液电效应在体外碎石方面的应用分析

1、液电效应在体外碎石方面的应用分析作者：牛一博I摘要本文叙述了液电效应的原理，介绍了体外碎石的发展历史和应用现状，以及分析了液电效应在体外碎石方面的应用。通过对水中脉冲放电进行实验分析进而得出放电时的电压、电流和压力的关系，分析了液电冲击波电极电弧放电的三个过程，得出了关于液电效应如何更好的应用在体外碎石方面的结论。关键词：液电效应；体外碎石；电弧放电；AbstractThis paper describes the principle of electro-hydraulic effect, introduces the development history and application

2、status of in vitro rubble, and analyzes the application of electro-hydraulic effect in vitro rubble. Experimental analysis is carried out by pulsed discharge in water and then draws the voltage, current and pressure discharge. It analyzes the three phases of the electro hydraulic shock wave arc disc

3、harge electrodes and concludes that the application to electro-hydraulic effect better in vitro rubble aspects.Key words: electro-hydraulic effect; vitro rubble; arc discharge;目录摘要IAbstractI目录II1 体外碎石1 1.1 体外冲击波碎石机1 1.2体外冲击波碎石机的分类及比较1 1.3碎石机定位系统类型2 1.4碎石机的充放电回路22 液电效应的应用3 2.1液电效应原理3 2.2液电式 ESWL的机理33

4、 水中脉冲电晕放电实验4 3.1高速摄影4 3.2电磁兼容控制5 3.3测量技术54 液电冲击波电极电弧放电过程分析6 4.1水间隙击穿接通7 4.2电容器电能向水间隙通道电弧放电7 4.3放电后期的汽泡脉动阶段75 液电冲击波的均一性分析7结论8参考文献91 体外碎石1.1 体外冲击波碎石机体外冲击波破碎机（ESWL）的优点在于它的治疗过程基本是非侵人性的，患者易于接受，而且它的治疗成功率高，对人体组织的损伤较少，目前在临床上已得到广泛的应用。体外碎石机的发明源自一个意外现象的启示。六十年代初，西德道尼尔航空公司的科技人员发现当雨滴落在超音速飞行的飞机上时，反弹的压强（可达16000MPa）

5、可产生一种冲击波，并会传播到离原撞击点很远的地方使其产生裂缝，使飞机内部的器件受损，而飞机的外壳却完好无损。这一现象引起了物理学家的重视。1963年，该公司成立了冲击波研究室。1969年，联邦德国道尼尔(Domier)开始研制体外冲击波碎石机，1980年，第一台体外冲击波碎石机应用于临床，使尿石症的非手术治疗成为可能，成为八十年代医疗技术的一项重大突破，成为泌尿外科学发展的里程碑。现在，冲击波碎石术是目前临床上常用的远程碎石技术【3】。1.2体外冲击波碎石机的分类及比较体外冲击波碎石设备的开发是基于一个假设，它是基于在人体组织内的声音特性类似于在水中的声音特性【4】。这类仪器按其震波源的不同一

6、般分为三种：液电式、电磁式和压电式。液电式应用较早，于1980年2月2日在德国慕尼黑首次使用于临床。这种碎石机是用水下电极的尖端通过瞬间高压放电产生冲击波，毫微秒级的强脉冲放电产生的液电效应，冲击波经半椭圆球反射体聚焦后，通过水的传播进入人体，其能量作用于第二焦点，结石在冲击波的拉应力和压应力的多次联合作用下粉碎。压电式是由许多安装在约50cm球冠上的陶瓷晶体元件，在电脉冲作用下产生压电效应，使晶体快速变形产生机械振动，即电效应转变为机械效应，振动产生冲击波到达球心聚焦进行碎石。电磁式碎石机是通过高压电容器对一个线圈放电，放电产生的脉冲电流形成一很强的脉冲磁场，引起机械振动并在介质中形成冲击波

7、，经声透镜聚焦得到增强而粉碎结石。液电式冲击波波源是最早使用的波源，发展时间长，技术也比较成熟，已广泛应用于临床，其冲击波能量大，但噪声也较大，消耗电极。液电式的冲击波属球面波，对组织的损伤较压电式和电磁式稍大。压电式和电磁式冲击波能量不如液电式，但噪声较小，压电式的噪声更小，都有不需消耗电极和治疗成本低的优点。从碎石效果来看，液电式产生的能量较强，可调范围大，效果较好。压电式产生的是窄脉冲冲击波，功率较小；但波长短，结石粉碎的颗粒小，可以成细砂状粉末，有利于排出体外。电磁式每次转换的能量有一定损失，但能量稳定和重复性较好，能达到较好的碎石效果，其产生的冲击波属平面波，避免厂直达波的损伤。就人

8、体的安全来说压电式和电磁式较好，对人体的影响较小。从设备的制造工艺和要求方面，压电式晶体的质量和寿命及安装都要求较高，否则每个晶体触发脉冲难以同步。而电磁式的充电电压较高，所以线圈绝缘要求高，如放电次数多易产生短路现象。1.3碎石机定位系统类型X线定位与B超定位：这两种方式各有优缺点，可以互为补充。采用联合定位的碎石机兼有X线及B超两种定位系统，具备了上述两种方法的优点。不论阳性或阴性结石，不论肾及各段输尿管结石都可定位，还可以实时监测结石动态及其粉碎过程，因此可以提高碎石治疗水平，但是双定位系统碎石机成本会高很多。1）X线定位机型：因为尿石症患者中绝大部分为阳性结石（占95%以上），这种机型

9、相对于结石定位来说是一种保险型的碎石机，定位方便简捷。在B超无法定位的情况下，X线定位系统能发挥作用，帮助准确定位碎石，且可以在碎石过程中实施跟踪碎石效果以决定医生的判断力并制定术中治疗方案。由于X线具一定的辐射性对医院碎石的要求管理严格，其成本高于其他碎石机型。目前国际公认的唯一金标准碎石机DORNIER HM3型X线定位碎石机。2）B超定位机型：B超定位方式的碎石机又分为B超上置式与下置式定位，B超上置式定位相对来说要比下置式的要好操作一点，上置式定位可以随意改变患者体位而达到定位目的，C臂定位的碎石机B超探头犹如拿在操作医师手中一样方便。B超定位碎石机对输尿管中、下段结石难以定位，且耗时

10、。特别对结石过大的肾结石要慎用，一旦结石破碎后落入输尿管时中则要改用其他方法来处理或者再到X定位的碎石机上寻找结石来再次行碎石治疗。其机型简单而成本低，对碎石室安装要求不高，一般在小型的医院使用更加方便经济。1.4碎石机的充放电回路无论是液电式、电磁式或压电式波源都要求有一套充电和瞬时放电的电路，要求放电时间1微秒左右放电电流达几千毫安。放电电路见图1。图1 碎石机的充放电回路此电路分充电电路和放电电路两部分，交流电经调压路T1调压后经变压器T2升压，电压可达几千伏至十几千伏，经整流后向电容器C充电储能。当触发器S导通，电容的电荷向冲击波源装置W瞬时放电而产生冲击波，为取得良好的冲击波形，放电

11、时间要求在1微秒以内。冲击波的能量取决于充电电压和电容的值，因各种碎石机的电容在0.3到1.0微法之间，变化不大，但能量与电压的平方成正比 , 所以能量的高低主要取决于高压，电压越高，能量越大，焦点处冲击波压强也越大 , 结石就越容易粉碎。但太大的能量容易给患者造成损伤 , 因此碎石机均向低能高效、低副作用的方向发展。2 液电效应的应用2.1液电效应原理高压强电场通过液体，由于巨大的能量瞬间释放于放电通道内，使通道中的液体就迅速汽化、膨胀并引起爆炸，这就是所谓的液电效应。在高压强电场作用下，电极间液体中的电子被加速，并电离电极附近的液体分子。液体中被电离出的电子被电极间强电场加速电离出更多的电

12、子，形成电子雪崩。在液体分子被电离的区域形成等离子体通道。随着电离区域的扩展，在电极间形成放电通道，液体被击穿。放电通道产生后，由于放电电阻很小，将产生几十千安的放电电流。放电电流加热通道周围液体，使液体汽化并迅速向外膨胀。迅速膨胀的气腔外沿在水介质中产生强大的冲击波1。冲击波随放电电流和放电时间的不同，以冲量或者冲击压力的方式作用于周围介质。 2.2液电式 ESWL的机理液电式ESWL的出现在众多机型中出现的最早，目前的应用也最普及，它的机理是：水下由旋转椭圆面的一个几何焦点F1处发出球面冲击波，经过旋转椭圆面反射体的一个对称片段面的反射，其反射波的收敛部分的另一焦点F2附近聚焦，形成高压区

13、而粉碎结石，如图2所示。图2 冲击波聚焦实验示意图液电式ESWL中的冲击波经反射后出现的负压力随着聚焦而加强，可高达-4到-10MPa。流体中的负压力即拉力，较大的负压在水中将导致空化。水中冲击波反射聚焦时出现空化是不可避免的。并且高频和低频的冲击波，空化是不同的5。空化理论也指出：由于空化核存在的影响因素很多，即使很纯净的液体，在压力变化的同时一样会发生空化现象，二者是一致的。另外，空化形成的气泡在液体与组织界面处溃灭时产生射流，其速度最大值可达到120m/s，腐蚀力很大。如果冲击波之间的相互作用和气泡都参与到石头的摧毁过程中，就会导致产生气泡的拉伸波和为了最好的相互作用而塌陷气泡的正压波在

14、空间和时间上的限制2。3 水中脉冲电晕放电实验实验中，我们要采集放电的电压电流波形、压力波形以及放电产生的气泡运动过程。根据实验室的设备情况，我们搭建了图3所示的系统。其中，储能电容为3.96uF或12.00uF，放电开关为三间隙触发开关。电极为尖-尖、尖-板、同轴构造。电阻分压器（分压比为151.2：1）接在放电电极之间，示波器探头接分压器低压臂两端，用于采取放电电压波形。用0.10的电阻采样电流波形；水听器采集放电形成产生压力波的波形。高速摄影系统采用GSJ转镜式高速相机和德国产Pentazet35型相机，最高拍摄频率分别为250万幅/秒和4万幅/秒。在放电水箱的左右及后侧个放置一个闪光灯

15、。9图3试验测量系统示意图3.1高速摄影GSJ转镜式高速相机拍摄的每两幅画面之间的最小时间间隔为0.4s。相机采用400度彩色普通胶片。镜头与电极的距离为26cm。摄影前先按照表1调转镜初始角度。拍摄时，控制器向转镜控制电机发送一个信号，用于控制电机速度。当电机速度达到预设值时，向控制器发回一个反馈信号。此时按下触发开关，摄影仪快门打开，转镜开始旋转，控制器发出一个1万伏的脉冲信号，触发三个闪光灯（WY-8万次闪光灯）；控制器同时发出一个峰值为60伏的脉冲信号，用于触发主放电回路。表 1 各种情况下转镜的初始角度拍摄频率（万幅/秒）1050250初始角度（度）正高压173178221负高压17

16、5180245Pentazet35型高速相机最高拍摄频率为4万幅/秒。拍摄时采用长度超过6m的专业底片。镜头与电极的距离要超过1m。拍摄时的原理图与图3的区别为：闪光灯为1300W的新闻灯，相机无反馈信号，发往火花开关控制模块的为一个闭合信号。拍摄时，先启动相机的电机，同时打开闪光灯，延时1.00秒后离合器闭合，底片开始转动。再延时1.10秒，等胶片转动稳定后，控制器发出闭合信号，触发主放电回路。3.2电磁兼容控制本系统主要有以下电磁辐射源：电源、电机的电刷放电、闪光灯触发脉冲、火花开关及放电时电极间形成的脉冲电流。其中电源干扰为50Hz工频干扰及其谐波分量。电极间干扰信号为主放电回路的谐振频

17、率及其谐波分量。这些干扰源通过传导耦合与辐射耦合，对示波器的测量信号形成干扰。为保证系统各部分能够执行各自的任务，同时尽量减少对其他设备的干扰，进行了以下电磁兼容方面的设计：1.电源部分整个系统有五部分需要供电。摄影控制部分、闪光灯充电电源、储能电容器整流部分、火花开关触发模块采用一个电源；示波器自带蓄电池，能够有效避免各部分通过电源形成的传导耦合干扰。各设备能够减少来自其他设备通过电源产生的串扰，同时减少该设备对其他设备的干扰。2.接地保护电容器低压端、主控制部分外壳通过地线与大地相连，防止对人身造成危险。示波器悬空，防止示波器屏蔽线与地形成回路，使噪声通过该回路进入示波器。3.导线实验中导

18、线尽量短，电容器到电极的两根导线拧在一起。尽量减少辐射耦合的引入。同时减少回路的电感。4.设备位置各种干扰信号在近区时按衰减，在远区时按衰减，其中r为到干扰源的距离。所以我们把示波器放置在离放电电极和火花开关较远的地方。摄影机和放电回路在水箱的两侧。3.3测量技术我们利用自制的电阻分压器测量电流波形。用相对于放电电阻较小的电阻对电流波形进行采样。用水听器获取压力波形。1.电压波形试验中，我们测量得到3.00-1m-1的盐水溶液、尖-尖电极结构时，电极间的电阻Re变化范围为520-1.15k。分压器的电阻Rd 要远远大于电极两端未放电时的电阻（一般情况下，Rd>10Re）。所以分压器的阻值

19、Rd取300k，能够有效的减小分压器对放电过程的影响。实验中电阻为无感电阻，低压臂电阻为2k，示波器探头接低压臂两端。通过对分压器进行校验，得到分压比为151.2：1。实验中测到的一个电压波形如图4（1）。2.压力波形水听器为8103型压电传感器，在296.15K时其灵敏度为：27.5V/MPa。有BNC借口直接连到示波器。水听器放置在距电极50cm处。实验中测得1.70-1m-1正高压（2.0kV）放电时的压力波如图4（2）。3.电流波形我们采用阻值为0.10，功率为40W的无感电阻采样电流波形。由于电晕放电电极间距离比较大，极间静态平均电阻已达到千欧量级，即使是放电的平均电阻也有几十欧姆。

20、所以采样电阻不会对放电造成影响。实验中测得一个典型电流波形如图4（3）。图4 典型电压电流压力波形1）电压波形 2）压力波形 3）电流波形我们用泰克示波器THS730A存储电压电流波形。电压电流直接有示波器探头接到测量装置，测量线长度相同。水听器有3m同轴屏蔽线连接到示波器。声信号在水中的传播速度约为1500m/s，则从信号产生到传播到水听器的时延约为333.33uS。这个延时相对于整个放电过程可以忽略。通过实验我们发现，搭建的系统能够有效的消除干扰，获得理想的电压电流及压力波形。实验中拍摄的气泡运动图片清晰，能够很好的反映气泡的变化过程，并能够清晰的观察到气泡内的等离子体状态。4 液电冲击波

21、电极电弧放电过程分析液电冲击波电极的电弧放电过程分三个阶段：水间隙击穿接通电容器电能向水间隙通道电弧放电放电后期的汽泡脉动阶段。4.1水间隙击穿接通水间隙击穿接通有先导击穿和热力击穿两种情况。先导击穿是当电极间隙在高电压作用下（电极表面电场强度必须超过每厘米几十千伏的“阀”值），尖端尖端电极，形成极不均匀的电场，以获得必须的最大场强。电子向正尖端集聚产生电子雪崩，结果形成向电子雪崩的游离中心方向生长的先导。先导之一接通电极间隙，便完成了形成放电通道的过程。先导击穿延时很短（这里说的击穿延时是指在放电电极加上电压的瞬间到形成击穿放电通道之间的时间）。尖端场强主要决定于尖端曲率半径r和电压u。因尖

22、端电极附近各种因素引起场的失真，电极表面粗糙度在形成先导过程中起重要作用。粗糙使电极表面的个别点容易形成汽泡，而汽泡的击穿就是先导形成的发起者。先导形成后，其发展决定于先导头部的场强，当场强低于某一临界值时，雪崩形成的终止使先导的生长也停止。先导头部场强降低有两个原因：一是因先导本身长度上的电压下降；二是因放电电极上的电压下降。因此电容器电压越高和电容器容量越大，先导越易于生长，生长的极限长度也越大。在先导击穿的情况下，击穿延时与液体静压力值无关。热力击穿是当电极间隙在低电压情况下，电极尖端的场强达不到形成先导的临界值。加在电极间隙的电压使水中有传导电流流过，这一电流虽然不大，但它能使电极附近

23、的水受到加热，并发生汽化。结果在电极间隙中形成汽体“小桥”，沿着这个小桥进一步形成放电通道，发展为间隙击穿。热力击穿延时较先导击穿长，可达几毫秒，热力击穿的特征除电压较低外，就是击穿间隙不长和击穿延时随着液体静压力的增长而迅速增大。4.2电容器电能向水间隙通道电弧放电放电通道形成并击穿后，电容器电能向水中电弧放电通道释放，放电电流达千安级。放电过程中，通道温度由低到高可迅速达到10000K。有一段高温变化不大，在放电接近完了时温度下降。通道电弧电阻在开始击穿阶段迅速降至最小值（毫欧级），有一段保持最小值不变化，到临近放电终了时，由于电弧中等离子体冷却和冷却引起的去游离过程，通道电弧电阻又增大。

24、电弧高温引起通道中压力升高，而且随即开始膨胀。在水中产生正冲击压力波，波形特征是上升前沿陡度较大，达到最大幅值后又近似e指数衰减下降。4.3放电后期的汽泡脉动阶段汽泡脉动是在放电的后阶段，通道已形成汽泡，电能释放终了后，通道形成的汽泡开始时汽泡中的压力比水静压力高继续膨胀，当汽泡中压力等于水静压力时，前面膨胀推动水流仍惯性运动。只有在水的动能完全转变为汽泡位能时，汽泡才会停止膨胀。这时汽泡中的压力比液体静压小，而且小很多。所以在静压作用下，产生反向水运动，位能重新转变为反向移动流的动能。当汽泡闭合时，汽泡中压力激烈增长，在这压力作用下水会向后退转，这个过程可能以几个（13个）连续的衰减脉冲形式

25、重复着，直到消失。5 液电冲击波的均一性分析分析电极的工作过程我们不难看出，汽泡脉动阶段与均一性放电无关。而当放电电路的集中参数电容和电感一定时，在隔离间隙开关调整好的情况下，液电冲击波的均一性主要取决于电极的水间隙每次击穿接通及电弧放电能否近似相同。我们给电容充电到能引起电极先导击穿的某“阀”值电压值，调整电极间隙由小开始逐渐增大。在电极间隙较小时，在高电压作用下电极间隙是先导击穿，延时很短，电极每次放电情况比较相同，均一性较好，但电容器电能向水中电弧放电的通道截面较小，水的汽化量较小，转换成冲击波的能量很小。随着两极间的距离增大到某一区间值范围，电极间隙仍保持先导击穿，延时很短，电极每次放

26、电均一性较好，此时水中电弧放电的通道截面足够大，电容器电能将足够量的水汽化转换成机械能，这时的冲击波的峰值压力、上升前沿、脉冲半高宽度都处于最佳值范围。此时电极间隙是一个最佳间隙状态。再增大电极间隙，电极尖端的场强达不到形成先导的临界值，逐渐由先导击穿转化为热力击穿，延时很长，电极每次放电的均一性较差，在放电时延阶段，通过水间隙也开始大量泄漏能量。随着电极间隙的继续增大，泄漏能量迅速增大，效率明显下低。偶尔还会出现异常放电，这是偶尔电极间隙的大间距先导击穿所造成的，此时的冲击波的峰值压力很大，会对人体造成损伤。取不同电容值或改变充电电压或绝缘电极尖端做上述试验并总结得出以下结论：1）最佳间隙&

27、#160;：与电容值有关，随着电容值增大，最佳间隙距离也增大。与充电电压有关，随着充电电压的上升，最佳间隙距离也增大。电极尖端是否绝缘，也直接影响最佳间隙距离。 2）时延：尽管电容器的电容值和充电电压值保持恒定，时延仍然有很大的离散度，不过，从总的趋势分析，仍可得出下列一些有用的结论。时延随电极间隙增大而增长；电极尖端绝缘时，时延短，电容值小时尤其显著；时延与电压的关系要比时延与电容的关系更大，电压越高，时延越短。3）泄漏能量损耗 ：电极不绝缘时，随着电极间隙的加大，泄漏能量迅速增大，效率降低；电极尖端绝缘后，得到了良好的改善。4）安装电极时要尽量减小接触电阻，使电能在电极

28、的水间隙中有效的转换成机械能冲击波。5）电极随着放电次数的增多，电极逐步损耗，正负极的尖端曲率半径r也发生变化；电极间隙也增大，导致每次放电的过程不同，转换能量下降，能量转换效率下降，均一性明显下降。选择适当的电极，会大大改善液电冲击波的均一性，从而达到更好的治疗目的。据统计，如果电极使用的好，在较低的治疗能量下，每人次治疗所要冲击的次数可降至400次至500次，在不增加人体损伤的情况下提高碎石效果和效率。结论本文对体外冲击波碎石技术和液电效应进行了阐述，通过测量实验对水中脉冲电晕放电进行了研究，得到了水中脉冲放电时的电压波形，压力波形，电流波形。通过对液电式冲击波的均一性分析，我们可以通过改

29、善电极，提高我们的治疗水平。参考文献1. Helmut Reichenberger, “LITHOTRIPTER SYSTEMS”, PROCEEDINGS OF THE IEEE, VOL. 76, NO. 9, SEPTEMBER 1988.2. M. Delius, “BIOLOGICAL EFFECTS OF EXTRACORPOREAL SHOCK WAVES”, ULTRASONICS SYMPOSIUM ,983-990,1989.3. A.D. Zubkov, B.A. Garilevich, Yu.V. Olefir, Yu.V. Andriyanov, A.E. Rotov

30、，“Shock Wave Therapeutic Developments”， Proceedings of the 2005 IEEE，Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference，Shanghai, China, September 1-4, 2005.4. X.Q. Jian, N. Morita, Q.D. Shi, O. Nakamura, D.SH.Liu, FDTD Simulation of Nonlinear Ultrasonic Pulse Propagation in ESWL, Proceeding

31、s of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference Shanghai, China, September 1-4, 2005.5. Andrzej Cwik, Tanja Richter and Helmut Ermert, “AN EXPERIMENTAL STUDY OF CAVITATION EFFECTS DUE TO SHOCK WAVES”, ULTRASONICS SYMPOSIUM 785-788, 1993.6. Andrzej Cwik and Helmut Ermert, “A QUANTITATIVE SCHLIEREN METHOD FOR THE INVESTIGATION OF AXISYMMETRICAL SHOCK WAVES”, ULTRASONICS SYMPOSIUM,789-792,1993.7. D. Cathignol, J.L. Mestas, P. Dancer, M.