Sehr hochfrequenter Ultraschall in der ästhetischen Medizin und Chirurgie

US-Wellen sind Schallwellen mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 1 GHz, die damit über der hörbaren Grenze von Menschen liegen. Wellen mit Frequenzen von 20–100 kHz werden als niederfrequenter US und über 10 MHz als SHF-US bezeichnet [1]. US-Wellen breiten sich in einem wasserreichen Medium mit einer Geschwindigkeit von fast 1.500 m/s aus und versetzen dabei die Teilchen des Mediums im Takt der US-Frequenz in Schwingung. Die Geschwindigkeit von diesen Teilchen ist viel niedriger als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der US-Welle: Sie erreicht bei oben genannter Intensität etwa 10 cm/s. Ihre Beschleunigung kann allerdings gigantische Werte von bis zu 7.250 km/s2 erreichen, was bedeutet, dass sich die Teilchen im US-Feld sehr ruckartig bewegen.

Durch Ausbreitung einer US-Welle entstehen im gleichen Punkt des Gewebes abwechselnd mechanischer Überdruck und Unterdruck. Somit werden die Zellen im Takt einer US-Frequenz „massiert“. In einer US-Welle mit einer Frequenz von 10 MHz und einer Intensität von 1 W/cm² wird der maximale zusätzliche Druck circa 1,7 bar = 170 kPa erreichen und liegt damit deutlich über dem atmosphärischen Druckwert. Wird ein und dieselbe Zelle der Wirkung von US-Wellen mit verschiedenen Frequenzen ausgesetzt, entstehen unterschiedliche Massagevorgänge mit räumlich verschiedenen Druckgradienten (▶Abb. 1).

Die Eindringtiefe der US-Wellen in den Körper ist ebenfalls stark frequenzabhängig (▶Abb. 2): Je höher die US-Frequenz desto oberflächlicher wird die US-Energie im Körper absorbiert. Die Halbwertstiefe, also die Strecke, nach der sich die Schallintensität auf 50 % ihres Ursprungswertes reduziert, beträgt bei der US-Frequenz von 1 MHz circa 30 mm, bei 3 MHz circa 10 mm, bei 10 MHz circa 3 mm und bei 20 MHz weniger als 1,5 mm. Der niederfrequente US zeigt dagegen eine sehr große Eindringtiefe, er wird in der Haut und Subkutis kaum absorbiert und erreicht somit leicht die Knochen.

Absorption von US-Wellen in der Haut führt zur Entstehung frequenzabhängiger Temperaturfelder. Diese Felder sind räumlich inhomogen und zeigen einen Sprung an der dermal-hypodermalen Grenze, da die Schallabsorptionen in der Haut und im Fettgewebe sehr unterschiedlich sind. Daraus entstehen nach Anwendung des SHF-US nicht nur stark erhöhte Temperaturen in der Haut, sondern auch große Temperaturgradienten in der Nähe der dermal-hypodermalen Grenze [2].

Die ▶Abb. 3 zeigt solche Temperaturfelder in der Haut und Subkutis nach Anwendung der US-Wellen mit Frequenzen von 3 MHz, 10 MHz und 19 MHz, einer Intensität von 10 W/cm² und einer Beschallungszeit von 1 s. Supraphysiologische Temperaturen können sich dabei nicht nur in der Haut, sondern auch in der Subkutis entwickeln (▶Abb. 3a). Gleichzeitig können auch die Zellen nahe der dermal-hypodermalen Grenze der Wirkung gewaltiger Temperaturgradienten ausgesetzt werden, die bei höheren US-Frequenzen steigen (▶Abb. 3b). Weil diese Zellen, die als dermale Adipozyten bekannt sind [3], besondere Eigenschaften besitzen, kann so ein Effekt zu signifikanten lokalen Veränderungen in der Struktur sowie den mechanischen Eigenschaften der Haut und des Fettgewebes führen.

US-Wellen werden in der Praxis mit 1 Frequenz, mit 2 Frequenzen (Dual-US) oder seit Kurzem auch mit 3 Frequenzen (Triple-US) eingesetzt. Die ▶Abb. 4 zeigt beispielhaft typische Zusammensetzungen einer Dual-(mit Frequenzen 3 MHz und 10 MHz) und einer Triple-Welle (mit Frequenzen 3 MHz, 10 MHz und 19 MHz). In solchen multifrequenten US-Wellen wird innerhalb von wenigen Millisekunden zwischen den einzelnen Frequenzen umgeschaltet, was eine zusätzliche Modifizierung der Temperatur und Druckfelder im Gewebe hervorruft. Da weder die Zellen noch Gewebestrukturen innerhalb einer solch kurzen Zeit auf einzelne Druckwellen reagieren können, werden die Wirkungen einzelner Frequenzen in Dual- und Triple-US-Wellen überlagert, und die Zellen werden somit gezwungen, gleich auf mehrere US-Frequenzen zu reagieren.

Hautbildverbesserung, die die Haut jünger aussehen lassen sollte, ist ein erklärtes Ziel der ästhetischen Behandlungen. Die wichtigste Frage dabei ist, welche Schwachstellen der Haut als Targets behandelt werden sollten und was dabei modifiziert wird. Diese Frage ist nicht so einfach zu beantworten. Das Problem besteht darin, dass die Veränderungen in einer alternden Haut sehr vielfältig sein und in verschiedenen Hautschichten sowie in der Subkutis auftreten können [4, 5]. Die absolute Mehrheit dieser Veränderungen gehört allerdings nicht zu den Ursachen, sondern eher zu Folgen der Hautalterung, was wiederum zu gravierenden Problemen bei der Festlegung der Anti-Aging-Strategien führen kann. Zum Beispiel führte die allgemein verbreitete Theorie der Kollagenreduktion in der alternden Haut zur Festlegung der Kollagenstimulation als wichtigstes Behandlungsziel der Anti-Aging-Therapie mit der Folge, dass heutzutage kaum eine Anti-Aging-Methode existiert, die solch eine Stimulation nicht für sich beansprucht.

Eine vor Kurzem durchgeführte kritische Analyse hat allerdings gezeigt, dass die wichtigsten Schwachstellen in der Haut woanders liegen und dass der Kollagengehalt selbst nur sekundär mit der Hautalterung verbunden zu sein scheint [6, 7]. Dagegen sollten die Struktur der papillären Dermis, mechanische Fehlanpassungen zwischen den verschiedenen Hautschichten sowie die Adhäsion an dermal-epidermaler und dermal-hypodermaler Grenze eine sehr wichtige Rolle spielen [7]. An der dermal-hypodermalen Grenze befinden sich die sogenannten Adiposae-papillae-Strukturen, die eine Ähnlichkeit zu „dermal papillae“ an der dermal-epidermalen Grenze haben. Diese Strukturen definieren im Wesentlichen die Adhäsion zwischen Dermis und Subkutis und sind nicht nur in die Cellulite-Pathophysiologie involviert, sondern auch maßgeblich für die Hautalterung verantwortlich [7]. Die dermal-hypodermale Grenze spielt im Gesicht eine besondere Rolle, weil sie in verschiedenen (sogar in benachbarten) Fettkompartimenten unterschiedlich starke Adhäsionen zeigt [8, 9]. Nur bei einer guten mechanischen Verbindung an diesen Grenzen kann gewährleistet werden, dass die mechanischen Kräfte, die die Hautoberfläche deformieren, in die Tiefe geleitet werden und somit nicht zu solchen Hautdeformationen wie Faltenbildung führen. Daraus resultiert, dass die Anti-Aging-Anwendungen bevorzugt werden sollten, die unter anderem die oben genannten Grenzen erweitern und verstärken können.

Dies ist tatsächlich bei hochfrequenten US-Wellen der Fall, die die Produktion der Caveolae in verschiedenen Zellen frequenzabhängig stimulieren und somit den Aufbau stärkerer interzellulärer Verbindungen induzieren können. Caveolae sind typische kleine Ω-förmige Invaginationen in Zellmembranen, die besonders in den dem mechanischen Stress ausgesetzten Zellen, zum Beispiel in Fibroblasten, Keratinozyten, endothelialen Zellen und Adipozyten, zahlreich vorzufinden sind. Caveolae beinhalten verschiedene Typen des Caveolins (Cav-1 bis 3), die kausal in diverse proliferative und entzündliche Prozesse involviert sind. Diese Strukturen spielen eine entscheidende Rolle in Prozessen wie Zelladhäsion, Zellvolumenregulation, Entzündung und Kollagensynthese. Eine dramatische Reduktion der Cav-1-Expression ist ein wichtiger Faktor bei verschiedenen Hauterkrankungen, unter anderem bei der Entwicklung von Fibrosen [10, 11] und bei der Psoriasis [12]. Die Cav-1-Expression sollte daher ein wichtiges Ziel bei der Behandlung von Psoriasis [13] sowie hypertrophen Narben, Hautalterung und Akne sein. Die Kollagenproduktion demonstriert dabei eine negative Korrelation mit dem Cav-1-Gehalt in den kollagenproduzierenden Zellen; diese Korrelation wurde deutlich in Sklerodermie sowie in Keloiden und hypertrophen Narben demonstriert [10, 11]. Darüber hinaus führt die Stimulation der Cav-1-Produktion zu einer signifikanten Reduktion der TGF-β und einer schnellen Verbesserung bei Fibrose [14]. Eine lokale Reduktion des Cav-1 kann auch ursächlich für eine Entzündung im Gewebe verantwortlich sein. Und umgekehrt wurde demonstriert, dass eine induzierte Expression von Cav-1 effektiv entzündungshemmend wirkt [15]. Das macht Cav-1 zu einem wichtigen Ziel bei verschiedenen dermatologischen und ästhetischen Indikationen und alle Methoden, die Cav-1 effektiv modifizieren können, zu vielversprechenden Behandlungsoptionen.

Die Entwicklung von supraphysiologischen Temperaturen in der Haut und Subkutis während einer Behandlung mit SHF-US führt automatisch zu einer lokalen endogenen Produktion des Hyaluronans und somit zu Ansammlung des Wassers und Erhöhung des Turgors im behandelten Gewebe, was sich mit einer schnellen Hautreaktion bemerkbar macht. Darüber hinaus können höhere US-Frequenzen die Produktion von Hitzeschockproteinen induzieren und die für die Spaltung von Kollagen zuständigen Matrixmetalloproteinasen effektiv reduzieren [3, 4], was im Wesentlichen mit dem Zusammenspiel zwischen diesen Molekülen und dem Cav-1 zu tun hat. Das Hitzeschockprotein-32 — auch als Hämoxygenase-1 bekannt —, das bei SHF-US signifikant induziert werden kann, zeigt eine starke Porphyrin reduzierende und antiinflammatorische Wirkung. Es wurde ebenfalls vor Kurzem gezeigt, dass die hochfrequenten US-Wellen signifikant die Differenzierung der adipositären Stammzellen verstärken können [16], was für die Anwendung von SHF-US in Anti-Aging sowie bei Lipofilling wichtig sein kann.

Die oben beschriebenen supraphysiologischen Temperaturen und Druckfelder, die sich in der Haut während der SHF-US-Anwendung entwickeln, können auch zu vorübergehender frequenz- und intensitätsabhängiger Auflockerung des subepithelialen Gewebes führen (▶Abb. 5). Solche lokale Auflockerungen bilden einen wichtigen Grundstein für supportive Anwendungen des SHF-US bei Injektionsmethoden sowie in der ästhetisch-plastischen Chirurgie.

SHF-US-Wellen wurden entsprechend ihren oben genannten biophysikalischen Wirkungen in verschiedenen Bereichen der Dermatologie und der ästhetischen Medizin als eine Stand-alone-Behandlungsmethode oder in der Kombination mit anderen Methoden erfolgreich eingesetzt. Wegen seiner stark entzündungshemmenden Wirkung zeigt SHF-US eine deutliche Verbesserung bei Hauteffloreszenzen wie Rosazea, Psoriasis und verschiedenen Dermatosen [1]. Dabei hat die Anwendung von höheren Frequenzen ganz klare Vorteile. Die zusätzliche Porphyrin reduzierende Wirkung des SHF-US bildete die Grundlage für eine sehr erfolgreiche Anwendung dieser Methode bei verschiedenen Akneformen [1, 17]. Es wurde auch gezeigt, dass SHF-US [17] und dual-frequenter Ultraschall [18] eine bemerkungswerte Behandlungseffektivität bei Rosazea zeigen. Zusammen mit einer verstärkten Differenzierung der adipozytären Stammzellen, die beispielweise essenziell für eine effektive Wundheilung notwendig ist [19], sorgen alle diese Faktoren für eine hohe Effektivität dieser Methode, besonders in Form von dual-frequenten oder Triple-US-Wellen, sowohl bei Ulcus cruris als auch bei nicht heilenden posttraumatischen, postoperativen Wunden und Verbrennungswunden [1, 20, 21, 22, 23]. Das spricht auch deutlich für die regenerative Wirkung dieser Methode.

SHF-US demonstriert auch eine deutliche Effektivität bei der Behandlung verschiedener Fibrosen inklusive hypertropher Narben [1] und radiationsinduzierter Fibrosen [24], was in erster Linie mit seiner Wirkung auf die Cav-1-Produktion sowie mit den oben beschriebenen histologischen Veränderungen im subepithelialen Gewebe erklärt werden kann. Diese Veränderungen sind auch hauptsächlich für die starke supportive Wirkung des SHF-US in Kombinationsanwendungen mit Injektionslipolyse verantwortlich [25]. In dieser Studie, die an sieben Patienten mit kontralateraler Kontrolle durchgeführt wurde, konnte gezeigt werden, dass eine Kombination der Injektionslipolyse mit dual-frequenten SHF-US-Wellen nicht nur zu einer signifikanten Verbesserung der Behandlungsergebnisse im Vergleich zur Stand-alone-Injektionsmethode führt, sondern auch eine Schmerzreduktion zur Folge hat und somit eine deutliche Steigerung der Patientenakzeptanz bringt.

Die Anwendung dieser Methode vor der Fillerinjektion führt zur Auflockerung des Behandlungsgebiets und somit zu einer besseren Verteilung des Fillers. Eine Kombination von Fillern mit EBBs findet immer mehr Anwendung in der Praxis [26, 27]. Solche Kombinationsbehandlungen fanden auch eine breite Anwendung bei Fadenlifting und Lipofilling in Asien. Gleichzeitig sollte erwähnt werden, dass der Einsatz von SHF-US kurz nach einer Hyaluronaninjektion zum Abbau des Fillers führen kann und somit kontraproduktiv wäre. Jedoch wurde diese Methode in einigen Fällen auch mit Erfolg zur Korrektur ungleichmäßig injizierter Filler eingesetzt.

Duale SHF-US-Wellen kamen auch erfolgreich in Kombination mit Kryolipolyse [28] sowie mit Laser und RF-Strömen zum Einsatz.

Ein anderes wichtiges Applikationsfeld für SHF-US ist die ästhetisch-plastische Chirurgie. Dabei geht es nicht nur um eine bessere Wundheilung und reduzierte Narbenbildung, sondern zum Beispiel um eine direkte Anwendung dieser Methode bei Liposuktion. Präoperative Behandlungen mit SHF-US lockern das Gewebe auf und erhöhen damit seine Aufnahmekapazität für die Tumeszenzlösung mit allen entsprechenden Konsequenzen für Behandlungsergebnisse. Solch Auflockerung führt auch zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen Blutgefäßen, was die Hämatombildung im Operationsfeld reduziert. Eine verblindete Testanwendung dieser Kombination mit kontralateraler Kontrolle demonstrierte darüber hinaus deutlich bessere Körperkonturen im Vergleich mit einer „stand alone“ geführten Liposuktion. SHF-US ist eine nebenwirkungsarme und schmerzfreie Behandlungsmethode, die von Patienten sehr gut angenommen wird. Die Anzahl der Kontraindikationen für diese Methode ist gering, was ihre Anwendung für verschiedene Alters- und ethnische Gruppen sowie unabhängig von der Jahreszeit ermöglicht.