一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法与流程

本发明涉及冲击波能量测量领域，尤其涉及一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法。

背景技术：

冲击波是一种结合了声学、光学、力学特性的机械波，经探头发出后，能在极短的时间内达到500bar(1bar＝0.1mpa)高峰压。由于其独特的特性，冲击波能够轻易穿过体表组织到达病灶位置，有效促进损伤修复愈合。

早在1980年，chaussy等^[1]就将冲击波用于肾结石的治疗并取得了极大的成功，随后该技术被广泛应用于非侵入性治疗肌肉骨骼系统和其他软组织疾病等各个领域。医用冲击波的产生方式主要有压电式、电动液压式、电磁式和气压弹道式，前三种产生的都是聚焦式冲击波，能量发出后聚焦于一点。气压弹道式冲击波是由压缩空气(或电磁场)作用于弹道内的金属子弹，子弹加速撞击弹道末段的探头之后产生的，能量通过探头另一端接触人体皮肤后非侵入地传递到人体组织中。有研究表明气压弹道式冲击波的物理特性与聚焦式冲击波完全不同，能量从探头发出后逐步向周围扩散，没有聚焦区域，更有利于损伤组织的修复^[2]。

1998年，为了规范治疗骨科疾病时冲击波使用的剂量，国际电工学会(internationalelectrotechnicalcommission,iec)提出“能流密度”的概念，是指单次冲击波脉冲在单位面积上的能量，通过脉冲强度的积分计算所得，目前是被广泛采用的计算标准。

rompe等人^[3]通过观察不同能流密度的冲击波对新西兰兔跟腱的损伤情况，将冲击波及其对正常组织的损伤作用分为三级：低于0.08mj/mm²为低能量冲击波，对组织没有损伤作用；接近于0.28mj/mm²为中能量冲击波，在组织局部能引起炎症反应；高于0.6mj/mm²为高能量冲击波，对组织有明显损伤作用。尽管这个结论还不完善，但对冲击波的临床应用无疑具有重要的指导意义。

影响发散式冲击波的物理指标有很多，包括：激发压力、距离、频率、持续时间、探针形状等。尽管冲击波应用于医疗治疗领域时间已久，但对于不同的发病部位、不同的症状、复杂的病情，目前依然没有指导标准系统性的评价冲击波能量与治疗效果之间的关系，大多依靠医生的临床经验。随着该领域研究的不断深入和相关技术的不断革新，发散式冲击波会被越来越多地应用到治疗修复中，且会由体外治疗向体内再生医疗不断发展，因此更需要精确控制其能量。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法，本发明通过改变作用距离、激发压力和探针形状，定量研究不同参数对冲击波能量的影响，详见下文描述：

一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法，所述发散式冲击波能量测量方法包括以下步骤：

搭建压力传感器标定系统，标定压力传感器灵敏度值；搭建冲击波能量检测系统，获取压力传感器输出的冲击波压力信号；

使用国际通用的能流密度概念计算冲击波能量；

依次改变冲击波激发压力、探针端面与传感器之间距离、以及三种探针形状，研究三个参数对冲击波能量的影响，即，

压力一定时，距离越大检测到的声压值越小，能量越小；随着距离增加，能量减小速度逐渐变慢，能量接近沿单一方向传播；

距离一定时，冲击波能量随激发压力增加而增大，距离较大时，增加较为缓慢；

探针端面为凹面时的冲击波能量大于凸面形状；探针粗细对能量有影响。

所述搭建冲击波能量检测系统包括：

传感器、手柄控制台、冲击波治疗机、预设能量大小的手柄、以及三种不同的探针；

所述传感器固定在一个水平台上，所述水平台固定在一个盛有水的容器中，水作为冲击波传播的介质用来模拟组织液；

所述手柄控制台由x、y、z三个高精度导轨组成，其中x轴、y轴通过丝杠改变位置，z轴通过步进电机精确控制三种不同的探针与所述传感器之间的距离。

所述三种不同的探针为：

自制凹面式和凸面式探针，长均为200mm，直径均为5mm，材料为不锈钢；治疗机自带发散冲击式探针长50mm，直径为15mm。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1.发散式冲击波已经广泛应用于骨骼、肌肉疼痛及皮肤病变等领域的治疗中，但目前没有一种统一的方法衡量冲击波能量与相关参数之间的关系，无法精确控制能量，本发明提出一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法，取得了很好的结果；

2.为得到稳定的测量环境并能够重复测量，本发明搭建了稳定度好、控制精度高的实验平台；

3.本发明使用了三种探针，通过多次实验取平均值得出了在不同测量距离、不同激发压力下1s时间内的能量值；

4.本发明总结了发散式冲击波随测量距离、激发压力、探针形状等参数之间变化的规律，为冲击波精准医疗提供了数据支持。

附图说明

图1为一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法的流程图；

图2为发散式冲击波能量测量实验平台的结构示意图；

图3为凹面探针在10mm距离、3.9bar压力条件下的信号波形图；

图4为使用自制凹面探针在所有测试距离和测试压力下的能量结果图；

图5为使用自制凸面探针在所有测试距离和测试压力下的能量结果图；

图6为使用仪器自带15mm探针在所有测试距离和测试压力下的能量结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于压力传感器的发散式冲击波能量测量方法，参见图1，该发散式冲击波能量测量方法包括：

101：搭建压力传感器标定系统，标定压力传感器灵敏度值；搭建冲击波能量检测系统，获取压力传感器输出的冲击波压力信号；

102：使用国际通用的能流密度概念计算冲击波能量；

103：依次改变冲击波激发压力、探针端面与传感器之间距离、以及三种探针形状，研究三个参数对冲击波能量的影响，即，

压力一定时，距离越大检测到的声压值越小，能量越小；随着距离增加，能量减小速度逐渐变慢，能量接近沿单一方向传播；

距离一定时，冲击波能量随激发压力增加而增大，距离较大时，增加较为缓慢；

探针端面为凹面时的冲击波能量大于凸面形状；探针粗细对能量有影响。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103实现了通过改变作用距离、激发压力和探针形状，定量研究不同参数对冲击波能量的影响。

实施例2

201：搭建压力传感器标定系统，标定压力传感器灵敏度值；

该步骤的详细操作为：

1)冲击波以波的形式传播，压力信号是其最显著的特征信号，考虑到压电式传感器具有高精度、高灵敏度等特点，本发明实施例使用江苏联能电子技术有限公司生产的cy-yd-211型号压电式传感器测量冲击波压力。该传感器输出电荷信号，通过同一公司的ye5852a型号电荷放大器将其转为电压信号。

2)压力传感器使用之前，需对其灵敏度进行标定。使用型号为ty-wy2000的台式压力泵产生压力，同时作用于型号为ty-ybs-150的数字压力校验仪和所用传感器，使用niusb-6356采集卡采集传感器输出信号并计算电压值，则校验仪标准压力与输出电压比值即为该传感器的静态灵敏度，单位为kpa/v。

3)首先进行升压标定，从0kpa开始，每次转动两圈手柄，测量出电压变化并记录标准气压，连续增加15次压力，计算升压灵敏度平均值为24.445kpa/v。

4)进行降压标定，从10kpa到100kpa分别瞬间降压至0，记录电压变化和标准气压，计算得降压灵敏度平均值为16.638kpa/v。

5)取步骤3)和步骤4)均值作为该压力传感器灵敏度值，为20.541kpa/v。

其中，本发明实施例对传感器、压力泵、压力校验仪等的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

具体实现时，本发明实施例对压力的次数、降压标定的范围不做限制，可以根据实际应用中的需要进行设定。

202：搭建冲击波能量检测系统，获取压力传感器输出的冲击波压力信号；

该步骤的详细操作为：

1)搭建冲击波能量检测系统，包括：实验器件安装平台、瑞士dolorclast冲击波治疗机、预设能量大小的手柄、三种不同的探针。

2)发散式冲击波能量很低，实验平台的微小晃动都有可能将噪声信号引入测得冲击波信号中，本发明实施例搭建了稳定性好的实验器件安装平台进行冲击波能量检测，该平台稳定性好，多次实验重复度高，实验参数微调节性强，如图2所示。该实验平台主要包括两个部分：传感器安装部分和治疗仪手柄控制部分。

3)传感器固定在一个水平台上，水平台固定在一个盛有水的容器中，水作为冲击波传播的介质用来模拟组织液；

4)治疗仪手柄控制部分由x、y、z三个高精度导轨组成，其中x轴、y轴通过丝杠改变位置，z轴通过步进电机精确控制探针与传感器之间的距离。

具体实现时，本发明实施例对x、y、z三个导轨的控制方式不做限制，且对步进电机的型号不做限制，只要能实现上述功能的均可。

203：确定冲击波能量计算方法和评价标准；

该步骤的详细操作为：

1)本发明实施例使用国际通用的能流密度概念计算冲击波能量j：

其中，z为水的声阻抗，z＝1.5×10⁶kg×m^-2×s^-1，p(t)是随时间t变化的压力值。

2)由步骤1)可知，冲击波能量与其作用时间密切相关。本发明实施例在后续操作中以1hz频率持续发出冲击波，为消除测量不确定性，提取工作5秒到25秒之间的冲击波计算总能量，再通过平均得出1秒时间内的冲击波能量。

204：依次改变冲击波激发压力、探头端面与传感器之间距离、以及探针形状，研究三个参数对冲击波能量的影响；

该步骤的详细操作为：

1)本发明实施例中通过步进电机将探针端面与传感器的距离依次控制在1mm、5mm、10mm、15mm、20mm进行作用距离对冲击波能量影响规律的研究；

2)本发明实施例中通过冲击波治疗机依次控制输出工作气压为1.2bar、1.5bar、1.8bar、2.1bar、2.4bar、2.7bar、3.0bar、3.3bar、3.6bar、3.9bar进行激发压力对冲击波能量影响规律的研究；

3)本发明实施例中使用冲击波治疗机自带的15mm发散冲击式、自制凹面式和凸面式三种探针进行探针形状对冲击波能量影响规律的研究。

其中，自制探针长200mm，直径为5mm，材料为不锈钢。仪器自带探针长50mm，直径为15mm。

具体实现时，上述自制凹面式和凸面式探针除了长、直径、材料、以及端面形状外，探针的其余部分均和本领域中的其余探针相同，本发明实施例对此不做赘述。

也可以根据实际应用中的需要，对自制凹面式和凸面式探针的长、直径、以及材料进行其他的设定，本发明实施例对此不做限制。

4)依次控制步骤1)到步骤3)中两个参数不变，调节另外一个，使用前述冲击波能量计算公式进行计算。

例如：保持距离在1mm、工作气压在1.2bar，将探针从自带探针，依次调整为自制探针，计算冲击波能量；也可以保持距离在1mm、探针为自带探针，将工作气压从1.2bar调整到1.5bar，计算冲击波能量，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

5)图3所示为使用自制凹面探针在10mm距离、3.9bar压力下测量得到的1毫秒时间内的信号波形，从中可看出冲击波在10μs左右上升到最大幅值，之后呈震荡衰减形式在介质中传播。

6)图4所示为使用自制凹面探针在所有测试距离和测试压力下的计算结果，可以看出当压力一定时，距离越大检测到的声压值越小，能量也越小。随着距离增加，能量减小速度逐渐变慢，能量更接近沿单一方向传播，所得结果越稳定。当距离一定时，冲击波能量随激发压力增加而增大，但增加速度也与距离有关，距离较大时，增加较为缓慢。使用该探针在压力3.9bar，距离1mm时得到能量最大值为0.377mj/mm²，压力1.2bar，距离20mm时得到最小值为0.023mj/mm²。

7)图5所示为使用自制凸面探针的计算结果，可以看出能量变化规律与使用凹面探针相似，但整体来说略低，主要由于凹面形状有对能量汇聚的作用，而凸面形状则对能量有发散的作用。使用该探针得到的能量最大值和最小值分别为0.353mj/mm²和0.021mj/mm²。

8)图6所示为使用仪器自带的15mm发散冲击探针的计算结果，可以看出能量整体比上述两种自制探针高出很多，距离为5mm时得到的结果与自制探针在1mm时得到的能量水平相当，说明探针粗细对能量有很大影响。使用该探针得到的能量最大值为0.543mj/mm²，最小值为0.029mj/mm²。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤204实现了通过改变作用距离、激发压力和探针形状，定量研究不同参数对冲击波能量的影响。

以上所述仅为本发明的较佳理想例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

参考文献

[1]chaussyc,brendelw,schmiedte.extracorporeallyinduceddestructionofkidneystonesbyshockwaves[j].lancet,1980,2(8207):1265-8.

[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.

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。