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文档简介
1、七夕,古今诗人惯咏星月与悲情。吾生虽晚,世态炎凉却已看透矣。情也成空,且作“挥手袖底风”罢。是夜,窗外风雨如晦,吾独坐陋室,听一曲尘缘,合成诗韵一首,觉放诸古今,亦独有风韵也。乃书于纸上。毕而卧。凄然入梦。乙酉年七月初七。-啸之记。 生物物理论文超声波在医学中的应用指导老师 老师学 号 姓 名 班 级 【摘要】高于人耳听觉上限值的声波,称为超声波。超声是人耳听不到的。超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。尤其在医学上,超声频率高,波长短,有良好
2、的指向性,衍射现象少,可在组织界面上反射,可被血细胞反向散射。此外,超声波可被生物介质所吸收。吸收程度基本上决定于介质的特性和超声的频率。一般而论,介质中的含水量越大,吸收越少,频率越高, 吸收越多。超声的这些特性,对于它在生物医学方面的应用极为有利。本文就以超声的这些特征为线索,阐述其应用于医学方面的优势,并指出相应的缺陷,提出相关的建议。【关键词】超声波,临床医学,多普勒效应,超声系统 超声波在医学中的应用超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高,超出了人耳听觉的上限(20000Hz),人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的,它们的共同
3、点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声波频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。超声波在传播过程中一般要发生折射、反射以及多普勒效应等现象,超声波在介质中传播时,发生声能衰减。因此超声通过一些实质性器官 ,会发生形态及强度各异的反射。由于人体组织器官的生理、病理及解剖情况不同 对超声波的反射、折射和吸收衰减也各不相同。超声诊断就是根据这些反射信号的多少、强弱、分布规律来判断各种疾病。超声在医学的各个领域都有应用 ,并取得飞速发展 ,从而产生了超声医学这一分支学科。1 超声的物理特性1.1超声场特性 超声在介质内传播的
4、过程中 ,明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以下特点:如果超声换能器的直径明显大于超声波波长 ,则所发射的超声波能量集中成束状向前传播 ,这种现象称为超声的束射性 (或称指向性 )。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似 ,平行而不扩散 ,近似平面波 ,该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散 ,声强分布均匀 ,但逐渐减弱 ,换能器的频率愈高 ,直径愈大 ,则声波束的指向性越好 ,其能量越集中。1.2超声的反射与散射 超声在密度均匀的介质中传播 ,不产生发射和散射。当通过不同的介质时 ,在两种介质的交界面上产生发射与
5、折射或散射与绕射。超声波的频率较大 ,波长较小 ,一般不考虑衍射与干涉。(1)反射、折射与透射:凡超声束所遇界面的直径大于超声波波长 (称大界面 )时 ,产生反射与折射。反射声强取决于两介质的声阻差异及入射角的大小。垂直入射时 ,反射声强最大。反射声能愈强则折射或透射声能愈弱。进入第二介质的超声继续往前传播 ,遇不同声阻抗介质时 ,再产生反射 ,依次类推 ,被检测物体密度越不均匀 ,界面越多 ,产生的反射愈多。(2)散射与绕射:超声在传播时 ,遇到与超声波波长近似或小于波长 (称小界面 )的介质时 ,产生散射与绕射。按照惠更斯原理 ,散射为小介质向四周发散超声 ,又成为新的声源;绕射是超声绕过
6、障碍物的边缘 ,继续向前传播。散射回声强度与超声入射角无关。1.3超声衰减 超声在介质中传播时 ,随着传播距离的增加 ,声强逐渐减弱 ,这种现象称为超声的衰减。引起衰竭的主要原因是介质对超声的吸收 (粘带吸收及热传导吸收 )。超声频率愈高,介质的吸收愈多;其次为能量的分散如反射、折射、散射等 ,使原传播方向上的能量逐渐减弱。1.4多普勒效应 声源和接收体作相对运动时 ,接收体在单位时间内收到的振动次数 (频率 ) ,除声源发出者外 ,还由于接收体向前运动而多接收到 (距离 /波长 )振动 ,即收到的频率增加了。相反 ,声源和接收体作背离运动时 ,接收体收到的频率就减少 ,这种频率增加和减少的现
7、象称为多普勒效应。2 超声诊断仪及工作原理2.1多普勒超声仪工作原理 利用多普勒效应原理检测运动物体。当发射超声传入人体某一血液流动区 ,被红细胞散射返回探头 ,回声信号的频率可增可减 ,朝向探头运动的血流 ,探头接收到的频率较发射频率增高 ,背离探头的血流则频率减低。接收频率与发射频率之差称多普勒频移或差频。多普勒频移 f d与发射频率 f 0、血流速度v、超声束与血流之间的夹角、声速c的关系为: f d =±2vf 0 cos / c。其中血流速度 v可由公式计算 ,当声束与血流方向平行时可记录到最大血流速度 ,当声束与血流方向垂直时则测不到血信号。通过对多普勒信号检出加以分析和
8、处理 ,经放大或检波 ,在示波器的荧光屏上显示出来 ,就可制成各种多普勒超声诊断仪。2.2多普勒超声诊断技术的发展多普勒彩色血流成像、 多普勒图谱效应和彩色多普勒血流图 (CFM)都是基于多普勒效应 ,用于实现对血流参数的测量。血流参数测量的发展经历了从连续波多普勒 (CWD)血流测量 ,到脉冲波多普勒 ( PWD)血流测量 ,到彩色多普勒血流图的过程。多普勒超声诊断仪从最初的具有 CFM功能 ,到同时显示 B型图像和多普勒血流数据(血流方向、 流速 ,流速分散 )的双重超声扫描成像系统 (彩超 ) ,发展到采用计算方式处理技术 ,能及时分析大量声音反射波 ,实时捕捉图像的三维超声波扫描技术。
9、3 超声波在临床上的治疗应用3.1超声波治病机理: (1)机械效应:超声在介质中前进时所产生的效应。(超声在介质中传播是由反射而产生的机械效应)它可引起机体若干反应。超声振动可引起组织细胞内物质运动,由于超声的细微按摩,使细胞浆流动、细胞震荡、旋转、摩擦、从而产生细胞按摩的作用,也称为“内按摩”这是超声波治疗所独有的特性,可以改变细胞膜的通透性,刺激细胞半透膜的弥散过程,促进新陈代谢、加速血液和淋巴循环、改善细胞缺血缺氧状态,改善组织营养、改变蛋白合成率、提高再生机能等。使细胞内部结构发生变化,导致细胞的功能变化,使坚硬的结缔组织延伸,松软。 超声波的机械作用可软化组织,增强渗透,提高代谢,促
10、进血液循环,刺激神经系统和细胞功能,因此具有超声波独特的治疗意义。 (2)温热效应:人体组织对超声能量有比较大的吸收本领,因此当超声波在人体组织中传播过程中,其能量不断地被组织吸收而变成热量,其结果是组织的自身温度升高。 产热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程。即内生热。超声温热效应可增加血液循环,加速代谢,改善局部组织营养,增强酶活力。一般情况下,超声波的热作用以骨和结缔组织为显著,脂肪与血液为最少。 (3)理化效应:超声的机械效应和温热效应均可促发若干物理化学变化。实践证明一些理化效应往往是上述效应的继发效应。TS-C型治疗机通过理化效应继发出下列五大作用: A.弥散作用:超声
11、波可以提高生物膜的通透性,超声波作用后,细胞膜对钾,钙离子的通透性发生较强的改变。从而增强生物膜弥散过程,促进物质交换,加速代谢,改善组织营养。 B.触变作用:超声作用下,可使凝胶转化为溶胶状态。对肌肉,肌腱的软化作用,以及对一些与组织缺水有关的病理改变。如类风湿性关节炎病变和关节、肌腱、韧带的退行性病变的治疗。 C.空化作用:空化形成,或保持稳定的单向振动,或继发膨胀以致崩溃,细胞功能改变,细胞内钙水平增高。成纤维细胞受激活,蛋白合成增加,血管通透性增加,血管形成加速,胶原张力增加。 D.聚合作用与解聚作用:水分子聚合是将多个相同或相似的分子合成一个较大的分子过程。大分子解聚,是将大分子的化
12、学物变成小分子的过程。可使关节内增加水解酶和原酶活性增加。 E.消炎,修复细胞和分子:超声作用下,可使组织PH值向碱性方面发展。缓解炎症所伴有的局部酸中毒。超声可影响血流量,产生致炎症作用,抑制并起到抗炎作用。使白细胞移动,促进血管生成。胶原合成及成熟。促进或抑制损伤的修复和愈合过程。从而达到对受损细胞组织进行清理、激活、修复的过程。3.2医学超声波诊断方式医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性,即将超声波发射到人体内,当它在体内遇到界面时会发生反射及折射,并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的,因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同,医生们正是通
13、过仪器所反映出的波型、曲线,或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变,便可诊断所检查的器官是否有病。目前,医生们应用的超声诊断方法有不同的形式,可分为A型、B型、M型及D型四大类。A型:是以波形来显示组织特征的方法,主要用于测量器官的径线,以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性,如实质性、液体或是气体是否存在等。B型:用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时,首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点,这些光点可通过荧光屏显现出来,这种方法直观性好,重复性强,可供前后对比,所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。M型:是用于观察活动界面
14、时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况,其曲线的动态改变称为超声心动图,可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等,多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。D型:是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法,又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统,可在超声心动图解剖标志的指示下,以不同颜色显示血流的方向,色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来,并且还可以与其他检查仪器结合使用,使疾病的诊断准确率大
15、大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用,随着科学的进步,它将更加完善,将更好地造福于人类。像现在的彩超、B超、碎石(例如胆结石、肾结石祛眼袋之类的)等。3.3超声波在临床医学中的应用 超声波在临床医学中的应用十分广泛,特别是在临床诊疗如外科、妇产科、美容、 减肥、结石、节育等手术环节的作用更是无可替代 ,超声药物透入疗法、超声雾化吸入疗法、穴位超声疗法、高强度聚焦超声系统等技术的发展 ,为医生的临床诊断提供了许多的帮助。 (1)穴位超声疗法:又称超声针或超声针灸 ,是现代超声技术和传统的针刺术结合的一种新的穴位刺激法。穴位超声疗法的最主要特点是无痛、 无不适反应;其次 ,穴位超声疗法是通
16、过声能透入穴位来治疗的 ,而且又具有对组织无损伤、 无副作用、 安全可靠的优点 ,因此易为儿童和惧针的患者所接受。 (2)高强度聚焦超声系统 (H IFU) :又称为“海扶刀” ,高强度聚焦超声刀在医学影像技术的协助下 ,将多束超声波准确聚焦在靶组织上 ,声强达到 2 000W / cm2以上 ,利用肿瘤组织血流量低,不易散热的特点,短时间内 (一般015115 s)照射靶组织 ,局部温度达到 70100,造成蛋白质固化 ,组织坏死 ,在超声强度和照射时间适当时 ,可在坏死组织周围形成一层组织膜而对周围组织损伤极小。在高能量超声波作用下产生化学反应 ,杀伤肿瘤细胞。超声波具有较高的聚焦能力 ,
17、对组织有较大的穿透能力 ,不会对人体产生损害。4 对我国中、近期发展生物医学超声研究的看法和建议 4.1超声在医学上占的地位日趋重要,具有很好的社会效益国内市场具有很大的经济效益;目前进口超声仪器过多,国家每年需花费大量外汇。鉴于上述情况,发展我国的生物医学超声事业是必要的和 必需的。 4.2发展国的生物医学超声研究,必须进行应用基础研究和高技术储备,否则不可能有创新的仪器和质量可控制的产品。重点研究课题包括以下方面 : (1)提高压 电陶瓷的性能,开展复合压电材料、薄膜压电材料的研究。 (2)换能器的高频和多样化。频率从原有3 5 MHz提高到5 MH z、7 5 MHz; 研制高密集型线阵
18、、同心圆环多基元扇形、小曲率凸阵、穿刺、腔内、术中换能器 。 (3)研制、推广、应用用户定制集成电路 ( AS I C),开展数字信号处理和图像 处理芯片在医学超声中应用的研究。 (4)研制高性能的C F M;进行高速、低速血流测量新方法的研究。 (5)在巩固和提高现有超声诊断方法的基础上,开展腔内超声成像、术中超声成像仪器的研制和临床应用,进一步开展介入性超声和C F MI 床应用 。 ,(6)开展活体的声速、衰减 、BA等 声学参数的研究。 (7)在超声治疗方面,集中力量研究高 性能聚焦式超声体外碎石技术 ,避免或减少并发症。 (8)进行超声对人体( 特别胚胎) 作用的基础研究,加强超声治癌机制研究和质控措旌。 4.3为发展我国的医学超声事业,需加强横向协作,这种协作不仅仅是项目、产品的分工,而应是职能的分工,根据科研单位、大专院校、工厂各自的特长和长 远目标来确定任务。七五期间,有些大专院校参加了工厂牵头的样机研制,虽然对摆脱目前仪器研制的落后局面起到一点帮助 ,但若不同时搞一些高技术的储备研究,很可能一直步美国、日本超声仪的后尘而无创新。 4.4提倡医学超声的研究设计人员学习一些医学知识,医学超声的诊断人员学 习一些理工知识。 4.5建议有关部门采取以下措施
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