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Österreichische Gesellschaftfür Orthopädie undOrthopädische Chirurgie

Offizielles Organ derÖsterreichischen Gesellschaftzur Erforschung des Knochens undMineralstoffwechsels Krause & Pachernegg GmbH

Verlag für Medizin und Wirtschaft,

A-3003 Gablitz

Österreichische Gesellschaftfür Rheumatologie

Physikalische Grundlagen der

extrakorporalen Stoßwellentherapie

Wess O

Journal für Mineralstoffwechsel

2004; 11 (4), 7-18

J. MINER. STOFFWECHS. 4/2004 7

Stoßwellen treten in der Atmosphäre bei explosionsartigverlaufenden Vorgängen auf, z. B. bei der Detonation von

Sprengstoff, bei Blitzschlag oder wenn Flugzeuge die Schall-mauer durchbrechen. Stoßwellen sind akustische Wellen,die gekennzeichnet sind durch hohe Druckamplitudenund einen abrupten Anstieg der Drücke gegenüber demUmgebungsdruck. In der Atmosphäre sind Stoßwellen alslaute „Knallwellen“ direkt mit dem Gehör wahrnehmbar.Sie können kurzzeitig Energie vom Ort der Erzeugung aufentfernte Gebiete übertragen und dort z. B. Fensterscheibenzerspringen lassen. Ende der 1960er Jahre kam die Ideeauf, Stoßwellen außerhalb des Körpers zu erzeugen und inden menschlichen Körper einzuleiten, um Körperkonkre-mente wie Nieren- und Gallensteine berührungslos vonaußen zu zertrümmern. Das Verfahren wurde von der FirmaDornier in den 1970er Jahren in Deutschland entwickeltund ist mit der ersten erfolgreichen Steinzertrümmerungbeim Menschen im Jahr 1980 [1, 2] zur Methode der Wahlbei fast allen Nierensteinen und Steinen in verschiedenenBereichen des Harnleiters geworden. Mit extrakorporal er-zeugten Stoßwellen steht der Medizin heute ein Werkzeugzur Verfügung, mit dem auf nicht-invasivem Wege, alsoohne die Körperoberfläche des Patienten zu verletzen,therapeutisch wirksame Energien gezielt und lokalisiert inden Körper eingebracht werden können.

Anfänglich stand die Zertrümmerungswirkung der Stoß-wellen im Körper im Vordergrund des Interesses. Nach dererfolgreichen Zertrümmerung von Nierensteinen wurdedas Verfahren mit unterschiedlichem Erfolg auf Steine inder Gallenblase [3], im Gallengang [4], in der Bauchspei-cheldrüse [5] sowie in den Speichelgängen [6–8] ausge-dehnt.

Auf Grund der außerordentlich guten Erfolge in derNierensteintherapie lag es nahe, Stoßwellen auch in ande-ren Bereichen, z. B. zur Auflösung von Kalkdepots in derSchulter [10] oder an Sehnenansätzen [11], einzusetzen.Obwohl wegen der meist weichen Konsistenz der Kalk-depots im Vergleich zu den harten und brüchigen Körper-steinen ein direkter Zertrümmerungseffekt von Fachleutenkaum erwartet werden konnte, waren die Behandlungenerfolgreich. Es hat sich überraschenderweise eine neueWirkung der Stoßwellen auf lebendes Gewebe, nämlichdie Initiierung von Heilungsprozessen durch einen verbes-serten Stoffwechsel und eine gesteigerte Durchblutunggezeigt. Heute werden Stoßwellen zur Behandlung vonPseudarthrosen [12, 13] und sogar in der Kardiologie zurBehandlung der Angina pectoris eingesetzt [14].

Stoßwellen in der Medizin

Medizinisch genutzte Stoßwellen werden außerhalb desKörpers erzeugt und ohne Verletzung der Haut in den Körpereingeleitet. Um beim Übergang in den Körper Reflexions-verluste weitgehend zu vermeiden, darf die Stoßwelle nichtin Luft, sondern in einem Medium mit ähnlichen akusti-schen Eigenschaften wie jenen des menschlichen Gewebeserzeugt werden. Hier bietet sich die Erzeugung in einemWasserbad an, das direkt oder mittels einer Koppelmem-bran mit der Haut des Patienten in Kontakt gebracht wird.

Trotz ihrer Verwandtschaft zum Ultraschall unterscheidensich Stoßwellen vom Ultraschall im wesentlichen dadurch,daß die Druckamplituden in einem sehr hohen Bereichliegen, in dem Aufsteilungseffekte in Folge von Nicht-linearitäten des Ausbreitungsmediums (Wasser, menschli-ches Gewebe) berücksichtigt werden müssen. Darüber hin-aus handelt es sich beim Ultraschall meist um periodischeSchwingungen mit limitierter Bandbreite, wohingegenStoßwellen durch einen einzigen überwiegend positiven

Physikalische Grundlagen der extrakorporalenStoßwellentherapie

O. Wess

Extrakorporal erzeugte Stoßwellen wurden erstmals 1980 zur Zertrümmerung von Nierensteinen eingesetzt und sind seitdem zur Methode der Wahlbei den meisten Steinen in Niere und Harntrakt geworden. Neben der Anwendung in der Lithotripsie werden Stoßwellen seit den 1990er Jahrenzunehmend für eine Reihe von Indikationen im muskuloskelettalen Bereich mit Erfolg angewendet. Stoßwellen sind eine Form mechanischer Energie,die ohne Verletzung der Körperoberfläche durch die Haut in den Körper eingeleitet und in vorherbestimmten Tiefen zur Wirkung gebracht werdenkönnen. Erzeugt werden Stoßwellen in der Medizin durch elektrohydraulische, piezoelektrische oder elektromagnetische Verfahren. Je nach Anwen-dungsbereich wird die Energie mit Hilfe von akustischen Linsen oder Reflektoren fokussiert und mit Hilfe von bildgebenden Verfahren auf Zielgebieteim Körper gerichtet. Zur Charakterisierung der Stoßwellenfelder werden die Parameter Druck, Energie, Energieflußdichte und verschiedene Definitio-nen für die Fokus- und Behandlungszone verwendet. Neben der mechanischen Kraftentfaltung an akustischen Grenzflächen wird auch im GewebeKavitation erzeugt, die sekundär zu nadelstichartigen Belastungen von Grenzflächen führt. Auf Grund dieser Krafteinwirkungen sind einerseits Fragmenta-tionseffekte an spröden Materialien (z. B. Nierensteine) oder auch stimulierende Effekte wie Erzeugung von Aktionspotentialen an Nervenzellen undbiologische Reaktionen durch Freisetzung verschiedener Stoffe zu verzeichnen. Obwohl speziell die biologischen Wirkungsmechanismen weitgehendunbekannt sind, wird die Stoßwellentherapie erfolgreich zur Steigerung der Blutversorgung und von Stoffwechselprozessen eingesetzt. Letztendlichwerden darüber dauerhafte Heilungsprozesse angeregt.

Extracorporeally generated shock waves were first used for kidney stone fragmentation in 1980. They became the method of choice for mostkidney and ureteral stones. More than 10 years later shock waves were successfully utilized for treatment of several musculoskeletal diseases. Shockwaves are mechanical waves passing the surface of a body without injury and may act therapeutically in predetermined areas within the body. Shockwave generation makes use of three different principles – electrohydraulic, piezoelectric and electromagnetic. They are focused by aid of sphericalarrangements, acoustical lenses or reflectors. For targeting of distant treatment areas within the body ultrasound or x-ray localization devices are used.Important parameters are pressure, energy, energy flux density and different definitions for focal and treatment areas. Beside mechanical effects onacoustic interfaces cavitation bubbles are generated which in turn cause needle like punctures at interfaces. Due to both effects fragmentation of brittlematerial like kidney stones and stimulating effects like generation of action potentials of nerve cells take place. Biological reactions of liberation ofdifferent agents are reported. Shock waves are successfully applied to increase local blood circulation and metabolism although the biological workingmechanism is still not completely known. Final healing is considered due to these effects. J Miner Stoffwechs 2004; 11 (4): 7–18.

Korrespondenzadresse: Dr. Othmar Wess, Storz Medical AG, Untersee-straße 47, CH-8280 Kreuzlingen, E-mail: wess@storzmedical.com

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Druckpuls dargestellt werden, dem vergleichsweise gerin-ge Zuganteile folgen (Abb. 1, 2). In einem solchen Pulssind Frequenzen von einigen Kilohertz bis mehr als 10Megahertz enthalten.

Erzeugungsmechanismen von Stoßwellen

Elektrohydraulische StoßwellenerzeugungDas zunächst bei der Firma Dornier entwickelte Verfahrennutzt, ähnlich wie beim Blitzschlag, eine energiereicheelektrische Entladung über eine Funkenstrecke, die ausden genannten Gründen im Wasserbad gezündet wird(Abb. 3, 4).

Ein mit ca. 20 Kilovolt (kV) aufgeladener Kondensatorwird durch einen schnellen Hochspannungsschalter mitzwei im Abstand von ca. 1 mm angeordneten metallischenElektroden verbunden. Wiederum vergleichbar mit einemBlitzschlag in der Atmosphäre entwickelt sich zunächstein dünner Strompfad, der die beiden Elektroden mitein-ander verbindet. Sobald die Leitfähigkeit zwischen denElektroden hergestellt ist, wird durch den lawinenhaft an-steigenden Strom der Stromkanal rapide aufgeheizt. Es bil-det sich ein heißes Plasma aus, das sich über die erstenMillimeter mit Überschallgeschwindigkeit explosionsartigausdehnt und die umgebende Flüssigkeit stark komprimiert.Innerhalb weniger Nanosekunden werden Druckspitzen vonmehr als 100 Megapascal (MPa) = 1000 bar erzeugt.

Die Druckstörung breitet sich um den Funken als Ur-sprungsort als sphärische Welle radial in die Umgebungaus und verliert dabei schnell an Intensität. Nach wenigenMillimetern sind die Drücke so weit abgeklungen, daßeine reguläre Ausbreitung ohne Berücksichtigung vonNichtlinearitäten erfolgt. Für viele Indikationen ist eineWirkung tief im Körper, entfernt vom Erzeugungsort, ge-wünscht, wie z. B. bei der Zertrümmerung von Nierenstei-nen. Hierzu fokussiert man die Stoßwellen mit Hilfe einesellipsoidförmigen Reflektors, in dessen erstem Brennpunktder Unterwasserfunke erzeugt wird. Eine entsprechende An-ordnung wurde bereits 1947 von Frank Rieber zur Behand-lung von biologischem Gewebe vorgeschlagen (Abb. 5).

Ein wesentlicher Teil der primären sphärischen Wellewird dabei durch Reflexion an der Reflektorfläche in denzweiten Fokus des Halbellipsoides außerhalb des Reflek-tors gelenkt (Abb. 6). Der Stoßwellendruck läßt sich in derUmgebung des zweiten Fokus auf Werte von einigen hun-dert Bar steigern und für therapeutische Zwecke wie dieSteinzertrümmerung verwenden. Mit Hilfe der Fokussie-rung lassen sich das Therapiegebiet lokal begrenzen undNebenwirkungen weitgehend vermeiden.

Ein Nachteil der Erzeugung von Stoßwellen durch Un-terwasserfunken besteht darin, daß der Funkensprung unddamit der Ort der Stoßwellenentstehung auf Grund vonstochastischen Schwankungen räumlich variiert und dasElektrodenmaterial abschmilzt. Nach wenigen tausend

Abbildung 1: Zeit-Druck-Profil einer Stoßwelle. Der Anstiegauf den Spitzendruck (p+) erfolgt in wenigen Nanosekun-den (ns). Die Spitzendrücke liegen bei ca. 10–150 Mega-pascal (MPa). Die Pulsdauer beträgt ca. 500 ns. Charakte-ristisch ist der geringe Zuganteil (p-), der auf ca. 10 % desSpitzendruckes beschränkt ist.

Abbildung 4a: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Funkenentladung(Bildfolgefrequenz 2 x 105 Bilder pro Sekunde). Der Funkendurchbrucherfolgt in Bild 2 der oberen Reihe. Anschließend erfolgt die Ausbildungeiner Plasmablase. Eine Stoßwelle ist noch nicht zu erkennen. Sie hat sichbereits zwischen dem zweiten Bild der ersten Reihe und dem zweitenBild der zweiten Reihe abgelöst.

Abbildung 2: Im Vergleich zur Stoßwelle ist Ultraschalldurch eine periodische Schwingung mit begrenzter Dauerdargestellt.

Abbildung 3: Elektrodenspit-zen zur Erzeugung elektro-hydraulischer Stoßwellendurch Unterwasserfunken-entladung.

Abbildung 4b: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Funkenentladung(Bildfolgefrequenz 107 Bilder pro Sekunde). Die um den Faktor 50 ver-größerte Bildfrequenz zeigt die Ausbreitung der sphärischen Stoßwelle

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Schuß müssen die Elektroden durch neue ersetzt werden.Ein Beispiel für einen irregulären Funkensprung (Quer-schläger) ist in Abbildung 7 dargestellt. In der Folge davon

sind von Schuß zu Schuß erhebliche Druckschwankungenin der Fokuszone zu beobachten (Abb. 8).

Erschwerend kommt hinzu, daß elektrohydraulisch er-zeugte Stoßwellen gerade in den niedrigen Druckeinstel-lungen, wie sie häufig für orthopädische Anwendungen ver-langt werden, weniger gut dosierbar sind und zum Teil alssehr schmerzhaft und laut empfunden werden. Die Ursachedafür ist die Ausdehnung der Plasmablase auf Werte voneinigen Zentimetern. Innerhalb von 2–3 Millisekunden nachAblösung der eigentlichen Stoßwelle wird ein Volumenvon einigen Kubikzentimetern Wasser explosionsartig ver-drängt und gefolgt von einem rapiden Kollaps. DieserVorgang wird als explosionsartiges Geräusch wahrgenom-men. Der zeitliche Ablauf der elektrohydraulischen Stoß-wellenerzeugung ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 5: Amerikanisches Patent (Rieber) von 1951. Es zeigt bereits das Prinzip derelektrohydraulischen Stoßwellenerzeugung und die geplante Anwendung auf biologischeGewebe.

Abbildung 6: Prinzip der Stoßwellenfokussierung durchein Rotationsellipsoid. Die primäre, divergente, sphärischeStoßwelle wird im ersten Fokus F1 erzeugt und durchReflexion in eine konvergente Kugelwelle transformiert,die sich im zweiten Fokus F2 konzentriert. Neben derfokussierten Welle läuft ein Teil der primären Welle weiterdivergent aus dem Reflektor.

Abbildung 7: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer irregulären Funken-entladung (Bildfolgefrequenz 2 x 10 5 Bilder pro Sekunde). Man erkenntdie Ausbreitung einer gebogenen, schlauchförmigen Plasmablase. DieUrsache dafür ist ein Funken, der nicht den direkten Weg zwischen denElektrodenspitzen nimmt, sondern seitlich an den Elektroden ansetzt.Wegen der Abweichung von der sphärischen Geometrie ist eine präziseFokussierung durch ein Rotationsellipsoid nicht mehr gewährleistet.

Abbildung 8: Druckmessung im zweiten Fokus eines elektrohydraulischenStoßwellengenerators. Auf Grund der stochastischen Schwankungen beider Erzeugung der Stoßwellen im ersten Fokus schwankt der Stoßwellen-druck im zweiten Fokus von Stoßwelle zu Stoßwelle.

Abbildung 9: Die Phasen der elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugungsind auf der Zeitachse dargestellt. Nach Anlegen der Hochspannung andie Elektrodenspitzen entwickelt sich zunächst mit Verzögerung ein sog.„Leader“, der den Weg des Funkens bestimmt. Sobald eine leitende Ver-bindung zwischen den Spitzen besteht, fließt die gespeicherte elektrischeEnergie über den Funken und heizt die Strecke explosionsartig auf. Nurunmittelbar nach dem Durchbruch dehnt sich die Blase mit Überschall-geschwindigkeit aus (ca. 2000 m/s). Sobald die Ausbreitung der Plasma-blase unter die Schallgeschwindigkeit (ca. 1500 m/s) sinkt, löst sich dieStoßwelle von der Blase ab. Unabhängig von der Stoßwelle dehnt sichdie Blase weiter aus und kollabiert nach ca. 3 Millisekunden (ms), langenachdem die Stoßwelle sich abgelöst hat.

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Nach den überwältigenden Erfolgen der Stoßwellen-lithotripsie von Nierensteinen lag es deshalb nahe, nachalternativen Verfahren der Stoßwellenerzeugung zu su-chen, die die genannten Nachteile des elektrohydrauli-schen Verfahrens nicht aufweisen.

Piezoelektrische StoßwellenerzeugungAus der Ultraschalltechnik sind elektroakustische Schall-wandler bekannt, die unter Verwendung des Piezo-Effekteseine stoßförmige Auslenkung erfahren, wenn ein Span-nungspuls von einigen Kilovolt (kV) appliziert wird. Ord-net man eine Vielzahl piezoelektrischer Elemente auf einerKugelkalotte an, können diese durch eine synchrone Anre-gung in Richtung auf das Zentrum der Kalotte ausgelenktwerden. Damit breitet sich eine konvergente sphärischeWelle aus, die auf ihrem Weg ins Zentrum ihre Druckam-plitude auf therapeutisch wirksame Werte steigert. Andersals bei dem elektrohydraulischen Verfahren kann man vonStoßwellen im vorher definierten Sinne erst im Bereich derFokuszone, also im Zentrum der Kalotte sprechen, da hierauf Grund der hohen Druckamplitude Nichtlinearitäten zueiner gewissen Aufsteilung führen.

Piezoelektrische Systeme (Abb. 10) besitzen eine hoheWiederholgenauigkeit und eine gute Dosierbarkeit auchin niedrigen Energiebereichen. Es werden Drücke von biszu 150 MPa (1500 bar) auf sehr kleinem Raum erreicht.Gegenüber der elektrohydraulischen Technik ist ein häufigerElektrodenwechsel nicht erforderlich. Trotz großflächigerKalotten ist die erzielbare Gesamtenergie der abgestrahl-ten Stoßwelle eher als niedrig anzusehen. Dieser Nachteilwird mit moderneren Systemen teilweise dadurch kom-pensiert, daß Doppelschichten von piezoelektrischenSchallwandlern verwendet werden.

Elektromagnetische StoßwellenerzeugungDas Verfahren der elektromagnetischen Stoßwellenerzeu-gung beruht auf dem physikalischen Prinzip der elektro-magnetischen Induktion, wie sie z.B. bei Lautsprechern ver-wendet wird. Die Anordnung von Spulen und Membranenist dabei so optimiert, daß besonders kräftige und kurzeakustische Impulse entstehen. Zwei verschiedene Konfigu-rationen lassen sich unterscheiden: (1) die Flachspule mitFokussierung durch eine akustische Linse und (2) die Zy-linderspule mit einem Paraboloid-Reflektor.

Bei der Flachspule mit Fokussierung durch eine akusti-sche Linse wird auf einer ebenen Fläche eine spiralförmiggewickelte Spule aufgebracht, die mit einer dünnen Isola-

tionsschicht von einer elektrisch leitfähigen, metallischenMembran getrennt ist (Abb. 11). Wird die Spule von einemkurzen Stromstoß durchflossen, bilden sich um die einzel-nen Windungen der Spule magnetische Felder, die durchdie Isolationsschicht hindurch in die metallische Membraneindringen. Auf Grund des schnellen Stromanstiegs werdenin der Membran Wirbelströme induziert, die ihrerseits miteinem Magnetfeld verknüpft sind, das dem ursprünglichenMagnetfeld entgegengerichtet ist. Hierdurch ergeben sichabstoßende Kräfte, die die Membran von der Spule stoßar-tig in das angrenzende Wasserbad drücken. Die so erzeugteDruckstörung breitet sich als ebene Pulswelle in das Über-tragungsmedium aus, bis sie mit Hilfe einer akustischen Linsein eine konvergente Kugelwelle transformiert wird.

Dieses Verfahren kann ebenso wie das piezoelektri-sche Verfahren auf den Austausch von Elektroden als Ver-brauchsmaterial verzichten und ist ebenfalls gut dosierbar.Die Energieabgabe kann als gut bezeichnet werden. Einengewissen Nachteil kann man darin sehen, daß die Mög-lichkeiten der Fokussierung mittels akustischer Linsen auftechnische Grenzen des Linsenmaterials stoßen. So lassensich nur Stoßwellenquellen mit begrenzten Durchmessernund eingeschränkten Öffnungswinkeln erzeugen, so daßdie Stoßwellenenergie über relativ kleine Hautareale inden Körper eingekoppelt wird. Schmerzen an der Kop-pelstelle sind somit nicht ganz zu vermeiden.

Mit einer zylinderförmigen Anordnung der Spule dage-gen erzeugt man primär eine divergente Zylinderwelle,die mit Hilfe eines speziellen Rotationsparaboloids in einekonvergente Kugelwelle transformiert wird. Ohne Rück-sicht auf technische Begrenzungen des Linsenmaterialslassen sich Reflektoren mit großen Durchmessern und gro-ßer Fokustiefe herstellen, die die primär erzeugten Druck-wellen mit gutem Wirkungsgrad auf die Behandlungszonekonzentrieren (Abb.12). Das Stoßwellenfeld einer elektro-magnetischen Zylinderquelle ist in Abbildung 13 dargestellt.

Auf Grund der großen Öffnungen und des großen Öff-nungswinkels läßt sich die Stoßwellenenergie schmerz-arm über eine große Einkoppelfläche des Körpers verteilenund gleichzeitig eng auf die Fokuszone im Körperinnerenkonzentrieren. Zusätzlich ergibt sich zwanglos die techni-sche Möglichkeit, Ortungsmittel wie Ultraschallschwingeroder Röntgenstrahlengänge auf der Achse des Stoßwellen-kopfes „inline“ zu integrieren, um – falls erforderlich – mithöchstmöglicher Präzision Indikationsgebiete in der Tiefedes Gewebes zu behandeln.

Abbildung 10: Piezoelektrische Stoßwellenerzeugung. Pie-zoelektrische Elemente sind auf einer Kugelfläche ange-ordnet und werden durch einen elektrischen Puls synchronzur Abgabe einer Druckwelle in Richtung auf das Zen-trum der Kugelfläche angeregt. Das Verfahren ist selbst-fokussierend.

Abbildung 11a: Elektromagnetische Stoßwellener-zeugung, Flachspule. Eine flach gewickelte Spulewird mit einer Isolierschicht und einer leitfähigenMembran abgedeckt und durch einen Stromstoßangeregt. Elektromagnetische Kräfte stoßen dieMembran ab und erzeugen so eine Druckstörung,die sich als ebene Welle in das angrenzende Medium(Wasser) ausbreitet.

Abbildung 11b: Mit Hilfe von aku-stischen Linsen wird die ebene Wel-le in eine konvergente Kugelwelletransformiert und in der Therapie-zone konzentriert.

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Für beide elektromagnetischen Stoßwellengeneratorengilt ebenso wie für piezoelektrische Verfahren, daß Stoß-wellen im physikalischen Sinne erst in der Fokuszoneerzeugt werden, wenn die Druckamplituden so hoch ge-worden sind, daß Aufsteilungseffekte durch nichtlineareAusbreitung wirksam werden. Eine Aufsteilung einer Wel-le zu einer Stoßwelle ist in Abbildung 14 dargestellt.

Alle beschriebenen Erzeugungsverfahren finden An-wendung in unterschiedlichen Gerätekonzepten verschie-dener Hersteller.

Ausbreitung von Stoßwellen(Reflexion, Brechung, Streuung)

Als akustische Wellen benötigen Stoßwellen ein Mediumzur Ausbreitung. Bei medizinisch genutzten Stoßwellenhandelt es sich dabei in aller Regel um Wasser, in dem dieStoßwellen außerhalb des Körpers erzeugt und biologi-sches Gewebe, in das sie eingekoppelt werden. DieDruckübertragung findet dabei durch Verschiebung vonMasseteilchen statt, wie in der Abbildung 15 dargestellt ist.

Für die medizinische Anwendung von Stoßwellen istdas Wasserbad deshalb von Bedeutung, weil der Über-

gang zum Körpergewebe ohne signifikante Änderung derakustischen Impedanz erfolgt. Akustische Grenzflächen,an denen sich die akustischen Eigenschaften Dichte (ρ)und Schallgeschwindigkeit (c) ändern, sorgen für eine Ab-weichung von der geraden Ausbreitung der Wellen durchdie aus der Optik bekannten Phänomene, wie Brechung,Reflexion, Streuung und Beugung (Abb. 16, 17). DieseEffekte müssen bei der Anwendung von Stoßwellen amMenschen beachtet werden, um sicherzustellen, daß diegewünschte Energie in der Behandlungszone wirksamwerden kann. Andererseits können diese Eigenschaftenvon Stoßwellen gezielt zur Fokussierung und lokalen Frei-setzung von Energie in bestimmten Körperbereichen ge-nutzt werden.

Abbildung 12: Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung, Zylinderspuleund Paraboloidreflektor. Eine Spule wird um einen Hohlzylinder gewickeltund mit einer Isolierschicht und einer leitfähigen Membran abgedeckt.Ein Stromstoß erzeugt abstoßende elektromagnetische Kräfte, die derGeometrie der Anordnung entsprechend eine zylindrische Druckwellequer zur Zylinderachse abstrahlt. Durch Reflexion am Paraboloidreflektorwird die Welle in eine konvergente Kugelwelle transformiert und in derTherapiezone konzentriert.

Abbildung 13: Schlierendarstellung der Wellenfronten aufeinanderfolgen-der Wellen auf dem Weg vom Reflektor zur Therapiezone.

Abbildung 14: Schematische Darstellung der Aufsteilung einer Wellenfrontauf Grund von Nichtlinearitäten des Ausbreitungsmediums. In Zonenhöheren Drucks läuft die Welle schneller und steilt sich damit zu einerStoßwellenfront auf.

Abbildung 15: Ausbreitung einer Stoßwelle (schematisch) durch Verschie-bung von Teilchen aus der Ruhelage und Zurückfedern in die Ruhelage.Der Unterdruckanteil der Welle erzeugt ein Überschwingen der Teilchen.

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Wie bereits erwähnt ist die Erzeugung von Stoßwellenim Wasserbad oder einem gewebeähnlichen Medium ent-scheidend dafür, daß nicht bereits bei der Einkopplung inden Körper ein großer Teil der Energie durch Reflexion ver-loren geht. Aus diesem Grunde wurde bei dem ersten Ge-rät zur Nierensteinzertrümmerung der Patient in eine mitWasser gefüllte Wanne getaucht. Heutige Geräte arbeitenmit der sog. „trockenen“ Ankopplung, bei der das Wasser-bad über eine flexible Koppelmembran an den Körper an-gelegt wird. Unabhängig davon muß darauf geachtet wer-den, daß keine gashaltigen Organe (Lunge) oder größereKnochenstrukturen vor dem eigentlichen Behandlungsge-biet liegen, die das Zielgebiet vor den Stoßwellen abschir-men und damit die gewünschte therapeutische Wirkungverhindern.

Schließlich muß weiter davon ausgegangen werden,daß auch Weichgewebe (Haut, Fett, Muskeln, Sehnen etc.)nicht akustisch homogen und ohne Grenzflächen sind.Allerdings sind die Unterschiede in den akustischen Eigen-schaften deutlich geringer als beim Übergang von Wasserzu Luft und umgekehrt. Neben Absorption und Reflexiontreten hier wenig kontrollierbare Brechungseffekte auf, diezu geringfügigen Abweichungen von der geradlinigenAusbreitung von Stoßwellen im Körper führen.

Stoßwellenparameter/ Messung von Stoßwellen

StoßwellendruckZur Charakterisierung von Stoßwellen greift man vorwie-gend auf Messungen mit Drucksonden zurück [14]. Dabeiwird eine möglichst kleine Sonde mit hoher Belastbarkeitund breitem Frequenzband gefordert. Wie in Abbildung18 dargestellt, besteht eine Vermessung des Stoßwellenfel-des aus einer Vielzahl von Punktmessungen an verschie-denen Stellen im Stoßwellenfeld.

Bei jeder Messung wird nicht nur der Spitzendruck,sondern das zeitliche Druckprofil mit Anstieg, Spitzen-druck, Pulsdauer, Unterdruckphase etc. gemessen. In einemrecht aufwendigen Verfahren werden aus diesen Daten dieweiteren Parameter des Stoßwellenfeldes berechnet. Einedreidimensionale Druckverteilung in axialer Richtung derStoßwellenausbreitung und senkrecht dazu ist in Abbil-dung 19 dargestellt.

–6 dB-StoßwellenfokusZur gezielten Behandlung von lokal begrenzten Zielen intieferen Gewebeschichten (z. B. Pseudarthrosen, Hüftkopf-nekrosen, Nierensteine) werden Stoßwellen gebündelt,um die gewünschten Effekte entsprechend eingrenzen zukönnen. In der Verdichtungszone werden die höchsten

Abbildung 16: Reflexion und Brechung von Stoßwellen an Grenzflächenmit unterschiedlicher akustischer Impedanz (Dichte ρ x Schallgeschwin-digkeit c).

Abbildung 17: Stoßwellen werden an Hindernissen wie Rippenknochenund Gasblasen gestreut.

Abbildung 18: Stoßwellenfelder werden mit einer Drucksonde vermes-sen, in dem die zeitlichen Druckkurven an verschiedenen Stellen im Feldaufgenommen werden. Alle weiteren Parameter werden aus den Druck-werten berechnet.

Abbildung 19: Druckgebirge in einer Ebene des Stoßwellenfeldes, axialin Richtung der Ausbreitung der Stoßwelle und einer lateralen Richtungdazu.

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Druckwerte gemessen. Entfernt man sich mit der Druck-sonde vom Zentrum der Verdichtung, so fallen die Druck-werte kontinuierlich ab. Auf Grund der physikalischen Ei-genschaften ist keine scharfe Grenze zu ziehen, außerhalbderer die Drücke abrupt auf Null fallen. Deshalb läßt sichauch die Wirkungszone der Stoßwelle nicht durch eine festeräumliche Kontur scharf abgrenzen. Physikalisch definiertman die Fokuszone als den Bereich eines Stoßwellenfel-des, in dem die gemessenen Drücke größer oder gleichder Hälfte des im Zentrum gemessenen Spitzendruckessind (Abb. 20).

Der so definierte Bereich wird auch als –6 dB-Fokusbezeichnet oder mit der Abkürzung FWHM (Full Width atHalf Maximum) beschrieben. Es handelt sich also um einenauf den Spitzendruck bezogenen räumlichen Bereich, derallerdings keine Aussage über die darin enthaltene Energieoder die biologische Wirkung beinhaltet.

5 MPa-TherapiezoneErst zusammen mit einer Energieangabe kann ein Eindruckdavon vermittelt werden, in welchem Bereich die Stoß-welle ihre biologische Wirkung entfaltet. Mit anderenWorten: Der Therapiebereich einer Stoßwelle im Körperwird nicht durch die Größe des (–6dB)-Fokus beschrieben.Er kann größer oder kleiner sein. Aus diesem Grunde wurdeeine weitere Größe definiert, die einen engeren Bezug zurTherapiezone hat und nicht auf Relativgrößen (Bezug zumSpitzendruck im Zentrum), sondern auf eine absolute Größe,nämlich auf den Druck von 50 bar (5 MPa) hat [13]. Dem-entsprechend wurde der 5 MPa-Fokus als die räumlicheZone definiert, in der der Stoßwellendruck größer odergleich 5 MPa beträgt. Unterstellt man, daß es eine gewisseGrenze des Druckes gibt, unterhalb derer eine Stoßwellenicht oder nur geringfügig therapeutisch wirksam ist, sowird diese als Maß genommen und hier mit einer gewis-sen Willkür als 5 MPa angenommen. Selbst wenn dieserWert in Zukunft indikationsabhängig korrigiert werdenmüßte, hat diese Definition den Vorteil, daß sie die Verän-derung der Therapiezone mit der gewählten Energieein-stellung widerspiegelt.

Die unterschiedlichen Zonen und deren Veränderungmit den gewählten Energiestufen sind in Abbildung 21schematisch dargestellt.

Man erkennt, daß die –6 dB-Fokuszone trotz unter-schiedlicher Energieeinstellungen nicht größer oder klei-ner wird. Bei wachsender Energie kann man jedoch davonausgehen, daß die Wirkungszone der Stoßwellen größerwird. Dies kommt in der wachsenden Größe der 5 MPa-Zone zum Ausdruck.

Energie (E)Für die praktische Anwendung ist die Energie der appli-zierten Stoßwelle ein wichtiger Parameter [13]. Man kanndavon ausgehen, daß Wirkungen der Stoßwelle im Gewebenur auftreten, wenn gewisse Energieschwellen überschrit-ten werden. Neben dem zeitlichen Verlauf der Druckwellep(t) (siehe Abb. 1) ist auch die Fläche A entscheidend, inder der Druck gemessen werden kann. Unter Verwendungder akustischen Parameter des AusbreitungsmediumsDichte (ρ) und Schallgeschwindigkeit (c) ergibt sich für dieEnergie die Formel:

E = A/ρc ∫ p(t)dt

Man unterscheidet, ob die Integration des Drucks überdie Zeit nur die positiven Druckanteile (E+) oder auch dienegativen (Zug-) Anteile (Egesamt) erfaßt. Üblicherweise wirdmit E (ohne Index) die Gesamtenergie angeben. Die aku-stische Energie eines Stoßwellenpulses wird in Millijoule(mJ) angegeben. In der Regel werden pro Behandlung einigeHundert oder Tausend Stoßwellenpulse abgegeben, so daßsich die insgesamt abgegebene Energie durch Multiplikationmit der Pulszahl ergibt.

Energieflußdichte (ED)Es wurde oben bereits erwähnt, daß es bezüglich der the-rapeutischen Wirkung von Stoßwellen nicht gleichgültigsein kann, ob sich die Energie der Stoßwelle über eine gro-ße Fläche verteilt oder ob sie auf eine enge Therapiezonekonzentriert wird. Ein Maß für die Konzentration der Ener-gie erhält man, indem man die Energie pro Fläche (E/A)ermittelt:

ED = E/A = 1/ρc ∫ p(t)dt

Die Energieflußdichte ED wird in Millijoule pro Qua-dratmillimeter (mJ/mm2) angegeben. Auch für die Energie-flußdichte gilt, daß man zwischen der Integration über denpositiven Teil der Druckkurve oder auch den negativen Teilunterscheidet [13]. Ohne Angabe (ED) wird üblicherweise

Abbildung 20: Darstellung des –6 dB-Fokus (definiert durchden Bereich oberhalb des halben Spitzendrucks) und der 5MPa-Behandlungszone (definiert durch Spitzendrücke größerals 5 MPa).

Abbildung 21: –6 dB-Fokus im Vergleich zur 5 MPa-Therapiezone bei verschiedenenEnergieeinstellungen niedrig, mittel und hoch. Trotz unterschiedlicher Energieinhaltebleibt der –6 dB-Fokus nahezu unverändert. Der 5 MPa-Therapiefokus wächst mit derEnergiestufe und verdeutlicht damit den erweiterten Wirkungsbereich der Stoßwellen.

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die Druckkurve einschließlich der negativen Zuganteileberücksichtigt.

Der Einfluß der Fokussierung auf die Energieflußdichteist schematisch in Abbildung 22 dargestellt.

Mit den genannten Parametern ist in aller Regel einStoßwellenfeld für medizinische Anwendungen ausrei-chend gut charakterisiert. Stoßwellengeräte, die mit unter-schiedlichen Erzeugungsprinzipien arbeiten, können sichbezüglich der aufgelisteten Parameter unterscheiden, die„Qualität“ der verwendeten Stoßwellen in der Therapiezonedürfte aber unabhängig vom Erzeugungsprinzip sein. Mitanderen Worten: Die Messung der genannten Parameter inder Therapiezone läßt keine prinzipiellen Rückschlüsseauf die Art der Erzeugung zu. „Die elektrohydraulisch er-zeugte Stoßwelle ist nicht besser als eine piezoelektrischerzeugte Stoßwelle“, wenngleich natürlich sekundäre Para-meter wie Wiederholgenauigkeit, Dosierbarkeit, Energie-bereich, Betriebskosten durch Verbrauchsmaterial etc. un-terschiedlich sein können.

Zu beachten ist, daß die genannten Parameter üblicher-weise im Wasserbad gemessen werden. Wegen den gewe-bebedingten Abweichungen von der geradlinigen Ausbrei-tung der Stoßwellen muß man mit einer gewissenräumlichen Aufweitung der Fokuszonen im Gewebe rech-nen. Mit der Tiefe im Körper werden also sowohl der Spit-zendruck als auch die Energieflußdichte abnehmen, imVergleich zur Messung im Wasserbad.

Physikalische Effekte von Stoßwellen

Direkte Wirkung auf GrenzflächenStoßwellen haben gegenüber Ultraschall eine unterschied-liche Charakteristik. Beim Ultraschall liegt eine hochfre-quente Wechselbelastung des Gewebes im Bereich voneinigen Megahertz vor, die bei hohen Amplituden zu Er-wärmung, Gewebezerreißungen und Kavitationsbildungführen. Die Wirkung von Stoßwellen beruht u. a. auf einervorwärts gerichteten Kraftwirkung (in Richtung der Aus-breitung der Stoßwellen) mit einer Impulsübertragung aufdie Grenzfläche, die bis zur Zerstörung von Nierensteinengesteigert werden kann (Abb. 23).

Da diese Kraftwirkungen im wesentlichen an Grenz-flächen mit einem Sprung des akustischen Widerstandes,kaum aber in homogenem Medium (Gewebe, Wasser) auf-

Abbildung 22: Bei gleicher Gesamtenergie erhöht sich die Energiefluß-dichte durch Fokussierung. Die Verkleinerung der Fläche bewirkt eineKonzentration der Energie und erhöht damit die Wirkung der Stoßwelle.

Abbildung 23: Wirkung einer fokussierten Stoßwelle auf einen würfelför-migen Kunststein mit einer Kantenlänge von 10 mm (Stoßwelleneinfallvon rechts). Man erkennt den an einem Draht gehaltenen Stein, dieFragmentation in wenige Bruchstücke und Kavitationsblasen im Stoß-wellenpfad.

treten, hat man mit der Stoßwelle das ideale Mittel, Wir-kungen in der Tiefe des Gewebes zu erzeugen, ohne dasvorgelagerte Gewebe zu beeinträchtigen. Aber auch weni-ger stark ausgeprägte Grenzflächen innerhalb weicherGewebestrukturen erfahren eine geringe Kraftwirkungdurch Stoßwellen. Diskutiert werden die mechanischeZerstörung von Zellen, Membranen und z. B. Knochen-trabekel [15], aber auch die Zellstimulation durch reversi-ble Deformation der Zellmembran [16]. Sofern die zu be-handelnden Gebiete nicht an der Oberfläche liegen, sorgtdie Fokussierung zusätzlich dafür, die Wirkung im Thera-piegebiet zu steigern und gleichzeitig Nebenwirkungenaußerhalb des Gebietes zu reduzieren.

Daraus ergeben sich ganz unterschiedliche Wirkungenim Gewebe, die einerseits zu primärer Zerstörung oderReizung bzw. durch Stimulation zu Heilungsprozessenführen, wie sie speziell bei orthopädischen Anwendungenzu beobachten sind. In der Folge einer Stoßwellentherapiewerden meist eine gesteigerte Durchblutung und ein in-tensivierter Stoffwechsel beobachtet, den man für die ein-setzende Heilung verantwortlich machen kann.

Indirekte Wirkung

KavitationNeben der direkten Kraftwirkung von Stoßwellen aufGrenzflächen kommt es in gewissen Medien wie Wasserund teilweise auch im Gewebe zu der sog. Kavitation [17].Kavitationsblasen entstehen unmittelbar, nachdem dieDruck/Zug-Wechselbelastung der Stoßwelle das Mediumpassiert hat. Ein großer Teil der Blasen wächst bis ca. 100Mikrosekunden nach Durchlauf der Welle an, um dannunter Aussendung sekundärer sphärischer Stoßwellen hef-tig zu kollabieren (Abb. 24).

In der Nähe von Grenzflächen können Kavitationsbla-sen nicht mehr ungestört kollabieren. Das in die Blase zu-rückströmende Medium (Wasser, Körperflüssigkeit) kannnicht mehr ungehindert nachströmen, so daß die Blaseasymmetrisch unter Ausprägung eines Microjets [18] kol-

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labiert. Wie in Abbildung 25 dargestellt, ist dieser Flüssig-keitsstrahl mit Geschwindigkeiten von einigen hundertMetern pro Sekunde auf die Grenzfläche gerichtet.

Die Jets besitzen eine große Energie und Durchschlags-kraft, so daß sie nicht nur harte Grenzflächen von Steinenerodieren, sondern auch Wände von kleinen Gefäßendurchstoßen können. Die Folge sind Mikroblutungen oderMembranperforationen. Die Kavitation ist nicht ausschließ-lich auf die Fokuszone beschränkt, aber hier besondersausgeprägt. Mit der Kavitation steht ein weiterer biologischwirksamer Mechanismus der Stoßwelle zur Verfügung, dergezielt in lokalisierten Bereichen auch in tieferen Gewe-beschichten eingesetzt werden kann. Die physikalischeingebrachte Energie kann dabei über verschiedene Wir-kungsmechanismen biologische Reaktionen hervorrufen,die zunächst häufig zu einer verbesserten Durchblutungführen und in der Folge Reparaturmechanismen anstoßen.Neben direkten mechanischen Effekten im Gewebe sindauch Stimulationseffekte im Nervensystem nachzuweisen,die möglicherweise pathologische Reflexmuster korrigie-ren und darüber zu einer nachhaltigen Heilung führen[19].

Gezielte Anwendung lokalisierter Stoßwellen

Technische Apparaturen zur Stoßwellenanwendung wer-den je nach Eindringtiefe mit verschiedenen Fokusabstän-

den geliefert. Bei Anwendungen in mehreren ZentimeternTiefe müssen die Geräte mit einer Ortungsvorrichtung aus-gestattet sein. Dabei wird je nach Indikation eine Röntgen-oder Ultraschallortung eingesetzt. Das Behandlungsgebietwird dabei mit einem der bildgebenden Verfahren darge-stellt und durch entsprechende Justierung mit der Thera-piezone des Stoßwellengerätes zur Deckung gebracht.Bezüglich Aufwand, Komfort, Präzision und Ortungsmo-dalität werden Geräte mit sehr unterschiedlichen Ortungs-konzepten angeboten.

Liegen die zu therapierenden Zonen weniger als 1–2 cmtief unter der Körperoberfläche, kann in der Regel ohneintegrierte Ortungseinrichtung gearbeitet werden. Man kanndas Zielgebiet mit Hilfe von separaten Ultraschall- oderRöntgengeräten identifizieren und mit einfachen Markie-rungen auf der Haut kennzeichnen. Das ESWT-Gerät wirdan diesen Markierungspunkten angesetzt und die Behand-lung durchgeführt. Derartige Geräte können entsprechendgünstig angeboten werden, da eine Ortungseinrichtungeinen erheblichen Teil des Gesamtaufwandes ausmacht.

Alle tiefer liegenden Gebiete erfordern zur zielgenauenStoßwellenapplikation eine integrierte Ortungseinrichtung,die in präzise definierter Beziehung zum eigentlichen Stoß-wellenteil des Gerätes steht. Wenn die Konfiguration derStoßwellenquelle die Möglichkeit bietet, die Ortungsein-richtung zentral (inline) auf der Stoßwellenachse zu inte-grieren, hat man den Vorteil höchster Ortungsgenauigkeitund einfach interpretierbarer räumlicher Verhältnisse. Beiaußerhalb des Therapiekopfes (offline) angeordneten Sy-stemen wird die Bildgebung vereinfacht, da sich die Thera-piequelle nicht störend auswirken kann. Die Ortungsgeo-metrie ist jedoch komplexer und nicht in der Lage,Hindernisse im Stoßwellenpfad zu erkennen. In Abbil-dung 26 ist ein Stoßwellengerät mit inline-Ultraschallor-tung und einer Behandlungstiefe bis zu 15 cm dargestellt.

Resümee

Stoßwellen sind heute aus der Medizin nicht mehr wegzu-denken. Sie sind ein Mittel, therapeutisch wirksame Ener-gien auf nicht-invasivem Wege an lokal begrenzte Orte im

Abbildung 24: Kavitationsblasen, erzeugt durch eine von unten nach obenlaufende Stoßwelle. Unmittelbar hinter der Stoßwelle sind die Blasen nochklein. Sie wachsen innerhalb von ca. 30 Mikrosekunden und kollabierendann unter Aussendung einer sekundären (sphärischen) Stoßwelle (Kreis-ringe im unteren Teil des Bildes.)

Abbildung 25: Bei Kavitationsblasen in der Nähe von Hindernissen kannder Kollaps nicht kugelsymmetrisch erfolgen, da das Nachströmen derFlüssigkeit durch das Hindernis beeinträchtigt wird. Als Folge davon ent-wickeln sich Mikrojets, die mit einigen Hundert Metern pro Sekunde aufdie Grenzfläche stoßen und dort zu Erosion führen oder nadelförmigeLöcher in Gefäße oder Membranen stanzen (schematisch).

Abbildung 26: Stoßwellengerät mit frei beweglichem Therapiekopf (elek-tromagnetische Zylinderquelle) und Inline-Ultraschallortung für oberfläch-liche Anwendung und Zielgebiete bis zu 15 cm Tiefe.

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Körper zu bringen. Von medizinischer Bedeutung ist dieTatsache, daß Stoßwellen selektiv auf akustische Grenzflä-chen wirken und homogenes elastisches Gewebe weitge-hend schädigungsfrei durchlaufen. Durch die Möglichkeitzur Energiekonzentration durch Fokussierung werden Ge-webeschäden außerhalb der Therapiezone nahezu voll-ständig vermieden. Innerhalb der Behandlungszone wirddadurch die therapeutische Wirkung signifikant verstärkt.Allerdings sind auch moderate Nebenwirkungen (Häma-tome) nicht ganz ausgeschlossen, wenn besonders hoheEnergien wie bei der Steinzertrümmerung verwendet wer-den.

Neben der Zertrümmerungswirkung in der Steintherapieist in den letzten Jahren mehr und mehr die stimulierendeWirkung der Stoßwellen auf biologische Prozesse in denMittelpunkt des Interesses gerückt. Obwohl der Wirkungs-mechanismus dafür weitgehend unbekannt ist, scheint dieStoßwelle hier ein besonderes therapeutisches Potentialzu besitzen. Es hat den Anschein, daß das Wirkungsprinzipso universell ist, daß eine Vielzahl unterschiedlichster Indi-kationen auf die Stoßwellentherapie positiv ansprechen.Zur Erforschung der Wirkungsmechanismen ist eine genaueCharakterisierung der verwendeten Stoßwellen an Handder im Text beschriebenen Parameter erforderlich. Nur solassen sich Dosis-Wirkungsbeziehungen ermitteln undfundierte Erkenntnisse über den Wirkungsmechanismusgewinnen.

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