Drpnuis生物物理小論文--超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、七夕，古今詩人慣詠星月與悲情。吾生雖晚，世態(tài)炎涼卻已看透矣。情也成空，且作“揮手袖底風(fēng)”罷。是夜，窗外風(fēng)雨如晦，吾獨坐陋室，聽一曲塵緣，合成詩韻一首，覺放諸古今，亦獨有風(fēng)韻也。乃書于紙上。畢而臥。凄然入夢。乙酉年七月初七。-嘯之記。 生物物理論文超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用指導(dǎo)老師 老師學(xué) 號 姓 名 班 級 【摘要】高于人耳聽覺上限值的聲波，稱為超聲波。超聲是人耳聽不到的。超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。尤其在醫(yī)學(xué)上，超聲頻率高，波長短，有良好

2、的指向性，衍射現(xiàn)象少，可在組織界面上反射，可被血細(xì)胞反向散射。此外，超聲波可被生物介質(zhì)所吸收。吸收程度基本上決定于介質(zhì)的特性和超聲的頻率。一般而論，介質(zhì)中的含水量越大，吸收越少，頻率越高， 吸收越多。超聲的這些特性，對于它在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用極為有利。本文就以超聲的這些特征為線索，闡述其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面的優(yōu)勢，并指出相應(yīng)的缺陷，提出相關(guān)的建議?！娟P(guān)鍵詞】超聲波，臨床醫(yī)學(xué)，多普勒效應(yīng)，超聲系統(tǒng) 超聲波在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同

3、點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波在傳播過程中一般要發(fā)生折射、反射以及多普勒效應(yīng)等現(xiàn)象,超聲波在介質(zhì)中傳播時,發(fā)生聲能衰減。因此超聲通過一些實質(zhì)性器官 ,會發(fā)生形態(tài)及強度各異的反射。由于人體組織器官的生理、病理及解剖情況不同 對超聲波的反射、折射和吸收衰減也各不相同。超聲診斷就是根據(jù)這些反射信號的多少、強弱、分布規(guī)律來判斷各種疾病。超聲在醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域都有應(yīng)用 ,并取得飛速發(fā)展 ,從而產(chǎn)生了超聲醫(yī)學(xué)這一分支學(xué)科。1 超聲的物理特性1.1超聲場特性 超聲在介質(zhì)內(nèi)傳播的

4、過程中 ,明顯受到超聲振動影響的區(qū)域稱超聲場。超聲場具有以下特點:如果超聲換能器的直徑明顯大于超聲波波長 ,則所發(fā)射的超聲波能量集中成束狀向前傳播 ,這種現(xiàn)象稱為超聲的束射性 (或稱指向性 )。換能器近側(cè)的超聲波束寬度與聲源直徑相近似 ,平行而不擴散 ,近似平面波 ,該區(qū)域稱近場區(qū)。近場區(qū)內(nèi)聲強分布不均勻。近場區(qū)以外的聲波以某一角度擴散稱遠(yuǎn)場區(qū)。該區(qū)聲波近似球面向外擴散 ,聲強分布均勻 ,但逐漸減弱 ,換能器的頻率愈高 ,直徑愈大 ,則聲波束的指向性越好 ,其能量越集中。1.2超聲的反射與散射 超聲在密度均勻的介質(zhì)中傳播 ,不產(chǎn)生發(fā)射和散射。當(dāng)通過不同的介質(zhì)時 ,在兩種介質(zhì)的交界面上產(chǎn)生發(fā)射與

5、折射或散射與繞射。超聲波的頻率較大 ,波長較小 ,一般不考慮衍射與干涉。（1）反射、折射與透射:凡超聲束所遇界面的直徑大于超聲波波長 (稱大界面 )時 ,產(chǎn)生反射與折射。反射聲強取決于兩介質(zhì)的聲阻差異及入射角的大小。垂直入射時 ,反射聲強最大。反射聲能愈強則折射或透射聲能愈弱。進入第二介質(zhì)的超聲繼續(xù)往前傳播 ,遇不同聲阻抗介質(zhì)時 ,再產(chǎn)生反射 ,依次類推 ,被檢測物體密度越不均勻 ,界面越多 ,產(chǎn)生的反射愈多。（2）散射與繞射:超聲在傳播時 ,遇到與超聲波波長近似或小于波長 (稱小界面 )的介質(zhì)時 ,產(chǎn)生散射與繞射。按照惠更斯原理 ,散射為小介質(zhì)向四周發(fā)散超聲 ,又成為新的聲源;繞射是超聲繞過

6、障礙物的邊緣 ,繼續(xù)向前傳播。散射回聲強度與超聲入射角無關(guān)。1.3超聲衰減 超聲在介質(zhì)中傳播時 ,隨著傳播距離的增加 ,聲強逐漸減弱 ,這種現(xiàn)象稱為超聲的衰減。引起衰竭的主要原因是介質(zhì)對超聲的吸收 (粘帶吸收及熱傳導(dǎo)吸收 )。超聲頻率愈高,介質(zhì)的吸收愈多;其次為能量的分散如反射、折射、散射等 ,使原傳播方向上的能量逐漸減弱。1.4多普勒效應(yīng) 聲源和接收體作相對運動時 ,接收體在單位時間內(nèi)收到的振動次數(shù) (頻率 ) ,除聲源發(fā)出者外 ,還由于接收體向前運動而多接收到 (距離 /波長 )振動 ,即收到的頻率增加了。相反 ,聲源和接收體作背離運動時 ,接收體收到的頻率就減少 ,這種頻率增加和減少的現(xiàn)

7、象稱為多普勒效應(yīng)。2 超聲診斷儀及工作原理2.1多普勒超聲儀工作原理 利用多普勒效應(yīng)原理檢測運動物體。當(dāng)發(fā)射超聲傳入人體某一血液流動區(qū) ,被紅細(xì)胞散射返回探頭 ,回聲信號的頻率可增可減 ,朝向探頭運動的血流 ,探頭接收到的頻率較發(fā)射頻率增高 ,背離探頭的血流則頻率減低。接收頻率與發(fā)射頻率之差稱多普勒頻移或差頻。多普勒頻移 f d與發(fā)射頻率 f 0、血流速度v、超聲束與血流之間的夾角、聲速c的關(guān)系為: f d =±2vf 0 cos / c。其中血流速度 v可由公式計算 ,當(dāng)聲束與血流方向平行時可記錄到最大血流速度 ,當(dāng)聲束與血流方向垂直時則測不到血信號。通過對多普勒信號檢出加以分析和

8、處理 ,經(jīng)放大或檢波 ,在示波器的熒光屏上顯示出來 ,就可制成各種多普勒超聲診斷儀。2.2多普勒超聲診斷技術(shù)的發(fā)展多普勒彩色血流成像、 多普勒圖譜效應(yīng)和彩色多普勒血流圖 (CFM)都是基于多普勒效應(yīng) ,用于實現(xiàn)對血流參數(shù)的測量。血流參數(shù)測量的發(fā)展經(jīng)歷了從連續(xù)波多普勒 (CWD)血流測量 ,到脈沖波多普勒 ( PWD)血流測量 ,到彩色多普勒血流圖的過程。多普勒超聲診斷儀從最初的具有 CFM功能 ,到同時顯示 B型圖像和多普勒血流數(shù)據(jù)(血流方向、 流速 ,流速分散 )的雙重超聲掃描成像系統(tǒng) (彩超 ) ,發(fā)展到采用計算方式處理技術(shù) ,能及時分析大量聲音反射波 ,實時捕捉圖像的三維超聲波掃描技術(shù)。

9、3 超聲波在臨床上的治療應(yīng)用3.1超聲波治病機理: (1)機械效應(yīng)：超聲在介質(zhì)中前進時所產(chǎn)生的效應(yīng)。（超聲在介質(zhì)中傳播是由反射而產(chǎn)生的機械效應(yīng)）它可引起機體若干反應(yīng)。超聲振動可引起組織細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運動，由于超聲的細(xì)微按摩，使細(xì)胞漿流動、細(xì)胞震蕩、旋轉(zhuǎn)、摩擦、從而產(chǎn)生細(xì)胞按摩的作用，也稱為“內(nèi)按摩”這是超聲波治療所獨有的特性，可以改變細(xì)胞膜的通透性，刺激細(xì)胞半透膜的彌散過程，促進新陳代謝、加速血液和淋巴循環(huán)、改善細(xì)胞缺血缺氧狀態(tài)，改善組織營養(yǎng)、改變蛋白合成率、提高再生機能等。使細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致細(xì)胞的功能變化，使堅硬的結(jié)締組織延伸，松軟。 超聲波的機械作用可軟化組織，增強滲透，提高代謝，促

10、進血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義。 (2)溫?zé)嵝?yīng)：人體組織對超聲能量有比較大的吸收本領(lǐng)，因此當(dāng)超聲波在人體組織中傳播過程中，其能量不斷地被組織吸收而變成熱量，其結(jié)果是組織的自身溫度升高。 產(chǎn)熱過程既是機械能在介質(zhì)中轉(zhuǎn)變成熱能的能量轉(zhuǎn)換過程。即內(nèi)生熱。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。 (3)理化效應(yīng)：超聲的機械效應(yīng)和溫?zé)嵝?yīng)均可促發(fā)若干物理化學(xué)變化。實踐證明一些理化效應(yīng)往往是上述效應(yīng)的繼發(fā)效應(yīng)。TS-C型治療機通過理化效應(yīng)繼發(fā)出下列五大作用： A.彌散作用：超聲

11、波可以提高生物膜的通透性，超聲波作用后，細(xì)胞膜對鉀，鈣離子的通透性發(fā)生較強的改變。從而增強生物膜彌散過程，促進物質(zhì)交換，加速代謝，改善組織營養(yǎng)。 B.觸變作用：超聲作用下，可使凝膠轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài)。對肌肉，肌腱的軟化作用，以及對一些與組織缺水有關(guān)的病理改變。如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病變和關(guān)節(jié)、肌腱、韌帶的退行性病變的治療。 C.空化作用：空化形成，或保持穩(wěn)定的單向振動，或繼發(fā)膨脹以致崩潰，細(xì)胞功能改變，細(xì)胞內(nèi)鈣水平增高。成纖維細(xì)胞受激活，蛋白合成增加，血管通透性增加，血管形成加速，膠原張力增加。 D.聚合作用與解聚作用：水分子聚合是將多個相同或相似的分子合成一個較大的分子過程。大分子解聚，是將大分子的化

12、學(xué)物變成小分子的過程?？墒龟P(guān)節(jié)內(nèi)增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎，修復(fù)細(xì)胞和分子：超聲作用下，可使組織PH值向堿性方面發(fā)展。緩解炎癥所伴有的局部酸中毒。超聲可影響血流量，產(chǎn)生致炎癥作用，抑制并起到抗炎作用。使白細(xì)胞移動，促進血管生成。膠原合成及成熟。促進或抑制損傷的修復(fù)和愈合過程。從而達(dá)到對受損細(xì)胞組織進行清理、激活、修復(fù)的過程。3.2醫(yī)學(xué)超聲波診斷方式醫(yī)學(xué)超聲波檢查的工作原理與聲納有一定的相似性，即將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各種組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波的程度也就不同，醫(yī)生們正是通

13、過儀器所反映出的波型、曲線，或影象的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。目前，醫(yī)生們應(yīng)用的超聲診斷方法有不同的形式，可分為A型、B型、M型及D型四大類。A型：是以波形來顯示組織特征的方法，主要用于測量器官的徑線，以判定其大小?？捎脕龛b別病變組織的一些物理特性，如實質(zhì)性、液體或是氣體是否存在等。B型：用平面圖形的形式來顯示被探查組織的具體情況。檢查時，首先將人體界面的反射信號轉(zhuǎn)變?yōu)閺娙醪煌墓恻c，這些光點可通過熒光屏顯現(xiàn)出來，這種方法直觀性好，重復(fù)性強，可供前后對比，所以廣泛用于婦產(chǎn)科、泌尿、消化及心血管等系統(tǒng)疾病的診斷。M型：是用于觀察活動界面

14、時間變化的一種方法。最適用于檢查心臟的活動情況，其曲線的動態(tài)改變稱為超聲心動圖，可以用來觀察心臟各層結(jié)構(gòu)的位置、活動狀態(tài)、結(jié)構(gòu)的狀況等，多用于輔助心臟及大血管疫病的診斷。D型：是專門用來檢測血液流動和器官活動的一種超聲診斷方法，又稱為多普勒超聲診斷法?？纱_定血管是否通暢、管腔是否狹窄、閉塞以及病變部位。新一代的D型超聲波還能定量地測定管腔內(nèi)血液的流量。近幾年來科學(xué)家又發(fā)展了彩色編碼多普勒系統(tǒng)，可在超聲心動圖解剖標(biāo)志的指示下，以不同顏色顯示血流的方向，色澤的深淺代表血流的流速?，F(xiàn)在還有立體超聲顯象、超聲CT、超聲內(nèi)窺鏡等超聲技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，并且還可以與其他檢查儀器結(jié)合使用，使疾病的診斷準(zhǔn)確率大

15、大提高。超聲波技術(shù)正在醫(yī)學(xué)界發(fā)揮著巨大的作用，隨著科學(xué)的進步，它將更加完善，將更好地造福于人類。像現(xiàn)在的彩超、B超、碎石（例如膽結(jié)石、腎結(jié)石祛眼袋之類的）等。3.3超聲波在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 超聲波在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛,特別是在臨床診療如外科、婦產(chǎn)科、美容、 減肥、結(jié)石、節(jié)育等手術(shù)環(huán)節(jié)的作用更是無可替代 ,超聲藥物透入療法、超聲霧化吸入療法、穴位超聲療法、高強度聚焦超聲系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展 ,為醫(yī)生的臨床診斷提供了許多的幫助。 (1)穴位超聲療法:又稱超聲針或超聲針灸 ,是現(xiàn)代超聲技術(shù)和傳統(tǒng)的針刺術(shù)結(jié)合的一種新的穴位刺激法。穴位超聲療法的最主要特點是無痛、 無不適反應(yīng);其次 ,穴位超聲療法是通

16、過聲能透入穴位來治療的 ,而且又具有對組織無損傷、 無副作用、 安全可靠的優(yōu)點 ,因此易為兒童和懼針的患者所接受。 (2)高強度聚焦超聲系統(tǒng) (H IFU) :又稱為“海扶刀” ,高強度聚焦超聲刀在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的協(xié)助下 ,將多束超聲波準(zhǔn)確聚焦在靶組織上 ,聲強達(dá)到 2 000W / cm2以上 ,利用腫瘤組織血流量低,不易散熱的特點,短時間內(nèi) (一般015115 s)照射靶組織 ,局部溫度達(dá)到 70100,造成蛋白質(zhì)固化 ,組織壞死 ,在超聲強度和照射時間適當(dāng)時 ,可在壞死組織周圍形成一層組織膜而對周圍組織損傷極小。在高能量超聲波作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) ,殺傷腫瘤細(xì)胞。超聲波具有較高的聚焦能力 ,

17、對組織有較大的穿透能力 ,不會對人體產(chǎn)生損害。4 對我國中、近期發(fā)展生物醫(yī)學(xué)超聲研究的看法和建議 4.1超聲在醫(yī)學(xué)上占的地位日趨重要，具有很好的社會效益國內(nèi)市場具有很大的經(jīng)濟效益；目前進口超聲儀器過多，國家每年需花費大量外匯。鑒于上述情況，發(fā)展我國的生物醫(yī)學(xué)超聲事業(yè)是必要的和 必需的。 4.2發(fā)展國的生物醫(yī)學(xué)超聲研究，必須進行應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高技術(shù)儲備，否則不可能有創(chuàng)新的儀器和質(zhì)量可控制的產(chǎn)品。重點研究課題包括以下方面 ： （1）提高壓 電陶瓷的性能，開展復(fù)合壓電材料、薄膜壓電材料的研究。 （2）換能器的高頻和多樣化。頻率從原有3 5 MHz提高到5 MH z、7 5 MHz； 研制高密集型線陣

18、、同心圓環(huán)多基元扇形、小曲率凸陣、穿刺、腔內(nèi)、術(shù)中換能器 。 （3）研制、推廣、應(yīng)用用戶定制集成電路 ( AS I C)，開展數(shù)字信號處理和圖像 處理芯片在醫(yī)學(xué)超聲中應(yīng)用的研究。 （4）研制高性能的C F M；進行高速、低速血流測量新方法的研究。 （5）在鞏固和提高現(xiàn)有超聲診斷方法的基礎(chǔ)上，開展腔內(nèi)超聲成像、術(shù)中超聲成像儀器的研制和臨床應(yīng)用，進一步開展介入性超聲和C F MI 床應(yīng)用 。 ，（6）開展活體的聲速、衰減 、BA等 聲學(xué)參數(shù)的研究。 （7）在超聲治療方面，集中力量研究高 性能聚焦式超聲體外碎石技術(shù) ，避免或減少并發(fā)癥。 （8）進行超聲對人體( 特別胚胎) 作用的基礎(chǔ)研究，加強超聲治癌機制研究和質(zhì)控措旌。 4.3為發(fā)展我國的醫(yī)學(xué)超聲事業(yè)，需加強橫向協(xié)作，這種協(xié)作不僅僅是項目、產(chǎn)品的分工，而應(yīng)是職能的分工，根據(jù)科研單位、大專院校、工廠各自的特長和長 遠(yuǎn)目標(biāo)來確定任務(wù)。七五期間，有些大專院校參加了工廠牽頭的樣機研制，雖然對擺脫目前儀器研制的落后局面起到一點幫助 ，但若不同時搞一些高技術(shù)的儲備研究，很可能一直步美國、日本超聲儀的后塵而無創(chuàng)新。 4.4提倡醫(yī)學(xué)超聲的研究設(shè)計人員學(xué)習(xí)一些醫(yī)學(xué)知識，醫(yī)學(xué)超聲的診斷人員學(xué) 習(xí)一些理工知識。 4.5建議有關(guān)部門采取以下措施