超声波的生物物理特性及作用机制

超声波的生物物理特性主要有机械效应、热效应和空化效应。

（一）机械效应

超声波是机械波，机械效应是它的一个最基本作用，热效应和空化效应都是机械作用而产生的。产生机械效应有两种，一是行波场中的机械效应，二是驻波场中的机械效应。

1．行波场中的机械效应　它是超声波在介质中传播时所产生的机械效应。超声波在介质中传播时能使介质发生疏密的变化，因此产生很大的正负压力即声压。一般治疗强度的超声波在人体组织内，这一压力的变化为±304kPa，即3个大气压。如lMHz频率的超声波所产生的压力为400～800Pa，即4～8g／cm2，每一个细胞所承受的压力变化为0．4～0．8Pa，即4～8mg。

2．驻波场中的机械效应　它是由前进波和反射波的干涉形成的。它可影响组织的压力、张力，使机体质点得到更大的加速度，并使体液中质量不同的离子获得不同的运动速度，质量小的离子运动速度快，质量大的离子运动速度慢，由于他们间的速度差出现摩擦而产生能量，它在机械效应中所起的作用甚至比压力变化所起的作用还大。

超声波的机械振动、压力变化，可以看成对细胞的物质及细胞结构的按摩作用，也称微细按摩或细胞按摩或称内按摩。由于超声的微细按摩作用，可以改变细胞膜的通透性，使通透性增强，弥散过程加速，从而影响细胞的物质代谢过程，加速代谢产物的排出，改善细胞缺血、缺氧状态，改善组织的营养，提高细胞组织的再生能力。有人把超声波看成是弥散过程和新陈代谢的加速剂。

超声驻波场中质点摩擦而产生的能量还可引起细胞质的运动，原浆颗粒旋转，从而改变细胞内结构，引起细胞活动能力的变化。

超声波的机械作用还可以使坚硬的结缔组织延长变软、粘连的组织松解，也可促进组织再生、血管形成。

所以超声波在修复伤口、软化瘢痕、松解粘连、增加渗透、促进组织代谢、改善血液循环和刺激神经系统功能等方面有重要的治疗意义。

（二）热效应

超声波产生热是一种组织内生热的过程，它是一种声波的机械能转变成热能的过程。超声波的热作用具有重要的治疗意义，因此超声波治疗曾经被称为超声透热疗法。20世纪50～60年代的文献报道对超声波治疗的作用，主要认为是热的作用，而近年才比较强调超声波的非热作用。

1．超声波产热的主要原理

（1）超声波通过组织时，声能被组织吸收，转变成为热能。

（2）超声波通过机体组织时，正负压力的变化而产生热能。

（3）超声波通过不同组织的界面时，因波的反射、干涉、驻波形成而产生热。两种不同组织的交界处产热较多，如皮下组织与肌肉交界处、肌肉与骨骼交界处。有实验证明，用频率为1MHz、强度为1W／cm2的超声波，作用于大腿前下部，骨骼与肌肉界面1cm内，温度上升5～7℃。

（4）在超声波作用下，液体中由于空化作用而释放出高热。

2．超声波产热的有关因素　超声波产热的多少与超声波的频率、剂量、介质的物理特性（声阻、导热性、介质界面的情况等）以及治疗方法等有关。

（1）超声波频率越高，越易被组织吸收，产热也越多。

（2）机体不同组织吸收声能不一样，产热也不等。肌肉组织较脂肪组织吸收能量约大1倍，神经组织较脂肪大2～3倍，见表1－2。

（3）超声波的强度越强，产热越多。

（4）治疗方法不同，产热多少也不等。

固定法较移动法产热多。有人用1．2W／cm2强度的超声波，分别用固定法和移动法作用于正常皮肤，固定法较移动法温度高出1．5℃。

直接接触法较水下法产热多，这是因为：①直接接触法治疗时需要耦合剂，探头、耦合剂、组织三者声阻差异大，在两个界面间超声波被来回反射，探头与皮肤的界面易产生驻波，故产热多。②水下法因水与组织的声阻相近，两个界面间很少有声波反射，仅有少部分声波被组织反射到周围水中被水吸收，因此水下很少有驻波形成，故直接接触法较水下法产热多。

（5）连续输出较脉冲输出产热多。脉冲式输出所产生的总热量明显低于连续式输出，尤其当脉冲间歇期长时更为显著。

3．超声波产热的特点　超声波产热的特点是局限性的。用圆盘探头治疗时，产热是以探头作用处的皮肤为底面，向组织深处延伸的圆柱形，产热强度近探头处大于远探头处，中心部位大于周围区域。

4．热的传导与散失　超声波在组织中所产生的热量是通过组织传导和血流而散失。虽然超声波内生热较多，但由于人体内神经系统的调节，不会使局部过热。有人认为在局部有80%的热量是经血流带走，只有20%的热量靠组织传导而散失。超声作用下局部血管扩张，血流加速，有利于热的散失。有实验表明，800kHz的超声波，强度4W／cm2连续作用于尸体20s后局部2mm处温度升高5．6℃，30mm处温度升高2．8℃；同样强度作用于活体，则在2mm处温度只升高0．5℃，30mm处温度升高0．1℃。故超声波作用于人体组织不会引起深部组织过热而烫伤。但用固定法作用于骨骼处，易形成驻波，故应注意超声波的剂量，不宜太大，以免局部烫伤。由于超声波的热效应，可使组织局部血管扩张，血流加快，代谢旺盛，肌肉张力下降，疼痛减轻，结缔组织的延展性增加，能起到很好的治疗作用。

（三）空化效应

所谓超声空化是指声能致气（汽）泡各种形式的活性。这些气（汽）泡的活性表现，在一些情况是有规律可循的，而在另外一些情况下又是相当激烈而难以预言的。但是，不论是哪种形式，它们都是可以通过一定的方法予以检测的。

通常，按气（汽）泡不同的动力学表现行为，分成稳态空化与瞬态空化两种。

1．稳态空化　当液体介质内的声场中存在适当大小的气泡时（气泡太大会漂浮至液面而逸去；反之，气泡太小时，因表面张力很大，会溶解在液体中），气泡会在声波的交变声压作用下进入振动（即体脉动）状态。当声波频率接近气泡共振的特征频率时，气泡的振动就进入共振状态，使脉动的幅度达到极大。气泡的这种动力学表现称之为稳态空化。

当气泡处在共振状态时，会伴随发生一系列二阶现象，如辐射力及微声流。微声流可使脉动气泡表面附近呈现出很高的速度梯度和黏滞力，足以使处在该处的细胞和生物大分子产生生物效应。

这种稳态空化现象，对于水中平面行波的情况下，在声强为0．3W／cm2的超声波作用下，即可发生。不久前，Miller等人做了如下实验：把气泡引入红细胞悬浮液，随后用2MHz的超声波进行辐照，结果在ISPTA＝6mW／cm2时，就发现有ATP（三磷酸腺苷）从红细胞内释放出来，这表明发生了细胞效应。

一个演示单一振动气泡的微声流造成细胞破坏的实验，可按如下进行：在一个小容器中装有0．2ml红细胞悬浮液（悬浮液体为生理盐水），再把一个很细的金属管的一端插入悬浮液中，在压力的控制下使下管口处形成一个直径为250μm的半球形气泡，然后用频率为20kHz的超声波辐照悬浮液，使其中形成的半气泡进入振动状态，则伴有微声流发生。当超声振动强度达到一定阈值时，微声流即可导致细胞溶解，并伴有血红蛋白释放出来。

实验表明，气泡振动幅度达18μm时，是使细胞溶解的最佳条件。而声学理论可以证明，为了产生这样幅度的气泡振动，并不要求太高的声强。对于频率为20kHz的平面超声波，为使气泡的振幅达到18μm，其理论声强值仅为1mW／cm2。

2．瞬态空化　当用强度较高的超声波辐照液体时，声场中气泡的动力学过程变得更为复杂和激烈。在声波的负压半周期内空化核（微小气泡）迅速膨胀，随后又在声波正半周期内气泡被压缩以至崩溃，这一过程称为瞬态空化。当气泡被压缩至崩溃前的暂短时间内（可能为1ns以下），气泡内的温度可高达数千度，压力可高达几百个大气压。气泡内的水蒸汽在这种极端物理条件下可以裂解为H＋和OH－自由基，它们因具有高度化学活性而迅速与其他组分相互作用而发生化学反应。这正是20世纪80年代中期崛起的声化学（sonochemistry）的物理基础。

此外，在瞬态空化发生时还常常伴有声致发光、冲击波及高速射流等现象发生，因此处在空化泡附近的细胞等生物体将会受到严重损伤乃至破坏。

冯若及其助手们的一系列研究表明，在行波场中，用频率为800kHz的理疗级连续超声波辐照水溶液时，当声强为0．7W／cm2时即可发生瞬态空化；如在小尺度混响场中，产生瞬态空化的阈值声强下降到0．4 W／cm2。

从以上讨论可知，对于两种类型的空化现象，空化核（即存在于液体中的微小气泡）都是必要的。液体中的空化核的存在及其分布取决于诸多因素，并且有较大的随机性，因此在实验上通过某种空化效应（物理的、化学的或生物的）来定量研究超声空化规律时，每次测量的数据之间常会有一定起伏波动。

（四）超声波的作用机制

1．局部作用　超声能作用于人体局部，即产生了直接的局部作用，通过以机械作用为主的，继发有热及其他理化作用产生局部组织的生理或病理变化，如组织温度增高、血流加速、代谢旺盛、组织状态改善、酸碱度变化、组织间生化反应加速、酶系统活力增强等。

2．神经体液作用　超声作用于人体局部组织，包括周围神经、自主神经末梢，其所产生的影响不仅限于局部，还可以波及远离部位或人的整体。在超声作用下，局部组织的代谢产物和理化作用产生的物质，尤其是乙酰胆碱、组胺等活性物质和激素，可以通过人体体液系统作用于靶器官，产生机体效应。如类H物质的解痉作用和扩张血管作用等，即是通过体液系统完成的。

3．神经反射作用　神经反射作用在超声理疗中尤为重要，体内脏器、机体血管与远离器官的治疗均依赖于神经反射作用完成。神经反射作用的存在，许多实验研究与临床反应的例证均可证明。

如用超声作用于家兔的一侧耳朵，而对侧耳朵同时出现同样的持续性血管扩张、血管壁的渗透性增强及耳血中白细胞增多；又如应用超声治疗腰椎神经和坐骨神经炎时，探头作用区的对侧相应区域皮肤温度也有升高，升高程度最大的时间为治疗后5～15min。

这种神经反射的机制是以超声作为一种刺激动因，作用于神经末梢感受器，产生神经冲动，引起的各级神经反射活动。

神经反射作用中和神经系统参与的反应中，自主神经系统的影响非常重要，因为它关系到人的生长、代谢、循环、血管运动、呼吸、体温调节、激素反应及应激能力等重要生理生命功能。

超声治疗是综合上述作用产生治疗效果。白鼠的实验显示，超声作用于腹壁，发现脑皮质组织氧代谢有变化。此例可说明超声治疗的综合作用，与超声作用下远离器官的反应。

4．细胞分子学水平的作用　近年来医学、生物学的飞速发展，各种物理治疗作用机制的研究进入了细胞分子学的水平，超声也不例外。有学者研究不同强度的超声对细胞组织的影响发现：

（1）高强度的超声可使组织液电离成自由基OH－、H＋、O－2、HO－2等，这类自由基有极强的活性，即有非常强的氧化还原作用。它可在极短的时间内，引起一系列的连锁反应，继而产生生化反应。

（2）中强度的超声作用下，产生较强的细胞原浆微流，促进细胞内容物的移动，改变细胞内各空间的相互位置。细胞超微结构中线粒体对超声波最敏感，而线粒体是细胞内产生能量的重要单位，并参与脂肪酸的氧化和谷氨酸、天冬氨酸的结合，因此超声波对物质代谢有重要作用。另一方面超声波还能影响细胞膜对K＋、Ca2＋的通透性，改变细胞膜内外离子浓度的比例和改变膜电位，而产生治疗作用。

（3）低强度的超声波能刺激细胞内蛋白质复合物的合成过程，加速组织修复。超声作用下组织蛋白质的－SH基增加，进而使SH基化合物增加，而SH基化合物对体内许多活性物质如酵素、酶、维生素、激素、神经递质等有显著的还原作用。

超声波还能改变铜、锌等微量元素在不同组织中的分布，而微量元素与细胞膜、核糖、蛋白质、酶、DNA、RNA等都有关系。如缺锌可使儿童多动，缺钙可使骨质疏松，糖尿病患者血中的镁含量较低等。

由于人体是个极复杂的组织，超声波参数较多，不同参数作用于不同组织反应不一，所以超声波对人体的作用机制有待进一步研究。

5．穴位、经络说　中医学的经络、穴位学说在超声治疗上应用很广，也有一定临床疗效，但多数为经验医学，原理与机制更应深度发掘。目前已有穴位治疗的超声设备。