Elektrische Felder im Kniegelenk durch externe Magnetfelder: Ergebnisse einer experimentellen Untersuchung

Zusammenfassung

Fragestellung: Magnetische Felder werden in der Behandlung von degenerativen Erkrankungen vor allem großer Gelenke eingesetzt, ohne dass bislang ein wissenschaftlicher Nachweis der Wirksamkeit erbracht worden wäre. Es ist unter anderem nicht bekannt, ob die im Gelenk induzierten elektrischen Felder bzw. Feldstärken mit endogenen Feldern vergleichbar sind. Material und Methode: Die Untersuchungen wurden an einem Kniegelenks-Modell durchgeführt, das magnetischen Feldern (2 mT und 4,9 mT; Frequenz: 50 Hz) ausgesetzt wurde. Die differenziellen Messungen der induzierten elektrischen Feldstärken erfolgten mittels punktförmigen Kugelelektroden an definierten Positionen im Kniegelenk in den drei Achsen des kartesischen Koordinatensystems. Die resultierenden Spannungen wurden 100fach verstärkt und auf einem Oszilloskop aufgezeichnet. Die Ergebnisse wurden an einem humanen Kniegelenk (post mortem) überprüft. Ergebnisse: In Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte sowie der räumlichen Ausrichtung der Elektrodenpaare fanden sich elektrische Feldstärken zwischen 60 und 410 µV/cm. Bei Messungen am humanen Kniegelenk konnten die im Modell gemessenen Werte bestätigt werden mit Feldstärken bis maximal 400 µV/cm. Schlussfolgerungen: Elektrische Felder, die durch magnetische Wechselfelder hervorgerufen werden, können im Kniegelenk nachgewiesen werden. Im Vergleich zu Potenzialen, die endogen unter Belastung im Knorpelgewebe auftreten können, waren die induzierten Potenziale um etwa den Faktor 30 geringer. Auf eine therapeutische Wirksamkeit der magnetischen Felder kann anhand dieser Untersuchungen nicht geschlossen werden.

Abstract

Aim: Magnetic fields are used in the treatment of osteoarthritis. So far the efficiency has not been scientifically proven. The comparability of induced electrical fields with those produced endogenously within the cartilage tissue is unknown. Method: The study was performed on a knee joint model which was exposed to magnetic fields (2mT and 4.9 mT, 50 Hz). The measurements were performed using small spherical electrodes within the knee joint located at positions defined by three cartesian coordinates. The electrical potentials were amplified 100-fold and plotted on an oscilloscope. The results were checked by post-mortem examinations on a human knee joint. Results: In relation to the magnetic flux density and the steric orientation of the electrodes, we found electric field strengths between 60 and 410 µV/cm. When performing the procedure on the human knee joint, field strengths of up to 400 µV/cm were measured. Conclusions: Electrical fields in the knee joint which are induced by external magnetic fields can be verified. When compared with the endogenous electrical potentials, the measured values were about 30 times smaller. Given these results, we can make no conclusions about therapeutic efficiency.

Kniegelenk - Magnetfelder - magnetische Flussdichte - Induktion

Knee joint - magnetic fields - magnetic flux density - Induction

Literatur

• 1 Schmidt-Rohlfing B, Silny J, Niethard F U. Pulsierende Elektromagnetische Felder in der Behandlung von Verletzungen und Erkrankungen der Bewegungsorgane - eine Übersicht und Metaanalyse.  Z Orthop. 2000;  138 379-389
• 2 Grodzinsky A J, Lipshitz H, Glimcher M J. Electromechanical properties of articular cartilage during compression and stress relaxation.  Nature. 1978;  275 448-450
• 3 Lotke P A, Black J, Richardson S. Electromechaical properties in human articular cartilage.  J Bone Joint Surg. 1974;  56-A 1040-1046
• 4 Garon M, Legare A, Guardo R, Savard P, Buschmann M D. Streaming potentials maps are spatially resolved indicators of amplitude, frequency and ionic strength dependant responses of articular cartilage to load.  J Biomech. 2002;  35 207-216
• 5 Schmidt-Rohlfing B, Schneider U, Goost H, Silny J. Mechanically induced electrical potentials of articular cartilage.  J Biomech. 2002;  35 475-482
• 6 Guilak F, Sah R, Setton L A. Physical regulation of cartilage metabolism. In: Mow VC, Hayes WC (eds) Basic Orthopaedic Biomechanics. Philadelphia; Lippincott-Raven Publishers 1997: 113-177
• 7 Frank E H, Grodzinsky A J. Cartilage electromechanics - I. Electrokinetic transduction and the effects of electrolyte pH and ionic strength.  J Biomech. 1987;  20 615-627
• 8 Kim Y J, Bonassar L J, Grodzinsky A J. The role of cartilage streaming potential, fluid flow and pressure in the stimulation of chondrocyte biosynthesis during dynamic loading.  J Biomech. 1995;  28 1055-1066
• 9 Frank E H, Grodzinski A J. Cartilage electromechanics - II. A continuum model of cartilage electrokinetics and correlation with experiments.  J Biomech. 1987;  20 629-639
• 10 Gu W Y, Lai W M, Mow V C. Transport of fluid and ions throug a porous-permeable charged-hydrated tissue, and streaming potential data on normal bovine articular cartilage.  J Biomech. 1993;  26 709-723
• 11 Gray M L, Pizzanelli A M, Grodzinski A J, Lee R C. Mechanical and physiochemical determinants of the chondrocyte biosynthetic response.  J Orthop Res. 1988;  6 777-792
• 12 Wright M O, Nishida K, Bavington C, Godolphin J L, Dunne E, Walmsley S, Jobanputra P, Nuki G, Salter D M. Hyperpolarisation of cultured human chondrocytes following cyclical pressure-induced strain: evidence of a role for a a5b1 integrin as a chondrocyte mechanocreceptor.  J Orthop Res. 1997;  15 742-747
• 13 Salter R B, Field P. The effects of continous compression on living articular cartilage.  J Bone Joint Surg. 1960;  42-A 31-76
• 14 Li K W, Williamson A K, Wang A S, Sah R L. Growth responses of cartilage to static and dynamic compression.  Clin Orthop. 2001;  391S S34-S48
• 15 Liu H, Abbott J, Bee J A. Pulsed electromagnetic fieldsinfluence hyaline cartilage extracellular matrix composition without affecting molecular structure.  Osteoarthritis Cartilage. 1996;  4 63-76
• 16 Aaron R K, Ciombor D, Jolly G. Stimulation of experimental endochondral ossification by low-energy pulsing electromagnetic fields.  J Bone Miner Res. 1980;  4 227-233
• 17 Pezzetti F, DeMattei M, Caruso A, Cadossi R, Zucchini P, Carinci F, Traina G C, Sollazzo V. Effects of pulsed electromagnetic fields on human chondrocytes: an in vitro study.  Calcif Tissue Int. 1999;  65 396-401
• 18 Sakai A, Suzuki K, Nakamura T, Norimura T, Tsuchiya T. Effects of pulsing electromagnetic fields on cultured cartilage cells.  Int Orthop. 1991;  15 341-346
• 19 Wright M, Jobanputra P, Bavington C, Salter D M, Nuki G. Effects of intermittent pressure-induced strain on the electrophysiology of cultured human chondrocytes: evidence for the presence of stretch-activated membrane ion channels.  Clin Sci. 1996;  90 61-71
• 20 Wright M O, Stockwell R A, Nuki G. Response of plasma membrane to applied hydrostatic pressure in chondrocytes and fibroblasts.  Connect Tissue Res. 1992;  28 49-70