体外冲击波碎石机制及技术的进展

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1、体外冲击波碎石机制及技术的进展体外冲击波碎石（ extracorporeal shock-wave lithotripsy,ESWL）自上个世 纪 80 年代进入临床，全球累计应用患者数以亿计，目前已经成为肾和输尿管结 石有效治疗主要手段之一。 一，碎石机制进展冲击波包括短时高而窄的正波压，达到峰值（峰压 30100MPa ）后紧接着有一个宽而低的负压阶段。结石粉碎主要依靠击中结 石的有效能量。目前，关于结石粉碎的机制存在很多争论。 1， 张力和剪刀力 2，碎裂和剥落： 该理论认为，结石远侧界面表现为一个声学弱界面，当冲击波在结石内前行 传播到达远侧界面时， 会被反射回来， 由压力波转化为张力

2、波。 张力的强度取决 于结石不同层面的声阻抗和表面形状。尿路结石多为脆性物质， 能承受很高的挤 压力而经不起张力波的拉伸力，其抗张强度约为抗压强度的1/10. 当张力波的强 度超过结石的抗张强度时， 结石即被拉碎。 通过高速摄影拍摄的半透明结石模型 中的压力波图像发现，最大的张力发生在结石远界面的出波位置，该部分1/3 的结石发生碎裂，进而出现大块圆帽状碎块剥脱。 3， 准静态挤压： 1998年，国际著名冲击波学者德国斯图加特大学的Eisenmenger 教授提出一 种新的碎石理论“准静态挤压（quasistaticsqueezing） ”理论，并且通过实验 验证了这一理论。即当冲击波的横向直

3、径结石直径并且冲击波峰值压力 35MPa 时，冲击波会包围在结石表面，并且结石外周与结石长轴方向之间产生压 力梯度，造成一个环状面压缩或“挤压” ，导致受挤压而沿长轴碎裂。并且有数 据表明，冲击波正性压力（ P）仅仅需要 1030MPa 的低压水平，就已足够大于结 石粉碎的临界压力值。 在这种大焦斑、 低压力冲击波的作用下， 结石内不管是平 行还是垂直于冲击波前进方向均会产生小裂缝并逐步沿结石长轴融合、增大成一 个碎裂平面， 导致结石沿长轴一分为二碎裂。这不同于以往窄焦斑、 高压力冲击 波使结石表面产生“弹坑斑”将结石击碎的原理。 这一理论的前提条件是大焦斑（冲击波的焦斑直径结石直径）、低压力

4、 （冲击波峰值压力 35MPa ） ，目前，高效的碎石机现在都已提升为大焦斑，有些 甚至焦斑达到 20mm ，并且无需产生陡峭的冲击波前沿。 4， 空化效应 5， 动态挤压 6， 动态疲劳 因此，结石粉碎是多种机制共同作用的结果，包括启动阶段（基于张力和剪 刀力、动态挤压），传播阶段（准静态挤压、空化效应）和融合阶段（碎裂和剥 落，动态疲劳等），当然，与结石的强度、密度和韧性等物理特性也有很大关系。 目前的共识是，在碎石的初级阶段，大焦斑可以起到关键作用。二，碎石机进展 先后有液电式、压电式和电磁式等三种冲击波源被常规应用于临床治疗。不 管任何碎石机， 都需要产生陡峭的压力前沿 （压力脉冲上升

5、时间 0.5 s）和较 窄的压力脉冲宽度（ 1s） 。由于上述机型存在诸多缺陷及新的碎石机制逐渐 被人们认识，不断有新机型出现，包括复式脉冲碎石机 、双波源碎石机 、宽焦斑碎石机、可变焦斑碎石机 等。在小范围的临床试验治疗中，这些新机型都表现出 了较好的碎石效果。 1，复式脉冲碎石机 是在特定的时间间隔内连续发生的两个脉冲波，后一个脉冲波在前一个脉 冲波还未消失时到达， 产生双空化效应， 从而使空化的能量释放更为集中，使许 多折射波、衍射波及反射波在第二个脉冲的影响下更集中指向靶区中心，使靶区 单位面积上的能量更大。所以，复式脉冲能增强空化效应，提高碎石效率（40% 以上） 。复式脉冲碎石技术

6、已经成为尿路结石治疗的首先方法。 复式脉冲体外冲击波碎石机( 商品名：索迪 )【结 构】产品为复式脉冲液电式冲击波碎石机，由控制台、冲击波发生器、控制柜、B超定位系统组成。第二焦点冲击波峰值：20MPa 50MPa ；第二焦点冲击波脉宽 1s， 第二焦点冲击波前沿 0.5s， 第二焦点冲击波聚焦范围：径向 7mm ，轴向 12.5mm ；第二焦点与反射体上端口平面距离：不小于 110mm ；焦点定位偏差：不大于3mm ；体外冲击波对模拟结石粉碎最大颗粒尺寸不大于3mm 。2，双波源碎石机 3，宽焦斑碎石机 焦斑是指冲击波峰值压力全高一般的宽度，又称全高半宽度。焦斑宽度对 碎石起着关键作用，尤其

7、是碎石的最初阶段以及粉碎较大的结石时。研究 表明，宽焦斑可以通过多种途径影响结石的碎裂。第一，当焦斑宽度结 石长径时，传入结石的能量增加。第二，宽焦斑使冲击波更容易覆盖住结 石及碎片。另外，呼吸运动会导致结石移入或移出焦斑，因此，较宽的焦 斑可使击中结石的机会增高，使结石碎粒始终位于宽焦斑中，持续受到冲 击，从而提高有效的冲击率。 具有代表性的宽焦斑碎石机是苏州锡鑫医疗器械有限公司XX-ESCS-2012A 型和美国佐治亚州组织再生技术公司的lithogoldLG.380型。 CS-2012A型焦斑宽达 18mm ，产生 1620MPa 相对较低的峰值压力。 LG.380 型焦斑最宽达20mm

8、 ，峰值压力为2025MPa 。体外实验表明， CS-2012A型的碎石效果优于焦斑为5mm 的多尼尔 doni-50 碎石机。doni-50 需要几乎两倍于CS-2012A 型的冲击波次数才能击碎同样大小的结石 （3006+-780 次 vs.1726+-972 次） 。 宽焦斑低压力碎石机商用的时间很短，其临床应用的安全性和有效性 一直是大家讨论的重点。研究表明，与高压力窄焦斑碎石机相比，使用宽 焦斑碎石机的复治率和并发症较低。然而这并不意味宽焦斑碎石机本质上 是安全的。宽焦斑并不意味损伤面积较大，恰恰相反，宽焦斑低压力使单 位面积上的能量密度降低，从而使损伤减少。一般推荐治疗方案是， C

9、S-2012A型为 27 次/min ，LG.380 型为 60 次/min ，这两个低频率的方案比 120 次/min 的常规治疗可显著减少组织损伤。 4，可变焦斑碎石机 三，操作技术进展 通过进一步了解冲击波碎石及组织损伤的机制，ESWL 的操作技术也不断得到改进。在过去的几年里， 单中心研究已经阐明了一些可以显著影响碎石效果和潜 在降低副反应的关键技术因素，例如耦合、碎石频率及能量设置等。 1，提高冲击波耦合冲击波可以在水及耦合剂中很好地传播，但不能在空气中传 播。超过99% 的冲击波会被气泡反射过来，非常小的耦合面反射都会影响碎 石效果。体外实验表明， 仅仅反射 2% 的冲击波就会减少

10、模型结石2040% 的粉 碎程度。当耦合面减少8% ，传入的冲击波就可减少43% 以上。断断续续的冲 击波传输可以减少焦斑处50% 以上的能量。这就要求耦合面紧贴，尽量减少 空气的存在。故不同耦合剂及涂抹方法可以影响耦合效果。Jain 等研究了不 同耦合剂，他们发现无气泡超声凝胶由于低黏度硅油。Neucks等发现，从容 器中自然倒出耦合剂后涂抹的碎石效果明显优于用手挤压耦合剂瓶。耦合的 问题可能看起来很平常，但是至关重要。一个有效的耦合方法是将耦合剂均 匀缓慢从容器中倒出涂抹在治疗水囊中心，然后直接顶住患者。 给水囊注水， 使水囊自然扩张，耦合剂就可以随之被进一步涂抹开。 2， 降低碎石频率

11、普遍认为，结石碎裂及组织损伤程度与冲击波能量密切相关，但是大家往往 忽视冲击波的频率。 多个前瞻性研究和Meta 分析的结论，与每分钟 120次相比， 每分钟 60 次的碎石频率可以显著提高碎石效果，并同样可以减少组织损伤。在 不同能量设置时，不同冲击波频率的治疗效果也不尽相同。与30次/min 频率相 比，当频率增加至 120 次/min 时，使用低能量，需要增加46% 的冲击波次数；而 设置高能量时，需要增加额外70% 的冲击波次数。这说明在高能量水平时，冲击 波路径上出现了更多的空化气泡，从而影响了后续冲击波的碎石效果。而将冲击 波频率由每分钟 120 降至 30 次时，碎石颗粒显著变小

12、。多个前瞻性随机对照研 究表明， 6080 次/min 的碎石效果优于120 次/min ，尤其是当结石直径 10mm 时，这种优势更明显。 最近的动物模型研究表明，减慢冲击波频率可以大大降低肾损伤。在另一 项研究中，使用多尼尔HM3 碎石机在 24KV参数下用每分钟 120、60、30 分别冲 击猪肾，频率越慢，组织损伤越轻。将频率降至30 次/min ，对肾血管的完整性 提供了显著的保护作用。这些发现支持降低冲击波频率可以潜在增加ESWL 安全 性和有效性的理论。意味着防止ESWL 导致的损伤最简单的方法可能就是降低碎 石频率。 3， 冲击波逐级增能分步治疗 20 年前就已经推出“逐级增能

13、”的做法，即逐渐增加冲击波强度，可使患 者在无需麻醉的情况下逐渐适应碎石治疗。这种方法往往将总冲击波数量分成两 个或者两个以上的步骤， 动态增加压力输出， 然后低于碎石机最大设置压力来完 成剩余治疗。 不管体外还是体内研究， 逐级增能的碎石方法都显示出了优势，据 报道既可以提高碎石效果， 同时又可减少由于血管收缩引起的肾脏损伤，有助于 降低血肿率。 另有动物实验研究表明，两步法可以大大减少肾损害。与 24KV 直接 2000 次冲击波相比， 18KV冲击波处理 100 次之后，再以 24KV冲击波处理 2000 次， 大大减少损伤范围，但24KV100次冲击波预处理之后再24KV2000次冲击

14、波与之 无差异。 起到保护作用的关键是两个治疗剂量之间插入了一个约3min 的短暂停 顿。接受 24KV不间断碎石的猪肾平均约4% 功能肾体积出现损伤，而用上述方法 策略，猪肾仅有约0.5%以下的损伤。这一发现强烈支持分步骤治疗的理念。 因此， 当前的治疗标准是轻中度冲击波压力和尽可能低的频率，同时在初次碎石后给予短暂停顿来增加结石粉碎和减少急性和慢性的肾脏损伤。 四，结论 冲击波碎石的理论、机型还是技术都已经发生了重大进步，并且这些改进已 被临床证实可增加碎石成功率， 并减少潜在的副作用。 新理论及新机型的临床应 用倾向于大焦斑碎石机。充分耦合、低频率碎石及逐级增能分步策略可以显著 增加 ESWL 的有效性和安全性。