Angewandte Physik und Biophysik in Medizin und Biologie WISSENSCHAFTLICHE BETREUUNG HANS WOLTER

Hans Wolter: Dietrich Trincker: Reinhard Wodick/ Dietrich W. Lübbers: Walfried A.Linden/ Hans Horst Löhr: Adolf Habermehl: Jürgen Kiefer: G. Breitling: Raimund Wittmoser: W. Bartelheimer: R. Simon-Weidner: E. Bannatz/H.Pfeiff: Hans Wolter:

Anwendungen der Physik auf medizinische und biologische Aufgaben Physik der Sinnesorgane Photometrische Methoden der Biologie Röntgendiagnostik Strahlendiagnostik Biologische Strahlenwirkung Strahlentherapie Endoskopie Koloskopie - fiberoptische Dickdarmuntersuchung. Technik und Möglichkeiten Die intraoperative Cholangioskopie der tiefen Gallenwege Experimente zur Flüssigkristall-Thermographie an einem gewebeäquivalenten Phantom Mikroskopische Phasenkontrast-, Schlierenund Shearingverfahren

AKADEMISCHE VERLAGSGESELLSCHAFT WIESBADEN 1976 ^

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H o A s d i u l e Dams » a dt

Fachbereich Mechanik Bibliothek W.-Nr..

Inhalt

HANS WOLTER

1. Anwendungen der Physik auf medizinische und biologische Aufgaben . . . . 1.1. Stoflfbegrenzung 1.2. Physikalische Methoden der Prothetik 1.2.1. Herzlungenmaschine 1.2.2. Eiserne Lunge 1.2.3. Künstliche Niere 1.2.4. Künstliches Herz 1.2.5. Herzschrittmacher 1.2.6. Sinnesprothesen; Innervierte Gehör- und Sehprothesen . . . . 1.2.7. Innervierte Hand- und Beinprothesen 1.2.8. Muskelübungspulsgeber 1.2.9. Künstliche Innervierungsvermittler 1.2.1 O.Störungen in Nervenleitungen 1.3. Physikalische Methoden in der Diagnostik 1.3.1. Niederfrequente Ströme und Potentiale 1.3.2. Elektrokardiographie 1.3.2.1. Flächenhafte Elektrokardiographie 1.3.2.2. Die Gestaltung der Elektrodenmatte 1.3.2.3. Die Abtaströhre 1.3.2.4. Der Fernsehteil 1.3.2.5. Das Fernsehbild und seine Deutung 1.3.2.6. Raum-Zeit-Probleme 1.3.2.7. Weitere Abwandlungen des Verfahrens 1.3.2.8. Gerätedimensionierungen 1.3.3. Thermographie und lonographie 1.3.3.1. Elektronische Thermographie 1.3.3.2. Chemische Thermographie 1.3.3.3. lonographie 1.3.4. Endoskopie 1.3.4.1. Periskopische Endoskopie 1.3.4.2. Flexible Endoskopie 1.3.5. Mikroskopie 1.3.5.1. Phasenkontrastmikroskopie 1.3.5.2. Ultraviolettmikroskopie 1.3.5.3. Elektronenmikroskopie 1.3.5.4. Röntgenstrahlenmikroskopie 1.3.6. Röntgenstrahlenspektroskopie 1.3.7. Holographie

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Inhalt 1.3.8. Echoverfahren 1.3.9. Kombinationsverfahren, z.B. Exoelektronen

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DIETRICH TRINCKER

2. Physik der Sinnesorgane 2.1. Hautsinne 2.1.1. Mechanoreceptoren der Haut 2.1.2. Thermoreceptorender Haut: Kalt-und Warm-Empfindungen 2.1.3. Nociceptoren der Haut: Schmerz-Empfindungen 2.2. Proprioceptoren 2.2.1. Proprioceptoren des Bewegungsapparates 2.2.2. Vestibuläre Receptoren: Gleichgewichtsorgan 2.3. Gehörorgan 2.3.1. Antransport der Schallwellen 2.3.2. Biophysik des Innenohres, Transformation von Reiz in Erregung in der Schnecke 2.3.3. Richtungshören, zentrale Informationsverarbeitung 2.4. Auge 2.4.1. Lichtsinn, Abbildung im Auge 2.4.2. Funktion der Retina, örtliche und zeitliche Trennschärfe . . . 2.4.3. Farbensehen 2.5. Geruch- und Geschmackssinn 2.5.1. Gustatorische Receptoren 2.5.2. Olfaktorische Receptoren

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REINHARD WODICK/DIETRICH W. LÜBBERS

3. Photometrische Methoden in der Biologie 3.1. Einleitung 3.2. Photometrie im durchfallenden Licht 3.2.1. Das Gesetz von Bouguer-Lambert-Beer 3.2.2. Die Analyse von multiplikativ gemischten Mehrkomponentenspektren 3.2.3. Analyse von Nucleotidgemischen als Beispiel multiplikativ gemischter Mehrkomponentenspektren 3.3. Reflexionssprektren biologischer Objekte 3.3.1. Theoretische Grundlagen 3.3.2. Die Wellenlängenabstände gleicher Meßwerte als Invarianten gegen Änderungen der Lichtwegverteilung 3.3.3. Die Auswertung der Spektren mit Hilfe der Queranalyse . . . 3.3.4. Vergleich der Queranalysenkurve und der typischen Farbstoffkurve 3.3.5. Die Mehrkomponentenqueranalyse

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Inhalt

IX

3.3.6. Die erweiterte Mehrkomponenten-Queranalyse 3.3.6.1. Zusatz eines Farbstoffes 3.3.6.2. Änderung des Oxygenierungsgrades 3.3.6.3. Änderung der Wasserstoffionenkonzentration 3.3.7. Näherungsweise Bestimmung unbekannter Störfunktionen . 3.3.8. Bestimmung des in der Probe zurückgelegten Lichtwegs . . . . 3.3.9. Messung der Reflexionsspektren am freigelegten Meerschweinchengehirn 3.4. Spektralphotometer 3.4.1. Allgemeiner Aufbau von Spektralphotometern 3.4.2. Das Rapidspektroskop nach Lübbers und Niesei 3.4.3. Messung der Reflexionsspektren am schlagenden Herzen als Beispiel einer Messung mit dem Rapidspektroskop 3.4.4. Zweistrahlverfahren 3.4.5. Bestimmung des Oxygenierungsgrades des Herzmuskels einer Schildkröte während der Kontraktion als Beispiel einer Messung mit einem „double-beam" Photometer

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WALFRIED A. LINDEN/HANS HORST LÖHR

4. Röntgendiagnostik 4.1. Die Entstehung des Röntgenbildes 4.1.1. Röntgenstrahlung und ihre Erzeugung 4.1.1.1. Röntgenbremsstrahlung 4.1.1.2. Röntgenröhren 4.1.1.3. Röntgenapparate 4.1.2. Das Strahlungsbild 4.1.2.1. Geometrische Beziehungen zwischen Brennfleck, Objekt und Strahlenbild 4.1.2.2. Strahlenschwächung durch Absorption, Streuung und Paarbildung im Objekt 4.1.3. Sichtbarmachung und Dokumentation des Röntgenbildes .. 4.1.3.1. Durchleuchtungsschirm, Verstärkerfolie, Bildverstärker und Fernsehsystem 4.1.3.2. Röntgenfilm, Leuchtschirmphotographie und elektronisches Speichersystem 4.1.4. Technische Faktoren, die die Bildqualität beeinflussen 4.1.4.1. Strahlenqualität und Filterung 4.1.4.2. Streustrahlenblenden 4.2. Aufnahmeverfahren und ihre Indikationsstellung 4.2.1. Einteilung, Kontrastmittel 4.2.2. Aufnahmeverfahren ohne Durchleuchtung

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X

Inhalt

4.2.2.1. Untersuchungsmethoden ohne Anwendung von Kontrastmitteln 4.2.2.2. Untersuchungsmethoden mit Anwendung von Kontrastmitteln 4.2.3. Durchleuchtung mit Bildverstärker-Fernsehtechnik 4.2.3.1. Thoraxdurchleuchtung und Zielaufnahmen 4.2.3.2. Kontrastmitteluntersuchung des Magen-Darmtraktes 4.2.3.3. Herzkatheterisierung und Angiokardiographie 4.2.3.4. Bronchographie 4.2.3.5. Diagnostik von Fremdkörpern 4.2.3.6. Diagnostische Verfahren in der Unfallchirurgie 4.3. Untersuchungsrisiken und klinischer Strahlenschutz 4.3.1. Kontrastmittel und Komplikationen 4.3.2. Strahlenbelastung, klinischer Strahlenschutz

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ADOLF HABERMEHL

5. Strahlendiagnostik 5.1. Einleitung 5.2. Kernstrahlungsdiagnostik 5.2.1. Prinzip der nuklearmedizinischen Methode 5.2.1.1. Funktionsdiagnostik 5.2.1.2. Lokalisationsdiagnostik 5.2.2. Radiopharmaka 5.2.2.1. Eigenschaften und Herstellung 5.2.2.2. Nuklid-Generatoren 5.2.3. Nuklearmedizinische Meßtechnik 5.2.3.1. Der Szintillationszähler 5.2.3.2. Meßgeräte und -anordnungen 5.3. Die Aktivitätsverteilung als Funktion der Zeit 5.3.1. Funktionsdiagnostik 5.3.2. Meßtechnik für die Funktionsdiagnostik 5.3.2.1. Funktionsmeßplatz 5.3.2.2. In-vitro-Meßplatz 5.3.2.3. Ganzkörperzähler 5.3.3. Mehrkammer-Systeme 5.3.3.1. Beispiele für Mehrkammer-Systeme 5.3.4. Verdünnungsverfahren 5.3.4.1. Statische Verdünnungsverfahren 5.3.4.2. Dynamische Durchströmungsverfahren 5.3.4.3. Andere Verdünnungsverfahren 5.4. Die Aktivitätsverteilung als Funktion des Ortes 5.4.1. Lokalisationsdiagnostik

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Inhalt

XI

5.4.2. 5.4.3. 5.4.4. 5.4.5.

Darstellung der Abbildung Kollimatoren Szintigraphie mit bewegtem Detektor (Scanner) Szintigraphie mit stationärem Detektor 5.4.5.1. Die Anger-Kamera 5.4.5.2. Andere Gamma-Kameras 5.4.5.3. Funktionsszintigraphie

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6. Biologische Strahlenwirkung 6.1. Grundlagen: Strahlenarten, Strahlenquellen, Wechselwirkung mit Materie 6.1.1. Ultraviolette Strahlen 6.1.1.1. Ultraviolette Strahlenquellen 6.1.1.2. UV-Wechselwirkung mit Materie und Dosimetrie. . . 6.1.2. Ionisierende Strahlen 6.2.1.1. Strahlenarten und ihre Wechselwirkung mit Materie 6.1.2.2. Dosen, Mikrodosen, LET 6.1.2.3. Strahlenquellen 6.2. Biologisch relevante Primärvorgänge 6.2.1. Ultraviolette Strahlen 6.2.1.1. Aktionsspektren 6.2.1.2. Primärprozesse nach UV-Bestrahlung 6.2.2. Ionisierende Strahlen 6.2.2.1. Direkter und indirekter Effekt 6.2.2.2. Strahlenchemie des Wassers 6.2.2.3. Veränderungen an der DNS durch ionisierende Strahlen 6.3. Strahlenwirkungen auf zellulärer Ebene 6.3.1. Wirkungen auf einfache biologische Systeme 6.3.1.1. Transformierendes Prinzip 6.3.1.2. Viren und Phagen 6.3.1.3. Zellen 6.3.2. Form und Interpretation von Überlebenskurven 6.4. Wirkung auf Tiere und Menschen

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JÜRGEN KIEFER

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G. BREITLING

7. Strahlentherapie 7.1. Einleitung 7.2. Strahlenarten 7.2.1. Elektromagnetische Strahlungen 7.2.1.1. Röntgenstrahlung

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XII

Inhalt 7.2.1.2. y-Strahlung 7.2.2. Korpuskularstrahlen 7.2.2.1. Elektronenstrahlen 7.2.2.2. Schwere geladene Teilchen 7.2.2.3. Neutronen 7.3. Anwendungstechniken 7.3.1. Perkutane Strahlentherapie 7.3.2. Intrakavitäre Strahlentherapie 7.3.3. Interstitielle Strahlentherapie 7.3.4. Therapie durch Inkorporation von Radionukliden 7.3.5. Neutroneneinfangtherapie 7.4. Biologische Effekte 7.4.1. Fraktionierte Bestrahlung 7.4.2. Sauerstoffeffekt 7.4.3. Anwendung strahlensensibilisierender Substanzen

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RAIMUND WITTMOSER

8. Endoskopie

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H. J. LINDEMANN/B. KARACZ

8.1. Endoskopische Methoden in der Gynäkologie 8.1.1. Historischer Überblick 8.1.2. Methoden 8.1.2.1. Hysteroskopie 8.1.2.2. Kuldoskopie 8.1.2.3. Gynäkologische Laparoskopie 8.1.2.4. Kolposkopie 8.1.2.5. Amnioskopie 8.1.2.6. Zusammenfassung

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W. BARTELHE1MER

8.2. Koloskopie — fiberoptische Dickdarmuntersuchung Technik und Möglichkeiten

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R. SIMON-WEIDNER

8.3. Die intraoperative Cholangioskopie der tiefen Gallenwege

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E. BANNATZ/H, PFEIFF

9. Experimente zur Flüssigkristall-Thermographie an einem gewebeäquivalenten Phantom 361

Inhalt

XIII

HANS WOLTER

10. Mikroskopische Phasenkontrast-, Schlieren- und Shearingverfahren 10.1. Phasenobjekte und ihre Spektren 10.2. Verbesserungen und Anwendungen 10.3. Farbiger und polarisierter Phasenkontrast 10.4. Schlierenmikroskopie 10.5. Störung bei Phasenkontrast und verwandten Verfahren

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Sachregister

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