体外冲击波碎石装置原理

时间：2022-05-08 理论教育版权反馈

【摘要】：冲击波的原始能量形式可有多种，但最终都在人体之外转化为超声冲击波能量，通过人体组织传入体内，并予以会聚，使之在结石处提高能量密度，以将结石击碎。体外冲击波碎石装置从原理上讲，主要有四个技术要点：①冲击波的产生技术。电磁式冲击波碎石系统的一个主要缺点是其寿命较短。采用椭球反射体的冲击波碎石装置，一般是基于液电或微爆破冲击波源的装置。

6．5　体外冲击波碎石装置原理

体外冲击波碎石术（Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，ESWL）属于非接触式碎石。冲击波的原始能量形式可有多种，但最终都在人体之外转化为超声冲击波能量，通过人体组织传入体内，并予以会聚，使之在结石处提高能量密度，以将结石击碎。

体外冲击波碎石装置从原理上讲，主要有四个技术要点：①冲击波的产生技术。②冲击波的聚焦技术。③波源与人体的耦合技术。④冲击波焦点的定位技术。

6．5．1　冲击波的产生技术

1．冲击波的产生方式

（1）液电式冲击波源。水中放置的两个电极，在电极间施加20kV的高电压，利用电极在水中火花放电的方法产生球面冲击波。图6．13中所示为高压火花放电电路的工作原理。该电路包括高压储能电容器、点火开关及放电电极三部分。事实上，高压储能电容也是充电电路的重要组成部分。电极是把电容器中储存的电能转换为冲击波的关键部件。

图6．13　高压放电电路的工作原理

如设储能电容器的电容值为C，由充电电路供给的充电电压为U，则其可储存电能W为

电容器经充电储能后，触发电路送来触发脉冲，随即使点火开关接通，电容中储存的能量便经点火开关通过电极放电。放电的实质是将两个电极间隙的水击穿，产生一个瞬时的强大电流，实现能量转换，激发出冲击波。一次放电之后，点火开关随即断开，便完成一次放电过程。接着，充电电路又重新向电容器充电，以准备下一个放电过程的到来。

这种重复脉冲功率技术，对电路中的每个元件都有较高的质量要求。如储能电容器要有很高的储能密度，可靠性要高，连续工作的寿命要长，还需有好的热稳定性。常用的点火开关，有火花隙开关和闸流管开关两种。火花隙开关应用得较多，其主要优、缺点如表6．1所示。

表6．1　火花隙开关的主要特点

闸流管开关有较高的平均功率和较高的重复频率，绝缘电压恢复时间较短。此外，还有固态开关和磁开关等，尚在研制中。

水中放电形成冲击波是一个极其复杂的物理过程，为得到较为满意的冲击波波形（上升坡度大，半高宽窄），应尽量降低放电回路中的电感量，它包括储能电容器的自感和放电回路中的寄生电感等。

（2）压电式冲击波源。它是由几百乃至上千个小的陶瓷压电振子所构成。由各个振子发射的超声脉冲波经过聚焦，在聚焦点上形成冲击波。如图6．14所示。

图6．14　压电式超声脉冲波源

由压电体的逆向压电效应，当这些压电阵元同时受到电脉冲激励时，它们就发生形变而辐射出频率一定的（决定于压电振子厚度）的脉冲超声波。在压电振子背面附以相匹配的重背衬，以使它具有发射窄脉冲的特性。这样，由全部压电阵元发射的窄超声脉冲波都向其前面的水媒质中辐射，且在焦点处会聚，以形成高强度的超声冲击波。

（3）电磁式冲击波源。电磁式冲击波的原理图如图6．15所示。

图6．15　电磁式冲击波源原理

一个单层螺旋线圈L固定在绝缘板上，线圈与其前方的一个金属膜片之间置一层绝缘层隔开，由此构成了一个电声转换系统。当充电电容C通过线圈放电时，根据电磁感应原理，在金属膜片中就会感生很强的电流，这个感生电流所产生的磁力与L线圈中电流产生的磁力方向相反，由此将金属膜片推向远离线圈方向，随之即对其周围的水媒质产生一次扰动，即发射一个脉冲超声波。该脉冲波经聚焦后，在焦点处形成一个很强的冲击波。还有一种设计方案，是由空心圆筒表面上的线圈产生冲击波，以垂直于轴线方向辐射，所形成的柱面波通过聚焦，在焦点处形成冲击波。

由上讨论可见，电磁式冲击波源区别于液电式，仅在于它用电磁线圈与金属感应膜片代替了放电电极。

电磁式冲击波碎石系统的一个主要缺点是其寿命较短。据文献报道，其寿命约为几万次。造成寿命短的主要原因是多次放电使绝缘质被击穿。此外，临床试用也显示，其碎石性能不如先进的液电式碎石机。

（4）微爆破冲击波源。日本的专家们设计制造了用微量的炸药，通过电极引发的爆破产生冲击波的装置。其效果与液电式冲击波类似。

2．不同波源的冲击波压力比较

主要以较多应用的液电式、压电式和电磁式为例。

（1）压力波形。压电式碎石机型的峰值压力最高，液电和电磁式碎石机的峰值压力较低。然而，单次冲击脉冲释放的声能，以液电机最高，随后是电磁机和压电机。压电机和电磁机冲击前沿的上升时间随输出能量增加而缩短，而在整个液电机的输出范围，该值几乎不会改变。这些结果表明，在液电机中，发育充分的冲击波形成于任何输出档位，而压电机和电磁机只形成在最高输出档位中，这种差别的原因在于，压电和电磁式冲击波是当不同声波传播至焦点时，通过叠加和非线性相互作用而逐渐形成的，而液电式冲击波是在火花释放后就立即充分形成了。因此，它较少依赖输出挡位。

（2）压力分布。冲击波经聚焦后的最高压力点称为焦点，在焦点平面和沿冲击波长轴的正相压力大于50%峰值压力区域称作焦区，它大致是一个卵圆形立体区域范围。各种碎石机因波源类型和输出挡位的不同，焦区和焦点深度的差异极大。液电机的焦区最大，压电机焦区最小，电磁机焦区居中。液电机的焦区体积大而且能量输出高，因此结石定位简便，粉碎率高。但其缺点是肾组织遭受潜在危害的能量范围较大。与之相反，压电机焦区体积最小，而且能量输出最低，高能冲击波仅聚焦在结石上，组织损伤较轻，但缺点是定位必须精确无误。而且冲击次数和复震率较高。电磁机似乎在焦区体积和输出能量上处于折衷地位。

（3）碎石特点。在相同的冲击次数和可比的能量强度下，结石粉碎的体积量依次为液电＞电磁＞压电。这三种波源产生的弹坑形状也截然不同，液电阔而浅；压电狭而深；电磁为直角圆锥形。这种差异与不同碎石机压力区的体积形状、能量分布以及空化作用相关。

6．5．2　冲击波的聚焦技术

1．半椭球反射面聚焦

采用半椭球反射体作为聚焦装置。在光学中，若在椭球的一个焦点上放置一个点光源，则其发射的光线将在第二焦点处聚焦。半椭球反射体会聚冲击波能量，也是基于同样的道理。半椭球反射体的聚焦作用如图6．16（a）所示。图中冲击波源位于椭球的第一焦点F₁处。产生的冲击波经椭球内表面反射会聚到第二焦点F2处，在F₂处可产生的压力将达到自然场（即未经会聚）压力200倍以上。第二焦点的有效截面大约为1．5～2．0cm²，而有待粉碎的人体内结石必须准确地定位在此范围内。

图6．16　冲击波的聚焦技术

采用椭球反射体的冲击波碎石装置，一般是基于液电或微爆破冲击波源的装置。因为，这些波源是点状发生的球面波，只有用椭球面反射体才能有效地聚焦。

2．球面发射聚焦

在分散的或面状冲击波源情况下，可以采用将冲击波源分布或做成半个球面的形式，其焦点就是球面的球心。上述分布式压电冲击波源，即是采用这种方式聚焦的例子。如图6．16（c）。

3．抛物面反射聚焦

在圆柱面冲击波源情况下，可以采用抛物面反射体，冲击波源轴线与抛物面中心轴重合，冲击波的焦点在抛物面的焦点处。压电式、电磁式冲击波源都可采用这种反射体。如图6．16（b）。

4．声透镜聚焦

在平面冲击波源情况下，可以用金属或有机玻璃制成凹面的声透镜，这种声透镜在水中具有对平面声波的聚焦作用，焦距决定于凹面的曲率半径。压电式、电磁式冲击波源都有采用这种反射体聚焦的例子。如图6．16（d）。

关于聚焦体的尺寸，首先应予以考虑的是口径，即冲击波进入人体的通道入口。口径过小，会使输入口径内的冲击波强度过大，以致给接受治疗的患者造成痛感；反之，如口径过大，骨骼部分即会对冲击波进入人体形成阻碍（因骨骼与水或周围软组织之间声阻抗失配大）。因此，孔径的大小需在权衡考虑中予以选定。

其次是焦距的长短，应考虑如下三方面的有关因素：

（1）焦点处的聚焦能量问题。为减小冲击波在人体中的传播衰减和增大焦点处的聚焦能量，焦距应尽量短。

（2）考虑患者的安全问题。为避免可能的伤害，如高压放电时产生的紫外线对人体的危害，则希望长轴越长越好。

（3）患者身体的具体情况。不同的患者，其体态胖瘦差别较大，从而使得结石处于体内的深度也不同，相应地对焦距长度要求不同。此外，在具体临床治疗中，聚焦体相对人体的方位调节也应尽量灵活方便。

6．5．3　波源与人体的耦合技术

体外冲击波是一种超声波，它到达声阻抗率不同的界面时，将发生反射，界面两侧声阻抗率差别越大，反射越强，损失能量越多。由于人体软组织的声阻抗率与水十分接近，为了将冲击波高效率地传播进入人体，在用上述所有方法产生冲击波的同时，还要在冲击波到达人体的途中确保充水或声阻抗率接近水的介质，绝对排除空气作为介质的存在。为达到这一要求，可以有如下方式。

1．浴缸式耦合

这是一种将患者放入装有冲击波发生源的水槽中的方式。这样能量的损失就很少。但是，这种方式需要大量的水，装置也很大。如图6．17（a）、（b）。

2．水盆式耦合

这是一种将装有冲击波发生源的水槽大幅度缩小，只让患者身体的一部分接触水的方式。与浴缸式相同，能量的损失也很少。装置本身虽然不小，但水槽很小。如图6．17（c）。

3．水囊式耦合

为了使冲击波发生源与患者之间的水量变小，所以用薄膜做成水囊，作为冲击波的耦合介质。装置虽然小型化，但薄膜会造成一定的反射，会有能量损失。具体有冲击波源下置式和冲击波源上置式两种。如图6．17（d）。

图6．17　体外冲击波碎石波源与人体的耦合技术

6．5．4　冲击波焦点的定位技术

定位技术是用人体影像系统确定结石与焦点的位置关系，在此引导下，通过机械调整系统的调整，使冲击波的焦点对准结石。因此，定位系统的组成包括：影像定位系统及机械调整系统两个部分。

1．影像定位系统

目前应用的ESWL装置，影像定位系统的类型主要有以下几种：

（1）X线影像定位系统。最大优点是基本能够透视整个泌尿系统的含钙结石。优质的X线影像还可穿透骨盆、骨骼，显示中段输尿管结石。由于图像的直观性强，与常规腹部KUB平片相似，为泌尿外科医师所熟悉，因而易于掌握其定位和跟踪方法。钙性结石约占尿路结石的95%，因此，X线定位基本可以满足绝大多数碎石病例的需要。X线定位的缺点是可致患者X射线辐射性损伤，不能定位阴性尿石和胆石。X线定位系统按结构主要分为三种。

①双束交叉式。它采用左右或上下交叉的两套X射线系统进行定位。这是运用较多的一种方式。其定位的示意图如图6．18所示。

图6．18　定位系统中的两台X线机交叉定位

X线机包括X射线发生器、影像增强器和监视器等。两台X线机置于同一平面上，且两束X射线以一定的角度（一般为45°～90°）交叉，它们的轴线交叉点应刚好落在冲击波焦点上。进行定位操作时，只需通过机械调整装置调整人体位置，使体内结石与两束X线轴线交点重合，也即使结石与冲击波焦点在空间相重合。这可以从X线机监视器上的结石图像是否达到预置位置来予以判断。

其缺点是对于同一高度而且体积相同的多枚结石的定位有时可能比较困难，原因在于两侧X线球管的投照角度不同，因此在两个监视器上各个结石的左右和上下位置关系未必一致，定位时可能混淆目标。

②单束旋转式。工作原理同双束交叉式定位完全一样，只是用一束X线接收器旋转到另一角度来完成双束X线的功能而已。它只包括两付球管和一付图像增强接收器，目的在于降低设备成本。这样，在定位和跟踪时，就需要等待图像增强器旋转到对侧球管的过程中所需的一段时间。

③C臂旋转式。这是近年来国内外制造商较多采用的X线定位方式。虽然它只有一套X线定位系统，但它巧妙地利用了C臂两端安置的球管和图像增强接收器，在C臂旋转时两者相对同时转动，通过不同角度，来观察结石方位。由于它可连续性跟踪目标，即使多枚结石相互靠近，亦可被分辨开来。另外，如果某侧结石影像与骨骼重叠，也可通过连续性追踪来确定目标。

（2）B超影像定位系统。用B型超声成像仪进行定位，最大优点是对非钙化的阴性尿路结石和胆结石也可给出清晰的图像显示，而且无X线辐射性损伤。采用超声定位还有一个好处，即在进行定位操作时，只需移动治疗头，而人体可以保持不动。

使用扇形扫查B型超声显像仪定位时，定位器与反射体的相对配置，如图6．19所示。

图6．19　超声定位时定位器与反射体的配置

图中的定位支架把超声探头固定在反射体一侧。固定时应满足如下要求：

①扇形扫查区的中心轴线应与反射体的中心轴线处于同一平面内。

②上述的两条轴线的交叉点应刚好落在冲击波焦点上。

③一经固定以后，超声探头与聚焦系统的相对位置不再变动。

在这种情况下，进行临床碎石时，只需从B型超声图像显示上测得结石在人体内的深度就可以从图中的几何关系推算出准确定位所需的调整参数，再通过机械调整系统调整反射体的空间位置，进行空间定位，即可使冲击波焦点与体内结石的空间位置准确重合。

但B超定位也存在一些难以克服的缺点。由于B超检查需要一个体内良好的声窗，这样对于定位肾下极水平与坐骨棘上缘水平之间的输尿管结石是困难的，如果结石近侧输尿管无明显扩张，甚至对其定位是不可能的。这就意味着有相当部分的输尿管结石因无法定位而放弃ESWL治疗。而且在碎石后，如果较大肾脏残石坠入输尿管后，下次复震时定位必然困难。在对肥胖患者尿石定位时，由于超声波衰减较大，结石影像可能不够清晰，有碍判断。通常，泌尿外科医师熟悉和掌握B超二维图像的切割方法往往需要一个过程，在初期操作时，难免发生定位错误而导致碎石失败。

B超定位系统的构造主要分为内置式和外置式。内置式B超探头位于发射体内，扫描方向与冲击波方向一致，优点是定位和跟踪方便，但搜寻目标不如外置式探头快捷和直接。而且受水囊膜的影响，会产生“伪影”现象。外置式B超探头置于发射体外，扫描方向与冲击波方向不同轴，使用较为灵活，而且没有伪影现象，但定位效果不如内置式。为取长补短，亦有碎石机联用内置式和外置式进行定位。另外，超声探头一般采用3．5和5MHz。按照声波特性，频率低的超声穿透力强但分辨率低，而频率高的超声与之相反。

（3）X线和B超双定位系统。新近研制的碎石机多联用X线和B超双定位系统，以取长补短。作为单独泌尿外科用途，有条件可以配置双定位系统，否则宁可单配X线定位系统，这样至少可以完成95%尿石患者的定位。一般以商业性赢利为主要目的的单位往往倾向于单配B超定位，用来同时治疗尿石和胆石。应当指出，胆石的ESWL指征较为严格，碎石和排石效果均差，尽管胆石患病率高，但真正适合ESWL者很少。至少当前ESWL不是治疗胆石的发展方向。

2．机械调整系统

定位系统中的机械调整部分，是用于调整反射体与人体的空间相对位置，以达到碎石前的定位要求。在碎石机上常用的机械调整部分有齿轮传动和液压移动两种。

（1）齿轮传动。齿轮传动是利用三个电机，通过齿轮传动来实现6个方向上的平移运动。其结构原理及电气控制的框图如图6．20所示。

图6．20　齿轮传动的原理框图

定位要求需要通过使反射体（或人体）在三维6个方向上的移动来实现。而3个电机的正转与反转刚好可以执行这个功能。为此，在电源与电机的连接线路上，需有6个方向开关，以控制电机的转向。电机的转动可通过齿轮的传动转变为平动。同时，由于定位是在一定空间范围内进行的，所以在电源与电机的连接线上，还需有6个限位开关，以控制电机的转动，从而可使三维6个方向的平动在一定的范围内进行。

为获得在6个方向上平滑而缓慢的运动，需将电机的快速转动变换为约1cm/s的慢速移动，且移动误差应控制在1mm以内，以保证定位所必要的准确性。

（2）液压移动。为避免齿轮转动时产生的噪声，机械调整可采用液压器件来实现。通过3个相互垂直的油缸可以实现6个方向上的平移。其结构及电气控制原理图如图6．21所示。

图6．21　液压平移及控制原理框图

电源通过6个方向开关来选择控制6个不同油路方向的电磁阀。当某油缸的某一进油电磁阀被选定之后，该油缸内相应的一个活塞就被推离进油口。由于每个油缸的两端都有进油口，所以每一油缸均可实现一维二个方向的运动。这样，3个相互垂直的油缸就可以实现6个方向运动的定位要求。

活塞在油缸内的运动范围受到油缸尺寸的限制，机械调整的范围也受到相应的限制，因此在设计油缸的尺寸时，应充分考虑到调整空间范围的具体要求，一般宜取25×25×25cm³。

6．5．5　冲击波的生理信号触发技术

当体外冲击波碎石机用于临床治疗时，还必须要考虑到高压放电可能对患者心脏造成的危害，以及患者呼吸引起自身体位变化对定位的影响。

为保护患者心脏和提高冲击波的碎石命中率，常常放弃由机器内部产生的固定频率（一般取1Hz左右）的触发信号，而采用触发信号与患者呼吸信号或心电信号同步的办法。

在临床治疗过程中，患者的呼吸无疑会在一定程度上引起其自身体位变化，从而使体内结石也产生相应的位置移动（可达1cm左右）。在这种情况下，如采用机器内部产生的触发信号来触发，其命中率可下降到50%左右。为解决这个问题，可采用患者本人的呼吸信号作为触发信号。为此，通过传感器将呼吸信号提取出来，进行整形及适当延时，并以此作为触发信号，以使每次高压放电时患者体内结石都刚好置于冲击波的焦点处。这样，只要定位准确，碎石命中率可达到100%。

但是，由于呼吸缓慢，频率太低，所以势必需要延长对患者一次碎石疗程的时间，这使它很难被临床应用所接受，所以，这只是一个可选功能。

另外，从电生理角度上看，心肌细胞在受到刺激而兴奋之后，存在一个有效的不应期。在这个有效不应期内，任何刺激都不会引起心肌兴奋。但是，一旦有效不应期过后，外来刺激即会引起心肌的再次兴奋。

对于心脏而言，如果这个外来刺激刚好发生在有效不应期之后，但又处在下一个自然的正常兴奋之前，就会导致心脏早搏现象。这种情况倘若多次发生，则必然会有损于心脏健康。为了避免这种有害于结石患者心脏的情况发生，通常采用使触发信号与患者心电信号同步的办法。

从心电图上看，心脏的有效不应期约为0．2s，并近似出现在S－T段，为使触发信号与心脏电信号同步，可把心电信号中的R波提取出来，经过整形及适当延时再作为触发信号。只要触发信号不落在R波后的0．2s以外，就可以避免引起早搏的现象出现。

因此，一般在ESWL机器上，都备有患者心电信号和呼吸信号接口，以备同步触发冲击波发射之用。

结石患者在接受体外冲击波治疗之前，其心、胆、肾等功能都应无一例外地接受仔细检查。尽管如此，为了患者的安全，在治疗过程中仍需要配备心电监护装置，以便实时地对碎石患者进行监护，一旦出现心电异常，即应关机停止碎石治疗。同时采取相应的检查或救护措施。

6．5．6　ESWL治疗的临床应用

1．准备工作

（1）术前充分准备，不仅可提高治疗质量，且可防止发生意外。

（2）术前必须对患者做细致检查并了解病史，确保排除一切禁忌症。

（3）术前对受治患者的结石情况必须全面了解并制出最佳治疗方案。

（4）术前应依据所使用的碎石机型，确定输出电压或能量，以及是否需要对患者施行麻醉或服用镇静剂、止痛药。