冲击波为何能体外碎石？

温脑

What Are Shock Waves?Cite this chapter
Loske, A.M. (2010). What Are Shock Waves?. In: Rao, N., Preminger, G., Kavanagh, J. (eds) Urinary Tract Stone Disease. Springer, London. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-362-0_22

什么是冲击波？

体外冲击波碎石术 (SWL) 已成为肾脏或输尿管结石患者的主要无创治疗方式。鉴于此，所有泌尿科医生都必须具备冲击波的基本知识，以便他们可以进行更安全、更有效的 SWL 治疗。不幸的是，大多数关于冲击波物理学的文献都是高度专业化的。考虑到这一点，本章的目的是提供一个易于理解的碎石冲击波是什么的描述。本章也可作为从事非泌尿外科冲击波碎石术或冲击波在医学中的其他临床和实验应用的医生的指南。冲击波碎石背后的物理学是一个相当大的学科，

受体外冲击波碎石术 (SWL) 成功的推动，水下冲击波在过去 25 年中一直是大量研究的主题。冲击波的研究属于声学领域，是一个有趣而广泛的领域，在物理学、工程学、生物学、医学、建筑学、航空学、音乐学、噪声控制等诸多领域都有应用。一般来说，描述冲击波物理学的文献是高度专业化的，没有扎实的物理学背景的读者很难理解。1本章的目的是对冲击波及其在医学领域的应用提供有用且易于理解的描述。

本章也可能对从事冲击波在医学中的其他临床和实验应用的医生有用，如非泌尿外科 SWL、2-4冲击波的骨科应用、5、6难治性心绞痛的治疗、佩罗尼氏症的可能治疗疾病、7、8细胞转染、肿瘤治疗、9-12血栓消融、13和用冲击波灭活细菌。2波

区分两种主要类型的波很重要：机械波和电磁波。电磁波——例如光、激光波、无线电和电视信号、微波和 X 射线——不需要介质来传播。在这种情况下，所谓的“电场”和“磁场”在垂直于波传播方向的平面内振荡。由于冲击波不属于这一类，本章将不再提供有关电磁波的信息。2.1机械波

所有机械波都是由一个源产生的，它会在介质中引起干扰。正是这种通过介质传播的扰动被称为“波”（图22.1）。与电磁波不同，机械波需要介质进行传播，不能在真空中传播。这本质上是因为机械波是由构成介质的分子的振动组成的。这些振动在整个介质中传播，能量从一个分子转移到下一个分子。重要的是要注意，波携带能量 - 不是物质 - 远距离。单个粒子（分子）振荡一小段距离，但不随波传播。此外，当波在介质中移动时，会因摩擦而损失能量。通常，波的压力“幅度”随着行进距离的增加而减小。

图 22.1

穿过介质的机械扰动示意图。波将能量从源传输到接收器

机械波的例子有冲击波、声音、振动、地震波、水波和超声波。机械波可以被认为是有用的或无用的。非常有用的机械波是语音和音乐，而空气中通常无用的声波称为“噪音”。许多振动也被认为是无用的，甚至是危险的。在大多数情况下，有用和无用的波都会出现。2.2横波

根据分子执行的运动类型，机械波进一步分为两组：横波 和纵波 。在横波中，粒子的运动垂直于波的传播。这很容易想象，通过想象一个漂浮的物体，而所谓的“表面”波经过（图22.2）。另一个例子是在弦上传播的波的情况。横波有时被称为剪切波。

图 22.2

一艘在引擎关闭的情况下漂浮在海洋上的船垂直于经过的波浪移动。粒子总是垂直于横波的传播方向运动

2.3纵波

在纵波中，所有粒子都平行于传播方向振荡。它们也被称为压缩波。一个众所周知的例子是当波沿其长度行进时弹簧段的压缩（和稀疏）。由空气密度变化产生的声音也是一种纵波（图22.3）。在空间的特定点，“声音”是介质压力在稳态值附近的快速变化。例如，该稳态压力可以是大气压力或流体静压（由高于某个参考点的液体高度引起的压力）。由于物质的所有状态都可以被压缩，纵波在固体、液体和气体中传播。重要的是要记住，介质的单个粒子只是局部位移。从源头一直传播到接收器的唯一东西是波本身。波速，简称声速 或波传播速度，取决于介质的密度、弹性和温度。固体介质中的传播速度比液体介质中的高得多，因为单个分子之间的恢复力在固体中要高得多。此外，在更高的温度下，分子移动得更快并且更频繁地相互碰撞。因此，人们发现随着介质温度的升高，机械波传播得更快。例如，0°C 纯水中的声速约为 1,400 m/s，而 30°C 时的声速约为 1,510 m/s。

图 22.3

纵波的特征在于介质的稀疏和压缩的传播。粒子的振动平行于波传播方向，不会从发射器传输到接收器

2.4一些定义

物理学中有几种定义来描述波的特性。任何医生都必须清楚地区分这些定义，因为它们可能经常出现在治疗方案、设备规格和科学文章中。如果将一个小的球形物体掉入水池中，圆形波纹会从物体撞击水的位置向外传播。特定波纹上处于相同运动状态的所有点都位于称为波前的表面上 。可以想象垂直于波前绘制的线；这些被称为射线，通常用于显示波在传播时的路径（图22.4）。波浪可以在一维、二维和三个维度上传播。对于医学应用，三维波传播的研究是最重要的。在三个维度上，可以想象具有球形的波前，相关的射线是径向线。

图 22.4

在液体中传播的圆周表面波示意图。每个圆圈对应一个波峰。波长可以通过测量两个连续波峰之间的距离来确定。射线是表示传播方向的假想线。它们垂直于波前绘制。在该图中，光线是径向定向的，远离光源

波长定义为两个连续波峰或两个连续波谷之间的 距离（图22.4）。两个连续波峰或波谷经过的时间间隔称为周期。一些教科书还将周期定义为波浪完成一个周期所需的时间 （图22.5）。幅度 定义为高度波，通常从基线到最高（或最低）值测量。幅度可以指水波静止高度以上的水波的实际高度或压力幅度（即，高度压缩区域中的压力与某些指定的基线压力之间的差异）。

图 22.5

压力随时间变化的图表，显示当纵波通过空间中的某个点时压力如何变化。这种压力变化的正弦形状不应与穿过空间的横波混淆。该图提供了有关压力如何随时间变化的信息

用于描述波的一个众所周知的参数是它的频率—— 这是在 1 秒内经过某个位置的周期数——以赫兹 (Hz) 为单位。换句话说，频率提供了有关 1 秒内发生多少波长的信息。一个可能有点难以想象的概念是频谱 。事实上，所有的波，即使是非周期波，都可以通过一系列不同频率和幅度的谐波叠加而成（图22.6）。一种数学技术，称为傅立叶分析, 用于计算必须添加以合成所需波形的谐波 ( w 1 , w 2 , w 3 ...) 的频率、幅度和相位。描述非周期波所需的谐波数量取决于波的轮廓。正弦波是周期性的（和谐波），并且只有一个与之相关的基频。碎石机冲击波是一个单一的高压峰，起始陡峭，逐渐下降到压力谷，是非周期性的，可以想象为由大量不同频率的波组成。

图 22.6

任何波都可以想象为一定数量的谐波（w 1，w 2，w 3 ...）的叠加，具有特定的频率和幅度。只有两个谐波的总和 ( w 1 + w 2 ) 是 ( a )中所示方波的不良表示。再添加一个谐波 ( w 1 + w 2 + w 3 ) 改进了结果 ( b）。原始轮廓与谐波总和之间的相似性随着谐波数量的增加而增加。有必要绘制大量具有足够幅度和波长的谐波的总和，以充分表示方波波的功率 （以瓦特 (W) 为单位）定义为波在特定时间间隔内传输的能量。此外，每单位面积（即每平方米）由波传递的功率称为强度 。强度的标准单位是瓦特每平方米（W/m 2）。由于从点源发出的能量向各个方向扩散，其强度将随着距源的径向距离而减小。波的强度与其振幅的平方成正比。由于声强的测量值范围很广，因此通常使用对数刻度。声强通常相对于参考，听力阈值给出：I o = 10 -12 W/m 2。声级定义为 10 log ( I / I 0 )，其中I是声级对应的强度，以 W/m 2为单位。声级以分贝表示（D b）。冲击波在从一种介质传播到另一种介质时会发生折射和反射。当冲击波进入患者体内时会发生折射。与声波反射有关的一个重要定义 是介质的特定声阻抗，或简称为声阻抗。声阻抗测量波通过某种材料传播的难易程度。对于平面波，阻抗只是介质密度和波速的乘积。3冲击波

一般来说，声音这个词用来描述我们的听觉系统能够检测到的频率和强度范围内的波（大约 20 Hz-20 kHz）。然而，声学科学还包括对我们听不到的波的研究（图22.7）。频率低于我们耳朵频率极限的声波称为次声波 。超声波 是指频率高于我们听力范围的波。冲击波有时被称为超声波或爆炸性超声波波，因为它们与超声波有一些共同的特性。尽管存在相似之处，但不应将冲击波与诊断成像系统或治疗应用（例如高强度聚焦超声和聚焦超声手术）中使用的超声类型混淆。例如，碎石机冲击波产生的压力幅度可以高达诊断超声中使用的波的压力幅度的 75 倍。

图 22.7

压力随时间变化的谐波曲线图。根据频率，声波可分为次声、声波或超声波

冲击波是通过三维空间传播的瞬时压力变化。它们是在相对较小的空间内快速释放大量能量的结果。冲击波或冲击波 与声波（仅由微小的压力变化组成）的不同之处在于它们可以以与普通声波完全不同的方式传播。一个例子是雷暴期间闪电后的声爆。初始冲击波压力随着波的扩展而衰减，直到它退化为声波。这是不可避免的，因为必须将固定数量的能量分散到不断增加的体积上。爆炸物的爆炸和超音速飞机的通过也是冲击波产生的众所周知的例子（图22.8）。冲击波可以在所有物质状态下产生。通常不可能看到冲击波；然而，使用合适的光学仪器可以使冲击波可见。

图 22.8

超音速飞机以大于音速的速度移动时产生的激波前沿示意图。飞机飞行距离d（从点 1 到点 4）与点 1 产生的波传播距离r所需的时间相同。产生的三维压力波的包络线是一个三维圆锥。它的角度取决于飞机的速度

3.1碎石机冲击波

3.1.1冲击波发生器

体外冲击波碎石机由冲击波头（冲击波源）、治疗台和定位系统（同轴或横向超声成像系统和/或等中心 C 臂荧光镜）组成。本章的目的不是描述冲击波发生器的细节；但是，了解有关其工作原理的一些信息有助于更好地了解碎石机冲击波是什么。有关体外碎石机的更多信息，请参阅文献。17 – 19目前，市场上主要有三种冲击波产生技术：电液、压电和电磁（图22.9）。所有这些都在换能器内释放大量能量，并在患者体外产生冲击波。为了防止冲击波失去能量，需要使用透镜或反射器等聚焦装置。在电动液压碎石机中，冲击波由水下高压火花产生，该火花在两个电极之间放电（电弧位于椭圆形反射器的第一个焦点，见图22.9a）。等离子体的快速膨胀第一个焦点处的气泡会产生冲击波，该冲击波呈球形向外传播并从金属反射器反射。激波前沿集中在第二个焦点上。冲击波以类似于光波的方式从电液碎石机的反射器反射。这是因为在某些情况下，声音和光都遵循相同的反射定律。初级球面冲击波的低能量未聚焦部分将始终在患者体内传播。第一台火花隙碎石机由位于德国 Germering 的 Dornier Medizintechnik GmbH 制造。

图 22.9

三种不同冲击波产生原理的示意图。( a ) 电液碎石机通过金属椭球反射器的第一焦点处的水的电击穿产生冲击波。部分球面激波前沿被反射器反射并聚焦在第二个焦点上。( b ) 电磁碎石机通过移动位于充水冲击管底部的金属隔膜产生压力脉冲。磁力使膜被排斥，将机械能传递给水。由膜的突然运动引起的平坦压力波由声学透镜聚焦。冲击波仅在通过透镜后才形成。( c) 压电碎石机由一组安装在半球形碗形铝背衬上的压电晶体组成。同时向所有晶体施加高压脉冲会导致它们快速膨胀，从而在水中产生压力波。冲击波在每个晶体形成的压力波叠加后到达焦点

三种不同的电磁系统正在使用中。由德国 Erlangen 的 Siemens GmbH 设计的经典冲击波头通过移动放置在充满水的冲击管中的圆形金属隔膜来产生压力脉冲（图22.9b）。高压脉冲通过放置在隔膜后面的线圈发送，使其被排斥。透镜聚焦脉冲，迫使其压力曲线变陡，迅速将脉冲转化为冲击波。使用充满水的垫子将冲击波耦合到患者身上。第二种电磁冲击波发生器（图22.9中未显示）)，使用圆柱形线圈产生圆柱形波，该圆柱形波被抛物面反射器反射并转换为球面聚焦的冲击波。这种由位于瑞士克罗伊茨林根的 Storz Medical AG 制造的冲击波发生器也非常成功。20 , 21利用这种冲击波产生原理，制造商还开发了一种冲击波头，即使在治疗期间，用户也可以改变焦点大小。第三种电磁冲击波发生器，西新医疗器械有限公司生产（图22.9中未显示）)，是一种自聚焦设计；它不使用透镜或反射器来集中冲击波能量。类似于压电碎石机，该发生器使用安装在球形背衬上的螺旋线圈。Richard Wolf GmbH 制造的压电冲击波发生器称为自聚焦。这些发生器通过激发压电陶瓷晶体在水中产生冲击波。晶体排列在球形金属盘的凹面上，当它们暴露于放电时会突然膨胀（图22.9c）。晶体的突然位移产生压力波，大部分能量集中在发生器的中心。具有两层压电元件的相对较小的压电冲击波头已经可用。3.1.2冲击波的形成

火花隙产生的冲击波在电能释放后几乎立即形成。相比之下，电磁和压电碎石机会产生强烈的压缩力，当它们在液体中传播时会退化成冲击波。在压电碎石机中，当由压电换能器产生的压力脉冲向焦点传播时，会产生冲击波。在电磁系统中，冲击波在穿过透镜后发展。在低能量设置下，一些碎石机根本不产生冲击波（尽管任何体外碎石机脉冲通常称为冲击波以表示脉冲的高振幅）。回想一下，机械波的速度随着介质密度的增加而增加。随着冲击波的传播，它们会瞬时导致介质变得更密集。对于小的压力幅度，声波的每个部分都以相同的速度传播——传播速度；但是，如果压力差很大，则所有点的声速都不相同。在体外碎石机中，由于包含在冲击波头内的流体的突然压缩，最初形成了一个大的正压脉冲。这种压缩脉冲在穿过介质时会发生畸变。这是因为波的高压部分比低压部分传播得更快。随着高压部分的传播速度加快，它们会增加波前的压力，从而推动波剖面向前。随着这种情况的继续，震荡前沿 ，形成。当压力分布不再进一步堆积时，压缩脉冲完全转变为冲击波（图22.10）。在这个阶段，沿激波前沿的压力和密度在很短的区域内变化很大。碎石机冲击波前的波前厚度小于 1 毫米。通常整个压力分布称为冲击波。然而，冲击这个词应该只用于第一次快速压力上升。形式上，只有急剧的正压跳跃才令人震惊。冲击波锋可以有不同的幅度和宽度。冲击剖面的陡峭程度取决于特定的碎石机。

图 22.10

作为距离函数的压力简化图，解释了冲击的形成。如果具有高压的声波在介质中传播，则高压部分比低压部分传播得更快（a），从而扭曲了波的形状（b）。行进一定距离后，形成激波锋（c）

3.1.3描述碎石机冲击波的参数

国际上普遍认为，描述医疗应用冲击波的最重要参数是（图22.11）：最大正压 ( p + )、最大负压 ( p - )、上升时间 ( t r )、全宽- 半最大值 (FWHM)、能量通量密度 (EFD) 和焦点能量。

图 22.11

压力随时间变化的图表，显示了定义碎石机冲击波的最重要参数：FWHM全宽半最大值，t r = 上升时间，t e = 用于计算冲击“总能量”的时间波，p + = 正最大压力，p - = 负最大压力

正最大压力（p +）定义为冲击波的最大正压力与环境压力之间的压力差。以类似的方式，最大负压( p - ) 是在冲击波的拉伸阶段发现的最大负压。p -的幅度可能高达p +的 20% 。压力从p +的 10% 上升到 90% 所需的时间定义为上升时间( t r )。对于碎石机冲击波，t r具有令人难以置信的小于 5 ns（十亿分之五秒）的值。压力第一次达到p +的 50%和第一次低于 50% 之间的时间间隔（图22.11），就是所谓的半峰全宽（FWHM）。该持续时间在大约 0.2 到 0.5 μs 之间变化。碎石机的动态焦点、焦点区域 或 - 6 dB 焦点区域定义为在任何点，正压峰值幅度等于或高于p +的 50% 的体积. 这个体积的大小取决于冲击波的产生和聚焦机制，以及电压设置。它被称为 -6 dB 焦点区域，因为 -6 dB 相当于 50%。该定义在制造商中广泛使用；但是，它通常不能为医疗应用提供足够的信息。人们对焦点体积中包含的能量知之甚少，因此，人们对碎石机的碎石效率知之甚少。鉴于此，定义了一个更方便的参数来描述冲击波发生器的性能：治疗区 或5 MPa 焦点 。如图所示。22.12，处理区是其内任何点的压力等于或大于 5 MPa 的体积。17使用 5 MPa 的数字是因为它已被确定为（由德国冲击波碎石学会）作为医学上有效的最低压力。前面提到的两个焦点体积都具有椭圆雪茄的形状。一个值得注意的区别是，-6 dB 焦点区域取决于相对压力测量值，而必须使用校准（即绝对）测量值来设置 5 MPa 焦点的限制。

图 22.12

体外碎石机焦点附近压力与距离的函数关系图。比较 -6 dB 焦点和 5 MPa 处理区

在 SWL 应用中证明有用的另一个定义是能量密度或能量通量密度(EFD)。这被定义为每个冲击波通过 1 mm 2区域传输的能量。它不应与每个释放的冲击波的总声能混淆，后者是整个光束轮廓的所有能量密度的总和乘以光束轮廓的面积。如果在计算能量密度时只考虑冲击波的正相位，则将 EFD 称为正EFD。3.1.4冲击波压力剖面

在焦点区，体外碎石机产生具有极快压力变化的强声场。准确记录这样一个字段并不容易（图22.13）。对持续时间为 1 μs 或更短且上升时间约为 5 ns 的冲击波进行准确的压力测量需要一个响应速度非常快的压力计。如今，在 SWL 中进行压力测量最方便的仪器是光纤水听器25和光点水听器。26光纤水听器在 1998 年被推荐为测量标准。

图 22.13

使用光纤水听器（FOPH 2000，RP Acoustics）在体外碎石机的焦点处记录的典型压力曲线。极短的正压上升之后是快速的压力下降和压力谷

碎石机焦点区域的压力脉冲由峰值压力在 30 和 150 MPa 之间的短压缩脉冲和随后的减压脉冲组成，有时称为负压峰值或拉伸阶段 。拉伸相通常具有高达 -20 MPa 的拉伸峰值和 2-20 μs 的相持续时间。碎石机冲击波可以在很宽的频率范围内产生，大约在 16 kHz 范围至大约 20 MHz 范围内。SWL 的治疗有效成分高于 200 kHz（图22.14）。大多数能量在大约 100 kHz 和 1 MHz 之间，峰值大约在 300 kHz。总脉冲能量能量密度在大约 10-100 mJ 27的范围内，能量密度 在大约 0.2 和 2.0 mJ/mm 2之间。所有碎石机的持续时间（即正峰和负峰之间的时间）相似。

图 22.14

与其他声学现象相比，显示人类听力范围和体外冲击波碎石术 (SWL) 的频谱

在 SWL 过程中，结石的破裂主要是由于剥落、气蚀、圆周挤压、超聚焦和疲劳。28 , 29这些机制中的大多数都是协同作用的，而不是独立的。多年来，已经提出了其他冲击波曲线，以便以最少的组织损伤改善结石碎裂。已经测试了使用复合反射器30或两个在其脉冲之间具有受控延迟的共焦电液碎石机。31结果表明，通过控制冲击波发射之间的延迟，可以增强结石粉碎或减少组织损伤。另一个众所周知的例子是串联冲击波（图 1）。22.15 )。为了理解这种交替压力分布的基础知识，回忆声空化的物理特性会很有帮助。32在 SWL 期间，结石附近的流体中包含的气泡被每个冲击波的正峰值压缩。随着拉伸相到达这些微气泡，它们的体积显着增加。几百微秒后，气泡剧烈坍塌，产生二次冲击波和高速微射流。33 , 34 Cathignol 研究了由两种不同的压力-时间冲击波形脉冲引起的空化效应之间的比较。图 22.15

压电串联碎石机焦点处的压力随时间变化的图表，显示为类似的冲击波（sw 1和sw 2），到达时间延迟 Δ t (delta t )

几位作者表明，如果在其稳定阶段后不久出现第二个冲击波，则空化气泡破裂的能量会增强。36 , 37第一次和第二次冲击波之间的时间延迟应该对应于第一次冲击波形成的气泡簇的破裂时间。这种称为串联 SWL 的碎石术仍在研究中。目前还没有临床结果报告。不应将串联 SWL 与双头SWL 混淆。双头碎石机，有时称为双脉冲碎石机，有两个独立的冲击波发生器。从理论的角度来看，双头碎石机具有有趣的优势，但尽管如此，它们并不是串联碎石机，因为它们产生的两个脉冲的延迟太长而无法增强气泡破裂。3.1.5冲击波衰减

尝试将超声波用于 SWL 的实验失败了，因为这些波在组织中高度衰减，并对组织造成一定的热损伤风险。38冲击波在通过组织传播时比超声波衰减更少。这是因为，在生物介质中，高频波比低频波被更多地吸收。由于冲击波的频率低于超声波，因此它们具有更高的穿透力。组织中的吸收高于水中。由于冲击波前包含高频，它比冲击波剖面的其他部分吸收得更快。在穿过组织几厘米后，冲击波的幅度减小，上升时间增加。尽管如此，冲击波的负相将几乎保持不变。一些研究表明，石头与皮肤的距离可以预测 SWL 的结果。39实际转化为机械能（可用于破坏肾结石的能量）的声能量取决于介质的声阻抗和冲击波的到达角。冲击波在水中的峰值压力衰减约为 10-20%，距离为 100 mm，而冲击波通过碎石机水垫膜的能量衰减约为 20%。此外，患者皮肤和水垫之间的不良耦合可能会增加冲击波衰减高达 50% 或更多。4结论

为了发现 SWL 技术的改进，在提高碎裂效率的同时减少肾损伤，全世界都进行了深入的研究。结石的位置、成分和充满液体的膨胀室的存在会影响 SWL 结果。冲击波能量、压力分布和焦点区域的形状，以及患者的定位和耦合也很重要。随着技术的发展，对于医生来说，具备基本的物理学知识变得越来越重要。所有碎石中心都应要求经过认证的技术人员进行广泛的培训，以保证良好的结果并防止过度治疗。什么是冲击波？对于大多数人来说，想象一个持续十分之一秒甚至百分之一秒的事件是可能的。然而，将发生在百万分之一秒内的事件可视化，远远超出了我们的能力。当碎石机冲击波以超过 1,500 m/s 的速度穿过水或组织时，压力会在十亿分之五秒内上升，并在百万分之几秒内恢复到其原始值。在十亿分之五秒的时间内，速度为 800 m/s 的枪支子弹只移动了大约千分之四毫米——这个距离太小了，需要显微镜才能看到！冲击波是一种不可思议的现象，用我们的感官完全无法想象。





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