《超声的生物效应》PPT课件.ppt

超声的生物效应,一、超声的特征,1.声压、振幅、加速度,例题：设水中有频率为500KHz的超声源，水中某点的声强为105Wm-2,试求声压、振幅、加速度。已知u=1500m/s,=1000kg/m3,解：,超声波的声压中等，振幅极小，加速度极大。,2、辐射压,当超声射到任何界面或媒质时，只要沿声的传播方向有声强的减弱，就有压强作用于界面，叫辐射压。不同于交变声压，是单向的，即沿传播方向：P=I/u,上例P=66Pa,这压强能使水喷出水面6.7mm，这是辐射压引起的骚动效应。这种效应可使蛋白质、细胞、组织变性，另一效应是在溶剂分子和悬浮粒子之间产生内摩擦，力可大到断开碳键，使生物大分子解聚。,3、特性,方向性好：近似直线传播，可得到定向而集中的超声波束,穿透本领大：易穿透水、脂肪和软组织；不易穿透骨骼和肺组织,产生显著的反射：钢体中的气泡，人体组织中的病变，是超声诊断的基础,二、超声波的生物效应,1、生物大分子,超声对水溶液中的大分子尤其是DNA的作用很明显，其效应主要是导致降解。,0.254MHz、1W/cm2的超声能使DNA的双螺旋断裂，平均分子量从107降到2.5105。原因可能是由于超声引起液体的空化作用将螺旋链切断。,2、细胞,可使细胞膜破裂：（是用超声波破碎细胞技术的基础），引起细胞膜的损伤，电泳迁移率下降，反映了细胞膜表面净电荷的减少，原因是空化作用,通透性有所增加：原因是热作用,破坏悬浮红细胞：溶血作用,3、生物组织,生物组织对超声有相对高的吸收系数和低的热传导系数，所以温度的上升成为主要问题。使其功能改变，是超声理疗的基础。医学上通过对超声波聚焦，照射皮下一些病变组织，用来治疗腰肌扭伤、疼痛，关节周围发炎和软组织折炎症。,（1）对血流和血管的作用：用频率1MHz、强度小于0.5W/cm2的超声照射小血管，可使血流阻断；以较弱的超声照射血管，可引起扩张，以强超声照射，则引起血管收缩，用超声直接照射颈部迷走神经，可看到明显的降压作用。,（2）对恶性肿瘤的作用：因吸收热引起局部温度升高，可用来人工加热治疗肿瘤。实验表明，高强度的聚焦超声可破坏神经胶质瘤和抑制肿瘤生长，例如，用峰值聚焦强度达1000W/cm2持续时间2秒的超声照射，表明可抑制移植到小鼠的神经胶质瘤的生长，并注意到超声照射增强了鼠的免疫活性。,（3）对组织再生的作用：用兔耳实验性损伤作实验，利用频率3.6MHz、强度0.5W/cm2、脉冲时间2ms的超声波，隔日进行5分钟照射，可使损伤的修复率达30%。,4、动物整体,最早发现超声破坏效应的是，置于超声束中小动物的死亡以及悬浮液中单细胞机体或微生物的破坏。不同机体对超声的敏感不同，面且有些效应是可逆的。,一般认为低强度的超声，对人体不会引起有害效应。至于在高强度超声作用下出现的疲劳、头痛、恶心和呕吐，则可能不是超声引起的，而是伴发噪声的作用结果。,超声诊断时是否有危险与强度和时间有关，有人认为：每月受超声作用3次，一年30次，无危险，强度小于40W/cm2，无论作用多长都无关系。脉冲超声（强度30W/cm2，脉宽0.7微秒，重复频率1000Hz的总作用时间不应超过5.5小时，由于安全限无定论，只有必要时，才进行超声诊断。,三、超声的生物作用机制,能够引起生物效应的超声作用，可分为热作用、机械作用、化学作用，而空化现象则同时包含了上述三种作用。,1、热作用,超声在介质中传播时，将会有一部分能量被介质吸收而转化为热量，引起介质温度升高，称为热效应或热作用。产生热量的大小决定于介质的吸收系数，以及超声波的强度和辅照时间。在生物组织中，在部分损耗掉的声能由蛋白质分子经各种弛豫过程所吸收。早期用于临床理疗，近年来，它作为加温治疗癌症的一种热源受到重视。,2、机械作用,（1）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，在界面处还产生一个稳定的沿传播方向的静压强，称为辐射压强。,辐射压强对生物体产生两种生物效应：(a)骚动效应。当强声束通过液体时，可看到很强的骚动效应，如水的沸腾现象和喷射现象。可使蛋白质变性，细胞变形。(b)摩擦现象。辐射压给予溶剂和大分子以不同的加速度运动，从而使小分子和大分子之间发生强烈摩擦，其力量之大可能导致碳键的断裂而使大分子降解。,（2）超声压强,出现交替的正压和负压，对中等频率的超声，这种压差可达数百Kpa的压强差。有人用这种压强差来解释超声对细胞的分解作用和胞内胞质发生的流动作用。,3、化学作用,增加化学反应速度，促进氧化、分解。特别是对胶体系统的化学键和范德瓦尔斯型的分子键有明显作用。影响超声化学作用因素有频率、强度、持续时间和温度。二级作用，首先是引起组织内空化、电现象、升温、压强变化等效应，它们都可以继而引发化学反应。,4、空化作用,高频超声波通过液体时，液体中产生疏密变化，稠区受压，稀区受拉。在受拉时，因为液体承受拉力的能力很差，特别是在含有杂质和气泡处，液体将被拉断，形成空腔。紧接而来的是正声压，使空腔在迅速闭合的瞬间，产生局部高压、高温和放电现象，称为空化作用。,空化作用可以两种方式使生物的结构发生变化：（1）在组织结构之间引起的相对振荡运动，在周围液体中趋向于建立稳定的冲击流，从而在局部产生很高的速度梯度，足以破坏细胞的膜系统和生物大分子。（2）由于剧烈振荡的结果，气体在微气泡中被压缩时，使局部产生极高温度和压强的突变，从而引起电离作用。,空化作用常用作清洗、雾化、乳化以及促进化学反应等方面。,四、超声生物效应规律,超声生物效应与频率、强度、作用时间有关，但尚无定论。,1、频率,几万赫的超声，是空化引起，M赫级的超声是热作用。其间都有。对生物损伤与频率成反比关系，5MH以上不产生显见的损伤。,2、强度,在弱超声作用下，其氧化作用较强；在强超声作用下，机械作用变强，氧化作用则变弱。就脑损伤而言，低声强、长时间作用时，是热在起主要作用，而高声强、短时间作用时，是瞬变空化在起作用。声强小于10mW/cm2时，不会有生物效应。,3、时间：不同类型的超声和不同的照射方式所产生的生物效应并不相同，没有发现超声生物效应的累积效应。,4、超声诊断的安全剂量,对人体安全照射的超声剂量随照射时间而变，也与超声频率和强度有关。同时也以不同检查对象和部位而变。例如，检查胎儿的安全剂量以控制在20mW/cm2和30分钟内，而检查成年人的腹部器官等则可控制在40mW/cm2和60分钟内。,五、超声波的发射和接收,1、超声发生器,由高频脉冲发生器和压电式换能器两部分组成,高频脉冲发生器用以产生超声频电振荡,压电式换能器：晶片两边施加压力或受拉时，两边产生等量异号电荷，这一现象叫正效应，若加一电压，产生压力，则叫逆效应。探头即可发射超声波，也可接收超声波。,各种超声诊断议的超声发射以及回声接收均由超声换能器完成。,2、发射电路,常用的脉冲发声电路是产生短时间的脉冲电压去激励换能器，从而发射一个短时间的超声脉冲，灵敏度和分辨率。,3、接收放大电路,超声在人体内的回波信号一般很弱，需要进行必要的放大才能观察和分析，因此，接收放大器的性能好坏直接影响诊断仪的许多功能，如灵敏度，分辨率，盲区，动态范围等。,4、超声的接收和显示,超声进入人体后，遇到体内脏器声阻抗不同的界面即产生发射，接收器接的回波信号强度进行数字处理。,（1）测距；（2）字符显示；（3）部位及探头位置显示；（4）图像冻结装置；（5）局部放大；（6）图像轮廓增强和自动面积计算；（7）用计算机进行操作程序和信号处理的自动化。,六、超声诊断仪简介,超声波扫描仪（用超声波探测人体内部情况）,原理：超声波在人体内遇到密度不同组织的界面时产生反射波回波。脏器发生形变或有异物时，由于形状、位置和声阻抗的变化，回波的位置和强弱也发生改变。,探头发射和探测超声波经处理显示在示波器的荧光屏上。,1、A型超声诊断仪：,（幅度调制型）,原理,它接收到的回波信号经放大处理后加于示波管（或显像管）的垂直偏转板上，在水平偏转板上加上一时基电压（锯齿波电压），就可以把始波和各界面的回波信号以脉冲幅度形式按时间先后在荧光屏上显示出来。,回波脉冲幅度提供了产生反射的界面种类的信息，各回波脉冲与是始波的时间间隔提供了各个反射面的深度信息。（回波信号以脉冲幅度的形式按时间先后在荧光屏上显示出来。）,应用,它由回波显示的位置和形态来判断人体组织内部组织的位置和病变。,特点：价格低，使用方便，声图直观性差，不能给出图像显示。,2、B型超声诊断仪,它能得到人体内部脏器和病变的二维断层图像，并且能对运动脏器进行实时动态观察。,与A超不同之处：辉度调制，显示断层声像。,(1)辉度调制：脉冲回声信号经放大处理后加于示波管(或显像管)的控制栅极，利用脉冲回声信号改变阴栅极之间的电位差，从而改变辉度。回声信号越强，荧光屏上的光点越亮。所以，这是一种辉度调制型。将深度扫描的时基电压加于垂直偏转板上，回声信号变成明暗不同的光点自上而下按时间先后显示在荧光屏上。(2)显示断层声像：通过机械装置与电子学方法使深度扫描线与探头同步移动时，可以得到人体组织内的二维超声断层图像(又称声像图)。线性点阵扫描和扇形扫描,B超成像原理,新代B超加入了微处理机，具有DSP系统（数字、扫描、信息处理系统）功能，这些功能包括：产生相控阵所需的相控信号及扫描同步信号等；对图像进行冻结、慢扫描、黑白翻转等多种显示；采用内插技术使图像清晰；同时显示多幅图像；产生多种形式的TGC（时间增益补偿）信号；显示必要的文字等符号；进行长度、深度、周长、面积、体积、频率、周期、速度、心输出量以至胎龄的计算和显示等，使B超的功通能得到大大扩展，诊断质量有很大提高。,B超的应用：超声断层显像能获得人体内部脏器和病变的断层图，并且被扫查的断层可以方便地移动和改变，当前成为应用最普遍、最有效的医学诊断技术之一。主要用于腹腔和胸腔内脏的检查，即可作静态观察，如肝、肾、脾、胰、胃、胆、肠、子宫等脏器，也可作动态观察，如检查心脏、胎儿活动等。此外，也可用于脑部肿物及眼科检查。,3、M超：水平轴代表时间，竖直轴代表深度。若所探查处内部组织界面运动，深度随时间变化，则得深度时间曲线。,许多断层显像仪中，采用数字扫描转换器，扫描切面中各点的脉冲回波信号经模数转换器变为象素值，建立起数字图像，送入数字存储器中储存。存储器中的数字信号经处理器进行各种处理和分析，最后经数模转换器把数字图像信号变为视频图像显示。大多数系统都允许观察者根据需要选择像素值范围，并把它转换到全灰度标进行显示，以控制图像的对比度。采用数字扫描转换器后，断层显像仪的功能大大增强。,4、超声波多普勒血流仪,设：探头发射频率，红细胞接收频率，探头接收频率，v:血流速度,u：超声波在血液中的传播速度,:u、v方向间的夹角，多普勒频移。,例：用多普勒效应来测量心脏壁运动时，以5MHz的超声波直射心脏壁(即入射角为0度），测出接收与发出的波频差为500Hz。已知声波在软组织中的速度为1500m/s，求此时心壁运动的速度。,解：,多普勒与B超相结合，在B超上一边设立多普勒取样，一边输出血流信息，因此可得到正确有血液流速采样位置。,5、彩色多普勒血流成像仪（彩超）,实时二维血流成像技术,高速相控阵平面扫描，解剖结构和血流状态二种成像,探头接收到信号分为两路：1、放大处理后按回波强弱形成二维黑白解剖图像；2、扫描全程多点采样，进行多普勒频移检测，信号经自相关分析处理，彩色编码。红：表示流向探头蓝：反方向绿：方向复杂多变的湍流血流速度大，颜色鲜亮,这种彩色血流信号显示在相应的二维黑白图像像的液性暗区内，即能观察解部位，腔室形状大小，又可观察血流活动状态。,多普勒诊断仪在医学上的应用,由于超声多普勒方法对运动目标具有独特的灵敏度，故用来检查生物和人体内部运动器官和组织的状况，特别受到重视。,（1）对心脏疾病的诊断用脉冲多普勒技术可以测出心脏内各运动部分的运动状态，速度和血流量，在医学临床上称为脉冲多普勒心动图，它可以诊断以下疾病；冠心病，心律失常、主动脉瓣病变等。,（2）对血管和血流的测量其最大优点是非侵入性。利用超声多普勒不但可以测出瞬时速度，而且可测得血流分布图，得到血管纵断面血流分布，对诊断血栓、脉管炎有价值。同时对眼底动脉的测量可很快鉴别血管硬化程度。,（3）妇科方面的应用主要用于对胎儿胎心及胎盘定位的检查。,6、超声计算机断层扫描术（UCT）,1974年Greenlraf等首次提出超声计算机断层扫描术，即超声CT,超声CT有两类：,一类是根据声阻抗的差别得用反射的不同而获得CT图像。,另一类是类似X射线CT原理，利用超声的穿透性而获得CT图像，即所谓“透射式”CT,透射式CT又分两类：,一类是测定透过人体后超声的衰减量，显示人体横断面的超声衰减分布的超声CT。,另一类是测定超声透过人体的传播时间，显示人体横断面声速分布的超声CT。,