韓 明

醫(yī)用體外沖擊波碎石術(shù)（extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL）的優(yōu)點在于它的治療過程基本是非侵入性的，患者易于接受，而且它的治療成功率高，對人體組織的損傷較少，目前在臨床上已得到廣泛的應(yīng)用。

1 ESWL碎石過程

沖擊波和結(jié)石相互作用的機制尚未完全明了。最初的認(rèn)為是在ESWL中，結(jié)石的破碎是沖擊波的直接作用所致。實際是壓力效應(yīng)和張力效應(yīng)兩種機制。

1.1 壓力效應(yīng)

由于人體組織密度與結(jié)石密度不同，因而聲阻抗存在差異。當(dāng)聚焦沖擊波進入人體后遇到結(jié)石后，入射界面處產(chǎn)生反射培壓現(xiàn)象，如果這種沖擊波的壓力強度超過結(jié)石的抗壓強度，就會在結(jié)石入射表面附近出現(xiàn)裂解面破碎。

1.2 張力效應(yīng)

當(dāng)沖擊波在結(jié)石內(nèi)繼續(xù)前行傳播到結(jié)石對側(cè)界面時，沖擊波波轉(zhuǎn)變?yōu)閺埩Σǎ钩霾娓浇幱趹?yīng)力狀態(tài)。當(dāng)超過結(jié)石的抗張強度時，就導(dǎo)致結(jié)石粉碎。

尿路結(jié)石多系脆性物質(zhì)，抗張強度（單位面積的破碎力）的極限約為抗張強度極限的1/10。換言之結(jié)石能夠能夠承受很高的來自壓力波的擠壓力，而經(jīng)不起張力波的拉伸力。現(xiàn)行的理論認(rèn)為，由張力波引起的空化效應(yīng)，可能是結(jié)石粉碎的內(nèi)在動力?？栈瘹馀菰诒堰^程中，具有很高的能量密度，當(dāng)這些空泡的快速膨脹或崩潰后產(chǎn)生的高速微噴射超過結(jié)石破碎強度時，則可導(dǎo)致結(jié)石粉碎。體外試驗也表明，結(jié)石如果處于一個預(yù)應(yīng)壓力容器中，（防止液體發(fā)生空化效應(yīng)），沖擊波不能將其粉碎。既然張力波及其所致的空化效應(yīng)對結(jié)石的粉碎起主導(dǎo)作用，根據(jù)這一機制，我們在實際ESWL操作時，通常是將沖擊波焦區(qū)中心穿過結(jié)石主體后對準(zhǔn)結(jié)石的對側(cè)界面（出波位置），充分借助沖擊波的拉伸作用和空化效應(yīng)，來進一步提高碎石效率。

2 醫(yī)用碎石機的分類

醫(yī)用碎石機按其震波源的不同一般分為三種：液電式、電磁式和壓電式。

液電式?jīng)_擊波是在一個橢球反射體內(nèi)通過液體中火花放電的方式轉(zhuǎn)化成沖擊波，主要優(yōu)點是脈沖功率高，碎石效果好，但這一類型沖擊波的各波之間的均一性最差，原因在于電極的正極和負(fù)極電流通路存在差異，常需要調(diào)節(jié)電極間距和頻繁更換電極。這種機型的設(shè)備成本和損耗費用較為昂貴。

壓電式?jīng)_擊波是由圓形排列的壓電晶體產(chǎn)生的一種超短波脈沖。其特點是焦點緊湊精細(xì)，但因皮膚的減小入點的能量密度極低，故很少引起痛感和不適。在用壓電式碎石機治療難治型結(jié)石時，能量不如國產(chǎn)的液電式碎石機，只在治療較小的結(jié)石時，有其獨特的優(yōu)越性。

電磁式?jīng)_擊波是將電能首先轉(zhuǎn)換成機械能，通過聲透鏡或拋物面反射體將機械聚焦后所形成的。其重要特點是沖擊波源可連續(xù)使用近百萬次，無更換電極之煩，損耗成本相對降低。電磁式?jīng)_擊波的能量較液電式?jīng)_擊波源差一個數(shù)量級，介于液電式和壓電式之間，比較合乎臨床使用要求。目前似有取代液電式?jīng)_擊波源的趨勢。

3 碎石機產(chǎn)生沖擊波的充電和放電電路

無論是液電式、電磁式或壓電式波源都要求有一套充電和瞬時放電的電路，要求放電時間為1 us左右，放電電流達(dá)數(shù)千mA。放電電路見圖1。

圖1 碎石機充電放電電路

T1為調(diào)壓器，T2為升壓變壓器，V為整流器，C為電容，W為沖擊波源，R為限流電阻，S為觸發(fā)器。此電路分充電電路和放電電路兩部分，交流電經(jīng)調(diào)壓電路T1調(diào)壓后經(jīng)變壓器T2升壓，電壓可達(dá)數(shù)KV至十多KV，經(jīng)整流后想電容器C充電儲能。當(dāng)觸發(fā)器S導(dǎo)通，電容的電荷向沖擊波源裝置W瞬時放電而產(chǎn)生沖擊波，為取得良好的沖擊波，放電時間要求在1 μs以內(nèi)。產(chǎn)生沖擊波的能量決定于電容儲存的能量，其能量公式為：E=1/2 CU2，式中，E—能量，單位焦耳(J)；C—電容量，單位法拉(F)；U—充電電壓，單位伏特(V)。如一臺碎石機的電容0.5 μF,使用電壓10 KV，則其能量為E=1/2×(0.5×10-6)×(10×103)=25 J，若放電時間為t=2 μs,根據(jù)放電電流公式I=CU/t，算得瞬時放電電流為I=(0.5×10-6)×(10×103)÷(2×10-6)=2500 A。從以上分析可知，沖擊波能量取決于充電電壓U和電容C的值，因各種碎石機的電容變化不大，所以能量與電壓的平方成正比，能量高低主要取決于高壓，電壓越大能量越大，焦點沖擊波壓強也越大，結(jié)石越容易粉碎。但太大能量容易給患者造成損傷，因此碎石機均向低能高效、低副作用方向發(fā)展。

4 沖擊波波源

4.1 液電式?jīng)_擊波波源

目前碎石機的波源以液電式居多，因其發(fā)展早、技術(shù)成熟、碎石效果好而被廣泛采用。

液電式?jīng)_擊波源是一個半橢圓形金屬反射體內(nèi)安置電極，反射體內(nèi)充滿水，當(dāng)高壓電在水中放電時，在電極極尖處產(chǎn)生高溫高壓，因液電效應(yīng)而形成沖擊波，沖擊波向四周傳播，碰到反射體非常光滑的內(nèi)表面而反射，電極極尖處于橢球的第一焦點處，所以在焦點1發(fā)出的沖擊波經(jīng)反射后就會在焦點2聚集，形成壓力強大的沖擊波焦區(qū)，當(dāng)人體結(jié)石處于第二焦點時，就會被粉碎（見圖2）。

圖2 液電式?jīng)_擊波

4.2 壓電式?jīng)_擊波波源

壓電式?jīng)_擊波波源是一個半球的內(nèi)壁安裝很多壓電晶體，當(dāng)有高頻高壓電通過壓電晶體時，壓電晶體就會伸縮產(chǎn)生振動，從而使水介質(zhì)產(chǎn)生超聲沖擊波，沖擊波在圓球的球心焦點f處聚焦，當(dāng)結(jié)石處于焦點處時，就會被強大的沖擊波粉碎（見圖3）。

4.3 電磁式?jīng)_擊波波源

電磁式?jīng)_擊波波源可分為平板式和圓筒式兩種。平板式電磁波源是一個中空圓柱體，圓柱體一端有組高頻線圈，當(dāng)高頻高壓脈沖電流通過時，線圈產(chǎn)生脈振磁場，根據(jù)電磁場感應(yīng)定律可知，靠近線圈前端的平板金屬膜就會發(fā)生振動，從而使水介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波，平行直線傳播的沖擊波穿過雙面凹的聲透鏡后在透鏡的焦點f處聚焦，強大的沖擊波可把處于焦點處的結(jié)石粉碎（見圖4）。

圖3 壓電式?jīng)_擊源

圖4 平板電磁式?jīng)_擊波源

圓筒式電磁波波源是一個圓筒形絕緣體外壁安裝若干組高頻線圈，線圈外是一個圓筒形金屬振膜，整個裝置安放在一個旋轉(zhuǎn)拋物線形成反射體底部，當(dāng)有高頻高壓電流通過線圈時，線圈周圍產(chǎn)生脈振磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，圓筒形金屬振膜就會產(chǎn)生震動，從而使水介質(zhì)產(chǎn)生沖擊波，沖擊波平行向四周傳播，碰到反射體非常光滑的內(nèi)表面而反射，然后在拋物面的焦點f處聚焦，當(dāng)結(jié)石處于焦點處時，就會被強大的沖擊波粉碎（見圖5）。

圖5 圓筒電磁式?jīng)_擊波源

5 三種波源性能比較

液電式?jīng)_擊波波源是最早使用的波源，發(fā)展時間長，技術(shù)也比較成熟，已廣泛應(yīng)用于臨床，其沖擊波能量大，但噪聲也較大，消耗電極。液電式的沖擊波屬球面波，對組織的損傷較壓電式和電磁式稍大。壓電式和電磁式?jīng)_擊波能量不如液電式，但噪聲較小，壓電式的噪聲更小，都有不需消耗電極和治療成本低的優(yōu)點。

液電式產(chǎn)生的能量較強，可調(diào)范圍大，碎石效果較好。壓電式產(chǎn)生的是窄脈沖沖擊波，功率較??；但波長短，結(jié)石粉碎的顆粒小，可以成細(xì)砂狀粉末，有利于排出體外。電磁式每次轉(zhuǎn)換的能量有一定損失，但能量穩(wěn)定和重復(fù)性較好，能達(dá)到較好的碎石效果，其產(chǎn)生的沖擊波屬平面波，避免廠直達(dá)波的損傷。就人體的安全來說壓電式和電磁式較好，對人體的影響較小。從設(shè)備的制造工藝和要求方面，壓電式晶體的質(zhì)量和壽命及安裝都要求較高，否則每個晶體觸發(fā)脈沖難以同步。而電磁式的充電電壓較高，所以線圈絕緣要求高，如放電次數(shù)多易產(chǎn)生短路現(xiàn)象。

6 醫(yī)用碎石機的定位原理

醫(yī)用碎石機的定位，就是要求結(jié)石能準(zhǔn)確地移動到并固定在沖擊波焦區(qū)范圍內(nèi)，達(dá)到有效碎石的目的。目前碎石機均采用醫(yī)用X線或者B超進行定位。

6.1 X線定位X線定位分單束X線定位和雙束X線定位兩種形式

6.1.1 旋轉(zhuǎn)式C形臂單束X線交叉定位

C形臂兩端分別固定一個X線球管和影像增強器，C形臂可作以沖擊波焦點f為圓心的平面轉(zhuǎn)動或球面運動，X線投影中心經(jīng)過焦點。把C形臂任意轉(zhuǎn)動兩個角度，就可以進行定位，此種定位系統(tǒng)定位清晰、準(zhǔn)確、快捷。同時當(dāng)C形臂處于正投影位置時，可以得到與KⅦ平片相同的圖像，便于尋找結(jié)石，它還可以從多個角度觀察結(jié)石在碎石過程中的形態(tài)變化。它因只使用一套X線系統(tǒng)大大降低了碎石機的造價，因此目前各廠家生產(chǎn)的X線定位的碎石機大多采用此種C形臂的形式。

6.1.2 雙束X線交叉定位

雙束X線定位是把兩套X線裝置互成一定角度，固定在機器上，雙束X線中心分別經(jīng)過焦點f ，且相交于f點，通過調(diào)整結(jié)石至f點定位。此種定位因X線束固定而難以避開有骨骼組織的阻擋使圖像質(zhì)量差，同時其操作步驟繁瑣，碎石機造價又高，因此目前各碎石機生產(chǎn)廠家已基本淘汰此種定位系統(tǒng)。

6.2 B超定位

B超定位包括B超探頭、B超機和探頭支架，探頭支架除極少數(shù)使用機械手外，大部分都是安裝在沖擊波源旁邊，盡管各廠家生產(chǎn)的n超定位方式有差異，但總的原理是一致的。就是使H超探頭的中心延長線經(jīng)過焦點f，并使探頭沿著這一軸線伸縮運動，根據(jù)已知的探頭至焦點距離和利用B超的測距功能，就能把結(jié)石準(zhǔn)確地定位在焦點f上。

6.3 X線與B超定位的比較

X線與B超定位都有著各自的缺點。X線定位具有圖像清晰，可直接地看到結(jié)石的立體形態(tài)及碎石過程中結(jié)石的粉碎程度，操作技術(shù)易掌握。缺點是X線對人體有一定的放射性損害，曝光時間要求盡量短，使用X線劑量應(yīng)盡量低。陰性結(jié)石不能直接定位，要借助其他方式才能定位。B超定位無放射性，對人體幾乎無損傷，對一些不宜受X線輻照部位的結(jié)石尤其適用。B超對陰、陽性結(jié)石均可顯示，可實時連續(xù)跟蹤、監(jiān)控。B超定位碎石機因無昂貴的X線設(shè)備，因此機器造價低，占地面積小。其缺點是操作技術(shù)要求高，不如X線定位直觀、準(zhǔn)確、快捷。

6.4 X線B超雙定位

X線B超雙定位是把X線定位和B超定位裝置安裝在同一臺機器上，充分發(fā)揮X線定位和 B超定位的優(yōu)點，可以實現(xiàn)全尿路各種結(jié)石的治療，但操作者要同時掌握兩種定位技巧，要求更高，而且機器造價也高。

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