体外碎石术装置及压力分布和焦点区域

2022-04-08 15:18

与高频超声波相比，低频和高能体外冲击波被组织衰减,，要少得多，因此穿透到更深层。

体外碎石术装置及压力分布和焦点区域

高频超声波的特点是具有连续压缩和拉伸相的正弦压力过程，而低频声冲击波的特点是极短的时间增量（10-100 ns），脉冲持续时间短（<1μs），压力增加导致高振幅或峰值压力（10-100 MPa）（图24.1A）。

图 24.1.（A）冲击波的典型过程，压力增量极短，<0.2μs后峰值处的压力值非常高（B）从左到右显示冲击波产生的气泡，该气泡在阻抗变化的界面附近以不对称的方式坍塌。微射流产生的大量能量。

与高频超声波相比，低频和高能体外冲击波被组织衰减,，要少得多，因此穿透到更深层。它们在水耦合介质中产生，在声学上类似于人体组织，可防止体表处的组织损伤。如果冲击波穿透生物组织，它们会与不同阻抗的物体（例如结石）发生反应。冲击波会诱发穿过结石的压缩波和膨胀的波，使结石凹陷和碎裂。在结石的朝向边缘，冲击波的部分反射会产生压缩力。冲击波的某些部分穿透结石，到达其回避的边界，并再次反射到那里，造成进一步的压缩和拉伸力。如果这些力超过其压缩或拉伸强度，则结石会碎裂。冲击波的间接效应是在冲击波的压力/张力交变载荷通过介质后直接产生的空化气泡。大多数气泡在波浪通过后会坍塌。但是，位于结石等界面附近的气泡会不对称地坍塌，导致微射流（图24.1B ），其中含有大量能量，并可能侵蚀结石的硬界面。由于力仅在其界面处产生，因此在绝大多数情况下，只有在重复手术后，结石的中心部分才会被分割。今天使用的体外冲击波是由液电，压电和电磁系统产生（图24.2 ）。由于组织浸渍的高风险，很少使用电液电系统。

图 24.2.从左到右，显示了体外冲击波碎石术（ESWL）的各种来源：液电，压电，带扁平线圈的电磁和带有圆柱形线圈的电磁。

在压电系统中，多晶压电陶瓷元件由于高压脉冲而收缩和延伸。由于球形阵列，产生的波聚焦在球体的中点，该中点将能量精确地聚焦在一个点上。然后，冲击波传播到水耦合介质中。治疗可以在不引起明显不适的情况下进行，并且麻醉最少。压电系统的有效性相对较低，需要频繁的处理周期。压电系统的使用在早期出版物中有所描述，但目前并不受欢迎（表24.1 ）。

在电磁系统中，脉冲电流流过扁平线圈，导致磁场快速变化。在位于线圈上方的磁膜处，产生反极化磁场，导致膜的电磁斥力。产生的电磁波由透镜聚焦。在现代设备中，线圈排列成圆柱形阵列（图24.3 ）。产生的波被抛物面反射器反射并转化为波的球形排列，波聚焦在一个点上（图24.3A ）。由于采用圆柱形阵列，例如通过插入超声换能器，可以进行内联定位（图24.3B ）。然后，冲击波传播到水耦合介质中。能量在皮肤水平相对较大的表面上进入身体。它集中在一个小点上，在更深处具有高密度的电磁能量（图24.3A ）。能量在皮肤表面的良好分布允许治疗而不会造成太高的不适感。能量越能集中在一个不同的点（结石）上，对小面积的影响就越大（图24.3 和 24.4 ）。声波的最大能量存在于焦点上。在这个区域，可以测量最大压力和强度。其尺寸与所选能级无关（图24.4A ）。治疗区的大小取决于所选的能量水平，通常大于焦点区，因此用于大多数中心（图24.4B ）。与预设的能级相比，总能量通量密度以过正比的方式变化（图24.4C ）。由于这些特性和影响，电磁系统是最有效的（表24.2 ）。

图 24.3.（一）带圆柱形线圈的体外冲击波碎石术（ESWL）电磁源原理：圆柱形线圈产生的冲击波被抛物面反射，并由其聚焦在一个点上。（B）圆柱形线圈内的自由空间用于插入超声装置，该装置是可移动的，在同步超声控制下提供在线定位和ESWL。

图 24.4.（A）压力分布和焦点区域：能量在焦点区域的中心（=−6分贝焦点区域）最高。（B）不同能量设置下的−6 dB焦点区和5 MPa治疗区：即使能量设置发生变化，−6 dB焦点区基本保持不变，但治疗区随能量水平的不同而变化。（C）能级与能量通量密度的关系：如果能级升高，能量通量密度以过正比的方式增加。