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。
体外冲击波原理
体外冲击波原理
体外冲击波（Extracorporeal Shock Wave，ESW）是一种治疗
疾病的非侵入性治疗方法，主要用于治疗尿路结石、肾结石、血管病、软组织损伤等。
它的原理是利用高压、低频的声波产生的体外冲击波，通过皮肤传导进入体内，对疾病部位进行治疗。
体外冲击波的原理包括以下几个方面：
1. 压力波作用：体外冲击波产生的高压、低频声波会通过皮肤传导到疾病部位，形成一个短暂的高压、低压交替波形，对组织产生压力和引起组织移动。
2. 液体流动：体外冲击波的作用下，组织内的液体会发生流动，形成微小的液体流动剪切力，有利于溶解尿路结石、清除血管壁上的斑块等。
3. 生物化学效应：体外冲击波产生的压力波可以促进细胞内钙离子的浓度增加，进而激活多种生物化学反应，如促进软骨细胞的增殖、减少炎症反应等。
总而言之，体外冲击波治疗利用声波的机械效应和生物化学效应来改变组织的生理状态，从而实现治疗的目的。
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。
体外冲击波应用于骨伤科领域
体外冲击波应用于骨伤科领域体外冲击波最早用于肾结石的碎石治疗，在治疗中无意中发现不但没有使肾功能受到损害，其肾脏体积反而较对侧发育更快，使人们想到冲击波在一定能量范围内可能促进组织生长。
1985年人们开始探索冲击波对骨组织的影响，应用冲击波冲击骨折不愈合部位，发现能促进骨折的愈合。
20世纪90年代初，人们加快了对冲击波在骨伤科领域的研究，并广泛用于治疗骨科其他疼痛性疾病，总体有效率可达90%左右。
1 冲击波的物理特性及其治疗机理体外冲击波疗法是利用液电能量转换及传递原理，造成不同宽度组织之间产生能量梯度及扭拉力，产生裂解硬化骨，松解粘连，刺激微血管再生，促进骨生长等作用。
根据冲击波波源产生的不同形式，现阶段骨肌系统体外冲击波治疗机分为4种：液电式、电磁波式、压电式及气压弹道式(放射式)。
前3种治疗机属于传统的体外冲击波治疗机，均通过发射体将能量聚焦于治疗部位进行治疗，而气压弹道式(放射式)冲击波治疗机不同于前3种治疗机，不需要聚焦能量，通过可自由移动的冲击波治疗探头，由气压弹道产生的冲击波以放射状扩散的方式传递至治疗部位，传统的体外冲击波治疗机骨组织疾病，放射式冲击波更适宜于治疗软组织慢性损伤性疾病。
体外冲击波通常分为低、中、高3个能级：底能量范围：0.06-0.11mJ/mm2;中能量范围：0.12-0.24mJ/mm2;高能量范围：025-0.39mJ/mm2;体外冲击波主要通过两种原理发挥其作用：1.1 物理效应1.1.1 材料破坏机制，机械力化学转导作用1.1.2 成骨效应，代谢激活效应1.1.3 镇骨效应，痛觉神经感受器的封闭作用1.2 生物效应1.2.1 空化、应力、压电作用的生物效应1.2.2 时间依赖性和累积效应1.2.3 代谢激活效应、损伤效应2 体外冲击波疗法适应证及禁忌证体外冲击波适应证：（1）骨组织疾病：成人股骨头缺血性坏死、骨不连、骨折延迟愈合、小于0、5cm骨缺损；（2）软组织慢性损伤性疾病：钙化性肌腱炎、肱骨外上髁炎、跟痛症、肩峰下滑囊炎、肱二头肌长头肌腱炎、弹响髋、跳跃膝及跖筋膜炎、禁忌证：(1)全身性因素：高血压、安装心脏起博器、血栓形成、骨质未成熟、存在严重心脏病，使用抗免疫药剂、出血性疾病、凝血功能障碍、各类肿瘤患者、孕妇；（2）局部因素：关节液渗漏的患者、冲击波焦点位于脑及脊髓组织者、大血管及重要神经干走行处者、肺组织者、萎缩及感染性骨不连、局部感染及皮肤破溃患者、肌腱及筋膜急性损伤，大段缺损性骨不连。
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
体外冲击波在骨科中的应用
体外冲击波在骨科中的应用自1980年临床首次应用体外冲击波碎石术（ESWL）治疗肾结石以来，体外冲击波（ESW）作为一种微创治疗手段，在临床上得到了越来越广泛的应用。
如今，ESWL术不仅使泌尿系结石手术率下降到不超过5%，而且已应用于其它部位结石的治疗，如胆囊结石、胆总管结石、胰管及唾液腺结石等。
而最令人鼓舞的是ESW在骨科中的应用，ESW对骨不愈、网球肘、肩周炎、跟骨痛等疾病的有效治疗使其在临床应用上的价值甚至超过了碎石术[1,2]。
一、冲击波的物理性质：冲击波的本质是声波的一种，所以具有声波的一般性质，当其在具有相同声阻抗的组织中传播时，能量不衰减。
冲击波在介质中的传播可以理解为压力的张弛在三维方向上的扩散，且波峰的到来伴随着压力的骤然升高。
压力的张弛又引起了介质局部密度的变化，所以冲击波的传播也可以理解为介质在传播方向上的不断压缩与松弛。
在两种介质的交界面，冲击波也会产生反射、折射及散射等现象，从而使能量衰减，能量衰减的多少同所通过的介质有关。
冲击波具有如下物理特性：波峰压力最高可大于100Mpa（500bar），一般情况下为50～8 0Mpa，升压速度极快（＜10ns），波谷压力为负（＜－10 Mpa），波长极短（＜10μs），频率范围较宽，一般在16Hz～20MHz。
[1,2]有三种方法可以产生冲击波：液电、电磁和压电。
这三种技术都可以将电能转化为机械能。
液电冲击波是最早用于医学的冲击波，它的产生原理类似于汽车火花塞的放电，高压电容通过两个相对的电极在水中放电，所产生的热量使周围的水在瞬间蒸发生成气泡，气泡的急速膨胀和随后的破裂所产生的脉冲就形成了冲击波。
将放电电极置于椭圆的第一焦点（F 1），通过椭圆反射体，可以将冲击波能量聚焦于椭圆的第二焦点（F2）上，临床中将结石或所要治疗的部位置于F2即可。
电磁冲击波的产生需要一个电磁线圈和一个金属膜，脉冲电流使电磁线圈产生交变磁场，作用于金属膜使其产生往复震动，所产生的冲击波则通过一个声透镜聚焦。
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• 肾和输尿管的急性和慢性损伤
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
损伤机制
• Cavitation • Non-cavitation force(such as shear stress) • Energy: over-dosage/low energy accumulated • Pressure Damage,
• 治疗频率 60—70次/分钟,建议使用心电触发
—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
No.of cavitation bubbles [r e l.units ]
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]
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)
Tim e betw een 1st and 2nd SW pules [m s]
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—22000—320J 依不同位置,不同大小而定 重复治疗间隔 1-2 周
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
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
FDA 及 IEC61846 的要求
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:
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
120shot/min 60shot/min
20
0
500
1000
1500
2000
• 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
• 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)
体外冲击波碎石
(ESWL,Extracorporeal Shockwave Lithotripsy)
的
物理机制
及
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)
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
• 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
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
especially-- non-focusing low pressure
---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]