超声的生物效应.pptx

超声生物效应一、超声特征1.声压、振幅、加速度例题：设水中有频率为500KHz超声源，水中某点声强为105Wm-2,试求声压、振幅、加速度。已知u=1500m/s,=1000kg/m3解：超声波声压中等，振幅极小，加速度极大。超声的生物效应第1页2、辐射压当超声射到任何界面或媒质时，只要沿声传输方向有声强减弱，就有压强作用于界面，叫辐射压。不一样于交变声压，是单向，即沿传输方向：P=I/u上例P=66Pa这压强能使水喷出水面6.7mm，这是辐射压引发骚动效应。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、特征方向性好：近似直线传输，可得到定向而集中超声波束穿透本事大：易穿透水、脂肪和软组织；不易穿透骨骼和肺组织产生显著反射：钢体中气泡，人体组织中病变，是超声诊疗基础超声的生物效应第2页二、超声波生物效应1、生物大分子超声对水溶液中大分子尤其是DNA作用很显著，其效应主要是造成降解。0.254MHz、1W/cm2超声能使DNA双螺旋断裂，平均分子量从107降到2.5105。原因可能是因为超声引发液体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基础），引发细胞膜损伤，电泳迁移率下降，反应了细胞膜表面净电荷降低，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：溶血作用超声的生物效应第3页3、生物组织生物组织对超声有相对高吸收系数和低热传导系数，所以温度上升成为主要问题。使其功效改变，是超声理疗基础。医学上经过对超声波聚焦，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）对血流和血管作用：用频率1MHz、强度小于0.5W/cm2超声照射小血管，可使血流阻断；以较弱超声照射血管，可引发扩张，以强超声照射，则引发血管收缩，用超声直接照射颈部迷走神经，可看到显著降压作用。（2）对恶性肿瘤作用：因吸收热引发局部温度升高，可用来人工加热治疗肿瘤。试验表明，高强度聚焦超声可破坏神经胶质瘤和抑制肿瘤生长，比如，用峰值聚焦强度达1000 W/cm2连续时间2秒超声照射，表明可抑制移植到小鼠神经胶质瘤生长，并注意到超声照射增强了鼠免疫活性。超声的生物效应第4页（3）对组织再生作用：用兔耳试验性损伤作试验，利用频率3.6MHz、强度0.5W/cm2、脉冲时间2ms超声波，隔日进行5分钟照射，可使损伤修复率达30%。4、动物整体 最早发觉超声破坏效应是，置于超声束中小动物死亡以及悬浮液中单细胞机体或微生物破坏。不一样机体对超声敏感不一样，面且有些 效应是可逆。普通认为低强度超声，对人体不会引发有害效应。至于在高强度超声作用下出现疲劳、头痛、恶心和呕吐，则可能不是超声引发，而是伴发噪声作用结果。超声诊疗时是否有危险与强度和时间相关，有些人认为：每个月受超声作用3次，一年30次，无危险，强度小于40W/cm2，不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总作用时间不应超出5.5小时，因为安全限无定论，只有必要时，才进行超声诊疗。超声的生物效应第5页三、超声生物作用机制能够引发生物效应 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输时，将会有一部分能量被 介质吸收而转化为热量，引发介质温度升高，称为热效应或热作用。产生热量大小决定于介质吸收系数，以及超声波强度和辅照时间。在生物组织中，在部分损耗掉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一个热源受到重视。2、机械作用 （1）辐射压强：当超声入射到两种介质界面时，除反射和透射外，在界面处还产生一个稳定沿传输方向静压强，称为辐射压强。超声的生物效应第6页辐射压强对生物体产生两种生物效应：(a)骚动效应。当强声束经过液体时，可看到很强骚动效应，如水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一样加速度运动，从而使小分子和大分子之间发生强烈摩擦，其力量之大可能造成碳键断裂而使大分子降解。（2）超声压强出现交替正压和负压，对中等频率超声，这种压差可达数百Kpa压强差。有些人用这种压强差来解释超声对细胞分解作用和胞内胞质发生流动作用。3、化学作用增加化学反应速度，促进氧化、分解。尤其是对胶体系统化学键和范德瓦尔斯型分子键有显著作用。影响超声化学作用原因有频率、强度、连续时间和温度。二级作用，首先是引发组织内空化、电现象、升温、压强改变等效应，它们都能够继而引发化学反应。超声的生物效应第7页4、空化作用高频超声波经过液体时，液体中产生疏密改变，稠区受压，稀区受拉。在受拉时，因为液体承受拉力能力很差，尤其是在含有杂质和气泡处，液体将被拉断，形成空腔。紧接而来是正声压，使空腔在快速闭合瞬间，产生局部高压、高温和放电现象，称为空化作用。空化作用能够两种方式使生物结构发生改变：（1）在组织结构之间引发相对振荡运动，在周围液体中趋向于建立稳定冲击流，从而在局部产生很高速度梯度，足以破坏细胞膜系统和生物大分子。（2）因为猛烈振荡结果，气体在微气泡中被压缩时，使局部产生极高温度和压强突变，从而引发电离作用。空化作用惯用作清洗、雾化、乳化以及促进化学反应等方面。超声的生物效应第8页四、超声生物效应规律超声生物效应与频率、强度、作用时间相关，但尚无定论。1、频率几万赫超声，是空化引发，M赫级超声是热作用。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：不一样类型超声和不一样照射方式所产生生物效应并不相同，没有发觉超声生物效应累积效应。超声的生物效应第9页4、超声诊疗安全剂量对人体安全照射超声剂量随照射时间而变，也与超声频率和强度相关。同时也以不一样检验对象和部位而变。比如，检验胎儿安全剂量以控制在20mW/cm2和30分钟内，而检验成年人腹部器官等则可控制在40mW/cm2和60分钟内。超声的生物效应第10页五、超声波发射和接收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。各种超声诊疗议超声发射以及回声接收均由超声换能器完成。2、发射电路惯用脉冲发声电路是产生短时间脉冲电压去激励换能器，从而发射一个短时间超声脉冲，灵敏度和分辨率。超声的生物效应第11页3、接收放大电路超声在人体内回波信号普通很弱，需要进行必要放大才能观察和分析，所以，接收放大器性能好坏直接影响诊疗仪许多功效，如灵敏度，分辨率，盲区，动态范围等。4、超声接收和显示超声进入人体后，碰到体内脏器声阻抗不一样界面即产生发射，接收器接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自动化。超声的生物效应第12页六、超声诊疗仪介绍超声波扫描仪 （用超声波探测人体内部情况）原理：超声波在人体内碰到密度不一样组织界面时产生反射波回波。脏器发生形变或有异物时，因为形状、位置和声阻抗改变，回波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荧光屏上。1、A型超声诊疗仪：型超声诊疗仪：（幅度调制型）超声的生物效应第13页原理它接收到回波信号经放大处理后加于示波管（或显像管）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），就能够把始波和各界面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界面种类信息，各回波脉冲与是始波时间间隔提供了各个反射面深度信息。（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。）应用它由回波显示位置和形态来判断人体组织内部组织位置和病变。特点：价格低，使用方便，声图直观性差，不能给出图像显示。超声的生物效应第14页2、B型超声诊疗仪它能得到人体内部脏器和病变二维断层图像，而且能对运动脏器进行实时动态观察。与A超不一样之处：辉度调制，显示断层声像。超声的生物效应第15页(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)控制栅极，利用脉冲回声信号改变阴栅极之间电位差，从而改变辉度。回声信号越强，荧光屏上光点越亮。所以，这是一个辉度调制型。将深度扫描时基电压加于垂直偏转板上，回声信号变成明暗不一样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：经过机械装置与电子学方法使深度扫描线与探头同时移动时，能够得到人体组织内二维超声断层图像(又称声像图)。线性点阵扫描和扇形扫描B超成像原理超声的生物效应第16页新 代B超加入了微处理机，含有DSP系统（数字、扫描、信息处理系统）功效，这些功效包含：产生相控阵所需相控信号及扫描同时信号等；对图像进行冻结、慢扫描、黑白翻转等各种显示；采取内插技术使图像清楚；同时显示多幅图像；产生各种形式TGC（时间增益赔偿）信号；显示必要文字等符号；进行长度、深度、周长、面积、体积、频率、周期、速度、心输出量以至胎龄计算和显示等，使B超功通能得到大大扩展，诊疗质量有很大提升。B超应用：超声断层显像能取得人体内部脏器和病变断层图，而且被扫查断层能够方便地移动和改变，当前成为应用最普遍、最有效医学诊疗技术之一。主要用于腹腔和胸腔内脏检验，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，如检验心脏、胎儿活动等。另外，也可用于脑部肿物及眼科检验。超声的生物效应第17页3、M超：超：水平轴代表时间，竖直轴代表深度。若水平轴代表时间，竖直轴代表深度。若所探查处内部组织界面运动，深度随时间改变，则所探查处内部组织界面运动，深度随时间改变，则得深度得深度时间曲线。时间曲线。超声的生物效应第18页 许多断层显像仪中，采取数字扫描转换器，扫描切面中各点脉冲回波信号经模数转换器变为象素值，建立起数字图像，送入数字存放器中储存。存放器中数字信号经处理器进行各种处理和分析，最终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依据需要选择像素值范围，并把它转换到全灰度标进行显示，以控制图像对比度。采取数字扫描转换器后，断层显像仪功效大大增强。超声的生物效应第19页4、超声波多普勒血流仪、超声波多普勒血流仪设：设：探头发射频率，探头发射频率，红细胞接收频率红细胞接收频率，探头探头接收频率，接收频率，v:血流速度血流速度,u：超声波在血液中传输速超声波在血液中传输速度度,:u、v方向间夹角，方向间夹角，多普勒频移。多普勒频移。超声的生物效应第20页例：用多普勒效应来测量心脏壁运动时，以5MHz超声波直射心脏壁(即入射角为0度），测出接收与发出波频差为500Hz。已知声波在软组织中速度为1 500m/s，求此时心壁运动速度。解：多普勒与B超相结合，在B超上一边设置多普勒取样，一边输出血流信息，所以可得到正确有血液流速采样位置。超声的生物效应第21页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：方向复杂多变湍流 血流速度大，颜色鲜亮这种彩色血流信号显示在对应二维黑白图像像液性暗区内，即能观察解部位，腔室形状大小，又可观察血流活动状态。超声的生物效应第22页多普勒诊疗仪在医学上应用 因为超声多普勒方法对运动目标含有独特灵敏度，故用来检验生物和人体内部运动器官和组织情况，尤其受 到重视。（1）对心脏疾病诊疗 用脉冲多普勒技术能够测出心脏内各运动部分运动状态，速度和血流量，在医学临床上称为脉冲多普勒心动图，它能够诊疗以下疾病；冠心病，心律失常、主动脉瓣病变等。（2）对血管和血流测量 其最大优点是非侵入性。利用超声多普勒不但能够测出瞬时速度，而且可测得血流分布图，得到血管纵断面血流分布，对诊疗血栓、脉管炎有价值。同时对眼底动脉测量可很快判别血管硬化程度。（3）妇科方面应用 主要用于对胎儿胎心及胎盘定位检验。超声的生物效应第23页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：一类是依据声阻抗差异得用反射不一样而取得CT图像。另一类是类似X射线CT原理，利用超声穿透性而取得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衰减量，显示人体横断面超声衰减分布超声CT。另一类是测定超声透过人体传输时间，显示人体横断面声速分布超声CT。超声的生物效应第24页