0 引言

    沖擊波醫(yī)學(xué)是一門(mén)運(yùn)用沖擊波原理，治療局部病灶,、加速組織修復(fù),，從而使患者早日康復(fù)的科學(xué)^[1]。早在1980年,，CHAUSSY C等人開(kāi)創(chuàng)性地將沖擊波應(yīng)用于腎結(jié)石的治療并取得成功,，標(biāo)志著沖擊波治療術(shù)這種變革性非手術(shù)治療法的問(wèn)世^[2]。與傳統(tǒng)的手術(shù)治療相比,，沖擊波治療具有創(chuàng)傷小,、效果明顯、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn),，在骨科,、康復(fù)科、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，現(xiàn)已逐漸發(fā)展成為一門(mén)新興的醫(yī)療技術(shù)^[3],。

    然而，在沖擊波臨床治療應(yīng)用中,，不同病癥需要不同的治療強(qiáng)度,，而改變治療強(qiáng)度，需要調(diào)節(jié)激發(fā)壓力,、激發(fā)頻率和探頭型號(hào)3個(gè)參數(shù)^[4],。同時(shí)醫(yī)生只能依賴臨床經(jīng)驗(yàn)以及患者的感官感受來(lái)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度，缺乏一個(gè)定量統(tǒng)一的指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度^[5]?，F(xiàn)有方式操作繁瑣且盲目性太強(qiáng),，不利于沖擊波在臨床上的精準(zhǔn)應(yīng)用,，這已經(jīng)成為目前困擾國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者的難題^[6]。

    針對(duì)以上問(wèn)題,，白曉偉等人采用水聽(tīng)器對(duì)沖擊水下壓力波形進(jìn)行了測(cè)定^[7],。德國(guó)慕尼黑大學(xué)CS?ASZAR N B M等人提出用沖擊波的第一個(gè)波峰壓力值作為表征治療強(qiáng)度的指標(biāo)，但僅考慮了一種型號(hào)的探頭^[8],。本文首先分析了發(fā)散式?jīng)_擊波的產(chǎn)生原理,，提出將能流密度作為表征其臨床治療強(qiáng)度的統(tǒng)一指標(biāo)，用定量的物理參數(shù)來(lái)表征治療強(qiáng)度這一定性概念,。然后搭建了高精度水下動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng),，對(duì)沖擊波在介質(zhì)中的壓力波形進(jìn)行測(cè)定。為了確保所測(cè)壓力波形的正確性,，利用激光多普勒測(cè)振儀對(duì)沖擊波波源的振動(dòng)波形進(jìn)行測(cè)量,。對(duì)比兩者時(shí)域波形和頻域頻譜圖，驗(yàn)證了系統(tǒng)所測(cè)壓力波形的正確性,。最后經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),，根據(jù)系統(tǒng)采集的壓力波形，計(jì)算不同測(cè)試條件下的能流密度,，選定了最佳的測(cè)試條件,。本文提出將能流密度作為表征沖擊波治療強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，為其應(yīng)用于臨床精準(zhǔn)治療提供了參考,。

1 發(fā)散式?jīng)_擊波產(chǎn)生原理及能量表征

1.1 產(chǎn)生原理

    氣壓彈道式是目前發(fā)散式?jīng)_擊波最主要的產(chǎn)生形式,，其治療儀手柄處沖擊波的產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示：治療儀主機(jī)內(nèi)壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體以指定頻率瞬間釋放，驅(qū)動(dòng)氣壓彈道內(nèi)的金屬撞塊（類似運(yùn)動(dòng)活塞）獲得加速度,，撞塊高速運(yùn)動(dòng)后撞擊剛性探頭,，在探頭另一端產(chǎn)生沖擊波，通過(guò)探頭端面作用于人體組織,。

    在目前臨床治療中,，通過(guò)改變治療儀壓縮氣體的激發(fā)壓力、激發(fā)頻率和探頭型號(hào)3個(gè)參數(shù),，可以產(chǎn)生不同強(qiáng)度的沖擊波,，用于治療不同的病癥。而以上3個(gè)參數(shù)主要根據(jù)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)和患者的直觀疼痛感受來(lái)調(diào)節(jié),，缺乏定量的指標(biāo)來(lái)指導(dǎo)調(diào)節(jié),，并且操作相對(duì)復(fù)雜，盲目性太強(qiáng),，不利于進(jìn)行科學(xué)定量的治療,。

1.2 能量表征

    早在1998年，國(guó)際電工學(xué)會(huì)（International Electro Technical Commission，IEC）就提出使用“能流密度”的概念來(lái)表征流體中機(jī)械波的能量^[9],。沖擊波同樣是一種機(jī)械波,。針對(duì)沖擊波臨床應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文將激發(fā)壓力,、激發(fā)頻率和探頭型號(hào)3個(gè)參數(shù)的調(diào)整統(tǒng)一用能流密度的變化來(lái)表示,，將能流密度作為表征臨床沖擊波治療強(qiáng)度的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于指導(dǎo)治療過(guò)程中精準(zhǔn)調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度,。

    能流密度（Energy flux Density,，ED）是衡量流體中機(jī)械波能量的常用參數(shù)，描述單位面積能量的集中度,，計(jì)量單位用毫焦/平方毫米（mJ/mm²）表示^[10],，可以作為表征沖擊波治療強(qiáng)度的綜合性指標(biāo)。能流密度ED與沖擊波在介質(zhì)中的壓力p(t)之間的換算公式為：

其中,，ED為能流密度,；E為能量；A為能量作用面積,，p(t)為隨時(shí)間t變化的壓力值,；ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)中聲速,，ρ·c即為介質(zhì)聲阻抗,，生理鹽水中的聲阻抗ρ·c=1.5×10⁶ kg·m^-2·s^-1,。

2 發(fā)散式?jīng)_擊波能流密度測(cè)定

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    由式（1）可知,，想要測(cè)定沖擊波的能流密度，需要測(cè)量沖擊波在流體中的瞬時(shí)壓力波形,。在實(shí)際臨床中,，沖擊波是通過(guò)組織液傳遞到病灶，實(shí)際環(huán)境并不適合壓力波形的測(cè)量,。本文設(shè)計(jì)搭建了水下高精度動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng),，選取接近人體組織液的生理鹽水作為沖擊波傳播介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)散式?jīng)_擊波在介質(zhì)中的壓力波形,。

    實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖2所示,，由沖擊波治療儀產(chǎn)生的發(fā)散式?jīng)_擊波在傳播介質(zhì)(本實(shí)驗(yàn)為生理鹽水)中產(chǎn)生壓力信號(hào)，壓電傳感器接收壓力信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào),，采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上,，由上位機(jī)軟件完成波形成像和數(shù)據(jù)處理。

    實(shí)驗(yàn)選用瑞士Electro Medical Systems(EMS)公司設(shè)計(jì)的Swiss Dolorclast型號(hào)氣壓彈道式?jīng)_擊波治療儀,。該治療儀附帶3種型號(hào)治療探頭(6 mm,、10 mm、15 mm),，本實(shí)驗(yàn)所用治療儀各項(xiàng)參數(shù)如表1所示,。

    本實(shí)驗(yàn)中,，對(duì)發(fā)散式?jīng)_擊波信號(hào)的檢測(cè)屬于低能量精準(zhǔn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的微小晃動(dòng)都有可能作為噪聲信號(hào)混入真實(shí)的沖擊波信號(hào)中,，因此搭建了高精度,、高靈敏度的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示,。平臺(tái)主要包括兩部分：傳感器部分和治療手柄控制部分,。傳感器安裝在水平臺(tái)上，水平臺(tái)固定在容器底部中央,。圓柱形容器直徑為1 000 mm,，高度為800 mm，內(nèi)盛有生理鹽水作為沖擊波傳播介質(zhì),；由X,、Y、Z 3個(gè)高精度絲杠導(dǎo)軌來(lái)控制治療手柄在三維空間中的位置,，其中Z軸安裝高精度步進(jìn)電機(jī),，用于精確改變探頭端面與傳感器之間的相對(duì)距離，研究測(cè)量距離對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響,。該平臺(tái)穩(wěn)定性好,，多次實(shí)驗(yàn)重復(fù)度高，實(shí)驗(yàn)參數(shù)微調(diào)性強(qiáng),。

    實(shí)驗(yàn)前,，需要對(duì)搭建的壓力測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，多次實(shí)驗(yàn)取平均值得到測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度為20.541 kPa/V,，即壓力值與傳感器所測(cè)電壓值之間的關(guān)系為：

2.2 壓力波形的測(cè)量

2.2.1 介質(zhì)中壓力波形的測(cè)量

    利用以上壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)治療探頭產(chǎn)生的沖擊波在介質(zhì)中的壓力波形進(jìn)行測(cè)量,。

    實(shí)驗(yàn)中有3個(gè)參數(shù)影響壓力波形：壓縮機(jī)的激發(fā)壓力P₀、激發(fā)頻率f和探頭與傳感器之間距離L,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,，P₀和L兩個(gè)參數(shù)的大小僅影響波形的幅度，并不能改變壓力波形的形式,。圖4顯示了f=1 Hz頻率下采集壓力信號(hào)的波形圖,，圖中30條豎線顯示了30 s內(nèi)采集的30個(gè)壓力波形圖，可以發(fā)現(xiàn)單個(gè)壓力波形持續(xù)的時(shí)間很短,，相鄰兩個(gè)壓力波形相距很遠(yuǎn),，實(shí)驗(yàn)證實(shí)當(dāng)激發(fā)頻率增加到20 Hz時(shí)，彼此仍然不會(huì)發(fā)生重疊,，沒(méi)有相互影響,。

    為了更加清晰地顯示單個(gè)壓力波形的具體細(xì)節(jié)，在圖4中選取其中一個(gè)脈沖波形進(jìn)行時(shí)間軸展開(kāi)，如圖5所示,，單個(gè)壓力波形持續(xù)時(shí)間僅在10 ms以內(nèi),，再次證明激發(fā)頻率的增加并不會(huì)引起相鄰波形的相互影響，故為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn),，固定頻率為1 Hz,。圖5中第一個(gè)波峰達(dá)到8.9 V，根據(jù)式(2)計(jì)算得到波峰壓力達(dá)到182.8 kPa,。系統(tǒng)測(cè)得的壓力波形在時(shí)域上符合沖擊波持續(xù)時(shí)間短,、瞬間壓力波峰高的特點(diǎn)^[11]。圖5顯示的是15 mm型號(hào)探頭的壓力波形圖,，改變探頭類型,，發(fā)現(xiàn)6 mm和10 mm型號(hào)探頭產(chǎn)生的壓力波形均類似。

    在得到時(shí)域波形圖的基礎(chǔ)上,，對(duì)所采得數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析,，研究所測(cè)信號(hào)在頻域上的特點(diǎn)。15 mm探頭壓力波形頻譜圖如圖6所示,，所測(cè)壓力波形具有較廣的頻譜,，符合沖擊波寬頻帶的頻率特性^[12]，而且所測(cè)波形在48.91 kHz,、95.1 kHz存在兩個(gè)頻率尖峰,。

    改變探頭型號(hào)，發(fā)現(xiàn)不同探頭的壓力波形均具有較廣頻譜,，并且都存在兩個(gè)頻率尖峰,，但尖峰出現(xiàn)的頻率值與探頭型號(hào)有關(guān)。

2.2.2 波源處振動(dòng)波形的測(cè)量

    2.2.1小節(jié)中分別從時(shí)域,、頻域兩個(gè)角度對(duì)采集到的介質(zhì)中的壓力波形進(jìn)行了分析,，為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的正確性和可行性，從振動(dòng)波源出發(fā),，利用激光多普勒測(cè)振儀對(duì)沖擊波的波源，即沖擊波治療儀手柄探頭的振動(dòng)位移進(jìn)行測(cè)量,。如圖7所示,，波源的振動(dòng)波形與圖5介質(zhì)中的壓力波形，兩者在時(shí)域上波形類似,，具有持續(xù)時(shí)間短,、瞬間峰值高的特點(diǎn)。

    同樣,，對(duì)波源振動(dòng)波形進(jìn)行頻域分析,，頻譜圖如圖8所示，發(fā)現(xiàn)同樣存在兩個(gè)頻率尖峰：48.88 kHz、94.92 kHz,，與圖6中48.91 kHz,、95.1 kHz基本相同。

    改變探頭型號(hào),，發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)探頭振動(dòng)頻譜圖中均具有兩個(gè)頻率尖峰,，且頻率值與探頭型號(hào)有關(guān)。如表2所示,，不同型號(hào)探頭在介質(zhì)中和波源處的頻譜圖存在對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

    從時(shí)域和頻率兩個(gè)角度，對(duì)比介質(zhì)中壓力波形和波源處振動(dòng)波形,，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)高精度水下動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)的正確性和可行性,。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    利用2.2小節(jié)中所得壓力波形數(shù)據(jù)，按照式(1)計(jì)算不同測(cè)試條件下的能流密度,。已經(jīng)證實(shí)激發(fā)頻率f對(duì)單個(gè)壓力波形無(wú)影響,，故僅改變探頭傳感器之間距離L和激發(fā)壓力P₀。實(shí)驗(yàn)測(cè)量5個(gè)不同距離L(5 mm,、7.5 mm,、10 mm、12.5 mm,、15 mm),，調(diào)節(jié)壓縮氣體10種不同壓力P0，頻率固定為1 Hz,，對(duì)15 mm型號(hào)探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,，并根據(jù)式(1)計(jì)算不同測(cè)試條件下的能流密度ED，同樣測(cè)試條件下進(jìn)行20組實(shí)驗(yàn),，計(jì)算平均值,。結(jié)果如圖9所示，能流密度范圍為0.030 mJ/mm²～0.543 mJ/mm²,，當(dāng)L>10 mm時(shí),，能流密度ED隨P₀的變化不再明顯，為了盡量接近臨床上生物組織接收到的能量,，理論上測(cè)量距離L應(yīng)該越小越好,，但是如果距離太近，沖擊波會(huì)在傳感器和探頭端面之間發(fā)生反射,，影響測(cè)量結(jié)果,，本實(shí)驗(yàn)選定5 mm為最佳測(cè)量條件。

    在最佳測(cè)試條件下,，對(duì)6 mm和10 mm探頭進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)并計(jì)算能流密度,。將3種型號(hào)探頭輸出的能流密度ED與激發(fā)壓力P₀的關(guān)系擬合,，擬合曲線如圖10所示。在臨床治療中,，醫(yī)生可以根據(jù)不同病癥需要的治療強(qiáng)度選擇合適的能流密度,，然后根據(jù)該擬合曲線選擇合適的探頭型號(hào)和激發(fā)壓力，而不是盲目地憑借經(jīng)驗(yàn)更改探頭型號(hào)和調(diào)節(jié)激發(fā)壓力,，使得操作更加便捷,，治療準(zhǔn)確度更高，達(dá)到精準(zhǔn)治療的目的,。

3 結(jié)論

    針對(duì)臨床上缺少統(tǒng)一定量指標(biāo)表征發(fā)散式?jīng)_擊波治療強(qiáng)度的問(wèn)題,，本文在分析了發(fā)散式?jīng)_擊波產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，選擇能流密度作為表征其治療強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo),。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，完成了3種型號(hào)探頭在不同激發(fā)壓力下能流密度的測(cè)量，擬合出的曲線可以指導(dǎo)醫(yī)生在臨床治療中更加便捷準(zhǔn)確地選擇合適的治療強(qiáng)度,。為進(jìn)一步提高擬合曲線的準(zhǔn)確度,，可以進(jìn)行更多組數(shù)據(jù)的測(cè)量，將曲線函數(shù)集合到治療儀中,，在設(shè)置完激發(fā)壓力,、激發(fā)頻率和探頭型號(hào)之后，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前條件下的能流密度,，醫(yī)生就可以根據(jù)能流密度的大小更加便捷準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度,。本文研究有助于表征發(fā)散式?jīng)_擊波的臨床治療強(qiáng)度，對(duì)推動(dòng)沖擊波精準(zhǔn)應(yīng)用于臨床治療具有重要意義,。

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作者信息:

陳世利，王  哲,，白志亮,，曾周末

（天津大學(xué) 精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)