【作 者】白曉偉， 李眾利，張浩，王春，喻江，傅仰木，廖偉雄，于洋，屈文振， 李冀

1 中國人民解放軍總醫(yī)院骨科，北京市，100853

2 中國科學院力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室，北京市，100190

0 前言

沖擊波是一種兼具聲、光、力學特性的機械波，在不同密度和聲阻抗的物質(zhì)中傳播速度不同，并能在界面上產(chǎn)生應力作用。沖擊波自被人們發(fā)現(xiàn)并被用于醫(yī)療方面以來，經(jīng)歷了很多的發(fā)展和變化，從最早用于破碎泌尿系統(tǒng)結(jié)石治療的大型聚焦式?jīng)_擊波儀器，發(fā)展到現(xiàn)在的體積越來越小而功能更加廣泛的沖擊波儀器?，F(xiàn)在的沖擊波儀器根據(jù)輸出能量波形的不同分為兩種，即聚焦式?jīng)_擊波和發(fā)散式?jīng)_擊波。聚焦式?jīng)_擊波具有光的傳播特性，可以通過特定的半橢圓球反射體將沖擊波機械聚焦，經(jīng)水囊內(nèi)液體傳遞，作用于病患局部。氣壓彈道式?jīng)_擊波是由壓縮氣體推動金屬彈子撞擊前端沖擊波探頭產(chǎn)生的機械波，由于這種方式產(chǎn)生的波傳播方式是發(fā)散式的，所以又稱為發(fā)散式?jīng)_擊波。兩種沖擊波輸出波形的差異見圖1。

圖1 聚焦式?jīng)_擊波和彈道式?jīng)_擊波的波形差異Fig.1 The difference between the focused shock wave and ballistic shock wave

發(fā)散式?jīng)_擊波的發(fā)展給臨床疾病的治療帶來了更多的選擇，肌腱末端病[1]、軟組織勞損等[2]，采用體外應用發(fā)散式?jīng)_擊波對上述疾病進行治療，效果明確，方法簡單，值得推廣。

目前，在臨床治療過程中并沒有一個相對簡單易行的指標用來評價發(fā)散式?jīng)_擊波的作用效果。而在臨床應用過程中，會遇到多種復雜的病情需要沖擊波進行治療。面對很多不同的癥狀，具體使用何種沖擊波探頭、多大的壓力和頻率進行對癥治療才能達到最佳效果，國內(nèi)外一直都沒有較好的辦法來解決這個問題。本實驗中擬采用發(fā)散式?jīng)_擊波輸出能量的大小這個指標來評價其對人體的治療作用的差異。實驗中通過采用醫(yī)療市場上普及率較高的一種發(fā)散式?jīng)_擊波設備，研究在不同能量級和頻率的條件下，最終輸出能量的大小及變化規(guī)律。這一研究成果將多個影響指標簡化為一個，并研究其余指標對最終輸出能量的影響規(guī)律。此規(guī)律的揭示，對于發(fā)散式?jīng)_擊波的精確作用具有很好的指導意義，更為發(fā)散式?jīng)_擊波儀器在臨床的廣泛應用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 主要儀器和設備

實驗中采用發(fā)散式?jīng)_擊波儀器Swiss Dolorclast?(Electro Medical Systems SA,Switzerland)，可調(diào)壓力范圍0～5×105Pa，可調(diào)頻率范圍(0～20)Hz，機器自配藍槍的15 mm和6 mm標準探頭。傳感器采用江蘇聯(lián)能YD-205動態(tài)壓電壓力傳感器，使用TopView2000通用虛擬儀器應用軟件（四川拓普測控科技有限公司）進行數(shù)據(jù)采集。

1.2 實驗和測試方法

采用壓力測量裝置，對發(fā)散式?jīng)_擊波探頭輸出能量進行測量。針對工作壓力和工作頻率對輸出能量的影響，將實驗分為兩部分。

1.2.1 工作壓力影響

通過改變壓力大小，測量沖擊波輸出能量的大小及變化規(guī)律。壓力依次按照0.5×105Pa、1.0×105Pa、1.5×105Pa、2.0×105Pa、2.5×105Pa、3.0 ×105Pa、3.5×105Pa、4.0×105Pa的規(guī)律進行調(diào)節(jié)，頻率為10 Hz。分別測試15 mm和6 mm兩個探頭的結(jié)果，并進行比較。

1.2.2 工作頻率影響

通過改變輸出頻率，依次按5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz調(diào)節(jié)頻率變化，壓力取1.0×105Pa、2.0 ×105Pa、3.5×105Pa三組進行分析。分別測試15 mm和6 mm兩個探頭的最終結(jié)果，并將結(jié)果進行對比實驗。

1.3 統(tǒng)計分析

每個實驗結(jié)果重復測量3次。測量結(jié)果應用SPSS13.0軟件進行統(tǒng)計學分析，數(shù)據(jù)均以mean ± SD表示，P < 0.05認為具有統(tǒng)計學差異。

2 結(jié)果

2.1 發(fā)散式?jīng)_擊波壓力對輸出能量的影響

兩個探頭在不同壓力(0.5×105Pa、1.0×105Pa、1.5×105Pa、2.0×105Pa、2.5×105Pa、3.0×105Pa、3.5×105Pa、4.0×105Pa)進行調(diào)節(jié)，頻率為10 Hz。15 mm探頭在1.0×105Pa、10 Hz時，TopView2000軟件所采集的wav數(shù)據(jù)變化波形見圖2，其峰值約為3.53 V，波峰上升沿0.011 ms，下降沿0.006 ms。具有沖擊波的高坡度高沖擊力的物理特性。

圖2 TopView2000軟件所采集的壓力信號Fig.2 The signal of pressure transducer by TopView2000 software

軟件所得結(jié)果為電壓(V)，經(jīng)過換算最終為單位面積能量值(mJ/mm2)，換算公式[3]為式（1）。

其中p為壓力，ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)聲速，E為能量，A為能量作用面積，t 為時間。

經(jīng)過換算最終輸出能量(mJ/mm2)的大小及變化規(guī)律見表1。10 Hz時，15 mm探頭的最大作用能量在12.071±0.45 mJ/mm2，6 mm探頭的最大作用能量在8.563±0.85 mJ/mm2。兩種探頭能量變化曲線(圖3)，沖擊波能量的變化并不是隨著壓力的增加直線上升的，這可能因為受多種因素的影響，使得能量與壓力的變化呈現(xiàn)非線性的關(guān)系。

經(jīng)過統(tǒng)計學分析(圖4)，15 mm探頭和6 mm探頭在相同頻率(10 Hz)時能量輸出有差異(P < 0.05)，15 mm探頭輸出能量大于6 mm探頭。

2.2 發(fā)散式?jīng)_擊波頻率對輸出能量的影響

2.2.1 15 mm探頭輸出能量變化規(guī)律

15 mm探頭在輸出壓力為0.5×105Pa、1.0×105Pa、2.0×105Pa、3.5×105Pa時，選擇5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz等不同頻率進行調(diào)節(jié)，分析其變化規(guī)律(圖5)。

表1 10 Hz時15 mm和6 mm探頭的能量范圍（mJ/mm2）Tab.1 The output energy range of probes of 15mm and 6mm at 10Hz（mJ/mm2）

圖3 兩種探頭的能量變化曲線Fig.3 The output energy profiles of two probes with different operation pressure

圖4 兩種探頭輸出能量差異Fig.4 The out put energy difference between two probes

圖5(a)中可見，相同的壓力時，不同頻率對輸出能量的影響有統(tǒng)計學差異(P < 0.05)。圖5(b)中可見，較小壓力時(0.5×105Pa、1.0×105Pa)隨著頻率的增加，單個脈沖的能量隨著上升；壓力逐漸增加時(2.0 ×105Pa、3.5×105Pa)隨著頻率的增加單個脈沖的能量是逐漸下降的。圖5(c)中可見，相同的頻率時，不同壓力對輸出能量的影響具有統(tǒng)計學差異(P < 0.05)。圖5(d)中可見，隨著壓力的增加，每個頻率的單個脈沖的能量都是增加的，頻率越高時其增加的幅度變小?？梢酝茢?，相同的治療次數(shù)時，頻率越低，單次脈沖的能量越大，最終總的治療能量比高頻率的要多。

所以，在應用發(fā)散式?jīng)_擊波治療疾病時，也應考慮到頻率的變化對治療效果的影響。在選擇較大壓力治療時，頻率應選擇10 Hz以上，避免因單次脈沖能量過大對人體造成損傷。有較厚的組織覆蓋時，需要較大能量進行治療時就要調(diào)低頻率以達到治療最佳效果。

2.2.2 6 mm輸出能量的變化規(guī)律

圖5 15 mm探頭壓力和頻率對輸出能量的影響Fig.5 The influence of operation pressure and frequency on the output energy of 15 mm probe

6 mm探頭在不同壓力和頻率調(diào)節(jié)下輸出能量的變化規(guī)律見圖6。圖6(a)中可見，相同頻率時，隨著作用壓力的增加，最終輸出能量也是逐漸增加的，而且不同壓力時輸出能量的差異具有統(tǒng)計學意義(P < 0.05)。圖6(b)中可見，相同頻率時，隨著壓力的增加，較低頻率（5 Hz、10 Hz）作用能量的增加幅度大于較高頻率（15 Hz、20 Hz）。圖6(c)中可見，相同壓力時，不同的頻率對輸出能量的影響有統(tǒng)計學差異（P < 0.05）。圖6(d)中可見，相同的壓力時，隨著頻率的增加，1.0×105Pa組的輸出能量是呈現(xiàn)上升趨勢的，較高壓力（2.0×105Pa、3.5×105Pa）組的輸出能量是呈現(xiàn)下降趨勢的。

6 mm探頭的作用規(guī)律與15 mm探頭相比較，雖然兩個探頭在相同條件時的輸出能量是有差異的(P < 0.05)，但是兩個探頭的沖擊波輸出能量隨著壓力和頻率變化的規(guī)律是相同的。

3 討論

體外沖擊波是一種機械性脈沖沖擊波，具有的特性是具有很強的壓應力和張應力，高峰壓達到500× l05Pa，能夠穿透如液體和軟組織的彈性介質(zhì)，到達人體組織內(nèi)部發(fā)揮作用。

圖6 6 mm探頭在壓力、頻率調(diào)節(jié)下輸出能量的變化規(guī)律Fig.6 The influence of operation pressure and frequency on the output energy of 6 mm probe

本研究中提出了一個發(fā)散式?jīng)_擊波作用評價的統(tǒng)一指標：輸出能量。并且實驗中揭示了其余指標包括壓力、頻率等對于輸出能量的影響規(guī)律。這一研究成果在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域中屬于首次提出，有益于評價發(fā)散式?jīng)_擊波的作用效果和研究發(fā)散式?jīng)_擊波在臨床的精確使用。而關(guān)于沖擊波不同能量大小在臨床上的應用差異，相關(guān)研究比較多。

Rompe等[4]把體外沖擊波的能量大致分為低、中、高三級：低于0.08 mJ/mm2為低能量；能量在0.28 mJ/mm2左右，為中等能量；高于0.6 mJ/mm2為高能量。通常低中能量無明顯副作用，只有高能量的沖擊波在治療中有一些較少的副作用出現(xiàn)，如出血或神經(jīng)損傷等。我們實驗中得出的能量值較大，可能原因是我們測量的是探頭末端的能量，進入人體后會產(chǎn)生衰減，最終作用于損傷區(qū)域的能量會變小。

沖擊波的治療作用存在劑量-效應關(guān)系，不同部位或組織所需沖擊波的最佳刺激能量大小是不同的。Haake M等[5]發(fā)現(xiàn)沖擊波能量為0.01 mJ/mm2時細胞間質(zhì)出現(xiàn)裂隙，當0.25 mJ/mm2作用在組織上，就會發(fā)現(xiàn)一些沒有細胞的組織裸區(qū)。低能級的ESW可以對組織進行修復。Kearney CJ等[6]發(fā)現(xiàn)能量密度在0.15 mJ/mm2時，骨膜生發(fā)層發(fā)現(xiàn)明顯的增殖。Hofmann A等[7]發(fā)現(xiàn)在沖擊波作用24 h以后，骨生成為劑量依賴性0.06 mJ/mm2時68.7%，而0.5 mJ/mm2時為81.6%，在劑量為0.1～0.5 mJ/mm2時，堿性磷酸酶活性增加。Steinbach P等[8]發(fā)現(xiàn)沖擊波對不同細胞部位的最大有益作用能量是有差異的：細胞膜0.12 mJ/mm2，波形蛋白0.21 mJ/mm2，線粒體0.33 mJ/mm2，核膜0.5 mJ/mm2，微載體0.21 mJ/mm2，超過這個能量就會產(chǎn)生損傷作用。Wang Q等[9]使用0.095 mJ/mm2的能量200次治療量的發(fā)散式?jīng)_擊波聯(lián)合微骨折術(shù)治療兔子模型的軟骨缺損，與單純微骨折術(shù)相比效果明顯。井茹芳等[10]使用的發(fā)散式?jīng)_擊波壓力(2.0～3.5)×105Pa，頻率6～10 Hz，2000次的治療量來治療肱二頭肌長頭腱炎?？桌虻萚11]使用能量為0.16 mJ/mm2治療腰背肌筋膜疼痛綜合征。

發(fā)散式?jīng)_擊波的量化指標有很多，包括壓力、頻率、治療次數(shù)、機器型號及探頭，還有手持沖擊波手柄的壓力也有影響。雖然臨床上使用發(fā)散式?jīng)_擊波時間已久，但是由于量化指標多而雜亂，所以無法系統(tǒng)評價發(fā)散式?jīng)_擊波在臨床不同疾病中的治療效果。國內(nèi)外還未有相關(guān)研究來解決這個問題。

在本研究中，我們提出了一種測量方法，使得精確化應用發(fā)散式?jīng)_擊波成為可能，在臨床使用過程中可以根據(jù)治療部位和組織細胞的不同而選擇相對應的最佳刺激能量，從而達到最佳的臨床治療效果。避免了臨床上常見的“經(jīng)驗式”的發(fā)散式?jīng)_擊波的治療方法。本研究利用兩個不同的探頭測量了發(fā)散式?jīng)_擊波應用的規(guī)律，包括壓力、頻率等對沖擊波輸出能量的影響。雖然探頭不同，輸出能量也有差異，但是壓力和頻率對沖擊波的影響規(guī)律是相同的，該結(jié)果具有一定的普遍意義。這就使得針對臨床中遇到的復雜情況可以利用沖擊波的變化規(guī)律靈活處置，爭取達到最佳治療效果。將發(fā)散式?jīng)_擊波模糊的作用范圍精準化的研究，為發(fā)散式?jīng)_擊波的不同臨床效果比較提供了基礎，對于發(fā)散式?jīng)_擊波在臨床疾病治療的精確應用和廣泛推廣提供了科學依據(jù)。

由于影響沖擊波使用效應的因素較多，體內(nèi)環(huán)境非常復雜，不同組織對能量的衰減系數(shù)也不一樣，各部位所需的能量大小也不同，本實驗中可能存在部分誤差，為了得到更加具有指導意義的數(shù)據(jù)，還需在下一步實驗中加以改進。

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