医学超声原理第十七讲超声碎石机

第十七讲UltrasonicLithotrite

超声碎石机目前一页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前二页\总数八十二页\编于五点

冲击波碎石概述1超声碎石机原理2体内冲击波碎石机装置3体外冲击波碎石装置ESWLExtracorporealShockWaveLithotripsy4冲击波碎石的临床应用5几种碎石机的比较6目前三页\总数八十二页\编于五点1、冲击波碎石概述结石主要发生：泌尿系统的肾脏、输尿管、膀胱，胆道等系统。传统治疗：开放式手术，痛苦。冲击波碎石术：冲击波能量→结石→破碎→自然排出。减小或避免了较大的手术。发展史：⑴1950年，Lamport和Newman首次发表了用连续超声波非接触式粉碎人体结石的报道。⑵50年代，原苏联科学家Jutkin发现，水中电极放电产生的冲击波可以击碎陶瓷。其后，美国泌尿专家Goldberg用这一原理，经膀胱镜用冲击波击碎一名患者的膀胱结石。⑶50年代到70年代，各种冲击波的体内碎石装置相继出现，主要用于击碎泌尿系统结石。目前四页\总数八十二页\编于五点

1概述⑷70年代，德国Dornier公司发现，冲击波进入动物体内可以击碎较硬的材料，而对软组织没有明显损伤。⑸最早提出体外冲击波碎石术（ESWL）思想的人是Anmin、Bebrends等人。⑹1974年，Schmieds等人研究了水中火花放电并用椭球反射面聚焦的技术。⑺1978年，由德国泌尿专家Chaussy主持，设计出一台水槽式有两套正交X线定位系统的体外冲击波碎石装置。⑻1980年，Dornier公司推出第一台商用化机器——HM-1体外冲击波碎石机。⑼1983年，Dornier公司公布：检查1000名肾结石患者，有993人可以并采用ESWL治疗，其中90.6％结石全部排空。这一巨大成功引起国际医学界轰动，并使ESWL在世界范围迅速发展和推广。美、法、日等国也相继研制成功ESWL机。⑽1985年，德国Sauerbruch等人将ESWL推广到胆结石症治疗。

目前五页\总数八十二页\编于五点1概述⑾1985年，我国第一台ESWL样机由中科院电工所与北医大附属人民医院研制成功。同年8月应用于临床。同年，上海交通大学也研制成功ESWL机，并于年底投入临床应用。陈亚珠院士多次获国家、省部级科技进步奖，其中主要有"防雷配电变压器研究与推广应用"获1985年国家科技进步三等奖；"液电冲击波体外粉碎肾结石技术"1987年获国家科技进步一等奖；肾结石粉碎机的推广应用，1993年获国家教委成果推广二等奖。

目前六页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前七页\总数八十二页\编于五点

肾脏结石，输尿管结石、膀胱结石，胆囊结石，尿道结石。按结石化学成分可分为含钙结石、感染结石、尿酸结石、胱氨酸结石四类。含钙结石可分为：单纯的草酸钙、草酸钙和磷酸钙、以及除草酸钙还有少量的尿酸；感染结石主要成分是磷酸镁铵(“鸟粪石”，松软)和羟磷灰石；尿酸结石成分可分为：尿酸、尿酸胺或除上述成分外还含有少量的草酸钙；胱氨酸结石可分为：纯胱氨酸或含有少量草酸钙成分。常见的几种结石图1.肾结石目前八页\总数八十二页\编于五点碎石成像图2.胆囊结石图3.右肾鹿角形结石

想一想它们分别是用哪种技术成的像？↘↖↘↖→←目前九页\总数八十二页\编于五点

冲击波碎石机分类法：①按振子处的身体部位分类：体内型、体外型；②按发生器不同原理分类：超声式、电致水压式、压缩空气式、激光式等——体内型液电式、微爆炸式、压电式、电磁式、光声式等——体外型③按波源到人体间的耦合方式分类：干式，湿式；④按冲击波的聚焦方法分类：椭球面聚焦、球面聚焦、抛物面聚焦、透镜聚焦等。⑤按机型的发展次序分类：如：第一代，第二代等；⑥按治疗目的分类：如：肾石碎石机、胆石碎石机等；⑦按系统的规模分类：如：体外碎石中型，大型、小型移动式外碎石机等等。目前十页\总数八十二页\编于五点

冲击波碎石机分类法：体外冲击波碎石机：这类仪器按其震波源的不同一般分为三种：液电式；电磁式；和压电式。体内碎石机目前有四种：超声碎石机；液电碎石机；激光碎石机；气压弹道碎石机。目前十一页\总数八十二页\编于五点2超声碎石超声波能量：大多数冲击波碎石装置使用的能量形式，体外型碎石装置：目前应用较多，都用超声波能量。超声波的定义：声波：物体机械振动状态（或能量）的传播形式。振动：物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。例如：鼓面敲击→振动→向空气传播——声波。频率：每秒钟内往返振动的次数。单位：赫兹（Hz）。

声波分类：（依频率）频率＝10-4～16Hz的声波——次声。频率＝16～2×104Hz的声波——可听声。频率＝2×104～109Hz的声波——超声。频率＝109～1013Hz的声波——特超声。超声波特点：①方向性强，能量易于集中。②超声易于携带较高的能量，可用作工业加工和医学治疗。目前十二页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前十三页\总数八十二页\编于五点2.1描述超声波的重要物理参数1．频率与周期频率，用f表示。单位：赫兹（Hz）；或（kHz、MHz）。

周期：声波每振动一次的时间，以T表示，单位：秒（s）；或（ms、μs）。

公式：T＝1/f2．波长波长：一个声波周期(T)内，声波传播的距离，以λ表示，单位：厘米(cm)或毫米(mm)。3．声速声速：单位时间(1s)内声波传播的距离，以c表示。单位：米／秒（m/s）。

公式：c＝fλ＝λ/T(6-1)

在流体介质中，声速为：(6-2)式中，B——体积弹性系数，ρ——密度。目前十四页\总数八十二页\编于五点2.1描述超声波的重要物理参数

一般，声速：固体＞液体＞气体。人体中声速：骨骼中＝4000m/s，

软组织（主要含体液）中＝1540m/s，

气体（如肺泡或肠道中的气体）中＝350m/s。4．质点的振动位移、速度、加速度

y＝Asinωt(6-3)y—振动位移，A—振动位移幅度，ω—角频率，t—时间

ω＝2πf

对时间(t)微分：

v＝Aωcosωt（6-4）v——质点振动速度再取微分：

a＝-Aω2sinωt（6-5）a——质点振动加速度目前十五页\总数八十二页\编于五点2.1描述超声波的重要物理参数

式中负号表明加速度的方向与位移方向相反。注意：质点振动速度(v)≠声波的传播速度(c)。5．声压声压＝有声波传播时的压强－没有声波传播时的压强。媒质的声传播可以表现为声压随时间（或空间）的周期变化。对于平面声波：

P＝ρcωA（6-6）P——声压幅值6．波的能量密度与声强声能密度E：声场单位体积内声波携带的能量，单位：焦/厘米3（Ｊ/cm3）

声强I：单位时间通过与声传播方向垂直的单位面积的能量；单位：瓦/厘米2（W/cm2）。

对于平面声波

I＝Ec＝ρc(ωA)2/2＝P2/2ρc∝P2（6-7）目前十六页\总数八十二页\编于五点2.1描述超声波的重要物理参数7．声阻抗率声阻抗率Z：介质中某一点的声压与该处质点振动速度之比：

Z=p/v（6-8）

在线性简谐波范围：

Z=ρc（6-9）

式中，ρ——介质的密度，c——声速。流体中平面波有：（6-10）单位：瑞利，1瑞利=1g/cm2·s。Z只与介质本身的声学特性有关，也称：特性阻抗。介质越硬，B值越高，声特性阻抗越大。人体组织中三类组织的特性阻抗：骨骼及钙化物≈5.57×106瑞利，软组织和体液≈1.52×106瑞利，气体及充气的肺≈0.0004×106瑞利。

目前十七页\总数八十二页\编于五点

2.2超声波的传播特性1．反射和折射⑴反射和折射的几何性质（图6.1(a)）

介质1、介质2：平面界面。

Z1、Z2——特性阻抗，界面处：P—声压、I—声强，θ—声波与界面法线的夹角，下标：I——入射、r——反射、t——折射。反射和折射定律：（6-11）

（6-12）

θiθrC1θt介质1介质2界面PiPrPtC2（a）斜入射图6.1超声在界面的反射和折射目前十八页\总数八十二页\编于五点2.2超声波的传播特性⑵反射和折射的力学性质（图6.1(b)）

反射系数、折射系数（透射系数）来描述。有关系式：

式中，R——反射系数，T——透射系数，下标：p——关于声压，I——关于声强。

Z1、Z2—两种介质特性阻抗。Z1介质1介质2界面Pi，IiPr，IrPt，ItZ2（b）正入射图6.1超声在界面的反射和折射目前十九页\总数八十二页\编于五点2.2超声波的传播特性

由式（6-15）、（6-16）可见：①RI+TI=1，即：Ir+It=Ii

说明：入射超声能量＝反射超声能量＋透射超声能量——能量守恒。②反射超声能量∝(Z2－Z1)2

差值越大，反射越强，透射越弱。所以：固体-气体、液体-气体、固体-液体，界面反射强烈。2．超声波的叠加原理两列或多列超声波相遇时，①相遇前后，保持各自的独立性，即每一列波保持原有的特性（频率、振幅、方向、初相）继续传播。②在相遇处，质点的振动是各列波振动的矢量和——叠加。同频同相位波叠加，振动加强；异频异相位波叠加，振动减弱，甚至抵消。目前二十页\总数八十二页\编于五点2.3超声冲击波的碎石机理冲击波的波形及其形成冲击波：（图6.2所示）振幅和持续时间是不对称的。随着输出档位的提高，冲击波的P+、P-、t+和声能相应增加，而tr和t-则降低。冲击波，幅度很大，对应的质点位移速度与声速相比，已不能忽略不计。称有限振幅声波，不再满足线性声学中的近似条件。PtPtP+P-trt-t+（a）冲击波（b）脉冲超声波图6.2脉冲超声波和冲击波的比较目前二十一页\总数八十二页\编于五点

冲击波形成机理：非线性声学。如图6.3。正弦有限振幅声波传播时：介质密度↑→介质可压缩性↓→传播速度↑。波形上压力不同点，声速不同，导致波形变化。

图(a)：声源处的原始声压波形。

A点：最大声压处，传播速最快，大于线性声波声速。

B点：最负声压处，传播速最慢，小于线性声波声速。

O点：零声压处，传播速度居中，等于线性声波声速。图(b)：传播中波形畸变。图(c)：导致波形呈锯齿状冲击波。

A压力时间（a）OB图6.3有限振幅声波传播的畸变（b）压力时间（c）压力时间2.3超声冲击波的碎石机理目前二十二页\总数八十二页\编于五点2.4冲击波粉碎结石的机理

冲击波结石破坏的方式：（图6.4所示）①结石前界面剥蚀性破坏；空化作用：气泡簇→急速崩解→微喷射→撞击结石②结石后界面剥落性破坏；反射性张力波作用，结石脆性，剥落。③结石内部相邻层面层状剥离性破坏：空化核，空化→膨胀→崩解→高温、高压(峰值压650Bar，气泡半径0.15~1.2mm，微喷射速度770m/s)，(1~10μm空化核,膨胀100倍,崩解温度105K，压力5.8×106Bar)图6.4冲击波碎石的原理目前二十三页\总数八十二页\编于五点2.4冲击波对软组织的影响

冲击波在界面上的作用力：

前界面，压力作用；后界面，张力作用。

冲击波破坏效果：①结石与周围组织的声阻抗率差别较大，作用力较强；人体软组织之间声阻抗率差别较小，作用力较弱。②结石是脆性物质，抗张强度较低。人体软组织的柔性，抗压、抗张强度都较高。

故：冲击波能够击碎软组织中的结石，而不损伤周围组织。目前二十四页\总数八十二页\编于五点3体内冲击波碎石装置原理

方法：冲击波能量→内窥镜→结石部位，碎石、冲洗、吸出。应用：治疗泌尿系统的结石。插入：(图6.5、6.6)皮肤→肾瘘→肾盂；尿道→膀胱→输尿管。

冲击波形式：①强力超声波，②电致水压冲击波，③激光脉冲，④压缩空气冲击波。制作肾瘘碎石、取出插管肾脏结石膀胱尿道镜图6.5经皮肾输尿管结石摘出图6.6经尿道输尿管结石摘出目前二十五页\总数八十二页\编于五点3.1体内超声波碎石装置3.1体内超声波碎石装置采用顶端装有超声换能器的探杆通过内窥镜接触结石，利用超声发生器产生的电振荡使超声换能器产生高频机械振动。超声波传递进结石，在结石的表面产生反射波，结石表面会受压而破裂，当超声波完全穿过结石时，在界面被再次反射，这一反射产生张力波，当张力波的强度大于结石的扩张强度时，结石破裂。1．原理（图6.7)。能量：强力的连续超声波。效率因素：振子的频率、振幅、质量等。振幅：振动棒前端30～100μm。振幅越大破坏力越大。

几乎对软组织没影响，只对坚硬、脆化的结石起作用。频率：（一般取）频率＝25kHz

超声频率越低，衰减越小。频率＜20kHz，成噪声。图6.7超声振动碎石法原理振动撞击脆性破坏目前二十六页\总数八十二页\编于五点3.1

体内超声波碎石装置2．结构结构：振子，振动棒，超声发生器，灌流液吸引泵，脚踏开关等。如图6.8：①分体结构，②一体结构，③顶端可拆卸。振动棒是中空的，如图6.8④。中空作用：①冷却振动棒；②排出结石碎片；③吸附小结石碎片。

①分离型前端振动棒②一体型③可卸式振动棒前端形状振子④图6.11图6.8强力超声波碎石装置结石肾盂镜破碎的结石排出体外振动(冲击)冷却吸引超声振子目前二十七页\总数八十二页\编于五点3.1体内超声波碎石装置3．使用注意事项①振动开始时，必须吸水冷却（防止振动棒发热引起烫伤）。②安装振动棒时，拧紧要适当，不能过松，也不能太紧。

目前二十八页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前二十九页\总数八十二页\编于五点3.2

体内电致水压冲击波碎石装置这类仪器是在内窥镜的观察下，将带有同轴电极的探杆靠近结石，当电极在水中放电，使电极附近的水迅速气化，压力和温度急剧升高以致电极周围的水向外推动而产生冲击波，由于冲击波从电极尖端呈辐射状向外传播，在传播过程中其能量密度逐渐减弱，因此电极必须尽量靠近结石，使冲击波达到足以使人体结石粉碎的强度。

1．原理原理：微小电极间放电→冲击波，如图6.9。优点：电极导线连接，可与软性内窥镜配合使用。缺点：电极附近高温（2000～3000OC）。2．结构结构：电极，放电电源，脚踏开关等。电极既有两点状，也有同心圆的电极。如图6.10。

图6.9体内电致水压碎石原理图6.10体内电致水压电极结构线状放电型沿面放电型目前三十页\总数八十二页\编于五点

3.2

体内电致水压冲击波碎石装置3．使用注意事项①勿在空气中放电，会缩短电极的寿命。②使用前先将灌流液倒入纸杯中，调试放电强度。③使用时，电极和导线容易因过热而烧断，引起短路，应及时更换。④用手触摸电极，会使电极停止放电。⑤用消毒水消毒电极时，勿使连接部位沾水。

目前三十一页\总数八十二页\编于五点3.3体内激光碎石装置激光碎石机：利用激光产生的功率密度很高的能量，这种高功率密度激光可在生物组织中产生辐射压、电致伸缩、冲击波、介质击穿等机械作用，导致结石的粉碎，临床上利用光导纤维将激光发生器产生的激光通过内窥镜导入人体内，先用引导光瞄准结石，然后输出脉冲激光将结石击碎。

1．原理激光→光导纤维→内窥镜→结石→热量→冲击波→击碎结石。2．结构结构包括：光导纤维、激光产生装置、脚踏开关等。光导纤维：玻璃纤维+(包裹)合成树脂。直径＝0.2～0.5mm，

柔软，头部易折损。3．使用注意事项①导光纤维易折断，应卷成一卷放置。②激光直接照射眼球会对视网膜造成损伤，应戴护目镜。③操作者不要直接观察内窥镜，而要通过显示屏观察。④光导纤维头部较脆，应注意保护。

目前三十二页\总数八十二页\编于五点3.4体内压缩空气碎石装置气压弹道碎石机：是目前较新的一种腔内碎石机，它利用压缩气产生的动力，通过控制装置驱动操作手柄内微型气缸(弹道)的弹射体，弹射体高速撞击进入内窥镜的冲击杆，振动力通过冲击杆传递至人体的结石并使之破碎。目前三十三页\总数八十二页\编于五点3.4体内压缩空气碎石装置1．原理压缩空气→振动→金属棒→结石振幅：150～300μm。2．构造①

压缩空气发生器产生压缩空气，并送入空气振荡装置。②空气振荡器（图6.11）压缩空气→活塞后腔→活塞前移→活塞前面空气排到外筒外筒压力↑冲击振动棒→活塞反弹→外筒压缩空气再吸入内筒→活塞后移→活塞两边气压差再次逆转→活塞撞击活塞筒顶部→活塞前移→（循环）③

振动棒:实心、空心两种。空心型可以吸出结石碎片。棒再吸气口排气口活塞活塞内筒外筒压缩空气输入口图6.11压缩空气碎石装置原理目前三十四页\总数八十二页\编于五点

3.5体内冲击波碎石的临床治疗1．治疗操作①泌尿系碎石，内窥镜技术相结合。例如，膀胱镜；输尿管镜；肾镜。②器件和用具的消毒，患者身体的局部消毒，麻醉剂的选用及治疗体位的确定等。③扩张尿道，放入鞘管。充盈膀胱，确定结石位置，再用声头端部顶住结石于对侧膀胱壁上。开机击碎结石。碎石颗粒通过灌注或自行排出体外。碎石过程可在X线监视下进行。2．适应证适用：膀胱结石、输尿管结石、肾盂、肾盏结石。结石：尿酸结石，疗效最佳。线径＞1cm为宜。3．合并症主要合并症：感染、渗出性出血，较少出现碎石梗阻现象。4．禁忌证高热、出血倾向等。目前三十五页\总数八十二页\编于五点

4体外冲击波碎石(ESWL)装置原理体外冲击波碎石机：使用体外冲击波在体内聚焦粉碎人体结石，这类仪器按其震波源的不同一般分为三种：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，在X线机或B超仪构成的定位系统的协助下，将结石准确定位在第二焦点上，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，即电效应转变为机械效应，使晶体快速变形产生机械振动，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，经声透镜聚焦得到增强而粉碎结石。

目前三十六页\总数八十二页\编于五点

4体外冲击波碎石(ESWL)装置原理

体外冲击波碎石术（ExtracorporealShockWaveLithotripsy，ESWL）

各种冲击波能量→超声冲击波→人体组织→（会聚）结石从原理上讲，主要有四个技术要点：1.冲击波的产生技术。2.冲击波的聚焦技术。3.波源与人体的耦合技术。4.冲击波焦点的定位技术。4.1冲击波的产生技术一．冲击波的产生方式1．液电式冲击波源（图6.12）原理：水中电极（高电压＝20kV）→火花放电→球面冲击波。电极点火开关高压电容充电电路触发脉冲图6.12高压放电电路的工作原理目前三十七页\总数八十二页\编于五点4.1冲击波的产生技术

电路：高压储能电容器、点火开关、电极。能量：

C—电容值，

U—充电电压，

W—储存电能过程：充电，触发脉冲→点火开关接通→电极放电（水击穿）→冲击波。电容要求：高储能密度，高可靠性，长寿命，好的热稳定性。点火开关：主要有火花隙开关、闸流管开关两种。此外，固态开关、磁开关等，尚在研制中。电极点火开关高压电容充电电路触发脉冲图6.12高压放电电路的工作原理目前三十八页\总数八十二页\编于五点4.1冲击波的产生技术⑴火花隙开关：优点：①接通时间快，电流增长陡度高，达103A／s。②电流容量大，允许电流值达100kA。③可形成环状放电。④有较大的工作电压范围。⑤对于μs级或较长的脉冲，损耗仅为2％～10％。缺点：①寿命一般不超过107～108次。②为连续工作要求大流量风吹冷却。③重复频率小于1kHz。⑵闸流管开关：优点：较高平均功率，较高重复频率，绝缘电压恢复时间较短。目前三十九页\总数八十二页\编于五点4.1冲击波的产生技术2．压电式冲击波源构成：几百～上千个压电陶瓷振子。原理：各振子发射超声脉冲波→聚焦→冲击波。（图6.13）3．电磁式冲击波源（图6.14）结构原理：①绝缘板-单层螺旋线圈L-绝缘层-金属膜片——电声转换系统。电容c放电→与线圈L产生振荡→线圈交变磁场→金属膜片振荡→发射超声脉冲波→声透镜→聚焦超声冲击波。②空心圆筒-线圈-产生垂直于轴线方向（径向）辐射（柱面波）→抛物面聚焦→冲击波。缺点：寿命较短（约几万次）。碎石性能不如液电式碎石机。

图6.13压电式超声脉冲波源绝缘层金属膜KLC图6.14电磁式冲击波源原理目前四十页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前四十一页\总数八十二页\编于五点4.1冲击波的产生技术4．微爆破冲击波源日本专家：电极引发→微量炸药爆破→冲击波。效果≈液电式。5．激光脉冲式冲击波源莫斯科大学等人，光-声转换→聚焦超声脉冲。原理：铷玻璃激光器→激光脉冲（能量=10J、持续时间=30ns）→

球膜状液体层→吸收能量→升温膨胀→聚焦压力脉冲波。峰值压力＝1OMPa，持续时间≈lOOns。图6.15激光超声实验装置示意图准直激光器高能脉冲激光器单频激光器光电倍增管光电二极管束分裂器束分裂器至示波器触发至示波器垂直输入样品球膜液体层目前四十二页\总数八十二页\编于五点4.1冲击波的产生技术二.不同波源的冲击波压力比较主要以：液电式、压电式、电磁式为例——应用较多1．压力波形峰值压力：压电式＞液电、电磁式。单次冲击脉冲声能：液电机＞电磁机＞压电机。脉冲上升时间：压电机、电磁机：输出能量↑→上升时间↓；液电机：输出能量↑→上升时间不变。2．压力分布焦区：大于50％峰值压力区域——一个卵圆形立体区域。焦区、能量大小：液电机＞电磁机＞压电机。大者：定位简便，粉碎率高。组织损伤大。小者：定位必须精确，粉碎率低，复震率较高。组织损伤轻。3．碎石特点结石粉碎的体积量：液电＞电磁＞压电。弹坑形状：液电—阔而浅；压电—狭而深；电磁—直角圆锥形。目前四十三页\总数八十二页\编于五点4.2冲击波的聚焦技术1．半椭球反射面聚焦（图6.16（a））

点状发生的球面冲击波源，半椭球反射体。冲击波源——焦点F1处。反射会聚点（焦点）——焦点F2处。会聚点：压力＞自然场压力200倍。有效截面≈1.5～2.0cm2，

应用波源：液电、微爆破冲击波源。2．球面发射聚焦（图6.16（c））

分散、面状冲击波源，半个球面发射，焦点——球面的球心。。应用波源：压电式冲击波源人体肾第一焦点F1第二焦点F2（a）半椭球反射面聚焦椭球面压力波压电振子人体肾焦点（c）球面发射聚焦圆球面目前四十四页\总数八十二页\编于五点4.2冲击波的聚焦技术3．抛物面反射聚焦（图6.16（b））

圆柱面冲击波源，抛物面反射体，焦点——抛物面焦点。应用波源：压电式、电磁式冲击波源。4．声透镜聚焦（图6.16（d））

平面冲击波源，金属凹面声透镜，焦点——凹面曲率相关。应用波源：压电式、电磁式冲击波源。图6.16冲击波的聚焦技术焦点人体肾（b）抛物面反射聚焦抛物面焦点压力波声透镜金属板电磁线圈人体肾（d）声透镜聚焦目前四十五页\总数八十二页\编于五点4.3波源与人体的耦合技术

冲击波波源→水（排除空气）→人体软组织——声耦合1．浴缸式耦合患者、冲击波源在水槽中。需要大量的水，装置很大。图6.17(a)。2．水瓶式耦合冲击波源在水槽中，患者身体部分接触水。水槽缩小。图6.17(b)。图6.17体外冲击波碎石波源与人体的耦合技术（a）浴缸式耦合（a’）日式浴缸式耦合（b）水瓶式耦合目前四十六页\总数八十二页\编于五点4.3波源与人体的耦合技术3．水囊式耦合耦合体：薄膜水囊。优点：装置小型化；缺点：薄膜会有部分反射。方式：冲击波源下置式、冲击波源上置式。如图6.17(c)。（c）水囊式耦合（波源下置）（c’）水囊式耦合（波源上置）图6.17体外冲击波碎石波源与人体的耦合技术目前四十七页\总数八十二页\编于五点

4.3波源与人体的耦合技术

聚焦体尺寸：口径：过小，冲击波强度过大，痛感；过大，骨骼会对冲击波形成阻碍。焦距：⑴为减小衰减，焦距应尽量短⑵为避免伤害，焦距越长越好。⑶不同的患者，结石处于体内的深度不同，焦距调节应灵活方便。

目前四十八页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术

目的：结石、焦点——位置对准。技术：人体影像定位系统引导，机械调整系统调整。一.定位影像系统

目前主要有以下几种类型：1．X线影像定位系统：优点：能够透视泌尿系统的所有含钙结石（占95％）。图像直观，熟悉，易于掌握。缺点：X射线损伤，不能定位阴性尿石、胆石。

阴性结石是指密度低,近似软组织,在X线平片中较难显示的结石,其成分多为尿酸,而这种结石结构疏松,容易被各种碎石技术粉碎,但定位时难度较大（图右图）。图.右输尿管末端阴性结石目前四十九页\总数八十二页\编于五点

4.4冲击波焦点的定位技术①

双束交叉式：图6.18所示结构：两套X线机（球管、影像增强器、监视器等），两束X，450～900交叉，交叉点＝冲击波焦点。定位：调整机械装置→人体位置，

使位置：体内结石＝X线轴线交点＝冲击波焦点。缺点：同一高度，体积相同结石，定位时可能混淆目标。影像增强器Ｘ线发生器第一焦点第二焦点温水槽监视器图6.18定位系统中的两台X线机交叉定位目前五十页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术②

单束旋转式：结构：两付X线球管、一付图像增强接收器。定位：旋转图像增强器，从一侧球管到另一侧球管。特点：图像增强接收器少，降低设备成本。③C臂旋转式：结构：一套X线球管、图像增强接收器。安置在C臂两端。定位：旋转C臂，两者相对同时转动，观察不同角度。可连续跟踪目标，能分辨多枚结石。

目前五十一页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前五十二页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术2．B超影像定位系统：结构：扇形B超，超声探头固定在反射体上，图6.19所示。要求：

①扇形扫查中轴线、反射体中轴线，两者处于同一平面。②中心轴线交叉点＝冲击波焦点。③超声探头与反射聚焦系统的相对位置不变。定位：B超图像显示结石，机械调整系统调整反射体空间位置。15342F2F11.反射体2.人体3.定位器4.超声探头5.监视器图6.19超声定位时定位器与反射体的配置目前五十三页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术

优点：①可清晰显示：非钙化的结石图像——阴性尿路结石、胆结石。②无X线损伤。③移动治疗头，人体可不动。缺点：①声窗限制，相当部分输尿管结石显示困难。②肥胖患者，超声波衰减较大，结石影像不够清晰，有碍判断。构造形式：①内置式：B超探头位于发射体内，扫描与冲击波方向一致。优点：定位和跟踪方便，缺点：搜寻目标不快捷，有水囊“伪影”现象。②外置式：B超探头置于发射体外，扫描与冲击波方向不同。优点：使用较为灵活，而且没有伪影现象。缺点：定位效果不如内置式。目前五十四页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术

频率：3.5MHz、5MHz。

频率↓→超声穿透力↑频率↓→分辨率↓3．X线和B超双定位系统：

X线＋B超——双定位系统，以取长补短。单配X线定位系统，可定位率＝95％。目前五十五页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术二．机械调整系统作用：调整反射体与人体的空间相对位置，定位要求。类型：齿轮传动、液压移动。1．齿轮传动（框图如图6.20）三个电机（正、反转）——齿轮传动——6个方向上平移。6个方向开关，控制电机的转向；6个限位开关，控制电机的转动、平动范围，齿轮：转动→平动，快速→缓慢（1cm／s）。误差＜1mm图6.20齿轮传动的原理框图电源方向开关限位开关三维运动电机目前五十六页\总数八十二页\编于五点4.4冲击波焦点的定位技术2．液压移动特点：无噪声。油缸：3个，相互垂直，6个方向平移。框图如图6.21。方向控制：方向开关→电磁阀→油路方向→活塞运动方向6个方向开关——6个运动方向运动范围：油缸尺寸，机械调整范围限制。一般＝25×25×25cm3。图6.21液压平移及控制原理框图电源方向开关三维运动电磁阀油路方向目前五十七页\总数八十二页\编于五点4.5辅助技术——触发信号及患者的心电监护

避免：高压放电→危害心脏；呼吸运动→影响定位(≈lcm)。

方法：同步触发：心电信号触发——保护心脏；R波后的0.2s以内触发。呼吸信号触发——提高碎石命中率。但呼吸频率太低，延长时间，较难接受。接口：心电信号，呼吸信号监护：心电监护——安全措施目前五十八页\总数八十二页\编于五点5

治疗的临床应用ESWL治疗常规一、准备工作1.

术前充分准备，提高治疗质量，防止发生意外。2.

术前细致检查、了解病史，排除禁忌证。3.

术前对结石情况全面了解，制出最佳治疗方案。4.术前确定输出电压、能量，是否需要施行麻醉、服用镇静剂、止痛药。5.

术前1天给予驱气剂，晚间静脉输液1000～1500ml，必要时当日清洁肠道。6.

术中继续输液，缓解冲击波对肾实质的损害，防止出现低血压。术后鼓励适量饮水，适度活动、改变体位，以利碎石排出。二、操作常规1.

充分了解碎石机的类型、结构、工作原理、性能、操作要领。

目前五十九页\总数八十二页\编于五点5.1ESWL治疗常规2.

确定治疗时体位：仰卧位——肾结石、输尿管上段结石；俯卧位——输尿管中、下段结石、膀胱结石。3.

干式，应充盈水囊。足量耦合剂，排除空气，保证有效传输。4.

B型超声、X线探头、图像监视器定位，调整相对位置，结石－焦点，准确重合。5.

选定作用方式：自动控制连续发射；心电、呼吸信号同步发射；手按单次发射。图像监视器观察碎石进展，脱靶应立即校正。三．适应症1．肾脏及输尿管的单个或多个结石。2．部分性或完全性鹿角状结石。3．感染性肾结石。目前六十页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。目前六十一页\总数八十二页\编于五点5.1ESWL治疗常规4．独立肾中的结石。5．膀胱结石、胆结石、以及X线可透过的其他结石等。四．禁忌症1．出血性疾病。2．心力衰竭失代偿者。3．重症心率失常。4．肾动脉硬化。5．输尿管及尿道阻塞病变、上尿路解剖变异、尿流动力学异常伴输尿管运动功能损害，以致阻碍碎石排出者。6．孕妇和肥胖幼儿。前者绝对禁用ESWL，后者如肥胖过度，则定位困难，宜慎重对待。7．胱氨β酸组结石。8．其他：胆囊收缩功能丧失、胆石症伴胰腺炎、＞2.5mm的胆石或充满胆囊的泥沙状结石等。目前六十二页\总数八十二页\编于五点5.2配合ESWL治疗的其它疗法

促进排石措施：（除服用药物外）1.推按运经仪及胆镜取石碎石后：①采用推按运经仪治疗，促进排石。②胆囊镜，人工取石。腹部切口约lcm，取出碎石颗粒。③B超监视下，行胆管扩张术，使碎石颗粒排出。2．配合采用多种物理疗法时间：在ESWL治疗后的3～10天内，理疗法：正弦调制中频电疗法(或音频电疗法)、干扰电按摩振动疗法(或皮带式按摩疗法)。效果：排空率约提高28%。

目前六十三页\总数八十二页\编于五点5.2配合ESWL治疗的其它疗法

物理治疗：利于消除炎症、水肿、粘连、痉挛，增加输尿管蠕动，促进排石。3．ESWL与经皮肾脏取石术(PCNL)相结合按鹿角石的形态划分，确定最佳治疗方案。①小块鹿角石：可只采用单一ESWL治疗方案；②肾盂大块鹿角石：应采用ESWL与PCNL联合治疗方案。③周大块鹿角结石：应取手术或反复ESWL治疗；④巨大型鹿角结石：宜于进行手术治疗。

目前六十四页\总数八十二页\编于五点5.3ESWL治疗的并发症及其防治

并发症大致可分为：①泌尿系统：肾绞痛、腰痛、血尿、输尿管梗阻、石街形成、发热伴感染、肾周血肿；②消化系统：呕血及柏油样大便、腹胀；③呼吸系统：肺挫伤、咯血及血痰；④心血管系统：心绞痛、心律失常、高血压；⑤其他：低血糖、臂瘫、尿脓毒血症等。一.预防措施1．碎石机性能稳定、安全可靠。冲击波不含杂波，焦斑不宜过大，能量适当，定位精确。病人捆扎腹带，减少肾活动度。2．宜低能量多次冲击碎石。电压＜18kV，冲击次数＜2500，两次治疗间隔＞1周。3．较大结石经2500次冲击，尚未完全粉碎者，应分次另行冲击。4．应配心电同步R波起爆装置，防止对心脏的刺激。5．大量饮水，尿液稀释，利排石。抗生素，预防发热、感染。目前六十五页\总数八十二页\编于五点5.3ESWL治疗的并发症及其防治二．治疗措施1．腰痛及肾绞痛症状，前者可口服镇静止痛药，后者可肌注黄体酮20mg，每日2次，或阿是穴穴位注射10mg，每日1次，辅以排石中草药内服。如症状严重且伴发热、感染者，可通过抗感染、PNC及插管引流等措施予以缓解。2．术后血尿，一般数日内可自行消失，无需特别处理。少数患者需用止血药，个别严重者需输血。只有在血压不稳、输血无效时才考虑开放手术止血。3．输尿管梗阻、石街形成的治疗。4．肾周围血肿，通常经保守治疗多可缓解，如因老年性血管因素或有血凝机制缺陷的严重肾周血肿者，只有在血压不稳、输血无效时才考虑开放手术止血。5．消化系统及呼吸系统的出血，一般均采用对症的保守治疗，必要时给予输血。其他心律失常如以往无心血管病史者，多与冲击波对心脏的刺激、麻醉药物的影响、术中的疼痛刺激和体位不当、患者的恐惧心理等因素有关，应有的放矢地采取有效措施。

目前六十六页\总数八十二页\编于五点ESWL装置的评价

碎石机品质：取决于冲击波源、定位图像。一．体外实验试验方法：人工模拟结石置于透明盛水容器中，体外观察ESWL

的粉碎过程、效果。模拟结石形状：①圆形——结石直径12mm（人体尿路结石平均大小）用来测定碎石机将其完全粉碎（颗粒<3mm）所需的放电次数。②柱形——12×φ15mm，放电300次后计算结石的损失率。③方形——35×35×20mm3，

用来测定焦斑面积、焦区弹坑形状和焦点偏移度。结构特点：内含大量微孔，置于水中3分钟，结石内气泡可完全释出，液体完全浸透，以使冲击波发挥空化效应。目前六十七页\总数八十二页\编于五点ESWL装置的评价

试验：结石放在盛水透明容器中，距容器底约50mm。定焦，冲击，观察碎石过程、现象。特点：方法简便，重复性好，可直观认识结石粉碎过程。二．临床观察体外冲击波碎石机基本要求：影像质量好、碎石效率高、人体损伤轻。1.

X线影像质量的判断

X线定位影像的分辨率和清晰度，应基本达到KUB（尿路平片）的水平。曝光正确的KUB平片(腰大肌阴影清晰)，结石钙化影可见，在碎石机监视屏上同样可呈现。

目前六十八页\总数八十二页\编于五点ESWL装置的评价2.

碎石效能的判断①X线影像判断：≤15mm的肾盂阳性结石，液电冲击波发射2000次，一般应完全粉碎，最大颗粒≤3mm；≤10mm的输尿管结石，冲击2400次后，完全粉碎几率约60～80％，因易嵌顿，散开或排净约需2日至3周。②B超影像判断：（不如X线，粗略估计碎石程度）肾盂结石粉碎后，结石粉末的强回声呈现为“云雾现象”；输尿管结石粉碎后，粉末沿输尿管腔分布拉长，超声图像为“喷气流现象”；下段输尿管结石在粉碎时，可见结石碎片坠人膀胱的过程，所谓“飘雪现象”。

目前六十九页\总数八十二页\编于五点ESWL装置的评价3.

不良反应的观察冲击波对人体损伤，与质量、能量有关。临床表现可粗略估计。(1)

震区疼痛：治疗＞15mm肾盂结石，在额定剂量内，用度冷丁后疼痛无法坚持治疗，提示冲击波质量不佳。(2)

皮肤损伤：表现为红晕、瘀点和瘀斑，有时可能与患者的凝血机制有关。但如在常规剂量，患者瘀斑过大，甚至皮肤破损，则可能是劣质冲击波所致。(3)

血尿：第二代体外冲击波碎石机治疗肾结石后，肉眼血尿多在当日转清，较少二天以上。如血尿较重，带大量血块，持续时间较长，说明冲击波源存在问题。总之：如碎石效率高，组织损伤重，说明：波源功率过高。如碎石效率低，组织损伤轻，说明：波源功率不足；如碎石效率低，组织损伤重，说明：冲击波劣质。单次放电能量：E(能)＝CU2/2一般：E(能)≈30J.目前七十页\总数八十二页\编于五点ESWL未来的发展一、新概念碎石机研制的物理基础空化效应——结石粉碎、组织损伤的主要机制①现行冲击波：空化气泡快速崩解(在500μs以内)时，无定向，小部分崩解能量导致结石粉碎，大部分能量进入组织，导致损伤。——能量利用不足。②设想：在碎石机的冲击波发射之后，再延迟几百毫秒将二次冲击波释放到焦点上，迫使ESWL产生的空化气泡集中朝向靶结石崩解，就可提高结石粉碎效率。二、新概念冲击波碎石机实验模型实验模型：1型机：双波源单反射体；2型机：单波源双反射体。实验结果：复式脉冲碎石机的效率提高可达43％。目前七十一页\总数八十二页\编于五点6几种碎石机的比较6.1体外冲击波碎石机优点在于它的治疗过程基本是非侵入性的，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。但是，体外冲击波碎石机在治疗嵌顿的输尿管结石和完全性鹿角形街石等仍比较困难，X线定位治疗时病人还要受到X线辐射。液电式体外冲击波碎石机已广泛应用于临床，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。

目前七十二页\总数八十二页\编于五点与本PPT配套的指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学