體外碎石機(jī)
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體外沖擊波碎石機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用
體外沖擊碎石機(jī)治療尿路結(jié)石具有創(chuàng)傷小、費(fèi)用低、治療效果好等優(yōu)點(diǎn)從而廣泛應(yīng)用于臨床。本文簡(jiǎn)述了體外碎石機(jī)的發(fā)展史、工作原理和臨床應(yīng)用。對(duì)不同沖擊波源的碎石機(jī)進(jìn)行了比較，為臨床選購(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。
體外沖擊波碎石機(jī)；沖擊波源；尿路結(jié)石
尿路結(jié)石是泌尿系統(tǒng)的常見病之一，國(guó)外統(tǒng)計(jì)，在發(fā)達(dá)國(guó)家其發(fā)病率在成人人群中為2％-3％，僅美國(guó)每年因尿路癥住院者達(dá)30萬以上，約10萬人以上接受手術(shù)治療。在體外沖擊碎石術(shù)(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy，EswL)的誕生之前尿路結(jié)石唯一有效的治療方法是手術(shù)取石。
1969年聯(lián)邦德國(guó)道尼爾(Domier)開始研制體外沖擊波碎石機(jī)，1980年體外沖擊波碎石機(jī)應(yīng)用于臨床，使尿石癥的非手術(shù)治療成為可能，成為八十年代醫(yī)療技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，成為泌尿外科學(xué)發(fā)展的里程碑。
1 體外沖擊波碎石機(jī)的發(fā)展 該機(jī)的發(fā)明源自一個(gè)意外現(xiàn)象的啟示。沖擊波是在某一介質(zhì)中(水、空氣等)由于能量的突然釋放而產(chǎn)生的高能量壓力波。六十年代初，西德道尼爾航空公司的科技人員就發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛機(jī)高速穿過雨云時(shí)，可產(chǎn)生一種沖擊波可使飛機(jī)內(nèi)部的器件受損，而飛機(jī)的外殼卻完好無損，這一現(xiàn)象引起了物理學(xué)家的重視，1963年該公司成立了沖擊波研究室。1966年該研究室的一位工程師偶然接觸到正在工作的沖擊波靶子，他的身體產(chǎn)生了如同電擊一樣的感覺，這位博學(xué)的工程師立即意識(shí)到這是沖擊波進(jìn)人人體后產(chǎn)生的效應(yīng)。1969年由西德國(guó)防部資助，該公司開始了《沖擊波與動(dòng)物組織間的相互關(guān)系》這一課題的研究。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊波經(jīng)過兩種介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射，其程度取決與界面上兩種介質(zhì)的聲阻抗差。由于絕大部分機(jī)體組織和水的聲阻抗接近，所以沖擊波在水中傳播和通過機(jī)體過程中沒有明顯的能量損失，也不會(huì)造成傷害，只有肺組織由于空氣與組織鄰界面上的高聲阻抗差，而對(duì)沖擊波特別敏感。在研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的現(xiàn)象，即在機(jī)體內(nèi)于測(cè)量的金屬探針容易被沖擊波擊碎。這一消息傳到慕尼黑大學(xué)外科研究所的愛森波格(Eisenberger)教授耳中。當(dāng)時(shí)他正在研究尿路結(jié)石的治療問題，這個(gè)現(xiàn)象立即引起了它的思考，能否將這種沖擊波用來粉碎體內(nèi)的尿路結(jié)石呢?這一設(shè)想使他開始了沖擊波碎石的研究。愛森波格與道尼爾公司沖擊波效應(yīng)研究室人員通力合作，終于在1972年證明了經(jīng)水傳播的沖擊波能夠粉碎離體腎結(jié)石，這一成功是體外沖擊波碎石史上的第一里程碑，它開辟了尿路結(jié)石治療的新紀(jì)元。史密特(Schmidt)和愛森波格將這一成功譽(yù)為結(jié)石治療上的革命。1974年1月ESWL研究被正式列入西德聯(lián)邦研究和發(fā)展課題該研究在慕尼黑大學(xué)外科研究所由史密特、愛森波格及喬斯(Chaussy)教授等人與道爾尼公司研究人員合作進(jìn)行。該研究小組第一年解決了沖擊波的聚焦問題。沖擊波由電極放電產(chǎn)生。聚焦問題的解決使碎石系統(tǒng)有了一個(gè)基本的骨架。之后又解決：X線定位的問題，于1978年初研制成功一臺(tái)帶有兩套X線系統(tǒng)的新型碎石機(jī)，實(shí)踐證明對(duì)腎結(jié)石采用兩套X線系統(tǒng)交叉定位比超生定位準(zhǔn)確，經(jīng)一系列實(shí)驗(yàn)為ESWL用于人體奠定了基礎(chǔ)。終于與1979年9月研制成功帶有X線定位系統(tǒng)的Dornier HM-1碎石機(jī)。到1980年西德慕尼黑路德維哥麥西米蘭大學(xué)泌尿外科喬斯等將該機(jī)首次用于臨床治療腎結(jié)石病人。經(jīng)4000次沖擊波后病人那塊頑固的結(jié)石被完全擊碎了，幾小時(shí)后尿中排出了結(jié)石碎粒，2天后X線檢查患者腎區(qū)結(jié)石影像消失了在此后2年間，在慕尼黑應(yīng)用HM-1碎石機(jī)治療了220例病人，證實(shí)大多數(shù)尿路結(jié)石用沖擊波治療是安全有效的。尿路結(jié)石者免遭手術(shù)之苦的夢(mèng)想終于實(shí)現(xiàn)?？茖W(xué)是沒有國(guó)界的，1983年HM-[1]型碎石機(jī)問世后，ESWL很快在世界范圍內(nèi)得到了推廣，世界上德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、以色列、意大利和日本等許多國(guó)家生產(chǎn)體外沖擊波碎石機(jī)。1985年我國(guó)研制成功第一臺(tái)碎石機(jī)至今，已有20多家生產(chǎn)廠家。國(guó)內(nèi)接受ESWL治療的患者已達(dá)10萬人。隨著臨床經(jīng)驗(yàn)的積累和碎石機(jī)性能的改進(jìn)，ESWL的適應(yīng)癥不斷擴(kuò)大，從單純的腎結(jié)石到輸尿管、膀胱結(jié)石，從單側(cè)單發(fā)到雙側(cè)雙發(fā)，從小的結(jié)石到大結(jié)石，鹿角狀結(jié)石，都取得了較理想的治療果?，F(xiàn)在75％的尿石癥可單純用ESWL治療，20％的需ESWL和腔道泌尿外科技術(shù)聯(lián)合治療，而真正需要開放性手術(shù)者不足5％。據(jù)國(guó)內(nèi)外多數(shù)醫(yī)療單位的報(bào)告，ESWL的成功率在95％以上，治療3個(gè)月后隨訪，結(jié)石排凈率達(dá)85％需再行開放手術(shù)者約占1％。
在大力推廣ESWL治療的同時(shí)，各國(guó)也進(jìn)一步開發(fā)和研制更優(yōu)秀的新型碎石機(jī)。目前已研制出具有X線和B超兩種定位系統(tǒng)及可移動(dòng)式的新型碎石機(jī)。這樣，阻光結(jié)石和非阻光結(jié)石都能定位。大多數(shù)碎石機(jī)多采用無水槽，水囊式碎石機(jī)，從應(yīng)用來說，已經(jīng)生產(chǎn)腎結(jié)石體外沖擊波碎石機(jī)，膽結(jié)石體外沖擊波碎石機(jī)和通用型體外沖擊波碎石機(jī)。從其結(jié)構(gòu)上來說，沖擊波發(fā)生源的原理各異，采用的定位方式不一。沖擊波發(fā)生源有液電沖擊波，壓電效應(yīng)、聚能激光、電磁感應(yīng)和微爆炸等多種原理產(chǎn)生的沖擊波。力求使作用于結(jié)石的沖擊波性能更為理想，結(jié)石的定位裝置，患者的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及治療操作系統(tǒng)不斷改進(jìn)，使體外沖擊波碎石機(jī)的性能日趨完善。
2 工作原理
體外碎石機(jī)主要由(1)體外沖擊波發(fā)生源；(2)沖擊波的觸發(fā)系統(tǒng)；(3)沖擊波與人體的耦合；(4)結(jié)石定位系統(tǒng)；(5)計(jì)算機(jī)控制操作系統(tǒng)；(6)治療床組成。沖擊波的發(fā)生源是體外沖擊波碎石機(jī)的心臟部分。(1)液電沖擊波發(fā)生源，是由德國(guó)道尼爾公司發(fā)明最早應(yīng)用于沖擊波發(fā)生源，其技術(shù)成熟可靠，是目前大部分體外沖擊波發(fā)生源，采用該發(fā)生源的體外沖擊波碎石機(jī)有；德國(guó)道尼爾公司的Doner、美國(guó)Medstone International公司的Medstone、法國(guó)Northyate Rrseareh公司的SD系列及我國(guó)研制生產(chǎn)的各種型號(hào)體外沖擊波碎石機(jī)。其起點(diǎn)是更換電極頻繁，一般治療一例患者就要更換一次電極。另一點(diǎn)是電極尖在放電過程中有損耗，使極尖距離增大，造成焦點(diǎn)漂移。其優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)成熟、安全可靠、能量大，特別適用于大結(jié)石和腎鹿角結(jié)石的治療。由于沖擊波的產(chǎn)生是爆炸性的，不但噪聲大，而且高壓電流對(duì)患者的心臟造成一定的危險(xiǎn)，必須采用心電R波觸發(fā)確保治療過程中患者的安全。(2)電磁沖擊波發(fā)生源；其產(chǎn)生的原理是高壓線圈發(fā)生脈沖磁場(chǎng)推動(dòng)金屬振膜在水振動(dòng)產(chǎn)生沖擊波。電磁式?jīng)_擊波波源焦點(diǎn)壓強(qiáng)較低，約為液電式的一半，焦區(qū)長(zhǎng)，第二聚點(diǎn)脈沖時(shí)間較液電長(zhǎng)，波形差，頻率成分低，因此碎石次數(shù)增多，效率差，且人體組織受損面大，其優(yōu)點(diǎn)是聚點(diǎn)穩(wěn)定，不易偏移，無需要更換電極，但發(fā)生器價(jià)格高且要定次更換。對(duì)患者心臟無危險(xiǎn)，一般采用呼吸觸發(fā)，當(dāng)有特殊醫(yī)療需要時(shí)也可以采用心電R波觸發(fā)，無噪音。該沖擊波發(fā)生器是由德國(guó)西門子公司和梅茲大學(xué)合作研究發(fā)明的。道爾尼公司的Compact、西門子公司的Lithostar體外沖擊波碎石機(jī)都采用電磁沖擊波發(fā)生源。(3)液電復(fù)式脈沖波源；其原理是高壓在水中一次放電，在特定的時(shí)間在產(chǎn)生雙脈沖的沖擊波(能產(chǎn)生空化效應(yīng)的雙脈沖)。液電復(fù)式脈沖源一次放電在vs內(nèi)產(chǎn)生2個(gè)脈沖，具有液電單式脈沖的波形性能充分利用空化效應(yīng)的作用。所謂空化效應(yīng)就是一定電力的沖擊波在水中震動(dòng)，使溶解于水中的氣體釋放出來，氣體在沖擊波運(yùn)動(dòng)極短的時(shí)間內(nèi)膨脹、崩潰，這種現(xiàn)象叫空化效應(yīng)。第一次沖擊波在結(jié)石周圍，及內(nèi)部產(chǎn)生大量的微細(xì)細(xì)胞，因此該氣泡從產(chǎn)生到膨脹破裂一般只需要數(shù)vs左右，在第一次沖擊波產(chǎn)生的氣泡最高端時(shí)，來第二次沖擊波，加劇氣泡的膨脹破裂。從而增加了結(jié)石的壓力、拉力，提高了碎石效應(yīng)，并且縮短治療時(shí)間，減少軟組織劃傷。根據(jù)目前報(bào)道，復(fù)式脈沖可以提高40％碎石效果，而且損傷也相對(duì)減少。復(fù)式脈沖源是體外沖擊波碎石機(jī)的發(fā)展方向。三種沖擊波源的優(yōu)、缺點(diǎn)的比較：
(1)液電沖擊波源 優(yōu)點(diǎn)：脈沖波形穩(wěn)，沖擊時(shí)間快。(a)第二焦點(diǎn)沖擊波的脈寬可達(dá)0.1vs-0.3vs；(b)第二焦點(diǎn)沖擊波聚焦范圍7×7×12.5mm；(c)使用能量低，電壓3kV-9kV；(d)臨床效果相對(duì)優(yōu)于電磁波源。缺點(diǎn)；治療一個(gè)病人就要更換電極，放電穩(wěn)定性差，焦點(diǎn)漂移。成本消耗，每次治療每例病人的費(fèi)用約150元。
(2)電磁沖擊波源 優(yōu)點(diǎn)；噪聲小，不用更換電極，放電穩(wěn)定。點(diǎn)：沖擊波時(shí)間慢，第二焦點(diǎn)沖擊波的脈寬0.8vs-1.5vs； (b)焦斑長(zhǎng)，第二焦點(diǎn)沖擊波聚焦范圍6×6×60mm；(c)使用能量高，電壓13kV-20kV(按電容0.4uF計(jì)算，單個(gè)脈沖能量33.8J-80J)；(d)臨床效果相對(duì)比液電沖擊波源優(yōu)越。成本消耗，治療每例病人的費(fèi)用約200元，因?yàn)殡姶挪ㄔ谑褂眠^程中金屬振膜很快疲勞，透鏡、觸發(fā)器、水囊都是消耗品3)復(fù)式脈沖(液電波源)(a)具有液電優(yōu)點(diǎn)；(b)縮短時(shí)間；(c)碎石效果40％左右。復(fù)式脈沖是體外沖擊波碎石機(jī)真正的發(fā)展方向。
3 體外碎石效果的幾個(gè)重要指標(biāo)(1)第二焦點(diǎn)沖擊波的脈寬，單位vs，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤lvs；(2)第二焦點(diǎn)沖擊波的前沿，單位vs，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤0.5vs；(3)第二焦點(diǎn)沖擊波的焦點(diǎn)范圍，單位vs行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤±7×7×12.5mm；(4)第二焦點(diǎn)的峰值壓力，單位MPa，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤20MPa-50MPa。上述四種指標(biāo)，從物理現(xiàn)象分析，其中關(guān)系，前沿越陡，脈寬越窄，獲得峰值壓力越強(qiáng)。聚焦范圍越小，獲得峰值壓力越強(qiáng)。得出結(jié)論：碎石機(jī)不管是用什么方法產(chǎn)生沖擊波，只要能以最小的能量，獲得越陡的聚點(diǎn)前沿，越窄的焦點(diǎn)脈寬和聚焦范圍越小，那它的碎石效果肯定好。
4 典型的體外沖擊波碎石機(jī)(1)Domier HM3型體外沖擊波碎石機(jī)是德國(guó)道爾尼公司研制的水槽式液電沖擊波體外碎石機(jī)，采用X射線定位；
(2)Domier GM2型體外沖擊波碎石機(jī)是德國(guó)道爾尼公司為治療膽結(jié)石而研制設(shè)計(jì)的。該機(jī)為水囊式液電沖擊波碎石機(jī)。采用超生波定位；(3)Siemens Lithostar型體外沖擊波碎石機(jī)，該機(jī)是德國(guó)西門子公司研制成功的，是現(xiàn)代化、高性能的碎石機(jī)，采用新型電磁沖擊波發(fā)生器，X線定位，是一種水囊式體外沖擊波碎石機(jī)，用于完成所有和治療膽結(jié)石癥有關(guān)的診斷和輔助治療；(4)Sonolith3000型體外沖擊波碎石機(jī)，是由法國(guó)Techmomed Internathonal (TMI)于1986年生產(chǎn)，是世界上第一臺(tái)使用于治療尿結(jié)石和膽結(jié)石的通用型體外沖擊波碎石機(jī)。該機(jī)為水盆式液電沖擊波碎石機(jī)，采用超生波定位，它將治療的有效性、安全性、系統(tǒng)的流動(dòng)性和技術(shù)的可靠性等優(yōu)點(diǎn)集于一身；(5)EDAPLT-01型體外沖擊波碎石機(jī)。是法國(guó)繼德國(guó)道爾尼公司之后，研制成采用新的壓電晶體沖擊波發(fā)生源和超聲波定位系統(tǒng)的水囊式新型體外沖擊波碎石機(jī)，也稱為第二代體外碎石機(jī)?？朔薉omier HM3型體外沖擊波碎石機(jī)設(shè)備復(fù)雜，需要更換電極及售價(jià)與操作費(fèi)用都比較高等缺點(diǎn)。沖擊波和人體間的耦合首次采用水囊式。由于取消了水浴，利用超聲波對(duì)結(jié)石進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的定位也得以實(shí)現(xiàn)。從此以后，液電沖擊波體外碎石機(jī)也從水槽式改為水囊式，除了采用x線定位方式外，還發(fā)展了超聲波定位方式以及X射線和超聲波聯(lián)合定位方式；(6)KDE系列體外沖擊波碎石機(jī)。中科院電工研究所與北京醫(yī)科大學(xué)人民醫(yī)院合作，1984年10月研制成功第一臺(tái)實(shí)用機(jī)-E8410型體外沖擊波碎石機(jī)，1985年8月19日在該樣機(jī)上進(jìn)行第一臺(tái)治療腎結(jié)石患者的臨床實(shí)驗(yàn)，獲得成功，經(jīng)鑒定達(dá)到國(guó)際水平，在E8410型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，研制成功KDE系列體外沖擊波碎石機(jī)，具有粉碎腎結(jié)石、膽結(jié)石、輸尿管結(jié)石和膀胱結(jié)石的優(yōu)良功能。推出了KDE-I、Ⅱ、Ⅲ型體外沖擊波碎石機(jī)以及NE系列腎、膽石通用體外沖擊波碎石機(jī)。目前在中國(guó)發(fā)展很快，已有20多個(gè)廠家生產(chǎn)各種類型的體外沖擊波碎石機(jī)，有些產(chǎn)品的質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際水平。
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