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1、超声对人体的影响李晓愚 讲师,本章重点：超声生物效应超声的空化机制,一 概述,超声波是目前广泛应用于临床诊断和治疗的手段之一。无创可视,1、电磁波和机械波。电磁波：电磁能量，以其频率可分为无线电波、红外线、可见光、紫外光、X射线，射线和高能宇宙射线。,机械波：由于机械力（弹性力）产生的机械振动在介质中的传播，它传播的是机械能量，并且仅能在介质中的传播。声波以频率可分为三大类：次声波、声波、和超声波。,超声波（Ultrasound）是指频率超过2万赫兹即超过人耳听阈高限的声波。一般诊断用超声波频率为110MHz，而最常用的是2.55MHz。,2、超声在医学中的应用发展1915年法国科学家在研究超
2、声水压探测时，就发现了强超声对鱼类等水中小动物可以产生致死效应。40年代末，A型（Amplitude Mode）超声诊断仪开始应用于临床。脑中线的探测、眼轴的测量、浆膜腔积液的诊断、肝脓肿的诊断以及穿刺引流定位 不久B型（Brightness Mode）、M型（Motion Mode）和D型（Doppler Mode）超声诊断仪相继问世。,70年代迅速向二维灰度显示的B型超声诊断仪D型超声诊断仪也开始出现。80年代出现彩色多普勒血流显像。90年代，出现高强度聚焦超声。,二 超声生物效应,1、概念是指当作用人体的超声波达到一定剂量时，可以使人体组织或器官产生某些生化的、免疫的、功能结构上的可逆或
3、不可逆的变化。,2、超声生物效应产生的机制 热机制 机械机制 空化机制,热机制,超声波在生物体内传播的过程中，其振动能量不断地被组织吸收,导致物体分子快速摩擦产生热能而使组织自身温度升高。,机械机制,超声波是一种机械振动能量的传播形式，在作用于人体时，可以引起生物体系中的生物大分子、细胞及组织结构处在激烈振动的机械运动场中，其功能、生理过程甚至结构都可能会受到影响。,空化机制,空化效应是指在超声作用下,人体内的微气泡（气核）表现出的各种形式的活性.这些微小气泡或作非线性运动或在高压作用下迅速增大、急剧压缩、快速破裂或塌陷。,根据气泡不同的动力学行为，可以分为稳态空化和瞬态空化两种。稳态空化是气
4、泡在声压的作用下可能进入体共振（即体脉动）状态，当声波频率接近气泡共振的特征频率时，体脉动的幅度达到最大。瞬态空化是指在强度较高的声场中，气泡在声场负压相迅速膨胀，随即又在正压相突然收缩以至崩溃。,三 超声对人体的影响,超声在临床上按照应用不同分为诊断性超声和治疗性超声。诊断性超声包括常见的B超、彩色超声多普勒等，是临床上常用的检查方法。治疗性超声即高强度聚焦超声（HIFU）。,（一）诊断性超声对人体的影响,1、胚胎和胎儿：妊娠期的诊断性超声照射可以导致老鼠胎儿的生长发育迟缓，出生体重降低。对于人类还有待于进一步研究。,2、神经组织：在孕早期以诊断性超声照射可能影响胚胎脑功能的发育。,3、细胞
5、：孕812周接受3.5MHz超声照射5分钟，可以引起胎儿角膜上皮的肿胀，但呈可逆性改变。照射20分钟则出现不可逆的角膜表层细胞坏死。超声照射中期妊娠妇女30分钟，可出现胎儿睾丸精原细胞肿胀。,4、染色体、DNA：孕早期接受诊断性超声照射，新生儿脐血的姐妹染色单体交换率增加，中晚期的累积超声照射使染色单体的交换频率下降。超声照射离体细胞，观察到DNA断裂、嘌呤、嘧啶醇堆积，且自由基水平增高。,（二）高强度聚焦超声,高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound，HIFU）是19世纪40年代首先由Lynn等提出的一种技术，早期主要应用于神经外科选择性破坏脑内的特
6、定区域，以帮助神经性行为异常疾病的治疗。,1、定义：高强度聚焦超声是利用一定的聚焦方式，将超声源发出的声能量聚焦于体内某一靶区。组织内超声聚焦形成的强度相对较高的区域成为生物学焦域（biological focal field,BFF）。,2、HIFU在肿瘤治疗中的应用,对聚焦超声生物学效应的研究和应用在上世纪80-90年代成为研究热点，一系列体外、体内实验开始进行，如肝、前列腺、乳腺肿瘤等。真正将HIFU技术用于临床则是由重庆医科大学完成的。自1997年首次应用于人体疾病治疗以来，迄今已治疗了上千例病例，适应症已由肝癌、骨肉瘤等扩展到了乳腺癌、胰腺癌、肾癌、软组织肿瘤和盆腔肿瘤。,优点：可通
7、过实时监控超声来观察肿瘤的大小、部位、形态以及与邻近组织器官的关系，保护周围的正常组织。适形治疗，不受肿瘤大小和形状的限制，可切除任意大小、任意形状的肿瘤包块。无创，无伤口，避免患者术后感染。治疗剂量均匀一致，确保灭活肿瘤靶区(焦域)内所有肿瘤细胞。“绿色治疗”，没有放射线，没有放疗副作用，对患者、医生和环境均无辐射污染，勿须辐射防护措施等。,3、HIFU引起的病理变化,巨体表现：照射前，肉眼下兔乳腺移植性肿瘤与周围组织分界明显，切面呈粉红色鱼肉状。照射后呈白色凝固性损伤灶，椭球性，边界清，损伤区完全覆盖肿瘤。另外可见凝固性损伤区周围组织呈一黑色充血出血带。,镜下表现：光镜下，照射前肿瘤细胞排
8、列紧密呈实体巢状，细胞大，胞浆丰富，淡红染色，核大而淡染，核膜清楚，染色质颗粒较粗，核分裂相多见，细胞间纤维结缔组织较少。,照射后细胞明显固缩变小，胞浆减少，核固缩深染。细胞间隙明显增大，排列稀疏。但细胞轮廓完整，形态可辨。24小时后部分肿瘤细胞开始溶解，可见核碎裂，可见少许中性粒细胞和淋巴细胞浸润，靶区周围组织充血出血；3天后肿瘤细胞大片破裂、坏死溶解，细胞轮廓消失，伴大量中性粒细胞浸润，周围出现成纤维细胞和新生毛细血管；714天，肿瘤细胞完全坏死溶解，见不到完整的肿瘤细胞，靶区充满大量的中性粒细胞、单核细胞和少许淋巴细胞，周围纤维结缔组织增生明显，出现纤维化。3周后，靶区组织逐渐坏死脱落，
9、由纤维结缔组织增生修复。,照射前,照射后,电镜表现：肿瘤细胞明显水肿，细胞器肿胀，结构不清；部分细胞质膜及核膜失去连续性，染色质固缩，碎裂呈团块状。24小时后见细胞内大量水分积聚，形成空白区，细胞膜、核膜破裂，胞浆内可见大量散在深染的染色质团块，细胞器结构消失；第三天肿瘤细胞大片溶解，结构破坏消失。,结论：大多数实验结果显示，高强度聚焦超声能够有效的破坏肿瘤组织，抑制肿瘤的生长和减少肿瘤复发。只要辐照剂量足够，高强度聚焦超声能完全覆盖肿瘤组织，彻底杀灭肿瘤细胞。,4、超声治疗治疗肿瘤的机制,热效应：热效应是高强度聚焦超声治疗肿瘤的主要机制。将高强度的超声波聚焦在0.51.0cm范围内，在10秒
10、内即可产生很高的能量，使靶区温度瞬间达到65，使靶区组织发生不可逆坏死。,空化效应：空化作用可以促使生物组织产生自由基从而损伤生物组织。空化机制参与作用，可以使细胞的急性损伤程度增加。细胞外环境中的某些物质可以增强超声空化效应对细胞的损伤作用。如卟啉、光敏素2（photofrin II）等。,超声对化疗的增强作用：超声波在局部组织产生的声压力使细胞膜的通透性增加，化疗药物在肿瘤组织中浓度升高。超声空化效应引起的细胞膜损伤也是通透性增加的原因之一。超声对DNA的修复合成没有明显的影响，不诱使肿瘤产生对化疗的耐受性。,免疫协同作用：超声破坏肿瘤，使瘤/宿主优势得以改善；高温使瘤组织变性，肿瘤组织抗原性改变，更易于刺激机体免疫；超声辐照可以促进细胞内成纤维细胞促有丝分裂因子的释放，提高中性粒细胞的黏附能力，使白细胞更易于黏附；超声辐照还可以使一些生物活性物质（免疫调节剂）在肿瘤组织聚集，起到调节抗瘤免疫作用。,
