Во время Второй мировой войны было обнаружено, что многие выжившие при кораблекрушениях получали внутренние травмы легких, вызванные подводными взрывами глубинных бомб; однако эти травмы не имели внешних признаков. Это было первое свидетельство того, что ударные волны,产生的 взрывами, могут нанести серьезный вред человеческим тканям.
В 1950-х годах исследователи начали систематически изучать медицинский потенциал ударных волн. Первые эксперименты показали, что электрогидравлические ударные волны были достаточно мощными, чтобы разбить керамические пластины, погруженные в воду. В Соединенных Штатах Фрэнк Рибер из Нью-Йорка получил первый патент на электрогидравлический генератор ударных волн (Патент №: 2,559,277). К концу десятилетия были также задокументированы основные физические принципы электромагнитно генерируемых ударных волн. 5 16
Ударно-волновая терапия (ESWT) была впервые разработана в 1980-х годах для разрушения камней в почках и быстро стала крупным нововведением в мире медицины. 2,4,6 Фокусированные акустические волны, генерируемые вне тела, достигают целевой области, не повреждая окружающие ткани, и оказывают терапевтический эффект. Эта особенность превратила метод в современную технологию, которую можно применять без необходимости хирургического вмешательства.
Со временем исследования показали, что ударные волны не ограничиваются разрушением камней, но также ускоряют процессы заживления в костях, сухожилиях и мягких тканях. 16,20
Эффект ESWT начинается с передачи механической энергии волн тканям, что запускает серию биологических реакций на клеточном уровне. Он стимулирует образование новых кровеносных сосудов (ангиогенез), поддерживает регенерацию клеток и, таким образом, ускоряет восстановление тканей. 11,12,18
Также он облегчает боль, уменьшая количество некоторых болевых передающих веществ (например, субстанция P, CGRP) в нервных окончаниях. 5
В настоящее время ESWT применяется двумя способами:
• Фокусированные ударные волны (fESWT): Достигают глубоких тканей и создают мощные биологические эффекты. Они особенно используются при несросшихся переломах, хронических заболеваниях сухожилий, болезни Пейрони и эректильной дисфункции. 10,13Исследования показывают, что фокусированные ударные волны обеспечивают более длительное биологическое заживление в долгосрочной перспективе, в то время как радиальные ударные волны предлагают более быстрое облегчение симптомов. 13
Генераторы фокусированных ударных волн способны создавать истинные ударные волны в точке фокусировки, в то время как радиальные устройства производят только волны давления (акустические). 4 Эти волны могут достигать уровня давления до 30 МПа, но их время нарастания довольно медленное; около 3 микросекунд. 4
Сегодня ESWT используется как безопасный и эффективный метод лечения во многих областях, от ортопедии до урологии, от спортивной медицины до нарушений кровообращения. Он также обладает сильным потенциалом в области сосудистых заболеваний и регенеративной медицины. 1,7
Фокусированные ударные волны - это кратковременные акустические волны высокого давления. Они генерируются вне тела (экстракорпорально) и фокусируются на ткани. Они содержат высокий пик положительного давления (P⁺) с последующей небольшой фазой отрицательного давления (P⁻). Благодаря этой особой структуре они проникают глубоко в ткани, поддерживают регенерацию тканей и создают медицинские эффекты, такие как разрушение камней.
С физической точки зрения, ударная волна определяется резким и почти мгновенным скачком давления и распространяется со скоростью, превышающей скорость звука в среде, в которой она находится. 16 Рис. 1 показывает репрезентативный профиль давления терапевтической фокусированной ударной волны. Ударная волна по сути состоит из одного импульса, который охватывает очень широкий частотный спектр (примерно от 150 кГц до 100 МГц). Эта волна достигает чрезвычайно высоких пиков давления (до 150 МПа), за которыми следует фаза растяжения, которая может опускаться до –25 МПа.
Еще одна особенность, которая отличает ударные волны, - это их чрезвычайно короткая длительность импульса и исключительно быстрое время нарастания, составляющее всего несколько сотен наносекунд. 3
И ультразвук, и ударные волны - это акустические волны, но у них есть некоторые фундаментальные различия. Ультразвуковые волны состоят из узкополосных, периодических колебаний и в основном используются для целей визуализации и диагностики. В отличие от них, ударные волны состоят из одного высокого пика давления и короткой отрицательной фазы. Они являются широкополосными, имеют высокое давление и применяются в терапевтических целях.
Они также различаются с точки зрения распространения: ультразвуковые волны распространяются линейно, в то время как ударные волны распространяются нелинейно, и этот процесс приводит к обострению волны (steepening). 4,6
Фокусированные ударные волны могут быть сгенерированы с помощью электрогидравлических, пьезоэлектрических или электромагнитных генераторов. В электрогидравлических системах ударные волны генерируются непосредственно от источника. В пьезоэлектрических и электромагнитных системах ударные волны образуются в результате обострения волн и эффектов суперпозиции. Поэтому ударная волна достигает своей максимальной интенсивности только в фокальной области.4,6
Фокусные размеры ударных волн, генерируемых различными типами генераторов, различаются. В пьезоэлектрических системах фокус является самым маленьким, в то время как в электрогидравлических системах достигается наибольшая фокальная область. Это указывает на то, что доза ударной волны, используемой в лечении, изменяется в зависимости от выбранного типа генератора. 9,16
Метод генерации электрогидравлических ударных волн основан на принципе искрового разряда. Кратковременный высоковольтный разряд происходит в зазоре между парой электродов, и этот быстрый выброс энергии создает пузырек плазмы в окружающей жидкой среде. При коллапсе пузырька плазмы генерируется акустическая волна высокого давления. 4,6
Ударные волны, полученные этим методом, фокусируются параболическими отражателями и направляются на ткань. Электрогидравлические системы безопасно используются в течение многих лет для разрушения камней в почках (ESWL) и при ортопедических показаниях благодаря их сильной фокусировке и широкому диапазону энергии.9,16
Фокусированные ударные волны являются акустическими волнами, как и звуковые волны, и им требуется среда для распространения. Эта среда обычно представляет собой проводящий материал, такой как вода или гель. Поскольку большая часть человеческих тканей состоит из воды, ударные волны распространяются через ткани с очень небольшими потерями.
Эти свойства передачи объясняются физическим понятием, называемым акустический импеданс (Z):
Z = ρc
(ρ = плотность, c = скорость звука)
Плотность и скорость передачи звука у разных тканей различаются. Поэтому, когда ударные волны переходят из одной ткани в другую, они могут менять направление, отражаться или терять часть своей энергии. Это можно сравнить с тем, как свет преломляется в разных средах, таких как стекло или вода.
Этот эффект важен с терапевтической точки зрения: потому что потери, возникающие на интерфейсах, должны быть минимизированы, чтобы энергия передавалась правильно к целевой ткани. Для этой цели в ударно-волновых аппаратах были разработаны специальные системы связи. В то время как в первых аппаратах пациент садился прямо в ванну, наполненную водой, современные системы теперь используют гель или тонкий слой воды для устранения воздушного зазора между аппаратом и кожей. Таким образом, потеря энергии сводится к минимуму, и максимальный эффект передается в точку фокусировки.
Клиническая важность: Если разница в акустическом импедансе между двумя тканями велика (например, между мягкой тканью и костью), значительная часть ударных волн может быть отражена. Поэтому при планировании лечения следует тщательно оценивать, как волны будут распространяться внутри тела.
При передаче фокусированных ударных волн в тело отсутствие воздушного зазора между аппаратом и кожей имеет решающее значение. Потому что пузырьки воздуха или области, содержащие газ, поглощают или отражают большую часть энергии, снижая эффективность лечения. Поэтому в современных аппаратах используется связь с гелем или тонким слоем воды, что устраняет возможные воздушные зазоры.
Примечание: Пузырьки воздуха, застрявшие между источником и тканью, могут серьезно снизить эффект ударной волны.
При передаче ударных волн играют роль не только кожа и мягкие ткани, но и другие структуры в теле. Органы, заполненные газом (например, легкие) или плотные костные ткани, могут блокировать прохождение волн. Поэтому наличие этих областей в фокальном поле во время лечения считается противопоказанием.16
Характерные свойства ударных волн лучше всего измеряются с помощью датчиков давления. Фокусированные ударные волны, используемые в медицинских приложениях, обычно достигают пиковых значений давления (P⁺) от 10 до 100 МПа. Это эквивалентно примерно от 100 до 1000 раз атмосферного давления. 3,6
В зависимости от механизма образования ударной волны, время нарастания чрезвычайно короткое (в диапазоне 10–100 наносекунд). Длительность импульса составляет около 1 микросекунды (1000 наносекунд), что является основной особенностью, которая отличает ударные волны от классических медицинских волн давления. 3
Еще одна особенность, которая отличает ударную волну, - это наличие фазы отрицательного давления (P⁻) меньшей амплитуды в дополнение к высокому пику положительного давления (P⁺). Отрицательная фаза обычно составляет около 10% от значения P⁺ и играет решающую роль в образовании эффекта кавитации в тканях. 4
Значения P⁺, измеренные в фокальной области, моделируются с помощью трехмерных графиков распределения давления. Эта модель обычно описывается с помощью карты давления в форме горного пика. В центре находится точка с высоким давлением, а по периметру значения давления постепенно уменьшаются. Поэтому фокальная область ударной волны определяется как область, где давление превышает 50% от максимального значения (также известная как фокальная область –6 дБ или критерий FWHM – full width at half maximum). 5
Клиническая важность: Параметры измерения могут варьироваться в зависимости от типа используемого генератора ударных волн. Профили давления, полученные от электрогидравлических, пьезоэлектрических или электромагнитных систем, отличаются.
Наиболее заметный эффект ударных волн проявляется на интерфейсах разных тканей или материалов. Волна обычно распространяется без потерь внутри однородных тканей; однако в областях с различиями в акустическом импедансе высвобождаются силы давления. Вот почему ударные волны могут проходить через многие ткани, не нанося вреда, в то время как в твердых структурах (например, камне или кости) они создают сильный разрушительный эффект, а в мягких тканях - биологическую стимуляцию. 11,18
Благодаря высокочастотным компонентам и коротким импульсным структурам в миллисекундном масштабе, ударные волны могут достигать глубоких тканей и оказывать избирательное воздействие. При этом клеточные мембраны на короткое время растягиваются, проницаемость увеличивается, и начинается процесс механотрансдукции. В этом процессе регенерация тканей запускается путем высвобождения оксида азота (NO), факторов роста и других биохимических медиаторов. 11
В результате ударные волны проявляют как механические, так и биологические эффекты на интерфейсах: 4
• В твердых тканях → Эффект фрагментации и разрушения
• В мягких тканях → Клеточная стимуляция и регенеративный эффект
Фокусированные ударные волны обеспечивают концентрированную передачу энергии в ограниченной области, что позволяет направить лечение на целевую ткань. Таким образом, окружающие ткани защищены, в то время как терапевтический эффект создается только на пораженной области.
Клинические исследования показали, что в большинстве случаев ударные волны увеличивают кровообращение, ускоряют метаболическую активность и, таким образом, инициируют процесс заживления. 11,12
Сдвиговые и напорные силы ударных волн делают клеточные мембраны проницаемыми на короткое время. Этот механизм называется механотрансдукцией и лежит в основе многих биологических эффектов. 11
Основные эффекты, продемонстрированные научными данными, включают:
• Увеличение проницаемости клеточной мембраны
• Стимуляция микроциркуляции (кровотока и лимфотока)
• Высвобождение субстанции P
• Уменьшение количества немиелинизированных нервных волокон → модуляция боли
• Высвобождение оксида азота (NO) → вазодилатация, повышенный метаболизм, ангиогенез, противовоспалительный эффект
• Антибактериальный эффект
• Высвобождение факторов роста и гормонов (сосуды, эпителий, кость, коллаген)
• Стимуляция стволовых клеток
• Нейрональная стимуляция (нейронная активность, нейронные спайки)
Для радиальных волн давления (RPW) и/или фокусированных ударных волн низкой энергии:
1.1. Злокачественная опухоль в области лечения (не как основное заболевание)
1.2. Плод в области лечения
Относительные противопоказания
1.3. Эпифизарная пластинка в области лечения
1.4. Мозг или позвоночник в области лечения
Абсолютные противопоказания для фокусированных ударных волн высокой энергии:
1.5. Ткань легких в области лечения
1.6. Злокачественная опухоль в области лечения (не как основное заболевание)
1.7. Тяжелая коагулопатия
1.8. Плод в области лечения
Области действия, зависящие от энергии
Биологические и механические эффекты, создаваемые ударными волнами, зависят от используемой плотности потока энергии (ED):
• Низкая энергия (low-energy): Клеточная регенерация, лечение боли, заживление мягких тканей
• Средняя энергия (mid-energy): Псевдоартроз, хронические мышечно-сухожильные патологии
• Высокая энергия (high-energy): Разрушение камней (литотрипсия) и фрагментация твердых тканей
Таким образом, одна и та же технология может быть использована как в регенеративной медицине, так и в разрушительных приложениях. 4
Область, где проявляются биологические эффекты ударных волн, связана не только с размером фокальной области, но и с достигнутыми абсолютными значениями давления. Поэтому порог 5 МПа был определен как минимальный уровень давления, при котором ударная волна может считаться терапевтически эффективной.3,6
Этот подход отличается от фокальной области –6 дБ фокусированных ударных волн. Критерий –6 дБ определяет область, которая остается выше 50% от пикового давления. В отличие от этого, зона лечения 5 МПа относится к области, где значение давления равно или выше 5 МПа (около 50 бар). Таким образом, зона лечения 5 МПа обычно шире, чем фокальная область –6 дБ, и варьируется в зависимости от уровня энергии. 9,16
На сегодняшний день не существует прямого клинического исследования, доказывающего, что значение 5 МПа является окончательным пределом биологической эффективности. Однако экспериментальные данные указывают на то, что ниже определенного минимального порога давления ударные волны оказывают лишь ограниченный или не оказывают никакого терапевтического эффекта на ткань. 5
Клиническая важность: В то время как фокальная область –6 дБ является техническим параметром аппарата, зона лечения 5 МПа лучше отражает клиническую эффективность. Это связано с тем, что биологический ответ напрямую связан с абсолютными значениями давления.
Энергия ударной волны - один из самых фундаментальных параметров в медицинских приложениях. Чтобы ударная волна оказала терапевтический эффект на ткань, необходимо превысить определенные энергетические пороги 3,6.
Энергия рассчитывается на основе интеграла кривой давления-времени. Математически она выражается следующим образом:
Здесь:
• A = площадь действия волны
• Z = акустический импеданс
• p(t) = функция давления
Общая энергия (E_total) может быть рассчитана с учетом только фазы положительного давления (E₊) или с включением отрицательной (растягивающей) фазы. Энергия импульса ударной волны обычно указывается в мДж (миллиджоулях). Поскольку в клинических приложениях применяются сотни или тысячи импульсов, общая энергия получается путем ее умножения на количество импульсов 5.
Эффективность лечения зависит не только от общей энергии, но и от того, на какую площадь она распределяется. Поэтому «плотность потока энергии (ED)» считается одним из наиболее важных параметров, определяющих клиническую эффективность. 16
Математически ED определяется следующим образом:
Значение ED обычно выражается в мДж/мм². Этот параметр показывает плотность энергии ударной волны и используется для классификации применения как «низкоинтенсивного» или «высокоинтенсивного». Низкие значения ED предпочтительны для регенеративных методов лечения (например, ортопедия, андрология), в то время как высокие значения ED используются в таких приложениях, как разрушение камней. 16.
Клинический акцент: ED является основным параметром, который позволяет сравнивать различные устройства. Недостаточно смотреть только на общую энергию; то, как плотность энергии передается тканям, определяет клинический результат.
Часто упускаемая из виду, но очень важная особенность ударных волн заключается в том, что они несут импульс. Как и в случае с энергией, импульс ударной волны определяется интегралом давления по времени. Однако, в отличие от энергии, здесь не нужно возводить давление в квадрат; это сохраняет знак давления. В результате ударная волна передает как сильный импульс вперед с фазой положительного давления, так и меньший импульс назад с фазой отрицательного растяжения, 3,1
Асимметричная структура импульса ударной волны приводит к тому, что эти два импульса не могут компенсировать друг друга, что приводит к чистому импульсу вперед. Это отличается от непрерывных ультразвуковых волн, где последовательные фазы сжатия и растяжения в значительной степени компенсируют друг друга, создавая незначительный чистый импульс.
Импульс ударной волны имеет решающее значение как в приложениях литотрипсии высокой энергии (ESWL), так и в методах биологической стимуляции низкой энергии (ESWT). В ESWL сильный импульс создает силу фрагментации на твердых тканях, в то время как в ESWT импульс меньшей интенсивности запускает процессы биологической стимуляции и регенерации в мягких тканях. 4
По мере того как ударная волна распространяется в однородных тканях, передача импульса в значительной степени сохраняется. Однако, когда плотность (ρ) или скорость звука (c) тканей внезапно изменяется — то есть, когда возникают различия в акустическом импедансе Z=ρcZ = ρcZ=ρc — часть импульса передается, а другая часть отражается. Это соотношение выражается коэффициентом отражения: 6
На твердых интерфейсах (например, камень, кость) большая часть волны отражается, в то время как в мягких тканях (например, мышца, сухожилие) большая часть импульса передается
После -салс услуги
Наш специалист свяжется с вами в течение 48 часов не позднее.
