关于超声的生物效应

辽宁省医疗器械检验检测院 (辽宁 沈阳 110179)

内容提要：当人类进入21世纪以来，超声医学作为临床影像医学的重要组成部分，正在以非常高速发展的面貌展现到人们的面前。超声波广泛应用于诊断学、生物学、治疗学、工程系等领域。随着声学、电子学、计算机科学、影像学技术的不断发展，超声在各个领域的应用日趋广泛。每项医用超声设备的诞生和新技术的应用都是理、工、医学相互合作的结晶。众所周知，在医学发展的过程中，人们知道放射性射线辐射对人体的损害。同时，知道超声波是振动机械波，属于声音类别之一，人们非常关心超声诊断对人体到底有没有害，或者说是否有益。这个问题自从超声技术开始应用到医学诊断中就一直存在。有不少研究者已经在这方面进行了大量的动物实验和一些超声生物效应探索，文章是对超声生物效应的探索。

超声设备是通过超声波传导，不存在电离辐射和电磁辐射。超声检查能直观地显示病变的解剖结构，血流情况、肝胆脾等实质脏器的解剖结构。超声为什么会影响生物体的安全，其作用机制是什么？大致分为以下几个观点。

1.超声对生物体影响的作用机制

1.1 空化作用

只有在液体状态下才能产生空化作用。空化作用就是在液体中产生超声时，会出现雾状气泡，就像生活里遇到的轮船推进器在产生推动力同时会产生气泡。空化作用使超声具有强烈的破坏作用。只要在液体中含有直径是几微米的气泡，这些气泡对强度较低（0.5～2MHz）超声会产生空化响应，进入谐振状态，结果能使震荡周围的液体产生黏滞，能够使其附近的生物细胞受到扰动或者损伤。生物组织中大多是软组织，在超声的作用下，细微结构会发生变化，这种变化，随着超声强度的增大而增加。在小的强度超声作用下，虽然形变，只要不产生破坏性作用，或者产生不良的遗传学影响，在超声诊断中，均在剂量允许范围里。在较大强度超声作用下，生物组织会因为超声空化作用产生不能复原的破坏性形变，以至使细胞坏死和整个生物组织坏死，这种剂量在治疗中，用来粉碎结石等。一般用在外科手术中，而不是用在超声诊断中。因为超声是一种机械能，哪怕在强超声剂量下，对生物组织的损坏作用也不会像射线伤害那样大。

1.2 热作用

组织在超声机械能的作用下，由于黏滞作用，一部分超声能转化为热能，使组织的温度升高。超声波产生两种形式热效应，第一种是连续波产生的热，第二种是瞬时产生的热。连续波产生的热效应是一定时间内超声波连续作用，使媒介中声场区域产生温度升高。二是瞬时热效应是空气气泡闭合产生的高温。超声波传播的过程中，振动被媒介吸收转化为热能，吸收的热量可升高整体温度和局部温度。产生热机制有以下几个方面：超声振动、媒介点的周期性收缩和不同界面的组织分层。在这些因素中，介质的吸收为热形成的主要因素。热能产生的过程是机械能在介质中转换的热能。超声的热效应能够加速血液循环，增加代谢能力，增强组织营养。因为组织吸收声能，尤其是在骨膜上产生的局部热，这有益于韧带。关节等位置的治疗。所以在对骨骼的治疗上，对刺激组织增长、促进组织损伤的恢复超声波是有治疗意义的。另外，因为超声波产生的热效应，超声波能够促进皮肤排泄功能，增强皮肤的再生能力。

表1.人体不同部位超声强度的限定值(W/cm2)

1.3 化学作用

超声波的空化作用和热作用都和化学作用有有机联系的，化学作用是氧化还原作用。在比较高的剂量下，超声的化学作用会破坏蛋白质，低于10mW/cm2的低剂量不会产生化学作用。利用超声波的化学效应，比如蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢，含有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸，染料经超声处理会变色或者退色。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这说明空化作用使分子结构发生了改变。利用超声设备的化学作用，可进行清洁、焊接、灭菌、促进反应和生物学研究等，在工矿业、农业、医疗获得广泛应用。

2.超声的生物作用

2.1 超声对组织器官的影响

超声波治疗通过组织，在深的组织内，在短时间内吸收能量，加速加热，促进正常组织的再次和细微循环改善，从而疼痛得以恢复。不同的生物和人体组织在超声作用下所得的结果是随着频率的增加，致伤于生物组织所需照射的时间也要增加。对于1MHz脉冲持续期为7.3s的脉冲波，就近乎成为连续波，只要一次照射，就可以产生致伤效果。在同样的频率下，脉冲宽度为10ms时，即使照射120s，仍然未出现致伤效果。

随着频率的增加，对于衰减系数较小的脑组织，致伤所需最短时间基本维持不变，而对于衰减系统较大的脊髓组织等，致伤所需最短接通时间随着频率的增加而显著增加。而细胞内电游离子运动平衡的降低，将随着频率的增加而增加。另外空化阈值也将随着频率的升高而增加。眼的解剖结构层次多，大剂量超声容易引起结膜充血，角膜水肿甚至是眼底病变，小剂量超声可以促进吸收、改善循环等有较好的疗效。

2.2 超声对细胞的影响

将频率为870kHz，超声剂量为0.1～3.0W/cm2的剂量照射到细胞上，细胞有变化。然后将频率为1MHz，超声剂量为10mW/cm2照射，所得的结果，与原细胞相同，结论是诊断使用的超声剂量对细胞没有不利影响。超声波在共振时有破碎细胞的作用。

2.3 超声对精子的影响

德国的著名研究员曾研究了超声对精子活动力的影响，他当时以超声脉冲波和连续波为基础，用0.01W/cm2，0.1W/cm2，3W/cm2，三种超声剂量，按5min、10min、15min、20min四种时间进行照射，所得的结论是在脉冲波条件下，所有超声剂量对精子活动力均无影响；但是在连续波条件下，3W/cm2超声剂量对精子活动力均无影响；但是在连续波的条件下，3W/cm2超声剂量时就易发生危害，对受精卵也是同样的情况。他并且认为，采用诊断用的超声剂量，则要达到危害被照射的精子的地步最长时间是2h。

3.超声诊断的安全因素

超声诊断仪的输出脉冲声强是关系到人身安全的重要问题，尤其对于孕产妇、胎儿影响更大。国际电工委员会IEC115792也对此作了规定（见表1）：空间峰值时间平均声强＜100m/cm2。

4.超声照射时间及波形方式

脉冲超声采用的是短脉冲宽度、低平均声强。比连续波超声相比较为安全。超声照射时间对组织会产生影响，所以在临床使用上一般推荐10min左右，脉冲波源使用时间为30min之内。超声诊断仪的输出脉冲声强是关系到人身安全的重要问题，尤其是孕产妇，胎儿影响更严重。严格执行辐照时间，保护人们的人身安全。