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1、第六讲、超声波的生物组织特性牛金海牛金海 主讲主讲 第六讲、超声波的生物组织特性主要内容主要内容一、超声组织二、超声衰减三、生物组织超声特性的参数值四、超声生物效应的机理五、诊断超声安全剂量阈值六、本讲思考题指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的
2、中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。一、超声组织一、超声组织不同生物组织的超声特异性是超声成像的关键，如声阻抗，声速，散射，吸收等。生物软组织的分类：上皮组织、肌肉组织、神经组织、结缔组织和血液及其它液体组织。骨头，肺泡，脂肪等组织的超声特性差异更大。二、超声衰减二、超声衰减1.衰减系数(2-6-1)式中，A0是波的变量（如声压，质点速度等）在Z=0时的峰值，A
3、z是相同变量在z位置的峰值，0是媒质的幅度衰减系数。zzeAA00二、超声衰减2.衰减因素1）扩散衰减2）散射衰减3）吸收衰减4）界面上反射衰减当粒子尺度/波长1 时，散射衰减明显增强；吸收衰减是声能转化为其它能量；非肺的人体组织中，吸收是主要的衰减因素，且吸收系数与超声的频率大约成正比，大约80的超声波被吸收；二、超声衰减3.超声衰减随频率的变化在非肺的组织，声波的能量转化为其它形式的能量，如热能，是引起超声衰减的主要原因。实验表明超声的吸收衰减与频率有关，在1MHz15MHz的频段，吸收系数几乎与频率成正比。三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值1）声速;测温？2）声阻抗
4、以及声压反射系数，是所有脉冲回波超声诊断系统的基础；3）超声衰减系数;水最小，血液次之，其它软组织较大，骨头与肺中的空气最大。三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值三、生物组织的超声特性参数值四、超声生物效应一、研究超声生物效应的两个起因1）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？二、超声生物效应1).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2).机械效应：振动与压力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
5、化学通路。举例？3).超声空化：超声空化定义为充有气体或者水蒸气的空腔，在外场的作用下发生振荡的任何现象。分稳态空化以及瞬态空化。猛烈的空化，引起更高的温度与更大的机械力。对组织造成严重的损伤与破坏。4).化学效应 由于生物组织局部压力与温度升高，会促使发生一些正常压力与温度下可能出现的化学反应。5）声冲流效应当超声射入两种不同声阻抗率的媒质界面时，动量发生变化，产生辐射压力。两媒质阻抗相差较大且界面为平面时，辐射压力基本上正比于超声束的作用面积以及声波的平均声强度。辐射压力对组织可产生撕力，引起声冲流，当这种运动的幅度足够大时，会引起组织的损伤。6）触变效应超声波的作用会引起生物组织结合状态
6、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。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。四、超声生物效应1）热效应 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。2).机械效应 当声
7、强较低时，生物组织产生弹性振动，其振动幅度与声强的平方根成比例，机械效应相当于对细胞作轻微的按摩，这种按摩将引起一系列反应，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，这时机械效应最组织具有损伤性。3）空化效应瞬态空化作用(Cavitations)：当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象，即指存在于液体中的微小气泡（空化核）在超声场的作用下振动、生长并不断聚集声场能量，当能量达到某个阈值时，空化气泡急剧崩溃闭合的过程。空
8、化气泡的寿命约0.1s，它在急剧崩溃时可释放出巨大的能量，并产生速度约为110m/s、有强大冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg/cm2。空化气泡在急剧崩溃的瞬间产生局部高温高压（5000K，1800atm），冷却速度可达109K/s。超声波这种空化作用大大提高非均相反应速率，实现非均相反应物间的均匀混合，加速反应物和产物的扩散，促进固体新相的形成，控制颗粒的尺寸和分布。瞬态空化作用(Cavitations)稳态空化 当液体媒质的声场中存在有适当大小的气泡时（气泡太大会飘浮至液面而逸走，反之气泡太小时，因表面张力很大，会溶解在液体中)，它会在声波的交变声压作用下进入振动（即体脉动）状态。当
9、声波频率接近气泡共振的特征额定时，气泡的振动就进入共振状态，使脉动的幅度达到极大。气泡的这种动力学表现称之为稳态空化。五、超声诊断安全剂量的阈值三、超声诊断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。不同超声设备的辐射剂量 五、超声诊断安全剂量的阈值目前应用的超声频率：超声治疗有的仅用数千kHz，一般疗法多用0.8MHz。而超声诊断常用2.57.5MHz，表浅器官用10MHz或以上。超声显微镜等已用至50MHz至数百MHz。可见超声诊断应用高频率，小剂量，而超声治疗使用低频率，大剂量。五、超声诊断安全剂量的阈值超声的强度在0.
10、1W/cm2以下时，不引起明显的生物效应，超声诊断即利用反作用的超声诊断剂量范畴。目前超声诊断用的平均功率多在0.01W/cm2以下，对人体是无害的。但对生殖细胞，胚胎等娇嫩组织是否有潜在性危害，以及安全剂量的阈值何在？虽进行大量研究工作，但尚带有工人的结果。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0.22.5W/cm2，为非损伤性疗法。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
11、。超声减肥，超声手术刀等。有的聚焦强度高达7500W/cm2。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波
12、发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。本章思考题1、非肺生物组织中超声衰减的主要因素是什么？2、肺组织中超声衰减的主要因素是什么？3、脂肪组织的超声特性为什么与其他软组织不同？4、为什么表2.4中皮肤与颅骨的声压反射系数最大？5、生物组织的哪些声学参数与超声频率有关？哪些与超声频率无关？6、超声的生物效应有哪些？7、安全的超声剂量取决于哪两个因素？大作业经颅超声刺激大鼠实验中，通过超声波无创伤刺激大鼠脑区神经，有望为抑郁症，中风等疾病提供新的治疗手段。试验中，采用频率为1MHZ，声强为100mw/cm2 的
13、超声波，大鼠的大脑皮层神经位于颅骨内，假设头皮1mm厚，颅骨厚度为2mm，请试着估算刺激到脑神经的声强大约为多少？请给出估算的过程，并给出估算结果。指定教材目前，关于生物医学超声的参考书很多；但是从教十年多来，一直很难找到一本非常适合本科生的教材。这也是编者下定决心编写本书的主要原因之一。本书的内容主要包括超声物理基础，压电效应与换能器技术，超声成像诊断原理，超声治疗技术，医学超声实验，医学超声的最新进展等。每章节都配置了一定量的练习与思考题，以帮助读者巩固书中的内容，并提高分析解决问题的能力。为配合双语教学，本书保留了关键专业词汇的中英文对照。本书的特点是在注重基本概念，基本原理，基本方法的同时，兼顾一定的工程技术实用性，如包含声场的数值模拟，超声图像的C语言程序处理，超声波发射电路原理，换能器的匹配技术等。本书适合医学超声以及相关领域的本科生作教材，也可供该领域的研究生，科研及工程技术工作者参考。
6医学超声原理第六讲超声波的生物组织特性
