冲击波碎石物理学基础.docx

冲击波碎石的物理学基础
孙西钊
冲击波碎石是物理学和医学相结合的新技术，理解和掌握有关冲击波的物理知
识，对于指导SWL的临床应用以及冲击波碎石机的研制均有重要意义。
冲击波的物理特性
冲击波是一种高能机械波，属于量子物理的研究范组成，其余部分则由低频波组成。冲 击波在生物组织中传播时，衰减系数基本随频率的平方而增加，因此，高频波比低频 波衰减大。这种频率分布的差异也决定了冲击波对碎石的破坏能力和对组织的穿透能 力。一般而言，高频波对结石的粉碎能力较强，但对组织的穿透能力较差；而低频波 对组织的穿透能力较强，但聚焦性能较差，焦点的能流密度较低。
使用高强度冲击波来粉碎体内的结石时，要尽量不伤及组织。因为高强度冲击波 是在体外产生的，所以它必须通过水f耦合剂f人体组织等不同介质，最后才能到达 治疗的靶位上。当冲击波传播至不同的物质时，声阻抗决定了穿过物质界面的总声能 （图3-1-4）。声阻抗的定义是：物质的密度与波速的乘积，是物质的固有属性。如果 两种物质的界面处声阻抗相近，那么，冲击波通过界面处的能量将无明显损失；但若 两种相邻物质的声阻抗差异较大，在交界面处，入射冲击波的一部分继续向前传播进 入第二种物质，而另一部分被反射回来，结果就会造成部分声能损失。基于这一原理， 在冲击波碎石技术中采用了与人体组织声阻抗近似的水和耦合剂作为其传导介质，以 减少冲击波传播过程中的能量损失；而冲击波遇到结石时，由于水石界面的声阻抗差 异较大，冲击波就会与结石发生强烈的相互作用，从而导致结石粉碎；同理，因为空 气的声阻抗比人体组织的声阻抗小的多，所以在两者的界面处也会发生强烈的相互作
当界面处（介质1与2 之间）的声阻抗相匹配时，入射波全部穿过；
当界面处（介质2与3 之间）的声阻抗不匹配时，入射波部分传播过去，另一部分被反射回来
当冲击波穿过不同物质时，对于正入射或垂直入射的冲击波，它分成反射波与透 射波，两者的关系如下：
Pr % ?）化+引］2
Pt=Pi 4Z2Zi/（Z2+Zi）2
Z=pc
其中，Pi一入射波压力，Pr一反射波压力，Pt一透射波压力，右下标1, 2分别表示 第一、二种物质，Z—声阻抗，p—物质的密度，c—物质里的声速。举例说明，一个 在水中传播的平面冲击波,垂直入射到一个理想化的一水草酸钙结石平面。假设入射 波压力Pj = 60MPa,结石的声阻抗Z2=，而水的声阻抗召=。这样，在结石表 面反射波的压力Pr^HOMPa，而透射进入结石的波压Pt=。当冲击波在结 石内传播到对面界面时，同样存在反射与透射现象，这时反射波为一负压的张力波， Pr'=,而透射波压力Pt'=。但实际上，冲击波在结石中传播时会发生 衰减，加上结石表面形态的差异和质地的不均匀等，都会影响上述结果。
三、冲击波的压力波形
（一）压力波形的特性与参数
冲击波的压力波形包括一个在冲击波前沿迅速升压并随后逐渐衰减的压力相（正 相），与一个时间持续较长的张力相（负相），因此，冲击波的振幅和持续时间是不对 称的（图3-1-5）。压力相是由于冲击波直接的正压作用所致；而张力相则是反抽性负 压所致，例如点式波源的F1处等离子体气泡塌陷后所产生的反抽作用。表明这种压 力波特性的重要参数为：
相对压力八 I l“s I
5-10ns t
图 3-1-5 冲击波碎石机焦点处典型压力波形示意图
正、负峰压（P+, P-）—在焦区内测得的冲击波压强的最大值，单位是MPa。
上升时间（tr）—压力P值的10%增至90%所需时间，亦称作冲击波前沿，单位 是ps。
正、负半周期（t+, t-）—在焦区测得的冲击波峰值一半处的脉冲宽度，即半高 宽，单位是ps。
输出声能（Es）—根据在焦区所测的压力波形算出的能量，单位是mJ。这一参 数取决于碎石机的类型和输出档位，差异很大。
在此应当指出，早期测定冲击波波形和压力等参数所用的PCB压力传感器，对记 录真正的峰压来说频响太低，不能及时反映出冲击波的发生和消失，因此，实际压力 可能比所测压力更高。
（二）压力波形的影响因素
通常情况下，随着碎石机输出档位的提高，冲击波的P+、P-、t+和Es相应增加，而 tr和t-则降低。压电式碎石机的峰值压力最高，但焦区体积较小；液电和电磁式碎石机 的峰值压力较低，但焦区体积较大。有实验表明，不同类型冲击波源间的能量差异很大， 是数量级的差异，而且同型波源不同型号的机器间的能量差异也非常大。压电式和电磁 式冲击波的
tr随能量输出增加而缩短，而液电式冲击波的tr几乎不会改变。这些结果表明， 在液电式冲击波碎石机中，冲击波形成于任何输出档位，而压电式碎石机和电磁式碎石 机只形