體外沖擊波碎石歷史和發(fā)展

徐金洲 尋陽 王少剛 李聰

體外沖擊波碎石術(extracorporeal shock wave lithotripsy，ESWL)是指通過影像學技術方法精準定位病人體內結石，將沖擊波聚焦于結石后利用沖擊波產生的物理效應破碎結石的臨床技術[1]。自1980年Christian等[2]首次將沖擊波技術引入結石的臨床治療以來，ESWL一直是被各指南推薦的泌尿系結石的重要治療方法之一。在過去的四十年中，ESWL技術在沖擊波發(fā)生，碎石策略，成像技術及其他輔助技術方面等多方面有了進一步發(fā)展[3]。本文就ESWL的歷史和發(fā)展綜述如下。

ESWL的歷史

ESWL的誕生可以追溯到1966年至1972年間，在對飛機和航空航天技術的研究過程中，德國多尼爾的工程師發(fā)現(xiàn)飛機在接近音障飛行時，機體表面附近產生了“沖擊波層”，并嘗試將其應用于醫(yī)療活動中。在隨后的研究中，第一臺沖擊波碎石機(TM1)于1974年研制，離體的結石能夠在水浴中被粉碎[4]。1975年，TM2，一種攜帶超聲波掃描儀的新型沖擊波發(fā)生器被應用于動物實驗，并有效地治療了移植到犬腎中的人體結石。1980年，全球第一臺應用于人類的體外沖擊波碎石機——Human Machine 1(HM1)被成功研制，并且由慕尼黑大學泌尿外科的Chaussy等[5]施行了全球首例ESWL。令人驚喜的是，通過沖擊波碎石產生的結石顆粒從尿路排出時沒有引起疼痛。此后，1982年，第一個碎石中心在Chaussy的指導下于德國慕尼黑成立，從而進行了更為廣泛的臨床實驗。次年，第二個碎石中心在德國斯圖加特成立，同時第一臺商業(yè)化的液電式HM3型碎石機現(xiàn)世。1984年，ESWL獲得食品和藥物管理局的批準(FDA)并在其他多個國家和中心獲得了應用[6]。

我國最早的沖擊波碎石機的研制工作由北京醫(yī)學院泌尿外科研究所郭應祿等于1982年7月開始進行，1983年初完成離體結石標本的粉碎實驗[7]，1984年制成了可供臨床使用的樣機，并成功治療了植入人體腎結石的犬[8]，隨后于同年年底開始進行臨床試驗，應用于3例病人并于1986年進行了初步結果報告[9]。與此同時期，中國科學院電工研究所的張祿蓀等[10]于1984年10月成功研制出液電式人體實用樣機，即E8410型沖擊波碎石機。在半年時間中，該團隊前后使用該碎石機進行直達波碎石試驗,模擬試驗與大動物試驗等驗證了其有效性與安全性，并于1985年8月19日利用E8410成功進行了一例人體試驗[10]。當前，中國已經成為世界上最大的生產碎石機的國家。

在接下來的幾十年中，ESWL技術不斷發(fā)展。體外沖擊波碎石機根據其發(fā)展水平通?？杀环譃?代。MH-3即是通常所指的第一代碎石機，其較高的碎石效率使其至今仍被譽為是ESWL的“金標準”，但由于其體積龐大而笨重，需要麻醉等缺點目前已不再生產。第二代碎石機目前臨床上最為多用，其減少了麻醉的需要，同時將水囊與治療床相結合。但這種將沖擊波和病人人體偶聯(lián)的水囊接觸方式使得沖擊波的能量有所消耗，相應地削弱了其碎石效率。第三代碎石機誕生于上世紀90年代，目前在歐洲運用普遍，其特點為與腔內泌尿外科手術融合，實現(xiàn)了多功能化[11]。

ESWL的發(fā)展

一、沖擊波發(fā)生

ESWL技術日新月異，在多個角度和層面得到創(chuàng)新。其中沖擊波源代表著碎石機的核心。電液、壓電和電磁是三種常見的沖擊波源。電液沖擊波發(fā)生器通過水中的電火花間隙產生沖擊波，具有較高的碎石效率，但也有需要麻醉的明顯缺點[12]。壓電沖擊波由陶瓷元件產生，其具有良好的聚焦，無需麻醉，能量持久的優(yōu)點，但由于功率較低而碎石效率較低。作為目前最常使用的沖擊波源，電磁沖擊波通過大面積進入病人體內，于病灶處聚集較大量的能量，同時也減小了麻醉需求[13]。目前的研究主要比較電液和電磁式碎石機的療效，尚未發(fā)現(xiàn)這兩種沖擊波源的碎石機碎石率有顯著差異[14]。

此外，沖擊波源焦點和聚焦寬度同樣受到關注。通過體外對豬的腎臟進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，同步模式下雙焦點碎石機引起的腎臟反應與傳統(tǒng)電液碎石機相比類似，但引起的反應更加多變[15]。Sheir等[16]觀察到雙焦點ESWL造成的腎包膜下血腫概率較小，而具有較高的結石清除率，同時Marco等也認為雙焦點碎石機在安全性和有效性上在臨床工作中都具有良好的表現(xiàn)。

寬聚焦區(qū)和窄聚焦區(qū)碎石機孰優(yōu)孰劣目前尚有爭議。Connors等[17]通過體外對豬的腎臟研究發(fā)現(xiàn)聚焦寬度小會產生更集中、更強烈的組織損傷。臨床研究通過對比應用大聚焦寬度、中等聚焦寬度或小聚焦寬度進行ESWL，雖然最終結石清除率沒有顯著差異，但大聚焦寬度治療的病人再治療率最低[18]。然而，Veser等[19]在人造結石上研究報道，對于壓電碎石機，聚焦尺寸越小，碎石效率越高。因此，尚需要進行前瞻性隨機臨床研究，以比較聚焦寬度對ESWL效果的影響。

二、碎石策略

合適的碎石策略一直都是ESWL研究的重點，包括沖擊波的數(shù)量，頻率和步進式碎石技術。

增加每次治療的沖擊波次數(shù)被證明是有效增加能量和提高碎石效率的方式[20]，然而對于一次治療中沖擊波的安全數(shù)量，歐洲泌尿外科協(xié)會(EAU)指南中沒有提供具體建議[21]，多數(shù)專家共識認為，對于腎臟結石單次沖擊波治療不應超過2 000次,對于輸尿管結石單期ESWL治療不應超過3 000次[22]，并且應根據所用采用的能量水平進行調整[23]。此外，Kang等[24]通過一項網狀Meta分析報告，從療效和并發(fā)癥兩方面考慮，中頻(80～90次/分)和低頻(60～70次/分)ESWL相較于高頻(100～120次/分)ESWL有更好的治療效果。Ito等[25]回顧性分析了404例病人發(fā)現(xiàn)，接受30次/分鐘，1 200次/療程的治療方案的病人，與接受標準治療(60次/分鐘，2 400次/療程)相比具有相似的結石清除率而減少了所需的電擊總數(shù)。

步進式碎石是指從碎石治療較低能量開始，逐漸增加能量級別。該策略一方面使得病人能夠充分適應ESWL的過程，另一方面可以減少腎損害[26]。Lambert等[27]研究得出，相較于固定能量，遞進式的能量能降低術后尿液分析中β2微球蛋白和微量白蛋白的水平，證明遞進式的能量形式可以對腎臟損傷起到保護作用。Skuginna等[28]也認為步進式碎石可降低腎血腫的風險，同時保持良好的碎石效果[29]。然而步進式碎石是否對于結石清除率具有提升效果尚無明確結論[26]。體外研究認為步進式碎石可以產生更高的平均粉碎效率[30]，Lambert等[27]進行的小型的前瞻性隨機試驗(n=45)也表明步進式治療策略有更好的結石粉碎效果。然而，Honey等[31]通過隨機對照研究認為步進式碎石策略可能不能提供更好的碎石效果(n=160)。步進式碎石是否能增加碎石效率的結論可能需要進一步大型前瞻性研究和薈萃分析結果。

三、結石定位

結石的定位是ESWL成功與否的關鍵，當前主要依賴于超聲和熒光透視技術進行結石定位。超聲定位成本較低，不產生輻射影響，但其精確程度依賴于操作者的熟練程度，同時在對結石大小進行判斷時的準確度不如熒光成像技術。相較之下，臨床醫(yī)生對于熒光成像更為熟悉，但其造成的電離輻射影響限制了其在兒科病人和孕婦病人中的應用[32]。Abid等[33]的對照研究表明，聯(lián)合超聲和熒光透視技術可以顯著降低ESWL過程中病人暴露于輻射的時間和劑量，提高治療結石的療效。近年來已有很多研究探索提高超聲精確性的方法。有研究利用多普勒超聲閃爍偽影將結石與其他回聲結構區(qū)分開來[34]。此外也有文獻報道，利用超低劑量、低劑量的CT可以在達到和標準CT相當?shù)奶禺愋院兔舾行缘耐瑫r減少病人承受的輻射劑量[35]。

當前大量的工作致力于將人工智能及影像組學與結石的定位相結合。Singla等[36]提出了一種視網膜神經網絡算法，以改善ESWL治療期間的結石靶向性像。Sarica等[37]開發(fā)了專門設計的成像設備能在ESWL術前通過高質量圖像對結石進行識別和定位，并有助于更有效地進行碎石治療。Racine等[38]開發(fā)了一種基于CT影像的新型深度學習圖像重建的方式，并證明其可以在較低輻射劑量水平提高腹部疾病的空間分辨率。新型探測方式及學科交叉的發(fā)展將會大幅度提高結石診斷和定位的準確性，從而進一步提高ESWL的成功率。

四、耦合

成功的耦合同樣是ESWL能夠成功的重要因素[21]。二代和第三代碎石機的碎石效率不如第一代碎石機的原因被歸因為一代碎石機將病人和碎石機頭部浸入水浴中，為聲能傳輸提供了極好的媒介，從而提供了良好的耦合[39]。耦合缺陷除了阻斷沖擊波能量的傳輸外，還會破壞沖擊波的特性，甚至會增加后續(xù)病人腎臟損傷的風險，因此在ESWL過程中必須小心避免氣泡進入沖擊波發(fā)生器和病人之間形成脫耦[40]。近年來如何改善耦合狀態(tài)同樣是對ESWL的研究重點。

對耦合劑的體外對比實驗顯示，不同的耦合劑實現(xiàn)結石破碎所需的沖擊次數(shù)差別很大，其中水溶性潤滑凝膠所需沖擊次數(shù)最少，而凡士林所需沖擊次數(shù)最多[41]。一種新型耦合介質，隔離耦合墊(“icPad”)被報道可以在ESWL過程中減少產生的氣泡和沖擊波次數(shù)，并能提高結石清除效率[42]。此外，對于耦合狀態(tài)的有效檢測同樣可以改善耦合狀態(tài)。據Bohris等[43]報道，于ESWL過程中用監(jiān)控攝像機監(jiān)測耦合狀態(tài)有利于實現(xiàn)良好的耦合。Lv等[45]的隨機對照試驗表明了光耦合監(jiān)控設備可以優(yōu)化ESWL治療結果，并降低ESWL引起的不良反應的發(fā)生率。這些發(fā)現(xiàn)表明，改進耦合劑，耦合方式和合理監(jiān)測偶聯(lián)缺陷可能會改善ESWL效果。

展 望

歷經了40年的實踐，ESWL證明了其有效性和安全性。作為當前唯一的真正非侵入性的治療尿路結石的方法，ESWL將隨著碎石術相關的理論和技術的進一步更新發(fā)展，具有更廣泛的臨床應用價值和光明的前景。