医学超声学课件第8章

第八章其它医用超声技术及研究•超声治疗技术•超声波治疗的其它技术•超声全息技术•超声显微镜•超声CT•医学超声研究的新发展本章提要：Chapter8OtherUltrasonicTechnicalsandResearchforMedicalPurpose第8.1超声波治疗技术　它主要利用了组织吸收超声波能量的特性，即温热效应、机械效应、空化效应和理化效应，达到治疗的目的。目前，用超声波碎石治疗和用超声波肿瘤治疗是一个很重要的研究课题。另外，借助超声波图像的显示，也能进行介入性治疗。用超声波治疗肿瘤的方法是：利用环形相控阵换能器使声束能量聚焦于病变部位，使其温度升高超过43℃以上，使癌变细胞组织坏死。相对于电磁波治疗（弥散性），超声治疗中声束方向、聚焦定位和声功率分布模式更便于控制。目前，聚焦定位方法大多采用B型图像与治疗声束结合的方式，国内的HIFU（HighIntensiveFocusUnit，“海福”）超声聚焦刀也已诞生。　　医学超声波技术未来的发展与研究包括应用研究与基础研究，8.1节～8.6节主要介绍的是应用研究。随着医学超声学的发展，医学超声的基础研究也方兴未艾，朝着不断深入的方向进行着，本章8.7节重点介绍这方面的内容。但是，由于生物体内组织的不均匀性，使得不同组织的超声波传播速度也不相同，产生折射现象的情况也很复杂。另外，超声波成像与超声波治疗所采用的超声波频率和功率也不相同，也会引起一些误差。因此在用超声波治疗时，这种三维聚焦精确定位技术仍然是一个值得商榷的问题。下图展示的是用超声波技术治疗疾病的定位系统和治疗系统的关系示意图。治疗系统定位系统病人治疗目标：焦区和焦斑多元治疗换能器多元定位换能器目标位置信息定位系统和治疗系统的关系焦区：组织内超声聚焦形成的强度相对较高的区域。焦斑：焦区内组织在超声波照射下发生坏死的区域。海扶刀又称JC型聚焦超声肿瘤治疗系统，是用于临床无创性“切除“实体肿瘤的大型医疗设备。可对肿瘤包块可实现一次性“热切除”，通常不需要反复多次治疗，一般不受肿瘤体积大小的限制；无创治疗：乳腺癌患者保乳，骨肿瘤患者保肢，子宫肌瘤患者保子宫等；适形治疗：立体组合扫描技术，适形“切除”肿瘤。低能量的超声波经海扶刀准确聚焦于靶组织，能量得到数千倍放大，所产生的高温效应、空化效应、机械效应和超声生化等效应，使肿瘤组织凝固性坏死，瞬态失去增殖、浸润和转移的能力，并最终被机体吸收。重庆海扶(HIFU)技术有限公司HIFU样机图适应症：肝癌、肾癌、膀胱癌、乳腺癌、盆腔肿瘤、软组织肉瘤、恶性骨肿瘤、腹膜后肿瘤、胰腺癌和子宫肌瘤等实体肿瘤，也适用于晚期恶性肿瘤止痛治疗。声强范围：　　焦点处＞10000W/cm2，焦域组织瞬态温度可达65℃-100℃　　生物学焦域：最小可达1.1mm×1.1mm×3.3mm　　聚能比：1:3000第8.2节　超声波治疗的其它技术一、超声波乳化白内障摘除术　　　　治疗白内障的常规方法一般都是囊外摘除＋人工晶体植入术，而超声乳化术是白内障囊外摘除术中最新的方法，被认为是目前世界上最先进的技术。是由计算机控制，集乳化、灌注、吸引于一体的全新眼用超声乳化系统。　　手术时，只需通过2.5~3.5毫米的小切口(而一般的囊外手术需要8~12mm)，将治疗探头伸入眼内，利用超声波的“切割效应”和“空化效应”将晶体核粉碎、乳化后吸出眼外，并植入可折叠的人工晶体得以复明。手术只需１５分钟，不打麻醉针，不出血，不缝合，不住院。较为重要的是，手术适合于白内障未成熟期。　　超声波乳化仪技术指标：超声频率48KHZ；输出功率30W；流率0-40ml/min；真空度0-500mmHg；恒功率控制、全自动调谐、触摸开关、液晶屏显示、小车型。二、超声波药物雾化吸入治疗技术超声波雾化吸入疗法系气雾吸入疗法的一种。是利用超声波的空化作用，使液体在气相中分散，将药液变成雾状颗粒（气溶胶），通过吸入直接作用于呼吸道病灶局部的一种治疗方法。应用超声雾化器产生的气雾，其雾量大，雾滴小（直径约1～8μm）而均匀，吸入时可深达肺泡，适合药液在呼吸道深部沉积。吸入一定的雾化剂，可解除支气管痉挛，减少粘膜水肿和液化支气管分泌物，利于自呼吸道排出及刺激呼吸道的自我清洁机制和改善通气功能；促进支气管炎症的消失。此法也可作为肺部肿瘤疾病的辅助治疗方法。超声波雾化吸入疗法的优点是：药物可直接作用于呼吸道局部，使局部药物浓度高，药效明显，对呼吸道疾病疗效快，用药省，全身反应少。此外，药液在超声作用下形成的雾滴具有空气离子的作用。三、超声波碎石治疗技术它是利用超声波的“切割效应”和“空化效应”将人体肾结石和胆结石粉碎，通过人体的自我排泄系统将被粉碎的结石排出体外。与用超声波治疗肿瘤的方法相类似，它利用环形相控阵换能器使声束能量聚焦于病变部位，使生物组织被治疗部位受到交变压力（在治疗剂量下，每一细胞均受压力变化影响）及获得巨大加速度而剧烈运动，相互磨擦，而且能使组织细胞产生容积和运动的变化，粉碎成细末，进而排出体外，达到治疗目的。四、最新微创手术（腹腔镜技术）中的超声波手术刀微创手术的最大特点是不需要大面积切开腹部，只需在腹部打４到５个伸入手术器械的小孔，手术花费时间小，病人痛苦小，术后恢复快（第二天就可下床）。微创手术适用的病症是肝、胆、肾、胃、肠（结肠和直肠）、子宫等所有的腹部手术。微创手术中使用的手术器械：１、腹腔镜或内窥镜；２、充气隔离；３、内部手术钳；４、电刀或超声波手术刀。　　超声波比电刀的最大优点是：它是利用超声波从电能到机械能的转换，利用超声波的温热效应和机械效应进行手术切割的。体积小，手术中不流血，不产生电刀的那种汽化，适用３ＣＭ以下囊块的切割。在微创手术中发挥着重要的作用。五、对心脑血管中血栓消融的治疗作用将２０～４５KHZ、１０～３０W／CM２的超声波通过传输导线传递至血管闭塞或狭窄部位，使血栓破碎消融并通过毛细血管代谢吸收，达到治疗血栓的目的。六、超声波用于牙科和美容　　　用于修整牙管并清洗管内残留物。利用超声波进行人体皮肤的微按摩和超声波表浅组织病变（肿瘤、疣、痣）的微切割。第8.3节超声全息成像超声全息技术:它是20世纪60年代发展起来的一种新的成像技术。它引用了光全息技术的概念。应用两束超声波的干涉和衍射来获取超声波振幅和相位的信息，并用激光进行重现振幅和相位。全息术用两步成像的方法：第一步，根据波的干涉原理，记录超声物波与参考波的干涉图案，即全息图；第二步，根据波的衍射原理，用激光复现波照明全息图，使光波的一部分成为原始物波的一个精确复制，就是再建图像。目前，比较成功的超声全息法有液面法、扫描法和时间参考全息法等。下图的超声液面法全息成像装置是超声全息成像的典型例子。超声信号发生器光电扫描器显示设备激光器反射镜物波探头参考波探头水油槽针孔针孔干涉条纹超声液面法全息成像装置示意图反射镜透镜透镜第8.4节超声波显微镜超声显微镜:用来观察人体内组织和细胞的细微结构、特性及其变化。由于声传播的路径很短，故可采用较高的频率，如1500MHz，以取得很高的分辨率。目前超声波显微镜可做到0.02μm以下的分辨程度。较好的光学显微镜分辨能力小于1μm，电子显微镜分辨能力可小于1nm以下。光学显微镜和电子显微镜只能观察物质的表面；而超声显微镜可观察到物质的内部结构。超声显微镜从声学的角度提供组织的特征信息，这些信息用光学和电子显微镜是不能得到的。对于反射式超声显微镜：可提供有关界面声阻抗特征的信息；对于透射式超声显微镜：它提供有关组织衰减、折射和声速等信息。用超声显微镜观察组织和细胞时，不需要染色，对生物体干扰很小。可真实地观察到生物组织内部结构的本来面目。第8.5节超声CT超声波CT:它是X射线CT理论的移植和发展。在X射线CT诞生不久，研究者们就用超声波束代替X射线，采用它的各种扫描图像重建方法，并由透射数据进行如同X射线CT那样的图像重建，就成为超声波CT，它多采用衰减成像方式。超声CT成像的因子可以是：组织声衰减、组织声速（渡越时间和折射指数）、二阶非线性参量B/A，非线性反射系数等。超声衍射CT也被广泛地研究。超声波CT不仅能反映生物组织的形态变化，还能反映组织的生化特性。超声波CT主要有两个优点：1.无放射性危害；2.能够得到与X－CT及其其它超声检测方法不同的诊断信息。目前所采用CT成像原理有：1.时差CT；2.衰减系数3.衍射CT。下图是透射式超声CT扫描系统的示意图。扫描器位置控制旋转控制高度控制水接收器发射器发射／接收信号处理计算机系统（数据采集、图像重建、系统控制）人机接口显示器透射式超声CT扫描成像系统示意图扫描声束第8.6节激光产生超声波的原理和方法　　激光产生超声波的机理源于激光与物质的相互作用并与激光的强度有关。当较低强度的激光脉冲作用到介质（液体或固体）上时，光能被介质吸收、变热、产生膨胀，进而产生超声波。在液体中，将产生纵波，并具有一定的指向性。在固体中，会产生纵波、横波和表面波。这是激光发声的线性理论，即“光声机理”。下图是激光超声的基本原理示意图：应用价值和优点：能以非接触方式对物体进行无损检测，发射激光源到被测物体之间的距离可达１０M以上，特别适用于对高温、高压及有危害的恶劣环境下的物体检测。高能量脉冲主激光发生器参考单频激光器激光干涉仪光电倍增管样品光电二极管去示波器触发去示波器垂直输入束分裂器干涉波纹注：高灵敏度测量样品背面超声波引起的微小振动位移，对样品缺陷进行检测。透镜利用光声转换产生聚焦超声波脉冲，进行医用体外碎石的研究。实验装置如下图所示。其原理是：激光脉冲经过一个对光有高吸收系数（α＝１０２CM－１）球膜状液体层，光能量在层中被释放，液体膜被加热，当其膨胀时便向水中辐射出一个聚焦压力脉冲波。焦点处的压力峰值可达１０Mpa，持续时间为１０２ns。已经在实验水中成功地粉碎了肾结石样品。激光高强度聚焦压力脉冲高吸收液体膜水结石样品光声转换聚焦超声体外碎石示意图第8.7节医学超声基础研究简介问题的提出：A.与光线和Ｘ射线等在媒介中传播的情况不同，超声波在组织中传播发生的声速和声衰减的变化，以及反射、折射、衍射、吸收和扩散等现象都非常显著。在第四章中的三个物理假设:1.声束在介质中以直线传播；2.在各种介质中声速均匀一致；3.在各种介质中介质的吸收系数均匀一致。在实际的组织中很难真正满足。自然造成了构成图像与实际组织不一致的情况，形成伪像（artifact），即由形状位置失真和亮度失真造成以及多次反射引起的图像伪差。因而造成了医学超声诊断只能作为定性诊断的事实。B.在回波法中除了软组织界面所携带的声阻抗亮度信息，还带有超声背向散射等相关信息。对这些信息的提取、分析和处理，可以得到与生理病理有用的特征参量，这些都属于超声组织定征的范畴。C.当有限振幅声波在生物组织中传播时，它的波形逐渐产生畸变，产生高阶谐波和其它频率的组合波，这种现象称为声学的非线性。这些都是医学超声学基础研究中进一步研究的内容，也是研究型大学的本科专业学生必须关注和了解的内容，本节概括简要介绍这方面的内容。１．超声波生物组织吸收机理和数学模型的建立　　吸收是超声衰减的一个重要因素，生物组织对超声波能量的吸收归结为物理变化和化学变化，其机理归结为以下九种：１）由粘滞阻尼引起的吸收；２）由热传导引起的吸收；３）由热辐射引起的吸收；４）由声波对介质中分子的固有自由度和平移自由度的平衡扰动引起的吸收；５）由声波对介质中同分异构体之间的平衡态的扰动引起的吸收；６）由声波对介质中单体和二聚体以及多聚体之间平衡态的扰动引起的吸收；７）由声波对介质的远程有序平衡度的扰动所引起的吸收；８）由相位转换和扩散引起的吸收；９）由磁流体动力学相互作用引起的吸收。　　其中１）、２）被称为经典吸收，其它被称为弛豫吸收。弛豫吸收在吸收成分中占主要地位。　　其数学模型的建立是基于热力学原理之上的，即热力学恒等式。得出吸收系数数学模型为（描述略去）：)ττω1)τω(τarccos(c2kεωα2121220r02+−=２．超声生物组织模型的研究