Elektromagnetische Wellen sind ein täglicher Bestandteil unseres Lebens. So finden sie u.a. eine weite Verbreitung in der Sensorik und Kommunikationstechnologie. Sie sind in der Lage, biologische Materialien zu beeinflussen. Die Wirkung ist dabei von den Eigenschaften der Welle (Frequenz) und des biologischen Materials (z.B. Polarisierbarkeit von Molekülen und Makromolekülen) abhängig. Die Ultra-Breitbandtechnologie (UWB-Technologie) bietet die Möglichkeit, Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit biologischen Materialien über einen breiten Frequenzbereich zu betrachten. Die physikalische Messgröße der Permittivität (Maß für die Polarisierbarkeit) ist abhängig von molekularen Strukturen der zu untersuchenden biologischen Materie. Die molekulare Struktur von biologischem Material wird wiederum von physiologischen und pathophysiologischen Vorgängen definiert. Bei einer Änderung der physiologischen Signatur kommt es daher auch zu einer Änderung der Permittivität, was spektroskopisch (Bestimmung der Permittivität) oder bildgebend (Bestimmung der Reflektion an dielektrischen Grenzflächen) aufgezeichnet werden kann. Ziel dieser Arbeit war es, anhand der Analyse der Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit biologischen Materialien zu evaluieren, welche Einsatzmöglichkeiten für die UWB-Technologie in biologischen und medizinischen Fachgebieten existieren. Ein Einsatz der UWB-Technologie in der Biomedizin setzt voraus, dass elektromagnetische UWB-Wellen keinen Einfluss auf die Vitalität von Zellen besitzen. Es konnte gezeigt werden, dass die UWB-Wellen des in dieser Arbeit genutzten UWB-Systems (Ausgangsleistung = 4 mW) die Vitalität tierischer Zellen (Tumorzellen BT474, Fibroblasten BJ) nicht beeinflusst. Da die Permittivität von Zellen bei Frequenzen unter 100 MHz wesentlich von der Polarisierung von Zellbestandteilen (z.B. Zellmembran oder -wand) bestimmt wird, wurden Grampositive Bakterien (Micrococcus luteus, Bacillus subtilis) und Gram-negative Bakterien (Escherichia coli, Serratio marcescens) dielektrisch im Frequenzbereich zwischen 50 und 300 MHz charakterisiert. So konnte der Wachstumsverlauf von Bakterien verfolgt und Bakterien verschiedener Gramtypen differenziert werden. Des Weiteren wurden die Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit Geweben spektroskopisch und bildgebend untersucht. Es wurden die dielektrischen Eigenschaften tierischer Gewebe (u.a. Fett, Leber, Muskel boviner und porciner Herkunft) bestimmt und mit dem jeweiligen Wassergehalt korreliert. So zeigte Gewebe mit einem hohen Wassergeunter 100 MHz wesentlich von der Polarisierung von Zellbestandteilen (z.B. Zellmembran oder -wand) bestimmt wird, wurden Grampositive Bakterien (Micrococcus luteus, Bacillus subtilis) und Gram-negative Bakterien (Escherichia coli, Serratio marcescens) dielektrisch im Frequenzbereich zwischen 50 und 300 MHz charakterisiert. So konnte der Wachstumsverlauf von Bakterien verfolgt und Bakterien verschiedener Gramtypen differenziert werden. Des Weiteren wurden die Wechselwirkungen von elektromagnetischen Wellen mit Geweben spektroskopisch und bildgebend untersucht. Es wurden die dielektrischen Eigenschaften tierischer Gewebe (u.a. Fett, Leber, Muskel boviner und porciner Herkunft) bestimmt und mit dem jeweiligen Wassergehalt korreliert. So zeigte Gewebe mit einem hohen Wassergehalt eine hohe Permittivität und umgekehrt. Es wurde ein repräsentativer Datensatz über die Permittivität von Geweben generiert, der als Grundlage für die Entwicklung eines Gewebephantoms diente. Das Modell war zum einen in der Lage, definierte dielektrische Gewebseigenschaften reproduzierbar zu simulieren. Des Weiteren konnte damit gezeigt werden, dass es möglich ist, mit der UWB-Technologie Gewebe bzw. gewebeähnliche Modelle anhand ihres unterschiedlichen Wassergehalts bildgebend voneinander zu unterscheiden. Aus biomedizinischer Sicht kann eine verbesserte Bildgebung durch den Einsatz von Kontrastmitteln erreicht werden, um pathologische Änderungen gegenüber gesundem Gewebe hervorzuheben. Die Anwesenheit von Kontrastmitteln in Phantomen führte zu einer lokalen Veränderung der Permittivität und ermöglichte eine Detektion des entstehenden Kontrasts mittels UWB-Technologie. Die Permittivität stellt eine Temperaturabhängige Größe dar. Vor diesem Hintergrund wurde überprüft, ob dies eine Kenngröße darstellt, um Temperaturänderungen mittels UWBTechnologie nicht-invasiv zu detektieren. Es konnte gezeigt werden, dass man mit Hilfe der UWB-Technologie Temperaturänderungen im Gewebe sowohl invasiv als auch nicht-invasiv verfolgt werden können und so eine Temperaturkontrolle möglich ist. Die Permittivität (ab 1 GHz) von Geweben post mortem ist durch die zeitabhängige Dehydrierung gekennzeichnet. Es wurde die Permittivität von Geweben (porcine Leber, Milz, Niere) spektroskopisch unter definierten Klimabedingungen bestimmt und der Einfluss von Temperatur und Luftfeuchtigkeit analysiert. Zudem wurde untersucht, ob die zuvor ermittelten Ergebnisse auf Freilanduntersuchungen (spektroskopische Analysen an toten Schweinen) übertragbar sind. Es konnte gezeigt werden, dass die dielektrische Spektroskopie ein Verfahren ist, um Dehydrierung von Geweben zu verfolgen, wobei die klimatischen Bedingungen einen wesentlichen Einflussfaktor auf die Permittivität der Gewebe darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die UWB-Technologie das Potential besitzt, Anwendung in verschiedenen Gebieten der Biologie und Medizin zu finden. So ist eine Applikation unter anderem zur Charakterisierung von Bakterien, in der kontrastmittelunterstützten bildgebenden Diagnostik, in der nicht-invasive Temperaturkontrolle und beim Monitoring von Gewebedehydration möglich. Somit stellt die UWB-Technologie eine nützliche und hilfreiche Erweiterung und Ergänzung für bestehende analytische und bildgebende Methoden in der Biologie und Medizin dar.
Electromagnetic waves are a part of our daily lives. For example, they have a broad spectrum of applications in sensing and communication technologies. They are able to influence biological materials. Thereby, the effect depends on the characteristics of the electromagnetic wave (frequency) and on the properties of the biological material (e.g. polarisability of molecules and macromolecules). The Ultra-Wideband (UWB) Technology offers the possibility to examine the interaction of electromagnetic waves with biological materials over a wide frequency range. The physical property of the permittivity (measure of polarisability) depends on the molecular structure of the biological material. On the other hand, the molecular structure of the biological matter is defined by physiological and pathophysiological processes. With the change of the physiological signature the permittivity will change immediately. This can be measured by spectroscopic (determining the permittivity) and imaging (determining at dielectric interfaces) techniques. The purpose of this work was to evaluate potential capabilities of the UWB Technology in biological and medical fields by analysing interactions of electromagnetic waves with biological materials. The implementation of the UWB Technology requires no effect of the electromagnetic waves on the vitality of cells. It was shown that the UWB waves generated by the UWB system (output power = 4 mW) used in this work had no influence on the vitality of animal cells (tumor cells BT474, BJ fibroblasts). Since the permittivity of cells below 100 MHz is mainly influenced by the polarisation of cell components like the cell wall or membrane, Gram-positive bacteria (Micrococcus luteus, Bacillus subtilis) and Gram-negative bacteria (Escherichio coll, Serratia marcescens) were dielectrically characterised in the frequency range between 50 and 300 MHz. It was possible to follow the bacterial growth in suspension and to differentiate between the Gram-positive and Gram-negative bacterial strains by the means of the dielectric properties. Furthermore, the interaction of electromagnetic waves with tissues was examined by spectroscopic and imaging modalities. Therefore, the dielectric properties of animal tissues (e.g. fat, liver, and muscle from porcine and bovine origin) were determined and correlated to the respective tissue water content. So, high water content tissues showed a high permittivity and vice versa. A representative data set on the permittivity of tissues was generated, which served as a basis for the development of a tissue phantom. The tissue model was able to simulate reproducibly dielectrically defined tissue properties. Furthermore, it was shown that it is possible to image and differentiate tissues and tissue-like phantoms based on their varying water contents using the UWB Technology. From biomedical point of view, an improved diagnostic imaging can be achieved by the use of contrast agents to emphasise pathological changes compared to the surrounding healthy tissue. The presence of contrast agents in phantoms led to a local change of the permittivity and a detection of the resulting contrast using UWB technology was possible. The physical property of the permittivity is temperature-dependent. Hence, it was examined whether the permittivity can be used as a characteristic detecting temperature changes noninvasively using UWB Technology. It was shown that temperature changes in tissues can be followed invasive and non-invasive by means of the UWB Technology. The permittivity (from 1 GHz) from tissues post mortem is characterised by a timedependent dehydration. Therefore, the permittivity of tissues (porcine liver, spleen, and kidney) was determined spectroscopically under defined climatic conditions and the influence of temperature and humidity was analysed. Moreover, it was investigated whether the previously obtained results were transferable on field studies (spectroscopic analysis of dead pigs). It was shown that it is possible to track dehydration of tissues by dielectric spectroscopy, where the climatic conditions were a major factor influencing the permittivity of the tissues. This work demonstrates that the UWB Technology has the potential to be suitable in various fields of biology and medicine. An application in the characterisation of bacteria, in the contrast-enhanced diagnostic imaging, in the non-invasive temperature monitoring and in the monitoring of tissue dehydration is possible. Therefore, the UWB Technology is a useful and helpful enlargement and addition to existing analytical and imaging methods in biology and medicine.