医学超声治疗技术研究及其应用

收稿日期:2003-11-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10274046)

作者简介:林书玉(1963)),男,山东莱州人,陕西师范大学教授,博士研究生导师.

#综合评述#

文章编号:1672-4291(2004)02-0117-06

医学超声治疗技术研究及其应用

林书玉1, 杨月花2

(1陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安710062;2西安石油大学医院,陕西西安710065)

摘 要:对超声波技术在医学及生物领域中的应用及其机理研究进行了分析.阐述了超声治疗技术的应用现状,分析了超声波的生物效应及其在治疗疾病中的作用.着重分析了目前国内外在超声治疗技术中的一些新方法和新设备,并对超声治疗技术的发展趋势进行了展望.关键词:医学超声;超声治疗;聚焦超声;生物效应

中图分类号:TB559 文献标识码:A

Medical ultrasonic therapy and its applications

LIN Shu -yu 1

,YANG Yue -hua

2

(1Applied Acoustics Institute,Shaanxi Normal University,Xi c an 710062,Shaanxi,China;

2Hospital,Xi c an Petroleum University,Xi c an 710065,Shaanx i,China)

Abstract:The mechanism and applications of ultrasound in medical and biological fields are analyzed.Some traditional ultrasonic therapy applications and their present research state are elucidated.The biological effects of ultrasound and their role in ultrasonic therapy are analyzed.Some new methods and equipments of medical ultrasonic therapy are stressed,and the future development of medical ultrasound is also analyzed.

Key words:medical ultrasound;ultrasonic therapy;focused ultrasound;biological effect 超声生物效应的重要应用是利用超声波能量改变生物组织的结构、状态或功能,从而治疗某些疾病,这一过程称为超声治疗.利用较低强度超声的温

和生物效应治疗某些疾病,称为超声理疗[1~6]

.反之,利用较强超声波的剧烈作用切断、破坏某些组织,则称为超声手术.一定剂量的超声波作用于人体组织,会产生一定的生物效应(热效应、机械效应以及空化效应)等,利用这些效应达到某种医疗目的,便形成了超声治疗,因此超声治疗的物理机制就在于超声的各种效应.超声治疗开始于超声理疗,出现在20世纪30年代.70年代以后,超声治疗技术取得了长足的发展,不仅传统的超声理疗有了新发展,而且涌现出一系列新的超声治疗技术,如超声外科、超声治癌及超声碎石等,从而使超声治疗技术进入了一个新的历史发展时期.比起超声诊断来,治疗用的超声波通常频率较低,功率则要大若干个数量级,

加上希望仅病变部位受局部照射,要求声束的聚焦

尖锐、焦点较小而焦区较短,因而常采用孔径较大的聚焦换能器.早期的聚焦换能器采用声透镜聚焦,后来,发展利用球面换能器聚焦,这样可避免声透镜造成的声能损耗.近年来,用环状换能器进行电子聚焦的方法发展较快,这种聚焦方式便于用电子学方法进行孔径加权,可根据需要较灵活地调整聚焦特性,包括聚焦声束的横向分布和焦点位置等.由于换能器发射声功率较大,挑选换能器材料时除了如诊断换能器那样要考虑阻抗匹配和灵敏度等外,还需要选择机械Q 值较高而热损耗较小的材料[7~9].

1 超声波的生物效应

1.1 热效应

由于生物组织的声吸收特性,入射到人体组织的部分超声能量变成热能,使其温度升高.组织的温

第32卷 第2期陕西师范大学学报(自然科学版)

Vol.32 No.2 2004年6月Journal of Shaanxi Normal U niversity (Natural Science Edition)Jun.2004

度升高与声波的强度、频率及作用时间等有直接关系.声强一定时,对某种组织,温度随声波照射时间的上升而升高.开始阶段,温度升高与时间成正比.当温度升到一定程度后(与声强度有关),就不再随时间直线上升,而是上升速率逐渐变慢,直至趋于平衡,最后不再上升.这种现象是由于热传导引起的.当介质局部受声的照射(如用聚焦声照射)或当介质声吸收特性不均匀时,会造成温度分布的非均匀性,温度梯度越大,热传导的作用也就越明显,直至介质温度相同,达到热平衡状态.对于热传导效应的严格分析是困难的,然而可以肯定的是,超声的热效应与频率密切相关.

1.2机械效应

超声是机械振动能量的传播,描述其波动过程可以采用多种力学参数,如质点位移、振动速度、加速度及声压等.声强较低时,生物组织产生弹性振动,位移幅度与声强的平方根成比例,但在声强足够大时,组织的机械振动则超过其弹性极限,造成组织断裂或粉碎,称为超声机械效应.超声手术刀和超声碎石等都利用了这一效应.如果生物效应的发生与一个或多个上述力学参数有关,我们便可把产生这种生物效应的物理机制归结为机械(力学)机制,机械机制属初始机制.可以设想生物体系中的生物大分子、细胞及组织结构处在激烈变化的机械运动场中时,其功能、生理过程乃至结构都可能受到影响.尤其重要的是,当辐射声强较高时,声场中的一些二阶声学参量会变得明显起来,从而可能出现各种非线性现象,对超声的生物效应做出贡献.这些二阶声学参量主要是辐射压力、辐射扭力以及声冲流等[8~10].

1.3声冲流效应

当超声入射于两种不同声阻抗率的媒质界面时,动量发生变化,产生辐射压力.两媒质阻抗相差较大且界面为平面时,辐射压力基本上正比于超声束的作用面积以及声波的平均声强度.辐射压力对组织可产生撕力,引起声冲流.当这种运动的幅度足够大时,会引起组织的损伤.

1.4空化效应

在液体或软组织中,会存在一些小气泡(或受声波照射时形成小气泡).在超声波的作用下,当声压与静压力之和很小时,气泡会生长,反之则会缩小,故声波引起气泡呼吸式的振动或脉动.超声强度较低时,这种振动不很剧烈,通常不产生破坏力,称为稳态空化.气泡在振动过程中,伴随一系列二阶声学现象发生.首先是辐射力作用,其次是伴随气泡脉动而发生的微声冲流,它可使脉动气泡表面处出现很高的速度梯度和粘滞应力,足以对该处的细胞和生物大分子产生生物效应.因此,即使在稳态空化情况下,由于声冲流的存在,气泡周围的应力增加,仍会造成某些生物细胞功能的改变.当声强超过某一阈值(称为空化阈值)时,气泡振动十分剧烈.在膨胀期,即声压与静压力的合力趋近于零时,气泡直径迅速增大.然后,当声压改变符号时,在很大的合压力作用下,气泡猛烈收缩,以致破裂成许多小气泡,产生强烈的冲激波和局部的高温高压,这种现象称为瞬态空化.

发生瞬态空化时,在强度较高的声场中气泡的动力学过程变得更为复杂和激烈.声场处在负压相时,存在于液体中的空化核迅速膨胀,随即又在正压相下突然收缩以至崩溃.当气泡体积收缩到极小时,气体的温度可高达数千度.气泡中的水蒸气在这样高温下分解为H与OH自由基,它们又迅速与其他组分相互作用而发生化学反应.此外,在空化泡崩溃时还常有声致发光、冲击波及高速射流等现象伴随发生.因此处在空化中心附近的细胞等生物体都会受到严重的损伤乃至破坏.热效应与空化效应属于产生超声生物效应的次级机制.

空化阈值与超声波的频率有关,也与生物组织的状态有关.在本来含有气泡(如一些多孔性的膜等)的情况下,空化阈值要低得多,空化借以开始生长的小气泡称为空化核,空化核的状态是决定空化效应强弱的主要因素.由于瞬态空化的强烈破坏性,在超声诊断中必须防范.实验表明,在超声诊断频段,各种生物组织的空化阈值均高于1W/cm2.而一般超声诊断仪所用的声强通常较高,因而不必担心瞬态空化发生[11~14].

1.5触变效应

超声波的作用还会引起生物组织结合状态的改变,如引起粘滞性降低,造成血浆变稀、血球沉淀等,称为触变效应.声强较低时,触变效应可能是可逆的.然而,声强过高时将造成组织的不可逆变化.

2超声治疗技术的种类和作用

2.1超声理疗

利用强度较低的超声波的热效应、机械效应等,用聚焦或非聚焦声束对疾病部位进行/加热0和机械刺激来治疗某些疾病,称为超声理疗.主要包括超声

118陕西师范大学学报(自然科学版)第31卷