第二节
超声治疗的物理机制

一定剂量的超声波辐照可以导致生物体系不同结构层次发生各式各样的生物学效应，基于各种不同的生物学效应具有不同的适应证，其中任何一种生物学效应都是超声波与被其辐照的生物体系之间相互作用的结果。

目前的研究表明，超声与生物组织的作用主要基于热、空化、机械三种物理机制。首先是热机制。超声波在生物媒质中传播时，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使其自身温度升高。如用其他加热办法获得同样温升并同时重现同样的生物学效应，那么我们就完全有理由认为产生该生物效应的原因是热机制。其次是空化机制。在另外一些情况下，超声生物学效应产生的原因可能与超声空化机制有关。这里，超声空化是指在超声波的作用下，液态生物媒质中微小气泡被激活和相继发生的一系列动力学过程。若生物学效应产生的原因是来自超声空化过程，便可以检测到与空化伴随发生的诸多物理化学现象，如化学反应、自由基形成、冲击波、次谐波等。最后是机械机制。声场是传声媒质中机械振动传播的空间。为描述这种机械振动，有若干力学量可供选择，如质点振动位移、速度、加速度、声压等。在某些情况下，当超声生物学效应的发生是直接与一个或多个这样的力学量有关时，便把产生这种生物学效应的原因归结为力学机制（或机械机制）。

（一）热机制

如前所述，超声在人体组织中传播会发生衰减，而衰减的一部分能量则来源于超声在与组织相互作用的过程中组织对声能量的吸收转换为热沉积，其结果是组织的自身温度升高。

若声强为I（W/cm ² ）的平面行波超声束在声吸收系数为α _a （Np/cm）的媒质中传播，则在单位媒质体积t时间内所产生的热能Q可表示为：

Q=2α _a It　　　　　　（2-12）

当超声换能器通过耦合剂向人体辐照超声波时，由于人体组织有较高的超声衰减系数，则可近似地看成是行波而满足上式条件。从已获得的有关超声吸收的数据出发，可以认为动物软组织的超声吸收系数α _a 与超声频率f（单位取MHz）满足经验关系式：

α _a =0.026f ^1.1 （Np/cm）　　　　　　（2-13）

如设软组织的质量密度为1g/cm ³ ，其比热容与水相同，即c _m =4.14J/（g·°C），且吸收声能所转变的热能又不散失，那么经超声波辐照时间t之后，软组织的升温应为：

即可得到被超声辐照的组织的温升。

由此可见，超声辐照引起的组织升温是显著的。在超声理疗中，为防止人体组织内局部升温过高，需不时调整探头的辐照位置。已知骨骼的超声吸收要比软组织高出几十倍，因此当超声用于辐照骨骼时，其致热效应尤为显著，对此应特别注意。此外，当用较强的超声波辐照人体时，由于组织的非线性特性，导致声波的非线性畸变，产生高次谐波成分，从而使超声吸收增大，这种附加的温升贡献常常也是不可忽视的。

（二）空化机制

当声波在组织中传播时，如果超声的负压峰值幅度足以使溶解的气体从溶液中析出，会形成声空化；与此同时，如果组织中的温度上升超过一定阈值，当流体中的气压等于稳态压力时，由于热介导作用会形成气穴但不需要达到沸点，即发生沸腾空化。根据作用声波的强弱和气泡的动力学行为，一般可将声空化分为稳态（非惯性）空化与瞬态（惯性）空化。

1．稳态（非惯性）空化

当液体媒质内的声场中存在适当大小的气泡时（气泡太大会漂浮到液面而逸去；反之，气泡太小会因表面张力过大而溶解在液体中），它会在声波的交变声压作用下进入振动（即体脉动）状态。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，使脉动的幅度达到极大。气泡的这种动力学表现称之为稳态空化。

当液体中含有半径为R ₀ 的空化核时，其空化阈值P _B 为：

其中，P ₀ 为液体中的静压强，P _V 为气泡内的蒸气压，σ为表面张力系数。P _B 也称为Blake阈值压强，也即对于半径为R ₀ 的空化核，其发生空化的声压阈值为P _B 。

稳态空化发生的阈值较小，在生物组织的各个空间尺度都具有重要作用。这种稳态空化现象，对于在水中平面行波的情况下，在声强为0.3W/cm ² 的超声波作用下，即可发生。不久前Miller等人做了如下实验：把气泡引入红细胞悬浮液，随后用2MHz的超声波对其进行辐照，结果在I=6mW/cm ² 时，就发现有ATP从红细胞内释放出来，表明发生了细胞层面的空化效应。

2．瞬态（惯性）空化

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，随后气泡又在声波正半周期内被压缩以致崩溃，这一过程称为瞬态空化（图2-4）。当气泡被压缩至崩溃前的短暂时间内（可能为1ns以下），气泡内的温度可高达数千度，压强可高达几百个大气压。气泡内的水蒸气在这种极端物理条件下可以裂解为H·和OH·，它们因具有高度化学活性而迅速与其他组分相互作用而发生化学反应。这正是20世纪80年代中期崛起的声化学理论的物理基础。

此外，瞬态空化发生时还常常伴有声致发光、冲击波及高速射流等现象发生，因此位于空化泡附近的细胞等生物体将会受到严重损伤。

超声所致生物组织中的声空化在实验研究和临床治疗上均具有重要作用：①空化发生时在频谱上会表现出丰富的声信息，例如谐波（nf ₀ ）、次谐波（f ₀ /n）及宽带噪声。对于同一种组织，频率越高吸收的声能量越高，谐波及次谐波的产生可以实现更多的热沉积，从而起到增强热效应的作用。②治疗过程中需要避免空化的产生。因为气体的声阻抗远低于周围组织，使得空化区域与正常组织界面的声反射系数增大而导致声波发生散射。特别是沸腾气泡产生后，会导致损伤扭曲变形（例如，由“雪茄”状变为“蝌蚪”状），与气泡屏蔽相联系的损伤向换能器方向移动，在B超声像图上则出现极大的回声增强（形成亮斑）。

（三）机械机制

机械机制是超声作用于生物组织的基本物理机制。超声的本质是高频振动。超声在组织中传播时，组织的高频振动会引起相应的生物学效应。例如，当超声波辐照低浓度细胞悬浮液或生物大分子溶液时，或者是使用较低的超声频率时，由于超声吸收系数很小，产生的热量与温升均近于可以忽略的程度。这时人们自然会想到，与声场相联系的某些力学参量可能是导致这些生物学效应产生的原因。与声场有关的力学参量有质点振动位移、速度及加速度以及声压等，这些力学参量都可能与生物学效应有关系。更不可忽视的还有，当辐照声强较高时，声场中的所谓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，可对产生生物学效应做出附加贡献。这些非线性现象包括辐射压力及辐射扭力等，它们可使悬浮的粒子（如血液中的红细胞及卵细胞中的细胞核等）产生平动及旋转。此外还有声流及微声流，它表现为传声媒质中一种粒子流（微声流是发生在微米范围内的粒子流）。例如，目前已完成了用金属丝振动作为超声发射源，对若干生物悬浮液中的微声流作用进行研究，观察到一系列有趣的生物学效应，如细胞溶解、细胞功能改变、DNA大分子降解及酶变性等，说明这些生物学效应主要是由微声流导致粘滞应力引起的。

（李发琪、李成海） tuY3g/InzwkJBcGjZXcl2jkkDJ2qpbEfj53SBVoyBGPCY2k3J0+Wl8qK1oete6na