Therapeutische Anwendung mechanischer und elektrischer Energie

36 Pages·1957·2.063 MB·German

by  Johannes Pätzold (auth.)

ARBEITSGEMEINSCHAFT FüR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Sitzung
am 2. M ä r z 1 9 5 5
in Düsseldorf
ARBEITSGEMEINSCHAFT FüR FORSCHUNG
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
HEFT 51
Johannes Pätzold
Therapeutische Anwendung
mechanischer und elektrischer Energie
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03133-8 ISBN 978-3-663-04322-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04322-5
© 1957 Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Op1aden 1957
Therapeutische Anwendung
mechanischer und elektrischer Energie
Von Dr. Johannes Pätzold, Erlangen
Das Thema »Therapeutische Anwendung mechanischer und elektrischer
Energie" betrifft die medizinische Verwertung zweier der klassischen Phy
sik angehörenden Energieformen. Der Vortragsinhalt entbehrt deshalb
grundsätzlich so neuartiger Mitteilungen, wie sie uns die moderne Physik
bei Anwendung und Ausdeutung ihrer Ergebnisse auf medizil1!ische Pro
bleme zu machen erlaubt und wovon wir in unserer Zeit viel und häufig
gehört und gelernt haben. Dabei denke ich z. B. an die Methoden mit radio
aktiven Indikatoren, an die therapeutische Anwendung der Cobaltstrah
lung, der künstlichen Betastrahlung, der ultraharten Röntgenstrahlung usw.
Es ist wohl selbstverständlich, daß jeder Fortschritt der Physik und
Technik, wie natürlich auch der Chemie, von Klinikern, Physiologen,
Strahlen therapeuten, Biophysikern, Pharmakologen u. a. auf seine direkte
oder indirekte Eignung für medizinische Fragestellungen untersucht wird.
Das ist schon immer so gewesen - besonders glückhaft in jener Zeit, als
große Krzte zugleich noch große Naturforscher sein konnten - und macht
letztlich den bedeutenden Anteil der Grundwissenschaften Physik und
Chemie in der heutigen medizinischen Wissenschaft aus.
Und doch scheint es mir aus der Kenntnis der Zusammenhänge sinnvoll
zu sein, einmal darauf hinzuweisen, daß bei einem so großen Angebot von
Neuentdeckungen seitens der Grundwissenschaften wie in unserer Zeit in
der Medizin, aber nicht nur in ihr, die Gefahr besteht, daß bekannte und
bewährte Verfahren nicht in ihrer ganzen Tiefe ausgeschöpft, sondern zu
'gunsten neuer Möglichkeiten und Erwartungen vernachlässigt werden. Dabei
nähern wir uns doch trotz oder vielleicht gerade weg,en der raschen Folge
solcher Neuentdeckungen seitens der Physik und Chemie in ,den angewandten
Wissenschaften, also auch in der physikalischen Therapie, immer mehr dem
Zustand, daß im wesentlichen nur noch durch tiefere Einsichten in die Vor
gänge und durch noch stärkere Beachtung quantitativer Zusammenhänge,
kurz durch wissenschaftliche Kleinarbeit, Fortschritte erzielbar sind.
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Solche Überlegungen waren für meine Themenwahl mitbestimmend. Ich
will versuchen, am Beispiel wohl des ältesten und verbr,eitetsten Heilver
fahrens überhaupt, nämlich der Wärmetherapie, und da speziell der heute
möglichen gezielten Wärme-Tiefentherapie, über den Umfang dieser Mög
lichkeiten beim Einsatz mechanischer und elektrischer Energie einen Über
blick zu geben. Dabei werde ich mich wegen des großen experimentellen
und theoretischen Materials auf die Diskussion der wichtigsten Ergebnisse
und auf einen Vergleich der verschiedenen Verfahren beschränken und
muß näher Interessierte auf die Originalarbeiten verweisen.
Ein Blick auf das Spektrum elektromagnetischer und mechanischer
Schwingungen soll uns zunächst grob über die für unser Thema in Betracht
kommenden Frequenzbereiche orientieren (Abb. 1). In der elektromagneti
schen Frequenzskala fallen für die Zwecke wärmetherapeutischer Anwen
dungen sowohl die unteren als auch die oberen Bereiche aus, weil in ihnen
die Wärmewirkungen gegenüber anderen völlig vernachlässigbar sind.
Bei den tiefen Frequenzen überwiegen ganz die starken physiologischen
Reizwirkungen auf Nerven und Muskeln als Folge elektrochemischer
Effekte, und bei den sehr hohen Frequenzen mit ihren großen Quanten
energien die ionisierenden Wirkungen auf das Gewebe. Uns soll vielmehr
der Frequenzbereich elektromagnetischer Schwingungen zwischen 106 und
1010 Hz entsprechend Wellenlängen zwischen 300 mund 3 cm genauer
interessieren, in welchem außer Wärmewirkungen keine anderen Reaktionen
auf lebendes Gewebe sichergestellt sind. In der Frequenzskala der mecha
nischen Schwingungen entfallen ebenfalls die unteren Bereiche, denn erst
im Gebiet des Ultraschalls haben die Absorptionskoeffizienten der Gewebe
so hinreichend große Werte, daß bei verträglichen Schallstärken therapeu
tisch wirksame Wärmemengen erzeugt werden.
Der grundsätzliche Vorteil der Verwendung elektrischer und mechanischer
Energie dieser Frequenzbereiche, genauer gesagt ihrer Anwendung in Form
hochfrequenter elektrischer, magnetischer und akustischer Felder auf Teile
des menschlichen Körpers, besteht gegenüber den klassischen Wärmeheil
verfahren wie Bädern, Packungen und Ultrarotbestrahlungen in der un
gleich größeren Tiefenwirkung und Regelbarkeit ihrer Stärke als Folge der
erst im Körper in Wärme umgesetzten Energie. Dabei sind die Mechanismen
der Energieumwandlung in Wärme unterschiedlich, und vor allem wei
chen die räumlichen Wärmeverteilungen bei diesen Verfahren gesetzmäßig
untereinander ab, so daß eine genauere Kenntnis der physikalischen Zu
sammenhänge erforderlich ist, wenn man diese Methoden optimal anwen-
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den und ihre Möglichkeiten ausschöpfen will. Unter dem allgemeinen Be
griff Wärmeverteilung wird im folgenden stets die räumliche Temperatur
verteilung in geschichteten Geweben verstanden, wie sie sich ohne den
Wä:rmeabtransport durch Blutzirkulation und Wärmeleitung primär ein
stellen würde, und wie sie sich nach kurzzeitiger Behandlung an Gewebe
phantomen messen läßt. Daß während der Behandlung durch dieaufgezähl
ten Einflüsse eine merkliche Nivellierung des Temperaturreliefs eintritt, ist
naturgegeben und muß bei praktischen Anwendungen in Rechnung gestellt
werden. Wesentlich ist hierbei, daß sich ,dadurch zwar die Höhe des Tem
peraturgefä1les, nicht jedoch seine Richtung an den Grenzflächen ändert.
Wir wollen nun zuerst die Verhältnisse bei den verschiedenen elektri
schen und dann beim mechanischen Hochfrequenzverfahren besprechen.
1. Die Wärmeverteilung im Körper bei den elektrischen HF-Verfahren (1)
(Diathermie, Kurzwellentherapie, Mikrowellentherapie)
Zur übertragung von elektrischer Hochfrequenzenergie auf Teile des
menschlichen Körpers stehen grundsätzlich 4 Wege zur Verfügung, die
sämtlich beschritten worden sind:
1. Körper als Widerstand im Strom- »klassische Diathermie"
kreis mittels blanker Elektroden 300 kHz - 1 MHz; 1000 m - 300 m
im galvanischen Kontakt
2. Körper als verlustreiches Dielek »Kondensatorfeldmethode"
trikum im hochfrequenten elektro 15 MHz-300MHz; 20m-1 m
Feld zwischen isolierten Elek
troden
3. Körper im hochfrequenten ma »Spulenfeldmethode"
gnetischen Feld einer Spule, Wir 10 MHz - 50 MHz; 30 m - 6 m
belstrombehandlung
4. Körper im Nahfeld elektroma »Strahlenfeldmethode "
gnetischer Richtstrahler hoher 300 MHz - 3000 MHz; 1 m - 10 cm
Intensität
Das klassische Diathermieverfahren hat nur noch historische Bedeutung
und wurde ab Ende der zwanziger Jahre durch die von A. Esau und
E. Schliephake eingeführte Behandlung im Kondensatorfeld von KW-Sen
dern abgelöst. Unter KW-Therapie im weiteren Sinne faßt man zweck-
Therapeutische Anwendung mechanischer und elektrischer Energie 9
mäßigerweise die Behandlungsmethoden im Kondensator-, _Spulen- und
Strahlenfeld zusammen, weil sie die 3 möglichen Formen konzentrierter
Felder elektromagnetischer Energie darstellen.
Zu 1: Im Frequenzgebiet der Diathermie (-- 1 MHz) verhält sich der
menschliche Körper weitgehend wie ein rein Ohmscher Widerstand. Es gel
ten deshalb bei der Durchströmung für die komplizierten Serien- und
Parallelschaltungen der Widerstände der verschiedenen Gewebeschichten
die einfachen Kirchhoffschen Verzweigungsgesetze. Der Mechanismus der
Wärmeentstehung ist weitgehend der gleiche wie in Salzlösungen, d. h. die
Joulesche Stromwärme resultiert aus der Reibung zwischen den in Ionen
dissoziierten Gewebeelektrolyten am Lösungsmittel. Dieser Prozeß bleibt
übrigens für die Wärmebildung vorherrschend bis in außerordentlich hohe
Frequenzgebiete. Erst oberhalb etwa 300 MHz (1 m) kommt zusätzlich,
wie wir sehen werden, als zweiter Effekt für die Wärmebildung die Dipol
absorption im Sinne Debyes hinzu. Bei der Diathermie ergibt sich aus den
Werten der spezifischen Leitfähigkeit für Haut, Unterhautfettgewebe, Mus
kel, Knochen usw. und wegen der großen Stromdichte an den Elektroden
als typisch für die Verteilung, daß Haut und Unterhautfettgewebe relativ
zum Muskelgewebe stark bevorzugt erwärmt und Knochen und innere
Organe vom Strom umflossen werden. Daraus folgt, daß der Energie
umsatz keinesfalls auf das gewollte Gebiet zwischen den Elektroden kon
zentriert bleibt und die Erwärmung in der Körpertiefe vergleichsweise stets
nur sehr klein gegenüber der Erwärmung oberflächennaher Schichten ist.
Zu 2: Worin liegt nun der große Fortschritt begründet, den die Ver
wendung von rund SOfach höheren Frequenzen bei der KW-Therapie,
und zwar zunächst bei der Kendensator/eldmethode, zweifellos gebracht
hat? Da ist zunächst die einfache Tatsache von grundsätzlicher Bedeutung,
daß man die Elektroden zur Herstellung des hochfrequenten elektrischen
Feldes nicht mehr der Haut aufzulegen braucht, sondern einen Luftabstand
vorschalten kann. Damit legt man die Zonen größter Feldliniendichte
außerhalb des Körpers und verwendet nur den homogeneren Mittelteil
des streuenden Feldes. Da aber die im Volumenelement dv je Zeiteinheit
gebildete Wärmemenge außer der spezifischen Leitfähigkeit x dem Quadrat
der dort herrschenden Feldstärke G: proportional ist, findet durch diese
Feldhomogenisierung eine beträchtliche Steigerung der relativen Tiefenwir
kung statt. Daß das Luftabstandsprinzip außerdem die Elektrodentechnik
für den Arzt vereinfacht und die Behandlung offener Wunden, von Kör
perteilen unebener Oberfläche und durch Gipsverbände hindurch erst-
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malig möglich gemacht hat, sei der großen praktischen Bedeutung wegen
wenigstens erwähnt.
Die mit der Frequenz ansteigende kapazitive Durchlässigkeit von Nicht
bzw. Halbleitern hat für die KW-Therapie eine weitere interessante Konse
quenz. Die sowohl makroskopisch als auch mikroskopisch außerordentlich
vielfältige Schichtung der Gewebe aus Stoffen verschieden großer Ohm
scher und kapazitiver Leitfähigkeit, wie sie durch die wenigen Beispiele bei
der Hintereinanderschaltung Haut, Unterhautfettgewebe, Muskelgewebe,
Knochensubstanz, Knochenmark usw. oder in mikroskopischer Dimension
beim Zellenaufbau mit gut leitendem Inhalt und schlecht leitender Hülle
oder am System Blutkörperchen im Serum in Erinnerung gebracht seien,
bedingt eine starke Frequenzabhängigkeit (Dispersion) der Wirk- und
kapazitiven Blindwiderstände solcher Systeme im Sinne der K. W. Wag
nerschen Theorie (Dänzer, Schäfer). Ohne hier auf diese auch physikalisch
interessanten Befunde näher eingehen zu können, sei nur festgestellt, daß
dieses Dispersionsgebiet im wesentlichen zwischen den Frequenzen der Lang
wellendiathermie und der Kurzwellentherapie liegt und sich bei einigen
Gewebearten bis tief ins kurzweIlige Gebiet der angewandten Wellen
längen hinein erstreckt. Diese Dispersion ist dadurch gekennzeichnet, daß
mit wachsender Frequenz die Gesamtleitfähigkeit solcher Systeme ansteigt
und die Dielektrizitätskonstante e von ihren hohen Scheinwerten bei tiefen
Frequenzen auf den Wert der gut leitenden Substanzen abfällt. Die wich
tigste Konsequenz aus den umfangreichen und schwierigen Messungen die
ser Materialkonstanten der verschiedenen .Gewebe (Schäfer, Oßwald, Graul,
Schwan, Stachowiak u. a.) ist die, daß sich eine frequenzabhängige Relativ
erwärmung praktisch nur bei der Serienschaltung von Fettgewebe mit relativ
kleiner Leitfähigkeit und niedrigem e und Muskelgewebe mit großer Leit
fähigkeit und hohem e ausnutzen läßt (Rajewsky, Schäfer). Die direkt ge
messene Relativerwärmung dieser für alle weiteren Konsequenzen wichtigen
Schichtung in Abhängligkeit von der Frequenz zeigt Abb. 2. Man entnimmt
dem Meßergebnis, daß mit kürzer werdender Wellenlänge das Erwärmungs
verhältnis von Fett zu Muskel sinkt und daß therapeutisch verwertbare
Unterschiede nur bei großen Frequenzschritten gegeben sind, z. B. beim
übergang von 30 MHz (10 m), wo der Faktor 8,5 beträgt, auf 300 MHz
(1 m) mit dem Faktor 3,6. AlLseits von Muskel umgebenes Knochengewebe
wind primär nur wenig erwärmt, stärker allerdings das Knochenmark, das
dielektrisch ähnliche Materialkonstanten wie Fett besitzt. Klinisch wirken
sich nach unseren Messungen die Verhältnisse z. B. im Falle der Durchwär-
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mung des weiblichen Beckens so aus, daß der Gewinn an relativer Tiefen
erwärmung bei 50 MHz (6 m) gegenüber einer Diathermiebehandlung mit
1 MHz (300 m) den Faktor 5 beträgt, beim Übergang auf 300 MHz (1 m)
erhält man den weiteren Zuwachs um den Faktor 2!
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30 10 3 0,3m
• A.
Abb. 2: Verhältnis der Temperatursteigerung von Fett zu Muskel im Kondensatorfeld
als Funktion der Frequenz bzw. Wellenlänge. (Esau, Pätzold und Ahrens)
Wesentlich über 300 MHz (1 m) läßt sich die weitere Steigerung an
relativer Tiefenerwär:mung bei der Kondensatorfeldmethode nicht aus
nutzen, weil dann die Feldverteilung im Körper selbst nicht mehr quasi
stationär erfolgt und weil bei der Energieleitung vom Generator zu den
Elektroden unwirtschaftlich große Strahlungsverluste auftreten. Leider muß
ich hier feststellen, daß sich die physikalische Therapie seit einigen Jahren
nicht mehr der großen biophysikalischen Vorteile des Gebietes um 1 m
bedienen kann, weil auf der Weltnachrichtenkonferenz in Atlantic City
im Jahre 1947 international für die Kondensatorfeldmethode nur Arbeits
frequenzen bei 27,12 MHz und 40,68 MHz (Frequenzverhältnis 1 : 1,5)
entsprechend 11,05 mund 7,38 m freigegeben wurden, die wegen ihres
zu kleinen Unterschiedes im Erwärmungsverhältnis Fett / Muskel (9 : 7,8)
nach dem oben Gesagten keinen biophysikalisch begründeten, differenzier-