CN107192438A - 一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，包括：搭建发散式冲击波波形测量系统，获取输出的冲击波信号；其中，所述系统包括：激光多普勒测振仪、冲击波治疗机、五种不同的探针；测量五种探针在不同激发压力下的时域波形，分析信号特征：即，五种探针产生的冲击波波形不同，同一探针在不同压力下的波形除幅值外差别不大，当激发气压增大到一定程度时，冲击波信号所能达到的最大幅值会保持平稳；对五种探针在不同激发压力下的信号做频谱分析，研究冲击波信号的频域特性：即，发散式冲击波信号本身特征与探针形状密切相关，与激发压力无关。本发明在不同探针形状和激发压力条件下，测量气压弹道式发散冲击波波形、研究其频谱特性。

Description

一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法

技术领域

本发明涉及冲击波波形测量领域，尤其涉及一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法。

背景技术

作为一种安全、高效、无创的治疗手段，冲击波在过去近30年的发展中被广泛应用于泌尿系统结石、骨科、心血管疾病、男科和创伤外科等^[1]各个领域的临床实践中，取得了良好效果。冲击波与人体组织作用主要会产生空化效应、成骨效应、代谢激活效应和镇痛效应等，能够直达组织深处，起到改善局部血液循环、促进成骨细胞增生、减轻患处炎症、缓解疼痛等作用。

根据冲击波产生原理的不同，可以将其分为液电式、压电式、电磁式和气压弹道式等类型，前三种产生的主要是聚焦式冲击波，是一种具有高压峰值和极短峰值上升时间的瞬态声学脉冲，时间量级为纳秒级别^[2]，其波形在空间上呈现锥状分布，发出一定距离后会形成聚焦点。冲击波体外碎石治疗正是利用其聚焦处产生的高能脉冲将体内结石击碎，从而达到治疗目的。

但是组织受损后形成的是一个损伤面，而非一点，因此聚焦式冲击波不利于精确的修复治疗，反而可能因为焦点处能量过大造成组织再次受损。近几年，Foldager等人的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，其作用面积大且无明显焦点，为发散式冲击波^[3]。目前，此类冲击波也已经成功应用于康复科、运动医学科等很多领域的临床治疗中。低能量发散式冲击波与再生医学的交叉结合已经成为冲击波发展的一个新兴方向。

由于产生方式的不同，发散式冲击波的波形与聚焦式有所不同，然而目前还没有专门针对其波形的研究，在计算相关物理参数时使用的也是聚焦式冲击波中的理论，存在一定误差。

激光多普勒测振仪可对物体进行非接触式振动测量，该方法利用激光多普勒效应，与传统的加速度计等传感器相比具有分辨率高、测量时间短、非侵入性、响应频带宽等优点。

发明内容

本发明提供了一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，本发明在不同的探针形状和激发压力条件下，测量气压弹道式发散冲击波的波形、并研究其频谱特性，详见下文描述：

一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，所述发散式冲击波波形测量方法包括以下步骤：

搭建发散式冲击波波形测量系统，获取输出的冲击波信号；

其中，所述系统包括：激光多普勒测振仪、冲击波治疗机、五种不同的探针；

测量五种探针在不同激发压力下的时域波形，分析信号特征：

即，五种探针产生的冲击波波形不同，同一探针在不同压力下的波形差别不大，当激发气压增大到一定程度时，冲击波信号所能达到的最大幅值会保持平稳；

对五种探针在不同激发压力下的信号做频谱分析，研究冲击波信号的频域特性：

即，发散式冲击波信号本身特征与探针形状密切相关，与激发压力无关。

所述系统还包括：可激发预设大小能量的冲击波手柄、以及手柄固定台；

在五种探针的端面贴反光膜，将手柄安装在手柄固定台上、并置于激光多普勒光束下方，使激光束打到探针端面中心。

所述五种探针分别为：

冲击波治疗机自带的三种探针A、B、C和自制的两种探针D、E；

其中：A探针长10mm，直径6mm；B探针长10mm，直径15mm；C探针长50mm，直径15mm；D和E探针长200mm，直径为5mm；

除E探针端面形状为凹面外，其余均为平面，所有探针材料均为不锈钢。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、发散式冲击波已经被广泛应用于骨骼、肌肉疼痛及皮肤病变等领域的治疗中，但目前还没有专门针对其波形特征的测量研究，使用的理论也是聚焦式冲击波中的相关理论，有一定偏差。本发明提出一种基于激光多普勒测振仪的发散式冲击波波形测量方法，利用其高精度测量的优点，取得了很好的结果；

2、本发明使用了五种探针，测量了在不同激发压力下的冲击波波形，分析了其信号特征；

3、本发明分析了不同探针不同激发压力信号的频谱特征，结果表明发散式冲击波信号本身特征与探针形状密切相关，与激发压力关系不大。该结论为冲击波后续研究提供了实验支持。

附图说明

图1为一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法的流程图；

图2为使用A探针在1.5bar和2bar激发压力下的时域信号图；

图3为使用B探针在1.5bar和2bar激发压力下的时域信号图；

图4为使用C探针在1.5bar和2bar激发压力下的时域信号图；

图5为使用D探针在1.5bar和2bar激发压力下的时域信号图；

图6为使用E探针在1.5bar和2bar激发压力下的时域信号图；

图7为使用A探针在1.5bar和2bar激发压力下的信号频谱图；

图8为使用B探针在1.5bar和2bar激发压力下的信号频谱图；

图9为使用C探针在1.5bar和2bar激发压力下的信号频谱图；

图10为使用D探针在1.5bar和2bar激发压力下的信号频谱图；

图11为使用E探针在1.5bar和2bar激发压力下的信号频谱图。

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

一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，参见图1，该发散式冲击波波形测量方法包括以下步骤：

101：搭建发散式冲击波波形测量系统，获取输出的冲击波信号；

其中，该系统包括：激光多普勒测振仪、冲击波治疗机、五种不同的探针。

102：测量五种探针在不同激发压力下的时域波形，分析信号特征；

即五种探针产生的冲击波波形不同，同一探针在不同压力下的波形除幅值外差别不大，当激发气压增大到一定程度时，冲击波信号所能达到的最大幅值会保持平稳；

103：对五种探针在不同激发压力下的信号做频谱分析，研究冲击波信号的频域特性。

即发散式冲击波信号本身特征与探针形状密切相关，与激发压力无关。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103实现了在不同的探针形状和激发压力条件下，测量气压弹道式发散冲击波的波形、并研究其频谱特性。

实施例2

下面结合图2-图11、具体的计算公式、以及实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

201：搭建发散式冲击波波形测量系统，获取激光多普勒测振仪输出的冲击波信号；

该步骤的详细操作为：

1)搭建发散式冲击波波形测量系统，包括：Polytec PSV-500型号的激光多普勒测振仪、瑞士DOLORCLAST冲击波治疗机、可激发预设大小能量的冲击波手柄、五种不同的探针、手柄固定台。

其中，预设大小能量根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。

2)在探针端面贴反光膜，将手柄安装在固定台上并置于激光多普勒光束下方，尽量使激光束打到探针端面中心；

3)操作冲击波治疗机以一定压力激发冲击波，获取激光多普勒测振仪输出的冲击波信号。

其中，本发明实施例对激光多普勒测振仪、冲击波治疗机等的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

上述搭建方式为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

202：测量五种探针在不同激发压力下的时域波形；

该步骤的详细操作为：

1)通过冲击波治疗机依次控制输出工作气压为1.5bar、2bar、2.5bar、3bar、3.5bar(1bar＝0.1MPa)进行激发压力对冲击波波形影响规律的研究；

2)使用冲击波治疗机自带的三种探针(分别编号A、B、C)和自制的两种探针(分别编号D、E)进行探针形状对冲击波波形影响规律的研究；

其中：A探针长10mm，直径6mm；B探针长10mm，直径15mm；C探针长50mm，直径15mm；D和E探针长200mm，直径为5mm。除E探针端面形状为凹面外，其他都为平面。

其中，D和E探针除了上述的尺寸、端面形状所做的说明外，其余部分均和普通探针相同，本发明实施例中所有探针材料均为不锈钢。

3)设置激光多普勒测振仪采样率为1.25MHz，记录五种探针在不同激发压力下的波形；

4)图2到图6所示依次为使用A、B、C、D、E探针分别在1.5bar、2bar压力下测量得到的13毫秒时间内的信号波形；整体来看，无论探针形状和激发压力如何，冲击波会迅速上升到最大幅值，之后呈震荡衰减形式在介质中传播。五种探针产生的冲击波波形明显不同，而同一探针在不同压力下的波形则差别不大，只是2bar时的信号幅值明显比1.5bar时大。

5)其他压力下的波形与图中类似，且最大幅值与2bar压力下的信号接近，说明当激发气压增大到一定程度时，冲击波信号所能达到的最大幅值会保持平稳。

203：对五种探针在不同激发压力下的信号做频谱分析，研究冲击波信号的频域特性；

该步骤的详细操作为：

1)对测得时域冲击波信号x(n)进行离散傅里叶变换(DFT)得到X(k)。

其中，N为信号的采样点数，W_N＝e^-j2π/N。

2)对图2到图6中的时域信号做DFT得到对应的各信号频谱如图6到图10所示。

3)分析图7，很明显在88KHz处有一个特征峰，但低频段也集中了一部分能量，占据了一定频带。

4)分析图8，低频段与探针A类似，第一个特征峰出现在95KHz处，在150KHz、180KHz、210KHz等也有分立的特征峰。

5)分析图9，除39KHz和76KHz处的两个特征峰以外，其他频段基本没有能量分布。

6)分析图10，1.5bar信号能量最大的特征峰出现在1KHz处，而2bar信号则在20KHz处，但二者均在20KHz、32KHz、44KHz处有等间隔的特征峰。

7)分析图11，E探针的频谱也有一系列等间隔分立的特征峰，最大能量出现在18KHz处。

8)整体来看，冲击波信号的频率大约集中在几十KHz到200KHz之间，但不同探针的频谱图有很大不同，说明探针形状对冲击波信号影响很大。除了幅值外，2bar信号与1.5bar信号的频谱没有明显差别，说明信号频率与激发压力没有关系。

综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤203实现了在不同的探针形状和激发压力条件下，测量气压弹道式发散冲击波的波形、并研究其频谱特性。

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。

参考文献

[1]辛钟成,刘京,王林等.低能量体外冲击波治疗的临床应用进展[J].北京大学学报医学版,2013,45(4):657-660.

[2]Mittermayr R,Antonic V,Hartinger J,et al.Extracorporeal shock wavetherapy(ESWT)for wound healing:Technology,mechanisms,and clinical efficacy[J].Wound Repair&Regeneration,2012,20(4):456-465.

[3]Foldager C B,Kearney C,Spector M.Clinical application ofextracorporealshock wave therapy in orthopedics:focused versus unfocusedshock waves[J].Ultrasound in Medicine&Biology,2012,38(10):1673.

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。

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。

Claims (3)

1.一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，其特征在于，所述发散式冲击波波形测量方法包括以下步骤：

搭建发散式冲击波波形测量系统，获取输出的冲击波信号；

其中，所述系统包括：激光多普勒测振仪、冲击波治疗机、五种不同的探针；

测量五种探针在不同激发压力下的时域波形，分析信号特征：

即，五种探针产生的冲击波波形不同，同一探针在不同压力下的波形除幅值外差别不大，当激发气压增大到一定程度时，冲击波信号所能达到的最大幅值会保持平稳；

对五种探针在不同激发压力下的信号做频谱分析，研究冲击波信号的频域特性：

即，发散式冲击波信号本身特征与探针形状密切相关，与激发压力无关。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，其特征在于，所述系统还包括：可激发预设大小能量的冲击波手柄、以及手柄固定台；

在五种探针的端面贴反光膜，将手柄安装在手柄固定台上、并置于激光多普勒光束下方，使激光束打到探针端面中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒的发散式冲击波波形测量方法，其特征在于，所述五种探针分别为：

冲击波治疗机自带的三种探针A、B、C和自制的两种探针D、E；

其中：A探针长10mm，直径6mm；B探针长10mm，直径15mm；C探针长50mm，直径15mm；D和E探针长200mm，直径为5mm；

除E探针端面形状为凹面外，其余均为平面，所有探针材料均为不锈钢。