8 超声波的生物效应和安全性

8.1 超声生物效应

热效应

• 超声温热疗法：热效应，正常细胞不受较低高温的影响，但是肿瘤组织散热困难，积热死亡

  温度控制精度高，42℃左右

• HIFU：聚焦组织急剧升温（0.5s，60℃以上），急性热坏死

机械效应

• 振动与压力：声强低，对细胞轻微的按摩；声强高，可以碎结石

超声空化

• 指较强超声在液体中传播时引起的微小气泡产生、运动、破灭的现象

• 空化核：液体中的微小气泡
• 空化阈值：产生空化效应的临界负压

化学效应

• 引起生物体化学特性的变化：酶的活性，细胞代谢等；酒的纯化

触变效应

• 引起生物组织结合状态的改变，如血浆变稀等
• 声强低时可逆

弥散效应

• 提高半透膜渗透作用，使药物更易进入细胞内；药物透入疗法

8.2 超声热物理场计算

声强为\(I_0\)的超声透过长度为\(L\)的生物组织时产生了吸收
\[ \Delta I = I - I_0 = I_0(1-e^{-2\alpha L}) \]
当\(2\alpha L \ll1\)时，有

上面这个条件可以不要，因为计算的是单位体积即\(\Delta m = \Delta x A\rho\)，\(\Delta x\)也是声束经过的距离
\[ \Delta I =2\alpha L I_0 \]
这些能量全部转化为热能，单位体积的平均产热量为
\[ Q = \Delta I \Delta t = 2\alpha I_0 \Delta t \]
代入\(Q\)的表达式，有
\[ \rho C_t \Delta T = 2\alpha I_0\Delta t \]
其中\(\rho\)是组织密度，\(C_t\)是比热，\(\Delta T\)是温度变化，上式用来估计温度变化

同样的超声强度下，声吸收系数和热传导系数越高，组织升温越快

肌肉的声吸收系数高，血液低

8.3 医学超声安全计量的阈值

当超声持续时间不超过0.1s时，剂量多大都安全；剂量小于0.04W/cm^2时，时间多长都安全

超声诊断：0.1W/cm^2以下

低强度超声治疗：0.2~2.5 W/cm^2

高强度超声治疗：3 W/cm^2以上

例：超声的生物效应与什么因素有关

解：持续时间，强度；与频率无关