发散式冲击波仪器精确作用研究

【作 者】白晓伟， 李众利，张浩，王春，喻江，傅仰木，廖伟雄，于洋，屈文振， 李冀

1 中国人民解放军总医院骨科，北京市，100853

2 中国科学院力学所高温气体动力学国家重点实验室，北京市，100190

0 前言

冲击波是一种兼具声、光、力学特性的机械波，在不同密度和声阻抗的物质中传播速度不同，并能在界面上产生应力作用。冲击波自被人们发现并被用于医疗方面以来，经历了很多的发展和变化，从最早用于破碎泌尿系统结石治疗的大型聚焦式冲击波仪器，发展到现在的体积越来越小而功能更加广泛的冲击波仪器。现在的冲击波仪器根据输出能量波形的不同分为两种，即聚焦式冲击波和发散式冲击波。聚焦式冲击波具有光的传播特性，可以通过特定的半椭圆球反射体将冲击波机械聚焦，经水囊内液体传递，作用于病患局部。气压弹道式冲击波是由压缩气体推动金属弹子撞击前端冲击波探头产生的机械波，由于这种方式产生的波传播方式是发散式的，所以又称为发散式冲击波。两种冲击波输出波形的差异见图1。

图1 聚焦式冲击波和弹道式冲击波的波形差异Fig.1 The difference between the focused shock wave and ballistic shock wave

发散式冲击波的发展给临床疾病的治疗带来了更多的选择，肌腱末端病[1]、软组织劳损等[2]，采用体外应用发散式冲击波对上述疾病进行治疗，效果明确，方法简单，值得推广。

目前，在临床治疗过程中并没有一个相对简单易行的指标用来评价发散式冲击波的作用效果。而在临床应用过程中，会遇到多种复杂的病情需要冲击波进行治疗。面对很多不同的症状，具体使用何种冲击波探头、多大的压力和频率进行对症治疗才能达到最佳效果，国内外一直都没有较好的办法来解决这个问题。本实验中拟采用发散式冲击波输出能量的大小这个指标来评价其对人体的治疗作用的差异。实验中通过采用医疗市场上普及率较高的一种发散式冲击波设备，研究在不同能量级和频率的条件下，最终输出能量的大小及变化规律。这一研究成果将多个影响指标简化为一个，并研究其余指标对最终输出能量的影响规律。此规律的揭示，对于发散式冲击波的精确作用具有很好的指导意义，更为发散式冲击波仪器在临床的广泛应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 主要仪器和设备

实验中采用发散式冲击波仪器Swiss Dolorclast®(Electro Medical Systems SA,Switzerland)，可调压力范围0～5×105Pa，可调频率范围(0～20)Hz，机器自配蓝枪的15 mm和6 mm标准探头。传感器采用江苏联能YD-205动态压电压力传感器，使用TopView2000通用虚拟仪器应用软件（四川拓普测控科技有限公司）进行数据采集。

1.2 实验和测试方法

采用压力测量装置，对发散式冲击波探头输出能量进行测量。针对工作压力和工作频率对输出能量的影响，将实验分为两部分。

1.2.1 工作压力影响

通过改变压力大小，测量冲击波输出能量的大小及变化规律。压力依次按照0.5×105Pa、1.0×105Pa、1.5×105Pa、2.0×105Pa、2.5×105Pa、3.0 ×105Pa、3.5×105Pa、4.0×105Pa的规律进行调节，频率为10 Hz。分别测试15 mm和6 mm两个探头的结果，并进行比较。

1.2.2 工作频率影响

通过改变输出频率，依次按5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz调节频率变化，压力取1.0×105Pa、2.0 ×105Pa、3.5×105Pa三组进行分析。分别测试15 mm和6 mm两个探头的最终结果，并将结果进行对比实验。

1.3 统计分析

每个实验结果重复测量3次。测量结果应用SPSS13.0软件进行统计学分析，数据均以mean ± SD表示，P < 0.05认为具有统计学差异。

2 结果

2.1 发散式冲击波压力对输出能量的影响

两个探头在不同压力(0.5×105Pa、1.0×105Pa、1.5×105Pa、2.0×105Pa、2.5×105Pa、3.0×105Pa、3.5×105Pa、4.0×105Pa)进行调节，频率为10 Hz。15 mm探头在1.0×105Pa、10 Hz时，TopView2000软件所采集的wav数据变化波形见图2，其峰值约为3.53 V，波峰上升沿0.011 ms，下降沿0.006 ms。具有冲击波的高坡度高冲击力的物理特性。

图2 TopView2000软件所采集的压力信号Fig.2 The signal of pressure transducer by TopView2000 software

软件所得结果为电压(V)，经过换算最终为单位面积能量值(mJ/mm2)，换算公式[3]为式（1）。

其中p为压力，ρ为介质密度，c为介质声速，E为能量，A为能量作用面积，t 为时间。

经过换算最终输出能量(mJ/mm2)的大小及变化规律见表1。10 Hz时，15 mm探头的最大作用能量在12.071±0.45 mJ/mm2，6 mm探头的最大作用能量在8.563±0.85 mJ/mm2。两种探头能量变化曲线(图3)，冲击波能量的变化并不是随着压力的增加直线上升的，这可能因为受多种因素的影响，使得能量与压力的变化呈现非线性的关系。

经过统计学分析(图4)，15 mm探头和6 mm探头在相同频率(10 Hz)时能量输出有差异(P < 0.05)，15 mm探头输出能量大于6 mm探头。

2.2 发散式冲击波频率对输出能量的影响

2.2.1 15 mm探头输出能量变化规律

15 mm探头在输出压力为0.5×105Pa、1.0×105Pa、2.0×105Pa、3.5×105Pa时，选择5 Hz、10 Hz、15 Hz、20 Hz等不同频率进行调节，分析其变化规律(图5)。

表1 10 Hz时15 mm和6 mm探头的能量范围（mJ/mm2）Tab.1 The output energy range of probes of 15mm and 6mm at 10Hz（mJ/mm2）

图3 两种探头的能量变化曲线Fig.3 The output energy profiles of two probes with different operation pressure

图4 两种探头输出能量差异Fig.4 The out put energy difference between two probes

图5(a)中可见，相同的压力时，不同频率对输出能量的影响有统计学差异(P < 0.05)。图5(b)中可见，较小压力时(0.5×105Pa、1.0×105Pa)随着频率的增加，单个脉冲的能量随着上升；压力逐渐增加时(2.0 ×105Pa、3.5×105Pa)随着频率的增加单个脉冲的能量是逐渐下降的。图5(c)中可见，相同的频率时，不同压力对输出能量的影响具有统计学差异(P < 0.05)。图5(d)中可见，随着压力的增加，每个频率的单个脉冲的能量都是增加的，频率越高时其增加的幅度变小。可以推断，相同的治疗次数时，频率越低，单次脉冲的能量越大，最终总的治疗能量比高频率的要多。

所以，在应用发散式冲击波治疗疾病时，也应考虑到频率的变化对治疗效果的影响。在选择较大压力治疗时，频率应选择10 Hz以上，避免因单次脉冲能量过大对人体造成损伤。有较厚的组织覆盖时，需要较大能量进行治疗时就要调低频率以达到治疗最佳效果。

2.2.2 6 mm输出能量的变化规律

图5 15 mm探头压力和频率对输出能量的影响Fig.5 The influence of operation pressure and frequency on the output energy of 15 mm probe

6 mm探头在不同压力和频率调节下输出能量的变化规律见图6。图6(a)中可见，相同频率时，随着作用压力的增加，最终输出能量也是逐渐增加的，而且不同压力时输出能量的差异具有统计学意义(P < 0.05)。图6(b)中可见，相同频率时，随着压力的增加，较低频率（5 Hz、10 Hz）作用能量的增加幅度大于较高频率（15 Hz、20 Hz）。图6(c)中可见，相同压力时，不同的频率对输出能量的影响有统计学差异（P < 0.05）。图6(d)中可见，相同的压力时，随着频率的增加，1.0×105Pa组的输出能量是呈现上升趋势的，较高压力（2.0×105Pa、3.5×105Pa）组的输出能量是呈现下降趋势的。

6 mm探头的作用规律与15 mm探头相比较，虽然两个探头在相同条件时的输出能量是有差异的(P < 0.05)，但是两个探头的冲击波输出能量随着压力和频率变化的规律是相同的。

3 讨论

体外冲击波是一种机械性脉冲冲击波，具有的特性是具有很强的压应力和张应力，高峰压达到500× l05Pa，能够穿透如液体和软组织的弹性介质，到达人体组织内部发挥作用。

图6 6 mm探头在压力、频率调节下输出能量的变化规律Fig.6 The influence of operation pressure and frequency on the output energy of 6 mm probe

本研究中提出了一个发散式冲击波作用评价的统一指标：输出能量。并且实验中揭示了其余指标包括压力、频率等对于输出能量的影响规律。这一研究成果在国内外相关领域中属于首次提出，有益于评价发散式冲击波的作用效果和研究发散式冲击波在临床的精确使用。而关于冲击波不同能量大小在临床上的应用差异，相关研究比较多。

Rompe等[4]把体外冲击波的能量大致分为低、中、高三级：低于0.08 mJ/mm2为低能量；能量在0.28 mJ/mm2左右，为中等能量；高于0.6 mJ/mm2为高能量。通常低中能量无明显副作用，只有高能量的冲击波在治疗中有一些较少的副作用出现，如出血或神经损伤等。我们实验中得出的能量值较大，可能原因是我们测量的是探头末端的能量，进入人体后会产生衰减，最终作用于损伤区域的能量会变小。

冲击波的治疗作用存在剂量-效应关系，不同部位或组织所需冲击波的最佳刺激能量大小是不同的。Haake M等[5]发现冲击波能量为0.01 mJ/mm2时细胞间质出现裂隙，当0.25 mJ/mm2作用在组织上，就会发现一些没有细胞的组织裸区。低能级的ESW可以对组织进行修复。Kearney CJ等[6]发现能量密度在0.15 mJ/mm2时，骨膜生发层发现明显的增殖。Hofmann A等[7]发现在冲击波作用24 h以后，骨生成为剂量依赖性0.06 mJ/mm2时68.7%，而0.5 mJ/mm2时为81.6%，在剂量为0.1～0.5 mJ/mm2时，碱性磷酸酶活性增加。Steinbach P等[8]发现冲击波对不同细胞部位的最大有益作用能量是有差异的：细胞膜0.12 mJ/mm2，波形蛋白0.21 mJ/mm2，线粒体0.33 mJ/mm2，核膜0.5 mJ/mm2，微载体0.21 mJ/mm2，超过这个能量就会产生损伤作用。Wang Q等[9]使用0.095 mJ/mm2的能量200次治疗量的发散式冲击波联合微骨折术治疗兔子模型的软骨缺损，与单纯微骨折术相比效果明显。井茹芳等[10]使用的发散式冲击波压力(2.0～3.5)×105Pa，频率6～10 Hz，2000次的治疗量来治疗肱二头肌长头腱炎。孔莉等[11]使用能量为0.16 mJ/mm2治疗腰背肌筋膜疼痛综合征。

发散式冲击波的量化指标有很多，包括压力、频率、治疗次数、机器型号及探头，还有手持冲击波手柄的压力也有影响。虽然临床上使用发散式冲击波时间已久，但是由于量化指标多而杂乱，所以无法系统评价发散式冲击波在临床不同疾病中的治疗效果。国内外还未有相关研究来解决这个问题。

在本研究中，我们提出了一种测量方法，使得精确化应用发散式冲击波成为可能，在临床使用过程中可以根据治疗部位和组织细胞的不同而选择相对应的最佳刺激能量，从而达到最佳的临床治疗效果。避免了临床上常见的“经验式”的发散式冲击波的治疗方法。本研究利用两个不同的探头测量了发散式冲击波应用的规律，包括压力、频率等对冲击波输出能量的影响。虽然探头不同，输出能量也有差异，但是压力和频率对冲击波的影响规律是相同的，该结果具有一定的普遍意义。这就使得针对临床中遇到的复杂情况可以利用冲击波的变化规律灵活处置，争取达到最佳治疗效果。将发散式冲击波模糊的作用范围精准化的研究，为发散式冲击波的不同临床效果比较提供了基础，对于发散式冲击波在临床疾病治疗的精确应用和广泛推广提供了科学依据。

由于影响冲击波使用效应的因素较多，体内环境非常复杂，不同组织对能量的衰减系数也不一样，各部位所需的能量大小也不同，本实验中可能存在部分误差，为了得到更加具有指导意义的数据，还需在下一步实验中加以改进。

[1]廖冬发,权毅,潘显明,等.体外冲击波治疗部队伤病员末端病疗效观察[J].解放军医学杂志,2009,34(6).

[2]刘波,刘辉,赵卫侠,等.骨科弹道式冲击波配合中药熏洗治疗软组织劳损[J].中国组织工程研究与临床康复,2006,15(24):4507-4510.

[3]Kreuzlingen.Introduction to the Physics and Technology of Extracorporeal Shock Wave Therapy (ESWT/CSWT).2003.

[4]Rompe J D,Burger R,Hopf C,et a1.Shoulder function after extrocorporal shock wave therapy for calcific tendonitis[J].J Shoulder Elb Surg,1998,7(5): 505-509.

[5]Haake M,Wessel C,Wilke A.Effects of extracorporeal shock waves (ESW)on human bone marrow cell cultures[J].Biomed Tech,1999,44(10): 278-282.

[6]Kearney CJ,Lee JY,Padera RF,et al.Extracorporeal shock waveinduced proliferation of periosteal cells[J].J Orthop Res,2011,29(10): 1536-1543.

[7]Hofmann A,Ritz U,Hessmann MH,et al.Extracorporeal shock wave-mediated changes in proliferation,differentiation,and gene expression of human osteoblasts[J].J Trauma,2008,65(6): 1402-1410.

[9]Wang Q,Li Z,Fu Y,et al.Effect of low-energy shock waves in microfracture holes in the repair of articular cartilage defects in a rabbit model[J].Chin Med J,2011; 124(9): 1386-1394.

[10]井茹芳,李春伶,赵结,等.超声定位下放射状冲击波与聚焦式冲击波治疗肱二头肌长头腱炎疗效研究[J].中国超声医学杂志,2013,29(5): 398-402.

[11]孔莉,张红.冲击波治疗腰背肌筋膜疼痛综合征近期疗效观察及康复指导[J].中国矫形外科杂志,2013,21(9): 948-949.