體外碎石機
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體外沖擊波碎石機的發(fā)展和應(yīng)用
體外沖擊碎石機治療尿路結(jié)石具有創(chuàng)傷小、費用低、治療效果好等優(yōu)點從而廣泛應(yīng)用于臨床。本文簡述了體外碎石機的發(fā)展史、工作原理和臨床應(yīng)用。對不同沖擊波源的碎石機進(jìn)行了比較，為臨床選購提供科學(xué)依據(jù)。
體外沖擊波碎石機；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，國外統(tǒng)計，在發(fā)達(dá)國家其發(fā)病率在成人人群中為2％-3％，僅美國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)邦德國道尼爾(Domier)開始研制體外沖擊波碎石機，1980年體外沖擊波碎石機應(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 體外沖擊波碎石機的發(fā)展 該機的發(fā)明源自一個意外現(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)飛機高速穿過雨云時，可產(chǎn)生一種沖擊波可使飛機內(nèi)部的器件受損，而飛機的外殼卻完好無損，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年由西德國防部資助，該公司開始了《沖擊波與動物組織間的相互關(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，會發(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體過程中沒有明顯的能量損失，也不會造成傷害，只有肺組織由于空氣與組織鄰界面上的高聲阻抗差，而對沖擊波特別敏感。在研究過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個重要的現(xiàn)象，即在機體內(nèi)于測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)時他正在研究尿路結(jié)石的治療問題，這個現(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年初研制成功一臺帶有兩套X線系統(tǒng)的新型碎石機，實踐證明對腎結(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)一系列實驗為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。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碎石機治療了220例病人，證實大多數(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)之苦的夢想終于實現(xiàn)?？茖W(xué)是沒有國界的，1983年HM-[1]型碎石機問世后，ESWL很快在世界范圍內(nèi)得到了推廣，世界上德國、法國、美國、以色列、意大利和日本等許多國家生產(chǎn)體外沖擊波碎石機。1985年我國研制成功第一臺碎石機至今，已有20多家生產(chǎn)廠家。國內(nèi)接受ESWL治療的患者已達(dá)10萬人。隨著臨床經(jīng)驗的積累和碎石機性能的改進(jìn)，ESWL的適應(yīng)癥不斷擴大，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)國內(nèi)外多數(shù)醫(yī)療單位的報告，ESWL的成功率在95％以上，治療3個月后隨訪，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，各國也進(jìn)一步開發(fā)和研制更優(yōu)秀的新型碎石機。目前已研制出具有X線和B超兩種定位系統(tǒng)及可移動式的新型碎石機。這樣，阻光結(jié)石和非阻光結(jié)石都能定位。大多數(shù)碎石機多采用無水槽，水囊式碎石機，從應(yīng)用來說，已經(jīng)生產(chǎn)腎結(jié)石體外沖擊波碎石機，膽結(jié)石體外沖擊波碎石機和通用型體外沖擊波碎石機。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的性能日趨完善。
2 工作原理
體外碎石機主要由(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)計算機控制操作系統(tǒng)；(6)治療床組成。沖擊波的發(fā)生源是體外沖擊波碎石機的心臟部分。(1)液電沖擊波發(fā)生源，是由德國道尼爾公司發(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有；德國道尼爾公司的Doner、美國Medstone International公司的Medstone、法國Northyate Rrseareh公司的SD系列及我國研制生產(chǎn)的各種型號體外沖擊波碎石機。其起點是更換電極頻繁，一般治療一例患者就要更換一次電極。另一點是電極尖在放電過程中有損耗，使極尖距離增大，造成焦點漂移。其優(yōu)點是，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，而且高壓電流對患者的心臟造成一定的危險，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)生脈沖磁場推動金屬振膜在水振動產(chǎn)生沖擊波。電磁式?jīng)_擊波波源焦點壓強較低，約為液電式的一半，焦區(qū)長，第二聚點脈沖時間較液電長，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)點是聚點穩(wěn)定，不易偏移，無需要更換電極，但發(fā)生器價格高且要定次更換。對患者心臟無危險，一般采用呼吸觸發(fā)，當(dāng)有特殊醫(yī)療需要時也可以采用心電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，使溶解于水中的氣體釋放出來，氣體在沖擊波運動極短的時間內(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，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)，并且縮短治療時間，減少軟組織劃傷。根據(jù)目前報道，復(fù)式脈沖可以提高40％碎石效果，而且損傷也相對減少。復(fù)式脈沖源是體外沖擊波碎石機的發(fā)展方向。三種沖擊波源的優(yōu)、缺點的比較：
(1)液電沖擊波源 優(yōu)點：脈沖波形穩(wěn)，沖擊時間快。(a)第二焦點沖擊波的脈寬可達(dá)0.1vs-0.3vs；(b)第二焦點沖擊波聚焦范圍7×7×12.5mm；(c)使用能量低，電壓3kV-9kV；(d)臨床效果相對優(yōu)于電磁波源。缺點；治療一個病人就要更換電極，放電穩(wěn)定性差，焦點漂移。成本消耗，每次治療每例病人的費用約150元。
(2)電磁沖擊波源 優(yōu)點；噪聲小，不用更換電極，放電穩(wěn)定。點：沖擊波時間慢，第二焦點沖擊波的脈寬0.8vs-1.5vs； (b)焦斑長，第二焦點沖擊波聚焦范圍6×6×60mm；(c)使用能量高，電壓13kV-20kV(按電容0.4uF計算，單個脈沖能量33.8J-80J)；(d)臨床效果相對比液電沖擊波源優(yōu)越。成本消耗，治療每例病人的費用約200元，因為電磁波在使用過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；(b)縮短時間；(c)碎石效果40％左右。復(fù)式脈沖是體外沖擊波碎石機真正的發(fā)展方向。
3 體外碎石效果的幾個重要指標(biāo)(1)第二焦點沖擊波的脈寬，單位vs，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤lvs；(2)第二焦點沖擊波的前沿，單位vs，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤0.5vs；(3)第二焦點沖擊波的焦點范圍，單位vs行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)≤±7×7×12.5mm；(4)第二焦點的峰值壓力，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。聚焦范圍越小，獲得峰值壓力越強。得出結(jié)論：碎石機不管是用什么方法產(chǎn)生沖擊波，只要能以最小的能量，獲得越陡的聚點前沿，越窄的焦點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(1)Domier HM3型體外沖擊波碎石機是德國道爾尼公司研制的水槽式液電沖擊波體外碎石機，采用X射線定位；
(2)Domier GM2型體外沖擊波碎石機是德國道爾尼公司為治療膽結(jié)石而研制設(shè)計的。該機為水囊式液電沖擊波碎石機。采用超生波定位；(3)Siemens Lithostar型體外沖擊波碎石機，該機是德國西門子公司研制成功的，是現(xiàn)代化、高性能的碎石機，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，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，是由法國Techmomed Internathonal (TMI)于1986年生產(chǎn)，是世界上第一臺使用于治療尿結(jié)石和膽結(jié)石的通用型體外沖擊波碎石機。該機為水盆式液電沖擊波碎石機，采用超生波定位，它將治療的有效性、安全性、系統(tǒng)的流動性和技術(shù)的可靠性等優(yōu)點集于一身；(5)EDAPLT-01型體外沖擊波碎石機。是法國繼德國道爾尼公司之后，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，也稱為第二代體外碎石機?？朔薉omier HM3型體外沖擊波碎石機設(shè)備復(fù)雜，需要更換電極及售價與操作費用都比較高等缺點。沖擊波和人體間的耦合首次采用水囊式。由于取消了水浴，利用超聲波對結(jié)石進(jìn)行迅速而準(zhǔn)確的定位也得以實現(xiàn)。從此以后，液電沖擊波體外碎石機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。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月研制成功第一臺實用機-E8410型體外沖擊波碎石機，1985年8月19日在該樣機上進(jìn)行第一臺治療腎結(jié)石患者的臨床實驗，獲得成功，經(jīng)鑒定達(dá)到國際水平，在E8410型實驗樣機的基礎(chǔ)上，研制成功KDE系列體外沖擊波碎石機，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以及NE系列腎、膽石通用體外沖擊波碎石機。目前在中國發(fā)展很快，已有20多個廠家生產(chǎn)各種類型的體外沖擊波碎石機，有些產(chǎn)品的質(zhì)量已達(dá)到國際水平。
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