0 引言

    沖擊波醫(yī)學(xué)是一門運(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調(diào)節(jié)治療強(qiáng)度，缺乏一個(gè)定量統(tǒng)一的指標(biāo)來指導(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)成為目前困擾國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者的難題^[6]。

    針對(duì)以上問題，白曉偉等人采用水聽器對(duì)沖擊水下壓力波形進(jìn)行了測(cè)定^[7]。德國慕尼黑大學(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(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調(diào)節(jié)，缺乏定量的指標(biāo)來指導(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，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)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)