医学超声治疗原理及其临床应用研究 严碧歌 牛俊得 (陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西西安710062) 摘要：本文从超声波对人体特有的生物效应出发，用生物医学工程的观点，阐述了现代超声治疗技术基本原理及最新临床应用成果，特别是在超声外科治疗技术中的最新发展，展望了超声治疗技术的应用发展前景。 关键词：超声治疗；超声外科手术；超声聚焦；功率超声；空化效应 中国分类号：0426．4 文献标志码：A 文章编号：1673—6273(2007)08—1246-03 The Principle of M edical Ultrasonic Therapy and Its Clinical Applications术 YAN _B e，LIU De-dun (Colege ofPhysics and Information Technology，Shanxi Normal University，Xi an 710062，Shanxi，China) ABSTRACT：From the viewpoint of biomedical engineering．the principle and clinical application of modem ltrasound出era—peutic technology wcrc presented in this paper，an alyzing from the physical characteristics an d biological efects of ultrasound、And scvcral kinds of ultrasonic surgical devices and their potential development and application wcrc also introduced、Key words：Ultrasonic therapy；Ul trasonic surgery；Focused ultrasound；Power ultrasound；Cavitation efect Chinese Library Classificati0n(CLC)：0426．4 Document code：A Article ID：1673．．6273(2007)08． 1246．．03 超声波是一种机械波，其频率通常高于人耳听觉的上限(20KHz)。一般以人耳听觉的范围划分为超声波、声波和次声波，但其界限并不是绝对的，如频率较高的可闻声波也具有超声的某些特性。超声学作为一门科学，早在十九世纪30年代就引起了人们的重视。从法国人P．Langevin在1916致力于水下超声的研究开始，超声的应用渗透到众多领域 ]。近年来，由于电子和计算机技术、精密机械和材料技术、图象处理和测量技术的迅速发展以及人们对超声波的物理的、化学的、生物的机理进一步研究，使超声学成为众多学科的交叉学科，大大拓宽了其应用领域。 超声在医学上应用主要分两大类：诊断超声和治疗超声。 诊断超声主要用于诊断疾病，如B超成像，超声多普勒血流分析，超声骨质检测等；治疗超声主要用于疾病的治疗，如超声药物透疗、理疗、体外碎石、治牙、外科手术以及治癌等哺。超声用于治疗已有60多年历史了。早在二十世纪三十年代，德国就出现了利用超声对病人进行治疗的专利 ；五、六十年代，超声治疗已成为常规治疗中不可缺少的部分，但以理疗为主。七十年代，出现了超声粉碎结石，超声治牙等，这成为超声治疗的一大进展。八十年代，超声手术刀开始在外科大量应用，包括超声切割软组织、超声肝脑肿瘤吸引、超声骨科成形和超声眼科白内障乳化等，这又是治疗超声在医学上的一大进展 。近年来，物理治疗学无论是在基础理论还是在临床应用的研究方面均有很大发展，一些新技术、新疗法相继在康复医学中应用，不但拓广了其应用适用范围，而且提高了疗效。例如高强度聚焦治癌、超声治疗血管阻塞等技术都大大拓宽了超声治疗的应用领域，使超声治疗发展受到越来越多的重视。本文综述其最新研究与应用状况。 l治疗超声及其特性 在超声治疗中，需要利用超声能量来改变生物组织的状态结构，或促使其发生生物化学反应。在这些场合，使用超声波能量较大，即所谓的功率超声。其频率范围常在10KHz．1MHz之间，强度从0、12 W／cm2到几百W／cm：，甚至几千W／cm：，相对而言，超声诊断所采用的声强却较小，为0 1~50mW／cm：[5]。超声波充满的空间称之为超声场，考虑超声波以纵向平向波传播，在超声场中，介质的无数个质点均作为周期性的疏密相I司的运动嘲。对每一个质点，假设其振幅为A，其瞬间位移、振速、加速度、声压和声强分别表示为表1的数学表达式表1超声场物理量的数学表达式
由上式的计算，一般局部压力可达上千个大气压。这样大的压力足以改变生物组织的状态。不同的组织发生声空化所需的最小声压值，即空化阀值是不同的，影响空化阀值的因素是较复杂的。一般有工作频率、组织中气泡的半径、超声作用的时间、超声的声强、环境静压力、组织的粘滞性、含水量以及温度等等。 2．4触变效应与弥散效应 触变效应：超声波还会引起生物组织某物理或化学性质的改变，如使血液粘滞性降低造成血浆变稀，血球沉淀等等。 弥散效应：超声波能提高半透膜的渗透作用，使药物分子更易进入细菌体内。 3超声治疗技术的主要应用 超声治疗的特点是利用功率超声，以达到治疗疾病的目的。它的范围非常广泛，如超声外科手术，超声聚焦粉碎结石、高强度超声聚焦治癌以及超声理疗等。 3．1超声外科手术 超声外科手术是自80年代兴起的一门新技术。比起常规的外科手术，它有其独特的优点：在软组织切割和骨科手术中，超声刀省力、切缘整齐，且由于超声波独特的空化作用，在微气泡空间产生高压，促成了一系列生物化学反应，激化了凝血酶的活性，因此，使用超声刀进行手术，出血量很少，手术视野清晰，另外在精细骨科中，超声刀可切出较复杂的形状，用于骨科成形；超声骨科手术刀为接触式手术刀，无热损伤，因而可以用在一些对安全性要求较高的场合，如脊柱外科手术和开颅手术当中眦]。超声手术刀具有出血少、对周围组织伤害少、术后恢复快等特点。目前主要应用于切割与凝血、白内障乳化、肝胆肿瘤吸引、吸脂、切骨等方面。 3．2超声外科吸引 超声外科吸引借助一种特殊的中空刀具，辐射出超声波，主要机理空化，将肝脑肿瘤粉碎乳化，然后通过施加负压将手术的残渣吸出。超声吸引器的优点在于利用不同生物组织不同的空化阀值，达到选择性碎裂乳化的目的，在肝脏和脑肿瘤摘除手术中，超声吸引器可以吸除肿瘤，而保护血管和神经不受损伤；还有，超声空化作用可使凝血酶活性增强，具有独特的止血作用，手术视野清晰，比常规手术少出血三分之一。最新临床应用表明，超声吸引器还在胸部肿瘤摘除，胆囊和脾脏切除以及心血管手术中有出血少，创面清晰，损伤细胞层厚度小等明显优于电刀、离子刀、激光刀和微波刀的特性。 3．3超声白内障乳化 白内障是眼科中的一种常见疾病，传统的手术方法，即囊内和囊外切除白内障，切口大，恢复期长，且须等到晶状体生长成熟后才可以进行手术，给患者生活造成了不便。超声白内障乳化刀通过微小切口(2~3mm)伸人眼睛内，利用超声波对人体组织的空化效应和碎裂效应，将白内障乳化并吸出。这种方法比传统方法迅速，出血少，恢复快㈣。超声外科手术仪最成功的应用是白内障超声乳化吸引术。该技术利用超声波对白内障的机械效应和空化效应，可将白内障从3mm切口经超声乳化后吸除，并且可将软性折叠式人工晶体经3．2mm切口植入。也可将常规硬化人工晶体经5mm切口植入体内，手术为自封闭形的，无出血、切口长度比常规手术大大缩小，术中对虹膜的牵拉小。因此术后散光和炎症明显减少，视力可得早期恢复，也可避免术中眼压过低引发的脉络膜出血。 3．4超声体外粉碎结石 现代医学认为：利用超声波对泌尿系统(肾、输尿管、膀胱、胆)的结石进行无创伤性粉碎，是一种较好的方法。该方法利用抛物面将超声的能量聚焦在一个较小的区域。使该区域声强达几百MPa以上，从而发生强烈的空化效应及机械效应，将结石粉碎。近年来体外排石技术(ESWL技术)有了很大的发展，聚焦系统由原来的放电电极第二焦点聚焦介改为压电晶体抛物面阵列聚焦使功率进一步增大，定位系统由x射线定位也发展成为超声回波成像定位，提高了精度。 3．5高强度超声聚焦治疗技术 随着医学影像技术，超声医学工程等相关技术的发展，超声聚焦治疗技术得到长足的发展。高强度聚集超声(HIFV胎疗是从本世纪90年代起在国际掀起的一项新的研究，可以说是传统治癌技术的发展。该技术在现代医学影像技术的协助下，将多束超声波准确地聚焦在靶组织上， 使声强达到1500．2000W／cm ，利用肿瘤组织血流量低(为正常组织的2％- 15％)，不易散热的特点，短时间内(0．5-3秒)照射靶组织，使其局部达到70～IO0~C，造成蛋白质固化，组织坏死，在超声强度和照射时间适当时，可在坏死组织周围形成一层组织膜而对周围组织损伤极小。适用于神经外科的深部脑肿瘤治疗，眼科青光眼，泪腺癌治疗以及前列腺摘除等等。 3．6超声理疗 超声理疗很早就应用于临床，它一般利用低强度、中小剂量，频率范围在800KHz～1MHz的超声波(最新研究表明70-100KHz的超声波在某些方面也有明显的治疗效果)对人体没器官或者系统的刺激、调节作用，达到治疗疾病的目的。它是超声波的机械效应、温热效应、空化效应、弥散效应和触变效应等生物共同作用的结果。 4展望 超声手术设备的研究开发和推广应用在我国具有极大的社会效益和经济效益。 1)人们从认识超声波到将它应用于临床治疗，其间已经探索出了不少的规律。作为从事超声医学工程的人员来说，应该对超声波对生物组织作用的机理、规律做进一步的探索，特别要加强和临床实践的紧密结合，掌握更多的第一手资料和数据，发挥超声医疗的效果，探索新的应用。 2)超声治疗是一门交叉性学科，随着其他学科研究的深入以及各种相关技术日趋成熟，超声治疗的临床实践将进一步完善，应用范围将进一步拓宽，可以说超声治疗技术的发展方兴未艾，它将愈来愈多地造福人类。 3)随着现代医学的发展，治疗手段和技术越来越丰富，就无创性外科技术而言，就有伽玛刀、激光刀、微波聚焦刀等等，就物理疗法而言，有放射线疗法，氦氖激光照射，微波疗法等，这些技术既有其独特的优点，又有各自不同的局限，超声治疗技术也应该与其它技术结合，相得益彰，这样就能在临床上更发挥出其优越性。这些还有待于继续研究与探讨。 参考文献(References) [1]L．J．BOND，W．W．CIM1NO．Physics of Ultrasonic Surgery Using Tis—sue Fragmentation[J]．Ultrasound in Medicine and Biology，1996，22(1)：89一l17 [2]G．TER HEAR．Ultrasound Focal Bean surgery [J]．Ultrasound in Medicine and Biology，1995，21(9)：1089—1 100 [3]NARENDRA T．SANGHUI，FRANCIS J．FRY，et a1．Noninvasive Surgery of Prostate Tissue by High—Intensity Focused Ultrasound，IEEE Transactions on Ultrasonics[J]．Ferroelectrics 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