体外冲击波在骨科中的应用

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1、体外冲击波在骨科中的应用自1980年临床首次应用体外冲击波碎石术（ESWL）治疗肾结石以来，体外冲击波（ESW） 作为一种微创治疗手段，在临床上得到了越来越广泛的应用。如今，ESWL术不仅使泌尿系 结石手术率下降到不超过5%,而且已应用于其它部位结石的治疗，如胆囊结石、胆总管结 石、胰管及唾液腺结石等。而最令人鼓舞的是ESW在骨科中的应用，ESW对骨不愈、网球 肘、肩周炎、跟骨痛等疾病的有效治疗使其在临床应用上的价值甚至超过了碎石术X2。一、冲击波的物理性质：冲击波的本质是声波的一种，所以具有声波的一般性质，当其在具有相同声阻抗的组织 中传播时，能量不衰减。冲击波在介质中的传播可以理解为压力的

2、张弛在三维方向上的扩散， 且波峰的到来伴随着压力的骤然升高。压力的张弛又引起了介质局部密度的变化，所以冲击 波的传播也可以理解为介质在传播方向上的不断压缩与松弛。在两种介质的交界面，冲击波 也会产生反射、折射及散射等现象，从而使能量衰减，能量衰减的多少同所通过的介质有关。 冲击波具有如下物理特性：波峰压力最高可大于100Mpa （500bar），一般情况下为508 OMpa,升压速度极快（10 ns）,波谷压力为负（V 10 Mpa），波长极短（10ps）, 频率范围较宽，一般在16Hz20MHz。1,2有三种方法可以产生冲击波：液电、电磁和压电。这三种技术都可以将电能转化为机械 能。液电冲击

3、波是最早用于医学的冲击波，它的产生原理类似于汽车火花塞的放电，高压电 容通过两个相对的电极在水中放电，所产生的热量使周围的水在瞬间蒸发生成气泡，气泡的 急速膨胀和随后的破裂所产生的脉冲就形成了冲击波。将放电电极置于椭圆的第一焦点（F 1）,通过椭圆反射体，可以将冲击波能量聚焦于椭圆的第二焦点（F2）上，临床中将结石 或所要治疗的部位置于F2即可。电磁冲击波的产生需要一个电磁线圈和一个金属膜，脉冲 电流使电磁线圈产生交变磁场，作用于金属膜使其产生往复震动，所产生的冲击波则通过一 个声透镜聚焦。压电冲击波的产生依赖于压电效应，压电陶瓷在电场的作用下自身会膨胀， 节律性的电场作用使压电陶瓷不断膨胀和

4、缩小，大量（一般1000片）压电陶瓷片被预置 于球体的内表面，所产生的冲击波即自动聚焦于焦点。1,2冲击波对组织及结石的作用主要由两部分组成，直接作用及间接作用。直接作用即冲击 波的压力直接产生的作用，间接作用则是由于冲击波的空化效应产生的。不同组织的声阻 抗不同，冲击波在声阻抗相近的组织中传播时，其能量衰减很小，而当其遇到声阻抗相差很 大的组织时，在两种组织的界面上会释放能量，产生压力和拉力，从而可以击碎较硬的物体。 空化效应”是指在外力作用下，使存在于液体或组织中的气体（溶于液体中）重新回到其气 体状态的现象。冲击波波谷的负压在水中（或液体中）可以产生拉力，从而产生气泡，所形 成的气泡携带

5、着巨大的能量，当气泡破裂时这些能量就被释放出来，对组织或结石产生作用 3,4,5。在体外震波碎石术（ESWL）中，直接的压力及空化效应在击碎结石的过程当中有 协同作用，都很重要，如果去掉空化效应，则碎石效果大大降低4,6,7。二、冲击波在医疗中应用的历史：冲击波对人体组织作用的最早报道源于二战时期，当时人们发现深水炸弹可以造成远离 爆炸中心的战士死亡，尽管死者外表无任何伤痕，但解剖后发现死者的肺组织受到了严重损 害。随后，在二十世纪五十年代，开始了对冲击波的系统研究，发现液电冲击波可以击碎水 中的陶瓷，第一台液电冲击波发生器于此时在美国申请了专利。五十年代末，冲击波的物理 特性得到广泛研究。1

6、9661971年，德国开始研究冲击波对动物组织的作用，研究发现， 冲击波在经过肌肉、脂肪及结缔组织时几乎不产生损害，完整的骨组织在冲击波的作用下也 无受损迹象，冲击波传播的最佳媒介物是水或与人体组织声阻抗相近的凝胶，冲击波对肺、 脑及腹部器官的作用也得到研究。此次研究导致用体外冲击波治疗肾结石的设想。1971年， Haeusler和Kiefer首次进行了冲击波碎石的体外实验。1980年，进行了世界上首例人体肾 结石的体外碎石治疗。1986年，首次进行了冲击波对伤口愈合影响的观察，结果发现低能量的冲击波可以促进 伤口愈合，而高能量的冲击波则延缓伤口愈合。这次实验导致了冲击波能否促进骨折愈合的 猜

7、想3,7。在此之前，人们已经作了大量研究来寻找促进骨折愈合的方法，发现电刺激、电 磁场、直流电、压电效应及低强度脉冲超声等对骨折愈合有促进作用，但没有一种方法在临 床中得到广泛应用。1986年，Haupt首次进行了冲击波治疗骨不愈的动物实验，结果发现 冲击波可以促进骨折愈合。1988年，Haupt首次成功地将冲击波用于骨不愈病人的治疗， 并申请了专利(US pate nt No. M 1139,1989)。此后，广泛开展了用冲击波对骨折不愈合 及延迟愈合病人的治疗。用冲击波治疗骨科慢性疼痛性疾病的想法首先起源于肩部钙化性肌腱炎(calcifying te ndinitis)。最初的想法是用冲击

8、波将钙化斑击碎有可能使疼痛缓解及活动障碍减轻。1990 年，第一次报道了用冲击波治疗肩部钙化性肌腱炎，治疗的成功使人们想到将冲击波用于其 它慢性疼痛性疾病的治疗，随后出现了用冲击波治疗网球肘(tennis elbow)、跟痛症(pa inful heel syndrome)的报道。由于碎石机是为治疗泌尿系结石而设计，所以在治疗骨科疾 病时存在许多缺点，有鉴于此,1993年诞生了第一台专为治疗骨科疾病的体外冲击波发生器 (OssaTron,瑞士)8。目前，冲击波治疗骨骼肌肉疾病在欧洲及中国台湾都得到了广泛应 用，并成立了国际冲击波治疗骨骼肌肉疾病协会(International Society

9、For Musculoskele tal Shockwave Therapy，ISMST)。三、冲击波治疗骨科疾病的方法：因为开始没有专用于骨科的冲击波治疗机，所以都是用碎石机来作研究或治疗，由于所 用的碎石机型号不同，其输出能量及能量的表达方式也不同(如kV, bar，mj/mm2)，而 每位学者在治疗时所采用的具体能量和脉冲数也各有差异，并且所用的实验动物也不同，所 以造成研究结果之间比较混乱，没有可比性。早期的观点认为低能的冲击波主要用于疼痛性 疾病，而中高能的冲击波可以诱导骨形成。Rompe等试图将能量分为高、中、低三个等 级，根据他们的标准，第二焦点的能量密度为0.080.28 mj

10、/mm2时为低能量，0.280. 6 mj/mm2时为中能量，0.6 mj/mm2时为高能量。Seil则将0.040.12 mj/mm2定为低 能量，0.12以上为高能量。Loew将低于0.12 mj/mm2的称为低能量冲击波，将0.20.4 mj/mm2的称为高能量冲击波。而能量高低的具体界定目前仍无定论3,9。文献中所采用治疗骨不愈的能量范围很广，从1428kV及0.240 mj/mmz不等，冲 击波脉冲数从100012000次不等，Kazuo Ikeda应用新型ESW治疗机可以产生较普通碎 石机高36倍的能量，冲击波击发数仅为100800次，产生了较好的临床效果。所以采 用较高能量治疗骨

11、不愈似乎是个趋势，但由于在治疗中会产生难以忍受的疼痛，所以需要麻 醉10。而18kV以下的能量病人能够很好耐受，不需麻醉是其优点9。研究表明，冲击波对 于肥大型骨不连治疗效果较好，而对于萎缩型骨不连效果差，说明骨折局部的血运好坏对冲 击波治疗成功与否至关重要。而骨折间隙大于5mm的治疗效果也差，所以选择病例时一般 要求骨折间隙不能太宽。一般冲击波治疗一次即可，大多数资料显示冲击波治疗后会在3 个月内产生效果，所以如果3个月后仍无效果，则可以再进行一次治疗9,10,11。对于骨科疼痛性疾病，一般将冲击波的焦点定于痛点部位进行治疗，所采用的能量相对 较低，一般为1418 kV及0.20.6 mj/

12、mm2不等，冲击波脉冲数10003200次不等， 治疗13次，间隔时间一般为1周。129由于在声阻抗不同的两种介质的交界面，冲击波会产生反射、折射及散射等现象，从而 使能量衰减，能量衰减的多少同所通过的介质有关，在空气中能量衰减最大，是水中的10 00倍。所以在水囊与皮肤的交界面，需涂抹超声用凝胶来避免皮肤损伤，否则容易产生皮 肤瘀斑。由于肺组织（含气）对冲击波高度敏感，所以肋骨疾病不能用冲击波治疗，而且治 疗焦点靠近肺组织时，需用挡板保护肺组织免受损害。肠道中也含气体，冲击波需通过肠管 时，最好用导泄剂将肠管排空。在治疗中，冲击波还需避开大的血管神经及内固定物（如钢 板），但髓内针不会对治疗

13、造成影响。3冲击波治疗的禁忌症有：（1）血友病及凝血障碍性疾病；（2）心脏支架或心瓣膜置换 术后病人；（3 ）严重心律失常；（4）急性感染；（5）怀孕；（6）下列组织位于治疗范 围内也属禁忌：肺、脑或脊髓、骺板、恶性肿瘤。3,10四、冲击波治疗骨科疾病的疗效：首先明确一下骨不愈的概念和治疗现状。临床上一般将大于6个月仍缺乏愈合迹象的骨 折定义为骨折不愈合，发生率为0.510%13,20。手术行内固定或外固定加植骨仍是目前治 疗骨不愈的金标准，成功率8694%7,20。体外冲击波作为一种微创治疗手段，正逐渐成 为治疗骨不愈的首选方法，成功率6090%o 3,101991年，Valchanou报道

14、用液电冲击波对活体兔股骨作用，可以造成骨折伴细小的骨碎片 （0.13mm）及局部血肿；对离体人骨作用可以产生无数骨碎片及微小裂隙。随后对79 例骨折延迟愈合及骨不愈的病人实施ESW治疗（10004000shock, 10001700bar）, 治愈率85.4%o 1992年，Haupt等用冲击波作用于大鼠肱骨骨折部位，结果显示同对照组 相比，冲击波治疗组可以明显加快骨折愈合过程。Wang等8作了用冲击波（2028kV,10 006000shocks）治疗骨不愈的前瞻性研究，治疗72例长骨骨不愈病人，发现骨折愈合率 在治疗后3个月、6个月、12个月时分别为40%、60.9%和 80%。Rompe

15、等囚用冲击波（0.6 mj/mm2,3000shocks）治疗43例骨不愈患者，平均4个月（27个月）后，治愈率 为72%o Schaden10报道用冲击波（2028kV,100012000shocks）治疗155例骨折延迟 愈合及骨不愈病人，随访3月4年，治愈率75.7%,所以他建议把冲击波作为治疗骨不愈 的首选方法。跟痛症最常见的病因是足底筋膜炎(plantar fasciitis)，足底筋膜位于足底皮下脂肪组 织深面，张于跟骨与脚趾之间以维持足弓。长期的炎症可以导致于跟骨附着处出现骨刺，但 骨刺可能并不是疼痛的原因。跟痛症最典型的症状是起床后患足着地后疼痛及行走后加重, 有时疼痛持续一整

16、天。尽管疼痛有可能自行缓解，但大多数病人因不能忍受而寻求医疗帮助。 保守治疗方法包括理疗、夜间夹板固定、非类固醇抗炎药、局部类固醇注射、穿特制的鞋等， 保守治疗无效时可以手术治疗行筋膜松解12,13。文献报道ESW治疗跟痛症的成功率从34 88%不等3,12,13,这可能与使用的碎石机型号各异、治疗参数各不相同以及效果评价标准不 一有关。Ogden等w在FDA的支持下第一次用随机、对照、双盲的方法进行了 ESW治疗 跟痛症的前瞻性研究，使用OssaTron体外冲击波发生器治疗320例病人(病史6月18 年)，3个月后治疗组成功率比对照组高出56%，由此跟痛症成为第一个被FDA批准用冲 击波治疗

17、的骨科疾病3。网球肘在一般人群中的发病率约为0.4%，而在网球运动员中则发病率超过50%。冲击 波治疗网球肘的成功率为4873%3,14,18。2002年和2003年，FDA分别批准了用低能和 高能冲击波发生器治疗网球肘18。冲击波治疗钙化性肌腱炎的成功率4770%3,15,16，有望成为FDA随后批准用冲击波治 疗的骨科疾病。由于疼痛是一种主观感觉，所以评价疼痛性疾病的疗效至今仍缺乏客观标准，目前临床 上主要采用各种主观评分法，如视觉模拟评定法(visual analog scale,VAS)、疼痛100分 评价系统(A 100-point scoring system)、RAND36 条健

18、康量表(The Rand 36-Item Heal th Survey)及 Roles-Maudsley 评级法(The Roles and Maudsley scale)等12,18。一些学者试图通过影像学手段来观察疗效。正常足底筋膜的厚度应4mm，足底筋膜炎 的影像学表现包括足底筋膜增厚、局部软组织及筋膜周围组织水肿、跟骨骨髓水肿及跟骨骨 刺等。Zhu等19用核磁观察了冲击波治疗足底筋膜炎的短期效果，发现在冲击波治疗后24 小时内，最明显的变化是原有的局部软组织及筋膜周围组织水肿程度加重及范围扩大，而足 底筋膜的厚度及信号强度并没有太大改变，跟骨骨髓水肿及跟骨骨刺在治疗后也没有太大变 化。

19、Hammer等17用B超对冲击波治疗足底筋膜炎的效果作了较长期观察，发现6个月后 足底筋膜的厚度较治疗前明显减小，而且足底筋膜厚度的减小程度与患者疼痛减轻及行走改 善的程度成正相关。五、冲击波治疗骨科疾病的机理：早期的研究表明，冲击波促进骨愈合主要靠其直接的机械作用。人体几种组织的声阻抗 如下：水1.53，脂肪1.38，肌肉1.70,骨7.80。而泌尿系结石的声阻抗为6.25(105kg/m2 s)。骨组织的声阻抗类似于泌尿系结石，而于软组织的声阻抗相差很大。实验研究表明ES W对骨组织直接作用可以造成骨膜下出血，产生微骨裂、微骨折和大量细小的骨碎片(0.1 3.0mm3),并有血肿形成一一即

20、造成一种新鲜骨折。这些反应可以刺激骨痂形成，促进骨折 愈合11,22。冲击波对骨膜的作用主要由冲击波经过骨皮质时产生的反射波引起16。有实验观察到，冲击波作用于髂骨，可以引起局部的骨细胞坏死及随后的成骨细胞增殖。 空化效应可能是细胞损伤的原因，空化效应可以产生自由基破坏细胞的抗氧化防御系 统。细胞因子在骨折愈合过程中有重要作用。骨形态发生蛋白bone morphogenetic protei ns,BMP)在骨骼发育及骨折愈合过程中扮演重要角色，2003年Wang等23报道冲击波可以 刺激骨折部位成骨及成软骨的前体细胞增殖和分化，促进BMP-2, BMP-3，BMP-4及BMP- 7在前体细胞

21、、未成熟软骨细胞及成骨细胞中的表达，从而增加骨痂形成和促进骨折愈合。 高能冲击波产生新的骨折血肿还带来大量的细胞因子，其中包括:BMP、TGFp、胰岛素样生 长因子(IGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板衍生生长因子(PDGF)等。它们对细胞增殖 与分化及新骨的形成都有诱导和调节作用。然而，冲击波促进骨愈合的机理还远未完全阐明。 冲击波治疗骨科疼痛性疾病的机理尚未阐明，有学者认为冲击波治疗跟痛症、网球肘等疾病 的机理在于冲击波刺激或重新启动了受累肌腱、韧带及其周围组织的愈合过程，通过对局部 病变组织的作用，使其血供增加，带来新的生长因子及合适的干细胞诱导生成更为正常的组 织Ml。由于筋

22、膜、肌腱、韧带等软组织与其所附着骨的声阻抗不同，冲击波还可能通过松 解组织粘连而起到治疗作用。也有学者认为冲击波止痛的机理可能是过度刺激止痛，类似于 经皮神经肌肉刺激。最初的止痛效果可能来自细胞膜通透性的改变或增加，突触膜散失了产 生动作电位从而激发疼痛反应信号的能力。12,13,24六、冲击波治疗的副作用：在用冲击波治疗骨科疾病的过程中，一个让医师关心并且非常重要的问题是冲击波是否 会造成周围组织损伤，尤其是血管神经损伤。尽管最初的研究显示冲击波对器官和组织未造成损伤，但随后的动物实验和临床应用表 明冲击波可引起各种急性和慢性并发症25,26。在肾结石的治疗中，10%的病人会出现皮肤 瘀斑及

23、破损。很明显，肺组织是最易受到冲击波损伤的组织，10 MPa压力即可引起肺泡 内出血，所以在冲击波治疗中，肺组织总是很好地被保护起来。1990年，Delius用80 MP a -1500shock的冲击波作用于小猪的肝脏和肾脏，发现可产生广泛的包膜下瘀斑，但实质 改变局限在焦点区域。肾实质内有弥漫性的出血及血肿，镜下可见与之相关联的小静脉及毛 细血管破裂；在肝实质内，仅见散在点状出血，有小静脉血栓形成。McCullough发现用冲 击波以20kV-1500shock作用于小鼠卵巢，将会产生镜下出血及血管增生；Yeaman观察到 冲击波作用于未成年小鼠的胫骨，将会在生长板上造成缺损从而影响长骨生

24、长。研究表明, 冲击波对软组织的损伤主要是血管损伤，而且一般是小血管及毛细血管损伤20,25。Schellin g等发现冲击波可以像电刺激一样使蛙坐骨神经产生动作电位，他们同时也发现冲击波并不 能直接刺激神经，而冲击波引起的空化效应可能才是刺激因子，神经刺激可能也是临床治 疗中引起疼痛的一个因素。冲击波似乎还可以引起轴突内容物扭曲，使细胞膜张力增加，从 而导致细胞膜通透性增加和去极化，使其机械敏感性增强。Dahmen等报道了用冲击波治 疗背痛的效果，这是冲击波用于脊柱疾病治疗的唯一报道，由于冲击波对大神经及脊髓的影 响还不清楚，所以到目前为止，冲击波用于脊柱方面的治疗仍属禁忌3。冲击波产生的两

25、种作用可以造成组织损伤：剪切应力和空化效应25。剪切应力是冲击 波在两种介质交界面的散射引起的，而冲击波对人体组织的副作用主要由空化效应引起。 研究表明，冲击波主要引起血管损伤，而且主要是小血管及毛细血管损伤。2001年，Zho ng等25报道用不同管径的人造血管置于冲击波第二焦点，血管内不停流动造影剂，结果发 现，冲击波因空化效应在血管内产生的气泡是血管损伤的主要原因。在不受限的情况下， 冲击波产生的气泡一般能膨胀到2mm,在小血管及毛细血管中，气泡膨胀可以引起血管壁 局部瞬间膨胀甚至破裂。在大的血管中，气泡破裂后产生的高压微水流同样可以造成血管受 损20。研究表明，冲击波能量越高（产生的气泡越大），血管管径越小，血管损伤的可能 性越大。20,25七、结论：总之，体外冲击波已成为治疗骨不愈及骨科慢性疼痛性疾病的重要手段，冲击波在骨科 的应用价值甚至超过了它在碎石术中的价值。目前，FDA已批准冲击波用于跟痛症及网球肘 的治疗，随着研究的深入及临床效果的证实，冲击波在骨不愈及其它骨科方面的应用也将得 到批准27。冲击波治疗股骨头坏死已进入实验阶段，并显示了较好的疗效28。冲击波还被 考虑用于人工关节的翻修，可以作用于骨水泥和骨髓腔的接触面,利于骨水泥和假体的取出。29