Biomedizinische Technik

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1 Biomedizinische Technik Ingenieuraufgaben in der Medizin von Prof. Dr. med. August Reis Mit 65 Bildern und 28 Tabellen R.OIdenbourg Verlag München Wien 1976 Technische HeAschule &armstodt Fachbereich Mechanik Bibliothek,nv.-N, &M

2 Inhaltsverzeichnis Seite Vorwort I-IV Einleitung 1 1. Stoffwechsel. 2 1.I. Hemmung und Überforderung der Energieumwandlung im menschlichen Organismus Mechanismus der Energietransformation in der Zelle Die Oxidation des Wasserstoffes und die Atmungskette Die oxidative Phosphorylierung Enzyme, welche die Oxidation des Wasserstoffs katalysieren Der Ort der Energietransformation, das Mitochondrium Das pathogenetische Energiedefizit (PED) Das Energiedefizit als Element einer energetischen Krankheitsauffassung Das pathogenetische Energiedefizit als Antrieb des pathologischen Geschehens und energetische Ursache innerer Krankheiten Histologische Schädigungsmuster des pathogenetischen Energiedefizits Klinische Schädigungsmuster des PED Ursachen, die zum PED führen Folgen gestörter biologischer Oxidation, die über das PED zu inneren Krankheiten führen Tabellen MeBtechnik zur Bestimmung des PED Verfahren zur indirekten Bestimmung des PED Das Sauerstoffumsatz-Meßgerät Differential-Luft-Kalorimeter Gradienten-Kalorimeter Atemvolumenbestimmung am Menschen 30

3 VI 3.2. Meflapparaturen zur direkten PED-Bestimmung Messungen am Gesamtorganismus mit Hilfe des Respirations-Kalorimeters PED-Messung an Organen mit Hilfe von Temperatur- und * Sauerstoffdifferenz im Blut PED-Messung an Hefezellen Ermittlung des absoluten Maßes eines Energiedefizits im Gesamtorganismus 39 II. Herz Bestimmung der Herz- und Kreislauffunktion Einleitung Das Schlagvolumen des Herzens Definition des Schlagvolumens (SV) Mechanische Herzarbeit Der klinische Wert der Schlagvolumenbestimmung Bisherige Methoden der Schlagvolumenbestimmung Das Dynocardiogramm (DCG) Grundlagen Die Bestimmung des Schlagvolumens durch das DCG Ergänzende Methodik zur Absicherung der Schlagvolumenformel Die Schlagvolumenbestimmung durch eine Kreislaufwippe Das Herz-Minutenvolumen (HMV) HMV-Messung durch die "Stromuhr" Die thermische Bestimmung des Herz-Minuten-Volumens (HMV) Die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz (AVD) Bisherige Methoden zur Bestimmung der AVD Indikatorverdünnungsmethoden 65

4 VII 4.3. Neue Möglichkeiten für die Messung der AVD AVD-Methoden des dreimaligen Extrapolierens Die AVD-Bestimmung mit Hilfe der Gasanalyse eines Atemzuges Die AVD-Bestimmung mit Hilfe des extrapolierten Zeitpunktes niedrigsten O 2-Gehaltes in der Lungenluft Die Koronarinsuffizienz Anatomie der Herzkranzgefäße Physiologie der Koronardurchblutung Ursachen für die Koronarinsuffizienz Neue Ingenieuraufgaben auf dem Gebiet der koronaren Erkrankungen Vorschläge zur Bestimmung des Koronardurchflusses Semiquantitative Bestimmung der mechanischen Durchflußgröße der Herzkranzgefäße (mechanischer Koronartest) Beurteilung des Koronardurchflusses mit Hilfe der Sauerstoffsättigung des Blutes Bestimmung des Koronardurchflusses mit Hilfe der Blutviskositätsmessung Vorschlag für ein Schnellverfahren zur Bestimmung des Quotienten aus Systolen- zu Diastolenzeitdauer Herzrhythmusstörungen ^ Das Reizleitungssystem des Herzens Die Wirkung der Herzrhythmusstörungen auf den Bluttransport Das Histogramm als technisch-statistisches Hilfsmittel für die Diagnose von Herzrhythmusstörungen Die anatomische Lokalisierung der Störungen im Reizleitungssystem bei Herzrhythmusstörungen mit Hilfe des Histogramms 85

5 VIII 6.5. Die Kombination von Histograph und Defibrillator zur Bekämpfung von Rhythmusstörungen 86 III. Blut Das physikalische Verhalten des Blutes unter dem Einfluß innerer Krankheiten Die Funktionen und Bestandteile des Blutes Die Funktionen des Blutes und der Einfluß innerer Krankheiten Atmungsfunktion Regelfunktion des Wasser-Elektrolythaushaltes und des Säure-Basen-Gleichgewichtes des Blutes Transportfunktion Wärmetransportfunktion Gerinnungsfunktion Eiweiß Auf- und Abbaufunktion Abwehrfunktion Hämolyse-Funktion Die Bestandteile des Blutes Die geformten Blutbestandteile Das Blutplasma 94 v Meßtechnik zur Ermittlung der chemischen Bestandteile des Blutes Fotometrie Kolorimetrie Filter- bzw. Spektralfotometrie Atomabsorptionsspektroskopie Fluoreszenz Gamma-Spektrometrie und Anwendung radioaktiver Isotope Elektrophorese Immun-Elektrophorese I Anwendung der Elektrophoreseverfahren 112

6 IX 2.5. Chromatographie Arbeitsmethoden der Chromatographie Arten und Anwendung der Chromatographie Polarographie Weitere Methoden Blutphysik Einleitung Merkmale einer physikalischen Blutdiagnostik Physikalische Eigenschaften des Blutes Mechanische Eigenschaften Thermische Eigenschaften Optische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Meßtechnik zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Blutes Meßtechnik der mechanischen Eigenschaften Meßtechnik der thermischen Eigenschaften Meßtechnik der optischen Eigenschaften Meßtechnik der elektrischen Eigenschaften Meßtechnik der akustischen Eigenschaften Meßtechnik für optische Strukturen Verarbeitung von Daten der Blutphysik Korrelationsdiagnostik Einleitung Gesicherte Blutkorrelate Zusammenhang zwischen Blutbestandteilen und physikalischen Eigenschaften Sichere Krankheitskorrelate im Blut Empirische Zuordnung der pathologisch-physikalisch veränderten Blutbeschaffenheit zu den sie auslösenden Krankheiten 152

7 IV. Gehirn und Nervensystem Meßproblerne und Meßaufgaben in der Neurologie und Psychiatrie Medizinische Grundlagen Entstehung bioelektrischer Potentiale Die Funktion des Nervensystems Modell für eine Funktionsanalyse Untersuchungsmethode Aktivierungsforschung Grundlagen Aktivierungsmethoden Reizantworten Technische Aufgaben Die Stimulationsgeräte Meßmethoden und Meßapparate Elektrische Messungen Nichtelektrische Messungen Auswertung bioelektrischer Signale Aufzeichnung Datenreduktion Auswertungsmethoden am Beispiel EEG Möglichkeiten einer Weiterentwicklung 176 V. Gewebe Physikalische Meßtechnik Grundlagen Meßprinzip Meßapparatur 184

8 XI 4. Meßbeispiele Potentialmessung im Innern einer Sehzelle eines Fliegenauges (Drosophila) Nachweis der Wirkung der anodischen Oxidation Zukünftige Aufgaben 188 VI. Organismus Korrelationen und Krankheitsindikatoren Physiologische Funktionen und Korrelationen Pathologische Korrelationen Pathologische Korrelationen und biomedizinische Technik " Apparaturen zur Messung pathologischer Korrelationen im Strukturbereich des Organismus Cytophotometer Partikelvolumendetektoren Bildverstärker Ultraschall-Echo-Meßtechnik Apparaturen zur Messung pathologischer Korrelationen im chemischen Bereich des Organismus Autoanalyzer Flüssigkeitschromatographie Gaschromatographie Gasanalysatoren Fluoreszenz-Spektrophotometer Infrarot- und Ultraviolett-Spektrophotometer Massenspektroskopie Apparaturen zur Messung von pathologischen Korrelationen im funktionell-physikalischen Bereich des Organismus Ingenieuraufgaben bei der instrumenteilen Erfassung pathologischer Korrelation 208

9 XII 1.8. Pathologische Korrelationen im Blickfeld der Differentialdiagnostik 209 VII. Hygiene: Ingenieuraufgaben in der Umwelthygiene Luft Die Zusammensetzung "reiner" Luft Ursachen der Luftverunreinigung Industrielle Luftverunreinigung Luftverunreinigung in Wohngebieten Das medizinische Problem Die Atmungsfunktion des Menschen Die Wirkung von Staubimmissionen Die biologische Wirkung einiger Schadgase Maßnahmen gegen die Luftverunreinigung Trinkwasser Physikalische Eigenschaften und chemische Bestandteile Bakteriologischer Befund Biologischer Befund Toxische Einflüsse Das medizinische Problem Natürliche Wasserreinigung Technische Trinkwasser-Reinigungsverfahren Abwasser Schadstoffe im Abwasser Behandlungsprinzipien für Krankenhausabwässer Neue Prinzipien der Abwasserreinigung für Krankenanstalten Ernährung Funktion der Ernährung Nahrungsmittelzusätze 234

10 XIII 4.3. Das medizinische Problem Technische Aufgaben Gift und Entgiftung Toxizitätstest Bioenergetischer Toxizitätstest Energiefluß in der Hefezelle als Objekt eines Toxizitätstestes Stoffwechsel der Hefezelle als Objekt eines Toxizitätstestes Modellversuche zum Nachweis der Wirkung von Giften und Pharmaka auf den Energiestoffwechsel der Hefe Meßtechnik für die Bestimmung der Sauerstoffatmung der Hefezellen Meßtechnik für die Bestimmung der Wärmeproduktion der Hefezellen Das Verhalten des Sauerstoffumsatzes und der Wärmeproduktion der Hefe unter dem Einfluß von Pharmaka Das Verhalten der Sauerstoffatmung und Wärmeproduktion unter dem Einfluß toxischer Substanzen Physiologische Oxidation Verhalten der aeroben und anaeroben Oxidation von Hefe unter dem Einfluß von Giften 244 Schlußwort 246 Literaturverzeichnis 248 Stichwortverzeichnis 265