0 引言

    沖擊波醫(yī)學是一門運用沖擊波原理，治療局部病灶、加速組織修復，從而使患者早日康復的科學^[1]。早在1980年，CHAUSSY C等人開創(chuàng)性地將沖擊波應(yīng)用于腎結(jié)石的治療并取得成功，標志著沖擊波治療術(shù)這種變革性非手術(shù)治療法的問世^[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，在骨科、康復科、運動醫(yī)學等領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢，現(xiàn)已逐漸發(fā)展成為一門新興的醫(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度，而改變治療強度，需要調(diào)節(jié)激發(fā)壓力、激發(fā)頻率和探頭型號3個參數(shù)^[4]。同時醫(yī)生只能依賴臨床經(jīng)驗以及患者的感官感受來調(diào)節(jié)治療強度，缺乏一個定量統(tǒng)一的指標來指導調(diào)節(jié)治療強度^[5]?，F(xiàn)有方式操作繁瑣且盲目性太強，不利于沖擊波在臨床上的精準應(yīng)用，這已經(jīng)成為目前困擾國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者的難題^[6]。

    針對以上問題，白曉偉等人采用水聽器對沖擊水下壓力波形進行了測定^[7]。德國慕尼黑大學CS?ASZAR N B M等人提出用沖擊波的第一個波峰壓力值作為表征治療強度的指標，但僅考慮了一種型號的探頭^[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度的統(tǒng)一指標，用定量的物理參數(shù)來表征治療強度這一定性概念。然后搭建了高精度水下動態(tài)壓力測量系統(tǒng)，對沖擊波在介質(zhì)中的壓力波形進行測定。為了確保所測壓力波形的正確性，利用激光多普勒測振儀對沖擊波波源的振動波形進行測量。對比兩者時域波形和頻域頻譜圖，驗證了系統(tǒng)所測壓力波形的正確性。最后經(jīng)過多次重復實驗，根據(jù)系統(tǒng)采集的壓力波形，計算不同測試條件下的能流密度，選定了最佳的測試條件。本文提出將能流密度作為表征沖擊波治療強度的定量評價指標，為其應(yīng)用于臨床精準治療提供了參考。

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)生過程如圖1所示：治療儀主機內(nèi)壓縮機產(chǎn)生的壓縮氣體以指定頻率瞬間釋放，驅(qū)動氣壓彈道內(nèi)的金屬撞塊（類似運動活塞）獲得加速度，撞塊高速運動后撞擊剛性探頭，在探頭另一端產(chǎn)生沖擊波，通過探頭端面作用于人體組織。

    在目前臨床治療中，通過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3個參數(shù)，可以產(chǎn)生不同強度的沖擊波，用于治療不同的病癥。而以上3個參數(shù)主要根據(jù)醫(yī)生的臨床經(jīng)驗和患者的直觀疼痛感受來調(diào)節(jié)，缺乏定量的指標來指導調(diào)節(jié)，并且操作相對復雜，盲目性太強，不利于進行科學定量的治療。

1.2 能量表征

    早在1998年，國際電工學會（International Electro Technical Commission，IEC）就提出使用“能流密度”的概念來表征流體中機械波的能量^[9]。沖擊波同樣是一種機械波。針對沖擊波臨床應(yīng)用中存在的問題，本文將激發(fā)壓力、激發(fā)頻率和探頭型號3個參數(shù)的調(diào)整統(tǒng)一用能流密度的變化來表示，將能流密度作為表征臨床沖擊波治療強度的定量評價指標，用于指導治療過程中精準調(diào)節(jié)治療強度。

    能流密度（Energy flux Density，ED）是衡量流體中機械波能量的常用參數(shù)，描述單位面積能量的集中度，計量單位用毫焦/平方毫米（mJ/mm²）表示^[10]，可以作為表征沖擊波治療強度的綜合性指標。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)_擊波能流密度測定

2.1 實驗設(shè)計

    由式（1）可知，想要測定沖擊波的能流密度，需要測量沖擊波在流體中的瞬時壓力波形。在實際臨床中，沖擊波是通過組織液傳遞到病灶，實際環(huán)境并不適合壓力波形的測量。本文設(shè)計搭建了水下高精度動態(tài)壓力測量系統(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)，實驗測量發(fā)散式?jīng)_擊波在介質(zhì)中的壓力波形。

    實驗測量系統(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)(本實驗為生理鹽水)中產(chǎn)生壓力信號，壓電傳感器接收壓力信號并轉(zhuǎn)化為電信號，采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C上，由上位機軟件完成波形成像和數(shù)據(jù)處理。

    實驗選用瑞士Electro Medical Systems(EMS)公司設(shè)計的Swiss Dolorclast型號氣壓彈道式?jīng)_擊波治療儀。該治療儀附帶3種型號治療探頭(6 mm、10 mm、15 mm)，本實驗所用治療儀各項參數(shù)如表1所示。

    本實驗中，對發(fā)散式?jīng)_擊波信號的檢測屬于低能量精準測量，實驗平臺的微小晃動都有可能作為噪聲信號混入真實的沖擊波信號中，因此搭建了高精度、高靈敏度的實驗平臺，如圖3所示。平臺主要包括兩部分：傳感器部分和治療手柄控制部分。傳感器安裝在水平臺上，水平臺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個高精度絲杠導軌來控制治療手柄在三維空間中的位置，其中Z軸安裝高精度步進電機，用于精確改變探頭端面與傳感器之間的相對距離，研究測量距離對檢測結(jié)果的影響。該平臺穩(wěn)定性好，多次實驗重復度高，實驗參數(shù)微調(diào)性強。

    實驗前，需要對搭建的壓力測量系統(tǒng)的靈敏度進行標定，多次實驗取平均值得到測量系統(tǒng)的靈敏度為20.541 kPa/V，即壓力值與傳感器所測電壓值之間的關(guān)系為：

2.2 壓力波形的測量

2.2.1 介質(zhì)中壓力波形的測量

    利用以上壓力測試系統(tǒng)對治療探頭產(chǎn)生的沖擊波在介質(zhì)中的壓力波形進行測量。

    實驗中有3個參數(shù)影響壓力波形：壓縮機的激發(fā)壓力P₀、激發(fā)頻率f和探頭與傳感器之間距離L。實驗結(jié)果顯示，P₀和L兩個參數(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的波形圖，圖中30條豎線顯示了30 s內(nèi)采集的30個壓力波形圖，可以發(fā)現(xiàn)單個壓力波形持續(xù)的時間很短，相鄰兩個壓力波形相距很遠，實驗證實當激發(fā)頻率增加到20 Hz時，彼此仍然不會發(fā)生重疊，沒有相互影響。

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

    在得到時域波形圖的基礎(chǔ)上，對所采得數(shù)據(jù)進行頻域分析，研究所測信號在頻域上的特點。15 mm探頭壓力波形頻譜圖如圖6所示，所測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]，而且所測波形在48.91 kHz、95.1 kHz存在兩個頻率尖峰。

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

2.2.2 波源處振動波形的測量

    2.2.1小節(jié)中分別從時域、頻域兩個角度對采集到的介質(zhì)中的壓力波形進行了分析，為了進一步驗證實驗系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的正確性和可行性，從振動波源出發(fā)，利用激光多普勒測振儀對沖擊波的波源，即沖擊波治療儀手柄探頭的振動位移進行測量。如圖7所示，波源的振動波形與圖5介質(zhì)中的壓力波形，兩者在時域上波形類似，具有持續(xù)時間短、瞬間峰值高的特點。

    同樣，對波源振動波形進行頻域分析，頻譜圖如圖8所示，發(fā)現(xiàn)同樣存在兩個頻率尖峰：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，發(fā)現(xiàn)不同型號探頭振動頻譜圖中均具有兩個頻率尖峰，且頻率值與探頭型號有關(guān)。如表2所示，不同型號探頭在介質(zhì)中和波源處的頻譜圖存在對應(yīng)關(guān)系。

    從時域和頻率兩個角度，對比介質(zhì)中壓力波形和波源處振動波形，驗證了實驗所設(shè)計高精度水下動態(tài)壓力測量系統(tǒng)的正確性和可行性。

2.3 實驗結(jié)果

    利用2.2小節(jié)中所得壓力波形數(shù)據(jù)，按照式(1)計算不同測試條件下的能流密度。已經(jīng)證實激發(fā)頻率f對單個壓力波形無影響，故僅改變探頭傳感器之間距離L和激發(fā)壓力P₀。實驗測量5個不同距離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15 mm型號探頭進行實驗測量，并根據(jù)式(1)計算不同測試條件下的能流密度ED，同樣測試條件下進行20組實驗，計算平均值。結(jié)果如圖9所示，能流密度范圍為0.030 mJ/mm²～0.543 mJ/mm²，當L>10 mm時，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，理論上測量距離L應(yīng)該越小越好，但是如果距離太近，沖擊波會在傳感器和探頭端面之間發(fā)生反射，影響測量結(jié)果，本實驗選定5 mm為最佳測量條件。

    在最佳測試條件下，對6 mm和10 mm探頭進行同樣的實驗并計算能流密度。將3種型號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和激發(fā)壓力，而不是盲目地憑借經(jīng)驗更改探頭型號和調(diào)節(jié)激發(fā)壓力，使得操作更加便捷，治療準確度更高，達到精準治療的目的。

3 結(jié)論

    針對臨床上缺少統(tǒng)一定量指標表征發(fā)散式?jīng)_擊波治療強度的問題，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度的評價指標。搭建實驗系統(tǒng)，完成了3種型號探頭在不同激發(fā)壓力下能流密度的測量，擬合出的曲線可以指導醫(yī)生在臨床治療中更加便捷準確地選擇合適的治療強度。為進一步提高擬合曲線的準確度，可以進行更多組數(shù)據(jù)的測量，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)頻率和探頭型號之后，實時顯示當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確地調(diào)節(jié)治療強度。本文研究有助于表征發(fā)散式?jīng)_擊波的臨床治療強度，對推動沖擊波精準應(yīng)用于臨床治療具有重要意義。

參考文獻

[1] MITTERMAYR R，ANTONIC V，HARTINGER J，et al.Extracorporeal shock wave therapy(ESWT) for wound healing：technology，mechanisms，and clinical efficacy[J].Wound Repair & Regeneration，2012，20(4)：456-465.

[2] CHAUSSY C，BRENDEL W，SCHMIEDT E.Extracorporeally induced destructionof kidney stones by shock waves[J].Lancet，1980，2(8207)：1265-1268.

[3] 郭應(yīng)祿.體外沖擊波在復雜腎結(jié)石治療中的應(yīng)用[J].醫(yī)師進修雜志，1990(7)：3-4.

[4] 張海龍，馬鐵華，謝銳，等.基于雙閃存的大容量沖擊波超壓測試系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(11)：85-88.

[5] ROMEO P，LAVANGA V，PAGANI D，et al.Extracorporeal shock wave therapy in musculoskeletal disorders：a review[J].Medical Principles & Practice International Journal of the Kuwait University Health Science Centre，2013，23(1)：7-13.

[6] 俞志根.高精度壓力測控系統(tǒng)的試驗研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34(11)：38-40.

[7] 白曉偉，李眾利，張浩，等.發(fā)散式?jīng)_擊波儀器精確作用研究[J].中國醫(yī)療器械雜志，2014，39(1)：26-29.

[8] CSASZAR N B M，ANGSTMAN N B，MILZ S，et al.Radial shock wave devices generate cavitation[J].Plos One，2015，10(10)：e0140541.

[9] FOLDAGER C B，KEARNEY C，SPECTOR M.Clinical application of extracorporeal shock wave therapy in orthopedics：focused versus unfocused shock waves[J].Ultrasound in Medicine & Biology，2012，38(10)：1673-1680.

[10] 中國研究型醫(yī)院學會沖擊波醫(yī)學專業(yè)委員會.骨肌疾病體外沖擊波療法專家共識[J].中國醫(yī)學前沿雜志(電子版)，2014(6)：170-177.

[11] DE WINDT T S，HENDRIKS J A，Zhao Xing，et al.Concise review: unraveling stem cell cocultures in regenerative medicine: which cell interactions steer cartilage regeneration and how[J].Stem Cells Translational Medicine，2014，3(6)：723-733.

[12] SCHMITZ C，CSASZAR N B M，ROMPE J D，et al.Treatment of chronic plantar fasciopathy with extracorporeal shock waves(review)[J].Journal of Orthopaedic Surgery and Research，2013，8(1)：31.

作者信息:

陳世利，王  哲，白志亮，曾周末

（天津大學 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津300072)