摘要：Connors BA, Evan AP, Blomgren PM, Hsi RS, Harper JD, Sorensen MD, Wang YN, Simon JC, Paun M, Starr F, Cunitz BW, Bailey MR, Lingem
Connors BA, Evan AP, Blomgren PM, Hsi RS, Harper JD, Sorensen MD, Wang YN, Simon JC, Paun M, Starr F, Cunitz BW, Bailey MR, Lingeman JE. Comparison of tissue injury from focused ultrasonic propulsion of kidney stones versus extracorporeal shock wave lithotripsy. J Urol. 2014 Jan;191(1):235-41. doi: 10.1016/j.juro.2013.07.087. Epub 2013 Aug 2. PMID: 23917165; PMCID: PMC3865142.
聚焦超声波推进是一种新非侵入性技术，用于移除肾结石。本研究量化了该技术在不同条件下产生的组织损伤，并与震波碎石术（SWL）损伤比较。实验中，将结石植入猪肾并用聚焦超声推进重新定位，同时将猪肾暴露于SWL或连续超声。结果显示，SWL造成1.56%的功能性肾体积损伤，而聚焦超声推进在模拟临床治疗中无损伤，在过多参数下可能产生0.46%或1.15%的损伤。结论是，在临床参数下，聚焦超声推进对肾实质无形态学损伤，过多参数下损伤与SWL相当。
最近对 NHANES 数据的分析表明，美国结石病的患病率在过去 20 年中显着增加，从 20 世纪 90 年代初的 5.2% 上升到 2010 年的 8.8%。1不幸的是，这一趋势可能会受到影响。由于资源和泌尿科医生的可用性有限，这种情况持续到未来会给医疗保健服务带来越来越大的负担。护理结石患者的压力日益增加，凸显了使结石清除技术尽可能有效和高效的必要性。
成功去除肾结石通常需要两个单独的步骤：将结石破碎成小块，然后去除这些结石碎片。目前，粉碎肾结石的主要方式是 SWL。许多患者选择 SWL，因为它是非侵入性的，并且可以在门诊进行。虽然这项技术的整体成功令人印象深刻，但人们认识到 SWL 在许多患者体内留下了残留碎片。作为一个额外的担忧，一些作者认为 SWL 的有效性在新一代机器中有所下降，2 – 5人们担心残留碎片的存在将变得越来越普遍。治疗后残留碎片并不仅限于 SWL，最近的报告发现，多达 38% 的患者在输尿管镜取石术后残留可检测到的碎片6，而经皮肾镜取石术后高达 79% 的患者残留碎片。7
泌尿收集系统中残留结石碎片的存在是一个临床问题，对让患者真正摆脱结石提出了挑战。对尿路结石碎片的主要担忧是，这些残留碎片会增加未来结石生长和症状复发的风险。8 – 11事实上，一些研究重点关注易于产生难以移位碎片的结石的最佳管理，例如下极肾盏中的结石碎片。12 – 14虽然利尿、敲击和倒置疗法等手术有助于移位碎片，但可测量的碎片数量仍然难以清除。15 – 16
聚焦超声推进是一种新型无创技术，旨在利用聚焦超声能量将肾结石和残留碎片移出尿液收集系统。使用该技术的初步体外和体内研究表明，在将植入的人造结石和人体泌尿系结石从肾盏中提起和移出方面取得了巨大成功。17 – 18虽然该技术可以与任何结石清除手术结合使用，以帮助排出残留碎片，但超声波推进作为一种非侵入性手术，与 SWL 结合使用时将特别有吸引力。然而，虽然这项技术显示出希望，但人们对这些条件下聚焦超声造成组织损伤的可能性知之甚少。
超声波推进与体外冲击波碎石术有相似之处，因为这两种技术都是经皮的，并且来自体外源的聚焦声能。然而，对于估计 20-40 分钟长的治疗，超声推进产生的脉冲的压力（12 与 35-110 MPa）和传递到肾脏的总能量（25 与 100-200 J）比 SWL 低得多。由于超声推进传递到肾脏的能量远小于 SWL 产生的能量，因此超声推进造成的损伤预计会低于 SWL。本研究的目的是比较模拟临床治疗条件下聚焦超声推进与 SWL 产生的组织损伤体积。
材料和方法
超声波推进机
前面已经描述了两个原型聚焦超声推进机。17 – 19原始系统（称为研究系统）是为 HIFU 应用而开发的，用于初步测试和完善超声波推进概念。该系统由直径 8 厘米的充水源头组成，其中包括环形治疗传感器和诊断成像探头。单独的系统驱动治疗探头并执行成像，并且只能电子调节焦距。17 – 18开发了一种更新、更先进的治疗系统，并将其称为临床原型系统。19它由超声引擎（Verasonics，雷德蒙德，华盛顿州）、市售超声成像探头（ATL/飞利浦 HDI C5-2 或 P4-1 探头，飞利浦医疗保健，安多弗，马萨诸塞州）、计算机处理器和监视器组成。用户可以在触摸屏上实时瞄准、推动和观察石头运动。每次推送尝试的持续时间由用户选择，范围为 0 到 1 秒。1 秒的推动会产生一个 100 μs 的脉冲，每 3 ms 重复一次，持续 1 秒，或者换句话说，3.3% 的占空比持续 1 秒。当在 7 cm 深度工作时，该临床原型可在原位产生 12 MPa 的峰值压力和 2,400 W/cm 2的峰值脉冲平均强度。
动物研究
本研究中用于评估肾损伤的手术和动物治疗方案是根据美国国立卫生研究院实验动物护理和使用指南进行的，并得到华盛顿大学机构动物护理和使用委员会的批准和印第安纳大学医学院。
超声波推进实验
在全身麻醉下，对 3 头母猪（45-55 公斤）的 3个肾脏进行了输尿管镜手术。将参考珠（直径 2.5 mm 的银镀镍）放入每个处理过的肾脏的上极（使用镍钛合金篮）作为位置标记，以便监测猪定位过程中的位移。将涂有钽粉和/或镀银镍珠（直径 2-8 毫米）的一水草酸钙石放置在中极或下极花萼中，进行超声波重新定位。将两颗珠子或 1 颗珠子和 1 块石头放入每个治疗的肾脏中。钽粉或银涂层用于改善荧光镜观察时的可视化。在直接输尿管镜和透视观察下确定目标结石/珠的位置。
该实验的目标是使用临床原型机仅使用针对结石的聚焦超声能量将植入的结石/珠重新定位到肾盂或输尿管中。该机器产生的最大输出用于模拟临床治疗，以帮助确定该临床原型造成伤害的可能性。最初，将超声波推进探头放置在皮肤上，经验丰富的超声波技师用超声波识别目标石头/珠子。然后使用相同的超声探头经皮进行治疗。使用荧光镜检查（GE OEC 9800，GE OEC Medical Systems Inc.，盐湖城，犹他州）、直接输尿管镜观察以及实时超声成像仪记录任何随后的结石/珠子移动。如果多次推送尝试均不成功，重新定位探针，并重复定位和治疗。如果这些操作不成功，则重新定位猪并重复尝试移动石头。记录每次推石尝试的机器设置和输出参数。记录的数据包括输出电压、推突发的持续时间、用户选择的图像中看到的焦点位置以及转换为视频的原始图像。
过度治疗损伤实验
第二组实验是在没有放置石头/珠子的麻醉母猪（45-55 公斤）上进行的，以确定在设计或使用极端失败的情况下，通过采用远远超出所需输出的治疗参数，使用该技术可能造成的伤害程度。超声波推进。此外，这组治疗产生的损伤将为超声推进实验中寻找的损伤形态类型提供示例。在这组实验中，使用了原始研究系统，因为它可能超过临床原型系统的最大输出和超声暴露长度（连续）。
我们最初尝试将探针放在皮肤上产生肾脏损伤，但没有成功，即使在研究机器的最大功率水平设置 240 W（10 分钟，3.3% 占空比）下进行治疗也是如此。虽然令人欣慰的是，这种高功率水平产生的峰值压力和脉冲强度不会导致肾实质损伤，但我们仍然想探索极端治疗条件下产生的病变的形态。因此，我们决定继续实验，将治疗探头放置在肾脏本身上，以避免超声波脉冲强度在穿过体壁的皮肤和肌肉时衰减。以下信息描述了这些实验。
一旦猪被麻醉，就打开腹部并将肠放置在腹部的一侧以暴露待治疗的肾脏。去除覆盖肾脏的腹膜衬里，并用脱气的磷酸盐缓冲盐水填充腹腔，以帮助将换能器的耦合锥体耦合到肾脏。用湿纱布固定肾脏，注意避免将纱布放置在超声路径中。然后定位超声换能器并针对肾实质进行治疗。焦点保持在肾表面以下 1 至 1.5 厘米之间，相当于总治疗头到焦点深度 6-6.5 厘米。每头猪的 1 个肾脏的一极接受研究系统的最大暴露 (240 W)，在 3 ℃ 下处理 10 分钟。3% 占空比（每 3 ms 100 µs 脉冲）。此设置产生的计算 p+ 为 93 MPa，降额 SPPA 强度为 26,130 W/cm2在 6 cm 焦深处原位拍摄。降额值根据 Bessonova 等人描述的方法计算。20作为这组实验的一部分，在暴露肾脏的同时还对另一极进行了处理。然而，在这些治疗中，对侧的极像以前一样接受聚焦超声 10 分钟，但使用较低的功率设置 (80 W)，同时允许超声连续运行（100% 占空比）。该设置在原位降额 SPPA 强度 9,320 W/cm 2下产生 47 MPa 的 p+ 。
声波实验
SWL 实验的设计和实验期间采用的所有外科手术均遵循先前发表的研究中使用的相同方法。21 – 22六头母猪，每头体重约 45 公斤（哈丁农场，丹维尔，印第安纳州），被麻醉，左肾下极肾盏被用于碎石治疗。目标肾脏接收来自未改进的 Dornier HM-3 碎石机（佐治亚州肯尼索的 Dornier Medical Systems）以 120 SWs/分钟传输的 2400 SWs 和 24 kV 能量。
病变分析
在超声治疗（有或没有结石）或 SWL 治疗结束时，用 0.1 M 二甲胂酸盐缓冲液（pH = 7.4）中的 2.5% 戊二醛对肾脏进行原位灌注固定。取出肾脏后，将它们浸入新鲜的固定剂中，以便随后确定病变大小。随后，将 Microfil (Flow Tech Inc., Carver, MA) 注射到肾脏的脉管系统中，并将肾脏包埋在石蜡中，然后连续切成 40 μm 厚的切片。每 120 微米对切片拍摄一次数码照片。使用切片中观察到的出血性病变来确定病变体积并表示为肾实质FRV的百分比。23计算每组猪的平均病变大小±SEM。通过 t 检验比较超声治疗组和 SWL 治疗组之间的病变大小。统计显着性的标准设定为P
结果
超声波推进
超声推进实验结果总结于表1。发现所有石头/珠子都可以通过超声波看到，并且所有（100％）处理过的石头/珠子至少经历了一些从其原始位置的移动，如果只是从小花萼移动到另一个小花萼或在花萼内移动（33 %）。总体而言，67% 的结石/珠子成功移出最初的肾盏并重新定位到肾盂 (33%) 或一直移入输尿管 (33%)。相反，在实验过程中，上极参考珠没有从其上极位置移动。超声推进组的治疗参数平均为 123±21（平均值±SD）推突发，平均总推突发时间为 1.7±0.1 分钟/肾，使用 3.3% 占空比。这是从每个肾下极移动石头/珠子所需的时间。一些推动尝试导致没有移动或石头/珠子移动，但落回到同一个花萼中。然而，大多数情况下，只需几次有效的推动尝试即可从花萼中清除石头/珠子。我们无法将其中一颗珠子和唯一植入的结石移至肾盂或输尿管。由于之前的研究成功移动了草酸钙结石，17 – 19我们不认为这种失败是由于石材成分造成的。相反，我们认为宝石在花萼（狭窄的凹陷）中的位置或花萼系统（对于珠子）的几何形状阻止了它们正确地重新定位。应该指出的是，放置在相同肾盏（肾脏 B 和 C 中）中的其他珠子已成功移动到骨盆或输尿管。我们怀疑，破碎的结石颗粒的尺寸比植入的结石/珠子更小，更容易通过尿液收集系统，并成功地被引导出肾脏。
表 1.
将珠子或石头放置在肾盏中并暴露于超声波推进的结果，试图将目标物体重新定位到肾盂或输尿管。数据包括尝试移动物体的次数、超声波推进探头的实际运行时间和实验总长度。
如图。1.
经过超声波推进处理的猪肾脏横截面的光学照片。注意使用模拟临床治疗参数进行置换石/珠的治疗后没有出血性病变。组织呈黄色是由于脉管系统输注了 Microfil，用于标记血管位置，以帮助区分血管和组织出血。皮质和髓质的弥漫性非黄色区域代表 Microfil 输注不完善的区域。条形 = 1 厘米。
另一方面，过度处理实验包括在 3.3% 占空比下使用高功率设置 (26,130 W/cm 2 ) 或在 100% 占空比下使用较低功率 (9,320 W/cm 2 ) 10 分钟。当探头放置在肾脏上时会造成严重伤害。虽然过度治疗病变的大小在动物之间存在差异，但病变的形态分为两类。如图2a所示，使用高功率设置和低占空比产生主要是出血性损伤，而较低功率和连续占空比处理产生主要是热凝固损伤。这些病变看起来与其他小组描述和研究的超声病变相似。24 – 27出血性病变呈黑色，边界不规则，类似于 SWL 产生的组织血肿。病变的核心似乎主要由红细胞组成，几乎没有组织。围绕这个核心的是一个损伤较轻的边缘，似乎是由含有外渗红细胞的组织组成的。当检查横截面时，这种损伤是不明显的，呈圆锥形（图2c）。另一方面，热损伤具有同心的损伤区域，中心区域是圆形、白色且外观均匀，让人想起热凝固（图2b））。这个圆形区域被深色组织的边缘包围，（根据之前的研究）该区域被识别为出血区域。当检查横截面时，这种损伤局限于治疗区域，并具有明显的深红色边界，延伸至肾脏深处（图2d）。
如图。2.
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如图。2a.处理过程中猪肾表面暴露于低占空比高功率水平（箭头）或连续占空比低功率水平（双箭头）的光照片。2b .暴露于连续工作循环导致热凝固损伤的区域的更高放大倍数视图。凝固区域中心标有星号 (*)。箭头表示中心区域周围的出血组织区。2c .高功率处理区域的横截面光照片。该病变呈深红色至黑色（箭头）。该病变周围是灌注不良和微丝填充的区域，导致颜色苍白。2d。经过连续工作循环处理的区域的横截面的光照片。该病变在肾脏表面呈淡红色至白色（双箭头）。较深的病变呈深红色，表明组织内有出血。注意病变和周围组织之间的明显边界。每张照片中的条形 = 1 厘米。
如图 2c 和 2d所示，两种过度治疗条件都会产生可量化的实质损伤区域。每种条件下病变的定量如表2所示。过度治疗组的病灶大小与 SWL 组相当。这些组之间的病变大小没有统计学上的显着差异。相比之下，用于模拟移动石头/珠子的临床治疗条件的治疗参数不会产生出血性病变。
讨 论
肾结石手术通常残留结石。新研究显示，超声波推进系统能移除67%的结石，直接作用于尿液中的物体，与间接方法不同。尽管聚焦超声波可能伤肾，但实验中未发现出血性损伤，相比之下SWL损伤更大。预计超声波推进技术与SWL结合使用时，对肾脏损伤极小。然而，超声波推进并非无风险，不当选择治疗参数可能导致严重损伤和系统设计问题，包括实质内出血和热凝固损伤。幸运的是，产生这些损伤所需的治疗参数远远超过用于移动植入的石头/珠子的参数，包括峰值压力（47-93 vs. 12 MPa）、时间（10 vs. 1.7 分钟）和强度（ 9,320–26,130 与 2,400 W/cm 2）。事实上，用于移动植入的石头/珠子的参数是原型临床系统上可用的最大设置。用于造成肾脏损伤的参数只能通过研究系统生成。这表明在使用临床治疗参数时该技术造成损伤的可能性应该很小。
研究局限性：1. 超声波推进虽安全，但参数增加可能导致肾损伤，尤其是处理大结石碎片时。2. 输尿管镜植入可能提高成功率，但未在本研究中考虑。3. 患者体型影响治疗效果，肥胖患者可能因脂肪层厚而难以治疗。正在改进探头设计以增加穿透深度。
研究模拟了残余结石碎片从小结石位置向输尿管和肾盂排出的过程。结果显示，33%的结石/珠子移至肾盂，33%移至输尿管，未发现出血性损伤。但使用高功率或连续工作循环时，肾脏出现损伤。
来源：健康饮食运动速递