Die physiologischen Effekte verschiedener Hochfrequenz-Expositionen bei 123 MHz im Schweinemodell zur Risikoabschätzung für die Magnetresonanztomographie

Abstract

Die Reaktionen auf die Hochfrequenzbelastung im Bereich von 123 MHz bei einer Ganzkörperexposition sind bisher hauptsächlich durch theoretische Simulationen ermittelt worden. Zur Erfassung der Temperatur, Kreislauf- und Blutparameter wurden 19 Schweine einer Hochfrequenz von 123 MHz in drei verschiedenen Intensitäten ausgesetzt: Gruppe 1 (geringe Belastung) = 2,5 bis 3,1 W/kg für ca. 30 Minuten; Gruppe 2 (moderate Belastung) = 4,2 bis 5,2 W/kg für ca. 30 Minuten; Gruppe 3 (hohe Belastung) = 3,7 bis 4,8 für ca. 60 Minuten. Die Exposition erfolgte hierbei im Pulsbetrieb, wobei rechteckig geformte HRFPulse mit einer Dauer von 1 ms, gefolgt von einer definierten Pausenzeit, appliziert wurden. Die Temperatur, Kreislauf- und Blutparameter wurden während des gesamten Versuches erfasst. Die rektale Temperatur der Schweine steigt kontinuierlich bis auf 44°C an Jedoch zeigen die Temperaturkurven im Hotspot (MT2), die AF und die HF in den verschiedenen Belastungsgruppen unterschiedliche Verläufe: Die intramuskuläre Temperatur (MT2) bleibt stabil bei 20 Atemzügen/Minute. Wenn die AF über 20/Minute steigt, kommt es zu einem Abfall der MT2. Dieser Mechanismus tritt auf, wenn MT2 über 43° bzw. die rektale Temperatur über 39°C steigt. Daraus ergibt sich, dass Schweine hecheln, und dass sie sich über das Hecheln thermoregulieren. Mit zunehmender Exposition steigt das Serumkalium; gleichzeitig zeigt der pH-Wert in der höchsten Expositionsgruppe (Gruppe 3) die geringste Streuung. Dies spricht einerseits für einen ausgeprägten Zellschaden mit zunehmender Belastung, da der Muskelzerfall Kalium freisetzt. Andererseits zeigt es, dass der Kompensationsmechanismus erhöhter Kaliumwerte (H+/K+ Antiport) an seine Grenzen stößt. Die Reaktionen der Schweine (Hecheln, Brady- und Tachykardie, intramuskuläre Temperaturen) wurden mit diesem besonderen Versuchsaufbau (TIVA) zum ersten Mal beschrieben. Aus unseren Versuchen lassen sich thermoregulatorische Reaktionen zusammenfassen, bei denen die „leitende Temperatur“ die oberflächliche Muskeltemperatur (MT2) ist: Solange die RT sich unterhalb von MT2 befindet, wird Wärme vom Körperkern per Konduktion entlang des Temperaturgradienten an die Peripherie abgegeben. Wenn sich RT und MT2 angleichen (kein Temperaturgradient), setzen weitere thermoregulatorische Mechanismen ein: Weitstellung arterieller Gefäße, gesteigerter Blutfluss in der Peripherie (Konvektion) und in den Gasaustauschoberflächen (Evaporation) bei gleich bleibender Perfusion im Körperkern. Dabei erfolgt der bei uns beobachtete Anstieg der AF und eine Plateauphase, bzw. Absinken von MT2. Wenn so ein Temperaturgradient zwischen Körperkern und –peripherie aufgebaut werden kann, kann die Wärme erneut über Konvektion und Radiation an die Körperschale und die Umgebung abgegeben werden. Ist die exogene thermische Belastung jedoch zu hoch, steigt die MT2 erneut an und setzt so die Grenzen der Wärmeregulationsfähigkeit des Organismus. Die physiologischen Reaktionen auf die Hochfrequenzbelastung im Bereich von 123 MHz sind jedoch noch nicht vollständig erfasst und benötigen weiterführende Untersuchungen, da die Gefahren thermischer Gewebeschäden in den Hotspots von weit reichenden vegetativen Reaktionen begleitet werden können.

The physiological reactions of a body exposed to a high radio frequency (HRF) in a range of 123 MHz have been simulated mostly in theoretical models. In this experimental setting (total intravenous anaesthesia) following physiological parameters were examined for the first time: heart beats per minute, breathing rate, rectal and intramuscular temperatures, and blood parameters (serum potassium, pCO2, and pH). 19 swines were divided in three groups, each group exposed to 123 MHz but with different intensities: Group 1 (low exposure) = 2,5 to 3,1 W/kg over about 30 minutes; group 2 (moderate exposure) = 4,2 to 5,2 W/kg over about 30 minutes; group 3 ( high exposure) = 3,7 to 4,8 W/kg over about 60 minutes. The exposure was effected in a pulsed mode with rectangularly formed HRF-pulses over 1 ms, followed by a defined interval time. While the rectal temperatures (RT) rose continuously to above 44°C, the intramuscular temperature curves in the hotspot (MT2), the respiration- and heartrate showed variable characteristics in the different groups. In the second observation the intramuscular temperature (MT2) reaches a plateau when the respiratory rate is around 20 gasps per minute. If MT2 exceeds 43°C or the rectal temperature exceeds 39°C, breathing rate rises above 20 gasps per minute, and MT2 decreases. This excessive breathing rate shows that swine do pant, and that they use panting for thermoregulation. The third observation showed a raise in the serum potassium with increasing exposure intensity. At the same time the blood pH of the group with the highest exposure intensity (group 3) showed the least variance. This investigation leads to the conclusions, that thermoregulation exist in swine. It is controlled by the intramuscular temperature within the hotspot (MT2). Respiration will be increased when MT2 rises above 43°C as a thermoregulatory response, leading to a never before observed decrease of MT2. Also thermoregulatory collapse was observed as MT2 continuously rose with greater exposure. The destruction of muscle cells on the one hand and the physiological reactions to the heat stress on the other hand showed most in the changes of serum potassium, the narrow width strays apart and veers from the normal. Physiological reactions to the HRF exposure in a range of 123 MHz are far from being entirely understood and demand further studies, since thermal damage in the hotspots are accompanied by far-reaching vegetative reactions.