Zastosowanie ultradźwięków w fizykoterapii

Ultradźwięki w fizykoterapii to fale mechaniczne rozchodzące się w tkance. Z racji uwarunkowań fizycznych nie są one widoczne. Wszystko, co nie jest możliwe do zobaczenia gołym okiem, jest łatwiejsze do pojęcia w momencie, kiedy bardziej zgłębimy istotę zjawiska.

Podstawy fizyczne

Ultradźwiękami nazywamy fale sprężyste o częstotliwościach większych niż 16 kHz (niekiedy przyjmuje się 20 kHz), czyli powyżej górnej granicy ludzkiego słuchu. W sonoterapii najczęściej wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwościach z zakresu 800 kHz-5 MHz. Fale te muszą rozchodzić się w jakimś ośrodku np. powietrzu, cieczy lub ciele stałym (nie mogą się rozchodzić w próżni). Prędkość rozchodzenia się fal zależna jest od właściwości danego ośrodka, w tabeli 1 podane są przykładowe dane fizyczne. Im większa gęstość i sprężystość ośrodka, tym większa prędkość rozchodzenia. W czasie ruchu energia niesiona przez falę ulega stłumieniu z racji nieidealności ośrodka. Fizyczną miarą tej właściwości jest współczynnik absorpcji. W uproszczeniu można przyjąć, że ciecze typu woda lub jej roztwory oraz metale są dobrymi przewodnikami ultradźwięków, zaś substancje miękkie typu guma, silikon – złymi. Tkanki miękkie typu mięśnie i tłuszcz mają właściwości pośrednie, ze względu na sporą zawartość wody w komórkach. Energia niesiona przez falę w ośrodku o właściwościach statnych zamienia się w ciepło. Współczynnik absorpcji dla danej substancji zależy od częstotliwości. Regułą jest, że rośnie on wraz ze zwiększaniem częstotliwości. Z tego względu fale o częstotliwościach mniejszych pozwalają na głębszą penetrację ośrodka.

Tabela 1. Wartość prędkości fali w wybranych ośrodkach (na podstawie „Ultradźwięki i ich zastosowanie” A. Śliwiński.

Tabela 2. Na podstawie: Rehabilitacja medyczna 2000 tom 4 nr specjalny „Jonoforeza i fonoforeza”

Innym istotnym zjawiskiem, które ma duże znaczenie praktyczne, to zachowanie się fali na granicy dwóch ośrodków. Jeżeli właściwości tych ośrodków się różnią istotnie, to fala ulega częściowemu odbiciu. Pozostała energia przechodzi do drugiego ośrodka. W sonoterapii mamy do czynienia ze stosunkowo dużymi energiami fali wprowadzanymi do ciała. Moce promienników ultradźwiękowych mieszczą się w zakresie 2-30 W, zależnie od wielkości głowicy i częstotliwości. Często zależy nam na wytworzeniu efektu termicznego, zatem kwestia dobrej transmisji fali z głowicy do tkanki docelowej jest bardzo istotna. Jednym z parametrów ośrodka, który stosowany jest przy analizie zjawisk zachodzących na granicy ośrodków jest impedancja akustyczna. W uproszczeniu można powiedzieć, że transmisja energii jest optymalna (nie występuje odbicie) jeżeli oba ośrodki mają identyczną impedancję (analogicznie jak w układach elektrycznych). Im większa różnica impedancji, tym większe odbicie. Przykładem takiego zestawienia ośrodków jest głowica-powietrze, gdzie następuje prawie całkowite odbicie. Ponieważ powierzchnia skóry z natury jest porowata oraz często w jakimś stopniu owłosiona, zatem trudno jest uniknąć nawet cienkiej warstwy powietrza, co w zasadniczym stopniu pogarsza transmisję. Z tego względu stosowane są substancje sprzęgające typu żel lub olej. Innym rozwiązaniem jest wykonywanie zabiegów w wodzie, co jednak w praktyce ogranicza to obszar aplikacji do kończyn. Bardzo często mamy do czynienia z ośrodkami niejednorodnymi jeżeli chodzi o strukturę jak np. tkanka mięśniowa lub tłuszczowa. W tych przypadkach ośrodek zawiera dużą ilość wody, która dobrze przewodzi falę, oraz pewną ilość struktur twardszych oraz gazów, które mają małe lub podobne rozmiary w porównaniu do długości fali. W takim przypadku następuje rozproszenie fali.

Tabela 3. Współczynnik odbicia na granicy ośrodków. Na podstawie: Rehabilitacja medyczna 2000 tom 4 nr specjalny „Jonoforeza i fonoforeza”

Kawitacja

Kawitacją nazywamy zjawisko powstawania i powiększania się pulsujących pęcherzyków gazu w cieczy pod wpływem fali ultradźwiękowej o dużym natężeniu. Dochodzi do tego powyżej pewnego poziomu natężenia, zwanego progiem kawitacji. W uproszczeniu możemy powiedzieć, że fala akustyczna powoduje cykliczną zmianę lokalnego ciśnienia w danym ośrodku. Im większe jest natężenie tej fali, tym większe są różnice między ciśnieniem maksymalnym i minimalnym, przy czym ciśnienie to jest zawsze dodatnie (nie istnieje pojęcie ciśnienia bezwzględnie ujemnego, może być ujemne względem jakiegoś poziomu odniesienia). Z drugiej strony wiemy, że temperatura wrzenia cieczy maleje wraz z obniżaniem ciśnienia. Jeżeli minimum tego ciśnienia, związanego z działaniem fali, będzie mniejsze od pewnego granicznego, to nastąpi lokalne zainicjowanie procesu parowania cieczy. Powstaje w ten sposób mikropęcherzyk gazu pary nasyconej danej cieczy. W pewnych sytuacjach pęcherzyk nie zanika w fazie wysokiego ciśnienia fali, lecz przy kolejnych cyklach następuje jego powiększanie. Tak się dzieje do pewnego momentu, kiedy proces traci stabilność i następuje gwałtowne „zapadnięcie się” pęcherzyka – implozja. Ścianki cieczy uderzają o siebie z bardzo dużą prędkością i energią (w skali mikro). Lokalnie powstaje ogromne ciśnienie, a co za tym idzie temperatura. W ten sposób powstają warunki do syntezy związków chemicznych, które w „normalnych” okolicznościach nie zachodzą. Te zjawiska są przedmiotem badań i rozwoju dziedziny zwanej chemią ultradźwiękową.

W przypadku sonoterapii zjawisko kawitacji jest bardzo szkodliwe i nie należy dopuszczać do jego powstawania, ponieważ powoduje ono niszczenie struktur komórkowych i tkankowych. Z tego względu norma dotycząca ultradźwiękowych urządzeń zabrania producentom wprowadzania na rynek głowic pozwalających emitować fale o natężeniu większym niż 3 W/cm². Tym niemniej, badania wskazują na powstawanie kawitacji w pewnych warunkach, nawet przy stosowaniu natężenia mniejszego. Dodatkowym, niekorzystnym czynnikiem jest tutaj niejednorodność emitowanej fali ultradźwiękowej.

Niejednorodność wiązki

Typowe głowice ultradźwiękowe, wykorzystywane w sonoterapii, zbudowane są z wykorzystaniem dysków z ceramiki o właściwościach piezoelektrycznych. Pod wpływem zmiennego napięcia przyłożonego do elektrod napylonych na płaskie części następuje zmiana grubości dysku. Z tego względu czoło głowicy traktować możemy z pewnym przybliżeniem jako drgający tłok. Ponieważ typowe średnice przetworników są wielokrotnie większe od długości emitowanej fali, wiązka ma nierównomierny rozkład natężenia. Zjawisko to spowodowane jest interferencją fal wytwarzanych przez poszczególne fragmenty czoła. Szczególnie dużą niejednorodność obserwujemy w tzw. polu bliskim w którym zwykle wykonuje się zabiegi. W polu dalekim obserwujemy znacznie bardziej równomierny rozkład natężenia. Dla głowicy 4 cm²/1 MHz granica pól leży w odległości 10 cm od czoła. Rysunek 1 ilustruje charakterystykę zmian natężenia fali na osi przetwornika. Rysunek 2 pokazuje trójwymiarowy rozkład natężenia, dla przetwornika o średnicy 20 mm, przy częstotliwości 2 MHz i odległościach 6 mm i 75 mm od czoła.

Rysunek 1. Rozkład natężenia fali na osi przetwornika kołowego

Rysunek 2. Trójwymiarowy rozkład natężenia pola w odległości 6mm (a) i 75mm (b) od czoła

Każda głowica ultradźwiękowa powinna mieć podany parametr, oznaczony jako BNR, charakteryzujący niejednorodność wytwarzanego pola. Zwykle mieści się on w granicach 5-8, i mówi o ile maksymalne natężenie zmierzone lokalnie jest większe od natężenia średniego, wynikającego z ilorazu mocy i powierzchni promieniującej. W praktyce oznacza to, że jeżeli w trakcie terapii ustawione zostanie natężenie 1 W/cm² (wartość typowa, ale nieduża), to lokalnie w polu terapeutycznym natężenie będzie się wahać w granicach od 0 do 6 W/cm² (dla BNR=6). Z tego względu wymagane jest wykonywanie ruchów głowicą w obszarze terapeutycznym, aby uniknąć lokalnego przegrzania tkanek a nawet powstania kawitacji. Szczególnie istotne jest to przy stosowaniu dużych dawek, gdzie natężenie średnie może wynosić więcej niż 2 W/cm². Zalecane jest w takich przypadkach stosowanie trybu pulsacyjnego, gdzie współczynnik wypełnienia wynosi 10-20%, przez co średnia moc wyraźnie maleje i unikamy silnego efektu termicznego. Alternatywą może być również wykonywanie zabiegu w wodzie w polu dalekim.

Skutki biologiczne

Najbardziej znanym i oczywistym skutkiem oddziaływania fal ultradźwiękowych jest rozgrzewanie tkanki. Jak wcześniej wspomniano, mięśnie i chrząstka mają stosunkowo duży współczynnik absorpcji, przez co energia ultradźwięków zamienia się w ciepło. Powoduje to podniesienie progu bólu, rozluźnienie mięśni, zmiany w przewodnictwie nerwowym. Ogrzanie tkanki powoduje wtórny efekt polegający na podniesieniu energii kinetycznej co prowadzi do większej aktywności enzymatycznej w obszarze nadźwiękawianym. Poprawia się tym samym metabolizm i przyspieszeniu ulegają procesy regeneracji. Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na znacznie większy współczynnik absorpcji chrząstki i kości niż mięśni i tkanki tłuszczowej. Może to prowadzić do znacznego zwiększenia temperatury tych struktur w czasie zabiegu i przekroczenia dozwolonej dawki terapeutycznej, a w konsekwencji uszkodzenia tkanki. Natężenia powyżej 2 W/cm² należy stosować niezwykle rozważnie, zawsze wykonywać ruchy głowicą i obserwować odczucia pacjenta. Jeżeli pacjent będzie odczuwał specyficzny ból w okolicach stawów i kości, należy zmniejszyć dawkę lub zastosować tryb pulsacyjny. Głębokość penetracji możemy w pewnym stopniu kontrolować również przez dobór częstotliwości pracy głowicy. Ultradźwięki o częstotliwości 1 MHz powodują zdecydowanie głębsze wnikanie niż te o częstotliwości 3 MHz.

Fale ultradźwiękowe mają również oddziaływanie czysto mechaniczne, związane z generowaniem zmiennego ciśnienia w obszarze terapeutycznym. Tkanki poddawane są specyficznemu mikromasażowi zachodzącemu z częstotliwością pracy głowicy. Prowadzi to zwiększenia przepuszczalności błon komórkowych i poszerzenia kanałów jonowych. W konsekwencji procesy metaboliczne zachodzące w komórkach ulegają przyspieszeniu. Bardzo istotny jest w tym kontekście wpływ ultradźwięków na elementy skóry, szczególnie warstwy rogowej, która stanowi podstawową barierę dla wchłaniania substancji z zewnątrz ustroju. Mechaniczne oddziaływanie fali powoduje znaczne zmniejszenie szczelności warstwy rogowej oraz modulację wielkości gruczołów potowych i łojowych oraz mieszków włosowych. Dodatkowym czynnikiem zwiększającym przepuszczalność skóry jest opisany wcześniej efekt termiczny. Te zjawiska doprowadziły do rozwoju przezskórnych technik podawania leków.

Fonoforeza

Fonoforeza jest metodą podawania leków przez skórę z wykorzystaniem wpływu ultradźwięków. Substancja czynna jest rozpuszczona w żelu, który jest jednocześnie ośrodkiem sprzęgającym między skórą a głowicą. Podstawową zaletą tej metody, jak i pozostałych transdermalnych, jest ominięcie przejścia wątrobowego oraz koncentracja leku w miejscu terapeutycznym. Ograniczeniem jest tutaj stosunkowo mała ilość substancji czynnej z racji małej grubości żelu pomiędzy czołem głowicy a skórą. Poza tym cząsteczki leku wnikają pod skórę wyłącznie siłami dyfuzji, a dodatkowo przechwytywane są przez krew krążącą w naczyniach skóry właściwej. Z tego względu skuteczność terapeutyczna fonoforezy ograniczona jest do schorzeń powierzchniowych.

Elektrofonoforeza

Elektrofonoforeza jest również metodą przezskórnej aplikacji leków, ale rozszerzoną o wpływ prądu elektrycznego. Twórcą metody jest dr A. Dyszkiewicz, który postanowił wykorzystać jednocześnie zalety jonoforezy (wytworzenie silnego gradientu pola elektrycznego na zdysocjowane jony leku) oraz wpływ fal ultradźwiękowych (głównie modulację przepuszczalności skóry oraz zwiększenie energii kinetycznej w obszarze terapeutycznym). Do aplikacji opracowana została specjalna konstrukcja głowicy ultradźwiękowej, która posiada komorę na substancję lekową oraz odpowiedni obwód przepływu prądu. Z racji wykorzystania prądu stałego do transportu jonów leku, czoło głowicy musi mieć powłokę o odpowiedniej odporności chemicznej, aby w czasie terapii nie następowała reakcja chemiczna z żelem a następnie cząsteczkami leku. Zwykłe głowice ultradźwiękowe najczęściej posiadają czoła ze stopów aluminium, który jest bardzo reaktywnym metalem. Z tego względu nie nadają się do takich zastosowań.

Z racji synergicznego oddziaływania ultradźwięków i transportu jonowego w polu elektrycznym, elektrofonoforeza okazała się metodą niezwykle skuteczną, jeżeli chodzi o leczenie schorzeń miejscowych, położonych pod skórą na głębokości nawet kilkunastu centymetrów. Szczególnie cenna jest w leczeniu chorób stawów, gdzie jedyną alternatywą jest standardowa farmakoterapia lub bezpośrednia iniekcja, w obu przypadkach obciążone skutkami ubocznymi. Badania porównawcze przeprowadzone przez dra Dyszkiewicza na przekrojach mięśnia wołowego, z użyciem barwnika błękitu metylenowego, wykazały 4,5-krotnie większą głębokość penetracji z wykorzystaniem elektrofonoforezy w stosunku do fonoforezy. W stosunku do standardowej jonoforezy uzyskano 3-krotnie większą głębokość.

Na zakończenie należy zwrócić uwagę, że elektrofonoforeza jest metodą podawania leków o dużej skuteczności, a co za tym idzie, powinna być stosowana z rozwagą oraz pod nadzorem lekarza prowadzącego. W przypadku błędnej diagnozy lub złego doboru leku, pacjent może być narażony na skutki podobne do niewłaściwej farmakoterapii czy też iniekcji.

Ograniczeniem metody jest mała jej znajomość w lecznictwie oraz niezbyt duża liczba gotowych żeli nadających się bezpośrednio do użycia.