沖擊波碎石的物理學基礎

1、沖擊波碎石的物理學基礎 孫西釗沖擊波碎石是物理學和醫(yī)學相結合的新技術，理解和掌握有關沖擊波的物理知識，對于指導SWL的臨床應用以及沖擊波碎石機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，通常參照聲學的物理知識來講解和對比沖擊波的形成、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，目前，已設計出了多種原理的沖擊波碎石機。下面以經(jīng)典的液電式?jīng)_擊波為例，介紹液

2、中放電時聚焦沖擊波的發(fā)生過程。液中放電是將貯存在儲能電容器中的高壓電能在電極對之間瞬間釋放后發(fā)生的火花放電現(xiàn)象?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的高溫使放電通道周圍的液體形成一個等離子體(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膨脹的、密度極高的氣泡，這個氣泡具有高膨脹效應和對高溫高能的存儲能力。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后，通過水分子的機械慣性，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型碎石機的SWL實驗中，可見三個明顯的壓力脈沖（圖3-1-1 ）。前兩個脈沖亦稱作初級沖擊波

3、，其中，第一個脈沖是直達波脈沖，代表初級沖擊波中未經(jīng)橢球體反射的部分。因其能量較小，而且在F1到F2點的傳播過程中，其幅度進一步衰減，所以這一直達脈沖的壓力較小。第二個脈沖代表初級沖擊波的聚焦部分，占沖擊波總能量的絕大部分（90），其峰值的平均壓力為72.5Mpa，壓力脈沖時間為2.5s。從F1到F2之間的距離，初級沖擊波在放電之后，直達沖擊波和反射沖擊波出現(xiàn)的時差為29s。據(jù)此可以推算，沖擊波通過這段距離的速度為1700m/s。第三個脈沖約在放電之后的500s后發(fā)生，是一個較強的沖擊波，但其壓力幅度低于聚焦的初級沖擊波。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，第三個沖擊波是

4、間接發(fā)生的。其發(fā)生過程是：當F1周圍的氣泡膨脹到極限時，便停止膨脹，同時開始以加速度回縮。由于這種氣泡的迅速塌陷和回縮，產(chǎn)生一個反抽性負壓脈沖。這個負壓性脈沖可引起F2處的空化效應，即在焦區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的氣泡。當其破裂之后便引發(fā)了第三個沖擊波，亦稱作次級沖擊波。圖3-1-1 沖擊波焦點壓力/時間示意圖二、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是它能在介質中膨脹和聚集，從而改變介質的密度。波的傳播方式是介質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，介質的壓力和密度始終保持不變，

5、因而波的各個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，才遵循線性聲學定律。如果沖擊波脈沖能量足夠高時，就會產(chǎn)生非線性聲學特征。高能沖擊波在傳播過程中，隨著傳播介質的可壓縮性減小，其傳播速度將隨之加快，結果在通過介質的時候，波形會發(fā)生扭曲變形（圖3-1-3）。詳言之，在沖擊波的起始點上，水處在低壓幅度范圍，因而該點附近的沖擊波速度與聲波速度相同。但在波的中部，每個連續(xù)點的壓力幅度逐步增大，使傳播介質的密度增加，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一步加快，足以趕上沖擊波前沿的初始點。當壓力突然中斷，緊接著又出現(xiàn)一個

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)生了相應的轉變，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波疊加而成的波群。它包含著一個寬而連續(xù)的頻譜，從200kHz到20MHz。而超聲波只有一個頻率。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，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碎石的破壞能力和對組織的穿透能力。一般而言，高頻波對結石的粉碎能力較強，但對組織的穿透能力較差；而低頻波對組織的穿透能力較強，但聚焦性能較差，焦點的能流密度較低。使用高強度沖擊波來粉碎體內(nèi)的結石時，要盡量不傷及組織。因為高強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，最后才能到達治療的靶位上。當沖擊波傳播至不同的物質時，聲阻抗決定了穿過物質界面的總聲能（圖3-1-4）。聲阻抗的定義是：物質的密度與波速的乘積，是物質的固有屬性。如果兩種

8、物質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)向前傳播進入第二種物質，而另一部分被反射回來，結果就會造成部分聲能損失?；谶@一原理，在沖擊波碎石技術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介質，以減少沖擊波傳播過程中的能量損失；而沖擊波遇到結石時，由于水石界面的聲阻抗差異較大，沖擊波就會與結石發(fā)生強烈的相互作用，從而導致結石粉碎；同理，因為空氣的聲阻抗比人體組織的聲阻抗小的多，所以在兩者的界面處也會發(fā)生強烈的相互作用。肺是一種實質性含氣器官，當暴露于沖擊波時，將會罹受嚴重損傷。圖3-1-4 沖擊波

9、傳播至不同介質界面時的示意圖當界面處（介質1與2之間）的聲阻抗相匹配時，入射波全部穿過；當界面處（介質2與3之間）的聲阻抗不匹配時，入射波部分傳播過去，另一部分被反射回來。當沖擊波穿過不同物質時，對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1，2分別表示第一、二種物質，Z聲阻抗，物質的密度，c物質里的聲速。舉例說明，一個在水中傳播的平面沖擊波，垂直入射到一個理想化的一水草酸鈣結石平面。假設入射波壓力Pi60MPa，結石的聲阻抗Z2

10、9.2，而水的聲阻抗Z11.49。這樣，在結石表面反射波的壓力Pr31.20MPa，而透射進入結石的波壓Pt28.80MPa。當沖擊波在結石內(nèi)傳播到對面界面時，同樣存在反射與透射現(xiàn)象，這時反射波為一負壓的張力波，Pr=14.98MPa，而透射波壓力Pt=13.82MPa。但實際上，沖擊波在結石中傳播時會發(fā)生衰減，加上結石表面形態(tài)的差異和質地的不均勻等，都會影響上述結果。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），與一個時間持續(xù)較長的張力相（負相），因此，沖擊波的振幅和持續(xù)時間是不對稱的（圖3-1-5）。壓力相是由于沖

11、擊波直接的正壓作用所致；而張力相則是反抽性負壓所致，例如點式波源的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 沖擊波碎石機焦點處典型壓力波形示意圖正、負峰壓（P+，P）在焦區(qū)內(nèi)測得的沖擊波壓強的最大值，單位是MPa。上升時間（tr）壓力P值的10增至90所需時間，亦稱作沖擊波前沿，單位是s。正、負半周期（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s。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)取決于碎石機的類型和輸出檔位，差異很大。在此應當指出，早期測定沖擊波波形和壓力等參數(shù)所用的PCB壓力傳感器，

12、對記錄真正的峰壓來說頻響太低，不能及時反映出沖擊波的發(fā)生和消失，因此，實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，隨著碎石機輸出檔位的提高，沖擊波的P+、P、t+和Es相應增加，而tr和t則降低。壓電式碎石機的峰值壓力最高，但焦區(qū)體積較??；液電和電磁式碎石機的峰值壓力較低，但焦區(qū)體積較大。有實驗表明，不同類型沖擊波源間的能量差異很大，是數(shù)量級的差異，而且同型波源不同型號的機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幾乎不會改變。這些結果表明，在液電式?jīng)_擊波碎石機中，沖擊波形成于任何輸出檔位，而壓電式碎石機和電磁式碎石機只形成

13、在較高輸出檔位。這種差別的原因在于壓電式碎石機和電磁式碎石機是在不同聲波傳播至焦點時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；植入結石后，P+降低3060，說明大量的入射沖擊能量被結石材料吸收。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的高頻成分將比負壓相的低頻成分衰減更甚，導致體內(nèi)P+顯著降低（圖3-1-6）。最初曾有人提出沖

14、擊波P+和tr是造成結石有效粉碎的重要參數(shù)，但新近實驗表明，結石粉碎與P+或tr關系不大，而是與有效的聲能密切相關。此外，理論研究也說明，沖擊波的P和t是決定SWL誘發(fā)空化效應動力學的重要參數(shù)，對于結石粉碎起著主導作用。圖3-1-6 軟組織對沖擊波物理參數(shù)的影響四、沖擊波的壓力分布沖擊波焦區(qū)的壓力分布與結石的粉碎效率、生物學效應和組織的損傷程度有關。沖擊波在通過生物組織時衰減程度很小，僅為1020/10cm，故能穿透至人體深部，而且在其峰壓增至1kPa時，沖擊波仍可遵循聲學原理進行傳播，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。但當沖擊波向幾何焦點匯聚時，其非線性特性便限制了峰值

15、壓力和改變了壓力波形。波源孔徑的大小和形狀、預焦波的能量和壓力波形都能決定終點焦區(qū)的壓力分布。雖然對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比不同波源焦區(qū)的壓力分布（圖3-1-7），以便對其進行改造。圖3-1-7 沖擊波焦區(qū)的壓力分布各種碎石機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，結石定位簡便，粉碎率高，其缺點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焦點小范圍內(nèi)，在理論上它對組織損傷較輕，但在

16、治療過程中結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，復震率較高，累計能量有時反而較大。圖3-1-8 壓電式波源（左）與液電式波源（右）焦區(qū)特點的對比與國際上各式?jīng)_擊波碎石機相比，雖然國產(chǎn)電磁式碎石機或液電式碎石機沖擊波焦區(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系比較復雜，其最佳設計選擇還有待于深入的基礎和臨床研究?；颊咂つw入點的沖擊波壓力分布決定麻醉的需求。作為“金標準”的HM3型碎石機的皮膚入點直徑?。?55mm），但焦區(qū)體積大（15mm15mm90mm）。因此，它的皮膚入點正

17、壓高（20MPa），局部痛感較重，在進行SWL時需行全麻或區(qū)域性麻醉。相反，Piezolith-2300型壓電式碎石機的皮膚入點直徑大（500mm），焦區(qū)體積?。?.5mm2.5mm30mm），皮膚入點處的正壓較低（0.6MPa），因而不需要麻醉。目前許多液電式碎石機也多設計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。雖然增加皮膚入點面積和縮小焦點體積能減少麻醉需求，但許多第二代碎石機的功率已不如第一代的HM3型碎石機，因而導致每次治療的沖擊次數(shù)增加，復治率較高，有效率降低。最近，在一些新的設計方案中采用了可變式儲能電容來改變這種局限性，例如，把國外沖擊波碎石機和國產(chǎn)沖擊波碎石

18、機的特點融為一體，在同一臺碎石機上采用多級儲能電容和多檔放電電壓，構成多種能量組合，這樣既可在無麻醉下使用低功率來進行常規(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石。沖擊波碎石的物理機制沖擊波碎石的物理機制比較復雜。結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，才能使結石破碎。根據(jù)目前研究，結石的粉碎不是單一力學因素作用的結果，而是多種破壞因素共同作用所致。一、應力效應沖擊波導致結石粉碎的應力效應是SWL的經(jīng)典理論。聲波的傳播分為縱波和橫波，在液體介質中只能傳播縱波，而在固體介質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

19、傳播過程中，物質分子的位移與波的進行方向是一致的。按照運動學觀點，沖擊波從液體介質傳播到固體介質中時，固體介質亦隨著波動而被壓縮和拉伸。當固體介質的分子所受到的壓縮力和拉伸力超過自身結合力的極限時，固體就會受到破壞。從應力效應的角度來看，結石的粉碎過程大致分為三個階段（圖3-2-9）。圖3-2-9 沖擊波與結石的相互作用（ r.反射波；t.入射波）a沖擊波作用于結石前界面和后界面（霍普金森效應）b沖擊波進一步作用于結石內(nèi)部首先是沖擊波在結石前界面的入射階段。當沖擊波撞擊結石的前表面時，入射沖擊波的一部分轉變?yōu)榉瓷洳ê蜕⑸洳?，其余的入射波進入結石后又轉變?yōu)槎糠郑阂徊糠掷^續(xù)向前穿過結石，形成具有

20、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石的前界面時，如果力度超過結石的抗壓強度和抗拉強度，結石的前界面附近則出現(xiàn)破損和開裂。因為結石的抗壓強度為抗拉強度的510倍，換言之，結石可以承受很高的擠壓力而經(jīng)不起相對低的拉伸力，所以在等力條件下，張力波對結石的破壞作用更大，但因張力波成分較少，故對實際碎石效果尚難做出定量評估。隨后是沖擊波在結石內(nèi)部的傳播階段。當沖擊波進入結石繼續(xù)向前傳播時，它在結石內(nèi)部造成一個較高的壓力梯度，根據(jù)慣性原理，沖擊波到達的位置處于運動狀態(tài)，而沖擊波尚未到達的鄰近部位仍處于相對靜止狀態(tài)，形成一個壓力梯度

21、。這樣，壓力高的近側就會對壓力低的遠側造成碰撞和擠壓，從而在結石內(nèi)部產(chǎn)生一個拉伸內(nèi)應力，使結石中原有裂隙和脆弱部分順勢擴大，直至解體或破碎。其特點是材料的裂痕垂直于沖擊波的傳播方向。最后是沖擊波在結石后界面的出波階段。當沖擊波抵達結石對側的后界面時，傳播過程是從固體介質到液體介質，在此，同樣會產(chǎn)生透射和反射現(xiàn)象。一部分沖擊波進入液體介質，成為透射波；另一部分反射波轉為張力波，引起結石的剝落性破壞。其特征是大塊的圓帽狀碎塊從結石后界面脫落。根據(jù)聲學原理，當壓力波到達結石后界面時，由于從結石到周圍液體或組織的聲阻降低，就會產(chǎn)生反射性張力波。一旦超過結石的抗張強度，這種反射性張力波就會造成結石的剝落

22、性破壞，這一現(xiàn)象亦被稱作“霍普金森”效應。經(jīng)掃描電鏡觀察亦可證實，原先有序的結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，在同心層結石中亦可看到結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沖擊結石，逐步將結石由大碎小，最終使之成為能夠通過尿液自行排出的細砂。二、空化效應在聲學沖擊波的張力相時，當波的張力超過水的動力學張力強度時，就會產(chǎn)生空化氣泡?？栈亩x是局部靜壓力驟然降低，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

23、存在著大量微細空腔和雜質性顆粒，起著空化核的作用，它在張力作用下發(fā)生爆裂后，氣泡的體積將會發(fā)生膨脹，但只有達到足夠大時才能說明發(fā)生了空化（圖3-2-10）?？栈撬晫W和液體動力學中常見的現(xiàn)象，它可使船舶的螺旋槳、水電站的水輪機和葉片等產(chǎn)生嚴重剝蝕，以至損壞。空化碎石效應是指空泡崩潰時，反復的“水錘”式錘擊結石，使結石發(fā)生疲勞性碎裂和剝蝕。圖3-2-10 空化效應的發(fā)生過程結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，然后又在朝向結石的界面處率先驟然崩潰、坍塌，釋放出瞬時的次發(fā)性沖擊波，外部的液體隨之迅速沖入負壓的空腔內(nèi)，形成一股高速細微射流，通

24、過空腔的中心噴向最近的結石表面。在這種微噴射的強烈撞擊下，結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石表面的氣泡坍塌后的相互作用而產(chǎn)生。此外，空化效應的理論研究也表明，通過氣泡微噴射撞擊和傳播到結石時可以產(chǎn)生次發(fā)性沖擊波。這些沖擊波在晶體的基質界面和結石后界面的反射，造成了結石的張力性破壞。在SWL中，沖擊波引起的空化效應隸屬聲波空化效應的范疇。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，有兩項標準：一是P，二是空化似然指數(shù)。通常認為，當P降到0.5MPa以下或空化似然指數(shù)大于0.5時，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210M

25、Pa的P及其相關的13512的空化似然指數(shù)值，在SWL中自然會誘發(fā)強烈的瞬態(tài)空化效應。理論計算業(yè)已證明，預先存在的110m空化核接觸到P+/P為100/16的典型沖擊波后，它將會膨脹到原始體積的100倍，持續(xù)時間大約25s，爾后劇烈崩解。在崩解的氣泡內(nèi)的溫度達105K，最高壓力高達2.8105MPa。氣泡動力學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關系不大。液體性質和脈沖幅度對氣泡動力學也有影響。在低壓脈沖幅度下(P0.2MPa)，氣泡動力學受不同液體物理性質，如粘稠度、溫度、表面張力和氣體含量的影響。然而，在高負壓脈沖幅度下（P10MPa），液體內(nèi)初始氣泡體積和物理性

26、質對氣泡動力學幾乎沒有影響?？栈a(chǎn)生后，氣泡體積忽大忽小，其直徑不斷振蕩，因為氣泡的體積變化與壓力幅度不相關，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，當其爆裂時，能量驟然釋放，其形式可為高能水流或高溫。在不同密度的介質交界面附近，氣泡內(nèi)爆的對稱性受到干擾，周圍介質的液體以微噴射的方式進入氣泡，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。用高速攝像技術可以直接觀察到SWL在體外產(chǎn)生的瞬態(tài)空化活動。通?？梢杂^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，當初始半徑

27、范圍為0.151.20mm的氣泡崩解時,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度，可在50200s時增至最大，爾后迅速崩解，結石碎片隨之從結石近側飄逸而出。利用實驗方法可間接觀察SWL的空化效應。它表現(xiàn)為鋁箔、X光膠片、金屬塊以及結石模型上的大量細微凹坑。這些凹坑是空化效應的特征，是由于氣泡在崩解時，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。這些實驗結果與理論推導基本一致?？栈荢WL中有效碎石的必要條件。浸于粘稠液體（如甘油）中的結石，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石則破壞顯著。甘

28、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果，原因在于甘油的高粘稠度導致空化作用降低。這些發(fā)現(xiàn)提示，SWL的空化效應是結石粉碎的主導機制。目前，對初發(fā)性沖擊波與結石的相互作用尚未進行定量研究，因此，與空化作用相比，初發(fā)性沖擊波對結石粉碎作用的相對重要性也未被闡明。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，作為臨床上能量應用的定量指標。三、擠壓效應擠壓碎石效應只是在廣焦斑低壓力沖擊波條件下才能實現(xiàn)的一種特殊的碎石機制。2001年，德國斯圖加特大學第一物理研究所的國際著名沖擊波學者Eise

29、nmenger根據(jù)中國產(chǎn)碎石機的特點，在用廣焦斑沖擊波進行體外碎石實驗中注意到這一現(xiàn)象，并提出了結石的“擠壓雙瓣碎裂機制”。其主要內(nèi)容是：當沖擊波焦點的最大截面直徑大于或等于結石直徑時，沖擊波不僅在結石內(nèi)傳播，也在其外周的水中傳播。由于沖擊波在結石中的傳播速度比在水中快三倍，當沖擊波脈沖穿過結石時，結石外周水中遲來的高壓沖擊波就對處于低壓狀態(tài)的結石形成了一個垂直于沖擊波方向的環(huán)相壓力（圖3-3-13）。在其作用下，結石碎裂平面總是垂直或平行于沖擊波傳播方向（圖3-3-14）。這一擠壓效應可在脈沖壓力大幅降低至1030MPa，負壓也相應降低至-3.5MPa的條件下，也能達到滿意的碎石效果。在這種

30、低脈沖壓力作用下，結石內(nèi)部原有的小裂隙延伸、增大、會合，直至形成一個碎裂平面。這樣的碎裂總是一分為二，二分為四，宛如細胞分裂，即所謂“雙瓣破裂”。這一過程是漸進的，直至最終結石被“震碎”。這不同于狹焦斑-高壓力式?jīng)_擊波使結石表面產(chǎn)生彈坑樣鑿蝕斑而造成的結石“擊碎”。圖3-2-13 在周圍液體或組織中傳播的壓力脈沖對結石形成的環(huán)相壓力，即“擠壓效應”圖3-2-14 擠壓機制造成的雙瓣式結石定向破裂。在結石的前、后界面，應力所致的裂隙面是垂直于波的傳播方向；而在結石內(nèi)部，應力所致的裂隙則是平行于波的傳播方向。Eisenmenger將碎石結果繪圖并建立了一個數(shù)學模型，說明了將結石粉碎至半徑r時，沖擊

31、波次數(shù)n與結石產(chǎn)生第一碎裂時的沖擊次數(shù)N之比和原結石的半徑R與最終碎石半徑r之比是呈線性關系，而與沖擊波在結石內(nèi)的傳播、反射及空化作用關系不大。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2s的情況下實現(xiàn)的。與之相反，在高峰壓、高負壓、狹焦斑情況下，沖擊波在結石內(nèi)直接傳播和反射所致的應力作用及空化效應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、動力學疲勞 動力學疲勞是沖擊波碎石的第四種物理機制，由美國加州工學院航空實驗室的Lokhanwalla博士提出，詳見本書“沖擊波碎石的斷裂力學模型”一章。五、沖擊波-結石相互作用的理論模型為進

32、一步理解結石粉碎的機制，最近根據(jù)幾何聲學原理，建立了一種空化作用的微噴射撞擊結石和沖擊波在結石內(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，同時還形成剪切式次發(fā)性沖擊波并傳播到結石。利用這種理論模型可以測定界面的撞擊壓力分布和結石內(nèi)部應力的幾何分布。與早先的理論和實驗模型相比，這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的一水草酸鈣結石模塊在受到速度為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向反射的影響，以便明確反映出在結石前面由噴射撞擊和在結石

33、后面由反射張力波所致的結石破壞的基本特性。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石的過程。縱波比橫波傳播速度快，結果當擴展的縱波或橫波前沿碰到結石的后界面時，就會產(chǎn)生反射性縱波和橫波。在這一模型計算中，利用100400m/s的噴射速度代表由100MPa沖擊波所致的空化活動的范圍，包括氣泡云崩解現(xiàn)象。根據(jù)理論模型預測，最大撞擊壓力為1201114MPa，遠遠高于各種碎石機產(chǎn)生的原始沖擊波的最大正壓（60100MPa）。在受撞擊的結石表面計算的壓力和剪力分別為1242517MPa和45327MPa，與結石的壓力和剪力破壞強度（分別為220MPa和31194MPa）相比，

34、模型計算表明，在結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石內(nèi)6個不同時間段的傳播過程這些模型計算證實，最大反射性張力性應力是沿噴射長軸方向在結石后界面附近產(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力主要取決于結石厚度。隨著結石厚度從1mm增至10mm，該值由6.9MPa降至0.15MPa。與結石0.13.4MPa的張力性破壞強度相比，這一模型計算表明，這種剝脫狀破壞最有可能發(fā)生在體積小的結石或經(jīng)沖擊波反復撞擊后厚度大為降低的結石，而且實驗也證實了這一理論性預測。對于厚度2.5mm的結石模型，僅需沖擊25次就產(chǎn)生后界面的剝脫狀破壞

35、；對于厚度7.8mm的結石模型，需要沖擊200次，在結石前界面造成一個深彈坑后才能在后界面產(chǎn)生剝脫狀破壞。這一實驗確認，在較強的反射性張力的作用下，薄形標本更易發(fā)生剝脫狀破壞。目前，臨床上使用的碎石機的焦點比較精細，有效碎石直徑大約1.0cm，在進行SWL術中，可將焦點穿過結石主體后對準其后界面出波，充分利用反射性張力波及其空化作用來進一步提高碎石效率。尿結石和腎組織的物理特性聲波特性決定了沖擊波在結石和組織內(nèi)部的傳播以及在結石組織界面穿越和反射的特點；另外，機械特性又決定了結石和組織對沖擊波負荷的反映。結石的聲學特性和機械特性主要取決于結石成分；結石的顯微硬度和碎裂強度更為明顯地受結石結構和

36、環(huán)境條件的影響。相反，腎組織的物理特性較少變化，它明顯不同于結石的物理特性。一、結石和腎組織的聲學特性結石和腎組織的最重要聲學特性是波速、密度和聲阻（表3-3-1）。在類似結石的彈性固體中，波的傳播有兩種特殊方式：一是縱波傳播，特點是材料顆粒沿波束平行運動；二是橫波傳播，材料顆粒垂直于波束運動。利用超聲脈沖傳輸技術可以測出不同成分結石的縱波（壓力）和橫波（剪力）的傳播速度。為減少異質結石結構對波速測定的影響，宜采用2mm厚度的結石薄片，在大而同質結晶區(qū)域內(nèi)進行測定。結石密度是根據(jù)阿基米德定律用比重管測定。結石聲阻是通過密度與波速的乘積計算得出的。腎組織聲學特性的測定方法與之相似，只是腎組織和水

37、只存在縱波傳播。通常情況下，一水草酸鈣結石和胱氨酸結石的波速和聲阻顯著高于磷灰石結石和磷酸銨鎂結石，磷酸氫鈣結石和尿酸結石居中。結石的縱波聲阻較腎組織和水高36倍。理論上，高聲阻的結石將在其前面產(chǎn)生較強的入射波反射，使透射到結石的沖擊波能量減少，因此，高聲阻的一水草酸鈣結石和胱氨酸結石要比低聲阻的磷灰石結石和磷酸銨鎂結石難以粉碎。這種理論估計與SWL中的經(jīng)驗大致相同。結石密度與結石脆性的關系不大，尤其是胱氨酸結石的密度遠低于其他成分結石，但卻極難粉碎。表3-3-1 腎組織和結石的聲學特性物質組成（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-

38、2*s-1)橫向聲阻(103kg*m-2*s-1)腎結石胱氨酸(100)16247346511382125975535743451170一水草酸鈣(100)20383445355821322592422744345124磷酸氫鈣(95)/一水草酸鈣(5)21571639321341820228481354392678尿酸(100)1546123471621464125366138226336碳酸磷灰石(95)/二水草酸鈣(5)173211627247513132041784552274189磷酸銨鎂(90)/碳酸磷灰石(10)15876827898216342544403262593152腎組

39、織103915881650水100014981498二、結石的機械特性結石的各種機械特性可經(jīng)靜壓、超聲和微刻技術測試。（一）彈性特征腎結石的靜壓力和張力強度范圍分別為1.920MPa和0.13.4MPa。薄片結石標本（2mm）能夠明顯減少異質結石結構的影響。通過楊氏模量、剪切模量和體積模量可以準確測定結石成分的彈性特征（表3-3-2）。在材料力學上，楊氏模量是用來測試結石材料對延展力和回縮力的阻抗力；剪切模量是測定結石材料對扭曲力的阻抗力；體積模量是測定結石材料對容積改變的阻抗力。表3-3-2 結石的機械特性結石成分(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）硬度特征結石的顯微硬度可用努氏和韋氏壓頭檢測，表明結石阻抗穿透力的指數(shù)。各種不同成分結石的韋氏硬度差異很大。一水草酸鈣結石和磷酸氫鈣結石最硬；其次是磷灰石結石和尿酸結石