體外沖擊波碎石歷史和發(fā)展

徐金洲 尋陽(yáng) 王少剛 李聰

體外沖擊波碎石術(shù)(extracorporeal shock wave lithotripsy，ESWL)是指通過(guò)影像學(xué)技術(shù)方法精準(zhǔn)定位病人體內(nèi)結(jié)石，將沖擊波聚焦于結(jié)石后利用沖擊波產(chǎn)生的物理效應(yīng)破碎結(jié)石的臨床技術(shù)[1]。自1980年Christian等[2]首次將沖擊波技術(shù)引入結(jié)石的臨床治療以來(lái)，ESWL一直是被各指南推薦的泌尿系結(jié)石的重要治療方法之一。在過(guò)去的四十年中，ESWL技術(shù)在沖擊波發(fā)生，碎石策略，成像技術(shù)及其他輔助技術(shù)方面等多方面有了進(jìn)一步發(fā)展[3]。本文就ESWL的歷史和發(fā)展綜述如下。

ESWL的歷史

ESWL的誕生可以追溯到1966年至1972年間，在對(duì)飛機(jī)和航空航天技術(shù)的研究過(guò)程中，德國(guó)多尼爾的工程師發(fā)現(xiàn)飛機(jī)在接近音障飛行時(shí)，機(jī)體表面附近產(chǎn)生了“沖擊波層”，并嘗試將其應(yīng)用于醫(yī)療活動(dòng)中。在隨后的研究中，第一臺(tái)沖擊波碎石機(jī)(TM1)于1974年研制，離體的結(jié)石能夠在水浴中被粉碎[4]。1975年，TM2，一種攜帶超聲波掃描儀的新型沖擊波發(fā)生器被應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，并有效地治療了移植到犬腎中的人體結(jié)石。1980年，全球第一臺(tái)應(yīng)用于人類的體外沖擊波碎石機(jī)——Human Machine 1(HM1)被成功研制，并且由慕尼黑大學(xué)泌尿外科的Chaussy等[5]施行了全球首例ESWL。令人驚喜的是，通過(guò)沖擊波碎石產(chǎn)生的結(jié)石顆粒從尿路排出時(shí)沒(méi)有引起疼痛。此后，1982年，第一個(gè)碎石中心在Chaussy的指導(dǎo)下于德國(guó)慕尼黑成立，從而進(jìn)行了更為廣泛的臨床實(shí)驗(yàn)。次年，第二個(gè)碎石中心在德國(guó)斯圖加特成立，同時(shí)第一臺(tái)商業(yè)化的液電式HM3型碎石機(jī)現(xiàn)世。1984年，ESWL獲得食品和藥物管理局的批準(zhǔn)(FDA)并在其他多個(gè)國(guó)家和中心獲得了應(yīng)用[6]。

我國(guó)最早的沖擊波碎石機(jī)的研制工作由北京醫(yī)學(xué)院泌尿外科研究所郭應(yīng)祿等于1982年7月開(kāi)始進(jìn)行，1983年初完成離體結(jié)石標(biāo)本的粉碎實(shí)驗(yàn)[7]，1984年制成了可供臨床使用的樣機(jī)，并成功治療了植入人體腎結(jié)石的犬[8]，隨后于同年年底開(kāi)始進(jìn)行臨床試驗(yàn)，應(yīng)用于3例病人并于1986年進(jìn)行了初步結(jié)果報(bào)告[9]。與此同時(shí)期，中國(guó)科學(xué)院電工研究所的張祿蓀等[10]于1984年10月成功研制出液電式人體實(shí)用樣機(jī)，即E8410型沖擊波碎石機(jī)。在半年時(shí)間中，該團(tuán)隊(duì)前后使用該碎石機(jī)進(jìn)行直達(dá)波碎石試驗(yàn),模擬試驗(yàn)與大動(dòng)物試驗(yàn)等驗(yàn)證了其有效性與安全性，并于1985年8月19日利用E8410成功進(jìn)行了一例人體試驗(yàn)[10]。當(dāng)前，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的生產(chǎn)碎石機(jī)的國(guó)家。

在接下來(lái)的幾十年中，ESWL技術(shù)不斷發(fā)展。體外沖擊波碎石機(jī)根據(jù)其發(fā)展水平通?？杀环譃?代。MH-3即是通常所指的第一代碎石機(jī)，其較高的碎石效率使其至今仍被譽(yù)為是ESWL的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但由于其體積龐大而笨重，需要麻醉等缺點(diǎn)目前已不再生產(chǎn)。第二代碎石機(jī)目前臨床上最為多用，其減少了麻醉的需要，同時(shí)將水囊與治療床相結(jié)合。但這種將沖擊波和病人人體偶聯(lián)的水囊接觸方式使得沖擊波的能量有所消耗，相應(yīng)地削弱了其碎石效率。第三代碎石機(jī)誕生于上世紀(jì)90年代，目前在歐洲運(yùn)用普遍，其特點(diǎn)為與腔內(nèi)泌尿外科手術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了多功能化[11]。

ESWL的發(fā)展

一、沖擊波發(fā)生

ESWL技術(shù)日新月異，在多個(gè)角度和層面得到創(chuàng)新。其中沖擊波源代表著碎石機(jī)的核心。電液、壓電和電磁是三種常見(jiàn)的沖擊波源。電液沖擊波發(fā)生器通過(guò)水中的電火花間隙產(chǎn)生沖擊波，具有較高的碎石效率，但也有需要麻醉的明顯缺點(diǎn)[12]。壓電沖擊波由陶瓷元件產(chǎn)生，其具有良好的聚焦，無(wú)需麻醉，能量持久的優(yōu)點(diǎn)，但由于功率較低而碎石效率較低。作為目前最常使用的沖擊波源，電磁沖擊波通過(guò)大面積進(jìn)入病人體內(nèi)，于病灶處聚集較大量的能量，同時(shí)也減小了麻醉需求[13]。目前的研究主要比較電液和電磁式碎石機(jī)的療效，尚未發(fā)現(xiàn)這兩種沖擊波源的碎石機(jī)碎石率有顯著差異[14]。

此外，沖擊波源焦點(diǎn)和聚焦寬度同樣受到關(guān)注。通過(guò)體外對(duì)豬的腎臟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，同步模式下雙焦點(diǎn)碎石機(jī)引起的腎臟反應(yīng)與傳統(tǒng)電液碎石機(jī)相比類似，但引起的反應(yīng)更加多變[15]。Sheir等[16]觀察到雙焦點(diǎn)ESWL造成的腎包膜下血腫概率較小，而具有較高的結(jié)石清除率，同時(shí)Marco等也認(rèn)為雙焦點(diǎn)碎石機(jī)在安全性和有效性上在臨床工作中都具有良好的表現(xiàn)。

寬聚焦區(qū)和窄聚焦區(qū)碎石機(jī)孰優(yōu)孰劣目前尚有爭(zhēng)議。Connors等[17]通過(guò)體外對(duì)豬的腎臟研究發(fā)現(xiàn)聚焦寬度小會(huì)產(chǎn)生更集中、更強(qiáng)烈的組織損傷。臨床研究通過(guò)對(duì)比應(yīng)用大聚焦寬度、中等聚焦寬度或小聚焦寬度進(jìn)行ESWL，雖然最終結(jié)石清除率沒(méi)有顯著差異，但大聚焦寬度治療的病人再治療率最低[18]。然而，Veser等[19]在人造結(jié)石上研究報(bào)道，對(duì)于壓電碎石機(jī)，聚焦尺寸越小，碎石效率越高。因此，尚需要進(jìn)行前瞻性隨機(jī)臨床研究，以比較聚焦寬度對(duì)ESWL效果的影響。

二、碎石策略

合適的碎石策略一直都是ESWL研究的重點(diǎn)，包括沖擊波的數(shù)量，頻率和步進(jìn)式碎石技術(shù)。

增加每次治療的沖擊波次數(shù)被證明是有效增加能量和提高碎石效率的方式[20]，然而對(duì)于一次治療中沖擊波的安全數(shù)量，歐洲泌尿外科協(xié)會(huì)(EAU)指南中沒(méi)有提供具體建議[21]，多數(shù)專家共識(shí)認(rèn)為，對(duì)于腎臟結(jié)石單次沖擊波治療不應(yīng)超過(guò)2 000次,對(duì)于輸尿管結(jié)石單期ESWL治療不應(yīng)超過(guò)3 000次[22]，并且應(yīng)根據(jù)所用采用的能量水平進(jìn)行調(diào)整[23]。此外，Kang等[24]通過(guò)一項(xiàng)網(wǎng)狀Meta分析報(bào)告，從療效和并發(fā)癥兩方面考慮，中頻(80～90次/分)和低頻(60～70次/分)ESWL相較于高頻(100～120次/分)ESWL有更好的治療效果。Ito等[25]回顧性分析了404例病人發(fā)現(xiàn)，接受30次/分鐘，1 200次/療程的治療方案的病人，與接受標(biāo)準(zhǔn)治療(60次/分鐘，2 400次/療程)相比具有相似的結(jié)石清除率而減少了所需的電擊總數(shù)。

步進(jìn)式碎石是指從碎石治療較低能量開(kāi)始，逐漸增加能量級(jí)別。該策略一方面使得病人能夠充分適應(yīng)ESWL的過(guò)程，另一方面可以減少腎損害[26]。Lambert等[27]研究得出，相較于固定能量，遞進(jìn)式的能量能降低術(shù)后尿液分析中β2微球蛋白和微量白蛋白的水平，證明遞進(jìn)式的能量形式可以對(duì)腎臟損傷起到保護(hù)作用。Skuginna等[28]也認(rèn)為步進(jìn)式碎石可降低腎血腫的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保持良好的碎石效果[29]。然而步進(jìn)式碎石是否對(duì)于結(jié)石清除率具有提升效果尚無(wú)明確結(jié)論[26]。體外研究認(rèn)為步進(jìn)式碎石可以產(chǎn)生更高的平均粉碎效率[30]，Lambert等[27]進(jìn)行的小型的前瞻性隨機(jī)試驗(yàn)(n=45)也表明步進(jìn)式治療策略有更好的結(jié)石粉碎效果。然而，Honey等[31]通過(guò)隨機(jī)對(duì)照研究認(rèn)為步進(jìn)式碎石策略可能不能提供更好的碎石效果(n=160)。步進(jìn)式碎石是否能增加碎石效率的結(jié)論可能需要進(jìn)一步大型前瞻性研究和薈萃分析結(jié)果。

三、結(jié)石定位

結(jié)石的定位是ESWL成功與否的關(guān)鍵，當(dāng)前主要依賴于超聲和熒光透視技術(shù)進(jìn)行結(jié)石定位。超聲定位成本較低，不產(chǎn)生輻射影響，但其精確程度依賴于操作者的熟練程度，同時(shí)在對(duì)結(jié)石大小進(jìn)行判斷時(shí)的準(zhǔn)確度不如熒光成像技術(shù)。相較之下，臨床醫(yī)生對(duì)于熒光成像更為熟悉，但其造成的電離輻射影響限制了其在兒科病人和孕婦病人中的應(yīng)用[32]。Abid等[33]的對(duì)照研究表明，聯(lián)合超聲和熒光透視技術(shù)可以顯著降低ESWL過(guò)程中病人暴露于輻射的時(shí)間和劑量，提高治療結(jié)石的療效。近年來(lái)已有很多研究探索提高超聲精確性的方法。有研究利用多普勒超聲閃爍偽影將結(jié)石與其他回聲結(jié)構(gòu)區(qū)分開(kāi)來(lái)[34]。此外也有文獻(xiàn)報(bào)道，利用超低劑量、低劑量的CT可以在達(dá)到和標(biāo)準(zhǔn)CT相當(dāng)?shù)奶禺愋院兔舾行缘耐瑫r(shí)減少病人承受的輻射劑量[35]。

當(dāng)前大量的工作致力于將人工智能及影像組學(xué)與結(jié)石的定位相結(jié)合。Singla等[36]提出了一種視網(wǎng)膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以改善ESWL治療期間的結(jié)石靶向性像。Sarica等[37]開(kāi)發(fā)了專門(mén)設(shè)計(jì)的成像設(shè)備能在ESWL術(shù)前通過(guò)高質(zhì)量圖像對(duì)結(jié)石進(jìn)行識(shí)別和定位，并有助于更有效地進(jìn)行碎石治療。Racine等[38]開(kāi)發(fā)了一種基于CT影像的新型深度學(xué)習(xí)圖像重建的方式，并證明其可以在較低輻射劑量水平提高腹部疾病的空間分辨率。新型探測(cè)方式及學(xué)科交叉的發(fā)展將會(huì)大幅度提高結(jié)石診斷和定位的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提高ESWL的成功率。

四、耦合

成功的耦合同樣是ESWL能夠成功的重要因素[21]。二代和第三代碎石機(jī)的碎石效率不如第一代碎石機(jī)的原因被歸因?yàn)橐淮槭瘷C(jī)將病人和碎石機(jī)頭部浸入水浴中，為聲能傳輸提供了極好的媒介，從而提供了良好的耦合[39]。耦合缺陷除了阻斷沖擊波能量的傳輸外，還會(huì)破壞沖擊波的特性，甚至?xí)黾雍罄m(xù)病人腎臟損傷的風(fēng)險(xiǎn)，因此在ESWL過(guò)程中必須小心避免氣泡進(jìn)入沖擊波發(fā)生器和病人之間形成脫耦[40]。近年來(lái)如何改善耦合狀態(tài)同樣是對(duì)ESWL的研究重點(diǎn)。

對(duì)耦合劑的體外對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，不同的耦合劑實(shí)現(xiàn)結(jié)石破碎所需的沖擊次數(shù)差別很大，其中水溶性潤(rùn)滑凝膠所需沖擊次數(shù)最少，而凡士林所需沖擊次數(shù)最多[41]。一種新型耦合介質(zhì)，隔離耦合墊(“icPad”)被報(bào)道可以在ESWL過(guò)程中減少產(chǎn)生的氣泡和沖擊波次數(shù)，并能提高結(jié)石清除效率[42]。此外，對(duì)于耦合狀態(tài)的有效檢測(cè)同樣可以改善耦合狀態(tài)。據(jù)Bohris等[43]報(bào)道，于ESWL過(guò)程中用監(jiān)控?cái)z像機(jī)監(jiān)測(cè)耦合狀態(tài)有利于實(shí)現(xiàn)良好的耦合。Lv等[45]的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)表明了光耦合監(jiān)控設(shè)備可以優(yōu)化ESWL治療結(jié)果，并降低ESWL引起的不良反應(yīng)的發(fā)生率。這些發(fā)現(xiàn)表明，改進(jìn)耦合劑，耦合方式和合理監(jiān)測(cè)偶聯(lián)缺陷可能會(huì)改善ESWL效果。

展 望

歷經(jīng)了40年的實(shí)踐，ESWL證明了其有效性和安全性。作為當(dāng)前唯一的真正非侵入性的治療尿路結(jié)石的方法，ESWL將隨著碎石術(shù)相關(guān)的理論和技術(shù)的進(jìn)一步更新發(fā)展，具有更廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值和光明的前景。