冲击波原理及使用说明

冲击波疗法冲击波（ShockWave）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]。体外冲击波(extracorporealshockwave,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10ns)内达到500bar(1bar=105Pa)的高峰压，周期短(10μs)、频谱广(16Hz～2×108Hz)[2]。自从1979年德国Dornier公司研制成功第一台DornierHMI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，目前西欧各国已经将体外冲击波疗法（ExtracorporealShockWaveTherapy，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(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，可以引出以下几个临床上常用的概念和治疗参数[1,3]：(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mJ/mm2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。在短短的几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[4]。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。1．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，由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[1]。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强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”，是通过激发无髓鞘C纤维和A-δ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，同时空化反应会引起微小气泡膨胀/爆炸，产生微喷，也会产生很强的应力变化[5]。我们知道磷脂大分子由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1Onm时，膜可以复原，但如果大于10nm，将使细胞不稳定，发生破裂[6]。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，同时细胞表面出现小凹(疏水性的孔)[7]，这是由于细胞膜表面受到各向同性的张力所致。细胞膜上出现孔或破裂，这取决于流体力场的参数，流体力场的参数是由产生冲击波的电容、工作电压和冲击的数量所决定的。（一）高能冲击波对肿瘤细胞的影响高能冲击波(焦点能量大于35MPa)能杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤生长[8]。研究发现，高能冲击波冲击500～1500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[9]。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[10]。但是有动物实验发现，高能冲击波能促使肿瘤细胞的转移[11]。而该实验所用的高能冲击波冲击次数已达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[12]，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由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50～10MPa的冲击波，在体外冲击人外周血单个核细胞与肿瘤坏死因子α(TNF-α)的反义寡脱氧核酸(ODN)的混合液250次，能有效地将反义寡脱氧核苷酸导入细胞内，并能有效抑制细胞内TNF-α的表达[13]。Kodama等[14]在体外实验发现：用压力为（11.6±1.6)MPa(n=3)、脉冲持续时间为(32.1±7.1)μs(n=3)的冲击波，能将分子量为200万道尔顿的异硫氰酸右旋糖酐导入细胞质内，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：用工作电压为14kV的冲击波冲击l0次1cmx1cm大小，0.3～0.5mm深的小猪的创口，能促进其愈合，而用18kV电压的冲击波冲击100次则会抑制其愈合[15]。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。可见低能冲击波有一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由冲击波源、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。目前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2。1．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第一焦点处，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，当人体结石处于第二焦点时，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”，晶体的运动会引发出一个压力波。当晶体复原时，同样也会产生张力波。通常至少组合300～3000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50cm球冠的凹面，在相同电脉冲的作用下，每个元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：能量和频率可调范围最大，但输出功率最低。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(avascularnecrosisoffemoralhead，ANFH)。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(bonemorphogeneticproteins，BMP)、转化生长因子-ß(transforminggrowthfactor-ß，TGF-ß)、成纤维细胞生长因子(fibroblastgrowthfactor，FGF)、胰岛素样生长因子(insulinlikegrowthfactor，IGF)、血管内皮细胞生长因子(vascularendothelialgrowthfactor，VEGF)、表皮生长因子(epidermalgrowthfactor，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髓间充质细胞聚集、增殖和血管形成。Chen等[16]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(extracellularsignal-regulatedkinase，ERK)和P38促蛋白激酶（P38mitogen-activatedproteinkinase，P38MAPK）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(endothelialnitricoxidesynthase，eNOS)、VEGF、BMP-2和增殖细胞核抗体(proliferouscellnucleusantibody，PCNA)等形成有关[17]，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(mesenchymalprogenitorcells，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[18]。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、肱骨内外上髁炎、弹响髋、跳跃膝(胫骨结节骨骺骨软骨炎)、跟痛症、髌骨腱炎、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”，冲击波治疗慢性软组织疼痛的机制[19]为：①通过激发无髓鞘C纤维和A-δ纤维启动镇痛的“闸门机制”；②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；③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；④