冲击波工作机制和物理基础讲义
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冲击波疗法冲击波(Shock Wave)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(extracorporeal shock wave,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10 ns)内达到500 bar(1 bar=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Dornier HMI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(Extracorporeal Shock Wave Therapy,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。
冲击波疗法冲击波(Shock Wave)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(extracorporeal shock wave,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10 ns)达到500 bar(1 bar=105 Pa)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Dornier HMI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(Extracorporeal Shock Wave Therapy,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轴的圆面积的能量,即作用平面。
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畴。
由于冲击波的许多物理规律与声波近似,为了便于理解,通常参照声学的物理知识来讲解和对比冲击波的形成、传播和波形等特性。
冲击波的这些物理特性也是决定SWL和ESWT疗效和安全性的重要参数。
一、冲击波的发生(一)冲击波的产生原理从理论上讲,任何将能量转化为声波的物理原理都能用来产生冲击波。
根据这一论点,目前,已设计出了多种原理的冲击波碎石机。
下面以经典的液电式冲击波为例,介绍液中放电时聚焦冲击波的发生过程。
液中放电是将贮存在储能电容器中的高压电能在电极对之间瞬间释放后发生的火花放电现象。
火花放电产生的高温使放电通道周围的液体形成一个等离子体(plasma),主要是由H+、OH-、H2O、H2O2、臭氧分子、光子和电子等粒子组成。
等离子体气化后形成一个膨胀的、密度极高的气泡,这个气泡具有高膨胀效应和对高温高能的存储能力。
在气泡内部可形成巨大的压力梯度,这一压力作用于水介质后,通过水分子的机械惯性,使其以波的形式传播出去,就形成了正向的冲击波压力波。
(二)冲击波的脉冲形式在用HM3型碎石机的SWL实验中,可见三个明显的压力脉冲(图3-1-1 )。
前两个脉冲亦称作初级冲击波,其中,第一个脉冲是直达波脉冲,代表初级冲击波中未经椭球体反射的部分。
因其能量较小,而且在F1到F2点的传播过程中,其幅度进一步衰减,所以这一直达脉冲的压力较小。
第二个脉冲代表初级冲击波的聚焦部分,占冲击波总能量的绝大部分(90%),其峰值的平均压力为72.5Mpa,压力脉冲时间为2.5μs。
从F1到F2之间的距离,初级冲击波在放电之后,直达冲击波和反射冲击波出现的时差为29μs。
据此可以推算,冲击波通过这段距离的速度为1700m/s。