Dipl. Ing. J. Fehre, Siemens AG, Dipl. Ing. W. Krauß, Richard Wolf Endoskope, Dr. rer. nat. A. Lutz, Dornier Medizintechnik GmbH, Dipl.-Ing.R. Reitmajer, MTS - Medi-cal Technologies, Dipl. Phys. A. Tóth-Kischkat, DIGEST, Prof. Dr. F. Ueberle, FH Hamburg Harburg, Dr. rer. nat.O. Wess, Storz Medical

1    Einführung

Seit Anfang der 90er Jahre werden unter dem Begriff Extrakorporale Stoßwellentherapie (ESWT) und seit Ende der 90er Jahre auch unter dem eingetragenen Markennamen „radiale Extrakorporale Stoßwellentherapie (rESWT)“ akustische Wellen zur Behandlung chronischer Schmerzen und Knochenheilungsstörungen sowie weiterer Erkrankungen eingesetzt.

Entsprechende in der Orthopädie eingesetzte Geräte zur Erzeugung akustischer Wellen werden als Stoßwellengeräte bezeichnet. In Fach- und Herstellerpublikationen haben sich der Begriff „fokussierte Stoßwelle“ und der – physikalisch unzutreffende - Begriff „radiale Stoßwelle“ verbreitet.

Der Begriff „Stoßwellentherapie“ leitet sich historisch von der Extrakorporalen Stoßwellenlithotripsie (ESWL) ab, die klinisch erstmals 1980 zur berührungsfreien und nicht-invasiven Zertrümmerung von Nierensteinen angewendet wurde.

Der in der Medizin verwendete Begriff der „radialen Stoßwelle“ entspricht jedoch nicht der   physikalischen Definition einer Stoßwelle. Aus physikalischer Sicht handelt es sich bei Stoßwellen um eine Sonderform von Druckwellen. *

In den folgenden Abschnitten werden ausgehend von dem Oberbegriff „Druckwelle“ die besonderen Eigenschaften von Stoßwellen erläutert und die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften von Druck- und Stoßwellen diskutierte. Darüber hinaus werden die gängigen Prinzipien zur Erzeugung von Druckwellen für die Therapie orthopädischer Erkrankungen vorgestellt.

2    Physikalische Grundlagen

Akustische Wellen sind Druck- und Dichteschwankungen, die sich in einem Medium wie Wasser, Weichgewebe, Körperflüssigkeiten und auch in festen Körpern wie Knochen, Metallen und anderen Materialien mit einer für das Medium typischen Geschwindigkeit ausbreiten. Sie werden daher auch als Druckwellen bezeichnet.

Im einfachsten Fall handelt es sich um periodische, sinusförmige Schwingungen wie sie in Abbildung 1 dargestellt sind. Umfasst der Wellenzug nur einen kurzen Zeitausschnitt von einer oder wenigen Signalperioden, so kann man dies als einen Schall- oder Druckpuls bezeichnen. Ein Beispiel hierfür sind die bei diagnostischem Ultraschall eingesetzten Schallpulse ( Abbildung 2 ).

Akustische Wellen können außerhalb des Körpers erzeugt und ohne Verletzung der Haut in den Körper eingeleitet werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, derartige Wellen an der Körperoberfläche bzw. im Körper an einem definierten Ort zur Wirkung zu bringen.

Wenn die Amplituden von Druckwellen sehr hohe Werte annehmen (typisch 10-100 MPa), können sich Wellen aufsteilen. Die Ursache dafür ist die Nichtlinearität des Ausbreitungsmediums. Darunter versteht man die Tatsache, dass sich die Druckschwankung bei sehr hohem Druck schneller ausbreitet als bei geringem Druck. Der Vorgang der Aufsteilung einer Wellenfront ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt.

Der Vorgang der Aufsteilung hat gewisse Ähnlichkeiten mit Wasserwellen, die sich am Strand überschlagen. Anders als bei Wellen an der Wasseroberfläche können sich Druckwellen im Volumen (z.B. im Wasser oder Gewebe) nicht überschlagen.

Wenn sich der Druck innerhalb sehr kurzer Distanzen, deutlich kürzer als ¼ der Pulslänge, sprunghaft ändert, spricht man von einer Stoßwelle.

Erst wenn Druckwellen bzw. Druckpulse diese besonderen Eigenschaften (Steilheit) aufweisen, bezeichnet man sie als Stoßwellen . Abbildung 4 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf einer Stoßwelle. Charakteristisch ist der steile Anstieg in der Größenordung von 10ns während der der Druck von Umgebungsdruck auf bis zu 100MPa ansteigt. Dem Überdruck folgt eine Unterdruckphase mit einem negativen Druck in der Größenordnung von bis zu 10MPa. Das in Abbildung 5 dargestellte Signal ist das mit einem Laserhydrophon gemessene Drucksignal im Fokus einer Stoßwellenquelle. Es weist den charakteristischen Verlauf einer Stoßwelle auf, und zeigt das Bild eines realen Messsignals mit Rauschanteilen.

3   Verfahren der Druckpulserzeugung

Druckpulse in dem in Kapitel 2 definierten Sinn werden heute mit verschiedenen Methoden erzeugt, wobei zwei grundsätzlich verschiedene Erzeugungsprinzipen unterschieden werden können: Verfahren bei denen Druckpulse primär durch die Umwandlung elektrischer Energie erzeugt werden (Abschnitt 3.1 ) und Verfahren bei denen primär mechanische Energie in akustische Energie umgewandelt wird (Abschnitt 3.2 ).

3.1   Druckpulserzeugung mit elektrischer Energie

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

3.1.1   Elektrohydraulische Druckpulserzeugung

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 ( Abbildung 6 ). 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

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.

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

3.1   Mechanische Druckwellenerzeugung

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.

4   Diskussion

4.1   Prinzipielle Unterschiede

Die in Abschnitt 3.1 diskutierten Systeme haben gemeinsam, dass sich das Maximum der Schallenergiedichte in einiger Entfernung vom Entstehungsort des Druckpulses befindet. Dies bedeutet, dass am Eintrittsort der Welle in den Körper eine geringere Energieflussdichte vorliegt als am Wirkort, der sich einige Zentimeter unter der Hautoberfläche befinden kann. Physikalisch betrachtet handelt es sich um konvergente Schallfelder ( Abbildung 16 ), deren Ort maximaler Energieflussdichte als Fokus bezeichnet wird. Die Wellenlänge (< 1cm) der erzeugten Druckpulse muss hierbei deutlich kleiner als der Durchmesser   der Druckpulsquelle (~15cm) sein. Dies ist die physikalische notwendige Voraussetzung für die Fokussierung.

Im Gegensatz dazu ergibt bei dem Druckpulssystem eine Wellenlänge von ca. 40cm, welche deutlich größer ist als der Durchmesser der Druckpulsquelle (~2cm), physikalisch zwangsläufig eine divergente, nicht fokussierbare, Wellenausbreitung. Dies erkennt man deutlich bei dem in Abschnitt 3.2 beschrieben System.

Dieses erreicht die größte Energieflussdichte an der Druckpulsquelle, d.h. der Spitze des Applikators. Vom Applikator ausgehend breiten sich die Druckpulse radial mit abnehmender Energieflussdichte aus (proportional 1/r 2 , siehe Abbildung 17 ). Aufgrund des divergenten Schallfeldes wird die größte Wirkung an der Hautoberfläche erreicht und nimmt mit zunehmender Gewebetiefe ab. Aus physikalischer Sicht handelt es sich hierbei um unfokussierte Systeme, da die Schallausbreitung divergent erfolgt.

Ein Fokus liegt nur dann vor, wenn Wellen gebündelt werden und aus dieser Konvergenz ein Ort maximaler Energieflussdichte resultiert.

4.2   Technische Unterschiede

In der Praxis ergeben sich die im Folgenden dargestellten technischen Unterschiede:

Stoß- und Druckwellen unterscheiden sich nicht nur in ihrer physikalischen Charakteristik und der Erzeugungstechnik sondern auch in der Größenordnung der üblicherweise verwendeten Parameter. Bei den wichtigsten hier aufgeführten Parametern betragen die Unterschiede ca. 1-3 Größenordnungen.

5    Zusammenfassung

Geräte, die in der Lage sind, Stoßwellen zu erzeugen, bezeichnet man üblicherweise als Stoßwellen- Systeme (erste Spalte der Tabelle). Hiermit folgt man der bisher in der Medizin verwendeten Bezeichnung. Zur genaueren Unterscheidung mag der Zusatz: fokussierte Stoßwellenhilfreich sein

Demgegenüber empfehlen wir, Systeme, die Druckwellen im oben beschriebenen Sinne erzeugen, als Druckwellen -Systeme (zweite Spalte der Tabelle) zu bezeichnen. Zur genaueren Unterscheidung mag der Zusatz unfokussierte Druckwellen hilfreich sein.

Der Begriff radiale Stoßwellen ist physikalisch nicht korrekt.

5    Literatur

Für den an Grundlagen interessierten Leser:

[1]       W. Eisenmenger, “Experimentelle Bestimmung der Stoßfrontdicke aus dem akustischen Frequenzspektrum elektromagnetisch erzeugter Stoßwellen in Flüssigkeiten bei einem Stoßdruckbereich von 10 atm bis 100 atm“,
           Acustica, 14, Nr. 4, (1964), 187-204

Für den an der Messtechnik interessierten Leser:

[2]       F. Ueberle, „Einsatz von Stosswellen in der Medizin“ in   „Kramme, Medizintechnik, 2. Auflage, Springer 2002“

[3]       F. Ueberle, " Shock Wave Technology" in: Extracorporeal Shock Waves in Orthopaedics (Eds. W. Siebert, M. Buch) Springer  1997

[4]       Engelbrecht R., Schulz R., Hagen J., Pfister T., Granz B., Nanke R., Fehre J.:

"Robust Light Spot Hydrophone with Calibr ation Control for the Measurement of Medical Ultrasound Shock Waves". In: Proceedings Volume II, Sensor 2005, (12th Int. Conf. Sensor 2005, Nürnberg, May 2005), pp. 31-36.

AMA Service GmbH, Wunstorf, Germany 2005.