骨科体外冲击波疗法的原理.doc

骨科体外冲击波疗法的原理、设备与应用 (一)关键词：骨科 体外冲击波疗法孙西钊本文作者孙西钊先生，南京大学医学院附属鼓楼医院冲击波研究与治疗中心主任医师、教授。一 前言冲击波是一种高能机械波，也称作激波，可归为量子物理的研究范畴。冲击波是物体在高速运动或爆炸时引起介质强烈压缩并以超音速传播的过程。对于冲击波的应用性研究起源于前西德，最初只是出于军事目的。1963 年，前西德的多尼尔公司从事航天与航空的物理学家在研究航天飞行器材料损伤的机制时，发现了冲击波的影响。当雨点坠落在飞行器的瞬间，反弹时的压强极高，并可产生一种冲击波。虽然物体表面完好无损，但远离撞击点的深处却已产生裂隙，久而久之造成局部的金属疲劳。另一实例是，当炮弹击中坦克炮塔时，内部机组人员往往会罹受各种损伤，主要原因是伤员的位置与冲击波穿透炮塔的入点和分布有关。这些奇特现象启发了人们利用在体外产生的冲击波治疗体内的疾病。体外冲击波碎石术(ESWL)于1980 年问世，在随后短短的几年里，这种风靡全球的革命性治疗方法几乎彻底取代了尿路结石开放式手术，成为治疗该病的“金标准”。如今，在南京大学医学院附属鼓楼医院，大约90%的结石单用ESWL 治疗; 约有6%联用ESWL和体内碎石(经皮肾镜碎石或经输尿管镜碎石)治疗; 约有3%单用体内碎石治疗; 而传统的开放式手术治疗已不到1%。体外冲击波碎石的巨大成功，也激励着人们去研究利用高能冲击波治疗其它疾病。其中，体外冲击波疗法就是一个突出的例证。体外冲击波疗法主要用来治疗运动系中的某些骨骼和软组织疾病。1986 年，动物实验首次证实，高能冲击波可激活成骨细胞，从而促进新骨形成。当时，德国的Gerold Haupt 等用人工性肱骨骨折的大鼠为模型，单用冲击波治疗，取得了满意的实验效果。随着研究的进一步深入，Valchanov 报道了应用高能冲击波治疗骨折愈合延迟与骨不连一文，在这项临床研究中，79 例假关节患者经高能冲击波治疗后，有70 例实现了骨愈合。至此，一个全新的医疗概念“体外冲击波疗法”(Extracoporeal Shock Wave Therapy，ESWT)被引入骨科领域。由于ESWT 是在泌尿外科的ESWL 基础上发展而来的，因而当时所用的冲击波设备大都是用冲击波碎石机改制而成的。直到1991 年，瑞士的HMT 公司研制成功世界上第一台专门用于治疗骨科疾病的体外冲击波治疗机OssaTron。此后，这一技术的基础实验和临床研究在西欧的一些国家广泛展开。目前，ESWT 可治疗足底筋膜炎、肱骨外上髁炎、肱骨内上髁炎、钙化性肩关节周围炎、假关节和股骨头坏死等。其中，前四项疾病已被国际肌肉骨骼冲击波疗法学会(ISMST)批准为标准适应证。ESWT 是定位于保守治疗失败和开放式手术之间的一种全新疗法(图1)。它具有以下优点：(1)损伤轻微，可替代某些外科手术疗法。(2)一般采用简单麻醉或不必麻醉。(3)治疗时间短，风险小，可在门诊进行治疗。(4)无需特殊术后处理，且术后恢复较快。(5)治疗费用远低于开放式手术。目前，ESWT 已在全球范围逐渐普及。仅在德国，1997 年和1998 年，每年用ESWT 治疗的患者大约为6 万例。2000 年10 月12 日，美国FDA 也正式认证了Ossa Tron(图2)冲击波治疗机以及慢性近端足底筋膜炎的体外冲击波疗法。2003 年6 月，中国HK.ESWO 冲击波治疗机(图3)也取得了欧洲的CE 认证。二 冲击波的物理基础由于冲击波的许多物理规律与声波近似，为了便于理解，通常参照声学的物理知识来讲解和对比冲击波的形成、传播和波形等特性。冲击波的这些物理特性也是决定ESWT 疗效和安全性的重要参数。1. 冲击波的发生从理论上讲，任何将能量转化为声波的物理原理都能用来产生冲击波。下面以经典的液电式产生的冲击波为例，介绍液中放电时聚焦冲击波的发生过程。液中放电是将贮存在储能电容器中的高压电能在电极对之间瞬间释放后发生的火花放电现象。火花放电产生的高温使放电通道周围的液体形成一个等离子体(Plasma)。它主要是由以下粒子组成：H+、OH、H2O、H2O2、臭氧分子、光子和电子等。等离子体气化后形成一个膨胀的气泡，其特性是密度极高，而且具有高膨胀效应和对高温高能的存储能力，可在气泡内部形成巨大的压力梯度。这一压力作用于水介质后，通过水分子的机械惯性，使其以波的形式传播出去，就形成了正向的冲击波压力波，亦称作初级冲击波。对冲击波的测压实验中，可见三个明显的压力脉冲(图4)。第一个脉冲是直达波脉冲，代表初级冲击波中未经椭球体反射的部分。因其能量较小，而且在F1到F2 点的传播过程中，其幅度进一步衰减，所以这一直达脉冲的压力较小。第二个冲击波代表初级冲击波的聚焦部分，占冲击波总能量的绝大部分(90%)，其峰值的平均压力为72.5MPa，压力脉冲时间为2.5s。从F1 到F2 之间的距离，初级冲击波在放电之后，直达冲击波和反射冲击波出现的时差为29s。据此可以推算，冲击波通过这段距离的速度为1700m/s。第三个冲击波约在放电之后的500s 后发生，是一个较强的冲击波，但其压力幅度低于聚焦的初级冲击波。在发生原理上，与前两种液中放电后直接产生的冲击波有所不同，第三个冲击波是间接发生的。其发生过程是：当F1 周围的气泡膨胀到极限时，便停止膨胀，同时开始以加速度回缩。由于这种气泡的迅速塌陷和回缩，产生一个反抽性负压脉冲。这个负压性脉冲可引起F2 处的空化效应，即在焦区范围内产生大量的气泡。当其破裂之后，便引发了第三个冲击波，亦称作次级冲击波。2. 冲击波的传播冲击波同超声波一样，也是一种压缩波。超声波在传播过程中，介质的压力和密度始终保持不变，因而波的各个部分都是以同一速度传播，并一直保持着正弦波的形式(图5)。而冲击波则不然，冲击波只是在低能量水平时，才线性遵循声学定律。如果冲击波脉冲能量足够高时，就会产生非线性声学特征。高能冲击波在传播过程中，随着传播介质的可压缩性减小，其传播速度将随之加快，结果在通过介质的时候，波形会发生扭曲变形(图6)。详言之，在冲击波的起始点上，水处在低压幅度范围，因而该点附近的冲击波速度与声波速度相同。但在波的中部，每个连续点的压力幅度逐步增大，使传播介质的密度增加，波速也就随之加快。随着波的继续传播，波峰部分的传播速度进一步加快，足以赶上冲击波前沿的初始点。当压力突然中断，紧接着出现一个压力逐渐衰减的波形。从冲击波“由盛到衰”的过程可以看出，正是由于冲击波每一点上速度的变化，才使冲击波半正弦波的形式也发生了相应的转变，成为具有陡峭前沿、尔后又逐渐衰减的典型冲击波波形曲线。冲击波的频谱与超声波不同。冲击波是由各种频率波长和波速的许多个波叠加而成的波群。它包含着一个宽而连续的频谱，从200kHz 到20MHz。而超声波只有一个频率。通常，冲击波前沿的尖峰部分主要由高频波组成，其余部分则由低频波组成。冲击波在生物组织中传播时，衰减系数基本随频率的平方而增加，因此，高频波比低频波衰减大。这种频率分布的差异也决定了冲击波的破坏能力和对组织的穿透能力。一般而言，高频波的破坏能力较强，但对组织的穿透能力较差; 而低频波对组织的穿透能力较强，但聚焦性能较差，焦点的能流密度较低。因为高强度冲击波是在体外产生的，所以它必须通过水耦合剂人体组织等不同介质，最后才能到达治疗的靶位上。当冲击波传播至不同的物质时，声阻抗决定了穿过物质界面的总声能(图7)。声阻抗的定义是: 物质的密度与波速的乘积，是物质的固有属性。如果两种物质的界面处声阻抗相近，那么，冲击波通过界面处的能量将无明显损失; 但若两种相邻物质的声阻抗差异较大，在交界面处，入射冲击波的一部分继续向前传播进入第二种物质，而另一部分被反射回来，结果就会造成部分声能损失。当冲击波穿过不同物质时，对于正入射或垂直入射的冲击波，它分成反射波与透射波，两者的关系如下:Pt2Z1/(Z2+Z1)PiPr(Z2Z1)/(Z2+Z1)PiZc式中，Pi入射波压力，Pr反射波压力，Pt透射波压力，右下标1，2分别表示第一、二种物质，Z声阻抗，物质的密度，c物质里的声速。基于这一原理，在冲击波碎石技术中采用了与人体组织声阻抗近似的水和耦合剂作为其传导介质，以减少冲击波传播过程中的能量损失。因为空气的声阻抗比人体组织的声阻抗小的多，所以在两者的界面处也会发生强烈的相互作用。肺是一种实质性含气器官，当暴露于冲击波时，将会罹受严重损伤。3. 冲击波的压力波形冲击波的压力波形包括一个在冲击波前沿迅速升压并随后逐渐衰减的压力相(正相)，与一个时间持续较长的张力相(负相)，因此，冲击波的振幅和持续时间是不对称的(图8)。压力相是由于冲击波直接的正压作用所致; 而张力相则是反抽性负压所致，例如点式波源的F1 处等离子体气泡塌陷后所产生的反抽作用。表明这种压力波特性的重要参数为：(1)正、负峰压(P+，P)在焦区内测得的冲击波压强的最大值，单位是MPa。(2)上升时间(tr)压力P 值的10%增至90%所需时间，亦称作冲击波前沿，单位是s。(3)正、负半周期(t+，t)在焦区测得的冲击波峰值一半处的脉冲宽度，即半高宽，单位是s。(4)输出声能(Es)根据在焦区所测的压力波形算出的能量，单位是mJ。这一参数取决于冲击波治疗机的类型和输出档位，差异很大。通常情况下，随着输出档位的提高，冲击波的P+、P、t+和Es 相应增加，而tr 和t则降低。压电式治疗机的峰值压力最高，但焦区体积较小; 液电和电磁式治疗机的峰值压力较低，但焦区体积较大。有实验表明，不同类型冲击波源间的能量差异很大，是数量级的差异，而且同型波源不同型号的机器间的能量差异也非常大。压电式和电磁式冲击波的tr 随能量输出增加而缩短，而液电式冲击波的tr 几乎不会改变。这些结果表明，在液电式冲击波治疗机中，冲击波形成于任何输出档位，而压电式治疗机和电磁式治疗机只形成在较高输出档位。这种差别的原因在于压电式碎石机和电磁式碎石机是在不同声波传播至焦点时通过叠加和非线性相互作用而逐渐形成的，而液电式冲击波是在火花释放后就立即充分形成的。因此，液电机冲击波较少依赖输出档位。4. 冲击波的压力分布冲击波焦区的压力分布(图9)与生物学效应和组织的损伤程度有关。冲击波在通过生物组织时，衰减程度很小，仅为(10%20%)/10cm，故能穿透至人体深部，而且在其峰压增至1kPa 时，冲击波仍可遵循声学原理进行传播，如反射、折射和衍射。这就是冲击波能量可被聚焦的主要原因。但当冲击波向几何焦点汇聚时，其非线性特性便限制了峰值压力和改变了压力波形。波源孔径的大小和形状、预焦波的能量和压力波形都能决定终点焦区的压力分布。虽然对于冲击波压力分布规律至今仍未建立起完善的理论，但可用直接测量法来对比不同波源焦区的压力分布，以便对其进行改进。各种冲击波治疗机因波源类型和输出档位的不同，焦区的差异极大。液电和电磁波源焦区较大，压电波源焦区较小(图10)。液电和电磁波源的焦区体积大而且能量输出高。与之相反，压电波源的焦区体积最小，而且能量输出最低，高能冲击波仅聚焦在焦点小范围内，在理论上它对组织损伤较轻，在治疗过程中，定位必须精确无误，漂移范围要尽可能小，否则冲击次数较多，累计能量有时反而较大。5. 冲击波疗法常用物理术语通过对冲击波压力分布的测量，可以引出以下几个常用概念：a. 焦点、焦斑和焦区焦点、焦斑和焦区(图11)是三个互有区别的概念。冲击波的焦点(Focal Point)指散射的冲击波经聚焦后的最高压力点，严格地讲，它只是理论上的一个几何中心点；焦斑(Focal Plane)是指冲击波焦点处的横截面，只是一个平面概念，焦斑所针对的是其覆盖受治对象(结石或区域)的平面范围；焦区(Focal Zone)是指冲击波的正相压力大于和等于50%峰值压力的区域，是一个立体概念。临床上惯称的焦点一词其实都是焦区，在定位屏上的十字交叉点只是焦区的几何中心。应当说明，冲击波的光学几何焦点、水介质模型中的实测焦点与人体组织器官内的实际焦点，三者并非完全一致，这可能是由于冲击波传播过程中发生散射和折射所致。对于同一波源而言，焦距长度依次为: 光学焦距水内焦距体内焦距。b. 压力场压力场(Pressure Field)是根据X、Y、Z 坐标进行选定的。其中，Z 轴是治疗头的对称轴，穿越波源的中心。X 轴和Y 轴在治疗焦点(F)上与Z 轴垂直相交(图12)。冲击波场是环绕着Z 轴的对称区域，立体形态随波源不同而异。液电式冲击波场呈椭圆形；电磁式冲击波场呈纺锤形; 压电式冲击波场呈圆形。因此，确定冲击波场的压力分布，就需要在已知Z 值的条件下沿X 轴和Y 轴进行测量。冲击波的压力单位是兆帕(Mega Pascal ，MPa)。1MPa(兆帕)=106Pa(帕)=10bar(巴)10atm(大气压)10 千克力/cm2。c. 冲击波能量许多物理效应都依靠能量来实现，因而冲击波能量也是医疗应用中的一项重要参数。冲击波能量(Energy，E)是对每一个压力场特定位置内的压力/时间函数进行时间积分后，再进行体积(关注区)积分后算出的。其计算公式为E=c1 (P2dt)dA式中，E冲击波能量，单位是毫焦(mJ)；A冲击波作用区，单位是立方毫米(mm3)；传播介质的密度，单位是千克米3(kgm3)；c传播速率，单位是米秒1(ms1)；P峰值压力，单位是兆帕(MPa)；t时间，单位是秒(s)。d. 能流密度能流密度(Energy Flux Density，ED)表示垂直于冲击波传播方向的单位面积内通过的冲击波能量(图13)。这是国际上针对运动系疾病的ESWT 而提出的新参数，用于测算冲击波对局部小块组织区域的作用，因为冲击波的生物学效应与ED的阈值相关。其计算公式为ED=dE/dA=c1 P2dt式中，ED 的计量单位用毫焦/平方毫米(mJ/mm2)表示。ED 等于焦点压力平方的时间积分除密度与声速的乘积，时间积分涉及冲击波的持续时间。如果时间积分只限定于冲击波的正压部分，结果就是正向能流密度。能流密度的最大值位于焦区的中心。在焦区之外，能流密度的侧向衰减与侧向压力衰减大致相似。在当今的文献中，也常用ED 来说明能量设置或冲击波剂量比率。ED 与治愈率和副作用发生率有关。e. 有效焦区能量有效焦区能量(Effective Focal Energy)E 的定义是流经焦点处垂直于Z 轴的圆面积内的能量，即作用平面。只有在相同面积的作用平面内，不同冲击波源的有效焦区能量才有可比性。这个面积的范围是根据临床需要而设定的。例如，人类肾结石的平均直径为12mm，故作用面积平面的直径相应设定为12mm(图13);而治疗骨科性疼痛时，冲击波作用平面的典型范围为直径5mm 的平面区域。根据这些确定面积内的能流密度的积分可计算出有效焦区能量，其计算公式为E=EDdA式中的结果用毫焦(mJ)表示。同理，也可得出-6dB 焦区范围内的能量E(-6dB)；5MPa 焦点能量E(5MPa)；5mm 焦区能量E(5mm)。这些冲击波作用平面的大小将来可通过生物学效应的阈值来加以确认。骨科体外冲击波疗法的原理、设备与应用(二)孙西钊本文作者孙西钊先生，南京大学医学院附属鲑樱医院冲击波研究与治疗中心主任医师，教授 关键词：骨科 体外冲击波疗法三 冲击波的作用原理 ESWT主要是通过两种原理发挥其治疗作用：一是物理效应二是生物效应。但这两种效应均取决于冲击波的能级和能流密度ESWT通常分为低，中，高三个能级：低能量范围：008 mJram2ED0.28 mJmm2中能量范围：028 mJmm2ED0.6-mJmm2高能量范围：0.6 mJmm2ED冲击波碎石与冲击波疗法在作用原理上的异同在于：前者是利用高能量冲击波产生的物理效应来粉碎结石和降解钙化性组织：而后者是利用中低能量冲击波产生的生物学效应来治疗疾病(表1)。治疗范围临床效应能流密度骨/假关节降解作用和微损伤高能量 (HE)毛细血管破裂(血肿)能量(HE)钙化降解作用中能量(ME)止痛效应低中能量(LE-ME)代谢效应低中能量(LE-ME)腱炎止痛效应低中能量(LE-ME)代谢效应低中能量(LE-ME)1、材料破坏机制 冲击波破坏材料的方式有直接作用和间接作用两种。 由冲击波本身产生的破坏性力学效应是直接作用。如前所述，冲击波具有压力相和张力相。在压力相时，冲击波发挥的是挤压作用：而张力相时，冲击波发挥的是拉伸作用。通常，脆性材料具有较高的抗压力，但抗拉力较差。换言之，脆性材料能经得起较强的挤压力，而经不起较弱的拉伸力。在冲击波的张力相时，由张力波产生的空化效应是材料破坏的间接作用。张力相是一种负压状态。当水处于几个MPa的负压时，局部的水就会发生断裂和破碎产生水气泡，这就是空化效应，这些气泡就称为空化泡(图14)。空化泡形成后，在100200s内膨胀至最大体积，最大者直径可达几毫米。气泡崩解时可发生水注现象，水注沿脉冲方向喷射，最大速度达770 ms，其力度足以穿透铝箔和使金属表面变形。此外，次发性冲击波也是由空化效应引起的这种次发性冲击液可在物体后界面产生反射造成其张力性破坏。正是在冲击波的直接和间接共同作用下，达到碎石和治疗钙化性疾病(如跟骨剌)的目的(围15)。2，成骨效应 在ESWT时，冲击波进入骨皮质的强度仅为入射强度的65，其余的35则被反射在骨膜下方。通过冲击渡的直接作用导致骨不连处的骨膜下发生血肿。实验证实，冲击波诱发的成骨堤进作用发生在骨皮质部分和网状结构部分的界面处。亦有人认为冲击波的间接作用也共同导致了新骨形成。空化效