ESWL中的空化效应

　　ESWL(ExtracorporealShockWaveLithotripsy)是冲击波在医疗领域的一项成功应用,因其使用便捷,粉碎结石效率高,无侵入等特性,至今已成为肾结石患者的首选治疗方法。但是这种技术也有若干有待完善之处,例如:对于大结石ESWL的治疗效率较低;衡量碎石器冲击波以及碎石效率的标准还在不断地完善之中;国内外大量的临床事实充分说明ESWL并非无创伤,对人体组织有着短期或者长期的负作用,甚至会造成器官功能的不可逆性丧失等等[122]。

　　1　ESWL的机理

　　1. 1　ESWL

　　目前临床使用的主流ESWL机型大致可分为[1]:1)液电反射式(Electro2hydaulic); 2)声学透镜聚焦式(Acoustic lens focusing); 3)压电陶瓷式(Piezoelec2tric),其他尚有机电式(Electro2mechanical)、微爆炸式等。就其基本力学原理而言,它们都利用了水下冲击波聚焦及其诱发的空化的破坏作用。液电式ESWL出现最早,目前也最普及。它的基本原理是:

　　水下由旋转椭圆面的一个几何焦点F1处发出球面冲击波,经过旋转椭圆面反射体一个对称片段面的反射,其反射波的收敛部分在另一焦点F2附近聚焦,形成高压区而粉碎结石,如图1所示[3]。

　　数值模拟说明[3],液电式ESWL中的冲击波经反射后出现的负压力随着聚焦而加强,可高达-4~-10MPa。流体中的负压力即拉力,较大的负压在水中将导致空化。水中冲击波反射聚焦时出现空化是不可避免的,因为作为数值模拟出发点的理论模型并不包含任何微气泡结构或杂质微粒,说明即使“纯水”中冲击波聚焦过程中也会引发空化。空化理论也指出:

　　由于空化核存在的影响因素很多,即使很纯净的液体,在压力变化的同时一样会发生空化现象,二者是一致的[4]。另外,空化形成的气泡在液体与组织界面处溃灭时将产生射流,其速度最大值可达到120 m/s,腐蚀力很大。

　　1. 2　ESWL的碎石机理

　　ESWL通过一系列作用在结石上的力使其破裂粉碎,其过程比较复杂。至今ESWL的碎石机制逐渐被人们所认识,但仍然存在某些争论。其中应力直接破坏机制已经比较清楚,空化破坏机制正是当前ESWL研究的一个热点[5]。

　　1. 2. 1　拉应力和剪应力

　　拉应力和剪应力会造成结石的脆性破裂[6]。拉应力是由于冲击波的压力部分被结石与液体界面反射后反相形成拉力波所产生。这个反射波与入射波尾部的负波(拉力波)叠加产生一个最大拉应力,正是这种拉应力碎裂了结石,如图2。这就是著名的Hopkinson效应。

　　图3中圆柱形人工结石的轴向尺寸和端面直径均为10 mm,几何中心与压电式ESWL球心重合,轴线与压电式ESWL球面对称轴重合。其左端面可见密布的空蚀斑;冲击波及紧随其后的拉力波多次反复交替作用于圆柱形人工结石,结石发生脆性断裂。若结石远端端面垂直于轴向的平面,在结石远端面内侧邻近分布的拉应力常导致结石沿平行于结石端面的平面断裂。其他形状的结石可能形成不同冲击波的汇聚效应。一般情况下,如果在治疗过程中结石未发生旋转,结石内最早的主要裂纹将出现在与冲击波传播方向垂直的某个平面上。