第七章 超声生物效应及其物理机制_《超声治疗学》课件（可编辑）

第七章 超声生物效应及其物理机制_《超声治疗学》课件（可编辑） 超声治疗学 第七章 超声生物效应及其物理机制 授课教师李发琪 生物医学工程系 教学目的及要求 重点掌握产生超声生物学效应的三种物理 机制的内涵 熟悉超声生物学效应与声辐照参数以及组 织本身的性质密切相关 了解常用超声治疗方式 主要教学内容 1 前言重点超声在组织中传播研究超声 生物学效应的重要性 2 超声生物学效应的物理机制机械力学 机制热机制空化机制 3 超声治疗与声参数 4 超声治疗方法 5 新兴的超声治疗 1 治疗超声的声场参数 在位 in situ声强是指在人体内或其他生物 体系内我们感兴趣的那个空间部位上的声强 发射声强是指在水中自由声场条件下换能器辐 射的声强 很明显人体内的在位声强是无法直接测量 的但在一定的准确程度上我们可以从发射 声强和人体组织的超声衰减数据进行估算这 样通过发射声强即可比较不同治疗仪产生生 物效应的能力 治疗超声的声场参数治疗超声波的波形 连续波波形 T 压 声 时间 治疗超声的声场参数治疗超声波的波形 脉冲波波形 W 压 声 p 时间 T p 一个脉冲从起始到终止的时间称为脉冲宽度示为W p 两个相邻脉冲对应部位如取脉冲的起始点的时间 间隔称为脉冲周期示T p 相应的脉冲重复频率为f 1T p p 定义 F W T 为脉冲的发射因子亦称为占空比 p p duty factor 治疗超声的声场参数治疗超声波声强的 时空变化及其表述 声强在时间空间上是不均 匀的 连续波 I TP 压 声 ITA 时间 ITP Temporal peak acoustic intensity 时间峰值声强 ITA Temporal average acoustic intensity 时间平均声 2 2 强 I TP p I TA p ρc 2ρc 治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时 空变化及其表述 连续波 ISA Space average acoustic intensity 空间平 均声强 ISP Space peak acoustic intensity 空间峰值声 强 治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空 变化及其表述 脉冲波 I TP 强 声 IPA ITA 时间 ITP Temporal peak acoustic intensity 时间峰值声强 ITA Temporal average acoustic intensity 时间平均声 强 I I F TA PA IPA Pulse average acoustic intensity脉冲平均声强 治疗超声的声场参数治疗超声波声强的时空 变化及其表述 脉冲波 I I SATA SAPA F ISATA 空间平均时间平均声强 ISPTA 空间峰值时间平均声强 I I I SP I I SPTA SATA SAPA 空间平均脉冲平均声强 SA ISPPA 空间峰值脉冲平均声强 I SP I I SATA I SA SPPA F Ultrasound in tissue – velocity of propagation c varies between different tissues – Acoustical impedance Z ρc – Interface boundary Ultrasound in tissue – absorption necessary for tissue heating Ultrasound energy converted to heat as it passes through tissues Absorption greater at higher frequencies Important principle for therapeutic ultrasound – scattering some needed for image production 超声诊断Imaging – 利用超声波的波动特性即被动特性把高频低能 量的超声波作为信息的载体进入人体并通过它与人 体组织间的相互作用规律反射散射透射等 提取其超声信号加以显像而获取有关生理与病理的信 息 11 weeks 产科超声 产科超声 31 weeks 超声治疗Therapy – 利用超声波的能量特性即主动特性把一定能量 的超声波作用于人体病变部位通过某种生物物理机 制机械的热学的或空化的对人体组织的状态 功能或结构产生一定的影响变化以至破坏而达到 既定的医疗目的 – 超声治疗的用途分为两类一是产生非损伤性的热量 或其他机械效应以刺激或加速身体对损伤的正常反 映二是对组织产生可控制的选择性杀灭 1927年著名法国物理学家Langevin在研究水下超 声探测时发现强超声波可以对鱼类等小水生动物产 生致命的效应随后Harvey等人发现超声辐照可使动 物体内组织的温度升高甚至导致细胞结构破坏 Wood Loomis 1927 当超声波用于医学诊断时辐照剂量应 尽量小以力求避免可能产生的任何生 物效应反之当超声波用于治疗时 则需要足够的超声辐照剂量以引起一 定的生物效应并由此获得某种所需要 的临床医疗效果如理疗外科等因 此超声生物效应正是超声治疗学的生 物物理学基础 研究超声生物学效应的重要性 – 建立安全诊断阈值剂量标准和各种超声治疗的最佳辐 照剂量 – 研究各种条件下医学超声与人体组织相互作用的物理 机制 – 在超声生物效应的研究基础上广泛开拓在生物医学 及生物技术领域中的应用 2超声生物学效应的物理机制 机械机制 热机制 空化机制 21机械机制力学机制 超声波是机械振动的传播过程超声波作用于生 物组织时不论其强度大小都产生机械振动 与声场有关的力学量如质点振动位移速度加 速度以及声压等都可能与生物效应有关 如频率27KHz 的超声波刀头输出振幅为70μm其 切割加速度约为200000g能够轻易将任何骨头粉碎 超声切割主要利用超声的机械效应 当辐照声强较高时声场中的二阶参量会变得明 显起来从而可能出现各种非线性物理现象如 辐射压力声流及微声流对产生超声生物效应 声辐射压力 在声场中一个客体所受到的时间 平均压力客体可以是声场中一个物体或两 介质的交界面或介质中指定的单个质点等 声辐射压力是一个直流压力就象大气压力那 样和声压有本质区别通过测量声辐射压力 可测量声功率 声流 当超声换能器振动时在声波的传播 方向上可观察到恒定方向的媒质粒子流这种 现象称为声流或声冲流而在小范围内发生的 类似现象称为微声流 290V 500V 1000V 1500V 2000V 2500V 22 热机制 声波的吸收 – 超声波在人体内传播过程中其振动能量会不断地被 人体组织所吸收造成人体组织吸收声波能量的机制 有粘滞吸收 热传导吸收 和分子弛豫吸收 粘滞吸收 当声波在媒质内传播时进入振动的 质点不可避免地要克服周围质点对它作用的粘滞 阻力作功为此要引起部分声能的消耗 热传导吸收 声波在传播过程中将引起媒质内正 负声压的周期相间分布正压区的温度将升高 而热传导将会使其部分热量流失从而造成部分 声能的消耗 分子弛豫吸收 由于媒质的分子内部一些动力学 Q It 2α It C2αT ρ Δ a a m α a 3 Q声波在单位体积内产生的热量 J cm 组织的声吸 收系数NPcm I 在位声强 Wcm2 T 辐照时间s 组织密度 3 ΔT ρ gcm 比热Cm Jg?设产生的热量不 损失那么辐照t秒后使组织温升为 ?则 T Δt Timetemperature relationship t t final R 43 t TΔt Δ TD 43 ? t 0 TD is the thermal dose in equivalent minutes at 43? T is the 43 Δt mean temperature during time and R 05 for temperature above 43 ?and R 025 for temperature below 43 ? SA Sapareto and WC Dewey Thermal dose determination in cancer therapy comatOncolBioPhys 1984 10 787-800 Thresholds for thermal damage in tissue Relative thermal sensitivity in terms of equivalent minutes at 43 ? Dewey IntJ Hypertherm 1994 10 4 457-483 – Low level temperature rise causes no irreversible damage Physio – Arrest of cell reproduction occurs if temp 43 ?C hyperthermia or thermotherapy – Rapid thermal toxicity coagulative necrosis if temp 56?C for 1s HIFU Thermal therapies Those diseases that medicines do not cure are cured by knife Those that the knife does not cure are cured by fire and those that fire does not cure must be considered incurable Hippocrates 400 BC Hyperthermia Hyperthermia 0 43 C or equivalent for 60 mins This introduces the concept of thermal dose Survival curves Survival curves Cancer treatment with Ultrasound Hyperthermia 1949 Woeber et al Temperature distributions Temperature distributions 43 Need to use adjuvant therapy measure temperature HIFU 23 空化机制 历史 19世纪末英国海军建造出第一艘驱 逐舰在初期试验时发现螺旋浆推进器在水中 会引起剧烈振动象Thornycroft和 Barnaby认为 这种振动是由于螺旋浆的旋转产生了大气泡空 穴而这些大气泡又在水的压力下随即发生内 爆而产生的这是第一次对空化现象物理本质的 振动问 浸蚀问题 描述 基本概念 空化cavitation 液体中由于某些原因形成局部 气体或蒸汽空穴及其成长与破灭的现象 超声空化液体中的微小泡核在超声波作用下被激 活它表现为泡核的振荡生长收缩及崩溃等一 系列动力学过程 稳态空化 Steady cavitation non-inertial cavitation 当液体媒质内的声场中存在有适当 大小的气泡时它会在声波的交变声压作用下进 行振动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振动的幅度 达到极大气泡的这种动力学表现称为稳态空化 对于存在于水中的自由气泡当半径r,10 μm 时其共振频率为fo 由下式给出 f 3280r o 式中fo单位KHzr的单位为μm时 瞬态空化 Transient cavitation inertial cavitation 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 瞬态空化发生时产生高温高压伴有声致 自由基声致发光冲击波及高速射流等现 象的发生 空化的产生必须有空化核存在 气泡在固体表面引起高速射流 铝箔 厚 度为1μm 的空化腐蚀 气泡在固体表面引起高速射流及其对铝箔空化腐蚀的照片 Complex and unpredictable Mechanical damage Tissue vibrate Stable cavitation and inertial cavitation Dependent on frequency negative pressure amplitude and intensity May damage tissue May enhance heating May aid imaging 空化的检测 – 光学方法 用肉眼或光学仪器直接观察空化发光 – 声学方法 用耳朵可以直接听到空化时发出的嘶嘶声使用 声学 仪 器可以检测到空化噪声谐波次谐波等 – 化学方法 如检测空化自由基的电子自旋共振ESR法 TA 对笨二甲酸 荧光检测法碘释放法 – 生物学法 通过细胞溶解生物大分子断裂等进行检测 此外还可以从改变实验环境压力对实验结果的影响来 判断空化现象因为在同样条件下环境压力增大时空 空化研究中的重要事 件 ?气泡核聚变 美国Oak Ridge国家comtulin等人合作研究先后 于2002年3月和2004年4月两次在美国《科学》等杂志上发表文 章宣称他们在实验室通过超声波在小烧杯液体里引发的微气泡 空化观察到了核聚变反应 空化研究中的重要事件 声化学 Sonochemistry 利用功率超声的空化现象加速和控制化学反 应提高反应率和引发新的化学反应 80年代兴起的边缘交叉学 科具有加速化学反应降 低反应条件缩短反应诱导 时间和能进行有些传统方法 难以进行的化学反应等特点 是声能量与物质间的一种独 特的相互作用 3 超声治疗与声参数 不同的超声治疗目的对超声生物学效应 应用的侧重点不同往往以一种效应为 主同时伴随其他效应 超声生物学效应与超声参数密切相关因 许多实验研究的具体条件不同必须根据 所要达到的生物学效应和特定的治疗情况 选择治疗参数 – 连续波or 脉冲波 – 频率声强辐照时间脉冲频率和占空比 – 连续波or 脉冲波 – 频率声强辐照时间脉冲频率和占空比 – 机械机制低频高声强 – 热机制连续波相对高频 – 空化机制脉冲波低频高声强 Power DIAGNOSIS 002W P Tissue information O Without biological effect W THERAPY Deliberate beneficial E biological effect R reversible or irreversible Functional modification 200W SURGERY Cell killing 10000 times more energy Table 141 Output characteristics of ultrasound devices Equipment Frequency Typical Typical duty Power external probes intra-cavitary probes Type range MHz source area factor mW Spatial peak peak negative spatial peak peak negative 2 mm temporal average acoustic temporal average acoustic pressure Intensity Ispta pressure p- intensity Ispta p - -2 -2 mW cm MPa mW cm MPa Diagnostic Pulse-echo B-mode 1-20 100-3000 0001 4-256 64 1-1330 175 045-554 209 08-284 6460 066-35 232 M-mode 1-20 100-3000 0001 05-213 46 42-604 127 045-554 209 20-210 627 066-35 232 Doppler Fetal heart detector 2-4 100 1 5-30 001 Pulsed Doppler 5-10 100 001 11-324 144 36-9080 1570 067-532 218 971-1440 747 097-353 226 Colour flow 5-10 100 001 35-295 138 21-2150 429 046-425 241 097-353 226 114-304 247 Therapeutic Physiotherapy Continuous wave 075-3 300 1 0-15000 Pulsed 075-3 300 02 0-3000 500 05 Surgery 05-10 5000 1 200000 5 Source from Henderson et al 1995 and Whittingham 2000 机械指数与热指数 与机械和空化机制有关的诊断超声安全性问题 2004年国际电工委员会IEC 在正式颁布有关超声诊断设备安全 标准中提出二个指数作为定量评价声输出的二个参数 a 机械指数MI Mechanical Index 它是发生声空化可能性的量度 定义 6 式中p- 为靶点处的峰值负声压单位MPa f 为声频率单位MHz CM I 1MPaMHz为一基准量在水中1MPa声压是1MHz频率下的空化 阈值显然对4MHz频率的声波其空化阈值应为2MPa 研究表明当MI 03时即可能对新生儿肺或肠部产生损伤 b 热指数TI Tbermal Index 它是产生热损伤可能性的量度 定 义 7 式Pw为靶点处的声辐照功率Pdeg 为在组织模型中使该靶点 温升1?所需的靶点处的声功率 研 究表明当TI取1时对胚胎辐照时间不得超过 30min 当TI取2时辐照不得超过4min 当TI 3时绝对不可用 于胎儿辐照 表1 对于胚胎或胎儿所的最长辐照时间 _______________________________________________________ 热指数TI 最长辐照时间 min _______________________________________________________ 07 60 10 30 15 15 20 4 25 1 4超声治疗方法 41超声理疗微热和机械机 制 理疗中常用的频率 一般为 800,1000 kHz 治 疗 方面除一般超声疗法外 还有超声药物透入疗法 超声雾化吸入疗法超声 复合疗法等 如对神经系统的影响 对神经炎神经性疼痛的 镇痛作用 对结缔组织过度增 长疤 痕化结缔造组织的软化 消散作用刺激伤口的愈 合 42超声雾化空化机制 美容 慢性咽炎 哮喘等 43超声洁牙机械和空化机制 主要技术参数 输出功率3,20W 工作频率28 ?3KHz 进水压力 001,05MPa 44 体外冲击波碎石空化机制 45 超声温热治癌热机制