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1 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Weiterbildungskurs „Elektrotherapie“Weserlandklinik - Bad Hopfenberg

Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle

Physikalische Grundlagen der Elektrotherapie

2 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Inhalt

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3 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Stromfluss durch den menschlichen Körper

Spannung U: Einheit Volt [V] oder Millivolt [mV]

Strom I: Einheit Ampere [A], Milliampere [mA] oder Mikroampere [A]

4 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

StromleitungsmechanismenLeiter 1. Art:Stromtransport durch Elektronen (z.B. Kabel, Elektroden)

Leiter 2. Art:Stromtransport durch Ionen (Flüssigkeiten, Körpergewebe)

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5 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Elektrischer Widerstand

Widerstand REinheit Ohm [], Kiloohm [k] oder Megaohm [M]

Leitwert G = 1/REinheit Siemens [S]

Spezifischer Widerstand Einheit Ohmcm [cm]

spezifische Leitfähigkeit Einheit Siemens pro Meter [S/m = 1/ m]

Ohmsches Gesetz: U = I ∙ R = I / G

6 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/mSkelettmuskel 0,338S/mHerzmuskel 0,28 S/mBindegewebe 0,1 S/mLunge 0,061S/mKnochen 0,055S/mFettgewebe 0,045S/m(zum Vergleich: Kupfer 5,810 7 S/m)

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7 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Quer- und Längsdurchströmung bei unterschiedlicher Elektrodenanordnung

Stromdichte S = I / A

I = Stromstärke; A = durchströmter Querschnitt

8 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Stromdichte in Abhängigkeit von derElektrodenfläche

eine eingestellte Stromstärke von z.B. 30 mA ergibt:

• bei 100 cm2 Elektrodenfläche: S = 0,3 mA/cm2

• bei 5 cm2 Elektrodenfläche: S = 6,0 mA/cm2

Stromdichte S = I / A

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9 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Wichtig:Die Wirkung des elektrischen Stromes hängt – bei gleicher Stromstärke – von der Größe

der verwendeten Elektroden ab.

Hohe Stromdichte Mittlere

Stromdichte

Geringe Stromdichte

10 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Unterschiedliche Elektrodengrößen erzeugen

Konzentration von Stromlinien

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11 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

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.

12 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.

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13 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Beispiele elektrischer Felder

14 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Elektrische Feldstärke

elektrische FeldstärkeE = U / d

U = Spannung

d = Elektrodenabstand

ε = Dielektrizitätskonstante

E, D

elektrische FlussdichteD = ε ∙ E

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15 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Stromdichte im elektrischen Feld

Stromdichte im KondensatorfeldSv = ε ∙ dE/dt

ε = ε0 ·εr =

Dielektrizitätskonstante

z.B. Muskel εr = 45 – 115

Fett εr = 3,9 - 13

E, D

Stromdichte im StrömungsfeldSSt = ∙ E

= spez. elektrische Leitfähigkeit

16 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Magnetische Feldstärke und Induktion

magnetische Feldstärke H = I / d ∙ π

I = Strom; d = Abstand; μ = Permeabilität

magnetische Induktion B = H ∙ μ

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17 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Inhalt

18 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

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19 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Gleichstromtherapie (Galvanisation) • konstante Spannung (CV)

bei kleiner werdendem Widerstand der Haut (Schwitzen) steigt der StromStromstärke I = U/R

• konstanter Strom (CC)die Stromdichte steigt bei Verkleinerung der Elek-trodenfläche (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!

20 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)

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21 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

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

22 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Biologische Wirkungen von Gleichströmen(Stromfluss Arm - Arm )

1 ... 10 mA Wahrnehmungsschwelleleichtes Kribbeln an den Kontaktflächen

10 ... 50 mA Schmerzen in den GelenkenLoslassen immer noch möglich

50 ... 150 mA Schmerz-, Wärme-, Druckgefühl in den Armen, Reizleitungsstörungen

> 150 mA schlagartige Muskelreaktionen, aber keine Verkrampfungen, Bewusst-losigkeit, bei längerer Einwirkungsdauer Strommarken und Verbrennungen, Gefahr des Herzkammerflimmerns

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23 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Inhalt

24 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

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25 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Niederfrequenzbereich

A Impulsamplitudeτ ImpulsdauerP PausendauerT = τ + P Periodendauerf = 1/T Frequenzτ/T Tastverhältnis

Impulsformen

26 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Unipolare und bipolareStromformen

Biphasische Impulse:a. Asymmetrische I.b. Symmetrische I.c. Sequentielle I.

Unipolar

Bipolar

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27 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Niederfrequenzbereich

Amplituden-modulation (AM)

Pulsdauer-modulation (PDM)

Frequenz-modulation (FM)

Modulationsformen

28 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Modulations-formen

Modulationstiefe:

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29 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Diadynamische StrömeMonophasische, sinusförmige

Impulse, abgeleitet aus 50 Hz Netzwechselfrequenz:

• DF (Diphasé Fixe)

• MF (Monophasé Fixe)

• CP (Modulé en Courte Periode)

• LP (Modulé en Longue Periode)

30 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

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31 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Biologische Wirkungen von Wechselströmen

(Sinus; Stromfluss Arm - Arm )

Frequenzabhängigkeit der Krampfschwelle

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

Netzfrequenz

32 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Inhalt

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33 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• Frequenzbereich 1 .... 100 kHz

• wegen kurzer Impulsdauer keine impuls-synchrone Reizung

• höhere Ströme bzw. Stromdichten als im Niederfrequenzbereich

• Frequenzen meist 4 (.... 20) kHz

• niederfrequente Modulation mit <100....150 Hz

• bzw. Interferenz mehrerer Reizstromquellen

Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Mittelfrequenzbereich

34 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Durch Überlagerung

der Ströme I1 und I2 mit

unterschiedlicher

Frequenz entsteht der

amplitudenmodulierte

Summenstrom IS

Interferenz

I1

I2

IS

Impulsstrom- (Reizstrom-)therapie im Mittelfrequenzbereich

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35 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Hochvolt-TherapieHVS = HochvoltstimulationHVPGS = high voltage pulsed galvanic stimulation

36 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

• 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

Inhalt

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37 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Therapieform Frequenz f Wellenlänge

Kurzwellentherapie 27,12 MHz 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

Elektrotherapie im Hochfrequenzbereich

HF-Bereich: f > 1 MHz

wegen der hohen Frequenzen keine Reizung, ausschließlich thermische Wirkungen

38 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Thermische Eindringtiefe veschiedener Therapie-arten

Kondensatorfeld

Spulenfeld

Dezimeterwelle (Langfeldstrahler)

Mikrowelle

Dezimeterwelle(Muldenapplikator)

Fett Muskel Knochen

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39 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-Therapie

Kondensatorfeld-Methode:

wirksam ist das elektrische Feld

Spulenfeld-Methode:

wirksam ist das magnetische Feld

40 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-TherapieKondensatorfeld: wirksam ist das elektrische Feld

E, D

elektrische Feldstärke Eelektrische Flussdichte D:

D = ε ∙ E

Energiedichte des elektrischen Feldes:

we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε

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41 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-TherapieKondensatorfeld: Querdurchströmung

Energiedichte des elektrischen Feldes:

we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε

D = konst.

Bei Querdurchströmung ist dieFlussdichte D in beiden Geweben gleich Stärkere Erwärmung Fettgewebeweil dessen Dielektrizitätszahl r kleiner ist!

Fettgewebe:r klein

Muskelgeweber groß

42 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-TherapieKondensatorfeld: Längsdurchströmung

E = konst.

Bei Längsdurchströmung ist dieFeldstärke E in beiden Geweben gleich. Stärkere Erwärmung Muskelgewebeweil dessen Dielektrizitätszahl r größer ist !

Fettgewebe:r klein

Muskelgeweber groß

Energiedichte des elektrischen Feldes:

we = dW/dV ~ ε ∙ E2 ~ D2/ε

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43 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-TherapieSpulenfeld: wirksam ist das magnetische Feld

magnetische Feldstärke Hmagnetische Induktion B = μ ∙ H ~ IInduktionsgesetz Ui ~ dB/dtStromdichte der Wirbelströme im Körper S = ∙ Espezifische elektrische Leitfähigkeit :

Skelettmuskel ca. 0,338 S/mKnochen ca. 0,055 S/mFettgewebe ca. 0,045 S/m

I

stärkere Erwärmung des gut leitenden Muskelgewebes im Vergleich zum schlecht leitenden Fettgewebe oder Knochen

44 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Kurzwellen-TherapieDosierung bei KW-Therapie

Dosisstufe Spule / Watt Kondensator / Watt

I sehr niedrig < 20(keine Wärmeempfindung)

II niedrig ca. 20 30(eben spürbare Wärme-empfindung)

III mittel 30 60(deutlich wahrnehmbare Wärmeempfindung)

IV hoch 40 100(kräftige Wärmeempfindung)

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45 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Mikrowellen-Therapie

• Hochfrequenzstrahlung mitWärmewirkung

• Frequenz f > 300 MHz

• Eindringtiefe sinkt mit steigenderFrequenz

Leistung P [mW oder W]

Energie W = P ∙ t [Joule = W · s]

Leistungsflussdichte S [mW/cm2]

46 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Grenzwerte für HF-BelastungGrenzwerte nach DIN VDE 0848 Teil 2:Expositionsbereich 1 (beruflich, am Arbeitsplatz)

f < 400 MHz Smax = 1 mW/cm2 (bzw. 10 W/m2)f > 1 GHz 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: 250 mW/cm2

0,5 m: 25 mW/cm2

1,0 m: 5 mW/cm2

Abstand halten !!Vorsicht bei Schwangeren und Schrittmacherträgern

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47 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Vorsicht!

Geräte zur Elektrotherapie

können PatientInnen und MitarbeiterInnen

gefährden!!

48 Elektromedizin – Weserlandklinik Prof. Dr.-Ing. Friedrich Ueberle Hochschule für Angewandte Wissenschaften HamburgGezeichnet von Fredrik Ueberle

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