Als Schall bezeichnet man Schwingungen eines elastischen Mediums.
Unter Ultraschall versteht man Schallwellen mit Frequenzen oberhalb des hörbaren
Bereichs.
Schallwellen können sich nur in einem Medium ausbreiten. Die Wellenform
des sich ausbreitenden Schalls entsteht dadurch, dass die Schallquelle rhythmisch
Kraft auf die Moleküle des Mediums überträgt. Durch diese Kraft beginnen
die Moleküle eines elastischen Mediums parallel zur Ausbreitungsrichtung
des Schalls zu schwingen und bilden auf diese Weise eine Schallwelle. Sie haben
dieses Phänomen vielleicht bereits beobachten können: Wenn man eine Trommel
schlagt, beginnt das Fell der Trommel zu vibrieren.
Das Medium ist, auf die Kosmetik bezogen, sowohl ein Behandlungsprodukt
wie ein Gel oder eine Creme, als auch die Haut selbst.
Jedes beschallte Teilchen im Medium bewegt sich/schwingt in Richtung der
Wellenausbreitung.
Bezogen auf die Haut bedeutet dies, dass die Zellen, die Gefäße, die Bindegewebsfasern, quasi alle Teile der Haut, in Richtung der Wellenausbreitung
schwingen!
In der Kosmetik ist die Anwendung von Ultraschall weit verbreitet. Die Ultraschallgeräte
bestehen aus einem Generator für hochfrequente elektrische Energie und einem oder mehreren, von Hand geführten, Schallköpfen. Jeder Schallkopf enthält einen Wandler (elektroakustischer Transducer), in der Regel eine Scheibe aus einem sogenannten
piezoelektrischen Material. Der Transducer wandelt elektrische Energie in
akustische Signale in Form von Ultraschallwellen um.
Kopplungserkennung / Hautkontakterkennung
Moderne Ultraschallanlagen verfügen über eine Funktion zur Kopplungserkennung/
Hautkontakterkennung. Meist wird dem Anwender mithilfe eines
blinkenden LED-Rings am Schallkopf ein Signal gegeben, wenn der Schallkopf
abkippt und kein ausreichender Hautkontakt mehr besteht. Die Kopplungserkennung/
Hautkontakterkennung ist sowohl für den Behandlungseffekt als
auch die Minimierung von Behandlungsrisiken sehr vorteilhaft.
Denken Sie an eine Sinuskurve. Würden Sie sich innerhalb einer
Sekunde einmal entlang der Welle bewegen, also einmal den Wellenhügel „hinauf
“ und in das Wellental „hinunter“, und gelängen Sie an das Ende der Kurve,
wäre eine einzelne Schwingung das Ergebnis.
Eine Schwingung, also „einmal Wellenhügel und Wellental“, pro Sekunde entspricht
einer Schallfrequenz von 1 Hertz (Hz). Die Schallfrequenz wird demnach
in Schwingungen pro Sekunde gemessen. Ihre Einheit ist:
- 1 kHz = 1 Kilohertz = 1.000 Hz
- 1 MHz = 1 Megahertz = 1.000.000 Hz
- 1 GHz = 1 Gigahertz = 1.000.000.000 Hz
1 MHz Ultraschall: Ultraschall mit einer Frequenz von 1.000.000 Schwingungen pro Sekunde.
3 MHz Ultraschall: Ultraschall mit einer Frequenz von 3.000.000 Schwingungen pro Sekunde.
10 MHz Ultraschall: Ultraschall mit einer Frequenz von 10.000.000 Schwingungen pro Sekunde.
Die Ultraschallwelle ist eine Longitudinalwelle. Longitudinalwellen benötigen
für ihre Ausbreitung ein elastisches Medium (zum Beispiel Gewebe, Gel). Sie
zeichnen sich dadurch aus, dass ihre Fortpflanzungsrichtung und Richtung
der Oszillation (Schwingung) übereinstimmen. Ultraschallwellen erzeugen, als
Longitudinalwellen, eine periodische Kompression und Expansion des Mediums
und führen damit zu periodischen Druckschwankungen im Medium: Das
Medium (z. B. die Haut/das Gewebe) wird in derselben Frequenz wie der des
Ultraschalls komprimiert und expandiert. Aus diesem Grund wird der mechanische
Effekt auch als Mikromassage bezeichnet.
In derselben Zeit, wir nehmen nun 1 Sekunde als Beispiel, schwankt der Druck
bei 3 MHz 3.000.000 Mal, dreimal öfter als bei 1 MHz (1.000.000 Druckschwankungen
pro Sekunde). Bei 10 MHz schwankt der Druck 10.000.000 pro
Sekunde und damit zehnmal öfter als bei 1 MHz.
Resultat: Je hoher die Frequenz, desto mehr Druckschwankungen im Medium,
auf kleinerem Raum und desto starker (im Sinne der Anzahl der Kompressionen
und Expansionen der Zellen und Fasern) die Mikromassage.
Warum auf kleinerem Raum? Durch die geringere Wellenlange finden die
Druckschwankungen bei 3 MHz auf 1/3 des Raumes im Vergleich zu 1 MHz
statt. Die Druckschwankungen bei 10 MHz treten auf 1/10 des Raumes im
Vergleich zu 1 MHz statt.
- Wellenlänge 1 MHz in der Haut = ca. 1,5 mm
- Wellenlänge 3 MHz in der Haut = ca. 0,5 mm
- Wellenlänge 10 MHz in der Haut = ca. 0,15 mm
Aufgrund der Abschwächung des Schallbündels nimmt die Druckschwankung
mit zunehmender Tiefe ab, jedoch kann durch Interferenzphänomene im Nahfeld
sowie durch Reflexion an den Grenzflachen zweier benachbarter Medien
eine Zunahme der Intensität und der Druckschwankungen
entstehen.
Der Begriff „thermische Wirkung“ steht für die Effekte des Ultraschalls, die
durch Wärmeentwicklung erzeugt werden. Die Wärmeentwicklung ist eine direkte
Folge der mechanischen Einwirkung des Ultraschalls: Die rhythmische
Kompression und Dekompression des Gewebes und die Schwingung der Teilchen
im Medium um ihre Ruhelage erzeugen Reibungswärme: Das Gewebe
absorbiert den Schall und erwärmt sich in der Folge. Die Menge der erzeugten
Wärme und der Temperaturanstieg im Gewebe sind von verschiedenen Faktoren
abhängig:
- Frequenz
- Intensität
- Modus
- Behandlungsdauer
- Absorptionskoeffizient des Gewebes / Mediums
Frequenz
Je höher die Frequenz, desto höher die potenzielle Wärmeentwicklung
Durch die erhöhte Anzahl der Druckschwankungen im Medium und damit
einhergehend mehr Reibungswärme steigt die potenzielle Erwärmung des
Gewebes mit steigender Ultraschallfrequenz. Bei 3 MHz und einem Dauerschall
mit einer Intensität von 1 W/cm² ist die Erwärmung des Gewebes
deutlich höher als bei 1 MHz und einem Dauerschall mit einer Intensität von
1 W/cm² oder bei niederfrequentem Ultraschall.
Modus
Nur bei kontinuierlichem Ultraschall entfaltet sich dessen potenzielle
Erwarmungswirkung auf das Gewebe vollständig. Bei Impulsschall
wird die Warme in den Schallpausen vermehrt abgeleitet und damit die
Erwärmung des Gewebes weitgehend minimiert. Der thermische Effekt
ist bei Impulsschall demnach nur schwach vorhanden.
Absorptionskoeffizient des Gewebes/Mediums
Besonders an Stellen, an denen der Ultraschall reflektiert wird, entsteht Warme.
Diese Reflexion tritt hauptsachlich an Grenzflachen zwischen Geweben mit
unterschiedlicher akustischer Impedanz auf, zum Beispiel an der Grenzflache
von Weichteilgewebe und Knochen.
Wenn ein Wärmeeffekt erwünscht ist, ist die Behandlung mit kontinuierlichem
Ultraschall angezeigt. Der Kunde darf dabei jedoch nur einen leichten
Wärmeeffekt spuren, kein Hitzegefühl. Die Intensität muss dementsprechend
angepasst werden.
Die Nutzung von Ultraschall zum Einbringen von Wirkstoffen bzw. Arzneimitteln/
Medikamenten geht bis in die 1950er-Jahre zurück und ist unter den
Bezeichnungen Sonophorese und Phonophorese bekannt. Zum Einsatz kamen
und kommen sowohl hochfrequenter als auch niederfrequenter Ultraschall.
Die Wirkmechanismen unterscheiden sich, ob hoch- oder niederfrequenter
Ultraschall eingesetzt wird, jedoch stark! Wiederum weisen beide Schallarten
Vorteile auf, von denen die Wirkstoff-Einschleusung profitiert. Das transdermale
Einbringen von Wirkstoffen in die Haut wurde sowohl für nieder- als
auch hochfrequenten Ultraschall in mehreren Studien erfolgreich durchgeführt
und ist eine der bedeutendsten Funktionen des Ultraschalls. Nicht die
thermischen, sondern die nicht-thermischen Effekte der Kavitation und der
akustischen Strömung sind für die Sonophorese hauptsächlich verantwortlich.
Sowohl nieder- als auch hochfrequenter Ultraschall sind für die Sonophorese
geeignet, jedoch: Je niedriger die Frequenz, desto stärker die einschleusende Wirkung:
Studien zur Sonophorese belegen:
- NF-Ultraschall: ca. 100- bis zu 1000-fache Steigerung der Menge der transportierten Wirkstoffe
- 1 MHz: bis zu 15-fache Steigerung der transdermalen Aufnahme von Wirkstoffen
- 10 MHz: bis zu 4-fache Steigerung der Wirkstoffaufnahme
Zu den Studien:
Wissenschaftliche Studien zu Sonophorese, Phonophorese und Ultraschall-Effekten
Bilayer-Sonophor-Effekt
Das von Krasovitski et al. vorgeschlagene Bilayer-Sonophor-Effekt-Modell erklart
die nicht-thermischen, einschleusenden Ultraschalleffekte bei Intensitaten
unterhalb der Kavitationsschwelle, d. h. bei Intensitaten, bei denen keine
Kavitation entsteht: namlich durch die direkte mechanische Wirkung von Ultraschallwellen
auf Doppelschicht-Membranen. Der akustische Druck schwankt
zwischen Kompressionsphase („Wellenhugel“) und Expansionsphase („Wellental“).
In der Expansionsphase vergrosert sich der Raum zwischen den beiden
Membranblattchen (Verdrangung des umgebenden Mediums) und verringert
sich in der Kompressionsphase. Dadurch wird die Kontinuitat der Membran
vorubergehend unterbrochen und es entstehen laut dem BLS-Modell Poren,
durch die Stoffe uber die Membran transportiert werden.
Akustische Strömung
In dem Moment, in dem der vom Schallkopf ausgestrahlte Ultraschall auf eine
Flüssigkeit trifft, z. B. auf eine auf die Haut aufgetragene Ampulle, breitet er
sich darin aus, er wird „eingekoppelt“. Beim Auftreten von sogenannten nichtlinearen
Effekten und einer Dämpfung des Schalls kann eine gleichförmige,
gerichtete Strömung innerhalb der Flüssigkeit erzeugt werden: die akustische
Strömung.
Sie bezieht ihre Energie aus dem Impulsübertrag der Schallwelle auf die Flüssigkeit.
Der Impulsübertrag hangt von der Dämpfung der Schallwelle in der
Flüssigkeit ab: Je starker die Dämpfung, desto mehr nehmen Impulsübertrag
und Geschwindigkeit der akustischen Strömung zu. Zusätzlich zur akustischen
Strömung kann bei hohen Schallwechseldrucken auch Kavitation in der Flüssigkeit
entstehen.
Praxisbeispiel für akustische Strömung
Fast jeder Anwender in der Kosmetik kennt sie: Ultraschallbäder zur Reinigung und Desinfektion von Instrumenten, Fräsern und vielem mehr.
Hier trägt die akustische Strömung maßgeblich zum Funktionieren des Prozesses bei: Sie führt zum Transport der durch Kavitation abgereinigten Stoffe.
Kavitation
Als Kavitation, aus dem Lateinischen „cavitare“: aushöhlen, bezeichnet man die Bildung, Entwicklung und den Kollaps von Blasen oder Hohlräumen in Flüssigkeiten.
Diese Kavitationsblasen entstehen zum Beispiel durch die hohen Zugkräfte in der Dekompressionsphase, also Unterdruckphase oder Wellental, einer Ultraschallwelle.
Man unterscheidet nach dem Modell von Flynn zwei Formen von Kavitation:
- Transiente Kavitation / inertial cavitation
- Stabile Kavitation
Transiente Kavitation
Im Falle einer transienten Kavitation bildet sich in einer Flüssigkeit, unter dem Einfluss von Ultraschall, in der Dekompressionsphase ein mit Dampf gefüllter Hohlraum aus.
In diesen Hohlraum diffundieren auch in der Flüssigkeit gelöste Gase.
Auf die Dekompressionsphase folgt nun die Kompressionsphase. Durch den Überdruck und den Einfluss der Oberflächenspannung bricht der Hohlraum zusammen, er kollabiert.
Der Dampf kondensiert und das Gas wird komprimiert, ohne dass Wärmeenergie mit der Umgebung ausgetauscht wird.
Dieser Kollaps der Kavitationsblase setzt eine hohe Energiemenge frei, was wiederum zu einigen Folgeeffekten, darunter auch biologische Wirkungen auf das Gewebe, führt.
Wenn die Kavitationsblase beim Kollaps nicht fragmentiert oder zerstört wird, kann sie sich wieder ausdehnen und den beschriebenen Prozess erneut durchlaufen.
Stabile Kavitation
Im Falle einer stabilen Kavitation bildet sich in einer Flüssigkeit, unter dem Einfluss von Ultraschall, in der Dekompressionsphase eine mit Dampf gefüllte Blase, die dann im Ultraschallfeld um ihre Ruhelage bzw. um ihren Gleichgewichtszustand mitschwingt.
Der Innendruck in der Blase entspricht dem Druck, der in der Flüssigkeit durch die Gravitation entsteht, zuzüglich dem Druck aus der Oberflächenspannung der Blase.
Die Blasen der stabilen Kavitation können bis zu einer sogenannten Resonanzgröße anwachsen.
Die Blase befindet sich dann in Resonanz mit der Ultraschallwelle, was zu sehr starken Schwingungen führen kann, die erhebliche Auswirkungen auf die Teilchen, zum Beispiel Hautzellen, in unmittelbarer Umgebung der Blasen haben können.
Angenommen, Sie möchten die Behandlung beginnen und platzieren den Ultraschallkopf auf der Haut. Hier lagert sich zunächst Luft zwischen dem Schallkopf und der Haut ein.
Ihr Ziel ist, dass der Schall von einem Medium, vom Schallkopf aus, in ein anderes Medium, die Haut, übertragen wird.
Die verschiedenen Medien setzen den Schallwellen jedoch jeweils einen Widerstand, die Schallimpedanz, entgegen.
Durch die spezifische akustische Impedanz, also den individuellen Widerstand der Medien gegenüber dem Schall, wird ein Teil der Schallwellen reflektiert.
Die eingelagerte Luft zwischen Schallkopf und Haut reflektiert die Ultraschallwellen sogar fast vollständig.
Daher wird für eine Ultraschallbehandlung des Gesichts oder einer Körperpartie immer ein Kopplungsmittel benötigt.
Es ermöglicht eine Übertragung der Schallwellen in die Haut.
An sich kommen als Ultraschallkopplungsmittel verschiedenste Produktformulierungen infrage: Gele und Cremes oder sogar bestimmte Masken und Öle.
Die Beam Nonuniformity Ratio, kurz BNR, zu Deutsch das Bündel-Ungleichmäßigkeitsverhältnis, zeigt an, wie der erzeugte Schall sich auf der Fläche des Schallkopfs verteilt.
Die Verteilung des Schalls ist normalerweise nicht homogen, also nicht gleichmäßig, sondern weist sogenannte Hotspots auf.
An diesen Hotspots können Spitzenwerte erreicht werden, die 5- bis 10-mal, teilweise sogar 30-mal höher sein können als der am Gerät eingestellte Intensitätswert.
Die Ursache dafür sind sogenannte Interferenzphänomene.
Die erzeugten Hotspots treten zwar meist in der Mitte des Handstücks auf, jedoch nicht gleichmäßig.
Denn das beschallte Gewebe, die Haut, ist ebenfalls nicht homogen. So werden ständig unterschiedliche Reflexionen erzeugt und die Hotspots wandern.
Der BNR-Wert beschreibt das Verhältnis der höchsten Intensität im Schallfeld und der eingestellten Intensität, die auf dem Display des Geräts zu sehen oder vom Hersteller eingestellt ist.
Dieser Faktor darf 5:1 nicht überschreiten. Den BNR-Wert für Ihr Ultraschallhandstück erhalten Sie vom Hersteller des Geräts.
Ziel für einen Hersteller und ein Merkmal eines hochwertigen Geräts sollte eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Schalls am Schallkopf und eine Minimierung der Spitzenwerte in der Mitte des Schallkopfs sein.
So errechnen Sie den Spitzenwert der Intensität des Hotspots
Angenommen, Ihr Schallkopf hat einen BNR-Wert von 5 und die eingestellte Intensität beträgt 1 W/cm².
Mögliche Spitzenwerte: 5 × 1 W/cm² = 5 W/cm².
Praxisbeispiel
Wie können Sie die Verteilung der Intensität bzw. Spitzenwerte an Ihrem Ultraschallhandstück beobachten?
Besonders gut erkennen lässt sich die Verteilung der Spitzenwerte des Schalls bei den Handstücken von hochfrequenten Ultraschallgeräten, zum Beispiel mit den kosmetisch häufig genutzten Frequenzen von 1, 3 und 10 MHz.
Hier haben die Schallköpfe in der Regel eine plane Oberfläche.
- Halten Sie den Schallkopf mit der Schallfläche nach oben.
- Tröpfeln Sie gleichmäßig Wasser auf den gesamten Schallkopf.
- Schalten Sie Ihr Gerät bzw. das Behandlungsprogramm an.
Sie sehen, dass das Wasser pulsiert. Je höher die Intensität, desto deutlicher wird der Effekt sichtbar.
Richtet sich das Wasser nur in der Mitte des Schallkopfes aus, ist dies ein Indiz dafür, dass die Spitzenwerte nur in der Mitte auftreten und der Schall nicht gleichmäßig verteilt ist.
Bleibt das Wasser auch am Rand des Schallkopfes und pulsiert dort, zeigt dies eine gleichmäßigere Verteilung des Schalls und der Hotspots.
