医学超声基础之j-超声波的生物效应及安全性V3（放在6-7之间讲解）

生物医学超声基础

—超声波的生物效应及安全性2023年8月主讲人：牛金海目录Contents1超声生物效应2超声热物理场计算3诊断超声的安全指数4医学超声安全剂量的阈值5思考题1、超声生物效应

为什么要研究超声生物效应？ 1）超声诊断，安全的超声剂量是多少? 2）超声治疗，方法，机理以及疗效的评价？3）热效应，机械效应，空化效应等；1.1、热效应

热效应：机械能转化为热能，产生两个效应 a）可逆转效应，b）不可逆转超声波的热效应，可引起血管功能和代谢过程的变化，以及由此引起的一系列复杂的神经反射或各种其他效应。如果超声波的能量持续增加，组织温度上升到摄氏65度以上，由于过热，组织将会发生蛋白质变性引起的凝固性坏死，这也是HIFU杀死肿瘤组织的主要因素。

1、超声生物效应

应用案例1：超声温热疗法41～45℃据研究报道：肿瘤升温在41～45℃（最佳42℃）范围内，造成血流不畅，肿瘤组织散热困难，因积热导致肿瘤细胞死亡，其机理如下。肿瘤组织和正常组织一样，都通过血管输送氧气和营养，当组织温度上升的时候，正常组织的血管会扩张，血流会加快，带走多余的热量，保证正常组织的正常新陈代谢；然而，对于肿瘤组织，当其温度升高时，肿瘤组织内部的血管不会扩张，导致肿瘤组织会蓄积热度，这会造成氧气与营养的输送障碍，通过多个疗程的治疗，癌细胞也就死亡了。

1、超声生物效应

应用案例2：高强度聚焦超声：对低MHz量级频率的超声束在人体外进行聚焦，使焦点的声强高达几千至几万W/c㎡。声束以体表可以接受的低声强进入人体，使焦点置于靶组织（如肿瘤）

上，短时间（0.5s~5s）辐照使靶组织温升到60℃以上致其急性热坏死（necrosis）又不伤及周围的正常组织。1、超声生物效应

1.2.机械效应：振动与压力当声强较低时，机械效应相当于对细胞作轻微的按摩，如增加细胞半透膜的弥散作用，增强细胞的代谢和活力。对增强组织渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞的功能等均有重要意义。当声强足够大时，机械振动产生的剪切力会超过组织细胞的弹性极限，造成组织断裂或粉碎，这时机械效应对组织具有损伤性。

1、超声生物效应

应用案例1：体外肾结石碎石1、超声生物效应

1.3.超声空化指的是较强超声波在液态介质中传播时引起的微小气泡的产生，运动，乃至破灭的现象。1、超声生物效应

超声空化的分类a）稳态空化b）瞬态空化几个关键概念：a）空化核：液体中存在的微小气泡，称之为空化核。b）空化阈值：当液体内部承受的负压达到某一临界值时，其中便产生空化，液体产生空化需要的最低负声压，称为空化阈值。生物组织作用：

超声空化在微泡造影剂以及非热治癌等方面有良好应用，然而在有些特殊情况下超声空化也会对生物组织造成不希望的损伤。此外，超声空化在基因治疗、药物输送、溶栓和致栓，以及炎症诊断与治疗方面也都蕴藏着巨大的运用潜力。1、超声生物效应

案例1：空化效应的应用1、超声生物效应

1.4.化学效应温度与压力可以引起生物体化学特性的变化，化学动力学或者化学通路。a、影响酶的活性b、加速细胞的新陈代谢；c、刺激人体细胞的合成等；新酿的酒，内含有戊醇成份（硫化氢、乙醛等），有刺鼻的辛辣、刺鼻等异味，也非常的爆口。超声激发酒液分子的活化能，酒液分子在超声波的作用下，分子间高速撞击摩擦，激发酒中各成分的活化能。其中，刺激鼻腔的醛类物质不断逸出、氧化，加速酯化反应，形成芳香气味的乙酸乙酯，突显酒的醇厚醇香。

1、超声生物效应

1.5.声冲流效应超声波在组织中传播的一种非线性现象，可以引起组织介质的整体流动。微冲流，能促进细胞之间或者细胞与药物之间的相互作用，这为实现超声诊断与微泡载基因治疗的结合提供了可能。思考题：在不考虑声冲流等非线性效应的情况下，超声波在介质中传播会引起介质整体的宏观移动么？那么，此时介质是如何受声波传播而运动的？1、超声生物效应

1.6触变效应超声波的作用会引起生物组织结合状态的改变，如引起粘滞性降低，造成血浆变稀、血球沉淀等，称为触变效应。声强较低时，触变效应可能是可逆的，声强过高时会造成组织的不可逆变化。1.7弥散效应超声波能提高半透膜渗透作用，可使药物更易进入细菌体内。目前已经证明将消毒药物与超声合并使用，可提高细菌对药的敏感性，增强药物的杀菌作用，药物透入疗法的原理就在于此。目录Contents1超声生物效应2超声热物理场计算3诊断超声的安全指数4医学超声安全剂量的阈值5思考题2、超声热物理场计算

那么，单位体积内转化成热能的声功率为ΔW≈2αI0

，最后可以得到单位介质体积Δt秒时间内所产生的热能Q为

Q=2αI0ΔtJ/cm3其中，I0是初始声强，单位是W/cm2，Δt是时间，单位是秒。2、超声热物理场计算

左边给出的是生物组织的热量变化率，右边的第1、2和3项分别表示由于传导,血流及生物自身反应对热量变化率的贡献2、超声热物理场计算

第4项则是外热源对热量变化率的贡献，在这里讨论的情况下，它就是HIFU幅照。事实上,HIFU幅照致使靶组织热坏死仅需要很短时间，因此作为初略近似，式中的前3项可以忽略。由此超声幅照Δt时产生的热量变化为：2、超声热物理场计算

2、超声热物理场计算

实例：超声作用在组织的引起的升温估算

当超声治疗机声头通过耦合剂向人体内辐照超声波时，由于人体组织有较高的超声吸收系数，则可近似地看成是行波而满足上式条件。从已获得的有关超声吸收的数据出发，可以认为，动物软组织的超声吸收系数α与超声频率f（单位取MHz）的关系，大体上可由下式描述如设软组织的密度ρ=1g/cm3，比热容与水接近，即Cp=4.18J/(g·0C)，且吸收声能而转变的热能又不散失，那么经超声波辐照Δt秒之后，软组织的升温ΔT应为

ρCpΔT=2αI0Δt如取f＝1MHz，I＝1W/cm2，则超声波辐照Δt=1秒钟引起的温升为0.012℃，辐照lmin温升为0.7℃，5min为3.5℃（周永昌,郭万学，2006.49）。

2、超声热物理场计算

超声治疗的组织热场分析是超声治疗计划研究的一个重要内容。相控HIFU由于采用了相控聚焦的方式，往往可以在较小的目标区域形成高能量的焦斑。图为一个聚焦加热区模型，采用1MHz,500W/c㎡的焦点声强对组织照射2s然后关闭，同时考虑形成的焦斑在x-y上的投影为直径2mm圆形区域。2、超声热物理场计算

由右图可以看出，肌肉有相对较高的声吸收系数，所以同样的超声强度下组织温升较高，而血液则相反。在声吸收系数接近的情况下，组织温度升高速度会受到热传导系数的影响，热传到系数越大升温越快。目录Contents1超声生物效应2超声热物理场计算3诊断超声的安全指数4医学超声安全剂量的阈值5思考题3、诊断超声的安全指数

对于诊断超声，设备的设计和使用应遵循“最小剂量原则”(aslowasreasonablyachievable,ALARA)。1992年，美国超声医学会（AIUM）和国际电器制造业协会（NEMA）明确设定了输出显示标准（ODS）。每一项超声检查都在屏幕上实时显示产生的生物学效应的危害。明确定义了两个指数：表对于胚胎和胎儿做超声检查时间一、热指数TI二、机械指数MI3、诊断超声的安全指数

一、热指数TI，主要关注热效应，与平均声强有关，具体定义为：TI=W/Wdeg,其中W是换能器输出的声功率，Wdeg为使组织温度上升1摄氏度所需要的声功率。目录Contents1超声生物效应2超声热物理场计算3诊断超声的安全指数4医学超声安全剂量的阈值5思考题4、医学超声安全剂量的阈值

超声生物效应在很大程度上取决于辐射的强度与持续的时间。

一般认为：几十毫瓦/平方厘米是比较安全的。4.1、医学超声安全剂量的阈值4、医学超声安全剂量的阈值

诊断超声：通常认为超声的强度在0.1W/cm2以下时，不引起明显的生物效应。但对生殖细胞，胚胎等娇嫩组织是否有潜在性危害，原则上是越小越好。

低强度治疗超声：超声的强度在0.1W/cm2以上时，会引起人体组织发生功能性和器质性变化，由此而产生治疗作用。器质性的改变又分为可逆性的和非可逆性的，一般认为3W/cm2以上的超声强度对某些组织即可产生非可逆性的气质变化。低强度超声治疗剂量一般为0.2~2.5W/cm2，为非损伤性疗法。高强度治疗超声：超过3W/cm2以上，为高强度损伤性超声治疗法，例如超声碎石，超声治癌，超声减肥，超声手术刀等。有的聚焦超声强度高达7500W/cm2。4、医学超声安全剂量的阈值

4.2不同超声设备的辐射剂量目录Contents1超声生物效应2超声热物理场计算3诊断超声的安全指数4医学超声安全剂量的阈值5思考题5、思考题

1、在相同超声剂量的辐照下，下面哪种活体组织的升温速度最慢？A）肝脏，B）肌肉C）脂肪，D）血液2、超声的生物效应与下列哪些因素有关_____。A）超声波的持续时间，B）超声波的强度，C）超声波的频率3.超声可能产生___。A）组织冷却，B）空化，C）流动，D）振动4.下列___可能会导致患者接收超声检查的剂量增加。A）增加脉冲重复频率，B）降低声强并提高显示增益，C）提高发射功率，使深部组织能识别，D）增大回波信号的动态范围5、超声波碎石主要利用的是____效应。A）热效应，B）机械效应，C）空化效应，D