En quoi consistent les ondes de choc ?
Les ondes de choc sont des ondes sonores. Elles se libèrent dans l’atmosphère lors de procédés similaires à une explosion, par exemple en cas de détonations, de foudre ou lorsqu’un avion passe le mur du son. Les ondes de choc sont des impulsions acoustiques caractérisées par des amplitudes de pression élevées et positives et par une augmentation très rapide de la pression par rapport à la pression ambiante. Elles peuvent transmettre rapidement l’énergie depuis le site de génération jusqu’à des zones plus éloignées, et y détruire par ex. des vitres.
Les ondes de choc se propagent telle une explosion et peuvent détruire des vitres à une grande distance.
Ondes de choc vs. ultrasons
Les ondes de choc sont apparentées aux ondes ultrasonores. Principale différence : pour les ondes de choc, les amplitudes de pression étant particulièrement élevées, il faut tenir compte d’un effet de raidissement en raison des défauts de linéarité du milieu de propagation (eau, tissu humain). Autre différence : les ultrasons sont principalement des vibrations périodiques avec une largeur de bande étroite (Fig. 1). En revanche, les ondes de choc sont représentées par une impulsion de pression unique essentiellement positive, suivie d’une part de traction plus réduite par comparaison (impulsion de pression négative) (Fig. 2). Une telle impulsion comprend des fréquences allant de quelques kilohertz à plus de 10 mégahertz.
Fig. 1 Signal ultrasonore conventionnel Fig. 2 : Courbe d’une onde de choc conventionnelle
Les ondes de choc et de pression sont des impulsions, l’ultrason correspond à une vibration continue.
Génération des ondes de choc focalisées
Les ondes de choc focalisées peuvent être générées par voie électrohydraulique, piézoélectrique ou électromagnétique (Fig. 3). Selon le principe électrohydraulique, les ondes de choc se forment directement à la source d’ondes de choc. Selon le principe piézoélectrique et électromagnétique, les ondes de choc naissent seulement du raidissement et de la superposition, et apparaissent donc seulement dans la zone focale.
Fig. 3 Sources d’ondes de choc en médecine
Exemple : Génération d’ondes de choc électromagnétiques
Le procédé de génération d’ondes de choc électromagnétiques repose sur le principe physique de l’induction électromagnétique. Celui-ci s’applique également pour les haut-parleurs par exemple. Le procédé permet un dosage très précis et délicat de l’énergie d’ondes de choc appliquée, qu’elles soient axiales (en profondeur) ou radiales. Idéalement, on utilise une bobine cylindrique permettant de focaliser l’onde de choc au moyen d’un paraboloïde de révolution. L’ouverture relativement grande de la source d’ondes de choc par rapport à la dimension focale permet de transmettre l’énergie des ondes de choc de manière quasiment indolore dans le corps via une grande sur-face de couplage. L’énergie est libérée, pour l’essentiel, dans la zone focale relativement petite à l’intérieur du corps (Fig. 4).
Fig. 4 : Génération d’ondes de choc
Les ondes de choc générées par voie électromagnétique sont relativement peu douloureuses et permettent un dosage très précis.
Propagation des ondes de choc focalisées
Les ondes de choc sont des ondes acoustiques. Pour se propager, elles ont besoin d’un milieu comme l’eau ou l’air. Généralement, on utilise de l’eau pour les ondes de choc utilisées à des fins médicales. Avec ce procédé, les ondes de choc sont générées en dehors du corps et sont transmises dans un tissu biologique. Puisque le tissu se compose en grande partie d’eau, il présente des propriétés de transmission sonore similaires. Celles-ci sont décrites par l’impédance acoustique (Z). Par conséquent, la transmission au tissu corporel s’effectue sans perte significative. L’impédance acoustique se définit ainsi :
Z = ρc
avec ρ = densité et c = vitesse du son
Des interfaces acoustiques où les propriétés acoustiques de densité (ρ) et de vitesse du son (c) changent, provoquent une divergence par rapport à la propagation en ligne droite des ondes par des phénomènes comme la réfraction, la réflexion, la diffusion et la diffraction, généralement connus dans le domaine optique. Ces effets doivent être pris en compte lors de l’application d’ondes de choc sur le patient pour assurer que l’énergie agit efficacement dans la zone de traitement.
Comme la lumière, les ondes de choc sont reflétées et réfractées sur des barrières acoustiques. Cet effet est d’autant plus important que les impédances acoustiques des deux milieux diffèrent.
Pour cette raison, avec le premier appareil pour la désintégration de calculs rénaux, le patient a été plongé dans une baignoire remplie d’eau. Les appareils actuels fonctionnent avec un couplage « sec ». Avec ces derniers, le bain d’eau est appliqué au corps par une membrane de couplage flexible. La couche d’air entre les deux est éliminée avec un gel de couplage ou par une mince pellicule d’eau.
Toute couche ou bulle d’air entre la source d’ondes de choc et le corps réduit de manière significative la performance.
Indépendamment de cela, il faut veiller à ce qu’aucun organe contenant du gaz (poumon) ou aucune structure osseuse plus grande ne se trouve devant la zone de traitement réelle. Ceux-ci bloqueraient la transmission des ondes de choc sur la zone ciblée et entraveraient donc l’action thérapeutique souhaitée. Par ailleurs, la libération d’énergie en amont endommagerait les tissus pulmonaires (contre-indication).
Finalement, on doit partir du principe que les tissus mous (peau, graisse, muscles, tendons, etc.) ne sont pas homogènes sur le plan acoustique et présentent des interfaces. Par ailleurs, les différences des propriétés acoustiques sont sensiblement moins importantes que lors du passage de l’eau à l’air, et vice versa. Outre l’absorption et la réflexion, surviennent ici des effets de réfraction susceptibles d’entraîner des divergences moins contrôlables par rapport à la propagation en ligne droite des ondes de choc dans le corps.
Paramètres des ondes de choc / Mesure des ondes de choc / Pression des ondes de choc
Pour la caractérisation des ondes de choc, on a principalement recours aux mesures prises avec des sondes de pression.9 Les ondes de choc utilisées en médecine (Fig. 2) affichent ainsi des valeurs de pression typiques d’env. 10 à 100 mégapascals (MPa) pour la pression maximale p+, soit 100 fois à 1000 fois la pression atmosphérique. Les temps de montée tr très courts s’élèvent à env. 10 à 100 nanosecondes (ns), en fonction du type de génération. La durée d’impulsion tw est également relativement courte à env. 0,2 à 0,5 microsecondes (μs) (par rapport aux ondes de pression médicales décrites ci-dessous, voir également Fig. 11). Une autre caractéristique de l’onde de choc repose sur sa part de traction p- relativement réduite qui s’élève à environ 10% de la pression maximale p+.
Si on présente des pressions maximales p+ mesurées à différents points dans le champ d’ondes de choc dans une représentation en trois dimensions (dans le sens axial de la propagation d’ondes de choc et latéralement, c’est-à-dire verticalement), on obtient alors une répartition de la pression typique telle que représentée sur la Fig. 5. On reconnaît que le champ d’ondes de choc n’affiche aucune limite nette, mais présente la forme d’une montagne, avec un sommet en son centre et des flancs plus ou moins abrupts. On parle donc également d’un pic de pression. Sa forme et sa hauteur peuvent varier en fonction de l’appareil à ondes de choc employé.
Fig. 5 Répartition typique de la pression des ondes de choc sous la forme d’un pic de pression
Effets physiques des ondes de choc
Action directe sur les interfaces
Les ondes de choc et ultrasons affichent une caractéristique différente. Avec les ultrasons, la charge alternée à haute fréquence du tissu se trouve dans la plage de fréquences de quelques mégahertz, entraînant, à hautes amplitudes, la hausse des températures, la destruction des tissus et l’effet de cavitation.L’action des ondes de choc repose, entre autres, sur la force orientée vers l’avant (vers la propagation des ondes de choc) avec une transmission des impulsions sur l’interface. Celle-ci peut être accrue jusqu’à détruire les calculs rénaux.Ces forces apparaissent principalement sur les interfaces, avec une hausse rapide de la résistance acoustique, mais à peine dans un milieu homogène (tissu, eau). Pour cette raison, l’onde de choc est le moyen idéal pour générer des effets en profondeur dans le tissu, sans endommager le tissu se trouvant au-dessus.
Fig. 6 : Action d’une onde de choc focalisée sur un calcul artificiel
Mais les interfaces les moins marquées dans des structures tissulaires douces expérimentent une force moindre exercée par les ondes de choc. En fonction de l’intensité (Fig. 7), la destruction mécanique des cellules, membranes et par ex. trabécules osseuses ou la stimulation des cellules par la déformation réversible de la membrane cellulaire est possible. Une destruction des structures fragiles (calculs rénaux) est alors possible, ainsi qu’une irritation ou une stimulation des structures tissulaires entraînant des processus de guérison. Les processus de ce type doivent par ex. être observés pour les applications orthopédiques. La focalisation permet de limiter l’action sur la zone ciblée. Tout effet secondaire en dehors de cette zone est réduit ou évité.
Fig. 7 : Domaines d’application typiques des ondes de choc en médecine et intensités correspondantes
La focalisation permet une action ciblée sur une zone ciblée précise.
Suite à une thérapie par ondes de choc, on observe souvent une circulation sanguine accrue et une intensification du métabolisme, pouvant permettre la guérison.
Effet indirect – Cavitation
Outre la force directe des ondes de choc sur les interfaces, cela peut entraîner la cavitation dans certains milieux comme l’eau et en partie également dans le tissu.
Les bulles de cavitation apparaissent immédiatement après que la charge alternée de pression/traction de l’onde de choc a passé le milieu. Une grande partie des bulles croît jusqu’à env. 100 microsecondes après le passage de l’onde pour ensuite imploser violemment à l’émission d’ondes de choc sphériques secondaires. À proximité des interfaces, les bulles de cavitation ne peuvent plus imploser calmement. Le milieu refoulé dans la bulle, comme l’eau ou le fluide corporel, ne peut plus s’écouler sans entrave. Conséquence : la bulle implose de façon asymétrique, en produisant un microjet. Ce jet de liquide est orienté sur l’interface à des vitesses de quelques centaines de mètres par seconde (Fig. 8).
Fig. 8 : Production d’un microjet par l’implosion d’une bulle de cavitation
Les microjets présentent une grande énergie et une grande force de pénétration : ils peuvent éroder les interfaces dures des calculs. Le dégagement des gaz dissous dans le sang ou le tissu génère des bulles, une cavitation douce, lors du passage de l’onde de choc. Ces bulles peuvent détruire des petits vaisseaux sanguins ou cellules. Cela entraîne des microsaignements ou des perforations de la membrane. La cavitation ne se limite pas exclusivement à la zone focale, mais est particulièrement marquée ici.
Effets biologiques des ondes de choc
L’onde de choc entraîne en outre des réactions biologiques par les forces de coupe et de pression jointes. Ce mécanisme d’action est appelé mécanotransduction. Les effets suivants ont été scientifiquement prouvés et examinés :
- – Augmentation de la perméabilité cellulaire
- – Stimulation de la microcirculation (sang, lymphe)
- – Libération de la substance P19
- – Réduction des fibres nerveuses non myélinisées
- – Libération d’oxyde d’azote (NO), entraînant la vasodilatation, le métabolisme accru et l’angiogenèse et agissant comme un anti-inflammatoire
- – Effet antibactérien
- – Libération des hormones de croissance (vaisseaux sanguins, épithélium, os, collagène, etc.)
- – Stimulation des cellules souches
- – Stimulation des cellules nerveuses (potentiel d’action)
Application ciblée des ondes de choc focalisées
Pour appliquer des ondes de choc de façon ciblée, il est nécessaire de positionner la zone focale sur la zone à traiter. Pour les calculs (lithotritie), les os ou certaines structures tissulaires, il est possible d’utiliser des rayons X ou des ultrasons pour le positionnement. Dans la thérapie des douleurs, on s’oriente sur le point le plus douloureux en communiquant avec le patient. Un tel « biofeedback » permet de localiser de nombreux points de traitement superficiels et profonds.