kurzwellen-Therapie Dosierung bei KW-Therapie Dosisstufe I Spule / Watt sehr niedrig Kondensator / Watt < 20 (keine Wärmeempfindung) II niedrig ca. 20 30 30 60 40 100 (eben spürbare Wärmeempfindung) III mittel (deutlich wahrnehmbare Wärmeempfindung) IV hoch (kräftige Wärmeempfindung) 44 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 22 Mikrowellen-Therapie • Hochfrequenzstrahlung mit Wärmewirkung • Frequenz f > 300 MHz • Eindringtiefe sinkt mit steigender Frequenz Leistung P [mW oder W] Energie W = P ∙ t [Joule = W · s] Leistungsflussdichte S [mW/cm2] 45 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Grenzwerte für HF-Belastung Grenzwerte nach DIN VDE 0848 Teil 2: Expositionsbereich 1 (beruflich, am Arbeitsplatz) f < 400 MHz f > 1 GHz Smax = 1 mW/cm2 (bzw. 10 W/m2) Smax = 5 mW/cm2 (bzw. 50 W/m2) keine Grenzwerte nach 26. BImSchV (nur Sendeanlagen) Gemessene Werte der Leistungsflussdichte bei HF-Therapieanwendung (nach Boikat): Abstand 0,2 m: 0,5 m: 1,0 m: 250 mW/cm2 25 mW/cm2 5 mW/cm2 Abstand halten !! Vorsicht bei Schwangeren und Schrittmacherträgern 46 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg 23 Vorsicht! Geräte zur Elektrotherapie können PatientInnen und MitarbeiterInnen gefährden!! 47 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg Vielen Dank für Ihr Interesse ! • Physikalische Größen, Einheiten und Gesetze • Ströme bei elektrotherapeutischer Anwendung •Gleichstromtherapie •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im NF-Bereich •Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im MF-Bereich •Hochvolttherapie •Elektrotherapie im HF-Bereich 48 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof.Gezeichnet Dr.-Ing. Friedrich Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg von Ueberle Fredrik Ueberle 24
