超声冲击波的碎石机理

6．3　超声冲击波的碎石机理

6．3．1　冲击波的波形及其形成

冲击波包括在前沿迅速升压并随后逐渐衰减的压力相（正相）与较长时间的张力相（负相）。表示这种压力波特征的主要参数是正、负峰值压力（P^＋和P^－）、上升时间（t_r）——压力从P＋值的10%增至90%所需要的时间、以及各自的正、负半周期（t^＋和t^－）。冲击波的振幅和持续时间一般是不对称的。通常随着碎石机输出档位的提高，冲击波的P^＋、P^－、t^＋和声能相应增加，而t_r和t^－则降低。图6．2所示为冲击波和脉冲超声波的波形比较，脉冲超声波是一段衰减振荡的正弦波形，而冲击波则是有较大变化率（阶跃变化）的单峰压力脉冲。

事实上，冲击波是幅度很大的所谓有限振幅声波（即对应的质点位移速度与声速相比，已不能忽略不计了），它已不再满足线性声学中的近似条件。这种有限振幅的冲击波的波形不同于一般的脉冲超声波。图6．2中可见，冲击波的振动频率成分要比脉冲超声波丰富得多。其形成的机理可用非线性声学的研究结果说明（如图6．3所示）。当正弦有限振幅声波在媒质中传播时，使传播介质的密度增加，因而减小了介质的可压缩性，从而加快了冲击波的传播速度。而压力的不同使波形上不同质点的声速是不同的，即波形上各点不存在一个恒定的声速值。由于波形上各点的传播速度不同，则在传播过程中，势必要导致波形变化。

图6．2　脉冲超声波和冲击波的比较

图6．3　有限振幅声波传播的畸变

图6．3（a）所示的是声源处原始的正弦声压波形。但是在传播中，由于波形上A点（对应最大声压值）传播速度最快，大于小振幅的线性声波传播速度；B点（对应最大负声压值）的传播速度最小，小于线性声波速度；O′点附近则是以线性声波的声速传播。因此，波形在传播中发生畸变（如图6．3（b）所示）。这种波形畸变是随传播距离增加而逐步积累的，传播距离越远，畸变越大（在一定范围内）。最终导致波形“卷席”现象，即波峰试图超过波谷，引起波形连续性的破坏。但是实际上，图6．3（c）中所示的虚线情况不可能发生，因为在同一时刻上，声压（或其他声学量）不会存在三个解。因此，实际的波形应如图6．3（c）中的实线所示。此即为锯齿状冲击波。

6．3．2　冲击波粉碎结石的机理

虽然结石粉碎的物理过程可能随具体结石的成分、体积、结构的差异而有所不同，但冲击波碎石主要存在三种截然不同的方式——结石前界面直接面临入射冲击波的表面剥蚀性破坏；结石后界面冲击波位置处的剥落性破坏；结石内部相邻层面的层状剥离性破坏。

结石前界面的表层剥蚀性破坏是由冲击波的空化作用所致。首先入射波诱发气泡簇形成，使之在100～20μs内膨胀至最大体积，然后在结石附近的表面急速崩解，产生高速微喷射，撞击结石表面而致损害。此外，微喷射可通过后续冲击波与先前附着在结石表面的气泡相互作用而产生。高速摄影技术发现，在65MPa的冲击波峰压下，当初始半径范围为0．15～1．2mm的气泡崩解时，崩解瞬间的最大喷射速度为770m/s。

剥落性破坏的特征通常是大块圆帽状碎块从结石后界面脱落，这是由于反射性张力波所致。根据声学原理，当压力波到达结石后界面时，由于从结石到周围液体或组织的声阻抗降低，就会产生反射性张力波。由于结石是一种脆性物质，其抗压强度在100个大气压强（约为10⁷Pa）左右，而抗张强度只有抗压强度的1/10，即约10个大气压强（10⁶Pa），即使能禁得起压力波的挤压力，也可能禁不起张力波的拉伸力，一旦超过结石张力性破坏强度，这种反射性张力波就会造成剥落性损害。此外，冲击波与结石内部的结构缺陷相互作用，可以产生大量的细微裂缝，裂缝之间可产生反射性冲击波，在冲击波反复作用下，碎裂线逐渐扩大延伸，最终导致结石完全粉碎。冲击波作用于人体结石前后界面的情况如图6．4所示。

图6．4　冲击波碎石的原理

结石的内部结构常常是较为稀疏而含有许多孔隙的。在孔隙中充满液体，倘若在液体中含有空化核，则进入结石的冲击波及其界面反射波就可能会激活空化核，而产生空化效应。在空化效应的反复作用下，将会从破坏结石内部的基质开始并进而导致整个结石的疏松与碎裂。空化效应的定义是在液体中由热、声或机械机制所致的气泡形成及其活性作用。理论计算业已证明，预先存在的1～10μm空化核接触到P^＋/P^－为100/16的典型冲击波后，将会膨胀到原始体积的100倍，大约25μs，尔后剧烈崩解，在崩解的气泡内的温度达10⁵K，最高压力高达5．8×10⁵MPa。

冲击波碎石的机理，很可能是上述因素综合作用的结果。

还应指出，在冲击波的能量中，对碎石起主要作用的频率为1～2MHz的超声波成分。高于2MHz的机械波在人体内的传播衰减较大，而低于1MHz的机械波聚焦效果欠佳。

6．3．3　冲击波对软组织的影响

一般来说，结石与其周围组织的声阻抗率差别较大。当冲击波传播到结石前后界面时都要发生反射。冲击波在结石前界面上作用以压力，而在结石后界面的反射时则表现为张力。这种压力和张力由于声阻抗率差别较大而较强。由于结石是脆性物质，尤其是抗张强度较低，故冲击波能对结石有破碎作用。而人体软组织声阻抗率差别较小，冲击波的反射作用力较弱，同时人体软组织的柔性使其能够承受较高的冲击波压力而不致损伤，因而冲击波能够击碎软组织中的结石而又不损伤周围组织。