Hoe werkt het...: therapeutische ultrasound

Fysische werking van ultrasound

Ultrasound ontstaat door mechanische vibratie van partikels of moleculen in een medium. Door een verstoring in het medium van een materiaal worden deze aangezet tot vibreren, wat geluidsgolven opwekt. Het menselijk oor is in staat om vibraties van 20 Hz tot 20 kHz op te vangen. Is de frequentie boven de 20 kHz dan is dit ultrasound. Ultrasound voor therapeutische doeleinden heeft een frequentie range van 500 kHz tot 5 MHz.

Als de vibratie continu is resulteert dit in een constante frequentie en toon. De vibrerende partikels in het medium geven hun vibratie door aan aangrenzende partikels, waardoor er een serie van verdichtingen en verdunningen ontstaat (afbeelding 1) en de vibratiegolf zich door het medium zal voortbewegen. Dit maakt dat geluidsgolven longitudinale golven zijn. Liggen de moleculen in een medium dicht bij elkaar, dan zal het geluid sneller door het medium gaan dan als ze ver uit elkaar liggen. Zo is de snelheid van geluid doorgaans het hoogst in een vaste stof, waarin de moleculen zich dicht bij elkaar bevinden. In een vloeistof en gas zitten de moleculen verder van elkaar verwijderd en is de geluidssnelheid lager (afbeelding 2).

Bij het voortbewegen van de golf door een medium en daarmee het vibreren van de moleculen, wordt een deel van de kinetische energie van de golf omgezet in hitte. De intensiteit van een gecollimeerde geluidsbundel, waarbij de golven in dezelfde richting worden gebracht om divergentie tegen te gaan, neemt daardoor exponentieel af met een toenemende afgelegde afstand.

De verzwakking van de bundel is daarnaast ook afhankelijk van de frequentie van het geluid. Zo is de verzwakking van een golf in een vast medium proportioneel aan de frequentie, maar in een vloeistof aan de frequentie in het kwadraat. De mate van afzwakking in een medium wordt meestal gespecificeerd door middel van de half-diepte, ofwel de afstand die de bundel geluidsgolven moet afleggen in het medium voordat de intensiteit teruggebracht is naar een half keer de originele intensiteit.

Fysische werking therapeutische ultrasound

Verschillende typen weefsels in het lichaam hebben ook verschillende dempingen, maar het belangrijkst om bij weefseltypen te onthouden, is welke een hoge of juist een lage absorptie heeft. Van de laagste naar hoogste absorptie is dit vet, spierweefsel, huid, pees, kraakbeen en botweefsel.

Bij een overgang tussen twee media of weefseltypes zal er echter zowel reflectie als refractie van de ultrasound bundel plaatsvinden. Bij een overgang van een vast medium of vloeistof naar een gas zal er zelfs bijna 100% refractie plaatsvinden. Dit is dan ook belangrijk om te onthouden en op in te spelen bij therapeutische ultrasound. Luchtbellen in het koppelmedium, bijvoorbeeld de gel die tussen de ultrasound transducer en het lichaam wordt gedaan, zullen dan ook de effectieve intensiteit verlagen. Daarnaast reflecteert bot ook een hoog percentage van de ultrasound. Om ongewenste reflecties en daarmee lokaal verhoogde intensiteiten te voorkomen is het daarom van belang om de ultrasound transducer orthogonaal op het te behandelen oppervlak te houden, de transducer in beweging te houden en een goed werkend koppelmiddel te gebruiken.

Bij therapeutische ultrasound voor fysiotherapie worden de verdichtingen en verdunningen van geluidsgolven gealterneerd met een frequentie van meer dan 20.000 cycli per seconde. De frequentie die wordt gebruikt ligt tussen de 0,7 en 3,3 MHz en de intensiteit van de golven daalt naarmate de penetratie dieper wordt. De golven worden met name door bindweefsel geabsorbeerd, specifiek de ligamenten, pezen en fascia en daarnaast ook door littekenweefsel.

Therapeutische ultrasound heeft twee typen effecten, thermische effecten en non thermische effecten. De thermische effecten worden geïnduceerd door de absorptie van geluidsgolven. De non thermische effecten komen onder andere door cavitatie. Hierbij ontstaan er door de vibratie in het weefsel microscopische luchtbellen, die de vibratie dusdanig doorgeven dat ze direct de celmembranen stimuleren. Dit stimuleert en verhoogd de mechanismen van de ontsteking reactie voor cel reparatie.

Contra indicaties

• Tumoren. Ultrasound haakt aan op weefsel reparatie en kan zo tumorgroei induceren.
• Infecties. Met Ultrasound kan de infectie verspreid worden.
• Zwangerschap, behandeling over de uterus. Ultrasound kan snel delende cellen beinvloeden.
• Weefsel dat over de laatste 6 maanden radiotherapie heeft ontvangen.
• Trombose en verminderde circulatie.
• Lichaamsdelen met verminderd gevoel en sensatie.
• Hersenbloeding. Ultrasound verhoogt het risico op bloeden, ook bij bloedingen en hematomen die recentelijk onder controle zijn gebracht.
• Geïmplanteerde apparaten. Ultrasound kan de werking hiervan beïnvloeden.
• Metalen implantaten zorgen voor reflectie. Hierbij moeten lage doses worden gebruikt.
• Sommige plastics die tijdens een vervangingsoperatie worden gebruikt kunnen worden beïnvloed door absorptie of ultrasound energy.
• Er moet extra voorzichtig worden gedaan bij het behandelen van gebieden rondom de ogen, de oren en de reproductieve organen.

Akoestische doelgerichte medicijn afgifte, ATDD (Acoustic targeted drug delivery)

Ultrasound wordt gebruikt om farmaceutica doelgericht af te kunnen geven in het lichaam aan doelwit organen. Het is gebleken dat ultrasound medicatie afgifte over de huid kan faciliteren, chemotherapeutische medicatie in tumoren kan afgeven en trombolytica kan afgeven in bloedproppen. Daarnaast kan ultrasound het helen van wonden en botbreuken bevorderen.

Bij ATDD worden ultrasone frequenties van 1-20 MHz gebruikt om het transport van moleculen in en over specifiek weefsel te versterken en verbeteren. Medicatie afgifte door middel van injectie, topische applicatie en convectie gemedieerde afgifte in combinatie met ATDD is veelbelovend voor een verbetering in de behandeling van verschillende ziektes, specifiek door deze doelgerichte medicijn afgifte in doelwitorganen.

Hoe werkt het – ATDD

Een gefocusseerde ultrasound bundel wordt toegepast op weefsels in combinatie met lokale toediening van een farmacologisch middel. De ultrasound transducer wordt pulsatiel aan en uit gezet en in een vastgesteld patroon bewogen om het betreffende weefsel te laten vibreren door het ultrageluid. De  pulsatiele bundel zorgt ervoor dat de weefselmatrix bewogen wordt door het in elkaar te drukken en uit elkaar te trekken, en het zorgt er daarnaast voor dat het weefsel niet te veel energie absorbeert en daardoor ablatie of necrose optreedt. Door de handmatige beweging van de transducer kan het volume van het weefsel dat in beweging wordt gebracht worden gecontroleerd.