超声治疗原理

超声治疗原理汪荫棠目前公认的超声治疗作用基础有下述三种效应。一、机械效应超声的机械效应是超声最基本的原发的效应，不管超声强度大小均产生此种效应。它的来源有二：一是超声在介质中前进时所产生的机械效应，称为行波场中的机械效应；另一是超声在介质传播时由反射而产生的机械效应，称为驻波场中的机械效应。前者由于超声振动使人体组织中各质点受到交替变化的压缩和伸张产生的正压和负压，以及由此而得到的巨大加速度，在一般治疗强度下，人体组织内的压力变化约为土304kPa(3个大气压)，如此时超声频率为lMHz，则每一细胞所承受的压力变化约为0.4〜0.8Pa(4〜8nag)。后者由反射波和前进波的干涉而形成，可影响人体组织张力、压力，使机体质点获得更为巨大的加速度，使离解的液体内不同质量的离子获得不同的运动速度。质点大的离子落后于质点小的离子，离子之间便发生相对运动，产生摩擦而形成能量。可知驻波场中的机械效应主要是由于运动速度差引起，它在机械效应中甚至比压力变化所起的作用还要大。已知组织受超声作用时，由换能器振动产生单向性运动的超声场，在组织中反复周期地振荡运动，此种单向流动的声流，在气泡表面、细胞和细胞膜界面特别明显。基于上述的超声机械效应，它可以引起机体若干反应。超声振动可引起组织细胞内物质运动，从而显示出一种微细的按摩作用；可引起容积变化，产生细胞浆流动，细胞质颗粒振荡、旋转、摩擦；可刺激细胞半透膜的弥散过程，引起扩散速度和膜渗透性改变；促进新陈代谢，加强血液和淋巴循环，改善组织营养，改变蛋白合成率，提高再生机能等。超声机械效应使细胞内部结构发生变化，导致细胞一系列功能变化。如神经生物电活性降低，致脊髓反射幅度降低。在大剂量超声作用下更为明显，以上可显示超声的镇痛作用。可使致密、坚硬的结缔组织延伸、松软，用以治疗瘢痕疙瘩、硬皮症及挛缩等。实验同样证明超声机械效应对生物体能产生影响，小剂量超声可抑制白细胞变形运动，促进嗜酸性粒细胞的原浆颗粒产生旋转运动；剂量加大，旋转增快，一些颗粒甚至可被拖出细胞膜外，个别红细胞也能发生旋转运动。停止超声作用后，以上现象立即消失。超声作用于蛙舌背和腹腔血管时，也发现血流间断以及血液有形成分的旋转运动等。二、温热效应超声在人体或在其他介质中均可显著产热，产热过程即是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。这也是内生热的一种。热的形成是由于：①超声通过机体时，声能在介质中损耗（吸收）而产热；②超声通过介质时，由疏密交替的压力变化一压缩相位中产热；③不同组织界面上超声能量的反射而产热。除此之外，在不同组织介质中形成的驻波，引起质点、离子的摩擦等也是产热的另一原因。1，影响超声产热量大小的因素超声在机体内产热量的大小与许多因素有关，分述如下：（1）不同剂量作用下产热程度不同，剂量越大，产热越多；同一剂量作用下，由于各种组织对超声能量吸收不等，因而产热也不同。如肌肉较脂肪吸收超声能量大2倍左右，神经组织乂比肌肉约大2倍（表1）。再如肌肉与骨及骨髓组织动力学黏性的差异，吸收超声能量互有差异、黏性越高吸收能量越多，产热也越多（表2）。表1不同组绢对L岫询声的敏收比茴

组象 找收比茴TOC\o"1-5"\h\z水 1嶙 23全曲 60脂肪 瑚①肉 663周囹将谜 U93不同■屋■■作用下面IS垣屋丹■情况h*aE*飒 KJW虹KA +1.1v +i2C*501 +13-51« +3,4E +典穴 （2）不同频率的超声在介质内穿透深度不同，即超声频率与介质吸收超声能力密切相关。频

率越高.穿透越浅，吸收越多，产热越高。如3MHz超声较lMHz超声的吸收率大3〜4倍（表3）。*3字■■季■意m■■酷米•枝•XnAh1041HCm230.3601440.4!0切综合上述，超声在机体内吸收产热与介质黏性的频率成正比，实际工作中常用半价层（或半吸收层，即能量一半时的介质厚度）表示介质吸收超声的能力。例如肌肉与脂肪对不同频率的超声有不同的半价层（表4）。ftK苹册屋ftK苹册屋Can】0.2航岗083.6OS66D.S4.92.4■防肖L52-3£03.3（3） 不同的治疗方法引起局部组织升温也不同，如用0.8MHz、4w/cm2，固定法，20s后2〜3cm深度温升3〜4°C；如频率、强度、时间不变，改用移动法时，2cm深度温升只0.5°C,3cm深度则仅升0.1C。用1.2w/cm2、5min，分别以固定法和移动法作用于正常皮肤，结果前者比后者升温高1.5C。（4） 超声治疗时施用不同的耦合剂，引起局部升温也不相同。如有人对自来水、甘油和矿物油三种不同的耦合剂传递超声能量及温度变化进行研究，结果发现，超声作用后用自来水温度变化比甘油和矿物油小得多。矿物油温升可达9C（平均2.43C）,甘油高达l9C（平均2.67C）,而自来水仅升高不到2.5C（平均0.53C）。由此可以联想，在用不含水的耦合剂作超声治疗时，除了超声本身的作用外，还同时伴随有红外线作用。因此，在超声治疗时，可适当考虑有选择地施用不同的耦合剂。2.超声的温热效应与其他温热疗法的比较超声的温热效应与高频透热或其他温热疗法相比，既有共同之处，乂有不同的地方o（1）超声在组织内的产热是不均匀的，在不同组织的界面上有较多的热生成。如皮下组织•与肌肉组织交界处，肌肉组织与骨组织交界处。因此人体内的肌腱、韧带附着处。关节的软骨面以及骨皮质等处产热较多；接近骨组织的软组织比靠近声头但远离骨组织的软组织产热要多。这在运动创伤治疗上具有重要实际意义。(2)超声在组织内的产热约有80%经血液循环带走，平均每秒运走3%〜3.5%；另有20%由毗邻组织传导散失。因此当超声作用于血循旺盛的组织器官时，如肝、脾、肾脏等，实际上温度并不会有明显的升高。只是开始时温度上升较快，随后温升逐渐缓慢，甚至温升低于邻近组织；当作用于缺少血循组织如角膜、品体、玻璃体时，或血循障碍组织如脉管炎时，超声的热作用则将加强，可产生局部热聚积，从而招致不良后果。超声温热效应可增强血液循环，加强代谢，改善局部组织营养，增强酶的活力，降低肌肉和结缔组织张力，缓解痉挛及减轻疼痛，同时乂可降低感觉神经兴奋性，也起到镇痛的作用等。三、理化效应超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化，实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。弥散作用治疗剂量超声可增强生物膜弥散过程，促进物质交换，进而加速代谢，改善组织营养。这种变化在病理组织中尤为显著，因此在治疗上有实用价值。超声提高膜的渗透作用可使药物更易进入病菌体内，增强药物的杀菌效能。触变作用超声作用下，可使凝胶转化为溶胶状态。超声对肌肉、肌腱的软化作用，以及对一些与组织缺水有关的病理改变，如类风湿性关节病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的疗效，认为应与超声的触变作用联系起来。.空化作用超声作用下的空化包含气体或充气空隙的形成、发展和波动，它可在体液、细胞悬浮液或组织中发生。空化一旦形成，或保持稳定的单向振动，或继续膨胀以至崩溃，前者称为“稳定空化”，后者称为“瞬间空化”。在瞬间空化中，空化突然发生和崩溃，全过程短于声波的周期。在稳定空化中，气泡在振动，声流在其周围发生，此种由稳定空化所形成的微流，导致气泡周围局限性流动，结果影响相邻的细胞。近年来，在对空化与微流产生的生理效应研究中，发现以下一系列改变：肥大细胞脱粒，细胞功能改变，细胞内钙水平增高，成纤维细胞激活后蛋白合成增强，血管通透性增加，血管形成与胶原张力增加等。流体动力学中出现的上述空化现象，表明当液体处于强大负压作用下，拉力超过内聚力时则出现微小空泡。溶有空气的液体，拉力使气体过饱和，气体形成气泡逸出为假性空化。不含气体的液体被拉力牵开形成空腔为真性空化。空腔内壁有正、负电荷分布。压力改变可使空腔破灭，瞬间产生巨大冲力，可冲断高分子的化学链，同时还伴随局部高温、高压、发光、放电等现象。这些都是促使理化反应的因素，因此认为超声的理化效应多与空化作用密切相关。空化作用可对机体产生一定的破坏作用，但产生空化需要较高的强度，如对人体用5W/cm2以上的强度，即可使细胞膜破坏，神经纤维断裂，神经细胞肿胀；但在2W/cm2以下，则不产生破坏现象。产生空化作用还需较低的频率，如15kHz超声引起空化作用的强度为0.16—2.6W/cm2,500kHz时则需100〜400W/cm2。而800kHz以上频率则从未发现过空化现象。故在治疗中如欲利用空化作用治疗某些疾病，一是降低超声频率，选择几十千赫的低频超声；二是提高超声强度，选择高强度聚焦超声o.聚合作用与解聚作用超声的生物学作用大多与此有关。聚合作用是将许多相同或近似的分子合成为一个较大的分子的过程。在超声作用下：①水分子分解，产生OH、HO2、原子氢和原子氧等，能诱导水中稳定的化合物形成自由基。②分子胶体化合物之间或溶剂和大分子化合物之间的摩擦力使C：C键或C=O键断裂，形成不饱和的具有高活性的自由基。随即引起一系列的继发的生化反应，从而产生聚合作用。解聚作用与聚合作用恰恰相反，它是将大分子分解为小分子，使大分子化合物黏度下降，分子量减小的过程。解聚作用有两种情况，一是当超声作用时大分子化合物黏度暂时下降，超声作用停止后乂恢复原状，称为可逆性解聚；另一种是大分子化合物的黏度下降，分子量也减小，且无法复原，称为不可逆性解聚。解聚程度与超声强度有关，另外大分子之间摩擦力也可引起化学键断裂。已知超声可使淀粉变为糊精，使乳糖、果糖、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖以及核酸等断裂。超声还能使蛋白质解聚为有机分子，对酶的活性产生影响，使之催化或使酶失活。由于各种酶的蛋白质结构各不相同，对超声的敏感性也有差异。超声可使氧化酶、去氢酶失活，促进转化酶作用。在实验性关节炎治疗研究中发现，超声可使关节内水解酶和还原酶活性增加，并认为在超声作用下，水解酶的活性变化起了主导作用。.与炎症、修复过程有关的细胞、分子机制长期以来人们认为，在超声作用下，可使组织pH向碱性方面变化，并把它看成是缓解急性炎症所伴有的局部酸中毒及疼痛症状的根据，因此认为超声可治疗急性炎症。有人据此对超声的抗炎作用进行实验研究，方法是在大鼠皮下植入导致发炎的物质，造成实验模型。它可重复提供炎症所具有的成分（渗出液和细胞浸润），并可供测定；且可通过非类固醇抗炎药物使用使炎症迅速受抑制。实验用1.5MHz、1：1的脉冲超声，采用与临床治疗相类似的剂量和进度，并按照通常的非类固醇抗炎药物治疗疗效对比标准评定，结果未发现超声的抗炎作用。有关超声的生物学效应以往的大量研究，多集中在超声能量吸收后的热现象，对非热作用如空化及由此产生切应力的研究较少。然而，近来应用电子旋转耦合和电子旋转共振技术进一步研究表明，超声在水溶液空化后所产生的自由基，它与体内许多生理及病理机制有关，这些高反应性分子可以促进或抑制炎症过程。直接或通过自由基作用，超声可影响血流量，产生致炎症作用，使白细胞移动、促进血管生成、胶原合成及成熟、疤痕溶解等，据上述种种影响的不同程度（合适的剂量和时机），超声治疗可促进或抑制损伤的修复和愈合过程。.不同强度的超声各具特点，作用不尽相同如低强度超声可刺激氧化过程，使之显著加速。一次低强度超声即可对线粒体产生刺激作用。在电子显微镜下发现，线粒体对超声作用特别敏感，可使完整的线粒体形成亚线粒体。核酸对超声也很敏感。低强度超声作用后胸腺核酸含量增加，成纤维细胞中蛋白合成增加，组织蛋白的SH基增加，进而使SH基化合物增加。而SH基化合物对抗体内许多活性物质，如酶、激素、维生素、组织胺以及神经介质等均有强还原作用，因此具有重要的生物学意义。低强度超声可刺激大脑皮层，使组织呼吸增高；而高强度超声可抑制大脑皮层及皮层下组织，使呼吸明显降低。此外，强剂量超声作用下形成的自由基，具有极强的氧化还原作用；高强度超声具有显著破坏作用，如破坏氨基酸，脱氨（NH2）及分裂NH链以及凝固蛋白等。综上所述，纵观超声的机械、温热以及理化三种效应，它可引起局部组织细胞内物质运动，细胞受微细按摩，组织分界面上温度升高，增强生物膜弥散过程，改变膜电位使离子和胶体通透性增强，促进血液循环，软化组织，刺激细胞功能，加速化学反应，加强新陈代谢，影响酶的功能和生物活性物质含量，改变组织pH等。关于超声的作用机理经多年来研究，已取得若干进展，特别是已逐步深入到细胞分子水平的研究，对其作用原理已从本质上有所了解，因此目前再强调某一方面而忽视其他方面都是不恰当的。但也应重视超声作用时的具体条件，如超声频率、输出方式（连续或脉冲），强度和时间，以及受作用的组织器官的特点等的不同。超声的上述三种效应，在不同的具体条件下，所引起的作用也将有显著的不同。目前趋向一致的意见是，具有