体外冲击波碎石机制及技术的进展

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体外冲击波碎石机制及技术的进展

体外冲击波碎石(extracorporeal shock—wave lithotripsy，ESWL)自20世纪80年代进入临床，现已走过30个年头，全球累计应用患者达数千万例，目前已成为肾和输尿管结石有效的治疗手段之一。得益于当今科技的高速发展，碎石机厂商不断推陈出新，大量新型碎石机应用于临床，也相应的推动了冲击波碎石机制、操作技巧等方面的一些新的进展。

一、碎石机制进展

冲击波包括短时高而窄的正压波，达到峰值(峰压30～100 MPa)后紧接着有个宽而低的负压阶段。结石粉碎主要依靠击中结石的有效能量。目前，关于结石粉碎的机制存在很多争议。

1．  张力和剪切力

传统“张力和剪切力”理论认为，在碎石初期，如果冲击波波长小于结石长径，在结石内部，由于结晶层和外周基质层之间存在声阻差异，冲击波在结石内部传导时会产生压力差，导致相邻层面出现层状剥离性破坏，继而在结石内部产生张力和剪切力，将结石晶体分离和裂解。这种理论强调，在结石内部由于存在压力差而出现冲击波反射，而反射产生的冲击波张力和剪切力使结石碎裂。

2．  碎裂和剥落

该理论认为，结石远侧界面表现为一个声学弱界面，当冲击波在结石内前行传播到达结石远侧界面时，会被反射回来，由压力波转化为张力波。张力的强度取决于结石不同层面的声阻抗和表面形状。尿路结石多为脆性物质，能承受很高的挤压力而经不起张力波的拉伸力，其抗张强度约为抗压强度的1/10。当张力波的强度超过结石的抗张强度时，结石即被拉碎。通过高速摄影机拍摄的半透明结石模型中的压力波图像发现，最大张力发生在结石远界面的出波位置，该部分1/3的结石发生碎裂进而出现大块圆帽状碎块剥落。

3．准静态挤压

1998年，国际著名冲击波学者德国斯图加特大学的Eisenmenger教授提出了一种新的碎石理论“准静态挤压”(quasistatic squeezing)理论，并且通过实验验证了这一理论。即当冲击波焦斑的横向直径≥结石直径并且冲击波峰值压力<35MPa时，冲击波会包围在结石表面，并在结石外周与结石长轴方向之间产生压力梯度，造成一个环状面压缩或“挤压”，导致结石受挤压而沿长轴碎裂。并且有数据表明，冲击波正性压力(P+)仅需10~30MPa的低压水平，就已足够大于结石粉碎的临界压力值。在这种大焦斑、低压力冲击波的作用下，结石内不管是平行还是垂直于冲击波前进方向均会产生小裂缝并逐步沿结石长轴融合、增大成一个碎裂平面，导致结石沿长轴一分为二碎裂。这不同于以往窄焦斑、高压力冲击波使结石表面产生“弹坑斑”将结石击碎的原理。这一理论的前提条件是大焦斑(冲击波的焦斑直径≥结石直径)、低压力(冲击波峰值压力<35MPa)。目前，高效的碎石机现都已提升为大焦斑，有些甚至焦斑达到20mm，并且无需产生陡峭的冲击波前沿。

4．空化效应

除了冲击波的直接作用，冲击波在负压阶段还会围绕结石产生空化效应使之出现裂纹。在结石碎裂的最初阶段，空化效应作用甚微。但是随着结石变小，其作用越来越强。空化效应产生的剥蚀性破坏主要发生在直接面临入射冲击波的结石前界面。使用高黏度的耦合剂、高压或超高压等来抑制空化效应后，人们发现碎石效果显著降低。当然，空化效应也有不利于结石碎裂的方面，因为它产生的空泡可以持续数秒，这会使后续冲击波作用减弱。

5．动态挤压

动态挤压理论认为结石被内部产生的被后界面挤压力产生的剪切波击碎。这个理论是建立在一个模型的基础上，该模型计算了所有结石内部和外部的声学现象，包括透射、反射、模式转换和衍射等。根据这个数值模型的预测，Sapozhnikov等提出了动态挤压理论，证明剪切波起始于结石角落并受挤压波驱动沿结石传导最终产生最大压力。

6．动态疲劳

传播的冲击波与结石内部的结构缺陷相互作用，在冲击波反复的冲击下，在结石表面及内部可以产生大量的细微裂缝，细小裂缝逐渐扩大延伸合并，形成大的碎裂线，最终导致整个结石完全粉碎。

因此，结石粉碎是多种机制共同作用的结果，包括启动阶段(基于张力和剪切力、动态挤压)，传播阶段(准静态挤压、空化效应)和融合阶段(碎裂和剥落，动态疲劳等)。当然，与结石的强度、密度和韧性等物理特性也有很大关系。目前的共识是，在碎石的初期阶段，大焦斑可以起到关键作用。

二、碎石机进展

先后有液电式、压电式和电磁式等三种冲击波源被常规用于临床治疗。不管何种碎石机，都需产生陡峭的压力前沿(压力脉冲上升时间≤0．5μs)和较窄的压力脉冲宽度(≤1μs)。由于上述机型存在诸多缺陷及新的碎石机制逐渐被人们认识，不断有新机型出现，包括复式脉冲碎石机、双波源碎石机、宽焦斑碎石机和可变焦斑碎石机等。在小范围的临床试验治疗中，这些新机型都表现出了较好的碎石效果。

1．复式脉冲碎石机

人们已经认识到空化效应在碎石中举足轻重的作用，故而在努力寻找增强这种效应的办法。一种方法是在原有液电冲击波源基础上安装一个单一电极作为第二冲击波发生器，电极放电产生的压力冲击波沿同一声轴来辅助第一冲击波源配合碎石，要求第二冲击波在第一冲击波激发的空化气泡膨胀到最大体积并即将崩裂时到达，从而产生复式脉冲冲击波来增强空化效应。另一种方法是在原有压电冲击波源基础上安装一个额外的充电和放电电路来产生复式脉冲。二种方法的目的都是将空化效应引导聚焦于第二焦点的结石处，最大程度利用冲击波的空化效应。

2．双波源碎石机

为了提高碎石效果，厂商设计出了具有两个独立冲击波源的碎石机，它发出同轴、同焦但不同路径的先后二个冲击波。初步研究报告表明，该机是安全和有效的。但是双源碎石机有其固有的复杂性，需精确控制二个冲击波的能量输出和时间间隔等。另外，双波源相当于实施一次高频率的冲击波碎石，二种冲击波叠加高达240次／min，可能加重肾损害，故目前未广泛使用。

3．宽焦斑碎石机

焦斑是指冲击波峰值压力全高一半的宽度，又称全高半宽度。焦斑宽度对碎石起着关键作用，尤其是碎石的最初阶段以及粉碎较大结石时。研究表明，宽焦斑可以通过多种途径影响结石碎裂。第一，当焦斑宽度≥结石长径时，传人结石的能量增加。第二，宽焦斑使冲击波更容易覆盖住结石及其碎片。另外，呼吸运动会导致结石移人或移出焦斑，因此，较宽的焦斑可使击中结石的机会增高，结石碎粒始终位于宽焦斑中受到冲击而提高有效冲击率。

具有代表性的宽焦斑碎石机是苏州锡鑫医疗器械有限公司XX-ES CS-2012A型和美国佐治亚州组织再生技术公司的lithogold LG-380型。CS-2012A焦斑最宽达18mm，产生16-20 MPa相对较低的峰值压力。LG-380焦斑最宽达20mm，峰值压力为20～25 MPa。体外实验表明，CS-2012A型的碎石效果优于焦斑为5mm的多尼尔doli-50碎石机，尽管其产生的峰值压力仅为后者的1/3。Doli-50需要几乎两倍于CS-2012A的冲击波次数才能击碎同样大小的结石(3006±780 vs 1726±972次)。