Medizinische Elektronik: Eine Einführung

336 Pages·1997·11.693 MB·German

by  Professor Dr.-Ing. Joseph Eichmeier (auth.), Professor Dr.-Ing. Joseph Eichmeier (eds.)

Medizinische Elektronik
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Joseph Eichmeier
Medizinische
Elektronik
Eine Einfiihrung
Dritte, aktualisierte und erganzte Auflage
mit 450 Abbildungen und 37 Tabellen
i
Springer
Professor Dr. -Ing. Joseph Eichmeier
Lehrstuhl fUr technische Elektronik
Technische UniversitatMunchen
ArcisstraBe 21
80290 Munchen
ISBN-13: 978-3-642-64432-0 e-ISBN-13: 978-3-642-60500-0
DOl: 10.1007/978-3-642-60500-0
Die Deutsche Bibliothek -Cip-Einheitsaufnahme
Eichmeier, Joseph: Medizinische Elektronik : eine Einfiihrung / Joseph Eichmeier.-
3., aktualisierte und erg. Aufl.-
Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; London; Mailand; Paris; Santa
Clara; Singapur ; Tokio: Springer, 1997
ISBN-13: 978-3-642-64432-0
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1983, 1991 and 1997
Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1997
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SPIN: 10526163 62/3020 -5 4 3210 - Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort zur dritten Auflage
Die dritte Auflage des Buchs "Medizinische Elektronik" bot die Gelegenheit, zahl
reiche Textstellen zu tiberarbeiten, notwendig gewordene Erganzungen einzuftigen
und eine Reihe von Bildern neu zu gestalten. So wurden unter anderem die Ab
schnitte tiber die HF-Chirurgie, die Anwendung von Lasern, Rontgen-Verstarker
folien, Gammakameras, Positronenstrahlung, Ultraschall-Steinzertrtimmerung,
Respiratoren, Herz-Lungen -Maschine, Elektrophoresegerate und Anwendungen
von Kernspintomographen erganzt. Der Abschnitt tiber Umweltschutz wurde zum
groBen Teil neu gestaltet und aktualisiert.
Ftir die Anfertigung von vielen neuen Reinzeichnungen dankt der Verfasser
Herrn R. Reichelt. Dem Springer-Verlag sei daftir gedankt, daB er auch bei der
dritten Auflage fUr eine gute Ausstattung des Buchs gesorgt hat.
Aiunchen, im Fruhjahr 1997 J. Eichmeier
Vorwort zur ersten Auflage
Das vorliegende Buch "Medizinische Elektronik" ist aus einer Vorlesung ent
standen, die der Verfasser seit dem Sommersemester 1967 an der Technischen
Universitat Munchen halt. Es ist das Ergebnis des Bemuhens, sowohl die Grundla
gen als auch die moderne Entwicklung der medizinischen Elektronik in knapper
Form darzustellen. Es bestand dabei die Absicht, die vielfaltigen Anwendungs
moglichkeiten der Elektronik in Medizin und Biologie auch fur die Vertreter dieser
Disziplinen verstandlich zu machen. Andererseits sollte der interessierte Ingenieur
wissenschaftler und Physiker in ausreichendem MaB mit den physiologischen
Grundlagen und Begriffen vertraut gemacht werden, deren Kenntnis Voraus
setzung fur eine fruchtbare und verstandnisvolle interdisziplinare Zusammen
arbeit zwischen den technischen und medizinisch-biologischen Wissenschaften ist.
Das Buch ist in sechs Abschnitte unterteilt. In den ersten drei werden die
Prinzipien, Verfahren und Gerate behandelt, bei deren Anwendung der Organismus
entweder Signal-bzw. Energieerzeuger, -verbraucher oder -wandler ist. Die anderen
drei Abschnitte befassen sich mit den Assistsystemen und dem Organ ersatz, den
klinisch-chemischen Laborverfahren sowie dem Umweltschutz als Bestandteil der
Gesundheitsvorsorge.
Das Buch wendet sich nicht nur an Studierende der Fachrichtungen Elektrotech
nik, Physik, Medizin und Biologie, sondern auch an aIle Interessenten, die sich
berutlich mit der biomedizinischen Technik befassen.
Der Verfasser dankt Herrn cando ing. Walter Nestler fur die Anfertigung der Rein
zeichnungen sowie dem Verlag fur die sorgfaltige Herstellung des Buches.
Fur die finanzielle Unterstutzung dieses Buchprojekts gebuhrt der Firma Drager
werk AG, Lubeck, Dank und Anerkennung.
A[unchen, im Fruhjahr 1983 ]. Eichmeier
Inhaltsverzeichnis
Einleitung .............................. . 1
1 Der Organismus als elektrischer Signal-oder Energieerzeuger 5
1.1 Direkte elektrische Signalerzeugung . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Entstehungsort und -mechanismus bioelektrischer Signale 5
1.1.1.1 Organisation und Bauelemente des Nervensystems 6
1.1.1.2 Elektrische Vorgange im Nervensystem ..... 8
1.1.1.3 Elektroden zur Ableitung bioelektrischer Signale 13
1.1.2 Arten bioelektrischer Signale ........ 17
1.1.2.1 Das Elektroencephalogramm (EEG) 17
1.1.2.2 Das Elektrokardiogramm (EKG) 19
1.1.2.3 Das Elektromyogramm (EMG) 22
1.1.2.4 Das Elektroretinogramm (ERG) 23
1.1.2.5 Das Elektrookulogramm (EOG) 24
1.1.2.6 Weitere bioelektrische Signale 26
1.1.2.7 Biomagnetische Signale ..... 27
1.1.3 Ableitung und Verstarkung bioelektrischer Signale 29
1.2 Indirekte elektrische Signalerzeugung . . . . . . . . . . . 38
1.2.1 Autbau und Eigenschaften verschiedener Transducer 39
1.2.1.1 Mechanoelektrische Transducer 39
1.2.1.2 Photoelektrische Transducer 45
1.2.1.3 Thermoelektrische Transducer 45
1.2.1.4 Chemoelektrische Transducer . . 47
1.2.2 Ableitung von Biosignalen mittels Transducern 52
1.2.2.1 Lungenfunktionsdiagnostik . . . 52
1.2.2.2 Herz- und Kreislaufdiagnostik 58
1.2.2.3 Korpergerauschanalyse 70
1.2.2.4 Thermische Messungen 73
1.2.2.5 Mechanische Messungen 76
1.3 Biotelemetrie . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.3.1 Arten und Eigenschaften von Biotelemetrie-Systemen 80
1.3.2 Oszillatorschaltungen flir Telemetriesysteme . . . 82
1.3.2.1 Oszillatoren mit negativer Impedanz . . . . . 82
1.3.2.2 Oszillatoren mit positiver Rlickkopplung 83
1.3.2.3 Beispiele biomedizinischer Telemetriesender 83
VIII Inhaltsverzeichnis
2 Der Organismus als Energie-oder Signalempfanger 85
2.1 Der Organismus als elektrisches Widerstandsnetzwerk 85
2.1.1 Verhalten des Organismus bei verschiedenen Stromarten 85
2.1.1.1 Gleichstrom . . . . . . . . . . . . 85
2.1.1.2 Niederfrequenter Wechselstrom ......... 86
2.1.1.3 Hochfrequenter Wechselstrom ......... 86
2.1.2 Wirkungen des elektrischen Stroms auf das Ionenmilieu
des Organismus . . . . . . . . . . . 87
2.2 Der Organismus als Strahlungsabsorber 89
2.2.1 Elektromagnetische Wellen 90
2.2.1.1 Radio- und Mikrowellen . . 90
2.2.1.2 IR-, Licht- und UV-Strahlung 101
2.2.1.3 Rontgenstrahlung 106
2.2.1.4 y-Strahlung ......... . 118
2.2.2 Teilchenstrahlung . . . . . . . . . . . 123
2.2.2.1 ,B-Strahlung (Elektronenstrahlen) 123
2.2.2.2 Neutronenstrahlung ...... 130
2.2.2.3 Positronenstrahlung .. . . . . . . 131
2.2.2.4 Biologische Strahlenwirkungen . . 135
2.2.2.5 Radiometrische GroBen und Einheiten 136
2.2.3 Ultraschall . . . . . . . . . . . 139
2.2.3.1 SchallfeldgroBen ............ 139
2.2.3.2 Ultraschallerzeugung ......... 141
2.2.3.3 Ultraschall-Wechselwirkung mit Gewebe 143
2.2.3.4 Ultraschalldiagnostik 144
2.2.3.5 Ultraschalltherapie . . . . . . . . . . . . . 150
3 Der Organismus als Energie-oder Signalwandler 159
3.1 Elektrischer Reiz und elektrische Antwort 159
3.2 Elektrischer Reiz und nichtelektrische Antwort 163
3.2.1 Elektrische Reizung des neuromuskularen Systems 164
3.2.1.1 Auslosung von Muskelzuckungen . . . . . 164
3.2.1.2 Elektrische Herzmuskelreizung mit einem
elektronischen Schrittmacher ...... 165
3.2.1.3 Herzmuskelreizung durch Elektroschock 172
3.2.1.4 Reizstromdiagnostik . . . . . . . . . . . . 173
3.2.1.5 Reizstromtherapie ............. 175
3.2.1.6 Schadlichkeitsgrenzen des Wechselstroms 178
3.2.1.7 Sicherheit medizinischer Gerate 178
3.2.2 Elektrische Beeinflussung des Aktivitatsniveaus
des neuromuskularen Systems . . . . . . . . . . 180
3.2.2.1 Elektroschlaf ............... 180
3.2.2.2 Elektronarkose und Elektroanaesthesie 182
3.2.2.3 Elektrische Schmerzbehandlung .... 183
Inhaltsverzeichnis IX
3.2.3 Elektrische Anregung von Sinnesorganen ...... . 184
3.2.3.1 Anregung von subjektiven Lichterscheinungen
(Phosphenen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.2.3.2 Anregung von akustischen Wahrnehmungen 185
3.2.4 Elektrische Beeinflussung von Nichtsinnesorganen.
Funktionelle Elektrostimulation . . . . . . 191
3.3 Nichtelektrischer Reiz und elektrische Antwort 194
3.3.1 Visuell evozierte Potentiale (VEP) .... . 195
3.3.2 Akustisch evozierte Potentiale (AEP) .. . 197
3.3.3 Olfaktorisch (durch Geruchsreize) evozierte Potentiale 198
3.3.4 Mittelwertbildung der Reizantworten (Averaging) 199
3.4 Nichtelektrischer Reiz und nichtelektrische Antwort 200
4 Assistsysteme und Organersatz 201
4.1 Assistsysteme ...... . 201
4.1.1 Respiratoren . . . . . 201
4.1.2 Intraaortale Ballonpulsation 204
4.1.3 Horgerate ......... . 205
4.2 Organe rsatz . . . . . . . . . . . . . 208
4.2.1 Extrakorporaler Organersatz 208
4.2.1.1 Herz-Lungen -Maschine 208
4.2.1.2 Kunstliche Niere .. 211
4.2.2 Intrakorporaler Organe rsatz . . 217
4.2.2.1 Kunstliches Herz .... 217
4.2.2.2 Linksherzbypass-Pumpsysteme 221
4.2.2.3 Kunstliche Insulin- und Medikamentenspender 222
4.3 Prothetik .. . . . . . . . . . 226
4.3.1 Kunstliche GliedmaBen . 226
4.3.2 Kunstliche Gelenke ... 230
4.3.3 Kunstliche Herzklappen 230
4.4 Biomaterialien . . . . . . . . . 232
4.4.1 Werkstoffe fur direkten Blutkontakt 233
4.4.2 Werkstoffe fur den Gelenk- und Knochenersatz 235
4.4.3 Werkstoffe fur andere Implantate ...... . . 237
5 Klinisch-chemische Laborverfahren 239
5.1 Spektroskope ... 239
5.1.1 Grundlagen 239
5.1.2 Photometer 240
5.2.3 Spektralphotometer 240
5.2.4 IR-Spektralphotometer 243
5.2 Autoanalyzer 247
5.3 Zytometer ......... . 252
x Inhaltsverzeichnis
5.4 Chromatographen . . . 255
5.5 Elektrophoresegerate . 258
5.6 KMR-ESR-MeBsysteme 259
5.6.1 Kernmagnetische und Elektronenspin-Resonanz 259
5.6.2 Magnetresonanzspektroskopie (MRS) 261
5.6.3 Kernspintomographie ..... . 262
5.7 Speicherung von Labor- und Bilddaten ... 270
6 Umweltschutz ... 271
6.1 Allgemeines . 271
6.2 Schutz gegen Luftverschmutzung 272
6.2.1 Luftschadstoffe ....... 272
6.2.2 Messung einzelner Luftschadstoffkomponenten 279
6.2.2.1 Photometrie . . . . . . . . . . . . . . . 280
6.2.2.2 Fluoreszenz-und Chemielumineszenz-Messungen 283
6.2.2.3 Flammen-Ionisation 285
6.2.2.4 Konduktometrie 286
6.2.2.5 Amperometrie. 287
6.2.2.6 Coulometrie . . 288
6.2.2.7 Potentiometrie 288
6.2.2.8 Gas-Chromatographie und Massenspektroskopie 289
6.2.2.9 Staubmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
6.2.2.10 Bestimmung der chemischen Staubbestandteile 291
6.2.3 Verfahren der Luftreinigung bzw. -reinhaltung . 291
6.2.4 Wirkung der Luftverschmutzung auf das Klima 293
6.3 Strahlenschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
6.3.1 Radioaktive und kosmische Strahlung .. 295
6.3.2 UV-Strahlung ................ 302
6.3.3 Umweltstrahlung geringer Quantenenergie 303
6.3.3.1 Natiirliche atmospharische Impulsstrahlung 303
(Atmospherics) ................ 303
6.3.3.2 Technische elektromagnetische Strahlung (Technics) 307
6.4 Larmschutz 312
6.4.1 Larmquellen und Larmwirkung 312
6.4.2 Messung der Larmbelastung 315
6.4.3 SchutzmaBnahmen 316
Literaturverzeichnis 317
Sachverzeichnis . .. . 319