Ultrazvuk je akustické vlnění, které se rozptyluje ve tkáni. Kvůli svým fyzikálním vlastnostem je neviditelné.
Fyzikální pohled
Ultrazvuk je akustické vlnění s frekvencí vyšší než 16 kHz (občas se uvádí 20 kHz), tedy nad horní hranicí slyšitelnosti lidského ucha. V ultrazvukové terapii se nejčastěji využívá ultrazvuk s frekvencí v rozsahu 800 kHz – 5 MHz. Vlny se musí rozptylovat v nějakém prostředí, např. ve vzduchu, tekutině nebo v tělese (nebudou se rozcházet ve vakuu). Rychlost rozptylu vln je závislá na vlastnostech prostředí. V tabulce č. 1 jsou uvedeny příklady fyzikálních dat. Čím větší je hustota a pružnost prostředí, tím větší je rychlost rozptylu. V průběhu pohybu je energie tlumena vlastnostmi prostředí. Fyzikální veličinou popisující tyto vlastnosti je součinitel absorbce. Při zjednodušeném pohledu lze tvrdit, že tekutiny (voda a vodní roztoky) a kovy patří mezi dobré vodiče ultrazvuku a měkké substance (např. pryž, silikon) mezi špatné. Měkké tkáně (např. svaly) a tuk najdeme na pomyslném žebříčku mezi nimi kvůli velkému obsahu vody v buňkách. Energie, kterou nese ultrazvuková vlna, se v daném prostředí proměnuje v enegii tepelnou. Součinitel absorbce pro danou substanci je závislý na frekvenci. Zásadně je tím větší, čím větší je frekvence. Z toho plyne, že vlnění s nižší frekvencí umožňuje hlubší penetraci prostředí.
Prostředí | Rychlost [m/s] |
Vzduch | 331 |
Voda | 1493 |
Hliník | 6260 |
Ocel | 5900 |
Tvrdá pryž | 2300 |
Tabulka 1. Hodnota rychlosti vlnění v některých prostředích (podle „Ultradźwięki i ich zastosowanie“ A. Śliwiński).
Prostředí | Součinitel absorbce | |
1MHz | 3MHz | |
Voda | 0,0006 | 0,0018 |
Vzduch | 2,76 | 8,28 |
Krev | 0,03 | 0,09 |
Tuková tkáň | 0,14 | 0,42 |
Nervová tkáň | 0,20 | 0,60 |
Svaly (podélná aplikace) | 0,76 | 2,28 |
Svaly (příčná aplikace) | 0,28 | 0,84 |
Cévy | 0,4 | 1,2 |
Kůže | 0,62 | 1,86 |
Šlachy | 1,12 | 3,36 |
Chrupavka | 1,16 | 3,48 |
Kost | 3,22 | brak danych |
Tabulka 2. Podle: Rehabilitacja medyczna 2000 tom 4 nr specjalny „Jonoforeza i fonoforeza“
Dalším důležitým jevem, významným pro praktické využití, je reakce vlnění na přechod mezi prostředími. Pokud se vlastnosti těchto prostředí výrazně liší, vlna se částečně odrazí. Zbylá energie proniká do druhého prostředí. U terapeutického ultrazvuku se vyskytují poměrně velké hodnoty energie, které jsou pomocí vlnění zaváděny do organismu. Výkony ultrazvukových zářičů mají rozsah 2-30 W, v závislosti na velikosti hlavice a frekvenci. Často nám záleží na vytvoření termického efektu, proto je úspěšný přenos vlny z hlavice do tkáně velice důležitý. Jedním z parametrů prostředí zohledňovaných při analýze jevů, ke kterým dochází na hranici prostředí, je akustická impendance. S jistým zjednodušením lze říci, že přenos energie je optimální (nedochází k odrazu), pokud obě prostředí mají stejnou impendanci (obdobně jako v případě elektrických obvodů). Čím větší je rozdíl v impendanci, tím větší je odraz. Příkladem dvojice takových prostředí je hlavice – vzduch, kde dochází k téměř úplnému odrazu.
Jelikož se na povrchu pokožky přirozeně vyskytují kožní póry a vlasy, jen ztěží se lze vyvarovat vzniku tenké vrstvy vzduchu mezi hlavicí a kůží, což zásadně omezuje přenos. Z tohoto důvodu jsou k aplikaci používány substance jako např. gel. Dalším řešením je provádění procedur ve vodě, což ale v praxi omezuje možné oblasti aplikace. Provádění procedur často vyžaduje práci s heterogenním prostředím (např. svalová a tuková tkáň). V těchto případech prostředí obsahuje velké množství vody, která dobře přenáší vlnění, a jisté množství tvrdších struktur a plynů o malých nebo podobných rozměrech v porovnání s vlnovou délkou samotnou. V těchto případech dochází k rozptýlení vlny.
Přechod | Součinitel odrazu |
hlavice – vzduch | 0,999 |
hlavice – gel | 0,66 |
gel – kůže | 0,001 |
kůže – tuková tkáň | 0,009 |
tuková tkáň – svaly | 0,009 |
svaly – kosti | 0,34 |
kůže – vzduch | 0,999 |
Tabulka 3. Součinitel odrazu na hranici prostředí. Podle: Rehabilitacja medyczna 2000 tom 4 nr specjalny „Jonoforeza i fonoforeza“
Kavitace
Kavitace je vznik a následný růst pulzních dutin v tekutině pod vlivem ultrazvukové vlny s velkou intenzitou. Dochází k ní po překročení určité úrovně intenzity, tzv. kavitačního prahu. S jistým zjednodušením lze říci, že akustická vlna způsobuje cyklickou změnu lokálního tlaku v daném prostředí. Čím větší je intenzita vlny, tím větší je rozdíl mezi maximálním a minimálním tlakem. Na druhou stranu víme, že teplota varu tekutin při snižování tlaku klesá. Pokud minimální hodnota tlaku spojeného s působením vlny bude menší než určitá hodnota (tzv. kavitačního prahu), dojde k lokální iniciaci odpařování tekutiny. Vznikne mikrodutina nasycená párou dané tekutiny. V určitých případech tato dutina nezanikne ve fázi vysokého tlaku akustické vlny, ale při dalších cyklech dochází k jejímu zvětšení až do mezního okamžiku, kdy proces ztrácí stabilitu a dochází k prudkému zborcení – implozi. Stěny tekutiny do sebe udeří s velkou rychlostí a energií (ve škále mikro). Lokálně vzniká velký tlak a také teplota – tak dochází ke vzniku podmínek vhodných pro syntézu chemických sloučenin, ke kterým by za „normálních“ okolností nedošlo. Tyto jevy jsou předmětem výzkumu a vývoje sonochemie.
V případě sonoterapie je kavitace nebezpečná, jelikož ničí buněčné a tkáňové struktury. Proto norma týkající se ultrazvukových přístrojů omezuje výkon ultrazvukových hlavic do 3 W /cm2. Avšak pokusy ukazují, že za jistých podmínek může docházet ke kavitaci dokonce i při menší intezitě. V tomto kontextu je dalším záporným faktorem heterogenita emitované ultrazvukové vlny.
Heterogenita svazku
Typické ultrazvukové hlavice, které jsou používány v sonoterapii, jsou vyrobeny mj. z keramických disků s piezoelektrickými vlastnostmi. Pod vlivem střídavého napětí přiloženého k elektrodám dochází ke změně tloušťky disku, proto na čelo hlavice můžeme nahlížet jako na kmitací píst. Jelikož typické průměry převodníků jsou několikanásobně větší než emitované vlnové délky, svazek má heterogenní rozložení intenzity. Tento jev je způsoben interferencí vln vytvářených jednotlivými fragmenty čela. Největší heterogenita se vyskytuje v tzv. blízkém poli, v němž se obvykle provádí léčebné procedury. V dalekém poli je rozložení intenzity více rovnoměrné. Pro hlavici 4 cm² /1 MHz se hranice mezi blízkým a dalekým polem nachází asi 10 cm od čela. Ilustrace č. 1 znázorňuje charakteristiku změn intenzity vln na ose převodníku. Ilustrace č. 2 znázorňuje trojrozměrné rozložení pro převodník o průměru 20 mm při frekvenci 2 MHz a vzdálenostech 6 mm a 75 mm od čela hlavice.
Ilustrace č. 1. Rozložení intenzity vlny na ose kruhového převodníku.
Ilustrace č. 2. Trojrozměrné rozložení intenzity pole ve vzdálenosti 6 mm (a) i 75 mm (b) od čela hlavice.
Každá ultrazvuková hlavice musí mít uvedený paramter (BNR), který označuje heterogenitu vytvářeného pole. Jeho hodnota zpravidla činí 5 – 8 a vyjadřuje, kolikrát je maximální lokální intenzita větší než intenzita průměrná (výkon dělený povrchem hlavice). V praxi to znamená, že pokud v průběhu terapie budeme pracovat s intenzitou 1 W/cm² (typická, ale nízká hodnota), lokálně v ošetřované oblasti se intenzita bude pohybovat od 0 do 6 W/cm² (pro BNR=6). Proto je vyžádován pohyb hlavicí v rámci ošetřované oblasti, díky čemu se lze vyhnout přehřátí tkáně a vzniku kavitace. Je to důležité zejména v případě větších dávek, kdy průměrná intenzita může přesahovat 2 W/cm². Při větší intenzitě se doporučuje pulzní režim s pracovním cyklem 10 – 20%, díky čemuž průměrný výkon výrazně klesá a nedochází k silnému termickému efektu. Další variantou je provádění procedur ve vodě a v dalekém poli.
Biologické účinky
Nejznámějším a samozřejmým účinkem ultrazvukové vlny je prohřátí tkáně. Jak už było zmíněno, svaly a chrupavky mají poměrně vysoký součinitel absorbce, díky čemuž se ultrazvuková energie proměňuje v teplo. Následkem této proměny je zvýšení prahu bolesti, uvolnění svalů, změny nervového vedení. Prohřátí tkáně způsobuje sekundární efekt – zvýšení kinetické energie a tím i větší aktivitu enzymů v ošetřované oblasti. Zlepšuje se metabolismus a urychlují regenerační procesy. Je potřeba upozornit na výrazně vyšší součinitel absorbce chrupavky a kosti oproti svalům a tukové tkáni, což může vést ke zvýšení teploty těchto prvků a překročení dovolené terapeutické dávky a poškození tkání. Intenzitu nad 2 W/cm² je potřeba používat s velikou opatrností, vždy za pohybu hlavicí a pozorování stavu pacienta. Pokud pacient bude hlásit specifickou bolest v okolí kloubů a kostí, je nutné zmenšit dávku nebo použít pulzní režim. Hloubku penetrace lze do jisté míry kontrolovat také pomocí frekvence hlavice. Ultrazvuk o frekvenci 1 MHz proniká rozhodně hlouběji než ultrazvuk o frekvenci 3 MHz.
Ultrazvukové vlny působí také mechanicky – v ošetřované oblasti vzniká jiný tlak. Tkáně jsou podrobeny specifické mikromasáži shodné s frekvencí hlavice. Tento jev vede ke zvýšení propustnosti buněčných membrán a rozšíření iontových kanálů. Následkem je urychlení buněčného metabolismu. V tomto kontextu je důležitý vliv ultrazvuku na kůži, zejména na rohovou vrstvu, která je základní bariérou pro pohlcování cizích substancí. Mechanické působení ultrazvuku omezuje těsnost rohové vrstvy a modulaci velikosti potních a mazových žláz a vlasových folikulů. Dalším faktorem zvýšujícím propustnost kůže je výše popsaný termický efekt. Tyto jevy umožnily vývoj aplikace léků přes kůži.
Fonoforéza
Fonoforéza je metoda aplikace léků přes kůži s využitím ultrazvuku. Účinná látka se rozpouští v gelu, který působí zároveň jako spojovací prostředek mezi kůží a hlavicí. Hlavní výhodou této metody je (stejně jako u ostatních transdermálních metod) koncentrace léků v místě terapie a vyloučení jaterního oběhu. Omezující je poměrně malé množství účinné látky (kvůli tenké gelové vrstvě). Částice léku vnikají pod kůži pouze pomocí difuze a jsou navíc zachycovány krví v kožních cévách. Proto je účinnost fonoforézy omezená na povrchová onemocnění.
Elektrofonoforéza
Elektrofonoforéza je rovněž metoda transdermální aplikace léků, ale je rozšířená o vliv elektrického proudu. Její tvůrce, dr. A. Dyszkiewicz, se rozhodl využít zároveň výhody iontoforézy (vytvoření silného gradientu elektrického pole na disociované ionty léku) a vliv ultrazvukové vlny (hlavně modulaci propustnosti kůže a zvýšení kinetické energie v ošetřované oblasti). Pro aplikaci byla vytvořena speciální konstrukce ultrazvukové hlavice s komorou na léčebnou látku a přizpůsobeným elektrickým obvodem. Pro využití proudu pro transport léku, musí být povrch hlavice odolný a nesmí docházet k chemickým reakcím s gelem a následně s částicemi léku. Obyčejné ultrazvukové hlavice mají čelo z hliníkových slitin, které patří mezi velice reaktivní kovy. Proto je nelze využít k elektrofonoforéze.
Z důvodu synergického působení ultrazvuku a iontového transportu v elektrickém poli, je elektrofonoforéza velice účinná při léčbě lokálních onemocnění sahajících až deset a více centimetrů pod kůži. Je oceňována zejména v případech, kde ji lze nahradit pouze klasickou farmakoterapií nebo přímou injekcí – tedy v obou případech léčbou s vedlejšími účinky.
Pokusy provedené dr. Dyszkiewiczem na hovězích svalech s modrým metylovým barvivem potvrdily, že v případě elektrofonoforézy je průnik 4,5 násobně větší než v případě fonoforézy. Oproti klasické iontoforéze był průník trojnásobný.
Na závěr je nutné upozornit, že elektrofonoforéza je metoda podávání léků s velkou účinností, proto musí být používána s opatrností a pod dohledem vedoucího lékaře. V případě chybné diagnózy nebo špatného výběru léků je pacient vystaven nebezpečí odpovídajícímu nevhodné farmakoterapii a injekcím.
Omezením pro tuto metodu je její malá popularita a malé množství vhodných gelů pro přímé využití.