Hochfrequenz- und Lasertechnik in der Medizin: Grundlagen und Anwendungen hochfrequenter elektromagnetischer Energie für therapeutische Wärme

307 Pages·1983·9.27 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Reidenbach (auth.)

Hans-Dieter Reidenbach
Hochfrequenz- und Lasertechnik
in der Medizin
Grundlagen und Anwend ungen
hochfreq uenter elektromagnetischer Energie
fur therapeutische Warme
Mit 78 Abbildungen und 9 Farbtafeln
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1983
Prof. Dr.-Ing. Hans-Dieter Reidenbach
Hochschullehrer mit dem Fachgebiet "Werkstoffe und Bauelemente
der Nachrichtentechnik" und den Disziplinen "Optische Nach
richtentechnik" und "Bioingenieurmedizinische Technik" am Fach
bereich Nachrichtentechnik der Fachhochschule KOln, Reitweg 1,
0-5000 Koln 21
Gewidmet meiner Frau
und den Kindem Andy Dirk und Ron Dominik
ISBN-13: 978-3-642-81908-7 e-ISBN-13: 978-3-642-81907-0
DOl: 10.10007/978-3-642-81907-0
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Reidenbach, Hans-Dieter: Hochfrequenz-und Lasertechnik in der Medizin : Grundla
gen u. Anwendungen hochfrequenter elektromagnet. Energie fiir therapeut. Wiirme /
Hans-Dieter Reidenbach. - Berlin; Heidelberg; New York : Springer, 1983.
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983
Sof'tcover reprint of the hardcover lst edition 1983
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2119/3321-543210
Inhaltsverzeichnis
Vorwort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. VII
Verzeichnis der verwendeten Symbole und
Formelzeichen. . . . . . . . . . . XI
Verwendete Symbole und Operationen XI
Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen XI
1 Einleitung........... I
1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung I
1.2 Elektrophysiologische Grundlagen 3
1.3 Indikationen fUr therapeutische Warme 5
1.3.1 Hochfrequenztherapie 5
1.3.2 Lasertherapie. . . . . . . . . . . 7
2 Hochfrequenztechnik in der Medizin . . . . . . . 8
2.1 Historischer Oberblick und Begriffsbestimmungen. 9
2.2 Elektrische Eigenschaften von biologischem Gewebe 12
2.2.1 Allgemeine Grundlagen der Polarisierbarkeit . .. 13
2.2.2 Dielektrisches Verhalten als Funktion der Frequenz 21
2.2.2.1 Beschreibung des Dispersionsverhaitens der relativen
DieJektrizitatszahl . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.2.2.2 Diskussion experimenteller Ergebnisse . . . . .. 34
2.2.3 Elektrische Leitnihigkeit als Funktion der Frequenz 43
2.3 Hochfrequenzerwarmung 50
2.3.1 Theoretische Grundlagen 53
2.3.2 Meihoden. . . . . . . 63
2.3.2.1 Kondensatorfeldmethode 64
2.3.2.2 Spulenfeldmethode. . . 77
2.3.2.3 Strahlerfeldmethode . . 80
2.3.3 Langwellendiathermie, Kurzwellentherapie, Dezimeter-
und Mikrowellenbestrahlung . . . . . . 86
2.3.4 Warrnetransfermechanismen. . . . . . . 90
2.3.5 Anwendungen der Hochfrequenzerwarmung 101
2.4 Hochfrequenzchirurgie...... 104
2.4.1 Begriffsbestimmung und Grundlagen 105
2.4.2 Hochfrequenzfulguration . 114
2.4.3 Hochfrequenzdesikkation. 116
2.4.4 Hochfrequenzkoagulation. 116
VI Inhaltsverzeichnis
2.4.4.1 Hochfrequenzkoagulationsarten und Vorgang der
Koagulation. . . . . . . . . . . . . 117
2.4.4.2 Stromungsfeld und Obergangswiderstand 121
2.4.4.3 Kurzzeitkoagulationstiefe . . . . . . . 125
2.4.4.4 Koagulationsmodell und Diskussion der
Koagulationstiefe . . . . . . . . . . . . . . . . 131
2.4.4.5 Monopolare fliissigkeitsunterstiitzte Hochfrequenz
koagulation und Diskussion altemativer Hochfrequenz-
koagulationsmethoden . . . . . . . . . . . . 148
2.4.4.6 Bipolare Verfahren mit Fliissigkeitsunterstiitzung 164
2.4.4.7 Anwendungen der Hochfrequenzkoagulation 166
2.4.5 Hochfrequenztomie . . . . . . . . . . . . 167
2.4.5.1 Hochfrequenzschnittarten und -schneidevorgang 168
2.4.5.2 Fliissigkeitsunterstiitzte Hochfrequenztomie . 178
2.4.5.3 Anwendungen der Hochfrequenztomie . . . 182
2.4.6 Hochfrequenzstromarten und -gerateleistung 184
2.4.6.1 EinfluB des zeitlichen Stromverlaufs 184
2.4.6.2 Leistungscharakteristik . . . . . . . . . . 192
3 Lasertechnik in der Medizin 195
3.1 Historischer Oberblick . . 196
3.2 Wechselwirkungen des Laserlichtes mit biologischem
Gewebe ..... . 198
3.3 Laserchirurgie. . . . . . . . . . . 205
3.4 Laserphotokoagulation . . . . . . . 216
3.5 Laserdermatologie und -wundheilung 229
4 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5 Anhang . ................. . 240
5.1 Erlauterungen haufig verwendeter Begriffe aus der
medizinischen Fachsprache 240
5.2 Tafeln I-IX . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Literatur ... 262
Sachverzeichnis 282
Vorwort
Fur das vorliegende Buch standen u. a. die von mir ab 1978 an der
Universitat Erlangen-Niirnberg fiir Studenten haherer Semester der
ingenieurwissenschaftiich-technischen Fakultat angebotenen Wahl
vorlesungen "Hochfrequenztechnik und Lasertechnik in der Medi
zin" und "Elektromagnetische Energie fiir medizinische Anwendun
gen" sowie die seit 1980 an der Fachhochschule Kaln durchgefuhrte
2-semestrige Lehrveranstaltung "Bioingenieurmedizinische Tech
nik" Pate, insbesondere soweit es die Grundlagen betrifft. Daruber
hinaus sah sich der Autor bei der Abfassung des Manuskripts zu
diesem Buch wegen der langjahrig vorwiegend interdisziplinaren
Tatigkeit als Mittler zwischen IngenieureniNaturwissenschaftiern
und Medizinern. NaturgemaB geht die Darstellung trotz der Eigen
standigkeit bei einer so1chen Aufgabenstel1ung uber diejenige eines
reinen Lehrbuches hinaus und orientiert sich bei der Darlegung
neuer Verfahren und Methoden am forschungs- und entwicklungs
bezogenen Stand der Technik. Elektromagnetische Schwingungen
und Wellen stehen bereits seit lahren fiir therapeutische MaBnah
men in vieWiltiger Form zur Verfiigung und haben sich in zahl
reichen klinischen Anwendungen bewahrt.
In diesem Buch werden die Grundlagen hochfrequenter elektro
magnetischer Vorgange und Wechselwirkungen aus der Sicht des In
genieurwissenschaftiers dargelegt. Bei der Darstel1ung der verschie
densten Anwendungen werden neben den historisch bekannten und
teilweise aus heutiger Sicht neu iiberdachten Methoden der Einsatz
von Hochfrequenz- und Lasertechnik in der Medizin im wesent
lichen anhand von in der interdisziplinaren Praxis gewonnenen Er
fahrungen des Autors grundlegend aufgearbeitet und nicht zuletzt
zur Diskussion gestellt, insbesondere in den Fal1en, wo eine klini
sche Anwendung noch nicht erfolgt ist.
Nach der Einleitung in Kapitel 1 befaBt sich Abschnitt 2.1 des
Kapitels 2 (Hochfrequenztechnik in der Medizin) mit einem histori
schen Oberblick und Begriffsbestimmungen. In Abschnitt 2.2 wer
den die Grundlagen der elektrischen Eigenschaften von biologi
schem Gewebe eriautert. Dabei wurde besonderer Wert darauf ge
legt, daB die Darstel1ung in sich geschlossen und ohne wei teres Lite
raturstudium aufbauend auf elementaren Zusammenhangen der
Grundbausteine der Materie zu den wesentlichen Parametern zur
Kennzeichnung der dielektrischen Eigenschaften biologischer Ge
webe fiihrt. Die Grundlagenvermittlung wird durch eine Betrach
tung experimentell ermittelter Kennwerte abgerundet.
In Abschnitt 2.3 erfolgt eine terminologische und begriffliche
Einordnung der wichtigsten Verfahren der Hochfrequenzerwarmung
VIII Vorwort
unter Beachtung der spezifischen Parameter der jeweiligen Methode
abgestiitzt auf die theoretischen Grundlagen der Wechselwirkung
von elektromagnetischer Energie mit biologischer Materie mit dem
Ziel der Erzeugung therapeutischer Warme. Hochfrequenzkoagula
tion und Hochfrequenztomie stehen im Mittelpunkt des Abschnit
tes 2.4. Die neue Methode der fliissigkeitsunterstiitzten Hochfre
quenzkoagulation kann dabei in der Gastroenterologie als eine teils
adaquate, teils iiberlegene Methode der Wahl zur relativ weitver
breiteten Laserphotokoagulation gewertet werden. Beziiglich der
fliissigkeitsunterstiitzten Hochfrequenztomie stiitzen sich die Erfah
rungen bislang noch auftierexperimentelle Studien und erhalten da
durch forschungsintensiven Charakter, der besonders zm Kritik und
Stellungnahme des Lesers herausfordert.
Kapitel 3 gibt einen Oberblick iiber wesentliche Stationen auf
dem Weg zur EinfUhrung des Lasers in verschiedenen medizini
schen Teildisziplinen. Dabei wird besonders auf die von verschiede
nen Forschungsgruppen erzielten methodischen und prinzipiellen
Unterschiede bei der endoskopischen Laserphotokoagulation
(Abschn.3.4) eingegangen. Eine kritische Obertragung der Ergeb
nisse aus exemplarischen Anwendungen von Hochfrequenzstromen
und intensivem Laserlicht auf andere medizinische Teilgebiete stellt
nur eines der Ziele dieser Abhandlung dar.
Auf dem Weg zur Beseitigung vieler Fehleinschatzungen und
Mi13verstandnisse der Technik in der Medizin steht dabei auch der
Wunsch des Autors zur fruchtbaren interdisziplinaren Zusammenar
beit und fachlichen Durchdringung von Spezialisten verschiedener
Wissensgebiete bei der Anwendung erprobter und bei der Untersu
chung moglicher Indikationsgebiete fUr elektromagnetische Energie
zum Zwecke der Erzeugung therapeutischer Warme.
Nicht zuletzt ist es mir ein Bediirfnis, allen denen, die zum Zu
standekommen dieser Monographie beigetragen haben, von Herzen
zu danken. Besonders gerne erinnert sich der Autor der fruchtbaren
Zusammenarbeit mit seinem langjahrigen Kollegen Dr.-Ing. F. Bo
dem insbesondere bei der interdisziplinaren experimentellen Unter
suchung zum Einsatz des Lasers bei der endoskopischen Blutstillung
im Gastrointestinaltrakt. Basierend auf den pathologisch-histologi
schen detaillierten Untersuchungen und Ergebnissen von Herrn Dr.
med. B. Kaduk gelang Prof. Dr. med. P. Friihmorgen mit dem inter
disziplinaren Team die erste erfolgreiche Laserphotokoagulation im
Magen-Darm-Trakt des Menschen. Nicht zuletzt ein facheriibergrei
fendes Verstandnis verbindet den Autor mit diesen Forschern und
Klinikern.
Mit Herrn Dr. med. P. Lex begannen die ersten Untersuchungen
zum Einsatz von Hochfrequenzstromen bei der gastrointestinal en
Blutstillung. Durch Herrn Dr. med. W. Matek erfuhr das Team sei
ne erfoigreiche Erweiterung bei der tierexperimentellen Untersu-
Vorwort IX
chung und klinischen Einfilhrung der endoskopisch durchgefilhrten
fl iissigkei ts unterstii tzten H ochfreq uenzkoagula ti on.
Diese Erfolge beim Einsatz von Laserlicht und Hochfrequenz
stram en zur Blutstillung waren nur maglich durch das fOrdemde
Interesse von Prof. Dr. med. L. Demling.
Die tierexperimentellen Studien zur fliissigkeitsunterstiitzten
groBflachigen Parenchym-Koagulation und zur fliissigkeitsunter
stiitzten Hochfrequenztomie in der allgemeinen Chirurgie filhrte
der Autor im wesentlichen mit Herm Priv.-Doz. Dr. med. W. Schel
lerer durch, w1ihrend Dr. med. J. Giedl die histologischen Untersu
chungen erbrachte.
Erfahrungen des Lasers beim Einsatz in der Dermatologie konn
ten in einer Zusammenarbeit mit Frau Dr. med. G. Ginsbach ge
sammelt werden. Weitere Teiluntersuchungen zum Einsatz von La
serlicht und Hochfrequenzstromen in der Medizin, tiber die in die
sem Buch nicht explizit berichtet wird, fanden in zahlreichen klini
schen Einrichtungen statt.
Zu danken hat der Autor aber auch den Herren Dipl.-Ing. W.
Berschneider, G. Schroeder und W. Zapf, die durch Engagement
und Kreativitat bei den experimentellen Untersuchungen durch
Teilbeitrage ZUlli Gelingen des Gesamtvorhabens beigetragen ha
ben.
Ohne die Hilfe der Mitarbeiter in den verschiedenen Tierstallen
und Laboratorien waren die tierexperimentellen Studien nicht
durchfiihrbar gewesen. Dies gilt ebenso flir aIle Ungenannten bei
der klinischen Durch- bzw. Einflihrung der neuen Methoden in den
Behandlungsraumen.
Die technische Realisierung von Systemkomponenten und Hilfs
mitteln durch die Herren K. Seuberth, H. Osswald, sowie Herm H.
Ertl mit seinem Werkstatteam waren ein weiterer Garant filr die
Machbarkeit vieler experimenteller Studien bis hin zur Klinikreife.
Zu danken ist auch denjenigen Firmen, die durch die Bereitstel
lung von Geraten bzw. Hilfsmitteln die Untersuchungen unterstiitzt
haben.
Bei der Abfassung des Manuskripts und der miihevollen Erstel
lung der Reinschrift habe ich meiner Frau zu danken, wahrend die
Anfertigung zahlreicher Bilder das Verdienst von Herm H. Berg
mann ist.
Nicht zuletzt gilt mein Dank Herm Dr. Graf-Baumann und dem
Springer-Verlag filr das verstandnisvolle Eingehen auf meine Wiin
sche, den Lektoren fUr ihre nicht leichte Aufgabe, Fr. Pecchia und
dem 1. F. Bergmann-Verlag filr die herstellerische Betreuung und
die hervorragende Ausstattung des Buches sowie der Fa. Triltsch
flir die drucktechnische Ausflihrung.
Kaln, 1982 Hans-Dieter Reidenbach
Verzeichnis der verwendeten Sym bole
und Formelzeichen
Verwendete Symbole und Operationen
A Reelle GroBe A; skalarer Zeiger
A Komplexe GroBe A
A= IA I . ez = A . ez Reeller Vektor
A Scheitelwert von A
A (t), a (t) Funktion der Zeit
A (t) Zeitfunktion (komplex)
~ Matrix A
xA* Konjugiert-komplexe GroBe A
(x, y, z, t) Vektorfeld; reeller, zeitabhiingiger Vektor
A(r)
Vektorzeiger
A (x, y, z) =
= A· exp U . ((JAY Skalarer Zeiger (komplex), ((JA: Phase
Ax = Ax . ej . 'PAx Skalarer, komplexer Zeiger
Re [A] Realteil von A
j Imaginiire Einheit
" Nabla-Operator
/::,. Delta-Operator
(Weitere Benennungen und Vereinbarungen werden im Text vorge
nommen.)
. Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen
A Fliiche
Ar Brennfleckfliiche
a Abstand
ac COULOMB-F aktor
aij Koeffizienten
ar Konstante
al.2 Elli psenachsen
aTL Lichtleiterdiimpfungsbelag
b Wiirmeleitzahl
b Konstante
r
CA Spezifische Fliichenkapazitiit
XII Verzeichnis der verwendeten Symbole und Formelzeichen
C Kapazitiit
j
Cw Wiirmekapazitiit
Co Vakuumlichtgeschwindigkeit (2,997924562 '108 ± 1,10) m' S-1
Cp Spezifische Wiirme(- kapazitiit)
D Durchmesser, Linsendurchmesser
:5
Dielektrische Verschiebung, Verschiebungsdichte
DL Strahldurchmesser
:5
0 LeerfluBdichte
d Abstand, Strahldurchmesser, Brennfleckdurchmesser
dL Luftstrecke (Elektroden-Haut-Abstand)
d Differentielle Verlustleistungsdichte pro Fliiche
PA
dR Dispersionskonstante, Rohrdurchmesser
E
Elektrische Feldstiirke
EK Koagulationstiefe, Eindringtiefe
EKT Kurzzeitkoagulationstiefe
e Lineare Exzentrizitiit
e
z Einheitsvektor in z-Richtung
f Brennweite, Frequenz
fA Arbeitsfrequenz
fg Grenzfrequenz
fN Netzfrequenz
G Leitwert
j
~L Spulengeometriefaktor
H Magnetische Feldstiirke
h (t) Funktion
I Strom
J Stromdichte
]0 Gesamtstromdichte
] L Leitungsstromdichte
]v Verschiebungsstromdichte
ks Geometriefaktor
k I, k2 Konstante
L Induktivitiit
I Charakteristische Liinge
M Molare Masse, stoffmengenbezogene Masse
(friiher: Molekulargewicht)
Me Elektrisches Dipolmoment
m Exponent, Masse
me Elektronenmasse, 9,10891'10-31 kg
me
Induziertes elektrisches Dipolmoment des Einzelatoms
mlon Ionenmasse
my
Induziertes elektrisches Dipolmoment durch Verschiebungs-
polarisation
my,
b Spezifischer Massenstrom
Ifip Mittlerer Anteil des Momentes in Feldrichtung
NL LOSCHMIDT-Zahl, AVOGADRO-Konstante, 6,0025 '10-23 mol-I
N s Zahl der Einzelschwingungen pro Funke