冲击波碎石术：治疗肾结石的非侵入性手术，成功率及物理机制解析

冲击波碎石术：治疗肾结石的非侵入性手术，成功率及物理机制解析

冲击波碎石术（SWL）是一种治疗肾结石的非侵入性手术，美国每年有超过30万名患者接受治疗。尽管它很有吸引力，但通常需要重复治疗或辅助手术，成功率仅为70%左右。除了成功率低外，SWL还可能对肾脏和周围组织造成损害。尽管如此，SWL仍然是治疗肾结石的首选方法。其物理机制尚不完全清楚，但研究表明弹性波和空化是关键。更宽的焦点会产生弹性剪切波，从而导致更多的裂缝和碎片；结石表面的空化会进一步扩大这些裂缝。过快的冲击速度可能会降低其疗效并导致组织损伤。爆破波（BWL）或脉冲波碎石术是一种新的、安全有效的碎石技术。华盛顿大学研究了BWL作为一种潜在的更优越、损伤更小的体外碎石方法。 该技术是利用高频、低振幅的超声波对结石施加压力，直至结石破碎。与冲击波碎石不同，BWL产生的是短波、聚焦的超声波，利用同频共振效应将结石打碎。其碎石机制类似于女高音唱歌打碎玻璃杯，通过特定频率、聚焦的超声波，使结石产生共振破碎成小碎片，与传统的冲击波碎石不同。BWL(脉冲波碎石)与SWL(冲击波碎石)的区别主要包括：碎石原理(脉冲波与高能冲击波)、能量传递方式、碎石效果、对周围组织的影响、适用范围、治疗次数及患者体验等。BWL采用的是脉冲波碎石，SWL采用的是高能冲击波，两者在很多方面可能存在显著差异。

1. ESWL 与 BWL 局部压力波形比较

下图为碎石冲击波（a）和超声波爆发波（b）模拟的焦点压力波形。（a）中的波形近似于HM3碎石机的冲击，而（b）中的爆发波对应于本研究中施加的最高压力幅度（pa = 6.5 MPa）。

2. BWL 实验装置

将结石暴露于爆发波的实验装置如图 (c) 所示。聚焦超声换能器放置在水箱中，并使用电动 3 轴定位系统将结石对准焦点。换能器由放大器驱动，将结石暴露于超声波爆发中。碎片收集在结石下方的小容器中。

结石在模拟肾脏或输尿管状况的组织模型中碎裂。治疗换能器固定在三轴定位器上的 190 L 水箱中。水箱中充满了去离子水。结石被放置在一个直径为 60 毫米、高为 70 毫米的圆柱形组织模型中，该模型顶面有一个凹陷或空腔，凹陷尺寸为直径 15 毫米×深度 40 毫米（以前用于代表肾盏）或直径 4 毫米×深度 6 毫米（用于代表输尿管）。使用等人描述的 1 系统将结石碎裂，该系统配置为 BWL 输出。该系统专为临床使用而设计，操作者将探头放在皮肤上，通过超声成像观察结石，然后通过脚踏开关进行治疗，而无需中断实时超声成像。通过在低压下用压电水听器（型号 HGL-200；Onda Corp.，加利福尼亚州）扫描来测量焦点几何形状。 焦束最窄处的宽度为 5 毫米。使用光纤水听器（型号 FOPH 2000；RP）测量峰值自由场焦压。

与第一代设备相比，其声能有所降低，且低于 SWL 所使用的声能。

3. 不同BWL峰值压力对结石影响的研究

用 (a)、(b) 和 (c) 处理过的石头产生的裂缝 (顶部) 和碎片 (底部) 的照片，对石头施加了相似的峰值压力幅度。超声波频率的增加导致石头表面的裂缝更紧密，碎片尺寸减小。每张照片都是在爆炸事件后从石头的左侧拍摄的。

如果结石大小和频率选择适当，BWL 施加到结石上的峰值负压被认为在结石内至少放大 6 倍。SWL 未出现这种放大，因此这可能有助于解释为什么 BWL 产生的压力低于 SWL。对于大多数结石类型，大于 3 毫米的结石在 300 kHz 以上的频率下会发生放大，但较小的结石和碎片可能通过在更高的频率（例如 800 kHz）下完成治疗更有效地碎裂并破碎成较小的碎片，如下图所示，这是基于使用线性弹性模型对形状不规则的结石进行的计算。

4. BWL碎石机理探讨

BWL 是一种新兴的非侵入性碎石技术，采用多周期正弦爆发聚焦超声。与 SWL 相比，BWL 在碎石前呈现周期性破裂，碎裂主要以小块分散的方式进行。其破裂周期与超声的波长成正比，产生较小的碎片，脉冲的多周期特性限制了气泡的膨胀，气泡可以在高频下传播而不会诱发空化。BWL 避免了 SWL 中常见的空化引起的组织损伤。

五、实验方法

A. 聚焦超声系统

三个压电聚焦超声换能器用于产生 BWL 脉冲。换能器的标称频率分别为 170、340 和 800 kHz。这三个换能器的孔径和焦距也不同（表 1）。

所有超声换能器均使用光纤探头水听器 () 在脱气去离子水浴中校准。聚焦光束的尺寸沿轴和横向测量（表 I）。170 kHz 和 340 kHz 换能器的聚焦光束宽度接近本研究中使用的结石模型的宽度，但 800 kHz 换能器的聚焦光束宽度要窄得多。为了产生具有相似光束宽度的结石，所有 800 kHz 换能器均以 1 cm 的预聚焦对齐，6 dB 光束宽度约为 6 mm。FOPH 在峰值负压为 6.5 MPa 时记录的压力波形如图 1 所示。

所有波形都接近正弦波，不过在 340 kHz 时有一些明显的非线性失真。170、340 和 800 kHz 波形的二次谐波幅度相对于基波幅度分别为 -44、-14 和 -22 dB。

B. 石模型

因为只有某些材料才会表现出应力双折射，所以选择了特定的模型进行光弹成像，以覆盖结石的声学特性范围。选择了环氧树脂（INF 114/212；West，密歇根州贝城）和硼硅酸盐玻璃作为两种材料。表 II 列出了每种材料的特性，以及用于结石破裂实验的天然人类尿石和人造结石模型的范围。人类尿石具有不规则的几何形状，这些理想化的模型可作为一种结构，在其中量化应力并与数值模型进行比较。一些铸板样品经过进一步加工，形成其他不均匀的形状。对于结石破裂实验，将人造圆柱形结石放置在水箱中的塑料框架上，这最大限度地减少了与结石的接触和对声场的干扰，但沿结石的长度提供了支撑（图 2）。

实验在 110 L 水箱中进行。换能器悬挂在独立的三轴定位系统上，近端圆柱端面向换能器。每个石膏模型都与换能器焦点（或 800 kHz 换能器的预焦点）对齐。

C 动态偏振成像

为了直观地展示 BWL 在石膏模型中引起的应力，我们开发了动态光弹性成像系统。光弹性成像依赖于某些材料中的应力双折射，其中沿正交轴的光偏振折射率会随着轴之间的应力不同而变化。在应力作用下，沿轴 1 和 2 偏振的两束光线穿过材料时将以不同的速度传播，从而在它们之间产生相移。相机和 LED 光源均由控制传感器放大器的 FPGA 定时板触发（图 3）。

脉冲的每一帧都用高速摄像机捕捉到，200 纳秒 LED 闪光灯的曝光决定了每个摄像机帧的有效曝光时间。BWL 换能器以 10 Hz 的脉冲重复频率 (PRF) 产生持续时间约为 60 微秒的脉冲。将 PRF 保持在较低水平以尽量减少流体中的空化，空化会影响模型中弹性波传播的一致性。在 170 和 340 kHz 下，在声脉冲入射到石头期间和之后 100 毫秒，时间每帧错开 100 纳秒，产生每秒 107 帧的有效帧速率。在 800 kHz 下，曝光时间和错开减少了列出值的一半，以完全捕捉这些频率下的更快振荡。

D.图像和数值分析

在 中进行了进一步的图像处理和分析。图像背景强度在整个图像中被归一化并从初始帧中减去，从而产生仅包含超声辐射前的光弹性变化的均匀图像。从这些图像中，以两种方式计算沿石膏模型长度的波相速度。首先，通过计算在远端表面发生任何反射之前的初始脉冲周期内连续帧之间的图像，获得沿模型轴传播的导波模式的相速度。其次，根据脉冲击中远端表面后产生的驻波模式的波长估计相速度。在该模拟中，模型被视为处于真空中，而不是液体中，因此没有考虑从石膏到周围环境的能量泄漏，尽管公式中包含了材料本身衰减引起的阻尼。然而，初步模拟发现，添加液体不会显著改变模态相速度的特性，因此我们在这里仅使用模拟来确定预期的相速度，而不是不同模式的强度。

E. 结石碎裂

为了确定人造石中初始裂纹的位置，使用 170 kHz 换能器将人造石放在水槽中压碎。人造石被支撑在一个小的塑料框架中（图 2(c)），以便在人造石最初破裂时将碎片固定在原位。框架由硅橡胶膜支撑。使用附在传感器上并在实验前移除的机械指示器将人造石的中心与 BWL 传感器对齐。在实验过程中，使用摄像机捕捉人造石的高清画面，以及人造石上初始裂纹形成的顺序和位置。人造石受到 10 周期脉冲的照射，脉冲重复率为 200 Hz，聚焦压力幅度为 6.5 MPa，直到出现裂纹并且碎片开始从人造石中掉落。实验结束，并拍摄人造石的照片以记录断裂模式。

F. 治疗探头

表 1 列出了 SC-50 (Sonic、、WA) 和 C5-2 (、、WA) 治疗探头在操作上的主要区别。

C5-2 既可用作成像传感器，又可用作治疗传感器。SC-50 需要第二个集成传感器进行实时图像引导（P4-2，飞利浦超声波）（图 1）。

C5-2 允许将石头瞄准图像平面上的任何位置，但每次都需要操作员选择目标的位置。SC-50 具有固定焦点，操作员必须将石头瞄准目标区域。C5-2 探头的脉冲持续时间上限为 50 毫秒。电子设备 (VDAS-1;,,WA) 的设计不超过 50 毫秒的持续最大输出。如果脉冲可以延长，探头表面加热将超过美国食品药品管理局 (FDA) 的限制数百毫秒。SC-50 已通过长达 3 秒的脉冲持续时间测试。C5-2 探头直接耦合到皮肤，而 SC-50 通过水接触耦合到皮肤。

两个探头的声场也不同。聚焦光束由水听器测得的峰值一半处的压力定义，在图像平面上的宽度为 1.0 毫米，在仰角平面上的宽度为 3.5 毫米，C5-2 的深度为 1 厘米（图 2a）（HGL-0085，Onda Corp.，，加利福尼亚州）。9-11 为了将能量分散到更大的区域，光束的宽度由电子控制，以在 3.5 ± 5.0 毫米的光束横截面上产生频闪效果。SC-50 的焦平面相似，但均匀且延伸 8 厘米（图 2b）（Reson 4038；Reson，加利福尼亚州卡马里奥）。两个探头均在峰值降低脉冲平均强度 90 W/cm2 下运行（FOPH 2000；）。

模型

该模型由一个充满水的井形容器（直径 12 毫米，深 30 毫米）组成，位于一块模拟肾盏的组织材料中（图 3）。

组织模拟材料根据人体软组织中的声波衰减和传播速度进行调整。换能器位于模型下方；超声波通过 1.5 毫米硅胶片耦合，使用超声波凝胶模拟通过皮肤的传输。制作了两个模型，并在两个探头的峰值焦深（4.5 厘米）和代表较大体型的焦深（9.5 厘米）处进行了实验。

VI. 动物和临床应用

1.动物实验表明冲击波碎石对肾功能影响较小

选取12只雌性猪作为实验动物模型，评估肾脏清除功能，分为“假手术对照组或BWL组”。BWL组对每只实验猪单侧肾脏施加18000个脉冲（10个脉冲/秒，20个周期/脉冲），每个脉冲对应的压力水平为12MPa（正压）和-7MPa（负压）。治疗前及治疗后1小时进行菊粉试验（观察肾小球滤过率，GFR）和氨基马尿酸清除率（观察有效肾血浆流量，eRPF）。以损伤面积大小评估每次治疗引起的出血组织损伤体积（%FRV）。

尸检时，收集的所有尿液样本均未发现肉眼血尿。BWL 不会导致 GFR 或 eRPF 发生变化，也不会导致组织出血发生可测量的变化。

本研究的临床治疗数据显示，冲击波碎石不会引起肾功能的急性变化或出血性病变。

2. 人类研究

两项研究均使用了名为 1 的在研 BWL 超声碎石机和推进系统，该系统由一个 SC-60 换能器（图 2a）组成，该换能器由一个高压放大器（ENI，）驱动，由一个函数发生器（33250，）控制，并与一个成像探头（P4-2）集成，由在研超声成像平台（VDAS-1；Inc）控制。

图 2.a. 定制手持式 BWL 和超声推进探头，带水循环耦合尖端。治疗探头（黑色/银色，外围）是一个单一元件，支持 P4-2 成像探头（红色，中心）的同轴对准环。总探头直径（SC-60）为 6.5 厘米。用户界面展示实时成像。右上面板显示 B 模式图像。红色椭圆代表治疗焦点，必须与结石对齐才能使治疗有效。左上面板显示自定义“S 模式”图像，使用彩色血流多普勒使结石呈现绿色。底部面板包括用于监控操作的系统设置和系统反馈参数。脉冲由脚踏开关触发。

这些组合探头可以同时实现可视化和碎石或肾结石推进。充水的手持式扫描头使用耦合凝胶与皮肤耦合。治疗区域由聚焦光束和固定焦距定义（图 2b）。脉冲长度为 51 μs，频率为 390 kHz。超声波推进也可每次应用长达 3 秒，最大压力为 2.4 MPa。参与者 A 已同意并参加临床试验，是第一个接受 BWL 的人。虽然最终目标是建立一个以办公室为基础的治疗系统，但根据协议，参与者 A 在麻醉下接受了 BWL，然后接受了膀胱镜检查。有效性表 2 总结了逆重力移动碎片 30 毫米的有效性结果。

两种探头使用 50 毫秒脉冲持续时间的结果相似；在最浅的深度，C5-2 没有排出结石，SC-50 仅排出 2%-3% 的结石。这是 C5-2 探头的最大脉冲持续时间。在 3 秒的脉冲持续时间内，SC-50 在两个治疗深度均排出 100% 的结石。

图 4 显示了两种探头在两种脉冲持续时间下结石运动的代表性图像。两种探头在 50 毫秒脉冲持续时间下均可移动结石和结石碎片，但移动距离小于 30 毫米。移动 4.5 至 9.5 厘米深度结石的能力也有所下降。当使用 SC-50 探头在 3 秒脉冲持续时间下操作时，所有结石移动距离均大于 30 毫米，4.5 厘米和 9.5 厘米结石排出距离相似。

首次用于人体结石置换可行性研究的 C5-2 探头具有现成的推动和成像组件的优势，能够瞄准图像场中的任何结石。研究报告的结果显示，SC-50 探头具有持续较长脉冲持续时间的优势。两种探头都可以置换结石，但都无法有效地从 30 毫米深的井中取出结石，除非将 C5-2 的最大输出 50 毫秒的爆发持续时间增加到 3 秒（SC-50 提供此选项）。SC-50 的焦距较长，比 C5-2 探头的焦距长 8 厘米，长 1 厘米，可为各种体型的人提供类似的结果，这可以通过去除 4.5 厘米和 9.5 厘米处的所有结石来证明。在猪动物模型中，同样暴露于极限剂量 10 分钟不会对肾脏或肋间组织造成热损伤或空化损伤。

这项有效性研究的局限性在于模拟没有完全复制临床情况。这项研究将移动结石超过 30 毫米的能力指定为成功的衡量标准，这在临床试验中是不必要的，因为重复较小的移动会导致结石通过。未来的模型将继续衡量附加功能的有效性，改进设计，并形成培训的基础。我们预计，SC-50 探头的暴露时间更长、范围更广，将使对准和操作更快、更容易，其优势在临床应用中更为显著。

为减轻潜在危害，SC-50探头在临床上的暴露将限制为单次爆发，持续时间不超过5秒。随后将发出两倍于此的脉冲，即FDA限值的一半。此外，探头将在整个临床治疗过程中移动，而不是保持固定，以跟踪移动的结石。在探索新的医疗领域时，非侵入性碎石技术BWL备受关注。它利用聚焦的正弦超声以脉冲形式作用于结石，确保治疗精准高效。BWL的安全性和有效性已被多项研究验证，特别是在猪模型中，不仅降低了肾实质损害的风险，还成功将87%的结石粉碎至2毫米以下，为临床应用铺平了道路。

当然，新技术的出现也伴随着担忧，比如动物皮肤结石与人体皮肤结石的区别、大结石的处理、呼吸对结石定位的影响、结石粉碎状态的监测等。但随着研究的深入，这些问题都将得到解答。BWL作为一种无创性碎石技术，凭借其独特的物理特性和实时监测功能，在结石治疗领域具有巨大的潜力。虽然存在技术挑战和临床应用问题，但随着研究和经验的积累，BWL有望成为未来结石治疗的重要选择。BWL结合超声推进治疗肾结石，效果显著。系统升级后，成像能力提升，碎石更细致，效率更高。采用先进研究超声和谐波成像技术，分辨率和对比度大幅提升，确保碎石完全清除。新增的高频探头扩大了治疗范围，为肾结石患者带来新希望。