体外冲击波碎石的物理机制及生物效应
超声波体外碎石原理
超声波体外碎石原理
超声波体外碎石，也就是通常所说的体外冲击波碎石，其原理主要是利用超声波的能量将结石击碎。
具体来说，患者平卧或俯卧于碎石机上，通过彩超或X线进行定位，将超声波聚焦在结石上，然后通过超声波的碎石能量将结石击碎。
这个过程中，冲击波的压力效应、空化效应、裂解效应、疲劳效应等都起到了关键作用。
另外，碎石机通过一个带有水的水囊与皮肤接触，冲击波通过水的传导，通过皮肤进入人体。
在碎石之前，会利用B超把结石定位好，使冲击波对准输尿管结石或肾结石。
体外冲击波碎石是治疗泌尿系结石经常采用的一种治疗方法，除此之外，还包括自行排石、药物辅助排石、手术碎石取石等等。
具体如何选择，要根据患者的身体状况、结石的具体情况以及泌尿系统解剖结构是否存在异常等综合考虑。
冲击波碎石的急性和长期的生物学效应（下篇）
冲击波碎石的急性和长期的生物学效应（下篇）06 影响SWL损伤严重程度的因素动物研究表明，SWL造成的的肾损伤取决于冲击波的冲击数量、碎石机的功率设置和SW应用频率。
其中冲击波的冲击数量是重要因素，每当治疗时都应采取措施尽量减少冲击波的冲击数量。
建议将一些SWL损伤后的长期效应与多次碎石后的重复性损伤联系起来。
SW 频率的影响并不很明确。
早期的SWL的操作中就是以极快的频率治疗，以缩短治疗时间。
此后组织效应的评估认为90次SW/min或更高的频率碎石比传统的60-120次SW/min具有更高的组织伤害。
提高SW 频率，空化效应和累积剪切力均会增强，从而加重组织的损伤。
目前关于SWL不良反应的文献，主要是来源于频率为60-120次SW/min 治疗的患者。
最近的研究表明，将SW速率减慢到30次SW/min，具有显着的组织保护作用，并且低频SW治疗可能是是未来SWL的重要策略。
已经确定了一些可能使患者组织损伤风险增加的SWL因素。
由于SW损伤主要是血管创伤，因此凝血障碍患者，可能经历更大的出血风险。
出血素质的患者可以显着降低严重损伤的门槛，并且有报道称一例患者只接受了250次SW后，出现了不可控制的肾脏出血。
应考虑将出血性疾病作为SWL的禁忌症，包括目前应用抗凝剂治疗或服用阿司匹林的患者。
年龄已被证明是SWL后血肿发生和新发高血压的一个因素。
肾脏的大小也会影响损伤程度。
同样剂量下的SWL，幼猪的肾脏表现出比成年猪具有更广泛的损伤病变。
虽然碎石术被认为是儿童结石很好的一种治疗方法，但有证据表明，SWL治疗可能延缓儿童肾脏的生长。
虽然已经证明在肾盂肾炎的猪模型中，SW对组织损伤是显着加重的，但是SWL治疗一些肾脏疾病，是否可以加重损害，对此依然知之甚少。
07 减少SWL损伤的治疗方案与新策略冲击波发射方式是影响SWL损伤的重要因素。
设备的应用类型以及冲击波应用参数影响着结石粉碎的效率以及组织损伤的严重性。
体外冲击波碎石机制及技术的进展
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）自上个世纪80年代进入临床，全球累计应用患者数以亿计，目前已经成为肾和输尿管结石有效治疗主要手段之一。
一，碎石机制进展冲击波包括短时高而窄的正波压，达到峰值（峰压30~100MPa）后紧接着有一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论。
1，张力和剪刀力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。
通过高速摄影拍摄的半透明结石模型中的压力波图像发现，最大的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脱。
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教授提出一种新的碎石理论“准静态挤压（quasistaticsqueezing）”理论，并且通过实验验证了这一理论。
即当冲击波的横向直径≥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，并且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）仅仅需要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。
体外冲击波碎石的原理
体外冲击波碎石的原理
体外冲击波碎石是一种以冲击波能量破碎结石的治疗方法，常用于治疗尿路结石等疾病。
其原理可概括为以下几点：
1. 震波传导：体外冲击波通过应用器将机械能转化为冲击波能量，然后将能量传导到体内。
器械上的负压冲击波产生器产生高压气体冲击波并将其传输到特定的处理点。
2. 穿透力：冲击波碎石治疗器械产生的冲击波具有较高的能量和穿透力。
冲击波能够穿透皮肤、腹壁、肠道等组织，将其转化为结石内部的机械能。
3. 能量传递：冲击波能量传递到结石上时，会产生高度的动能和压力，从而产生局部瞬时性压力梯度。
这种压力梯度会导致结石发生内部裂纹和断裂。
4. 破碎效果：冲击波能够将结石内的较大颗粒直接破碎，或者引起结石内部的微小裂缝，并通过连续多次冲击使其完全破碎。
5. 清除排出：经过碎石处理后，结石碎片会变得较小，容易通过尿路系统自然排出。
总的来说，体外冲击波碎石的原理是通过将机械能转化为冲击波能量，利用冲击波的穿透力和能量传递，将结石破碎为较小的碎片，最终达到排石的效果。
体外冲击波治疗
体外冲击波治疗体外冲击波（Extracorporeal Shockwave Therapy，简称ESWT）是一种非侵入性的治疗方法，常用于治疗肌肉骨骼系统疾病和软组织损伤。
它利用高能量冲击波在体外产生的机械作用和化学效应，促进组织的修复和再生，从而达到治疗效果。
ESWT起源于20世纪80年代，最初被应用于肾结石碎石术中。
后来，人们发现冲击波还具有其他治疗作用，于是将其用于肌肉骨骼系统疾病的治疗。
至今，ESWT已被广泛应用于治疗肌肉骨骼系统疾病，如跟腱炎、滑膜炎、肌肉肌腱损伤等。
体外冲击波治疗的机制有以下几个方面：首先，冲击波会产生机械作用，通过刺激细胞内胞浆和细胞外基质之间的相互作用，促进细胞内信号传导，从而引发一系列生物学反应。
其次，冲击波还能促进血管新生，增加局部血液循环，提高组织的氧合和营养供应，促进组织修复和再生。
此外，冲击波还可以抑制病理信号通路的活化，减轻炎症反应，缓解疼痛。
对于体外冲击波治疗的操作，通常由专业医生进行。
治疗前，医生会对患者进行详细询问和身体检查，以了解病情和制定个性化治疗方案。
治疗时，医生会将特制的设备放置于患者的患处，并通过调节设备的参数，产生合适的冲击波，对患处进行治疗。
治疗的时间和次数通常根据患者的情况而定，一般为15-30分钟，每周1-2次，连续3-6周。
体外冲击波治疗的优势在于其非侵入性、广泛适用性和疗效稳定性。
相比于手术疗法，ESWT无需切开患处，减少了手术风险和恢复时间。
同时，ESWT对多种肌肉骨骼系统疾病均有效，如跟腱炎、髌骨软化症、肌肉拉伤等。
此外，ESWT具有较高的疗效稳定性，很少出现治疗失败和复发的情况。
尽管体外冲击波治疗的疗效已经被广泛证实，但仍存在一些禁忌症。
例如，孕妇、出血倾向性疾病患者、感染性疾病患者以及心脏和肺部疾病患者等不适合接受体外冲击波治疗。
此外，ESWT在治疗过程中可能会引发一些不良反应，如疼痛、淤血等，但这些不良反应多数为暂时性和可控制的。
体外冲击波原理及作用碎石
体外冲击波碎石的原理是通过将液电、压电、超声和电磁波等能量汇聚到一个焦点上，打击结石，从而实现不开刀治疗肾结石和其它结石的目的。
具体来说，冲击波碎石机主要是通过高压电、大电流、瞬间直流电等产生高能冲击波，再利用特殊的反射体将冲击波聚焦在结石上发挥作用。
由于冲击波在机体正常组织和结石中传播时阻抗不同，在遇到结石时能够产生一定的压力，对结石进行破坏，而在其离开结石的时候，因为阻抗不同又会反转至结石产生拉力。
通过这种反复的轰击，使解释表面逐渐剥脱破碎，将机体不能自行排出的大结石破碎为能够自行排出的小碎块或粉末而排出体外达到治疗效果。
体外冲击波碎石几乎用于治疗全部的肾结石和其他一些类型的结石，也包括非常复杂的鹿角形肾结石。
然而，随着体外冲击波碎石技术的不断应用，也发现了它的一些不足之处，比如它会引起一系列的并发症，像常见的有肾被膜下的血肿、肾破裂、肾萎缩、输尿管石街的形成等。
以上内容仅供参考，如需获取更具体的信息，建议查阅相关文献或咨询专业医生。
体外冲击波碎石的物理机制及生物效应
比较的目的是确定 最优化的参数 (optimized)
可客观测量供比较的参数 :
• 上升时间 • 正峰值压力 • 付峰值压力 • 脉冲宽度 • 频谱 • 焦区尺寸 • 每脉冲的能量 (accoustic energy)
不同上升时间冲击波在组织中 的传递影响
震波源的能量支持系统:
体外冲击波碎石,属于高能,高压在治疗上的应用,无论从产 品的性能及质量控制,亦或从临床的操作应用等诸方面,都有 着严格的要求
研究体外冲击波碎石的物理机制和生物效应,对于技术的进步 及有效安全的治疗,有着重要的意义
体外冲击波碎石的物理机制
• Spall(碎裂和剥离) • Cavitation(空化效应) • Squeezing (挤压作用) • Superfocusing(超聚焦) • Fatigue(疲劳) • Layer separation(层分离)
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12、人乱于心，不宽余请。23:10:4823 :10:482 3:10Friday , July 30, 2021
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13、生气是拿别人做错的事来惩罚自 己。21. 7.3021. 7.3023:10:4823 :10:48J uly 30, 2021
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14、抱最大的希望，作最大的努力。2 021年7 月30日 星期五 下午11 时10分 48秒23 :10:482 1.7.30
空化效应微泡产生率和 脉冲间隔之间的关系
空化效应微泡产生率和 能级及频率之间的关系
Cavitation Bubbles vs Pules Time interval
120
100
2nd shot
80
60 40 1st shot
体外冲击波碎石原理
体外冲击波碎石原理体外冲击波碎石（ESWL）是一种非侵入性的治疗方法，它通过使用声波来粉碎结石，以便人体可以更容易地排出。
ESWL广泛用于治疗尿路结石，包括肾结石、输尿管结石和膀胱结石。
下面将详细介绍ESWL的原理及其应用。
ESWL基本原理是利用高能短脉冲型声波产生的机械、液压和热效应来分解结石。
声波发生器产生的脉冲波导致压电换能器产生高能脉冲声波，然后通过患者身体传递到结石部位。
声波能量的传递使得芯片上的压电晶体振动，从而在水中产生了许多有机械能的气泡。
这些气泡会在声波作用下迅速扩大和收缩，形成激波，并在该过程中释放出能量。
声波传输到结石处时，它会引起液体中的腔体扩大和收缩。
这种腔体变化会在结石表面产生不稳定的气泡群，导致结石表面受到巨大的高频、低幅度的作用力。
这种作用力会导致结石的劈裂和破碎。
由于结石的脆性，当其受到这种高能声波的冲击时，结石会被粉碎成更小的颗粒。
ESWL还具有液压和热效应。
液压效应指的是声波的液压作用力能够增强液体内的溶解气体的溶解度，从而提高结石表面气泡的数量，使其更易于破碎。
热效应是指在声波的作用下，由于液体中的相对运动和高能迅速释放，会产生一定的热量。
这种热效应对局部组织也有一定的影响，可以促进血液循环和代谢的改善。
在实际操作中，ESWL需要在X射线、超声或其他成像设备下进行。
这些设备可以帮助医生准确定位结石并调整声波的位置。
然后，患者会被要求躺在治疗床上，其背部会与压电换能器的小盆区域及结石对准。
随后，医生会通过调整治疗头的位置和声波的强度来处理结石。
ESWL具有许多优点。
首先，它是一种非侵入性的治疗方法，不需要手术或切口。
其次，ESWL对患者的创伤较小，康复期较短，并且可以在局部麻醉或全身麻醉下进行。
此外，ESWL适用于多种结石的治疗，无论结石大小、数量或位置如何。
然而，ESWL也存在一些限制。
首先，ESWL并非所有结石的首选治疗方法。
特别是对于较大或位于特定位置的结石，ESWL可能无法有效分解破碎。
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(ESWL,Extracorporeal Shockwave Lithotripsy)
的
物理机制
及
生物效应
二十多年来,体外冲击波碎石术提供了一种有效的非侵入的 结石治疗手段,数以百万计的患者得到了治疗
(注意: 这里我们用了’非侵入’而不是’无创’ —Non-invasive ≠ 无创)
典型的冲击波参数:
• 正向压力 30—100 Mpa
• 脉冲宽度 < 1uS • 负向压力 3—10 MPa • 脉冲宽度 ~ 4--5uS • 上升沿 < 0.1uS
*直接效应 : 反射;传输和 Hopkins 效应
*Cavitation (空化): 泡破裂,喷射及水锤作用 *力辐射
碎石过程示意
Cavitation (空化效应)的产生和作用过程示意 * Cavitaion 随能级和频率的增加而加强
冲击波参数,意义及重要程度
体外冲击波碎石的生物效应 及可能产生的严重副作用
• 可逆及不可逆的细胞作用 • 可逆及不可逆的微血管作用 • 可逆及不可逆的其他组织作用
• 肾和输尿管的急性和慢性损伤
---事实上,所有碎石机制,都可能形成损伤,所以能量剂量, 及焦点的准确性是十分重要的因数
*** 因此,正确的仪器参数的设计和选择, 正确的治疗方案 的设计和选择,对冲击波体外碎石有着及其重要的意义
No. of Cavitation Bubbles [rel. units]
No.of cavitation bubbles [r e l.units ]
正由于这种杰出有效性及技术的进步,使得人们几乎忘记了 体外冲击波碎石术和其他任何治疗手段一样,有着适应症, 禁忌范围,及可能产生付作用,如不加以注意,有可能产生严 重的后果
体外冲击波碎石,属于高能,高压在治疗上的应用,无论从产 品的性能及质量控制,亦或从临床的操作应用等诸方面,都有 着严格的要求
研究体外冲击波碎石的物理机制和生物效应,对于技术的进步 及有效安全的治疗,有着重要的意义
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年12 月17日 星期四7 时39分 26秒T hursday , December 17, 2020
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相信相信得力量。20.12.172020年12月 17日星 期四7 时39分2 6秒20. 12.17
谢谢大家！
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生活中的辛苦阻挠不了我对生活的热 爱。20. 12.1720 .12.17 Thursday , December 17, 2020
体外冲击波碎石的物理机制
• Spall(碎裂和剥离) • Cavitation(空化效应) • Squeezing (挤压作用) • Superfocusing(超聚焦) • Fatigue(疲劳) • Layer separation(层分离)
声波和冲击波
声波是一种通过介质传播的机械波
声压力脉冲是一种脉宽很短的声波,当这种压力脉冲在极短的时间 (上升时间<100nS)内达到极大的压力峰值(30-100MPa),就被称为冲击波
Cavitation Bubbles vs Energy Level and Frequency
100
80
2.0
60
1.5
40
1.0
20
0.5
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
Acoustic Pulse Energy[mJ]
空化效应微泡产生率和 脉冲间隔之间的关系
空化效应微泡产生率和 能级及频率之间的关系
谢谢大家！
Cavitation Bubbles vs Pules Time interval
120
100
2nd shot
80
60 40 1st shot
120shot/min 60shot/min
20
0
500
1000
1500
2000
Tim e betw een 1st and 2nd SW pules [m s]
有效性及安全性
• 多功能系统 • 使用的方便性 • 经济性
经济性的考量
震波源的原理及参数 :
电极放电式(液电式): 电极的形状和距离,甚至材料 电磁式:电磁线圈及膜片的参数及材料
输出的可比较参数 :
参数决定了治疗剂量, 没有剂量的治疗是不 可想象和不可接受的
FDA 及 IEC61846 的要求
比较的目的是确定 最优化的参数 (optimized)
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追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2 020年1 2月17 日星期 四上午7 时39分 26秒07 :39:262 0.12.17
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12月 上午7时 39分20 .12.170 7:39De cember 17, 2020
可客观测量供比较的参数 :
• 上升时间 • 正峰值压力 • 付峰值压力 • 脉冲宽度 • 频谱 • 焦区尺寸 • 每脉冲的能量 (accoustic energy)
不同上升时间冲击波在组织中 的传递影响
震波源的能量支持系统:
• 去气 : 增加能量耦合,减少Cavitation(空化效应) -- 提高碎石效率,减少损伤
损伤机制
• Cavitation • Non-cavitation force(such as shear stress) • Energy: over-dosage/low energy accumulated • Pressure Damage,
especially-- non-focusin确保工程建设质 量。07:39:2607 :39:260 7:39Th ursday , December 17, 2020
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.12. 1720.1 2.1707:39:2607 :39:26 December 17, 2020
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踏实肯干，努力奋斗。2020年12月17 日上午7 时39分 20.12.1 720.12. 17
能量剂量及能级
总能量的定义 Etot (12mm) = 冲击波次数( n ) x 单次冲击波能量(E12)
• 能量剂量 肾结石 每次治疗的总能量 180—220J 重复治疗间隔 1-2 周
输尿管结石 每次治疗的总能量 200—320J 依不同位置,不同大小而定 重复治疗间隔 1-2 周
• 治疗频率 60—70次/分钟,建议使用心电触发
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让自己更加强大，更加专业，这才能 让自己 更好。2 020年1 2月上 午7时39 分20.1 2.1707:39December 17, 2020
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这些年的努力就为了得到相应的回报 。2020 年12月1 7日星 期四7时 39分26 秒07:3 9:2617 December 2020
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科学，你是国力的灵魂；同时又是社 会发展 的标志 。上午7 时39分 26秒上 午7时3 9分07:39:2620 .12.17
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安全放在第一位，防微杜渐。20.12.17 20.12.1 707:39:2607:3 9:26De cember 17, 2020
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加强自身建设，增强个人的休养。202 0年12 月17日 上午7时 39分20 .12.172 0.12.17
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精益求精，追求卓越，因为相信而伟 大。202 0年12 月17日 星期四 上午7时 39分26 秒07:3 9:2620. 12.17
体外冲击波碎石可能产生的严重副作用
• 绞痛
急
• 肾,输尿管区血肿
症 • 肾和输尿管破裂
• 肺部出血
和 • 心血管意外
继 发 • 肾和输尿管的硬化和纤维化 效 • 肾型高血压 应 • 功能丧失
ESWL临床观察到的副作用及急性病变
ESWL致慢性临床改变:
ESWL的风险因子:
ESWL动物实验观察到的一些可能副作用
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。0 7:39:26 07:39:2 607:39 12/17/2 020 7:39:26 AM
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做一枚螺丝钉，那里需要那里上。20. 12.1707 :39:260 7:39De c-2017 -Dec-2 0
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日复一日的努力只为成就美好的明天 。07:39:2607:3 9:2607:39Thur sday , December 17, 2020
—而不是心电同步
• 放电电压 : 电极式 20—30kV 电磁式 10—20kV
取决与转换原理
研究表明: 不推荐使用10kV以下的高压,因它不能产生严格意 义上的冲击波及可能造成不可逆的,低能低压积累性,弥漫性损
伤
体外冲击波碎石设备的比较和选择
基本原则 : 有效性及安全性并重
• 震波源的原理及参数 • 震波源的能量支持系统 • 定位及支持系统
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每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12. 1720.1 2.1707:3907:39 :2607:3 9:26De c-20
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相信命运，让自己成长，慢慢的长大 。2020 年12月1 7日星 期四7时 39分26 秒Thur sday , December 17, 2020
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爱情，亲情，友情，让人无法割舍。2 0.12.17 2020年 12月17 日星期 四7时3 9分26 秒20.12. 17
• 温度调节: 保持焦距的恒定
定位及支持系统:
• 保证治疗的准确性及有效性
经济性的考量也是重要的,但是第二位的 体外冲击波碎石,属于高能高压的应用,属于CLASS III 类仪 器的应用.应引起高度的重视,否则,可能背离治疗的原则 FDA, MDD均给出了严格的要求及指南--- 如 510(k)510(k)