本發(fā)明涉及沖擊波測(cè)量，更具體地，涉及一種基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
1、體外沖擊波治療(extracorporeal?shock?wave?therapy，eswt)作為一種針對(duì)疼痛等疾病的新型非手術(shù)康復(fù)理療手段，是利用沖擊波的能量轉(zhuǎn)換以及傳遞原理，進(jìn)入人體后促進(jìn)成骨作用，改變局部血運(yùn)，對(duì)軟骨損傷有直接刺激作用，能夠加速軟骨修復(fù)。相對(duì)于保守治療與手術(shù)治療，體外沖擊波治療具有非侵入性、組織損傷小、安全有效、費(fèi)用低廉、治療時(shí)間短、患者易于接收等優(yōu)點(diǎn)。目前，沖擊波治療已在肌骨系統(tǒng)疾病臨床治療領(lǐng)域(如運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科、疼痛科和康復(fù)科等)得到廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)出廣闊的臨床應(yīng)用前景。
2、與傳統(tǒng)聲波相比，沖擊波在很多方面具有相似之處，對(duì)其能量的檢測(cè)可以借鑒聲學(xué)中聲功率的檢測(cè)方法。在聲學(xué)領(lǐng)域，聲功率一般用于表示聲能量。在單位時(shí)間內(nèi)，聲波傳播所經(jīng)過的正交于傳播方向單位面積的聲能量，稱為聲功率。常用的聲功率測(cè)量方法主要有水聽器法、脈沖回波法、兩次曝光全息攝影法、光學(xué)檢測(cè)法等。
3、水聽器法使用壓電等薄膜材料放置于待測(cè)量的超聲沖擊波周邊，通過感應(yīng)出的壓力值等參數(shù)來反映沖擊波的能量。根據(jù)原理可以分為壓電式、電磁式、電容式、光纖式等，它們還可以各自形成陣列對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。2010年，jeffrey設(shè)計(jì)了一種由20個(gè)薄膜水聽器單元組成的陣列來測(cè)量醫(yī)用體外治療機(jī)的沖擊波聲場(chǎng)特性，每個(gè)陣列和陣列之間的歸一化平均電壓非常均勻。
4、脈沖回波法的原理是利用距離＝速度*時(shí)間的基本常識(shí)。這種方法最典型的應(yīng)用場(chǎng)景是材料厚度的無損檢測(cè)，將超聲探頭貼近測(cè)試板材，計(jì)算接收到的兩個(gè)回波時(shí)間差來確定厚度等信息。當(dāng)然這種方案也涉及一些聲信號(hào)的其他信息，這類方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與操作都比較簡單，但是待測(cè)聲信號(hào)必須是由標(biāo)準(zhǔn)探頭發(fā)出的同頻聲信號(hào)。
5、兩次曝光全息攝影法構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)主要有超聲換能器、脈沖激光器、全息紀(jì)錄干板、反光鏡等。超聲換能器激發(fā)聲信號(hào)的聲壓會(huì)使水面高度發(fā)生變化，相干光束由此形成的光程差就會(huì)被記錄在干板上，并且隨著全息記錄干板的移動(dòng)，還能測(cè)量出換能器在不同位置的聲壓分布。
6、此外，還有馬赫-增德爾干涉法，其利用光學(xué)非接觸式測(cè)量聲波能量，主要原理是利用超聲使干涉儀一臂經(jīng)過介質(zhì)的折射率發(fā)生變化來判斷聲波的強(qiáng)度。
7、經(jīng)分析，現(xiàn)有的沖擊波能量測(cè)量方法均存在一定的不足。例如，水聽器等接觸式測(cè)量方法需要傳感器直接與沖擊波作用介質(zhì)相接觸，傳感器本身會(huì)對(duì)沖擊波聲場(chǎng)造成影響，且一般傳感器帶寬和耐壓程度均較低，精度較低且長時(shí)間使用較易失效。脈沖回波法和兩次曝光全息攝影法只適用于單頻率的聲信號(hào)能量測(cè)量，不適用于沖擊波這種復(fù)雜寬頻帶的聲信號(hào)。馬赫-增德爾干涉法光路的光路系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要使用較多的精密分束器、反射鏡搭建光路，測(cè)量系統(tǒng)成本較高，精度控制也比較困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量系統(tǒng)和方法。
2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括激光器、中性密度濾光片、沖擊波治療儀探頭、水箱、凸透鏡、線陣圖像傳感器、圖像采集卡和上位機(jī)，其中，激光器用于產(chǎn)生近紅外激光；中性密度濾光片用于衰減近紅外激光的光強(qiáng)；沖擊波治療儀探頭放置于水箱中，所產(chǎn)生的沖擊波使入射激光發(fā)生拉曼奈斯衍射，形成多路衍射激光光路；凸透鏡用于匯集該多路衍射激光光路；線陣圖像傳感器用于檢測(cè)經(jīng)由凸透鏡的激光強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值；圖像采集卡用于將所述模擬電壓值采樣為數(shù)字電壓信號(hào)，獲得衍射激光數(shù)字圖像，進(jìn)而發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)用于接收并分析所述衍射激光數(shù)字圖像，計(jì)算獲得沖擊波的能量密度。
3、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量方法。該方法包括以下步驟：
4、控制激光器產(chǎn)生近紅外激光；
5、設(shè)置中性密度濾光片用于衰減近紅外激光的光強(qiáng)；
6、將沖擊波治療儀探頭放置于水箱中，并控制所產(chǎn)生的沖擊波使入射激光發(fā)生拉曼奈斯衍射，形成多路衍射激光光路；
7、利用凸透鏡匯集該多路衍射激光光路；
8、利用線陣圖像傳感器檢測(cè)經(jīng)由凸透鏡的激光強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值；
9、將所述模擬電壓值采樣為數(shù)字電壓信號(hào)，獲得衍射激光數(shù)字圖像；
10、分析所述衍射激光數(shù)字圖像，計(jì)算獲得沖擊波的能量密度。
11、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，相對(duì)于水聽器法等接觸式的測(cè)量方法，本發(fā)明通過使用近紅外激光拉曼奈斯衍射來非接觸式的測(cè)量沖擊波的能量，降低了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)沖擊波聲場(chǎng)的影響，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度與可靠性。相對(duì)于馬赫-增德爾干涉法等傳統(tǒng)的光學(xué)非接觸式測(cè)量方法，本發(fā)明所提出的光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，搭建和使用較為方便，便于推廣應(yīng)用。
12、通過以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征及其優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得清楚。
1.一種基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量系統(tǒng)，包括激光器、中性密度濾光片、沖擊波治療儀探頭、水箱、凸透鏡、線陣圖像傳感器、圖像采集卡和上位機(jī)，其中，激光器用于產(chǎn)生近紅外激光；中性密度濾光片用于衰減近紅外激光的光強(qiáng)；沖擊波治療儀探頭放置于水箱中，所產(chǎn)生的沖擊波使入射激光發(fā)生拉曼奈斯衍射，形成多路衍射激光光路；凸透鏡用于匯集該多路衍射激光光路；線陣圖像傳感器用于檢測(cè)經(jīng)由凸透鏡的激光強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值；圖像采集卡用于將所述模擬電壓值采樣為數(shù)字電壓信號(hào)，獲得衍射激光數(shù)字圖像，進(jìn)而發(fā)送至上位機(jī)；上位機(jī)用于接收并分析所述衍射激光數(shù)字圖像，計(jì)算獲得沖擊波的能量密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器被設(shè)置為產(chǎn)生中心波長為915nm的近紅外激光，所述凸透鏡的焦距設(shè)置為50mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述線陣圖像傳感器被設(shè)置為能夠檢測(cè)正一級(jí)或負(fù)一級(jí)的衍射激光，并且所述線陣圖像傳感器配有雙向熱電致冷器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述上位機(jī)根據(jù)以下公式計(jì)算所述沖擊波的能量密度ω：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)以下公式計(jì)算超聲波聲壓的分布函數(shù)p(y,t)：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集卡配有外部同步觸發(fā)控制器，用于控制數(shù)據(jù)的采集與所述沖擊波治療儀發(fā)出沖擊波的時(shí)刻同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述線陣圖像傳感器是近紅外單色cmos圖像傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器是半導(dǎo)體激光器。
9.一種基于權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述系統(tǒng)的基于拉曼奈斯衍射的沖擊波能量測(cè)量方法，包括以下步驟：
10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其中，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法的步驟。