医用碎石机的原理及定位

韩 明

医用体外冲击波碎石术（extracorporeal shock wave lithotripsy,ESWL）的优点在于它的治疗过程基本是非侵入性的，患者易于接受，而且它的治疗成功率高，对人体组织的损伤较少，目前在临床上已得到广泛的应用。

1 ESWL碎石过程

冲击波和结石相互作用的机制尚未完全明了。最初的认为是在ESWL中，结石的破碎是冲击波的直接作用所致。实际是压力效应和张力效应两种机制。

1.1 压力效应

由于人体组织密度与结石密度不同，因而声阻抗存在差异。当聚焦冲击波进入人体后遇到结石后，入射界面处产生反射培压现象，如果这种冲击波的压力强度超过结石的抗压强度，就会在结石入射表面附近出现裂解面破碎。

1.2 张力效应

当冲击波在结石内继续前行传播到结石对侧界面时，冲击波波转变为张力波，使出波面附近处于应力状态。当超过结石的抗张强度时，就导致结石粉碎。

尿路结石多系脆性物质，抗张强度（单位面积的破碎力）的极限约为抗张强度极限的1/10。换言之结石能够能够承受很高的来自压力波的挤压力，而经不起张力波的拉伸力。现行的理论认为，由张力波引起的空化效应，可能是结石粉碎的内在动力。空化气泡在爆裂过程中，具有很高的能量密度，当这些空泡的快速膨胀或崩溃后产生的高速微喷射超过结石破碎强度时，则可导致结石粉碎。体外试验也表明，结石如果处于一个预应压力容器中，（防止液体发生空化效应），冲击波不能将其粉碎。既然张力波及其所致的空化效应对结石的粉碎起主导作用，根据这一机制，我们在实际ESWL操作时，通常是将冲击波焦区中心穿过结石主体后对准结石的对侧界面（出波位置），充分借助冲击波的拉伸作用和空化效应，来进一步提高碎石效率。

2 医用碎石机的分类

医用碎石机按其震波源的不同一般分为三种：液电式、电磁式和压电式。

液电式冲击波是在一个椭球反射体内通过液体中火花放电的方式转化成冲击波，主要优点是脉冲功率高，碎石效果好，但这一类型冲击波的各波之间的均一性最差，原因在于电极的正极和负极电流通路存在差异，常需要调节电极间距和频繁更换电极。这种机型的设备成本和损耗费用较为昂贵。

压电式冲击波是由圆形排列的压电晶体产生的一种超短波脉冲。其特点是焦点紧凑精细，但因皮肤的减小入点的能量密度极低，故很少引起痛感和不适。在用压电式碎石机治疗难治型结石时，能量不如国产的液电式碎石机，只在治疗较小的结石时，有其独特的优越性。

电磁式冲击波是将电能首先转换成机械能，通过声透镜或抛物面反射体将机械聚焦后所形成的。其重要特点是冲击波源可连续使用近百万次，无更换电极之烦，损耗成本相对降低。电磁式冲击波的能量较液电式冲击波源差一个数量级，介于液电式和压电式之间，比较合乎临床使用要求。目前似有取代液电式冲击波源的趋势。

3 碎石机产生冲击波的充电和放电电路

无论是液电式、电磁式或压电式波源都要求有一套充电和瞬时放电的电路，要求放电时间为1 us左右，放电电流达数千mA。放电电路见图1。

图1 碎石机充电放电电路

T1为调压器，T2为升压变压器，V为整流器，C为电容，W为冲击波源，R为限流电阻，S为触发器。此电路分充电电路和放电电路两部分，交流电经调压电路T1调压后经变压器T2升压，电压可达数KV至十多KV，经整流后想电容器C充电储能。当触发器S导通，电容的电荷向冲击波源装置W瞬时放电而产生冲击波，为取得良好的冲击波，放电时间要求在1 μs以内。产生冲击波的能量决定于电容储存的能量，其能量公式为：E=1/2 CU2，式中，E—能量，单位焦耳(J)；C—电容量，单位法拉(F)；U—充电电压，单位伏特(V)。如一台碎石机的电容0.5 μF,使用电压10 KV，则其能量为E=1/2×(0.5×10-6)×(10×103)=25 J，若放电时间为t=2 μs,根据放电电流公式I=CU/t，算得瞬时放电电流为I=(0.5×10-6)×(10×103)÷(2×10-6)=2500 A。从以上分析可知，冲击波能量取决于充电电压U和电容C的值，因各种碎石机的电容变化不大，所以能量与电压的平方成正比，能量高低主要取决于高压，电压越大能量越大，焦点冲击波压强也越大，结石越容易粉碎。但太大能量容易给患者造成损伤，因此碎石机均向低能高效、低副作用方向发展。

4 冲击波波源

4.1 液电式冲击波波源

目前碎石机的波源以液电式居多，因其发展早、技术成熟、碎石效果好而被广泛采用。

液电式冲击波源是一个半椭圆形金属反射体内安置电极，反射体内充满水，当高压电在水中放电时，在电极极尖处产生高温高压，因液电效应而形成冲击波，冲击波向四周传播，碰到反射体非常光滑的内表面而反射，电极极尖处于椭球的第一焦点处，所以在焦点1发出的冲击波经反射后就会在焦点2聚集，形成压力强大的冲击波焦区，当人体结石处于第二焦点时，就会被粉碎（见图2）。

图2 液电式冲击波

4.2 压电式冲击波波源

压电式冲击波波源是一个半球的内壁安装很多压电晶体，当有高频高压电通过压电晶体时，压电晶体就会伸缩产生振动，从而使水介质产生超声冲击波，冲击波在圆球的球心焦点f处聚焦，当结石处于焦点处时，就会被强大的冲击波粉碎（见图3）。

4.3 电磁式冲击波波源

电磁式冲击波波源可分为平板式和圆筒式两种。平板式电磁波源是一个中空圆柱体，圆柱体一端有组高频线圈，当高频高压脉冲电流通过时，线圈产生脉振磁场，根据电磁场感应定律可知，靠近线圈前端的平板金属膜就会发生振动，从而使水介质产生冲击波，平行直线传播的冲击波穿过双面凹的声透镜后在透镜的焦点f处聚焦，强大的冲击波可把处于焦点处的结石粉碎（见图4）。

图3 压电式冲击源

图4 平板电磁式冲击波源

圆筒式电磁波波源是一个圆筒形绝缘体外壁安装若干组高频线圈，线圈外是一个圆筒形金属振膜，整个装置安放在一个旋转抛物线形成反射体底部，当有高频高压电流通过线圈时，线圈周围产生脉振磁场，根据电磁感应原理，圆筒形金属振膜就会产生震动，从而使水介质产生冲击波，冲击波平行向四周传播，碰到反射体非常光滑的内表面而反射，然后在抛物面的焦点f处聚焦，当结石处于焦点处时，就会被强大的冲击波粉碎（见图5）。

图5 圆筒电磁式冲击波源

5 三种波源性能比较

液电式冲击波波源是最早使用的波源，发展时间长，技术也比较成熟，已广泛应用于临床，其冲击波能量大，但噪声也较大，消耗电极。液电式的冲击波属球面波，对组织的损伤较压电式和电磁式稍大。压电式和电磁式冲击波能量不如液电式，但噪声较小，压电式的噪声更小，都有不需消耗电极和治疗成本低的优点。

液电式产生的能量较强，可调范围大，碎石效果较好。压电式产生的是窄脉冲冲击波，功率较小；但波长短，结石粉碎的颗粒小，可以成细砂状粉末，有利于排出体外。电磁式每次转换的能量有一定损失，但能量稳定和重复性较好，能达到较好的碎石效果，其产生的冲击波属平面波，避免厂直达波的损伤。就人体的安全来说压电式和电磁式较好，对人体的影响较小。从设备的制造工艺和要求方面，压电式晶体的质量和寿命及安装都要求较高，否则每个晶体触发脉冲难以同步。而电磁式的充电电压较高，所以线圈绝缘要求高，如放电次数多易产生短路现象。

6 医用碎石机的定位原理

医用碎石机的定位，就是要求结石能准确地移动到并固定在冲击波焦区范围内，达到有效碎石的目的。目前碎石机均采用医用X线或者B超进行定位。

6.1 X线定位X线定位分单束X线定位和双束X线定位两种形式

6.1.1 旋转式C形臂单束X线交叉定位

C形臂两端分别固定一个X线球管和影像增强器，C形臂可作以冲击波焦点f为圆心的平面转动或球面运动，X线投影中心经过焦点。把C形臂任意转动两个角度，就可以进行定位，此种定位系统定位清晰、准确、快捷。同时当C形臂处于正投影位置时，可以得到与KⅦ平片相同的图像，便于寻找结石，它还可以从多个角度观察结石在碎石过程中的形态变化。它因只使用一套X线系统大大降低了碎石机的造价，因此目前各厂家生产的X线定位的碎石机大多采用此种C形臂的形式。

6.1.2 双束X线交叉定位

双束X线定位是把两套X线装置互成一定角度，固定在机器上，双束X线中心分别经过焦点f ，且相交于f点，通过调整结石至f点定位。此种定位因X线束固定而难以避开有骨骼组织的阻挡使图像质量差，同时其操作步骤繁琐，碎石机造价又高，因此目前各碎石机生产厂家已基本淘汰此种定位系统。

6.2 B超定位

B超定位包括B超探头、B超机和探头支架，探头支架除极少数使用机械手外，大部分都是安装在冲击波源旁边，尽管各厂家生产的n超定位方式有差异，但总的原理是一致的。就是使H超探头的中心延长线经过焦点f，并使探头沿着这一轴线伸缩运动，根据已知的探头至焦点距离和利用B超的测距功能，就能把结石准确地定位在焦点f上。

6.3 X线与B超定位的比较

X线与B超定位都有着各自的缺点。X线定位具有图像清晰，可直接地看到结石的立体形态及碎石过程中结石的粉碎程度，操作技术易掌握。缺点是X线对人体有一定的放射性损害，曝光时间要求尽量短，使用X线剂量应尽量低。阴性结石不能直接定位，要借助其他方式才能定位。B超定位无放射性，对人体几乎无损伤，对一些不宜受X线辐照部位的结石尤其适用。B超对阴、阳性结石均可显示，可实时连续跟踪、监控。B超定位碎石机因无昂贵的X线设备，因此机器造价低，占地面积小。其缺点是操作技术要求高，不如X线定位直观、准确、快捷。

6.4 X线B超双定位

X线B超双定位是把X线定位和B超定位装置安装在同一台机器上，充分发挥X线定位和 B超定位的优点，可以实现全尿路各种结石的治疗，但操作者要同时掌握两种定位技巧，要求更高，而且机器造价也高。

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