Ultraschall

Sämtliche Referenzen finden sich im Buch.

Definition Schall

Schall besteht aus mechanischen Schwingungen in einem Medium, also aus raschen Bewegungen von Molekülen und Atomen. Bei Frequenzen unter 20 Hz spricht man von Subschall oder Infraschall, bei Frequenzen über 20 kHz (20 000 Hz) von Ultraschall. Diese Definition von Schall bezieht sich auf das menschliche Gehör. Sie wurde willkürlich festgelegt.

Unter Ultraschalltherapie versteht man die medizinische Anwendung akustischer Energie mit einer Frequenz von mehr als 20 kHz. In der Praxis werden Schallfrequenzen zwischen 0,7 MHz und 3 MHz verwendet. Dies als Kompromiss zwischen einer akzeptablen Penetrationstiefe und einer nicht all zu starken Divergenz (Streuung). Niedrigere Frequenzen dringen zwar tiefer ein, divergieren aber mehr, höhere Frequenzen dringen in ein homogenes Medium weniger tief ein, zeigen dafür eine geringere Divergenz.

Infraschall kann unter Laborbedingungen das Wachstum von verschiedenen menschlichen Zellen und solche von Nagetieren je nach Bedingungen stimulieren oder hemmen. Wissenschaftlich belegte therapeutische Anwendungen gibt es bis heute keine, deshalb wird hier nicht darauf eingegangen.

Schallwellen benötigen ein Medium zur Weiterleitung (Gas, Flüssigkeit, feste Materie). Durch die Einwirkung von Schall werden die Teilchen in einem Medium zu raschen Schwingungen um ihre Ruhelage angeregt. Wenn ein Molekül in Bewegung gesetzt wurde werden seine direkten Nachbarn mitbewegen, bis die Bewegung durch das ganze Material fortgeleitet ist oder die Bewegungsenergie in thermische Energie umgewandelt wurde.

Eine Schallwelle ist also akustische Energie, welche von einem Molekül oder Atom zum Anderen weitergegeben wird. Es kommt in Ausbreitungsrichtung zu periodischen Verdichtungen wenn die Teilchen sich annähern (Kompressionen) und Verdünnungen wenn sie sich voneinander wegbewegen (Expansionen), man spricht in diesem Zusammenhang von Longitudinalwellen. Dabei entstehen wechselnde Druckzuständen im Gewebe (Abbildung).

Kompressionen (Überdruck) und Expansionen (Unterdruck) im Ultraschallbündel (Schematisch)

Verhalten von Schall

Es gibt sechs Möglichkeiten, wie der Schall sich verhält, wenn er auf ein Hindernis trifft.
Dabei verhält sich Ultraschall genau so wie der hörbare Schall.

• Reflexion
• Absorption
• Streuung
• Brechung
• Beugung
• Bündelung

Reflexion

Reflexion tritt auf, wenn Schall auf ein Medium mit einer anderen Schallkennimpedanz trifft. Der Schallkennimpedanz oder der Wellenwiderstand eines Mediums ist ein Wert der etwas darüber aussagt wie Schall sich in diesem Medium ausbreitet. Bei der Reflexion wird ein Teil des Schalls an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien zurückgeworfen und ein Teil dringt in das andere Medium ein (Transmission). Je größer der Unterschied der Schallkennimpedanz zwischen zwei Medien, umso mehr Schall wird reflektiert. Die eindringende Schallenergie wird in thermische Energie umgewandelt, es entsteht Wärme.

An einer glatten Fläche wie an einem Metallimplantat, wird Schall wie an einem Spiegel reflektiert. Da Osteosynthesematerial in der Regel konvex ist, wird der Schall zerstreut (Arnold 1983). Wegen den sehr unterschiedlichen Schallkennimpedanzen von Wasser (im Gewebe) und Stahl oder Titan wird Ultraschall nahezu vollständig reflektiert. Ist die Oberfläche sehr unregelmäßig wie beim Knochen, findet eine diffuse ungleichmässige Reflexion statt.

Der Einfallswinkel entspricht dem Ausfallswinkel. Dabei gelten die aus der Optik bekannten Gesetze der Reflexion an ebenen, konvexen- und konkaven Spiegeln. Konkave Flächen bündeln (konzentrieren) den Schall, konvexe Flächen zerstreuen ihn. Ebene und konkave Flächen die durch Ultraschall erreicht werden könnten gibt es im menschlichen Körper nicht. Osteosynthese-Material ist immer konvex, deshalb werden auftreffenden Schallwellen immer in allen Richtungen zerstreut.

Stehende Wellen

Zwischen Gewebeschichten mit unterschiedlicher Schallkennimpedanz kann es auf Grund der Reflexion zu sog. stehenden Wellen kommen: Eine senkrecht auftreffende Schallwelle wird reflektiert und trifft wieder auf die ihr entgegenkommende Schallwelle. Hierdurch werden die Schallwellen immer wieder von Reflexionen überlagert und es kann zu Interferenzen kommen.

Durch diese Interferenzphänome können sich an gewissen Punkten die Schallwellen ganz oder teilweise gegenseitig auslöschen oder verstärken. Eine solche stehende Welle kann nur bei Dauerschall (= kontinuierlicher Schall) und bei statischer Anwendung entstehen. Bereiche, in der die Schallwellen sich gegenseitig verstärken nennt man Hotspots. Aufgrund der normalen, konstruktionsbedingten Inhomogenität eines Schallbündels kommt es ebenso zu Hotspots, dieses Phänomen wird im Abschnitt über das Bündelinhomogenitätsverhältnis (BNR) besprochen. Speziell wenn die Gewebeschicht bis zum Knochen dünn ist (Patella, Handgelenksbereich, Malleoli), kann es zu thermischen, äußerst schmerzhaften Periostreizungen kommen.
Es ist deshalb wichtig, den Schallkopf während der Behandlung zu bewegen. Damit wird die Schallenergie gleichmäßiger im Gewebe abgegeben und das entstehen von Hotspots wegen eines solchen Interferenzphänomenes weitgehend vermieden.

Absorption

Wenn Schallwellen auf einem Medium treffen, werden die Wellen je nach Medium ganz oder teilweise absorbiert oder reflektiert. Der Schallabsorptionsgrad ist abhängig von der Schallfrequenz und vom Auftreffwinkel und selbstverständlich vom Medium. Je mehr die Schallkennimpedanzen der angrenzenden Geweben sich voneinander unterscheiden, umso mehr Schall wird reflektiert, umso weniger Schall dringt ein. Bei der Absorption wird die Schallenergie in das Gewebe durch Reibung in Wärme umgewandelt.

Dichteres Gewebe, wie Kollagen und Knochen, absorbiert mehr Schallenergie als weniger dichtes wie Fett oder Muskelgewebe. Dies deshalb, weil im dichteren Gewebe mehr Molekülen bewegt werden müssen und das braucht mehr Energie. Der Schall dringt aus diesem Grund weniger tief in dichteres Gewebe ein, verursacht dafür mehr Reibung und deshalb entsteht in diesem Gewebe und an der Grenzfläche mehr Wärme. Das umliegende Gewebe wird in der Folge durch Konduktion stärker erwärmt. Normalerweise wird diese Wärme durch den Blutkreislauf abtransportiert.

Schall mit einer Frequenz von 3 MHz dringt in ein homogenes Medium weniger tief ein als Schall mit einer niedrigeren Frequenz wie 1 MHz. Die mit 3 MHz zu raschere Bewegungen gezwungene Molekülen absorbieren mehr Energie. Deshalb erwärmen höhere Frequenzen das Gewebe rascher als Niedrige. Mehrere Untersucher haben mit Messungen in vivo gezeigt, dass 3 MHz US das Gewebe tiefer erwärmt als erwartet, darüber später mehr (Diese Tatsache wird im Buch weiter erörtert).

Die Tiefe auf der sich die Schallenergie auf Grund der Absorption um die Hälfte reduziert hat bezeichnet man als Halbwerttiefe (HWT). In einem Wasserbehälter oder in einem Gewebephantom ist diese Energieabnahme messbar und so lässt sich die HWT für homogene Medien berechnen.

Interessanterweise zeigte Draper 1995, dass der Temperaturanstieg bei einer Beschallung mit 1 MHz auf 2,5 und 5 cm Tiefe nach einer bestimmten Zeit gleich groß war. Offenbar ist die Energieabgabe im inhomogenen menschlichen Gewebe in vivo nicht mit der in einem Wasserbehälter oder in einem Gewebefantom vergleichbar. Dies wirft Zweifel bezüglich der klinischen Bedeutung der HWT auf.

Beugung und Brechung

Als Beugung bezeichnet man das Phänomen, dass die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung einer Schallquelle durch ein Objekt, oder in einem inhomogenen Medium umgeformt (verbogen) wird.
Unter Schallbrechung versteht man die Richtungsänderung der Schallwellen beim Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlicher Dichte. Wie bizarr solche Brechungen im menschlichen Gewebe sein können haben Frye et al 2007 feststellen müssen. Bei drei Probanden traten anterior am Unterschenkel Blasen auf, 6 Stunden nachdem dorsal an der Wade mit 1 MHz, 1,5 W/cm², kontinuierlich während 10 Minuten beschallt wurde. Die Blasen lagen genau gegenüber dem Behandlungsareal, auf einer Distanz von etwa 10 cm. Medizinische Gründen wurden ausgeschlossen, die Untersucher vermuten eine technische Ursache.

Frequenz

Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen pro Zeiteinheit stattfinden. Je größer die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit ist, desto höher ist der Ton bei hörbarem Schall. Ultraschall mit einer Frequenz von 3 MHz anzuwenden bedeutet, dem Gewebe 3 000 000 Schwingungen pro Sekunde auf zu zwingen. Je höher die Frequenz, umso rascher ist die den Molekülen aufgezwungene Bewegung, umso stärker die Reibung, umso stärker die Erwärmung. Je rascher die Bewegung, umso höher ist auch der Energieverlust über einer bestimmten Distanz, also bleibt weniger Energie übrig um tiefer in das Gewebe einzudringen.

Druckveränderungen im Gewebe

Physikalisch interessant sind dabei die enormen Druckveränderungen die im Gewebe auftreten.
Da die Bewegungsrichtung sehr rasch wechselt (bei 1 MHz 1 000 000 x pro Sekunde) ist die Teilchenbeschleunigung sehr hoch: etwa 1 000 000 m/s², also das 100 000-fache der Erdbeschleunigung! Daraus resultiert ein hoher Schallwechseldruck: es kommt zu abwechselnden Über- und Unterdruckphasen deren Maximalwerte um etwa 2 bar (etwa 20 m Wassersäule) differieren. Hierbei verschieben sich durch Reflektionen im Gewebe und Interferenzen innerhalb der Schallwellen die Druckverhältnisse von Ort zu Ort, was zu großen Druckdifferenzen zwischen den Teilchen führt. Diese Druckdifferenz kann etwa 8 bis 9 bar/mm betragen. Zum Vergleich: Der Autoreifendruck beträgt etwa 2,5 bar. Die Druckschwankungen betragen bei 1 Watt/cm² und 1 MHz 1,7 bar. Bei einer Wellenlänge von 1,5 mm bedeutet dies einen Druckgradienten von 3,4 bar über eine Entfernung von 0,75 mm.

Erzeugung von Ultraschall

1880 entdeckten die französische Physiker Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt (Curie J und P 1880). Wenn auf einem Kristall Druck ausgeübt wird, entstehen an der Oberfläche des piezoelektrischen Materials elektrische Ladungen. Darauf basiert auch die Wirkung des Tonabnehmers beim Plattenspieler und der Tonabnehmer für Saiteninstrumente: Kleine Sensorplättchen, die im Steg einer Gitarre unterhalb der Saiten befestigt sind, nehmen die von den Saiten erzeugten Schwingungen auf und wandeln sie in elektrische Signale um.

Damals benutzten die Curie-Brüdern Turmalin, Quarz, Topaz, Rohrzucker und Natriumkaliumtartraat, heute nimmt man bestimmte polykristalline Stoffe wie Blei-Zirkonat-Titanat, Bariumtitanat oder Siliziumazetat.
In einem Piezoelektrischen Kristall sind die positiven und negativen Ladungen getrennt. Die Ladungen sind ausgeglichen. Die Verschiebung der Ionen in Kristallen durch mechanischer Belastung verschiebt die Ladungsschwerpunkte von negativer und positiver Ladung relativ zueinander, was zu einer elektrischen Polarisation führt und das führt zu einer messbaren elektrischen Spannungsdifferenz an den Flächen des Kristalls (Abbildung unten).

Piezoelektrischer Effekt. Erklärung siehe Text

Diese piezoelektrischen Effekte treten auch im menschlichen Körper auf, vor allem in Knochengewebe, Kollagenfasern und Proteinen. Es ist durchaus möglich aber nicht bewiesen, dass diese Phänomene an den biologischen Wirkungen des Ultraschalls beteiligt sind. Eine Theorie geht davon aus, dass unter Einfluss des Schalldrucks eine mechanische Formveränderung von Enzymen auftritt, welche die Aktivität dieser Enzyme entweder stimuliert (einschaltet) oder hemmt (ausschaltet) (Johns, 2002) Diese Theorie wird u.A. unterstützt durch Francis et al. (1992). Die Untersucher konnten zeigen, dass eine verbesserte Fibrinolyse mit Therapie-üblichen Dosen (1 MHz, 1 W/cm²) nicht Temperaturabhängig war, und auch nicht auf Grund einer mechanischen Zerstörung (Kavitation) zu erklären war. Sie gehen davon aus, dass die für die Fibrinolyse verantwortlichen Enzyme mechanisch potenziert werden.

Der Französich-Luxemburgische Physiker und Erfinder Gabriel Jonas Lippmann hat 1881 mathematisch nachgewiesen, dass dieser piezoelektrische Effekt umkehrbar ist (Lippmann, 1881) und die Curies haben dies sofort praktisch bestätigt. Das bedeutet: Wenn das piezoelektrische Material einer Wechselspannung ausgesetzt wird, macht dieses Material eine Formveränderung durch, und zwar entsprechend der Frequenz der Wechselspannung und der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Materials also, sofern die Dicke des Kristalls stimmt.

Beim Anlegen eines externen elektrischen Feldes an den Kristall werden die Ionen in jeder Einheitszelle durch die elektrostatischen Kräfte so verschoben, dass sich der gesamte Kristall verformt. Beträgt die Frequenz der Wechselspannung 1000 Hz, schwingt der Kristall, wenn die Dicke stimmt, mit einer Frequenz von 1000 Hz und produziert einen Ton mit f= 1000 Hz = Schall.
Beträgt die angelegte Wechselspannung 1 MHz, wird Schall mit einer Frequenz von 1 MHz erzeugt. Auf diese Weise kann Schall mit sehr hohen Frequenzen erzeugt werden.

Paul Langevin, ein Freund der Curies, besonders von deren Schwester Marie, hat 1917 zusammen mit Constantin Chilowski dieses Prinzip angewandt zur Konstruktion des ASDIC (Anti Submarine Division Investigation Committee) ein U-Boot-Ortungssystem, der Vorläufer vom Sonar (Sound Navigation And Ranging).
Er war angeblich auch der Erste, der biologische Effekte des Ultraschalls beobachtete. Er setzte Fische in einem Aquarium hohen Ultraschall-Intensitäten aus: 1 kW/cm². Die Tierchen richteten sich zuerst in der Schallrichtung aus und nachdem sie sich kurz sehr heftig bewegt hatten, schwammen sie bauchaufwärts. Die Todesursache wurde nicht eruiert: Embolie? Gekochtes Hirn? Langevin beschrieb angeblich auch, dass es äußerst schmerzhaft war, die Hand ins Wasser zu halten. Leider ist die Referenz für diese Aussagen unauffindbar, der Autor hat es auch nur wieder abgeschrieben. Die ersten auch für Menschen geeigneten Geräte wurden rund 1938 konstruiert und erfolgreich bei der Behandlung von Ischialgien, Rückenschmerzen, Plexusneuralgien und Myalgien eingesetzt.

Ein Ultraschallgerät besteht im Wesentlichen aus einen Wechselstromgenerator der den hochfrequenten Wechselstrom erzeugt der notwendig ist um das im Schallkopf montierten piezoelektrische Element in Schwingung zu bringen.

Es lassen sich im Schallbündel 2 Felder unterscheiden (Abb. unten):

1. das Nahfeld, auch Fresnel-Zone genannt, und
2. das Fernfeld, die Fraunhofer-Zone.

Schalldruck im Wasser, 4 MHz. Beachte die chaotische Verhältnisse in den ersten 40 mm. ©Michael Lenz, Wikimedia Commons, Lizenz: [CreativeCommons-Lizenz by-sa-2.0-de](http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/de/legalcode

Da ein piezoelektrisches Element normalerweise nicht gleichmässig schwingt, ist auch die Energieabgabe nicht gleichmäßig. Die Vorderseite eines Schallkopfes, da wo der Schall herauskommt, schwingt nicht als Einheit. Man muss sich die vordere Fläche vorstellen wie eine große Zahl einzelne Punkte die Schall abgeben. Die austretenden Schallwellen beeinflussen sich gegenseitig. Das Nahfeld kennzeichnet sich deshalb durch Interferenzphänomene im Schallbündel, die zu erheblichen Intensitätsschwankungen führen, sog. Hotspots, und durch eine leichte Konvergenz des Schallbündels. Es können Intensitäten auftreten vom 5 bis 10-fache, bis manchmal das 30-fache des eingestellten Wertes. Die Bereiche treten nicht immer an der gleichen Stelle im Bündel auf. Weil das beschallte Gewebe nicht homogen ist und deshalb viele verschiedene Reflexionen auftreten wandern die Hotspots während der Beschallung. Es lässt sich demnach nicht vorhersagen wo im Bündel diese Energiespitzen auftreten.

Die Konvergenz ist die direkte Folge der erwähnten destruktiven und konstruktiven Interferenzphänomene. Die therapeutischen Effekte spielen sich hauptsächlich im Nahfeld ab.
Im Fernfeld fehlen diese Interferenzphänomene und wird das Schallbündel mehr zerstreut. Die meiste Schallenergie wird um die zentrale Achse des Schallbündels herum abgegeben, zum Rand des Schallkopfes hin nimmt die Schallenergie deutlich ab (Abbildung hier unten). Der Durchmesser dieser zentralen Achse variiert von Schallkopf zu Schallkopf und damit variiert auch die Energieabgabe in diesem Bereich. Johns et al (2007) vermuten, dass dies eine der Ursachen der manchmal recht unterschiedliche Temperaturmessungen im Gewebe ist.

Energieverteilung über dem Schallkopf. A: großer Kopf 1MHz, B:großer Kopf 3 MHz, C: kleiner Kopf 1 MHz, D: kleiner Kopf, 3 MHz. ©Enraf-Nonius B.V. Delft, Niederlande, mit freundlicher Genehmigung

Die Länge des Nahfeldes ist abhängig vom Durchmesser des Schallkopfes und der Wellenlänge, und beträgt bei einem 5 cm²-Kopf und 1 MHZ etwa 10 cm, beim 1 cm² Schallkopf und 1 MHz etwa 2 cm. Die Länge des Nahfeldes bei 3 MHz ist 3 × so lang, weil die Wellenlänge proportional kürzer ist.
Die Länge des Nahfeldes ergibt sich aus der Formel r² ÷ λ. Hier ist r der Radius des Schallelementes und λ die Wellenlänge. Rechenbeispiel: 25 mm Kopf, 3 MHz : 12,5² ÷ 1,5 = 10 cm Nahfeldlänge.

Die Wellenlänge des austretenden Ultraschalls ist abhängig von der Dicke des Piezoelements. Bei 3 MHz beträgt die Wellenlänge 0,5 mm, bei 1 MHz 1,5 mm. Die Dicke des Elements beträgt die Hälfte der gewünschten Wellenlänge, bei 1 MHz also 0,7 mm und bei 3 MHz deren 0,25 mm. Sehr dünn und empfindlich, also. Deshalb ertragen die Schallköpfe keine grobe Behandlung. Dieses Element wird durch Hochspannungsimpulsen zum Schwingen angeregt und produziert auf diese Weise die gewünschte Schallfrequenz.

Die ERA, Effective Radiating Area

Aus der Vorderseite des Schallkopfes kommt Schall raus. Aber nicht alles was man vorne sieht produziert Schall. Das Gehäuse wo sich das Piezoelement drin befindet hat ja eine gewisse Dicke und deshalb ist der Durchmesser des Piezoelementes etwas geringer als die Außenfläche des Schallkopfes. Die Fläche die tatsächlich Schall produziert nennt man die ERA: die wirksame Strahlungsfläche oder Effective Radiating Area. Ein Schallkopf kann eine Fläche von 5 cm² haben, die ERA kann in so einem Falle 4 cm² bis 4,5 cm² betragen. Die Größe der ERA ist bei der Bestimmung der Dosierungsparameter unbedingt zu berücksichtigen. Die Abbildung zeigt ein älteres Schallkopf-Modell, die ERA ist rot eingefärbt.

Älteres Schallkopf-Modell, die ERA ist rot eingefärbt

Beam Nonuniformity Ratio, BNR

Dass das Schallbündel nicht homogen ist, ist also bekannt. Die am Schallkopf vermerkte Beam Nonuniformity Ratio (BNR, Bündelinhomogenitätsverhältnis) gibt an, wie hoch der Spitzenwert im Bündel relativ zur eingestellten Intensität ist. Etwas technischer ausgedrückt: die BNR ist das Quotient von der maximal abgegebene Energie und die durchschnittlich abgegebene Energie.

Manchmal wird die BNR nicht am Schallkopf, sondern auf einem Kunststoffstreifen vermerkt welcher an das Schallkopf-Kabel geklebt wird. Diese Klebestreifen haben die Eigenschaft rasch zu verschwinden.

Bei einer BNR von 5:1 und einer eingestellten Intensität von 1,5 W/cm² beträgt der normalerweise auftretende Spitzenwert also 5 × 1,5 = 7,5 W/cm². Wann und wo im Schallbündel dieser Wert auftritt ist unvorhersehbar.

Die BNR kann als Qualitätsmerkmal betrachtet werden. Je höher die BNR, umso höher die Energiespitzen. Schallköpfe mit einer BNR über 8:1 sind für medizinischen Anwendungen nicht zugelassen. Auf Anfrage bei einem Elektrotherapiegerätevertreibers wie hoch denn der BNR eines bestimmten Gerätes sei kam als Antwort, dass ihre Geräte nicht über einen BNR verfügen würden. Fachkomptenz ...

BNR Werte von 5:1 bis 6:1 sind normal, ideal wäre eine BNR = 1:1, dieser Wert ist aber technisch nicht erreichbar. Auch bei sehr gut konstruierten modernen Schallköpfen beträgt der BNR in der Regel 2:1 bis 5:1, es ist also IMMER mit Spitzenwerten zu rechnen!

Diese Verstärkung der Schallenergie unterscheidet sich von der Verstärkung durch Reflexion an Grenzschichten und lässt sich durch Bewegen des Schallkopfes nicht verhindern. Das Bewegen verhindert jedoch eine lokale Überwärmung weil die Schallenergie besser über das Behandlungsareal verteilt wird. Die Phänomene beeinflussen einander wahrscheinlich gegenseitig.

Es ist klar, dass dieses Phänomen Konsequenzen hat für die Dosierung. Weiter unten wird näher darauf eingegangen (Anmerkung: hier nicht aber im Buch schon). Wegen der ungleichmässigen Schallenergieverteilung kommt es auch zu einem ungleichmässigen Auftreten der sogenannten akustischen Kavitation (siehe weiter unten). Da bei der Kavitation auch Wärme erzeugt wird, könnte dies ebenso das auftreten der Hotspots erklären.

Die Enegieangabe in Watt/cm² am Gerät bezieht sich auf die durchschnittlich über die ganze Schallkopffläche abgegebene Energie. Dies nennt mann die spatial average intensity. Manche Geräte zeigen den Wert in Watt pro cm² an, andere erlauben die Anzeige der vom ganzen Kopf abgegebenen Energie. So kann zum Beispiel das Display bei einem 5 cm² Kopf mit einer Einstellung von 1 W/cm² den Wert 5 Watt anzeigen. Das ist nicht die Intensität pro cm², bitte nicht verwechseln und immer auf die Einstellungen am Gerät achten!

Die Energie-Spitzen, die auf Grund der (normalen!) Inhomogenität auftreten bezeichnet man als spatial peak intensity. Diese Spitzen werden nicht auf ein Display angezeigt.

Bei gepulstem Schall bezeichnet man die durchschnittlich über eine bestimmte Zeit abgegebene Energie als temporal average, die Energiespitzen als temporal peak, dies ist die maximale Energie die abgegeben wird während eines Schallimpulses. Das bedeutet, dass man zum Beispiel am Gerät im Pulsbetrieb 1 W/cm² einstellt (das ist die effektive Energie eines Impulses), aber da man im Pulsbetrieb arbeitet über die eingestellte Zeit -je nach Puls-Einstellung- nur 20% davon abgegeben wird. Mit den verschiedenen Fachausdrücke entstehen interessante Wortgebilde,wie

• Spatial average temporal average, SATA Die durchschnittliche Energieabgabe im Schallbündel über eine bestimmte Zeit
• Spatial peak temporal average, SPTA Die maximale Energieabgabe im Schallbüdel über eine bestimmte Zeit
• Spatial peak temporal peak, SPTP Die maximale Energieabgabe während eines Schallimpulses im Bündel
• Spatial average temporal peak, SATP Die durchschnittliche Energieabgabe während den Schallimpulsen

Eine SATA von 0.5 Watt/cm² bekommt man mit einer Einstellung von 0,5 W/cm² Dauerschall, oder mit einer Einstellung von 1 W/cm² Impulsschall, 50% gepulst. Falls nun mit diesen Einstellungen gleich lange behandelt wird, kommt im Gewebe genau gleich viel Schallenergie an. Draper et al haben 2004 nachgewiesen, dass dies zu einer gleich starken Erwärmung des beschallten Gewebes führt.
Dies bedeutet, dass bei gleicher SATA bei pulsierendem Schall die gleiche thermische Effekte auftreten wie beim Dauerschall. Wenn man diese thermische Effekte mit pulsierendem Schall verhindern möchte, muss man unbedingt die SATA berücksichtigen.

Wirkung von Ultraschall

Wie weiter oben dargelegt benötigen Schallschwingungen für ihre Fortpflanzung ein Medium, im Vakuum kann sich Schall nicht fortpflanzen. Somit ist der erste Effekt der im Gewebe Auftritt mechanischer Art. Die Schwingungen verursachen im Gewebe Kompressionen und Expansionen in der gleichen Frequenz wie die des Ultraschalls. Dies führt zu Druckschwankungen im Gewebe und Volumenveränderungen der Körperzellen. Die rasche Bewegungen im Gewebe führen durch Reibung zu einer Erwärmung. Je höher die Schallfrequenz, umso rascher die Bewegungen, umso rascher die Erwärmung.
Der Schalldruck verursacht eine Strömung im Gewebe die als acoustic streaming, also akustische Strömung oder mehr poetisch sonischer Wind, bezeichnet wird. Die akustische Strömung ist mitbeteiligt am verbesserten Teilchentransport im Gewebe durch Ultraschall.

Die mechanische Wirkung ist von großer therapeutischer Bedeutung, da wahrscheinlich alle Effekte des US durch sie hervorgerufen werden. Diese Effekte treten sowohl bei kontinuierlichem wie auch bei pulsierendem US auf. In diesem Sinne können die thermischen Effekte als sekundär an den mechanischen Effekten betrachtet werden.

Kavitation

Der wahrscheinlich wichtigste mechanische Effekt ist die akustische Kavitation (ter Haar et al 1982, 1999, O’Brien 2007). Kavitation ist der Prozess, wobei durch Einwirkung von externen Kräften in einer Flüssigkeit Blasen entstehen. Für das Auftreten der Kavitation gibt es zwei physikalische Erklärungsmodelle. Beide Deutungen gehen davon aus, dass bei Druckveränderungen in einer Flüssigkeit Blasen entstehen können.

Inerte (transiente, instabile) Kavitation. 1 - 7: die Blase kollabiert und es entsteht ein Microjet (4). Durch die Kraft des Microjets wird die Oberfläche in der Nähe beschädigt. Unten: Aufnahmen vom Ablauf. Aus Dular et al 2019, mit freundlicher Genehmigung

Erklärung 1: Wasser wird mechanisch auseinander gerissen

Flüssigkeiten werden durch Kohäsion zusammengehalten. Diese Kohäsionskraft bestimmt die Zugfestigkeit der Flüssigkeit. Wenn zum Beispiel eine Schiffschraube mit hoher Geschwindigkeit durch das Wasser dreht, wird diese Kohäsionskraft überwunden und das Wasser wird buchstäblich aus einander gerissen, in der Folge entstehen im Wasser Hohlräume: Blasen. Auch in Wasser, dass mit hoher Geschwindigkeit über Felsen fliesst, können so Blasen entstehen.

Sobald diese Blasen eine bestimmte Größe erreicht haben und der Blaseninnendruck kleiner wird als der Wasserdruck, kollabieren die Blasen. Bei diesen Implosionen können derart gewaltige Kräfte freikommen, dass die Schiffsschraube korrodiert, mann nennt das Kavitationsfraß, siehe die Abbildung.

Kavitationsfraß an einem Schiffspropeller. Beachte der größere Schaden am Außenrand, da wo die Geschwindigkeit am größten ist. ©Axda0002, Wikimedia Commons, Lizenz: [CreativeCommons-Lizenz by-sa-2.0-de](http://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/de/legalcode

Bei einer Ultraschallanwendung kommt es in Folge des Schallwechseldruckes in der longitudinalen Schallwelle zu Kompressionen und Expansionen (= Dilatationen) in der Flüssigkeit. Die Zugkräfte in der Expansionsphase (die Phase zwischen zwei aufeinenderfolgenden Kompressionen) können, ähnlich wie bei der drehenden Schiffsschraube, die Flüssigkeit zerreißen, wodurch es ebenso zur Bildung von Hohlräumen (cavitas) kommt, es bilden sich Blasen, je nach Schallfrequenz bis zu einer Größe von etwa 150 µm, also nicht so dramatisch wie bei der Schiffsschraube. Die Blasen sind entweder leer oder mit Gas oder Dampf gefüllt.

Erklärung 2: Wasser verdampft bei Körpertemperatur

Wasser verdampft normalerweise bei einem Luftdruck von 1013,25 hPa (millibar) bei 100°C. Wenn der Druck bis z.B. etwa 56 hPa abfällt, verdampft Wasser bereits bei 35°C, noch tiefer runter bis z.B. 31 hPa bei 25°C. Aus diesem Grund kocht das Wasser in einer Berghütte auf 2000 m schneller, wird aber nur etwa 93°C heiß.

Zwischen den Kompressions- und Expansionsphasen bei einer Ultraschall-Anwendung kommt es bekanntlich zu starken Druckschwankungen: bei 1 W/cm² um 1.7 bar = 1722 hPa. In den Unterdruckphasen nimmt der Druck also so stark ab, dass Wasser bereits bei Körpertemperatur verdampfen kann und beim Verdampfen bilden sich Blasen.
Soviel zu den Erklärungen

Es laufen bei der Kavitation verschiedene Prozesse ab. Bereits in der Flüssigkeit vorhandene Blasen können pulsieren oder wachsen, es können neue Blasen entstehen und es können Interaktionen zwischen den verschiedenen Gasblasen auftreten.

Man kennt zwei verschiedene Arten von Kavitation: eine stabile und eine transiente (= inerte) Kavitation. Bei der stabilen Kavitation pulsieren die Gasblasen während einer gewissen kurze Zeit ohne zu kollabieren. Bei der inerten Kavitation wachsen die Blasen bis sie eine gewisse kritische Größe erreicht haben und implodieren dann. Dies passiert, wenn der Blaseninnendruck kleiner ist als der Flüssigkeitsdruck. Der Verdampfungsvorgang hört auf und die Dampfblasen fallen in sich zusammen. Solche Ereignisse dauern nur wenige Mikrosekunden, haben dennoch einen mechanischen Einfluss auf die umliegenden Zellen (van Warmel et al 2006). Bei diesen Implosionen können Druckstöße mit Druckwellen mit enorm höhen Spitzen (bis zu mehreren 1000 bar) entstehen und diese können Druckwellen mit einer Geschwindigkeit von 103 m/s auslösen. Finden solche Implosionen in der Nähe eines festen Gegenstandes statt, eine Schiffschraube, eine Zellwand oder einen Nierenstein, so entstehenden Flüssigkeitsstrahlen, Microjets genannt. Diese Microjets können Geschwindigkeiten erreichen von 100 m/s.

Unter Einfluss von therapeutischem Ultraschall expandieren und kontrahieren die Gasbläschen ohne eine bestimmte kritische Größe zu erreichen. Auf Grund der hohen Frequenzen (rund 1 MHz) sind die Schall-Impulse so kurz, dass die Zeit in der die Bläschen wachsen können auch nur sehr kurz ist. Das Pulsieren des Ultraschalls bewirkt wahrscheinlich das Gleiche: es kann keine Schallenergie akkumulieren wodurch die Bläschen zu ihrer ursprünglichen Größe zurückkehren können während der off-Phase. Diese Blasen wachsen und schrumpfen also im Wechsel der Kompressions- und Expansionsphasen, und solange der Blasen-Innendruck oberhalb der Flüssigkeitsdruck bleibt, bleiben diese stabil und pulsieren im Rhythmus der (Ultra-) Schallwelle. Dies nennt man eine stabile Kavitation (englisch: noninertial cavitation).

Sämtliche oben beschriebene Vorgänge führen dazu, dass die Struktur in der die Kavitation stattfindet mechanisch destabilisiert wird. So entstehen zum Beispiel reversible Öffnungen im Stratum Corneum wodurch diese durchlässiger wird (Abbildungen).

Die intakte Lipiddoppelschicht einer Zellmembran

Durch Kavitation destabilisierte Zellmembran

Diese Permeabilitätsverbesserung, unterstützt durch den Schalldruck ermöglicht das Einschleusen von Medikamenten, auch Sonophorese oder Phonophorese genannt (Mitragotri et al 1995).

Das Auftreten von Kavitation unter Einfluss von Ultraschall ist frequenzabhängig, die Grenze wobei in Flüssigkeiten mit therapeutischem Ultraschall Kavitation auftritt liegt bei 2,5 W/cm². Mitragotri et al (1995) fanden in vitro eine 13-fache Permeabilitätszunahme der Haut für Estradiol bei der Anwendung von 1 MHz, 2 W/cm² Dauerschall. Bei Verwendung von 3 MHz, 2 W/cm² war die Verbesserung nur knapp 2-fach, mit pulsierendem Ultraschal (1 MHz, Puls 2 ms, 100 Hz, 2 W/cm²) war keine Verbesserung nachweisbar.

Nun gibt es nahezu keine US-Geräte auf dem europäischen Markt, die im kontinuierlichen Betrieb mehr als 2 W/cm² leisten. Das bedeutet dennoch nicht, dass mit diesen Geräten eine Kavitation vermieden wird. Aufgrund der verschiedenen Interferenzen im Schallbündel (siehe BNR) treten Energiespitzen auf die sehr wohl lokale Kavitationen auslösen können.

Die durch Kavitation verursachte Destabilisierung der Phospho-Lipiddoppelschicht der Haut und von Zellen sei laut den Autoren für die Permeabilitätsverbesserung verantwortlich. Die Größe der Kavitationsblasen ist ebenso Frequenzabhängig. Niedrigere Frequenzen (20 KHz) verursachen Blasen von maximal 150 µm. Höhere Frequenzen, zum Beispiel 1 MHz, verursachen deutlich kleinere Blasen bis 1 µm. Die Blasengröße bestimmt wo im Gewebe diese Blasen auftreten können. In der Haut können die Blasen nicht besonders wachsen, deshalb treten die Kavitationseffekte mit physiotherapeutisch üblichen Frequenzen und Intensitäten wahrscheinlich nur in der Haut auf (Mitragotri et al 1995).

Die größere Blasen die bei der Verwendung von Ultraschall mit einer Frequenz von 20 KHz auftreten sind wahrscheinlich dafür verantwortlich, dass diese Frequenz besonders effektiv ist bei der Sonophorese von größeren Molekülen wie Insulin, welches eine molare Masse von 5808 g/mol hat. Die auftretende inerte Kavitation mit ihrer Mikrojets und Stoßwellen verursucht eine stärkere Destabilisierung der Lipiddoppelschichten im Vergleich zu den Effekten die bei der Verwendung von 1 MHz US auftreten (Wolloch und Kost, 2010). Zum Vergleich: das obenerwähnte Estradiol hat eine M von 272 g/mol.

Die Bläschenaktivität verstärkt die Wirkung des Schalldruckes. Die physiologische Effekte dieser Membrandestabilisierung wirken sich auf die Membranpermeabilität aus. Die Permeabilität der Haut und Zellmembranen nimmt zu, was sich äußert in zum Beispiel einer Zunahme der intrazellulären Ca-Konzentration in Chondrozyten, die sofortige Abnahme der Kalium-Konzentration in Thymozyten (Vorstufe der T-Lymphozyten) und die vermehrte Aufnahme von Calcium in Knorpel- und Knochenzellkulturen. Die erhöhte intrazelluläre Ca-Konzentration hat zum Beispiel einen Einfluss auf die Proteinsynthese. Diese vermehrte Proteinbildung könnte aber auch als Reaktion auftreten auf eine primäre Gewebeschädigung auf Grund der instabilen Kavitation.

Microstreaming, small scale streaming

In der Flüssigkeit um die pulsierenden Blasen herum bilden sich Turbulenzen, Strudel und Strömungen welche zusätzlich zum Schalldruck einen signifikanten mechanischen Stress für die Zellwand darstellen, die zu einer mechanischen Destabilisierung der Zellwand führt. Dies bewirkt eine Verbesserung der Permeabilität und wurde in vitro zum Beispiel an Hand einer gesteigerten intrazellulären Calcium-Konzentration nachgewiesen (Mortimer und Dyson 1988). Die mikroskopische Zirkulation (die Strudel und Wirbel) wird als Microstreaming (Elder 1958) oder, nach Kolb und Nyberg (1958) small scale streaming bezeichnet.

Es ist nicht sicher ob eine instabile Kavitation bei den üblichen therapeutischen Dosierungen auftritt, sie wurde in vivo jedenfalls noch nicht nachgewiesen. Tezel und Mitragotri (2003) gehen davon aus, dass bei sog. low frequency ultrasound (20 - 100 kHz) direkt auf der Hautoberfläche an der Grenze zum Stratum Corneum eine instabile Kavitation abläuft. Auf Grund dieser instabilen (inerten) Kavitation würden Mikrojets entstehen. Die Kombination Implosionen - Mikrojets würde die Permeabilität des Stratum Corneum vergrößern. Diese Untersucher haben berechnet, dass pro cm² etwa 1 bis 10 solche Jets entstehen, wobei die Flüssigkeit bis auf 50 - 150 m/s (180 bis 540 km/h!) beschleunigt wird.

Eine instabile Kavitation kann, wie bereits histologisch und makroskopisch in vitro durch Frenkel und Mitarbeiter 1999 bei Fischen nachgewiesen wurde, bei genügend hoher Dosierung zu Zellzerstörungen führen. Frenkel et al arbeiteten mit 1 MHz US, statisch subaqual angewendet, ERA 10 cm², 0,5 bis 1,0 W/cm², Distanz Schallkopf-Fischkopf 15 cm. Nach 90 Sekunden Beschallung mit 0,75 W/cm² waren mikroskopisch geringfügige Schädigungen in der obersten Hautschicht nachweissbar. Eine thermische Wirkung wurde ausgeschlossen, bei der Verwendung von entgastem Wasser traten die Effekte nicht auf, es war also Kavitation im Spiel. Betrachtet man diese Ergebnisse im Licht der Messungen von Ward und Robertson (1995, 1996, siehe weiter unten) stellt sich die Frage wieviel Schallenergie nach 15 cm überhaupt noch beim Fisch ankam und inwiefern der Kopfhaut eines Fisches mit der menschlichen Haut vergleichbar ist.

Ankopplungsmedien

Direkte Ankopplung

Damit der Schall überhaupt auf das Gewebe übertragen wird, benötigt man eine Ankopplungs-Substanz. Der Schall würde sonst am Schallkopf-Luft-Übergang zu 100% reflektiert werden (die Schallkennimpedanz von Aluminium ist 34600 Mal so groß wie die von Luft). Man benutzt in der Regel eine spezielle Substanz (z.B. Aquasonic®), die auch elektrisch leitet. Dadurch werden, falls man das möchte, Kombinationen von Ultraschall mit verschiedenen Elektrotherapien möglich, sog. Simultanverfahren.

Für SimultanverfahrenVerfahren gibt es weder eine physiologische Basis noch klinische Beweise dafür, dass diese Methode effektiver wäre als die separate Anwendung von Ultraschall und zum Beispiel TENS (Royer et al 2018, Sangtong et al 2019, ). Es wird deshalb nicht auf das Verfahren eingegangen.

Pharmazeutische Gels eignen sich auch zur Ankopplung. Bei der sog. Sonophorese (Anmerkung: auf Sonophorese wird im Buch ausführlich eingegangen) wird mittels Ultraschall ein Medikament lokal durch die Haut eingeschleust. Dazu kann man das Medikament mit normalem Schallgel 1:1 mischen (Myrer et al 2001) oder nur den pharmazeutischen Gel verwenden (Cage et al 2013). Salben absorbieren wegen des hohen Fettgehaltes sehr viel Schall und sind deshalb als Ankopplungsmittel völlig ungeeignet (Ashton et al 1998, Cameron und Monroe 1992, Cage et al 2013).

Falls man Ultraschall zur lokalen Erwärmung einsetzen möchte, sollte man dazu unbedingt einen normalen Ultraschallgel benutzen. Selbstverständlich sollte das Ankopplungsmittel eine angenehme Temperatur haben.

PRAXISTIPP: Die Temperatur des Ankopplungsmittels ist nicht unwichtig! Oshikoya et al (2000) fanden heraus, dass zu kalten (18°C) oder zu warmen (39°C) Gel den in vivo gemessenen Temperaturanstieg eher negativ beeinflusste. Die Messungen fanden an 18 gesunden jungen Männern statt. Diese bekamen eine Temperatursonde auf 5 cm Tiefe in der Wade gesteckt. Das beste Ergebnis erreichten die Untersucher mit einem 25°C warmen Gel (Temperaturanstieg 39,8°C nach 10,63 Minuten auf 5 cm Tiefe, 1 MHz, BNR 4:1, ERA 4,1cm², Gerät war kalibriert). Mit dem 18°C Gel wurde -mit dem selben Gerät- nach 12,96 Min eine Temperatur von 38,9°C erreicht, mit dem 39°C Gel nach 11,12 Min war das Gewebe auf 38,82°C erwärmt. Zu kalt und zu warm bremsten demnach den Temperaturanstieg. Nicht viel aber immerhin.

Wasser

Wasser wird gerne als Medium zur indirekten Ankopplung benutzt bei der sog. subaqualen Anwendung von Ultraschall, insbesondere wenn das Behandlungsfeld holperig ist oder klein wie bei Handpatienten oder um das obere Sprunggelenk herum. Das Problem ist aber, dass Wasser bei Weitem nicht so gut leitet wie man meinen würde (Robertson und Ward 1995, 1996, Draper et al 1993). Wenn man die Methode dennoch anwenden möchte gibt es einiges zu beachten.

Man nehme, wie Robertson und Ward 1995 und 1996, mehrere Schweinshaxen und platziert dieselben unter genau festgelegten Bedingungen in einem Wasserbehälter, steckt in den Haxen ein Thermoelement und man beschalle. Das es hier um totes Gewebe ging ist unerheblich, der kühlende Kreislauf hätte das Resultat nur deutlicher gemacht.

Ergebnis: Nimmt man die mit 0 cm Behandlungsdistanz (also direkt-kontakt) gemessene Temperaturzunahme im Gewebe als 100% Wert, beträgt die Temperaturzunahme im Gewebe mit dem Schallkopf auf 1 cm Abstand 69% davon, auf 2 cm 56%, und auf 4 cm nur noch 44% des Ausgangswertes (Robertson und Ward 1996).

Robertson empfiehlt deshalb zur Bestimmung der gewünschten Intensität einen Dosierungsfaktor zu benutzen. Die Intensität sei um diesen Faktor zu erhöhen: um den Faktor 1,3 auf 1 cm, 1,59 auf 2 cm, 2,07 wenn auf 4 cm Distanz beschallt wird. Oder, etwas einfacher: Direkter Kontakt = 0 cm = 0 Anpassung, 1 cm Abstand = 30 % höher, 2 cm = 55 % höher und bei 3 cm = 80 % höher dosieren .

Von der Behandlung auf 4 cm Abstand wird abgeraten, da sich bei den notwendigen hohen Einstellungen rasch Kavitationsblasen auf den Schallkopf bilden und diese behindern die Energieabgabe in hohem Maße. Man könnte zwar abgekochtes und unter Verschluss abgekühltes Wasser verwenden. Wenn man das Wasser nicht unter Verschluss hält nimmt es wieder Gas auf (Stickstoff, Sauerstoff usw.) und der Aufwand war umsonst. In einer zweiten Untersuchung haben die Autoren die Richtigkeit dieser Faktoren übrigens deutlich bestätigt (Ward und Robertson 1996).

Jeder der mal subaqual behandelt hat weiss, wie schwierig es ist den Abstand zum Zielgewebe konstant zu halten.

Draper et al haben 1993 bei 20 Personen auf 3 cm Tiefe in der Wade Temperaturmessugen durchgeführt während einer Ultraschallapplikation (1,5 W/cm², 1 MHz, 10 Minuten, Gerät war kalibriert, ERA 5 cm²). Bei 10 Probanden wurde mit dem Schallkopf mittels Gel normal direkt auf der Haut kontakt gemacht, bei 10 anderen wurde subaqual behandelt mit einem konstanten Abstand Schallkopf-Wade von 1 cm. Die Gel-Gruppe erreichte nach 10 Minuten eine Temperatur von durchschnittlich 40,3°C, die Subaqual-Gruppe erreichte lediglich 37,5°C. Die Anfangstemperatur betrug 35,5°C. Fast 4°C Differenz wegen 1 cm! Laut Robertson hätte man die Intensität auf 1,95W/cm² erhöhen müssen : 30 % plus.

Außerdem ist zu beachten, dass Becken aus Metall Schall reflektieren und Kunststoff-Becken Schall absorbieren. Robertson konnte 1995 zeigen, dass die Temperatur im obenerwähnten 45mm dickes Stück Schweinefleisch um 50% mehr anstieg bei Verwendung eines Metallbeckens als bei Ultraschall in einem Kunststoffbecken (2 cm Abstand, 1 MHz, ERA 5 cm², 1W/cm², statisch behandelt während 40 Min). Dies sehr wahrscheinlich wegen den vielen Reflexionen im Metallbecken. Die obenerwähnte Dosierungsfaktoren wurden in Kunststoffbecken ermittelt. Das bedeutet, dass die Dosierung bei Verwendung eines Metallbeckens irgendwie angepasst werden muss und dazu fehlen leider die Daten. Also bitte Plastikbecken verwenden.

Für den Therapeuten ist es empfehlenswert die Hand nicht (zu lange) im Wasser zu halten. Dies kann auf Dauer zu unangenehme Sensationen führen, manche Kollegen und Kolleginnen bekommen mit der Zeit sogar richtig Schmerzen in den Fingern. Zur Vermeidung solcher Irritationen kann man einen dicken Küchenhandschuh tragen. Die Luft im Handschuh verhindert eine Schallpenetration. Dünne enganliegende Latexhandschuhe können den Schall leiten.

Gel-Pads

Eine recht elegante Ankopplungsart stellt die Verwendung von speziellen Gel-Pads dar (Merrick et al 2002). Diese 1 bis 2 cm dicke, aus polyacrylamide hergestellte Einmal-Pads werden in Situationen eingesetzt bei der ein direkter Kontakt vermieden werden sollte, zum Beispiel bei der Wundbehandlung. Sie können selbstverständlich auch in holperigen Bereichen, wie bei den MCP-Gelenken, eingesetzt werden. Wenn mann bei der Wundbehandlung zwischen Pad und Wunde etwas sterile physiologische Kochsalzlösung oder steriler Schallgel appliziert verbessert dies die Schallübertragung. Hierbei ist die Bildung von Luftblasen unbedingt zu vermeiden. Bei einer normalen Behandlung kommt zwischen Haut und Pad und Pad und Schallkopf wie üblich etwas Gel, also Haut-Gel-Pad-Gel-Schallkopf (Bishop et al 2004).

Achtung Die Schallübertragung mit Pads ist nicht gleich wie mit normalem Gel, Bishop et al fanden zum Beispiel auf 1cm Tiefe, posterolateral am Sprunggelenk, auf halbem Wege zwischen den lateralen Malleolus und die Achillessehne, nach 10 Minuten Schall bei der Anwendung von Gel einen Temperaturanstieg von 7,72°C, beim Pad ohne Gel 4,98°C und die Kombination Gel-Pad-Gel 6,68°C (1 W/cm², 3 MHz, ERA 4cm², BNR 3:1, n=18, je 3 Messungen).

Latex-Handschuhe

Lima et al haben 2017 geprüft ob wassergefüllte Latex und Nitril Handschuhe sich eignen als kostengünstige Pads für die Ultraschallbehandlung. Dazu wurde im Labor untersucht wieviel Schallenergie durch mit entgastem demineralisiertem Wasser gefüllten Handschuhe aus Latex und Nitril hindurch kam. Die Untersucher erwähnen leider nicht, ob sie zwischen Schallkopf und Handschuh einen Ultraschallgel verwendet haben. Trotzdem waren die Ergebnisse sehr gut, der Energieverlust war nie mehr als 0,5 W/cm². Die verwendete Handschuhe hatten eine Stärke von 12 µm, also 0,012 mm. Selbstverständlich können auch mit Wasser gefüllte Kondome verwendet werden. Diese gibt es in verschiedenen Stärken, von 45 µm bis 105 µm, also deutlich dicker als die erwähnten Handschuhe.

Damit durch Kavitation keine Luftblasen entstehen muss das Wasser vorher abgekocht werden und mann sollte vor dem Verschließen so viel wie möglich Luft aus dem Handschuh herausdrücken da Luft die Schallenergieübertragung stark behindert. Dies erfordert einiges an Geschick und sollte geübt werden bevor man dies im Beisein eines Patienten macht. Plastikbeutel mit einem sog. Zip-lock-Verschluss sind einfach zu verschließen aber möglicherweise zu dick. Literatur dazu gibt es keine.

Achtung: Steiss und Adams haben 1999 untersucht wie stark Luft zwischen Schallkopf und Haut die Penetration behindert. Die Autoren haben bei Hunden im M. bizeps femoris auf 5 und 10 cm Tiefe den Temperaturanstieg während einer Ultraschallbehandlung gemessen. Parameter : Intensitäten gestuft 0,5 bis 2,0 W/cm², 10 Minuten, 1 MHz, Dauerschall. Ergebnisse : Temperaturanstieg auf 5 cm Tiefe bei rasiertem Behandlungsareal > 1,6°C . Unrasiert : Anstieg auf 5 cm Tiefe zwischen 0,4°C und 0,7°C, je nach Haarlänge. Im Fell wurden Anstiege von 8,3°C (kurzhaar) bis zu 22,2°C (langhaar) gemessen! Haare sind hohl und enthalten Luft. Bitte rasieren, nicht nur bei Hunden.

Bei der Wundbehandlung mit dieser Methode sollte die Wunde zur besseren Ankopplung mit sterilen Kochsalzlösung oder sterilen Gel benetzt werden. Um die Übertragung zu optimieren sollte zwischen den Schallkopf und den Handschuh (Kondom) Ultraschallgel appliziert werden. Bei intakter Haut kommt Gel auf die Haut. Der Schallkopf wird nun mit soviel Druck auf den Handschuh gehalten, dass etwa 1 cm zwischen den Kopf und die Haut verbleibt. Man kann den Kopf nun bewegen ohne über den Handschuh zu gleiten, nur indem man das Gebilde deformiert, oder man fährt mit dem Schallkopf wie üblich über die Oberfläche. Unbedingt beachten, dass der Kopf immer senkrecht zum Gewebe gehalten wird da sonst der Schall reflektiert wird!

Vorsichtsmaßnahmen

Zwei Sachen sollte man bei der Anwendung von Ultraschall besonders beachten. Und zwar die obligatorische regelmäßige Eichung des Geräts und die Hygiene.

Eichung

Das die Geräte geeicht werden müssen wurde bereits erwähnt. Wir sind dazu gesetzlich verpflichtet. Es gibt zu diesem Zweck sehr gute und teuere Geräte. So teuer, dass normalerweise nur die Hersteller und die staatlich anerkannte Eichstellen über ein solches Gerät verfügen.

Auf Anfrage bei der offiziellen Eichinstanz in der Schweiz -das Eidgenössische Institut für Metrologie in Bern- was denn so eine Eichung eines Schallkopfes kosten würde, bekam der Autor die Antwort, dass es sinnvoller sei im Falle eines heruntergefallenen Schallkopfes einfach den Kopf zu ersetzen. Das sei billiger.

Es gibt aber sehr einfache sog. Ultraschall-Waagen (Abbildung) die den Schalldruck messen. Dazu wird der Schallkopf oben auf eine wassergefüllte Weckflasche positioniert. In der Flasche befindet sich ein Konstrukt mit einer dünnen Metallplatte und Hebeln. Der Ultraschall trifft auf die Platte und Letztere setzt die Hebel in Bewegung und dies führt dazu, dass ein Zeiger auf eine Skala die Schallenergie anzeigt. Die Methode ist geeignet um rasch und kostengünstig grob zu überprüfen ob überhaupt Schall aus den Kopf rauskommt. Mehr aber auch nicht. Wie das Schallbündel aussieht, ob die Schallenergie einigermaßen gleichmäßig verteilt ist, ob vielleicht die Hälfte vom Element kein Schall produziert, weiss man nicht. Falls also ein Schallkopf heruntergefallen ist, sollte man sich und seinen Patienten den Gefallen tun und den Schallkopf ersetzen. Man will ja nicht als Betrüger dastehen.

Eine einfache Ultraschall-Waage. Erklärung siehe Text

Hygiene

Die Hygiene ist ein leidiges Thema. Physiotherapeuten in Krankenhäuser sind außerordentlich mobil und sind bestätigte Vektoren für die Verbreitung von nosokomiale Infektionen (Crowcroft et al 1996). Hier spielen sehr viele Faktoren mit, eine davon ist der Umgang mit Elektrotherapie-Geräten (Lambert et al 2000, Schabrun et al 2006, Schabrun und Chipchase 2006).

Nicht selten stehen diese Geräte an einer bequemen Stelle wo jedermann (inklusive Patienten) dran vorbei läuft, man möchte ja nicht jedesmal die Strecke zum Geräteraum zurücklegen. Außerdem werden die Geräte selten zugedeckt, jeder kann dran rumfummeln. (Und dann steckt auch noch der Schlüssel im Laser-Gerät.)

Die Mär, dass man Schallköpfe nicht mit Alkohol reinigen soll, hält sich hardnäckig. Das.Stimmt.Nicht. Das gilt nur für Schallköpfe für die Sonographie. Die haben nämlich vorne dran eine Art Filter, dass wirklich nicht mit Alkohol gereinigt werden darf. Dazu gibt es spezielle Wipes. Ältere Köpfe sind besonders heikel (Abbildung). Da kann sich im Rand an der Vorderseite so einiges ansammeln. Moderne Schallköpfe sind zum Glück anders konstruiert.

Älterer Schallkopf, beachte den Rand: ganz schön schwer zu reinigen





Neueres Modell Schallkopf, einfache Reinigung (mit 70% Alkohol!)

Die Kultur von Burkholderia cepacia im Bild unten stammt übrigens aus einer kleinen Praxisflasche mit US-Gel, die bequemerweise aus einem großen Behälter in der Klinik-Apotheke eines größeren Krankenhauses nachgefüllt wurde. Überall in der Klinik, wo dieses Gel benutzt wurde hat man aus den selben kontaminierten Kontainer gezapft: die Orthopädie, die Rheumatologie, die Gynäkologie ... Burkholderia ist ein sehr zähes, multiresistentes Bakterium, das überall im Erdreich vorkommt und eine Zwiebelkrankheit verursacht. Jeder von uns hat es an den Schuhen. Bei Mucoviszidose-Patienten verläuft eine Infektion mit BC nicht selten tödlich. Es versteht sich, dass man sofort nach diesem Ergebnis umgestiegen ist auf einzelne kleine Gel-Flaschen. Etwas teuerer, aber weniger teuer als eine nosokomiale Infektion im Krankenhaus, die kostet rasch mal 3000€ (Pittet et al 2000). Das Problem mit dem US-Gel ist leider ziemlich verbreitet (Oleszkowicz et al 2012). Es lohnt sich wirklich im Rahmen eines Qualitäts- bzw. Risikomanagements regelmäßig Kontrollen durchzuführen.

Burkholderia cepacia