Characteristics in spatial heat distribution caused by different moving techniques of the ultrasound transducer

Jan Hendrik Demmink

Department of Physiotherapy, Bergen University College, Bergen, Norway.

SUMMARY

Background and Purpose: In patient treatment, the ultrasound transducer is moved in order to avoid the non-uniformity of the ultrasound beam. The characteristics of the ultrasound beam make it essential that the treatment head is moved in a consistent manner during the ultrasound application. The purpose of this article is to see, (a) if different techniques can be used interchangeably, (b) if faster movement decreases the heat and (c) if different techniques have different characteristics in spatial heat distribution.

Methods: Three experiments were performed on the cross section of a fresh pig cadaver hind leg, reflecting a location a physiotherapist may encounter in clinical situations. The experiments were carried out with an ultrasound frequency of 2MHz, an intensity of 1W/cm2 and three different techniques, i.e. an 8cm/sec circle technique, a 3cm/sec circle technique and a 3cm/sec linear technique. The temperature increase patterns were thermally imaged at 1-minute intervals with an insonation period of 5 minutes. In the computerized comparison, every temperature data point from the reference image was “subtracted” from the thermal image after the 1st, 2nd, 3rd, 4th, and 5th minute.

Results : The circle techniques show that the heat distribution is concentrated around the middle of the circle. In the 8cm/sec circle technique the heat distribution is found in the superficial tissue layers, while for the 3cm/sec circle technique the heat is also found in the deeper tissue layers. The linear 3cm/sec technique shows heat at the turning points of the movement.

Conclusions: The different techniques are not interchangeable. The three techniques have different heating characteristics. A faster circular movement and a slow longitudinal movement of the transducer result in superficial heating only.

KEY WORDS: thermal effect, ultrasound, technique, physiotherapy.

RÄUMLICHE WÄRMEVERTEILUNG BEI UNTERSCHIEDLICHEN BEWEGUNGSTECHNIKEN DES ULTRASCHALLKOPFES

Hintergrund und Zweck der Studie: Bei der Ultraschallbehandlung wird der Schallkopf am Patienten bewegt , um ein möglichst gleichförmiges Schallfeld zu erzielen. Die Eigenschaften des Ultraschallfeldes bedingen die Notwendigkeit, bei der Behandlung den Schallkopf in einer gleichförmigen Weise zu bewegen. Der Zweck dieser Arbeit ist zu klären, ob , (a) unterschiedliche Techniken gegenseitig ausgetauscht werden können (b) schnellere Bewegungen weniger Erwärmung bedingen und (c) unterschiedliche Techniken zu einer differenten räumlichen Verteilung der Erwärmung führen.

Methode: An einem hinteren Oberschenkel eines frisch geschlachteten Schweines wurden 3 Untersuchungen durchgeführt. Da Physiotherapeuten im Oberschenkel-Hüftbereich oft eine Ultraschallbehandlung durchführen, erschien der Oberschenkel eines Schweines ein geeignetes Modell zu sein, um die Verteilung der durch Ultraschall induzierten Erwärmung zu untersuchen. Bei allen Untersuchungen wurde Ultraschall einer Frequenz von 2 MHz und einer Intensität von 1W/cm2mit drei unterschiedlichen Techniken appliziert und zwar eine kreisförmige Bewegung mit einer Geschwindigkeit von 8cm/sek, bzw. 3/sec , und eine lineare Bewegung des Schallkopfs mit einer Geschwindigkeit von 3cm/sec. Die Muster der Temperatur erhöhung wurden in 1 Minuten Abständen über eine Beschallungs dauer von 5 Minuten thermographisch erfasst. In der Computer gestützten Auswertung, wurde jeder Temperaturwert des Referenzbildes vor der Behandlung von den Wärmebildern nach 1, 2 3, 4, und 5 Minuten Behandlung “subtrahiert”.

Ergebnisse : Es zeigte sich bei kreisförmigen Ultraschallkopfbewegungen, dass sich die Wärmebildung in der Mitte des Kreises konzentriert. Bei schnelleren Kreisbewegungen (8cm/sec) fand sich eine Temperaturerhöhung nur in den oberflächlichen Gewebeschichten, während bei langsamen Bewegungen (3cm/sec) auch in der Gewebstiefe erwärmt wurde. Bei der Bewegung des Schallkopfes über eine Strecke fand sich die Erwärmung an den Umkehrpunkten.

Schlussfolgerung: Die untersuchten Techniken sind nicht gegenseitig austauschbar, da sie unterschiedliche Eigenschaften der Erwärmung zeigen. Schnelle kreisförmige und langsame lineare Bewegungen des Schallkopfes führen nur zu einer Erwärmung oberflächlicher Gewebeschichten.

SCHLÜSSELWÖRTER: Wärmeffekt, Ultraschall, Behandlungstechnik, Physiotherapie.

Thermology international 2008, 18(1) 19-23