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1、体外冲击波在骨科及运动创伤领域的应用,北京大学第三医院康复医学科 周谋望,概 述,冲击波（SW）定义能量的突然释放而产生的高能量压力波，具有压力瞬间增高和高速传导的特性,20世纪60年代，西德道尼尔航空公司科研人员发现飞机高速穿过云雨时产生冲击波，使飞机内部器件受损而外壳完好 1969年，西德国防部开始“冲击波与动物组织间相互关系” Eisenberger开始冲击波碎石研究,发展史,发展史,1980年，Chaussy应用冲击波治疗泌尿系统结石1986年，Haupt发现冲击波诱导成骨细胞活化，促进成骨1988年Graff等动物实验无意发现冲击波的成骨作用，此后开始研究其对骨折愈合的影响 1997
2、年“欧洲骨肌系统冲击波疗法联合会” （ESMST）在维也纳成立 1999年“国际骨肌系统冲击波治疗联合会”（ISMST）在伦敦成立20002002年，美国FDA核准冲击波治疗跟痛症和网球肘等2000年，中国FDA批准冲击波治疗骨和肌组织疾病,特殊形式的声波，能在空气、水等介质中传播在极短时间内（约10ms）达到高峰压500bar(1bar=105pa)，且周期短（10ms），频谱广不同介质的声阻抗不同，在材料内部衰减程度不一样。在不同介质界面之间，形成反射和折射,冲击波特性,不同介质声阻抗,水 脂肪 肌肉 空气,相邻介质声阻抗差异越大，冲击波作用的能量越大。,冲击波在穿越人体组织时，直达深部组
3、织。冲击波作用于人体后，通过力-化学信号转导产生生物学效应，促进生长激素释放，引起微血管新生及组织再生与修复。,冲击波的波形,由压力相（正向）与张力相（负向）组成。压力相：前沿迅速升压并随后逐渐衰减的正压波；张力相：持续较长时间的负压波。,体外冲击波波源,1.液电式水中放置的两根电极，在高电压作用下瞬间放电，使电极附近的水迅速汽化，温度和压力急剧升高，释放球形高能冲击波，经聚焦后作用于人体的骨肌组织。属“点波源”，是最可靠的冲击波发生方法。,电子液压原理,2、电磁式高电压通过安装在电容器内脉冲电路，产生脉冲电场并使之通过铜线圈产生脉冲磁场；处于磁场中的弹性铜膜产生机械振动，进而推动膜外的流体产
4、生冲击波；经声透镜或反射体聚焦后，形成聚焦冲击波，导入需要治疗的部位。属“面式冲击波”。,电磁原理,体外冲击波波源,3、压电式波源将数百计的压电晶体，排列在一个凹形面上；外界电场通过压电晶体时，使晶体体积发生改变，产生压力波；当晶体复原时，产生张力波。全部压电晶体共同振动，一起发出冲击波，经椭球体的收集，使全部能量聚焦于治疗部位。,压电式原理,体外冲击波波源,4、气动弹道式波源利用压缩气体产生能量，驱动手柄内的子弹体，使子弹体以脉冲方式冲击治疗部位。,体外冲击波波源,四种波源比较,临床观察发现：前3种均通过反射体将能量聚焦于治疗部位，而气动弹道式则不需聚焦能量。液电式冲击波对骨病的治疗效果最好
5、。气动弹道式冲击波，对肌肉组织效果好，且治疗易于操作、安全，更适合治疗软组织损伤性疾病。,治疗 ESWT RWT 冲击波 聚焦的 未聚焦的 最大能量 在焦点处 在表面 机械作用 最大压力集中在治疗区域 组织越深压力越低 压力 高达 40 MPa 高达11.9 MPa 脉冲时间 1 sec 1000 sec 冲击次数 1-2 次治疗 410 次治疗,ESWT 和 RWT的比较,聚焦冲击波碎石机,碎 石,focus one point,聚焦与非聚焦冲击波治疗骨不连,Non Union / pseudarthroseHigh energy shockwaves in the treatment of
6、 delayed and non union of fractures Osteogenesis is stimulated and contributed to union within a reasonable time.,气压弹道式冲击波（非聚焦）,体外冲击波能量,定义1、冲击波能量（E）：对每个压力场特定位置内的压力时间函数进行积分，再经体积积分后算出。2、能流密度（EFD）：冲击波垂直作用于单位面积内的能量。冲击波的生物学效应与EFD的阈值有关。其单位为毫焦/平方毫米（mJ/mm2）表示。EFD与治愈率和副作用发生率有关。,体外冲击波能量等级（mJ/mm2） 低能量冲击波 0.08
7、中能量冲击波 0.28 高能量冲击波 0.60 临床上，用中低能量冲击波产生的生物学效应治疗骨肌疾病。,体外冲击波的作用机制,1、空化效应空化效应：冲击波作用组织时，人体组织内气泡内气体以极快速度膨胀。气泡在崩溃时产生高速微喷射现象，微喷射速率达400800m/s，这比气泡崩溃更具破坏性。ESW与气泡相互作用产生气泡崩溃和微喷射现象。空化效应引起组织损伤的破坏性作用，局部微毛细血管的破裂，血液和细胞介质如胶原酶1的漏出，刺激新生血管生成并可提高固体物质溶解的速度。空化效应还使生物组织产生自由基而使其受损。空化效应是冲击波独有的特性，它有利于疏通闭塞的微细血管，松解关节组织的粘连。,2、应力效应
8、冲击波在组织细胞表面产生拉应力、压应力和剪切应力。而应力在骨的生长、吸收和重建中起重要调节作用。大量研究表明，骨处于生理范围内的高应力时，骨改建以骨形成为主；而低应力时，则导致骨质疏松。骨组织在交变应力作用下将出现轻微的损伤，表现为显微裂纹。Frost（1988）认为，交变应力产生的显微裂纹是诱导骨改建的主要原因。,体外冲击波的作用机制,3、压电效应骨生物电主要表现为机械应力作用下产生的压电效应和流动电位。压电效应：骨基质中的胶原和蛋白多糖等非对称性物质在压力作用下发生形变，其表面静止的正负电荷被极化，从而在物质两端形成电位差，表现为压电效应。流动电位：在应力等因素作用下，流体发生流动就会产生
9、流动电位。,体外冲击波的作用机制,ESW作为一种机械力作用于骨组织后，首先增加骨组织应力，产生极化电位，引起压电效应，这种压电效应对骨组织的影响与ESW的能量大小有关。许多研究发现，高能量的ESW可以引起骨骼骨折，低能量的ESW可以刺激骨的生成 。,体外冲击波的作用机制,ESW在治疗剂量下对细胞的影响一般是可逆的。但随着冲击次数和剂量增加，有约595%的细胞完全变为碎片，即杀细胞效应。ESW作用于组织时产生的自由基对细胞也有非特异性杀伤作用。,镇痛效应,1. 冲击波对轴突进行强刺激可以产生镇痛作用。神经系统的这种反应方式被称为“门控”，是通过激发无髓鞘C纤维和A-纤维启动镇痛作用。2.提高痛域
10、来使疼痛减轻 3.松解粘连,体外冲击波的作用机制,代谢激活效应ESW可以促进局部血液循环，加速组织新陈代谢，促进损伤组织愈合。,体外冲击波的作用机制,时间依赖性和积累效应,动物实验表明：ESW对骨痂形成量、骨皮质增厚及致密度的影响存在时间依赖性。临床观察发现：疼痛治疗效果与ESWT时间有正相关性。,体外冲击波的作用机制,冲击波治疗骨肌疾病的原理,（一）体外冲击波治疗骨组织疾病 体外冲击波使骨病部位硬化骨与正常骨之间产生能量梯度差及扭拉力，造成骨病部位微骨折，微骨片具有良好的诱导成骨作用，启动骨愈合。 ESW的空化效应通过下列机制发挥治疗作用：促进血管增生，改善局部循环，引发骨组织内微损伤而诱导
11、新骨形成。ESW对骨组织效应具有剂量依赖性、可饱和性。,体外冲击波促进成骨活性因子表达缺氧诱导因子-1（HIF-1）：是信号转导的关键成分之一，也是血管再生和重建的重要物质。血管内皮生长因子（VEGF）：促进骨形成和塑形。骨形态发生蛋白（BMP）：加强诱导成骨作用，促进骨痂形成，加速骨折愈合。转化生长因子- (TGF-)：调节ALP、型胶原及其他组织特殊蛋白质的表达，促进成骨。核结合因子-1 （CBF- 1 ）：是成骨细胞分化及其功能调控的核心因子。,（二）治疗肌腱组织疾病肌腱组织中，腱细胞是主要的细胞成分，是一种特殊的成纤维细胞。研究表明，肌腱的愈合有以下主要生长因子参与：转化生长因子- (
12、TGF-) 成纤维细胞生长因子（FGF） 血小板衍生生长因子（PDGF）；ESW作用肌腱组织，刺激上述因子表达，诱导产生新生血管内皮细胞，促进组织内新生血管形成，促进组织修复。,正常肌腱结构,胶原纤维丝,胶原纤维,初级纤维束,三级纤维束,肌腱变性,胶原纤维异常排列,再生过程,（三）冲击波治疗慢性疼痛1、释放更多的P物质：冲击波一方面促使P物质释放起到镇痛效果，另一方面促进血管扩张，促进血循环减轻疼痛。2、抑制环氧化酶（COX-）活性。3、刺激神经纤维：冲击波增强神经纤维刺激，从而阻止疼痛，加强止痛效果。,冲击波治疗适应证和禁忌证,（一）适应证1、骨组织疾病：骨折延迟愈合、骨折不连接、成人中早期
13、股骨头缺血性坏死（ANFH）。2、软组织慢性损伤性疾病：肩峰下滑囊炎、肱二头肌长头腱炎、钙化性冈上肌腱炎、肱骨内外上髁炎、网球肘、弹响髋、跳跃膝（胫骨结节骨骺骨软骨炎）、跟痛症、髌骨腱炎、冈上肌腱综合症、Haglunds外生性骨疣等。,文献报道有效,足底筋膜炎，网球肘，腱鞘炎，棘上韧带炎，髂嵴炎 钙化腱鞘炎，肩周炎，颈椎病，椎间盘突出症 骨膜炎，老年性关节炎 骨折愈合 ，股骨头缺血坏死 盆腔炎，前列腺炎,（二）禁忌证全身因素：严重心脏病、心律失常、高血压；安装心脏起搏器者、出血性疾病及凝血功能障碍者、使用抗免疫药剂、各类肿瘤患者、血栓形成患者、孕妇。局部因素：局部感染及破溃、肌腱及筋膜急性损伤
14、、关节渗漏液患者、冲击波焦点位于脑和脊髓、冲击波焦点位于肺、冲击波焦点位于大血管及重要神经干、萎缩及感染性骨不连、大段缺损性骨不连。,副作用及应当采取的措施,冲击波已长期用来进行体外碎石，国内外尚无 严重副作用的报道。 可能出现的不良反应： 疼痛感加重，一般是一过性的，可以自愈。 治疗部位红肿加重或出现皮肤红肿、充血、水泡。 处理：密切患者反应，随时记录不良反应，不良反应出现后停止治疗，做出相应的局部治疗。,体外冲击波治疗进展,体外冲击波对骨质疏松的影响1、目 的探讨体外冲击波是否诱导骨质疏松部位新骨形成。 2、资料与方法6只雌性中华山羊，双侧卵巢切除前X线检查股骨远端和胫骨近端骺板闭合，确认
15、骨骼已经发育成熟。去势6月后，经量化CT(pQCT)对骨小梁丰富的跟骨、桡骨远端和股骨髁BMD进行测量。在左肢的跟骨、远端桡骨、股骨髁进行体外冲击波治疗：4hz，6000次，能量密度0. 50mj/mm2，每月一次，连续治疗9个月，非治疗右侧为对照。,山羊股骨髁使用体外冲击波治疗,治疗9个月后，评定BMD骨微结构动态组织形态测量指数。,治疗前，跟骨和胫骨远端小梁BMD出现中度减少，分别为7.06%和9.03%，P0.01。治疗9个月后，跟骨平均骨小梁BMD增加2.90%（中度），非治疗侧BMD较实验前又减少1.21%。治疗侧远端桡骨平均骨小梁BMD减少5.11%，而非治疗侧BMD减少7.27%，P0.063；治疗侧股骨髁骨小梁BMD与非治疗侧的比较没有差异。体外冲击波治疗区域的骨矿物沉积率（MAR）持续高于对照侧。,结 果,骨小梁BMD测量（pQCT）,跟骨周围量化CT：观察内容在ESWT接触点以下10mm处。,
