體外衝擊波碎石機

通常由波源發生系統、定位系統、水系統、三維運動系統和輔助系統組成。

通過經過聚焦的具有高能量的壓力脈衝對結石的應力作用，引起結石的開裂和破碎。

衝擊波在發生形式上可以分成壓電式、液電式和電磁式。

產生的壓力脈衝波在患者體內碎石。

基本介紹

• 中文名：體外衝擊波碎石機
• 外文名：Extracorporeal shock wave lithotripter
• 基本功能：產生的壓力脈衝波在患者體內碎石
• 產品類別：Ⅲ類醫療器械

名稱舉例

體外引發碎石設備、衝擊波碎石機、電磁式體外衝擊波碎石機、液電式碎石設備、體內衝擊波碎石機。

適用範圍：

用於泌尿系（腎、輸尿管、膀胱）結石、膽囊結石的治療。

禁忌症：哺乳期婦女，經期女性，皮下出血病患者等。

體外衝擊波碎石機的基本組成

體外衝擊波碎石機主要由體外衝擊波發生源、衝擊波的觸發系統、衝擊波與人體的耦合、結石定位系統、計算機控制作業系統和治療床組成。

衝擊波發生源

衝擊波發生源是體外衝擊波碎石術的核心技術, 它決定著粉碎結石的效果、治療工作的效率及對患者身體的影響。

體外衝擊波碎石機根據其工作原理不同採用了以下幾種類型的衝擊波發生源：液電衝擊波源、壓電衝擊波源、電磁衝擊波源、雷射衝擊波源和微爆炸衝擊波源。後兩種衝擊波源由於技術不成熟，還處於發展階段。

衝擊波的觸發系統

衝擊波的觸發產生必須保證對患者各器官功能無損害，確保患者安全；同時又要使衝擊波進行有效衝擊，命中率高。衝擊波的觸發方式有五種：心電R 波觸發、呼吸觸發、呼吸與心電R波同步觸發、自動連續觸發和手動觸發。

衝擊波和人體間的耦合

衝擊波必須經由某種聲阻抗和人體組織聲阻抗相近的介質耦合無障礙地進入人體，以避免衝擊波在進入人體的界面處產生反射導致應力而傷害人體。理想的耦合介質為水。衝擊波和人體間的耦合方式有下列三種，水槽式、水盆式和水囊式。採用得最多的是水囊式， 用去氣軟水作為傳導介質， 並有水循環、去氣泡和加溫裝置以及耦合壓力控制模組。

結石定位系統

用於使結石和衝擊波聚焦焦點重合，要求結石圖像清晰,能方便迅速地尋找結石、準確地進行結石的定位並監測碎石的過程。衝擊波碎石機的定位方式有3 種:X 線定位、B 超定位和X 線/ B 超雙定位。X 線定位的特點是快速、方便、圖像清晰，缺點是有X 線輻射性損傷。B 超定位的特點是可以掃描到X 線透光結石, 不接觸X 線， 其缺點是B超的圖像解析度不高，難以定位中段輸尿管結石。為取長補短，有的碎石機中採用X線結合B超雙定位技術。

計算機控制作業系統

計算機控制結石定位，X 光曝光時間和劑量， 控制X 線圖像的數據採集、存儲,控制水處理系統(完成對水囊充水、排水、排氣、散熱等多種重要功能) 以及列印病例報告,監測整機運轉情況和安全性等。

治療床

體外衝擊波碎石機的治療床已從最初支撐患者用發展到多功能治療床。治療床可以上、下,左、右,前、後移動並能傾斜,還可作為泌尿檢查床或進行其他泌尿科治療操作使用。

體外衝擊波碎石的作用機理

衝擊波的特性

衝擊波發生源是體外衝擊波碎石機的心臟部分, 由其產生的衝擊波必須具備下列特性, 才能安全有效地進行體外衝擊波碎石術治療: ①攜帶足夠大的能量, 當它通過人體作用到結石上時, 它所產生的內應力必須超過結石的強度極限; ②要求在合適的介質中傳播, 耦合進入人體時的衰減比較小; ③具有很好的方向性, 即聚焦特性; ④能夠連續不斷地產生特性穩定的衝擊波壓力脈衝; ⑤對人體組織所產生的損傷應儘量小或者無損傷。

衝擊波的壓力波形

體外衝擊波碎石術使用的衝擊波必須具有陡峭的壓力前沿( < 0. 3μs～0. 5μs) ,窄的脈衝寬度( < 0. 3μs～0. 5μs) (6db)及相當高的壓力強度(30MPa～100 MPa) 。衝擊波的壓力波形在前沿迅速上升而在下降沿迅速下降, 其上升沿反映壓力從零到峰值所需的時間,影響在物質中傳播時形成的壓力梯度(dp /dr) ,決定著內應力的大小:前沿越陡,壓力梯度越大,內應力就越高,物質就越容易破碎。衝擊波的峰值壓力決定著它的強度、攜帶能量的大小,直接影響結石的破碎效果。

衝擊波的產生

衝擊波是由於物體的高速運動或爆炸而在介質中引起強烈壓縮並以超聲速度傳播的過程。由於發生源的不同, 衝擊波的產生原理也有一定差異。

3. 3. 1 液電衝擊波發生源它產生衝擊波的原理為電極在水中發生高壓火花放電。利用充電的高壓電容向放電電極送出所需的放電能量, 當電極在傳播介質水中放電時, 由於液電效應立即引起周圍水介質爆炸性地蒸發, 從而形成迅速膨脹的電漿而在周圍的液體中產生衝擊波。

3. 3. 2 電磁衝擊波發生源它產生衝擊波的原理是電磁感應。通過充電的高壓電容器對一個電感線圈放電, 產生的脈衝電流形成一個很強的脈衝磁場, 使線圈上覆蓋的振膜感應產生磁場, 振膜磁場與線圈磁場相互作用產生排斥力, 在水介質中振膜的另一面形成衝擊波。

3. 3. 3 壓電衝擊波發生源它產生衝擊波的原理是壓電效應。在球形盤的內表面安置許多個壓電晶體塊, 組成一系列壓電傳送器。每當壓電晶體塊上輸入高頻脈衝電壓時, 壓電晶體就發生變形,晶體的高頻變形引起周圍水介質產生衝擊波。

3. 3. 4 聚能雷射衝擊波發生源是由雷射源產生的雷射束經透鏡聚焦而產生。其原理可能是由於雷射束使電子從水分子上脫落, 形成電漿, 而電漿一旦形成即可使體積突然膨脹而撞擊周圍水介質,產生衝擊波。

3. 3. 5 微爆炸衝擊波發生源是利用微型炸藥爆炸產生衝擊波的裝置。其主要結構是一個內表面為半橢球形的衝擊波發生室,室內充滿水。於第一焦點處置衝擊波發生器,所產生的衝擊波同樣在半橢球反射體的第二焦點處聚焦。衝擊波發生器採用微型炸藥起爆。這種微型炸藥由人工從衝擊波反射室的開口部分插入,並由觸發裝置引爆。

衝擊波的傳播

當衝擊波在一種介質中傳播遇到另一種介質的界面時, 它的一部分被反射, 而另一部分則繼續向前傳播進入第二種介質。衝擊波只有在相同聲阻抗的介質中才能不衰減地直線傳播。因此, 為了避免衝擊波進入人體界面處產生反射導致應力而傷害人體, 就必須選擇一種聲阻抗和人體組織聲阻抗相近的傳導介質, 以便使衝擊波無障礙地進入人體。由於水的聲阻抗與人體軟組織基本相同, 所以理想的耦合介質為水。衝擊波和人體間的耦合方式有水槽式、水盆式和水囊式三種。水槽式、水盆式已被淘汰，採用最多的是水囊式,也稱乾式, 水密封於水囊中通過軟膠薄膜和凝膠介質與人體耦合接觸, 選擇軟膠薄膜和凝膠介質必須考慮其聲阻抗與人體組織的聲阻抗相似。為了使病人的體表同水囊接觸時不會因冷而產生不適感,水溫一般要控制在30 ℃以上。由於水中會溶解著一定的氣體,即使採用蒸餾水,也不能完全避免空氣的溶入,衝擊波在水中傳播時將產生空化作用, 水中會產生氣泡。氣泡將會使衝擊波在傳播過程中發生折射和散射, 導致能量衰減, 影響碎石效果。一些先進的碎石機帶有自動抽氣裝置,可在治療過程中始終保持囊內去氣狀態。為確保水囊與人體間以恆定的壓力安全耦合,還有耦合壓力控制模組。

衝擊波碎石的物理機理

3. 5. 1 應力作用由於結石和周圍組織的聲阻抗有明顯的不同, 衝擊波傳播到結石的前後界面時都產生反射。一般結石的聲阻抗都明顯大於周圍組織的聲阻抗, 衝擊波在結石前界面產生壓力作用, 而在後界面的反射產生張力作用。結石是一種脆性物質, 其抗壓強度約為1 ×104Pa , 而抗張強度僅為1 ×103Pa 。當衝擊波在結石前後界面產生的壓力和張力分別大於結石的抗壓強度和抗張強度,就可以便結石碎裂。此外,人體軟組織能夠承受更高的衝擊波壓力(即其抗張強度和抗壓強度遠大於結石) 而不致損傷。這就是衝擊波能碎石,又不致組織明顯受損的主要原因。

3. 5. 2 空化作用結石的內部結構常有許多孔隙,且在孔隙中充滿液體。若在液體中含有空化核, 則進入結石的衝擊波及界面的反射波就可能會激活空化核, 而產生空化現象。在空化過程的反覆作用下, 將會從破壞結石內部的基質開始並進而導致整個結石的疏鬆與碎裂。

3. 5. 3 結石粉碎的不同方式雖然結石粉碎的物理過程可能隨具體結石的成分、體積、結構的差異而有所不同, 但現已確定, 體外衝擊波碎石中結石破壞有三種截然不同的方式。它們包括: 結石前界面直接面臨入射衝擊波的表層剝蝕性破壞; 結石後界面衝擊波出波位置處的剝落性破壞; 結石內部相鄰層面的層狀剝離性破壞。結石前界面的表層剝蝕性破壞是由體外衝擊波碎石的空化作用所致。入射波誘發氣泡簇形成, 使之在100μs～200μs 內膨脹至最大體積, 然後在結石附近的表面急速崩解,產生高速微噴射,撞擊結石表面而致破壞。此外,微噴射也可通過後續衝擊波與先前附著在結石表面的氣泡相互作用而產生。通過高速攝影技術發現,在65MPa (1MPa = 10ba r)衝擊波峰壓下, 當初始半徑範圍為0. 15mm～1. 20mm 的氣泡崩解時, 崩解瞬間的最大噴射速度為770ms 。結石前面的大量微小凹陷就是在空化作用下噴射性撞擊的特徵, 其力度足以穿透鋁箔和使金屬表面變形。剝落性破壞的特徵通常是大塊圓帽狀碎塊從結石後界面脫落, 這是由於反射性張力波所致。根據聲學原理, 當壓力波到達結石後界面時, 由於從結石到周圍液體或組織的聲阻降低, 就會產生反射性張力波。由於大多數結石抗壓力僅為拉伸力的1/ 10 , 即能承受壓力波的擠壓力, 而不能承受張力波的拉伸力, 一旦超過結石張力性破壞強度, 這種反射性張力波就會造成剝落性破壞。此外, 在體外衝擊波碎石後, 在同心層結石中也可看到晶體分離和裂解。這種破壞方式

是因為在結晶層和外周基質層之間的聲阻抗失配, 而在層間產生反射性衝擊波所致。根據相同機制, 傳播的衝擊波與結石內部的結構缺陷相互作用, 可以產生大量的細微裂縫, 在衝擊波反覆作用下,逐漸擴大延伸,形成大的碎裂線,最終導致結石完全粉