医用冲击波的前世今生 / 开普饭

一、什么是冲击波

冲击波实质上是一种声波

发声体的机械振动引起介质（比如空气、水）粒子的微小扰动且在相邻粒子间连续接力传递向各个方向传播，从而形成声波。也就是说，声波其实是一种机械波。

在声波传递过程中，介质粒子自身一直在原地不停振荡，并不随着传递向前移动，因此声波不是“质量”的传递，而是“能量”在介质中的传递。

通常，我们用以下物理参数来描述声波：

1. 周期

描述单一、重复的压力变化序列。一个完整的序列视为一个周期：即从零压力，到高压，再到低压，最后恢复为零。如波峰到下一个波峰，波谷到下一个波谷均为一个周期。

2. 频率

指波列中质点在单位时间内振动的次数。以赫兹（Hz）为单位测量，描述每秒的周期数量。如：2Hz，就是指一秒内有两个周期。

正常人类能听见的声音频率为16 Hz~20K Hz（千赫兹），小于20赫兹的称为次声波，高于20千赫兹但小于1吉赫兹的称为特超声或微波超声。

3. 振幅

表示质点离开平衡位置的距离，反映从波形波峰到波谷的压力变化，以及波所携带的能量的多少。一般来说，高振幅所携带能量较高，低振幅所携带能量较低。直观得讲，人类可听到的声波（声音），高振幅波形的声音较大（大音量），低振幅波形的声音较小（小音量）。

4. 相位：

表示周期中的波形位置，以度为单位测量，共 360º。零度为起点，随后 90º 为高压点，180º 为中间点，270º 为低压点，360º 为终点。相位也可以弧度为单位。弧度是角的国际单位，符号为rad。

波的物理参数图示（以正弦波为例）

“冲击波”的产生原理

声波的传递在粒子扰动量较小时，满足经典波动方程，是线性波；当扰动量很大时，则不满足线性波动方程，会出现波的“色散”和“冲击波”的发生。

声波作为一种机械波，通常在空气和液体介质中传播时是“纵波”（即，介质粒子振动方向与传递方向一致），但在固体介质中传播时会混有“横波”（即，介质粒子振动方向与传递方向垂直）。若是线性波时，沿波传递方向的波阵面（即微分横截面）上的压强、密度和温度的变化较为缓和均匀，介质不断交替的压缩和松弛；当为非线性波时，沿波传递方向的波阵面上的压强、密度和温度会发生突跃变化，从而形成瞬间的“剧烈压缩波”，这就是“冲击波”。典型的冲击波波形图如下：

现在，我们可以知道冲击波是：

在瞬时内（10纳秒）达到一个超过50兆帕（约500公斤）的高超压，且会在小于1微秒时间内迅速衰减，是人耳听得见的一种带有高能量的特殊声波。

在自然界，冲击波其实离你并不遥远，所有的爆发情况都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。一架飞机的速度超过330米／秒，“声屏障”就被打破，同时伴随有一个在大气层传播的冲击波，并产生一个声“爆炸”、鞭梢甩动的脆响、雷暴、或者《七龙珠》里的龟派气功（

），当然还有核爆炸（

）。

战斗机突破音障瞬间产生冲击波

核爆炸产生冲击波

爆炸产生的冲击波

《七龙珠》中孙悟空发射的冲击波

上面提到这么多场景都能产生冲击波，显然，鞭梢甩动产生的冲击波和核爆炸产生的冲击波是不同的，否则会甩鞭的人岂不像《七龙珠》中的孙悟空一样天下无敌了？

那么到底是什么不同呢？还是回到描述冲击波的基本物理参数上，看看下面两张不同冲击波波形就清楚了。

电激励产生的冲击波机械激励产生的“冲击波”

细心的你一定不难发现，在一个完整周期内，上面左图冲击波波形上升沿时间级别为纳秒，振幅可达至少10MPa (~100公斤)压力，而右图冲击波波形上升沿时间级别为微秒级，且下降沿后的反相波形显著不同。具体差别如下：

二、冲击波医学临床应用历史

冲击波最初的发现

1914 年，德国克劳德·多尼尔先生创立了德国最早的飞机制造公司Dornier Flugzegwerke。

1930年全球最大的水上飞机Dornier Do X

Claude·Dornier

没错，就是这位德国的飞机制造商发现了冲击波，

无论如何他也想不到自己竟然成了冲击波设备的鼻祖

1966年，在研究超音速飞行器时，多尼尔研发工程师们发现了一种原有理论无法解释的现象：当飞机的速度接近音障时，飞机表面会形成点状腐蚀。经多年深入研究发现：在接近音障飞行时，机体表面附近产生了“冲击波层”，冲击波将无数水滴挤压破裂，导致飞机表面产生让人误以为是“腐蚀”的坑坑洼洼，这就是物理学家们共识的“空化效应”。

水滴在冲击波作用下发生破裂，发生“空化作用”

船用螺旋桨因“空化效应”出现损坏

1969年，多尼尔研发团队的4位主要工程师在一次家庭聚会中，其中一位工程师的妻子得了肾结石而郁郁寡欢。突然，有位工程师提出来：“既然飞机机身会因冲击波发生空化效应而损坏，有没可能我们可以人为制造冲击波来从体外打碎结石？”这一发问尽然让4位工程师热烈得讨论了一整晚，并且转化成了后续的实际行动。

照片拍摄时其中两位先驱工程师已先后离世

1970年，经过一段时间的工程准备，世界首台冲击波发生器实验室原型在多尼尔公司的实验室诞生了。而最有意思的是，最初设计这台原型机用于打碎结石的思路竟然是“一炮粉碎”！

世界首台冲击波发生器实验室原型

1974年，在联邦德国政府支持下，多尼尔研发团队与各临床医生共同探索冲击波应用于破碎体内结石，做了大量动物临床试验。

1974年动物1号 (AM1)

1974年动物4号 (AM4)

1980年2月7日，世界首台体外冲击波碎石设备多尼尔人类1号（HM1）在德国慕尼黑大学告罗斯哈登医院投入临床实用，首次成功粉碎肾结石，拉开了临床上冲击波“无创”治疗的历史序幕。冲击波与核磁共振影像、CT（计算机断层扫描影像）并称为20世纪80年代三大医疗设备发明。

多尼尔人类1号（HM 1）

1984年，经过不断改进，新型号多尼尔人类4号（HM 4）在美国印第安纳波利斯市卫理公会医院投入临床实用，这是北美首台体外冲击波碎石设备。

多尼尔人类4号（HM 4）

1986年，多尼尔工程团队经过多年的不懈努力终于再次创新，正式上市世界首台“无浴缸”体外冲击波碎石设备。从而提高了体外冲击波碎石时的病人舒适度。

世界首台“无浴缸”体外冲击波碎石设备

在随后几十年中，冲击波专家与临床医学专家保持紧密合作，不断挖掘冲击波作为“无创”治疗手段的神奇潜力，应用于更多临床适应症，让更多老百姓能不开刀就不开刀，甚至解决某些药物、手术都解决不了的疑难杂症，努力帮助全球病患提高生存质量。

三、冲击波的临床应用

医用冲击波设备原理

从前述的声波基本原理中我们已经知道声波传递的是一种能量。而冲击波之所以能够碎石就是因为冲击波的瞬间高压所具备的瞬间高能量，在传导过程中因传导介质密度变化，在结石表面发生“空化效应”从而将结石破碎。那么在体外碎石临床应用上，冲击波在无需切开人体的情况下，是如何传导进体内的呢？看了下图您就明白了：

电磁聚焦冲击波聚焦原理

原来，和我们所熟知的光学聚焦原理类似，冲击波作为特殊声波也是可以进行聚焦的。再加上，声波可以在空气、水等介质中传递，因此冲击波可以直接穿透人体聚焦于结石。当然，我们还需要知道结石的位置，那么我们就需要给冲击波配上一双敏锐的“眼睛”，比如X光或者超声成像设备，有了这些是不是就可以指哪儿打哪儿了呢？在临床实际应用中，还要适应不同情况（体型、盲区等），这就需要给冲击波配上一支既强壮有力又机动灵活的“胳膊”，才能胜任“指哪儿打哪儿”的精准打击任务。

高能体外冲击波设备定位

自动伸缩水囊，确保能量无损传递

摄像头监控画面，中央为能量聚焦区

那么，自医用冲击波发明并应用于结石治疗以来，国际临床上冲击波都用于哪些疾病的治疗呢？下图给出了冲击波应用于不同疾病临床治疗的发展历程。

目前，国际冲击波医学会（ISMST）对于冲击波临床适用症已达成专家共识，总共有38+8种病症可用冲击波进行治疗（+8，意味着后来新增8种新的应用）。

冲击波的生物学机理

大量的临床试验证明适当的冲击波能能量能够刺激“触觉感应器”，促使ATP（三磷酸腺苷）、RNA（核糖核酸）等物质释放，模拟轻微蛋白质错误折叠而产生的应激响应，从而活化细胞；而细胞活化能促使血管舒张、增强生长因子、激发免疫调节等生物学响应，从而血管生成、组织愈合。

正是基于上述生物学机理，冲击波在骨科也得到越来越广泛的临床应用。股骨头坏死、长管状骨骨折延迟愈合或不愈合、骨关节炎骨髓水肿综合征、骶髂关节炎等病变位置深、骨质坚硬，通过精准定位可便于确定病灶，并采用具备较深穿透力、高能量的冲击波进行治疗才能取得更好的疗效。当然，临床治疗也因人而异，需在医生评估病情以后建议病人是否适宜冲击波治疗。

医用冲击波能量大小分类：