结石和组织的高能震波效应研究
作者：屈学民 王青庭 王斯刚 马庆久 杨继庆 文峻
单位：屈学民 王青庭(第四军医大学生物医学工程物理教研室 西安 710032；第四军医大学唐都医院普外科)；王斯刚 马庆久 杨继庆 文峻(第四军医大学生物医学工程物理教研室 西安 710032)
关键词：高能震波；胆结石；碎石术
中国现代医学杂志001013
目的：解决纤维胆镜取石治疗胆管、胆囊结石常遇到的困难，探讨高能震波对体内结石爆破的安全性和实用性。方法：在犬胆囊和小肠内放入固醇石、混合石和色素石，选择不同的冲击功率放电碎石。结果：研究了人体体内3种结石在一定能量下的冲击次数和能量的关系，确定不损伤胆囊和小肠内膜的能量安全阈值。在同样的冲击能量下，破碎固醇石、混合石和色素石所需的次数不同；固醇石所需的次数最少，混合石较多，色素石最多。结论：病理检查表明，在冲击能量<4.0J时，胆囊和小肠切片粘膜处，细胞膜轻度充血，出现小出血点。当冲击能量>4.0J时，粘膜有脱落，膜下组织水肿。
, 百拇医药
分类号 R312
INVESTIGATION OF EFFECTS OF HIGH ENERGY SHOCK
WAVE ON STEROL STONE AND TISSUE
Qu Xuemin，Wang Qingting，Wang Sigang，Ma Qingjiu，Yang Jiqing，Wen Jun
(Department of Physics, Department of General Surgery of Tangdu Hospital,Fourth Military Medical University, Xi'an 710033)
[Abstract] Objective: In order to solve the difficulties of calculus surgery in application of biliary tract fiberscope. Methods: Put the stones in the gallbladder and small intestine and use different energy to shock them. Results: We studied the effects of high energy shock wave on stone, combination calculus and pigment stone and determined the threshold which can wake them fragmentation but no damage to tissue. There are different effects of highly energy shock wave on the three kinds of stones. With the minimal strike times needed to crush the three kinds of stones were not same when the stones were stricken with same energy. Conclusions: Pathological study shown that the 4.0J was the minimum strength of energy with which respectively the small intestine and gallbladder.
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Key words: High Energy Shock Wave; Cholelithiasis; Lithotrity
泌尿结石和胆系统结石的发病率较高，严重影响了人体的健康。患有结石的患者，轻者出现血尿、绞痛、影响消化系统、阻塞胆囊颈及胆总管引起绞痛、发热、黄疸，重者危及生命。我国胆系结石的发病率与死亡率较高。科学研究和统计资料表明，国内结石患者的数目则达7～8千万人，甚者高达1亿，由此引起了医学界和社会各界的重视。1986年德国的研究者就将体外冲击波用于破碎胆结石，开创了非手术治疗结石病的新纪元。与此同时国内也有体外冲击波碎石的的实验报道，肯定了体外碎石的可能性。在体外碎石仪器的基础上，我们采用电磁脉冲波的原理，研制了高能震波碎石仪。并对不同种类的胆内、胆管结石及组织的高能震波效应，进行了系列的动物实验和病理学研究。初步掌握了固醇石、混合石和色素石完全破碎所需要的冲击能量，也获取了高能震波击碎结石而不损伤胆囊、小肠粘膜组织的安全阈值。为体内碎石仪的进一步应用，提供了有价值的参考依据。
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1 高能震波碎石的基本原理
根据材料力学的基本理论，材料破坏有两种机制，一种可以采用大能量的冲击碎石，即冲击强度远大于材料破坏的极限强度；另一类则是小强度的缓慢冲击过程，即冲击强度约等于材料的极限强度。考虑到人体组织与结石在性质上存在着差异，人体组织可以近似为弹性体，能够承受较大的拉伸内应力；而结石则近似为脆性材料。在高能震波的作用下，让结石在不断的小能量的冲击下逐渐出现裂缝开裂，破碎，直至粉碎。
2 材料和方法
实验仪器采用自行研制的TD-I型高能震波胆道碎石仪和Olympus CHF-T20型纤维胆道镜，外科常用手术器械若干。动物选用健康成年杂种犬6只，雌雄不拘，体重从9.5～24kg不等。具体方法，将6只不同的杂种犬依次在麻醉剂8406，用量0.13ml/kg下全麻，在上腹正中开腹。在胆囊底部造口，利用注射器吸出胆汁，将已选择的大小不等的人体结石固醇石、混合石或色素石(均为非新鲜结石)，放入胆囊内部，用注射器注入生理盐水后，用胆道镜引入探头到胆囊腔内结石上方1mm处，观察内膜损伤情况。再选择三段不同的小肠段，用肠钳阻断一端，结石放入小肠内，注入生理盐水，并同样用胆道镜引入探头到小肠腔内结石上方1mm处，再选用不同的冲击能量释放冲击波，直至结石粉碎，并肉眼观察内膜损伤情况。选择其中5只，取其实验胆囊和实验段小肠，送病理科进行病理检查。缝合其中一只犬的胆囊和小肠，并关腹。进行饲养，1个月后处死，取其胆囊和实验段小肠，送病理科进行病理检查。3 结果
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3.1 高能震波冲击能量与结石种类的关系
对固醇石、混合石和色素石3种不同种类的人体结石，选用高能震波的冲击能量分别为1.96，2.25，2.56，3.24，4.0J，分别对放入胆囊和小肠的结石进行冲击处理，记录在给定冲击能量下完全破碎所需的冲击次数。分析固醇石、混合石和色素石在给定能量下的破碎情况。在进行了上述不同能量下的22个小肠区段和6个胆囊的冲击实验。结果发现，输出冲击能量1.96～4.0J之间，不管是固醇石还是混合石或色素石均在32次内完全破碎，当冲击能量为5.76J时仅3次就可以击碎17mm×15mm×15mm的结石。对于固醇石、混合石和色素石3种人体结石，在相同的冲击能量下，击碎固醇石所需的次数最少，混合石所需的次数较多，而色素石所需次数最多(见图1)。
图1 冲击次数与能量的关系曲线
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3.2 病理检查结果
对各种结石的动物实验表明：当冲击能量≤3.24J时，所选犬的胆囊和小肠组织的内膜，肉眼观察和组织病理切片均未见显著性损伤。当冲击能量为5.76J时，肉眼可见小肠内粘膜有点状出血点损伤，并发现有粘膜脱落现象。病理切片结果见图2。当冲击能量为4.0J时，肉眼观察胆囊内膜无明显的损伤，病理切片结果见图3，可以看出血管轻度充血，充血粘膜处出现粘膜轻度炎性细胞浸润，粘膜有轻度脱落现象。对小肠1个月后处死1杂种犬，进行病理检查，除小肠壁浆膜轻度增厚外，其它均无显著变化。
图2 犬小肠粘膜切片经冲击能量5.76J冲击作用组织结构 HE 染色×100
图3 犬小肠粘膜切片经4.0J冲击能量冲击作用组织结构 HE 染色×100
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4 讨论
在结石种类和能量一定的情况下，破碎所需的冲击次数与结石的大小有关；结石的体积越大，所需的冲击次数越多。为研究的方便，我们引入单位体积的破碎次数作为研究指标，在研究结石的破碎次数与冲击能量的关系时，就可以避开结石体积的影响，仅研究不同破碎次数与能量之间的关系。从图1可以看出，3种结石在能量一定时，单位体积的破碎次数显然不同，固醇石的单位体积的破碎次数小，混合石较大，色素石最大。本文给出了不同结石对高能震波有不同反应的实验结果，我们认为，3种结石的构成、硬度存在着较大的差异，固醇石的硬度最高，色素石最低，混合石中等。在临床应用时应该针对结石种类进行能量的选择。
由图1还可以发现，不同结石对高能震波的敏感性也存在着较大的差异。在不同结石的能量-单位体积相关图中，直线的斜率绝对值越大，表示结石对高能震波越敏感，该值可以作为确定不同结石破碎的主要参数，即结石敏感因子。我们的研究表明，色素石的敏感因子最大，对高能震波最敏感，固醇石敏感因子最小，对高能震波最不敏感。结石敏感因子在临床工作中具有一定的指导性意义。
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从实验结果初步可以看出，我们所研制的高能震波碎石设备高能震波用于胆道、胆囊碎石的前景是良好的，在冲击能量不大于4.0J时，对组织所造成的损伤轻微。因此冲击能量4.0J可以作为该仪器临床应用的能量阈值。
参考文献
1，Miakovs'kyi-V.The current methods of treating cholelithiasis[J].Vrach-Delo,1994;1(2):7～11
2，Schneider HT,From M,Ott R,et al.In virtro fragmenrtation of gallstones:comparison of eleecrohydraolic electromagnetic and piezoelectric shock waves lithotripters[J].Hepatology,1991;14(2):301～305
3，黄渝民，王公瑞，杨瑞芳，等.关于用液体火花冲击波爆破人体结石的研究.生物医学工程杂志，1985；2(4)：258～262
(2000-04-08收稿), http://www.100md.com
单位：屈学民 王青庭(第四军医大学生物医学工程物理教研室 西安 710032；第四军医大学唐都医院普外科)；王斯刚 马庆久 杨继庆 文峻(第四军医大学生物医学工程物理教研室 西安 710032)
关键词：高能震波；胆结石；碎石术
中国现代医学杂志001013
目的：解决纤维胆镜取石治疗胆管、胆囊结石常遇到的困难，探讨高能震波对体内结石爆破的安全性和实用性。方法：在犬胆囊和小肠内放入固醇石、混合石和色素石，选择不同的冲击功率放电碎石。结果：研究了人体体内3种结石在一定能量下的冲击次数和能量的关系，确定不损伤胆囊和小肠内膜的能量安全阈值。在同样的冲击能量下，破碎固醇石、混合石和色素石所需的次数不同；固醇石所需的次数最少，混合石较多，色素石最多。结论：病理检查表明，在冲击能量<4.0J时，胆囊和小肠切片粘膜处，细胞膜轻度充血，出现小出血点。当冲击能量>4.0J时，粘膜有脱落，膜下组织水肿。
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分类号 R312
INVESTIGATION OF EFFECTS OF HIGH ENERGY SHOCK
WAVE ON STEROL STONE AND TISSUE
Qu Xuemin，Wang Qingting，Wang Sigang，Ma Qingjiu，Yang Jiqing，Wen Jun
(Department of Physics, Department of General Surgery of Tangdu Hospital,Fourth Military Medical University, Xi'an 710033)
[Abstract] Objective: In order to solve the difficulties of calculus surgery in application of biliary tract fiberscope. Methods: Put the stones in the gallbladder and small intestine and use different energy to shock them. Results: We studied the effects of high energy shock wave on stone, combination calculus and pigment stone and determined the threshold which can wake them fragmentation but no damage to tissue. There are different effects of highly energy shock wave on the three kinds of stones. With the minimal strike times needed to crush the three kinds of stones were not same when the stones were stricken with same energy. Conclusions: Pathological study shown that the 4.0J was the minimum strength of energy with which respectively the small intestine and gallbladder.
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Key words: High Energy Shock Wave; Cholelithiasis; Lithotrity
泌尿结石和胆系统结石的发病率较高，严重影响了人体的健康。患有结石的患者，轻者出现血尿、绞痛、影响消化系统、阻塞胆囊颈及胆总管引起绞痛、发热、黄疸，重者危及生命。我国胆系结石的发病率与死亡率较高。科学研究和统计资料表明，国内结石患者的数目则达7～8千万人，甚者高达1亿，由此引起了医学界和社会各界的重视。1986年德国的研究者就将体外冲击波用于破碎胆结石，开创了非手术治疗结石病的新纪元。与此同时国内也有体外冲击波碎石的的实验报道，肯定了体外碎石的可能性。在体外碎石仪器的基础上，我们采用电磁脉冲波的原理，研制了高能震波碎石仪。并对不同种类的胆内、胆管结石及组织的高能震波效应，进行了系列的动物实验和病理学研究。初步掌握了固醇石、混合石和色素石完全破碎所需要的冲击能量，也获取了高能震波击碎结石而不损伤胆囊、小肠粘膜组织的安全阈值。为体内碎石仪的进一步应用，提供了有价值的参考依据。
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1 高能震波碎石的基本原理
根据材料力学的基本理论，材料破坏有两种机制，一种可以采用大能量的冲击碎石，即冲击强度远大于材料破坏的极限强度；另一类则是小强度的缓慢冲击过程，即冲击强度约等于材料的极限强度。考虑到人体组织与结石在性质上存在着差异，人体组织可以近似为弹性体，能够承受较大的拉伸内应力；而结石则近似为脆性材料。在高能震波的作用下，让结石在不断的小能量的冲击下逐渐出现裂缝开裂，破碎，直至粉碎。
2 材料和方法
实验仪器采用自行研制的TD-I型高能震波胆道碎石仪和Olympus CHF-T20型纤维胆道镜，外科常用手术器械若干。动物选用健康成年杂种犬6只，雌雄不拘，体重从9.5～24kg不等。具体方法，将6只不同的杂种犬依次在麻醉剂8406，用量0.13ml/kg下全麻，在上腹正中开腹。在胆囊底部造口，利用注射器吸出胆汁，将已选择的大小不等的人体结石固醇石、混合石或色素石(均为非新鲜结石)，放入胆囊内部，用注射器注入生理盐水后，用胆道镜引入探头到胆囊腔内结石上方1mm处，观察内膜损伤情况。再选择三段不同的小肠段，用肠钳阻断一端，结石放入小肠内，注入生理盐水，并同样用胆道镜引入探头到小肠腔内结石上方1mm处，再选用不同的冲击能量释放冲击波，直至结石粉碎，并肉眼观察内膜损伤情况。选择其中5只，取其实验胆囊和实验段小肠，送病理科进行病理检查。缝合其中一只犬的胆囊和小肠，并关腹。进行饲养，1个月后处死，取其胆囊和实验段小肠，送病理科进行病理检查。3 结果
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3.1 高能震波冲击能量与结石种类的关系
对固醇石、混合石和色素石3种不同种类的人体结石，选用高能震波的冲击能量分别为1.96，2.25，2.56，3.24，4.0J，分别对放入胆囊和小肠的结石进行冲击处理，记录在给定冲击能量下完全破碎所需的冲击次数。分析固醇石、混合石和色素石在给定能量下的破碎情况。在进行了上述不同能量下的22个小肠区段和6个胆囊的冲击实验。结果发现，输出冲击能量1.96～4.0J之间，不管是固醇石还是混合石或色素石均在32次内完全破碎，当冲击能量为5.76J时仅3次就可以击碎17mm×15mm×15mm的结石。对于固醇石、混合石和色素石3种人体结石，在相同的冲击能量下，击碎固醇石所需的次数最少，混合石所需的次数较多，而色素石所需次数最多(见图1)。
图1 冲击次数与能量的关系曲线
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3.2 病理检查结果
对各种结石的动物实验表明：当冲击能量≤3.24J时，所选犬的胆囊和小肠组织的内膜，肉眼观察和组织病理切片均未见显著性损伤。当冲击能量为5.76J时，肉眼可见小肠内粘膜有点状出血点损伤，并发现有粘膜脱落现象。病理切片结果见图2。当冲击能量为4.0J时，肉眼观察胆囊内膜无明显的损伤，病理切片结果见图3，可以看出血管轻度充血，充血粘膜处出现粘膜轻度炎性细胞浸润，粘膜有轻度脱落现象。对小肠1个月后处死1杂种犬，进行病理检查，除小肠壁浆膜轻度增厚外，其它均无显著变化。
图2 犬小肠粘膜切片经冲击能量5.76J冲击作用组织结构 HE 染色×100
图3 犬小肠粘膜切片经4.0J冲击能量冲击作用组织结构 HE 染色×100
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4 讨论
在结石种类和能量一定的情况下，破碎所需的冲击次数与结石的大小有关；结石的体积越大，所需的冲击次数越多。为研究的方便，我们引入单位体积的破碎次数作为研究指标，在研究结石的破碎次数与冲击能量的关系时，就可以避开结石体积的影响，仅研究不同破碎次数与能量之间的关系。从图1可以看出，3种结石在能量一定时，单位体积的破碎次数显然不同，固醇石的单位体积的破碎次数小，混合石较大，色素石最大。本文给出了不同结石对高能震波有不同反应的实验结果，我们认为，3种结石的构成、硬度存在着较大的差异，固醇石的硬度最高，色素石最低，混合石中等。在临床应用时应该针对结石种类进行能量的选择。
由图1还可以发现，不同结石对高能震波的敏感性也存在着较大的差异。在不同结石的能量-单位体积相关图中，直线的斜率绝对值越大，表示结石对高能震波越敏感，该值可以作为确定不同结石破碎的主要参数，即结石敏感因子。我们的研究表明，色素石的敏感因子最大，对高能震波最敏感，固醇石敏感因子最小，对高能震波最不敏感。结石敏感因子在临床工作中具有一定的指导性意义。
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从实验结果初步可以看出，我们所研制的高能震波碎石设备高能震波用于胆道、胆囊碎石的前景是良好的，在冲击能量不大于4.0J时，对组织所造成的损伤轻微。因此冲击能量4.0J可以作为该仪器临床应用的能量阈值。
参考文献
1，Miakovs'kyi-V.The current methods of treating cholelithiasis[J].Vrach-Delo,1994;1(2):7～11
2，Schneider HT,From M,Ott R,et al.In virtro fragmenrtation of gallstones:comparison of eleecrohydraolic electromagnetic and piezoelectric shock waves lithotripters[J].Hepatology,1991;14(2):301～305
3，黄渝民，王公瑞，杨瑞芳，等.关于用液体火花冲击波爆破人体结石的研究.生物医学工程杂志，1985；2(4)：258～262
(2000-04-08收稿), http://www.100md.com