基于激光位移傳感器的沖擊波治療儀輸出能量檢測系統的設計

顧加雨，夏勛榮，張超，劉書言，馬靖武

1. 江蘇省計量科學研究院 醫學所， 江蘇 南京 210023；2. 江蘇省中醫院 臨床醫學工程處， 江蘇 南京 210029

引言

近些年來，體外沖擊波作為一種兼具聲、光、力學特性的機械波被越來越廣泛地應用于骨科學、運動醫學、康復醫學等領域[1-4]。根據沖擊波發生源的不同，體外沖擊波按波源可分為液電式、壓電式、電磁式和氣壓彈道式沖擊波。氣壓彈道式體外沖擊波儀（以下簡稱沖擊波治療儀）是利用壓縮空氣來驅動子彈體去撞擊治療頭，使其產生脈沖式沖擊波，分散能量，組織損傷小，對慢性軟組織疼痛療效明確，是目前相對而言最為可靠的一種利用沖擊波進行治療的手段[5-9]。隨著科技的發展和社會的進步，沖擊波治療技術將在世界范圍內獲得更為廣泛的應用。隨著使用次數的增加，沖擊波治療儀的輸出能量會受影響從而導致臨床治療效果不佳，所以準確評價沖擊波治療儀的輸出能量顯得至關重要[10]。

現有的沖擊波治療儀輸出能量的測量是通過目測質量塊在具有刻度的透明圓管內的上升高度來確定質量塊運行的最大高度[11]，然后通過公式計算輸出能量。但是目測所得的高度存在較大的誤差，從而影響輸出能量的測量結果。本文設計一種沖擊波治療儀輸出能量檢測系統，提高質量塊上升高度測量的準確性，實現對沖擊波治療儀輸出能量的精準測量，保證設備的質量性能和治療效果。

1 系統設計

1.1 系統設計技術原理

氣壓彈道式體外壓力波治療儀輸出能量檢測系統（以下簡稱系統）的設計根據能量守恒定律，將治療儀輸出能量轉化為可測量出的重力勢能：將氣壓彈道式體外沖擊波治療儀治療頭倒置安裝于測量支架上，質量塊靜置于治療頭上；被測設備設置在最大能量輸出的條件下，作用在質量塊上的力推動質量塊在測量管中進行垂直方向上的移動，通過激光位移傳感器測量質量塊移動位移，運用將輸出壓力波的能量轉化為重力勢能的方法測量設備的輸出能量。其中測量管內壁應潤滑減小與質量塊的摩擦同時驅動被測設備應進行單次觸發。

1.2 系統架構設計

檢測系統主要由模擬電路和數字電路兩部分組成，見圖1。其中模擬部分由信號發生電路、增益調節電路、信號處理電路、電源電路等幾個部分組成，數字部分由A/D轉換電路、SDRAM數據緩存電路、數USB總線傳輸電路、基于FPGA的總線驅動電路、STM32作為主控微處理器電路等幾個部分組成。控制器與計算機的數據通訊，將測量到的數據進行計算轉換后發送給上位機。能量測量系統主要由位移傳感器和FPGA測量芯片組成。 FPGA用于AD芯片的時序驅動和模數轉換后采集數據的讀取。

圖1 系統總體架構框圖

檢測系統硬件結構主要由透明測試管，激光位移傳感器，質量塊，底座，導軌滑塊組件，滑動支架，滾珠絲杠副，夾具，計算機，固定在底座上的兩個安裝支架以及X、Y軸滑臺等組成。所述測試管可選用透明玻璃管，便于觀察質量塊的位置和運動過程，質量塊的寬度略小于測試管的內徑，以保證質量塊能夠自由移動而不受到測試管內壁的摩擦力。X、Y軸滑臺上固定有夾具，用于夾持待測沖擊波治療儀治療頭；一個安裝架上固定有導軌滑塊組件，另一個安裝架上固定有滾珠絲杠副，滾珠絲杠副上設有鎖緊螺栓；滑動支架固定在滑塊和絲母之間；測試管固定在滑動支架上端，測試管用于放置質量塊，滑動支架上設有與測試管底部相通的測試孔，測試孔正對待檢沖擊波治療儀治療頭；激光位移傳感器固定在滑動支架上，用于檢測質量塊在沖擊作用下的位移，并將數據傳輸至計算機。

1.3 位移測量模塊設計

氣壓彈道式體外沖擊波治療儀治療能量的測量是通過質量物塊的重力勢能來計算得出，故質量物塊的上升高度（或位移量）的測量準確度至關重要。質量塊的運動過程要確保為無約束狀態，因此位移量測量應采用非接觸的測量方式。目前非接觸式測量方式主要為激光測量法，本例采用利用激光三角原理可以進行非接觸測量位移的精密傳感器，具有可以在狹小空間進行微小測量、反應速度快、精度和分辨率較高等特點，廣泛應用于位置、位移、厚度、半徑、形狀、振動、距離等幾何量的工業測量領域[12-13]。激光三角法是利用光線空間傳播過程中的光學反射規律和相似三角形原理，由光源發出一束激光照射在待測物體平面上，通過反射最后在探測器上成像。當物體表面的位置發生改變時，其所成的像在探測器上也發生相應的位移，通過像移和實際位移之間的關系式，真實的物體位移從而可以由對像移的檢測和計算得到[14-15]。本例中激光位移傳感器從光路設計上采用斜射式，即投射光束和待測物體表面的法線成一個夾角。探測器主要接收鏡面反射光，適用于表面粗糙度近于鏡面的被測面，特點是分辨率高、體積大、測量范圍廣，故本例中選用線性電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）陣列探測器，當探測器采用CCD陣列時獲取的信號是一幅圖像，主要是運用圖像處理軟件和算法處理。與普通的圖像處理不同的是，其處理需要對激光在CCD上投影點的位置做到亞像素級精度的估計。光源采用半導體激光器，也稱為激光二極管，具有超小型、重量輕、效率高和發射激光高度連續性和可見性等優點。激光位移傳感器的測量原理如圖2所示，其中半導體激光器發射測量激光通過鏡片聚焦到被測物體上，而被測質量塊上表面反射光被鏡片收集后投射到線性CCD陣列上，記錄激光器發射和反射到CCD陣列上的時間，激光在空氣中傳輸的速度為光速，可以測量到總的傳輸距離，發射和接收的角度是固定值，隨后信號處理器通過三角函數計算CCD陣列上的光點位置得到距物體的距離。光電探測器件進行光電信號轉化時，光斑越清晰則在對光電探測器件輸出的電信號處理計算后所得到的光斑位置越精確。

圖2 激光位移傳感器測量原理示意圖

1.4 控制電路設計

采用FPGA等可編程邏輯芯片代替常用的編解碼及鎖存器等數字邏輯芯片，可以有效減少電路板的面積，減少器件數量，提高系統運行效率。采用FPGA實現鎖存模塊和邏輯控制模塊的功能。鎖存模塊的功能是在接到鎖存使能信號后將數據鎖存，等待后續電路處理。采集控制器在接收到數據采集中斷后，發出數據采集地址編碼到邏輯模塊；邏輯控制模塊通過編碼地址選擇相應的鎖存模塊，被選通的鎖存模塊將數據送到總線上，等待采集控制器讀取數據。采集控模塊負責整個系統的資源調度，負責控制邏輯模塊讀取鎖存模塊端口數據，并與上位機軟件進行通信。采集控模塊在接到數據采集中斷后及時將數據讀入，然后將結果輸送到上位機進行坐標和速度解算。采集控制芯片須具備快速的響應中斷能力，能夠對觸發信號進行快速的反應，并及時將數據鎖存讀取。此外，采集控制芯片還應該具有豐富的I/O接口，能夠通過地址編碼實現對大量鎖存模塊的控制，控制電路工作流程如圖3所示。

圖3 鎖存及控制電路工作流程圖

1.5 系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖4所示，系統軟件是為實現硬件部分的能量測試而進行設計開發。輸出能量測試程序設計主要分為四部分：質量輸入、高度測試、算法運算以及結果生成。能量測試按鈕表示測試開始，清零按鈕表示清除開始的偏置量。質量需要手動填入，具體看所使用測試的質量塊大小。高度峰值是儀器運行擊打質量塊所上升的最大高度，由軟件自動讀取；輸出能量則是根據質量塊的質量與高度峰值利用峰值算法計算并顯示出來的。

圖4 系統軟件設計流程圖

2 結果

根據上文設計開發出氣壓彈道式體外壓力波治療儀輸出能量檢測系統，實物如圖5所示，該系統已授權國家專利[16]。采用性能穩定的瑞士EMS公司的DolorClast型沖擊波治療儀作為測試樣品，并在不同輸出能量點下用本文設計的檢測系統測量實際的能量示值。測試過程和方法參照YY 0950-2015《氣壓彈道式體外壓力波治療設備》，將沖擊波治療儀設置在不同能量輸出的條件下，每個能量點使其單次釋放沖擊波10次，記錄質量塊的平均飛行高度，其中質量塊質量為95 g，治療儀沖擊頭直徑為10 mm[17-20]。實驗結果如表1所示，可以得到研發的檢測系統測量的輸出能量示值與被測沖擊波治療儀能量設置值的相對誤差最大為-5.9%，而沖擊波治療儀的技術指標為±20%。另外根據YY 0950-2015《氣壓彈道式體外壓力波治療設備》中方法通過透明圓管上的位移刻度來觀察砝碼上升的高度，目測得出各個能量設置點所測量的上升高度值與開發的檢測系統測量結果相一致，說明研發的檢測系統檢測輸出能量準確，滿足實際應用要求。

圖5 系統實物圖

表1 輸出能量實驗結果

3 討論

現有的氣壓彈道式沖擊波治療儀的檢測方法是基于行業標準YY 0950-2015《氣壓彈道式體外壓力波治療設備》進行的，其中關于輸出能量的測試是通過帶有刻度的透明圓管進行質量塊最大沖擊高度的測量，然后根據質量塊質量和重力加速度計算出能量值。但是目測所測出的高度具有一定的誤差，包括人員自身的誤差、觀測角度誤差等，最終導致輸出能量具有一定的誤差，從而對氣壓彈道式體外壓力波治療設備的治療效果造成一定的影響。本文設計的氣壓彈道式沖擊波治療儀的輸出能量檢測系統也是采用能量守恒定律將沖擊能量轉化為重力勢能，但通過結合激光三角測量方法，自動檢測質量體的位移，計算出能量，解決了在觀測質量體上升高度時存在的誤差問題，極大地提高了測量結果的準確性。同時針對不同治療儀的沖擊頭大小、直徑等都不相同，在加緊過程中就會出現不對中的現象，在底座上安裝了X、Y軸滑臺，保證測試時沖擊頭與測試管軸線在同一中心線上，能夠測試更多類型的沖擊波治療儀。并通過導軌滑塊組件和滾珠絲杠副實現了滑動支架位置的調節，使質量塊能完全與探頭接觸，保證了測試的準確性。這些措施都進一步保證了檢測系統實施的可靠性。

4 結論

本文設計了一種氣壓彈道式沖擊波治療儀的能量檢測系統，采用高精度的激光位移傳感器結合能量守恒定律，實現輸出能量的準確測量，為沖擊波治療儀的臨床應用提供了保障。并使用臨床可靠的沖擊波治療儀作為測試樣品，結果證明了本文設計的檢測系統測量沖擊波治療儀輸出能量的可靠性和準確性。該系統目前只能對沖擊波治療儀的輸出能量和能量密度等參數進行測量，下一步研究方向是針對沖擊波治療儀的穿透深度、脈寬等參數完善檢測系統。