超声的生物效应及诊断概述解析课件

热作用机理热作用机理介介质质的的能能量量可可以以以以分分子子的的平平动动、振振动动、转转动动等等多多种种形形式式存存在在。超超声引起的机械作用使分子的声引起的机械作用使分子的平动动能增加，温度升高平动动能增加，温度升高。如如果果不不发发生生任任何何形形式式的的能能量量转转化化，则则在在压压缩缩变变为为稀稀疏疏期期间间，分分子子的平动动能将会的平动动能将会还原还原为波动能量。为波动能量。但但往往往往平平动动动动能能因因耦耦合合作作用用转转变变为为其其他他形形式式的的能能量量。因因此此，当当压压缩缩变变为为稀稀疏疏的的半半周周期期中中，还还原原了了的的声声波波振振幅幅将将减减小小，一一部部分分超超声声能量被介质吸收了。能量被介质吸收了。一、一、热效应及机制热效应及机制热作用机理介质的能量可以以分子的平动、振动、转动等多种形式存1 当温度上升到当温度上升到43度时，肿瘤细胞就开始无法生存。度时，肿瘤细胞就开始无法生存。故可用超声作为人工故可用超声作为人工加热加热治疗肿瘤的一种手段。治疗肿瘤的一种手段。超声对恶性肿瘤的治疗超声对恶性肿瘤的治疗 当温度上升到43度时，肿瘤细胞就开始无法生存。故2图图 治疗前治疗前图图 治疗后治疗后2周，癌灶出现凝固性坏死周，癌灶出现凝固性坏死患者，男，患者，男，5151岁，原发性肝癌岁，原发性肝癌超声治疗前后磁共振（超声治疗前后磁共振（MRMR）影像学变化）影像学变化图 治疗前图 治疗后2周，癌灶出现凝固性坏死患者，男，51岁3肿瘤组织血管畸形、肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢血液供应减少，血流速度慢。正常组织在受热时有良好的血液循环可充分散热。正常组织在受热时有良好的血液循环可充分散热。肿瘤组织局部温度会升高，氧缺乏，抑制了肿瘤细胞的肿瘤组织局部温度会升高，氧缺乏，抑制了肿瘤细胞的DNADNA、RNARNA及蛋白质的合成，破坏了溶酶体和线粒体，生物膜通透性及蛋白质的合成，破坏了溶酶体和线粒体，生物膜通透性增加，低分子蛋白外溢。增加，低分子蛋白外溢。高热提高机体的免疫功能，起到限制癌细胞扩散的作用。高热提高机体的免疫功能，起到限制癌细胞扩散的作用。为什么超声对肿瘤组织能特异性杀伤为什么超声对肿瘤组织能特异性杀伤超声波聚焦热疗升温可达超声波聚焦热疗升温可达9090以上，穿透力强，可治疗深部肿瘤。以上，穿透力强，可治疗深部肿瘤。超声不能穿透含气的组织，不能穿透骨骼，因此难以治疗胸部的肺癌、食道癌。超声不能穿透含气的组织，不能穿透骨骼，因此难以治疗胸部的肺癌、食道癌。肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。为什么超声对肿瘤4我国北方地区第一台高强我国北方地区第一台高强度聚焦超声肿瘤治疗系统度聚焦超声肿瘤治疗系统 超声聚焦治疗是利用高强度超声波从体外对体内的肿瘤进行覆超声聚焦治疗是利用高强度超声波从体外对体内的肿瘤进行覆盖，在盖，在不开刀、不流血不开刀、不流血的情况下完成对体内肿瘤的灭活的情况下完成对体内肿瘤的灭活“切除切除”，同时又避免了传统外科手术、放疗、化疗手段治疗肿瘤时，同时又避免了传统外科手术、放疗、化疗手段治疗肿瘤时所带来的所带来的副作用副作用，还可以增强患者的，还可以增强患者的免疫功能免疫功能，是具有国际先，是具有国际先进水平的进水平的“2121世纪的肿瘤无创治疗新技术世纪的肿瘤无创治疗新技术”，它使骨肿瘤患者，它使骨肿瘤患者保留肢体保留肢体，满意的疗效。，满意的疗效。我国北方地区第一台高强度聚焦超声肿瘤治疗系统 超声聚焦治疗是5二、机械效应及机制二、机械效应及机制机械效应机械效应：在超声波作用下，生物组织将受到压力的作：在超声波作用下，生物组织将受到压力的作用，产生用，产生按摩效果，按摩效果，并引起并引起速度和速度和加速度加速度方面的变化，方面的变化，弱超声的照射可引起血管扩张，有明显的降压作用。弱超声的照射可引起血管扩张，有明显的降压作用。对血液和血管的作用对血液和血管的作用二、机械效应及机制机械效应：在超声波作用下，生物组织将受到压6 机械作用机理机械作用机理 1 1、辐射压强辐射压强2 2、超声压强超声压强 机械作用机理 1、辐射压强7辐射压强对生物体可引起两种效应，骚动效应和摩擦效应。超声对鸡胚胎细胞的影响机械效应：在超声波作用下，生物组织将受到压力的作用，产生按摩效果，并引起速度和加速度方面的变化，用频率为2MHz、强度为11.肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。为什么超声对肿瘤组织能特异性杀伤图 治疗后2周，癌灶出现凝固性坏死患者，男，51岁，原发性肝癌当切变力的压强为300dyn/cm2，对应振幅为4um时，白细胞的吞噬能力改变。当微声流产生的切变力的压强达500dyn/cm2,对应振动幅度8um时，白细胞发生溶解；机械效应：在超声波作用下，生物组织将受到压力的作用，产生按摩效果，并引起速度和加速度方面的变化，故可用超声作为人工加热治疗肿瘤的一种手段。正常组织在受热时有良好的血液循环可充分散热。高热提高机体的免疫功能，起到限制癌细胞扩散的作用。用频率为2MHz、强度为11.超声在介质中传播时，波线上各处出现交替的正压和负压，这种压差可达数百kPa。水分、氧气、一定的温度用频率为2MHz、强度为11.超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。如果不发生任何形式的能量转化，则在压缩变为稀疏期间，分子的平动动能将会还原为波动能量。1 1、辐射压强辐射压强辐射压强辐射压强：当超声入射到两种介质的界面时，除反射和透射外，：当超声入射到两种介质的界面时，除反射和透射外，在界面处还产生一个在界面处还产生一个稳定的稳定的沿传播方向的沿传播方向的静压强静压强。辐射压强对生物体可引起两种效应，辐射压强对生物体可引起两种效应，骚动效应骚动效应和和摩擦效应摩擦效应。辐射压强对生物体可引起两种效应，骚动效应和摩擦效应。1、辐8加湿器加湿器超声雾化超声雾化超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴小雾滴，再用小风扇，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。骚动效应骚动效应：当强超声束通过液体时，引起类似水的沸腾现象。当强超声束通过液体时，引起类似水的沸腾现象。加湿器超声雾化超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破92 2）摩擦摩擦效应效应超声波引起的辐射压强作用于介质点，引起组织细胞超声波引起的辐射压强作用于介质点，引起组织细胞容积变容积变化化，内含物移动内含物移动及及胞浆环流胞浆环流，从而对组织产生一种，从而对组织产生一种“按摩作按摩作用用”，可改善血液和淋巴循环，增强细胞膜的通透性。，可改善血液和淋巴循环，增强细胞膜的通透性。声压给予溶剂和大分子以不同的加速度运动，使小分子声压给予溶剂和大分子以不同的加速度运动，使小分子（水）和大分子（蛋白质和核酸）之间发生强烈摩擦，力（水）和大分子（蛋白质和核酸）之间发生强烈摩擦，力量之大可以导致量之大可以导致键的断裂而使大分子降解键的断裂而使大分子降解。2）摩擦效应超声波引起的辐射压强作用于介质点，引起组织细胞容10许多植物许多植物“爱听爱听”超声波超声波.水稻、番茄、种子经超声处理有增产效果。水稻、番茄、种子经超声处理有增产效果。水分、氧气、一定的温度水分、氧气、一定的温度种子外面裹着一层严严实实的种皮，保护种子外面裹着一层严严实实的种皮，保护种子不受损伤，但是，它的透水性和透气种子不受损伤，但是，它的透水性和透气性都不好，使种子性都不好，使种子“喝喝”不到足够的水分，不到足够的水分，“呼吸呼吸”也特别微弱，就像睡着了也特别微弱，就像睡着了.许多植物“爱听”超声波.水分、氧气、一定的温度种子外面裹着一11当超声波照射到浸泡在水里的种子时，激烈的当超声波照射到浸泡在水里的种子时，激烈的超声振动会对种子产生一种类似超声振动会对种子产生一种类似摩擦摩擦的作用。的作用。使得种皮的透水性和透气性大大增强，并能使使得种皮的透水性和透气性大大增强，并能使种子得到一定温度。种子吸着水种子得到一定温度。种子吸着水“发胖发胖”，呼，呼吸也加快了，种子就能提早发芽吸也加快了，种子就能提早发芽.当超声波照射到浸泡在水里的种子时，激烈的超声振动会对种子产生12超声波促使种子内贮藏的淀粉、脂肪和超声波促使种子内贮藏的淀粉、脂肪和蛋白质更好地溶解于水蛋白质更好地溶解于水.变成易被种胚吸变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲地长个儿收的养料，苗儿就使劲地长个儿.超声波具有杀菌作用，能杀死潜伏在种超声波具有杀菌作用，能杀死潜伏在种子身上的某些菌和虫卵，不让它们到大子身上的某些菌和虫卵，不让它们到大田里为非作歹田里为非作歹.超声波促使种子内贮藏的淀粉、脂肪和蛋白质更好地溶解于水.变成13植物喜欢的超声波都有一定的频率和强植物喜欢的超声波都有一定的频率和强度，如果处理不当，非但不能增产，还度，如果处理不当，非但不能增产，还会造成种子死亡和减产会造成种子死亡和减产.需要注意！需要注意！植物喜欢的超声波都有一定的频率和强度，如果处理不当，非但不能142、超声压强、超声压强 当频率为当频率为1MHz、强度为、强度为2W/cm2的超声波辐照人体软组织时，的超声波辐照人体软组织时，质点发生振动且声压幅值可达质点发生振动且声压幅值可达2.4*105Pa。表明，质点在。表明，质点在1s内内要受要受100万次从万次从+2.4*105Pa到到-2.4*105Pa声压作用。声压作用。超声在介质中传播时，波线上各处出现交替的超声在介质中传播时，波线上各处出现交替的正压和负压正压和负压，这种压差可达数百这种压差可达数百kPakPa。大分子、细胞及组织结构就处在激烈变化的力学环境中，大分子、细胞及组织结构就处在激烈变化的力学环境中，其状态、功能都会受到影响。其状态、功能都会受到影响。2、超声压强 当频率为1MHz、强度为2W/cm2的超声波辐15超声波碎石超声波碎石超声波使物体振动，能使结石粉碎。超声波使物体振动，能使结石粉碎。超声波碎石超声波使物体振动，能使结石粉碎。16三、化学效应及机制三、化学效应及机制 超声对鸡胚胎细胞的影响超声对鸡胚胎细胞的影响 用用频频率率为为2MHz、强强度度为为11.5mW/cm2的的超超声声，照射孵化了照射孵化了50小时的鸡胚胎小时的鸡胚胎3分钟。分钟。继继续续孵孵化化两两天天后后，与与对对照照组组比比较较，用用胚胚胎胎的的体体节节数数测测定定生生长长，发发现现超超声声波波照照射射组组中中发发育育延延迟迟者大于者大于97.5%。三、化学效应及机制 超声对鸡胚胎细胞的影响 17用用3.6 MHz、0.1W/cm2的超的超声波对兔子耳朵上的伤口进声波对兔子耳朵上的伤口进行辐照，每周行辐照，每周3次，每次次，每次5分分钟，结果使伤口的愈合速度钟，结果使伤口的愈合速度大大加快。大大加快。超声对组织再生的作用超声对组织再生的作用用3.6 MHz、0.1W/cm2的超声波对兔子耳朵上的伤口18 化学作用机理化学作用机理 超声的热作用和机械作用常常会引发生物组织化学变化。超声的热作用和机械作用常常会引发生物组织化学变化。超声的化学作用是超声的化学作用是二级效应二级效应。超声首先引起组织内升温、压强变化，之后继而引发化学效应。超声首先引起组织内升温、压强变化，之后继而引发化学效应。引起化学反应的加速或抑制，引起化学反应的加速或抑制，影响高分子化合物的聚合与解聚，影响高分子化合物的聚合与解聚，酶活性变化和高活性化学物质形成（自由基、酶活性变化和高活性化学物质形成（自由基、H H2 2O O2 2）化学作用机理 超声的热作用和机械作用常常会引发生物组织化学19四、四、空化效应及机制空化效应及机制空化作用：空化作用：空化作用：空化作用：超声引起介质中气体或水蒸汽空腔发生振超声引起介质中气体或水蒸汽空腔发生振超声引起介质中气体或水蒸汽空腔发生振超声引起介质中气体或水蒸汽空腔发生振 荡作用而产生的各种现象。荡作用而产生的各种现象。荡作用而产生的各种现象。荡作用而产生的各种现象。1 1 1 1、稳态空化稳态空化稳态空化稳态空化 2 2 2 2、瞬态空化瞬态空化瞬态空化瞬态空化 四、空化效应及机制空化作用：超声引起介质中气体或水蒸汽空腔201 1、稳态空化稳态空化 当液体媒质内的声场中存在适当大小的当液体媒质内的声场中存在适当大小的气泡气泡时，气泡会在声时，气泡会在声波的交变声压作用下进入波的交变声压作用下进入振动振动状态。状态。当声波频率接近气泡的固有频率时，气泡进入当声波频率接近气泡的固有频率时，气泡进入共振共振状态，振状态，振幅达到极大，这时会伴随发生一系列二阶现象，如辐射力及幅达到极大，这时会伴随发生一系列二阶现象，如辐射力及微声流微声流。微声流可使振动气泡表面附近出现高的微声流可使振动气泡表面附近出现高的速度梯度和粘滞力速度梯度和粘滞力，足以使该处的足以使该处的细胞和生物大分子产生生物效应。细胞和生物大分子产生生物效应。空化的发生与液体中溶解的空化的发生与液体中溶解的气体量气体量有关。有关。1、稳态空化 当液体媒质内的声场中存在适当大小的气泡时，气21因此，当压缩变为稀疏的半周期中，还原了的声波振幅将减小，一部分超声能量被介质吸收了。影响高分子化合物的聚合与解聚，许多植物“爱听”超声波.变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲地长个儿.影响高分子化合物的聚合与解聚，肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。但往往平动动能因耦合作用转变为其他形式的能量。用频率为2MHz、强度为11.肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。当温度上升到43度时，肿瘤细胞就开始无法生存。超声在介质中传播时，波线上各处出现交替的正压和负压，这种压差可达数百kPa。辐射压强对生物体可引起两种效应，骚动效应和摩擦效应。当声波频率接近气泡的固有频率时，气泡进入共振状态，振幅达到极大，这时会伴随发生一系列二阶现象，如辐射力及微声流。超声治疗前后磁共振（MR）影像学变化肿瘤组织血管畸形、血液供应减少，血流速度慢。水分、氧气、一定的温度因此，当压缩变为稀疏的半周期中，还原了的声波振幅将减小，一部分超声能量被介质吸收了。表明，质点在1s内要受100万次从+2.变成易被种胚吸收的养料，苗儿就使劲地长个儿.三、化学效应及机制引起化学反应的加速或抑制，超声对白细胞影响超声对白细胞影响 用用钨钨丝丝以以20kHz的的振振动动为为声声源源辐辐照照白白细细胞胞，溶溶液液中中的的气气泡泡振振动动，产产生生微微声声流流，微微声声流流引引起起的的细细胞胞表表面面效效应应与与金金属丝属丝振动幅度振动幅度有关。有关。当当切切变变力力的的压压强强为为300dyn/cm2，对对应应振振幅幅为为4um时时，白白细胞的吞噬能力改变。细胞的吞噬能力改变。当当微微声声流流产产生生的的切切变变力力的的压压强强达达500dyn/cm2,对对应应振振动动幅幅度度8um时，白细胞发生溶解；时，白细胞发生溶解；因此，当压缩变为稀疏的半周期中，还原了的声波振幅将减小，一部222 2、瞬态空化、瞬态空化 当当强度较高强度较高的超声波幅照液体时，声场中气泡的动力学过程的超声波幅照液体时，声场中气泡的动力学过程变得复杂和激烈。变得复杂和激烈。在声波的负压半周期内微小气泡迅速膨胀，随后又在声压正在声波的负压半周期内微小气泡迅速膨胀，随后又在声压正半周期内气泡被压缩以至崩溃。当气泡被压缩至崩溃前的暂半周期内气泡被压缩以至崩溃。当气泡被压缩至崩溃前的暂短时期内，气泡内的温度可高达短时期内，气泡内的温度可高达数千度数千度，压力可高达，压力可高达几百个几百个大气压大气压。气泡内的水蒸汽在这种极端的物理条件下可以裂解为气泡内的水蒸汽在这种极端的物理条件下可以裂解为H H和和OHOH自自由基，具有高度化学活性，迅速与其他组分相互作用而发生由基，具有高度化学活性，迅速与其他组分相互作用而发生化学反应。化学反应。2、瞬态空化 当强度较高的超声波幅照液体时，声场中气泡的动力23第二节第二节 超声生物效应及作用机制超声生物效应及作用机制一、一、热热效应及机制效应及机制二、二、机械机械效应及机制效应及机制三、三、化学化学效应及机制效应及机制四、四、空化空化效应及机制效应及机制第二节 超声生物效应及作用机制一、热效应及机制24