Vorwort zum Thema Ultraschall

1. Generell gilt, dass Luft mit steigender Frequenz für Ultraschall eine wachsende Dämpfung zeigt. In elastischen Stoffen, bei denen die Atome und Moleküle nicht an starre Positionen gebunden sind, z.B. Gase und Flüssigkeiten, treten nur Longitudinalwellen auf. In Festkörpern kommen zusätzlich Transversalwellen vor.
2. Für die Ultraschallanwendung am Menschen sind somit die Ultraschall-Eigenschaften der Longitudinalwellen von Interesse, da der menschliche Körper zu mehr als 70 % aus Wasser besteht.
3. Longitudinalwellen schwingen längs ihrer Ausbreitungsrichtung, d.h. Bereiche mit enger zusammen liegenden und verdichteten Atomen und Molekülen folgen solchen, bei denen die Teilchen weiter aus einander sind. Somit bestehen Druckunterschiede, wobei es Zonen mit Überdruck (höhere Teilchenanzahl) und Unterdruck (geringere Teilchenanzahl) gibt. Diese Zonen wandern in Ausbreitungs­richtung der Schallwelle. Betrachtet man also z.B. einen kleinen Bereich innerhalb einer mit Ultraschall durchfluteten Flüssigkeit, ändert dieser seinen Druck immer gleichmäßig von maximal auf minimal. Die Teilchen schwingen hierbei (in Ausbreitungs­richtung) um den Betrag ihrer Amplitude periodisch hin und her und geben ihre Bewegungs­energie an die Nachbarn weiter. Durch bestehende Reibungsverluste geht diese kinetische Energie der Teilchen in thermische Energie über und die Schallwelle wird in tieferen Bereichen des Mediums schwächer (sie läuft aus). Man spricht in diesem Fall von Absorption.
4. Je dichter ein Medium ist, umso mehr Atome müssen bewegt werden und daraus resultierend höher ist die Absorptionsrate (das Medium erwärmt sich stärker). Diesen Effekt findet man in Geweben mit höherer Dichte, z.B. bei Knochen.
5. Durch Umwandlung von kinetischer in thermische Energie (von Bewegungsenergie der Atome in Wärme) wird die Schallenergie innerhalb eines Mediums reduziert; bei einer Abnahme um 50 % in der Tiefe eines Mediums spricht man von der Halbwertstiefe (HWT).
6. Für die Frequenz von 1 MHz wird in der Fachliteratur eine HWT von ca. 2,5 cm angegeben, d.h. in einer Tiefe von 2,5 cm ist noch die Hälfte der an der Oberfläche emittierten Leistung vorhanden. Je höher die Frequenz ist, desto schneller müssen sich die Atome und Moleküle bewegen. Dadurch steigt die Reibung der Teilchen und somit die Absorption und Wärmeentwicklung. Die Schallwellen können mit höheren Frequenzen und der gleichen Ausgangsleistung nicht vergleichbar tief in das Medium eintreten, da sie ihre Energie in Form von Wärme verlieren.
7. Um eine vergleichbare Wirkung in einer definierten Tiefe eines Mediums zu erzeugen, muss die Leistung einer höher frequenten Schallquelle entsprechend exponentiell höher sein. Dies spiegelt sich bei 3 oder 10 MHz im Vergleich zu 1 MHz Behandlungen wider. Hier muss mit erhöhter Leistung gearbeitet werden, um bei vorgegebener Tiefe in der Haut die gleiche Leistung zu erzeugen. Zusätzlich tritt eine Erwärmung der äußeren Hautschicht auf.
8. Die unterschiedlichen Zonen der Longitudinalwelle zeichnen sich aufgrund ihrer stark differierenden Teilchendichte durch hohe Druckunterschiede aus. Betrachtet man die hohe Frequenz des Ultraschalls, zeigt sich, dass diese Druckunterschiede an einer Position sehr rasch wechseln (~1Mio/sec). Die Druckunterschiede bei 1 MHz und einer Leistung von 1 Watt/cm² betragen nahe der Oberfläche ca. 2 bar; das entspricht dem Arbeitsdruck eines Autoreifens. Dies nimmt entsprechend der Halbwertstiefe ab.
9. Wasser verdampft bei einer Temperatur von 100°C bei Normaldruck (ca. 1 bar); im Allgemeinen bezeichnen Fachexperten diesen Vorgang als Kochen. Reduziert man den Druck jedoch, beginnt der Verdampfungsprozess bei niedrigeren Drücken einzusetzen. Die Atome des Wassers können leichter aus der flüssigen Phase in die gasförmige Phase (Dampf) übergehen. So beginnt Wasser schon bei 20°C zu verdampfen, wenn der Umgebungsdruck auf 0,02 bar reduziert wird. Durch die großen Druckunterschiede, die der Ultraschall im Wasser bewirkt, kann dieser Effekt dort auch beobachtet werden. Er wird als Kavitation bezeichnet. Kavitation ist die Bildung (und Auflösung) von Hohlräumen in Flüssigkeiten durch eben diese Druckschwankungen. Sofern der Umgebungsdruck einer so erzeugten Blase unterhalb des Blaseninnendrucks ist, bleibt diese stabil. Ihr Durchmesser pulsiert durch die Druck­schwankungen, die durch den Ultraschall hervorgerufen werden. Diesen Effekt bezeichnet man als stabile Kavitation. Diese Bläschen- und Kanalbildung kann genutzt werden, um Wirkstoffe durch die Epidermis in die Dermis und Subkutis einzuschleusen. Die hauteigene Schutzfunktion kann dadurch umgangen werden. Dieser Effekt, durch den Wirkstoffe in den Körper gebracht werden, bezeichnet man als Sonophorese.
10. Bei einer Leistung von <1 W/cm² und 1 MHz ist Kavitation mit einer Bläschenbildung von ca. 10µm beobachtet worden (C. R. Hill, 1982). T. Haar zeigt 1982 dieses Ergebnis auf. Durch Versuche konnte er nachweisen, dass von einer Leistung ab ca. 0,25 W/cm² dieser Durchmesser konstant zu erwarten ist. Auch andere Autoren haben diesen Effekt der Kavitation im biologischen Gewebe nachgewiesen (Cavitations in Biological Tissues, J. Jenne et al., 2001). Jenne zeigt auf, dass bei zu hoher Leistung des Ultraschallgebers durch die Energiefreisetzung einige biologisch relevante Sekundäreffekte (z.B. Schockwellen, Flüssigkeits­jets oder auch freie Radiale) bedingt werden können.
11. Mit der zunehmenden Ausgangsleistung von herkömmlichen Ultraschallgeräten steigt allerdings, wie von ihm beschrieben, die Wahrscheinlichkeit, unerwünschte thermische und mechanische Gewebe­effekte zu induzieren. So können durch Kavitation Schäden am Gewebe innerhalb des Körpers auftreten. Obwohl in zahlreichen klinischen Studien am Menschen keine ultraschallbedingten Nebenwirkungen beobachtet wurden, sind nach derzeitigem Kenntnis­stand Schädigungen möglich. Er kommt zu dem Schluss, dass die Leistung des Ultraschalls bzw. das Auftreten mechanischer Bioeffekte dem Anwender aufgezeigt werden müssen, um somit einer Schädigung entgegen zu wirken.
12. Ein vergleichbares Ziel hat das Gesetz zur Regelung des Schutzes vor nichtionisierender Strahlung. Es wurde am 29. Juli 2009 vom Bundestag der Bundesrepublik Deutschland beschlossen (Bundesgesetzblatt Jahrgang 2009 Teil 1 Nr. 49). Dieses Gesetz regelt den Schutz und die Vorsorge im Hinblick auf schädliche Wirkungen nichtionisierender Strahlung, die durch Anwendung nichtionisierender Strahlung am Menschen verursacht werden können. Diese Ergebnisse und staatliche Reaktionen zu diesem Thema verdeutlichen, dass zusätzlich zur verwandten Frequenz bei Ultraschall-Behandlungen die genutzte Leistung eine erhebliche Rolle spielt.
    
    

• Die Aussage „Viel hilft viel“ ist fehl am Platz

1. Um Wirkstoffe in die Haut zu implizieren ist es ausreichend, Leistungen <0,2 W/cm² bei 1 MHz einzusetzen; dies haben Studien und wissenschaftliche Veröffentlichungen gezeigt (s.o.). Es existieren ausreichend Leistungsreserven, um erhöhte Impedanzen bei dem Übergang Schallkopf-Medium auszugleichen. Die Anwendung von höheren Leistungen erzielt nicht zwangsläufig bessere Ergebnisse, da die Kavitation in der Haut bereits bei niedrigeren Werten stabil ausgebaut ist. Vielmehr kann bei zu hohen Leistungen tiefer liegendes Gewebe geschädigt werden. Besonders wichtig ist es, dass der Anwender/Kunde ausreichend über die technischen Merkmale eines Ultraschallproduktes informiert wird. Zu häufig werden von Herstellern Leistungsdaten in den Raum gestellt, die nur unzureichend oder gar nicht dargestellt werden können und vielmehr als reine Schätzwerte vorliegen.
   Wabernde Wassertropfen können keine Aussage zur genutzten Leistung (Watt) sein!
   Eine exakte und rückführbare Kalibrierung des Schallkopfes ist sehr wichtig. Zusätzlich sollte auch nach dem Kauf eine jährliche Schallprüfung durchgeführt werden, ob das Gerät noch den Spezifikationen entspricht, um eine Verletzungsgefahr zu verhindern.
   
   

• Fragen, die Sie vor dem Kauf eines Ultraschallsystems sich schriftlich beantworten lassen sollten.

1. Erhalte ich über die von Ihnen angegebene Schallleistung ein Ultraschallprüfzertifikat (geprüft in einer Schallwaage/zertifiziert von der PTB)?
2. Wird die angegebene Schallleistung (Watt) auf der Haut, egal was für ein Medium (ÖL, Creme, Gel ....), oder auch ohne Medium konstant gehalten?
3. Wie ist die homogene Verteilung des erzeugten Ultraschalls auf dem Schallkopf?
4. Ist das Ultraschallsystem CE und EMV - auf elektromagnetische Verträglichkeit - geprüft?

• Information zur CE Kennzeichnung eines Produktes:

1. Die CE-Kennzeichnung ist kein (Prüf-) „Siegel“, sondern ein Verwaltungszeichen, dass die Freiverkehrsfähigkeit entsprechend gekennzeichneter Industrieerzeugnisse im Europäischen Binnenmarkt zum Ausdruck bringt.
2. Mit der CE-Kennzeichnung erklärt der Hersteller oder EU-Bevollmächtigte gemäß EU-Verordnung 765/2008, „dass das Produkt den geltenden Anforderungen genügt, die in den Harmonisierungsrechtsvorschriften der Gemeinschaft über ihre Anbringung festgelegt sind.“
   Quelle: wikipedia.org

• Wichtig ist es noch zu erwähnen,

1. dass die CE Kennzeichnung eines Kosmetischen Ultraschallgerätes der CE Richtlinie eines elektrischen Küchen- bzw. Haushaltsgerätes entspricht.

Ausführliche Informationen zu den Inhalten des vorliegenden Manuskriptes finden Sie unter

ENTSTEHUNG  >  ERSTE VERSUCHE  >  WAS IST ULTRASCHALL