超聲的生物效應(yīng)

超聲的生物效應(yīng)第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2、輻射壓當(dāng)超聲射到任何界面或媒質(zhì)時(shí)，只要沿聲的傳播方向有聲強(qiáng)的減弱，就有壓強(qiáng)作用于界面，叫輻射壓。不同于交變聲壓，是單向的，即沿傳播方向：P’=I/u上例P’=66Pa這壓強(qiáng)能使水噴出水面6.7mm，這是輻射壓引起的騷動(dòng)效應(yīng)。這種效應(yīng)可使蛋白質(zhì)、細(xì)胞、組織變性，另一效應(yīng)是在溶劑分子和懸浮粒子之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦，力可大到斷開碳鍵，使生物大分子解聚。3、特性方向性好：近似直線傳播，可得到定向而集中的超聲波束穿透本領(lǐng)大：易穿透水、脂肪和軟組織；不易穿透骨骼和肺組織產(chǎn)生顯著的反射：鋼體中的氣泡，人體組織中的病變，是超聲診斷的基礎(chǔ)第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四二、超聲波的生物效應(yīng)1、生物大分子超聲對水溶液中的大分子尤其是DNA的作用很明顯，其效應(yīng)主要是導(dǎo)致降解。0.25~4MHz、1W/cm2的超聲能使DNA的雙螺旋斷裂，平均分子量從107降到2.5×105。原因可能是由于超聲引起液體的空化作用將螺旋鏈切斷。2、細(xì)胞可使細(xì)胞膜破裂：（是用超聲波破碎細(xì)胞技術(shù)的基礎(chǔ)），引起細(xì)胞膜的損傷，電泳遷移率下降，反映了細(xì)胞膜表面凈電荷的減少，原因是空化作用通透性有所增加：原因是熱作用破壞懸浮紅細(xì)胞：溶血作用第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3、生物組織生物組織對超聲有相對高的吸收系數(shù)和低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，所以溫度的上升成為主要問題。使其功能改變，是超聲理療的基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)上通過對超聲波聚焦，照射皮下一些病變組織，用來治療腰肌扭傷、疼痛，關(guān)節(jié)周圍發(fā)炎和軟組織折炎癥。（1）對血流和血管的作用：用頻率1MHz、強(qiáng)度小于0.5W/cm2的超聲照射小血管，可使血流阻斷；以較弱的超聲照射血管，可引起擴(kuò)張，以強(qiáng)超聲照射，則引起血管收縮，用超聲直接照射頸部迷走神經(jīng)，可看到明顯的降壓作用。（2）對惡性腫瘤的作用：因吸收熱引起局部溫度升高，可用來人工加熱治療腫瘤。實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)度的聚焦超聲可破壞神經(jīng)膠質(zhì)瘤和抑制腫瘤生長，例如，用峰值聚焦強(qiáng)度達(dá)1000W/cm2持續(xù)時(shí)間2秒的超聲照射，表明可抑制移植到小鼠的神經(jīng)膠質(zhì)瘤的生長，并注意到超聲照射增強(qiáng)了鼠的免疫活性。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四（3）對組織再生的作用：用兔耳實(shí)驗(yàn)性損傷作實(shí)驗(yàn)，利用頻率3.6MHz、強(qiáng)度0.5W/cm2、脈沖時(shí)間2ms的超聲波，隔日進(jìn)行5分鐘照射，可使損傷的修復(fù)率達(dá)30%。4、動(dòng)物整體最早發(fā)現(xiàn)超聲破壞效應(yīng)的是，置于超聲束中小動(dòng)物的死亡以及懸浮液中單細(xì)胞機(jī)體或微生物的破壞。不同機(jī)體對超聲的敏感不同，面且有些效應(yīng)是可逆的。一般認(rèn)為低強(qiáng)度的超聲，對人體不會(huì)引起有害效應(yīng)。至于在高強(qiáng)度超聲作用下出現(xiàn)的疲勞、頭痛、惡心和嘔吐，則可能不是超聲引起的，而是伴發(fā)噪聲的作用結(jié)果。超聲診斷時(shí)是否有危險(xiǎn)與強(qiáng)度和時(shí)間有關(guān)，有人認(rèn)為：每月受超聲作用3次，一年30次，無危險(xiǎn)，強(qiáng)度小于40W/cm2，無論作用多長都無關(guān)系。脈沖超聲（強(qiáng)度30W/cm2，脈寬0.7微秒，重復(fù)頻率1000Hz的總作用時(shí)間不應(yīng)超過5.5小時(shí)，由于安全限無定論，只有必要時(shí)，才進(jìn)行超聲診斷。第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四三、超聲的生物作用機(jī)制能夠引起生物效應(yīng)的超聲作用，可分為熱作用、機(jī)械作用、化學(xué)作用，而空化現(xiàn)象則同時(shí)包含了上述三種作用。1、熱作用超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)，將會(huì)有一部分能量被介質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為熱量，引起介質(zhì)溫度升高，稱為熱效應(yīng)或熱作用。產(chǎn)生熱量的大小決定于介質(zhì)的吸收系數(shù)，以及超聲波的強(qiáng)度和輔照時(shí)間。在生物組織中，在部分損耗掉的聲能由蛋白質(zhì)分子經(jīng)各種弛豫過程所吸收。早期用于臨床理療，近年來，它作為加溫治療癌癥的一種熱源受到重視。2、機(jī)械作用（1）輻射壓強(qiáng)：當(dāng)超聲入射到兩種介質(zhì)的界面時(shí)，除反射和透射外，在界面處還產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的沿傳播方向的靜壓強(qiáng)，稱為輻射壓強(qiáng)。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四輻射壓強(qiáng)對生物體產(chǎn)生兩種生物效應(yīng)：(a)騷動(dòng)效應(yīng)。當(dāng)強(qiáng)聲束通過液體時(shí)，可看到很強(qiáng)的騷動(dòng)效應(yīng)，如水的沸騰現(xiàn)象和噴射現(xiàn)象。可使蛋白質(zhì)變性，細(xì)胞變形。(b)摩擦現(xiàn)象。輻射壓給予溶劑和大分子以不同的加速度運(yùn)動(dòng)，從而使小分子和大分子之間發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，其力量之大可能導(dǎo)致碳鍵的斷裂而使大分子降解。（2）超聲壓強(qiáng)出現(xiàn)交替的正壓和負(fù)壓，對中等頻率的超聲，這種壓差可達(dá)數(shù)百Kpa的壓強(qiáng)差。有人用這種壓強(qiáng)差來解釋超聲對細(xì)胞的分解作用和胞內(nèi)胞質(zhì)發(fā)生的流動(dòng)作用。3、化學(xué)作用增加化學(xué)反應(yīng)速度，促進(jìn)氧化、分解。特別是對膠體系統(tǒng)的化學(xué)鍵和范德瓦爾斯型的分子鍵有明顯作用。影響超聲化學(xué)作用因素有頻率、強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和溫度。二級作用，首先是引起組織內(nèi)空化、電現(xiàn)象、升溫、壓強(qiáng)變化等效應(yīng)，它們都可以繼而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4、空化作用高頻超聲波通過液體時(shí)，液體中產(chǎn)生疏密變化，稠區(qū)受壓，稀區(qū)受拉。在受拉時(shí)，因?yàn)橐后w承受拉力的能力很差，特別是在含有雜質(zhì)和氣泡處，液體將被拉斷，形成空腔。緊接而來的是正聲壓，使空腔在迅速閉合的瞬間，產(chǎn)生局部高壓、高溫和放電現(xiàn)象，稱為空化作用?？栈饔每梢詢煞N方式使生物的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化：（1）在組織結(jié)構(gòu)之間引起的相對振蕩運(yùn)動(dòng)，在周圍液體中趨向于建立穩(wěn)定的沖擊流，從而在局部產(chǎn)生很高的速度梯度，足以破壞細(xì)胞的膜系統(tǒng)和生物大分子。（2）由于劇烈振蕩的結(jié)果，氣體在微氣泡中被壓縮時(shí)，使局部產(chǎn)生極高溫度和壓強(qiáng)的突變，從而引起電離作用?？栈饔贸Ｓ米髑逑础㈧F化、乳化以及促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等方面。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四四、超聲生物效應(yīng)規(guī)律超聲生物效應(yīng)與頻率、強(qiáng)度、作用時(shí)間有關(guān)，但尚無定論。1、頻率幾萬赫的超聲，是空化引起，M赫級的超聲是熱作用。其間都有。對生物損傷與頻率成反比關(guān)系，5MHｚ以上不產(chǎn)生顯見的損傷。2、強(qiáng)度在弱超聲作用下，其氧化作用較強(qiáng)；在強(qiáng)超聲作用下，機(jī)械作用變強(qiáng)，氧化作用則變?nèi)?。就腦損傷而言，低聲強(qiáng)、長時(shí)間作用時(shí)，是熱在起主要作用，而高聲強(qiáng)、短時(shí)間作用時(shí)，是瞬變空化在起作用。聲強(qiáng)小于10mW/cm2時(shí)，不會(huì)有生物效應(yīng)。3、時(shí)間：不同類型的超聲和不同的照射方式所產(chǎn)生的生物效應(yīng)并不相同，沒有發(fā)現(xiàn)超聲生物效應(yīng)的累積效應(yīng)。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4、超聲診斷的安全劑量對人體安全照射的超聲劑量隨照射時(shí)間而變，也與超聲頻率和強(qiáng)度有關(guān)。同時(shí)也以不同檢查對象和部位而變。例如，檢查胎兒的安全劑量以控制在20mW/cm2和30分鐘內(nèi)，而檢查成年人的腹部器官等則可控制在40mW/cm2和60分鐘內(nèi)。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四五、超聲波的發(fā)射和接收1、超聲發(fā)生器由高頻脈沖發(fā)生器和壓電式換能器兩部分組成高頻脈沖發(fā)生器用以產(chǎn)生超聲頻電振蕩壓電式換能器：晶片兩邊施加壓力或受拉時(shí)，兩邊產(chǎn)生等量異號(hào)電荷，這一現(xiàn)象叫正效應(yīng)，若加一電壓，產(chǎn)生壓力，則叫逆效應(yīng)。探頭即可發(fā)射超聲波，也可接收超聲波。各種超聲診斷議的超聲發(fā)射以及回聲接收均由超聲換能器完成。2、發(fā)射電路常用的脈沖發(fā)聲電路是產(chǎn)生短時(shí)間的脈沖電壓去激勵(lì)換能器，從而發(fā)射一個(gè)短時(shí)間的超聲脈沖，靈敏度和分辨率。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3、接收放大電路超聲在人體內(nèi)的回波信號(hào)一般很弱，需要進(jìn)行必要的放大才能觀察和分析，因此，接收放大器的性能好壞直接影響診斷儀的許多功能，如靈敏度，分辨率，盲區(qū)，動(dòng)態(tài)范圍等。4、超聲的接收和顯示超聲進(jìn)入人體后，遇到體內(nèi)臟器聲阻抗不同的界面即產(chǎn)生發(fā)射，接收器接的回波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字處理。（1）測距；（2）字符顯示；（3）部位及探頭位置顯示；（4）圖像凍結(jié)裝置；（5）局部放大；（6）圖像輪廓增強(qiáng)和自動(dòng)面積計(jì)算；（7）用計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作程序和信號(hào)處理的自動(dòng)化。第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四六、超聲診斷儀簡介超聲波掃描儀（用超聲波探測人體內(nèi)部情況）原理：超聲波在人體內(nèi)遇到密度不同組織的界面時(shí)——產(chǎn)生反射波——回波。臟器發(fā)生形變或有異物時(shí)，由于形狀、位置和聲阻抗的變化，回波的位置和強(qiáng)弱也發(fā)生改變。

探頭發(fā)射和探測超聲波——經(jīng)處理——顯示在示波器的熒光屏上。1、A型超聲診斷儀：（幅度調(diào)制型）

第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四原理它接收到的回波信號(hào)經(jīng)放大處理后加于示波管（或顯像管）的垂直偏轉(zhuǎn)板上，在水平偏轉(zhuǎn)板上加上一時(shí)基電壓（鋸齒波電壓），就可以把始波和各界面的回波信號(hào)以脈沖幅度形式按時(shí)間先后在熒光屏上顯示出來?；夭}沖幅度提供了產(chǎn)生反射的界面種類的信息，各回波脈沖與是始波的時(shí)間間隔提供了各個(gè)反射面的深度信息。（回波信號(hào)以脈沖幅度的形式按時(shí)間先后在熒光屏上顯示出來。）應(yīng)用它由回波顯示的位置和形態(tài)來判斷人體組織內(nèi)部組織的位置和病變。特點(diǎn)：價(jià)格低，使用方便，聲圖直觀性差，不能給出圖像顯示。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四2、B型超聲診斷儀它能得到人體內(nèi)部臟器和病變的二維斷層圖像，并且能對運(yùn)動(dòng)臟器進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。與A超不同之處：輝度調(diào)制，顯示斷層聲像。第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四(1)輝度調(diào)制：脈沖回聲信號(hào)經(jīng)放大處理后加于示波管(或顯像管)的控制柵極，利用脈沖回聲信號(hào)改變陰柵極之間的電位差，從而改變輝度?；芈曅盘?hào)越強(qiáng)，熒光屏上的光點(diǎn)越亮。所以，這是一種輝度調(diào)制型。將深度掃描的時(shí)基電壓加于垂直偏轉(zhuǎn)板上，回聲信號(hào)變成明暗不同的光點(diǎn)自上而下按時(shí)間先后顯示在熒光屏上。

(2)顯示斷層聲像：通過機(jī)械裝置與電子學(xué)方法使深度掃描線與探頭同步移動(dòng)時(shí)，可以得到人體組織內(nèi)的二維超聲斷層圖像(又稱聲像圖)。線性點(diǎn)陣掃描和扇形掃描B超成像原理第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四新代B超加入了微處理機(jī)，具有DSP系統(tǒng)（數(shù)字、掃描、信息處理系統(tǒng)）功能，這些功能包括：產(chǎn)生相控陣所需的相控信號(hào)及掃描同步信號(hào)等；對圖像進(jìn)行凍結(jié)、慢掃描、黑白翻轉(zhuǎn)等多種顯示；采用內(nèi)插技術(shù)使圖像清晰；同時(shí)顯示多幅圖像；產(chǎn)生多種形式的TGC（時(shí)間增益補(bǔ)償）信號(hào)；顯示必要的文字等符號(hào)；進(jìn)行長度、深度、周長、面積、體積、頻率、周期、速度、心輸出量以至胎齡的計(jì)算和顯示等，使B超的功通能得到大大擴(kuò)展，診斷質(zhì)量有很大提高。B超的應(yīng)用：超聲斷層顯像能獲得人體內(nèi)部臟器和病變的斷層圖，并且被掃查的斷層可以方便地移動(dòng)和改變，當(dāng)前成為應(yīng)用最普遍、最有效的醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)之一。主要用于腹腔和胸腔內(nèi)臟的檢查，即可作靜態(tài)觀察，如肝、腎、脾、胰、胃、膽、腸、子宮等臟器，也可作動(dòng)態(tài)觀察，如檢查心臟、胎兒活動(dòng)等。此外，也可用于腦部腫物及眼科檢查。第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四3、M超：水平軸代表時(shí)間，豎直軸代表深度。若所探查處內(nèi)部組織界面運(yùn)動(dòng)，深度隨時(shí)間變化，則得深度—時(shí)間曲線。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四許多斷層顯像儀中，采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器，掃描切面中各點(diǎn)的脈沖回波信號(hào)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄笏刂担⑵饠?shù)字圖像，送入數(shù)字存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存。存儲(chǔ)器中的數(shù)字信號(hào)經(jīng)處理器進(jìn)行各種處理和分析，最后經(jīng)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字圖像信號(hào)變?yōu)橐曨l圖像顯示。大多數(shù)系統(tǒng)都允許觀察者根據(jù)需要選擇像素值范圍，并把它轉(zhuǎn)換到全灰度標(biāo)進(jìn)行顯示，以控制圖像的對比度。采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器后，斷層顯像儀的功能大大增強(qiáng)。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四4、超聲波多普勒血流儀設(shè)：ν：探頭發(fā)射頻率，

紅細(xì)胞接收頻率，探頭接收頻率，v:

血流速度,u：超聲波在血液中的傳播速度,

θ:u、v方向間的夾角，多普勒頻移。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四例：用多普勒效應(yīng)來測量心臟壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，以5MHz的超聲波直射心臟壁(即入射角為0度），測出接收與發(fā)出的波頻差為500Hz。已知聲波在軟組織中的速度為1500m/s，求此時(shí)心壁運(yùn)動(dòng)的速度。解：多普勒與B超相結(jié)合，在B超上一邊設(shè)立多普勒取樣，一邊輸出血流信息，因此可得到正確有血液流速采樣位置。第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期四5、彩色多普勒血流成像儀（彩超）實(shí)時(shí)二維血流成像技術(shù)高速相控陣平面掃描，解剖結(jié)構(gòu)和血流狀態(tài)二種成像探頭接收到信號(hào)分為兩路：

1、放大處理后按回波強(qiáng)弱形成二維黑白解剖圖像；

2、掃描全程多點(diǎn)采樣，進(jìn)行多普勒頻移檢測，信號(hào)經(jīng)自相關(guān)分析處理，彩色編碼。紅：表示流向探頭藍(lán)：反方向綠：方向復(fù)雜多變的湍流血流速度大，顏色鮮亮這種彩色血流信號(hào)顯示在相應(yīng)的二維黑白圖像像的液性暗區(qū)內(nèi)，即能觀察解部位，腔室形狀大小，又可觀察血流活動(dòng)狀態(tài)。第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期