小焦斑，高电压更有利于SWL?
The effect of focus size and intensity on stone fragmentation in SWL on a piezoelectric lithotripter
World J Urol . 2020 Oct;38(10):2645-2650. doi: 10.1007/s00345-019-03069-y. Epub 2020 Jan 10.
The effect of focus size and intensity on stone fragmentation in SWL on a piezoelectric lithotripter
目的：我们旨在分析冲击波碎石术 (SWL) 期间不同焦点大小的疗效和脉压（强度）对结石碎裂的影响。方法：在人造石 (n) 上测试了压电碎石机 (Wolf PiezoLith 3000) 的三种焦距尺寸（F1 = 2 mm、F2 = 4 mm、F3 = 8 mm）和 11 种输出压力设置（强度 10-20）的组合= 99）。结石被放置在一个 2 毫米的网笼中。记录到第一个可见裂缝、50% 和 100% 的结石崩解所需的冲击波 (SW) 数。结果：观察到相似数量的 SW，直到 F1、F2 和 F3 的第一个裂纹分别为 10、11 和 11 个 SW (p > 0,05)。F1组50%结石崩解所需SW的中位数为245个，F2组为242个，F3组为656个。F1 对 F2 ，p = 0.7，F1 对 F3 和 F2 对 F3 p < 0.05。同样，焦点尺寸越大，100% 结石碎裂所需的冲击波数量就越多。F1、F2 和 F3 分别为 894、877 和 1708 SW。仅对于 F1 对 F3 和 F2 对 F3（所有 p < 0.05）观察到统计差异。这些发现在所有不同的功率设置中都是一致的，在较低的功率水平 (≤ 14) 中差异更大。结论：较小的焦点尺寸以及较高的峰值压力会导致更有效的结石碎裂。然而，这些结果需要在体内环境中得到证实，多个参数会干扰功效，如 BMI、呼吸或结石迁移。
Introduction
在 1982 年引入冲击波碎石术 (SWL) 之前，主动清除结石包括手术清除泌尿系结石或通过尿道机械破坏结石。SWL 的微创特性提供了一种安全的替代方法，并且具有令人信服的疗效，因此被患者和泌尿科医生广泛接受 [1, 2]。随着 SWL 的使用在随后的几年中扩展到其他医学领域，其在治疗尿石症中的作用越来越受到输尿管镜 (URS) 和经皮碎石术 (PNL) 的挑战。手术器械的技术改进和小型化、激光技术和数字成像的引入和改进，与 SWL 相比，URS 和 PNL 的无结石率更高，治疗次数更少 [3]。另一方面，SWL 的技术进步主要改善了碎石机的处理和冲击波的产生，例如用凝胶垫代替水浴以及提供更稳定的能量输出，但与传统的无石率相比，它们未能提高无结石率。尽管在先前的出版物中已经研究了冲击波的基本物理原理及其分解作用 [6-9]，但关于不同碎石机设置以及不同能源的相互作用及其对冲击波分解能力的影响的证据稀少。碎石机技术的最新发展允许进一步调整治疗设置，如多焦点大小或冲击波频率。后者是许多研究的主题，在 Li 等人最近的荟萃分析中定义了使功效最大化的冲击波的最佳频率[10]。另一方面，焦点大小和冲击波强度的重要性仍未完全了解。因此，我们进行了一项研究，比较了体外结石模型中不同
Materials and methods
在这项体外研究中，测试了压电碎石机（Wolf PiezoLith 3000 Richard Wolf GmBH，Knittlingen，Germany）的三种焦距尺寸（F1、F2、F3）和十一种波输出压力设置（强度 10-20）的组合。− 6 dB 处焦点区的横向直径，根据制造商信息，每个焦点设置的最大冲击波输出压力 (Pmax) 为：F1 = 2 mm，126 MPa；F2 = 4 毫米，119 兆帕和 F3 = 8 毫米，48 兆帕。模型石由活性铝球组成，直径为 12.7 mm，表面积为 280 m2，堆积密度为 720 kg/m3，结石化学成分为 Al2O3 92.5%、SiO2 0.02%、Fe2O3 0.3%、Na2O 0.3 %。(BASF SE, Ludwigshafen am Rhein, Deutschland)。三个焦点尺寸和十一个波输出压力设置（强度 10-20）的组合用于分解每种组合的三个模型结石。总共测试了 99 颗模型结石，每种焦距设置 33 颗，频率为每分钟 90 次冲击波。对于每个焦点尺寸 (1-3) 和每个强度设置 (10-20)，三种不同的结石被分解。为了避免冲击波发生器潜在磨损的偏差，选择了随着输出压力的每次增加而交替的焦点尺寸序列。将包含 2 mm 网笼的测试圆柱体安装在冲击波源上并填充 500 ml 0.9% NaCl 溶液。模型结石被放置在一个网笼内，网作为过滤器，直径为 2 毫米或以下的碎石碎片通过过滤器，类似于体内模型，它们可以自由通过输尿管。安装的测试装置的网笼将石头固定在压电碎石机的几何焦点内，与冲击波发生器的距离为 165 毫米（图 1）。
图1 带有安装测试装置的 SWL 治疗头。b 人造石和网架
记录到第一个可见裂缝、50% 和 100% 的结石崩解所需的冲击波次数。两名独立调查员通过目视评估安装的圆柱体中的结石屑来评估 50% 的崩解。圆柱体上的预定义线标记了 50% 的阈值。统计数据使用 Kolmogorov-Smirnov 检验检查碎石结果的标准分布，并使用非参数检验进行进一步分析，包括 Kruskal-Wallis 检验、Mann-Whitney-U 检验。采用Spearman等级相关系数分析强度与崩解的关系。Stata v.12（Stata Corp LP, College Station, TX, USA）用于统计分析。所有 p 值都是双侧的，并且那些 < 0.05 被认为具有统计学意义。
Results
对于 F1、F2 和 F3，观察到第一次裂纹所需的冲击波的中位数分别为 10、11 和 11，显示无统计学差异（所有 p > 0.05）。F1组50%碎石所需的冲击波中位数为254次，F2组为242次，F3组为656次。F1 组和 F2 组之间 50% 结石崩解所需的冲击波数量之间没有统计学差异（p = 0.7），而 F1 与 F3 和 F2 与 F3 之间存在统计学差异（所有 p < 0.05）。同样，焦点尺寸越大，100% 结石碎裂所需的冲击波数量就越多。对于 F1 组 894、F2 组 877 和 F3 组 1708 需要冲击波的中位数。同样，在 F1 和 F2 组之间没有观察到统计学差异（p = 0.7），另一方面，F1 对 F3 和 F2 对 F3 观察到统计学差异（所有 p < 0.05）（表 1 和图 2）。
Table 1
Number of shockwaves needed to achieve 50% and 100% disintegration
| Focus 1 2 mm (n = 33) |
Focus 2 4 mm (n = 33) |
Focus 3 8 mm (n = 33) |
|
|---|---|---|---|
| First crack [median (SD)]a | 10 (± 9.3) | 11 (± 42.45) | 11 (± 30.17) |
| 50% disintegration | |||
| Shock waves [median (SD)]b | 254 (877) | 242 (871) | 656 (3478) |
| Correlation coefficient with intensityc | 0.94 | 0.9 | 0.92 |
| Focus 1 vs 2 p = 0.7, Focus 1 vs and Focus 2 vs 3 p < 0.05 | |||
| 100% disintegration | |||
| Shock waves; [median (SD)]b | 894 (3085) | 877 (3196) | 1708 (11,385) |
| Correlation coefficient with intensityc | 0.8 | 0.82 | 0.86 |
| Focus 1 vs 2 p = 0.7, Focus 1 vs and Focus 2 vs 3 p < 0.05 | |||
aFirst crack shows the amount of shock waves until the first visible crack of stone
bNumber of shock waves needed for 50% and 100% disintegration of the stone
cIntensity shows a reverse correlation to the number of shock waves needed to disintegrate the stone
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Fig. 2图2每个焦点组（F1-F3，颜色编码）的平均冲击波数（y 轴）与强度水平（10-20，x 轴）相关
Mean number of shock waves (y-axis) for each focus group (F1–F3, color coded) in correlation to the intensity level (10–20, x-axis)
冲击波强度与碎石所需的冲击波数量之间呈负相关，50% 碎石的 Spearman 秩相关为 0.84，碎石 100% 为 0.73（图 2）。
Discussion
压电碎石机使用安装在球形圆柱体上的压电陶瓷元件，该元件通过突然膨胀产生压力波。这些声波通过它们在凹形载体上的几何排列直接聚焦在感兴趣的区域上，从而在焦点处产生高能冲击波。但是当冲击波通过大面积皮肤进入身体时，患者的疼痛程度会降低，从而可以在没有麻醉的情况下进行 SWL。虽然与电动液压或电磁碎石机相比，压电式的平均压缩压力 p + (avg) 较低，但 Wolf Piezolith 3000 使用双层压电陶瓷元件来匹配其功率 [11]。通过双层压电元件的激波同步，可以将压电碎石机的焦距调整为三种不同的焦距设置。同时，Piezolith 3000 的最大输出压力 (MPa) 范围从 48 MPa (Focus 3) 到 148 MPa (Focus 1)，与替代设备相比，覆盖范围更广。这与第二代和第三代碎石机的总体发展相匹配，而许多较新的设备从具有宽焦点和低输出压力的系统转向具有窄焦点和高输出压力的系统[12]。其目的是在结石上创建一个隔离的压力场，减少对周围组织的暴露。由于临床结果没有显示无石率显着增加或血肿形成等副作用减少，这一想法受到了挑战。Eisenmenger 与 XiXin 碎石机合作重新推出了一种广焦点，低压 SWL。他们设计了一种焦距为 18 mm、最大压力为 30 MPa 的电磁碎石机。临床评估显示 3 个月后总结石清除率为 86%，再治疗率为每位患者 1.24 次 [13]。这些高 SFR 的解释是由于结石的动态挤压以及 0.3 赫兹 (Hz) 的非常慢的冲击波频率导致的有效碎裂。 之前已经描述了各种碎裂机制，但体外研究可以证明通过动态挤压二元碎裂可以增加碎裂率。这是通过大焦点尺寸实现的，导致波在结石边界周围传播，从而导致圆周压缩。然后，由于动态疲劳，压缩会触发微裂纹，这些微裂纹与应力波平行或垂直的裂缝结合在一起 [7, 8, 14]。秦等人改进了液电压 HM-3 碎石机，以评估不同焦点尺寸对结石崩解的影响。因此，他们使用了反射器插件，将焦平面中的峰值正压从 49 MPa 增加到 87 MPa，并将 - 6 dB 焦距从 11 毫米减少到 4 毫米。HM-3 使用原始反射器在焦平面 (z = 0 mm) 和前焦平面 (z = − 15 mm) 中产生的声场和压力分布，以及在焦平面中使用修改后的反射器。三种不同的结石支架用于模拟不同的体内情况：具有 2 毫米网格的网状支架、15 毫米手指套支架和 30 毫米膜支架，模拟不同的碎片迁移方式。对于所有三种暴露条件，在 250 次冲击后，在网架中观察到相似的结石崩解率（~70%）。另一方面，与原始反射器产生的相应值（56% 和 26%）相比，使用改进的反射器在手指套 (45%) 或膜架 (14%) 中观察到的结石分解显着降低。他们得出的结论是在具有低峰值压力和宽焦点尺寸的碎石机领域中具有卓越的功效。在网格支架中，与我们的测试设置类似，碎片 ≤ 2 mm 可能会从焦区中掉出，而较大的碎片仍留在焦区中，从而导致两种焦距尺寸（3.6 毫米与 10.9 毫米）的结果相似。这一发现可以通过残余碎片积累引起的冲击波衰减以及由于高压波导致碎片扩散到更大区域而引起的衰减增加来解释[15]。由于体内结石碎片在收集系统中积累（特别是在下萼和背萼）或由于重力向下迁移到输尿管（尤其是肾盂、上萼和输尿管结石），我们使用了一个带有 2 mm 网格的网架并进行了一次完整的结石碎裂以评估焦点大小和强度对结石碎裂的影响。在我们的设置中，焦点 1（2 毫米，最大 126 兆帕）和焦点 2（4 毫米，最大 119 兆帕）只有很小的差异，因此观察到类似的崩解率。另一方面，对于焦点 3（8 毫米，最大 48 兆帕），需要更多数量的 SW 来分解 50% 或 100% 的石头。因此，我们提出的结果反对广泛关注的改进碎片化理论
在我们的设置中，焦点 1（2 毫米，最大 126 兆帕）和焦点 2（4 毫米，最大 119 兆帕）只有很小的差异，因此观察到类似的崩解率。另一方面，对于焦点 3（8 毫米，最大 48 兆帕），需要更多数量的 SW 来分解 50% 或 100% 的石头。因此，我们提出的结果反对具有宽焦斑、低压 SWL 的改进破碎理论。此外，我们的模型展示了冲击波功率和崩解率的强相关性，对于 50% 和 100% 的碎石，相关系数分别为 0.84 和 0.73，这意味着高峰值压力会导致更有效的碎石。应该仔细解释不同冲击波发生器之间的比较，例如，这项研究是对压电设备的首次评估。尽管所有碎石机都会产生具有相似波形的冲击波，但不同碎石机的振幅和聚焦区并不相同，对声场特性的测量会产生非常不同的值。法拉格等人。例如，研究了三种不同碎石机的性能，每种碎石机都具有不同的能源（电磁、压电和导电）。他们可以表明，随着所传递的冲击次数，压电碎石机在质量减少方面产生了近乎线性的增加。正如我们在比较初裂、50% 和 100% 崩解的研究中所见，这代表了压电式处理结石时的逐渐侵蚀原理。与电磁和导电机器相反，后者在 500 到 1000 次冲击之间表现出性能提高 [16]。由于与其他两个（导电性：6 毫米，电磁性：9 毫米）相比，压电装置具有较窄的焦区（2.3 毫米），因此可以将结果解释为不同的碎石机制，因为较大的焦区更有可能在治疗过程中，随着碎裂的增加，在结石中产生高内应力 [8]。但处理量始终取决于结石的几何形状、尺寸、成分和内部结构，以及碎石机领域的特性。
评估碎石机功效的一种可能的替代方法可能是有效声能的复杂计算。这表示施加到结石周围区域的能量应超过结石崩解的特定阈值 (Eff12mm) [17]。因此，需要进一步的基础研究来量化不同设计的各种碎石机所施加的能量。我们研究的局限性是人造石的体外设计，以及没有患者呼吸运动的固定实验装置。但与此同时，这允许非常低的异质性，结果易于复制。所用人造石的堆积密度代表了相当软的人体肾结石，如钙磷灰石结石 [18]。虽然将结果限制在某种结石类型，但其工业制造标准导致了相同的结石，因此结果具有可比性。为了评估代表其他人类结石（如草酸钙结石）的不同人造石，需要进一步研究不同的结石成分。此外，50% 结石崩解率的评估是基于对结石碎片的目视评估，可能存在不精确性。为了最大限度地标准化测量，在圆柱体上使用了一条预定义的线来标记 50% 的阈值，而在碎片之间称量结石是不可能的。另一个问题是大焦区的宽度，与可用的不同碎石机相比，其尺寸仅在平均范围内 [17]。特别是与 XiXin 碎石机相比，焦区只有一半的宽度（8 毫米对 20 毫米）。这种差异的原因在于压电碎石机的基本原理，因为压电能源通过同步两个独立的压电陶瓷元件层来调整其聚焦区。与大多数其他系统中的光学镜头相比，更宽的焦距导致输出压力小得多，因此碎石效果更差。同时，这种设置在耦合或结石定位方面没有变化，不需要进一步操作碎石机，这是日常临床实践中使用的。因此，需要进一步研究比较体内不同焦距大小，最终有助于临床决策过程中何时使用哪种碎石机设置。
结论
对于压电碎石术，在 - 6 dB 时侧向直径 2-4 mm 的较小焦点尺寸以及更高的峰值压力会导致更有效的体外碎石。然而，这些结果需要在体内环境中得到证实，多个参数会干扰疗效，如 BMI、呼吸或结石迁移。
译者简介
吕建林教授的专著
References
1. Chaussy C, Schuller J, Schmiedt E, Brandl H, Jocham D, Liedl B. Extracorporeal shock-wave lithotripsy (ESWL) for treatment of urolithiasis. Urology. 1984;23((5 Spec No)):59–66. doi: 10.1016/0090-4295(84)90243-7. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
2. Putman SS, Hamilton BD, Johnson DB. The use of shock wave lithotripsy for renal calculi. Curr Opin Urol. 2004;14(2):117–121. doi: 10.1097/00042307-200403000-00012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
3. Rassweiler J, Rassweiler MC, Frede T, Alken P. Extracorporeal shock wave lithotripsy: an opinion on its future. Indian J Urol. 2014;30(1):73–79. doi: 10.4103/0970-1591.124211. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
4. Pietropaolo A, Proietti S, Geraghty R, Skolarikos A, Papatsoris A, Liatsikos E, Somani BK. Trends of 'urolithiasis: interventions, simulation, and laser technology' over the last 16 years (2000–2015) as published in the literature (PubMed): a systematic review from European section of Uro-technology (ESUT) World J Urol. 2017;35(11):1651–1658. doi: 10.1007/s00345-017-2055-z. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
5. Zumstein V, Betschart P, Abt D, Schmid HP, Panje CM, Putora PM. Surgical management of urolithiasis—a systematic analysis of available guidelines. BMC Urol. 2018;18(1):25. doi: 10.1186/s12894-018-0332-9. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
6. Lokhandwalla M, Sturtevant B. Fracture mechanics model of stone comminution in ESWL and implications for tissue damage. Phys Med Biol. 2000;45(7):1923–1940. doi: 10.1088/0031-9155/45/7/316. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
7. Eisenmenger W. The mechanisms of stone fragmentation in ESWL. Ultrasound Med Biol. 2001;27(5):683–693. doi: 10.1016/S0301-5629(01)00345-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
8. Cleveland RO, Sapozhnikov OA. Modeling elastic wave propagation in kidney stones with application to shock wave lithotripsy. J Acoust Soc Am. 2005;118(4):2667–2676. doi: 10.1121/1.2032187. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Pishchalnikov YA, Sapozhnikov OA, Bailey MR, Williams JC, Jr, Cleveland RO, Colonius T, Crum LA, Evan AP, McAteer JA. Cavitation bubble cluster activity in the breakage of kidney stones by lithotripter shockwaves. J Endourol. 2003;17(7):435–446. doi: 10.1089/089277903769013568. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. Li K, Lin T, Zhang C, Fan X, Xu K, Bi L, Han J, Huang H, Liu H, Dong W, Duan Y, Yu M, Huang J. Optimal frequency of shock wave lithotripsy in urolithiasis treatment: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. J Urol. 2013;190(4):1260–1267. doi: 10.1016/j.juro.2013.03.075. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
11. Neisius A, Lipkin ME, Rassweiler JJ, Zhong P, Preminger GM, Knoll T. Shock wave lithotripsy: the new phoenix? World J Urol. 2015;33(2):213–221. doi: 10.1007/s00345-014-1369-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
12. McClain PD, Lange JN, Assimos DG. Optimizing shock wave lithotripsy: a comprehensive review. Rev Urol. 2013;15(2):49–60. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
13. Eisenmenger W, Du XX, Tang C, Zhao S, Wang Y, Rong F, Dai D, Guan M, Qi A. The first clinical results of "wide-focus and low-pressure" ESWL. Ultrasound Med Biol. 2002;28(6):769–774. doi: 10.1016/S0301-5629(02)00507-0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
14. Granz B, Kohler G. What makes a shock wave efficient in lithotripsy? J Stone Dis. 1992;4(2):123–128. [PubMed] [Google Scholar]
15. Qin J, Simmons WN, Sankin G, Zhong P. Effect of lithotripter focal width on stone comminution in shock wave lithotripsy. J Acoust Soc Am. 2010;127(4):2635–2645. doi: 10.1121/1.3308409. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
16. Faragher SR, Cleveland RO, Kumar S, Wiseman OJ, Turney BW. In Vitro assessment of three clinical lithotripters employing different shock wave generators. J Endourol. 2016;30(5):560–565. doi: 10.1089/end.2015.0662. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
17. Rassweiler JJ, Knoll T, Kohrmann KU, McAteer JA, Lingeman JE, Cleveland RO, Bailey MR, Chaussy C. Shock wave technology and application: an update. Eur Urol. 2011;59(5):784–796. doi: 10.1016/j.eururo.2011.02.033. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
18. Chuong CJ, Zhong P, Preminger GM. Acoustic and mechanical properties of renal calculi: implications in shock wave lithotripsy. J Endourol. 1993;7(6):437–444. doi: 10.1089/end.1993.7.437. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]