沖擊波碎石的物理學(xué)基礎(chǔ)

1、沖擊波碎石的物理學(xué)基礎(chǔ) 孫西釗沖擊波碎石是物理學(xué)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合的新技術(shù)，理解和掌握有關(guān)沖擊波的物理知識(shí)，對(duì)于指導(dǎo)SWL的臨床應(yīng)用以及沖擊波碎石機(jī)的研制均有重要意義。沖擊波的物理特性沖擊波是一種高能機(jī)械波，屬于量子物理的研究范疇。由于沖擊波的許多物理規(guī)律與聲波近似，為了便于理解，通常參照聲學(xué)的物理知識(shí)來講解和對(duì)比沖擊波的形成、傳播和波形等特性。沖擊波的這些物理特性也是決定SWL和ESWT療效和安全性的重要參數(shù)。一、沖擊波的發(fā)生（一）沖擊波的產(chǎn)生原理從理論上講，任何將能量轉(zhuǎn)化為聲波的物理原理都能用來產(chǎn)生沖擊波。根據(jù)這一論點(diǎn)，目前，已設(shè)計(jì)出了多種原理的沖擊波碎石機(jī)。下面以經(jīng)典的液電式?jīng)_擊波為例，介紹液

2、中放電時(shí)聚焦沖擊波的發(fā)生過程。液中放電是將貯存在儲(chǔ)能電容器中的高壓電能在電極對(duì)之間瞬間釋放后發(fā)生的火花放電現(xiàn)象。火花放電產(chǎn)生的高溫使放電通道周圍的液體形成一個(gè)等離子體(plasma)，主要是由H+、OH、H2O、H2O2、臭氧分子、光子和電子等粒子組成。等離子體氣化后形成一個(gè)膨脹的、密度極高的氣泡，這個(gè)氣泡具有高膨脹效應(yīng)和對(duì)高溫高能的存儲(chǔ)能力。在氣泡內(nèi)部可形成巨大的壓力梯度，這一壓力作用于水介質(zhì)后，通過水分子的機(jī)械慣性，使其以波的形式傳播出去，就形成了正向的沖擊波壓力波。（二）沖擊波的脈沖形式在用HM3型碎石機(jī)的SWL實(shí)驗(yàn)中，可見三個(gè)明顯的壓力脈沖（圖3-1-1 ）。前兩個(gè)脈沖亦稱作初級(jí)沖擊波

3、，其中，第一個(gè)脈沖是直達(dá)波脈沖，代表初級(jí)沖擊波中未經(jīng)橢球體反射的部分。因其能量較小，而且在F1到F2點(diǎn)的傳播過程中，其幅度進(jìn)一步衰減，所以這一直達(dá)脈沖的壓力較小。第二個(gè)脈沖代表初級(jí)沖擊波的聚焦部分，占沖擊波總能量的絕大部分（90），其峰值的平均壓力為72.5Mpa，壓力脈沖時(shí)間為2.5s。從F1到F2之間的距離，初級(jí)沖擊波在放電之后，直達(dá)沖擊波和反射沖擊波出現(xiàn)的時(shí)差為29s。據(jù)此可以推算，沖擊波通過這段距離的速度為1700m/s。第三個(gè)脈沖約在放電之后的500s后發(fā)生，是一個(gè)較強(qiáng)的沖擊波，但其壓力幅度低于聚焦的初級(jí)沖擊波。在發(fā)生原理上，與前兩種液中放電后直接產(chǎn)生的沖擊波有所不同，第三個(gè)沖擊波是

4、間接發(fā)生的。其發(fā)生過程是：當(dāng)F1周圍的氣泡膨脹到極限時(shí)，便停止膨脹，同時(shí)開始以加速度回縮。由于這種氣泡的迅速塌陷和回縮，產(chǎn)生一個(gè)反抽性負(fù)壓脈沖。這個(gè)負(fù)壓性脈沖可引起F2處的空化效應(yīng)，即在焦區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的氣泡。當(dāng)其破裂之后便引發(fā)了第三個(gè)沖擊波，亦稱作次級(jí)沖擊波。圖3-1-1 沖擊波焦點(diǎn)壓力/時(shí)間示意圖二、沖擊波的傳播（一）沖擊波的形成過程沖擊波同超聲波一樣，也是一種壓縮波。沖擊波的基本物理性質(zhì)是它能在介質(zhì)中膨脹和聚集，從而改變介質(zhì)的密度。波的傳播方式是介質(zhì)沿著傳播方向交替地壓縮和舒張，既有類似超聲波的單頻聲波，亦有包含寬頻譜的聲爆（沖擊波）。超聲波在傳播過程中，介質(zhì)的壓力和密度始終保持不變，

5、因而波的各個(gè)部分都是以同一速度傳播，并一直保持著正弦波的形式（圖3-1-2）。而沖擊波則不然，它只是在低能量水平時(shí)，才遵循線性聲學(xué)定律。如果沖擊波脈沖能量足夠高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生非線性聲學(xué)特征。高能沖擊波在傳播過程中，隨著傳播介質(zhì)的可壓縮性減小，其傳播速度將隨之加快，結(jié)果在通過介質(zhì)的時(shí)候，波形會(huì)發(fā)生扭曲變形（圖3-1-3）。詳言之，在沖擊波的起始點(diǎn)上，水處在低壓幅度范圍，因而該點(diǎn)附近的沖擊波速度與聲波速度相同。但在波的中部，每個(gè)連續(xù)點(diǎn)的壓力幅度逐步增大，使傳播介質(zhì)的密度增加，波速也就隨之加快。隨著波的繼續(xù)傳播，波峰部分的傳播速度進(jìn)一步加快，足以趕上沖擊波前沿的初始點(diǎn)。當(dāng)壓力突然中斷，緊接著又出現(xiàn)一個(gè)

6、壓力逐漸衰減的波形。從沖擊波“由盛到衰”的過程可以看出，正是由于沖擊波每一點(diǎn)上速度的變化，才使沖擊波半正弦波的形式也發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變，成為具有陡峭前沿、爾后又逐漸衰減的典型沖擊波波形曲線。圖3-1-2 超聲波和沖擊波的壓力波形圖3-1-3 沖擊波的傳播沖擊波前沿形成（變陡）：沖擊波高壓部分（2）比低壓部分（1）始出晚，但走得快，向前推進(jìn)后增加了沖擊波前沿壓力上升的速率（二）沖擊波在體內(nèi)的傳播沖擊波的頻譜與超聲波不同。沖擊波是由各種頻率波長和波速的許多個(gè)波疊加而成的波群。它包含著一個(gè)寬而連續(xù)的頻譜，從200kHz到20MHz。而超聲波只有一個(gè)頻率。通常，沖擊波前沿的尖峰部分主要由高頻波組成，其余

7、部分則由低頻波組成。沖擊波在生物組織中傳播時(shí)，衰減系數(shù)基本隨頻率的平方而增加，因此，高頻波比低頻波衰減大。這種頻率分布的差異也決定了沖擊波對(duì)碎石的破壞能力和對(duì)組織的穿透能力。一般而言，高頻波對(duì)結(jié)石的粉碎能力較強(qiáng)，但對(duì)組織的穿透能力較差；而低頻波對(duì)組織的穿透能力較強(qiáng)，但聚焦性能較差，焦點(diǎn)的能流密度較低。使用高強(qiáng)度沖擊波來粉碎體內(nèi)的結(jié)石時(shí)，要盡量不傷及組織。因?yàn)楦邚?qiáng)度沖擊波是在體外產(chǎn)生的，所以它必須通過水耦合劑人體組織等不同介質(zhì)，最后才能到達(dá)治療的靶位上。當(dāng)沖擊波傳播至不同的物質(zhì)時(shí)，聲阻抗決定了穿過物質(zhì)界面的總聲能（圖3-1-4）。聲阻抗的定義是：物質(zhì)的密度與波速的乘積，是物質(zhì)的固有屬性。如果兩種

8、物質(zhì)的界面處聲阻抗相近，那么，沖擊波通過界面處的能量將無明顯損失；但若兩種相鄰物質(zhì)的聲阻抗差異較大，在交界面處，入射沖擊波的一部分繼續(xù)向前傳播進(jìn)入第二種物質(zhì)，而另一部分被反射回來，結(jié)果就會(huì)造成部分聲能損失?；谶@一原理，在沖擊波碎石技術(shù)中采用了與人體組織聲阻抗近似的水和耦合劑作為其傳導(dǎo)介質(zhì)，以減少?zèng)_擊波傳播過程中的能量損失；而沖擊波遇到結(jié)石時(shí)，由于水石界面的聲阻抗差異較大，沖擊波就會(huì)與結(jié)石發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而導(dǎo)致結(jié)石粉碎；同理，因?yàn)榭諝獾穆曌杩贡热梭w組織的聲阻抗小的多，所以在兩者的界面處也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。肺是一種實(shí)質(zhì)性含氣器官，當(dāng)暴露于沖擊波時(shí)，將會(huì)罹受嚴(yán)重?fù)p傷。圖3-1-4 沖擊波

9、傳播至不同介質(zhì)界面時(shí)的示意圖當(dāng)界面處（介質(zhì)1與2之間）的聲阻抗相匹配時(shí)，入射波全部穿過；當(dāng)界面處（介質(zhì)2與3之間）的聲阻抗不匹配時(shí)，入射波部分傳播過去，另一部分被反射回來。當(dāng)沖擊波穿過不同物質(zhì)時(shí)，對(duì)于正入射或垂直入射的沖擊波，它分成反射波與透射波，兩者的關(guān)系如下：PrPi (Z2Z1)/(Z2Z1) 2PtPi 4Z2Z1/(Z2+Z1)2Zc其中，Pi入射波壓力，Pr反射波壓力，Pt透射波壓力，右下標(biāo)1，2分別表示第一、二種物質(zhì)，Z聲阻抗，物質(zhì)的密度，c物質(zhì)里的聲速。舉例說明，一個(gè)在水中傳播的平面沖擊波，垂直入射到一個(gè)理想化的一水草酸鈣結(jié)石平面。假設(shè)入射波壓力Pi60MPa，結(jié)石的聲阻抗Z2

10、9.2，而水的聲阻抗Z11.49。這樣，在結(jié)石表面反射波的壓力Pr31.20MPa，而透射進(jìn)入結(jié)石的波壓Pt28.80MPa。當(dāng)沖擊波在結(jié)石內(nèi)傳播到對(duì)面界面時(shí)，同樣存在反射與透射現(xiàn)象，這時(shí)反射波為一負(fù)壓的張力波，Pr'=14.98MPa，而透射波壓力Pt'=13.82MPa。但實(shí)際上，沖擊波在結(jié)石中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，加上結(jié)石表面形態(tài)的差異和質(zhì)地的不均勻等，都會(huì)影響上述結(jié)果。三、沖擊波的壓力波形（一）壓力波形的特性與參數(shù)沖擊波的壓力波形包括一個(gè)在沖擊波前沿迅速升壓并隨后逐漸衰減的壓力相（正相），與一個(gè)時(shí)間持續(xù)較長的張力相（負(fù)相），因此，沖擊波的振幅和持續(xù)時(shí)間是不對(duì)稱的（圖3-1-

11、5）。壓力相是由于沖擊波直接的正壓作用所致；而張力相則是反抽性負(fù)壓所致，例如點(diǎn)式波源的F1處等離子體氣泡塌陷后所產(chǎn)生的反抽作用。表明這種壓力波特性的重要參數(shù)為：圖3-1-5 沖擊波碎石機(jī)焦點(diǎn)處典型壓力波形示意圖正、負(fù)峰壓（P+，P）在焦區(qū)內(nèi)測得的沖擊波壓強(qiáng)的最大值，單位是MPa。上升時(shí)間（tr）壓力P值的10增至90所需時(shí)間，亦稱作沖擊波前沿，單位是µs。正、負(fù)半周期（t+，t）在焦區(qū)測得的沖擊波峰值一半處的脈沖寬度，即半高寬，單位是µs。輸出聲能（Es）根據(jù)在焦區(qū)所測的壓力波形算出的能量，單位是mJ。這一參數(shù)取決于碎石機(jī)的類型和輸出檔位，差異很大。在此應(yīng)當(dāng)指出，早期測定沖

12、擊波波形和壓力等參數(shù)所用的PCB壓力傳感器，對(duì)記錄真正的峰壓來說頻響太低，不能及時(shí)反映出沖擊波的發(fā)生和消失，因此，實(shí)際壓力可能比所測壓力更高。（二）壓力波形的影響因素通常情況下，隨著碎石機(jī)輸出檔位的提高，沖擊波的P+、P、t+和Es相應(yīng)增加，而tr和t則降低。壓電式碎石機(jī)的峰值壓力最高，但焦區(qū)體積較?。灰弘姾碗姶攀剿槭瘷C(jī)的峰值壓力較低，但焦區(qū)體積較大。有實(shí)驗(yàn)表明，不同類型沖擊波源間的能量差異很大，是數(shù)量級(jí)的差異，而且同型波源不同型號(hào)的機(jī)器間的能量差異也非常大。壓電式和電磁式?jīng)_擊波的tr隨能量輸出增加而縮短，而液電式?jīng)_擊波的tr幾乎不會(huì)改變。這些結(jié)果表明，在液電式?jīng)_擊波碎石機(jī)中，沖擊波形成于任何

13、輸出檔位，而壓電式碎石機(jī)和電磁式碎石機(jī)只形成在較高輸出檔位。這種差別的原因在于壓電式碎石機(jī)和電磁式碎石機(jī)是在不同聲波傳播至焦點(diǎn)時(shí)通過疊加和非線性相互作用而逐漸形成的，而液電式?jīng)_擊波是在火花釋放后就立即充分形成的。因此，液電機(jī)沖擊波較少依賴輸出檔位。有人利用PVDF針式傳感器測定豬模型焦區(qū)的體內(nèi)壓力波形，結(jié)果證明，體內(nèi)的P+比水低1520，但其空間分布幾乎不變；植入結(jié)石后，P+降低3060，說明大量的入射沖擊能量被結(jié)石材料吸收。此外，P因較少依賴于發(fā)生器的電壓檔位，故在焦區(qū)無明顯改變。由于聲波在軟組織中的衰減隨波頻增加而增加，與陡峭的沖擊前沿有關(guān)的高頻成分將比負(fù)壓相的低頻成分衰減更甚，導(dǎo)致體內(nèi)P

14、+顯著降低（圖3-1-6）。最初曾有人提出沖擊波P+和tr是造成結(jié)石有效粉碎的重要參數(shù)，但新近實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)石粉碎與P+或tr關(guān)系不大，而是與有效的聲能密切相關(guān)。此外，理論研究也說明，沖擊波的P和t是決定SWL誘發(fā)空化效應(yīng)動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，對(duì)于結(jié)石粉碎起著主導(dǎo)作用。圖3-1-6 軟組織對(duì)沖擊波物理參數(shù)的影響四、沖擊波的壓力分布沖擊波焦區(qū)的壓力分布與結(jié)石的粉碎效率、生物學(xué)效應(yīng)和組織的損傷程度有關(guān)。沖擊波在通過生物組織時(shí)衰減程度很小，僅為1020/10cm，故能穿透至人體深部，而且在其峰壓增至1kPa時(shí)，沖擊波仍可遵循聲學(xué)原理進(jìn)行傳播，如反射、折射和衍射。這就是沖擊波能量可被聚焦的主要原因。但當(dāng)沖擊

15、波向幾何焦點(diǎn)匯聚時(shí)，其非線性特性便限制了峰值壓力和改變了壓力波形。波源孔徑的大小和形狀、預(yù)焦波的能量和壓力波形都能決定終點(diǎn)焦區(qū)的壓力分布。雖然對(duì)于沖擊波壓力分布規(guī)律至今仍未建立起完善的理論，但可用直接測量法來對(duì)比不同波源焦區(qū)的壓力分布（圖3-1-7），以便對(duì)其進(jìn)行改造。圖3-1-7 沖擊波焦區(qū)的壓力分布各種碎石機(jī)因波源類型和輸出檔位的不同，焦區(qū)的差異極大。液電和電磁波源焦區(qū)較大，壓電波源焦區(qū)較小（圖3-1-8）。液電和電磁波源的焦區(qū)體積大而且能量輸出高，因此，結(jié)石定位簡便，粉碎率高，其缺點(diǎn)是腎組織罹受潛在危害的能量范圍較大。與之相反，壓電波源的焦區(qū)體積最小，而且能量輸出最低，高能沖擊波僅聚焦在

16、焦點(diǎn)小范圍內(nèi)，在理論上它對(duì)組織損傷較輕，但在治療過程中結(jié)石定位必須精確無誤，而且漂移范圍要盡可能小，否則沖擊次數(shù)較多，復(fù)震率較高，累計(jì)能量有時(shí)反而較大。圖3-1-8 壓電式波源（左）與液電式波源（右）焦區(qū)特點(diǎn)的對(duì)比與國際上各式?jīng)_擊波碎石機(jī)相比，雖然國產(chǎn)電磁式碎石機(jī)或液電式碎石機(jī)沖擊波焦區(qū)的壓力分布范圍較大，且壓力較低，但其碎石效率同樣較高，而且組織損傷程度與其相似。這說明焦區(qū)體積及沖擊能量與碎石效果及組織損傷之間的關(guān)系比較復(fù)雜，其最佳設(shè)計(jì)選擇還有待于深入的基礎(chǔ)和臨床研究。患者皮膚入點(diǎn)的沖擊波壓力分布決定麻醉的需求。作為“金標(biāo)準(zhǔn)”的HM3型碎石機(jī)的皮膚入點(diǎn)直徑?。?55mm），但焦區(qū)體積大（15

17、mm×15mm×90mm）。因此，它的皮膚入點(diǎn)正壓高（20MPa），局部痛感較重，在進(jìn)行SWL時(shí)需行全麻或區(qū)域性麻醉。相反，Piezolith-2300型壓電式碎石機(jī)的皮膚入點(diǎn)直徑大（500mm），焦區(qū)體積?。?.5mm×2.5mm×30mm），皮膚入點(diǎn)處的正壓較低（0.6MPa），因而不需要麻醉。目前許多液電式碎石機(jī)也多設(shè)計(jì)為較大皮膚入路和較小焦區(qū)范圍，從而顯著減輕了SWL中的痛感。雖然增加皮膚入點(diǎn)面積和縮小焦點(diǎn)體積能減少麻醉需求，但許多第二代碎石機(jī)的功率已不如第一代的HM3型碎石機(jī)，因而導(dǎo)致每次治療的沖擊次數(shù)增加，復(fù)治率較高，有效率降低。最近，在一些

18、新的設(shè)計(jì)方案中采用了可變式儲(chǔ)能電容來改變這種局限性，例如，把國外沖擊波碎石機(jī)和國產(chǎn)沖擊波碎石機(jī)的特點(diǎn)融為一體，在同一臺(tái)碎石機(jī)上采用多級(jí)儲(chǔ)能電容和多檔放電電壓，構(gòu)成多種能量組合，這樣既可在無麻醉下使用低功率來進(jìn)行常規(guī)性碎石，也可在麻醉下使用高功率來提高碎石效能，以治療各種難治型結(jié)石。沖擊波碎石的物理機(jī)制沖擊波碎石的物理機(jī)制比較復(fù)雜。結(jié)石同其他任何材料一樣，具有維持其形態(tài)的內(nèi)聚力。只有克服這種內(nèi)聚力，才能使結(jié)石破碎。根據(jù)目前研究，結(jié)石的粉碎不是單一力學(xué)因素作用的結(jié)果，而是多種破壞因素共同作用所致。一、應(yīng)力效應(yīng)沖擊波導(dǎo)致結(jié)石粉碎的應(yīng)力效應(yīng)是SWL的經(jīng)典理論。聲波的傳播分為縱波和橫波，在液體介質(zhì)中只能

19、傳播縱波，而在固體介質(zhì)中能傳播橫波和縱波。為便于理解，也可將聚焦后的沖擊波看成縱波。在縱波的傳播過程中，物質(zhì)分子的位移與波的進(jìn)行方向是一致的。按照運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)，沖擊波從液體介質(zhì)傳播到固體介質(zhì)中時(shí)，固體介質(zhì)亦隨著波動(dòng)而被壓縮和拉伸。當(dāng)固體介質(zhì)的分子所受到的壓縮力和拉伸力超過自身結(jié)合力的極限時(shí)，固體就會(huì)受到破壞。從應(yīng)力效應(yīng)的角度來看，結(jié)石的粉碎過程大致分為三個(gè)階段（圖3-2-9）。圖3-2-9 沖擊波與結(jié)石的相互作用（ r.反射波；t.入射波）a沖擊波作用于結(jié)石前界面和后界面（霍普金森效應(yīng)）b沖擊波進(jìn)一步作用于結(jié)石內(nèi)部首先是沖擊波在結(jié)石前界面的入射階段。當(dāng)沖擊波撞擊結(jié)石的前表面時(shí)，入射沖擊波的一部分

20、轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷洳ê蜕⑸洳?，其余的入射波進(jìn)入結(jié)石后又轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠郑阂徊糠掷^續(xù)向前穿過結(jié)石，形成具有擠壓作用的壓力波；另一部分朝著波源的方向反射回來，這種反射波是一種具有拉伸作用的張力波。壓力波和張力波作用于結(jié)石的前界面時(shí)，如果力度超過結(jié)石的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，結(jié)石的前界面附近則出現(xiàn)破損和開裂。因?yàn)榻Y(jié)石的抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的510倍，換言之，結(jié)石可以承受很高的擠壓力而經(jīng)不起相對(duì)低的拉伸力，所以在等力條件下，張力波對(duì)結(jié)石的破壞作用更大，但因張力波成分較少，故對(duì)實(shí)際碎石效果尚難做出定量評(píng)估。隨后是沖擊波在結(jié)石內(nèi)部的傳播階段。當(dāng)沖擊波進(jìn)入結(jié)石繼續(xù)向前傳播時(shí)，它在結(jié)石內(nèi)部造成一個(gè)較高的壓力梯度，根據(jù)慣性原理，

21、沖擊波到達(dá)的位置處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而沖擊波尚未到達(dá)的鄰近部位仍處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，形成一個(gè)壓力梯度。這樣，壓力高的近側(cè)就會(huì)對(duì)壓力低的遠(yuǎn)側(cè)造成碰撞和擠壓，從而在結(jié)石內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)拉伸內(nèi)應(yīng)力，使結(jié)石中原有裂隙和脆弱部分順勢擴(kuò)大，直至解體或破碎。其特點(diǎn)是材料的裂痕垂直于沖擊波的傳播方向。最后是沖擊波在結(jié)石后界面的出波階段。當(dāng)沖擊波抵達(dá)結(jié)石對(duì)側(cè)的后界面時(shí)，傳播過程是從固體介質(zhì)到液體介質(zhì)，在此，同樣會(huì)產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象。一部分沖擊波進(jìn)入液體介質(zhì)，成為透射波；另一部分反射波轉(zhuǎn)為張力波，引起結(jié)石的剝落性破壞。其特征是大塊的圓帽狀碎塊從結(jié)石后界面脫落。根據(jù)聲學(xué)原理，當(dāng)壓力波到達(dá)結(jié)石后界面時(shí)，由于從結(jié)石到周圍液體或組織

22、的聲阻降低，就會(huì)產(chǎn)生反射性張力波。一旦超過結(jié)石的抗張強(qiáng)度，這種反射性張力波就會(huì)造成結(jié)石的剝落性破壞，這一現(xiàn)象亦被稱作“霍普金森”效應(yīng)。經(jīng)掃描電鏡觀察亦可證實(shí)，原先有序的結(jié)石晶體被拉得七零八落，這是張力性破壞的特征表現(xiàn)。此外，在SWL后，在同心層結(jié)石中亦可看到結(jié)石層間的晶體分離和崩解，即剝離性破壞。這種破壞方式是由于晶體層與其外周基質(zhì)層之間的聲阻失配，從而在層間產(chǎn)生反射性張力波所致。沖擊波如此一次接一次地反復(fù)沖擊結(jié)石，逐步將結(jié)石由大碎小，最終使之成為能夠通過尿液自行排出的細(xì)砂。二、空化效應(yīng)在聲學(xué)沖擊波的張力相時(shí)，當(dāng)波的張力超過水的動(dòng)力學(xué)張力強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生空化氣泡?？栈亩x是局部靜壓力驟然降低

23、，造成液體或固體的連續(xù)性發(fā)生斷裂。這種斷裂體現(xiàn)在液體中有宏觀氣泡的形成。在常態(tài)下，液體中往往存在著大量微細(xì)空腔和雜質(zhì)性顆粒，起著空化核的作用，它在張力作用下發(fā)生爆裂后，氣泡的體積將會(huì)發(fā)生膨脹，但只有達(dá)到足夠大時(shí)才能說明發(fā)生了空化（圖3-2-10）。空化是水聲學(xué)和液體動(dòng)力學(xué)中常見的現(xiàn)象，它可使船舶的螺旋槳、水電站的水輪機(jī)和葉片等產(chǎn)生嚴(yán)重剝蝕，以至損壞?？栈槭?yīng)是指空泡崩潰時(shí)，反復(fù)的“水錘”式錘擊結(jié)石，使結(jié)石發(fā)生疲勞性碎裂和剝蝕。圖3-2-10 空化效應(yīng)的發(fā)生過程結(jié)石前界面表層的剝蝕性破壞就是由于空化作用所致。沖擊波誘發(fā)氣泡簇形成后，空泡首先畸變成橢球狀，然后又在朝向結(jié)石的界面處率先驟然崩潰、

24、坍塌，釋放出瞬時(shí)的次發(fā)性沖擊波，外部的液體隨之迅速?zèng)_入負(fù)壓的空腔內(nèi)，形成一股高速細(xì)微射流，通過空腔的中心噴向最近的結(jié)石表面。在這種微噴射的強(qiáng)烈撞擊下，結(jié)石的表面被逐步鑿蝕。此外，空化性微噴射也可通過后續(xù)沖擊波或先前附著在結(jié)石表面的氣泡坍塌后的相互作用而產(chǎn)生。此外，空化效應(yīng)的理論研究也表明，通過氣泡微噴射撞擊和傳播到結(jié)石時(shí)可以產(chǎn)生次發(fā)性沖擊波。這些沖擊波在晶體的基質(zhì)界面和結(jié)石后界面的反射，造成了結(jié)石的張力性破壞。在SWL中，沖擊波引起的空化效應(yīng)隸屬聲波空化效應(yīng)的范疇。目前，由脈沖聲波產(chǎn)生的瞬態(tài)空化作用的觸發(fā)閾值已被界定，有兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)：一是P，二是空化似然指數(shù)。通常認(rèn)為，當(dāng)P降到0.5MPa以下或空

25、化似然指數(shù)大于0.5時(shí)，只要液體內(nèi)存在足夠的空化核，就可發(fā)生空化現(xiàn)象。由于沖擊波具有210MPa的P及其相關(guān)的13512的空化似然指數(shù)值，在SWL中自然會(huì)誘發(fā)強(qiáng)烈的瞬態(tài)空化效應(yīng)。理論計(jì)算業(yè)已證明，預(yù)先存在的110µm空化核接觸到P+/P為100/16的典型沖擊波后，它將會(huì)膨脹到原始體積的100倍，持續(xù)時(shí)間大約25µs，爾后劇烈崩解。在崩解的氣泡內(nèi)的溫度達(dá)105K，最高壓力高達(dá)2.8×105MPa。氣泡動(dòng)力學(xué)主要受沖擊波張力成分和P+/P比率的影響，而與正壓沖擊前沿tr關(guān)系不大。液體性質(zhì)和脈沖幅度對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)也有影響。在低壓脈沖幅度下(P0.2MPa)，氣泡動(dòng)力學(xué)受

26、不同液體物理性質(zhì)，如粘稠度、溫度、表面張力和氣體含量的影響。然而，在高負(fù)壓脈沖幅度下（P10MPa），液體內(nèi)初始?xì)馀蒹w積和物理性質(zhì)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)幾乎沒有影響?？栈a(chǎn)生后，氣泡體積忽大忽小，其直徑不斷振蕩，因?yàn)闅馀莸捏w積變化與壓力幅度不相關(guān)，所以氣泡的振蕩是非線性的。在氣泡內(nèi)開始集聚巨大的能量，當(dāng)其爆裂時(shí)，能量驟然釋放，其形式可為高能水流或高溫。在不同密度的介質(zhì)交界面附近，氣泡內(nèi)爆的對(duì)稱性受到干擾，周圍介質(zhì)的液體以微噴射的方式進(jìn)入氣泡，攜帶著極大的破壞力，朝向界面沖擊（圖3-2-11）。沿不同界面之間，沖擊波場歷經(jīng)的變化最大，釋放出的能量最高。用高速攝像技術(shù)可以直接觀察到SWL在體外產(chǎn)生的瞬態(tài)空化

27、活動(dòng)。通常可以觀察到，氣泡簇是在入射沖擊波穿過之后立即在焦區(qū)及周圍形成的（圖3-2-12）。在65MPa沖擊波峰壓下，當(dāng)初始半徑范圍為0.151.20mm的氣泡崩解時(shí),崩解瞬間的最大噴射速度為770m/s。這種氣泡簇的體積取決于沖擊波的強(qiáng)度，可在50200µs時(shí)增至最大，爾后迅速崩解，結(jié)石碎片隨之從結(jié)石近側(cè)飄逸而出。利用實(shí)驗(yàn)方法可間接觀察SWL的空化效應(yīng)。它表現(xiàn)為鋁箔、X光膠片、金屬塊以及結(jié)石模型上的大量細(xì)微凹坑。這些凹坑是空化效應(yīng)的特征，是由于氣泡在崩解時(shí)，固體遭受空化微噴射撞擊所產(chǎn)生的。其力度足以穿透鋁箔和使金屬表面變形。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)基本一致?？栈?yīng)是SWL中有效碎石

28、的必要條件。浸于粘稠液體（如甘油）中的結(jié)石，經(jīng)過沖擊后其外表幾乎仍然保持完好。而在同樣的沖擊條件下，浸入氯化銫溶液或水中的結(jié)石則破壞顯著。甘油和氯化銫溶液的聲阻抗均與水相似，卻產(chǎn)生截然不同的碎石結(jié)果，原因在于甘油的高粘稠度導(dǎo)致空化作用降低。這些發(fā)現(xiàn)提示，SWL的空化效應(yīng)是結(jié)石粉碎的主導(dǎo)機(jī)制。目前，對(duì)初發(fā)性沖擊波與結(jié)石的相互作用尚未進(jìn)行定量研究，因此，與空化作用相比，初發(fā)性沖擊波對(duì)結(jié)石粉碎作用的相對(duì)重要性也未被闡明。有人提出，在原理上，聲波發(fā)射測定法可以用作監(jiān)測SWL引起的體內(nèi)空化效應(yīng)的一種非侵入式工具。目前，國外已有人在研究一種測試體內(nèi)空化的傳感器，作為臨床上能量應(yīng)用的定量指標(biāo)。三、擠壓效應(yīng)擠

29、壓碎石效應(yīng)只是在廣焦斑低壓力沖擊波條件下才能實(shí)現(xiàn)的一種特殊的碎石機(jī)制。2001年，德國斯圖加特大學(xué)第一物理研究所的國際著名沖擊波學(xué)者Eisenmenger根據(jù)中國產(chǎn)碎石機(jī)的特點(diǎn)，在用廣焦斑沖擊波進(jìn)行體外碎石實(shí)驗(yàn)中注意到這一現(xiàn)象，并提出了結(jié)石的“擠壓雙瓣碎裂機(jī)制”。其主要內(nèi)容是：當(dāng)沖擊波焦點(diǎn)的最大截面直徑大于或等于結(jié)石直徑時(shí)，沖擊波不僅在結(jié)石內(nèi)傳播，也在其外周的水中傳播。由于沖擊波在結(jié)石中的傳播速度比在水中快三倍，當(dāng)沖擊波脈沖穿過結(jié)石時(shí)，結(jié)石外周水中遲來的高壓沖擊波就對(duì)處于低壓狀態(tài)的結(jié)石形成了一個(gè)垂直于沖擊波方向的環(huán)相壓力（圖3-3-13）。在其作用下，結(jié)石碎裂平面總是垂直或平行于沖擊波傳播方向

30、（圖3-3-14）。這一擠壓效應(yīng)可在脈沖壓力大幅降低至1030MPa，負(fù)壓也相應(yīng)降低至-3.5MPa的條件下，也能達(dá)到滿意的碎石效果。在這種低脈沖壓力作用下，結(jié)石內(nèi)部原有的小裂隙延伸、增大、會(huì)合，直至形成一個(gè)碎裂平面。這樣的碎裂總是一分為二，二分為四，宛如細(xì)胞分裂，即所謂“雙瓣破裂”。這一過程是漸進(jìn)的，直至最終結(jié)石被“震碎”。這不同于狹焦斑-高壓力式?jīng)_擊波使結(jié)石表面產(chǎn)生彈坑樣鑿蝕斑而造成的結(jié)石“擊碎”。圖3-2-13 在周圍液體或組織中傳播的壓力脈沖對(duì)結(jié)石形成的環(huán)相壓力，即“擠壓效應(yīng)”圖3-2-14 擠壓機(jī)制造成的雙瓣式結(jié)石定向破裂。在結(jié)石的前、后界面，應(yīng)力所致的裂隙面是垂直于波的傳播方向；而

31、在結(jié)石內(nèi)部，應(yīng)力所致的裂隙則是平行于波的傳播方向。Eisenmenger將碎石結(jié)果繪圖并建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，說明了將結(jié)石粉碎至半徑r時(shí)，沖擊波次數(shù)n與結(jié)石產(chǎn)生第一碎裂時(shí)的沖擊次數(shù)N之比和原結(jié)石的半徑R與最終碎石半徑r之比是呈線性關(guān)系，而與沖擊波在結(jié)石內(nèi)的傳播、反射及空化作用關(guān)系不大。然而，這一模型是有條件的，即在廣焦（焦區(qū)徑向長度2cm）、低壓（1030MPa）以及脈寬2µs的情況下實(shí)現(xiàn)的。與之相反，在高峰壓、高負(fù)壓、狹焦斑情況下，沖擊波在結(jié)石內(nèi)直接傳播和反射所致的應(yīng)力作用及空化效應(yīng)可能仍為主要碎石因素，因而擠壓理論并不否定以往的碎石理論。四、動(dòng)力學(xué)疲勞 動(dòng)力學(xué)疲勞是沖擊波碎石的第四

32、種物理機(jī)制，由美國加州工學(xué)院航空實(shí)驗(yàn)室的Lokhanwalla博士提出，詳見本書“沖擊波碎石的斷裂力學(xué)模型”一章。五、沖擊波-結(jié)石相互作用的理論模型為進(jìn)一步理解結(jié)石粉碎的機(jī)制，最近根據(jù)幾何聲學(xué)原理，建立了一種空化作用的微噴射撞擊結(jié)石和沖擊波在結(jié)石內(nèi)傳播的理論模型。理論上表明，在噴射撞擊的最初階段，噴射頭內(nèi)部的液體受到壓縮，在撞擊的部位產(chǎn)生極高的壓力，同時(shí)還形成剪切式次發(fā)性沖擊波并傳播到結(jié)石。利用這種理論模型可以測定界面的撞擊壓力分布和結(jié)石內(nèi)部應(yīng)力的幾何分布。與早先的理論和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾龋@一模型可以更完整而全面地闡明噴射撞擊問題。 圖3-2-15表明，厚度為 10mm的一水草酸鈣結(jié)石模塊在受到速

33、度為150m/s的0.1mm微噴射撞擊后，沖擊波及其內(nèi)部的傳播過程。選用這種塊狀模型是為了排除側(cè)向反射的影響，以便明確反映出在結(jié)石前面由噴射撞擊和在結(jié)石后面由反射張力波所致的結(jié)石破壞的基本特性。圖中表明了由噴射撞擊產(chǎn)生的縱波和橫波及其以半圓形沖擊波前沿傳播到結(jié)石的過程。縱波比橫波傳播速度快，結(jié)果當(dāng)擴(kuò)展的縱波或橫波前沿碰到結(jié)石的后界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反射性縱波和橫波。在這一模型計(jì)算中，利用100400m/s的噴射速度代表由100MPa沖擊波所致的空化活動(dòng)的范圍，包括氣泡云崩解現(xiàn)象。根據(jù)理論模型預(yù)測，最大撞擊壓力為1201114MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各種碎石機(jī)產(chǎn)生的原始沖擊波的最大正壓（60100MPa）。

34、在受撞擊的結(jié)石表面計(jì)算的壓力和剪力分別為1242517MPa和45327MPa，與結(jié)石的壓力和剪力破壞強(qiáng)度（分別為220MPa和31194MPa）相比，模型計(jì)算表明，在結(jié)石噴射撞擊之處很容易碎裂。圖3-2-15 首次噴射撞擊后，縱沖擊波和橫沖擊波在一水草酸鈣結(jié)石內(nèi)6個(gè)不同時(shí)間段的傳播過程這些模型計(jì)算證實(shí)，最大反射性張力性應(yīng)力是沿噴射長軸方向在結(jié)石后界面附近產(chǎn)生的。由于次發(fā)性沖擊波的幾何性播散，最大反射性張力性應(yīng)力主要取決于結(jié)石厚度。隨著結(jié)石厚度從1mm增至10mm，該值由6.9MPa降至0.15MPa。與結(jié)石0.13.4MPa的張力性破壞強(qiáng)度相比，這一模型計(jì)算表明，這種剝脫狀破壞最有可能發(fā)生在

35、體積小的結(jié)石或經(jīng)沖擊波反復(fù)撞擊后厚度大為降低的結(jié)石，而且實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一理論性預(yù)測。對(duì)于厚度2.5mm的結(jié)石模型，僅需沖擊25次就產(chǎn)生后界面的剝脫狀破壞；對(duì)于厚度7.8mm的結(jié)石模型，需要沖擊200次，在結(jié)石前界面造成一個(gè)深彈坑后才能在后界面產(chǎn)生剝脫狀破壞。這一實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在較強(qiáng)的反射性張力的作用下，薄形標(biāo)本更易發(fā)生剝脫狀破壞。目前，臨床上使用的碎石機(jī)的焦點(diǎn)比較精細(xì)，有效碎石直徑大約1.0cm，在進(jìn)行SWL術(shù)中，可將焦點(diǎn)穿過結(jié)石主體后對(duì)準(zhǔn)其后界面出波，充分利用反射性張力波及其空化作用來進(jìn)一步提高碎石效率。尿結(jié)石和腎組織的物理特性聲波特性決定了沖擊波在結(jié)石和組織內(nèi)部的傳播以及在結(jié)石組織界面穿越和反

36、射的特點(diǎn)；另外，機(jī)械特性又決定了結(jié)石和組織對(duì)沖擊波負(fù)荷的反映。結(jié)石的聲學(xué)特性和機(jī)械特性主要取決于結(jié)石成分；結(jié)石的顯微硬度和碎裂強(qiáng)度更為明顯地受結(jié)石結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件的影響。相反，腎組織的物理特性較少變化，它明顯不同于結(jié)石的物理特性。一、結(jié)石和腎組織的聲學(xué)特性結(jié)石和腎組織的最重要聲學(xué)特性是波速、密度和聲阻（表3-3-1）。在類似結(jié)石的彈性固體中，波的傳播有兩種特殊方式：一是縱波傳播，特點(diǎn)是材料顆粒沿波束平行運(yùn)動(dòng)；二是橫波傳播，材料顆粒垂直于波束運(yùn)動(dòng)。利用超聲脈沖傳輸技術(shù)可以測出不同成分結(jié)石的縱波（壓力）和橫波（剪力）的傳播速度。為減少異質(zhì)結(jié)石結(jié)構(gòu)對(duì)波速測定的影響，宜采用2mm厚度的結(jié)石薄片，在大而同

37、質(zhì)結(jié)晶區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測定。結(jié)石密度是根據(jù)阿基米德定律用比重管測定。結(jié)石聲阻是通過密度與波速的乘積計(jì)算得出的。腎組織聲學(xué)特性的測定方法與之相似，只是腎組織和水只存在縱波傳播。通常情況下，一水草酸鈣結(jié)石和胱氨酸結(jié)石的波速和聲阻顯著高于磷灰石結(jié)石和磷酸銨鎂結(jié)石，磷酸氫鈣結(jié)石和尿酸結(jié)石居中。結(jié)石的縱波聲阻較腎組織和水高36倍。理論上，高聲阻的結(jié)石將在其前面產(chǎn)生較強(qiáng)的入射波反射，使透射到結(jié)石的沖擊波能量減少，因此，高聲阻的一水草酸鈣結(jié)石和胱氨酸結(jié)石要比低聲阻的磷灰石結(jié)石和磷酸銨鎂結(jié)石難以粉碎。這種理論估計(jì)與SWL中的經(jīng)驗(yàn)大致相同。結(jié)石密度與結(jié)石脆性的關(guān)系不大，尤其是胱氨酸結(jié)石的密度遠(yuǎn)低于其他成分結(jié)石，但卻極

38、難粉碎。表3-3-1 腎組織和結(jié)石的聲學(xué)特性物質(zhì)組成（重量比）密度(kg*m-3)縱向波速(m*s-1)橫向波速(m*s-1)縱向聲阻(103kg*m-2*s-1)橫向聲阻(103kg*m-2*s-1)腎結(jié)石胱氨酸(100)1624±734651±1382125±97553±5743451±170一水草酸鈣(100)2038±344535±582132±259242±2744345±124磷酸氫鈣(95)/一水草酸鈣(5)2157±163932±1341820±22

39、8481±3543926±78尿酸(100)1546±123471±621464±125366±1382263±36碳酸磷灰石(95)/二水草酸鈣(5)1732±1162724±751313±204178±4552274±189磷酸銨鎂(90)/碳酸磷灰石(10)1587±682789±821634±254440±3262593±152腎組織103915881650水100014981498二、結(jié)石的機(jī)械特性結(jié)石的各種機(jī)械特性

40、可經(jīng)靜壓、超聲和微刻技術(shù)測試。（一）彈性特征腎結(jié)石的靜壓力和張力強(qiáng)度范圍分別為1.920MPa和0.13.4MPa。薄片結(jié)石標(biāo)本（2mm）能夠明顯減少異質(zhì)結(jié)石結(jié)構(gòu)的影響。通過楊氏模量、剪切模量和體積模量可以準(zhǔn)確測定結(jié)石成分的彈性特征（表3-3-2）。在材料力學(xué)上，楊氏模量是用來測試結(jié)石材料對(duì)延展力和回縮力的阻抗力；剪切模量是測定結(jié)石材料對(duì)扭曲力的阻抗力；體積模量是測定結(jié)石材料對(duì)容積改變的阻抗力。表3-3-2 結(jié)石的機(jī)械特性結(jié)石成分(重量比)楊氏模量(GPa)剪切模量(GPa)韋氏硬度(kg/mm2)材料類型 胱氨酸(100)20.077.3323.8韌性 一水草酸鈣(100)24.519.20104.6脆性 磷酸氫鈣(95)/一水草酸鈣(5)19.57.2072.7脆性 尿酸(100) 9.203.3031.2脆性 碳酸磷灰石(95)/二水草酸鈣(5) 8.052.9955.6脆性 磷酸銨鎂(90)/碳酸磷灰石(10)10.524.2425.7脆性（二）硬度特征結(jié)石的顯微硬度可用努氏和韋氏壓頭檢測，表明結(jié)石阻抗穿透力的指數(shù)。各種不同成分結(jié)石的韋氏硬度差異很大。一水草酸