ESWL粉碎結(jié)石的力學(xué)機(jī)理研究——ESWL沖擊波聚焦及空化現(xiàn)象的數(shù)值模擬.pdf

1、1980年誕生的體外沖擊波粉碎結(jié)石技術(shù)ESWL(Extracorporeal Shock WaveLithotripsy)是醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域一項(xiàng)重大成就。ESWL通過(guò)水下放電或爆炸產(chǎn)生沖擊波，利用聚焦沖擊波的高能量密度和空化作用粉碎患者體內(nèi)腎結(jié)石，因其使用便捷，粉碎效率高，無(wú)外科手術(shù)侵入創(chuàng)傷和低廉的治療費(fèi)用等特性，自出現(xiàn)后即迅速成為治療尿路結(jié)石的最常用臨床手段。盡管如此，ESWL也有需要完善之處。在臨床和實(shí)驗(yàn)研究中均發(fā)現(xiàn)伴隨著ESWL的不同

2、形式損傷，例如血尿、慢性出血、多重腎軟組織內(nèi)的血腫、以及腎水腫等。在沖擊波醫(yī)療技術(shù)中，醫(yī)療效率和安全性同等重要。為了ESWL碎石效率最優(yōu)化和組織損傷最小化，確定聚焦沖擊波的動(dòng)力學(xué)焦點(diǎn)，研究負(fù)壓的演化過(guò)程以及空化顯得極為重要。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(20472316)和教育部博士點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)基金(20070611004)的資助下，完成了沖擊波聚焦過(guò)程、空化效應(yīng)產(chǎn)生和負(fù)壓演化過(guò)程的數(shù)值模擬，為提高壓電式和液電式ESWL碎石機(jī)的碎石效率和減少副作用

3、，以及設(shè)計(jì)制造和臨床應(yīng)用方面提供了科學(xué)的參考依據(jù)。
　　 沖擊波是一種非線性波。對(duì)于它，關(guān)于線性波的Snell反射定律等物理定律不再成立。水下沖擊波聚焦的數(shù)值研究需要考慮水的可壓縮性。本文采用Tait狀態(tài)方程來(lái)描述水的特性，并假設(shè)水是無(wú)粘的、運(yùn)動(dòng)中無(wú)熱傳導(dǎo)和熱輻射。這樣就可以借助空氣動(dòng)力學(xué)中研究沖擊波的一系列方法，來(lái)研究ESWL中的水下沖擊波傳播、反射和聚焦。一般認(rèn)為ESWL沖擊波的負(fù)壓波段是引起水空化的主要原因。
　　

4、 CCW(Chester-Chisnell-Whitham)方法即Whitham的激波動(dòng)力學(xué)方法，是一種近似方法，在一定條件下對(duì)激波面的追蹤計(jì)算簡(jiǎn)單而有效，可完整地描述波陣面的演化過(guò)程。本文編寫(xiě)了CCW方法的程序，完成了球面壓電陶瓷型ESWL的沖擊波傳播的波陣面的數(shù)值追蹤，為壓電陶瓷式ESWL碎石機(jī)的設(shè)計(jì)制造和臨床應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。
　　 CE/SE(Space-time Conservation Element and So

5、lution Element)方法即時(shí)空守恒元和解元方法，1995年被提出，具有穩(wěn)定性好、計(jì)算量小、計(jì)算結(jié)果精度高和對(duì)間斷分辨率高等特點(diǎn)，已被美國(guó)NASA列為第二代CFD程序中的主要算法之一。本文通過(guò)適當(dāng)改造張?jiān)霎a(chǎn)等的改進(jìn)CE/SE方法來(lái)離散Euler方程，建立了研究ESWL中的水下聚焦沖擊波的二維數(shù)學(xué)模型，分別對(duì)于球面壓電陶瓷型和液電式機(jī)型ESWL的在單側(cè)和雙側(cè)波源情況下，沖擊波傳播過(guò)程完成了數(shù)值模擬。本文還利用CE/SE方法，用連續(xù)

6、模型來(lái)描述空化流動(dòng)，分別以Liu model和Cut-offmodel作為狀態(tài)方程，對(duì)一維管道中不同初始條件下發(fā)生空化流動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)、速度、和密度的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　 數(shù)值結(jié)果表明：1.ESWL中沖擊波的動(dòng)力學(xué)焦點(diǎn)(非線性焦點(diǎn))一般并非幾何焦點(diǎn)(線性焦點(diǎn))，而是有所偏移。因此，在臨床應(yīng)用球面壓電陶瓷型ESWL粉碎結(jié)石時(shí)，實(shí)際焦點(diǎn)應(yīng)當(dāng)規(guī)定為壓力最大的點(diǎn)，而不是簡(jiǎn)單地就將幾何焦點(diǎn)選為轟擊的靶點(diǎn)。2.本文首次將CE/SE方法應(yīng)用