体外冲击波碎石历史和发展

徐金洲 寻阳 王少刚 李聪

体外冲击波碎石术(extracorporeal shock wave lithotripsy，ESWL)是指通过影像学技术方法精准定位病人体内结石，将冲击波聚焦于结石后利用冲击波产生的物理效应破碎结石的临床技术[1]。自1980年Christian等[2]首次将冲击波技术引入结石的临床治疗以来，ESWL一直是被各指南推荐的泌尿系结石的重要治疗方法之一。在过去的四十年中，ESWL技术在冲击波发生，碎石策略，成像技术及其他辅助技术方面等多方面有了进一步发展[3]。本文就ESWL的历史和发展综述如下。

ESWL的历史

ESWL的诞生可以追溯到1966年至1972年间，在对飞机和航空航天技术的研究过程中，德国多尼尔的工程师发现飞机在接近音障飞行时，机体表面附近产生了“冲击波层”，并尝试将其应用于医疗活动中。在随后的研究中，第一台冲击波碎石机(TM1)于1974年研制，离体的结石能够在水浴中被粉碎[4]。1975年，TM2，一种携带超声波扫描仪的新型冲击波发生器被应用于动物实验，并有效地治疗了移植到犬肾中的人体结石。1980年，全球第一台应用于人类的体外冲击波碎石机——Human Machine 1(HM1)被成功研制，并且由慕尼黑大学泌尿外科的Chaussy等[5]施行了全球首例ESWL。令人惊喜的是，通过冲击波碎石产生的结石颗粒从尿路排出时没有引起疼痛。此后，1982年，第一个碎石中心在Chaussy的指导下于德国慕尼黑成立，从而进行了更为广泛的临床实验。次年，第二个碎石中心在德国斯图加特成立，同时第一台商业化的液电式HM3型碎石机现世。1984年，ESWL获得食品和药物管理局的批准(FDA)并在其他多个国家和中心获得了应用[6]。

我国最早的冲击波碎石机的研制工作由北京医学院泌尿外科研究所郭应禄等于1982年7月开始进行，1983年初完成离体结石标本的粉碎实验[7]，1984年制成了可供临床使用的样机，并成功治疗了植入人体肾结石的犬[8]，随后于同年年底开始进行临床试验，应用于3例病人并于1986年进行了初步结果报告[9]。与此同时期，中国科学院电工研究所的张禄荪等[10]于1984年10月成功研制出液电式人体实用样机，即E8410型冲击波碎石机。在半年时间中，该团队前后使用该碎石机进行直达波碎石试验,模拟试验与大动物试验等验证了其有效性与安全性，并于1985年8月19日利用E8410成功进行了一例人体试验[10]。当前，中国已经成为世界上最大的生产碎石机的国家。

在接下来的几十年中，ESWL技术不断发展。体外冲击波碎石机根据其发展水平通常可被分为3代。MH-3即是通常所指的第一代碎石机，其较高的碎石效率使其至今仍被誉为是ESWL的“金标准”，但由于其体积庞大而笨重，需要麻醉等缺点目前已不再生产。第二代碎石机目前临床上最为多用，其减少了麻醉的需要，同时将水囊与治疗床相结合。但这种将冲击波和病人人体偶联的水囊接触方式使得冲击波的能量有所消耗，相应地削弱了其碎石效率。第三代碎石机诞生于上世纪90年代，目前在欧洲运用普遍，其特点为与腔内泌尿外科手术融合，实现了多功能化[11]。

ESWL的发展

一、冲击波发生

ESWL技术日新月异，在多个角度和层面得到创新。其中冲击波源代表着碎石机的核心。电液、压电和电磁是三种常见的冲击波源。电液冲击波发生器通过水中的电火花间隙产生冲击波，具有较高的碎石效率，但也有需要麻醉的明显缺点[12]。压电冲击波由陶瓷元件产生，其具有良好的聚焦，无需麻醉，能量持久的优点，但由于功率较低而碎石效率较低。作为目前最常使用的冲击波源，电磁冲击波通过大面积进入病人体内，于病灶处聚集较大量的能量，同时也减小了麻醉需求[13]。目前的研究主要比较电液和电磁式碎石机的疗效，尚未发现这两种冲击波源的碎石机碎石率有显著差异[14]。

此外，冲击波源焦点和聚焦宽度同样受到关注。通过体外对猪的肾脏进行实验研究发现，同步模式下双焦点碎石机引起的肾脏反应与传统电液碎石机相比类似，但引起的反应更加多变[15]。Sheir等[16]观察到双焦点ESWL造成的肾包膜下血肿概率较小，而具有较高的结石清除率，同时Marco等也认为双焦点碎石机在安全性和有效性上在临床工作中都具有良好的表现。

宽聚焦区和窄聚焦区碎石机孰优孰劣目前尚有争议。Connors等[17]通过体外对猪的肾脏研究发现聚焦宽度小会产生更集中、更强烈的组织损伤。临床研究通过对比应用大聚焦宽度、中等聚焦宽度或小聚焦宽度进行ESWL，虽然最终结石清除率没有显著差异，但大聚焦宽度治疗的病人再治疗率最低[18]。然而，Veser等[19]在人造结石上研究报道，对于压电碎石机，聚焦尺寸越小，碎石效率越高。因此，尚需要进行前瞻性随机临床研究，以比较聚焦宽度对ESWL效果的影响。

二、碎石策略

合适的碎石策略一直都是ESWL研究的重点，包括冲击波的数量，频率和步进式碎石技术。

增加每次治疗的冲击波次数被证明是有效增加能量和提高碎石效率的方式[20]，然而对于一次治疗中冲击波的安全数量，欧洲泌尿外科协会(EAU)指南中没有提供具体建议[21]，多数专家共识认为，对于肾脏结石单次冲击波治疗不应超过2 000次,对于输尿管结石单期ESWL治疗不应超过3 000次[22]，并且应根据所用采用的能量水平进行调整[23]。此外，Kang等[24]通过一项网状Meta分析报告，从疗效和并发症两方面考虑，中频(80～90次/分)和低频(60～70次/分)ESWL相较于高频(100～120次/分)ESWL有更好的治疗效果。Ito等[25]回顾性分析了404例病人发现，接受30次/分钟，1 200次/疗程的治疗方案的病人，与接受标准治疗(60次/分钟，2 400次/疗程)相比具有相似的结石清除率而减少了所需的电击总数。

步进式碎石是指从碎石治疗较低能量开始，逐渐增加能量级别。该策略一方面使得病人能够充分适应ESWL的过程，另一方面可以减少肾损害[26]。Lambert等[27]研究得出，相较于固定能量，递进式的能量能降低术后尿液分析中β2微球蛋白和微量白蛋白的水平，证明递进式的能量形式可以对肾脏损伤起到保护作用。Skuginna等[28]也认为步进式碎石可降低肾血肿的风险，同时保持良好的碎石效果[29]。然而步进式碎石是否对于结石清除率具有提升效果尚无明确结论[26]。体外研究认为步进式碎石可以产生更高的平均粉碎效率[30]，Lambert等[27]进行的小型的前瞻性随机试验(n=45)也表明步进式治疗策略有更好的结石粉碎效果。然而，Honey等[31]通过随机对照研究认为步进式碎石策略可能不能提供更好的碎石效果(n=160)。步进式碎石是否能增加碎石效率的结论可能需要进一步大型前瞻性研究和荟萃分析结果。

三、结石定位

结石的定位是ESWL成功与否的关键，当前主要依赖于超声和荧光透视技术进行结石定位。超声定位成本较低，不产生辐射影响，但其精确程度依赖于操作者的熟练程度，同时在对结石大小进行判断时的准确度不如荧光成像技术。相较之下，临床医生对于荧光成像更为熟悉，但其造成的电离辐射影响限制了其在儿科病人和孕妇病人中的应用[32]。Abid等[33]的对照研究表明，联合超声和荧光透视技术可以显著降低ESWL过程中病人暴露于辐射的时间和剂量，提高治疗结石的疗效。近年来已有很多研究探索提高超声精确性的方法。有研究利用多普勒超声闪烁伪影将结石与其他回声结构区分开来[34]。此外也有文献报道，利用超低剂量、低剂量的CT可以在达到和标准CT相当的特异性和敏感性的同时减少病人承受的辐射剂量[35]。

当前大量的工作致力于将人工智能及影像组学与结石的定位相结合。Singla等[36]提出了一种视网膜神经网络算法，以改善ESWL治疗期间的结石靶向性像。Sarica等[37]开发了专门设计的成像设备能在ESWL术前通过高质量图像对结石进行识别和定位，并有助于更有效地进行碎石治疗。Racine等[38]开发了一种基于CT影像的新型深度学习图像重建的方式，并证明其可以在较低辐射剂量水平提高腹部疾病的空间分辨率。新型探测方式及学科交叉的发展将会大幅度提高结石诊断和定位的准确性，从而进一步提高ESWL的成功率。

四、耦合

成功的耦合同样是ESWL能够成功的重要因素[21]。二代和第三代碎石机的碎石效率不如第一代碎石机的原因被归因为一代碎石机将病人和碎石机头部浸入水浴中，为声能传输提供了极好的媒介，从而提供了良好的耦合[39]。耦合缺陷除了阻断冲击波能量的传输外，还会破坏冲击波的特性，甚至会增加后续病人肾脏损伤的风险，因此在ESWL过程中必须小心避免气泡进入冲击波发生器和病人之间形成脱耦[40]。近年来如何改善耦合状态同样是对ESWL的研究重点。

对耦合剂的体外对比实验显示，不同的耦合剂实现结石破碎所需的冲击次数差别很大，其中水溶性润滑凝胶所需冲击次数最少，而凡士林所需冲击次数最多[41]。一种新型耦合介质，隔离耦合垫(“icPad”)被报道可以在ESWL过程中减少产生的气泡和冲击波次数，并能提高结石清除效率[42]。此外，对于耦合状态的有效检测同样可以改善耦合状态。据Bohris等[43]报道，于ESWL过程中用监控摄像机监测耦合状态有利于实现良好的耦合。Lv等[45]的随机对照试验表明了光耦合监控设备可以优化ESWL治疗结果，并降低ESWL引起的不良反应的发生率。这些发现表明，改进耦合剂，耦合方式和合理监测偶联缺陷可能会改善ESWL效果。

展 望

历经了40年的实践，ESWL证明了其有效性和安全性。作为当前唯一的真正非侵入性的治疗尿路结石的方法，ESWL将随着碎石术相关的理论和技术的进一步更新发展，具有更广泛的临床应用价值和光明的前景。