冲击波原理及使用说明

1、冲击波疗法冲击波（Shock Wave）是利用能量转换和传递原理，造成不同密度组织之间产 生能量梯度差及扭拉力，并形成空化效应，产生生物学效应。冲击波分为机械波 和电磁波，作用于局部组织而达到治疗效应。它在穿越人体组织时，其能量不易 被浅表组织吸收，可直接到达人体组织的深部1 o体外冲击波（extracorporeal shock wave, ESW）是一种兼具声、光、力学特 性 的机械波，它的特性在于能在极短的时间（约10 ns）内达到500 bar（l bar=105 Pa）的高峰压，周期短（10 us）.频谱广（16Hz2X10泊z）自从1979年德国Dornier公司研制成功第一台Do

2、rnier HMI型体外冲击 波碎石机，并于1980年2月7日成功用于肾结石患者治疗以来，人们对冲击波 的认识越来越深刻，同时冲击波的应用也越来越广泛。人们对冲击波的物理学特 性 及其对组织产生的影响进行了广泛而深入的研究；开始试图用高能冲击波来治 疗肿瘤，并在体外实验中取得一定的疗效。此外，U前西欧各国已经将体外冲击波疗法（Extracorporeal Shock Wave Therapy, ESWT）应用于10余种骨科疾病，ESWT已经成为治疗特定运动系统疾病 的新疗法。近年来，国内也在陆续开展此疗法。一、冲击波的物理基础 冲击波的压力波形包括一个在冲击波前沿迅速升压随后 逐渐衰减的压力相

3、（正相），和一个持续时间较长的张力相（负相）。通过对冲击波压力分布的测量， 可以引出以下儿个临床上常用的概念和治疗参数：（1）焦点、焦斑和焦区：焦 点是指散射的冲击波经聚焦后产生的最高压力点，焦斑是指冲击波焦点处的横截 面，焦区是指冲击波的正相压力50%峰值压力的区域；（2）压力场；（3）冲击波 能量；（4）能流密度：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，一般用町/mm表示；（5）有效焦区能量：是指流经焦点处垂直于z轴的圆面 积内的能量，即作用平面。我们临床上最常用的是能流密度。典型的冲击波波形 见图1。图1典型的冲击波波形二. 冲击波的作用原理冲击波是压力急剧变化的产物。在

4、短短的儿纳秒内产生 很高的压力，这是冲 击波所独有的特性。冲击波具有很强的张应力和压应力， 能够穿透任何弹性介质，如水、空气和软组织。ESWT主要是利用中、低能量 的冲击波产生的生物学效应来治疗疾病，其生物学效应取决于冲击波的能级和 能流密度八I组织破坏机制：冲击波具有压力相和张力相。在压力相产生挤压作用，而 在张力相则为拉伸作用。冲击波本身产生的破坏性力学效应是直接作用，在冲击 波的张力相时，山张力波产生的空化效应是组织破坏的间接作用。正是这两种作 用，可以使冲击波治疗骨性疾病和软组织钙化性疾病。2. 成骨效应：冲击波诱发的成骨促进作用发生在骨皮质部分和网状结构部分 的界面处。冲击波的直接作

5、用导致骨不连处的骨膜发生血肿，空化效应不仅可 以 造成部分细胞坏死，也会诱发成骨细胞移行和新的骨组织形成。3. 镇痛效应：高能冲击波作用于轴突产生強刺激可以起到镇痛作用。神经系 统的这种反应方式也被称为“门控”,是通过激发无髄鞘C纤维和A-5纤维来 启动的。4. 代谢激活效应：可能是由于冲击波的直接机械效应引起的。一方面冲击波 可以改变细胞膜通透性，使神经膜的极性发生改变，通过抑制去极化作用产生镇 痛效应。另一方面，冲击波可以使细胞内外离子交换过程活跃，从而使代谢分解 的终产物被清除和吸收。三. 冲击波对细胞的作用急剧上升的冲击波的正向波段40MPa,会对焦点处的细胞产生很强的应力， 同时空化

6、反应会引起微小气泡膨胀/爆炸，产生微喷八也会产生很强的应力变化；5o 我们知道磷脂大分子山亲水的头部和疏水的尾部组成。细胞膜中，亲水的头部面 向液体水，而疏水的尾部朝向内部、或指向彼此。这样的构造使系统的能量更小， 从而更稳定。然而，当细胞膜受到各向同性的张力作用时，磷脂大分子被 拉向两 边，使磷脂大分子的疏水的尾部暴露于液体水分子，形成一个疏水性的孔。孔径 小于lOnm时，膜可以复原，但如果大于10nm,将使细胞不稳定，发生破裂。 通过电子显微镜对受冲击波作用的细胞形态观察发现：冲击波作用后，细胞 表面 的微绒毛消失，同时细胞表面岀现小凹（疏水性的孔）7这是山于细胞膜 表 面受到各向同性的张

7、力所致。细胞膜上岀现孔或破裂，这取决于流体力场的参数， 流体力场的参数是山产生冲击波的电容、工作电压和冲击的数量所决定的。（-）高能冲击波对肿瘤细胞的影响高能冲击波（焦点能量大于35NTa）能杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤生长。研 究 发现，高能冲击波冲击5001300次可引起肿瘤细胞膜断裂，改变细胞内外 渗透 压，引起肿瘤细胞死亡。电镜扫描发现细胞的膜性结构受损。高能冲击 波同时 影响肿瘤细胞的生长能力：细胞增长日趋下降；冲击次数越多，细胞的 倍增时间越长；冲击次数与细胞贴壁能力的下降呈正相关，与细胞的集落形成 呈负相关但是有动物实验发现，高能冲击波能促使肿瘤细胞的转移山扛而该实验所 用的高能冲击波

8、冲击次数已达6000次。冲击波对织的损伤程度和能量（工作 的电压 及冲击次数）成正比。2000次的高能冲击波就会造成细胞的损害曲， 6000次的高能冲击波必将引起更为严重的组织损伤。6000次的高能冲击波冲 击可能会损伤微细毛细血管，从而使肿瘤细胞通过血管进入血液，发生转移。 因而，对肿瘤的 高能冲击波治疗应于2000次以内。（二）冲击波使细胞外的大分子进入细胞内山于冲击波会使细胞膜上出现 一过性的小孔，人们开始在体外实验中用冲击 波将细胞外的物质导入细胞内从 而达到治疗目的。国外有人在体外实验发现，用工作电压为25kV、正向压力波 为5010MPa的冲击波，在体外冲击人外周血单 个核细胞与肿

9、瘤坏死因子a（TNF-a ）的反义寡脱氧核酸（0DN）的混合液250次，能有效地将反义寡脱氧 核昔酸导入细胞内，并能有效抑制细胞内TNF-a的表达 上。Kodama等（在 体外实验发现：用压力为（11.61.6） MPa （n二3）、脉冲持续时间为（32. 17. 1） us （n二3）的冲击波，能将分子量为200万道尔顿的异硫氛酸右 旋糖酊导入细胞质内，而不使细胞破裂。冲击波对肿瘤的化疗也显示出良好的协同作用。（三）低能冲击波对正常细胞的促进作用早在1986年Haupt就发现：用匚作电压 为14kV的冲击波冲击10次lcmxlcm人小，0.30.5mm深的小猪的创口，能促进其愈合，而用 18

10、kV电压的冲击波冲击100次则会抑制其愈合,5 o形态学观察显示:14kV的冲击波冲击10 次创口，会使其内的毛细血管数、新形成的上皮细胞数和血管外周的巨嗜细胞数明显增加，是对 照组的2倍。可见低能冲击波有定的促进创口愈合作用。临床上可将低能冲击波用于压疮的治 疗。四、冲击波治疗机冲击波治疗机主要山冲击波源、耦合装置、治疗床、控制台和定位系统组 成。冲击波治疗机的波源种类与冲击波碎石机相同，有液电式、电磁式和压电 式 三种，但其所用的能级多低于ESWT所用的能级。治疗疼痛时应使用低中能 级，即“软性ESWT：治疗软组织钙化性疾病时应使用中高能级；治疗骨不连 时需用 高能级来诱发成骨效应。LI前

11、用于骨科疾病治疗的多为聚焦状体外冲击 波,其产生方式见图2o1液电式波源：碎石机的波源以液电式居多，因其发展早、技术成熟、碎 石效果好而被广泛采用。液电式冲击波波源是一个半椭圆形金属反射体内安置电 极。发射体内充满水，当高压电在水内放电时，在电极极尖处产生高温高压，因 液电效应而形成冲击波，冲击波向四周传播。碰到反射体非常光滑的内表面而反 射，电极极尖处于椭球的笫一焦点处，所以在第一焦点发出的冲击波经反射后就 会在第二焦点聚焦，形成压力强大的冲击波焦区，当人体结石处于笫二焦点时， 就会被粉碎。2. 电磁式波源：将贮存在电容器内的电路脉冲传导通过一个扁平铜线圈， 产生脉冲磁场，使处于磁场中的弹性

12、铜膜产生机械振动，进而推动膜外的流体产 生冲击波。这种“面式冲击波”经声透镜或反射体聚焦后，可在一点上得到增 强，最终也可形成聚焦冲击波。在产生与液电式冲击波相等功率时，电磁式波 源耗能更大。电磁式冲击波峰值压力的特点是呈阶梯样分布，幅度可从最小至 最大。3. 压电式波源：是用压电晶体来产生冲击波，属于展式波源。当外界电场 通过压电晶体时，其体积会发生改变，即“反压电效应”，晶体的运动会引发岀 一个压力波。当晶体复原时，同样也会产生张力波。通常至少组合3003000 个压电晶体，才能产生足够的冲击波压力。将这些压电元件依次分布和排列在一 个直径50 cm球冠的凹面，在相同电脉冲的作用下，每个元

13、件同步发生的冲击 波可以同时达到10cm以外的球心，从而形成一个聚焦的冲击波。与前两种波 源相 比，压电式冲击波的特点是：能量和频率可调范圉最大，但输出功率最 低。恤(lectrohydrMk/lllpioid1W5hetoehctnc/Sphtte(Iema9eticFktCoi/lMs1M9Uecvonw9netic Smtef/pMoboWd图2聚焦状体外冲击波的产生方式五、冲击波在医学上的应用(一) ESW对骨骼肌肉疾病的影响ESW在治疗骨科疾病方面已取得公认的疗 效，目前ESW治疗骨科疾病种如下。1 骨组织疾病主要指骨折延迟愈合、骨折不连接、成人中早期股骨头缺血性坏死(avascul

14、ar necrosis of femoral head, ANFH) o冲击波治疗的本质是使接受治疗的组织受到 压力冲击后产生生物学反应，与骨疾病密切相关的是空化效应。冲击波作用后骨 组织发生微小骨折、血肿、诱导血管生成、增强内膜骨化、加速软骨化骨，最终 形成正常的骨质。(1) 诱导骨生长、促进骨愈合：有研究表明：多种骨生长因子如骨形态发 生蛋白(bone morphogenetic proteins, BMP) 转化生长因子- B(transforming growth factor- B, TGF- B)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor, FGF)、胰

15、岛素样生长因子(insulinlike growth factor, IGF) 血管内皮细胞生长 因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)、表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)等均与骨折愈合有关，生长因子共同作用的结果是使成骨细 胞活化，调节局部成骨。在炎症阶段生长因子还能进一步刺激骨髄间充质细胞 聚 集、增殖和血管形成。Chen等(闾认为，局部冲击波治疗后，骨缺损区出现明显的 成骨过程并伴随细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)和 P38 促

16、蛋白激酶(P38 mitogen-activated protein kinase, P38 MAPK)的 表达，对促进成骨细胞增殖和分化起调节作用。冲击波在诱导骨及软骨 新生的过 程中，磷酸激酶始终在间充质干细胞、软骨细胞及骨细胞中表达并促进 成骨。(2) 刺激血管再生，改善局部血液循环：冲击波除了能明显地促进骨密质 增生外，还与大量血管形成及促血管生长因子，如内皮细胞型一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase, eNOS)、VEGF、BMP-2 和增殖细胞核抗体 (proliferous cell nucleus antibody, PCNA)等形

17、成有关，从而改善局部血 液循环，促进病变区域的新陈代谢。(3) 骨结构的改良与重建：有学者认为：高能量的冲击波可使正常和坏死 的骨组织同时被击碎，击碎的正常组织中血液和骨髓将渗入击碎的坏死骨组织， 其中间充质祖细胞(mesenchymal progenitor cells, MPC)在冲击波的刺激下，开 始分化增殖，最终替代坏死骨组织，有利于骨结构的重建(。2软组织损伤疾病包括肩峰下滑囊炎、肱二头肌长头腱炎、钙化性冈上肌腱炎、肱骨内外上踝 炎、弹响髅、跳跃膝(胫骨结节骨肪骨软骨炎)、跟痛症、熊骨腱炎、冈上肌腱综合 征、Haglunds外生性骨疣等。这些病症的共同临床特征是“疼痛”，冲击波治疗

18、慢性软组织疼痛的机制为：通过激发无髄鞘C纤维和A-纤维启动镇痛的 “闸门机制”;代谢激活效应：冲击波可改变细胞膜的通透性，使神经膜的极性 发生改变，通过抑制去极化作用产生镇痛效应；冲击波作用后组织释放更多的 P物质，促进血管扩张和血液循环，产生镇痛效果；抑制环氧化酶(COX-II)活 性。(二) ESW对骨质疏松症的影响骨质疏松症(osteoporosis, OP)是一种系统性骨病，其特征是骨量下降和骨 组织的微细结构破坏，表现为骨的脆性增加，因而骨折的危险性大为增加，即使 是轻微的创伤或无外伤的情况下也容易发生骨折。U前骨质疏松症的治疗仍以药物为主，长期药物治疗有潜在的副作用，同时 也增加了

19、患者的经济负担。非药物治疗包括运动锻炼和物理因子干预，如ESE、 振动、磁场和低能量脉冲超声等，是骨质疏松性骨折的有效治疗途径。有基础研究m表明：ESWT可减少治疗组骨量丢失，诱导新骨形成和改良 骨组织的微结构，增强局部骨质，是预防骨质疏松症的有效方法。Tam等也】分析认为，ESW刺激可使骨质疏松部位的骨膜细胞增殖和分化，这 可 能是启动成骨的机制。低能量的ESW可促进成骨细胞氮氧化物、骨钙素和 TGF-B1的表达1231 :有助于酪氨酸激酶介导的ERK和核结合因子(core binding factor- ox, CBF-J)活化，通过超氧化物传递信号转导，促进成骨的骨髄干细 胞分化；还通过

20、激活Ras和ERK,促进成骨细胞VEGF-a表达，利于骨再生阶段 的血管生成。这些分子水平的实验结果均阐明了 ESW对骨质疏松的骨组织产生 了成骨效应，能有效地防治骨质疏松症。(三) ESW对肢体痉挛的影响痉挛是指伴有过度腱反射、以速度依赖的张力牵拉反射(肌张力)增加为特征 的运动失调。痉挛主要山中枢神经系统损伤造成，分为脑源性和脊髓源性：脑源性包括脑 外伤、脑卒中、脑瘫、缺氧性脑病和脑代谢性疾病等；脊髓源性主要为脊髄外 伤、多发性硬化、脊髄缺血、变性性脊髓病、颈椎病和横断性脊髓炎等。目前临床上抗痉挛的方法很多，包括药物和物理疗法。近来，有学者利用 ESW抗痉挛，获得了较满意的疗效。Manga

21、notti和Ameliot:sj对20例脑卒中患者在前臂尺侧腕屈肌、挠侧腕 屈肌 肌腹中部、手背骨间肌进行了单次冲击波治疗，发现治疗前后，腕屈肌张 力和手 部肌张力均明显减低，表明ESW对脑卒中患者上肢肌肉痉挛有显著的缓 解作用。Amelio等a对12例患有痉挛性马蹄足脑瘫的儿童也使用了冲击波治 疗，结果显示冲击波对肌肉痉挛有即时的缓解作用。U前冲击波治疗肌肉痉挛的机制还不清楚，但有研究表明：冲击波能诱导非 酶性和酶性一氧化氮（NO）合成閔。在周圉神经系统，NO与神经肌肉突触形成 有关在中枢神经系统，NO有神经传导、记忆和突触可塑的重要生理功能 ：8o此外，也可能与冲击波对肌腱部位肌纤维的机械

22、刺激作用有关，因为短时 间连续或间断的腱部压力刺激，能降低脊神经的兴奋性，降低肌张力I。可以 排除机械 振动对治疗结果的影响，因为其作用是短暂的。（四）ESW对伤口愈合的影响 通常，处理伤口的物理治疗方法有压迫、超声、 负压、体外冲击波、电刺激、电磁、光动力学、红外线、水疗等。U前，有很多学者对ESW治疗伤口进行了基础研究和临床的观察。Morgan 等3的基础研究发现治疗组伤口愈合时间较对照组的明显缩短。因此认为ESWT 能促进伤口愈合。Davis等对15例部分或全层烧伤面积5%全身表面积患 者，在烧伤后第3天或第5天使用ESW治疗。治疗前后使用激光多普勒显像评 定烧伤 深度组织血流。结果显示

23、，第1次ESW治疗后，烧伤区域组织血流灌注 显著增加。在治疗3周后，所有烧伤患者中80%愈合，15%需要外科清创和 植皮，3%形成 高张力瘢痕。ESW治疗伤口的确切机制尚不清楚。冲击波机械刺激产生的生物学效应，可 促进内皮一氧化氮合成酶和/或热振蛋白增加。Meirer等血认为：ESW治疗伤口 与调节生长因子表达有关。实验证明ESW治疗伤口，一方面可使VEGF、一氧化 氮合成酶、PCNA增加，强化缺血组织灌注和刺激血管生成，另一方面可抑制炎 症反应。近来实验研究表明：非聚焦、低能量（200次脉冲、5Hz、0. ESWT使中性粒细胞、巨嗜细胞缓慢渗入伤口，抑制严重烧伤皮肤早期的炎性免 疫反应。此外

24、可能与冲击波作用后局部组织毛细血管数、新形成的上皮细胞数 和血管外周 的巨嗜细胞数明显增加有关。（五）ESW对缺血性心脏病的影响U前，缺血性心脏病的治疗有三种主要方法：药物治疗、经皮冠状动脉治疗 和冠状动脉搭桥移植术。不能进行经皮冠状动脉治疗或冠状动脉搭桥移植术治疗 的冠心病患者，预后不良。尽管基因或细胞治疗有助于血管生成，但属于有创治 疗，并且仍然处于临床前期阶段33 oIto和Shimokawa 发现在心前区应用低能量ESW可诱导冠状血管再生和改 善 心肌供血，并且没有副作用。后来的研究还发现，低能量冲击波作用于体外 培养的内皮细胞能有效增加VEGF表达，使急性心肌缺血的左心室重建。山此认

25、 为,ESWT对急性心肌梗死和周用血管疾病有一定的治疗作用。Fukumoto 35；等的 临床观察发 现ESWT可改善心肌缺血症状，减少硝酸甘油的使用。但U前对ESWT如何选择合适的时间、频率和剂量还没有达成共识。（六）适应征与禁忌征适应征：碎石.肩关节钙化性肌腱炎、肱骨外上棘炎、足底筋膜炎（足跟 刺）、假关节、Haglund, s外生性骨疣、肱骨内上探炎、冈上肌腱综合征、跟 腱痛、韻骨腱炎和缺血性股骨头坏死等。禁忌征：凝血障碍、类双香豆素治疗者、局部有大血管、内有空气的器官 （如 肺、肠）位于作用区、局部有感染灶、局部有肿瘤、局部有骨飾软骨、靠 近脊柱 和头颅区、妊娠、神经主干、带心脏起搏器

26、者。（七）治疗方法举例1.肩关节钙化性肌腱炎：首先使用X射线或超声对钙化区准确定位。在ESW 治疗过程中，至少要用两次x线定位，其余可用超声进行连续实时监控和跟踪。 治疗疼痛时用低能量即可；当粉碎钙沉积物时，则需中级能量。应逐渐提高能量到 所需水平。每期冲击2000次左右，依据每次的正向能流密度不同，需治疗15 期，平均为2期。累加正向能流密度应为1300町/mmS研究结果表明：肩关节钙 化性肌腱炎ESWT的疗效极佳，远期效果满意，并发症很少2肱骨外上锲炎：首先要用x线、超声或激光指示器来进行精确定位。ESW 治疗时逐渐提高能量到所需水平。推荐使用三个疗程，15002000次冲击/期。累 加的

27、正向能流密度应达到1300町/mm。研究结果表明：以低能量ESW治疗肱骨外 上牒炎的效果颇佳，远期效果满意，并发症轻微氏。3肱骨内上髒炎（高尔夫球肘）:具体疗法同肱骨外上探炎。肱骨内上繰炎 ESWT的效果报道不一。多数学者报道称其疗效满意，远期效果好a；而Krischek 等的报道表明30例患者在一年中的治疗优良率仅为27% 40 o各项研究中均无严 重并发症。其疗效尚需更大样本临床研究来进行评价。4. 足底筋膜炎（足跟刺）:ESW治疗足底筋膜炎（足跟刺）的口的是治疗肌 腱和筋膜的慢性炎症，而并非是使外生性骨疣解体。宜用低到中等能量治疗足 底筋膜炎。应逐渐提高能量到所需水平。累积的正向能流密度

28、应达到1300 文献报道称其治疗三年后满意率为67%83%,未见严重并发症如o5. 假关节：假关节是最早使用ESW进行实验研究与临床治疗的骨科疾病。各 种动物ESWT治疗的结果表明：当用冲击波刺激骨折未愈合区时可产生促使骨 再 生的现象。然而用较低能量的ESW治疗时均未观察到促使骨再生的作用。ESW应 成为临床治疗骨不连、骨折延迟愈合的首选方法，特别是肥大性假关节以。治疗时，应从能级开始，逐渐增加至所需的治疗能级。具体冲击方法：每1cm 的裂隙长度需要500800次的高能冲击波，一般每次治疗需要冲击600010000 次。在治疗过程中，应定时使用x线进行影像跟踪，保证聚焦准确。治疗后6星 期到

29、4个月时，观察疗效。在此期间不必重复治疗。冲击波治疗后，需进行局部 石膏固定制动。如果可能的话，可让患者全负重，以促进骨折的愈合过程。研究 证实，使用ESW治疗骨不连及骨折延迟愈合时，骨折愈合率达62%83% （。参考文献Ll Ogden JA, Toth-Kischkat A, Schultheiss R Principles of shock wave therapyJ Clin Orthop Relate Res, 2001, (387): 8T72 王五洲，邢更彦.冲击波促进骨肌系统损伤修复的机制研究进展J中国娇形外科杂吉，2005, 13(18): 1419-1422.3 Thiel

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