超声波的物理特性及医学应用

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　　摘  要 超声波的物理特性包括超声波的传播特性和超声波的物理效应。分析超声波的传播特性，阐述超声波的物理效应，定量讨论超声波为最基本简谐波的情况下在液体中传播的声压幅值、振幅、振动加速度幅值，举例分析超声波在医学上的应用。
　　关键词 超声波;物理;医用超声成像;热效应;机械效应;空化效应;医学类应用型高校
　　中图分类号：G642    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）02-0026-03
　　1 前言
　　在医学类应用型高校的物理课程教学过程中，应强化传授物理学理论的实际应用知识。如通过讲解振动与波动的物理学理论，进一步深入细致讲解超声波的物理特性及医学应用，能使学生提高理论联系实际的能力，提高物理学知识的应用能力，提高分析专业问题的能力，并切实感受物理学基本理论的重要性，从而激发学习物理知识的兴趣。超声波的物理特性主要分为两大方面：其一是超声波的传播特性，其二是超声波的物理效应。前者主要为医生提供可靠的诊断依据，后者主要为医生提供有效的治疗手段。
　　2 超声波的传播特性及医学应用
　　超声波是机械波，是机械振动在介质中的传播，其频率很高，在20 kHz以上，人耳听不到，但有些动物能听到低频段的超声，如蝙蝠、海豚等。以下是超声波的传播特性。
　　1）方向性好。超声波的频率很高，波长等于波速除以频率，即超声波的波长很短，使得它能像光波一样直线传播，呈现出很好的方向性。集束超声波传播到達某物体时，被该物体反射，根据反射波滞后时间，可进行精准探测定位。
　　2）功率大。超声波的传播过程也是能量的传播过程，根据物理学波动理论，超声波的功率是指单位时间内传递的能量，它与频率的平方成正比。超声波由于频率很高，因此功率也很大，即单位时间内传递的能量很大。
　　3）穿透能力强。超声波在传播过程中的强度衰减程度与介质声阻抗Z呈负相关，Z是描述声波传播介质力学特征的重要物理量，其大小等于介质密度ρ乘以声波传播速度c[1]，即Z=ρc。人体正常组织有一定的密度ρ，超声波在其间传播有一定的波速c，因此，人体正常组织有各自的声阻抗Z。如正常肝脏，Z=1.648×106 kg·m-2·s-1，正常颅骨Z=5.571×106 kg·m-2·s-1，而22 ℃空气的声阻抗要小很多，Z=4.07×102 kg·m-2·s-1。从声阻抗大小可分析出，同一超声波在液体与固体中的强度衰减程度要比在气体中小很多，也即超声波在液体和固体中呈现很强的穿透能力。当超声波在人体组织中传播时，穿透能力的异常变化反映出人体组织密度的异常变化，这是医学超声诊断的重要理论基础。
　　4）反射显著。当波传播过程中遇到的物体几何尺寸比波长大数倍时，波在物体表面会发生显著反射。由于超声波的波长短，使得超声波传播过程中遇到较小物体就会有显著反射，这是超声波进入人体后能获得显著反射波信号的原因。此外，反射波特性的变化可判断人体组织病变情况，如是否有囊肿、结节等。
　　医用超声成像的原理就是利用了以上超声波的传播特性：由于方向性好，超声波检测时能对人体组织或病灶部位进行精准定位;超声波功率大和穿透能力强，使得超声波虽不断遇界面而反射，但仍然能深入人体组织和器官内部，而穿透能力发生异常变化，是判断人体组织是否异常的重要依据;超声波传播到人体组织和各类器官的反射回波，其特征受组织和器官的声阻抗影响，利用计算机图像处理技术，反射回波中所携带的有关人体组织和器官的声回波信号用灰阶图像显示出来，展现在屏幕上，为医生提供可靠的疾病诊断依据。
　　3 超声波的物理效应及医学应用
　　超声波的热效应、机械效应和空化效应统称为超声波的物理效应，这是在超声波传播过程中与介质发生作用而产生的。超声波在生物组织中传播所产生的物理效应，其形成机制较为复杂，这里仅作简单介绍，并举例分析医学应用。
　　热效应  超声波传播时，高频机械振动会沿着传播路径传递给介质分子，使介质分子也发生高频振动，从而产生热量，也即机械能转化为热能，这就是热效应的形成过程。超声波在人体组织中传播时，当热效应引起的温度上升到一定程度，将导致生物物质发生变化。超声波对人体的作用不会累积，其能量也不足以引起生物物质的电离损伤。也就是说超声波对人体很安全，这点与X射线相比有很大不同。
　　超声药物透入疗法就是利用热效应。将透入的药物加入相应的耦合剂，搅拌均匀，涂抹在治疗部位，再用超声波照射，在超声波的热效应作用下，能改变细胞膜的通透性，使药物更有效地通过皮肤或黏膜进入机体。热效应还能使局部血管扩张，血液循环加快，组织新陈代谢改善。超声药物透入不会改变药物原有性能，无电刺激，无灼伤，操作简单，可应用于治疗神经炎、坐骨神经痛、关节、肌肉及软组织损伤等疾病;不足之处是作用面积受限，仅适合局部定位治疗，而不适合药物的经皮吸收全身治疗。
　　机械效应  高频超声波通过介质时，使介质分子发生剧烈振动的过程中除了使介质温度升高，还施加给介质分子巨大的瞬时加速度，产生巨大的剪切力，从而改变物质的结构，这就是超声波的机械效应。这种强度适当的机械效应作用于人体细胞时，会对细胞进行轻微按摩，增强细胞的代谢功能和活力;而当超声波机械效应足够强而产生足够大的剪切力时，细胞和细胞器将被粉碎。
　　根据物理学的振动与波动理论，在最基本的简谐波情况下，频率为f，振幅为A的超声波在密度为ρ的液体中传播时，若传播速度为c，则声强为。其中ω=2πf为超声波的角频率。超声波传播到达某点的声压幅值通过公式pm=ρcAω计算[2]，可推出。
　　如频率f=560 kHz，声强I=1.2×105 W·m-2的超声波在水中的传播速度c=1.48×103 m·s-1，可计算得到超声波到达某点的声压幅值pm为5.9标准大气压，质点振动的振幅通过计算得1.1×10-7 m，质点振动加速度幅值通过Aω2计算得1.4×106 m·s-2。 　　可见，该超声波在水中传播时，声压在-5.9～+5.9标准大气压范围内变化，虽然介质质点的振幅非常微小，但其瞬时加速度最大可达1.4×106 m·s-2，是重力加速度的10万倍。当传播介质是固体时，这种力学作用同样发生，这也是机械效应使得固体介质产生巨大剪切力的原因。
　　利用超声波的机械效应可击碎人体内各种结石，如肾结石、输尿管结石、膀胱结石等。超声击石疗法已很普遍而成熟，可实现无创治疗或微创治疗，增强治疗效果，减少患者痛苦。医用超声雾化器利用超声声头的机械振动，将药物击碎成微粒并与空气混合为“药雾”，可得到直径五微米以下的细微均匀雾状药滴，使药物很容易被吸入咽、喉、肺泡中，由于药物直接作用于患处，因而有快速而显著的疗效，尤其适合老年和婴儿的慢性支气管炎、肺炎等疾病的治疗。
　　空化效应  高频超声波在液体中传播时，声压发生高频率、大范围的剧烈变化，引起液体密度在小空间内大幅度变化。如上分析，声压在正、负数个标准大气压范围内变化，使液体的稠密和稀疏区域也随之受数个大气压的压力和拉力，稠密区域液体能承受巨大压力，但稀疏区域液体因无法承受巨大拉力而断裂，产生近乎真空的小空穴（即小气泡）;而经过半个周期后，稀疏区域变成压缩阶段时，这些小空穴就会发生破裂，小空穴内部产生巨大压强和高温，并有放电现象，甚至能使化学反应加剧，空化效应由此而产生[3]。
　　精密及管腔类医疗器械的清洗消毒无法用普通方法，若是普通高温消毒，会降低器械中塑胶部分的使用寿命，而且管腔内嵌塞的医疗杂物很难清洗。利用超声清洗就可解决这个问题，其原理就利用了空化效应。用超声波清洗时，待清洗器械浸入专用液体，小空穴发生破裂而产生巨大冲击波，使黏附在待清洗器械的不溶性污物脱落、破坏和分散，达到清洗表面、缝隙、内孔、细管窄腔的目的。
　　事实上，当超声波在人体中传播时，热效应、机械效应及空化效应往往同时存在并叠加。如在超声美容减肥疗法中，适当强度的超声波照射人体皮肤时，机械效应作用于人体细胞，会对细胞进行轻微按摩，与热效应叠加，使细胞新陈代谢功能提高，也能改善皮肤毛细血管的血液循环，使皮肤健康状况改善而变得光洁;而超声减肥是利用机械效应和空化效应，使局部脂肪碎化成液体状，从小切口流出或吸出。
　　在超声口腔疗法中，利用高频率、高功率超声波的机械效应和空化效应，可制成超声骨刀，用于颌面外科手术，虽然其切割效率低于传统旋转器械，但可降低传统手术的并发症[4];可制成超声根管器械，用于根管预备和根管冲洗，与传统的根管扩大针或根管扩大锉相比，极大提高了根管预备效率及根管冲洗质量，从而增强根管治疗效果;可制成超声洁牙机，省时省力效果好，并能降低病人洁牙過程中的酸痛不适感。
　　值得一提的是，超声波的这些物理效应也会对人体产生不良效果，如强度过大的超声波照射人体时，会破坏细胞的力学结构，使胎儿脑部受损。超声波对生物组织的作用机制尚在不断认识过程中，随着认识的不断深入，超声治疗技术必将得到进一步的完善与发展。
　　4 结语
　　利用超声波的传播特性，可制成各种医学影像设备，为医生提供可靠的诊断依据;利用超声波的热效应、机械效应和空化效应，可制成各种医学超声器械，为医生提供有效的治疗手段。随着对超声波物理特性的不断研究，超声诊断技术和超声治疗技术将不断完善，将在实际临床应用中发挥更广泛而重要的作用。
　　医学类应用型高校的物理教师应加强物理理论在医学领域应用知识的学习，应多关注医疗新技术，努力把物理知识与医学专业知识相对接;在教学手段上，可用简易医学设备和器械作为课堂演示仪器，导入物理知识的学习。如在教学超声波知识时，可用“简易超声波医用雾化器”“携带式超声波清洗机”等作为教学演示仪器，将有效提高教学质量。
　　参考文献
　　[1]洪洋.医用物理学[M].北京：高等教育出版社，2014：70-71.
　　[2]缪毅强，姚鸣放.医用物理学[M].上海：上海交通大学出版社，2004：44-45.
　　[3]刘金河，林书玉.超声空化效应的新应用[J].声学技术，2017，36（4）：181-184.
　　[4]侯永福，朱智敏.超声在口腔医学的应用及研究进展[J].广东牙病防治，2014，22（12）：661-663.
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