Thermische Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper


Examensarbeit, 1999

103 Seiten, Note: 1,00


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbolverzeichnis

0 Einleitung

1 Temperaturen im menschlichen Körper
1.1 Stoffwechselbedingte Wärmeleistungen im menschlichen Körper
1.1.1 Stoffwechselbedingte Wärmeleistungen der Gewebearten
1.1.2 Gesamtwärmeleistung im menschlichen Körper
1.2 Wärmeströme zwischen menschlichem Körper und Umgebung
1.2.1 Durchblutung und Temperatur in Körperkern und Körperschale
1.2.2 Innere und äußere Wärmeströme
1.3 Temperaturregelung im menschlichen Körper
1.3.1 Aufgabe und Eingriffsmöglichkeiten
1.3.2 Änderung der Wärmeübertragung zwischen Körperkern und Umgebung
1.3.3 Regelzentrum und Thermorezeptoren
1.3.4 Sollwert und Regelbereich

2 Absorption hochfrequenter elektromagnetischer Energie im menschlichen Körper
2.1 Absorption durch Orientierungspolarisation
2.1.1 Vorgang der Orientierungspolarisation
2.1.2 Frequenzabhängigkeit der relativen Dielektrizitätszahl
2.1.3 Temperaturabhängigkeit der Zeitkonstanten
2.2 Absorption durch Bewegung freier Ladungsträger
2.2.1 Elektrolytische Leitfähigkeit
2.2.2 Frequenzabhängigkeit der elektrolytischen Leitfähigkeit
2.2.3 Temperaturabhängigkeit der elektrolytischen Leitfähigkeit
2.3 Elektrische Gewebeeigenschaften
2.3.1 Dielektrizitätszahlen einiger Gewebearten
2.3.2 Elektrische Leitfähigkeit einiger Gewebearten
2.3.3 Dämpfungskonstante, Phasenkonstante und Eindringtiefe

3 Hochfrequente Erwärmung des menschlichen Körpers
3.1 Bestimmung der Wärmeleistungsdichte im Körpergewebe
3.1.1 Wärmeleistungsdichte ohne Reflexion
3.1.2 Wärmeleistungsdichte mit Reflexion an Gewebeübergängen
3.2 Spezifische Absorptionsrate des menschlichen Körpers
3.2.1 Bestimmung der spezifischen Absorptionsrate
3.2.2 Frequenz- und Orientierungsabhängigkeit der spezifischen Absorptionsrate
3.3 Grenzwerte
3.3.1 Eigenschaften der hochfrequenten Erwärmung
3.3.2 Festlegung von Grenzwerten

Literaturverzeichnis

Handschriftliche Versicherung

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1 Wärmeströme unter verschiedenen Umgebungsbedingungen

Abb. 1.2 Wärmeersatzschaltbild bei stationären Temperaturen

Abb. 1.3 Abhängigkeit der Hautdurchblutung von der Lufttemperatur

Abb. 1.4 Abhängigkeit der stoffwechselbedingten Wärmeleistung von der Lufttemperatur

Abb. 1.5 Abhängigkeit der Wärmestromdichte durch Verdunstung von der Lufttemperatur

Abb. 1.6 Blockschaltbild der Temperaturregelung im menschlichen Körper

Abb. 1.7 Regelbereich der Temperaturregelung im menschlichen Körper

Abb. 1.8 Abhängigkeit der Haut- und Körperkerntemperatur von der Lufttemperatur

Abb. 2.1 Elektrischer Dipol im elektrischen Feld

Abb. 2.2 Abhängigkeit des Real- und Imaginärteils der komplexen Dielektrizitätszahl von der Frequenz

Abb. 2.3 Abhängigkeit der Zeitkonstanten des Wassers von der Temperatur

Abb. 2.4 Qualitative Darstellung der Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl einer Gewebeart von der Frequenz

Abb. 2.5 Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl des Muskelgewebes von der Frequenz

Abb. 2.6 Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl des Muskel-, Blut- und Fettgewebes von der Frequenz

Abb. 2.7 Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl des Hautgewebes von der Frequenz

Abb. 2.8 Qualitative Darstellung der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Frequenz

Abb. 2.9 Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Gewebearten von der Frequenz

Abb. 2.10 Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit der Haut von der Frequenz

Abb. 2.11 Abhängigkeit der Eindringtiefe in verschiedenen Gewebearten von der Frequenz

Abb. 3.1 Abhängigkeit der elektrischen Leistungsdichte von der Frequenz

Abb. 3.2 Gewebeprobe mit elektrischer Feldkomponente zu verschiedenen Zeitpunkten

Abb. 3.3 Elektrische Feldkomponente und Wärmeleistungsdichte im Fettgewebe

Abb. 3.4 Reflexion am ebenen Gewebeübergang

Abb. 3.5 Relative Wärmeleistungsdichten bei Reflexion an einem Gewebeübergang

Abb. 3.6 Qualitative Darstellung von Reflexion und Transmission bei schrägem Einfall

Abb. 3.7 Gemittelte spezifische Absorptionsrate SAR verschiedener Körpermodelle

Abb. 3.8 Gemittelte spezifische Absorptionsrate SAR verschiedener Körpermodelle

Abb. 3.9 Ersatzschaltbild einer Stabantenne

Abb. 3.10 Gemittelte spezifische Absorptionsrate SAR einzelner Körperteile

Abb. 3.11 Über den ganzen Körper gemittelte spezifische Absorptionsrate

Abb. 3.12 Abhängigkeit der Grenzwerte der elektrischen und magnetischen Feldstärke sowie der Leistungsflussdichte von der Frequenz

Die eigenen mathematischen Darstellungen wurden mit Mathcad PLUS 5.0 erstellt

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1.1 Masse, Volumen, Dichte und stoffwechselbedingte Wärmeleistung der Gewebearten

Tabelle 1.2 Spezifische Stoffwechselrate und stoffwechselbedingte Wärmeleistungsdichte verschiedener Gewebearten

Tabelle 1.3 Gewebevolumen in den Körperteilen

Tabelle 1.4 Stoffwechselbedingte Wärmeleistungen in den Körperteilen

Tabelle 1.5 Stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung des Körpers bei Belastung

Tabelle 1.6 Gewebedurchblutung im Körperkern und in der Körperschale

Tabelle 1.7 Formeln zur näherungsweisen Berechnung von Teilwärmeströmen

Tabelle 2.1 Abhängigkeit der Dielektrizitätszahl von der Frequenz und vom Wassergehalt

Tabelle 2.2 Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Frequenz und vom Wassergehalt

Tabelle 2.3 Abhängigkeit der Eindringtiefe von der Frequenz und vom Wassergehalt

Tabelle 3.1 Beträge der Reflexionsfaktoren verschiedener Gewebeübergänge

Tabelle 3.2 Rechenergebnisse

Tabelle 3.3 Spezifische Wärmekapazität und Durchblutung einiger Gewebearten

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

0 Einleitung

Wenn sich ein Mensch im hochfrequenten elektromagnetischen Feld aufhält, absorbiert sein Körper einen Teil der Feldenergie. Die absorbierte Feldenergie und der Stoffwechsel rufen im Körpergewebe eine Wärmeleistung hervor. Da bestimmte Gewebetemperaturen für die biochemischen Reaktionen in den lebenswichtigen inneren Organen notwendig sind, verfügt der menschliche Körper über eine Temperaturregelung. Bei einer Gewebeerwärmung löst die Temperaturregelung innerhalb ihres Regelbereiches geeignete Gegenmaßnahmen aus. Die stoffwechsel- und absorptionsbedingte Wärmeleistung, die Wärmekapazität der Gewebearten und die von der Temperaturregelung beeinflusste Wärmeübertragung zwischen menschlichem Körper und Umgebung bestimmen gemeinsam die Gewebetemperaturen. Die von der absorbierten Feldenergie verursachte Gewebeerwärmung und die damit verbundenen Folgen - Schwitzen, Durchblutungssteigerung, Verhaltensänderung, Kreislaufversagen, Verbrennungen, Hitzekollaps - gehören zu den thermischen Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper.

Im ersten Kapitel werden die stoffwechselbedingten Wärmeleistungen verschiedener Gewebearten genannt, und die Temperaturregelung im menschlichen Körper wird beschrieben. Der Begriff der spezifischen Stoffwechselrate wird eingeführt, um herauszufinden, wie wärmeintensiv der Stoffwechsel einzelner Gewebearten ist. Eine Gegenüberstellung der stoffwechselbedingten Wärmeleistungen in den Körperteilen gibt einen groben Überblick über die örtliche Verteilung der stoffwechselbedingten Wärmeleistungen im menschlichen Körper. Die gesamte stoffwechselbedingte Wärmeleistung im ruhenden menschlichen Körper heißt Grundumsatz. Er wird im ersten Kapitel berechnet und bildet die Grundlage für die Festlegung von Grenzwerten für die Absorption von hochfrequenter elektromagnetischer Feldenergie im dritten Kapitel.

Welche Maßnahmen löst die Temperaturregelung aus, um die Gewebetemperaturen aufrechtzuerhalten? Wie erfolgt die Wärmeübertragung zwischen menschlichem Körper und Umgebung? Wo befinden sich die Temperaturfühler, die der Temperaturregelung die Gewebetemperaturen mitteilen? Womit vergleicht die Temperaturregelung die Gewebetemperaturen? Wodurch wird der Regelbereich begrenzt? Diese Fragen werden im ersten Kapitel beantwortet.

Im zweiten Kapitel werden die beiden wichtigsten Mechanismen erklärt, die für die Absorption von hochfrequenter Feldenergie im menschlichen Gewebe verantwortlich sind: die Orientierungspolarisation und die elektrolytische Leitfähigkeit. Die Orientierungspolarisation wirkt auf Moleküle mit Dipoleigenschaften. Solche Moleküle sind im menschlichen Körpergewebe vor allem Wasser- und Proteinmoleküle. Die elektrolytische Leitfähigkeit beruht vor allem auf Ionen, die von in den Körperflüssigkeiten gelösten Elektrolyten herrühren.

Die Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der beiden Absorptionsmechanismen wird untersucht. Ihre Frequenzabhängigkeit wird mit einer Zeitkonstanten beschrieben, so dass sowohl die Absorption durch Orientierungspolarisation als auch die durch elektrolytische Leitfähigkeit oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz immer schwächer werden.

Anschließend werden die Dielektrizitätszahl und die elektrische Leitfähigkeit einer Gewebeart mit Hilfe einer komplexen Ausbreitungskonstanten abgeleitet. Dabei wird zwischen der elektrischen und der elektrolytischen Leitfähigkeit unterschieden. Es wird untersucht, wie sich die Dielektrizitätszahl und die elektrische Leitfähigkeit mit dem Wassergehalt einer Gewebeart und mit der Frequenz eines elektromagnetischen Feldes ändern. Die betrachteten Frequenzen liegen zwischen 100 kHz - in der Nähe des Beginns des Langwellen-Rundfunks - und 20 GHz, der Grenzfrequenz der Orientierungspolarisation von Wassermolekülen.

Wie tief dringt ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld in den menschlichen Körper ein? Wovon hängt die Eindringtiefe ab? Diese Fragen werden am Ende des zweiten Kapitels beantwortet.

Die elektrische Leitfähigkeit des Körpergewebes führt dazu, dass der menschliche Körper im hochfrequenten elektromagnetischen Feld einen Teil der Feldenergie absorbiert. Die Wärmeleistungsdichte, die die absorbierte Feldenergie im Körpergewebe hervorruft, wird im dritten Kapitel bestimmt. Sie hängt von der elektrischen Leitfähigkeit ab. Der Einfluss von Reflexionen an Gewebeübergängen auf die Ortsabhängigkeit der Wärmeleistungsdichte wird beispielhaft am Gewebeübergang zwischen Fett- und Muskelgewebe dargestellt. Die Reflexionsfaktoren der Gewebeübergänge zwischen Luft und Haut sowie zwischen wasserarmen und wasserreichen Gewebearten werden berechnet.

Im dritten Kapitel wird die spezifische Absorptionsrate eingeführt und ihre Frequenzabhängigkeit untersucht. Die Ergebnisse werden am Modell des Menschen als Empfangsantenne erklärt.

Am Ende des dritten Kapitels wird beschrieben, wie die Temperaturregelung auf die zur stoffwechselbedingten Wärmeleistung zusätzlichen Wärmeleistung durch Absorption von Feldenergie reagiert. Die erschwerte Wärmeabgabe an die Umgebung wird erklärt, und die Besonderheiten der hochfrequenten Erwärmung werden herausgestellt. Schließlich werden Grenzwerte für die Leistungsflussdichte eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes und für die spezifische Absorptionsrate durch Vergleich mit dem Grundumsatz festgelegt.

Diese Arbeit behandelt nicht die Berechnung der Gewebetemperaturen im menschlichen Körper. Sie ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden, weil bei jedem Menschen

- der Stoffwechsel unterschiedlich ist,
- die Gewebeverteilung und die Körperform unterschiedlich sind,
- die Wärmeübertragungseigenschaften der Gewebearten unterschiedlich sind,
- die Gewebedurchblutung und damit die Wärmeübertragung durch Konvektion unterschiedlich ist,
- die elektrischen Eigenschaften der Gewebearten unterschiedlich sind.

Deshalb erfolgt diese Berechnung numerisch und wird daher im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht dargestellt.

In der medizinischen Anwendung der gezielten hochfrequenten Gewebeerwärmung bei der Krebstherapie setzt man die Computertomographie ein, um einerseits die individuelle Gewebeverteilung im Patienten zu erfassen und andererseits die Gewebeerwärmung zu kontrollieren.[1]

1 Temperaturen im menschlichen Körper

In diesem Kapitel werden zunächst die Wärmeleistungen beschrieben, die durch den Stoffwechsel im menschlichen Körper entstehen. Mit den hier eingeführten Größen wird der Grundumsatz als Gesamtwärmeleistung im ruhenden menschlichen Körper berechnet. Anschließend werden die einzelnen Formen der Wärmeübertragung zwischen menschlichem Körper und seiner Umgebung dargestellt. Der menschliche Körper wird dabei in Körperkern und Körperschale unterteilt. Am Ende dieses ersten Kapitels wird auf die Struktur und die Arbeitsweise der Temperaturregelung im menschlichen Körper eingegangen.

1.1 Stoffwechselbedingte Wärmeleistungen im menschlichen Körper

1.1.1 Stoffwechselbedingte Wärmeleistungen der Gewebearten

Der Stoffwechsel ist die Hauptwärmequelle im menschlichen Körper. Seine exothermen chemischen Reaktionen wandeln einen Teil der chemischen Energie der Nahrung in Wärmeenergie Wth Stoff um, so dass der Stoffwechsel in den Geweben mit einer bestimmten Wärmeleistung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

verbunden ist.

Die Tabelle 1.1 gibt für einige Gewebearten die stoffwechselbedingte Wärmeleistung, die Masse, das Volumen und die Dichte an. Die Tabellenwerte beruhen auf einem anatomischen Modell eines ruhenden menschlichen Körpers mit 1,76 m Körpergröße, 67 kg Körpermasse und 1,8 m² Körperoberfläche.[2] Die Tabelle 1.1 zeigt, dass die stoffwechselbedingte Wärmeleistung in der Leber, in der Großhirnrinde, in den Nieren, im Herz und im ruhenden Muskelgewebe wesentlich höher ist als die stoffwechselbedingte Wärmeleistung in den anderen Gewebearten. Die höchste Wärmeleistung wird in der Leber als Zentralorgan des Stoffwechsels erzeugt.[3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.1

Quelle: verändert übernommen aus Werner et al. (1988), S. 1113.

Obwohl sich die Wärmeleistung in der Leber nur wenig von der Wärmeleistung im ruhenden Muskelgewebe unterscheidet, setzt der Stoffwechsel in der Leber viel mehr Wärmeenergie frei als der Stoffwechsel im ruhenden Muskelgewebe. Beide stoffwechselbedingten Wärmeleistungen weichen nur deshalb kaum voneinander ab, weil die Muskelgewebemasse zwanzigmal größer ist als die Lebermasse. Ob ein Gewebe einen wärmeintensiven Stoffwechsel hat, erkennt man an der spezifischen Stoffwechselrate[4], die die stoffwechselbedingte Wärmeleistung im Gewebe auf die Gewebemasse bezieht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Je höher die spezifische Stoffwechselrate eines Gewebes ist, umso mehr Wärmeenergie setzen die biochemischen Stoffwechselvorgänge im Gewebe frei.

In der Tabelle 1.2 sind die spezifischen Stoffwechselraten einiger Gewebearten angegeben. Die Tabellenwerte wurden mit Hilfe der Werte aus der Tabelle 1.1 berechnet. Die Tabelle 1.2 zeigt, dass die spezifische Stoffwechselrate des Herzens, der Nieren, der Leber und der Großhirnrinde wesentlich höher ist als die spezifischen Stoffwechselraten der anderen Gewebearten. Die höchsten spezifischen Stoffwechselraten haben das Herz und die Nieren. Die Tabelle 1.2 zeigt auch, dass die spezifische Stoffwechselrate des ruhenden Muskelgewebes sehr gering ist. Die hohe stoffwechselbedingte Wärmeleistung im ruhenden Muskelgewebe in der Tabelle 1.1 ist demnach eine Folge der großen Gewebemasse.

Wenn man die stoffwechselbedingte Wärmeleistung in einem Gewebe nicht auf die Gewebemasse, sondern auf das Gewebevolumen bezieht, erhält man die stoffwechselbedingte Wärmeleistungsdichte der Gewebeart:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die stoffwechselbedingten Wärmeleistungsdichten der Gewebearten in der Tabelle 1.2 wurden mit der Beziehung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und den Gewebedichten aus der Tabelle 1.1 berechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.2

Quelle: eigene Darstellung.

1.1.2 Gesamtwärmeleistung im menschlichen Körper

Die stoffwechselbedingten Wärmeleistungsdichten der Gewebearten ermöglichen es, die stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung im menschlichen Körper zu berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zerlegt man den menschlichen Körper in Volumenelemente, die jeweils nur eine Gewebeart einschließen, und nimmt man an, dass die Gewebearten konstante stoffwechselbedingte Wärmeleistungsdichten haben, dann berechnet man die

stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung im ruhenden menschlichen Körper mit Hilfe der Tabellen 1.1 und 1.2 folgendermaßen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung von 83,73 W bedeutet, dass der Stoffwechsel während eines Tages eine Wärmeenergie von

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

im ruhenden Körper freisetzt. Die berechnete stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung von 83,73 W gilt für das anatomische Modell, das der Tabelle 1.1 und 1.2 zugrunde liegt. Die stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung im gesunden, ruhenden menschlichen Körper hängt von der Körpermasse, vom Alter und vom Geschlecht ab. Sie liegt zwischen 60 W und 100 W und nimmt beim Schlafen mit 80 W ungefähr den berechneten Wert an.[5]

Die stoffwechselbedingte Wärmeleistung in den Körperteilen Kopf, Rumpf, Arme und Beine ermittelt man entsprechend zur Berechnung der Gesamtwärmeleistung im Körper:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die erforderlichen Volumen der Organe stehen in der Tabelle 1.1 und die Volumen der anderen Gewebearten in der Tabelle 1.3. Die berechneten Wärmeleistungen stehen in der Tabelle 1.4.

Die hohe stoffwechselbedingte Wärmeleistung im Rumpf beruht darauf, dass einerseits das Herz, die Nieren und die Leber als Organe mit einer hohen Wärmeleistungsdichte im Rumpf liegen und andererseits eine große Muskelgewebemasse im Rumpf vorhanden ist. Die stoffwechselbedingte Wärmeleistung im Rumpf entspricht 66,7%

von der stoffwechselbedingten Gesamtwärmeleistung im ruhenden menschlichen Körper.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.3

Quelle: verändert übernommen aus Werner et al. (1988), S. 1112.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.4

Quelle: eigene Darstellung.

Der Vergleich der stoffwechselbedingten Wärmeleistung im Kopf in der Tabelle 1.4 mit der stoffwechselbedingten Wärmeleistung in der Großhirnrinde in der Tabelle 1.1 zeigt, dass die Wärmeleistung im Kopf vorwiegend vom Stoffwechsel in der Großhirnrinde verursacht wird. Der Stoffwechsel im Kopf erzeugt 18,7% von der Gesamtwärmeleistung im ruhenden Körper. Beim Vergleich der stoffwechselbedingten Wärmeleistungen zweier Körperbereiche muss man beachten, dass die Wärmeleistung als integrale Größe von der räumlichen Verteilung der stoffwechselbedingten Wärmeleistungsdichten unabhängig ist.

Bei körperlicher Belastung erhöht sich die stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung im Körper, weil der Stoffwechsel und damit auch die Wärmeleistung in der Muskulatur ansteigt. In der Tabelle 1.5 sind für einige Tätigkeiten die stoffwechselbedingten Gesamtwärmeleistungen im Körper angegeben. Man kann an den Tabellenwerten erkennen, dass die stoffwechselbedingte Gesamtwärmeleistung bei Belastung den zehn- bis zwanzigfachen Wert ihres Ruhewertes von 83,73 W erreichen kann.[6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.5

Quelle: verändert übernommen aus Rüdiger (1988), S. 608.

1.2 Wärmeströme zwischen menschlichem Körper und Umgebung

1.2.1 Durchblutung und Temperatur im Körperkern und in der Körperschale

Die Wärmeübertragungen zwischen den Geweben sowie zwischen dem menschlichen Körper und seiner Umgebung und die Wärmeleistungsdichten in den Geweben bestimmen die Gewebetemperaturen. Man unterscheidet im menschlichen Körper bezüglich der räumlichen Verteilung der Gewebetemperaturen den Körperkern von der Körperschale. Der Körperkern schließt die Organe im Kopf sowie die in der Brust- und Bauchhöhle ein.[7] Die Körperschale umgibt den Körperkern. Sie besteht vorwiegend aus Muskel-, Fett- und Hautgewebe.[8]

Die Gewebetemperatur im Körperkern beträgt nahezu konstant 37,5°C, die Gewebe in der Körperschale haben dagegen unterschiedliche Temperaturen.[9] Der Grund dafür ist die verschieden starke Gewebedurchblutung in beiden Körperbereichen. Die Gewebetemperatur im Körperkern wird als Körperkerntemperatur bezeichnet.

In der Tabelle 1.6 ist die Gewebedurchblutung im Körperkern und in der Körperschale angegeben. Die Gewebevolumen wurden mit Hilfe der Tabelle 1.1 berechnet. Die Tabelle 1.6 zeigt, dass das Herz im ruhenden menschlichen Körper rund 5,8 Liter Blut pro Minute fördert, wovon 70% durch den Körperkern und 30% durch die Körperschale strömen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.6

Quelle: verändert übernommen aus Schubert (1988), S. 795.

Wenn man die Gewebedurchblutung im Körperkern und in der Körperschale auf das jeweilige Gewebevolumen bezieht, erhält man für den Körperkern eine mittlere Gewebedurchblutung von 0,6 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und für die Körperschale von 0,055 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Die mittlere Gewebedurchblutung im Körperkern eines ruhenden menschlichen Körpers übertrifft demzufolge die in der Körperschale um etwa das Zehnfache. Diese starke Durchblutung führt aufgrund der konvektiven Wärmeübertragung[10] durch den Blutstrom zu einem beinahe vollständigen Ausgleich der Gewebetemperaturen im Körperkern.[11]

Als Folge der schwachen Durchblutung sind die Gewebetemperaturen in der Körperschale eines ruhenden menschlichen Körpers schlechter ausgeglichen. Bei körperlicher Belastung steigt jedoch die Durchblutung der Skelettmuskulatur stark an. Sie kann sich um das Zwanzig- bis Dreißigfache gegenüber der Durchblutung in Ruhe erhöhen.[12] Mit der Durchblutung der Skelettmuskulatur nimmt auch die Durchblutung der Körperschale zu. Die Tabelle 1.6 zeigt die Gewebedurchblutung in der Körperschale bei schwerer Arbeit. Sie beträgt insgesamt 14 400 ml/min, wovon 12 500 ml/min allein auf die Durchblutung der Skelettmuskulatur entfallen.[13]

1.2.2 Innere und äußere Wärmeströme

Der menschliche Körper nutzt von der Wärme[14], die der Stoffwechsel hervorruft, nur so viel, dass er seine Körperkerntemperatur von 37,5°C aufrechterhalten kann. Die restliche Wärme muss er über seine Körperoberfläche an die Umgebung abgeben, damit sich der Körperkern nicht überhitzt. Die Wärmeübertragung zwischen Körperkern und Umgebung geschieht dabei in der Körperschale durch

- Wärmeleitung[15] im Körpergewebe und konvektive Wärmeübertragung durch den Blutstrom sowie am Wärmeübergang[16] zwischen Körperoberfläche und Umgebung durch
- Wärmeübergang zur umgebenden Luft, Wärmestrahlung und Verdunstung von Wasser.[17]

Man beschreibt eine Wärmeübertragung allgemein durch einen Wärmestrom

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Er gibt die Wärme dWth an, die in der Zeit dt senkrecht durch eine Fläche A strömt. Der Wärmestrom Ith ist demzufolge die bei einer Wärmeübertragung senkrecht durch eine Fläche transportierte Wärmeleistung Pth.

Den flächenbezogenen Wärmestrom Ith bezeichnet man als Wärmestromdichte S th. Sie ist über die Beziehung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit dem Wärmestrom Ith verbunden, worin n A den Normaleneinheitsvektor der durchströmten Fläche A bezeichnet.

Den Wärmestrom, der bei der Wärmeübertragung zwischen Körperkern und Umgebung fließt, unterteilt man in einen inneren und einen äußeren Wärmestrom.[18] Der innere Wärmestrom Ith int fließt zwischen Körperkern und Haut. Er wird gebildet vom

- Wärmestrom IthL durch Wärmeleitung im Körpergewebe und vom
- Wärmestrom IthB durch konvektive Wärmeübertragung durch den Blutstrom.

Der äußere Wärmestrom Ith ext fließt zwischen Haut und Umgebung. Er setzt sich zusammen aus

- dem Wärmestrom IthLuft durch Wärmeübergang zur umgebenden Luft,
- dem Wärmestrom IthS durch Strahlung und
- dem Wärmestrom IthV durch Verdunstung von Wasser:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Tabelle 1.7 sind Formeln zur näherungsweisen Berechnung der einzelnen Teilwärmeströme angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1.7

Quelle: Vgl. Brück (1993), S. 666 f. und Werner (1984), S. 6 ff.

Die in der Tabelle 1.7 genannten Wärmeleitwerte hängen von der effektiven Körperoberfläche ab. Sie beträgt je nach Körperhaltung 50-80% von der anatomischen Körperoberfläche.[19] Beim Wärmestrom durch Strahlung wird von der effektiven Körperoberfläche nur der Teil wirksam, der den strahlenden Objekten zugewandt ist.

Der menschliche Körper kann die Wärme, die sein Stoffwechsel verursacht, nur dann an seine Umgebung abgeben, wenn

- der innere Wärmestrom Ith int vom Körperkern zur Haut und
- der äußere Wärmestrom Ith ext von der Haut zur Umgebung

fließt.

Der Wärmestrom IthL fließt vom Körperkern zur Haut, wenn die Körperkerntemperatur höher ist als die mittlere Hauttemperatur:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die konvektive Wärmeübertragung vom Körperkern zur Haut durch den Wärmestrom IthB erfolgt in zwei Phasen:

1. Phase: Das Blut, das durch den Körperkern strömt, nimmt die Körperkernwärme über die Blutgefäßwände auf.
2. Phase: Das Blut, das durch die Körperschale zur Haut fließt, gibt die mitgeführte Wärme über die Gefäßwände an die Haut ab.

Die Wärmeaufnahme während der ersten Phase geschieht nur dann, wenn die Körperkerntemperatur höher als die mittlere Bluttemperatur ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit das Blut während der zweiten Phase die mitgeführte Wärme an die Haut abgegeben kann, muss die mittlere Bluttemperatur höher sein als die mittlere Hauttemperatur:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wärmestrom IthB transportiert demzufolge die Wärme im Körperkern nur dann zur Haut, wenn die Körperkerntemperatur höher ist als die mittlere Hauttemperatur:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den inneren Wärmestrom Ith int folgt insgesamt, dass er nur dann zur Haut fließt, wenn die Haut kühler ist als der Körperkern.

Der Teilwärmestrom IthLuft des äußeren Wärmestromes Ith ext überträgt die Wärme von der Haut zur Luft nur dann, wenn die mittlere Hauttemperatur höher ist als die Lufttemperatur:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Wärmestrom durch Strahlung IthS hängt von der vierten Potenz der mittleren Hauttemperatur und von der vierten Potenz der Temperatur der wärmestrahlenden Objekte in der Umgebung ab. Kleine Temperaturänderungen verursachen dadurch große Stromänderungen. Der Wärmestrom durch Strahlung fließt zur Umgebung, wenn die Haut wärmer ist als die strahlenden Objekte:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der Wärmeabgabe durch Verdunstung liefert die Haut das notwendige Wasser durch Schweißbildung. Das verdunstende Wasser entzieht der Haut Wärme in Höhe der erforderlichen Verdunstungswärme. Die Haut wird dadurch gekühlt. Die Wirksamkeit der Schweißverdunstung ergibt sich aus dem Vergleich der Verdunstungswärme des Wassers von 2,4 MJ/l mit der Wärme von 7,23 MJ, die der Stoffwechsel während eines Tages freisetzt: Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Der menschliche Körper kann demzufolge durch Verdunstung von einem Liter Wasser ungefähr ein Drittel der stoffwechselbedingten Wärme eines Tages an seine Umgebung abgeben.[20]

Der Wärmestrom durch Verdunstung IthV hängt vom mittleren Wasserdampfdruck unmittelbar über der Haut und vom Wasserdampfdruck in der Luft ab. Er transportiert die Wärme von der Haut zur Luft, solange der Dampfdruck unmittelbar über der Haut höher ist als der in der umgebenden Luft:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der höhere Dampfdruck über der Haut bedeutet eine höhere Konzentration von Dampfteilchen gegenüber der Konzentration in der Luft, so dass sich die Dampfteilchen durch Diffusion von der Haut wegbewegen.

Der äußere Wärmestrom Ith ext fließt insgesamt nur dann von der Haut zur Umgebung, wenn die Teilwärmeströme in dieser Richtung größer sind als die Teilwärmeströme, die zur Haut fließen.

Die Abbildung 1.1 zeigt die Größe und Richtung der Teilwärmeströme des äußeren Wärmestromes unter verschiedenen Bedingungen. Die Länge der Pfeile veranschaulicht dabei die Größe der Wärmeströme. An der Abbildung 1.1 erkennt man, dass der Wärmestrom IthLuft mit steigender Lufttemperatur abnimmt und der Wärmestrom durch Verdunstung IthV zunimmt. Man erkennt weiter, dass der Wärmestrom IthS bei Sonnenbestrahlung erheblich ansteigt und in Richtung Haut fließt. In diesem Fall ermöglicht nur noch ein hoher Wärmestrom durch Verdunstung IthV die Wärmeabgabe an die Umgebung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.1 Wärmeströme unter verschiedenen Umgebungsbedingungen

Quelle: verändert übernommen aus Hensel (1985), S. 9.6.

Die Wärmeübertragung vom Körperkern zur Umgebung wird sehr erschwert, wenn die Umgebungstemperatur über der Körperkerntemperatur liegt. Es besteht die Gefahr, dass die Haut eine Temperatur annimmt, die höher ist als die Körperkerntemperatur. Der innere Wärmestrom fließt in diesem Fall nicht mehr zur Haut. Die Körperkerntemperatur steigt an: ein lebensbedrohlicher Vorgang, denn bei einer Körperkerntemperatur von 43,5°C tritt der Hitzetod ein.[21] Der Wärmestrom durch Verdunstung ist unter diesen Bedingungen die einzige Möglichkeit, die Wärme von der Haut abzuführen. Die Schweißverdunstung kühlt die Haut und verhindert dadurch, dass die Wärmeübertragung vom Körperkern zur Umgebung wegen einer zu hohen Hauttemperatur unterbrochen wird.

Umgebungstemperaturen unterhalb der Körperkerntemperatur werden lebensbedrohlich, wenn ein Gesamtwärmestrom vom Körperkern zur Umgebung fließt, der größer ist als die Wärmeleistung des Stoffwechsels. Die Körperkerntemperatur nimmt ab, der menschliche Körper kühlt aus. Wenn die Körperkerntemperatur unter 24°C fällt, tritt der Kältetod ein.[22]

1.3 Temperaturregelung im menschlichen Körper

1.3.1 Aufgabe und Eingriffsmöglichkeiten

Der Körperkern nimmt Wärme durch den Stoffwechsel auf und gibt Wärme über einen Wärmestrom an die Umgebung ab. Die Körperkerntemperatur ist stationär[23], wenn die aufgenommene und die abgegebene Wärmeleistung gleich sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dieses Gleichgewicht muss sich bei einer Körperkerntemperatur von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten einstellen, weil die Wirkungen der Enzyme[24], die die Stoffwechselvorgänge steuern, in diesem Temperaturbereich optimal sind.[25] Der menschliche Körper verfügt deshalb über eine Temperaturregelung. Sie hat die Aufgabe, die Körperkerntemperatur trotz äußerer und innerer Einflüsse im optimalen Temperaturbereich aufrechtzuerhalten.

Die Abbildung 1.2 zeigt ein einfaches Wärmeersatzschaltbild, an dem man die Eingriffsmöglichkeiten der Temperaturregelung auf die Wärmeübertragung zwischen Körperkern und Umgebung leicht herausfindet. Im dargestellten Ersatzschaltbild wird die Körperschale durch einen Wärmedurchgangswiderstand

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und der Wärmeübergang zwischen Haut und Umgebung durch einen Wärmeübergangswiderstand

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.2 Wärmeersatzschaltbild bei stationären Temperaturen

Quelle: eigene Darstellung.

Diese beiden Wärmewiderstände ermöglichen eine einfache Berechnung der Körperkerntemperatur im stationären Fall:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Änderung der Körperkerntemperatur Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten berechnet man mit der letzten Gleichung folgendermaßen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn man nun Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten setzt, erhält man eine Gleichung, die die grundsätzlichen Eingriffsmöglichkeiten für die Temperaturregelung aufzeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Fall: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Um die Körperkerntemperatur bei erhöhter Umgebungstemperatur und gleichbleibendem Stoffwechsel konstant zu halten, muss die Temperaturregelung den Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale oder den Wärmeübergangswiderstand zwischen Haut und Umgebung verringern:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Fall:[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Um die Körperkerntemperatur bei erhöhter Umgebungstemperatur und erhöhtem Stoffwechsel[26] konstant zu halten, muss die Temperaturregelung den Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale oder den Wärmeübergangswiderstand zwischen Haut und Umgebung verringern:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Fall: [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Um die Körperkerntemperatur bei erhöhtem Stoffwechsel und gleichbleibender Umgebungstemperatur konstant zu halten, muss die Temperaturregelung den Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale oder den Wärmeübergangswiderstand zwischen Haut und Umgebung verringern:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4. Fall:[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Um die Körperkerntemperatur bei niedriger Umgebungstemperatur konstant zu halten, muss die Temperaturregelung den Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale, den Wärmeübergangswiderstand zwischen Haut und Umgebung oder den Stoffwechsel erhöhen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Temperaturregelung kann demzufolge die Körperkerntemperatur konstant halten, indem sie

- den Wärmedurchgangswiderstand Rth Schale der Körperschale,
- den Wärmeübergangswiderstand Rth HU zwischen Haut und Umgebung,
- die stoffwechselbedingte Wärmeleistung Pth Stoff

verringert oder erhöht.

1.3.2 Änderung der Wärmeübertragung zwischen Körperkern und Umgebung

Die Temperaturregelung ändert den Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale vor allem durch die Durchblutung in den Armen und Beinen.[27] Der Grund dafür ist, dass das venöse Blut in den Extremitäten über die oberflächlichen Hautvenen oder über die tiefen, den Arterien anliegenden Begleitvenen zum Körperkern zurückströmen kann.[28]

In kalter Umgebung sind die Begleitvenen stark und die Hautvenen schwach durchblutet. Das venöse Blut, das in den Händen und Füßen stark abkühlt, fließt zum Körperkern an den Arterien entlang zurück.[29] Die vom arteriellen Blut mitgeführte Körperkernwärme überträgt sich auf das venöse Blut.[30] Sie wird vom venösen Blut in den Körperkern zurücktransportiert, ohne die Hautoberfläche zu erreichen.[31] Diese direkte Wärmeübertragung zwischen den Arterien und den Begleitvenen verhindert, dass die Körperkernwärme an die Umgebung abgegeben wird. Der Wärmestrom zur Haut ist trotz großem Temperaturunterschied zwischen Körperkern und Haut gering. Der Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale ist groß.

In einer warmen Umgebung sind die Hautvenen stark und die Begleitvenen schwach durchblutet.[32] Die direkte Wärmeübertragung zwischen den Arterien und den Begleitvenen ist sehr gering, so dass trotz geringem Temperaturunterschied zwischen Körperkern und Haut ein hoher Wärmestrom zur Haut fließt. Der Wärmedurchgangswiderstand der Körperschale ist klein.

In der Abbildung 1.3 ist der beschriebene Zusammenhang zwischen der Hautdurchblutung und der Lufttemperatur dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.3 Abhängigkeit der Hautdurchblutung von der Lufttemperatur

Quelle: verändert übernommen aus Werner (1984), S. 105.

Neben der von der Temperaturregelung ausgelösten Durchblutungsänderung reagiert die Muskulatur der Blutgefäße auch unmittelbar auf Temperaturänderungen.[33] Sie zieht die Blutgefäße bei niedrigen Temperaturen zusammen und erweitert sie bei hohen Temperaturen.

Die Temperaturregelung erhöht die stoffwechselbedingte Wärmeleistung bei niedrigen Umgebungstemperaturen, wenn die Durchblutungssenkung der Körperschale nicht mehr ausreicht, um die Wärmeabgabe an die Umgebung ausreichend zu drosseln. Sie erhöht dabei den Stoffwechsel in der Leber und in der Muskulatur sowie die Wärmebildung aus dem Fettsäureumsatz.[34] Wenn die Körperkerntemperatur trotz dieser Maßnahmen weiter sinkt, ruft die Temperaturregelung Muskelzittern hervor. Der Blutkreislauf transportiert die beim Zittern gebildete Wärme aufgrund der geringen Hautdurchblutung größtenteils ins Körperinnere.[35] Dem Absinken der Körperkerntemperatur wird dadurch entgegengewirkt.

Die Abbildung 1.4 zeigt die Abhängigkeit der stoffwechselbedingten Wärmeleistung von der Lufttemperatur. Die einzelnen Symbole bezeichnen jeweils verschiedene Versuchspersonen, deren stoffwechselbedingte Wärmeleistung in Ruhe aus dem Sauerstoffverbrauch ermittelt wurde (Mittelwert aus 2 - 4 Versuchen, Luftgeschwindigkeit kleiner als 0,2 ms-1, relative Luftfeuchte 40%).[36]

Die Temperaturregelung ändert den Wärmeübergangswiderstand zwischen der Haut und der Umgebung bei steigenden Lufttemperaturen, indem sie über die Schweißbildung den Teilwärmestrom IthV der Wärmeübertragung durch Verdunstung erhöht oder verringert. Die schwitzende Haut gibt Wärme durch die Schweißverdunstung an die Umgebung ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.4 Abhängigkeit der stoffwechselbedingten Wärmeleistung von der Lufttemperatur

Quelle: verändert übernommen aus Werner (1984), S. 101.

In der Abbildung 1.5 ist der Betrag der Wärmestromdichte durch Verdunstung in Abhängigkeit von der Lufttemperatur für einen unbekleideten, ruhenden menschlichen Körper dargestellt. Man erkennt, dass die Schweißbildung oberhalb einer Lufttemperatur von 30°C deutlich ansteigt.

Die schwitzende Körperoberfläche und die Schweißmenge nehmen mit steigender innerer und äußerer Wärmebelastung zu. Die Schweißdrüsen können maximal 1,5l Schweiß pro Stunde liefern. Sie ermüden nach etwa zehn Stunden, auch dann, wenn während dieser Zeit genügend Wasser und Salze aufgenommen worden sind.[37]

Die physikalisch-chemischen Vorgänge der Temperaturregelung können den Wärmeübergangswiderstand zwischen Haut und Umgebung bei sinkenden Umgebungstemperaturen kaum erhöhen. Der Mensch vergrößert diesen Wärmeübergangswiderstand, indem er Kleidung anzieht. Der Wärmeübergangswiderstand erhöht sich dabei aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Luftpolsters zwischen der Haut und der Kleidung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.5 Abhängigkeit der Wärmestromdichte durch Verdunstung von der Lufttemperatur

Quelle: verändert übernommen aus Werner (1984), S. 108.

1.3.3 Regelzentrum und Thermorezeptoren

Im Rahmen der Temperaturregelung löst das Zentralnervensystem[38] die beschriebenen Vorgänge aus und überwacht sie. Der Hypothalamus[39] gilt als das informationsverarbeitende Zentrum der Temperaturregelung.[40] Er empfängt von den Thermorezeptoren im Hautgewebe und im Körper Signale, die die Temperaturen aus bestimmten Körperbereichen melden. Im Hypothalamus selbst befinden sich ebenfalls temperaturempfindliche Nervenzellen, die auf die Temperatur des einströmenden arteriellen Blutes ansprechen.[41]

Bei den Thermorezeptoren im Hautgewebe unterscheidet man Wärme- und Kälterezeptoren. Die Kälterezeptoren sind zahlreicher und gleichmäßiger über die Haut verteilt als die Wärmerezeptoren. Ein Teil der Kälte- und Wärmerezeptoren dient nur der Temperaturempfindung, nicht aber der Temperaturregelung.[42] Die Kälterezeptoren, die an der Temperaturregelung beteiligt sind, lösen bei ihrer Aktivierung die Vorgänge gegen Kälte aus (z.B. Verringerung der Hautdurchblutung, Kältezittern), die Wärmerezeptoren die Vorgänge gegen Wärme (z.B. Steigerung der Hautdurchblutung, Schwitzen). Die Wärmerezeptoren begrenzen außerdem die Erwärmung des Körpers, die nach einer Aktivierung der Kälterezeptoren einsetzt. Die Kälterezeptoren wiederum begrenzen die Abkühlung des Körpers nach dem Ansprechen der Wärmerezeptoren. Dieses Zusammenwirken von Kälte- und Wärmerezeptoren ermöglicht, dass bei sinkender Umgebungstemperatur bereits Kälteabwehrvorgänge ausgelöst werden, bevor die Körperkerntemperatur abnimmt und innere Thermorezeptoren ansprechen.[43]

Die Frage, wo sich außer im Hautgewebe noch Thermorezeptoren im menschlichen Körper befinden, ist in der Physiologie noch nicht endgültig geklärt. In dem Buch „Physiologie des Menschen“ von G. Thews und R. F. Schmidt schreibt dazu K. Brück:

„Neben diesen cutanen [die Haut betreffend, d. Verf.] Thermorezeptoren hat man seit langem innere Thermorezeptoren postuliert und zahlreiche experimentelle Indizien für ihre Existenz gewonnen. So konnte man durch lokale Erwärmung oder Kühlung eines eng umschriebenen Bezirks im Bereich des vorderen Hypothalamus sowohl Wärmeabgabevorgänge als auch Steigerung der Wärmebildung auslösen. ... Eine sehr hohe Thermosensibilität besitzt jedoch das Rückenmark. ... Experimentelle Untersuchungen weisen auf Thermorezeptoren im Bereich der Dorsalwand [zum Rücken hin gelegene Wand, d. Verf.] der Bauchhöhle und in der Muskulatur hin. Thermorezeptoren an noch anderen Stellen sind nicht auszuschließen. Neuerdings ergaben sich Hinweise für subcutan [unter der Haut, d. Verf.] gelegene Thermorezeptoren.“ [44]

1.3.4 Sollwert und Regelbereich

Wenn eine Körperkerntemperatur von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit Hilfe einer Temperaturregelung aufrechterhalten wird, dann muss im Zentralnervensystem das komplexe Temperatursignal mit einem „Sollwert“ verglichen werden. Im Gegensatz zur technischen Regelung gibt sich das Zentralnervensystem einen Sollwert aber nicht vor.[45] Der Sollwert der biologischen Temperaturregelung ist die im stationären Zustand eingestellte integrierte Körpertemperatur, bei der weder Erwärmungs- noch Kälteabwehrvorgänge tätig sind.[46] Der Sollwert ist damit eine Funktion der Schwellentemperaturen für die verschiedenen Stellvorgänge.[47]

Die Abbildung 1.6 zeigt ein Blockschaltbild für die Temperaturregelung im menschlichen Körper. Der Regler ist das Zentralnervensystem, und eine gewichtete mittlere Körpertemperatur ist die Regelgröße. Die Stellgrößen sind die beschriebenen Vorgänge zur Kälte- und Wärmeabwehr. Hitze, Kälte oder Sonnenbestrahlung sind Beispiele für äußere Störgrößen, körperliche Arbeit oder die Verdauung der Nahrung sind Beispiele für innere Störgrößen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.6 Blockschaltbild der Temperaturregelung im menschlichen Körper

Quelle: verändert übernommen aus Brück (1997), S. 779.

Die Temperaturregelung ist in der Lage, bei Umgebungstemperaturen zwischen 10°C und 40°C im unbekleideten, ruhenden menschlichen Körper eine Körperkerntemperatur von Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten aufrechtzuerhalten.[48]

In der Abbildung 1.7 ist dieser Regelbereich (Normothermie) dargestellt. Die maximale Steigerung der Wärmebildung im menschlichen Körper bestimmt die untere Temperaturgrenze des Regelbereichs.[49] Bei Unterschreitung dieser Grenze kommt es zur Unterkühlung (Hypothermie).

Die maximale Schweißbildung legt die obere Temperaturgrenze des Regelbereichs fest.[50] Oberhalb dieser Grenze kommt es zur Überhitzung (Hyperthermie). Bei Umgebungstemperaturen zwischen 29°C und 31°C wird die Körperkerntemperatur allein durch die Durchblutungsänderung im Hautgewebe konstant gehalten.[51]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.7 Regelbereich der Temperaturregelung im menschlichen Körper

Quelle: Rüdiger (1988), S. 621.

Die Abbildung 1.8 zeigt die Wirkung der Temperaturregelung, wenn die Umgebungstemperatur von 10°C auf 50°C ansteigt. Man erkennt, dass sich die Hauttemperaturen der Extremitäten im dargestellten Temperaturbereich sehr stark ändern als Folge der beschriebenen Durchblutungsänderung in den Extremitäten. Die Temperatur der Finger liegt beispielsweise zwischen 12°C und 37°C. Die Wirkung der Temperaturregelung erkennt man am Verlauf der Temperatur im Rectum.[52] Sie stimmt mit der Körperkerntemperatur sehr gut überein.[53] Ihre Schwankung ist im betrachteten Temperaturbereich von 10°C bis 50°C sehr gering.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1.8 Abhängigkeit der Haut- und Körperkerntemperatur von der Lufttemperatur

Quelle: Werner (1984), S. 72.

2 Absorption hochfrequenter elektromagnetischer Energie im menschlichen Körper

In diesem Kapitel werden die beiden hauptsächlichen Mechanismen der Absorption hochfrequenter elektromagnetischer Feldenergie dargestellt. Sowohl bei der Absorption durch Orientierungspolarisation als auch durch Bewegung freier Ladungsträger wird erklärt, warum sie frequenz- und temperaturabhängig sind. Im Mittelpunkt stehen die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätszahl und der elektrischen Leitfähigkeit des Körpergewebes. Am Ende des Kapitels wird auf den Einfluss eingegangen, den die Frequenz des elektromagnetischen Feldes und der Wassergehalt des Körpergewebes auf die Eindringtiefe nehmen.

2.1 Absorption durch Orientierungspolarisation

2.1.1 Vorgang der Orientierungspolarisation

Eine Ursache für die Absorption von hochfrequenter elektromagnetischer Feldenergie im Körpergewebe ist die Orientierungspolarisation von Molekülen mit elektrischem Dipolmoment. Die Wassermenge im menschlichen Körper macht 55% bis 60% des Körpergewichts aus. Das Wassermolekül ist damit das am häufigsten vorkommende Molekül mit Dipolmoment im Körpergewebe.[54]

Ein Molekül besitzt ein elektrisches Dipolmoment, wenn die Ladungsschwerpunkte der positiven Ladungen Q+ und der negativen Ladungen Q- nicht zusammenfallen. Beide Ladungen sind im Molekül betragsmäßig gleich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der sehr kleine Abstand der Ladungsschwerpunkte im Molekül erlaubt die Annahme, dass die elektrische Feldkomponente E an beiden Ladungsorten gleich ist. Sie übt dann auf die Ladungen die Kraft

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

aus. Da sich die Ladungsschwerpunkte im Molekül nicht unabhängig voneinander bewegen können, entsteht ein Drehmoment M (siehe Abbildung 2.1):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Vektor

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wird elektrisches Dipolmoment genannt. Er weist vom Mittelpunkt der Verbindungsstrecke zwischen beiden Ladungsschwerpunkten zum positiven Ladungsschwerpunkt. Die Moleküle drehen sich in einem äußeren elektrischen Feld derart, dass der Betrag des Drehmoments

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

abnimmt. Bei dieser Drehung tritt eine zwischenmolekulare Reibung auf, die die aufgenommene Feldenergie in Wärme umwandelt.[55]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1 Elektrischer Dipol im elektrischen Feld

Quelle: eigene Darstellung.

Die Drehung der Moleküle verursacht im Körpergewebe ein inneres elektrisches Feld mit einer Feldkomponente, die dem äußeren elektrischen Feld entgegengerichtet ist. Die Differenz zwischen der elektrischen Flussdichte D im Körpergewebe und der elektrischen Flussdichte D 0, die bei gleicher elektrischer Feldstärke E im Vakuum vorhanden wäre, heißt Polarisation P:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Polarisation, die durch die Orientierung von Molekülen mit Dipolmoment entsteht, nennt man Orientierungspolarisation.

2.1.2 Frequenzabhängigkeit der relativen Dielektrizitätszahl

Die Ausrichtung der Moleküle bei der Orientierungspolarisation dauert wegen der Trägheit der Molekülmasse eine gewisse Zeit, so dass die elektrische Flussdichte D

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

dem elektrischen Feld E zeitlich nacheilt. Wenn sich das elektrische Feld harmonisch mit der Zeit ändert, drückt man die zeitliche Verzögerung zwischen der elektrischen Flussdichte und der elektrischen Feldstärke im Körpergewebe durch eine komplexe relative Dielektrizitätszahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten aus:[56]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Trägheit der Molekülmasse bewirkt, dass die Moleküle der elektrischen Feldkomponente bei steigenden Frequenzen immer weniger folgen können. Die Orientierungspolarisation und damit auch die komplexe relative Dielektrizitätszahl werden dadurch frequenzabhängig. Man beschreibt die Frequenzabhängigkeit der komplexen Dielektrizitätszahl allgemein folgendermaßen:[57]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Zahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten hängt vom Molekül ab. Sie beträgt beim Wassermolekül:[58]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Folgenden wird die Frequenzabhängigkeit der komplexen Dielektrizitätszahl immer unter der Annahme Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit Hilfe der Formel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

berechnet.

Die komplexe Dielektrizitätszahl strebt bei Frequenzen, die weit unterhalb der Grenzfrequenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

liegen, gegen ihren statischen Wert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Bei Frequenzen weit oberhalb der Grenzfrequenz strebt sie gegen den Wert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Da der Anteil der Orientierungspolarisation an der Gesamtpolarisation eines Körpergewebes bei Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz zunehmend verschwindet, ist die Dielektrizitätszahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten kleiner als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wenn man die komplexe Dielektrizitätszahl in Real- und Imaginärteil zerlegt, erhält man die Frequenzabhängigkeit ihres Real- und Imaginärteils:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Abbildung 2.2 ist die Frequenzabhängigkeit des Real- und Imaginärteils der komplexen Dielektrizitätszahl graphisch dargestellt. Man erkennt, dass der Realteil bei der Grenzfrequenz den Wert

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

annimmt und bei steigender Frequenz gegen den Wert Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten strebt. Während der Realteil mit steigender Frequenz abnimmt, nimmt der Imaginärteil unterhalb der Grenzfrequenz mit steigender Frequenz zu und oberhalb der Grenzfrequenz ab. Er erreicht bei der Grenzfrequenz seinen höchsten Wert.

[...]


[1] Vgl. Mizushina et al. (1995), S. 789 ff.

[2] Vgl. Werner et al. (1988), S. 1110 f.

[3] Vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 692.

[4] Die spezifische Stoffwechselrate wird mit SMR (engl.: „specific metabolic rate“) bezeichnet.

[5] Vgl. Fercher (1992), S. 266.

[6] Vgl. Rüdiger (1988), S. 605.

[7] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 478.

[8] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 478.

[9] Vgl. Rüdiger (1988), S. 611 f.

[10] Konvektion: Wärmeübertragung durch eine strömende Substanz.

[11] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 482.

[12] Vgl. Schubert (1988), S. 754.

[13] Vgl. ebenda, S. 795.

[14] Der Begriff „Wärme“ steht von hier ab für „Wärmeenergie“.

[15] Wärmeleitung: Übertragung von Wärme in ruhenden Substanzen.

[16] Wärmeübergang: Übertragung von Wärme zwischen zwei aneinandergrenzenden Substanzen unterschiedlicher Temperatur.

[17] Vgl. Brück (1993), S. 666 f.

[18] Vgl. Brück (1993), S. 666 f und Rüdiger (1988), S. 613 ff.

[19] Vgl. Hensel (1985), S. 9.5.

[20] Vgl. Brück (1993), S. 668.

[21] Vgl. Rüdiger (1988), S. 622.

[22] Vgl. Rüdiger (1988), S. 619.

[23] „Stationär“ heißt „es gibt keine zeitlichen Änderungen“.

[24] Enzyme sind Eiweißkörper, die als Biokatalysatoren die biochemischen Vorgänge ermöglichen, beschleunigen und in die gewünschte Richtung ablaufen lassen - vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 450.

[25] Vgl. Rüdiger (1988), S. 597 und Fercher (1992), S. 264.

[26] Beispielsweise durch körperliche Belastung oder Verdauungsarbeit nach dem Essen.

[27] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 479 ff.

[28] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 481.

[29] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 478 und S. 480 f.

[30] Es handelt sich dabei um einen Gegenstrom-Wärmeaustausch.

[31] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 480 f.

[32] Vgl. Aschoff et al. (1958), S. 481.

[33] Vgl. Brück (1993), S. 671.

[34] Vgl. Rüdiger (1988), S. 617.

[35] Vgl. Rüdiger (1988), S. 617.

[36] Vgl. Werner (1984), S. 101.

[37] Vgl. Rüdiger (1988), S. 620.

[38] Gehirn und Rückenmark bilden das Zentralnervensystem - vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 1131.

[39] Der Hypothalamus ist ein Teil des Zwischenhirns. Er ist das zentrale Regulationsorgan der vegetativen Funktionen, so der Nahrungsaufnahme, der Wasseraufnahme, der Körpertemperatur, des Kreislaufs, der Sexualität und des Schlafes - vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 773.

[40] Vgl. Brück (1993), S. 672.

[41] Vgl. Rüdiger (1988), S. 622.

[42] Vgl. Werner (1984), S. 75.

[43] Vgl. Brück (1993), S. 674.

[44] Vgl. Brück (1993), S. 671 f.

[45] Vgl. Rüdiger (1988), S. 622.

[46] Vgl. Brück (1993), S. 676.

[47] Vgl. Brück (1993), S. 676.

[48] Vgl. Rüdiger (1988), S. 621.

[49] Vgl. Brück (1993), S. 663.

[50] Vgl. Brück (1993), S. 663.

[51] Vgl. Rüdiger (1988), S. 620.

[52] „Rectum“ bezeichnet den End- bzw. Mastdarm - vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 1345.

[53] Vgl. Brück (1993), S. 663 f.

[54] Vgl. Hoffmann-La Roche AG et al. (1984), S. 1685.

[55] Vgl. Nimtz (1990), S. 164.

[56] Vgl. Georg (1997), S. 125.

[57] Vgl. Schwan (1957), S. 154.

[58] Vgl. Schwan (1957), S. 190 f.

Ende der Leseprobe aus 103 Seiten

Details

Titel
Thermische Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper
Hochschule
Technische Universität Berlin  (Hochfrequenztechnik)
Veranstaltung
Ingenieurwissenschaften - Hochfrequenztechnik
Note
1,00
Autor
Jahr
1999
Seiten
103
Katalognummer
V334976
ISBN (eBook)
9783668250833
ISBN (Buch)
9783668250840
Dateigröße
1762 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Hochfrequenztechnik, Erstes Staatsexamen, elektromagnetisches Feld, Absorption, Hochfrequenz, HF, elektromagnetische Strahlung, hochfrequente Erwärmung, Spezifische Absorptionsrate, menschlicher Körper, spezifische Stoffwechselrate, Dielektrikum, elektrische Gewebeeigenschaften, Gewebearten, Körpergewebe, Reflexion, Wärmeübergang, Temperaturregelung
Arbeit zitieren
Manfred Kellner (Autor), 1999, Thermische Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/334976

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Im eBook lesen
Titel: Thermische Wirkungen hochfrequenter elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Körper



Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden