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1、液电效应在体外碎石方面的应用分析作者：牛一博摘要本文叙述了液电效应的原理，介绍了体外碎石的发展历史和应用现状，以及 分析了液电效应在体外碎石方面的应用。通过对水中脉冲放电进行实验分析进而 得出放电时的电压、电流和压力的关系，分析了液电冲击波电极电弧放电的三个 过程，得出了关于液电效应如何更好的应用在体外碎石方面的结论。关键词：液电效应；体外碎石；电弧放电；AbstractThis paper describes the principle of electro-hydraulic effect, introduces the development history and applicatio
2、n status of in vitro rubble, and analyzes the application of electro-hydraulic effect in vitro rubble. Experimental analysis is carried out by pulsed discharge in water and then draws the voltage, current and pressure discharge. It analyzes the three phases of the electro hydraulic shock wave arc di
3、scharge electrodes and concludes that the application to electro-hydraulic effect better in vitro rubble aspects.Key words: electro-hydraulic effect; vitro rubble; arc discharge;目录摘要IAbstract I目录II1 体外碎石11.1 体外冲击波碎石机11.2 体外冲击波碎石机的分类及比较 11.3 碎石机定位系统类型 21.4 碎石机的充放电回路 22 液电效应的应用32.1 液电效应原理 32.2 液电式 ESW
4、L 的机理33 水中脉冲电晕放电实验43.1 高速摄影 43.2 电磁兼容控制 53.3 测量技术 54 液电冲击波电极电弧放电过程分析64.1 水间隙击穿接通 74.2 电容器电能向水间隙通道电弧放电 74.3 放电后期的汽泡脉动阶段 75 液电冲击波的均一性分析7结论 8参考文献91 体外碎石1.1 体外冲击波碎石机体外冲击波破碎机（ESWL）的优点在于它的治疗过程基本是非侵人性的， 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。体外碎石机的发明源自一个意外现象的启示。六十年代初，西德道尼尔航空 公司的科技人员发现当雨滴落在超音速飞行的飞机上时，
5、反弹的压强（可达 16000MPa）可产生一种冲击波，并会传播到离原撞击点很远的地方使其产生裂 缝，使飞机内部的器件受损，而飞机的外壳却完好无损。这一现象引起了物理学 家的重视。1963 年，该公司成立了冲击波研究室。 1969 年，联邦德国道尼尔 （Domier）开始研制体外冲击波碎石机，1980年，第一台体外冲击波碎石机应用于 临床，使尿石症的非手术治疗成为可能，成为八十年代医疗技术的一项重大突破， 成为泌尿外科学发展的里程碑。现在，冲击波碎石术是目前临床上常用的远程碎 石技术【3】。1.2 体外冲击波碎石机的分类及比较体外冲击波碎石设备的开发是基于一个假设，它是基于在人体组织内的声音 特
6、性类似于在水中的声音特性【4】。这类仪器按其震波源的不同一般分为三种：液 电式、电磁式和压电式。液电式应用较早，于1980年2月2日在德国慕尼黑首次使用于临床。这种 碎石机是用水下电极的尖端通过瞬间高压放电产生冲击波，毫微秒级的强脉冲放 电产生的液电效应，冲击波经半椭圆球反射体聚焦后，通过水的传播进入人体， 其能量作用于第二焦点，结石在冲击波的拉应力和压应力的多次联合作用下粉 碎。压电式是由许多安装在约50cm球冠上的陶瓷晶体元件，在电脉冲作用下产 生压电效应，使晶体快速变形产生机械振动，即电效应转变为机械效应，振动产 生冲击波到达球心聚焦进行碎石。电磁式碎石机是通过高压电容器对一个线圈放电，
7、放电产生的脉冲电流形成 一很强的脉冲磁场，引起机械振动并在介质中形成冲击波，经声透镜聚焦得到增 强而粉碎结石。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。从碎石效果来看，液电式产生的能量较强，可调范围大，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
8、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。1.3碎石机定位系统类型X线定位与B超定位：这两种方式各有优缺点，可以互为补充。采用联合 定位的碎石机兼有X线及B超两种定位系统，具备了上述两种方法的优点。不 论阳性或阴性结石，不论肾及各段输尿管结石都可定位，还可以实时监测结石动 态及其粉碎过程，因此可以提高碎石治疗水平，但是双定
9、位系统碎石机成本会高 很多。1) X线定位机型：因为尿石症患者中绝大部分为阳性结石(占95%以上)， 这种机型相对于结石定位来说是一种保险型的碎石机，定位方便简捷。在B超 无法定位的情况下，X线定位系统能发挥作用，帮助准确定位碎石，且可以在碎 石过程中实施跟踪碎石效果以决定医生的判断力并制定术中治疗方案。由于X 线具一定的辐射性对医院碎石的要求管理严格，其成本高于其他碎石机型。目前 国际公认的唯一金标准碎石机DORNIER HM3型X线定位碎石机。2) B超定位机型：B超定位方式的碎石机又分为B超上置式与下置式定位， B超上置式定位相对来说要比下置式的要好操作一点，上置式定位可以随意改变 患者
10、体位而达到定位目的,C臂定位的碎石机B超探头犹如拿在操作医师手中一 样方便。B超定位碎石机对输尿管中、下段结石难以定位，且耗时。特别对结石 过大的肾结石要慎用，一旦结石破碎后落入输尿管时中则要改用其他方法来处理 或者再到X定位的碎石机上寻找结石来再次行碎石治疗。其机型简单而成本低， 对碎石室安装要求不高，一般在小型的医院使用更加方便经济。1.4 碎石机的充放电回路无论是液电式、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1 微秒左右放电电流达几千毫安。放电电路见图 1。图 1 碎石机的充放电回路此电路分充电电路和放电电路两部分，交流电经调压路 T1 调压后经变压器 T2升压，
11、电压可达几千伏至十几千伏，经整流后向电容器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 的冲击波形，放电时间要求在 1 微秒以内。冲击波的能量取决于充电电压和电容 的值，因各种碎石机的电容在0.3到1.0微法之间，变化不大，但能量与电压的 平方成正比 , 所以能量的高低主要取决于高压，电压越高，能量越大，焦点处 冲击波压强也越大 , 结石就越容易粉碎。但太大的能量容易给患者造成损伤 , 因此碎石机均向低能高效、低副作用的方向发展。2 液电效应的应用2.1 液电效应原理高压强电场通过液体，由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内，使通道中的 液体就迅速汽化、
12、膨胀并引起爆炸，这就是所谓的液电效应。在高压强电场作用下，电极间液体中的电子被加速，并电离电极附近的液体 分子。液体中被电离出的电子被电极间强电场加速电离出更多的电子，形成电子 雪崩。在液体分子被电离的区域形成等离子体通道。随着电离区域的扩展，在电 极间形成放电通道，液体被击穿。放电通道产生后，由于放电电阻很小，将产生 几十千安的放电电流。放电电流加热通道周围液体，使液体汽化并迅速向外膨胀。 迅速膨胀的气腔外沿在水介质中产生强大的冲击波。冲击波随放电电流和放电 时间的不同，以冲量或者冲击压力的方式作用于周围介质。2.2液电式ESWL的机理液电式ESWL的出现在众多机型中出现的最早，目前的应用也
13、最普及，它 的机理是：水下由旋转椭圆面的一个几何焦点F1处发出球面冲击波，经过旋转 椭圆面反射体的一个对称片段面的反射，其反射波的收敛部分的另一焦点F2附 近聚焦，形成高压区而粉碎结石，如图2所示。Y1C1图2冲击波聚焦实验示意图液电式ESWL中的冲击波经反射后出现的负压力随着聚焦而加强,可高达-4 到-10MPa。流体中的负压力即拉力，较大的负压在水中将导致空化。水中冲击 波反射聚焦时出现空化是不可避免的。并且高频和低频的冲击波，空化是不同的 。空化理论也指出：由于空化核存在的影响因素很多，即使很纯净的液体，在 压力变化的同时一样会发生空化现象，二者是一致的。另外，空化形成的气泡在 液体与组
14、织界面处溃灭时产生射流，其速度最大值可达到120m/s，腐蚀力很大。 如果冲击波之间的相互作用和气泡都参与到石头的摧毁过程中，就会导致产生气 泡的拉伸波和为了最好的相互作用而塌陷气泡的正压波在空间和时间上的限制 。3 水中脉冲电晕放电实验实验中，我们要采集放电的电压电流波形、压力波形以及放电产生的气泡运 动过程。根据实验室的设备情况，我们搭建了图3所示的系统。其中，储能电容 为3.96uF或12.00uF，放电开关为三间隙触发开关。电极为尖-尖、尖-板、同轴 构造。电阻分压器（分压比为151.2： 1）接在放电电极之间，示波器探头接分压 器低压臂两端，用于采取放电电压波形。用0.10的电阻采样
15、电流波形；水听器 采集放电形成产生压力波的波形。高速摄影系统采用GSJ转镜式高速相机和德 国产Pentazet35型相机，最高拍摄频率分别为250万幅/秒和4万幅/秒。在放电 水箱的左右及后侧个放置一个闪光灯。图3试验测量系统示意图3.1 高速摄影GSJ转镜式高速相机拍摄的每两幅画面之间的最小时间间隔为0.4“ s。相机 采用400度彩色普通胶片。镜头与电极的距离为26cm。摄影前先按照表1调转 镜初始角度。拍摄时，控制器向转镜控制电机发送一个信号，用于控制电机速度。 当电机速度达到预设值时，向控制器发回一个反馈信号。此时按下触发开关，摄 影仪快门打开，转镜开始旋转，控制器发出一个1万伏的脉冲信号，触发三个闪 光灯（WY-8万次闪光灯）；控制器同时发出一个峰值为60伏的脉冲信号，用于 触发主放电回路。表 1 各种情况下转镜的初始角度拍摄频率 （万幅/秒）1050250初始角度（度）正咼压173178221负高压175180245Pentazet35型高速相机最高拍摄频率为4万幅/秒。拍摄时采用长度超过6m 的专业底片。镜头与电极的距离要超过lm。拍摄时的原理图与图3的区别为： 闪光灯为1300W的新闻灯，相机无反馈信号，发往火花开关控制模块的为一个 闭合信号。拍摄时，先启动相机的电机，同时打开闪光灯，延时1.00秒后离合 器闭合，底片开始转动。再
