第七章 超声生物效应及其物理机制_《超声治疗学》课件（可编辑）

超声治疗学第七章超声生物效应及其物理机制授课教师李发琪生物医学工程系教学目的及要求重点掌握产生超声生物学效应的三种物理机制的内涵熟悉超声生物学效应与声辐照参数以及组织本身的性质密切相关了解常用超声治疗方式主要教学内容1前言重点超声在组织中传播研究超声生物学效应的重要性2超声生物学效应的物理机制机械力学机制热机制空化机制3超声治疗与声参数4超声治疗方法5新兴的超声治疗1治疗超声的声场参数在位INSITU声强是指在人体内或其他生物体系内我们感兴趣的那个空间部位上的声强发射声强是指在水中自由声场条件下换能器辐射的声强很明显人体内的在位声强是无法直接测量的但在一定的准确程度上我们可以从发射声强和人体组织的超声衰减数据进行估算这样通过发射声强即可比较不同治疗仪产生生物效应的能力治疗超声的声场参数治疗超声波的波形连续波波形T压声时间治疗超声的声场参数治疗超声波的波形脉冲波波形W压声P时间TP一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度示为WP两个相邻脉冲对应部位如取脉冲的起始点的时间间隔称为脉冲周期示TP相应的脉冲重复频率为F1TPP定义FWT为脉冲的发射因子亦称为占空比PPDUTYFACTOR治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空变化及其表述声强在时间空间上是不均匀的连续波ITP压声ITA时间ITPTEMPORALPEAKACOUSTICINTENSITY时间峰值声强ITATEMPORALAVERAGEACOUSTICINTENSITY时间平均声22强ITPPITAPC2C治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空变化及其表述连续波ISASPACEAVERAGEACOUSTICINTENSITY空间平均声强ISPSPACEPEAKACOUSTICINTENSITY空间峰值声强治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空变化及其表述脉冲波ITP强声IPAITA时间ITPTEMPORALPEAKACOUSTICINTENSITY时间峰值声强ITATEMPORALAVERAGEACOUSTICINTENSITY时间平均声强IIFTAPAIPAPULSEAVERAGEACOUSTICINTENSITY脉冲平均声强治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空变化及其表述脉冲波IISATASAPAFISATA空间平均时间平均声强ISPTA空间峰值时间平均声强IIISPIISPTASATASAPA空间平均脉冲平均声强SAISPPA空间峰值脉冲平均声强ISPIISATAISASPPAFULTRASOUNDINTISSUEVELOCITYOFPROPAGATIONCVARIESBETWEENDIFFERENTTISSUESACOUSTICALIMPEDANCEZCINTERFACEBOUNDARYULTRASOUNDINTISSUEABSORPTIONNECESSARYFORTISSUEHEATINGULTRASOUNDENERGYCONVERTEDTOHEATASITPASSESTHROUGHTISSUESABSORPTIONGREATERATHIGHERFREQUENCIESIMPORTANTPRINCIPLEFORTHERAPEUTICULTRASOUNDSCATTERINGSOMENEEDEDFORIMAGEPRODUCTION超声诊断IMAGING利用超声波的波动特性即被动特性把高频低能量的超声波作为信息的载体进入人体并通过它与人体组织间的相互作用规律反射散射透射等提取其超声信号加以显像而获取有关生理与病理的信息11WEEKS产科超声产科超声31WEEKS超声治疗THERAPY利用超声波的能量特性即主动特性把一定能量的超声波作用于人体病变部位通过某种生物物理机制机械的热学的或空化的对人体组织的状态功能或结构产生一定的影响变化以至破坏而达到既定的医疗目的超声治疗的用途分为两类一是产生非损伤性的热量或其他机械效应以刺激或加速身体对损伤的正常反映二是对组织产生可控制的选择性杀灭1927年著名法国物理学家LANGEVIN在研究水下超声探测时发现强超声波可以对鱼类等小水生动物产生致命的效应随后HARVEY等人发现超声辐照可使动物体内组织的温度升高甚至导致细胞结构破坏WOODLOOMIS1927当超声波用于医学诊断时辐照剂量应尽量小以力求避免可能产生的任何生物效应反之当超声波用于治疗时则需要足够的超声辐照剂量以引起一定的生物效应并由此获得某种所需要的临床医疗效果如理疗外科等因此超声生物效应正是超声治疗学的生物物理学基础研究超声生物学效应的重要性建立安全诊断阈值剂量标准和各种超声治疗的最佳辐照剂量研究各种条件下医学超声与人体组织相互作用的物理机制在超声生物效应的研究基础上广泛开拓在生物医学及生物技术领域中的应用2超声生物学效应的物理机制机械机制热机制空化机制21机械机制力学机制超声波是机械振动的传播过程超声波作用于生物组织时不论其强度大小都产生机械振动与声场有关的力学量如质点振动位移速度加速度以及声压等都可能与生物效应有关如频率27KHZ的超声波刀头输出振幅为70M其切割加速度约为200000G能够轻易将任何骨头粉碎超声切割主要利用超声的机械效应当辐照声强较高时声场中的二阶参量会变得明显起来从而可能出现各种非线性物理现象如辐射压力声流及微声流对产生超声生物效应声辐射压力在声场中一个客体所受到的时间平均压力客体可以是声场中一个物体或两介质的交界面或介质中指定的单个质点等声辐射压力是一个直流压力就象大气压力那样和声压有本质区别通过测量声辐射压力可测量声功率声流当超声换能器振动时在声波的传播方向上可观察到恒定方向的媒质粒子流这种现象称为声流或声冲流而在小范围内发生的类似现象称为微声流290V500V1000V1500V2000V2500V22热机制声波的吸收超声波在人体内传播过程中其振动能量会不断地被人体组织所吸收造成人体组织吸收声波能量的机制有粘滞吸收热传导吸收和分子弛豫吸收粘滞吸收当声波在媒质内传播时进入振动的质点不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞阻力作功为此要引起部分声能的消耗热传导吸收声波在传播过程中将引起媒质内正负声压的周期相间分布正压区的温度将升高而热传导将会使其部分热量流失从而造成部分声能的消耗分子弛豫吸收由于媒质的分子内部一些动力学QIT2ITC2TAAMA3Q声波在单位体积内产生的热量JCM组织的声吸收系数NPCMI在位声强WCM2T辐照时间S组织密度3TGCM比热CMJG设产生的热量不损失那么辐照T秒后使组织温升为则TTTIMETEMPERATURERELATIONSHIPTTFINALR43TTTTD43T0TDISTHETHERMALDOSEINEQUIVALENTMINUTESAT43TISTHE43TMEANTEMPERATUREDURINGTIMEANDR05FORTEMPERATUREABOVE43ANDR025FORTEMPERATUREBELOW43SASAPARETOANDWCDEWEYTHERMALDOSEDETERMINATIONINCANCERTHERAPYCOMATONCOLBIOPHYS198410787800THRESHOLDSFORTHERMALDAMAGEINTISSUERELATIVETHERMALSENSITIVITYINTERMSOFEQUIVALENTMINUTESAT43DEWEYINTJHYPERTHERM1994104457483LOWLEVELTEMPERATURERISECAUSESNOIRREVERSIBLEDAMAGEPHYSIOARRESTOFCELLREPRODUCTIONOCCURSIFTEMP43CHYPERTHERMIAORTHERMOTHERAPYRAPIDTHERMALTOXICITYCOAGULATIVENECROSISIFTEMP56CFOR1SHIFUTHERMALTHERAPIESTHOSEDISEASESTHATMEDICINESDONOTCUREARECUREDBYKNIFETHOSETHATTHEKNIFEDOESNOTCUREARECUREDBYFIREANDTHOSETHATFIREDOESNOTCUREMUSTBECONSIDEREDINCURABLEHIPPOCRATES400BCHYPERTHERMIAHYPERTHERMIA043COREQUIVALENTFOR60MINSTHISINTRODUCESTHECONCEPTOFTHERMALDOSESURVIVALCURVESSURVIVALCURVESCANCERTREATMENTWITHULTRASOUNDHYPERTHERMIA1949WOEBERETALTEMPERATUREDISTRIBUTIONSTEMPERATUREDISTRIBUTIONS43NEEDTOUSEADJUVANTTHERAPYMEASURETEMPERATUREHIFU23空化机制历史19世纪末英国海军建造出第一艘驱逐舰在初期试验时发现螺旋浆推进器在水中会引起剧烈振动象THORNYCROFT和BARNABY认为这种振动是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡空穴而这些大气泡又在水的压力下随即发生内爆而产生的这是第一次对空化现象物理本质的振动问题浸蚀问题描述基本概念空化CAVITATION液体中由于某些原因形成局部气体或蒸汽空穴及其成长与破灭的现象超声空化液体中的微小泡核在超声波作用下被激活它表现为泡核的振荡生长收缩及崩溃等一系列动力学过程稳态空化STEADYCAVITATIONNONINERTIALCAVITATION当液体媒质内的声场中存在有适当大小的气泡时它会在声波的交变声压作用下进行振动当声波频率接近气泡共振的特征频率时气泡的振动就进入共振状态使振动的幅度达到极大气泡的这种动力学表现称为稳态空化对于存在于水中的自由气泡当半径R10M时其共振频率为FO由下式给出F3280RO式中FO单位KHZR的单位为M时瞬态空化TRANSIENTCAVITATIONINERTIALCAVITATION当用强度较高的超声波辐照液体时声场中气泡的动力学过程变得更为复杂和激烈在声波的负压半周期内空化核微小气泡迅速膨胀随后又在声波正半周期内气泡被压缩以至崩溃瞬态空化发生时产生高温高压伴有声致自由基声致发光冲击波及高速射流等现象的发生空化的产生必须有空化核存在气泡在固体表面引起高速射流铝箔厚度为1M的空化腐蚀气泡在固体表面引起高速射流及其对铝箔空化腐蚀的照片COMPLEXANDUNPREDICTABLEMECHANICALDAMAGETISSUEVIBRATESTABLECAVITATIONANDINERTIALCAVITATIONDEPENDENTONFREQUENCYNEGATIVEPRESSUREAMPLITUDEANDINTENSITYMAYDAMAGETISSUEMAYENHANCEHEATINGMAYAIDIMAGING空化的检测光学方法用肉眼或光学仪器直接观察空化发光声学方法用耳朵可以直接听到空化时发出的嘶嘶声使用声学仪器可以检测到空化噪声谐波次谐波等化学方法如检测空化自由基的电子自旋共振ESR法TA对笨二甲酸荧光检测法碘释放法生物学法通过细胞溶解生物大分子断裂等进行检测此外还可以从改变实验环境压力对实验结果的影响来判断空化现象因为在同样条件下环境压力增大时空空化研究中的重要事件气泡核聚变美国OAKRIDGE国家COMTULIN等人合作研究先后于2002年3月和2004年4月两次在美国科学等杂志上发表文章宣称他们在实验室通过超声波在小烧杯液体里引发的微气泡空化观察到了核聚变反应空化研究中的重要事件声化学SONOCHEMISTRY利用功率超声的空化现象加速和控制化学反应提高反应率和引发新的化学反应80年代兴起的边缘交叉学科具有加速化学反应降低反应条件缩短反应诱导时间和能进行有些传统方法难以进行的化学反应等特点是声能量与物质间的一种独特的相互作用3超声治疗与声参数不同的超声治疗目的对超声生物学效应应用的侧重点不同往往以一种效应为主同时伴随其他效应超声生物学效应与超声参数密切相关因许多实验研究的具体条件不同必须根据所要达到的生物学效应和特定的治疗情况选择治疗参数连续波OR脉冲波频率声强辐照时间脉冲频率和占空比连续波OR脉冲波频率声强辐照时间脉冲频率和占空比机械机制低频高声强热机制连续波相对高频空化机制脉冲波低频高声强POWERDIAGNOSIS002WPTISSUEINFORMATIONOWITHOUTBIOLOGICALEFFECTWTHERAPYDELIBERATEBENEFICIALEBIOLOGICALEFFECTRREVERSIBLEORIRREVERSIBLEFUNCTIONALMODIFICATION200WSURGERYCELLKILLING10000TIMESMOREENERGYTABLE141OUTPUTCHARACTERISTICSOFULTRASOUNDDEVICESEQUIPMENTFREQUENCYTYPICALTYPICALDUTYPOWEREXTERNALPROBESINTRACAVITARYPROBESTYPERANGEMHZSOURCEAREAFACTORMWSPATIALPEAKPEAKNEGATIVESPATIALPEAKPEAKNEGATIVE2MMTEMPORALAVERAGEACOUSTICTEMPORALAVERAGEACOUSTICPRESSUREINTENSITYISPTAPRESSUREPINTENSITYISPTAP22MWCMMPAMWCMMPADIAGNOSTICPULSEECHOBMODE120100300000014256641133017504555420908284646006635232MMODE120100300000010521346426041270455542092021062706635232DOPPLERFETALHEARTDETECTOR241001530001PULSEDDOPPLER5101000011132414436908015700675322189711440747097353226COLOURFLOW51010000135295138212150429046425241097353226114304247THERAPEUTICPHYSIOTHERAPYCONTINUOUSWAVE07533001015000PULSED0753300020300050005SURGERY0510500012000005SOURCEFROMHEN