醫用碎石機的原理及定位

韓 明

醫用體外沖擊波碎石術（extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL）的優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用。

1 ESWL碎石過程

沖擊波和結石相互作用的機制尚未完全明了。最初的認為是在ESWL中，結石的破碎是沖擊波的直接作用所致。實際是壓力效應和張力效應兩種機制。

1.1 壓力效應

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

1.2 張力效應

當沖擊波在結石內繼續前行傳播到結石對側界面時，沖擊波波轉變為張力波，使出波面附近處于應力狀態。當超過結石的抗張強度時，就導致結石粉碎。

尿路結石多系脆性物質，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。換言之結石能夠能夠承受很高的來自壓力波的擠壓力，而經不起張力波的拉伸力。現行的理論認為，由張力波引起的空化效應，可能是結石粉碎的內在動力。空化氣泡在爆裂過程中，具有很高的能量密度，當這些空泡的快速膨脹或崩潰后產生的高速微噴射超過結石破碎強度時，則可導致結石粉碎。體外試驗也表明，結石如果處于一個預應壓力容器中，（防止液體發生空化效應），沖擊波不能將其粉碎。既然張力波及其所致的空化效應對結石的粉碎起主導作用，根據這一機制，我們在實際ESWL操作時，通常是將沖擊波焦區中心穿過結石主體后對準結石的對側界面（出波位置），充分借助沖擊波的拉伸作用和空化效應，來進一步提高碎石效率。

2 醫用碎石機的分類

醫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。

液電式沖擊波是在一個橢球反射體內通過液體中火花放電的方式轉化成沖擊波，主要優點是脈沖功率高，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極電流通路存在差異，常需要調節電極間距和頻繁更換電極。這種機型的設備成本和損耗費用較為昂貴。

壓電式沖擊波是由圓形排列的壓電晶體產生的一種超短波脈沖。其特點是焦點緊湊精細，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石時，能量不如國產的液電式碎石機，只在治療較小的結石時，有其獨特的優越性。

電磁式沖擊波是將電能首先轉換成機械能，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使用近百萬次，無更換電極之煩，損耗成本相對降低。電磁式沖擊波的能量較液電式沖擊波源差一個數量級，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沖擊波源的趨勢。

3 碎石機產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，放電電流達數千mA。放電電路見圖1。

圖1 碎石機充電放電電路

T1為調壓器，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為觸發器。此電路分充電電路和放電電路兩部分，交流電經調壓電路T1調壓后經變壓器T2升壓，電壓可達數KV至十多KV，經整流后想電容器C充電儲能。當觸發器S導通，電容的電荷向沖擊波源裝置W瞬時放電而產生沖擊波，為取得良好的沖擊波，放電時間要求在1 μs以內。產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、低副作用方向發展。

4 沖擊波波源

4.1 液電式沖擊波波源

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

液電式沖擊波源是一個半橢圓形金屬反射體內安置電極，反射體內充滿水，當高壓電在水中放電時，在電極極尖處產生高溫高壓，因液電效應而形成沖擊波，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發出的沖擊波經反射后就會在焦點2聚集，形成壓力強大的沖擊波焦區，當人體結石處于第二焦點時，就會被粉碎（見圖2）。

圖2 液電式沖擊波

4.2 壓電式沖擊波波源

壓電式沖擊波波源是一個半球的內壁安裝很多壓電晶體，當有高頻高壓電通過壓電晶體時，壓電晶體就會伸縮產生振動，從而使水介質產生超聲沖擊波，沖擊波在圓球的球心焦點f處聚焦，當結石處于焦點處時，就會被強大的沖擊波粉碎（見圖3）。

4.3 電磁式沖擊波波源

電磁式沖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，當高頻高壓脈沖電流通過時，線圈產生脈振磁場，根據電磁場感應定律可知，靠近線圈前端的平板金屬膜就會發生振動，從而使水介質產生沖擊波，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石粉碎（見圖4）。

圖3 壓電式沖擊源

圖4 平板電磁式沖擊波源

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拋物線形成反射體底部，當有高頻高壓電流通過線圈時，線圈周圍產生脈振磁場，根據電磁感應原理，圓筒形金屬振膜就會產生震動，從而使水介質產生沖擊波，沖擊波平行向四周傳播，碰到反射體非常光滑的內表面而反射，然后在拋物面的焦點f處聚焦，當結石處于焦點處時，就會被強大的沖擊波粉碎（見圖5）。

圖5 圓筒電磁式沖擊波源

5 三種波源性能比較

液電式沖擊波波源是最早使用的波源，發展時間長，技術也比較成熟，已廣泛應用于臨床，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。壓電式和電磁式沖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點。

液電式產生的能量較強，可調范圍大，碎石效果較好。壓電式產生的是窄脈沖沖擊波，功率較小；但波長短，結石粉碎的顆粒小，可以成細砂狀粉末，有利于排出體外。電磁式每次轉換的能量有一定損失，但能量穩定和重復性較好，能達到較好的碎石效果，其產生的沖擊波屬平面波，避免廠直達波的損傷。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。從設備的制造工藝和要求方面，壓電式晶體的質量和壽命及安裝都要求較高，否則每個晶體觸發脈沖難以同步。而電磁式的充電電壓較高，所以線圈絕緣要求高，如放電次數多易產生短路現象。

6 醫用碎石機的定位原理

醫用碎石機的定位，就是要求結石能準確地移動到并固定在沖擊波焦區范圍內，達到有效碎石的目的。目前碎石機均采用醫用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為圓心的平面轉動或球面運動，X線投影中心經過焦點。把C形臂任意轉動兩個角度，就可以進行定位，此種定位系統定位清晰、準確、快捷。同時當C形臂處于正投影位置時，可以得到與KⅦ平片相同的圖像，便于尋找結石，它還可以從多個角度觀察結石在碎石過程中的形態變化。它因只使用一套X線系統大大降低了碎石機的造價，因此目前各廠家生產的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線中心分別經過焦點f ，且相交于f點，通過調整結石至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廠家已基本淘汰此種定位系統。

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過焦點f，并使探頭沿著這一軸線伸縮運動，根據已知的探頭至焦點距離和利用B超的測距功能，就能把結石準確地定位在焦點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，可直接地看到結石的立體形態及碎石過程中結石的粉碎程度，操作技術易掌握。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線劑量應盡量低。陰性結石不能直接定位，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線輻照部位的結石尤其適用。B超對陰、陽性結石均可顯示，可實時連續跟蹤、監控。B超定位碎石機因無昂貴的X線設備，因此機器造價低，占地面積小。其缺點是操作技術要求高，不如X線定位直觀、準確、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，充分發揮X線定位和 B超定位的優點，可以實現全尿路各種結石的治療，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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