Was sind Stosswellen und was macht sie so erfolgreich in der Medizin?

Stosswellen sind akustische Pulswellen, die in der Medizin seit den 1980er Jahren zur Behandlung diverser Beschwerden, einschliesslich Nierensteinen, eingesetzt werden. Ein besonderer Anwendungsbereich ist die Neurologie, wobei wir bei der Anwendung mit Stosswellen am Gehirn von Transkranieller Pulsstimulation (TPS) sprechen.

In dem folgenden Abschnitt möchten wir Ihnen das faszinierende Thema der Stosswellen in der Medizin näherbringen und dabei auf die Geschichte, Physik und Wirkweise dieser Technologie eingehen.

Stosswellen in der Natur 

Stosswellen sind ein faszinierendes Phänomen, das überall in der Natur vorkommt. Sie entstehen, wenn sich ein Objekt in einem Medium (z. B. Luft oder Wasser) schneller als der Schall bewegt und dabei eine plötzliche und deutliche Änderung von Druck, Temperatur und Dichte bewirkt. Diese Wellen lassen sich in verschiedenen natürlichen Umgebungen beobachten.

So ist der sogenannte Überschallknall eines der bekanntesten Beispiele für Stosswellen in der Atmosphäre. Bewegt sich ein Objekt, wie beispielsweise ein Düsenjet, schneller als der Schall, entstehen Stosswellen, die sich in der Luft ausbreiten und den typischen lauten Knall verursachen. Auch bei Gewittern treten Stosswellen auf. Beim Einschlag eines Blitzes erhitzt sich die Umgebungsluft schnell auf extreme Temperaturen, wodurch sie sich explosionsartig ausdehnt und eine Stosswelle erzeugt, die sich in der Atmosphäre ausbreitet. Bei der Ausbreitung der Stosswelle in der Luft erzeugt diese ein rollendes Geräusch, das wir als Donner wahrnehmen.

Ein weiteres faszinierendes Beispiel für Stosswellen in der Natur findet sich in der Unterwasserwelt, genauer gesagt bei den Knallkrebsen. Trotz ihrer geringen Grösse besitzen Knallkrebse die bemerkenswerte Fähigkeit, Stosswellen zu erzeugen. Dazu schnappen sie ihre Schere unglaublich schnell zu und erzeugen so eine Stosswelle, die kleine Beutetiere betäubt, so dass sie von den Krebsen leicht erbeutet werden können. Die Stosswellen der Knallkrebse sind sogar unter Wasser hörbar.

Die den Stosswellen zugrunde liegenden Naturgesetze werden auf in der Medizin zur nicht-invasiven Behandlung verschiedener Erkrankungen eingesetzt.

Die Geschichte und Physik der Stosswelle in der Medizin 

Seit Ende der 1980er Jahre werden von uns Stosswellen zur extrakorporalen Behandlung von Nierensteinen eingesetzt. Heute werden Stosswellen in der Medizin vielfältig in unterschiedlichen Energiebereichen eingesetzt, beispielsweise bei Muskel-Skelett-Erkrankungen und in der Regenerativen Medizin. Dazu gehören erfolgreiche Anwendungen bei Erkrankungen des Bewegungssystems sowie bei Pseudarthrosen, zur Stimulation der Angiogenese, bei Wundheilungsstörungen und zur Behandlung von Angina Pectoris und Herzinsuffizienz.

Stosswellen sind mechanisch erzeugte, akustische Pulse, die durch eine singuläre Pulsform und ultra-kurze Dauer charakterisiert sind. Die Stosswelle verursacht durch diese Eigenschaften keine thermischen Effekte und somit keine Gewebeerwärmungen. Sie werden nicht-invasiv in das Körpergewebe eingeleitet. Um sich auszubreiten und in den Körper übertragen zu werden, benötigen sie ein elastisches Medium wie Wasser oder Koppelgel. Stosswellen besitzen die Eigenschaft, physikalische Energie in lokal begrenzten Gewebebereichen wirksam werden zu lassen.

Lesen Sie hier mehr zur Physik der Stosswelle: Was sind Stosswellen? Physik und Technik

In der Neurologie sprechen wir bei der Stosswellenbehandlung mit dem NEUROLITH® von Transkranieller Pulsstimulation – kurz TPS. Der NEUROLITH® ist ein seit 2018 CE-zugelassenes Gerät zur Behandlung von Patienten mit Symptomen der Alzheimer-Demenz. Bei der TPS werden die Pulse kontrolliert nicht-invasiv durch Kopfhaut und Schädeldecke, in die für die Alzheimer-Demenz typischerweise betroffenen Gehirnregionen des Patienten geleitet.

Lesen Sie hier mehr über TPS: Transkranielle Pulsstimulation mit dem NEUROLITH

Wie wirken Stosswellen? 

Die Mechanotransduktion gilt als der grundlegende Mechanismus der Stosswellen im Gewebe. Sie bezeichnet die Umwandlung von physikalischen Impulsen – wie die Stosswelle – in zelluläre Prozesse, die für die positiven Auswirkungen auf den Zellstoffwechsel und den Zellzyklus verantwortlich sind.¹ Dies umfasst die Migration und Differenzierung von Stammzellen, die Freisetzung von Stickoxid (NO)² sowie die Stimulation von Wachstumsfaktoren (VEGF, BDNF)^3,4. Die Bildung neuer Blutgefässe, die Verbesserung der Durchblutung, und die Regeneration der Nerven sind die Folge.*

Stosswellen vs. Ultraschall: Die wichtigsten Unterschiede 

Stosswellen und Ultraschallwellen sind beide Arten von Schallwellen, die in der Medizin eingesetzt werden. Es gibt jedoch grundlegende Unterschiede zwischen den beiden Technologien. Therapeutischer Ultraschall besteht aus einer kontinuierlichen Welle mit vielen Schwingungen im Megahertz-Bereich. Stosswellen hingegen bestehen aus einem einzigen, sehr kurzen Druckimpuls (1 µs), gefolgt von einem geringeren Zugimpuls (4 – 5 µs). Obwohl beide Technologien ähnliche Frequenzen verwenden, unterscheiden sie sich fundamental in ihrer Art.

Ultraschallwellen können Gewebe durch ihre periodischen Schwingungen erwärmen, was in einem sogenannten HIFU-Verfahren eingesetzt werden kann. Die Stosswelle wirkt im niederenergetischen Bereich stimulierend, wobei eine Erwärmung nicht zu beobachten ist. 

Stosswellen und therapeutischer Ultraschall verfolgen aufgrund ihrer verschiedenen Wirkungsweisen unterschiedliche Ziele in der medizinischen Anwendung und finden aufgrund dieser Unterschiede in verschiedenen klinischen Situationen Anwendung. 

Stosswelle 

Ultraschall

Leider wird in wissenschaftlichen Publikationen immer wieder fälschlicherweise der Begriff »Ultraschall« im Zusammenhang mit Transkranieller Pulsstimulation (TPS) verwendet. Tatsächlich handelt es sich bei TPS um Stosswellen (akustische Pulswellen) und nicht um Ultraschallwellen.

*Die genannten Effekte im Zusammenhang mit Stosswellenbehandlungen beziehen sich auf unterschiedliches Gewebe und lassen sich nicht ohne wissenschaftlichen Nachweis auf alle Indikationen allgemein übertragen.
1 d´Agostino, M. C. et al.: International Journal of Surgery, 24(Pt B):147-153, 2015.
2 Mariotto, S. et al.: Nitric Oxide, 12(2):89-96, 2005.
3 Yahata, K. et al.: Journal of Neurosurgery, 25(6):745-755, 2016.
4 Hatanaka, K. et al.: American Journal of Physiology-Cell Physiology, 311(3):C378-85, 2016.