Beim Impulsschall (diskontinuierlicher Schall, blaue Linie) war keine sichtbare Temperaturerhöhung zu erkennen. Die mechanische Wirkung steht hier im Vordergrund. Der blaue Graph lässt eine Abkühlung durch das Ultraschallgel erkennen. Beim Gleichschall (kontinuierlicher Schall, rote Linie) war eine sichtbare Temperaturerhöhung zu erkennen. Hier steht die thermische Wirkung im Vordergrund.

Diese thermische Wirkung ist in Abbildung 2 durch ein Nachziehen der Wärme zu erkennen. Der Ultraschallkopf wird in kreisenden Bewegungen im Uhrzeigersinn um die Kniescheibe bewegt. Am Ultraschallkopf (R1) erkennt man die Erwärmung durch die orange-rote Färbung. Diese Erwärmung kühlt durch die Verdunstungskühle des Ultraschallgels beim Weiterführen des Ultraschallkopfs langsam wieder ab. Dies ist durch einen gelblichen, langsam ins Grüne verlaufenden „Wärmeschweif“ (über R4 zu R2 verlaufend) zu erkennen:

Bei den thermografischen Messungen kann nur die Wärmeentwicklung an der Oberfläche detektiert werden. Es ist an der Oberfläche genug Wärme entstanden, sodass die Verdunstungskühle des Ultraschallgels kompensiert werden konnte. Jedoch ist von einer Tiefenwirksamkeit des therapeutischen Ultraschalls die Rede. Das heißt, die Wärme entsteht nicht an der Oberfläche, sondern im Gewebe. Dies ist mit diesem Versuch nicht darstellbar, jedoch kann das mit dem Hydrogelversuch nachvollzogen werden. Die Probanden haben von einer angenehmen Wärme im Knie und angenehmen Nachwirkungen für den Rest des Tages berichtet.

Fazit und Diskussion

Beim Hydrogelversuch wurde eine deutliche Erwärmung des Phantoms beobachtet, welche ohne Ultraschall nicht entstanden wäre. An der Grenzfläche zwischen Phantom und Holzlatte ist durch die Absorption von dem therapeutischen Ultraschall Energie freigesetzt worden. Dies ist Energie in Form von Wärme.

Der Probandenversuch hat mithilfe von Infrarottechnik gezeigt, dass beim therapeutischen Ultraschall auch Wärme an der Hautoberfläche entsteht. Die Probanden haben ebenfalls von einem Wärmegefühl im kompletten Knie berichtet. Es handelt sich um eine angenehme Wärme. Bei einer korrekten Anwendung der Dosis und der Anwendungszeit in den orthopädischen Praxen kann es zu keinen Verbrennungen des Periosts kommen. Bei Fehlanwendungen können jedoch Verbrennungen entstehen.

In beiden Versuchen konnte bestätigt werden, dass beim Impulsschall die mechanische Wirkweise im Vordergrund steht. Es entstand zwar Wärme beim Impulsschall, die allerdings so gering war, dass sie durch die Kühlungswirkung des Ultraschallgels kompensiert wird. Beim Gleichschall steht die thermische Wirkung im Vordergrund.

Von dem Phänomen, dass bei Gleichschall mehr Wärme entsteht als bei Impulsschall, schrieben schon van Laack und Albrecht im Jahr 1987. Sie berichteten davon, dass der Impulsschall eine konstante Wärmebildung verhindern würde [11]. Conradi, Fritze und Hoffmann stellten bereits 1983 ebenfalls Unterschiede zwischen Gleich- und Impulsschall fest. Für ihre Erklärung für diese Temperaturunterschiede liefern die physikalischen Abhängigkeiten der Wärmeentwicklung und des Wärmetransports im Gewebe die Grundlage. Sie gehen davon aus, dass die Temperaturunterschiede auf einer anderen Temperaturverteilung beruhen, die Folge des tieferen Eindringendes des sinusförmigen Impulsschalls ist [3]. Die Autoren der Quellen, die sich mit Hydrogelphantomen beschäftigt haben, berichten von einer sehr starken Wärmeentwicklung, welche beim Menschen zu Verbrennungen führen würden. Doch wurde in allen diesen Quellen mit einer größeren Ultraschallfrequenz von 27 MHz gearbeitet, welche die größere gemessene Wärme erklärt [2, 5, 7, 8].

Beim Gleichschall entsteht möglicherweise mehr Wärme, da das Gewebe dem Schall permanent ausgesetzt ist. Das Gewebe beginnt in der Frequenz des Schalls zu schwingen, und diese kinetische Energie äußert sich in Form von Wärme. Beim Impulsschall ist das Gewebe nicht durchgehend, sondern intervallweise dem Schall ausgesetzt. In der Tiefe des Gewebes entsteht möglicherweise mehr Wärme als auf der Oberfläche, da durch Nutzung des Ultraschallgels an der Oberfläche kaum Schall absorbiert wird. Knochen jedoch absorbiert den Schall fast komplett. Die Schallenergie, die dabei vom Knochen aufgenommen wird, wird in Wärme umgewandelt. An Übergängen zwischen verschiedenen Gewebearten wird ebenfalls Schall absorbiert und reflektiert, allerdings nicht so stark wie beim Knochen.

Für weitere Forschungen könnten Dummys gebaut werden, welche aus dem Hydrogel-Phantom bestehen. In dieses Hydrogel können Inhomogenitäten eingegossen werden: Holz, welches die starke Absoption der Knochen simuliert, und Glasperlen (Ø = 2 mm; 2 g), welche den erhöhten Streukoeffizienten eines Organs simulieren. Außerdem könnten in das Hydrogel Ultraschall- und Temperatursensoren mit eingegossen werden. So ließen sich Erkenntnisse darüber gewinnen, wie viel Erwärmung in welcher Tiefe und bei welcher Inhomogenität entsteht. Außerdem wäre eine Studie denkbar, in der Schallleistungsmessungen am Ultraschallgerät durchgeführt werden [1]. So könnte ein Zusammenhang zwischen Leistung, Wärme als Energie und Temperaturentwicklung an einem Dummy untersucht werden. Somit könnten Rückschlüsse auf die Zusammenhänge beim Patienten gezogen werden.

Danksagung: Unser Dank gilt zunächst der orthopädischen Praxis Dr. med. Andreas Kochs et al. in Aachen für die Ausleihe des verwendeten Ultraschalltherapiegeräts. Außerdem gilt unser Dank Dr. Eberhard Rosenthal, Marcel Turiaux und Dr. Harald Glückler vom Team für Machbarkeitsstudien und Experimente des Instituts Engineering und Technologie ZEA-1 des Forschungszentrums Jülich für die Durchführung der Infrarotmessungen.

Interessenkonflikt: Keine vorhanden.

Korrespondenzadresse

Prof. Dr. med. Walter van Laack