泌界最颠覆性的技术创新：冲击波碎石技术发展简史（之三）
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作者：医学镜界
孙西钊南京孙西钊教授结石理化分析
第三节 冲击波碎石的体外和体内生物学早期实验
1974至1978年间，重点研究了聚焦冲击波对生物组织的作用。
一、冲击波生物学效应的早期研究
不难想象，既然冲击波能够击碎结石，那么也必然会给人体组织带来负面的生物学效应。在实验研究之初，冲击波对生物组织的损伤就备受关注。为此，外科研究所设计了一系列生物学实验模型。随着各种冲击波碎石实验机的推出，也用之进行了大量的体外和体内的生物学实验研究，观察和记录了特定生物组织和器官对高能冲击波的病理反应。当时的主要实验结果和观点如下。
1.由于肾脏的血流非常丰富，每5min流经肾脏的血液相当于全身的循环血量，因此，当冲击波冲击肾脏时，就必须考虑冲击波对红细胞的影响。将标准体积为10ml犬血液置于焦区，以20kV多达4次冲击波的冲击，随着冲击波数的增加，血清血红蛋白浓度达到400mg/100ml。进一步的实验表明，用冲击波反复冲击新鲜血液标本，可引起轻度溶血效应，并与冲击次数呈线性相关，但与动物的总体积相比，增加似乎并不相关。后来对一只犬的肾脏给予了20倍的冲击波，也没有发现血清血红蛋白浓度的升高。在活体动物实验中不出现溶血现象，可能是因为循环在冲击波焦区内的血量要比全身血量少得多，其影响不容易察觉。
2.混合淋巴细胞培养液是观测细胞增殖反应极为敏感的系统。冲击前后与对照组相比，淋巴细胞的数目无变化，有丝分裂无明显受到抑制，亦无细胞溶解，说明冲击波对细胞增殖过程没有影响。
3.肺是含气的实质性脏器，而且毗邻肾脏，因而冲击波对肺的损伤颇受重视。为此，在前西德政府专项资助下，Brendel教授系统地研究了冲击波压力和冲击波波形对肺组织损伤的病理变化。当以20kV的1次冲击波冲击鼠的胸部后，即可出现肺的严重损伤，所有的鼠都死于大量咯血。
/病理学检查表明，在鼠的肺部，大量的血管和肺泡膜破裂，因为冲击波焦区的压力最大，所以该处的损伤较重；而焦区之外的肺组织因冲击波压力小，损伤较轻。损伤机制是因空气/生物组织界面两侧的声阻抗差异很大，冲击波在界面处发生相转变而产生张力波，当其强度超过肺泡的抗张强度时，肺泡膜就会发生破裂，导致肺组织损伤。若事先用3mm厚的泡沫聚苯乙烯遮盖胸部，就可以避免冲击波引起的损伤。
4.在冲击波碎石时，除了肾脏本身外，冲击波径路上的一些其它器官和组织也会罹受冲击波的影响。于是，在生物学实验之初，便用冲击波对彻底脱毛的活鼠腹部进行了20kV的10次冲击。结果受试鼠全都存活，而且无任何临床受损表现。
在冲击之后的24h和14d，从肝、肾、肠和脊柱上采样所做的经肉眼和微观病理检查，均未发现明显创伤致病的证据（表1-1）。后来又将鼠体剖腹后，用2次冲击波分别冲击肝和结肠，肉眼可见肝面有出血点，结肠系膜边缘有广泛而散在的出血点，结肠壁无损伤；复位14天后的微观病理学检查亦未发现明显的形态学异常。
表1-1 非聚焦冲击波体内动物实验结果
10次冲击波
临床
表现
病理改变
(24h后)
病理改变
(14d后)
肉眼
改变
镜下改变
肉眼
改变
镜下改变
胸腔(n=20)
大量咯血
+++
+++
--
--
聚苯乙烯泡沫防护(n=20)
无
∅
∅
∅
∅
腹腔(n=20)
无
∅
∅
∅
∅
肝(n=20)
无
(+)
(+)
∅
∅
结肠
无
(+)
(+)
∅
∅
二、冲击波碎石的体内实验
为了解冲击波粉碎体内结石的真实状态，必须建立一个近似于人体肾结石的动物模型。而动物很少发生肾结石。起初，曾试用饮食喂养法诱发犬肾结石，但这一方法费时费力，而且会导致代谢性肾功损害。研究者也曾将丙烯酸乙酯液体树脂注入肾盏中，使其在体温和尿液的影响下逐渐硬化，生成结石，但由于这些人造石不具有天然肾结石的物理特性，所以不可能将其破坏变成小碎片。因此，研究者决定将手术取出的人肾结石直接植入犬的肾集尿系统中，但由于犬的肾盂和人类肾结石之间的大小差异，以及与术后并发症有关的手术难度，这一方法并未成功。
后来，Chaussy发明了一种肾结石犬模型。他采用手术方法，先结扎输尿管，使输尿管扩张肾盂积水后，再植入了直径1~2cm的人肾结石，然后将输尿管重新植入膀胱。手术后8天，通过造影检查肾脏的排泄功能和结石的位置，发现这些措施不会引起肾脏集尿系统管道的变化。至此，可重复动物模型成功建立，从而为实现酷似临床效果的冲击波碎石试验创造了较为理想的条件。
由于当时超声波定位结石仍然困难，在这一系列实验中，只有个别动物中发现了裂开的结石，尽管如此，这个别裂开的结石却使一度打算停止资助的项目发起人看到希望，证明体外冲击波碎石应该是可行的，项目得以继续得到资助。
在1976年至1977年间，随着X线定位实验机的成功研发，研究人员对17只植入肾结石犬进行了大量的定位实验和碎石实验。通过自然排石，13只犬的肾结石消失。其中11只犬1期治疗达到无石状态。另三只犬在14d后接受2期治疗，14d后，其中两只犬肾结石消失。最后4只犬未能达到无石状态。在冲击波实验前，1周和2周后，从每只动物中取血样用于实验室测试，没有一个测试参数有显著异常。为了评估可能的冲击波对肾脏功能的影响，用99mTc-DMSA在冲击波实验之前，之后4d和14d对六只犬进行同位素研究，也没有发现冲击波引起的损伤。
初步结论如下。
1.非接触方式的聚焦冲击波有可能粉碎体内的肾结石。也许从本实验中所学到的最有价值的一课不仅仅是结石可被冲击波粉碎，同时还发现这些结石颗粒能够自行排出。
2.无论是用冲击波直接接触方式，或用非接触方式粉碎肾结石，都不会损伤肾及其周围器官。
3.用峰压高达200～300MPa的高能冲击波冲击犬体内的肾结石后，并非所有的碎石残片大小都能达到随尿排出的程度。
4. A型和B型超声波定位虽能观测到肾轮廓和肾集尿系统，但对结石的分辨率不高，因而不能用作水下定位。
在前后历时8年的基础实验研究中，医科与理工科的合作是卓有成效的。最终结论是：①具有适度峰值的体外冲击波碎石设备的研制已告成功；②冲击波对生物组织没有明显的损伤；③非接触式体外冲击波碎石是可以实现的；④X线定位能够满足精确定位的要求。鉴于以上结论，对于临床应用，体外冲击波碎石术是可行的。这些研究成果先后发表在各种刊物中，合作小组成员也为此荣获了1976年度Alken奖。
本文选自即将出版的《冲击波碎石原理与应用》
未完待续，请看下篇
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