具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機技術開發(III)－子計畫四：水電式碎石機中空蝕氣泡引發組織傷害之研究

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(1)行政院國家科學委員會補助專題研究計畫. ■ 成果報告 □期中. 進度報告具有結石追蹤系統之新型體外震波碎石機技術開發(III) －子計畫四：水電式碎石機中空蝕氣泡引發組織傷害之研究計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫計畫編號：NSC 91－ 2213 － E － 006 － 106 －執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日計畫主持人：尤芳忞共同主持人：計畫參與人員：. 成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告. □完整報告. 本成果報告包括以下應繳交之附件： □赴國外出差或研習心得報告一份 □赴大陸地區出差或研習心得報告一份 □出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份 □國際合作研究計畫國外研究報告書一份. 處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢 ■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢執行單位：國立成功大學航空太空工程學系.

(2) 中. 華. 民. 國. 92. 年. 09. 1. 月. 日.

(3) 一、中文摘要本研究承續前一年計畫探討水電式體外震波碎石機之相關特性，主要研究體外震波碎石術在不同放電介質特性下聚焦震波對於組織傷害之影響。期望能藉由改變傳遞震波介質與凹杯反射面的條件下，以探討體外震波碎石術對於結石分解與組織傷害的影響，並尋求減低組織傷害的治療方式，作為體外震波碎石術性能改進的依據之一。由於聚焦震波所產生之張力波為組織傷害之主要原因，因此如何減低張力波成為本研究之重點。本研究中發現，在不同介質方面，添加了降低表面張力之介質，使其值比原來之傳遞介質(真空除氣水) 小的添加劑，以及添加使其黏度比原來傳遞介質(真空除氣水)高的添加物，的確有助於張力強度的減小，而且其正壓力與張力的比率值會有提昇的趨勢，此外添加食? 以增加導電度也會減低水電式碎石機的張力強度。在改變反射凹面之研究中，當反射震杯上覆蓋聚氨甲酸乙酯(pu)時，震波反射型態會改變，一部份由原反射震杯所反射，一部份由 pu 所吸收儲存能量後釋放，形成兩個聚焦波的波前，研究中發現此種狀況對於結石之粉碎有很好的幫助。而且在張力波強度的減弱方面，由於 pu 具有吸收張力波強度的功能，因而可減少組織傷害，且水電式碎石機所能夠利用的能量因此也增加。關鍵詞：專題計畫、報告格式、國科會 Abstract In this study, it is expected that with the change on the characteristics of discharge medium the mechanism on tissue damage can be relieved and the performance of extracorporeal shock wave lithotripsy(ESWL) can be improved. With the study on the tissue damage under various characteristics of discharge media, it has been observed that with the increasing on the medium’s viscousity as well as the electric conductivity both can reduce the tensile stress and can increase the positive pressure to tensile stress ratio. With a layer of polyurethane(pu) on the surface of the rigid reflector, the characteristics of the reflection shock wave on the reflector have been changed. Hence, there exist two shock waves across the focusing region. The first focusing shock wave was reflected from the surface of rigid reflector, and the second shock wave was reflected from the polyurethane coated surface named as a pressure-released reflector surface. The tensile stress was decreased, as the stress been absorbed by the polyurethane material. However, no much change been down on the positive pressure. Therefore, with the polyurethane coated reflector, it can ease the tissue damage. The double pulse shock waves which can disintegrate kidney stone more efficiency also. 一、簡介體外震波碎石機(ESWL)之應用原理主要是利用橢圓有兩個焦點的特性，再加上 1970 年 Häusler 與 Kiefer[1]兩人於臨床實驗中發現水中壓力脈衝可擊碎腎臟結石，因此，以往必須藉由外科手術來分解腎結石的方式，已經可以被此方法所取代。由水中爆炸(underwater explosion)產生震波的原理，我們將電極置於橢圓之第一焦點，經由高壓放電使得電極間隙周圍的水急速蒸發，而使水蒸氣的體積急速膨脹，因而產生爆震波。此爆震波在膨脹的過程中經由橢圓反射體的反射而聚焦於橢圓的第二焦點(也就是人體結石的所在位置)，形成一個高壓區域，這就是擊碎結石之能量來源。由於 ESWL 的問世，使得傳統上對腎結石(renal calculi)之治療起了很大的變革。然而，對不同病人之腎結石，其化學成份與結構特性各不相同，以至於影響了 ESWL 當中震波與結石之間交互作用之特性，而使得結石粉碎之效果顯著的不同。為了深一層了解腎結石粉碎之機制，對於腎結石之基本特性、成份與結構是有必要認知的。腎結石之成份 80%主要是草酸鈣(calcium oxalate, CaOx)晶體，此晶體由纖維狀結構的 2.

(4) mucinous organic matrix 接著而成結石，其上並有許多的氣孔(pores)，這些草酸鈣晶體的大小約為 10~50μm。由於這樣的結構使得腎結石的張力強度(strength of tension)非常的低，而造成其脆裂的程度(failure of order)所須的壓力約為 1Mpa(約 10bar)。而對於震波造成結石粉碎之要素主要是藉由震波對結石所造成之壓縮應力 (compressive stress)來粉碎結石。經由電極連續的放電而使得結石重複的承受壓力波之壓縮與釋放(compression and release)而漸漸的碎裂。其他之因素尚包括了張力(tension)與空蝕現象誘導之應力(cavitation-induced stress)，綜合以上的外力作用，如圖 1 所示結石會產生三種基本的破壞機制(a)壓縮破壞模式(compression mode)，(b)張力破壞模式(tensile mode)，(c)剝離破壞模式(spalling mode)。事實上，因腎結石之複雜的物理和機械結構特性，上述之各種破壞模式對腎結石的粉碎都可能有貢獻。根據文獻[2]的理論，結石分解情形的評估也可以用簡化過的破壞力學原理來預測，但目前國內外各種腎結石性質詳細資料仍有限，若往後各類腎結石的機械、化學相關性質資料齊全，結石分解情形的預測工作則會更加精準。水電式 ESWL 中震波能量的主要來源是水中放電所形成的爆炸波能量，因為爆炸點球型活塞汽泡的特性使得聚焦震波含有壓縮波與張力波兩部分。當聚焦震波作用在腎臟內之結石寄生區時，峰值較大的壓縮波段對於脆性材料如結石之碎裂發揮極大的功用，但對於人體柔軟組織壓縮波能量反而容易被吸收而耗竭，其傷害組織的可能性較低。峰值較小作用時間較長的張力波段作用在柔軟組織時，因組織細胞內或微血管內的溶氧會因負壓的作用產生空蝕現象，當溶氧形成的空蝕氣泡崩裂時產生的微爆震波與微噴流，對於組織的傷害有相當大的影響如文獻[3]所示。根據文獻[4]顯示，經由軟性材質反射凹面所反射聚焦之震波波形如圖 2 所示，與原來之剛性反射凹面之聚焦波形相反如圖 3 所示，且經由軟性材質反射凹面所反射聚焦之震波會抑制空蝕現象之產生。有鑑於此，若能透過改變波傳遞介質以及反射邊界條件做為震波的波形參數(shock parameter ) 的調整，如負壓之振幅 (amplitude)、負壓持續時間(duration of shock pulse)等，則應可以降低 ESWL 技術中空蝕現象對組織的危害問題，本研究改變常用的放電介質-水的部分特性(如表面張力、黏度與導電度)與反射邊界條件(覆蓋上多分子材料-聚氨甲酸乙酯)來調整波形參數，以尋找更安全更有效的治療過程。在組織傷害的觀察方面，由文獻[5]得知果凍凝膠體的聲學特性與腎臟等軟組織相當接近，可用作為實驗假體組織來觀察震波對組織的傷害情形。二、實驗設備、方法與步驟 1. 實驗設備本實驗所使用的設備包括震波碎石機主體(LM 9200 型)、壓力量測系統與資料擷取系統，如設備示意圖 4 所示。本實驗使用國產 LITE-MED 9200 型碎石機設備，此裝置由幾個基本的系統所組成：電腦控制系統，橢圓反射杯，電極，四軸移動平台以及高壓放電設備。該碎石機可提供電壓由 6kV 到 12kV。由於實驗中探討在不同反射凹面中震波聚焦強度，因此在原反射凹面上均勻塗上聚氨甲酸乙酯(pu)，以探討在不同反射凹面下震波聚焦強度。本實驗採用兩種壓力感測器，其中之一為 PCB Piezotronics 公司所生產之電荷式壓力計 (charge mode pressure sensor，型號 118M88)。其動態壓力量測範圍(dynamic range)可達 30,000psi(約 2068bar)，而最大壓力可承受到 100,000psi(約 6895bar)。此壓力計將所量測到之壓力以電荷的形式輸出，經由 PCB Piezotronics 公司所生產之電荷放大器(in-line charge amplifier，型號 422D03)轉換成電壓(volt)輸入至示波器。本實驗使用的第二種壓力感測器為 PVDF 壓電薄膜式探針(Piezoelectric Polymer Polyvinylidene Fluoride) 直徑為 1mm，其型號為 Imotec 80-0.5-4.0，其具有極大之壓力量測範圍(約達 2000bar)與極小之上升時間(約 10ns)，因此其所量測到之值可視為流場中一個點(spot)的壓力值。本實驗使用之資料擷取系統包括惠普公司(Hewlett Packard)所生產之示波器，其型號為 54645A，頻寬 100MHz，最高取樣率為 200MSa/s，記憶體長度 1M 點/頻道及裝有 GPIB 介面卡之個人電腦。用以擷取與及時呈現探針輸出的壓力波形，並將波形資料傳輸至電腦中， 3.

(5) 並以 HP VEE 軟體去做資料的收集及分析。 HP VEE 是一種針對工程測試與量測應用所設計的圖形化程式語言 (Graphical programming language)，由此軟體控制實驗操作的條件並將實驗所得到之資料經過處理後，儲存於電腦當中，以做為實驗結束後之資料處理分析。在改變水的性質上本研究使用真空除氣系統來降低水的溶氧度，再加入其它不同性質之水溶液，並使用德製的手提式溶氧測定器(Pocket Oxygen Meter，Oxi- 330)來判讀水含氧量的多寡，作為水裡面總含氣體量的指標。而在改變水的導電度工作上採用德製的攜帶型導電度計(Conductivity Pocket Meter，Cond 330i)，其導電度量測範圍從 0 S / cm ~500 mS / cm ，鹽度 0.0~70.0 Salinity，比電阻值 0.000~1999 Mcm 。以作為後續研究不同介質之導電度量測依據。 2. 實驗方法實驗進行的過程中，由於許多變數會隨著實驗次數的累積而改變，對於資料的分析上會造成很大的困擾。例如，隨著電極擊發次數的累積會造成電極間距的加大，進而降低了量測的壓力值。因此在實驗過程中，適時的量測電極的間距並做適當的調整，使電極的間距能夠保持在 0.4 mm 的範圍內。另外，對於電極之擊發頻率設定，為了減小量測上的誤差，使焦點的找尋更加精確，因此必須確保每一次擊發時電容都能夠充電完全，所以此時的擊發頻率設定為 1Hz。每當量測完一個位置的平均壓力之後，便將壓力探針以幾何焦點為中心沿著橢圓凹杯的中心軸做上下的移動，以期得到不同位置的平均壓力分佈，進而求得物理焦點的確切位置。在物理焦點的位置確定之後，接下來的實驗，我們將要實驗的裝置(如壓力感測器、凝膠體測試塊等類)，置於物理焦點的位置，調整不同的擊發電壓，進行不同的實驗觀察，再利用訊號擷取系統或照相機紀錄測試的結果，最後再經由電腦軟體來計算比對，以獲得實驗數據。同樣的安排，可以更換碎石機水槽裡的放電介質以及反射凹面，重複上述壓力量測的方法，量測聚焦震波的性質。 2-1. 聚焦點處壓力量測 (1) 將 PVDF 探針固定在 X-Y-Z 三軸移動平台上，並將其沿著橢圓凹杯的中心軸移動至幾何焦點的位置。 (2) 設定擊發電壓為 6KV，電擊起始間距 0.35mm，連續擊發 10 下，以資料擷取系統將壓力探針所量測到的這 10 下壓力波形取其最大正壓平均，以及負壓力平均值。 (3) 分別設定擊發電壓為 6KV、7KV、8KV、9KV、10KV、11KV，並重複以上的步驟。 (4) 使用真空除氣水、乙二醇水溶液(體積百分率 3%)、丙二醇水溶液(體積百分率 3%與 6%)，以及真空除氣水加上食用鹽做為介質，以測定在不同導電度下，聚焦點處之正壓力與張力，並重複以上所有的步驟 (5) 為了使電容能夠充電較完全，以提升放電的效率，整個實驗過程中均將電極的擊發頻率設定為 1Hz。 2-2. 接地電流實驗 (1) 將碎石機電極負極處接地端上架設一導線與感應線圈以電感方式來測得接地電流之大小，並將所感應之電壓大小之訊號連接至示波器紀錄之，然後換算成接地電流之大小。 (2) 設定擊發電壓為 6KV，電擊起始間距 0.35mm，擊發 10 下紀錄其接地電流值，並取其平均電流值。 (3) 分別設定擊發電壓為 6KV、7KV、8KV、9KV、10KV、11KV，並重複以上的步驟。 (4) 使用真空除氣水、丙二醇水溶液(體積百分率 3%與 6%)，以及真空除氣水加上食用鹽當 4.

(6) 做介質，以測定在不同導電度下之接地電流，並重複以上所有的步驟。 2-3. 導電度測定實驗 (1) 將清水加入食鹽以調整其濃度之百分比，使用德製的攜帶型導電度計(Conductivity Pocket Meter，Cond 330i)，量測其導電度值 (2) 依序加入不同重量之食鹽以建立不同百分比之濃度，重複以上所有的步驟。 2-4 壓力釋放型反射震杯中聚焦點處壓力量測 (1) 將原來所使用的反射凹杯中，塗上一層聚氨甲酸乙酯橡膠 (2) 將 PVDF 探針固定在 X-Y-Z 三軸移動平台上，並將其沿著橢圓凹杯的中心軸移動至物理焦點的位置。 (3) 設定擊發電壓為 6KV，電擊起始間距 0.35mm，連續擊發 10 下，以資料擷取系統將壓力探針所量測到的這 10 下壓力波形取其最大正壓平均，以及張力平均值。 (4) 分別設定擊發電壓為 6KV、7KV、8KV、9KV、10KV、11KV，並重複以上的步驟。 (5) 在已經覆蓋聚氨甲酸乙酯橡膠之反射震杯上，再塗上一層聚氨甲酸乙酯橡膠，以增大彈性反射凹面之厚度，並量測在不同彈性反射凹面厚度下，聚焦點處之正壓力與張力，並重複以上所有的步驟。 (6) 為了使電容能夠充電較完全，以提昇放電的效率，整個過程當中均將電擊的擊發頻率設為 1Hz 。 2-5 不同聚氨甲酸乙酯橡膠厚度所覆蓋之反射震杯條件下，假體組織受震波衝擊後之探傷實驗 (1) 將凝膠體模型(邊長約 30mm 之立方體)用膠帶掛於裝滿震波傳遞介質的水槽中，以鋁棒支架固定在 X-Y-Z 移動平台上，然後將凝膠體塊移動到物理焦點的位置。 (2) 設定擊發電壓至 6KV，電擊起始間距 0.35mm，擊發 200 下後將凝膠體塊取出，利用光學投影機輔助觀察凝膠體塊外觀上之傷害並拍照紀錄。 (3) 將步驟(2)的凝膠體塊以切片器切片，每 5mm 厚度切一片。利用光學投影機輔助觀察凝膠切片上之破壞分佈並拍照紀錄。 (4) 使用影像處理軟體分析凝膠體切片照之亮點像素數並記錄之。 (5) 依序在不同聚氨甲酸乙酯橡膠厚度所覆蓋之反射震杯凹面條件下，重複(1)~(4)之步驟。 (6) 依序設定電壓為，低電壓 7KV 與高電壓 11KV，重複以上所有步驟。 (7) 為了配合臨床上之實驗，擊發的頻率設定為 1Hz 。 2-6 結石模擬粉碎實驗 (1) 將結石位置固定在 X-Y-Z 三軸移動平台上，並將其沿著橢圓凹杯的中心軸移動至幾何焦點的位置。 (2) 設定擊發電壓為 6KV，電擊起始間距 0.35mm，連續擊發 300 下後，將結石取出烘乾，以 1mm 的篩網篩出尚未粉碎之結石，並計算其粉碎百分比以及拍照，依此一直擊發至 1500 下。 (3) 分別設定擊發電壓為 6KV、7KV、8KV、9KV、10KV、11KV，並重複以上的步驟。 (4) 使用自來水作為介質，並重複以上所有的步驟，並與之前學長李永平[12]所做的實驗數據做比較。 (5) 為了使電容能夠充電較完全，以提昇放電的效率，整個過程當中均將電擊的擊發頻率設為 1Hz 。 (6) 以較硬之結石(肺石)，依以上步驟，在擊發電壓 8KV 作碎石分析比較實驗。 5.

(7) 三、結果與討論有鑒於負壓張力波段會透過空蝕現象將組織內的溶氧漲開而造成傷害，因此為了要保持碎石的正壓並減弱負壓，本研究遂根據前一年計畫結果的經驗，利用介面活性劑降低水表面張力的特性，於是在真空除氣水裡添加一些清潔劑以減低表面張力、增加水的黏度以及導電性(各種常見溶液之導電度請見表一)。圖 5 為在不同介質的表面張力及黏度的條件下之聚焦震波正壓力分布圖，在加了不同物理特性的添加劑後的水介質條件之下，震波聚焦的平均正壓力與原來沒有添加物之水介質時並無太大差別。圖 6 為不同添加物的水介質條件下的聚焦震波後之張力強度分布圖，圖中顯示添加同時增加黏度與降低表面張力之乙二醇時，張力波強度比添加丙二醇有非常明顯的減少，由圖 5 與圖 6 比較後可以得知，添加丙二醇水溶液(體積百分率 3%)之介質在擊發之後，其焦點之張力強度會比放電介質為真空除氣水還小，顯示出了增加了降低表面張力之添加物時，的確有助於焦點上張力強度之減少，如果增加了丙二醇水溶液之添加體積百分濃度為 6%之後，由圖 5 與圖 6 中可以看出張力強度確實會有更加減少的趨勢。在導電度較為良好的實驗部分，雖然加了食鹽增加其導電度之後正壓力部分會損失，但是張力不論在高電壓或是低電壓都比原真空除氣水來的小，就專對於本論文主題的組織傷害來說，若不考慮其他組織傷害的成因，只討論對於組織因為張力所造成的傷害來說，是有明顯的助益。但唯一的缺點是，增加了介質導電度之後，銅-鈦組合電極的熔蝕會很明顯的增加，因此在選用電極上必須採用較不易熔蝕的電極。圖 7 為在不同介質條件下的聚焦震波正壓力與張力比率分布圖，在添加了比水表面張力小的丙二醇水溶液作為傳遞介質之後，添加丙二醇比例越高時，對於其正壓力與張力的比率也有增加的趨勢，而且其聚焦張力也會相對的減弱但就添加乙二醇的介質其正壓與負壓的比率值確比丙二醇有更好的表現。圖 8 所示為量測不同放電介質下的接地電流，作為放電介質被導入爆炸波能量的指標，實驗過程以真空除氣水與自來水做比較。實驗採用 1:200 放大感應式線圈連接碎石機負極接地線上之處，經由示波器攫取感應電壓並由此換算感應電流之大小，在原剛體凹杯上覆蓋厚度不同的聚氨甲酸乙酯橡膠(pu)，其實驗出的震波性能各有不同如圖 9，在覆蓋 0.1mm 的 pu 時，聚焦正壓力與原真空除氣水的聚焦壓力的壓力範圍幾乎是一致的，但是在張力部分如圖 10，在低電壓狀況下張力比原真空除氣水還來的大，但是在高電壓所擊發的狀況之下，所產生的張力會被所覆蓋的 pu 所吸收，而減低在高電壓擊發時所產生的張力強度。覆蓋厚度較厚的 pu 時，經由震波反射之後可以產生間隔大約 4.6-5.0μs 的兩個反射聚焦震波，如圖 11 為示波器上所擷取之震波波形，第一個震波(p1)是由剛體的反射面所反射聚焦，第二個震波(p2)是由 pu 凹杯儲存能量後所反射聚焦，當反射震杯第一焦點產生爆炸波時，產生的爆炸波向外傳遞，爆炸波傳遞至反射介面時，一部份穿透 pu 由剛體反射震杯所反射，一部份能量被所覆蓋在反射震杯上之 pu 所吸收，電擊擊發之後震波傳遞至 pu 後因為所覆蓋 pu 厚度較薄，經由儲存的能量並不會很多，所以大部分震波的反射還是從原剛體反射震杯所反射。由此可知聚氨甲酸乙酯(PU)可以儲存能量，且儲存的能量雖然會因為震波強度大小與所覆蓋聚氨甲酸乙酯(PU)之厚度而改變。由於由剛體與聚氨甲酸乙酯(PU)反射震杯所反射的兩個震波所間隔的時間很小，而且所產生的震波大小與原來只有剛體反射凹杯比較，並沒有減低很多如圖 12 所示，因此反而更能有效利用碎石機擊發的能量。圖 13 為聚焦強度(intensity)所計算出的結果，顯示出了加了聚氨甲酸乙酯(pu)之後其震波能量的利用會比原剛體反射震杯提昇 2 至 3 倍左右。經由壓力釋放型反射震杯所產生的張力在聚焦時，其張力強度會變小，經由剛體反射震杯所反射的震波在聚焦時，因為經由聚氨甲酸乙酯(pu)所反射出之震波波前而影響，造成震波之間會互相疊加，使得張力強度變小，而且壓力越大時因震波疊加而使張力強度變 6.

(8) 小之效果會越明顯。碎石效果在高擊發電壓(11KV)之下如圖 14，覆蓋聚氨甲酸乙酯的反射震杯在擊發次數 300 下時，幾乎已經完全粉碎，剛體反射震杯需要擊發至約 900 下時才完全粉碎，由之前之量測震波性能數據，以及碎石實驗所顯示出，覆蓋了聚氨甲酸乙酯(PU)的壓力釋放型反射震杯對於碎石效果的確有明顯的改進。本研究利用凝膠體當作模擬腎組織的假體，使用凝膠體透明的特性觀察其遭受震波作用產生的破壞現象，實驗經由震波擊發 200 下之後，凝膠塊內部出現相當多的空蝕撕裂傷，為了更進一步瞭解凝膠體傷害的情形遂將凝膠塊由下往上每 5mm 厚度切片，並拍照紀錄觀察之。根據不同的反射震杯的條件之下，對於凝膠體所產生的傷害也不同，為了使凝膠體內的組織傷害更加顯可以看出，將凝膠體每 5mm 做切片，以觀察每個切片中凝膠體的傷害多寡，利用繪圖軟體將其色階轉化成灰階，並增加其黑白對比如圖 15，在低電壓(7KV)的情況之下，經由壓力釋放型凹杯聚焦所造成的凝膠體組織傷害，明顯比原來鋼體反射震杯少，而且組織傷害較為分散，只有在介面的凝膠體，因為介面不同造成介面處反射的原因，而形成在介面處有較分散的組織傷害。在 M. Lokhandwalla and B. Sturtevant[2]論文中提到，當材料受力到某一個程度會產生臨界的斷裂韌度，這是因為材料本身隱含之不可見缺陷(flaw)拉伸變大到可見之大裂縫(macro-crack)，這中間還具有一個過度階段-聚合區(cohesive zone)。圖 16 所示為聚合區的模型，最左邊的區域是破壞後的大裂縫(macrocrack)，最右邊的小點是材料未受負荷前存在的小缺陷(flaw)，中間聚合區是裂縫成長過程。但是在實際模擬假體組織的過程之中，因為假體介質材料本身並不均勻，因此在有一個微小裂縫產生時，其聚合區並不會很均勻的成長，取而代之的是在微小裂縫四周會有其他的小氣泡成長，這些在組織上之缺陷會慢慢聚集，進而撕裂組織造成組織的傷害。如圖 17，微小氣泡旁產生其他小氣泡，進而造成組織撕裂，圖 18 可以看出在模擬假體組織中，因為假體組織本身不均勻所導致凝膠體中聚合區無法很規則的成長，而是在區域內形成許多小缺陷的聚合區。四、結論本年度實驗結果驗證在不同放電介質添加劑方面，添加了表面張力小的丙二醇水溶液作為傳遞之介質時，在本碎石機中的確有助於張力的減小，而且所添加之體積百分濃度越高時，張力強度便會越低但相對的震波強度也降低了。另外添加了同時增加黏度並減少表面張力之乙二醇水溶液作為傳遞介質添加劑時，在本碎石機中更有助於張力的減小，由於組織傷害主要由張力所造成，因此張力越小所導致組織傷害也相對越低。加入食鹽增加傳遞介質之導電度時也會減低本水電式碎石機產生的張力，但是於本實驗中電極間的熔蝕會比一般使用自來水或是真空除氣水還快，而且正壓力也會比原來使用真空除氣水還來的小。此外在原反射震杯覆蓋上一層聚氨甲酸乙酯以改變其反射邊界條件後，發現覆蓋厚度與反射震波有相當大的關聯。覆蓋一層薄的 pu 時，經由 pu 所吸收之張力波強度也越多，因此震波在經由 pu 反射凹面之後，正壓力並無太多損失，但是張力強度卻減少了。當反射震杯上所覆蓋的聚氨甲酸乙酯(pu)越厚時，震波反射型態會改變，一部份由原反射震杯所反射，一部份由 pu 所吸收儲存能量後釋放，所以會形成前後兩個聚焦波前，相當於擊發一次碎石機，打了兩次震波的狀況，此種狀況對於碎石的效果有絕對的幫助。而且在張力的部分， pu 也相同具有吸收張力的功能，相同地減少組織傷害，水電式碎石機所能夠利用的能量因此也增加。五、參考文獻 [1] E. Häusler and W. Kiefer, “Anregung von Stosswellen in Flüssigkeiten durch Hochgeschwindigkeitswassertropfen,” Verh Dtsch Physik Ges, Vol.10, pp.36, 1971. 7.

(9) [2] M. Lokhandwalla and B. Sturtevant, “Fracture Mechanics Model of Stone Communication in ESWL and Implications for Tissue Damage, ” Phys. Med. Boil., Vol.45, pp.1-18, 2000. [3] D.D. Howard, “ Mechanisms of Injury Associated with Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy ” Ph.D. dissertation, California, Institute of Technology, April.1996. [4] M. R. Bailey D. T. Blackstock R. O.Cleveland and L. A.Crum,“Comparison of electrohydraulic lithotripters with rigid and pressure-release ellipsoidal reflectors.Ⅰ.Acoustic fields” Journal of Acoustic. Society of America.104(4),pp 2517-2524,1998 [5] T. Kodama and Y. Tomita, “ Cavitation Bubble Behavior and Bubble-Shock Wave Interaction near a Gelatin Surface as a Study of in Vivo Bubble Dynamics, ” Appl. Phys.B 70, pp.139-149, 2000. 表一各種溶液之性質參考表 Material. Viscosity 1bm/ft sec. Water. Sound velocity m/s. 6. Surface tension dynes/cm 71.97. Castor oil. -. -. 1474. Proplycol glycol. 2.25. 36.3. -. Alchol methyl Ethylene glycol. 3.76. 22.2. 1103. 109. 48.2. 1644. 1498. 圖 2 剛體反射震波波型. 圖 3 壓力釋放型(Pressure-release)反射波波型. 圖 1 結石分解機制示意圖[2]. 8.

(10) degassed water salt water(1006ms/cm) propylene glycol(3%) propylene glycol(6%) ethylene glycol(3%). -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 5. 6. 7. 8 9 fire volts(KV). 10. 11. 12. 圖 6 不同介質條件下的聚焦震波張力分布圖. 圖 4 體外震波碎石機系統. 12. degassed water slat water(1006ms/cm) propylene glycol(3%) propylene glycol(6%) ethylene glycol(3%). 800. degassed water salt water(1006ms/cm) propylene glycol(3%) propylene glycol(6%) ethylene glycol. 11. 10. 700. 9. 600 500. 8 400 300. 7 5. 200. 6. 7. 8 9 fire volts(KV). 10. 11. 12. 圖 7 不同介質條件下的聚焦震波正壓力與張力比率分布圖. 100 0 5. 6. 7. 8 9 fire volt(KV). 10. 11. 12. 圖 5 不同介質條件下的聚焦震波正壓力分布. propylene glycol 600s/cm 1000s/cm. 8. 7. 6. 5. 4. 3. 2 5. 6. 7. 8 9 10 fire volt(kv). 11. 12. 13. 圖 8 各放電介質放電時測得之接地電流比較. 9.

(11) regular 0.1mm 0.2mm 0.3mm. 800. reflector pu coated reflector pu coated reflector pu coated reflector. 擊發電壓 11KV. 700 600. 圖 11 壓力釋放型反射凹面於震波聚焦時之示波器擷取波形. 500 400 300. P1 (pu coated reflector) P2 (pu coated reflector) rigi d. 200. 800 100. 700 0 5. 6. 7. 8. 9 10 fire volt(KV). 11. 12. 13. 600. 圖 9 壓力釋放型反射凹面產生的聚焦正壓力比較圖. 500 400 300. regular 0.1mm 0.2mm 0.3mm. -20. reflector pu coated reflector pu coated reflector pu coated reflector. 200 100 0 5. 6. 7. -30. 8. 9. 10. 11. 12. fire volt (KV). 圖 12 覆被 0.3mm pu 之壓力釋放型反射凹杯聚焦震波比較圖. -40. pu coated reflector rigid reflector. -50 2. -60 1.5. -70 5. 6. 7. 8 9 10 fire volt(KV). 11. 12. 13 1. 圖 10 壓力釋放型反射凹面產生的聚焦張力比較圖 0.5. 0 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. fire volt (KV). 圖 13 瞬間強度(INTENSITY)比較圖原反射震杯. 覆蓋聚氨甲酸乙酯反射震杯. 擊發電壓 6KV. 清水 11KV 原石. 10.

(12) 清水 11KV 打 300 下. 25mm. 25mm. 清水 11KV 打 600 下(已完全粉碎) 圖 15 低電壓(7KV)下壓力釋放型反射震杯模擬組織傷害比較圖. (完全粉碎)清水 11KV 打 900 下圖 1411KV 發泡煉石碎石比較圖. PU 反射震杯 5mm. 原反射震杯 5mm 圖 16 聚合理論模型. 10mm. 10mm. 圖 17 組織模擬聚合區成長 15mm. 20mm. 15mm. 20mm 11.

(13) 圖 18 因材料不均勻所造成之聚合區. 12.

(14)