Stoßwelle - Zeit-Druck-Profil
Abbildung 1: Zeit-Druck-Profil einer Stoßwelle. Der Anstieg auf den Spitzendruck (p+) erfolgt in wenigen Nanosekunden (ns). Die Spitzendrücke liegen bei ca. 10–150 Megapascal (MPa). Die Pulsdauer beträgt ca. 500 ns. Charakteristisch ist der geringe Zuganteil (p-), der auf ca. 10 % des Spitzendruckes beschränkt ist


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Ultraschall
Abbildung 2: Im Vergleich zur Stoßwelle ist Ultraschall durch eine periodische Schwingung mit begrenzter Dauer dargestellt.


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Stoßwelle - Elektrodenspitzen
Abbildung 3: Elektrodenspitzen zur Erzeugung elektrohydraulischer Stoßwellen durch Unterwasserfunkenentladung.


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Elektrodydraulische Stoßwelle - Funkenentladung
Abbildung 4a: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Funkenentladung (Bildfolgefrequenz 2 x 105 Bilder pro Sekunde). Der Funkendurchbruch erfolgt in Bild 2 der oberen Reihe. Anschließend erfolgt die Ausbildung einer Plasmablase. Eine Stoßwelle ist noch nicht zu erkennen. Sie hat sich bereits zwischen dem zweiten Bild der ersten Reihe und dem zweiten Bild der zweiten Reihe abgelöst.


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Sphärische Stoßwelle - Funkenentladung
Abbildung 4b: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Funkenentladung (Bildfolgefrequenz 107 Bilder pro Sekunde). Die um den Faktor 50 vergrößerte Bildfrequenz zeigt die Ausbreitung der sphärischen Stoßwelle.


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Elektrohydraulische Stoßwellenerzeugung
Abbildung 5: Amerikanisches Patent (Rieber) von 1951. Es zeigt bereits das Prinzip der elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugung und die geplante Anwendung auf biologische Gewebe.


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Stoßwellenfokussierung
Abbildung 6: Prinzip der Stoßwellenfokussierung durch ein Rotationsellipsoid. Die primäre, divergente, sphärische Stoßwelle wird im ersten Fokus F1 erzeugt und durch Reflexion in eine konvergente Kugelwelle transformiert, die sich im zweiten Fokus F2 konzentriert. Neben der fokussierten Welle läuft ein Teil der primären Welle weiter divergent aus dem Reflektor.


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Stoßwelle - Irreguläre Funkenentladung
Abbildung 7: Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer irregulären Funkenentladung (Bildfolgefrequenz 2 x 105 Bilder pro Sekunde). Man erkennt die Ausbreitung einer gebogenen, schlauchförmigen Plasmablase. Die Ursache dafür ist ein Funken, der nicht den direkten Weg zwischen den Elektrodenspitzen nimmt, sondern seitlich an den Elektroden ansetzt. Wegen der Abweichung von der sphärischen Geometrie ist eine präzise Fokussierung durch ein Rotationsellipsoid nicht mehr gewährleistet.


Keywords: Funkenentladung,  Mineralstoffwechsel,  Stoßwelle

Elektrohydraulischer Stoßwellengenerator
Abbildung 8: Druckmessung im zweiten Fokus eines elektrohydraulischen Stoßwellengenerators. Auf Grund der stochastischen Schwankungen bei der Erzeugung der Stoßwellen im ersten Fokus schwankt der Stoßwellendruck im zweiten Fokus von Stoßwelle zu Stoßwelle.


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Elektrohydraulisches Prinzip
Abbildung 9: Die Phasen der elektrohydraulischen Stoßwellenerzeugung sind auf der Zeitachse dargestellt. Nach Anlegen der Hochspannung an die Elektrodenspitzen entwickelt sich zunächst mit Verzögerung ein sog. "Leader", der den Weg des Funkens bestimmt. Sobald eine leitende Verbindung zwischen den Spitzen besteht, fließt die gespeicherte elektrische Energie über den Funken und heizt die Strecke explosionsartig auf. Nur unmittelbar nach dem Durchbruch dehnt sich die Blase mit Überschallgeschwindigkeit aus (ca. 2000 m/s). Sobald die Ausbreitung der Plasmablase unter die Schallgeschwindigkeit (ca. 1500 m/s) sinkt, löst sich die Stoßwelle von der Blase ab. Unabhängig von der Stoßwelle dehnt sich die Blase weiter aus und kollabiert nach ca. 3 Millisekunden (ms), lange nachdem die Stoßwelle sich abgelöst hat.


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Piezoelektrische Stoßwellenerzeugung
Abbildung 10: Piezoelektrische Stoßwellenerzeugung. Piezoelektrische Elemente sind auf einer Kugelfläche angeordnet und werden durch einen elektrischen Puls synchron zur Abgabe einer Druckwelle in Richtung auf das Zentrum der Kugelfläche angeregt. Das Verfahren ist selbstfokussieren.


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Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung
Abbildung 11a: Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung, Flachspule. Eine flach gewickelte Spule wird mit einer Isolierschicht und einer leitfähigen Membran abgedeckt und durch einen Stromstoß angeregt. Elektromagnetische Kräfte stoßen die Membran ab und erzeugen so eine Druckstörung, die sich als ebene Welle in das angrenzende Medium (Wasser) ausbreitet.


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Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung
Abbildung 11b: Mit Hilfe von akustischen Linsen wird die ebene Welle in eine konvergente Kugelwelle transformiert und in der Therapiezone konzentriert.


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Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung
Abbildung 12: Elektromagnetische Stoßwellenerzeugung, Zylinderspule und Paraboloidreflektor. Eine Spule wird um einen Hohlzylinder gewickelt und mit einer Isolierschicht und einer leitfähigen Membran abgedeckt. Ein Stromstoß erzeugt abstoßende elektromagnetische Kräfte, die der Geometrie der Anordnung entsprechend eine zylindrische Druckwelle quer zur Zylinderachse abstrahlt. Durch Reflexion am Paraboloidreflektor wird die Welle in eine konvergente Kugelwelle transformiert und in der Therapiezone konzentriert.


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Stoßwellen - Wellenfront
Abbildung 13: Schlierendarstellung der Wellenfronten aufeinanderfolgender Wellen auf dem Weg vom Reflektor zur Therapiezone.


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Stoßwellen - Wellenfront
Abbildung 14: Schematische Darstellung der Aufsteilung einer Wellenfront auf Grund von Nichtlinearitäten des Ausbreitungsmediums. In Zonen höheren Drucks läuft die Welle schneller und steilt sich damit zu einer Stoßwellenfront auf.


Keywords: Druck,  Mineralstoffwechsel,  Schema,  Stoßwelle,  Wellenfront

Stoßwellen - Ausbreitung
Abbildung 15: Ausbreitung einer Stoßwelle (schematisch) durch Verschiebung von Teilchen aus der Ruhelage und Zurückfedern in die Ruhelage. Der Unterdruckanteil der Welle erzeugt ein Überschwingen der Teilchen.


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Stoßwellen - Reflexion - Brechung
Abbildung 16: Reflexion und Brechung von Stoßwellen an Grenzflächen mit unterschiedlicher akustischer Impedanz (Dichte ρ x Schallgeschwindigkeit c).


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Stoßwellen - Hindernisse
Abbildung 17: Stoßwellen werden an Hindernissen wie Rippenknochen und Gasblasen gestreut.


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Stoßwellenfelder - Drucksonde
Abbildung 18: Stoßwellenfelder werden mit einer Drucksonde vermessen, in dem die zeitlichen Druckkurven an verschiedenen Stellen im Feld aufgenommen werden. Alle weiteren Parameter werden aus den Druckwerten berechnet.


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Stoßwellenfeld
Abbildung 19: Druckgebirge in einer Ebene des Stoßwellenfeldes, axial in Richtung der Ausbreitung der Stoßwelle und einer lateralen Richtung dazu.


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Stoßwellen - -6dB-Fokus
Abbildung 20: Darstellung des –6 dB-Fokus (definiert durch den Bereich oberhalb des halben Spitzendrucks) und der 5 MPa-Behandlungszone (definiert durch Spitzendrücke größer als 5 MPa).


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Stoßwellen - -6dB-Fokus - Therapiezone
Abbildung 21: –6 dB-Fokus im Vergleich zur 5 MPa-Therapiezone bei verschiedenen Energieeinstellungen niedrig, mittel und hoch. Trotz unterschiedlicher Energieinhalte bleibt der –6 dB-Fokus nahezu unverändert. Der 5 MPa-Therapiefokus wächst mit der Energiestufe und verdeutlicht damit den erweiterten Wirkungsbereich der Stoßwellen.


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Stoßwellen - Energieflußdichte
Abbildung 22: Bei gleicher Gesamtenergie erhöht sich die Energieflußdichte durch Fokussierung. Die Verkleinerung der Fläche bewirkt eine Konzentration der Energie und erhöht damit die Wirkung der Stoßwelle.


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Fokussierte Stoßwelle
Abbildung 23: Wirkung einer fokussierten Stoßwelle auf einen würfelförmigen Kunststein mit einer Kantenlänge von 10 mm (Stoßwelleneinfall von rechts). Man erkennt den an einem Draht gehaltenen Stein, die Fragmentation in wenige Bruchstücke und Kavitationsblasen im Stoßwellenpfad.


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Kavitationsblasen
Abbildung 24: Kavitationsblasen, erzeugt durch eine von unten nach oben laufende Stoßwelle. Unmittelbar hinter der Stoßwelle sind die Blasen noch klein. Sie wachsen innerhalb von ca. 30 Mikrosekunden und kollabieren dann unter Aussendung einer sekundären (sphärischen) Stoßwelle (Kreisringe im unteren Teil des Bildes.)


Keywords: Kavitationsblasen,  Mineralstoffwechsel

Kavitationsblasen
Abbildung 25: Bei Kavitationsblasen in der Nähe von Hindernissen kann der Kollaps nicht kugelsymmetrisch erfolgen, da das Nachströmen der Flüssigkeit durch das Hindernis beeinträchtigt wird. Als Folge davon entwickeln sich Mikrojets, die mit einigen Hundert Metern pro Sekunde auf die Grenzfläche stoßen und dort zu Erosion führen oder nadelförmige Löcher in Gefäße oder Membranen stanzen (schematisch).


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Stoßwellengerät
Abbildung 26: Stoßwellengerät mit frei beweglichem Therapiekopf (elektromagnetische Zylinderquelle) und Inline-Ultraschallortung für oberflächliche Anwendung und Zielgebiete bis zu 15 cm Tiefe.


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