Loading...
fESWT2018-07-01T16:13:04+00:00

Fokuserede chokbølger

Hvad er chokbølger?

Chokbølger er lydbølger. De opstår i atmosfæren ved eksplosive hændelser, fx ved detonationer eller lynnedslag, eller når fly bryder gennem lydmuren. Chokbølger er akustiske impulser, som er karakteriseret af høje positive trykamplituder og en kraftig trykforøgelse i forhold til trykket i omgivelserne. Bølgerne er i stand til midlertidigt at overføre energi fra genereringspunktet til fjerntliggende områder og derved fx få vinduesglas til at knuse.

 

Chokbølger vs. ultralyd

Chokbølger minder om ultralyd. Men der er en stor forskel: Chokbølger har væsentligt højere trykamplituder, hvilket betyder, at der skal tages højde for stigningseffekter som følge af ikke-lineariteter i udbredelsesmediet (vand, menneskevæv). En anden forskel er, at de fleste ultralydbølger er periodiske svingninger med smal båndbredde (Fig. 1), mens chokbølger er karakteriseret ved en enkelt og for det meste positiv trykpuls efterfulgt af en forholdsvis lille trækbølgekomponent (negativ trykpuls) (Fig. 2). En sådan puls har frekvenser, der kan variere fra et par kilohertz til over 10 megahertz.

Generering af fokuserede chokbølger

Fokuserede chokbølger kan genereres ved hjælp af elektrohydrauliske, piezoelektriske eller elektromagnetiske chokbølgegeneratorer (Fig. 3). Elektrohydrauliske systemer genererer chokbølger direkte ved kilden. Piezoelektriske og elektromagnetiske generatorer derimod genererer chokbølger som et resultat af bølgeforstærkning og overlejring, hvilket betyder, at bølgen kun dannes i fokalområdet

Det forhold, at chokbølger genereret med forskellige typer generatorer har forskellig størrelse fokalområder, spiller en central rolle i den medicinske anvendelse. Chokbølger, der genereres via det piezoelektriske princip, har det mindste fokus, mens bølger, der genereres med elektrohydraulik, har det største fokus. Heraf følger, at den chokbølgedosis, der kan være nødvendig for en specifik behandling, afhænger til dels af den type chokbølgesystem, der anvendes.

 

Eksempel:

Elektromagnetisk generering af chokbølge

Fremgangsmåden ved elektromagnetisk generering af chokbølger er baseret på det fysiske princip for elektromagnetisk induktion. Dette princip anvendes også i højttalere. Elektromagnetiske chokbølgeneratorer muliggør præcis og forsigtig dosering af den påførte chokbølgeenergi, både aksialt (dybde) og sideværts. Ideelt set anvendes en cylindrisk spole, der fokuserer chokbølgerne ved hjælp af en rotationsparaboloid. På grund af den forholdsvis store åbning på chokbølgekilden i forhold til fokus, kan chokbølgeenergien indføres i kroppen over et stort område, hvilket medfører meget lidt smerte. Det meste af chokbølgeenergien frigives kun i det relativt lille fokalområde inden i kroppen (Fig. 4).

Fokuserede chokbølgers udbredelse

Chokbølger er lydbølger. Udbredelse af bølgerne forudsætter et medium som vand eller luft. Generelt genereres medicinsk anvendte chokbølger i vand uden for kroppen og overføres derefter til det biologiske væv. Da væv hovedsagelig består af vand, har det tilsvarende lydoverførselsegenskaber. Disse egenskaber beskrives ved den akustiske impedans (Z). Som følge heraf foregår overførsel af chokbølgerne til legemsvævet uden noget væsentligt tab. Den akustiske impedans defineres som følger:

Z = ρc

hvor ρ = tæthed og c = lydens hastighed

 

Akustiske grænseflader, hvor de akustiske egenskaber – dvs. densiteten (ρ) og lydhastigheden (c) – ændrer sig, skaber fænomener som refraktion, refleksion, brydning og interferens, som vi normalt kender fra det optiske område. Det betyder, at bølgerne afviger udbredelse i lige linjer. Disse forhold skal tages i betragtning, når chokbølger anvendes på menneskekroppen. Det er afgørende for at sikre, at den anvendte energi er effektiv i behandlingszonen.

Derfor forudsatte anvendelsen af det første apparat, der blev anvendt til at knuse nyresten, at patienten blev nedsænket i et vandfyldt badekar. Nutidens apparater anvender en såkaldt »tør« kobling, hvilket betyder, at vandbadet er forbundet til kroppen via en fleksibel koblingsmembran. Luft imellem fladerne elimineres med koblingsgel eller en tynd vandfilm.

Herudover er det vigtigt, at der ikke er gasfyldte organer (lunger) eller store knoglekonstruktioner i chokbølgens udbredelsesbanen. Disse vil fungere som forhindringer for overførslen af chokbølger til målområdet og dermed hæmme den ønskede terapeutiske virkning. Desuden vil den primære frigivelse af chokbølgeenergi forårsage skade på lungevævet (kontraindikation).

 

Vi må også antage, at forskellige typer blødt væv (hud, fedt, muskler, sener osv.) har inhomogene akustiske egenskaber, og at de har grænseflader. Imidlertid er forskellene i de akustiske egenskaber signifikant mindre udtalte end grænsefladerne mellem vand og luft. Ud over absorption og refleksion forekommer der refraktionsvirkninger, som kan føre til vanskeligt kontrollerbare afvigelser fra chokbølgernes udbredelse i lige linje inden i kroppen.

Chokbølgeparametre/Chokbølge måling/Chokbølgetryk

Målinger med trykfølere er den foretrukne metode til at identificere chokbølgens egenskaber(9). Chokbølger anvendt inden for medicin (Fig. 2) har typisk p+ peak tryk på ca. 10 til 100 megapascal (MPa), hvilket svarer til ca. 100 til 1000 gange det atmosfæriske tryk.

 

Afhængig af den anvendte metode til generering af chokbølger er stigningstiderne meget korte på omkring 10 til 100 nanosekunder (ns).

Pulsens varighed er ca. 0,2 til 0,5 mikrosekunder (μs) (og dermed meget kortere end for de medicinske trykbølger beskrevet nedenfor, se Fig. 13). Et andet kendetegn ved chokbølger er den relativt lave p– trækbølgekomponent, som er omkring 10 % af p+ toptrykket.

Hvis p+ toptryksværdierne målt ved forskellige positioner i chokbølgefeltet illustreres i en tredimensionel graf (koaksialt på chokbølgeudbredelsesbanen og lateralt, dvs. vertikalt til denne retning), er den typiske trykfordeling som vist i Diagrammet i Fig. 5. Selvfølgelig har chokbølgefeltet ikke klare grænser, men formen er som et bjerg med en top i midten og mere eller mindre stejle skråninger. Dette kaldes den tredimensionelle trykfordelingsmodel. Formen og højden af denne 3D-trykfordelingsmodel kan variere, afhængigt af hvilket chokbølgesystem der anvendes.

Chokbølge fokus

Chokbølgefokus er defineret som området inden for trykfordelingsmodellen, hvor trykket er lig med eller højere end 50 % af toptrykket (Fig. 5 og 6). Dette område er også omtalt som -6dB-fokalområdet eller beskrevet ved hjælp af akronymet FWHM (Full Width at Half Maximum).

5 MPa behandlingsområde

 

 

Det område, hvor chokbølgen producerer sine biologiske effekter, kan kun defineres, når der tages højde for det specifikke energiniveau. Med andre ord: chokbølgebehandlingsområdet indeni kroppen er ikke identisk med størrelsen af -6dB-fokalområdet. Det kan være større eller mindre. Det er derfor, der er defineret en ekstra parameter, som er tættere forbundet med  chokbølgernes terapeutiske effektivitet, og som ikke er baseret på relative værdier (forhold til toptrykket i midten), men i en absolut mængde, nemlig 5 MPa tryk (50 bar). Derfor er 5 MPa fokusset defineret som den rumlige zone, hvor chokbølgetrykket er højere end eller lig med 5 MPa. Dette er baseret på den antagelse, at der findes en vis trykgrænse, under hvilken chokbølger ikke har nogen eller kun har minimal terapeutisk effekt.

 

5 MPa-værdien understøttes ikke af videnskabelig dokumentation. Imidlertid afspejler ovenstående også ændringer i behandlingszonen som følge af ændringer i det valgte energiniveau. Forskellige terapizoner og deres ændringer med forskellige energiniveauer er vist i skematisk form i Fig. 7. I modsætning til behandlingszonen forbliver -6dB-fokusområdet i det væsentlige det samme, selvom energiindstillingerne ændres.

Energi (E)

Chokbølgeenergien er en vigtig parameter i medicinsk anvendelse af chokbølger, selv om energifluxtætheden tillægges større betydning i dag. Det kan antages, at chokbølger kun påvirker væv, når visse energitærskler overskrides. Energien bestemmes ved integration fra tidskurven for trykbølgen p(t). Det er proportional med overfladearealet(A) og omvendt proportional med den akustiske impedans(Z):

 

 

Der sondres om, hvorvidt integrering af trykket over tid kun omfatter positive trykkomponenter (E+), eller om det også omfatter de negative (trækkomponenter) (Etotal). Den samlede energi er normalt givet med E (uden indeks). En chokbølges akustiske energi er angivet i millijoules (mJ). Som regel anvendes der flere hundrede eller tusinder chokbølgeimpulser pr behandlingssession.

 

Det betyder, at den samlede mængde energi, der anvendes, beregnes ved multiplikation med antallet af impulser (1,9).

 

Energifluxtæthed (ED)

Chokbølgernes terapeutiske effekt afhænger af, om chokbølgeenergien er fordelt over et stort område eller er fokuseret på en lokal begrænset behandlingszone (fokalområde). En måling af energikoncentrationen sker ved beregning af energien pr. areal (E/A):

Energifluxtætheden ED er angivet i millijoules pr. kvadratmillimeter (mJ / mm2). Her skelner man på den ene side mellem integration over den positive del af trykkurven alene og på den anden side inddragelsen af den negative komponent. Hvis den angives uden indeks (ED), anses trykkurven normalt for at omfatte den negative (træk) komponent (samlet energifluxtæthed).

 

De første chokbølgesystemer var udstyret med en elektrohydraulisk chokbølge generator. I modsætning til i dag blev energiniveauerne ikke angivet i mJ/mm2, men blev specificeret som spændingsværdier (kV). Nedenstående tabel viser typiske spændingsværdier (OssaTron) og de tilsvarende mJ/mm2.