Литотрипсия

Физические основы и применение литотрипсии в медицинской физике

Литотрипсия — это методика разрушения камней (конкрементов) в мочевыделительной системе и других органах с использованием различных физических факторов. В зависимости от применяемого физического воздействия различают несколько видов литотрипсии: ударно-волновую (экстракорпоральную), ультразвуковую, лазерную, пневматическую и электромагнитную. Основной задачей каждого метода является создание механических напряжений в теле конкремента, превышающих предел его прочности.

В основе действия литотрипсии лежит принцип фокусированного физического воздействия, в результате которого внутри или на поверхности камня возникают силы, разрушающие его на мелкие фрагменты. Эти фрагменты затем либо выводятся естественным путём, либо удаляются инструментально.

Ударно-волновая литотрипсия (ЭУВЛ)

Физические принципы

Экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия (ЭУВЛ) использует короткие высокоэнергетические акустические импульсы (ударные волны), генерируемые вне тела пациента и фокусируемые на конкремент. Волна распространяется через мягкие ткани с минимальными потерями энергии и фокусируется в зоне камня, вызывая его разрушение.

Характеристики ударной волны:

Короткая длительность импульса: 1–2 мкс.
Давление фронта: до 100 МПа.
Темп нарастания давления: ~10⁷ Па/мкс.
Высокий градиент давления вызывает кавитацию, отражение волн и механические напряжения.

Источники ударной волны

Электрогидравлический — разряд между электродами в воде создает высокоэнергетическую волну.
Электромагнитный — катушка и мембрана создают волну под действием магнитного поля.
Пьезоэлектрический — массив пьезоэлементов синхронно излучает волны, фокусируемые на камне.

Эффекты разрушения

Кавитационные пузырьки образуются после прохождения волны, их схлопывание вызывает локальные микровзрывы.
Рефракционные силы и различие акустических сопротивлений между тканями и камнем вызывают многократные отражения и интерференцию волн.
Механические напряжения внутри камня приводят к его расколу по естественным линиям слабости.

Лазерная литотрипсия

Принцип действия

Лазерная литотрипсия осуществляется введением волоконного световода в мочеточник или мочевой пузырь, где излучение (чаще всего гольмиевого лазера) воздействует непосредственно на конкремент. Основной механизм — фототермический: абсорбция энергии приводит к локальному нагреву и испарению воды, создающему пузырь и ударную волну.

Параметры лазера:

Длина волны: 2100 нм (гольмиевый лазер).
Механизм: абляция материала камня и фотоакустическое разрушение.

Преимущества

Высокая точность.
Эффективность при любом составе камня.
Минимальное повреждение окружающих тканей.
Возможность работы вблизи деликатных структур (например, устьев мочеточников).

Ультразвуковая литотрипсия

Механизм действия

При ультразвуковой литотрипсии используются продольные механические колебания зонда, контактирующего с камнем. Колебания с частотой от 20 до 40 кГц передаются на конкремент, вызывая его механическое дробление за счёт повторяющихся микродеформаций.

Особенности

Требуется физический контакт с камнем.
Параллельно возможно аспирационное удаление фрагментов.
Применяется для конкрементов средней плотности и размеров.

Пневматическая литотрипсия

Принцип

Пневматическая литотрипсия использует сжатый воздух, создающий возвратно-поступательное движение металлического зонда. Передача кинетической энергии на поверхность камня вызывает его фрагментацию.

Технические характеристики

Частота ударов: 5–20 Гц.
Энергия: до 2 Дж на удар.
Простота и надёжность конструкции.

Ограничения

Менее эффективна для твёрдых оксалатных камней.
Риск повреждения тканей при неосторожном маневрировании.

Электрокинетическая литотрипсия

Редко применяемый метод, основанный на импульсной передаче энергии от зонда к камню с помощью коротких электрических разрядов, создающих микроударную волну.

Энергия: 0.5–1.5 Дж.
Механизм схож с пневматическим, но инициируется электромагнитным способом.

Биофизические аспекты взаимодействия волн с тканями

Распространение ударных волн

В мягких тканях ударные волны распространяются почти без искажения благодаря близким значениям акустического сопротивления.
На границе «ткань – камень» происходит значительное отражение и концентрация энергии.
Разрушение происходит из-за разницы в модулях Юнга и плотности материалов.

Безопасность тканей

Современные литотрипторы имеют системы наведения с УЗ-контролем и рентгеноскопией.
В большинстве случаев воздействие строго фокусируется на камне, минимизируя травматизацию.
Риск повреждения минимален при соблюдении протокола (мощность, частота, интервал между импульсами).

Энергетические параметры и дозиметрия

Количество импульсов в ЭУВЛ: до 2000–3000 за сеанс.
Энергия одного импульса: 10–50 мДж/мм².
Полная экспозиционная доза зависит от плотности, размеров и расположения камня.

Эффективность и контроль результатов

Разрушение более чем на 90% зависит от фокусировки.
Ультразвуковой или рентгеновский контроль обязателен.
Остаточные фрагменты менее 2 мм обычно выходят самостоятельно.

Современные тенденции и развитие технологии

Комбинированные методики (например, ультразвук + лазер).
Моделирование поведения ударных волн в тканях на основе МКЭ (метод конечных элементов).
Разработка более компактных и мобильных литотрипторов.
Использование роботизированной навигации и ИИ для автоматической фокусировки.

Преимущества и ограничения методов литотрипсии

Метод	Преимущества	Ограничения
ЭУВЛ	Безинвазивность, амбулаторность	Неэффективность при очень плотных камнях
Лазерная	Высокая точность, любой состав	Инвазивность, высокая стоимость оборудования
Ультразвуковая	Одновременная аспирация	Требуется контакт, ограничено по плотности
Пневматическая	Простота, дешевизна	Меньшая точность, риск травм
Электрокинетическая	Комбинирует преимущества пневмо- и УЗ-методов	Мало распространена, требует доработки систем

Роль медицинского физика

Медицинский физик играет важную роль в обеспечении безопасности и эффективности процедур литотрипсии. Он участвует в:

Калибровке оборудования.
Контроле параметров фокусировки.
Расчёте оптимальной дозы.
Оценке остаточного камнеобразного материала.
Разработке методик обучения персонала.

Физические знания об акустике, теплообмене, прочности материалов, оптике и электромагнитных процессах необходимы для точной настройки и оценки результатов процедуры.