冲击波的传播

当冲击波在一种介质中传播遇到另一种介质的界面时, 它的一部分被反射, 体外冲击波碎石机的传播而另一部分则继续向前传播进入第二种介质。冲击波只有在相同声阻抗的介质中才能不衰减地直线传播。因此, 为了避免冲击波进入人体界面处产生反射导致应力而伤害人体, 就必须选择一种声阻抗和人体组织声阻抗相近的传导介质, 以便使冲击波无障碍地进入人体。由于水的声阻抗与人体软组织基本相同, 所以理想的耦合介质为水。冲击波和人体间的耦合方式有水槽式、水盆式和水囊式三种。水槽式、水盆式已被淘汰，采用最多的是水囊式,也称干式, 水密封于水囊中通过软胶薄膜和凝胶介质与人体耦合接触, 选择软胶薄膜和凝胶介质必须考虑其声阻抗与人体组织的声阻抗相似。为了使病人的体表同水囊接触时不会因冷而产生不适感,水温一般要控制在30 ℃以上。由于水中会溶解着一定的气体,即使采用蒸馏水,也不能完全避免空气的溶入,冲击波在水中传播时将产生空化作用, 水中会产生气泡。气泡将会使冲击波在传播过程中发生折射和散射, 导致能量衰减, 影响碎石效果。一些先进的碎石机带有自动抽气装置,可在治疗过程中始终保持囊内去气状态。为确保水囊与人体间以恒定的压力安全耦合,还有耦合压力控制模块。 [1] 

冲击波碎石的物理机理

3. 5. 1 应力作用由于结石和周围组织的声阻抗有明显的不同, 冲击波传播到结石的前后界面时都产生反射。一般结石的声阻抗都明显大于周围组织的声阻抗, 冲击波在结石前界面产生压力作用, 而在后界面的反射产生张力作用。体外冲击波碎石机的传播结石是一种脆性物质, 其抗压强度约为1 ×104Pa , 而抗张强度仅为1 ×103Pa 。当冲击波在结石前后界面产生的压力和张力分别大于结石的抗压强度和抗张强度,就可以便结石碎裂。此外,人体软组织能够承受更高的冲击波压力(即其抗张强度和抗压强度远大于结石) 而不致损伤。这就是冲击波能碎石,又不致组织明显受损的主要原因。

3. 5. 2 空化作用结石的内部结构常有许多孔隙,且在孔隙中充满液体。若在液体中含有空化核, 则进入结石的冲击波及界面的反射波就可能会激活空化核, 而产生空化现象。在空化过程的反复作用下, 将会从破坏结石内部的基质开始并进而导致整个结石的疏松与碎裂。

3. 5. 3 结石粉碎的不同方式虽然结石粉碎的物理过程可能随具体结石的成分、体积、结构的差异而有所不同, 但现已确定, 体外冲击波碎石中结石破坏有三种截然不同的方式。它们包括: 结石前界面直接面临入射冲击波的表层剥蚀性破坏; 结石后界面冲击波出波位置处的剥落性破坏; 结石内部相邻层面的层状剥离性破坏。结石前界面的表层剥蚀性破坏是由体外冲击波碎石的空化作用所致。入射波诱发气泡簇形成, 使之在100μs～200μs 内膨胀至最大体积, 然后在结石附近的表面急速崩解,产生高速微喷射,撞击结石表面而致破坏。此外,微喷射也可通过后续冲击波与先前附着在结石表面的气泡相互作用而产生。通过高速摄影技术发现,在65MPa (1MPa = 10ba r)冲击波峰压下, 当初始半径范围为0. 15mm～1. 20mm 的气泡崩解时, 崩解瞬间的最大喷射速度为770ms 。体外冲击波碎石机的传播结石前面的大量微小凹陷就是在空化作用下喷射性撞击的特征, 其力度足以穿透铝箔和使金属表面变形。剥落性破坏的特征通常是大块圆帽状碎块从结石后界面脱落, 这是由于反射性张力波所致。根据声学原理, 当压力波到达结石后界面时, 由于从结石到周围液体或组织的声阻降低, 就会产生反射性张力波。由于大多数结石抗压力仅为拉伸力的1/ 10 , 即能承受压力波的挤压力, 而不能承受张力波的拉伸力, 一旦超过结石张力性破坏强度, 这种反射性张力波就会造成剥落性破坏。此外, 在体外冲击波碎石后, 在同心层结石中也可看到晶体分离和裂解。这种破坏方式

是因为在结晶层和外周基质层之间的声阻抗失配, 而在层间产生反射性冲击波所致。根据相同机制, 传播的冲击波与结石内部的结构缺陷相互作用, 可以产生大量的细微裂缝, 在冲击波反复作用下,逐渐扩大延伸,形成大的碎裂线,最终导致结石完全粉