2.1   声发射技术   声发射技术是一种成熟的无损检测方法，广泛应用于机械、土木和水下声学等多个领域的损伤检测，近年来，声发射技术在医学骨科领域也逐渐得到大家的关注和重视。声发射技术利用声发射传感器，收集组件在内外力作用下局部能量快速释放而产生的瞬态弹性声波，来检测和定位组件中的故障。声发射技术使用压电传感器将声学信号转换为电信号，并在被检测和记录之前进行预放大(图3)，基于信号源位置、电压强度和声音频率内容等对信号进行分析[13]。声发射分析通常使用声发射波形或从声发射波形中提取的特征来执行(图4)，声发射波形的最重要特征主要有以下几种[14]：①阈值：声发射系统只记录强度高于阈值的声发射信号；②振幅：信号的最大电压；③持续时间：第一次和最后一次阈值之间的时间间隔；④上升时间：第一个阈值和最大幅度之间的时间间隔；⑤计数：波形在波形持续时间内沿递增方向越过阈值的次数；⑥能量：波形持续时间内平方波形下方的面积。"

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2.2   声发射技术在关节外科疾病中的应用   声发射技术作为一项应用于工业领域的成熟无损性检测技术，在检测微损伤方面非常敏感。近年来在关节外科领域引起了广泛的研究兴趣，被应用于早期骨关节炎的检测、关节置换术中假体周围骨裂的预警、术后并发症的监测等[15-18]，能够起到早期发现关节病变、动态监测假体状态等作用，极大地丰富了关节外科的诊断手段。声发射技术在关节外科的开发利用时间发展脉络图见图5。"

2.2.1   声发射技术在膝关节疾病的应用 (1)膝骨关节炎：膝骨关节炎是以关节软骨慢性磨损和周围组织损伤为主，涉及整个膝关节病理改变的慢性退行性疾病[19]，由于膝关节软骨再生能力较弱，中晚期的损伤呈不可逆性改变，因此早期诊断和干预是治疗的关键[20]。目前，临床上通常以X射线片作为诊断参考，而早期膝关节炎的特征是软骨的退化，尚未出现骨性结构的改变，因此X射线检测缺乏敏感性[21]。早期诊断成为膝关节疾病治疗中经常遇到的难题。膝关节炎会影响关节软骨的粗糙度，而声发射信号的产生来源于粗糙表面的摩擦，因此认为声发射技术可广泛用于研究关节摩擦和关节结构变化[22]。 在声发射技术检测膝关节摩擦和软骨磨损研究中[23]，膝关节炎患者的膝关节进行弯曲动作，这个过程中收集到了连续型声发射波形，之前有研究表明连续发射与摩擦有关[24]，这证实了膝关节炎患者的膝关节在弯曲过程中存在摩擦，揭示了声发射技术可以更早、更精准地评估膝关节表面软骨的粗糙度，为膝关节炎早期检测提供新的方向。在声发射技术与MRI相验证的研究中，SHARK等[25]将膝关节声发射技术与MRI相关联，发现关节软骨较薄的膝关节产生的声发射信号振幅更高、频率更高、能量更大、持续时间更长，与MRI提供的信息一致，认为声发射技术可以帮助骨科医师识别膝关节软骨厚度，提高膝关节炎诊断精准度。关于声发射技术检测软骨磨损的合适指标与传感器放置最佳部位的研究中，KHOKHLOVA等[26]初步研究确定了撞击振幅、信号强度是声发射技术识别进行性软骨损伤的最合适指标，同时发现声发射传感器最佳的放置位置为膝关节内侧髁区域，因为该区域不易出现伪影和非系统性噪声。 在一项扩展研究中，研究人员将膝关节炎患者按年龄进行了进一步分组，发现膝关节声发射信号强度与关节老化和退行性变进展之间可能存在相关性[27]。在一项类似的研究中，研究人员用声发射技术测量膝关节的完整性，对比两个年龄组(18-35岁和50-75岁)在骑行状态下膝关节产生的声发射数据，发现年长组膝关节产生的声发射信号峰值幅度高于年轻组膝关节[28]，进一步表明声发射技术作为关节退行性状况诊断工具具有很大潜力。 声发射技术还与膝关节角度收集系统、人工智能、机械学习等相结合。在声发射检测与膝关节角度数据采集系统相结合的研究中，张洪波等[29]研究了“坐-立-坐”4个运动阶段声发射事件数量和声发射幅值累计出现概率，发现膝骨关节炎组声发射事件数量和声发射幅值累计比健康组出现概率更高，认为声发射系统能够对膝关节提供完整的动态分析，相较于静止检测的如X射线片、CT等，能更好地在早期评估膝关节状态。声发射技术还与机械学习相结合，GOOSSENS等[30]记录了116名受试者双侧膝关节声发射信号，并使用相应声发射信号特征训练机器学习算法(XGBoost)，以分类膝关节炎和正常膝关节，该机械学习算法准确率达81.1%，认为声发射技术与机械学习相结合是一种简便、易于使用的检测关节炎的方法。 作者认为，健康的膝关节能够平滑运动，然而随着膝关节的老化，关节软骨磨损，关节囊分泌关节液的功能降低，造成骨骼之间不同程度的摩擦。声发射技术可以更好地捕获摩擦信号，评估膝关节表面软骨的粗糙度，识别膝关节软骨厚度，观察关节结构的改变，在膝关节炎的早期检测中取得了良好的效果。对比传统的检查方法，声发射技术可以更及时、更精准地对膝骨关节炎进行动态分析，降低了膝关节炎早期诊断的难度。 (2)韧带损伤：膝关节韧带损伤在临床中较为常见，若处理不当会导致膝关节不稳定、肌肉萎缩等问题[31]，作为诊断金标准的关节镜探查对于患者的损伤较大，且费用昂贵[32]，而通过MRI影像对膝关节早期韧带损伤进行诊断，对于大多数骨科医师来说仍然存在不小的挑战性。近些年来声发射技术在韧带损伤检测方面得到了较大发展，为患者韧带损伤的诊治提供了有效的数据参考。 在声发射技术检测前交叉韧带损伤研究中，随着前交叉韧带的负载拉伸，声发射信号的频率也在稳定增加，其他声发射波形参数也表现出一定的增长趋势[33]，表明与MRI影像、关节镜探查相比，声发射技术在韧带拉伸损伤程度上展示了巨大的优势。在声发射技术与股骨前交叉韧带-胫骨复合体的研究中，研究人员将实验样本固定在拉伸试验机上，在施加负荷的同时记录声信号[34]，结果发现在前交叉韧带损伤直至断裂期间，载荷-时间曲线发生的变化与测量到的声发射参数呈正相关表达。这意味着声发射技术可以通过声发射信号识别不同程度的韧带损伤，为关节韧带损伤监测方法开辟了新的研究热点。 因此，在韧带拉伸损伤、断裂的研究上，对比传统的监测手段(如MRI影像、关节镜探查)，声发射技术具备更加高效、简单、灵敏、经济的优点，有望在不同关节韧带损伤的层面开拓新的研究热点。 (3)半月板损伤：半月板是膝关节的重要组成结构，其主要生理功能是负重、保持关节稳定、维持膝关节运动协调、吸收冲击、润滑关节等[35]。半月板损伤是引起膝关节疼痛、功能障碍最常见的原因之一，早期的诊断是治疗的基础，可减少患者后遗症的发生率[36]。传统诊断技术主要有CT平扫、磁共振成像、关节镜等，在临床中应用广泛。但上述检测方法仍存在影像重叠、费用高昂、耗时长、创伤大等缺点[37]，而声发射技术因具有无损、简便、精准等特点，可为检测膝关节半月板损伤提供新的方案。 在用声发射技术检测患者半月板损伤的研究中，研究人员用声发射检测设备记录了9例测试者在基线时、半月板撕裂后、半月板切除术后所得到的声发射信号，发现半月板撕裂后，声发射峰值的数量和振幅较基线显著增加[38]。在一项类似的研究中，OZMEN等[39]用声发射设备记录了46例健康测试者和34例急性半月板撕裂患者的声发射信号，结果发现与健康测试者相比，半月板撕裂患者的膝关节测量得出的声信号固有频率较高；半月板撕裂受试者的受伤腿和对侧腿进行对比，受伤侧膝关节所测的声信号的固有频率和阻尼显著增加。因此，认为声发射技术能够区分正常半月板与撕裂后的半月板，有望作为未来无创诊断半月板撕裂损伤的检测工具。 2.2.2   声发射技术在髋关节炎中的应用   髋关节炎是最常见的关节炎之一，其特点是软骨退化、骨赘形成、髋臼缘增生、关节间隙减小和关节功能丧失，如果不积极治疗，最终可能会导致终身残疾[40]，早期诊断可以帮助髋关节炎的管理，降低髋关节退化到需要置换的可能性。声发射技术是一种有效的诊断方法，但由于髋部软组织较多，存在信号衰减。相较于膝关节炎，髋关节炎的研究较少。在声发射与激光传感器相结合检测髋关节软骨磨损的研究中，研究人员发现从声发射装置获得的数据与激光传感器获得的软骨表面磨损程度有关，磨损程度越重，声发射信号中高频信号越多[41]。认为声发射技术同样能够检测髋关节表面的磨损，可作为检测髋关节疾病有潜力的诊断工具。 2.2.3   声发射技术在髋关节置换术中的应用 (1)术中假体周围骨折：髋关节置换的需求量呈逐年上升趋势，然而术中扩髓与假体置入期间股骨骨裂并不少见[42]，在实际手术中，非骨水泥髋关节置换术中股骨柄的插入深度主要依赖于医生对于敲击声的主观感觉与X射线片的结果[43]，而声发射技术的出现能够无损、客观地评价敲击力度与股骨柄插入深度，极大减少患者受X射线照射次数，缩短手术时长，降低扩髓期间周围骨折及术后并发症的风险。 在声发射技术用共振频率检测植入物与股骨模型间的稳定性研究中，研究人员发现，当植入物与股骨模型之间松动时，敲击植入物所测得的共振频率会下降[44]，认为敲击股骨柄产生的共振频率可以作为股骨柄固定的客观评价。在声发射技术与有限元分析相结合的研究中，SAKAI等[45]通过有限元分析估计应力，测量锤击力，同时使用麦克风收集锤击声数据并进行分析，结果发现随着股骨模型最大应力的增加，锤击声频率降低。当观察到频率降低时，说明已经发生了充分的锤击，并且继续锤击有骨断裂的风险。认为声发射技术能够阐明最后锤击的最佳时机与术中骨折发生之间的界限，减少术中发生植入物周围股骨骨折的可能性。在探讨具体频率与股骨干稳定性变化的研究中，FONSECA等[46]将植入物打入股骨近端，通过分析100 Hz至24 kHz敲击频率范围，声发射信号命中次数的增加与股骨皮质表面裂纹口生长和断裂相一致，这能够评估置入最佳尺寸来获得最佳拟合，保证假体的初始稳定性，同时避免了对股骨造成损伤。同时，声发射技术能够为医源性股骨骨折带来约100 s的预警时间，PECHON等[47]发现，安装在股骨和髓腔锉上的传感器产生的声发射信号可以在骨折前大约100 s的时间段内检测髓腔锉插入期间股骨内发生的损伤。这支持了使用声发射信号作为监测股骨内部损伤并成为预测骨折发生的手段。 (2)股骨柄下沉：股骨假体下沉是指植入物相对于大转子向远端移动，是髋关节置换术失败的危险因素[48]。据报道，在假体与股骨充分骨融合前，股骨柄下沉的风险为5%-65%[49]，下沉原因尚不清楚，但有学者提出股骨柄下沉与手术中植入物稳定性差有关[50]，因为初始稳定性差会增加种植体骨表面的微运动，导致骨融合不成功，而通过术中敲击股骨柄的声发射数据，可以对股骨柄下沉进行有效预测。 在用声发射技术预测股骨柄下沉的研究中，ZHUANG等[51]收集并分析了49例患者扩髓手术期间锤击声中的声学参数，开发了一种预测模型，该模型对术后股骨柄下沉5 mm或更大数值的预测成功率为100%和90.6%，证实利用扩髓过程中锤击声的声学参数可以预测股骨柄术后下沉的概率。在一项类似的研究中，MOROHASHI等[52]对71例髋关节置换手术股骨柄插入过程中产生的声音进行了量化，并研究了这些声音与股骨柄下沉发生率之间的关系，结果发现，由于下沉的股骨柄通常较少与股骨接触，这使下沉的股骨柄与正常的股骨柄相比更容易产生振动，从而可以从声发射信号中预测到术后下沉的可能性。因此，结合术中扩髓和敲击股骨柄的声发射数据，可以对股骨柄下沉的概率进行预测，认为声发射技术有望作为股骨柄下沉的预测工具。 2.2.4   声发射技术在髋关节置换术后并发症中的应用   全髋关节置换术是治疗终末期髋关节疾病最常见、最有效的手术干预方法，能有效提高患者生活质量[53]，但术后植入物稳定性不足、过早磨损等问题并不少见，增加了患者术后脱位和再次翻修的风险[54]。尽管可以进行二次翻修手术，但手术失败率较高，术后还会出现大量骨丢失[55]，与首次手术相比，患者的疼痛更重，下肢功能更差[56]。因此，定期监测髋关节植入物是不可避免的。传统上，使用影像学(如X射线片)和CT诊断植入物状 态[57]，但这些方法昂贵，而且让患者暴露于辐射中，对健康有害。针对上述问题，声发射技术被认为是一种客观的、简便的无损检测方法。 (1)无菌性松动：假体的无菌性松动是髋关节置换术后的主要并发症，占75%-83%，具体表现为假体周围骨溶解和机械性松动[58]，其发病隐匿，在发生的过程中往往伴随着缓慢的骨溶解，若无法早期诊断，将导致假体松动，严重影响患者的生活质量。CT、MRI会受到假体金属伪影的干扰[59]，在评估小的假体周围溶骨性病变方面价值也有限，因此对早期松动诊断比较困难。因此，借助一种或结合多种诊断方法将提高早期对髋关节假体松动的诊断率，对优化治疗方案和改善患者预后有着重要的意义。通过监测声发射信号可以对髋关节置换术植入物的结构完整性进行无损性分析。在声发射技术对体外不同类型的髋关节模型松动程度的研究中，PAECH等[60]发现，松动假体模型的高频波要比正常假体模型多，认为声发射技术能够检测到松动假体与正常假体的区别，在诊断假体松动上具有一定的意义。BROWNE等[61]在其基础上进行进一步研究，他们建立了股骨柄-水泥界面模型，模拟股骨柄界面与水泥界面剥脱的的过程，并使用声发射设备检测，当声发射设备检测到异常数据时，使用超声成像系统获取损伤部位的图像。随着数据的积累，声发射技术能够在超声成像系统识别出分层之前就识别出分层区域。该研究表明了声发射技术可以详细了解植入物内部分层模式，支持声发射技术作为评估全髋关节置换无菌性松动有潜力的工具。在声发射技术对髋关节置换假体股骨颈与股骨头假体连接处微腐蚀的研究中，KEATY等[62]发现声发射信号中的命中次数与微动腐蚀严重程度相关，表明声发射可作为髋关节置换术中植入物失效早期检测和持续监测有价值的诊断工具。 (2)假体磨损：有研究指出，关节面磨损产生碎屑会迁移到假体周围组织中，在体内引起持续性的无菌性炎症，最终可能导致骨溶解和假体松动[63]。而患者在关节磨损早期并没有特殊的症状，传统的检查如X射线片、CT等对早期的假体磨损也有一定的局限性[64]。声发射技术的出现为髋关节假体磨损的早期检测带来了曙光。 在声发射技术检测假体磨损的研究中，ROQUES等[65]将声发射传感器固定于髋关节植入物模型，通过分析损伤部位发出声发射信号来评估假体的磨损程度，结果发现假体磨损程度与声发射信号之间存在正相关性，磨损程度较高的假体发出声发射信号的峰值振幅、持续时间、上升时间和能量都比正常假体要高，认为声发射技术可以作为评估假体磨损程度的工具。在另一项研究中，LEE等[66]将声发射技术与电位和摩擦系数相关联，连续监测记录受试者站立、行走和睡眠时观察到的摩擦系数和电位变化，结果发现磨损体积增加会导致电位水平降低，声发射命中次数增加。认为髋关节置换假体具有较高的磨擦系数，适用于声发射技术的监测，研究人员能够从声发射命中次数的变化来判断假体材料的磨损。BACCAR等[67]进行了进一步研究，他们引入了短时傅里叶变换和连续小波变换相结合的特征提取模块，结果表明，随着磨损状态的变化，单个频率能量也发生变化，认为声发射监测装置可以评估磨损程度。 综上，作者认为，声发射技术是通过收集磨损假体摩擦产生的声发射信号，来区分正常假体与磨损假体，相较于传统检测方法，声发射技术能及早评估假体磨损程度，有望作为未来评估假体磨损的工具。 (3)假体及骨水泥裂纹：随着时间进展，髋关节植入物及固定材料骨水泥会发生疲劳损伤，产生微小裂纹，这些裂纹产生的时间远早于可见裂纹或假体断裂时产生的裂纹，常规检查很难发现。近来，有许多研究借助声发射设备探测骨水泥及假体中的微裂纹。在声发射技术检测骨水泥初始损伤和疲劳损伤的研究中，张岚峰等[68]发现骨水泥的初始损伤开始于患者术后首次承重，而非循环载荷过程中的损伤累积。SHEARWOOD-PORTER等[69]用嵌入式声发射设备检测骨水泥中的微裂纹，并用X射线断层摄影术加以证实，研究显示骨水泥内部缺陷与疲劳过程相互作用，增加了声发射信号的释放。因此，认为声发射设备在检测骨水泥初始裂纹和后期疲劳损伤后产生的微裂纹这两方面都具有优势。声发射设备在假体裂纹的检测中也应用广泛，YAMADA等[70]使用了声发射技术监测了人工髋关节陶瓷股骨头在压缩试验中的微损伤，并应用有限元方法计算裂纹强度和主裂纹形成的临界应力，结果显示，当达到临界应力时，声发射峰值振幅与频率达到最高，认为声发射技术可以检测到假体的微损伤。在自动化评估假体裂纹的研究中，FRANKE等[71]开发了一种声发射自诊断测量系统，可以根据收集到的声学信号自动评估裂缝所处位置，为临床快速、无损得诊断假体裂纹提供了便捷。  2.3   声发射影响因素及改进措施   尽管声发射技术具有无损、精准、便捷等优点，但与工业应用相比，髋膝关节及其所处运动系统更复杂，波衰减、摩擦学等特性要复杂得多，声发射检测设备检测到的关节或假体产生的信号会被软组织吸收[72]，股骨的形态、植入物材质、结构等也会导致复合材料震动模式的改变，从而影响声学特性[73]； 其次，声发射数据复杂，需要合适的方法来分析数据，这些问题限制了声发射技术在临床上的普及。为了解决上述问题，提高声发射技术在关节外科疾病应用的实用性，许多研究人员展开了研究，见表1。 针对影响声发射收集信号的因素，FENG等[74]研制出了一种新的压电锆钛酸铅薄膜声发射传感器，这种声发射传感器与皮肤有着良好的耦合，能够提高对声发射信号收集的灵敏度。FITZPATRICK等[75]开发了一种声发射监测诊断设备，并引入滤波来排除外来外界干扰信号。MAVROGORDATO等[76]为减少声发射信号的衰减，将声发射传感器直接嵌入股骨柄内来收集信号，研究显示，这种嵌入式传感器不受噪声的影响，对假体的损伤有更好的检测能力。同样，为了能更好地分析声发射信号，提取有用信息，BURGO等[77]引入了快速傅里叶变换技术，用线性预测理论、多通道同时采样，对关节振动图信号进行了研究，解决了临床关节疾病的待测信号不稳定问题，同时也证明了利用多元统计技术分析声发射信号的可行性。RODGERS等[78]对比各种声学算法，发现基于声强、小波分析和均方根等统计方法都能有效地识别大多数声学事件，而在这些方法中，小波分析是最有效的。 为了让声发射设备在临床上应用更方便，不少研究人员开发了自诊断声发射设备。OZMEN等[79]开发出处理声发射测量结果的算法，并将其与机器学习相结合，用于膝关节损伤诊断，这种算法解决声发射测量的客观噪声的干扰，提高了声发射技术诊断膝关节疾病的能力。GHAREHBAGHI等[80]将膝关节视为一个流体润滑系统，对声发射信号、肌电图、地面反作用力等数据进行收集，通过收集的数据来训练分类器，以判别膝关节润滑模式，该训练器对关节润滑模式判断的准确率达到84%。 综上所述，声发射技术的很多潜在优势及自身缺陷还需要更多的研究与验证，开发新型声发射检测设备、引入更先进的声学统计学方法将更好地弥补声发射技术自身缺陷，提高声发射技术在临床上的应用普及。 "