5．4 超声波疗法
5．4．1 超声治疗概述
声波是物体的机械振动在弹性介质中传播所形成的机械振动波。这是一种疏密交替的波形，在物理学上称为纵波，其疏密中邻近的两个最密或最疏处之间的距离称为波长。每秒钟出现的疏密交替的振荡次数，即为该声波频率（单位是赫兹）。声音的高低由声波频率决定，频率低，则音调低；频率高，则音调高。人耳能听到的声音频率为16～20000Hz之间。低于16Hz人耳听不到的声音叫次声（或亚声）。高于20000Hz，人耳也听不到的声音，叫做超声。将超声波作用于人体以达到治疗目的的方法称为超声波疗法。频率500～2500kHz的超声波有一定的治疗作用。现在理疗中常用的频率一般为800～1000kHz。
超声治疗根据所用超声强度不同又分为理疗超声、热疗超声与高强度聚焦超声。理疗超声使用的能量较低，超声波在组织内可产生有益的、可逆的生物学变化，从而促进伤口愈合或激发某类细胞使其功能恢复正常。热疗超声的超声强度只能将机体大面积组织加温至43～45℃，治疗时间为1h或更长，通常与化疗或放疗联合应用治疗肿瘤。高强度聚焦超声技术可用于肿瘤的治疗。因此超声波疗法的概念应有广义的（包括各种特殊超声疗法）及狭义的（指理疗科常用的无损伤剂量疗法）两种，本节中仅介绍狭义的超声波疗法。
（1）超声波疗法的适应症。软组织损伤、血肿、关节挛缩、关节周围炎、滑囊炎、肌腱及腱鞘炎、乳汗淤积幻肢痛、瘢痕及黏连、脑血管病、周缘神经损伤及炎症、血栓闭塞性脉管炎等。超强剂量的聚焦超声波可用于局部加热治疗恶性肿瘤。
（2）超声波疗法的禁忌症。重症心力衰竭、恶病质、高热、出血性疾病、活动性肺结核、急性化脓性炎症、局部严重循环障碍等，以及低剂量超声照射恶性或良性肿瘤。
5．4．2 超声的物理特性
1．超声的反射与折射
一般声波由声源向四面八方传播，但超声波由于频率高、波长短，可呈一条狭长束带传播，具有良好的方向性。声束强度是越接近中心越强，并非均匀分布，具有反射、折射、聚成焦点等类似光波的特性。超声在两种物质上反射的大小与这两种物质之间的声阻抗差成正比，即声阻抗差愈大，反射亦大。如在石英及水介面上有68%声能被反射，石英与空气之交界处，则全部能被反射。故超声波作用于机体时，声头与人体间，不能有空气层，应在治疗局部皮肤上涂油类，使声头与人体更好地接触，工作者须戴双层手套以造成空气层，来防止超声对工作人员的作用。
2．超声的传播与吸收
声波传播速度与介质的性质有关，在固体中传播最快，其次为水，空气最差，在水与固体中的传播速度要比空气大十多倍。当声波在介质中传播时，强度会逐渐减弱，这是因为部分声能被介质所吸收。同一频率的声波在空气中传播时吸收最厉害，液体中较弱，固体中最弱。因此，超声波治疗时可使其通过水作用于人体。
另外，频率愈高的声波，愈易被吸收，故超声用于人体时，频率愈低，则穿透人体愈深。如超声频率为2500Hz时，透入人体组织约17cm，频率高三倍时，深度减为5．5cm，频率高9倍时，深度不超过1．5～2．0cm。
物质吸收超声的能力，除与超声的频率有关外，还与介质的密度、粘滞性、导热性、声速等有关。媒质密度高者吸收少，粘度大者吸收多。实际工作中常用超声在介质中衰减至原能量一半时的厚度表示该介质的吸收能力，并将这一厚度称为半吸收层或半价层。半吸收层厚度与吸收能力成反比。
3．超声的生物学效应
对于超声波的生物学作用机制，一般认为有三个基本的作用因素：
（1）机械作用。超声波在介质内传播过程中介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，不仅可使介质质点受到交变压力及获得巨大加速度而剧烈运动，相互摩擦，而且能使组织细胞产生容积和运动的变化，可引起较强的细胞浆运动，从而促进细胞内容物的移动，改变其中空间的相对位置，显示出超声波对组织内物质和微小的细胞结构的一种“微细按摩”的作用。超声波的机械作用是软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能，因此有重要的治疗意义，在超声治疗机理上占重要地位。
（2）温热作用。超声波作用于机体时可产生热，有些人甚至称为“超声透热疗法”。超声波在机体内热的形成主要是组织吸收声能的结果。
（3）理化作用。超声波的机械作用和温热作用可引发一些物理化学变化，如空化作用、氢离子浓度的作用、对酶活性/蛋白质合成的影响、对自由基的影响等。
因此，物理超声治疗的主要作用有：镇痛、促进伤口愈合、促进结缔组织增生、改善肝脏功能、增强心肌收缩率、恢复眼睛功能等。
5．4．3 超声波治疗设备
1．超声波治疗设备
超声波治疗系统由超声波治疗机、辅助设备、耦合剂组成。
（1）超声波治疗机。临床上使用的超声波治疗机多采用逆压电效应的原理发射超声波。治疗机由主机和声头两部分组成。
主机包括电源电路、高频振荡电路、调制器和定时器。电源电路提供电功率和电压，高频振荡电路产生振荡电压，使声头晶体产生机械振动。调制器用以调节电压幅度，选择输出方式。定时器用以调节治疗时间。
声头又称换能器，是由两面镀有金属层的压电晶体装在一个圆柱形的金属外壳内构成。在高频电压作用下，压电晶体的厚薄发生规律性变化，引起机械振动，产生超声波。
（2）辅助设备。超声波治疗的辅助设备包括水槽、水袋、漏斗、声头接臂，它们用于特殊治疗。
①水槽。用于水下超声疗法。水槽的材料可为木、塑料、金属、玻璃和陶瓷等，水槽的容积需容纳治疗的肢体和声头。
②水袋。当治疗体表凹凸不平时，应用水袋进行超声波治疗。水袋用塑料或薄橡皮膜制成，袋内水为无气体水。治疗时水袋放置在声头与皮肤之间。
③漏斗。用塑料等坚实材料制成，治疗时漏斗小口朝下放置在治疗部位，紧贴皮肤，漏斗中加无气体水，声头从漏斗大口放入漏斗，声头表面浸在水中。漏斗用于小部位或体腔的超声波治疗。
④声头接管。用与声头表面相同的材料制成，上端紧接声头，下端紧贴皮肤，用于小部位的超声波治疗。
（3）耦合剂。耦合剂又称接触剂，应用耦合剂的目的是减少声头与皮肤之间的声能损耗，使得更多的声能进入人体。水与人体组织的声阻接近，对超声波能量吸收少，是理想的耦合剂。水用作超声波耦合剂时，一定要去除水中的气泡，可用煮沸法或蒸馏法去除气体。
2．超声波输出方式
根据超声波的输出方式将超声波分为连续超声波和脉冲超声波。
连续超声波是指连续不断地发射强度恒定不变的超声波。连续超声波对人体有明显的机械作用和热作用。
脉冲超声波是指有规律地间断发射的超声波，即每一组超声声束发射后有一段间歇期。每一组声束发射的延续时间为脉冲作用时间，无声束发射的间隙时间为脉冲休止时间，脉冲作用时间与脉冲休止时间的和为脉冲重复时间。脉冲作用时间与脉冲重复时间之比叫作脉冲通断比。脉冲超声波每秒钟的脉冲数为脉冲重复频率。常用的脉冲通断比为1∶5和1∶20。如果脉冲重复频率为每秒100次，在脉冲通断比为1∶5、1∶10、1∶20时的超声输出波形如图5．27。在超声波脉冲休止时间内，由超声能在组织内转化的热能逐渐消散，因此脉冲超声波可减弱超声波的热作用。但在发射超声波的脉冲作用时间内，超声波的声强不变，因此机械作用仍保留。超声波的通断比可以提示超声波的功率降低的倍数，通断比为1∶10的脉冲超声波的总功率是同等强度连续超声波总功率的1/10。
图5．27 脉冲超声波示意图
5．4．4 超声波治疗仪电路
我们将通过一个超声治疗仪的例子来了解超声治疗机的工作原理。
该超声波治疗仪电路由电源电路、多谐振荡器、定时器、控制电路、超声波振荡器和输出电路组成，如图5．28所示。
图5．28 超声波治疗仪电路
1．电源电路
电源电路由电源开关S3、电池GB、二极管VD、电阻器R3、R6、电容器C1、稳压二极管VS和电源指示发光二极管VL组成。接通电源开关S3，GB的15V直流电压一路直接供给超声波振荡器；另一路经VD和R6限流降压、C1滤波、VS稳压变成9V直流电压，作为IC的工作电源，同时还经R3限流后将VL点亮。
2．多谐振荡器
多谐振荡器由电子开关集成电路IC（S01～S04）内部的模拟电子开关S01、S02和电阻器R1、R2、R4、电位器RPl、电容器C2组成。调节RP1的阻值，可改变多谐振荡器的振荡频率。
3．定时器电路
定时器电路由控制按钮S1、电阻器R5、电位器RP2、电容器C3和IC内部的模拟电子开关S04组成。将S2置于“1”位置时，超声波振荡器受定时器的控制。按动一下S1，C3快速充电后，IC内部的模拟电子开关S04接通，使V1截止（松开S1后，C3通过R5和RP2缓慢放电），此时超声波振荡器持续振荡工作，输出连续的超声波。调节RP2的阻值，可改变定时器的定时时间。
4．控制电路
控制电路由控制开关S2、电阻器R7、R8、IC内部的模拟电子开关S03和晶体管V1组成。
5．超声波振荡器
超声波振荡器由电位器RP3、电阻器R9、电容器C4、C5、升压变压器T和晶体管V2组成。调节RP3的阻值，可改变超声波振荡器的振荡频率。当定时时间结束（C3放电完毕）后，超声波振荡器受多谐振荡器输出的100Hz低频信号调制，输出断续的超声波。
6．输出电路
输出电路由T的绕组W3、氖指示灯HL和电极A组成。超声波振荡器振荡工作后，在T的绕组W3产生48kHz、6～8kV的高频脉冲高压，该脉冲高压通过HL（电极A接人体病灶部位）对人体辉光放电，以起到辅助治疗的作用。
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