本發(fā)明涉及沖擊波能量測量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法。

背景技術(shù)：

沖擊波是一種結(jié)合了聲學、光學、力學特性的機械波，經(jīng)探頭發(fā)出后，能在極短的時間內(nèi)達到500bar(1bar＝0.1mpa)高峰壓。由于其獨特的特性，沖擊波能夠輕易穿過體表組織到達病灶位置，有效促進損傷修復愈合。

早在1980年，chaussy等^[1]就將沖擊波用于腎結(jié)石的治療并取得了極大的成功，隨后該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于非侵入性治療肌肉骨骼系統(tǒng)和其他軟組織疾病等各個領(lǐng)域。醫(yī)用沖擊波的產(chǎn)生方式主要有壓電式、電動液壓式、電磁式和氣壓彈道式，前三種產(chǎn)生的都是聚焦式?jīng)_擊波，能量發(fā)出后聚焦于一點。氣壓彈道式?jīng)_擊波是由壓縮空氣(或電磁場)作用于彈道內(nèi)的金屬子彈，子彈加速撞擊彈道末段的探頭之后產(chǎn)生的，能量通過探頭另一端接觸人體皮膚后非侵入地傳遞到人體組織中。有研究表明氣壓彈道式?jīng)_擊波的物理特性與聚焦式?jīng)_擊波完全不同，能量從探頭發(fā)出后逐步向周圍擴散，沒有聚焦區(qū)域，更有利于損傷組織的修復^[2]。

1998年，為了規(guī)范治療骨科疾病時沖擊波使用的劑量，國際電工學會(internationalelectrotechnicalcommission,iec)提出“能流密度”的概念，是指單次沖擊波脈沖在單位面積上的能量，通過脈沖強度的積分計算所得，目前是被廣泛采用的計算標準。

rompe等人^[3]通過觀察不同能流密度的沖擊波對新西蘭兔跟腱的損傷情況，將沖擊波及其對正常組織的損傷作用分為三級：低于0.08mj/mm²為低能量沖擊波，對組織沒有損傷作用；接近于0.28mj/mm²為中能量沖擊波，在組織局部能引起炎癥反應(yīng)；高于0.6mj/mm²為高能量沖擊波，對組織有明顯損傷作用。盡管這個結(jié)論還不完善，但對沖擊波的臨床應(yīng)用無疑具有重要的指導意義。

影響發(fā)散式?jīng)_擊波的物理指標有很多，包括：激發(fā)壓力、距離、頻率、持續(xù)時間、探針形狀等。盡管沖擊波應(yīng)用于醫(yī)療治療領(lǐng)域時間已久，但對于不同的發(fā)病部位、不同的癥狀、復雜的病情，目前依然沒有指導標準系統(tǒng)性的評價沖擊波能量與治療效果之間的關(guān)系，大多依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗。隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的不斷革新，發(fā)散式?jīng)_擊波會被越來越多地應(yīng)用到治療修復中，且會由體外治療向體內(nèi)再生醫(yī)療不斷發(fā)展，因此更需要精確控制其能量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法，本發(fā)明通過改變作用距離、激發(fā)壓力和探針形狀，定量研究不同參數(shù)對沖擊波能量的影響，詳見下文描述：

一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法，所述發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法包括以下步驟：

搭建壓力傳感器標定系統(tǒng)，標定壓力傳感器靈敏度值；搭建沖擊波能量檢測系統(tǒng)，獲取壓力傳感器輸出的沖擊波壓力信號；

使用國際通用的能流密度概念計算沖擊波能量；

依次改變沖擊波激發(fā)壓力、探針端面與傳感器之間距離、以及三種探針形狀，研究三個參數(shù)對沖擊波能量的影響，即，

壓力一定時，距離越大檢測到的聲壓值越小，能量越?。浑S著距離增加，能量減小速度逐漸變慢，能量接近沿單一方向傳播；

距離一定時，沖擊波能量隨激發(fā)壓力增加而增大，距離較大時，增加較為緩慢；

探針端面為凹面時的沖擊波能量大于凸面形狀；探針粗細對能量有影響。

所述搭建沖擊波能量檢測系統(tǒng)包括：

傳感器、手柄控制臺、沖擊波治療機、預設(shè)能量大小的手柄、以及三種不同的探針；

所述傳感器固定在一個水平臺上，所述水平臺固定在一個盛有水的容器中，水作為沖擊波傳播的介質(zhì)用來模擬組織液；

所述手柄控制臺由x、y、z三個高精度導軌組成，其中x軸、y軸通過絲杠改變位置，z軸通過步進電機精確控制三種不同的探針與所述傳感器之間的距離。

所述三種不同的探針為：

自制凹面式和凸面式探針，長均為200mm，直徑均為5mm，材料為不銹鋼；治療機自帶發(fā)散沖擊式探針長50mm，直徑為15mm。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1.發(fā)散式?jīng)_擊波已經(jīng)廣泛應(yīng)用于骨骼、肌肉疼痛及皮膚病變等領(lǐng)域的治療中，但目前沒有一種統(tǒng)一的方法衡量沖擊波能量與相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系，無法精確控制能量，本發(fā)明提出一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法，取得了很好的結(jié)果；

2.為得到穩(wěn)定的測量環(huán)境并能夠重復測量，本發(fā)明搭建了穩(wěn)定度好、控制精度高的實驗平臺；

3.本發(fā)明使用了三種探針，通過多次實驗取平均值得出了在不同測量距離、不同激發(fā)壓力下1s時間內(nèi)的能量值；

4.本發(fā)明總結(jié)了發(fā)散式?jīng)_擊波隨測量距離、激發(fā)壓力、探針形狀等參數(shù)之間變化的規(guī)律，為沖擊波精準醫(yī)療提供了數(shù)據(jù)支持。

附圖說明

圖1為一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法的流程圖；

圖2為發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量實驗平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為凹面探針在10mm距離、3.9bar壓力條件下的信號波形圖；

圖4為使用自制凹面探針在所有測試距離和測試壓力下的能量結(jié)果圖；

圖5為使用自制凸面探針在所有測試距離和測試壓力下的能量結(jié)果圖；

圖6為使用儀器自帶15mm探針在所有測試距離和測試壓力下的能量結(jié)果圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

一種基于壓力傳感器的發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法，參見圖1，該發(fā)散式?jīng)_擊波能量測量方法包括：

101：搭建壓力傳感器標定系統(tǒng)，標定壓力傳感器靈敏度值；搭建沖擊波能量檢測系統(tǒng)，獲取壓力傳感器輸出的沖擊波壓力信號；

102：使用國際通用的能流密度概念計算沖擊波能量；

103：依次改變沖擊波激發(fā)壓力、探針端面與傳感器之間距離、以及三種探針形狀，研究三個參數(shù)對沖擊波能量的影響，即，

壓力一定時，距離越大檢測到的聲壓值越小，能量越?。浑S著距離增加，能量減小速度逐漸變慢，能量接近沿單一方向傳播；

距離一定時，沖擊波能量隨激發(fā)壓力增加而增大，距離較大時，增加較為緩慢；

探針端面為凹面時的沖擊波能量大于凸面形狀；探針粗細對能量有影響。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟101-步驟103實現(xiàn)了通過改變作用距離、激發(fā)壓力和探針形狀，定量研究不同參數(shù)對沖擊波能量的影響。

實施例2

201：搭建壓力傳感器標定系統(tǒng)，標定壓力傳感器靈敏度值；

該步驟的詳細操作為：

1)沖擊波以波的形式傳播，壓力信號是其最顯著的特征信號，考慮到壓電式傳感器具有高精度、高靈敏度等特點，本發(fā)明實施例使用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的cy-yd-211型號壓電式傳感器測量沖擊波壓力。該傳感器輸出電荷信號，通過同一公司的ye5852a型號電荷放大器將其轉(zhuǎn)為電壓信號。

2)壓力傳感器使用之前，需對其靈敏度進行標定。使用型號為ty-wy2000的臺式壓力泵產(chǎn)生壓力，同時作用于型號為ty-ybs-150的數(shù)字壓力校驗儀和所用傳感器，使用niusb-6356采集卡采集傳感器輸出信號并計算電壓值，則校驗儀標準壓力與輸出電壓比值即為該傳感器的靜態(tài)靈敏度，單位為kpa/v。

3)首先進行升壓標定，從0kpa開始，每次轉(zhuǎn)動兩圈手柄，測量出電壓變化并記錄標準氣壓，連續(xù)增加15次壓力，計算升壓靈敏度平均值為24.445kpa/v。

4)進行降壓標定，從10kpa到100kpa分別瞬間降壓至0，記錄電壓變化和標準氣壓，計算得降壓靈敏度平均值為16.638kpa/v。

5)取步驟3)和步驟4)均值作為該壓力傳感器靈敏度值，為20.541kpa/v。

其中，本發(fā)明實施例對傳感器、壓力泵、壓力校驗儀等的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對壓力的次數(shù)、降壓標定的范圍不做限制，可以根據(jù)實際應(yīng)用中的需要進行設(shè)定。

202：搭建沖擊波能量檢測系統(tǒng)，獲取壓力傳感器輸出的沖擊波壓力信號；

該步驟的詳細操作為：

1)搭建沖擊波能量檢測系統(tǒng)，包括：實驗器件安裝平臺、瑞士dolorclast沖擊波治療機、預設(shè)能量大小的手柄、三種不同的探針。

2)發(fā)散式?jīng)_擊波能量很低，實驗平臺的微小晃動都有可能將噪聲信號引入測得沖擊波信號中，本發(fā)明實施例搭建了穩(wěn)定性好的實驗器件安裝平臺進行沖擊波能量檢測，該平臺穩(wěn)定性好，多次實驗重復度高，實驗參數(shù)微調(diào)節(jié)性強，如圖2所示。該實驗平臺主要包括兩個部分：傳感器安裝部分和治療儀手柄控制部分。

3)傳感器固定在一個水平臺上，水平臺固定在一個盛有水的容器中，水作為沖擊波傳播的介質(zhì)用來模擬組織液；

4)治療儀手柄控制部分由x、y、z三個高精度導軌組成，其中x軸、y軸通過絲杠改變位置，z軸通過步進電機精確控制探針與傳感器之間的距離。

具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對x、y、z三個導軌的控制方式不做限制，且對步進電機的型號不做限制，只要能實現(xiàn)上述功能的均可。

203：確定沖擊波能量計算方法和評價標準；

該步驟的詳細操作為：

1)本發(fā)明實施例使用國際通用的能流密度概念計算沖擊波能量j：

其中，z為水的聲阻抗，z＝1.5×10⁶kg×m^-2×s^-1，p(t)是隨時間t變化的壓力值。

2)由步驟1)可知，沖擊波能量與其作用時間密切相關(guān)。本發(fā)明實施例在后續(xù)操作中以1hz頻率持續(xù)發(fā)出沖擊波，為消除測量不確定性，提取工作5秒到25秒之間的沖擊波計算總能量，再通過平均得出1秒時間內(nèi)的沖擊波能量。

204：依次改變沖擊波激發(fā)壓力、探頭端面與傳感器之間距離、以及探針形狀，研究三個參數(shù)對沖擊波能量的影響；

該步驟的詳細操作為：

1)本發(fā)明實施例中通過步進電機將探針端面與傳感器的距離依次控制在1mm、5mm、10mm、15mm、20mm進行作用距離對沖擊波能量影響規(guī)律的研究；

2)本發(fā)明實施例中通過沖擊波治療機依次控制輸出工作氣壓為1.2bar、1.5bar、1.8bar、2.1bar、2.4bar、2.7bar、3.0bar、3.3bar、3.6bar、3.9bar進行激發(fā)壓力對沖擊波能量影響規(guī)律的研究；

3)本發(fā)明實施例中使用沖擊波治療機自帶的15mm發(fā)散沖擊式、自制凹面式和凸面式三種探針進行探針形狀對沖擊波能量影響規(guī)律的研究。

其中，自制探針長200mm，直徑為5mm，材料為不銹鋼。儀器自帶探針長50mm，直徑為15mm。

具體實現(xiàn)時，上述自制凹面式和凸面式探針除了長、直徑、材料、以及端面形狀外，探針的其余部分均和本領(lǐng)域中的其余探針相同，本發(fā)明實施例對此不做贅述。

也可以根據(jù)實際應(yīng)用中的需要，對自制凹面式和凸面式探針的長、直徑、以及材料進行其他的設(shè)定，本發(fā)明實施例對此不做限制。

4)依次控制步驟1)到步驟3)中兩個參數(shù)不變，調(diào)節(jié)另外一個，使用前述沖擊波能量計算公式進行計算。

例如：保持距離在1mm、工作氣壓在1.2bar，將探針從自帶探針，依次調(diào)整為自制探針，計算沖擊波能量；也可以保持距離在1mm、探針為自帶探針，將工作氣壓從1.2bar調(diào)整到1.5bar，計算沖擊波能量，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不做限制。

5)圖3所示為使用自制凹面探針在10mm距離、3.9bar壓力下測量得到的1毫秒時間內(nèi)的信號波形，從中可看出沖擊波在10μs左右上升到最大幅值，之后呈震蕩衰減形式在介質(zhì)中傳播。

6)圖4所示為使用自制凹面探針在所有測試距離和測試壓力下的計算結(jié)果，可以看出當壓力一定時，距離越大檢測到的聲壓值越小，能量也越小。隨著距離增加，能量減小速度逐漸變慢，能量更接近沿單一方向傳播，所得結(jié)果越穩(wěn)定。當距離一定時，沖擊波能量隨激發(fā)壓力增加而增大，但增加速度也與距離有關(guān)，距離較大時，增加較為緩慢。使用該探針在壓力3.9bar，距離1mm時得到能量最大值為0.377mj/mm²，壓力1.2bar，距離20mm時得到最小值為0.023mj/mm²。

7)圖5所示為使用自制凸面探針的計算結(jié)果，可以看出能量變化規(guī)律與使用凹面探針相似，但整體來說略低，主要由于凹面形狀有對能量匯聚的作用，而凸面形狀則對能量有發(fā)散的作用。使用該探針得到的能量最大值和最小值分別為0.353mj/mm²和0.021mj/mm²。

8)圖6所示為使用儀器自帶的15mm發(fā)散沖擊探針的計算結(jié)果，可以看出能量整體比上述兩種自制探針高出很多，距離為5mm時得到的結(jié)果與自制探針在1mm時得到的能量水平相當，說明探針粗細對能量有很大影響。使用該探針得到的能量最大值為0.543mj/mm²，最小值為0.029mj/mm²。

綜上所述，本發(fā)明實施例通過上述步驟201-步驟204實現(xiàn)了通過改變作用距離、激發(fā)壓力和探針形狀，定量研究不同參數(shù)對沖擊波能量的影響。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳理想例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本發(fā)明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

參考文獻

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[2]foldagercb,kearneyc,spectorm.clinicalapplicationofextracorporealshockwavetherapyinorthopedics:focusedversusunfocusedshockwaves[j].ultrasoundinmedicine&biology,2012,38(10):1673.

[3]rompejd,kirkpatrickcj,küllmerk,etal.dose-relatedeffectsofshockwavesonrabbittendoachillis.asonographicandhistologicalstudy[j].bone&jointjournal,1998,80(3):546-52.

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。