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超声波是指机械振动在媒质中的传播，当它在生物媒质中传播且剂量超过一定阈值时，就会对生物媒质产生功能上或结构上的影响（效应），这种影响（效应）称为超声生物效应。超声治疗的生物学效应主要有：机械效应、热效应、空化效应。机械效应是超声波的原发效应，热效应和空化效应则是超声波与传声媒质相互作用的结果，故属于次级机制。实际上，在发生生物学效应的实际过程中，这三种作用机制常常是密切相关的。例如，发生瞬态空化时，肯定会伴随发生局部高温高压，从而引发热效应和机械效应。
超声波是机械波，机械效应是超声波的最基本功能。超声波的机械振动、压力变化，作用于细胞称为“细胞按摩”。由于超声波的微细按摩作用，可以改变细胞膜的通透性，加强弥散功能，从而影响细胞的物质代谢过程，加速代谢产物排出，改善细胞缺血、缺氧状态，以及组织营养，提高细胞组织的再生能力。
超声波的机械效应可以使坚硬的结缔组织变软，使粘连的组织松解，也可促进细胞再生、血管形成。所以，超声波在修复伤口、软化瘢痕、松解粘连、增加渗透、促进组织代谢、改善血液循环和刺激神经功能等方面有重要的治疗意义。
人体组织对超声能量有较强的吸收能力，当超声波在人体组织内传播时，其能量不断被组织吸收变成热量，其结果是组织的自身温度升高。超声波产热的过程是组织内生热，让机械能转变为热能的过程。超声波在组织中产生的热能约有80%经血液循环带走，平均每秒运走3%～3.5%，另有20%由毗邻组织传导散失。
1．影响超声波产热的相关因素
超声波产热程度与超声波的频率、剂量、介质的物理特性（声阻、导热性、介质界面的情况等）以及治疗方法等有关。
（1）超声频率：频率越高，穿透越浅，吸收越多，产热越多。
（2）超声剂量：单位时间内的超声强度越大，受作用的组织产热越多。
（3）超声输出模式：连续输出较脉冲输出产热多。
（4）治疗方法：固定法治疗较移动法治疗产热多，直接接触法治疗较水下法治疗产热多。
（5）介质：超声传播介质（生物组织）粘滞性越高，组织吸收超声能量后产热就越多。一般超声波产生的热作用在骨和结缔组织最为显著。
2．组织温升与产生的组织效应的关系
超声波的热作用可使组织局部血管扩张，血流加快，代谢旺盛，肌肉张力下降，疼痛减轻，结缔组织的延展性增加，其在疾病的无损性治疗中发挥重要作用。随着组织温度的升高和持续时间的变化，会产生细胞变性、损伤等效应（表1-1）。
表1-1 组织温升与组织效应的关系
超声空化是指声致气泡各种形式的活性，分为稳态空化和瞬态空化。
1．稳态空化
液体介质中存在大小不同的气泡，气泡太大会漂浮至液面而逸去，气泡太小会因表面张力大而溶解在液体中。存在于液体介质中的适当大小的气泡在声波的交变声压作用下进入振动（脉动）状态，当声波频率接近气泡共振的特征频率时，气泡进入共振状态，使脉动的幅度达到最大。气泡的这种动力学表现称为稳态空化。
稳态空化中气泡处于共振状态，伴随着辐射力与微电流的动力学变化，气泡附近呈现很高的速度梯度和粘滞力，使该处的细胞和生物大分子产生生物效应。如稳态空化会使红细胞溶解，致使细胞内的三磷酸腺苷（ATP）及血红蛋白释出。
2．瞬态空化
当较高强度的超声波作用于液体时，声场中气泡的动力学过程更为复杂和激烈。在声波的负压半周期内，空化核（微小气泡）迅速膨胀，随后又在声波正压半周期内被压缩至崩溃，这一过程称为瞬态空化。
瞬态空化中在气泡崩溃前的短暂时间内（瞬时，如1ms以下），气泡内的温度可达数千度，压力可达几百个大气压。气泡内的水分子在高温、高压下可裂解为H·和OH·，它们因具有高化学活性迅速与其他组分相互作用而发生化学反应，这一过程称为声化学。瞬态空化发生气泡崩溃时常伴有声致发光、冲击波及高速射流等物理现象。处于空化泡附近的细胞等生物体将会受到严重损伤甚至破坏。
超声波通过生物组织时，组织吸收超声波能量，使自身温度升高。当作用于生物体的超声波达到一定剂量时，可通过一定的作用机制使其分子、细胞、组织、器官发生生化、免疫、功能或结构上的可逆或不可逆的变化。
1．细胞周期
细胞周期是细胞活动的基本过程，是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程。细胞周期分为间期与分裂期两个阶段，间期又分为三期，即DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）与DNA合成后期（G2期）。不同阶段的细胞对超声辐照可能会表现出不同的反应。有研究者发现0.3MPa超声联合微泡作用12h后，S期细胞数增加，S期细胞数减少，G0/G1期和G2/M期细胞数基本相同。当超声辐照强度增加到0.5MPa时，也观察到了类似的结果。超声调控细胞周期的研究对超声的应用具有重要意义，可为选择合适的超声参数提供指导，以避免过强的超声辐射影响细胞存活。
2．细胞膜
细胞膜是一种质膜，是隔离细胞内外环境的屏障。超声波能影响细胞膜对K + 、Ca 2+ 的通透性，改变细胞膜内外离子浓度和膜电位。另外，超声结合超声造影剂会对细胞膜造成瞬时损伤，进一步导致暂时的、可逆的孔洞，这为细胞外物质通过细胞膜进入细胞提供了通道。1999年初，通过扫描电子显微镜观察到，超声结合微泡处理后细胞膜发生了多孔性变化，细胞膜的通透性得到提高，促进细胞外物质进入细胞。超声还可以通过影响细胞的内吞作用，促进细胞外物质的吸收。此外，低强度超声刺激还可通过增加细胞黏附相关蛋白的丰度，如整合素、纤维连接蛋白和桩蛋白，从而使信号触发激活细胞黏附过程。
3．细胞内物质
高强度超声可使组织液电离成自由基，这类自由基有极强的氧化还原活性，可在极短的时间内引起一系列的生化反应。在中强度超声作用下，会产生较强的细胞原浆微流，促进细胞内容物移动，改变细胞内部结构间的相互位置。细胞超微结构中线粒体对超声波最敏感，而线粒体是细胞内产生能量的重要单位，是氧化代谢的部位，是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所。因此超声波对细胞物质代谢有重要作用。低强度超声波能刺激细胞内蛋白质复合物的合成过程，加速组织修复。在超声作用下，组织蛋白质的巯基增加，进而使巯基化合物增加，而巯基化合物对体内许多活性物质如酵素、酶、维生素、激素、神经递质等有显著的还原作用。超声波还能改变铜、锌等微量元素在不同组织中的分布，而微量元素与细胞膜、核糖核酸、蛋白质、酶的活性、合成等都有关系。
4．细胞增殖
低强度超声可以促进细胞增殖的能力目前已得到公认。例如，人类造血干细胞在低强度脉冲超声（low intensity pulsed ultrasound，LIPUS）刺激后数量明显增加，同时新增的干细胞仍维持祖细胞标志物CD34和CD14的表达。同样，低强度超声可促进人间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）的细胞增殖和集落形成效率，同时保持其多能性和核型。此外，低强度超声被证明可通过激活整合素受体和Rho/ROCK/ERK信号通路促进成纤维细胞的增殖，还可刺激诱导多能干细胞来源的神经脊干细胞、成骨细胞、上皮细胞等多种细胞的增殖。
5．细胞迁移和归巢
LIPUS治疗可增强牙周韧带干细胞、成骨细胞、上皮细胞和角质形成细胞、黑色素瘤细胞等细胞的迁移。其机制与机械敏感的黏附相关基因（如整合素）表达水平的增加有关。超声在增强干细胞向靶组织的募集和迁移方面具有很大的潜力。在骨折的情况下，LIPUS诱导MSC到损伤部位，这将使由基质细胞衍生因子介导的愈伤组织形成进而使微结构得到改善。有报道称，脉冲聚焦超声（pulsed focused ultrasound，pFUS）是一种利用更高强度和更短时间刺激组织的超声方式，其通过局部上调细胞因子和趋化因子，促进干细胞归巢。Burks等人研究了pFUS在小鼠腿后肌群中的作用机制，发现pFUS上调了细胞因子、生长因子和细胞黏附分子，但不改变组织的完整性。产生的细胞因子梯度改善了MSC在肌肉中的归巢和滞留。在危重肢体缺血的小鼠模型中，联合使用pFUS和MSC进行治疗，pFUS刺激使MSC归巢率增加4倍，导致血管密度增加，纤维化面积减少，并诱导MSC表达VEGF和IL-10，联合效果优于单独使用MSC。
6．细胞分化
LIPUS可通过增加信号转导和合成生长因子、诱导基因表达等多种途径促进和加速细胞分化。就潜在的临床应用而言，大多数LIPUS的分化研究都是联合特定的分化条件诱导MSC进行的，如刺激在特定诱导培养基中培养的MSC，LIPUS可增强成骨、软骨和脂肪标志物的表达，也可增强肝脏、神经谱系和星形胶质细胞的表达。研究表明，一旦MSC走向特定的命运，通过使用特定的培养基，LIPUS可以增强MSC向该谱系分化。有趣的是，软组织和典型的非增殖或低增殖组织（如心脏和神经组织）中的细胞也对LIPUS有反应。例如，通过模拟5-氮杂环肽（心脏分化诱导因子）的诱导作用，LIPUS刺激还可触发心脏相关基因和蛋白的表达以及心脏系膜细胞双核细胞的产生，也可通过减少小鼠胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）的自发分化来改善心肌细胞的分化。此外，LIPUS还可通过诱导神经标记物和神经营养因子来促进MSC向神经元谱系的分化。
7．细胞凋亡
细胞凋亡是一种基因控制的细胞主动程序性死亡。当细胞凋亡发生时，细胞会表现出显著的形态变化，且不会引起任何炎症。这一过程对于生物体的正常发育和正常生理功能的维持具有重要意义，在疾病的发病机制中也起着至关重要的作用。近年来，随着超声或超声联合微泡在诊疗中的广泛应用，与细胞凋亡相关的研究也越来越多。为了在获得最佳治疗效果的同时减少组织损伤，大量研究人员对超声诱导细胞凋亡的机制和参数优化进行了深入研究。如有学者报道采用声强200mW/cm 2 、频率0.3MHz的低强度脉冲超声辐照可以抑制卵巢颗粒细胞凋亡。超声调控细胞凋亡，进而调控疾病的发生、发展，对超声的临床应用具有较强的理论和实践支撑作用。
超声波作用于生物体的组织器官，对其产生不同的影响，并与使用的超声频率、剂量、作用方式等有关。由于不同参数的超声波作用于不同生物体的不同组织反应不一，所以其作用机制也较复杂，有待进一步深入研究。现选择超声波对几种常见组织器官的反应作简要介绍。
1．皮肤
皮肤是超声波治疗时直接接触和首先作用的部位。皮肤对超声作用的反应直接影响到治疗的实施。适当的小剂量超声波作用于皮肤时，起柔和刺激作用，皮肤稍有温感，可引起皮肤毛囊根部和皮肤附属腺组织扩张，使分泌物增多，增强汗腺分泌，也可使血管扩张，代谢增强，促进真皮再生。较大剂量的超声波对皮肤的刺激作用增强，局部可有刺痛、温热感，皮肤血流、代谢、营养增强，超声作用后组织状态可以恢复正常。大剂量的超声波投射时，皮肤可感觉热、烫、疼痛，难以忍受。皮肤疼痛说明超声波剂量超过阈值，表现为皮肤肿胀、血管充血、组织渗出、水肿，有时可见皮肤红肿，局部出现浆液性水疱。因此，适当剂量的超声作用可以改善皮肤的营养、代谢，有助于创面的愈合、伤口的恢复、瘢痕的软化和病变皮肤的恢复。
2．神经系统
超声波作用于局部组织的周围神经、自主神经末梢，其代谢产物和理化作用产生的物质，尤其是乙酰胆碱、组胺等神经类递质，可以作用于远端靶器官，对机体产生效应，发挥解痉作用和扩张血管作用等。
（1）中枢神经
神经系统对超声波非常敏感，其中神经细胞的敏感性高于神经纤维，并远高于胶质细胞。可见以神经细胞为主的中枢神经的敏感性高于以神经纤维为主的周围神经。超声波对中枢神经的作用因作用部位不同，反应各异。脑组织对超声波非常敏感，脑灰质较脑白质更易受到超声波的影响。如果直接将超声波投射到脑组织，仅需0.1W/cm 2 ，就可造成不可逆的形态学变化。除强度因素外，超声频率对脑组织的作用也应加以重视。频率为0.1MHz的超声波易穿透脑组织，在脑组织中传播比较均匀，能量吸收不大，对脑组织损害也轻。频率为1MHz的超声波在相似条件下，更易引起脑组织的损伤。当然，增大低频率的超声剂量，其空化作用仍易导致脑组织坏死。因此，对颅部治疗时应严格控制剂量，并且绝对不可以用固定法。对脊髓的超声治疗也同样遵守剂量控制原则。目前超声已被临床用于治疗脑肿瘤、帕金森病等中枢神经系统疾病，此外，阿尔兹海默症、抑郁症等均在进行临床前研究。
（2）周围神经
1929年，Harvey发表了一系列观察报告，描述超声可以通过改变离子通道的活性来刺激周围神经。治疗剂量的超声能引起周围神经兴奋性和传导速度等方面的可逆性变化，表现为感觉神经的传导速度加快，还可提高神经痛阈，因此对周围神经疾患，如神经炎、神经痛等，可产生明显的镇痛效果。大剂量超声作用于末梢神经可引起血管麻痹、组织细胞缺氧，以致发生神经坏死。大剂量超声直接作用于动物神经干，可造成神经纤维的损伤，使其功能和组织形态呈现不可逆变化。其对脊髓的损害也是显著的，前角细胞较后角细胞更为敏感。
超声对周围神经的作用可概括为：在适当剂量内，神经兴奋性和传导速度体现为功能上的可逆变化；超过一定的剂量则会产生损害，导致功能上和形态学上的不可逆变化。
（3）自主神经
超声波作用于神经末梢感受器，产生神经冲动，引起各级神经反射活动，特别是其对自主神经系统的影响关系到人的生长、代谢、循环、呼吸、体温调节、激素反应及应激能力等重要的生理功能。神经反射作用在超声理疗中有重要价值。超声波对自主神经有明显的作用，临床应用超声波刺激交感神经治疗雷诺氏病等肢体血管疾病已很普遍。治疗剂量的超声波作用于腹交感神经节，可使下肢远端的血循环加快，皮肤温度增高。作用于星状神经节10min后，可见手指皮温上升3℃，表明超声波对自主神经的直接作用。另有报道，超声波作用在胸椎旁交感神经链部位后，通过自主神经反射作用可治疗支气管哮喘、胃及十二指肠溃疡等病。
3．心脏、血管
心血管对超声波的反应根据使用剂量的不同，差别甚大。
（1）心脏
大剂量的超声波投射可引起心脏功能与组织形态发生不可逆变化。房室束对超声波最为敏感，超声波可通过支配心脏的神经和冠状动脉影响心脏。超声作用下最先出现的是心搏节律变化，可发生心跳减慢，继而出现心律紊乱，最后导致心跳停止。大剂量超声波还可引起心脏的组织形态学改变：心包膜下出血、心肌组织点状坏死、肉芽组织增生、瘢痕形成。固定法、较大剂量超声波可致心脏缺血性坏死，使心肌纤维萎缩、变性、组织空泡化。使用小剂量超声波无明显组织学改变，表现为心脏毛细血管扩张、充血，间质细胞增多。一般认为治疗剂量的超声波对心电图无影响，适当剂量的超声波可改善心脏冠状动脉循环，有扩张冠状动脉及解除血管痉挛的作用。但也有实验显示，超声波对心脏的直接作用是引起冠状动脉血流量减少，可能有神经体液作用的参与，因此需要综合考虑，并进一步研究。
（2）血管
超声波治疗血管疾病时，必须严格掌握操作规程，控制治疗剂量，同时应注意患者的个体差异。治疗剂量的超声波对血管无损害作用，通常可见血管扩张，血液循环加速。在低强度超声波的作用下，血管以舒张神经反应为主，因此引起周围血管的反应性扩张；在较大剂量的超声波作用下，血管的收缩神经反应占优势，故引起血管收缩；大剂量的超声波作用时，可使血管运动神经麻痹，从而造成血液在血管中流动减慢或停滞。用大剂量超声波作用时，还可直接引起血管内皮肿胀，血液循环障碍，甚至发生血管破裂。
超声波具有溶栓作用已由多方证实。超声溶解血栓的治疗方法可分体外溶栓与血管内溶栓两种。后者需要精密的超声器械与复杂的技术，须由专业人员进行操作。
4．血液
超声波作用后，血液中淋巴细胞减少，嗜酸性粒细胞减少，血小板数目不变，但血小板迅速被溶解，可加速血液凝固，缩短出血时间，使血液黏性增加，血沉加快。超声波作用下的肢体，血液呈红褐色，有溶血现象。未被超声波投射的肢体，血液呈鲜红色，未见溶血。低频超声波溶血作用较高频超声波溶血作用更强。
超声波对血液生化方面也有较大影响，可引起血液中抗坏血酸氧化增强，血液pH增加（碱性化），血糖、尿酸、乳酸、胆固醇减少，钾离子浓度增加，血浆白蛋白减少，球蛋白和其他蛋白成分也有改变。超声波的降脂作用近年来也备受重视，可能是超声波促进了血脂的氧化与人体的排泄。
5．肌肉、结缔组织
超声波作用下的肌肉结缔组织的变化与超声剂量有直接关系。横纹肌对超声波异常敏感，治疗剂量的超声波可降低挛缩肌肉的张力，使肌纤维松弛而解除痉挛。在大剂量超声波作用下，肌肉失去弹性，肌纤维变硬，颜色转向灰白，似煮熟后的改变。显微镜下肌肉组织有空泡，纤维变碎，细胞核浓缩，细胞缺乏染色体，有时细胞核变长。对于有组织缺损的伤口，超声波可刺激伤口，使结缔组织增生、肉芽生长，还可促进肌腱—骨结合部愈合。当结缔组织过度增生时，超声波又有软化消散的作用，特别是对于凝缩的纤维结缔组织作用尤为显著。因此超声对瘢痕及增生性骨关节病可起到治疗作用。
6．骨骼
骨骼对超声能量的吸收能力很强，其吸收系数因超声频率的增加而增加，频率愈高吸收愈多。在超声波的作用下，骨、软骨、骨膜、骨内膜、软骨膜、骨髓等各层结构，因界面反射而产生局部高温，当剂量过大时可引起骨膜疼痛。治疗剂量的超声波不影响骨痂生长，小剂量（连续式0.1～0.4W/cm 2 ，脉冲式0.4～1W/cm 2 ）、多次作用可刺激骨痂生长，促进骨折愈合。大剂量（1～2W/cm 2 ）作用则使骨愈合迟缓；若作用于未骨化的骨骼，可阻碍骨生长，致骨发育不全，青少年期尤为敏感，故幼儿骨骺部位禁用超声波治疗。
低剂量的超声波可以促进骨髓内血细胞的增殖、分化，改善化疗后的骨髓抑制状态；大剂量的超声波对骨髓有破坏作用，可发生细胞破溃死亡，甚至无法分清骨髓的结构。
7．消化系统
超声波对胃肠系统的作用表现为使胃酸分泌增加，胃肠蠕动增强。临床上用于理疗的超声波均经腹壁作用于胃肠，不会产生上述有害结果。大剂量的超声波直接作用于胃肠壁，可致血液循环紊乱、瘀血、水肿、血管扩张，血管壁细胞肿胀、变脆，有局部出血。更大剂量的超声波投射，可引起胃肠溃疡，甚至胃肠壁坏死、穿孔。禁用大剂量的超声波作用于胃肠道。
肝在大剂量的超声波作用下也呈损害性反应，表现为肝被膜下明显充血，被膜松软，肝组织呈暗红色，如同肝被加热后表现。用4W/cm 2 的超声波投射肝5min，可见肝细胞变化，散失糖原储存能力，40min后肝细胞死亡，肝巨噬细胞同样死亡。
8．内分泌系统
超声波对内分泌系统的影响非常复杂，中枢神经系统与自主神经系统在其中均起着重要作用。超声波作用于内分泌器官，能直接影响内分泌功能。大剂量的超声波作用于脑垂体部位，可使动物发育生长衰退，毛发脱落。总之，超过一定剂量的超声波不仅使内分泌器官的功能受到影响，也会造成组织学上不可逆转的损害。
9．泌尿系统
肾组织各部分对超声波具有不同的敏感性。肾皮质近曲小管最为敏感，髓襻升支、远曲小管次之，髓襻降支再次之，髓质的集合管和细尿管的结缔组织基底膜最不敏感。小剂量的超声波直接作用于肾，有促进肾组织细胞再生的作用，用治疗剂量的超声波作用于肾区，有扩张肾血管、促进肾血液循环的作用。大剂量的超声波可使肾细胞变性、坏死，毛细血管和小静脉充血、出血，甚至引起严重的肾功能不全。
10．生殖系统
超声波对生殖系统的器官功能和组织形态的影响，取决于该器官实际接受的超声波剂量（强度和时间）。理疗应用的超声波剂量可以说是完全无害的。
（1）女性生殖器官
小剂量的超声波可刺激卵巢功能，促进滤泡形成。已有研究证实，小剂量的超声波可以改善早发性卵巢功能不全，促进卵巢的结构和功能恢复，也可治疗盆腔炎，使患者的疼痛迅速缓解，还能防止炎性渗出物机化，促进输卵管通畅，减少粘连，软化瘢痕，亦可用于治疗由于上述原因引起的不孕症。大剂量的超声波投射可致女性生殖器官破坏性损伤，还可造成流产、畸胎或死胎，故孕妇慎用超声治疗。
（2）男性生殖器官
超声波对男性生殖器官的影响，也取决于该器官实际接受的超声波剂量。小剂量的超声波可增加精子活性，使移行精子的数目增加，有利于增强受孕率。大剂量的超声波则可引起男性生殖器官破坏性损害，导致不育。
（王嫣）