第七章超声生物效应及其物理机制.pdf

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第七章超声生物效应及其物理机制李发琪重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学医学超声工程研究所省部共建超声医学工程重点实验室Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系教学目的及要求教学目的及要求掌握：

产生超声生物学效应的三种物理机制的掌握：

产生超声生物学效应的三种物理机制的内涵；内涵；熟悉：

超声生物学效应与声辐照参数以及组织熟悉：

超声生物学效应与声辐照参数以及组织本身的性质密切相关；本身的性质密切相关；了解：

常用超声治疗方式。

了解：

常用超声治疗方式。

Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系主要教学内容主要教学内容7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数7.2前言（重点超声在组织中传播、研究超声生前言（重点超声在组织中传播、研究超声生物学效应的重要性）；物学效应的重要性）；7.3超声生物学效应的物理机制（机械（力学）超声生物学效应的物理机制（机械（力学）机制、热机制、空化机制）；机制、热机制、空化机制）；7.4超声治疗与声参数超声治疗与声参数7.5超声治疗方法超声治疗方法7.6新兴的超声治疗新兴的超声治疗Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数“在位在位”（insitu）声强声强是指在人体内或其他生物体系是指在人体内或其他生物体系内我们感兴趣的那个空间部位上的声强内我们感兴趣的那个空间部位上的声强。

发射声强发射声强是指在水中自由声场条件下换能器辐射的声是指在水中自由声场条件下换能器辐射的声强强。

很明显很明显，人体内的人体内的“在位在位”声强是无法直接测量的声强是无法直接测量的，但在一定的准确程度上但在一定的准确程度上，我们可以从发射声强和人体我们可以从发射声强和人体组织的超声衰减数据进行估算组织的超声衰减数据进行估算，这样这样，通过发射声强通过发射声强即可比较不同治疗仪产生生物效应的能力即可比较不同治疗仪产生生物效应的能力。

Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系连续波波形连续波波形T时间声压7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系脉冲波波形脉冲波波形一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度，示为示为Wp。

两个相邻脉冲对应部位两个相邻脉冲对应部位（如取脉冲的起始点如取脉冲的起始点）的时间间隔的时间间隔，称为称为脉冲周期脉冲周期，示示Tp。

相应的脉冲重复频率为相应的脉冲重复频率为fp=1/Tp。

定义定义F=Wp/Tp为脉冲的发射因子为脉冲的发射因子，亦称为占空比亦称为占空比（dutyfactor）。

Tp时间声压Wp7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系连续波连续波ITP（Temporalpeakacousticintensity）时间峰值声强）时间峰值声强ITA（Temporalaverageacousticintensity）时间平均声强）时间平均声强时间声压ITAITPcpITP2cpITA22声强在时间、空间上是不均匀的治疗超声波声强的时空变化及其表述7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系治疗超声波声强的时空变化及其表述治疗超声波声强的时空变化及其表述连续波连续波ISA（Spaceaverageacousticintensity）空间平均声强）空间平均声强ISP（Spacepeakacousticintensity）空间峰值声强）空间峰值声强7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系脉冲波脉冲波ITP（Temporalpeakacousticintensity）时间峰值声强）时间峰值声强ITA（Temporalaverageacousticintensity）时间平均声强）时间平均声强IPA（Pulseaverageacousticintensity）脉冲平均声强）脉冲平均声强当当F逐渐增大到等于逐渐增大到等于1时，时，ITA=IPA，此时便成为连续波了。

，此时便成为连续波了。

时间声强ITAIPAITPFIIPATA治疗超声波声强的时空变化及其表述治疗超声波声强的时空变化及其表述7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系脉冲波脉冲波ISATA空间平均时间平均声强空间平均时间平均声强ISPTA空间峰值时间平均声强空间峰值时间平均声强ISAPA空间平均脉冲平均声强空间平均脉冲平均声强ISPPA空间峰值脉冲平均声强空间峰值脉冲平均声强FIISASPIISATASPPA）（FISAPASATAI）（SASPIISATASPTAII治疗超声波声强的时空变化及其表述治疗超声波声强的时空变化及其表述7.1治疗超声的声场参数治疗超声的声场参数Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.2前前言言Ultrasound（intissue）velocityofpropagationcvariesbetweendifferenttissuesAcousticalimpedanceZ=cInterfaceboundaryChap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Ultrasound（intissue）absorption（necessaryfortissueheating）UltrasoundenergyconvertedtoheatasitpassesthroughtissuesAbsorptiongreaterathigherfrequenciesImportantprinciplefortherapeuticultrasoundscattering（someneededforimageproduction）7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系超声诊断（超声诊断（Imaging）利用超声波的波动特性（即被动特性），把高频低利用超声波的波动特性（即被动特性），把高频低能量的超声波作为信息的载体进入人体，并通过它能量的超声波作为信息的载体进入人体，并通过它与人体组织间的相互作用规律（反射、散射、透射与人体组织间的相互作用规律（反射、散射、透射等），提取其超声信号加以显像而获取有关生理与等），提取其超声信号加以显像而获取有关生理与病理的信息。

病理的信息。

7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系11weeks31weeks产科超声7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系超声治疗（超声治疗（Therapy）利用超声波的能量特性（即主动特性），把一定能利用超声波的能量特性（即主动特性），把一定能量的超声波作用于人体病变部位，通过某种生物物量的超声波作用于人体病变部位，通过某种生物物理机制（机械的、热学的或空化的）对人体组织的理机制（机械的、热学的或空化的）对人体组织的状态、功能或结构产生一定的影响、变化、以至破状态、功能或结构产生一定的影响、变化、以至破坏而达到既定的医疗目的。

坏而达到既定的医疗目的。

超声治疗的用途分为两类：

一是产生非损伤性的热超声治疗的用途分为两类：

一是产生非损伤性的热量或其他机械效应以刺激或加速身体对损伤的正常量或其他机械效应以刺激或加速身体对损伤的正常反映；二是对组织产生可控制的选择性杀灭。

反映；二是对组织产生可控制的选择性杀灭。

7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Wood&Loomis19271927年，著名法国物理学家Langevin在研究水下超声探测时，发现强超声波可以对鱼类等小水生动物产生致命的效应。

随后Harvey等人发现超声辐照可使动物体内组织的温度升高，甚至导致细胞结构破坏。

7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系当超声波用于医学诊断时，辐照剂量应尽量当超声波用于医学诊断时，辐照剂量应尽量小，以力求避免可能产生的任何生物效应；反小，以力求避免可能产生的任何生物效应；反之，当超声波用于治疗时，则需要足够的超声之，当超声波用于治疗时，则需要足够的超声辐照剂量，以引起一定的生物效应，并由此获辐照剂量，以引起一定的生物效应，并由此获得某种所需要的临床医疗效果，如理疗、外科得某种所需要的临床医疗效果，如理疗、外科等。

因此，等。

因此，超声生物效应正是超声治疗学的生超声生物效应正是超声治疗学的生物物理学基础。

物物理学基础。

7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系研究超声生物学效应的重要性研究超声生物学效应的重要性建立安全诊断阈值剂量标准和各种超声治疗的最佳建立安全诊断阈值剂量标准和各种超声治疗的最佳辐照剂量；辐照剂量；研究各种条件下医学超声与人体组织相互作用的物研究各种条件下医学超声与人体组织相互作用的物理机制；理机制；在超声生物效应的研究基础上，广泛开拓在生物医在超声生物效应的研究基础上，广泛开拓在生物医学及生物技术领域中的应用。

学及生物技术领域中的应用。

7.2前前言言Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制机械机制机械机制热机制热机制空化机制空化机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3.1机械机制（力学机制）机械机制（力学机制）超声波是机械振动的传播过程。

超声波作用于生物组织时，超声波是机械振动的传播过程。

超声波作用于生物组织时，不论其强度大小都产生机械振动。

不论其强度大小都产生机械振动。

与声场有关的力学量如与声场有关的力学量如质点振动位移、速度、加速度以及质点振动位移、速度、加速度以及声压声压等都可能与生物效应有关。

等都可能与生物效应有关。

如频率如频率27KHz的超声波，刀头输出振幅为的超声波，刀头输出振幅为70m，其切割加，其切割加速度约为速度约为200000g，能够轻易将任何骨头粉碎。

超声切割主，能够轻易将任何骨头粉碎。

超声切割主要利用超声的机械效应。

要利用超声的机械效应。

当辐照声强较高时，声场中的二阶参量会变得明显起来，当辐照声强较高时，声场中的二阶参量会变得明显起来，从而可能出现各种非线性物理现象，从而可能出现各种非线性物理现象，如如辐射压力、声流及辐射压力、声流及微声流微声流，对产生超声生物效应做出附加的贡献。

对产生超声生物效应做出附加的贡献。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系声辐射压力声辐射压力在声场中一个客体所受到的时间平均压在声场中一个客体所受到的时间平均压力。

客体可以是声场中一个物体，或两介质的交界面，力。

客体可以是声场中一个物体，或两介质的交界面，或介质中指定的单个质点等。

声辐射压力是一个直流或介质中指定的单个质点等。

声辐射压力是一个直流压力，就象大气压力那样，和声压有本质区别。

通过压力，就象大气压力那样，和声压有本质区别。

通过测量声辐射压力可测量声功率。

测量声辐射压力可测量声功率。

声流声流当超声换能器振动时，在声波的传播方向上可当超声换能器振动时，在声波的传播方向上可观察到恒定方向的媒质粒子流，这种现象称为声流或观察到恒定方向的媒质粒子流，这种现象称为声流或声冲流。

而在小范围内发生的类似现象称为微声流。

声冲流。

而在小范围内发生的类似现象称为微声流。

7.3.1机械机制（力学机制）机械机制（力学机制）7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系290V500V1000V1500V2000V2500V7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3.2热机制热机制声波的吸收声波的吸收超声波在人体内传播过程中，其振动能量会不断地超声波在人体内传播过程中，其振动能量会不断地被人体组织所吸收。

造成人体组织吸收声波能量的被人体组织所吸收。

造成人体组织吸收声波能量的机制有：

粘滞吸收机制有：

粘滞吸收、热传导吸收、热传导吸收和分子弛豫吸收。

和分子弛豫吸收。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系粘滞吸收粘滞吸收当声波在媒质内传播时，进入振动的质点当声波在媒质内传播时，进入振动的质点不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞阻力作功，不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞阻力作功，为此要引起部分声能的消耗。

为此要引起部分声能的消耗。

热传导吸收热传导吸收声波在传播过程中将引起媒质内正负声声波在传播过程中将引起媒质内正负声压的周期相间分布，正压区的温度将升高，而热传导压的周期相间分布，正压区的温度将升高，而热传导将会使其部分热量流失，从而造成部分声能的消耗。

将会使其部分热量流失，从而造成部分声能的消耗。

分子弛豫吸收分子弛豫吸收由于媒质的分子内部一些动力学过程由于媒质的分子内部一些动力学过程引起的声能吸收，如分子内外自由度能量的重新分配、引起的声能吸收，如分子内外自由度能量的重新分配、分子的结构变化及化学变化等。

分子的结构变化及化学变化等。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Q声波在单位体积内产生的热量（J/cm3）；组织的声吸收系数（NP/cm）；I“在位”声强（W/cm2）；T辐照时间（s）。

组织密度（g/cm3），比热Cm（J/g.），设产生的热量不损失，那么辐照t秒后使组织温升为（），则aTItQa2TCItma27.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系finalttttTtRTD0）43（43Time/temperaturerelationshiptTisthethermaldoseinequivalentminutesat43,isthemeantemperatureduringtime,andR=0.5fortemperatureabove43andR=0.25fortemperaturebelow43.43TDtTS.A.SaparetoandW.C.Dewey.Thermaldosedeterminationincancertherapy.Int.J.Radiat.Oncol.,Bio.,Phys.1984;10,787-8007.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系ThresholdsforthermaldamageintissueRelativethermalsensitivityintermsofequivalentminutesat43Dewey,IntJHypertherm1994;10（4）:

457-4837.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Lowleveltemperaturerisecausesnoirreversibledamage（Physio）Arrestofcellreproductionoccursiftemp43C（hyperthermiaorthermotherapy）Rapidthermaltoxicity（coagulativenecrosis）iftemp56C（for1s）HIFU7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Thermaltherapies.“Thosediseasesthatmedicinesdonotcurearecuredbyknife.Thosethattheknifedoesnotcure,arecuredbyfire,andthosethatfiredoesnotcuremustbeconsideredincurable”Hippocrates（400B.C.）7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Hyperthermia430Corequivalentfor60minsThisintroducestheconceptof“thermaldose”7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Survivalcurves7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系1949WoeberetalCancertreatmentwithUltrasound（Hyperthermia）7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系Temperaturedistributions43Needtouseadjuvanttherapy&measuretemperature7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系HIFU7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3.3空化机制空化机制19世纪末，英国海军建造出第一艘驱逐舰，在初期试验时发现，螺旋浆世纪末，英国海军建造出第一艘驱逐舰，在初期试验时发现，螺旋浆推进器在水中会引起剧烈振动象。

推进器在水中会引起剧烈振动象。

Thornycroft和和Barnaby认为这种振动认为这种振动是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡（空穴），而这些大气泡又在水的压是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡（空穴），而这些大气泡又在水的压力下随即发生内爆而产生的。

这是第一次对空化现象物理本质的描述。

力下随即发生内爆而产生的。

这是第一次对空化现象物理本质的描述。

振动问题浸蚀问题7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系基本概念基本概念空化（空化（cavitation）：

液体中由于某些原因形成局部气体或蒸汽：

液体中由于某些原因形成局部气体或蒸汽空穴及其成长与破灭的现象。

空穴及其成长与破灭的现象。

超声空化：

超声空化：

液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。

现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系稳态空化稳态空化（Steadycavitation/non-inertialcavitation）：

当液体媒质内的声场中存在有适当大小的气泡时，它当液体媒质内的声场中存在有适当大小的气泡时，它会在声波的交变声压作用下进行振动。

当声波频率接会在声波的交变声压作用下进行振动。

当声波频率接近气泡共振的特征频率时，气泡的振动就进入共振状近气泡共振的特征频率时，气泡的振动就进入共振状态，使振动的幅度达到极大，气泡的这种动力学表现态，使振动的幅度达到极大，气泡的这种动力学表现称为稳态空化。

称为稳态空化。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系对于存在于水中的自由气泡，当半径对于存在于水中的自由气泡，当半径r10m时，其时，其共振频率为共振频率为fo由下式给出。

由下式给出。

fo=3280/r式中式中fo单位单位KHz，r的单位为的单位为m时时。

7.3超声生物学效应的物理机制超声生物学效应的物理机制Chap.7超声生物效应及其物理机制超声生物效应及其物理机制重庆医科大学生物医学工程系重庆医科大学生物医学工程系瞬态空化瞬态空化（Transientcavitation/inertialcavitation）：

当用强度较高的超声波辐照液体时，声场中气泡的动当用强度较高的超