生物学效应及其治疗原理

一、生物学效应及其治疗原理

(一)机械作用

超声波强度不论大小均可产生机械作用，机械作用是超声波最基本的一种作用，它的来源为二:行波和驻波。当超声波在介质中传播时使介质质点交替地压缩和伸张产生正压和负压的波动，称为行波。行波形成的压力变化称为交变声压。当在介质中前进的超声波通过两介质界面时，局部声波被反射，当入射面与反射面的距离为1/4波长的奇数倍时，则前进波和反射波就彼此迎面相遇而形成驻波。驻波可影响媒质张力、压力，以及质点的巨大加速度。当驻波作用于液体时，液体内电离的离子，由于质量不同，就可产生不同的运动速度，质点大的离子落后于质点小的离子，从而使离子之间产生相对运动，产生摩擦力，因此说驻波产生机械作用的基础是速度差。实验证实，在超声波的生理作用中驻波起着很大作用。

超声波的机械作用使组织内细胞振动产生微细的按摩作用，称为微细按摩或细胞按摩。细胞按摩可使细胞原浆产生微流或环流，促使细胞内容物的移动，改变细胞内部结构，引起细胞功能变化。细胞按摩可增加细胞半透膜的通透性，改变膜内外离子浓度，进而引起电位差的变化，产生超声波对组织生物电效应的基础。通透性的增大可提高细胞的代谢功能，增加细胞活力。细胞按摩还可促进组织局部的血液、淋巴液循环。另外，超声波的机械作用能使坚硬的结缔组织延长、变软，所以可用于治疗瘢痕挛缩等。综上所述，超声波的机械作用可改善局部组织、细胞的血液循环，增加通透性，改善组织营养，促进新陈代谢，提高组织再生能力，促进伤口愈合，软化瘢痕组织。

当大剂量超声波作用于生物体时，超声波的机械作用就可对生物体产生破坏性作用。可利用此杀灭细菌，如饮水消毒。此破坏性作用的机制除前述的行波、驻波的机械作用外，还有一更重要的机制，即超声波的空化作用。当超声波通过液体时，其交变声压作用使液体交替受到压缩和牵拉作用，由于液体能承受较大的压力，但不能承受较大的拉力，所以，当液体所受的牵拉力超出液体的内聚力时，液体就会破裂，其中形成极微细的空腔。空腔内壁有正负电荷分布。空腔存在的时间很短，在下一个压缩期的瞬时又闭合起来。空腔闭合时产生巨大的瞬间压力，可达数千到数万个大气压，并产生高温、放电、发光及氧化产物，如臭氧、氧化氮、过氧化氢等。超声波引起的这种液体产生空腔和破灭的现象，称作空化作用(图5-1)。它能造成细胞破裂、溶血等破坏作用，尤其对衰老的细胞特别敏感。超声波的空化作用与液体的静压强、黏滞性和超声波的频率、强度以及传播类型有关。对于治疗用的超声波来讲，由于其频率不太高而细胞浆(即细胞质基质)的黏稠性又比较大，因此，不足以引起机体组织空化作用。

图5-1　超声波的空化作用

(二)温热作用

超声波作用于机体，机体组织吸收超声波的声能能产生温热作用，它的治疗意义仅次于机械作用。机体吸收超声波转变为热能有四种原因:①超声波通过媒质时被吸收而转变成热能;②超声波在媒质传播时，产生交变声压，使组织细胞周期性紧缩，引起温度增高，温度的增高产生于压缩相位中;③超声波在不同组织界面上发生反射，产生驻波，使质点及离子发生摩擦而产生热;④在液体中由于空化作用产生局部高温，但临床治疗剂量，不易产生空化作用。

超声波作用于机体，产生的温热效应与下列因素有关:

(1)超声波频率越高，越易被组织吸收产热。

(2)组织黏性越高，吸收能量越多。所以同一超声剂量作用于人体，人体各组织对声能的吸收各异。一般以骨膜和结缔组织产热最显著，脂肪与血液为最少。在两种不同密度组织交界处，如皮下组织与肌肉组织交界处，肌肉组织与骨组织交界处，产热也较多。

(3)不同剂量、不同作用时间影响温热作用。剂量越大，作用时间越长，组织对超声波声能的吸收越多，温度升高越强。

(4)不同治疗方法使组织温度升高程度不同。实验证实:同样以1.2W/cm²的超声辐射5分钟，固定法要比移动法使辐射皮肤的温度上升约高1.5℃。当用脉冲超声作用时，几乎不产生热效应。

(5)机体局部血液循环状况将影响超声波的产热效应。因为超声波在机体产生的总热量，79%～82%被血液循环带走，平均每秒钟运走3%～3.5%，只有18%～21%的热依靠组织的热传导而散热。所以有血液循环障碍或局部血运不丰富时，超声辐射区就会出现热积蓄现象，如正常人的晶状体、角膜等部位血运差易产生热积蓄而引起损伤，在超声波治疗中应引起重视。

(6)耦合剂也叫接触剂，是在声头与皮肤之间有利于填充空隙，防止有空气层而产生界面反射，以利超声能量通过的一种物质，如水、甘油、凡士林、液体石蜡等。超声治疗时施用不同的耦合剂，引起的局部升温也不同。实验显示:在超声波作用下，使用水做耦合剂升温2.5℃，矿物油则可达9℃，甘油则高达19℃。因此治疗时，应有选择地使用不同的耦合剂。

超声波的温热作用能引起血管功能及代谢过程的变化，并产生一系列复杂的神经反射，使人体组织产生各种相应的反应。超声的温热作用除普通吸收之外，还有独特之处即可选择性地局部加热，产生高温，如在不同组织界面加热。

(三)化学作用

超声波能加速或抑制化学反应，进而产生生物化学作用，超声波的生物化学作用多因聚合反应和解聚反应所致。聚合反应是将许多相同或相似的分子合成一个较大分子的过程。超声波产生聚合反应是因为:超声波使水分子分解产生OH^－、HO₂、H^－、O²⁺等自由基，这些自由基具有强的氧化还原活性，能诱导水中的稳定化合物生产自由基，从而产生聚合反应。在超声波作用下，大分子胶体化合物之间或具有巨大运动速度的溶剂质点与悬浮于溶剂中的大分子化合物之间产生的摩擦力，使C=C键或C=O键断裂形成不饱和的具有自由基性质的根，从而产生聚合反应。解聚反应和聚合反应相反，是大分子黏度下降，分子质量减少的过程。当超声波作用时，溶液的黏度暂时下降，停止作用后，又恢复到原有水平，称为可逆性解聚。不可逆解聚是指在超声作用下产生不可逆的黏度下降，分子质量也减少。超声波强度可影响解聚程度。

超声波化学作用的作用机制有:

(1)超声波产生的介质质点之间的摩擦力，能引起化学键的断裂，局部高温能加快化学反应的速度。因此，小剂量超声波可促进细胞内蛋白复合物的生长合成，对损伤组织的再生有刺激作用;治疗剂量的超声波可刺激纤维细胞内蛋白合成，还可促进糖原的合成。超声波能使复杂的蛋白质较快地解聚为普通的有机分子，从而活化许多酶。超声波对细胞内线粒体和核酸很敏感，可促进细胞的物质代谢。另外，超声波可增加组织内的SH基化合物，从而还原体内许多活性物质(如酵素、酶、维生素、激素、神经递质等)。

(2)超声波可使细胞膜通透性增高，利于药物透入细菌体，提高杀菌能力。

(3)治疗剂量的超声波可使组织的pH值向碱性方向变化，可减轻急性炎症的酸中毒和缓解疼痛。

(4)超声波的空化现象产生的电离、紫外线辐射、高温及氧化产物等均可影响化学反应。

超声是在以上4种基本作用因素基础上，通过复杂的神经体液调节途径治疗疾病的，而中枢神经、周围神经和自主神经对超声均很敏感，因此，神经系统的反应和调节在超声治疗机制中起主导作用。同时，超声作用下所产生的一系列原发和继发的体液因子的变化是和前者相辅相成，互为因果的，所以对超声作用时的具体条件，如超声频率、输出方式(连续/脉冲)、强度和时间以及受作用的组织的特点等应给予重视。