超聲生物效應(yīng)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，可引起擴張，以強超聲照射，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。實驗表明，高強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，用峰值聚焦強度達1000W/cm2持續(xù)時間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了鼠的免疫活性。（3）對組織再生的作用：用兔耳實驗性損傷作實驗，利用頻率3.6MHz、強度0.5W/cm2、脈沖時間2ms的超聲波，隔日進行5分鐘照射，可使損傷的修復(fù)率達30%。4、動物整體最早發(fā)現(xiàn)超聲破壞效應(yīng)的是，置于超聲束中小動物的死亡以及懸浮液中單細(xì)胞機體或微生物的破壞。不同機體對超聲的敏感不同，面且有些效應(yīng)是可逆的。一般認(rèn)為低強度的超聲，對人體不會引起有害效應(yīng)。至于在高強度超聲作用下出現(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。超聲診斷時是否有危險與強度和時間有關(guān)，有人認(rèn)為：每月受超聲作用3次，一年30次，無危險，強度小于40W/cm2，無論作用多長都無關(guān)系。脈沖超聲（強度30W/cm2，脈寬0.7微秒，重復(fù)頻率1000Hz的總作用時間不應(yīng)超過5.5小時，由于安全限無定論，只有必要時，才進行超聲診斷。三、超聲的生物作用機制能夠引起生物效應(yīng)的超聲作用，可分為熱作用、機械作用、化學(xué)作用，而空化現(xiàn)象則同時包含了上述三種作用。1、熱作用超聲在介質(zhì)中傳播時，將會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)，以及超聲波的強度和輔照時間。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、機械作用（1）輻射壓強：當(dāng)超聲入射到兩種介質(zhì)的界面時，除反射和透射外，在界面處還產(chǎn)生一個穩(wěn)定的沿傳播方向的靜壓強，稱為輻射壓強。輻射壓強對生物體產(chǎn)生兩種生物效應(yīng)：(a)騷動效應(yīng)。當(dāng)強聲束通過液體時，可看到很強的騷動效應(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動，從而使小分子和大分子之間發(fā)生強烈摩擦，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，這種壓差可達數(shù)百Kpa的壓強差。有人用這種壓強差來解釋超聲對細(xì)胞的分解作用和胞內(nèi)胞質(zhì)發(fā)生的流動作用。3、化學(xué)作用增加化學(xué)反應(yīng)速度，促進氧化、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、強度、持續(xù)時間和溫度。二級作用，首先是引起組織內(nèi)空化、電現(xiàn)象、升溫、壓強變化等效應(yīng)，它們都可以繼而引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。4、空化作用高頻超聲波通過液體時，液體中產(chǎn)生疏密變化，稠區(qū)受壓，稀區(qū)受拉。在受拉時，因為液體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動，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，使局部產(chǎn)生極高溫度和壓強的突變，從而引起電離作用?？栈饔贸Ｓ米髑逑?、霧化、乳化以及促進化學(xué)反應(yīng)等方面。四、超聲生物效應(yīng)規(guī)律超聲生物效應(yīng)與頻率、強度、作用時間有關(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、強度在弱超聲作用下，其氧化作用較強；在強超聲作用下，機械作用變強，氧化作用則變?nèi)酢＞湍X損傷而言，低聲強、長時間作用時，是熱在起主要作用，而高聲強、短時間作用時，是瞬變空化在起作用。聲強小于10mW/cm2時，不會有生物效應(yīng)。3、時間：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)。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間而變，也與超聲頻率和強度有關(guān)。同時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)。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，兩邊產(chǎn)生等量異號電荷，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)生短時間的脈沖電壓去激勵換能器，從而發(fā)射一個短時間的超聲脈沖，靈敏度和分辨率。3、接收放大電路超聲在人體內(nèi)的回波信號一般很弱，需要進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)，動態(tài)范圍等。4、超聲的接收和顯示超聲進入人體后，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強度進行數(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）圖像輪廓增強和自動面積計算；（7）用計算機進行操作程序和信號處理的自動化。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——產(chǎn)生反射波——回波。臟器發(fā)生形變或有異物時，由于形狀、位置和聲阻抗的變化，回波的位置和強弱也發(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）

原理它接收到的回波信號經(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)板上加上一時基電壓（鋸齒波電壓），就可以把始波和各界面的回波信號以脈沖幅度形式按時間先后在熒光屏上顯示出來。回波脈沖幅度提供了產(chǎn)生反射的界面種類的信息，各回波脈沖與是始波的時間間隔提供了各個反射面的深度信息。（回波信號以脈沖幅度的形式按時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：價格低，使用方便，聲圖直觀性差，不能給出圖像顯示。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，并且能對運動臟器進行實時動態(tài)觀察。與A超不同之處：輝度調(diào)制，顯示斷層聲像。(1)輝度調(diào)制：脈沖回聲信號經(jīng)放大處理后加于示波管(或顯像管)的控制柵極，利用脈沖回聲信號改變陰柵極之間的電位差，從而改變輝度。回聲信號越強，熒光屏上的光點越亮。所以，這是一種輝度調(diào)制型。將深度掃描的時基電壓加于垂直偏轉(zhuǎn)板上，回聲信號變成明暗不同的光點自上而下按時間先后顯示在熒光屏上。(2)顯示斷層聲像：通過機械裝置與電子學(xué)方法使深度掃描線與探頭同步移動時，可以得到人體組織內(nèi)的二維超聲斷層圖像(又稱聲像圖)。線性點陣掃描和扇形掃描B超成像原理新代B超加入了微處理機，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及掃描同步信號等；對圖像進行凍結(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；同時顯示多幅圖像；產(chǎn)生多種形式的TGC（時間增益補償）信號；顯示必要的文字等符號；進行長度、深度、周長、面積、體積、頻率、周期、速度、心輸出量以至胎齡的計算和顯示等，使B超的功通能得到大大擴展，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，也可作動態(tài)觀察，如檢查心臟、胎兒活動等。此外，也可用于腦部腫物及眼科檢查。3、M超：水平軸代表時間，豎直軸代表深度。若所探查處內(nèi)部組織界面運動，深度隨時間變化，則得深度—時間曲線。許多斷層顯像儀中，采用數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器，掃描切面中各點的脈沖回波信號經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄笏刂?，建立起?shù)字圖像，送入數(shù)字存儲器中儲存。存儲器中的數(shù)字信號經(jīng)處理器進行各種處理和分析，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。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。例：用多普勒效應(yīng)來測量心臟壁運動時，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，求此時心壁運動的速度。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。5、彩色多普勒血流成像儀（彩超）實時二維血流成像技術(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分為兩路：1、放大處理后按回波強弱形成二維黑白解剖圖像；2、掃描全程多點采樣，進行多普勒頻移檢測，信號經(jīng)自相關(guān)分析處理，彩色編碼。紅：表示流向探頭藍：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，又可觀察血流活動狀態(tài)。多普勒診斷儀在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用由于超聲多普勒方法對運動目標(biāo)具有獨特的靈敏度，故用來檢查生物和人體內(nèi)部運動器官和組織的狀況，特別受到重視。（1）對心臟疾病的診斷用脈沖多普勒技術(shù)可以測出心臟內(nèi)各運動部分的運動狀態(tài)，速度和血流量，在醫(yī)學(xué)臨床上稱為脈沖多普勒心動圖，它可以診斷以下疾病；冠心病，心律失常、主動脈瓣病變等。（2）對血管和血流的測量其最大優(yōu)點是非侵入性。利用超聲多普勒不但可以測出瞬時速度，而且可測得血流分布圖，得到血管縱斷面血流分布，對診斷血栓、脈管炎有價值。同時對眼底動脈的測量可很快鑒別血管硬化程度。（3）婦科方面的應(yīng)用主要用于對胎兒胎心及