超聲波的物理特性及醫學應用
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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。分析超聲波的傳播特性，闡述超聲波的物理效應，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學上的應用。
關鍵詞 超聲波;物理;醫用超聲成像;熱效應;機械效應;空化效應;醫學類應用型高校
中圖分類號：G642 文獻標識碼：B
文章編號：1671-489X（2019）02-0026-03
1 前言
在醫學類應用型高校的物理課程教學過程中，應強化傳授物理學理論的實際應用知識。如通過講解振動與波動的物理學理論，進一步深入細致講解超聲波的物理特性及醫學應用，能使學生提高理論聯系實際的能力，提高物理學知識的應用能力，提高分析專業問題的能力，并切實感受物理學基本理論的重要性，從而激發學習物理知識的興趣。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。前者主要為醫生提供可靠的診斷依據，后者主要為醫生提供有效的治療手段。
2 超聲波的傳播特性及醫學應用
超聲波是機械波，是機械振動在介質中的傳播，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，呈現出很好的方向性。集束超聲波傳播到達某物體時，被該物體反射，根據反射波滯后時間，可進行精準探測定位。
2）功率大。超聲波的傳播過程也是能量的傳播過程，根據物理學波動理論，超聲波的功率是指單位時間內傳遞的能量，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，即單位時間內傳遞的能量很大。
3）穿透能力強。超聲波在傳播過程中的強度衰減程度與介質聲阻抗Z呈負相關，Z是描述聲波傳播介質力學特征的重要物理量，其大小等于介質密度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很強的穿透能力。當超聲波在人體組織中傳播時，穿透能力的異常變化反映出人體組織密度的異常變化，這是醫學超聲診斷的重要理論基礎。
4）反射顯著。當波傳播過程中遇到的物體幾何尺寸比波長大數倍時，波在物體表面會發生顯著反射。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、結節等。
醫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，超聲波檢測時能對人體組織或病灶部位進行精準定位;超聲波功率大和穿透能力強，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部，而穿透能力發生異常變化，是判斷人體組織是否異常的重要依據;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，利用計算機圖像處理技術，反射回波中所攜帶的有關人體組織和器官的聲回波信號用灰階圖像顯示出來，展現在屏幕上，為醫生提供可靠的疾病診斷依據。
3 超聲波的物理效應及醫學應用
超聲波的熱效應、機械效應和空化效應統稱為超聲波的物理效應，這是在超聲波傳播過程中與介質發生作用而產生的。超聲波在生物組織中傳播所產生的物理效應，其形成機制較為復雜，這里僅作簡單介紹，并舉例分析醫學應用。
熱效應 超聲波傳播時，高頻機械振動會沿著傳播路徑傳遞給介質分子，使介質分子也發生高頻振動，從而產生熱量，也即機械能轉化為熱能，這就是熱效應的形成過程。超聲波在人體組織中傳播時，當熱效應引起的溫度上升到一定程度，將導致生物物質發生變化。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的電離損傷。也就是說超聲波對人體很安全，這點與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。將透入的藥物加入相應的耦合劑，攪拌均勻，涂抹在治療部位，再用超聲波照射，在超聲波的熱效應作用下，能改變細胞膜的通透性，使藥物更有效地通過皮膚或黏膜進入機體。熱效應還能使局部血管擴張，血液循環加快，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，可應用于治療神經炎、坐骨神經痛、關節、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，而不適合藥物的經皮吸收全身治療。
機械效應 高頻超聲波通過介質時，使介質分子發生劇烈振動的過程中除了使介質溫度升高，還施加給介質分子巨大的瞬時加速度，產生巨大的剪切力，從而改變物質的結構，這就是超聲波的機械效應。這種強度適當的機械效應作用于人體細胞時，會對細胞進行輕微按摩，增強細胞的代謝功能和活力;而當超聲波機械效應足夠強而產生足夠大的剪切力時，細胞和細胞器將被粉碎。
根據物理學的振動與波動理論，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，若傳播速度為c，則聲強為。其中ω=2πf為超聲波的角頻率。超聲波傳播到達某點的聲壓幅值通過公式pm=ρcAω計算[2]，可推出。
如頻率f=560 kHz，聲強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，可計算得到超聲波到達某點的聲壓幅值pm為5.9標準大氣壓，質點振動的振幅通過計算得1.1×10-7 m，質點振動加速度幅值通過Aω2計算得1.4×106 m·s-2。 可見，該超聲波在水中傳播時，聲壓在-5.9～+5.9標準大氣壓范圍內變化，雖然介質質點的振幅非常微小，但其瞬時加速度最大可達1.4×106 m·s-2，是重力加速度的10萬倍。當傳播介質是固體時，這種力學作用同樣發生，這也是機械效應使得固體介質產生巨大剪切力的原因。
利用超聲波的機械效應可擊碎人體內各種結石，如腎結石、輸尿管結石、膀胱結石等。超聲擊石療法已很普遍而成熟，可實現無創治療或微創治療，增強治療效果，減少患者痛苦。醫用超聲霧化器利用超聲聲頭的機械振動，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 高頻超聲波在液體中傳播時，聲壓發生高頻率、大范圍的劇烈變化，引起液體密度在小空間內大幅度變化。如上分析，聲壓在正、負數個標準大氣壓范圍內變化，使液體的稠密和稀疏區域也隨之受數個大氣壓的壓力和拉力，稠密區域液體能承受巨大壓力，但稀疏區域液體因無法承受巨大拉力而斷裂，產生近乎真空的小空穴（即小氣泡）;而經過半個周期后，稀疏區域變成壓縮階段時，這些小空穴就會發生破裂，小空穴內部產生巨大壓強和高溫，并有放電現象，甚至能使化學反應加劇，空化效應由此而產生[3]。
精密及管腔類醫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，而且管腔內嵌塞的醫療雜物很難清洗。利用超聲清洗就可解決這個問題，其原理就利用了空化效應。用超聲波清洗時，待清洗器械浸入專用液體，小空穴發生破裂而產生巨大沖擊波，使黏附在待清洗器械的不溶性污物脫落、破壞和分散，達到清洗表面、縫隙、內孔、細管窄腔的目的。
事實上，當超聲波在人體中傳播時，熱效應、機械效應及空化效應往往同時存在并疊加。如在超聲美容減肥療法中，適當強度的超聲波照射人體皮膚時，機械效應作用于人體細胞，會對細胞進行輕微按摩，與熱效應疊加，使細胞新陳代謝功能提高，也能改善皮膚毛細血管的血液循環，使皮膚健康狀況改善而變得光潔;而超聲減肥是利用機械效應和空化效應，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、高功率超聲波的機械效應和空化效應，可制成超聲骨刀，用于頜面外科手術，雖然其切割效率低于傳統旋轉器械，但可降低傳統手術的并發癥[4];可制成超聲根管器械，用于根管預備和根管沖洗，與傳統的根管擴大針或根管擴大銼相比，極大提高了根管預備效率及根管沖洗質量，從而增強根管治療效果;可制成超聲潔牙機，省時省力效果好，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也會對人體產生不良效果，如強度過大的超聲波照射人體時，會破壞細胞的力學結構，使胎兒腦部受損。超聲波對生物組織的作用機制尚在不斷認識過程中，隨著認識的不斷深入，超聲治療技術必將得到進一步的完善與發展。
4 結語
利用超聲波的傳播特性，可制成各種醫學影像設備，為醫生提供可靠的診斷依據;利用超聲波的熱效應、機械效應和空化效應，可制成各種醫學超聲器械，為醫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，超聲診斷技術和超聲治療技術將不斷完善，將在實際臨床應用中發揮更廣泛而重要的作用。
醫學類應用型高校的物理教師應加強物理理論在醫學領域應用知識的學習，應多關注醫療新技術，努力把物理知識與醫學專業知識相對接;在教學手段上，可用簡易醫學設備和器械作為課堂演示儀器，導入物理知識的學習。如在教學超聲波知識時，可用“簡易超聲波醫用霧化器”“攜帶式超聲波清洗機”等作為教學演示儀器，將有效提高教學質量。
參考文獻
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[4]侯永福，朱智敏.超聲在口腔醫學的應用及研究進展[J].廣東牙病防治，2014，22（12）：661-663.
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