Einführung
Der piezoelektrische Effekt, ein Phänomen, bei dem mechanische Belastung in elektrische Energie umgewandelt wird und umgekehrt, findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. Dieser Artikel beleuchtet die Grundlagen dieses Effekts, seine Nutzung in der Forschung zur elektronischen Haut (E-Skin) und in der Medizin, insbesondere in Bezug auf Nervenstimulation und -behandlung.
Grundlagen des piezoelektrischen Effekts
Der piezoelektrische Effekt beruht darauf, dass bestimmte Materialien, wie Quarzkristalle oder Zinkoxid (ZnO), bei mechanischer Verformung elektrische Ladung erzeugen. Umgekehrt können diese Materialien ihre Form ändern, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Dieser Effekt wird in Sensoren und Aktuatoren genutzt.
Im Detail entsteht der piezoelektrische Effekt, wenn Piezokristalle durch elektrische Ströme in Schwingung versetzt werden. Diese Schwingungen werden für die Ultraschallchirurgie an der Arbeitsspitze in oszillierende Bewegungen umgewandelt, die eine selektive Schnittführung ermöglichen.
Elektronische Haut (E-Skin) und der piezoelektrische Effekt
Entwicklung und Aufbau
Die Entwicklung elektronischer Haut zielt darauf ab, die Funktionalität und Sensibilität menschlicher Haut nachzubilden. E-Skin besteht typischerweise aus einem flexiblen Trägermaterial wie Polyurethan, Polyimid oder Polydimethylsiloxan (PDMS), in das leitfähige Materialien wie Metall-Nanopartikel, Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingebettet sind. Sensoren, die auf Druck, Temperatur oder Feuchtigkeit reagieren, nutzen oft den piezoelektrischen oder piezoresistiven Effekt.
Funktionsweise der Sensoren
Piezoelektrische Sensoren in E-Skin wandeln mechanische Verformungen, die durch äußeren Druck entstehen, in elektrische Signale um. Diese Signale können gemessen und interpretiert werden, um Informationen über die einwirkenden Kräfte zu liefern.
Lesen Sie auch: Diagnose von Schmerzen an der Außenseite des Knies
Ein Beispiel hierfür ist ein Hybridmaterial aus piezoelektrischem ZnO und einem Hydrogel, das an der TU Graz entwickelt wurde. Das Hydrogel dehnt sich bei Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen aus und übt Druck auf das ZnO aus, wodurch ein elektrisches Signal entsteht. Dieses System erreicht eine sehr hohe Auflösung von 2000 Sensoren pro mm².
Anwendungsbereiche der E-Skin
- Prothetik: E-Skin kann Prothesen mit sensorischen Fähigkeiten ausstatten, sodass Träger Reize aus der Umwelt wahrnehmen können.
- Robotik: In der Robotik ermöglicht E-Skin Robotern, ihre Umgebung präziser zu erfassen und darauf zu reagieren.
- Medizin: E-Skin kann zur Messung von Stoffwechselprodukten im Schweiß, zur Überwachung von Dehydration bei älteren Menschen oder zur transdermalen Verabreichung von Medikamenten eingesetzt werden.
- Sport: Sportler könnten E-Skin nutzen, um ihre Leistung zu überwachen und ihren Trainingsplan anzupassen.
Piezochirurgie: Eine gewebeschonende Methode in der Knochenchirurgie
Funktionsweise der Piezotechnik
Die Piezochirurgie nutzt Ultraschallvibrationen, um Knochengewebe präzise zu schneiden, während umliegendes Weichgewebe geschont wird. Der piezoelektrische Effekt wird genutzt, um Piezokristalle durch elektrische Ströme in Schwingung zu versetzen. Diese Schwingungen brechen die kristalline Struktur des Knochens auf.
Vorteile der Piezochirurgie
- Gewebeschonung: Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren schützt die Piezochirurgie Weichgewebe wie Nerven, Gefäße und Schleimhäute.
- Präzision: Die Ultraschallvibrationen ermöglichen präzise Schnitte.
- Schnellere Heilung: Patienten haben in der Regel geringere postoperative Beschwerden und einen komplikationsärmeren Heilungsprozess.
Anwendungsgebiete in der Zahnmedizin
Ein wichtiges Einsatzgebiet der Piezochirurgie ist die zahnärztliche Implantologie. Die Piezomethode wird auch bei Wurzelspitzenresektionen und Zahnextraktionen vor Implantation eingesetzt, um den Knochen maximal zu schonen.
Weitere oralchirurgische Indikationen
Die Piezochirurgie leistet besonders bei oralchirurgischen Eingriffen in schwer zugänglichen Regionen oder engen Behandlungsarealen hervorragende Arbeit. Zum einen lassen sich Schnitte viel präziser setzen, zum anderen ist die Sicht besser, da das Operationsfeld durch die Kavitationswirkung des Ultraschalls nahezu blutungsfrei bleibt.
Implantologische Indikationen
Anders als bei rotierenden Instrumenten tritt bei der Piezospitze kein willkürliches Verkanten oder Abdriften auf, sodass der Behandler von einer erhöhten Sicherheit in Bezug auf die Verletzung vitaler Strukturen (Nerven, Gefäße, Nachbarzähne etc.) profitiert. Auch bei der internen Sinusbodenaugmentation kommt das Piezogerät zum Einsatz.
Lesen Sie auch: Nurvet Kautabletten Nerven: Die Inhaltsstoffe und ihre Wirkung.
Augmentationsverfahren
Eine herausragende Leistung des Piezogeräts wird bei augmentativen Verfahren erkennbar. Genutzt wird das spezielle Ultraschallverfahren für präimplantologische Behandlungen, wie Knochenblockentnahmen, sowie für das Bone Splitting.
Ultraschalltherapie: Anwendung des piezoelektrischen Effekts zur Schmerzlinderung und Heilung
Grundlagen der Ultraschalltherapie
Die Ultraschalltherapie nutzt hochfrequente Schallwellen, die durch einen piezoelektrischen Schallkopf erzeugt werden. Diese Wellen erzeugen thermische und mechanische Effekte im Gewebe, die die Durchblutung fördern, Gewebereparatur anregen und Schmerzen lindern können.
Funktionsweise
Der piezoelektrische Effekt ist das Herzstück der Ultraschalltherapie. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einen Piezokristall im Schallkopf werden Ultraschallwellen erzeugt. Diese Wellen dringen in das Gewebe ein und erzeugen Wärme und Mikrovibrationen.
Anwendungsbereiche
Die Ultraschalltherapie wird bei einer Vielzahl von Beschwerden eingesetzt, darunter:
- Muskuloskelettale Beschwerden: Muskelzerrungen, Sehnenentzündungen, Bänderverletzungen, Schleimbeutelentzündungen
- Chronische Schmerzzustände: Arthrose, Arthritis, chronische Rückenschmerzen, Fibromyalgie
- Verletzungsbedingte Beschwerden: Sportverletzungen, Verstauchungen, Prellungen, Blutergüsse
- Entzündungen: Sehnenscheidenentzündung, Karpaltunnelsyndrom, Plantarfasziitis
Wirkungsweise der Ultraschalltherapie
- Schmerzlinderung: Reduzierung von Schmerzen bei Muskel-, Sehnen- und Gelenkerkrankungen.
- Förderung der Durchblutung: Erhöhung der lokalen Durchblutung und Stimulierung der Zellaktivität zur Beschleunigung des Heilungsprozesses.
- Reduzierung von Entzündungen: Verringerung von Entzündungen bei Erkrankungen wie Tendinitis oder Bursitis.
Sicherheitsaspekte
Fehlanwendung kann zu Verbrennungen, Kavitation und Gewebeschäden führen. Daher sind kalibrierte Geräte und das Beachten von Kontraindikationen (z. B. Tumorareale, Schwangerschaft, Augen, Wachstumsfugen, Nähe zu Herz/Schrittmachern) erforderlich.
Lesen Sie auch: Warum Eltern manchmal nerven
Kryoneurolyse: Schmerzbehandlung durch Kälte
Grundlagen der Kryoneurolyse
Die Kryoneurolyse ist eine Technik zur langfristigen Schmerzlinderung, bei der Kälte eingesetzt wird, um Nervenstrukturen zu beeinflussen. Durch die Anwendung von Kälte auf Nervengewebe wird eine Leitungsblockade erzeugt, ähnlich der Wirkung von Lokalanästhetika.
Wirkungsweise
Die Kryoanalgesie stört die Nervenstruktur und erzeugt eine Waller'sche Degeneration, lässt aber die Myelinscheide und das Endoneurium intakt. Die Basallamina der Schwann-Zellen bleibt verschont, was die Regeneration des Nervs ermöglicht.
Technik
Die Kryochirurgischen Apparate nutzen entweder Lachgas (Stickoxydul N2O2) oder Kohlendioxid (CO2). Das neueste Gerät verfügt über die Möglichkeit, mit Hilfe eines "Nervsearchers" die Nervenstrukturen durch elektrische Stimuli zu verifizieren.
Indikationen
Für folgende Indikationen kommt eine Kryoneurolyse in Frage:
- Occipitalisneuralgie
- Trigeminusneuralgie
- Facettenschmerzen der Wirbelsäule (HWS/BWS/LWS)
- Schulterschmerzen (Vereisung des Nervus suprascapularis)
- Intercostalneuralgien
Sicherheitsaspekte
Es ist wichtig, die Kryoneurolyse von der Kryoablation abzugrenzen, bei der flüssiger Stickstoff mit einer Temperatur unter -198°C zur Anwendung kommt. Eine vollständige Transektion der Nerven ist mit Kälte nicht möglich.
Adaptronik: Intelligente Materialien und der piezoelektrische Effekt
Grundlagen der Adaptronik
Die Adaptronik ist eine Wissenschaft, die sich mit intelligenten Werkstoffen beschäftigt, die sich an veränderte Bedingungen anpassen können. Piezokeramiken spielen hierbei eine wichtige Rolle.
Anwendungen der Piezokeramiken
- Messung von Druckbelastung: In Tretkurbeln von Fahrrädern können Piezoelemente die Belastung messen und die Trainingsleistung von Sportlern anpassen.
- Überlastungserkennung: In Autobauteilen können Piezoelemente Überlastungen und mögliche Schäden erkennen und melden.
- Schwingungsdämpfung: Durch den Einsatz von Piezoelementen in aktiven Lagern können Vibrationen und Lärm reduziert werden, beispielsweise in Autoluftpumpen oder Straßenbahnen.
Funktionsweise
Piezokeramiken wandeln mechanische Kräfte in elektrische Energie um und umgekehrt. Bei mechanischer Belastung geben sie elektrische Energie ab, während sie bei elektrischer Stimulation ihre Form verändern können.
tags: #piezoelektrische #und #nerven