Poliklinika za ortopediju, fizikalnu medicinu i fizikalnu terapiju Rijeka

Primjena udarnih valova u medicini

Prikaz fizikalnih principa, povijesti i temeljnih istraživanja

Michael Thiel Ph.D., Martina Nieswand, Ph.D., Michael Dörffel, Ph.D.

SAŽETAK

Udarni valovi generirani izvan tijeka (extracorporeal shock waves) ušli su u medicinsku primjenu prije više od 25 godina kao način za dezintegraciju bubrežnih kamenaca. Od tada su udarni valovi iz temelja promjenili tretman urolitijaza. Danas je ova metoda prvi izbor u liječenju ureteralnih i renalnih kamenaca. Nova indikacija u urologiji je i IPP (Induratio penis plastica), unutar koje prva klinička istraživanja pokazuju obećavajuće rezultate. No, urologija nije jedino područje medicine pogodno za primjenu udarnih valova. Danas se udarni valovi primjenjuju u ortopediji i traumatologiji za liječenje insercijskih tendinitisa, pseudoartroza, avaskularne nekroze glave femura, te drugih koštanih nekrotičnih žarišta. Drugo polje primjene udarnih valova jest tretman tetiva, ligamentata i kostiju u veterini, napose u konja. Ideja iza primjene terapije udarnim valom u ortopediji jest stimulacija procesa cijeljenja u tetivama, okolnom tkivu i kostima. To je posve drugačiji pristup od onog u urologiji, gdje je istoj metodi cilj dezintegracija (destrukcija). Ovaj tekst donosi pregled bazičnih principa terapije udarnim valom, njene povijesti i temeljnih istraživanja primjene udarnih valova u medicini.

UVOD

Terapija udarnim valom (TUV) u ortopediji i traumatologije još uvijek je mlada metoda. U posljednjih je nekoliko godina razvoj je terapije udarnim valom vrlo brz, te je u međuvremenu postala prihvaćena od širje ortopedske zajednice. Danas liječnici imaju pregled nad terapijskim rezultatima više desetaka tisuća pacijenata širom svijeta. Usprkos tome, terapijski mehanizam TUV za najčešće indikacije, poput lateralnig epikondilitisa ili plantarnog fascitisa nije posve razjašnjen.

Udarni su valovi su značajno promjenili medicinsku terapiju. Prednosti TUV su izbjegavanje operacije, sigurnost i efikasnost. Uspoređujući ih sa onima operativnog zahvata, troškovi TUV su vrlo razumni. Ipak, potrebno je unaprijediti temeljno razumjevanje biološkog i terapijskog djelovanja udarnih valova koordinacijom između institucija, bolnica, liječnika, instituta i proizvođača aparata za TUV.

Udarni su valovi u stvari zvučni valovi, koji nas svakodnevno prate, bez da ih zapažamo. Zvuk groma, buka eksplozije ili aplauz mase tipični su primjeri u kojima udarni valovi igraju važnu ulogu. Potres ili kolaps mjehurića zraka u tekućini generiraju udarne valove. Kroz udarne valove, energija može biti prenesena na velike udaljenosti. Zrakoplov koji probija zvučni zid, uzrokuje vrlo glasan prasak, koji može dovesti do trešenja ili čak puknuća stakla na prozoru. Na taj je način udarni val prenio energiju na staklo.

Sposobnost prenošenja mehaničke energije putem udarnih valova omogućuje različite aplikacije, koje je moguće podijeliti u dvije grupe (1).

Destrukcija materijalne strukture:

Primjeri za ovu grupu su razbijanje tvrdih metarijala poput betona ili stakla u procesu reciklaže. TUV (ESWT) pripada ovoj grupi.

Udarni val kao prijenosnik informacija:

Primjer je mjerenje udaljenosti u dobokim morima zbog  malog energetskog gubitka udarnog vala na velikim razdaljinama.

TEMELJNI FIZIKALNI PRINCIPI

Danas su u upotrebi tri različita generatora udarnih valova.

Prvi je elektrohidraulički generator, koji upotrebljava vrhove elektroda kao izvor. Elektroda je smještena u prvu fokalnu točku F1 poluelipsoida, te se kroz nju propušta struja velikog napona. Između vrhova elektroda se na taj način generira iskra, a udarni val započinje vaporizacijom vode između vrhova elektroda. Kružni udarni valovi se odbijaju od metalnog elipsoidnog kućišta aplikatora i fokusiraju u drugu fokalnu točku F2, koja je za terapijsku primjenu podešena tako da prodire unutar pacijentova tijela.

Drugi je elektromagnetski generator, koji upotrebljava elektromagnetsku zavojnicu i metalnu membranu smještenu ispred nje. Kratak električni izboj velikog napona propušta se kroz zavojnicu, što uzrokuje snažno varijabilno magnetsko polje, koje opet inducira visoki napon u membrani ispred nje. Elektromagnetske sile pomiču membranu od zavojnice, kreirajući spor akustični puls malog tlaka. Za fokusiranje pulsa koriste se akustične leće. Fokalna je točka određena fokalnom dužinom leća. Amplituda fokusiranog akustičnog vala se povećava kroz nelinearnost kako akustični val napreduje prema fokalnoj točci. Vrijeme uspinjanja elektromagnetski generiranog udarnog vala je u rasponu od nekoliko stotina nanosekundi (10-9  s). Druga konstrukcija  koristi cilindrični izvor. Visokonaponska struja formira tlačni val cilindričnog oblika koji se reflektira od hiperboličnog metalnog reflektora kako bi se potiglo fokusiranje. Ponovo se vrijeme uspinjanja skraćuje na nekoliko stotina nanosekunda, dok se amplituda povećava na putu do fokalne točke.

Treći generator proizvodi akustične valove kroz piezoelektrični efekt. Od nekoliko stotina do nekoliko tisuća piezoelektričnih kristala je pričvršćeno na polukružnu površinu aplikatora. Pri puštanju visokog napona kroz kristale, oni reagiraju naglim skupljanjem i širenjem, generirajući na taj način niskotlačni puls u okolnu tekućinu. Sustav je samofokusirajući kroz geometrijski oblik dijela kugle. Ponovo, udarni val se kreira kroz nelinearnost, te mu se povećava amplituda kroz propagaciju do fokalne točke.

Općenito, udarni se val može definirati kao jedinstveni puls sa širokim rasponom frekvencija (do 20 Mhz), velikom amplitudom pritiska (do 120MPa), malim negativnim valom (do 10MPa), malim pulsom unutar -6dB i kratkim vremenom uspona. Pozitivnu tlačnu amplitudu slijedi difrakcijski inducirani negativni val sa trajanjem od nekoliko µs. Gustoća energije (do 1,5 mJ/mm2) i energija pulsa (do 100 mJ) određene su temporalnom i prostornom distribucijom tlačnog profila. Energetska gustoća opisuje maksimalnu količinu energije koja prolazi kroz područje 1mm2 svakog pulsa. Ukupna energija pulsa je zbroj svih energetskih gustoća kroz presjek zrake uvećana za površinu presjeka zrake. Ona opisuje ukupnu akustičnu energiju po isporučenom udarnom valu.

POVIJEST 

Od početnog istraživanja mogućnosti primjene udarnih valova u medicini do danas prošlo je vrlo malo vremena. Tijekom drugog svjetskog rata uočeno je da su pluća brodolomaca oštećena od eksplozija plutajućih mina, iako niti jedan drugi simptom udarca ili traume nije bio prisutan. To je bio prvi uviđaj utjecaja udarnih valova od ekplozije bombi na tkivo.

U pedesetim godinama prošlog stoljeća provedena su prva sustavna istraživanja upotrebe udarnih valova u medicini. Za primjer, publicirano je da elektrohidraulički udarni valovi  mogu zdrobiti keramičku ploču u vodi. U SAD-u je prihvaćen prvi patent elektrohidrauličkog generatora udarnih valova (Frank Rieber, New York, Patent No. 2.559.277). Krajem pedesetih opisani su fizikalni parametri elektromagnetski generiranog udarnog vala.

Tijekom 1966. interes za udarni val je stimuliran slučajno u jednoj tvornici medicinske opreme. U toku eksperimenta sa projektilima, uposlenik je dodirnuo ploču u trenutku kada ju je projektil pogodio. Osjetio je nešto slično električnoj struji kako mu prolazi kroz tijelo. Mjerenja su pokazala da struja nije prisutna. U pitanju je bio generirani udarni val koji je putovao od ploče kroz tijelo. Od 1968 do 1971 istraživana je interakcija između udarnih valova i tkiva u životinja u Njemačkoj. Taj je program financiralo ministarstvo obrane Njemačke, a rezultati su pokazivali da visokoenergetski udarni valovi uzrokuju efekte u organizmu i na velikim udaljenostima. Posebno su se istraživali efekti na tkivo, kao i razlike, te prigušenje udarnog vala na putu kroz njega. Drugo je polje interesa bila tranzicija udarnog vala unutar tijela. Primjećeno je da udarni valovi uzrokuju vrlo malo popratnih pojava na svom putu kroz mišiće, masno i vezivno tkivo. Neoštećeno koštano tkivo ostaje neozlijeđeno pod utjecajem udarnih valova. Opasnosti po mozak, pluća, trbušnu šupljinu i druge organe bili su dio istraživanja u ovom programu. Najbolji tranzicijski mediji za udarne valove ispostavili su se voda i gel poradi svojih sličnih akustičnih svojstava kao i tkivo.

Ova istraživanja dovela su do ideje za razbijanje bubrežnih kamenaca sa vantjelesno generiranim udarnim valovima. U počecima tehnički i medicinski aspekti realizacije nisu bili jasni, ali je ideja bila rođena. 1971 Haeusler i Kiefer izvješćuju o prvom in-vitro razbijanju bubrežnog kamenca udarnim valovima bez direktnog dodira sa kamencem (5). Slijedili su i drugi in-vitro eksperimenti sa beskontaknim razbijanjem kamenaca udarnim valovima. 1974 njemačka Agencija za razvoj i znanost financirala je istraživački program „Aplikacija ESWL". Sudionici tog programa bili su i Eisenberger, Chaussy, Brendel, Frossmann i Hepp. 1980 prvi je pacijent sa bubrežnim kamencima tretiran prototipom litotriptora u Minhenu. 1983 prvi je komercijalni litotripter instaliran u Štutgartu.U slijedećim godinama nastavljaju se in-vivo i in-vitro eksperimenti sa ciljem dezintegracije žućnih kamenaca.

1985 prvi je klinički tretman ESWL-om izveden na žućnim kamencima u Minhenu. Danas je liječenje bubrežnih i ureteralnih kamenaca vantjelesnim udarnim valovima tretman prvog izbora. Moderni litotriptori dizajnirani su tako da im za rad ne treba kada s vodom ili anestezija. Za lokalizaciju kamenaca, litotriptori su opremljeni Rtg-om ili ultrazvučnim lokalizacijskim sustavima. U posljednjih 16 godina tretirano je više od 16 milijuna pacijanata. Terapija udarnim valom je sigurna i efikasna metoda. Ipak nesmotrena primjena terapije udarnim valom nosi rizike ozbiljnih oštećenja tkiva.

Urologija nije jedina grana medicine unutar koje su udarni valovi uspješno primjenjeni. 1985 sprovedeni su prvi eksperimenti za procjenu utjecaja na kosti. Razlog za ovo istraživanje bila je zabrinutost da bi udarni valovi mogli oštetiti kuk kao rezultat terapije za ureteralne kamence. Rezultati su pokazali da nema značajnijih promjena na zdravoj kosti pod utjecajem udarnih valova. Kasniji eksperimenti na životinjama ukazali su na osteogenetski potencijal udarnih valova i stimulaciju cijeljenja kostiju. Histološki nalazi potvrdili su utjecaj udarnih valova na stimulaciju osteoblasta (6)

1988 prvi je tretman pseudoartroze uspješno sproveden u Bochum-u (Njemačka). U isto vrijeme Valchanow i sur. (7) prezentiraju rad o pseudoartrozama i sporom zaraštanju koštanih prijeloma. Njegov je uspjeh bio 85%, ali detalji te kliničke studije nisu bili prikazani. U sijedećim godinama različite studije prezentiraju uspjeh koji se kreće između 60% i 90%. Dvije su važne okolnosti utjecale na uspješnost primjene udarnih valova kod pseudoartroza. Utjecaj udarnih valova na hipertrofične pseudoartroze izgleda mnogo veći nego na atrofične. Stabilizacija frakture poslije terapije udarnim valom čini se esencijalnom za konačni uspjeh ovog terapijaskog pristupa. Nuspojave ove terapije su hematomi, petehijalno krvarenje i lokalni otok na mjestu primjene. Ove popratne pojave nestaju unutar nekoliko dana od primjene bez drugih komplikacija.

Prve studije i tretmani na ljudima sprovedeni su sa litotriptorima koji su dizajnirani za terapiju udarnim valom u urologiji. Zbog anatomske decentralizacije terapijskih područja (od ramena do stopala), bilo je nužno proizvesti specijalne uređaje za primjenu udarnog vala u ortopediji. Prvi takav stroj ugledao je svjetlo dana tijekom 1993, a bio je opskrbljen slobodnim pomičnim aplikatorom.

Početkom devedesetih publicirana su prva izvješća o primjeni udarnog vala na tendinitis calcarea. Daljnja istraživanja dovela su do terapijskih protokola za lateralni epikondilitis i plantarni fascitis sa uspjehom koji se kretao između 70% i 80%. Zbog rastuće važnosti terapije udarnim valom u liječenju kroničnih stanja na mekim tkivima sustava za pokretanje, proizvedena je nova generacija strojeva za ovu metodu liječenja. Do danas, znanstvena evaluacija TUV za ortopedska stanja značajno je napredovala, te je dostupno mnogo radova na tu temu. Iako unutar njih postoji mnogo razlika u pogledu dizajna studija, metoda i sadržaja, većina se njih slaže da TUV posjeduje visoku efikasnost, u kombinaciji sa minimalnim popratnim pojavama.

DJELOVANJE UDARNIH VALOVA

Udarni valovi mogu dezintegrirati bubrežne kamence, sanirati pseudoartroze i kronična stanja na mekim tkivima. No, efekti TUV u urologiji i ortopediji izgledaju različito. Trenutno su vidljiva dva različita mehanizma djelovanja udarnih valova. Udarni val karakteriziran je velikim pozitivnim pritiskom, vremenom uspona ispod 10 ns i negativnom komponentom Pozitivni pritisak i kratki uspon odgovorni su za direktni efekt, dok je negativni val zadužen za kavitaciju, što nazivamo i indirektni efekat udarnog vala. Površina između dva materijala sa različitim akustičnim otporom utječe na udarni val dok kroz nju prolazi. Refleksija, odnosno refrakcija na površini i prigušenje u materijalu dovode do slabljenja udarnog vala. Izrazito brza tlačna tranzicija udarnih valova (visoki pritisak i kratko vrijeme uspinjanja) uzrokuju vrlo veliku tenziju na površini tako da se struktura materijala lomi. Ovaj efekat ovisi o plastičnosti materijala. Energija udarnog vala koja je dovoljna za dezintegraciju bubrežnog kamenca, ne uzrokuje značajnije promjene na intaktnoj kosti.

Negativna komponenta udarnog vala korespondira sa lokalnom redukcijom tlaka, te tako nastaju kavitacioni mjehuri, koji rastu pod utjecajem produženog silaznog vala. Nakon određenog vremena mjehuri nekontrolirano kolabiraju. Ti kolapsi generiraju nove udarne valove. Interakcija između udarnih valova i mjehura naslonjenih na površinu tkiva generiraju mlazove tekućine (water jets). Uzlazni val komprimira mjehur radijusa 1mm unutar nekoliko µs do 0.5 µm. Tako pritisak i energija unutar mjehura snažno narastu. Ako tako kreirani mlaz tekućine dođe u dodir sa površinom materijala (ili tkiva), kreirati će otvor u površini (1,2). Dezintegracija bubrežnih kamenaca je kombinacija direktnog i indirektnog djelovanja udarnog vala. Mehanizam djelovanja udarnog vala u ortopedskim stanjima se još uvijek istražuje. Trenutno nije do kraja jasno koje je djelovanje dominantno i je li riječ o kombinaciji direktnog i indirektnog efekta.

Kao što je i prije naglašeno, histološka istraživanja (6) pokazala su osteogenetski potencijal udarnih valova i stimulaciju cijeljenja koštanih fraktura. Wang i sur. (8,9,10) izvjestili su na 3. ISMST kongresu (International Society for Musculoskeletal Shock Wave Therapy) 2000-te o njihovim eksperimentima na meka tkiva u životinja. Njegovi su nalazi pokazali da udarni valovi ubrzavaju neovaskularizaciju na spojevima tetiva i kostiju. Od početka je terapije udarnim valom fokusiranje udarnih valova na velike krvne žile i živce kontraindicirano.

Proizvođači uređaja za ortopedsku terapiju udarnim valom složili su se oko sustava za mjerenje i publikaciju fizikalnih parametara koji opisuju njihove proizvode (11). Parametri su opisani u dijelu Temeljni fizikalni principi. Razlog tomu bila je želja za komparacijom medicinskih i fizikalnih parametara kako bi se pronašla čvrsta korelacija između indikacija i značajnih fizikalnih parametara za objašnjenje razlika u konačnim rezultatima primjene, broju pulseva po tretmanu i ponovljenih terapija unutar različitih uređaja. Ti su fizikalni parametri dostupni i izgleda da jednostavna korelacija prema samo jednom parametru do sada proučenom nije dovoljna. Energija, energetska gustoća, pritisak i drugi samostalno nisu dovoljni za kompletno objašnjenje kliničke uspješnosti ove metode.

Reference

  1. Krause H., Physik und Technik medizinischer Stoßwellemsysteme, Extrakorporale Stoßwellentherapie, Chapman & Hall GmbH, 1997, ISBN: 3-8261-0138-3, p. 15-34
  2. Delius M., Medical applications and bioeffects of extracorporeal shock waves, Shock waves, (1994), 4: 55 - 72
  3. Coleman, A.J., Saunders, J. E., A survey of acoustical output of commercial extracorporeal shock wave lithotripters, Ultrasound Med. Biol., 15, 213 (1980)
  4. Müller M., Experimental investigations on focusing of weak spherical shock waves in water by shallow ellipsoidal reflectors, Acustica 64:85 (1987)
  5. Hepp W., Grünewald M., Brendel W., Die extrakorporale Stoßwellenlithotripsie, Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991, p. 44-53
  6. Haupt G., Use of extracorporeal shock waves in the treatment of pseudarthrosis, tendopathy and other orthopedic diseases, J. of Urology, Vol. 158, 1997, p. 4-11
  7. Valchanow V., Michailow P, High energy shock waves in the treatment of delayed and non-union fractures, Int. Orthopaed. 15: 181, 1991
  8. Wang C.J., Pai C.H., Huang S.Y., Shock wave enhanced neovascularization at the tendon bone junction, an experiment in dog model, 3rd Congress of the International Society for Musculoskeletal Shockwave Therapy (ISMST), Naples, June 1–3, 2000, Abstracts, p. 96
  9. Wang C.J., Chen C. Y.C., Huang H.Y., Pathomechanism of shock wave induced injuries on femoral artery, vein and nerve, 3rd Congress of the International Society for Musculoskeletal Shockwave Therapy (ISMST), Naples, June 1–3, 2000, Abstracts, p. 95
  10. Wang F.S., Keunder K.D., Wang Y., Wang C.J., Shock wave enhanced growth factor TGF-B, 3rd Congress of the International Society for Musculoskeletal Shockwave Therapy (ISMST), Naples, June 1–3, 2000, Abstracts, p. 99
  11. Wess O., Ueberle F., Dührßen R.-N., Hilcken D., Krauß W., Reuner Th., Schultheiß R., Staudenraus I., Rattner M., Haaks W., Granz B., Working Group Technical Developments - Consensus Report, High Energy Shock Waves in Medicine, ed. Ch. Chaussy et. al., Georg Thieme Verlag, ISBN 3-13-104831-X, 1997, p. 59 – 71
  12. Folberth W., Köhler G., Rohwedder A., Matura E., Pressure distribution and energy flow in the focal region of two different electromagnetic shock wave sources, Journal of Stone Disease, Vol 4, No. 1, 1992, p. 1
  13. Steiger E., Modellierung der Ausbreitung in extrakorporalen Therapien eingesetzter Ultraschallimpulse hoher Intensität, Dissertation am Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik der Univsersität Karlsruhe, 1998
  14. Ludwig J., Lauber S., Lauber J., Hötzinger H., Stoßwellenbehandlung der Hüftkopfnekrose des Erwachsenen, Zeitschrift für Orthopädie und ihre Grenzgebiete, 137(4): Oa.2-5, 1999
  15. Ludwig J., Lauber S., Lauber H.J., Dreisilker U., Raedel R., Hötzinger H., 1 year-results of high-energy shock wave treated femoral head necrosis in adults, accepted for publication in Clinical Orthopedics and Related Research.
  16. Heidersdorf S., Lauber S., Lauber H.J., Hötzinger H., Ludwig J., Dreisilker U., Rädel R., Osteochondritis dissecans in Musculoskeletal Shockwave Therapy, Greenwich Medical Ltd., ISBN 1-84110-058-7, 2000, p. 255
  • Kontakti
Scipion fizioterapija - Fizioterapija, manipulativna terapija, masaža, kinezioterapija, terapija udarnim valom (ESWT)...

Scipion fizioterapijaFizioterapija, manipulativna terapija, masaža, kinezioterapija, terapija udarnim valom (ESWT)...

  • Adresa: Milutina Bataje 14A (Zamet), Rijeka
  • Mob: 091 1684 575
  • Tel: +385 (051) 684-576, 684-575, 684-577
  • Fax: +385 (051) 684-576
  • E-mail: mistura@scipion.hr

Pošaljite upit