体外冲击波在骨科中的应用

体外冲击波在骨科中的应用

自1980年临床首次应用体外冲击波碎石术（ESWL）治疗肾结石以来，体外冲击波（ESW）作为一种微创治疗手段，在临床上得到了越来越广泛的应用。如今，ESWL术不仅使泌尿系结石手术率下降到不超过5%，而且已应用于其它部位结石的治疗，如胆囊结石、胆总管结石、胰管及唾液腺结石等。而最令人鼓舞的是ESW在骨科中的应用，ESW对骨不愈、网球肘、肩周炎、跟骨痛等疾病的有效治疗使其在临床应用上的价值甚至超过了碎石术[1,2]。

一、冲击波的物理性质：

冲击波的本质是声波的一种，所以具有声波的一般性质，当其在具有相同声阻抗的组织中传播时，能量不衰减。冲击波在介质中的传播可以理解为压力的张弛在三维方向上的扩散，且波峰的到来伴随着压力的骤然升高。压力的张弛又引起了介质局部密度的变化，所以冲击波的传播也可以理解为介质在传播方向上的不断压缩与松弛。在两种介质的交界面，冲击波也会产生反射、折射及散射等现象，从而使能量衰减，能量衰减的多少同所通过的介质有关。冲击波具有如下物理特性：波峰压力最高可大于100Mpa（500bar），一般情况下为50～8 0Mpa，升压速度极快（＜10ns），波谷压力为负（＜－10 Mpa），波长极短（＜10μs），频率范围较宽，一般在16Hz～20MHz。[1,2]

有三种方法可以产生冲击波：液电、电磁和压电。这三种技术都可以将电能转化为机械能。液电冲击波是最早用于医学的冲击波，它的产生原理类似于汽车火花塞的放电，高压电容通过两个相对的电极在水中放电，所产生的热量使周围的水在瞬间蒸发生成气泡，气泡的急速膨胀和随后的破裂所产生的脉冲就形成了冲击波。将放电电极置于椭圆的第一焦点（F 1），通过椭圆反射体，可以将冲击波能量聚焦于椭圆的第二焦点（F2）上，临床中将结石或所要治疗的部位置于F2即可。电磁冲击波的产生需要一个电磁线圈和一个金属膜，脉冲电流使电磁线圈产生交变磁场，作用于金属膜使其产生往复震动，所产生的冲击波则通过一个声透镜聚焦。压电冲击波的产生依赖于压电效应，压电陶瓷在电场的作用下自身会膨胀，节律性的电场作用使压电陶瓷不断膨胀和缩小，大量（一般＞1000片）压电陶瓷片被预置于球体的内表面，所产生的冲击波即自动聚焦于焦点。[1,2]

冲击波对组织及结石的作用主要由两部分组成，直接作用及间接作用。直接作用即冲击波的压力直接产生的作用，间接作用则是由于冲击波的“空化效应”产生的。不同组织的声阻抗不同，冲击波在声阻抗相近的组织中传播时，其能量衰减很小，而当其遇到声阻抗相差很大的组织时，在两种组织的界面上会释放能量，产生压力和拉力，从而可以击碎较硬的物体。“空化效应”是指在外力作用下，使存在于液体或组织中的气体（溶于液体中）重新回到其气体状态的现象。冲击波波谷的负压在水中（或液体中）可以产生拉力，从而产生气泡，所形成的气泡携带着巨大的能量，当气泡破裂时这些能量就被释放出来，对组织或结石产生作用[3,4,5]。在体外震波碎石术（ESWL）中，直接的压力及“空化效应”在击碎结石的过程当中有协同作用，都很重要，如果去掉“空化效应”，则碎石效果大大降低[4,6,7]。

二、冲击波在医疗中应用的历史：

冲击波对人体组织作用的最早报道源于二战时期，当时人们发现深水炸弹可以造成远离爆炸中心的战士死亡，尽管死者外表无任何伤痕，但解剖后发现死者的肺组织受到了严重损害。随后，在二十世纪五十年代，开始了对冲击波的系统研究，发现液电冲击波可以击碎水中的陶瓷，第一台液电冲击波发生器于此时在美国申请了专利。五十年代末，冲击波的物理特性得到广泛研究。1966～1971年，德国开始研究冲击波对动物组织的作用，研究发现，冲击波在经过肌肉、脂肪及结缔组织时几乎不产生损害，完整的骨组织在冲击波的作用下也无受损迹象，冲击波传播的最佳媒介物是水或与人体组织声阻抗相近的凝胶，冲击波对肺、脑及腹部器官的作用也得到研究。此次研究导致用体外冲击波治疗肾结石的设想。1971年，Haeusler和Kiefer首次进行了冲击波碎石的体外实验。1980年，进行了世界上首例人体肾结石的体外碎石治疗。[2]

1986年，首次进行了冲击波对伤口愈合影响的观察，结果发现低能量的冲击波可以促进伤口愈合，而高能量的冲击波则延缓伤口愈合。这次实验导致了冲击波能否促进骨折愈合的猜想[3,7]。在此之前，人们已经作了大量研究来寻找促进骨折愈合的方法，发现电刺激、电磁场、直流电、压电效应及低强度脉冲超声等对骨折愈合有促进作用，但没有一种方法在临床中得到广泛应用。1986年，Haupt首次进行了冲击波治疗骨不愈的动物实验，结果发现冲击波可以促进骨折愈合。1988年，Haupt首次成功地将冲击波用于骨不愈病人的治疗，并申请了专利（US patent No. M 1139,1989）。此后，广泛开展了用冲击波对骨折不愈合及延迟愈合病人的治疗。[2]

用冲击波治疗骨科慢性疼痛性疾病的想法首先起源于肩部钙化性肌腱炎（calcifying te ndinitis）。最初的想法是用冲击波将钙化斑击碎有可能使疼痛缓解及活动障碍减轻。1990年，第一次报道了用冲击波治疗肩部钙化性肌腱炎，治疗的成功使人们想到将冲击波用于其它慢性疼痛性疾病的治疗，随后出现了用冲击波治疗网球肘（tennis elbow）、跟痛症（pa inful heel syndrome）的报道。由于碎石机是为治疗泌尿系结石而设计,所以在治疗骨科疾病时存在许多缺点,有鉴于此,1993年诞生了第一台专为治疗骨科疾病的体外冲击波发生器（OssaTron，瑞士）[8]。目前，冲击波治疗骨骼肌肉疾病在欧洲及中国台湾都得到了广泛应用，并成立了国际冲击波治疗骨骼肌肉疾病协会（International Society For Musculoskele tal Shockwave Therapy，ISMST）[3]。

三、冲击波治疗骨科疾病的方法：

因为开始没有专用于骨科的冲击波治疗机，所以都是用碎石机来作研究或治疗，由于所用的碎石机型号不同，其输出能量及能量的表达方式也不同（如kV，bar，mj/mm2），而每位学者在治疗时所采用的具体能量和脉冲数也各有差异，并且所用的实验动物也不同，所以造成研究结果之间比较混乱，没有可比性。早期的观点认为低能的冲击波主要用于疼痛性疾病，而中高能的冲击波可以诱导骨形成[3]。Rompe等试图将能量分为高、中、低三个等级，根据他们的标准，第二焦点的能量密度为0.08～0.28 mj/mm2时为低能量，0.28～0.

6 mj/mm2时为中能量，＞0.6 mj/mm2时为高能量。Seil则将0.04～0.12 mj/mm2定为低能量，0.12以上为高能量。Loew将低于0.12 mj/mm2的称为低能量冲击波，将0.2～0.4 mj/mm2的称为高能量冲击波。