За последние десятилетия заболеваемость мочекаменной болезнью значительно возросла, и в настоящее время примерно каждый одиннадцатый житель Земли страдает от данного заболевания [1]. Несмотря на технологические достижения в области хирургических методов лечения, частота повторных вмешательств высока и составляет от 26 до 34% в зависимости от вида операции [2].

Ранее открытая операция являлась единственным способом удаления камней из почек и мочевыводящих путей. Поэтому настоящей революцией можно было назвать представление в 1980 году первого аппарата для дистанционной ударно-волновой литотрипсии (ДУВЛ) Dornier HM-1 [3]. История ударно-волновой литотрипсии фактически началась с авиации. Во время гиперзвукового полёта под дождём устойчивость конструкции самолёта подвергалась серьёзным испытаниям: капли дождя создавали ударные волны, которые не только разрушали материал в точке удара, но и вызывали повреждение внутренней части обшивки. Изучение этого феномена и семь лет экспериментальных исследований привели к созданию Dornier HM-1, а 7 февраля 1980 года была проведена первая экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия. Потребовалось ещё три года клинических исследований, прежде чем этот метод стал применяться на международном уровне [4].

Во время ДУВЛ фрагментация камня в почке достигается двумя способами. Первый – прямое приложение акустической энергии, сфокусированной на поверхности камня, которая вырабатывается электрогидравлическим, электромагнитным или пьезоэлектрическим источником. Вторая – косвенная энергия от схлопывания кавитационных пузырьков, которые образуются на поверхности камня [5]. Разрушение камня похоже на разрушение любого хрупкого объекта, оно может рассматриваться как процесс, при котором трещины образуются, растут и сливаются в результате внутреннего напряжения, к примеру, создаваемого ударной волной литотриптера. Предполагается, что при сжатии ударная волна шире, но короче, чем камень, и распространяется в жидкости вдоль боковой поверхности камня, создавая окружное напряжение на камень. Eisenmenger предположил, что скорость волны в жидкости намного меньше, чем скорость упругой волны в камне, что означает, что продольная волна двигается вдоль камня, оставляя тонкую ударную волну в жидкости, которая окружает и сжимает камень квазистатическим образом. В результате этого напряжение растяжения создаётся около ближнего и дальнего концов камня, что способствует разрушению параллельно направлению распространения волны (рис. 1).

Поскольку скорость поперечной волны в камне близка к скорости звука в воде, волна сжатия усиливает поперечную волну, которая усиливает напряжение внутри камня[6]. Однако камни, состоящие из брушита, моногидрата оксалата кальция и цистина, остаются резистентными к ДУВЛ [7].

Литотриптор Dornier HM-3 обладал высокой стоимостью и довольно сложной конструкцией, а пациент (находясь под общей анестезией; позднее эти операции стали проводить и под спинальной анестезией) во время процедуры должен был лежать в ванне, заполненной водой. Несмотря на эти неудобства, аппарат был достаточно успешен. Эффективность первых установок ДУВЛ была обусловлена тем, что они генерировали широко сфокусированные импульсы с относительно низкими амплитудами давления [8].

Современные аппараты ДУВЛ значительно более эргономичны, так как более компактны, не требуют нахождения пациента в ванне и обладают возможностью комбинированного наведения (рентгеновского и ультразвукового). Они обеспечивают высокое пиковое давление (30 – 100 МПа) в одном цикле с низкой скоростью (≤ 2 Гц). Но такое пиковое давление приводит к избыточному образованию кавитационных пузырьков. В свою очередь кавитационные пузырьки создают барьер и препятствуют контакту следующих волн с камнем и, соответственно, снижают эффективность литотрипсии.

Недостаточная эффективность ДУВЛ, высокая частота повторных вмешательств привели к тому, что предпочтения специалистов при выборе метода удаления камней стали смещаться в сторону эндоскопических подходов, таких как чрескожная нефролитотрипсия и гибкая уретерореноскопия [9]. Так, если в 2003 году в США на долю дистанционной литотрипсии приходилось 54% всех хирургических вмешательств по поводу уролитиаза, то в 2013 году – уже 36,3% [6].

В поисках улучшения результатов дистанционной литотрипсии стали исследоваться альтернативные методики. В 2010 году A. Shah et al. продемонстрировали прототип устройства, которое использует фокусированный ультразвук для перемещения камней внутри тканевого фантома. Сила акустического излучения возникает в результате передачи импульса акустической волны объекту и является одним из примеров явления, связанного с формами волнового движения. При корректном фокусировании волн на камне его можно направлять так, как это необходимо [10]. Прототип устройства состоял из двух кольцевых датчиков и работал при следующих параметрах: акустическая мощность – 5 – 40 Вт, рабочий цикл – 50%, длительность импульса – 2 – 5 секунд и пиковое отрицательное давление – 20 МПа. Впоследствии эта система была модифицирована до одного датчика диаметром 6 см и частотой работы 350 кГц. Он использовался как для визуализации, так и для и репозиции камня. Модифицированный датчик обеспечивал более широкую ширину луча, большую глубину фокусировки и длительность импульса. Также были изменены рабочие параметры: трёхсекундные импульсы при 50% рабочем цикле и пиковом отрицательном давлении 2,4 МПа в течение 10 минут. Методика получила название «ultrasonic propulsion» (UP), или «ультразвуковая пропульсия» (рис. 2). Опубликованы предварительные результаты: 65 пациентам была проведена UP с успешной репозицией камней разной локализации. Контроль эффективности методики проводился с помощью УЗИ и эндоскопии. UP была способна перемещать камни размером до 7 мм в 95% случаев на расстояние более 3 мм [11].

Ещё одна технология на основе сфокусированного ультразвука появилась в 2015 году. Она основана на исследованиях импульсов сфокусированных ультразвуковых волн высокой интенсивности, используемых для фрагментации камня путём создания облака кавитационных пузырьков [12]. Технология получила название «Burst wave lithotripsy» (BWL) [1]. Интерес к более низким амплитудам энергии волны возник из наблюдения, что самый первый коммерческий литотриптор Dornier HM3 обладал большей эффективностью, чем последующие поколения литотрипторов, поскольку он доставлял импульсы с более низкой амплитудой в более широкую фокальную зону [6]. Эта особенность снижала чрезмерное образование пузырьков, происходящее во время кавитации. Известно, что при ДУВЛ соотношение положительной и отрицательной энергии, передаваемой за четыре микросекунды, составляет 5:1, тогда как BWL обеспечивает синусоидальный всплеск волн с соотношением 1:1 в течение 0,5 микросекунд, а амплитуда волны значительно ниже (6,5 МПа против 40,0 МПа), чем амплитуда, наблюдаемая при стандартной ДУВЛ (рис. 3) [6].

Таким образом, короткие всплески синусоидальных импульсов меньшей амплитуды в сравнении с ДУВЛ минимизировали чрезмерное образование кавитационных пузырьков, повышая эффективность и контролируемость фрагментации. Также это позволило минимизировать облучение пациента и персонала, так как мониторинг во время литотрипсии осуществляется с помощью УЗИ. Проблема снижения воздействия ионизирующего излучения при лечении нефролитиаза является очень актуальной, особенно учитывая увеличение уровня радиации на душу населения за последние 20 лет почти на 600% [13]. В первых исследованиях BWL in vitro использовали искусственные камни с характеристиками, аналогичными характеристикам уратов, струвитов и цистиновых камней [6]. Камни имели размер от 5 до 15 мм в наибольшем диаметре и были закреплены на акустически проницаемых мембранах.

Продолжительность процедуры, необходимой для фрагментации камня, и размер фрагментов больше всего зависели от типа камня. Уратные камни фрагментировались наиболее быстро (0,17 – 1,40 минуты), затем следовали струвит (0,07 – 2,02 минуты), кальций оксалатные камни (8,0 – 18,1 минуты) и цистиновые камни (10,3 – 21,3 минуты). Более мелкие фрагменты были получены при создании волн более высокой частоты [14].

Безопасность BWL изучалась на животных. Повреждение ткани во время проведения BWL обнаруживалось в режиме реального времени и проявлялось в виде повышенной эхогенности на ультразвуковом изображении. Повышение эхогенности на протяжении более 20 секунд продемонстрировало 100% корреляции с повреждением почек [15]. В экспериментах на животных была отмечена картина геморрагического повреждения почек, схожая с повреждениями после ДУВЛ. При этом объём поражения был значительно меньше (0,1%) по сравнению с 5% при ДУВЛ [1]. Считается, что механизм повреждения заключается в том, что быстрое образование кавитационных пузырьков и их схлопывание во время BWL вызывает механические повреждения мелких сосудов. В исследовании по оценке безопасности BWL, проводимом на свиньях, удалённые из почек людей камни, состоящие из моногидрата оксалата кальция, были хирургическим путём имплантированы в свиные почки. Затем проводились сеансы BWL в разных режимах в течение 30 минут. Последующие МРТ и гистологическое исследование не выявили повреждения паренхимы почек, хотя отмечались признаки петехиального кровоизлияния и поверхностной эрозии участков уротелия, непосредственно контактирующих с камнем [16].

По мере того, как разработки UP и BWL клинически изучаются, обнаруживаются определенные ограничения этих методик. При нынешней конструкции ультразвукового датчика объект (например, камень в почке или фрагмент камня) можно перемещать только в одном направлении (от датчика). Однако недавняя работа, проделанная исследовательской группой из Вашингтонского университета, была направлена на манипулирование объектами в трёхмерном пространстве [17].

Идея «акустического пинцета» (перемещения небольших объектов с помощью звуковых волн) не является новшеством. Ранее были описаны работы с использованием акустических волн для управления небольшими, лёгкими объектами в воздушной и жидкой среде. Исследователи в Вашингтонском университете совместно с NASA (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) изучают возможности использования «акустического пинцета» в клинической практике для перемещения камней в почках в различных направлениях. Эта технология получила название Tractor (vortex) beam [17].

С целью повышения эффективности технологии BWL было принято решение совместить её с технологией UP. Во время эксперимента in vitro сочетание BWL с доработанной системой Propulse-1 позволило успешно фрагментировать 89% всех камней [18].

При чередовании BWL и UP фрагментация камней увеличивалась в 4,6 раза по сравнению с только BWL. У этой корреляции есть логичные объяснения:

1) первая ультразвуковая пропульсия облегчает отделение рыхлых, ослабленных фрагментов от поверхности камня;

2) переориентация камня перераспределяет напряжение и приводит к образованию новых трещин в камне;

3) UP предотвращает скопление кавитационных пузырьков, которые могут создавать барьерный эффект;

4) UP усиливает повреждение камня за счёт образования трещин под напряжением и увеличения колебаний кавитационных пузырьков [15].

В исследовании K. Maeda et al. результаты моделирования показали, что величина энергетической защиты за счёт тонкого слоя кавитационных пузырьков может достигать 90% от общей энергии волны, которая в противном случае передавалась бы в камень. Это указывает на большую потенциальную потерю эффективности BWL из-за кавитации. Кроме того, авторы обнаружили сильную корреляцию между величиной экранирования и амплитудой обратно рассеянной звуковой волны. Эту корреляцию можно использовать, например, для мониторинга величины экранирования в почках путём измерения рассеянной звуковой волны вне человеческого тела в реальном времени во время процедуры BWL и настройки параметров для минимизации экранирования во время процедуры [19][20].

В исследовании C. Hunter et al. для выяснения того, как разные типы камней влияют на кавитацию при BWL, использовали как образцы из мочевыводящих путей, так и синтетические камни. Было отмечено, что более пористые образцы (струвит, карбонатапатит) вызывают образование большего количества кавитационных пузырьков, чем менее пористые камни (кальция оксалат моногидрат). Высокую эффективность фрагментирования струвитов можно объяснить тем, что кавитационные пузырьки за счёт пористой структуры камня проникают глубже, а энергия, образующаяся при их схлопывании, усугубляет разрушение камня. Также было отмечено, что при большей гидратации образцов отмечалось заметное снижение кавитации [21].

Клинические испытания BWL на людях были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США и проводятся с августа 2019 года, завершение исследования планируется в апреле 2022 года (NCT03873259 – идентификатор исследования на портале clinicaltrials.gov). В 2020 году были опубликованы успешные промежуточные результаты BWL в сочетании с UP. Лечение проводилось при следующих параметрах: 20 циклов с частотой 350 кГц, пиковое отрицательное давление 6 МПа и частота повторения импульсов 17 Гц в течение менее 10 минут. Одному пациенту был проведен сеанс BWL с применением анестезии. Сразу после литотрипсии была выполнена эндоскопическая инспекция: камень был раздроблен на фрагменты менее 2 мм, при этом наблюдалась лишь незначительная эритема слизистой. В этом же исследовании другой пациент перенес процедуру BWL без анестезии, отметив лишь легкий дискомфорт. Единственным отмеченным нежелательным явлением была транзиторная гематурия сразу после процедуры [22].