超聲波的物理特性及醫(yī)學(xué)應(yīng)用

謝銀月 唐懿文 徐申婷

摘 ?要 超聲波的物理特性包括超聲波的傳播特性和超聲波的物理效應(yīng)。分析超聲波的傳播特性，闡述超聲波的物理效應(yīng)，定量討論超聲波為最基本簡諧波的情況下在液體中傳播的聲壓幅值、振幅、振動加速度幅值，舉例分析超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 超聲波;物理;醫(yī)用超聲成像;熱效應(yīng);機(jī)械效應(yīng);空化效應(yīng);醫(yī)學(xué)類應(yīng)用型高校

中圖分類號：G642 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）02-0026-03

1 前言

在醫(yī)學(xué)類應(yīng)用型高校的物理課程教學(xué)過程中，應(yīng)強(qiáng)化傳授物理學(xué)理論的實(shí)際應(yīng)用知識。如通過講解振動與波動的物理學(xué)理論，進(jìn)一步深入細(xì)致講解超聲波的物理特性及醫(yī)學(xué)應(yīng)用，能使學(xué)生提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高物理學(xué)知識的應(yīng)用能力，提高分析專業(yè)問題的能力，并切實(shí)感受物理學(xué)基本理論的重要性，從而激發(fā)學(xué)習(xí)物理知識的興趣。超聲波的物理特性主要分為兩大方面：其一是超聲波的傳播特性，其二是超聲波的物理效應(yīng)。前者主要為醫(yī)生提供可靠的診斷依據(jù)，后者主要為醫(yī)生提供有效的治療手段。

2 超聲波的傳播特性及醫(yī)學(xué)應(yīng)用

超聲波是機(jī)械波，是機(jī)械振動在介質(zhì)中的傳播，其頻率很高，在20 kHz以上，人耳聽不到，但有些動物能聽到低頻段的超聲，如蝙蝠、海豚等。以下是超聲波的傳播特性。

1）方向性好。超聲波的頻率很高，波長等于波速除以頻率，即超聲波的波長很短，使得它能像光波一樣直線傳播，呈現(xiàn)出很好的方向性。集束超聲波傳播到達(dá)某物體時(shí)，被該物體反射，根據(jù)反射波滯后時(shí)間，可進(jìn)行精準(zhǔn)探測定位。

2）功率大。超聲波的傳播過程也是能量的傳播過程，根據(jù)物理學(xué)波動理論，超聲波的功率是指單位時(shí)間內(nèi)傳遞的能量，它與頻率的平方成正比。超聲波由于頻率很高，因此功率也很大，即單位時(shí)間內(nèi)傳遞的能量很大。

3）穿透能力強(qiáng)。超聲波在傳播過程中的強(qiáng)度衰減程度與介質(zhì)聲阻抗Z呈負(fù)相關(guān)，Z是描述聲波傳播介質(zhì)力學(xué)特征的重要物理量，其大小等于介質(zhì)密度ρ乘以聲波傳播速度c[1]，即Z=ρc。人體正常組織有一定的密度ρ，超聲波在其間傳播有一定的波速c，因此，人體正常組織有各自的聲阻抗Z。如正常肝臟，Z=1.648×106 kg·m-2·s-1，正常顱骨Z=5.571×106 kg·m-2·s-1，而22 ℃空氣的聲阻抗要小很多，Z=4.07×102 kg·m-2·s-1。從聲阻抗大小可分析出，同一超聲波在液體與固體中的強(qiáng)度衰減程度要比在氣體中小很多，也即超聲波在液體和固體中呈現(xiàn)很強(qiáng)的穿透能力。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播時(shí)，穿透能力的異常變化反映出人體組織密度的異常變化，這是醫(yī)學(xué)超聲診斷的重要理論基礎(chǔ)。

4）反射顯著。當(dāng)波傳播過程中遇到的物體幾何尺寸比波長大數(shù)倍時(shí)，波在物體表面會發(fā)生顯著反射。由于超聲波的波長短，使得超聲波傳播過程中遇到較小物體就會有顯著反射，這是超聲波進(jìn)入人體后能獲得顯著反射波信號的原因。此外，反射波特性的變化可判斷人體組織病變情況，如是否有囊腫、結(jié)節(jié)等。

醫(yī)用超聲成像的原理就是利用了以上超聲波的傳播特性：由于方向性好，超聲波檢測時(shí)能對人體組織或病灶部位進(jìn)行精準(zhǔn)定位;超聲波功率大和穿透能力強(qiáng)，使得超聲波雖不斷遇界面而反射，但仍然能深入人體組織和器官內(nèi)部，而穿透能力發(fā)生異常變化，是判斷人體組織是否異常的重要依據(jù);超聲波傳播到人體組織和各類器官的反射回波，其特征受組織和器官的聲阻抗影響，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，反射回波中所攜帶的有關(guān)人體組織和器官的聲回波信號用灰階圖像顯示出來，展現(xiàn)在屏幕上，為醫(yī)生提供可靠的疾病診斷依據(jù)。

3 超聲波的物理效應(yīng)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用

超聲波的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)統(tǒng)稱為超聲波的物理效應(yīng)，這是在超聲波傳播過程中與介質(zhì)發(fā)生作用而產(chǎn)生的。超聲波在生物組織中傳播所產(chǎn)生的物理效應(yīng)，其形成機(jī)制較為復(fù)雜，這里僅作簡單介紹，并舉例分析醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

熱效應(yīng) ?超聲波傳播時(shí)，高頻機(jī)械振動會沿著傳播路徑傳遞給介質(zhì)分子，使介質(zhì)分子也發(fā)生高頻振動，從而產(chǎn)生熱量，也即機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，這就是熱效應(yīng)的形成過程。超聲波在人體組織中傳播時(shí)，當(dāng)熱效應(yīng)引起的溫度上升到一定程度，將導(dǎo)致生物物質(zhì)發(fā)生變化。超聲波對人體的作用不會累積，其能量也不足以引起生物物質(zhì)的電離損傷。也就是說超聲波對人體很安全，這點(diǎn)與X射線相比有很大不同。

超聲藥物透入療法就是利用熱效應(yīng)。將透入的藥物加入相應(yīng)的耦合劑，攪拌均勻，涂抹在治療部位，再用超聲波照射，在超聲波的熱效應(yīng)作用下，能改變細(xì)胞膜的通透性，使藥物更有效地通過皮膚或黏膜進(jìn)入機(jī)體。熱效應(yīng)還能使局部血管擴(kuò)張，血液循環(huán)加快，組織新陳代謝改善。超聲藥物透入不會改變藥物原有性能，無電刺激，無灼傷，操作簡單，可應(yīng)用于治療神經(jīng)炎、坐骨神經(jīng)痛、關(guān)節(jié)、肌肉及軟組織損傷等疾病;不足之處是作用面積受限，僅適合局部定位治療，而不適合藥物的經(jīng)皮吸收全身治療。

機(jī)械效應(yīng) ?高頻超聲波通過介質(zhì)時(shí)，使介質(zhì)分子發(fā)生劇烈振動的過程中除了使介質(zhì)溫度升高，還施加給介質(zhì)分子巨大的瞬時(shí)加速度，產(chǎn)生巨大的剪切力，從而改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這就是超聲波的機(jī)械效應(yīng)。這種強(qiáng)度適當(dāng)?shù)臋C(jī)械效應(yīng)作用于人體細(xì)胞時(shí)，會對細(xì)胞進(jìn)行輕微按摩，增強(qiáng)細(xì)胞的代謝功能和活力;而當(dāng)超聲波機(jī)械效應(yīng)足夠強(qiáng)而產(chǎn)生足夠大的剪切力時(shí)，細(xì)胞和細(xì)胞器將被粉碎。

根據(jù)物理學(xué)的振動與波動理論，在最基本的簡諧波情況下，頻率為f，振幅為A的超聲波在密度為ρ的液體中傳播時(shí)，若傳播速度為c，則聲強(qiáng)為。其中ω=2πf為超聲波的角頻率。超聲波傳播到達(dá)某點(diǎn)的聲壓幅值通過公式pm=ρcAω計(jì)算[2]，可推出。

如頻率f=560 kHz，聲強(qiáng)I=1.2×105 W·m-2的超聲波在水中的傳播速度c=1.48×103 m·s-1，可計(jì)算得到超聲波到達(dá)某點(diǎn)的聲壓幅值pm為5.9標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅通過計(jì)算得1.1×10-7 m，質(zhì)點(diǎn)振動加速度幅值通過Aω2計(jì)算得1.4×106 m·s-2。

可見，該超聲波在水中傳播時(shí)，聲壓在-5.9～+5.9標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍內(nèi)變化，雖然介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅非常微小，但其瞬時(shí)加速度最大可達(dá)1.4×106 m·s-2，是重力加速度的10萬倍。當(dāng)傳播介質(zhì)是固體時(shí)，這種力學(xué)作用同樣發(fā)生，這也是機(jī)械效應(yīng)使得固體介質(zhì)產(chǎn)生巨大剪切力的原因。

利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)可擊碎人體內(nèi)各種結(jié)石，如腎結(jié)石、輸尿管結(jié)石、膀胱結(jié)石等。超聲擊石療法已很普遍而成熟，可實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)治療或微創(chuàng)治療，增強(qiáng)治療效果，減少患者痛苦。醫(yī)用超聲霧化器利用超聲聲頭的機(jī)械振動，將藥物擊碎成微粒并與空氣混合為“藥霧”，可得到直徑五微米以下的細(xì)微均勻霧狀藥滴，使藥物很容易被吸入咽、喉、肺泡中，由于藥物直接作用于患處，因而有快速而顯著的療效，尤其適合老年和嬰兒的慢性支氣管炎、肺炎等疾病的治療。

空化效應(yīng) ?高頻超聲波在液體中傳播時(shí)，聲壓發(fā)生高頻率、大范圍的劇烈變化，引起液體密度在小空間內(nèi)大幅度變化。如上分析，聲壓在正、負(fù)數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓范圍內(nèi)變化，使液體的稠密和稀疏區(qū)域也隨之受數(shù)個(gè)大氣壓的壓力和拉力，稠密區(qū)域液體能承受巨大壓力，但稀疏區(qū)域液體因無法承受巨大拉力而斷裂，產(chǎn)生近乎真空的小空穴（即小氣泡）;而經(jīng)過半個(gè)周期后，稀疏區(qū)域變成壓縮階段時(shí)，這些小空穴就會發(fā)生破裂，小空穴內(nèi)部產(chǎn)生巨大壓強(qiáng)和高溫，并有放電現(xiàn)象，甚至能使化學(xué)反應(yīng)加劇，空化效應(yīng)由此而產(chǎn)生[3]。

精密及管腔類醫(yī)療器械的清洗消毒無法用普通方法，若是普通高溫消毒，會降低器械中塑膠部分的使用壽命，而且管腔內(nèi)嵌塞的醫(yī)療雜物很難清洗。利用超聲清洗就可解決這個(gè)問題，其原理就利用了空化效應(yīng)。用超聲波清洗時(shí)，待清洗器械浸入專用液體，小空穴發(fā)生破裂而產(chǎn)生巨大沖擊波，使黏附在待清洗器械的不溶性污物脫落、破壞和分散，達(dá)到清洗表面、縫隙、內(nèi)孔、細(xì)管窄腔的目的。

事實(shí)上，當(dāng)超聲波在人體中傳播時(shí)，熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)及空化效應(yīng)往往同時(shí)存在并疊加。如在超聲美容減肥療法中，適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波照射人體皮膚時(shí)，機(jī)械效應(yīng)作用于人體細(xì)胞，會對細(xì)胞進(jìn)行輕微按摩，與熱效應(yīng)疊加，使細(xì)胞新陳代謝功能提高，也能改善皮膚毛細(xì)血管的血液循環(huán)，使皮膚健康狀況改善而變得光潔;而超聲減肥是利用機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，使局部脂肪碎化成液體狀，從小切口流出或吸出。

在超聲口腔療法中，利用高頻率、高功率超聲波的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，可制成超聲骨刀，用于頜面外科手術(shù)，雖然其切割效率低于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)器械，但可降低傳統(tǒng)手術(shù)的并發(fā)癥[4];可制成超聲根管器械，用于根管預(yù)備和根管沖洗，與傳統(tǒng)的根管擴(kuò)大針或根管擴(kuò)大銼相比，極大提高了根管預(yù)備效率及根管沖洗質(zhì)量，從而增強(qiáng)根管治療效果;可制成超聲潔牙機(jī)，省時(shí)省力效果好，并能降低病人潔牙過程中的酸痛不適感。

值得一提的是，超聲波的這些物理效應(yīng)也會對人體產(chǎn)生不良效果，如強(qiáng)度過大的超聲波照射人體時(shí)，會破壞細(xì)胞的力學(xué)結(jié)構(gòu)，使胎兒腦部受損。超聲波對生物組織的作用機(jī)制尚在不斷認(rèn)識過程中，隨著認(rèn)識的不斷深入，超聲治療技術(shù)必將得到進(jìn)一步的完善與發(fā)展。

4 結(jié)語

利用超聲波的傳播特性，可制成各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，為醫(yī)生提供可靠的診斷依據(jù);利用超聲波的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，可制成各種醫(yī)學(xué)超聲器械，為醫(yī)生提供有效的治療手段。隨著對超聲波物理特性的不斷研究，超聲診斷技術(shù)和超聲治療技術(shù)將不斷完善，將在實(shí)際臨床應(yīng)用中發(fā)揮更廣泛而重要的作用。

醫(yī)學(xué)類應(yīng)用型高校的物理教師應(yīng)加強(qiáng)物理理論在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用知識的學(xué)習(xí)，應(yīng)多關(guān)注醫(yī)療新技術(shù)，努力把物理知識與醫(yī)學(xué)專業(yè)知識相對接;在教學(xué)手段上，可用簡易醫(yī)學(xué)設(shè)備和器械作為課堂演示儀器，導(dǎo)入物理知識的學(xué)習(xí)。如在教學(xué)超聲波知識時(shí)，可用“簡易超聲波醫(yī)用霧化器”“攜帶式超聲波清洗機(jī)”等作為教學(xué)演示儀器，將有效提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]洪洋.醫(yī)用物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2014：70-71.

[2]繆毅強(qiáng)，姚鳴放.醫(yī)用物理學(xué)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004：44-45.

[3]劉金河，林書玉.超聲空化效應(yīng)的新應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù)，2017，36（4）：181-184.

[4]侯永福，朱智敏.超聲在口腔醫(yī)學(xué)的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].廣東牙病防治，2014，22（12）：661-663.