What are shock waves?  Physics and Technology
What are shock waves? Physics and Technology

Physik und Technik

Stosswellen finden heute vielfältige Anwendungen in der Medizin. Wurden sie ursprünglich nur zur Steinzertrümmerung von Nierensteinen genutzt, kommen sie heute unter anderem in der orthopädischen Schmerztherapie oder zur Behandlung von Patienten mit Alzheimer-Erkrankung zum Einsatz.

Um diese erstaunliche Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten verstehen zu können, lohnt es sich einen Blick auf die physikalischen Eigenschaften der Stosswellen zu werfen, welche für die unterschiedlichen medizinischen Effekte verantwortlich sind:

Fokussierte Stosswellen
Physikalische und biologische Effekte von Stosswellen
Radiale Druckwellen

 

Extrakorporal erzeugte Stoss- und Druckwellen kommen heute in den unterschiedlichsten medizinischen Fachrichtungen zum Einsatz. Je nach Art der Anwendung spricht man von Extra­korporaler Stosswellentherapie (ESWT) oder in der urologischen Steintherapie von Extrakorporaler Stosswellen­lithotripsie (ESWL).

Ihren Ursprung hat das nicht-invasive Therapieverfahren in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts. Damals entstand die Idee, Stosswellen ausserhalb des Körpers zu erzeugen und in diesen einzuleiten, um Nieren- und Gallensteine zu zertrümmern – ohne das davorliegende Gewebe zu schädigen.

Die erste erfolgreiche Steinzertrümmerung beim Menschen1,2,3 gelang Prof. Dr. Christian Chaussy im Februar 1980 in München. In der Folge wurden Stosswellen auch vermehrt in anderen Bereichen eingesetzt, z. B. bei Pseudarthrosen4,5 oder an Sehnenansätzen6. Bis heute folgten zahlreiche weitere Anwendungsgebiete – das Potenzial des Therapieverfahrens scheint noch lange nicht ausgeschöpft zu sein.
 

Stosswellen wurden am Patienten erstmals Anfang 1980 zur Zertrümmerung eines Nierensteins eingesetzt.

 

Stosswellen vs. Druckwellen

In der Praxis kommen sowohl fokussierte Stosswellen als auch radiale Druckwellen zum Einsatz. Obwohl physikalisch nicht korrekt, werden radiale Druckwellen häufig als radiale Stosswellen bezeichnet.

Stoss- und Druckwellen unterscheiden sich nicht nur in ihrer Erzeugungstechnik, sondern auch in den üblicherweise verwendeten physikalischen Parametern sowie in den therapeutischen Eindringtiefen ins Gewebe.

Die vorliegende Zusammenfassung vermittelt wichtiges Hintergrund-Wissen zu Physik, Technik und Unterschieden der Applikationsformen. Wenn Sie nach der Lektüre noch Fragen haben sollten, beantworten wir diese gerne via .
 

Radiale Druckwellen werden häufig als radiale Stosswellen bezeichnet, obwohl das physikalisch nicht korrekt ist.

 

Zeitliches Ultraschallwellenprofil

Fokussierte Stosswellen

Was sind Stosswellen?

Stosswellen sind Schallwellen. In der Atmosphäre treten sie bei Vorgängen auf, die explosionsartig verlaufen – zum Beispiel bei Detonationen, bei Blitzschlag oder wenn ein Flugzeug die Schallmauer durchbricht. Stosswellen sind akustische Pulse, die durch hohe, positive Druckamplituden und einen sehr steilen Anstieg des Drucks gegenüber dem Umgebungsdruck gekennzeichnet sind. Sie können kurzzeitig Energie vom Ort der Erzeugung auf entfernte Gebiete übertragen und dort z. B. Fensterscheiben zerspringen lassen.
 

Stosswellen verbreiten sich explosionsartig und können Fensterscheiben in grosser Entfernung zerspringen lassen.

 

Stosswellen vs. UltraschallZeitliches Stosswellenprofil

Stosswellen sind mit Ultraschallwellen verwandt. Wesentlicher Unterschied: Bei Stosswellen sind die Druckamplituden besonders gross, so dass ein Aufsteilungseffekt (Abb. 3) infolge von Nichtlinearitäten des Ausbreitungsmediums (Wasser, menschliches Gewebe) zu berücksichtigen ist. Weiterer Unterschied: Beim Ultraschall handelt es sich meist um periodische Schwingungen mit schmaler Bandbreite (Abb. 1). Stosswellen hingegen werden durch einen einzigen, überwiegend positiven Druckpuls dargestellt, dem ein vergleichsweise geringer Zuganteil (negativer Druckpuls) folgt (Abb. 2). In einem solchen Puls sind Frequenzen von einigen Kilohertz bis mehr als 10 Megahertz enthalten.1,7,8

 

 

 

Aufsteilung einer Welle durch nichtlineare Ausbreitung

Stosswellen sind Pulse, Ultraschall ist eine kontinuierliche Schwingung.

 

Stosswellenquellen in der Medizin

Erzeugung von fokussierten Stosswellen

Fokussierte Stosswellen können elektrohydraulisch, piezoelektrisch oder elektromagnetisch erzeugt werden (Abb. 4). Beim elektrohydraulischen Prinzip werden Stosswellen direkt an der Stosswellenquelle gebildet. Beim piezoelektrischen und elektromagnetischen Prinzip entstehen die Stosswellen erst infolge von Aufsteilung und Überlagerung – und somit erst in der Fokuszone, dem Ort der höchsten Intensität.

Für die medizinische Anwendung ist vor allem von Bedeutung, dass die unterschiedlich erzeugten Stosswellen typischerweise unterschiedlich grosse Fokusbereiche aufweisen. Den kleinsten Fokus bilden dabei die piezoelektrisch erzeugten Stosswellen, den grössten die elektrohydraulischen. Daraus folgt, dass die für eine Behandlung erforderliche Dosierung zum Teil vom jeweiligen Gerätetyp abhängig ist.1,8

 

Beispiel: Elektromagnetische Stosswellenerzeugung

Stosswellenerzeugung

Das Verfahren der elektromagnetischen Stosswellenerzeugung beruht auf dem physikalischen Prinzip der elektromag­netischen Induktion. Es ermöglicht eine sehr genaue und feinfühlige Dosierung der applizierten Stosswellenenergie. Idealerweise basiert hier die Stosswellenquelle auf einer Zylinderspule und einem Reflektor in Form eines Rotationsparaboloids. Dadurch wird die Fokuszone sehr präzise definiert und kann sowohl axial (in der Tiefe) als auch lateral exakt reproduziert werden. Aufgrund der relativ grossen Öffnung der Stosswellenquelle im Verhältnis zur Fokusgrösse lässt sich die Stosswellenenergie schmerzarm über eine entsprechend grosse Einkoppelfläche in den Körper übertragen. Die Energie wird im Wesentlichen nur in der relativ kleinen Fokuszone im Körperinneren freigesetzt (Abb. 5).
 

Elektromagnetisch erzeugte Stosswellen sind relativ schmerzarm und ermöglichen eine sehr genaue Dosierung.

 

Ausbreitung von fokussierten Stosswellen

Stosswellen sind akustische Wellen. Um sich auszubreiten, benötigen sie ein Medium wie Wasser oder Luft. Bei medizinisch genutzten Stosswellen wird in aller Regel Wasser verwendet. In diesem werden die Stosswellen ausserhalb des Körpers erzeugt und anschliessend in biologisches Gewebe eingekoppelt. Da Gewebe zum Grossteil aus Wasser besteht, weist es sehr ähnliche Schallübertragungseigenschaften auf. Diese werden durch die Schallimpedanz (Z) beschrieben. Der Übergang zum Körpergewebe erfolgt dadurch ohne signifikante Verluste. Definiert wird die Schallimpedanz wie folgt:

z equals pc

 

 

Akustische Grenzflächen, an denen sich die akustischen Eigenschaften Dichte (ρ) und Schallgeschwindigkeit (c) ändern, sorgen durch aus der Optik bekannte Phänomene wie Brechung, Reflexion, Streuung und Beugung für eine Abweichung von der geraden Ausbreitung der Wellen. Diese Effekte müssen bei der Anwendung von Stosswellen am Menschen beachtet werden. Nur so wird sichergestellt, dass die Energie in der Behandlungszone wirksam werden kann.
 

Ähnlich wie Licht an Spiegeln werden Stosswellen an akustischen Grenzen reflektiert und gebrochen. Dieser Effekt ist umso stärker, je mehr sich die Schallimpedanzen beider Medien unterscheiden.

 

Aus diesem Grund wurde bei dem ersten Gerät zur Nierensteinzertrümmerung der Patient in eine mit Wasser gefüllte Wanne getaucht. Heutige Geräte arbeiten mit der sogenannten »trockenen« Ankopplung. Bei dieser wird das Wasserbad über eine flexible Koppelmembran an den Körper angelegt. Eine Luftschicht dazwischen wird mit Koppelgel oder einem dünnen Wasserfilm eliminiert.
 

Luftschicht oder Luftblasen zwischen der Stosswellenquelle und dem Körper verringern signifikant die Effizienz.

 

Unabhängig davon muss darauf geachtet werden, dass keine gashaltigen Organe (Lunge) oder grössere Knochenstrukturen vor dem eigentlichen Behandlungsgebiet liegen. Diese würden das Zielgebiet vor den Stosswellen abschirmen und damit die gewünschte therapeutische Wirkung verhindern. Zudem würde durch die vorgelagerte Freisetzung von Energie das Lungengewebe geschädigt (Kontraindikation).

Schliesslich muss weiter davon ausgegangen werden, dass auch Weichgewebe (Haut, Fett, Muskeln, Sehnen etc.) nicht akustisch homogen und ohne Grenzflächen sind. Allerdings sind die Unterschiede in den akustischen Eigenschaften deutlich geringer als beim Übergang von Wasser zu Luft und umgekehrt. Neben Absorption und Reflexion treten hier Brechungseffekte auf, die zu wenig kontrollierbaren Abweichungen von der geradlinigen Ausbreitung der Stosswellen im Körper führen können.


Stosswellenparameter/Messung von Stosswellen/Stosswellendruck

Zur Charakterisierung von Stosswellen greift man vorwiegend auf Messungen mit Typische Stosswellen Druckverteilung in Form eines DruckgebirgesDrucksonden zurück.8 In der Medizin verwendete Stosswellen (Abb. 2) zeigen dabei typische Druckwerte für den Spitzendruck p+ von ca. 10 bis 100 Megapascal (MPa). Dies entspricht dem 100- bis 1000-fachen atmosphärischen Druck. Die sehr kurzen Anstiegszeiten liegen je nach Erzeugungsart bei ca. 10 bis 100 Nanosekunden (ns). Auch die Pulsdauer ist mit ca. 1000 Nanosekunden (1 µs) recht kurz, siehe auch Abb. 15. Ein weiteres Charakteristikum der Stosswelle ist der relativ geringe Zuganteil p-, der etwa 10% des Spitzendruckes p+ beträgt.

Trägt man die in der Fokusebene gemessenen Spitzendrücke p+ in einer dreidimensionalen Darstellung auf (in axialer Richtung der Stosswellenausbreitung und lateral, d.h. senkrecht dazu), so erhält man eine wie in Abb. 6 dargestellte typische Druckverteilung. Man erkennt, dass das Stosswellenfeld keine scharfe Begrenzung hat, sondern die Form eines Berges – mit einem Gipfel im Zentrum und mehr oder weniger stark abfallenden Flanken. Man spricht deshalb auch von einem Druckgebirge. Dessen Form und Höhe können je nach verwendetem Stosswellengerät variieren.

 

Stosswellenfokus

Der Stosswellenfokus wird als der Teil des Druckgebirges definiert, in dem der Druck Druckverteilung und Fokuszone>gleich oder grösser als 50% des Spitzendruckes (Abb. 6 und 7) ist. Dieser Bereich wird auch als die -6dB-Fokuszone bezeichnet oder mit der Abkürzung FWHM (Full Width at Half Maximum) beschrieben.

 

5 MPa-Therapiezone

Erst zusammen mit einer Energieangabe kann ein Eindruck davon vermittelt werden, in welchem Bereich die Stosswelle ihre biologische Wirkung entfaltet. Mit anderen Worten: Der Therapiebereich einer Stosswelle im Körper wird nicht durch die Grösse des -6dB-Fokus beschrieben. Er kann grösser oder kleiner als dieser sein. Aus diesem Grund wurde eine weitere Grösse definiert, die einen engeren Bezug zur therapeutischen Wirksamkeit hat und sich nicht auf Relativgrössen (Bezug zum Spitzendruck im Zentrum), sondern auf eine absolute Grösse bezieht, nämlich auf den Druck von 5 MPa (50 bar). Dementsprechend wird der 5 MPa-Fokus als die räumliche Zone definiert, in der der Stosswellendruck grösser oder gleich 5 MPa beträgt. Die Definition basiert auf der Annahme, dass es eine gewisse Grenze des Druckes gibt, unterhalb derer eine Stosswelle nicht oder nur geringfügig therapeutisch wirksam ist.

6 dB Fokuszone und 5 MPa Therapiezone in Abhängigkeit

Für den Wert von 5 MPa gibt es keinen wissenschaftlichen Nachweis. Die vorausgehende Definition hat jedoch den Vorteil, dass sie die Veränderung der Therapiezone mit der gewählten Energieeinstellung widerspiegelt. Die unterschiedlichen Zonen und deren Veränderung mit den gewählten Energiestufen sind in Abb. 8 schematisch dargestellt. Dem gegenüber verändert sich die -6 dB-Fokuszone trotz unterschiedlicher Energieeinstellungen im Wesentlichen nicht.
 

Die Fokuszone ist der Bereich mit der höchsten Energieintensität. Ihre Grösse ist von der Intensitätseinstellung im Wesentlichen unabhängig. Im Gegensatz dazu hängt der Therapiebereich von der Intensitätseinstellung ab und ist in der Regel grösser als die Fokuszone.

 

Energie (E)

Für die praktische Anwendung ist die Energie der applizierten Stosswelle ein wichtiger Parameter5, obwohl man sich heutzutage hauptsächlich an der Energieflussdichte orientiert. Man kann davon ausgehen, dass Wirkungen der Stosswelle im Gewebe nur auftreten, wenn gewisse Energieschwellen überschritten werden. Die Energie wird aus dem Verlauf der Druckkurve p(t) durch Integration ermittelt. Sie ist proportional zur Fläche (A) und umgekehrt proportional zur Schallimpedanz (Z):

 Energie E

 

Man unterscheidet, ob die Integration des Drucks über die Zeit nur die positiven Druckanteile (E+) oder auch die negativen (Zug)-Anteile (Egesamt) erfasst. Üblicherweise wird mit E (ohne Index) die Gesamtenergie angegeben. Die akustische Energie eines Stosswellenpulses wird in Millijoule (mJ) angegeben. In der Regel werden pro Behandlung einige 100 oder 1000 Stosswellenpulse abgegeben. Die insgesamt abgegebene Energie ergibt sich durch Multiplikation mit der Pulszahl.1,8

 

Energieflussdichte (ED)

Die therapeutische Wirkung von Stosswellen hängt davon ab, ob sich die Energie der Stosswelle über eine grosse Fläche verteilt oder ob sie auf eine enge Therapiezone (Fokuszone) konzentriert wird. Ein Mass für die Konzentration der Energie erhält man, indem man die Energie pro Fläche (E/A) ermittelt:

 ed energieflussdichte

 

Die Energieflussdichte ED wird in Millijoule pro Quadratmillimeter (mJ/mm2) angegeben. Auch für die Energieflussdichte gilt, dass man zwischen der Integration nur über den positiven Teil oder den negativen Teil der Druckkurve unterscheidet. Ohne Angabe (ED) wird üblicherweise die gesamte Energieflussdichte, d.h. die Druckkurve einschliesslich der negativen Zuganteile, berücksichtigt.

Die ersten Stosswellengeräte arbeiteten nach dem elektro­hydraulischen Prinzip. Im Gegensatz zu heute wurden die Energiestufen nicht in mJ/mm2 angegeben, sondern in Spannungswerten (kV).

 

Druckprofil einer Stosswelle

Impuls

Bisher wenig beachtet wurde die Tatsache, dass die Stosswelle einen Impuls besitzt. Der Impuls einer Stosswelle wird ebenfalls wie die Energie durch die Integration des Drucks über die Zeit definiert. Anders als bei der Energie wird beim Impuls der Druck nicht quadriert, bevor integriert wird. Dadurch bleibt sein Vorzeichen erhalten, und der Vektorcharakter des Impulses liefert aufgrund des positiven Druckanteils einen Impuls in

Ausbreitungsrichtung der Stosswelle, während der negative Anteil (Zug) einen kleineren Impuls in rückwärtiger Richtung erzeugt. Die asymmetrische Pulsform der Stosswelle sorgt dafür, dass beide aufeinander folgenden Impulse sich nicht kompensieren und eine Wechselwirkung mit hohem Druck und geringerem Zug erzeugt wird. Anders beim kontinuierlichen Ultraschall: Hier werden die wechselnden Zug- und Druckphasen weitgehend kompensiert, so dass der resultierende Impuls nur eine vergleichsweise geringe Grösse erreicht.

 

p impuls

    p a impulsdichte

 

Dem Stosswellenimpuls kommt sowohl für die hochenergetische Steinzertrümmerung als auch für die niederenergetische medizinisch-biologische Stimulationswirkung eine entscheidende Bedeutung zu.34

Der Impuls der Stosswelle ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil über ihn Kräfte auf Materie ausgeübt werden. Breitet sich eine Stosswelle z. B. im biologischen Gewebe aus, so wird sie wenig gestört, solange sie nicht auf Gewebegrenzen trifft, an denen sich die Dichte des Gewebes ρ und/oder dessen Schallgeschwindigkeit c, also die akustische Impedanz Z = ρ x c, sprunghaft ändern. An solchen Grenzflächen wird durch Reflexion der Impuls der Welle aufgeteilt in einen Anteil, der weiter durch die Grenzfläche hindurch läuft und einen Anteil, der von der Grenzfläche reflektiert wird. Die Anteile der transmittierten und der reflektierten Welle werden durch den Reflexionsfaktor bestimmt.

r reflexionsfaktor

 

 

Das bedeutet, dass z. B. an harten Grenzflächen wie Steinen ein grösserer Teil, an weichen Grenzflächen wie Sehnen und Muskelfasern, ein kleinerer Teil reflektiert wird. Unmittelbar damit sind Kräfte verknüpft, die auf die Grenzflächen ausgeübt werden und sowohl für die Zertrümmerung von brüchigem Material wie Körpersteinen als auch zur Stimulation von elastischen Materialen wie weiches Körpergewebe genutzt werden können.

Die physikalische Grundlage für die Kraftentfaltung bei der Reflexion wurde schon von Isaac Newton 1687 erkannt, nach der jede Änderung des Impulses nur in Verbindung mit einer Kraftwirkung erfolgen kann.

Allgemein gilt nach Newton: 
allgemein gilt nach newton

 

Speziell: Ein Körper mit der Masse m, der sich mit der Geschwindigkeit v bewegt, besitzt den Impuls P = mv. Wenn der Körper beschleunigt oder gebremst wird, verändert sich seine Geschwindigkeit. Dabei wirkt eine Kraft F = m(dv/dt). Je nach Richtung der Kraft kann man sie als Beschleunigungs- oder Bremskraft bezeichnen.

 

 

Physikalische und biologische Effekte von Stosswellen

Direkte Wirkung auf Grenzflächen

Der selektive Wirkmechanismus der Stosswelle auf unterschiedliche Gewebe und Materialgrenzflächen wurde lange Zeit nicht beachtet. Er bildet aber die Grundlage für verschiedene medizinische Anwendung und erklärt, warum viele Gewebearten ohne wesentliche Schädigungen durchlaufen werden können und eine therapeutische Kraftentfaltung bis hin zur Zertrümmerung von Körpersteinen selektiv an Grenzflächen zu beobachten ist. Der physikalische Mechanismus der Impulsübertragung und der darauf begründeten Kraftwirkung kann also für die Wirkung der Stosswellen in der Medizin verantwortlich gemacht werden.

Stosswellen können Kräfte nicht nur selektiv in oberflächennahen Gewebebereichen entfalten. Auf Grund der Hochfrequenzanteile im Megahertz-Bereich und den damit verbundenen geringen Pulslängen von wenigen Millimetern, lassen sich Stosswellen auf tiefere Bereiche im Körper fokussieren. Dort können sie gezielt über den Mechanismus der Impulsübertragung längere Stimulationspulse im Bereich von physiologisch wirksamen Millisekunden erzeugen.

Die Kräfte, die nach diesen physikalischen Gesetzmässigkeiten bei der Impulsübertragung durch Transmission und selektive Reflexion an Gewebegrenzflächen entstehen, sind in der Lage, kleine Bewegungen der Grenzflächen zu erzeugen, die dafür sorgen, dass Schichten von Zellen gestreckt und verformt werden und kurzzeitig für Ionen und bestimmte Moleküle durchlässig werden. Dieser Vorgang wird als Mechanotransduktion bezeichnet. Nach heutiger Auffassung wird die Mechanotransduktion als entscheidend für viele Wirkmechanismen im Bereich medizinischer Anwendungen der Stosswellen betrachtet, weil damit die Freisetzung einer Zahl von biochemischen Substanzen wie z. B. Stickoxide (NO), Wachstumsfaktoren, Substanz P und andere erklärt werden kann.18,21

Dabei ist noch eine Eigenschaft der Stosswellen von Bedeutung. Ähnlich wie Ultraschall spielen sich die primären Druckvorgänge im Bereich von Mikrosekunden, also viel zu schnell für die meisten physiologischen Prozesse, ab. Die Physiologie der Mechanotransduktion dagegen erfordert Kraftwirkungen mit einer Dauer von Millisekunden, also deutlich längere Zeiträume, in denen ein Austausch biochemischer Substanzen durch kurzzeitig geöffnete Poren in gezerrten Membranen möglich ist. Die Impulsübertragung der Stosswelle bei der Reflexion an Grenzflächen sorgt dafür, dass die betroffenen Massen beschleunigt werden und geringe Bewegungen innerhalb von Millisekunden ausführen.

Wirkung einer fokussierten Stosswelle auf einen Kunststein

Stosswellen und Ultraschall haben eine unterschiedliche Charakteristik. Beim Ultraschall liegt eine hochfrequente Wechselbelastung des Gewebes im Frequenzbereich von einigen Megahertz vor, die bei hohen Amplituden zur Erwärmung, Gewebezerreissung und Kavitationsbildung führt.9,10

Die Wirkung von Stosswellen beruht u. a. auf einer vorwärts gerichteten Kraftwirkung (in Richtung der Ausbreitung der Stosswellen) mit einer Impulsübertragung auf die Grenzfläche (siehe oben). Diese kann soweit gesteigert werden, dass Nierensteine zerstört werden können.2,3 Diese Kraftwirkungen treten im Wesentlichen an Grenzflächen mit einem Sprung des akustischen Widerstandes auf, jedoch kaum in homogenem Medium (Gewebe, Wasser).11 Aus diesem Grund ist die Stosswelle das ideale Mittel, um Wirkungen in der Tiefe des Gewebes zu erzeugen, ohne das davorliegende Gewebe zu beeinträchtigen.

Aber auch weniger stark ausgeprägte Grenzflächen innerhalb weicher Gewebestrukturen erfahren eine geringe Kraftwirkung durch Stosswellen. Je nach Intensität (Abb. 11) ist die mechanische Zerstörung von Zellen, Membranen und z. B. Knochentrabekel11 oder aber die Stimulation von Zellen durch reversible Deformation der Zellmembran12 möglich. So ist einerseits eine Zerstörung von brüchigen Strukturen (Nierensteinen) möglich, andererseits eine Reizung bzw. Stimulation von Gewebestrukturen, die zu Heilungsprozessen führen. Prozesse dieser Art sind z. B. bei orthopädischen Anwendungen zu beobachten.36 Die Fokussierung ermöglicht es, die Wirkung auf das Zielgebiet einzugrenzen. Nebenwirkungen ausserhalb dieses Gebietes werden reduziert bzw. vermieden.

 

Die Fokussierung ermöglicht eine gezielte Einwirkung auf ein bestimmtes Zielgebiet.  

 

Typische Anwendungsbereiche von Stosswellen

Als Folge einer Stosswellentherapie werden meist eine gesteigerte Durchblutung und ein intensivierter Stoffwechsel beobachtet, den man für die einsetzende Heilung verantwortlich machen kann.

Die Stosswelle führt darüber hinaus durch die sie begleitenden Scher- und Druckkräfte zu biologischen Reaktionen (siehe oben). Dieser als Mechanotransduktion bezeichnete Wirkmechanismus wird für die folgenden wissenschaftlich nachgewiesen Effekte verantwortlich gemacht.

  • Erhöhung der Zellpermeabilität15
  • Stimulation der Mikrozirkulation (Blut, Lymphe)16,17
  • Ausschüttung der Substanz P18
  • Reduktion unmyelinisierter Nervenfasern19
  • Ausschüttung von Stickoxid (NO), das Vasodilatation, erhöhten Stoffwechsel und Angiogenese bewirkt und entzündungshemmend wirkt20,21
  • Antibakterieller Effekt22
  • Ausschüttung von Wachstumshormonen (Blutgefässe, Epithel, Knochen, Kollagen usw.)20,23,24,25
  • Stimulation von Stammzellen26,27
  • Stimulation von Nervenzellen (Aktionspotentiale)18,33,35

 

Indirekte Wirkung – Kavitation

Neben der direkten Kraftwirkung von Stosswellen auf Grenzflächen kommt es in gewissen Medien wie Wasser und teilweise auch im Gewebe zu der sogenannten Kavitation.9

Entstehung eines Mikrojets durch Kollabierung einer Kavitationsblase

Kavitationsblasen entstehen unmittelbar, nachdem die Druck/Zug-Wechselbelastung der Stosswelle das Medium passiert hat. Ein grosser Teil der Blasen wächst bis ca. 100 Mikrosekunden nach Durchlauf der Welle an, um dann unter Aussendung sekundärer sphärischer Stosswellen heftig zu kollabieren. In der Nähe von Grenzflächen können Kavitationsblasen nicht mehr ungestört kollabieren. Das in die Blase zurückströmende Medium wie Wasser oder Körperflüssigkeit kann nicht mehr ungehindert nachströmen. Die Folge: Die Blase kollabiert asymmetrisch – unter Ausprägung eines Mikrojets.13 Dieser Flüssigkeitsstrahl ist mit Geschwindigkeiten von einigen hundert Metern pro Sekunde auf die Grenzfläche gerichtet (Abb. 12).

Die Microjets besitzen eine grosse Energie und Durchschlagskraft: Sie können harte Grenzflächen von Steinen erodieren. Durch das Ausgasen von im Blut oder Gewebe gelösten Gasen entstehen beim Passieren der Stosswelle auch Blasen, eine sogenannte weiche Kavitation. Diese Blasen können kleine Blutgefässe oder Zellen zerreissen. Dadurch kommt es zu Mikroblutungen oder Membranperforationen. Die Kavitation ist nicht ausschliesslich auf die Fokuszone beschränkt, aber hier besonders ausgeprägt.1,8,14

 

Gezielte Anwendung fokussierter Stosswellen

Um Stosswellen gezielt anzuwenden, ist es erforderlich, die Fokuszone in dem zu behandelnden Gebiet zu positionieren. Bei Steinen (Lithotripsie), Knochen oder bestimmten Gewebestrukturen ist es möglich, Röntgen oder Ultraschall für die Positionierung zu verwenden. In der Schmerztherapie orientiert man sich an dem Punkt der höchsten Schmerzempfindung durch Kommunikation mit dem Patienten. Mit solchem »Biofeedback« lassen sich viele der oberflächlichen und tiefer liegenden Behandlungspunkte orten.

 

 

Radiale DruckwellenNewton Pendel

Was sind radiale Druckwellen?

Neben fokussierten Stosswellen werden auch radiale Druckwellen in der modernen Medizin eingesetzt. Der Physiker Isaac Newton stellte bereits 1687 sein berühmtes Gesetz von »Actio und Reactio« auf. Das Wirkprinzip eines ballistischen Druckwellengerätes beruht genau auf dem daraus abgeleiteten Impulssatz.
 

Die Druckwellentherapie basiert auf dem Gesetz von »Actio und Reactio« des Physikers Isaac Newton aus dem Jahre 1687.

 

Mechanische Energie in Form einer akustischen Druckwelle wird mit speziell geformten Applikatoren in das Körpergewebe und damit in die Schmerzzone übertragen. Die ballistisch erzeugten radialen Druckwellen werden seit Ende der 1990er Jahre medizinisch angewendet. Vor allem für die Behandlung muskuloskelettaler Indikationen sind sie eine kostengünstige Alternative.

Viele der Indikationen und Therapieerfolge mit radialen Druckwellen und fokussierten Stosswellen sind sehr ähnlich.28 In der Praxis spricht man entsprechend von der »Radialen Stosswellentherapie« (RSWT).
 

Radiale Druckwellen werden häufig als radiale Stosswellen bezeichnet, obwohl das physikalisch nicht korrekt ist.

 

Vom physikalischen Standpunkt aus gesehen ist der Begriff Stosswelle für die radialen Druckwellen jedoch nicht korrekt: Die Pulslänge der radialen Druckwellen ist wesentlich länger als die von Stosswellen. Druckwellen haben Pulslängen im Bereich von 0,15 bis 1,5 m. Zum Vergleich: Bei den Stosswellen ist die Pulslänge mit ca. 1,5 mm wesentlich kürzer. Das erklärt, warum sie – im Gegensatz zu den Druckwellen – fokussiert werden können.29
 

Radiale Druckwellen werden in der Praxis meistens als radiale Stosswellen bezeichnet, haben jedoch eine deutlich längere Pulsdauer als fokussierte Stosswellen.

 

Erzeugung von radialen Druckwellen

Entstehung ballistischer pneumatisch erzeugter

Druckwellen werden durch die Kollision fester Körper erzeugt (Abb. 14). Dabei wird zunächst z. B. durch Druckluft (ähnlich einem Luftgewehr) ein Projektil auf eine Geschwindigkeit von einigen Metern pro Sekunde (ca. 5 bis 25 m/s, weit unter der Schallgeschwindigkeit im Wasser von 1500 m/s) beschleunigt und dann auf einem Prallkörper (Applikator) abrupt abgebremst. Der elastisch aufgehängte Prallkörper wird oberhalb des zu behandelnden Gebietes in unmittelbaren Kontakt mit der Körperoberflache gebracht – vorzugsweise unter Verwendung von Ultraschall-Koppelgel. Wenn das Projektil auf den Prallkörper prallt, wird ein Teil seiner kinetischen Energie an den Prallkörper abgegeben, welcher sich eine kurze Strecke (typisch < 1 mm) mit einer wesentlich langsameren Geschwindigkeit (typisch < 1 m/s) translatorisch bewegt, bis das angekoppelte Gewebe bzw. das Handstück die Bewegung des Prallkörpers abgebremst haben. Am Berührungspunkt wird die Bewegung des Prallkörpers in das Gewebe übertragen. Dort erzeugt sie eine radiale Druckwelle, die sich divergent ausbreitet.
 

Die typischen Parameter von fokussierten Stosswellen

Die zeitliche Dauer des Druckpulses (Abb. 15) wird durch die translatorische Bewegung des Prallkörpers bestimmt. Sie beträgt im Gewebe typischerweise ca. 0,2 bis 5 Millisekunden (ms). Die in das Gewebe übertragenen Druckpulse haben also eine Dauer, die um den Faktor 1000 länger ist als bei den Stosswellen. Typische Spitzendrücke sind bei diesem Verfahren im Vergleich zu Stosswellen wesentlich niedriger. Sie betragen ca. 0,1 bis 1 MPa, sind also um den Faktor 100 geringer.1,8

Durch den Kollisionsvorgang wird im Prallkörper zusätzlich eine höher frequente Schallwelle (Körperschall) ausgelöst. Aufgrund des starken Unterschiedes der beiden Schallimpedanzen (Metall, Wasser) wird nur ein geringer Teil (ca. 10%) dieser Schwingungsenergie ins Gewebe bzw. Wasser abgestrahlt. Die in der hochfrequenten Schallschwingung enthaltene Energie ist deutlich geringer als der Energieinhalt des oben beschriebenen, niederfrequenten Druckpulses.30

 

Ausbreitung von DruckwellenUnterschiedlicher Intensitätsverlauf von fokussierten Stosswellen

Druckwellen in dem beschriebenen Sinne breiten sich vom Ansatzpunkt des Prallkörpers radial in das anliegende Gewebe aus.29 Die Energiedichte der eingekoppelten Druckwelle nimmt mit der Entfernung von der Einkoppelstelle rasch (proportional 1/r2) ab. Die stärkste Wirkung ist am Einsatzort des Prallkörpers – also an der Hautoberfläche – zu verzeichnen (Abb. 16).
 

Die therapeutische Wirkung der radialen Druckwellen reicht zwar 3 – 4 cm in die Tiefe, die höchste Intensität ist jedoch an der Hautoberfläche.

 

 

Druckwellenparameter/Messung von Druckwellen

Aufgrund der wesentlich längeren Pulsdauer und der geringen Druckamplitude ist die Auslenkung eines D20 Applikators in Luftbei den Stosswellen übliche Messung des Druckes im Wasser als Massstab nicht geeignet. Viel effizienter ist es, die Auslenkung des Prallkörpers (Abb. 17) und die auf einen viskoelastischen Gewebephantom übertragene Kraft zu erfassen. Nachdem jedoch diese Parameter stark von der Art der verwendeten Prallkörper (Applikatoren) abhängen, ist es immer noch üblich, mittelbar den treibenden Druck, der das Projektil beschleunigt, als Intensitätsmass anzugeben.
 

Physikalische und biologische Effekte von Druckwellen

Die radialen Druckwellen bewirken Schwingungen im Gewebe, die zu einer erhöhten Mikrozirkulation und einem erhöhten Stoffwechsel führen.31 Trotz der vielen therapeutischen Erfolge sind die genauen biologischen Effekte kaum wissenschaftlich untersucht.

Interessanterweise sind trotz physikalischer Unterschiede und der dadurch bedingten unterschiedlichen Anwendungsbereiche (an der Oberfläche bzw. in der Tiefe) die Stimulationseffekte und therapeutischen Mechanismen zum Teil ähnlich. So eignen sich die radialen Druckwellen zum Beispiel gut für oberflächennahen Schmerz-Indikationen. Bei myofaszialen Schmerzsyndromen ist die radiale Druckwelle zum Glätten und Ausstreichen der Muskulatur und/oder der Faszien vor oder nach fokussierter Stosswelle unverzichtbar.

Die Ähnlichkeit der Wirkungen von fokussierten Stosswellen und radialen Druckwellen Wesentliche Unterschiede zwischen Stosswellen und Druckwellenwird durch den beiden Verfahren zugrundeliegenden Mechanismus der Mechanotransduktion erklärbar. Während bei der fokussierten Stosswelle die Möglichkeit besteht, mit der kurzwelligen Stosswelle die Stimulationspulse gezielt oberflächlich oder in der Tiefe zur Wirkung zu bringen, gelingt das bei den radialen Druckwellen wegen der mangelnden Fokussierbarkeit nur an der Oberfläche mit einer radial abnehmenden Wirkung in der Tiefe.


Stosswellen vs. Druckwellen

Stoss- und Druckwellen unterscheiden sich sowohl in ihrer physikalischen Charakteristik und der Erzeugungstechnik, als auch in der Grössenordnung der üblicherweise verwendeten Parameter sowie bei den therapeutischen Eindringtiefen ins Gewebe. Die wesentlichen Unterschiede sind in Abb. 18 kurz zusammengefasst.

Zur Therapie lokaler Schmerzpunkte, chronischer Ansatztendinosen und tiefer liegender Triggerpunkte ist der Einsatz einer fokussierten Stosswelle von Vorteil.32

 

 

 

1  Wess, O.: Physikalische Grundlagen der extrakorporalen Stoswellentherapie. Journal für Mineralstoffwechsel, 11(4), 7 – 18, 2004.
2  Chaussy, C. et al.: Extracorporeally induced destruction of kidney stones by shock waves. The Lancet, 316(8207), 1265 – 1268, 1980.
3  Chaussy, C. et al.: First clinical experiences with extracorporeally induced destruction of kidney stones by shock waves. The Journal of Urology, 127(3), 417 – 420, 1982.
4  Valchanov, V. et al.: High energy shock waves in the treatment of delayed and nonunion of fractures. International Orthopaedics, 15(3), 181 – 184, 1991.
5  Schaden, W. et al.: Extracorporeal shock wave therapy (ESWT) in 37 patients with non-union or delayed osseous union in diaphyseal fractures. In: Chaussy, C. et al. (eds.): High Energy Shock Waves in Medicine, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1997.
6  Dahmen, G. P. et al.: Die Extrakorporale Stosswellentherapie in der Orthopädie – Empfehlungen zu Indikationen und Techniken. In: Chaussy, C. et al. (eds.): Die Stosswelle – Forschung und Klinik. Attempto Verlag, Tübingen, 1995.
7  Wess, O.: Physics and technology of shock wave and pressure wave therapy. ISMST Newsletter 2(1), 2 – 12, 2006.
8  Wess, O. et al.: Working group technical developments – consensus report. In: Chaussy, C. et al. (eds.): High Energy Shock Waves in Medicine. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1997.
9  Church, C.: A theoretical study of cavitation generated by an extracorporeal shock wave lithotripter. The Journal of the Acoustical Society of America, 86(1), 215 – 227, 1989.
10 Church, C.: The risk of exposure to diagnostic ultrasound in postnatal subjects. Journal of Ultrasound in Medicine, 27(4), 565 – 592, 2008.
11 Delius, M. et al.: Biological effects of shock waves: in vivo effect of high energy pulses on rabbit bone. Ultrasound in medicine and biology, 21(9), 1219 – 1225, 1995.
12 Forssman, B. et al.: Stosswellen in der Medizin, Medizin in unserer Zeit. 4: 10, 1980.
13 Crum, L. A.: Cavitation on microjets as a contributory mechanism for renal calculi disintegration in ESWL. The Journal of Urology, 140(6), 1587 – 1590, 1988.
14 Coleman, A. J. et al.: Acoustic cavitation generated by an extracorporeal shockwave lithotripter. Ultrasound in medicine and biology, 13(2), 69 – 76, 1987.
15 Byron, C. R. et al.: Effects of radial shock waves on membrane permeability and viability of chondrocytes and structure of articular cartilage in equine cartilage explants. American Journal of Veterinary Research, 66(10), 1757 – 1763, 2005.
16 Kisch, T. et al.: Repetitive shock wave therapy improves muscular microcirculation. Journal of Surgical Research, 201(2), 440 – 445, 2016.
17 Goertz, O. et al.: Short-term effects of extracorporeal shock waves on microcirculation. Journal of Surgical Research, 194(1), 304 – 311, 2015.
18 Maier, M. et al.: Substance P and prostaglandin E2 release after shock wave application to the rabbit femur. Clinical Orthopaedics and Related Research, (406), 237 – 245, 2003.
19 Klonschinski, T. et al.: Application of local anesthesia inhibits effects of low-energy extracorporeal shock wave treatment (ESWT) on nociceptors. Pain Medicine, 12(10), 1532 – 1537, 2011.
20 Nishida, T. et al.: Extracorporeal cardiac shock wave therapy markedly ameliorates ischemia-induced myocardial dysfunction in pigs in vivo. Circulation, 110(19), 3055 – 3061, 2004.
21 Mariotto, S. et al.: Extracorporeal shock waves: From lithotripsy to anti-inflammatory action by NO production. Nitric Oxide, 12(2), 89 – 96, 2005.
22 Horn, C. et al.: The effect of antibacterial acting extracorporeal shockwaves on bacterial cell integrity. Medical Science Monitor, 15(12), 364 – 369, 2009.
23 Chao, Y.-H. et al.: Effects of shock waves on tenocyte proliferation and extracellular matrix metabolism. Ultrasound in medicine and biology, 34(5), 841 – 852, 2008.
24 Christ, Ch. et al.: Improvement in skin elasticity in the treatment of cellulite and connective tissue weakness by means of extracorporeal pulse activation therapy. Aesthetic Surgery Journal, 28(5), 538 – 544, 2008.
25 Gollwitzer, H. et al.: Radial extracorporeal shock wave therapy (rESWT) induces new bone formation in vivo: results of an animal study in rabbits. Ultrasound in medicine and biology, 39(1), 126 – 133, 2013.
26 Schuh, C. M. et al.: In vitro extracorporeal shock wave treatment enhances stemness and preserve multipotency of rat and human adipose-derived stem cells. Cytotherapy, 16(12), 1666 – 1678, 2014.
27 Raabe, O. et al.: Effect of extracorporeal shock wave on proliferation and differentiation of equine adipose tissue-derived mesenchymal stem cells in vitro. American Journal of Stem Cells, 2(1), 62 – 73, 2013.
28 Auersperg, V. et al.: DIGEST-Leitlinien zur Extrakorporalen Stosswellentherapie, www.digest-ev.de, 2012.
29 Cleveland, R. O. et al.: Acoustic field of a ballistic shock wave therapy device. Ultrasound in medicine and biology, 33(8), 1327 – 1335, 2007.
30 Uberle, F. et al.: Ballistic pain therapy devices: measurement of pressure pulse parameters. Biomedical Engineering/ Biomedizinische Technik, 57 (SI-1 Track-H), 700 – 703, 2012.
31 Grecco, M. V. et al.: One-year treatment follow-up of plantar fasciitis: radial shockwaves vs. conventional physiotherapy. Clinics, 68(8),1089 –1095, 2013.
32 Gleitz, M.: Die Bedeutung der Trigger-Stoßwellentherapie in der Behandlung pseudoradikularer Cervicobrachialgien. Abstracts 53. Jahrestagung der Vereinigung Süddeutscher Orthopäden e.V., 2005.
33 Wess, O.: A neural model for chronic pain and pain relief by extracorporeal shock wave treatment. Urological Research, 2008; 36(6), 327 – 334, 2008.
34 Wess, O. et al.: Fragmentation of brittle material by shock wave lithotripsy. Momentum transfer and inertia: a novel view on fragmentation mechanisms. Urolithiasis, 48(2), 137 – 149, 2020.
35 Beisteiner, R. et al.: Transcranial Pulse Stimulation with Ultrasound in Alzheimer’s Disease – A New Navigated Focal Brain Therapy. Advanced Science, 7(3):1902583, 2019. doi: 10.1002/advs.201902583.
36 Reilly, J. M. et al.: Effect of Shockwave Treatment for Management of Upper and Lower Extremity Musculoskeletal Conditions: A Narrative Review. PM&R, 10(12), 1385 – 1403, 2018.

Linkedin Channel Facebook Channel Instagram Channel Twitter Youtube Channel