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Die Physik des Ultraschalls - physiotherapeutische Anwendungen

Die Physik des Ultraschalls - Anwendungen in der Physiotherapie

Unter Ultraschall versteht man erhöhte Schallfrequenzwellen (mehr als 16 000 Schwingungen/ Sek.), die für das menschliche Ohr nicht mehr wahrnehmbar sind und die auch natürlicherweise vorkommen (zum Beispiel in Fledermausschreien, Mensuren, u.ä.).

Solche Wellen können auch auf vielfältige Art und Weise künstlich erzeugt werden. Im medizinischen Bereich wird dazu der umgekehrte "Curie" - Effekt angewandt.

Sie breiten sich aus in Form von längs ausgerichteten Druckwellen, wenn sie auf Objekte treffen, die gedrückt werden können; die Bewegung der Partikel in den gedrückten Objekten findet gleichzeitig mit der Welle oder ihrer Ausbreitung statt, was bedeutet, dass der Schall nicht durch leeren Raum geschickt werden kann.

Die fundamentalen Charakteristiken der Ultraschall Wellen sind:
- Die Wellenlänge
- Die Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung
- Die Frequenz, die in Zyklen gemessen werden kann (der Zyklus oder die Periode misst die Schwingungen pro Sekunde).


In der Medizin werden Ultraschallwellen erzeugt durch Manipeln, die die Piezoelektrizität und den reziproken piezoelektrischen Effekt des Quarzes nutzen. Dieser Effekt ergibt sich aus den charakteristischen Eigenschaften der Quarzkristalle, die elektrische Ladungen produzieren, wenn sie Druck- und Zugkräften ausgesetzt sind.

Der einfachste piezoelektrische Generator besteht aus einer Quarzplatine (oder einem anderen piezoelektrischen Material), auf dessen Oberfläche eine alternative Potentialdifferenz mit einer Frequenz, die Kristalle in Schwingung versetzen kann, aufgebracht wird.

Ultraschallschwingungen breiten sich auf unterschiedliche Weise, abhängig vom Medium auf dem sie sich bewegen, in Abhängigkeit von der Möglichkeit und Geschwindigkeit, mit der das Medium verformt werden kann, aus.

Die Verformbarkeit hängt von den physikalischen Eigenschaften ab, der sogenannten akustischen Impedanz des jeweiligen Materials. Je größer der Unterschied der akustischen Impedanz zweier Materialien ist, umso mehr Strahlen werden reflektiert bzw. nicht weitergeleitet.

Die Schallwellen bewegen sich schneller in Materialien mit einer höheren akustischen Impedanz; deshalb breiten sie sich leicht in Metallen aus, relativ leicht in Wasser, aber sehr schwer in der Luft, wo die akustische Impedanz sehr niedrig ist.

Im menschlichen Körper werden Ultraschallstrahlen in alle Richtungen verstreut, wegen der kleinen Reflektoren, zum Beispiel der Erythrozyten, die sich wie elastische Verteilerpunkte verhalten und schwingen, wenn die Schallfrequenz Energie in alle Richtungen verbreitet.

Allerdings breiten sich die Schallwellen im menschlichen Gewebe nicht so gut aus, wie im Wasser. Deswegen muss bei Behandlungen unter Wasser, die Frequenz und Dauer der Anwendung reduziert werden, um dieselben biologischen Wirkungen zu erzielen, weil die Ultraschallwellen sich im Wasser ein wenig schneller ausbreiten.

Anwendungen im Wasser sollten aber selbstverständlich nur an geeigneten Körperstellen (wie Händen und Füßen) ausgeführt werden, denn es ist nicht einfach, eine Kniebehandlung unter Wasser vorzunehmen.

Die Intensität des Ultraschalls wird in Watt/cm2 angegeben, sie bezieht sich auf die durchschnittliche Intensität des Feldes und errechnet sich aus den Messwerten des Gesamtoutputs der Behandlung (in Watt) aus der Handstückprobe geteilt durch den Bereich der strahlenden Oberfläche des Applikators.

Ultraschallgeräte, die in der Physiotherapie eingesetzt werden, sind entsprechend folgender Richtlinien ausgestattet und weisen folgende Eigenschaften auf:

- Ein alternierender Stromgenerator mit einer Frequenz von 500 KHz bis 3 MHz; diese sollte mit der Quarzfrequenz in Einklang gebracht werden, um die maximale Kraftverteilung zu gewährleisten. Besser ausgestattete Behandlungsgeräte, wie die aus unserer Ultraschallserie, arbeiten sowohl im durchgehenden als auch im gepulsten (100 - 120 Hz Frequenzpuls) Modus;

- Einige Geräte allerdings wurden rein für den Betrieb im gepulsten Modus bei einer Frequenz von 16 - 48 Hz hergestellt. Diese Frequenz ist wichtig, weil eine Reihe von Studien scheinbar davon ausgeht, dass das Kick-Start-System, das eine bedeutende Rolle bei der Heilung von Knochenbrüchen spielt, von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 16 Hz und einem Vielfachen davon aktiviert und stimuliert wird;

- Ein isoliertes Hochspannungskabel, das den Generator mit dem Kopf verbindet und ihn mit Hochfrequenz aus dem Generator versorgt;

- Ein Schallkopf mit Quarz (heutzutage ersetzt durch andere Materialien wie Barium Titan) auf dessen Oberfläche eine alternative Potentialdifferenz mit einer Frequenz, die auch Kristalle in Schwingung versetzen kann, enthalten ist. Der Schallkopf kann eine Größe von 1 cm2 bis 10 cm2 haben.


Die Strahlungseigenschaften der unterschiedlichen Schallköpfe sind deshalb abhängig vom Durchmesser und der Wellenlänge und die Schalleinwirkung, die über den Wandler erzeugt wird, dringt in konischer Form ins Gewebe ein.

Der Schallkopf muss eine durchschnittliche Intensität von 3 Watt/cm2 entwickeln können, damit er eine therapeutische Wirkung auf das menschliche Gewebe haben kann. Ein Kopf mit einer strahlenden Oberfläche von 10 cm2 sollte einen maximalen totalen Output um die 30 Watt haben.

Die Köpfe unserer Ultraschalleinheiten besitzen eine Leuchtanzeige ohne Kontakt, die den Benutzer warnt, wenn kein richtiger Kontakt zwischen dem Gewebe und dem Schallkopf besteht. Außerdem sind sie selbstkalibrierend, was bedeutet, dass sie zurückgestellt werden müssen.

Bei den EME Physio Ultraschall Geräten, die sowohl kontinuierlichen als auch gepulsten Ultraschall liefern, kann eine Funktion eingestellt werden, die den diathermischen Effekt merklich reduziert, weil Hitze nur in den Intervallen zwischen den einzelnen Impulsen abgestrahlt wird.

Zusätzlich bieten gepulste Emissionen den technischen Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung des Wandlers verringert wird und den Einsatz bei höheren Intensitäten erlaubt.

PHYSIOLOGIE UND WIRKUNGEN AUF MENSCHLICHE GEWEBE

Die Anwendung des Ultraschalls auf menschliche Gewebe, führt zu einer zellulären und intrazellulären Massage mit hoher Frequenz. Die durch Ultraschall angeregten Gewebe reagieren mit Schwingungen, die die zugeführte Energie nutzen und Wärme produzieren.

So zeigen sich die biologischen Wirkungen des Ultraschalls, dass heißt die mechanischen und diathermischen Effekte. Der MECHANISCHE Effekt entwickelt sich aus einer rhythmischen Gewebekompression und -dekompression. Die Gewebepartikel, auf die der pulsierende Strahl einwirkt, werden alle wechselweise mit der gleichen Geschwindigkeit und Beschleunigung angeregt.

Die ins Gewebe eindringende Ultraschallstrahlung, wird in ihrer Intensität zunehmend geschwächt. Die erste Abschwächung tritt bereits ein, sobald der Strahl aus dem Wandler in die Haut eindringt, das heißt, hier zeigt sich schon das erste Phänomen der Streuung und Reabsorption.

Der Abschwächungseffekt tritt in größeren Tiefen noch deutlicher zutage, vor allem am Durchgang zwischen weichem Gewebe und Knochen, wo der Unterschied im Widerstand der beiden Medien, dort wo sie sich berühren, besonders hohe Rückstrahlungen erzeugt.

Das Knochengewebe jedoch reflektiert den Ultraschallstrahl nicht komplett, sondern absorbiert vielmehr einen Teil davon, während ein noch merklich größerer Anteil von der Knochenhaut absorbiert wird. Dabei entsteht eine spürbare Überhitzung und es kann bei besonders lang andauernder oder hochenergetischer Anwendung zu Schmerzen kommen.

Der DIATHERMISCHE Mechanismus mit anzunehmenden biologischen Wirkungen, tritt auf ab einer Energiezufuhr von 1 Watt/ cm2. Die Schallwellen werden absorbiert und in Hitze umgewandelt, wenn sie sich im Gewebe ausbreiten.

Die Verteilung der Wärme, die durch die Ultraschallwellen im Gewebe entsteht, ist einzigartig hinsichtlich der Art der Tiefenerwärmung: tatsächlich wird an der Gewebeoberfläche nur ein relativ geringer Temperaturanstieg verursacht, dahingegen besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass die Wärme in die Muskulatur und in die weichen Gewebe eindringt, als das bei der Diathermie der Fall ist, die durch Mikrowellen oder Kurzwellen erzeugt wird.

Die Temperatur an Gelenken, die mit dickeren Schichten weichen Gewebes bedeckt sind, wie zum Beispiel die Hüften, kann bis auf therapeutische Ebene oder bis hin zur Toleranzgrenze erhöht werden, ohne dass es zu schädigenden Einwirkungen auf andere Gewebe kommt.

Hyperthermie im Gewebe entsteht relativ schnell und wird gefolgt von einem Status thermischer Balance, der durch die Wärmeverteilung über den Blutfluss erreicht wird. Abgesehen von diesen beiden Hauptwirkungen, kommt es zu chemischen und neuralen Effekten.

Die CHEMISCHEN Effekte scheinen mit einem typischen Phänomen des Ultraschalls in Zusammenhang zu stehen, das als Ultraschall Kavitation bezeichnet wird. Sie entsteht, wenn kleine Dampfblasen in den Gewebeflüssigkeiten sich vergrößern und zur Oxidation, Polymerisation und makromolekularen Zerstörungsprozessen, usw. führen.

Deshalb fördert Ultraschall in nicht schädlichen Dosen den Austausch, vor allem Diffusionsprozesse und den Austausch von Körperflüssigkeiten durch die Zellwände.

Der NEURALE Effekt ist bedingt durch den Einfluss des Ultraschalls auf das neuro-vegetative System. Verschiedene Gewebe absorbieren den Ultraschall auf unterschiedliche Arten: weiche Gewebe schwächen Strahlung von 1db/ cm bei einer Frequenz von 1 MHz ab, so dass innerhalb von 15 bis 30 mm Gewebe nur noch die Hälfte der Energie absorbiert wird und die Intensität ungefähr auf die Hälfte des Ausgangswertes schrumpft.

Hinsichtlich der Eindringtiefe der Ultraschallenergie in den Muskel fällt besonders auf: in einer Tiefe von 3cm ist die Intensität nur noch ungefähr halb so hoch wie an der Muskeloberfläche. In einer Reihe wissenschaftlicher Experimente zeigte sich, wie die Absorption der Ultraschallenergie die Dehnbarkeit des Bindegewebes erhöht, was die Behandlung von Narbengewebe, hervorstehenden Gelenkkapseln und Tendinitis ermöglicht.

Ultraschall - die Anwendungstechniken

Eine korrekte Ultraschallanwendung erfordert einen perfekten Kontakt zwischen dem Schallkopf und dem Gewebe, denn zwischengelagerte Luftschichten erschweren das Eindringen der Strahlung.

Manchmal hat der zu behandelnde Bereich eine so unebene Oberfläche, dass ein richtiger direkter Kontakt nicht möglich ist, man kann jedoch in solchen Fällen eine synthetische Gummiauflage (gefüllt mit Öl, wasserfreiem Benzin, entgastem Wasser oder leitfähigem Gel), ein bisschen größer als der Schallkopf, zwischen den Kontaktabnehmer und die Haut legen.

Es gibt eine Reihe von Anwendungsmethoden.
Die DIREKTE und MOBILE KONTAKT BEHANDLUNG ist die am meisten verbreitete Behandlungsform. Eine Fettcreme, Vaseline oder leitfähiges Gel wird im Behandlungsbereich auf der Haut verteilt, um eine bessere Leitung der Schallwellen zu gewährleisten. Der Schallkopf wird kreisförmig oder auf und ab bewegt.

Bei der DIREKTEN und FIXIERTEN KONTAKT BEHANDLUNG kann der Kopf, eingerieben mit einer Transmittersubstanz, im Behandlungsbereich während der gesamten Anwendungsdauer auch in einer starren Position gehalten werden. Jedoch muss in diesem Fall die Stärke vermindert werden, um dem Patienten kein Unwohlsein zu verursachen (bei starker Absorption der Ultraschallenergie kommt es zu Schmerzen, zum Beispiel bei Gelenk- und Knochenhautbehandlungen) oder man verwendet den gepulsten Behandlungsmodus.

Zur Behandlung im INDIREKTEN UNTERWASSERKONTAKT muss der zu behandelnde Körperteil in ein Wasserbecken eingetaucht werden; der Schallkopf wird in einem geringen Abstand zum Behandlungsbereich ins Wasser getaucht und parallel zu diesem bewegt. Die emittierenden Manipeln des COMBIMED 4000 sind speziell für diese Behandlungsmethode vorgesehen.

Der zu behandelnde Körperbereich muss in ein mit Wasser gefülltes Gefäß (am besten aus Metall, weil die Rückstrahlung dann höher ist) getaucht werden. Der Schallkopf muss darin in einem maximalen Abstand von 2 bis 3 cm von der Körperoberfläche positioniert werden, um eine zu große Streuung der Ultraschallstrahlen zu vermeiden, die zu einer Beeinträchtigung des Therapieerfolgs führen könnten.

Die Ultraschallschwingung wird ziemlich gleichbleibend durch die Flüssigkeit übertragen und erreicht gleichmäßig das eingetauchte Körperteil. Mit dieser Methode sollte gearbeitet werden, wenn ungleichmäßig geformte Körperteile behandelt werden sollen (Ellenbogen, Knöchel, Hände, Füße, usw.), eiternde Bereiche oder überempfindliche Hautzonen, die keinen Druck aushalten.

Die Methode ist vor allem auch dann geeignet, wenn besonders kleine oder ungleichmäßige Oberflächen behandelt werden sollen oder es zu schmerzhaft wäre, direkten Kontakt anzuwenden.

Bei der Behandlung mit dem EME Combimed 4000, ist eine kombinierte Therapie mit Ultraschall, EMS Strömen niedriger und mittlerer Frequenz und Laserstrahlen möglich. Auf einem großen Touchscreen Display können die entsprechenden Therapien ausgewählt werden, mit jeweils einer Therapieform oder in Kombination.

Bei der SONOPHORESE werden anstelle des Gels lokal pharmakologisch aktive Substanzen, in Form von Produkten für die örtliche Anwendung, aufgebracht.

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