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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