Modellrechnungen zum Wärmeeinstrom in das Körpergewebe bei Applikation verschiedener Peloidpackungen

Abstract: Aus dem Institut für Medizinische Balneologie und Klimatologie der Universität München Vorstand: Prof. Dr. med. E. Senn Dissertation zum Erwerb des Doktorgrades der Medizin an der Medizinischen Fakultät der Ludwig Maximilians-Universität zu München vorgelegt von Johann Roider aus Freising 1989 Zusammenfassung Ziel dieser Arbeit war es bei Anwendung von Wärmepackungen den Wärmeeinstrom in menschliches Gewebe in Form einer Modellrechnung zu untersuchen. Der konvektive Anteil am Wärmetransport wurde experimentell untersucht. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wird der Einfluß physiologischer Parameter wie unterschiedliche Durchblutung verschiedene Schichtdicken und unterschiedliche Temperaturgradienten zwischen Körperkern und Hautoberfläche auf die Temperaturverteilung in der Körperschale während und nach der Applikation von Wärmepackungen untersucht. Im zweiten Teil wurden drei verschiedene Wärmepackungen Moor Fango sowie eine Sonderform (ENP) in ihren empfohlenen Anwendungsbedingungen untereinander verglichen. Von verschiedenen Berechnungsansätzen wurde die Methode der finiten Elemente gewählt. Dieses numerische Verfahren kann bei Wärmeausbreitungsvorgängen in komplizierten Mehrschichtenmodellen den Einfluß verschiedener Parameter darstellen die unter die meßtechnische Nachweisgrenze fallen. Das von uns verwendete Programmsystem ADINAT erwies sich als sehr leistungsstark erforderte aber zum effektiven Arbeiten noch zusätzliche eigene FORTRAN Programme. Menschliches Gewebe wird in Form eines 3-Schichten Modells bestehend aus Haut Fett und Muskelschicht simuliert; die Schätzwerte ergeben sich aus einer Wertung verschiedener Literaturangaben. Der Anteil der Konvektion am Wärmeabtransport von der Hautoberfläche in tiefere Gewebsschichten bei einer Hauttemperatur im Bereich von 37 °C - 43 °C kann mit 5 - 20 % veranschlagt werden. Die Größenordnung stimmt mit den Untersuchungen anderer Autoren zur Temperaturstabilisierung am Augenhintergrund durch die Aderhautdurchblutung gut überein. Berühren sich zwei Körper unterschiedlicher Anfangstemperatur so stellt sich an der Trennfläche nach sehr kurzer Zeit eine gemeinsame Mitteltemperatur ein die sog. Kontakttemperatur. Diese Kontakttemperatur hängt von den Wärmeeindringzahlen der beiden Körper ab. Nach thermischem Ausgleich stellt sich eine gemeinsame Endtemperatur ein. Diese Endtemperatur kann dabei sowohl oberhalb als auch unterhalb der Kontakttemperatur liegen. Die in Vorgängerarbeiten tierexperimentell festgestellten Temperaturerhöhungen an der Hautoberfläche und im menschlichen Gewebe bei Applikation von verschiedenen Wärmepackungen stimmen mit den berechneten Temperaturerhöhungen gut überein. Für das Temperaturverhalten und die Wärmestromdichte an der Hautoberfläche spielen v.a. die anatomischen Parameter und der anfängliche Temperaturgradient Kern - Schale die entscheidende Rolle. Mit zunehmender Tiefe nimmt der Einfluß der Durchblutung und der Nähe zum Kern an Bedeutung zu. Der Einfluß der Dicke der verschiedenen Schichten ist in 3 cm Tiefe vergleichbar mit dem Einfluß der Durchblutung. Eine ideale Wärmeisolation des Körpers d.h. ein Unterbinden des Wärmestroms nach außen führt bei Körperpartien mit einer dicken Fettschicht nach 20 min in der Haut und in der Fettschicht nur zu geringen Temperaturerhöhungen (max. 0.6 °C an der Hautoberfläche) bei Körperregionen mit einer dünnen Fettschicht dagegen bis zu 2.2 °C. In der Muskelschicht kommen Temperaturerhöhungen bis zu 0.1 °C (3 cm Tiefe) hinzu. Nachwärmebetrachtungen zeigen daß ein beträchtlicher Teil der Wärmeenergie nach Applikationsende in Richtung Körperkern fließt. Eine längere Applikationsdauer als 20 min ist bei dünnen Körperregionen nicht sinnvoll da zunehmend mehr der Kern erwärmt wird. Bei allen Packungen zeigt sich der typische Wirkungsverlust in der Tiefe der dort zu immer ähnlicheren Temperaturverläufen führt. Während an der Hautoberfläche die Temperatur bei Moor bzw. Fango um maximal 11 °C ansteigt beträgt die Temperaturerhöhung in 3 cm Tiefe höchstens 1 °C. An der Hautoberfläche läßt sich bei vergleichbaren Anwendungsbedingungen von Moor und Fango auf Grund der höheren Leitfähigkeit mit Fango der höchste initiale Spitzenstoß erzielen. Dagegen besitzt Moor nach 20 min noch wesentlich größere Reserven an Wärmeenergie. Die Wärmepackung ENP eine Sonderform die aus zwei unterschiedlich dicken und unterschiedlich temperierten Moorschichten besteht gestattet es durch Variation der Anlagetemperaturen diese Peloidpackung den verschiedenen Fett und Muskelschichten des Patienten anzupassen und unterschiedliche Wärmestöße bei Applikationsbeginn zu erzielen. Das verwendete Rechenmodell kann nach Modifikation auch für Untersuchungen des Wärmeaustausch bei anderen Applikationsarten verwendet werden. Am Beispiel von simulierten Moorvollbädern kann aus den Temperaturprofilen abgeleitet werden daß die bekannte Körperkernerwärmung zu einem Großteil auf der Wärmeeigenproduktion des menschlichen Körpers beruht. Insgesamt geben die Berechnungen Anlaß für experimentelle Untersuchungen durch die die theoretischen Effekte verifiziert oder falsifiziert. werden. ___MH

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