醫(yī)學(xué)超聲基本原理超聲波生物組織特性第六講、超聲波的生物組織特性

主要內(nèi)容

一、超聲組織

二、超聲衰減

三、生物組織超聲特性的參數(shù)值

四、超聲生物效應(yīng)的機(jī)理

五、診斷超聲安全劑量閾值

六、本講思考題指定教材目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實驗，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術(shù)實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科生作教材，也可供該領(lǐng)域的研究生，科研及工程技術(shù)工作者參考。一、超聲組織一、超聲組織

不同生物組織的超聲特異性是超聲成像的關(guān)鍵，如聲阻抗，聲速，散射，吸收等。

生物軟組織的分類：上皮組織、肌肉組織、神經(jīng)組織、結(jié)締組織和血液及其它液體組織。骨頭，肺泡，脂肪等組織的超聲特性差異更大。二、超聲衰減二、超聲衰減衰減系數(shù) (2-6-1)

式中，A0是波的變量（如聲壓，質(zhì)點速度等）在Z=0時的峰值，Az是相同變量在z位置的峰值，μ0是媒質(zhì)的幅度衰減系數(shù)。二、超聲衰減2. 衰減因素1）擴(kuò)散衰減2）散射衰減3）吸收衰減4）界面上反射衰減

當(dāng)粒子尺度/波長>1時，散射衰減明顯增強(qiáng)；

吸收衰減是聲能轉(zhuǎn)化為其它能量；

非肺的人體組織中，吸收是主要的衰減因素，且吸收系數(shù)與超聲的頻率大約成正比，大約80％的超聲波被吸收；二、超聲衰減3. 超聲衰減隨頻率的變化

在非肺的組織，聲波的能量轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，如熱能，是引起超聲衰減的主要原因。實驗表明超聲的吸收衰減與頻率有關(guān)，在1MHz－15MHz的頻段，吸收系數(shù)幾乎與頻率成正比。三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值 1）聲速;測溫？ 2）聲阻抗以及聲壓反射系數(shù)，是所有脈沖回波超聲診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)； 3）超聲衰減系數(shù);

水最小，血液次之，其它軟組織較大，骨頭與肺中的空氣最大。三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值三、生物組織的超聲特性參數(shù)值四、超聲生物效應(yīng)一、研究超聲生物效應(yīng)的兩個起因 1）安全的超聲劑量是多少? 2）超聲治療方法，機(jī)理以及療效的評價？二、超聲生物效應(yīng) 1).熱效應(yīng)：機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生兩個效應(yīng) a）可逆轉(zhuǎn)效應(yīng)，b）不可逆轉(zhuǎn) 2).機(jī)械效應(yīng)：振動與壓力

溫度與壓力可以引起生物體化學(xué)特性的變化，化學(xué)動力學(xué)或者化學(xué)通路。舉例？ 3).超聲空化：超聲空化定義為充有氣體或者水蒸氣的空腔，在外場的作用下發(fā)生振蕩的任何現(xiàn)象。分穩(wěn)態(tài)空化以及瞬態(tài)空化。猛烈的空化，引起更高的溫度與更大的機(jī)械力。對組織造成嚴(yán)重的損傷與破壞。4).化學(xué)效應(yīng)由于生物組織局部壓力與溫度升高，會促使發(fā)生一些正常壓力與溫度下可能出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。5）聲沖流效應(yīng)當(dāng)超聲射入兩種不同聲阻抗率的媒質(zhì)界面時，動量發(fā)生變化，產(chǎn)生輻射壓力。兩媒質(zhì)阻抗相差較大且界面為平面時，輻射壓力基本上正比于超聲束的作用面積以及聲波的平均聲強(qiáng)度。輻射壓力對組織可產(chǎn)生撕力，引起聲沖流，當(dāng)這種運動的幅度足夠大時，會引起組織的損傷。6）觸變效應(yīng)超聲波的作用會引起生物組織結(jié)合狀態(tài)的改變，如引起粘滯性降低，造成血漿變稀、血球沉淀等，稱為觸變效應(yīng)。聲強(qiáng)較低時，觸變效應(yīng)可能是可逆的，聲強(qiáng)過高時會造成組織的不可逆變化。7）彌散效應(yīng)超聲波能提高半透膜滲透作用，可使藥物更易進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)。目前已經(jīng)證明將消毒藥物與超聲合并使用，可提高細(xì)菌對藥的敏感性，增強(qiáng)藥物的殺菌作用，藥物透入療法的原理就在于此。四、超聲生物效應(yīng)1）熱效應(yīng)超聲波的熱效應(yīng)，可引起血管功能和代謝過程的變化，以及由此引起的一系列復(fù)雜的神經(jīng)反射或各種其他效應(yīng)。如果超聲波的能量持續(xù)增加，組織溫度上升到攝氏65度以上，由于過熱，組織將會發(fā)生蛋白質(zhì)變性引起的凝固性壞死，這也是HIFU殺死腫瘤組織的主要因素。2).機(jī)械效應(yīng)當(dāng)聲強(qiáng)較低時，生物組織產(chǎn)生彈性振動，其振動幅度與聲強(qiáng)的平方根成比例，機(jī)械效應(yīng)相當(dāng)于對細(xì)胞作輕微的按摩，這種按摩將引起一系列反應(yīng)，如增加細(xì)胞半透膜的彌散作用，增強(qiáng)細(xì)胞的代謝和活力。對增強(qiáng)組織滲透、提高代謝、促進(jìn)血液循環(huán)、刺激神經(jīng)系統(tǒng)及細(xì)胞的功能等均有重要意義。當(dāng)聲強(qiáng)足夠大時，機(jī)械振動產(chǎn)生的剪切力會超過組織細(xì)胞的彈性極限，造成組織斷裂或粉碎，這時機(jī)械效應(yīng)最組織具有損傷性。3）空化效應(yīng)瞬態(tài)空化作用(Cavitations)：當(dāng)超聲波能量足夠高時，就會產(chǎn)生“超聲空化”現(xiàn)象，即指存在于液體中的微小氣泡（空化核）在超聲場的作用下振動、生長并不斷聚集聲場能量，當(dāng)能量達(dá)到某個閾值時，空化氣泡急劇崩潰閉合的過程?？栈瘹馀莸膲勖s0.1μs，它在急劇崩潰時可釋放出巨大的能量，并產(chǎn)生速度約為110m/s、有強(qiáng)大沖擊力的微射流，使碰撞密度高達(dá)1.5kg/cm2。空化氣泡在急劇崩潰的瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓（5000K，1800atm），冷卻速度可達(dá)109K/s。超聲波這種空化作用大大提高非均相反應(yīng)速率，實現(xiàn)非均相反應(yīng)物間的均勻混合，加速反應(yīng)物和產(chǎn)物的擴(kuò)散，促進(jìn)固體新相的形成，控制顆粒的尺寸和分布。瞬態(tài)空化作用(Cavitations)穩(wěn)態(tài)空化當(dāng)液體媒質(zhì)的聲場中存在有適當(dāng)大小的氣泡時（氣泡太大會飄浮至液面而逸走，反之氣泡太小時，因表面張力很大，會溶解在液體中)，它會在聲波的交變聲壓作用下進(jìn)入振動（即體脈動）狀態(tài)。當(dāng)聲波頻率接近氣泡共振的特征額定時，氣泡的振動就進(jìn)入共振狀態(tài)，使脈動的幅度達(dá)到極大。氣泡的這種動力學(xué)表現(xiàn)稱之為穩(wěn)態(tài)空化。五、超聲診斷安全劑量的閾值三、超聲診斷安全劑量的閾值

超聲生物效應(yīng)在很大程度上取決于輻射的強(qiáng)度與持續(xù)的時間。

一般認(rèn)為：幾十毫瓦/平方厘米是比較安全的。不同超聲設(shè)備的輻射劑量五、超聲診斷安全劑量的閾值

目前應(yīng)用的超聲頻率：超聲治療有的僅用數(shù)千kHz，一般療法多用0.8MHz。而超聲診斷常用2.5~7.5MHz，表淺器官用10MHz或以上。超聲顯微鏡等已用至50MHz至數(shù)百MHz?？梢姵曉\斷應(yīng)用高頻率，小劑量，而超聲治療使用低頻率，大劑量。五、超聲診斷安全劑量的閾值

超聲的強(qiáng)度在0.1W/cm2以下時，不引起明顯的生物效應(yīng)，超聲診斷即利用反作用的超聲診斷劑量范疇。目前超聲診斷用的平均功率多在0.01W/cm2以下，對人體是無害的。但對生殖細(xì)胞，胚胎等嬌嫩組織是否有潛在性危害，以及安全劑量的閾值何在？雖進(jìn)行大量研究工作，但尚帶有工人的結(jié)果。

超聲的強(qiáng)度在0.1W/cm2以上時，會引起人體組織發(fā)生功能性和器質(zhì)性變化，由此而產(chǎn)生治療作用。器質(zhì)性的改變又分為可逆性的和非可逆性的，一般認(rèn)為3W/cm2以上的超聲強(qiáng)度對某些組織即可產(chǎn)生非可逆性的氣質(zhì)變化。低強(qiáng)度超聲治療劑量一般為0.2~2.5W/cm2，為非損傷性療法。超過3W/cm2以上，為高強(qiáng)度損傷性超聲治療法，例如超聲碎石，超聲治癌。超聲減肥，超聲手術(shù)刀等。有的聚焦強(qiáng)度高達(dá)7500W/cm2。指定教材目前，關(guān)于生物醫(yī)學(xué)超聲的參考書很多；但是從教十年多來，一直很難找到一本非常適合本科生的教材。這也是編者下定決心編寫本書的主要原因之一。本書的內(nèi)容主要包括超聲物理基礎(chǔ)，壓電效應(yīng)與換能器技術(shù)，超聲成像診斷原理，超聲治療技術(shù)，醫(yī)學(xué)超聲實驗，醫(yī)學(xué)超聲的最新進(jìn)展等。每章節(jié)都配置了一定量的練習(xí)與思考題，以幫助讀者鞏固書中的內(nèi)容，并提高分析解決問題的能力。為配合雙語教學(xué)，本書保留了關(guān)鍵專業(yè)詞匯的中英文對照。本書的特點是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同時，兼顧一定的工程技術(shù)實用性，如包含聲場的數(shù)值模擬，超聲圖像的C語言程序處理，超聲波發(fā)射電路原理，換能器的匹配技術(shù)等。本書適合醫(yī)學(xué)超聲以及相關(guān)領(lǐng)域的本科生作教材，也可供該領(lǐng)域的研