超声波的物理特性及医学应用

1 前言

在医学类应用型高校的物理课程教学过程中，应强化传授物理学理论的实际应用知识。如通过讲解振动与波动的物理学理论，进一步深入细致讲解超声波的物理特性及医学应用，能使学生提高理论联系实际的能力，提高物理学知识的应用能力，提高分析专业问题的能力，并切实感受物理学基本理论的重要性，从而激发学习物理知识的兴趣。超声波的物理特性主要分为两大方面：其一是超声波的传播特性，其二是超声波的物理效应。前者主要为医生提供可靠的诊断依据，后者主要为医生提供有效的治疗手段。

2 超声波的传播特性及医学应用

超声波是机械波，是机械振动在介质中的传播，其频率很高，在20 kHz以上，人耳听不到，但有些动物能听到低频段的超声，如蝙蝠、海豚等。以下是超声波的传播特性。

1）方向性好。超声波的频率很高，波长等于波速除以频率，即超声波的波长很短，使得它能像光波一样直线传播，呈现出很好的方向性。集束超声波传播到达某物体时，被该物体反射，根据反射波滞后时间，可进行精准探测定位。

2）功率大。超声波的传播过程也是能量的传播过程，根据物理学波动理论，超声波的功率是指单位时间内传递的能量，它与频率的平方成正比。超声波由于频率很高，因此功率也很大，即单位时间内传递的能量很大。

3）穿透能力强。超声波在传播过程中的强度衰减程度与介质声阻抗Z呈负相关，Z是描述声波传播介质力学特征的重要物理量，其大小等于介质密度ρ乘以声波传播速度c[1]，即Z=ρc。人体正常组织有一定的密度ρ，超声波在其间传播有一定的波速c，因此，人体正常组织有各自的声阻抗Z。如正常肝脏，Z=1.648×106kg·m-2·s-1，正常颅骨Z=5.571×106kg·m-2·s-1，而22 ℃空气的声阻抗要小很多，Z=4.07×102kg·m-2·s-1。从声阻抗大小可分析出，同一超声波在液体与固体中的强度衰减程度要比在气体中小很多，也即超声波在液体和固体中呈现很强的穿透能力。当超声波在人体组织中传播时，穿透能力的异常变化反映出人体组织密度的异常变化，这是医学超声诊断的重要理论基础。

4）反射显著。当波传播过程中遇到的物体几何尺寸比波长大数倍时，波在物体表面会发生显著反射。由于超声波的波长短，使得超声波传播过程中遇到较小物体就会有显著反射，这是超声波进入人体后能获得显著反射波信号的原因。此外，反射波特性的变化可判断人体组织病变情况，如是否有囊肿、结节等。

医用超声成像的原理就是利用了以上超声波的传播特性：由于方向性好，超声波检测时能对人体组织或病灶部位进行精准定位；超声波功率大和穿透能力强，使得超声波虽不断遇界面而反射，但仍然能深入人体组织和器官内部，而穿透能力发生异常变化，是判断人体组织是否异常的重要依据；超声波传播到人体组织和各类器官的反射回波，其特征受组织和器官的声阻抗影响，利用计算机图像处理技术，反射回波中所携带的有关人体组织和器官的声回波信号用灰阶图像显示出来，展现在屏幕上，为医生提供可靠的疾病诊断依据。

3 超声波的物理效应及医学应用

超声波的热效应、机械效应和空化效应统称为超声波的物理效应，这是在超声波传播过程中与介质发生作用而产生的。超声波在生物组织中传播所产生的物理效应，其形成机制较为复杂，这里仅作简单介绍，并举例分析医学应用。

热效应 超声波传播时，高频机械振动会沿着传播路径传递给介质分子，使介质分子也发生高频振动，从而产生热量，也即机械能转化为热能，这就是热效应的形成过程。超声波在人体组织中传播时，当热效应引起的温度上升到一定程度，将导致生物物质发生变化。超声波对人体的作用不会累积，其能量也不足以引起生物物质的电离损伤。也就是说超声波对人体很安全，这点与X射线相比有很大不同。

超声药物透入疗法就是利用热效应。将透入的药物加入相应的耦合剂，搅拌均匀，涂抹在治疗部位，再用超声波照射，在超声波的热效应作用下，能改变细胞膜的通透性，使药物更有效地通过皮肤或黏膜进入机体。热效应还能使局部血管扩张，血液循环加快，组织新陈代谢改善。超声药物透入不会改变药物原有性能，无电刺激，无灼伤，操作简单，可应用于治疗神经炎、坐骨神经痛、关节、肌肉及软组织损伤等疾病；不足之处是作用面积受限，仅适合局部定位治疗，而不适合药物的经皮吸收全身治疗。

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