15. září 2024
Radiální a fokusovaná rázová vlna: rozdíly a mechanismus fungování
Autor: Bc. Ondřej Soukup
MBA V minulém příspěvku jsme si popsali, na jakém principu funguje rázová vlna a jaké má účinky. Nyní se budeme věnovat rozdílům v mechanismu působení. Existují dva hlavní typy: fokusovaná a radiální. Každá má své specifické vlastnosti a využití. Oba typy rázových vln využívají mechanické vlnění s vysokou amplitudou a skokovou změnou tlaku k dosažení terapeutických účinků a používají spojovací médium (gel, voda) k přenosu těchto akustických vln do tkání, které jsou léčeny. Ačkoli fokusovaná a radiální rázová vlna mají rozdílné indikace a hloubky působení, kombinace obou metod může poskytnout nejlepší výsledky při léčbě komplexních zranění, čehož využíváme i u nás na klinice Barna Medical.
Fokusovaná rázová vlna (Focused Shockwaves - FSW): Rázové vlny jsou zvukové pulzy schopné přenášet energie od místa vzniku do okolních oblastí. Jsou podobné ultrazvuku, ale na rozdíl od něj mají podstatně vyšší amplitudy tlaku. Fokusovaná rázová vlna je generována elektrohydraulicky, piezoelektricky nebo elektromagneticky. Elektromagnetické generování rázových vln využívá princip elektromagnetické indukce. Tento způsob umožňuje velmi přesné a citlivé dávkování energie rázových vln. Rázové vlny jsou následně fokusovány pomocí válcové cívky a reflektoru ve tvaru rotačního paraboloidu, což zajišťuje přesně definovanou ohniskovou zónu. Tímto způsobem lze dosáhnout maximální přesnosti jak v hloubce, tak bočně. Velká plocha přenosu energie přes kůži umožňuje aplikaci rázových vln s minimální bolestí, protože většina energie je uvolněna až v malé ohniskové zóně uvnitř těla. To činí tuto metodu účinnou a zároveň komfortní pro pacienta, protože je bolest omezena na malé místo. Rázové vlny jsou generovány v přístroji ve vodním prostředí a následně jsou přenášeny do biologické tkáně. Protože je lidská tkáň z velké části tvořena vodou, má velmi podobné vlastnosti přenosu zvuku jako voda (podobná hodnota akustické impedance). Díky tomu jsou rázové vlny přenášeny ze zařízení do biologické tkáně bez výrazné ztráty energie.
Z toho také vyplývá, že pro správnou indikaci nechceme, aby v zóně aplikace byl orgán naplněný vzduchem (např. plíce), neboť by to zamezilo přenosu vlny (kontraindikace). Rázová vlna také podléhá v těle fyzikálním jevům jako lom, odraz, rozptyl, ohyb, což způsobuje možnou deviaci paprsku ve tkáni. Nicméně, typická distribuce energie by měla vypadat jako vrcholek hory, s vrcholem až 20 cm (maximální hloubka průniku). Trvání pulsu je velmi krátké, přibližně 1000 nanosekund. Obvykle je během jedné aplikace aplikováno několik stovek až tisíc rázů. Síly, které se vytvářejí na rozhraních tkání během přenosu energie, způsobují jemné pohyby těchto rozhraní (angl. momentum transfer). Skrze homogenní tkáň (zdravá tkáň či kůže) bez velkých rozdílů v akustické impedanci prochází pulz bez větší ztráty energie, ale na rozhraních tkání s různou akustickou impedancí (např. při zánětu, tendinopatiích, kalcifikací) dochází k odrazu a deformaci vlny, což může u pacienta způsobovat relativně silnou bolest (ale bolest je na malé ploše uvnitř těla).
Pohyby vedou k natažení a deformaci vrstev buněk, jejichž membrány se krátkodobě stávají propustnými pro ionty a určité molekuly. Tento mechanismus, nazývaný mechanotransdukce, je považován za klíčový faktor v mnoha léčebných účincích rázových vln. Mechanotransdukce totiž vysvětluje, proč se uvolňují některé biochemické látky, jako například oxid dusnatý (NO), růstové faktory a substance P (Maier, 2003; Mariotto, 2005). Dochází tedy ke dvěma účinkům: za prvé vytvořené síly mohou narušit a rozbít nežádoucí struktury (například ledvinové kameny, kalcifikáty, kostní výrůstky – Delius, 1995), a za druhé dochází k podráždění či stimulaci buněk skrze reverzibilní deformaci buněčné membrány (Forrssman, 1980), což následně spouští hojivé procesy díky mechanotransdukci. Ta umožňuje zvýšenou buněčnou propustnost (Byron, 2005), stimulaci krevní cirkulace a lymfatického systému (Kisch, 2016), redukci počtu nemyelizovaných nervových vláken (Klonschinski, 2011), uvolnění růstových faktorů, hormonů a kolagenu (Chao, 2008; Christ, 2008), stimulaci kmenových buněk (Schuh, 2014) a nervů (angl. nerve spiking; Wess, 2008), a v neposlední řadě má antibakteriální efekt (Horn, 2009). Rázové vlny mají i další důležitou vlastnost. Např. u ultrazvuku probíhají hlavní procesy související s tlakem v rozmezí mikrosekund, což je příliš krátká doba pro většinu fyziologických procesů. Nicméně, mechanotransdukce vyžaduje síly působící delší dobu, konkrétně v řádu milisekund.
Během této doby mohou biochemické látky procházet přes dočasně otevřené póry natažených membrán, což poskytuje dostatek času pro jejich výměnu a může pak docházet ke zmíněným pozitivním efektům. Tento typ rázové vlny se zaměřuje na přesné a hloubkové zacílení energie, což jej činí ideální pro ošetření vážnějších, déle trvajících zranění, například chronických tendinopatií, zánětů, špatně se hojících svalů a nehojících se zlomenin (Gleitz, 2005). Radiální rázová vlna (Radial Shockwaves - RWT) nebo Radiální tlaková vlna (Radial Pressure Waves - RPW): Z hlediska fyziky je správný název radiální tlaková vlna, nikoli vlna rázová, jak se často udává. Doba a délka pulzu u radiálních tlakových vln je mnohem delší než u rázových vln. Tlakové vlny mají délku pulzu mezi 0,15 a 1,5 m, což je právě náš případ. Naopak délka pulzu rázových vln je pouze přibližně 1,5 mm, tedy 10x-100x menší. To vysvětluje, proč mohou být rázové vlny na rozdíl od tlakových vln fokusovány a mají schopnost zaměřit se na jedno konkrétní místo (Cleveland, 2007).
Radiální tlakové vlny jsou v medicíně používány od 90. let 20. století. Tlaková vlna je generována uvnitř hlavice, kde dochází ke kolizi pevných struktur – projektilu a přenašeče / transmiteru. Projektil je urychlen pomocí stlačeného vzduchu (podobně jako u vzduchovky) na rychlost několika metrů za sekundu (přibližně 5 až 25 m/s). Projektil je pak náhle zpomalen po nárazu do přenašeče (nárazové těleso, transmiter), což vytváří zvukový doprovod. Toto elasticky zavěšené nárazové těleso je v přímém kontaktu s pacientovou kůží v oblasti ošetření, nejlépe za použití ultrazvukového gelu. Když projektil zasáhne přenašeč, část (většina) jeho kinetické energie se přenese na přenašeč (kolik záleží na tom, jaký typ přenašeče je použit), který je následně malinko posunut (obvykle méně než 1 mm za dobu od 0,2 do 5 ms) mnohem pomalejší rychlostí (zpravidla méně než 1 m/s). Tento pohyb se poté přenáší do tkáně, kde se dále divergentně šíří ve formě radiální tlakové vlny. Kinetická energie z této vlny působí na okolní tkáň, přičemž největší množství energie se uvolní v místě vzniku tlakové vlny. Energie se pak postupně snižuje až do efektivní hloubky 3-5 cm, čím dál se vlna šíří od svého zdroje, a více a rozlehleji se rozptyluje než vlny z fokusovaného typu.
Tlakové pulzy radiálních tlakových vln trvají přibližně 0,2 až 5 milisekund, což je až tisíckrát déle než u rázových fokusovaných vln, ale zároveň nepronikají tak hluboko. Maximální tlak radiálních vln dosahuje typicky 0,1 až 1 MPa, což je zhruba stokrát méně než u fokusovaných rázových vln. To znamená, že radiální tlakové vlny působí na tkáň pod nižším tlakem a po delší dobu, což je ideální pro povrchové a méně intenzivní ošetření (Wess, 2004). Je vhodná pro povrchovější myofasciální problémy, jako jsou ), svalové bolesti, bolesti měkkých tkání, a také záněty šlach (například tenisový loket, tendinopatie achillovy šlachy. Terapie radiální tlakovou (rázovou) vlnou je často levnější a méně invazivní, ale může být méně účinná pro vážnější a déletrvající obtíže. Z tohoto důvodu často využíváme oba typy rázových vln současně pro různé diagnózy.
Zdroje:
Byron, C. R. et al.: Effects of radial shock waves on membrane permeability and viability of chondrocytes and structure of articular cartilage in equine cartilage explants. American Journal of Veterinary Research, 66(10), 1757 – 1763, 2005.
Cleveland, R. O. et al.: Acoustic field of a ballistic shock wave therapy device. Ultrasound in medicine and biology, 33(8), 1327 – 1335, 2007.
Delius, M. et al.: Biological effects of shock waves: in vivo effect of high energy pulses on rabbit bone. Ultrasound in medicine and biology, 21(9), 1219 – 1225, 1995.
Forssman, B. et al.: Stosswellen in der Medizin, Medizin in unserer Zeit. 4: 10, 1980
Gleitz, M.: Die Bedeutung der Trigger-Stoßwellentherapie in der Behandlung pseudoradikularer Cervicobrachialgien. Abstracts 53. Jahrestagung der Vereinigung Süddeutscher Orthopäden e.V., 2005.
Horn, C. et al.: The effect of antibacterial acting extracorporeal shockwaves on bacterial cell integrity. Medical Science Monitor, 15(12), 364 – 369, 2009.
Chao, Y.-H. et al.: Effects of shock waves on tenocyte proliferation and extracellular matrix metabolism. Ultrasound in medicine and biology, 34(5), 841 – 852, 2008.
Christ, Ch. et al.: Improvement in skin elasticity in the treatment of cellulite and connective tissue weakness by means of extracorporeal pulse activation therapy. Aesthetic Surgery Journal, 28(5), 538 – 544, 2008.
Kisch, T. et al.: Repetitive shock wave therapy improves muscular microcirculation. Journal of Surgical Research, 201(2), 440 – 445, 2016.
Klonschinski, T. et al.: Application of local anesthesia inhibits effects of low-energy extracorporeal shock wave treatment (ESWT) on nociceptors. Pain Medicine, 12(10), 1532 – 1537, 2011.
Maier, M. et al.: Substance P and prostaglandin E2 release after shock wave application to the rabbit femur. Clinical Orthopaedics and Related Research, (406), 237 – 245, 2003.
Mariotto, S. et al.: Extracorporeal shock waves: From lithotripsy to anti-inflammatory action by NO production. Nitric Oxide, 12(2), 89 – 96, 2005.
Schuh, C. M. et al.: In vitro extracorporeal shock wave treatment enhances stemness and preserve multipotency of rat and human adipose-derived stem cells. Cytotherapy, 16(12), 1666 – 1678, 2014.
Storz Medical. "Physics and Technology: Shock Wave Technology." Accessed September 10, 2024. https://www.storzmedical.com/en/physics-and-technology#tech3.
Wess, O.: Physikalische Grundlagen der extrakorporalen Stoswellentherapie. Journal für Mineralstoffwechsel, 11(4), 7 – 18, 2004.
Wess, O.: A neural model for chronic pain and pain relief by extracorporeal shock wave treatment. Urological Research, 2008; 36(6), 327 – 334, 2008.