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超声生物效应及安全性


作者:任娟      来源:安太医院
 

    超声诊断法因其无创性,而益发受到患者和医务人员的青睐,尤其在妇产科方面广泛应用,成为无法替代的影像学检查方法。而超声波作为一种形式的能量,必然存在能量的安全阈值问题。至今国际上还未建立起一个严格的科学标准意义上的安全剂量,因此医学超声诊断的安全性仍是人们所关注的重要课题。 

    超声生物效应
    超声波作为诊断学的基础在于它的二重物理属性,即:波动属性和能量属性。当超声波通过人体时,波动属性为探查与负载信息的载体,使超声波成为一种影像诊断的方法,达到了诊断的目的;而能量属性使超声波成为一种形式的能量,与其他形式的能量一样,作用于人体组织,通过与生物媒质的相互作用,引起生物体系的功能和结构的变化,产生超声生物效应。当超声波超过一定的剂量时,也必然会对生物体产生危害。 
    
    1.超声生物效应的实验研究20世纪初,法国声学家Langevin第一次观察到大剂量的超声能量可以对小水生动物产生致命的伤害。近半个世纪以来,人们对超声生物效应做了大量的研究工作,范围遍及生物体系的各个层次。 
    (1)在生物分子水平,超声生物效应表现为大分子分解、变性、释放自由基、酶活力的改变、DNA损害、姐妹染色体单体交换率的增加。 
    (2)在细胞水平,超声生物效应表现为细胞生长变慢、克隆形成率的降低、细胞膜结构及功能异常、细胞器破坏、细胞死亡。
    (3)超声对人体器官的损害是多发的,用大剂量的超声处理动物的卵细胞和胚胎,可观察到胚胎发育不健全、先天畸形、流产甚至死亡。 
    
    2.超声生物效应的物理机制超声波作为一种物理形式,作用于生物体系产生的超声生物效应的物理机制尚不甚清楚,目前认为有三点: 
    (1)热效应:超声波在生物体内传播时,部分能量被组织吸收,转变为热能,这种能量的产生与超声声强、媒质的声压吸收系数及单位体积内超声作用的时间有关。在单位体积内超声作用时间越长,产生的热能就越多。动物实验表明,超声热效应使温度升高2.5℃以上时才可以导致流产或胚胎畸形。而用于诊断的超声,其平均声强不大于0.1W/cm2在体内引起的温度升高不超过1℃,人体对热刺激也具有平衡的调节功能,限制了机体的热损伤。所以一般认为,诊断级超声是安全的。 
    (2)机械效应:超声波的传导是机械振动能量的传播过程,在传播过程中形成激烈变化的机械运动场,在场中,细胞及细胞内的物质不可避免的发生运动、旋转,引起膜性结构的拉伸、扭曲及断裂,使其功能及结构发生损害。 
    (3)空化效应:超声波在生物体内传播,使液体中的微小气核(空化核)生长、震荡、压缩、闭合及崩溃,这就是空化效应所特有的物理过程。它具有稳态空化和瞬态空化两种形式。空化核在崩溃的瞬间产生高温、高压、自由基、发光及冲击波等极端的理化现象,导致生物体细胞发生化学和毒性反应,如细胞变性、溶解、酶活力改变、代谢障碍等,使生物体受到破坏。空化效应是超声生物效应的非热机制的主要表现形式。 一般认为,在低声强长辐照时间范围内,引起损伤的机理以热效应为主;在高声强辐照时间短的范围内,损伤的机理以瞬态空化效应为主;当声强处于700~1500W/cm2的范围内时,损伤的机理主要来自机械效应。

     3.超声生物效应的应用正是由于人们认识了超声生物效应的机理,变害为利,以此产生和发展了超声治疗学。人们利用超声辐射压、空化、机械效应引起的乳化粉碎、冲击波等作用产生了多功能超声治疗仪,可以将药物定向的扩散人病灶,可以粉碎生物组织做手术,可以乳化脂肪达到减肥的目的,还可以乳化晶体的晶核治疗白内障;利用瞬态空化效应产生的冲击波、高速射流生产超声体外碎石机治疗结石;更可喜的是,利用高强度的聚焦超声能产生的高能量、高温、高压及冲击波,直接杀伤癌变组织,还可以抑制胚胎的发育,达到人工流产的目的。当然,还可以将空化的雾化清洗作用广泛应用于超声保健和美容。 

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