4 超声治疗

这些非线性现象包括如辐射压力及辐射扭力等，它们可使悬浮的粒 子(如血液中的红细胞及卵细胞中的细胞核等)产生平动及旋转．此外 还有声流及微声流，它表现为传声媒质中一种粒子流(微声流是发生 微米范围内的粒子流)． 例如 用金属丝振动作为超声发射源，已完成了对若干生物悬浮液中微声
流作用的研究，观察到一系列有趣的生物效应，如细胞溶解、细胞 功能改变、DNA大分子降解及酶变性等等．确信这些生物效应主要 是由微声流导致粘滞应力引起的．
较低的超声频率时，由于超声吸收系数很小，产生的热量与温升 均近于可以忽略的程度．这时人们自然会想到，与声场相联系的 某些力学参量可能是导致这些生物效应产生的原因．
与声场有关的力学量有质点振动位移、速度及加速度以及声压等， 这些力学量都可能与生物效应有关系． 更为不可忽视的还有，当辐照声强较高时，声场中的所谓二阶参量 会变得明显起来，从而可能出现各种非线性物理现象，可对产生生 物效应做出附加的贡献．
超声治疗学
已知骨骼的超声吸收要比软组织高出几十倍，因此当超声用于辐照 骨骼时，其致热效应尤为显著，对此应予特别注意． 此外，当较强的超声波辐照人体时，由于组织的非线性特性，而导 致声波的非线性畸变，产生高次谐波成分，从而使超声吸收增大， 这种附加的温升贡献常常也是不可忽视的． 2 机械 力学 机制 机械(力学 力学)机制 在一些情况下，超声生物效应明显发生，但超声产生的热量却微不 足道，这时当然就不能把产生生物效应的原因归结为热学机制． 例如 当超声波辐照低浓度细胞悬浮液或生物大分子溶液时，或者使用
应该注意的是脉冲重复频率与超声频率的差别． 应该注意的是脉冲重复频率与超声频率的差别．
超声治疗学
(二) 治疗用超声强度的时空变化及其表述 二 1 超声波声强随时间的变化 声功率 超声治疗仪的探头每秒钟发射的声能，单位为瓦(W)． 一般用声强 声强(I)表示超声治疗仪的声辐射能 声强 力，定义为探头发射的声功率除以其有效 辐射面积，单位为瓦/厘米2(W/cm2)． 连续波 当治疗机工作在连续波波形时，它 发射的声强波形如图3．其中 ITP——时间峰值声强 时间峰值声强 ITA——时间平均声强 时间平均声强
超声治疗学
二、超声治疗的物理机制
一定剂量的超声波辐照可以导致生物体系不同结构层次上各式各样 的生物效应，而且任何一种生物效应都是超声波与被其辐照的生物 体系之间相互作用的结果．超声波既然是一种物理过程，那么从物 理学的观点出发来揭示与讨论这种相互作用的机制(或称为物理原因、 原理)，则是十分自然的． 由声学基础理论可知，声场是传声媒质中机械振动传播的空间．为 描述这种机械振动，有若干力学量可供选择，如质点振动位移、速 度、加速度、声压等．在某些情况下， 当超声生物效应的发生直接 在某些情况下， 在某些情况下 与一个或多个这样的力学量有关时， 与一个或多个这样的力学量有关时 ， 我们便把产生这种生物效应的 原因归结为力学机制 或机械机制)． 力学机制(或机械机制 原因归结为力学机制 或机械机制 再者，超声波在生物媒质中传播时， 其振动能量不断地被媒质吸收 超声波在生物媒质中传播时， 超声波在生物媒质中传播时 转变为热能而使其自身温度升高， 转变为热能而使其自身温度升高 ， 倘若与此同时超声波还导致某种 生物效应， 生物效应 ， 而且如用其它加热办法获得同样温升并可重现同样生物 效应时，那么我们就完全有理由说，产生该生物效应的原因是热学 效应时 ， 那么我们就完全有理由说 ， 产生该生物效应的原因是 热学 机制． 机制．
超声治疗学
从理论上讲，对于非聚焦声波ISP/ISA不小于4，对于聚焦声波ISP/ISA比 值可能比4大得多． 脉冲波 脉冲波声强的空间分布情况与频率相同的连续超声波大体相 同．倘若兼顾脉冲超声波在时间与空间上的双重变化，则通常 通常 可取四种不同表示的声强，即 可取四种不同表示的声强
ISATA——空间平均时间平均值声强 空间平均时间平均值声强 ISPTA——空间峰值时间平均值声强 空间峰值时间平均值声强 ISAPA——空间平均脉冲平均值声强 空间平均脉冲平均值声强 ISPPA——空间蜂值脉冲平均值声强 空间蜂值脉冲平均值声强 它们之间有如下关系：Fra bibliotek超声治疗学
一、治疗超声的声场参数
当患者接受超声治疗仪输出的超声辐照时，超声波对人体组织产生生 物效应的可能性及程度，严格地讲，应决定于所有声场参数的时空分 布情况．但测试所有声场参数的几乎是不大现实的，为此需要选定少 数重要的描述声场的参数，这些参数应能适宜表述该仪器的声输出产 生生物效应的能力．有若干可供选择的声场参数，如声压、质点振动 位移、速度及加速度等，但通常使用较多的是声强． 当声强这个声场参数用于研究超声生物效应时，应该特别注意区分 “在位”(In Situation)声强与发射声强． “在位”声强 在人体内或其它生物体系内我们感兴趣的那个空间部位 在位” 在位 上的声强． 发射声强 在水中自由声场条件下仪器声头辐射的声强． 很明显，人体内的“在位”声强是无法直接测量的，但在一定的准确 程度上，我们可以从发射声强和人体组织的超声衰减数据进行估算， 这样，通过发射声强即可比较不同治疗仪产生生物效应的能力．
超声治疗学
超声外科已在骨、脑神经、矫形外科、眼科及肿瘤、息肉摘除及减 肥手术中得到有效的推广应用，并充分显示出它特有的优越性．20 世纪80代初出现的体外机械波碎石术，是结石症治疗史上的重大突 破，如今已在国际范围内推广应用．而在世纪之交时重新崛起的 HIFU被誉为是20世纪治疗肿瘤的新技术．
一、治疗超声的声场参数 二、超声治疗的物理机制 三、超声治疗 四、超声理疗
这里ITA等于IPA与占空比F的乘积，即
ITP IPA ITA 时间
图4
脉冲波超声声强度随时间的变化
I TA = F I PA
占空比F越大，ITA与IPA越接近，当F=1时，ITA=IPA，即是连续波．
2 超声波声强随空间的变化 无论是连续波还是脉冲波，超声波的声强在空间上也不是常数．
空间平均值声强 连续波 ISA——空间平均值声强 ISP——空间峰值声强 空间峰值声强
设软组织的质量密度ρ＝1g/cm3，比热与 水相同，即Cm＝4.14J/cm3℃，且吸收声 能而转变的热能又不失散，那么经超声 波辐照t秒之后，软组织的升温应为
0.026 × 2 1.1 0 T = Itf C ρCm
( )
由此可见，超声辐照引起的组织升温是显著的．在超声理疗中，为 由此可见， 超声辐照引起的组织升温是显著的 防止人体组织内的局部升温过高，需不时地移动探头辐照位置． 上述 的表达式同时适于连续超声波与脉冲超声波 的表达式同时适于连续超声波与脉冲超声波，只需注意式中声 上述t的表达式同时适于连续超声波与脉冲超声波 强I为时间平均值，且t为总的超声辐射时间，在脉冲超声波情况下， 它应是脉冲发射与间歇时间之总和．
图3
ITP
ITA
时间
连续波超声声强度随时间的变化
实际在超声治疗仪 上标示的声强． PA 为声压幅值， ρ 为介质密度， c为声速，W为探头辐射的声功 率，S为探头的有效辐射面积．
I TP = PA2 ρc I TA = W S
超声治疗学
矩形脉冲波 在矩形脉冲波情况下，其声 强波形如图4． ITP——时间峰值声强 时间峰值声强 ITA——时间平均声强 时间平均声强 IPA ——脉冲平均声强 脉冲平均声强
超声治疗学
在另外一些情况下， 在另外一些情况下 ， 超声生物效应产生的原因可能与超声空化机制 相联系．这里，超声空化是指在超声波作用下，液态生物媒质中微 相联系 小气(汽)泡被激活和相继发生的一系列动力学过程．当生物效应的产 生原因是来自于超声空化过程时，我们便可以检测到与空化伴随发 生的诸多物理、化学现象，如升温、升压、化学反应、自由基形式、 冲击波、次谐波等等． 下面稍微详细地来逐一讨论这些产生生物效应的物理机制． 1．热学机制 ． 人体生物组织对超声能量有比较大的吸收本领，所以声波在人体组织 中传播时，其能量不断被吸收而变成热，使自身温度不断升高．对此 可做如下定量讨论． 声强为I(W/cm2)的平面行波超声束在声吸收系 数为 α(Np/cm)的媒质中传播时，t秒时间内在 单位媒质体积所产生的热能Q可示为
超声治疗学
(一) 治疗用超声波的波形 一
声压
治疗用超声波的波形可以是连 续波，也可以是脉冲波． 当超声治疗仪声头中的压电晶 片被高频交变电场激励时，即 进入相应的振动状态，若激励 的交变电场在时间上是连续不 间断的，压电片的振动在时间 上也是连续不间断的，则它发 射的超声波便是连续波波形， 如图1．
Q = 2αIt J/cm 3
(
)
超声治疗学
当超声治疗机探头通过耦合剂向人体内辐照超声波时，由于人体组 织有较高的超声衰减系数，则可近似地看成是行波而满足上式条 件．从已获得的有关超声吸收的数据出发，可以认为，动物软组织 的超声吸收系数α与超声频率f (MHz)的关系可由下式近似描述
α = 0.026 f 1.1 (Np/cm )
声压 Wp
时间
Tp
脉冲宽度(Wp) 一个脉冲从起始 图 2 脉冲超声波的声压随时间的变化波形 脉冲宽度 到终止的时间． 脉冲周期(T 脉冲周期 p) 两个相邻脉冲同相位点之间的时间间隔． 脉冲重复频率(f 脉冲重复频率 p) 脉冲发射因子(F) 脉冲发射因子 fp＝l/Tp． F＝Wp/Tp．亦常称为占空比(Duty Factor) 占空比
超声治疗学
超声波是一种高频振动的机械波，同时又有一个不变的辐射力作用 在人体组织上，对生物组织起到一种按摩作用． 3 空化机制 广义而言，所谓超声空化 超声空化是指声致气(汽)泡各种形式的活性．这些气 超声空化 (汽)泡的活性表现，在一些情况下是有规律可循的，而在另外一些情 况下又是相当激烈而难以预言的．但是，不论是哪种形式，它们都 是可以通过一定的方法予以检测的． 通常，按气(汽)泡不同的动力学表现行为，又分成稳态空化与瞬态空 化两种．
T
时间
图 1 连续超声波的声压随时间的变化
图1给出的是声压波形，当然也可以是质点振动位移、速度等，图中 T是超声波的振动周期．当超声波经耦合剂传播入人体内后，在超声 波的传播路程上，人体细胞组织也将以同样的周期进入振动状态， 振动波形与图1相似，只是振动幅度有所不同．
超声治疗学
治疗用超声波也常有取脉冲 波波形的，这时用于激励探 头的高频电场在时间上已不 再是连续的，而是一系列等 幅长脉冲波列，每个脉冲中 可能包含许多个超声振动周 期，如图2．
对于非聚焦的一束声波，其空间平均值声强ISA可由探头辐射的总功率除 以探头的有效辐射面积而得到，其空间峰值声强ISP出现在近场内声轴的 某点上，可采用瞬态热电偶或水听器测量得到． 声场的空间不均匀性因子 SP/ISA表示．这个量对研究超声治疗安全性 空间不均匀性因子用I 空间不均匀性因子 问题具有重要意义，通常在超声治疗仪的技术说明书中，应予以标出．
I SPPA = I SATA (I SP I SA ) F
应该注意的是，在一些文献中，常常把脉冲超声波的脉冲平均值 声强IPA 称为时间极大值或时间峰值声强，并示以ITP ，而对图4中 的瞬态时间峰值声强则不予考虑． 此外，有的超声治疗仪的脉冲波输出，不是矩形调幅波，而是低 频正弦波，且调幅深度也不一．对这些情况在此不做详细讨论．
超声治疗学
超声治疗学是超声医学的重要组成部分，它是将超声作用于人体病 超声治疗学 变部位，利用超声波的能量改变生物组织的结构、状态或功能，达 到治疗疾病促进肌体康复的目的． 超声治疗主要分为两大类： 超声治疗主要分为两大类： 超声理疗 利用较低声强的“温和”的生物效应来治疗某些疾病． 超声手术 利用较强超声波的剧烈作用来切断、破坏某些生物组织 治疗某些疾病． 目前的超声治疗内容已有很大进展，除一般超声治疗法之外，还包 括诸如超声药物透入疗法、超声雾化吸入疗法、超声穴位疗法(也称 声针疗法)以及与其它理疗技术协同应用的超声电疗法，等等． 特别引人瞩目的是超声外科、体外机械波碎石术和高强聚焦超声 (HIFU)无创外科等，它们的出现与发展已使超声治疗在当代医疗技 术中占据重要位置．