摘要：1880年，居里兄弟发现压电效应，即机械应力产生电。李普曼推导出逆压电效应，将高压峰值转换为机械应变，用于生物医学应用。这两种现象在无损检测、声纳、传感器等领域有广泛应用。常见压电陶瓷如钛酸钡和钛酸锆铅，具有长寿命优点。多晶压电陶瓷元件在电脉冲作用下会快速膨胀

1880年，居里兄弟发现压电效应，即机械应力产生电。李普曼推导出逆压电效应，将高压峰值转换为机械应变，用于生物医学应用。这两种现象在无损检测、声纳、传感器等领域有广泛应用。常见压电陶瓷如钛酸钡和钛酸锆铅，具有长寿命优点。多晶压电陶瓷元件在电脉冲作用下会快速膨胀几微米，产生压力脉冲。压力波形受绝缘材料、背衬材料、元件形状和电激励脉冲影响。

施加电场之前和 （b） 之后的压电元件草图。身高的增加被夸大了。当施加外部电场时，生物医学应用中使用的压电晶体会改变其高度的约 0.1%

压电冲击波源在1978-1985年由德国Richard Wolf GmbH、萨尔大学和卡尔斯鲁厄大学共同研发。该技术通过向压电元件施加5-10 kV高压放电产生压力波，元件嵌入球形铝背衬内。设备内置液体腔，外覆薄膜与皮肤接触。压电元件膨胀数微米，产生压力脉冲，汇聚于中心点F形成冲击波。球形布置的系统无需透镜或反射器，自聚焦。脉冲发生器驱动火花隙或高压晶闸管控制冲击波放电速率。压电冲击波源电路由电容器充电和放电控制系统组成，依靠非线性声传播产生冲击波。其优点包括长寿命（超100万次冲击），低镇痛需求，低电磁辐射，无需心电图触发。可变压电陶瓷激励改变压力波，高重现性便于研究和评估压力场，无需平均压力记录。

单层压电冲击波源示意图

压电冲击波发生器配备3400个压电陶瓷晶体（长度 5 mm，直径 6 mm），安装在大孔径铝背衬上（半径约 350 mm），嵌入环氧树脂。它在皮肤处产生低能量密度，在病灶处产生高能量密度，减少组织损伤。小局灶体积适合治疗胰腺、胆总管和唾液腺结石。

Richard Wolf GmbH 在1990年推出了首款配备原位X射线和超声定位的压电冲击波碎石机Piezolith 2500。随后，Piezolith 2501取代了该型号，其定位单元可用于单独诊断。大尺寸的压电冲击波源常被视为缺点，因为它们难以集成到多功能系统中。Richard Wolf GmbH 通过双层冲击波源（Piezolith 3000）有效解决了这一问题。

压电冲击波源的另一个优势，特别是那些具有由单脉冲发生器驱动的压电元件阵列的冲击波源，是可以发射专门设计的声压场。使用这些设备，可以设计出不仅由光源的几何参数决定的焦点区域。已经通过实验测试了围绕结石头传播以增强结石内部产生剪切波的波前。

一、单层压电冲击波源

前两个压电串联冲击波发生器基于Piezolith 2300源，一个用于体外研究，另一个评估体内效率。因电容器需超过50ms充电，部分电路被复制（图D）。高压电源为两个电容器（每个 0.5 μF）充电，这两个电容器一直保持充电状态，直到第一个触发开关被触发，存储的能量被释放到压电元件上。第二个触发器在一定延迟后激活以产生第二个冲击波。可以调整可变延迟 （50–950 μs） 以 1 到 2.5 Hz 的速率发射串联冲击波。为了比较常规冲击波和串联冲击波的体外碎裂效率，将标准化的矩形和球形肾模型放置在实验装置焦点处的装满水的小聚乙烯袋中。延迟为 400 μs 的串联冲击波的矩形石体模型的质量损失显著高于单脉冲冲击波。对于球形模型，在 200 和 250 μs 的延迟下，串联冲击波获得了显着更高的碎裂效率。在接下来的研究中，使用健康的兔子作为模型来比较单脉冲和串联冲击波产生的体内肾组织创伤。组织病理学分析证实，串联冲击波对肾组织造成的创伤并不比标准冲击波大。造成这种情况的一个原因似乎是空化核在软组织中并不常见。此外，由于体内气泡膨胀受到组织的限制，因此气泡塌陷不如在水或尿液中剧烈。兔子被用于这项研究，因为它们被认为是评估冲击波诱导的肾脏创伤的有效动物模型。

使用单层压电冲击波源产生两个具有可变时间延迟的水下冲击波的电路简化图

他们设计了一种新型体外研究用的串联冲击波源，采用Piezolith 2501换能器（Richard Wolf GmbH）进行微生物实验（第7章）。该设备顶部装有带xyz定位器的Lucite水箱，电容器充电装置与前述相似，并配有水冷却系统，使焦点温度降至1°C。使用PVDF针式水听器（Imotec GmbH）在4kV放电电压下记录，焦点处平均峰正压和峰负压脉冲分别约为26 MPa和-2.5 MPa。串联模式下，第二个冲击波的正负相较前导波分别小约26%和14%。图2展示了该冲击波源记录的典型压力曲线。

基于 Piezolith 2501（Richard Wolf GmbH，Knittlingen，Germany）的串联冲击波发生器在 4 kV 下发射的压力曲线。两种放电在示波器屏幕上都显示为尖峰，不应与压力脉冲混淆

二、双层压电冲击波源

双层压电冲击波发生器由Richard Wolf GmbH开发，是Piezolith 3000体外碎石机和Piezoson 100 plus ESWT设备的核心组件。

两个压电陶瓷层安装在碗形球形背衬上（图））. 每一层都由一个独立的高压电路激励。精确的功率晶闸管开关确保前层在后层之后短时间内接收到放电。因此，两层产生的脉冲在激波源的表面加法叠加。与旧的单层型号相比，每层产生的压力脉冲叠加补偿了由于培养皿尺寸较小而造成的压力损失。双层冲击波源的优点是重量更轻，并且压电陶瓷层之间的延迟可以根据特定的临床需求而变化。移动延迟会扩大焦点区域并减小峰值压力的幅度。与单层压电源一样，噪声水平非常低。

双层压电冲击波源示意图

现代代表性压电碎石机为Piezolith 3000 plus（三重聚焦），如图1。其采用等中心设计，包括患者治疗台、双层技术冲击波传感器（孔径270mm；焦距165mm；聚焦角74°）和X射线C型臂。在线超声仪能实时监测冲击波耦合、碎石和患者移动，支持双同步成像和2D转3D定位。具备F1、F2、F3三种焦点，可调压力场适应不同结石。使用F1设置提升聚焦精度和能量密度。Piezolith 3000三焦点版和Piezolith 3000 plus的F1设置与Piezolith 3000标准版相同。在这种情况下，双层叠加导致冲击波源表面压力最大。

"F2模式下后层提前1.8μs触发，F3模式下提前3.5μs。""F3设置：降低峰压，减少EFD，实现柔和处理。"F1和F2设置下，焦点能量基本恒定。依据IEC 61846标准，Piezolith 3000 plus（含FOPH）的压力测试显示，峰值正压p+、EFD和5 MPa焦点区的总能量范围为7-125 MPa、0.1-3 mJ/mm²和3-240 mJ。对于 F1、F2和F3设置，−6 dB 的焦点区域可以被认为具有直径分别约为 3.7、4.8 和 8.7 毫米的雪茄形状。Neisius (2006) 的体外结石碎裂测试显示，精确定位下，高能量密度的小焦点区比大焦点区更有效。治疗输尿管结石时需考虑此点，因其对冲击波的抵抗力更强，且结石在呼吸中移动小，易于瞄准。

比较Bölles (2014)与Müller (2002)的研究，三焦点Piezolith 3000比单焦点更有效。呼吸可能影响小病灶治疗，但改进定位和麻醉已补偿。F1对儿童效果佳（Goktas 2011）。其他积极结果见文献（Neisius 2006; Wang 2009a）。

双层冲击波头可用于产生串联冲击波（Ginter & Krauss 2007）。评估了Piezoson 100 plus冲击波头的可能性（图D）。Lukes 等（2015）报告了三组压力数据：第一组由激发前层获得，第二组由激发后层获得，第三组在两层按制造商延迟运行时获得。在不同模式下评估了三个强度水平的压力。标准模式产生最高压力幅值，关闭前层时后层压力明显降低。Piezoson 100 plus 在五种模式下体外碎石效率被评估：单独后层、单独前层、标准模式和两种串联模式（后层先激活，前层先激活后后）。缩写内容：测试了100-800μs的7种延迟在两种串联模式下，发现其碎裂系数低于标准模式，表明改变延迟不提高效率。结果需用Piezolith 3000 plus激波头验证。若两层以几百微秒延迟触发，可产生SWL的串联冲击波。

基于 Piezoson 100 plus的研究装置示意图（Richard Wolf GmbH，Knittlingen，德国）

其他作者将 Piezolith 3000转换为在任意时间独立触发两层，并分析了串联冲击波通过脱气和去离子水后的气泡簇动力学（Arora 等人，2005 年）。他们的结果表明，在冲击波持续时间范围内的延迟对气泡形成有很大影响。如果延迟增加，第二个冲击波会改变空化簇的空间形状。对于更长的延迟，即当第二个冲击波到达时，第一个冲击波产生的气泡团已经崩溃，气泡碎片充当新的空化核，产生更大的气泡。这些结果表明，双层技术不仅适用于 SWL，还可用于其他生物医学应用，例如 ESWT、细胞转染和微生物的遗传转化

压力峰值高达 126 MPa 脉冲能量高达 140 mJ 穿透深度从中心 165 mm (-6 dB) 到远端 200 mm (-6 dB）。Piezolith 3000 的最大输出压力 （MPa） 范围为 48 MPa（焦点 3）至 148 MPa（焦点 1），压力峰值：125 MPa 脉冲能量：140 mJ 最大穿透深度：中心，165mm/远端 200mm (-6 db)

墨西哥国立自治大学应用物理与先进技术中心冲击波实验室基于 Piezolith 2501（Richard Wolf GmbH，德国 Knittlingen）的研究冲击波源的照片，显示了 （1） xyz 定位器，（2） 热绝缘水冷却线圈，（3） 压电冲击波源，（4） 火花隙驱动器，（5） 水冷系统的一部分， （6） 电容器，以及 （7） 脉冲发生器。

基于 Piezoson 100 Plus（Richard Wolf GmbH，Knittlingen，Germany）冲击波装置的实验装置的照片，显示 （1） 放置在水箱内焦点处的小瓶，（2） 水位，（3） 耦合膜，（4） 冲击波源，（5） 耦合膜在水面上的反射， （6） XYZ 定位器，以及 （7） 电源和控制单元。（照片：F. Fernández）

来源：医学镜界一点号