冲击波碎石物理学基础.docVIP

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。第三个脉冲约在放电之后的500μs后发生，是一个较强的冲击波，但其压力幅度低于聚焦的初级冲击波。在发生原理上，与前两种液中放电后直接产生的冲击波有所不同，第三个冲击波是间接发生的。其发生过程是：当F1周围的气泡膨胀到极限时，便停止膨胀，同时开始以加速度回缩。由于这种气泡的迅速塌陷和回缩，产生一个反抽性负压脉冲。这个负压性脉冲可引起F2处的空化效应，即在焦区范围内产生大量的气泡。当其破裂之后便引发了第三个冲击波，亦称作次级冲击波。 图3-1-1 冲击波焦点压力/时间示意图 二、冲击波的传播 （一）冲击波的形成过程 冲击波同超声波一样，也是一种压缩波。冲击波的基本物理性质是它能在介质中膨胀和聚集，从而改变介质的密度。波的传播方式是介质沿着传播方向交替地压缩和舒张，既有类似超声波的单频声波，亦有包含宽频谱的声爆（冲击波）。超声波在传播过程中，介质的压力和密度始终保持不变，因而波的各个部分都是以同一速度传播，并一直保持着正弦波的形式（图3-1-2）。而冲击波则不然，它只是在低能量水平时，才遵循线性声学定律。如果冲击波脉冲能量足够高时，就会产生非线性声学特征。高能冲击波在传播过程中，随着传播介质的可压缩性减小，其传播速度将随之加快，结果在通过介质的时候，波形会发生扭曲变形（图3-1-3）。详言之，在冲击波的起始点上，水处在低压幅度范围，因而该点附近的冲击波速度与声波速度相同。但在波的中部，每个连续点的压力幅度逐步增大，使传播介质的密度增加，波速也就随之加快。随着波的继续传播，波峰部分的传播速度进一步加快，足以赶上冲击波前沿的初始点。当压力突然中断，紧接着又出现一个压力逐渐衰减的波形。从冲击波“由盛到衰”的过程可以看出，正是由于冲击波每一点上速度的变化，才使冲击波半正弦波的形式也发生了相应的转变，成为具有陡峭前沿、尔后又逐渐衰减的典型冲击波波形曲线。 图3-1-2 超声波和冲击波的压力波形 图3-1-3 冲击波的传播 冲击波前沿形成（变陡）：冲击波高压部分（2）比低压部分（1） 始出晚，但走得快，向前推进后增加了冲击波前沿压力上升的速率 （二）冲击波在体内的传播 冲击波的频谱与超声波不同。冲击波是由各种频率波长和波速的许多个波叠加而成的波群。它包含着一个宽而连续的频谱，从200kHz到20MHz。而超声波只有一个频率。通常，冲击波前沿的尖峰部分主要由高频波组成，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