chapter3-第二节超声的生物效应及诊断概述解析

1、第二节 超声生物效应及作用机制,一、 热效应及机制 二、 机械效应及机制 三、 化学效应及机制 四、 空化效应及机制,热作用机理,介质的能量可以以分子的平动、振动、转动等多种形式存在。超声引起的机械作用使分子的平动动能增加，温度升高。 如果不发生任何形式的能量转化，则在压缩变为稀疏期间，分子的平动动能将会还原为波动能量。 但往往平动动能因耦合作用转变为其他形式的能量。因此，当压缩变为稀疏的半周期中，还原了的声波振幅将减小，一部分超声能量被介质吸收了,一、 热效应及机制,当温度上升到43度时，肿瘤细胞就开始无法生存。故可用超声作为人工加热治疗肿瘤的一种手段,超声对恶性肿瘤的治疗,图 治疗前,图

2、治疗后2周，癌灶出现凝固性坏死,患者，男，51岁，原发性肝癌,超声治疗前后磁共振（MR）影像学变化,肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。 正常组织在受热时有良好的血液循环可充分散热。 肿瘤组织局部温度会升高，氧缺乏，抑制了肿瘤细胞的DNA、RNA及蛋白质的合成，破坏了溶酶体和线粒体，生物膜通透性增加，低分子蛋白外溢。 高热提高机体的免疫功能，起到限制癌细胞扩散的作用,为什么超声对肿瘤组织能特异性杀伤,超声波聚焦热疗升温可达90以上，穿透力强，可治疗深部肿瘤。 超声不能穿透含气的组织，不能穿透骨骼，因此难以治疗胸部的肺癌、食道癌,我国北方地区第一台高强度聚焦超声肿瘤治疗系统,超声聚焦治疗

3、是利用高强度超声波从体外对体内的肿瘤进行覆盖，在不开刀、不流血的情况下完成对体内肿瘤的灭活“切除”，同时又避免了传统外科手术、放疗、化疗手段治疗肿瘤时所带来的副作用，还可以增强患者的免疫功能，是具有国际先进水平的“21世纪的肿瘤无创治疗新技术”，它使骨肿瘤患者保留肢体，满意的疗效,二、机械效应及机制,机械效应：在超声波作用下，生物组织将受到压力的作用，产生按摩效果，并引起速度和加速度方面的变化,弱超声的照射可引起血管扩张，有明显的降压作用,对血液和血管的作用,机械作用机理,1、 辐射压强 2、 超声压强,1、 辐射压强,辐射压强：当超声入射到两种介质的界面时，除反射和透射外， 在界面处还产生一

4、个稳定的沿传播方向的静压强,辐射压强对生物体可引起两种效应，骚动效应和摩擦效应,加湿器超声雾化,超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度,骚动效应：当强超声束通过液体时，引起类似水的沸腾现象,2）摩擦效应,超声波引起的辐射压强作用于介质点，引起组织细胞容积变化，内含物移动及胞浆环流，从而对组织产生一种“按摩作用”，可改善血液和淋巴循环，增强细胞膜的通透性,声压给予溶剂和大分子以不同的加速度运动，使小分子（水）和大分子（蛋白质和核酸）之间发生强烈摩擦，力量之大可以导致键的断裂而使大分子降解,许多植物“爱听”超声波. 水稻、番茄、

5、种子经超声处理有增产效果,水分、氧气、一定的温度,种子外面裹着一层严严实实的种皮，保护种子不受损伤，但是，它的透水性和透气性都不好，使种子“喝”不到足够的水分，“呼吸”也特别微弱，就像睡着了,当超声波照射到浸泡在水里的种子时，激烈的超声振动会对种子产生一种类似摩擦的作用。 使得种皮的透水性和透气性大大增强，并能使种子得到一定温度。种子吸着水“发胖”，呼吸也加快了，种子就能提早发芽,超声波促使种子内贮藏的淀粉、脂肪和蛋白质更好地溶解于水.变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲地长个儿. 超声波具有杀菌作用，能杀死潜伏在种子身上的某些菌和虫卵，不让它们到大田里为非作歹,植物喜欢的超声波都有一定的频率和

6、强度，如果处理不当，非但不能增产，还会造成种子死亡和减产,需要注意,2、超声压强,当频率为1MHz、强度为2W/cm2的超声波辐照人体软组织时，质点发生振动且声压幅值可达2.4*105Pa。表明，质点在1s内要受100万次从+2.4*105Pa到-2.4*105Pa声压作用,超声在介质中传播时，波线上各处出现交替的正压和负压，这种压差可达数百kPa,大分子、细胞及组织结构就处在激烈变化的力学环境中，其状态、功能都会受到影响,超声波碎石,超声波使物体振动，能使结石粉碎,三、化学效应及机制,超声对鸡胚胎细胞的影响,用频率为2MHz、强度为11.5mW/cm2的超声，照射孵化了50小时的鸡胚胎3分钟

7、。 继续孵化两天后，与对照组比较，用胚胎的体节数测定生长，发现超声波照射组中发育延迟者大于97.5,用3.6 MHz、0.1W/cm2的超声波对兔子耳朵上的伤口进行辐照，每周3次，每次5分钟，结果使伤口的愈合速度大大加快,超声对组织再生的作用,化学作用机理,超声的热作用和机械作用常常会引发生物组织化学变化。超声的化学作用是二级效应,超声首先引起组织内升温、压强变化，之后继而引发化学效应,引起化学反应的加速或抑制， 影响高分子化合物的聚合与解聚， 酶活性变化和高活性化学物质形成（自由基、H2O2,四、 空化效应及机制,空化作用：超声引起介质中气体或水蒸汽空腔发生振 荡作用而产生的各种现象,1、

8、稳态空化 2、 瞬态空化,1、 稳态空化,当液体媒质内的声场中存在适当大小的气泡时，气泡会在声波的交变声压作用下进入振动状态。 当声波频率接近气泡的固有频率时，气泡进入共振状态，振幅达到极大，这时会伴随发生一系列二阶现象，如辐射力及微声流。 微声流可使振动气泡表面附近出现高的速度梯度和粘滞力，足以使该处的细胞和生物大分子产生生物效应。 空化的发生与液体中溶解的气体量有关,超声对白细胞影响,用钨丝以20kHz的振动为声源辐照白细胞，溶液中的气泡振动，产生微声流，微声流引起的细胞表面效应与金属丝振动幅度有关,当切变力的压强为300dyn/cm2， 对应振幅为4um时，白细胞的吞噬能力改变,当微声流产生的切变力的压强达500dyn/cm2 ,对应振动幅度8um时，白细胞发生溶解,2、瞬态空化,当强度较高的超声波幅照液体时，声场中气泡的动力学过程变得复杂和激烈,在声波的负压半周期内微小气泡迅速膨胀，随后又在声压正半周期内气泡被压缩以至崩溃。当气泡被压缩至崩溃前的暂短时期内，气泡内的温度可高