Deutschsprachige Internationale Gesellschaft für Extrakorporale Stoßwellentherapie
3. Verfahren der Druckpulserzeugung
3.1 Druckpulserzeugung mit elektrischer Energie(f-ESWT)
Die hier diskutierten Erzeugungsprinzipien beruhen auf der Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie.
- elektrohydraulisch
- piezoelektrisch
- elektromagnetisch, Flachspule/Linse
- elektromagnetisch, Zylinderspule/Reflektor
Alle Systeme haben die Eigenschaft mindestens bei hohen Energien Stoßwellen , in dem in Abschnitt 2 beschriebenen Sinn, zu erzeugen.
Im Rahmen der Weiterentwicklung der extrakorporalen Stoßwellentherapie ist zu ergänzen, dass es zur Veränderung der Fokussierung im Sinne einer defokussierung bis hin zur sog. planaren Stoßwelle kam. Diese defokussierten Stoßwellen werden zusammengefasst als def-ESWT bezeichnet. Es handelt sich hierbei um eine identische Erzeugungsweise zur f-ESWT, wobei die Form der „Fokussierung“ so gewählt ist, dass ein deutlich größerer Fokusbereich kissenförmig appliziert wird und in die Tiefe eindringt.
3.1.1 Elektrohydraulische Druckpulserzeugung
- Abb.7
Die elektrohydraulische Druckpuls- bzw. Stoßwellenerzeugung beruht auf einer energiereichen Funkenentladung im Wasserbad. Die explosionsartige Verdampfung des Wassers um den elektrischen Funken herum erzeugt eine Druckstörung, die sich in das umgebende Medium ausbreitet. Die Welle besitzt bereits am Entstehungsort eine große Druckamplitude mit steilem Drucksprung. Sie breitet sich sphärisch um den (punktförmigen) Entstehungsort (F1) aus.
Durch Reflexion an einem elliptischen Spiegel wird die Welle im zweiten Fokus (F2) des Ellipsoids konzentriert ( Abbildung 7 ). Mit Hilfe der Fokussierung kann der Wirkbereich der Stoßwelle in größere Gewebetiefen (ca. 15 cm) gelegt werden.
3.1.2 Piezoelektrische Druckpulserzeugung
- Abb.9
Die piezoelektrische Druckpuls- bzw. Stoßwellenerzeugung macht sich die schlagartige Ausdehnung von piezoelektrischen Materialien zu Nutze. Eine auf einer sphärischen Fläche angeordnete Schicht von Piezoelementen (s. Abbildung 9 ) wird durch Anlegen einer Spannung synchron ausgelenkt. Die sphärische Anordnung erzeugt eine konvergente Kugelwelle, die im Zentrum der Kugel konzentriert wird.
Auf dem Weg zum Zentrum werden hohe Amplitudenwerte erreicht, die eine Aufsteilung der Welle zur Folge haben. Eine Stoßwelle wird in der Nähe des Zentrums der Kugel generiert.
3.1.3 Elektromagnetische Druckpulserzeugung mit Flachspule
Die elektromagnetische Druckpuls- bzw. Stoßwellenerzeugung mit Flachspulen arbeitet nach dem Lautsprecherprinzip. Eine flache Membran wird durch elektromagnetische Kräfte stoßartig ausgelenkt und erzeugt so eine ebene Welle, die mit Hilfe einer akustischen Linse auf einen Wirkbereich fokussiert wird. Ebenso wie bei der piezoelektrischen Stoßwellenerzeugung entsteht eine Stoßwelle durch Aufsteilung in der Umgebung des Fokuspunktes.
3.1.4 Elektromagnetische Druckpulserzeugung mit Zylinderspule
- Abb.12
Die elektromagnetische Druckpuls- bzw. Stoßwellenerzeugung mit Zylinderspulen arbeitet ebenfalls nach dem Lautsprecherprinzip, wobei jedoch primär eine Zylinderwelle erzeugt wird, die ohne akustische Linsen mit Hilfe eines parabolischen Reflektors fokussiert wird ( Abbildung 12 ). Eine Stoßwelle entsteht durch Aufsteilung in der Fokuszone
3.2 Mechanische Druckwellenerzeugung (r-ESWT)
- Abb.13
- Abb.14
- Abb.15
Anders als bei den oben beschriebenen Verfahren zur Erzeugung von fokussierten Stoßwellen wird bei der r-ESWT Druckwellen durch den Aufprall eines Projektils auf einen Prallkörper erzeugt. Der Prallkörper wird dabei in direkten Kontakt mit der Körperoberfläche gebracht, und unter Verwendung von Ultraschall-Koppelgel (s. Abbildung 13 ) kommt es zu einer ballistischen Energieübertragung in das zu behandelnde Gewebe.
Bei derzeit auf dem Markt befindlichen Geräten wird das Projektil mittels Pressluft auf eine Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde beschleunigt. Das Projektil stößt auf einen Prallkörper und gibt dabei einen Teil seiner kinetischen Energie an diesen ab. Angestoßen durch das Projektil bewegt sich der Prallkörper translatorisch zunächst eine kurze Strecke
(< 1mm) ebenfalls mit einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa einem Meter pro Sekunde (< 1 m/s) bis er durch den Kontakt mit dem angekoppelten Gewebe bzw. im Handstück des Anwendungsteils abgebremst wird. Die Bewegung des Prallkörpers wird am Berührungspunkt in das Gewebe übertragen, wo sie sich als Druckwelle divergent ausbreitet. Die zeitliche Dauer des Druckpulses wird durch die translatorische Bewegung des Prallkörpers bestimmt und beträgt im Gewebe ca. 0,2 - 2 Millisekunden.
Um die Verhältnisse bei der Einkopplung der Druckstörung in den Körper zu simulieren, kann man die Auslenkung des Prallkörpers im Kontakt mit Wasser untersuchen. Das zeitliche Profil der Auslenkung wird durch das angekoppelte Wasser gedämpft (Auslenkung ca. 0,06 mm) und leicht verzerrt. (Man beachte den veränderten zeitlichen Maßstab der rechten gegenüber der linken Grafik in Abbildung 14 ).
Der Prallkörper überträgt durch seine Auslenkung eine Druckstörung auf das angekoppelte Gewebe, die an der Kontaktstelle das gleiche zeitliche Verhalten wie die Auslenkung zeigt.
Neben der beschriebenen translatorischen Bewegung des Prallkörpers tritt ein weiteres Phänomen auf, das im Folgenden betrachtet wird:
Das Projektil und auch der am Körper angesetzte Prallkörper sind üblicherweise aus metallischen Materialien gefertigt. Beim Zusammenstoß der beiden Metallkörper werden hochfrequente Schwingungen (Stabwellen) in den Metallkörpern angeregt, die sich der „langsamen“ Translationsbewegung des Prallkörpers überlagern. Dieses Phänomen wird in der Abbildung 14 durch die gezackte Linienführung deutlich.
Ein Teil dieser im Prallkörper angeregten Schwingungsenergie wird auch in Wasser abgestrahlt und ist dort mit den üblichen Hydrophonen nachweisbar. Es handelt sich dabei um eine gedämpfte Schwingung, wie sie in Abbildung 15 dargestellt ist.
Die in der hochfrequenten Schwingung enthaltene Energie ist aber um einige Größenordnungen geringer als der Energieinhalt des oben beschriebenen (niederfrequenten) Druckpulses. Er liegt im Bereich von diagnostischem Ultraschall und damit deutlich unterhalb des Wirkbereiches üblicher Ultraschall-Therapiegeräte.
Der im Vergleich zur Stoßwelle lange Druckpuls ist mit den in der Stoßwellentechnik üblichen Drucksonden nicht oder nur schwer nachweisbar. Die Wellenlänge beträgt bei dem in Abbildung 14 dargestellten Puls etwa 45 cm, ist also deutlich größer als die Abmessung des Oberarms. Deswegen kann man an dieser Stelle nicht von einer Wellenausbreitung sprechen. Darüber hinaus sind die üblicherweise verwendeten Hydrophone in dem zugehörigen Frequenzbereich (< 5kHz) nicht zum Nachweis dieser Schwingungen geeignet.
Innerhalb von Festkörpern und biologischem Gewebe jedoch sind Atome und Moleküle nicht frei verschiebbar, so dass sich hier Druck-, Zug- und Scherkräfte ausbilden können, die biologische Effekte und eine therapeutische Wirkung zur Folge haben können. Mit geeigneten Drucksensoren, die auch im niederfrequenten Bereich (<5kHz) empfindlich sind, ist dieser niederfrequente Druckverlauf im Gewebe oder in realitätsnahen Gewebephantomen registrierbar.