Что такое ударные волны?

Физика и техника

Сегодня ударные волны находят широкое применение в медицине. Если первоначально они использовались только для дробления камней в почках, то теперь их применяют, например, в ортопедической болеутоляющей терапии или для лечения пациентов с болезнью Альцгеймера.

Чтобы понять насколько широким может быть этот спектр применения, стоит ознакомиться с физическими свойствами ударных волн, которые отвечают за различные медицинские эффекты:

Фокусированные ударные волны
Физические и биологические эффекты ударных волн
Радиальные волны давления

 

Генерируемые экстракорпоральным методом ударные волны и волны давления используются сегодня в самых разных областях медицины. В зависимости от типа применения говорят об экстракорпоральной ударно-волновой терапии (ЭУВТ) или при урологическом лечении камней — об экстракорпоральной ударно-волновой литотрипсии (ЭУВЛ).

Этот метод неинвазивной терапии появился в 60-х годах прошлого столетия. Тогда же родилась идея генерировать ударные волны вне организма и вводить их в него, чтобы разрушать камни в почках и желчном пузыре, не повреждая находящиеся перед ними ткани.

Первое успешное дробление камней у человека^1,2,3 было проведено профессором доктором Кристианом Шосси в феврале 1980 года в Мюнхене. Впоследствии ударные волны стали все чаще использоваться и в других областях, например при псевдоартрозах^4,5 или в местах крепления сухожилий⁶. К настоящему времени появилось множество других областей применения — потенциал метода лечения, похоже, далеко не исчерпан.

 

Ударные волны впервые были использованы на пациентах в начале 1980 года для дробления камня в почке.

 

Ударные волны в сравнении с волнами давления

На практике используются как фокусированные ударные волны, так и радиальные волны давления. Радиальные волны давления зачастую называют радиальными ударными волнами, хотя, с физической точки зрения, это некорректно.

Ударные волны и волны давления отличаются не только методом генерирования, но и обычно используемыми физическими параметрами и терапевтической глубиной проникновения в ткани.

Это краткое изложение содержит важные базовые сведения о физике, технологии и различиях в формах применения. Если после прочтения данной статьи у вас возникнут вопросы, будем рады ответить на них по адресу Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в браузере должен быть включен Javascript..
 

Радиальные волны давления часто называют радиальными ударными волнами, хотя с физической точки зрения это некорректно.

 

Фокусированные ударные волны

Что такое ударные волны?

Ударные волны — это звуковые волны. В атмосфере они возникают при взрывообразных процессах — например, при детонации, ударах молнии или когда самолет преодолевает звуковой барьер. Ударные волны — это акустические импульсы, характеризующиеся высокими положительными амплитудами давления и очень резким повышением давления по сравнению с давлением окружающей среды. Они могут кратковременно передавать энергию из точки возникновения на большие расстояния, вызывая, например, бой оконных стекол.
 

Ударные волны распространяются взрывообразно и могут разбить оконные стекла на большом расстоянии.

 

Ударные волны — это импульсы, ультразвук — это непрерывные колебания.

 

Генерирование фокусированных ударных волн

Фокусированные ударные волны могут генерироваться электрогидравлическим, пьезоэлектрическим или электромагнитным методом (рис. 4). При электрогидравлическом методе генерирования ударные волны формируются непосредственно в источнике ударной волны. При пьезоэлектрическом и электромагнитном методе ударные волны возникают только в результате скачка и наложения — и, таким образом, только в фокусной зоне, месте наибольшей интенсивности.

Для медицинского применения особенно важен тот факт, что по-разному генерируемые ударные волны, как правило, имеют фокусные области разного размера. Наименьший фокус формируют пьезоэлектрические ударные волны, наибольший — электрогидравлические. Из этого следует, что доза, необходимая для лечения, частично зависит от соответствующего типа прибора.^1,8

 

Пример: Электромагнитный принцип генерации ударных волн

Метод электромагнитной генерации ударных волн основан на физическом принципе электромагнитной индукции. Он позволяет очень точно дозировать применяемую энергию ударных волн. В идеале источник ударной волны здесь основывается на цилиндрической катушке и отражателе в виде параболоида вращения. В результате фокусная зона определяется очень точно и может правильно воспроизводиться как в осевом (по глубине), так и латеральном направлении. Благодаря относительно большому отверстию источника ударной волны по отношению к размеру фокуса, энергия ударной волны может быть передана в тело практически безболезненно через соответственно большую поверхность входа. Энергия высвобождается, по сути, только в относительно небольшой фокусной зоне внутри тела (рис. 5).
 

Генерируемые электромагнитным методом ударные волны относительно безболезненны и обеспечивают очень точную дозировку.

 

Распространение фокусированных ударных волн

Ударные волны — это звуковые волны. Для распространения им необходима среда, такая как вода или воздух. В медицинских целях для распространения ударных волн обычно используется вода. В ней ударные волны генерируются вне тела, а затем вводятся в биологическую ткань. Поскольку ткань состоит в основном из воды, она имеет очень схожие свойства передачи звука. Они описываются акустическим импедансом (Z). Таким образом, переход в ткани организма происходит без значительных потерь. Акустический импеданс определяется следующим образом:

 

 

Акустические границы раздела, где изменяются акустические свойства плотности (ρ) и скорости звука (c), вызывают отклонение от прямолинейного распространения волн из-за явлений, известных из оптики, таких как преломление, отражение, рассеяние и дифракция. Эти эффекты необходимо учитывать при применении ударных волн к человеку. Это единственный способ обеспечить эффективное воздействие энергии в зоне лечения.
 

Подобно свету на зеркалах, ударные волны отражаются и преломляются на акустических границах. Этот эффект тем сильнее, чем больше отличаются акустические импедансы двух сред.

 

По этой причине первый прибор для дробления камней в почках предполагал погружение пациента в ванну, наполненную водой. Современные аппараты работают с так называемым »сухим« сопряжением. При этом методе водяная емкость прикладывается к телу через гибкую мембрану сопряжения. Воздушная прослойка между ними устраняется с помощью контактного геля или тонкой пленки воды.
 

Воздушная прослойка или пузырьки воздуха между источником ударной волны и телом значительно снижают ее эффективность.

 

Независимо от этого необходимо следить за тем, чтобы перед зоной воздействия не находились органы, содержащие газ (легкие), или крупные костные структуры. Они будут экранировать целевую область от ударных волн и тем самым препятствовать достижению необходимого терапевтического эффекта. Кроме того, близлежащее высвобождение энергии может повредить легочную ткань (противопоказание).

В конце концов, необходимо учитывать и то, что мягкие ткани (кожа, жир, мышцы, сухожилия и т. д.) также не являются акустически однородными и не имеют границ раздела. Однако различия в акустических свойствах значительно меньше, чем при переходе из воды в воздух и наоборот. Помимо поглощения и отражения здесь возникают эффекты преломления, которые могут привести к неконтролируемым отклонениям от прямолинейного распространения ударных волн в организме.

Параметры ударных волн / измерение ударных волн / давление ударных волн

Для определения характеристик ударных волн в основном используются измерения с помощью датчиков давления.⁸ Ударные волны, используемые в медицине (рис. 2), показывают типичные значения пикового давления p₊ примерно от 10 до 100 мегапаскалей (МПа). Это соответствует превышению атмосферного давления в 100–1000 раз. Очень короткое время повышения составляет от 10 до 100 наносекунд (нс) в зависимости от способа генерации. Длительность импульса также довольно короткая — около 1000 наносекунд (1 нс) (по сравнению с описанными медицинскими волнами давления, см. также рисунок 15). Другой характеристикой ударной волны является относительно низкая составляющая растяжения p_-, которая составляет около 10 % от пикового давления p₊.

Если нанести значения пикового давления p₊, измеренные в фокусной плоскости, на трехмерное изображение (в осевом направлении распространения ударной волны и латерально, то есть перпендикулярно ему), то получится типичное распределение давления, как показано на рис. 6. Видно, что поле ударной волны не имеет резкой границы, а скорее имеет форму горы — с вершиной в центре и более или менее крутыми склонами. Такое представление также называют »педобарограмма«. Ее форма и высота могут варьироваться в зависимости от используемого ударно-волнового устройства.

 

Фокус ударной волны

Фокус ударной волны определяется как часть педобарограммы, где давление равно или превышает 50 % от пикового давления (рис. 6 и 7). Эта область также называется фокусной зоной -6 дБ или описывается аббревиатурой FWHM (Full Width at Half Maximum, полная ширина на половине максимума).

 

Терапевтическая зона 5 МПа

Только вместе с указанием энергии можно получить представление об области, в которой ударная волна оказывает свой биологический эффект. Другими словами: область воздействия ударной волны в организме не описывается размером фокуса -6 дБ. Она может быть больше или меньше этого значения. По этой причине была определена другая величина, которая имеет более тесную связь с терапевтической эффективностью и основывается не на относительных величинах (соотношение с пиковым давлением в центре), а абсолютной величине, а именно давлении 5 МПа (50 бар). Соответственно, фокус 5 МПа определяется как пространственная зона, в которой давление ударной волны больше или равно 5 МПа. Это определение основано на предположении, что существует некий предел давления, ниже которого ударная волна не оказывает терапевтического эффекта или он незначительный.

Научного подтверждения значения 5 МПа не существует. Однако преимуществом предыдущего определения является то, что оно отражает изменение терапевтической зоны при выборе уровня энергии. Различные зоны и их изменение при выборе уровней энергии схематично представлены на рис. 8. В отличие от этого, фокусная зона -6 дБ практически не меняется, несмотря на разные настройки уровня энергии.
 

Фокусная зона — это область с наибольшей интенсивностью энергии. Ее размер практически не зависит от настройки интенсивности. В отличие от этого, зона воздействия зависит от настройки интенсивности и обычно больше, чем фокусная зона.

 

Энергия (E)

Для практического применения энергия приложенной ударной волны является важным параметром⁵, хотя в настоящее время в основном ориентируются на плотность потока энергии. Можно предположить, что воздействие ударной волны на ткани происходит только при превышении определенных энергетических порогов. Энергия определяется по кривой давления p(t) путем интегрирования. Она пропорциональна площади (A) и обратно пропорциональна акустическому импедансу (Z):

 

 

Различают, регистрируются ли при интегрировании давления по времени только положительные составляющие давления (E₊) или также отрицательные составляющие (растяжение) (E_общая). Обычно E (без индекса) используется для обозначения общей энергии. Звуковая энергия импульса ударной волны указывается в миллиджоулях (мДж). Обычно за одну процедуру подается несколько 100 или 1000 импульсов ударной волны. Общая переданная энергия рассчитывается путем умножения на количество импульсов.^1,8

 

Плотность потока энергии (ED)

Терапевтический эффект ударных волн зависит от того, распределяется ли энергия ударной волны по большой площади или концентрируется на узкой терапевтической зоне (фокусной зоне). Величина концентрации энергии получается путем определения энергии на площадь (E/A):

 

 

Плотность потока энергии ED указывается в миллиджоулях на квадратный миллиметр (мДж/мм²). Для плотности потока энергии также справедливо различие между интегрированием только по положительной или только по отрицательной части кривой давления. Без указания (ED) обычно учитывается общая плотность потока энергии, т. е. кривая давления, включая отрицательные составляющие растяжения.

Первые ударно-волновые устройства работали по электрогидравлическому принципу. В отличие от современных устройств, уровни энергии указывались не в мДж/мм², а в значениях напряжения (кВ).

 

Импульс

До сих пор мало внимания уделялось тому факту, что ударная волна имеет импульс. Импульс ударной волны также определяется, как и энергия, путем интегрирования давления во времени. В отличие от энергии, при импульсе давление не возводится в квадрат перед интегрированием. При этом сохраняется его знак, а векторный характер импульса обеспечивает импульс в направлении распространения ударной волны за счет положительной составляющей давления, в то время как отрицательная составляющая (растяжение) создает меньший импульс в обратном направлении. Асимметричная форма импульса ударной волны гарантирует, что оба последовательных импульса не компенсируют друг друга и возникает взаимодействие с высоким сжатием и низким растяжением.

В непрерывном ультразвуке происходит все иначе: здесь чередующиеся фазы растяжения и сжатия в значительной степени компенсируются, вследствие чего результирующий импульс достигает лишь сравнительно небольшой величины.

 

   

 

Импульс ударной волны имеет решающее значение как для высокоэнергетического дробления камней, так и для низкоэнергетического медико-биологического стимулирующего действия.³⁴

Поэтому импульс ударной волны имеет особое значение, так как через него происходит воздействие сил на материю. Когда ударная волна распространяется, например, в биологической ткани, она практически беспрепятственно проходит до тех пор, пока не столкнется с границами ткани, на которых плотность ткани ρ и/или ее скорость звука c, то есть акустический импеданс Z = ρ x c, резко изменяются. На таких границах в результате отражения импульс волны делится на составляющую, которая продолжает проходить через границу раздела, и составляющую, которая отражается от границы раздела. Составляющие переданной и отраженной волны определяются коэффициентом отражения.

 

 

 

Это означает, что, например, от твердых границ раздела, таких как камни, отражается большая часть, а от мягких границ раздела, таких как сухожилия и мышечные волокна, — меньшая часть волны. С этим напрямую связаны силы, которые действуют на границы раздела и могут быть использованы как для разрушения хрупкого материала, такого как камни в теле, так и для стимуляции эластичных материалов, таких как мягкие ткани организма.

Физическая основа развития силы во время отражения была раскрыта Исааком Ньютоном уже в 1687 году, согласно которой любое изменение импульса может происходить только в связи с действием силы.

В целом, согласно Ньютону:

 

В частности: тело массой m, движущееся со скоростью v, имеет импульс P = mv. Когда тело ускоряется или тормозится, его скорость меняется. При этом действует сила F = m(dv/dt). В зависимости от направления силы, ее можно назвать силой ускорения или торможения.

 

 

Физические и биологические эффекты ударных волн

Прямое воздействие на границы раздела

Механизм избирательного воздействия ударной волны на разные ткани и границы раздела материалов долгое время не рассматривался. Однако он является основой для разного медицинского применения и объясняет, почему многие типы тканей остаются без значительного повреждения при прохождении ударной волны и почему может наблюдаться избирательное терапевтическое действие силы на границах раздела, вплоть до дробления камней в организме. Поэтому можно сказать, что за эффективность ударных волн в медицине отвечает физический механизм передачи импульса и основанное на нем действие силы.

Ударные волны могут оказывать силовое воздействие не только избирательно на участки ткани, расположенные близко к поверхности. Благодаря высокочастотным составляющим в мегагерцевом диапазоне и связанной с этим малой длине импульса в несколько миллиметров, ударные волны могут быть сфокусированы на более глубоких участках организма. Там они могут целенаправленно генерировать более длинные импульсы стимуляции в диапазоне физиологически эффективных миллисекунд через механизм передачи импульсов.

Силы, возникающие в соответствии с этими физическими законами при передаче импульсов в результате прохождения и избирательного отражения на границах раздела тканей, способны генерировать небольшие движения границ раздела, которые способствуют растяжению и деформации слоев клеток и на короткое время делают их проницаемыми для ионов и определенных молекул. Этот процесс называется механотрансдукцией. Сегодня механотрансдукция считается решающей для многих механизмов действия в области медицинского применения ударных волн, поскольку она может объяснить высвобождение ряда биохимических веществ, таких как оксиды азота (NO), факторы роста, вещество Р и другие.^18,21 Есть еще одно важное свойство ударных волн. Подобно ультразвуку первичные процессы давления происходят в диапазоне микросекунд, то есть слишком быстро для большинства физиологических процессов. Физиология механотрансдукции, наоборот, требует силовых воздействий с длительностью в миллисекунды, то есть значительно более длительных периодов, в течение которых возможен обмен биохимическими веществами через кратковременно открытые поры в растянутых мембранах. Передача импульса ударной волны при отражении от поверхностей раздела обеспечивает ускорение вовлеченных масс и выполнение ими небольших движений в течение миллисекунд.

Ударные волны и ультразвук имеют разные характеристики. При использовании ультразвука происходит высокочастотная переменная нагрузка на ткани в диапазоне частот в несколько мегагерц, что приводит к нагреванию, разрыву тканей и образованию кавитации при высоких амплитудах.^9,10 Воздействие ударных волн основано, в частности, на направленном вперед действии силы (в направлении распространения ударных волн) с передачей импульса на границу раздела (см. выше).

Его можно увеличить до степени, позволяющей разрушить камни в почках.^2,3 Такие силовые воздействия в основном возникают на границах раздела со скачком акустического сопротивления, но практически никогда в однородных средах (ткани, воде).¹¹ По этой причине ударная волна является идеальным средством для создания воздействий в глубине ткани без разрушения предлежащей ткани.

Но даже менее выраженные границы раздела в мягких тканевых структурах испытывают небольшое силовое воздействие ударных волн. В зависимости от интенсивности (рис. 11) возможно механическое разрушение клеток, мембран и, например, костных трабекул¹¹ или стимуляция клеток путем обратимой деформации клеточной мембраны¹². Таким образом, с одной стороны, возможно разрушение хрупких структур (камней в почках), с другой стороны, раздражение или стимуляция тканевых структур, что способствует процессам заживления. Процессы такого рода можно наблюдать, например, при использовании в ортопедии.³⁶ Фокусировка позволяет ограничить воздействие на целевую область. Побочные эффекты за пределами этой области сокращаются или предотвращаются.

 

Фокусирование позволяет целенаправленно воздействовать на конкретную целевую область.

 

В результате ударно-волновой терапии обычно наблюдается усиление кровообращения и активизация обмена веществ, что может способствовать наступлению заживления.

Ударная волна также приводит к биологическим реакциям за счет сопутствующих сил сдвига и давления (см. выше). Этот механизм действия, называемый механотрансдукцией, отвечает за следующие научно доказанные эффекты.

• Повышение проницаемости клеток¹⁵
• Стимуляция микроциркуляции (крови, лимфы)^16,17
• Высвобождение вещества P¹⁸
• Сокращение немиелинизированных нервных волокон¹⁹
• Высвобождение оксида азота (NO), способствующего вазодилатации, активизации обмена веществ и ангиогенезу, а также обладающего противовоспалительным действием^20,21
• Антибактериальное действие²²
• Выброс гормонов роста (кровеносные сосуды, эпителий, кости, коллаген и т. д.)^20,23,24,25
• Стимуляция стволовых клеток^26,27
• Стимуляция нервных клеток (потенциалов действия)^18,33,35

 

Косвенное действие — кавитация

Помимо прямого силового воздействия ударных волн на границах раздела, в некоторых средах, таких как вода, и частично также в тканях возникает так называемая кавитация.⁹

Кавитационные пузырьки образуются сразу после переменной нагрузки среды давлением/растяжением вследствие воздействия ударной волны. Большая часть пузырьков растет примерно до 100 микросекунд после прохождения волны, а затем сильно схлопывается, испуская вторичные сферические ударные волны. Вблизи границ раздела кавитационные пузырьки уже не могут схлопываться без помех. Среда, поступающая обратно в пузырек, например вода или биологическая жидкость, больше не может поступать беспрепятственно. Последствие: пузырь схлопывается асимметрично, образуя микрострую.¹³ Эта струя жидкости направляется к границе раздела со скоростью несколько сотен метров в секунду (рис. 12).

Микроструи обладают большой энергией и проникающей способностью: они могут разрушать твердые границы раздела камней. Вследствие выделения газов, растворенных в крови или тканях, при прохождении ударной волны также образуются пузырьки, так называемая мягкая кавитация. Эти пузырьки могут разорвать мелкие кровеносные сосуды или клетки. Это приводит к микрокровоизлияниям или перфорации мембран. Кавитация не ограничивается исключительно фокусной зоной, но здесь она особенно выражена.^1,8,14

 

Целевое применение фокусированных ударных волн

Для целевого применения ударных волн необходимо расположить фокусную зону в обрабатываемой области. В случае камней (литотрипсия), костей или определенных тканевых структур для позиционирования можно использовать рентген или ультразвук. При противоболевой терапии ориентируются на точку наибольшего ощущения боли в ходе общения с пациентом. Такая »биологическая обратная связь« позволяет локализовать многие поверхностные и более глубокие точки лечения.

 

 

Радиальные волны давления

Что такое радиальные волны давления?

Помимо фокусированных ударных волн в современной медицине также используются радиальные волны давления. Физик Исаак Ньютон сформулировал свой знаменитый закон »Равенство действия и противодействия« еще в 1687 году. Принцип действия баллистического устройства генерирования волн давления основан именно на формуле импульса, вытекающей из этого закона.
 

Лечение волнами давления основано на законе »Равенство действия и противодействия«, сформулированного физиком Исааком Ньютоном в 1687 году.

 

Механическая энергия в виде звуковой волны давления передается в ткани организма и, соответственно, в болевую зону с помощью аппликаторов специальной формы. Генерируемые баллистическим методом радиальные волны давления применяются в медицине с конца 1990-х годов. Они являются недорогой альтернативой, особенно при лечении заболеваний костно-мышечной системы.

Многие показания и результаты терапии радиальными волнами давления и фокусированными ударными волнами во многом схожи.²⁸ На практике, соответственно, говорят о »радиальной ударно-волновой терапии« (РУВТ, RSWT).

 

Радиальные волны давления часто называют радиальными ударными волнами, хотя с физической точки зрения это некорректно.

 

Однако с физической точки зрения термин »ударная волна« для обозначения радиальных волн давления некорректен: длина импульса радиальных волн давления намного больше, чем у ударных волн. Волны давления имеют длину импульса в диапазоне от 0,15 до 1,5 м. Для сравнения: длина импульса ударных волнах намного короче — ок. 1,5 мм. Это объясняет, почему, в отличие от волн давления, их можно фокусировать.²⁹
 

Радиальные волны давления на практике зачастую называют радиальными ударными волнами, но они имеют значительно большую длительность импульса, чем фокусированные ударные волны.

 

Генерирование радиальных волн давления

Волны давления возникают при столкновении твердых тел (рис. 14). При этом движущаяся частица сначала разгоняется, например, сжатым воздухом (как в пневматической винтовке) до скорости несколько метров в секунду (примерно от 5 до 25 м/с, что намного ниже скорости звука в воде 1500 м/с), а затем резко тормозится об ударное тело (аппликатор). Гибко подвешенный аппликатор приводится в непосредственный контакт с поверхностью тела над обрабатываемым участком — желательно использовать контактный гель для УЗИ. Когда движущаяся частица ударяется об аппликатор, часть ее кинетической энергии передается аппликатору, который линейно перемещается на короткое расстояние (обычно < 1 мм) с гораздо меньшей скоростью (обычно < 1 м/с) до тех пор, пока контактирующая ткань или рукоятка не замедлят движение аппликатора. В точке контакта движение аппликатора передается в ткань. Там оно генерирует радиальную волну давления, которая распространяется в разные стороны.
 

Временная продолжительность импульса давления (рис. 15) определяется линейным движением аппликатора. В тканях она обычно составляет от 0,2 до 5 миллисекунд (мс). Поэтому импульсы давления, передаваемые в ткани, имеют длительность в 1000 раз больше, чем у ударных волн. Типичное пиковое давление при использовании этого метода значительно ниже по сравнению с ударными волнами. Оно составляет примерно от 0,1 до 1 МПа, что в 100 раз ниже.^1,8

Процесс столкновения также вызывает в аппликаторе звуковую волну более высокой частоты (звук, распространяющийся в твердом теле). Из-за сильного различия между двумя акустическими импедансами (металл, вода) только небольшая часть (ок. 10 %) этой энергии колебания излучается в ткань или воду. Энергия, содержащаяся в высокочастотном звуковом колебании, значительно меньше, чем энергия низкочастотного импульса давления, описанного выше.³⁰

 

Распространение волн давления

Волны давления в описанном смысле распространяются радиально от точки приложения аппликатора в прилегающие ткани.²⁹ Плотность энергии входящей волны давления быстро уменьшается (пропорционально 1/r²) по мере удаления от точки контакта. Наиболее сильный эффект отмечается в точке приложения аппликатора, то есть на поверхности кожи (рис. 16).
 

Хотя терапевтический эффект радиальных волн давления распространяется на 3–4 см вглубь, наибольшая интенсивность наблюдается на поверхности кожи.

 

 

Параметры волн давления/измерение волн давления

Из-за гораздо большей длительности импульса и низкой амплитуды давления измерение давления в воде, характерное для ударных волн, не подходит в качестве эталона. Гораздо эффективнее регистрировать отклонение аппликатора (рис. 17) и силу, передаваемую вязкоупругому тканевому фантому. Однако, поскольку эти параметры сильно зависят от типа используемого ударного тела (аппликатора), в качестве меры интенсивности все еще распространено указание движущего давления, ускоряющего движущую частицу.
 

Физические и биологические эффекты волн давления

Радиальные волны давления вызывают колебания в тканях, что приводит к усилению микроциркуляции и активизации обмена веществ.³¹ Несмотря на многочисленные терапевтические успехи, точные биологические эффекты практически не были научно изучены.

Интересно, что, несмотря на физические различия и обусловленные ими разные области применения (на поверхности или в глубине), эффекты стимуляции и терапевтические механизмы отчасти схожи. Например, радиальные волны давления хорошо подходят для лечения поверхностной боли. При миофасциальных болевых синдромах радиальная волна давления незаменима для разглаживания и растягивания мышц и/или фасций до или после фокусированной ударной волны.

Сходство эффектов фокусированных ударных волн и радиальных волн давления объясняется механизмом механотрансдукции, лежащим в основе обоих методов. Если при использовании фокусированной ударной волны можно использовать коротковолновую ударную волну для передачи стимулирующих импульсов конкретно на поверхность или в глубину, то с помощью радиальных волн давления из-за их плохой фокусируемости это возможно только на поверхности с радиально уменьшающимся эффектом по мере проникновения вглубь.

Ударные волны в сравнении с волнами давления

Ударные волны и волны давления отличаются по своим физическим характеристикам и технике генерирования, а также по величине обычно используемых параметров и по терапевтической глубине проникновения в ткани. Основные различия кратко представлены на рис. 18.

Для терапии локальных болевых точек, хронического тендиноза в местах крепления сухожилий и более глубоко расположенных триггерных точек лучше использовать фокусированную ударную волну.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.