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趣说空泡(1):结石治疗中的空化效应 精选

已有 6211 次阅读 2012-5-23 19:19 |个人分类:趣说空泡|系统分类:科普集锦|关键词:结石,空化,碎石机,超声,聚焦| 聚焦, 结石, 超声, 空化, 碎石机

结石治疗中的空化效应


张宇宁 


英国华威大学


英文版


体外激波碎石法是一种非侵入式的结石治疗方法。该方法采用体外产生的聚焦激波将结石击碎为粉末。这种技术于1980年由德国的公司发明,并在1983年实现商业化,随后成为治疗结石的一项常规技术。激波碎石的机理包含很多物理效应,包括应力破坏,空化效应和疲劳等。本文主要就其中的空化效应做简要介绍。激波碎石法的缺点和其他相关技术也将在文中介绍。


很多的研究都证实了激波碎石中空化效应的存在。一般来讲,空化能够促进结石分解为更小的碎块。在激波的作用下,生物体中将产生微米尺度的空泡并被激波的压力波部分强力压缩。然后微空泡急剧膨胀并产生球形的激波。这些激波对周围的空泡和附近的结石将产生重要影响。最后,结石表面附近的空泡发生溃灭并产生高速的微射流作用在结石表面,促进其分解为小碎块。



从左到右:典型的碎石激波的波形;结石治疗前;结石治疗后。图片来自 Crum et al. (2008, Fig.1).


 

高速摄影拍摄到的空化云溃灭过程。图片来自Pishchalnikov (2003, Fig.3)


需要指出的是,如果激波传送的频率过高,前面的激波产生的空泡来不及溶解掉。由于空化云具有显著的耗散效应,会将激波的能量耗散掉。因此在结石附近,激波的能量无法到达,从而影响治疗的效果。



不同激波传送频率对结石粉碎的影响。图片来自Crum et al. (2008, Fig.2c).


激波碎石法有如下缺点:

  1. 激波碎石法有副作用,能够引起出血,高血压,血栓等,而且有可能对肾造成长久的损伤。
  2. 治疗期间,如果结石的位置靠近骨骼等,由于激波引起的轻微的共振,病人会感觉不适及疼痛。
  3. 自从第一个商业化的碎石机投入市场以来,该技术在30年间并没有什么重大的改进。
  4. 对于比较大的结石,通过激波碎石产生的碎片依然很大,无法自然排出体外。
  5. 激波碎石法对于治疗肾结石效果较好,对于其他结石(如胆结石)的治疗的效果不显著。

现在,激波碎石法在欧美等国家的应用正逐渐萎缩。取而代之的有很多新技术,比如肾盂镜激光碎石术。该技术是一种微创技术,将一根很细的柔性的微镜通过尿道,膀胱等插入到肾中。肾内部的影像可以实时的输出到显示屏上。锁定结石位置后,发射激光,用其产生的高能量迅速将结石粉碎,并可将碎片收集起来。该技术可用于直径高达20毫米的肾结石。



肾盂镜激光碎石术 Source


其他正在研发的碎石技术还包括采用聚焦的超声波产生的空化效应碎石(详见我的博文)。该技术主要应用空化云在声场下强大的破坏力将结石粉碎成细小的粉末,然后让其自然排出体外。


主要参考文献

Crum et al. (2008). Cavitation and Therapeutic Ultrasound, Proceedings of WIMRC Cavitation Forum 2008, University of Warwick, UK, pp.10-14.

Leighton, T.G. and Cleveland, R.O. (2009). Lithotripsy, Proc. IMechE Part H: J. Engineering in Medicine, vol. 224, 317-342.

Matsumoto, Y. (2006). Therapeutic application of acoustic cavitation, Proceedings of WIMRC Cavitation Forum 2006, University of Warwick, UK, Chap.3, pp.27-35.

Pishchalnikov (2003). Cavitation Bubble Cluster Activity in the Breakage of Kidney Stones by Lithotripter Shock Waves, J Endourol.September, 17(7): 435–446.




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