《Advanced Science》：Ejecta-Modulated Bubble Dynamics Play a Dominant Role in Stone Retropulsion
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本研究通过高速成像与OCT技术，首次揭示了激光碎石术中结石反冲运动的主要物理机制并非传统的喷出物反冲动量，而是由喷出物（ejecta）所调制的空泡（vapor bubble）动力学主导。这一发现颠覆了传统认知，为优化激光碎石策略（如间距调控、脉冲整形）提供了全新物理依据，对提升手术效率和安全性具有重要意义。
1 引言
在激光碎石术中，一个困扰手术效率的难题是结石反冲，即结石在治疗过程中不期望地远离激光光纤。传统理论将此运动归因于激光消融过程中喷出物的反冲动量。然而，当消融产率低或处于非接触状态时，这一“喷出物中心论”便无法充分解释物理机制。在这些条件下，激光吸收液体产生的空泡，其剧烈的膨胀与溃灭（collapse）动力学可能成为结石运动的主要驱动力。本研究旨在系统地探究不同光纤-结石间距下，喷出物与空泡动力学对结石运动的相对贡献，以期阐明其背后的主导机制。
2 结果与讨论
2.1 在水和空气中SD = 0.5 mm的实验
本研究首先考察了代表近接触碎石条件的0.5 mm间距。使用临床钬激光系统对自由悬浮的Begostone模型发射单脉冲，并利用高达每秒500万帧的超高速成像和光学相干层析技术进行捕捉。实验表明，结石运动与主空泡的膨胀和溃灭同步发生，无延迟。在水中，结石经历复杂的振荡瞬态运动；而在空气中，虽然观察到相似的净位移，但初始响应延迟，且无振荡。这提示水中的空化动力学扮演了更复杂且重要的角色。值得注意的是，喷出物质量随脉冲次数增加而减少，但空泡驱动的力持续存在并主导反冲，这对反冲动量假说提出了挑战。
2.2 不同间距下的实验
2.2.1 接触模式
在接触模式下，空泡膨胀受到光纤与结石邻近性的约束，导致快速溃灭。尽管喷出物负载随着脉冲次数减少，反冲速度却增加。这一观察结果不支持喷出物反冲假说，而指向空泡溃灭动力学的增强贡献。
2.2.2 非消融模式
在间距大于消融阈值时，激光能量被限制在空泡内，不发生材料移除。尽管如此，结石仍会经历由附近空泡动力学驱动的振荡推拉运动。这表明，即使没有喷出物，空泡溃灭的邻近性和不对称性也能驱动反冲。
2.2.3 喷出物调制模式
在间距为1 mm时，观察到最强的空泡溃灭与最大的结石接触面积。然而，由于在达到拐点前经历了三个明显的阻尼振荡周期，能量耗散导致最终的反冲速度相对较低。这再次表明，结石运动与空泡溃灭动力学的耦合效率，而非单纯的喷出物动量，是关键因素。
2.3 激光-结石相互作用的标度行为
研究引入了一个基于射流速度假说的标度框架，将结石运动幅度主要归因于溃灭射流所传递的动量。通过归一化间距等参数，数据得到有效聚合，表明反冲速度与射流特征速度之间存在强相关性。研究还发现，弹坑的深宽比等几何形状会影响射流的聚焦和耦合效率。
2.4 喷出物调制空泡致结石运动的多变量标度分析
为了定量描述喷出物调制空泡溃灭的主导作用，研究建立了基于量纲齐次性原则的多变量标度模型。该模型将归一化的反冲速度表达为几何、时间和形态参数的函数，成功解释了大部分实验数据方差。回归分析揭示了短脉冲与长脉冲条件下不同的主导物理机制：短脉冲反冲由冲动的、时间集中的能量释放和光纤-结石对位敏感性主导；而长脉冲反冲则更多地受弹坑几何演化调制的、逐渐聚焦的空泡溃灭所控制。
2.5 本文假说：喷出物调制的空泡溃灭主导反冲
本文提出的核心假说认为，结石反冲动量主要受三个因素支配：拐点处结石的瞬时速度、溃灭期间液体射流的速度，以及射流与结石之间的动量耦合效率。所有这些因素都主要由空泡的时空演化决定，而喷出物通过塑造弹坑几何形状来调制空泡形态和溃灭不对称性，进而影响最终的动量传递。
2.6 临床意义
研究发现，临床相关的反冲主要发生在非接触条件下，并由空泡溃灭冲量而非消融反冲主导。因此，维持一个小的、可控的近接触间隙，并采用扫描技术而非单点钻孔，有助于在提升消融效率的同时，最大限度地减少结石位移。
2.7 局限性与未来方向
本研究在可控条件下照射同一位置，可能高估了弹坑进展程度和反冲速度。未来工作需在更广泛的激光参数和结石条件下进行验证，并将模型扩展到多空泡相互作用等更复杂的临床场景。
3 总结
本研究表明，激光碎石术中的结石反冲主要由空泡溃灭而非喷出物反冲主导。喷出物主要作为反冲的调制者，通过塑造空泡动力学和弹坑几何形状来影响后续的动量传递。短脉冲依赖于冲动性空泡溃灭，对光纤定位敏感；而长脉冲则受益于渐进的弹坑加深和增强的射流-结石耦合。这一“喷出物调制的空化”框架阐明了结石运动的物理基础，为优化碎石术及其他激光-流体应用中的脉冲参数和操作协议提供了指导。
4 实验部分
实验使用钬激光在两种模式下进行：短脉冲和长脉冲。采用Begostone结石模型，通过高精度定位控制光纤-结石间距。使用高速相机跟踪结石运动，使用光学相干层析技术表征弹坑形态，并使用超高速相机捕捉喷出物动力学。所有统计分析均基于多次独立实验数据。
