图7.2　超声波示意图

图7.3　不同频率声波的传播形式

　　3.传播速度　声波的传播速度与介质的特性有关，而与声波的频率无关。声波在空气中的传播速度为340米/秒，在液体中为1500米/秒，在固体中为5000米/秒，人类软组织与在液体中相似，平均约为1540米／秒，人类骨组织约为3380米/秒。声波的传播速度都随介质温度的上升而加快，气温增高1℃，声速增加0.6米/秒。

　　4.超声的吸收与穿透　超声在介质中传播时，强度随其传播距离而减弱，这说明超声能量被吸收，超声的吸收与介质的密度、粘滞性、导热性及超声的频率等有关。超声在气体中被吸收最大，液体中被吸收较小，固体中吸收最小，在空气中的吸收系数比在水中约大一千倍。且介质的吸收系数又与超声波频率的平方成正比，因而高频超声在空气中衰减异常剧烈，所以在治疗中声头下虽是极小的空气光泡，也应避免。

　　在实际工作中常用半吸收层来表明一种介质对超声波的吸收能力。半吸收层是指超声波在某种介质中衰减至原来能量的一半时的厚度。半吸收层厚度大，表示吸收能力弱，不同组织对同一频率的超声波其半吸收层值不同，如频率300千赫的超声波，肌肉半吸收层值为3.6厘米，脂肪为6.8厘米，肌肉加脂肪为4.9厘米。同一组织对不同频率的超声波吸收也不同，超声频率愈高吸收愈多，穿透愈浅，如90千周的超声能穿透软组织10厘米，1兆周的超声将穿透5厘米，而4兆周的超声只穿透1厘米深度。因此，目前常用于理疗的超声波选用8000千周/秒，穿透深度为5厘米左右。

　　5.折射、反射与聚焦　超声波由一种介质传播至另一种介质时，将在界面处一部分反射回第一种介质（反射），其余透过界面进入第二种介质，但会发生传播方向的偏转（折射）。声波在界面被反射的程度决定于两种介质的声阻差，声阻差越大，反射程度也越大，（介质的密度和声速的乘积叫介质的声阻）。表7.1可见脂肪、肌肉之间反射很少，但在骨的表面则反射很多。声头与空气间反射近于100％，所以超声治疗时需用石腊油等作接触剂，以减少反射。实验证明，由声头进入组织的超声能量只有35～40％，而60～65％被反射。由于空气与组织间的反射，使大量超声能丧失，所以超声波不能通过肺和充气的胃肠。

　　基于超声传播的反射、折射原理，采用透镜及弧面反射而将声束聚焦于焦点上以产生强大的能量，而治疗某些疾病，如用集束超声波破坏脑部肿瘤等（图7.4）

表7.1　几种物质的声速、密度和声阻

图7.4　超声集束的方法

　　（二）超声波的声场

　　超声波在介质中传播的空间范围　即介质受到超声振动能作用的区域叫超声声场。超声因其频率高，具有类似光线的束射特性，在接近声头的一段为几乎平行的射束，称之为近场区。其后射束开始扩散，称之为远场区（图7.5）。由于超声场的这种特性，为克服能量分布的不均，在治疗时声头应在治疗部位缓慢地移动。

图7.5　超声声场

　　描写超声声场的主要物理量有声压和声强。

　　1.声压　即声能的压力，代表超声波的强度。超声传播时在稠密区产生正压，在稀疏区产生负压。

　　超声波由于其频率甚高，因而声压亦甚大。中等治疗剂量的超声波在组织中产生的附加声压约为±2.6个大气压。（图7.6）

图7.6　超声治疗时在人体组织中的声压

　　2. 声强　为单位时间内声能的强度，即在每秒内垂直通过每平方厘米面积的声能。常用测量单位是瓦特/厘米²（W/cm²）。临床常用治疗剂量为0.1～2～2.5W/cm²，而震耳欲聋的大炮声声强只相当于0.0.～0.0001W/cm²。可见超声波在介质中传播时，它的巨大能量会使介质质点产生很大的加速度，一般中等响度的声波通过水时，水分子获得的加速度只有重力加速度（约为9.8m/s）的百分之几，如在频率为800～1000KHz、声强为0.5～2W/cm²的超声波作用下，水分为得到的加速度可以超过重力加速度5～10万倍。

　　（三）超声波的发生

　　产生超声波有各种方法，目前主要用压电式超声发生器，它是根据压电效应的原理制成的。具有压电效应性质的晶体受到压缩或伸拉时在其受力面上就会产生数量相等而符号相反的电荷，这种物理现象称为压电效应（图7.7）。

图7.7正压电效应略图

　　若在晶体两侧加以一定频率的高频电压，晶体薄片就能准确而迅速地随着交变电场频率而周期性地改变其厚度（压缩与伸展）。由此形成超声振动，向周围介质传播。

　　三、超声波的生物物理学效应及其作用机理

　　（一）机械作用

　　机械作用是超声波的一种基本的原发的作用。超声波在介质内传播过程中介质质点交替压缩与伸张形成交变声压，不仅可使介质质点受到交变压力（在治疗剂量下，每一细胞均受4－8mg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，可引起较强的细胞浆运动（原浆微流或称环流），从而促进细胞内容物的移动，改变其中空间的相对位置（据观察，强度不大的超声波能使嗜伊红细胞的原浆颗粒旋转，剂量大时甚至颗粒被抛出细胞外），显示出超声波对组织内物质和微小的细胞结构的一种“微细按摩”的作用。

　　这种作用可引起细胞功能的改变，引起生物体的许多反应。可以改善血液和淋巴循环，增强细胞膜的弥散过程，从而改善新陈代谢，提高组织再生能力。所以治疗某些局部循环障碍性疾病，如营养不良性溃疡效果良好。有人观察在超声波的机械作用下，脊髓反射幅度降低，反射的传递受抑制，神经组织的生物电活性降低，因而超声波有明显镇痛作用。超声的机械作用还能使坚硬的结缔组织延长、变软，用于治疗疤痕、粘连及硬皮症等。

　　可见，超声波的机械作用可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能，因此有重要的治疗意义，在超声治疗机理上占重要地位。

　　（二）温热作用

　　超声波作用于机体时可产生热，有些人甚至称为“超声透热疗法”。超声波在机体内热的形成，主要是组织吸收声能的结果。其产热有以下特点：

　　1.由于人体各组织对声能的吸收量各有差异，因而产热也不同。一般超声波的热作用以骨和结缔组织为量显著，脂肪与血液为最少。如在超声波5W/cm²，1.5分钟作用时，温度上升在肌肉为1.1℃，在骨质则为5.9℃。

　　2.超声波热作用的独特之处是除普便吸收之外，还可选择性加热，主要是在两种不同介质的交界面上生热较多，特别是在骨膜上可产生局部高热。这在关节、韧带等运动创伤的治疗上有很大意义。所以超声波的热作用（不均匀加热）与高频是及其他物理因子所具有的弥漫性热作用（均匀性加热）是不同的（图7.8）。

　　3.超声波产生的热将有79－82％由血液循环带走，18－21％由邻近组织的热传导散布，因此当超声波作用于缺少血循环的组织时，如眼的角膜、晶体、玻璃体、睾丸等则应十分注意产生过热，以免发生损害。

图7.8　四种深部透热治疗时各层组织温热曲线

　　（三）理化作用

　　基于超声波的机械作用和温热作用，可继发许多物理的或化学的变化如：

　　1.氢离子浓度的改变　炎症组织中伴有酸中毒现象时，超声波可使pH值向碱性方面变化，从而使症状减轻，有利于炎症的修复。

　　2.对酶活性的影响　超声波能使复杂的蛋白质解聚为普通的有机分子，能影响到许多酶的活性。如超声作用能使关节内还原酶和水解酶活性增加，目前认为在超声治疗作用中水解酶活性的变化是起重要作用的。

　　3.近年来对超声作用机理的研究，已深入到细胞分子水平。在电镜下观察发现，细胞内超微结构中线粒体对超声波的作用最敏感。核酸也很敏感，实验发现低强度超声波作用可使细胞内胸腺核酸的含量增加，从而影响到蛋白质的合成，刺激细胞生长。

　　4.在高强度的超声作用下，组织内可形成许多高活性的自由基，如HO₁、OH、H₂O₂、O等，它们可加速组织内氧化还原过程，加速生长过程。

　　目前，关于超声波的生物学作用机理仍有多种争义。但多数学者认为，具有物理学特性的超声机械振动，以及在此基础上产生的分布特殊的“内生热”和必然引起的生物理化改变，是有机联系的。弧立的强调那一方面的作用都是片面的，并在上述三方面基本作用因素的基础上，通过复杂的神经－体液调节途径治疗疾病的。神经系统的反应和调节在超声波的治疗机理中起着主导作用，而超声作用过程中发生的体液方面的改变，又是作用的物质基础，二者有机结合构成统一的反应过程。

　　四、对机体组织器官的作用

　　（一）对神经系统的影响

　　小剂量超声波能使神经兴奋性降低，传导速度减慢，因而对周围神经疾病，如神经炎、神经痛，具有明显的镇痛作用。大剂量超声波作用于末梢神经可引起血管麻痹、组织细胞缺氧、继而坏死。

　　中枢神经对超波显示较高的敏感性，有人指出，即使是用0.1W/cm2的强度直接作用脑组织，也可造成不可逆的损伤，因此，国外有些人指出“超声波禁用于脑部”。但近年来国内不少单位通过实验研究和临床实践证明，使用强度为1.5W/cm2以下（常用0.6～1.2W/cm²）的脉冲式超声波移动法作用于头部，对脑实质无损害（由于大部分超声波能量被头皮及颅骨吸收和反射，只有2.5－20％透入颅内），并用于治疗脑血管意外偏瘫及其它某些神经系统疾病有一定疗效。

　　（二）对循环系统的影响

　　房室束对超声波的作用很敏感。超声波主要影响心脏活动能力及其节律。大剂量超声波可使心律减慢，诱发心绞痛，严重时发生心律紊乱，最后导致心跳停止；小剂量超声波使心脏毛细血管充血，对冠心病患者有扩张动脉管腔及解除血管痉挛的作用，故用1W/cm2以下脉冲式超声波作用心脏，对冠状动脉供血不足患者有一定疗效。

　　治疗剂量超声对血管无损害作用，通常可见血管扩张，血循环加速。低强度超声作用下，血管器扩张；在较大剂量作用下，可引起血管收缩。更大剂量的超声可使血管运动神经麻痹，从而造成血液流动停止。用大剂量超声时可直接引起血管内皮肿胀，血循环障碍。

　　（三）对眼睛的影响

　　由于眼的解剖结构特点是球体形态，层次多，液体成份和血循环特点等因素容易热积聚致损伤。大剂量超声可引起结膜充血、角膜水肿甚至眼底改变，对晶体可致热性白内障。还可以引起交感性眼炎。但用小剂量（脉冲式0.4－0.6W/cm²3－6分钟以下），可以促进吸收，改善循环，对玻璃体浑浊、眼内出血、视网膜炎、外伤性白内障等有较好疗效。

　　（四）对生殖系统的影响

　　生殖器官对超声波较敏感，治疗剂量超声波虽不足以引起生殖器官形态学改变，但动物实验可致流产，故对孕妇下腹部禁用。睾丸组织对超声波很敏感，高强度作用可有实质性损害和不育症。实验证明适量超声波可以减少人和动物的精子产生，因此提出，用超声波作为一种男性可逆性避孕的方法。

　　（五）对骨骼的影响

　　小剂量超声波（连续式0.1－0.4W/cm²、脉冲式0.4－1W/cm²）多次投射可以促进骨骼生长，骨痂形成；中等剂量（3W/cm²以下5分钟）超声波作用时可见骨髓充血，温度上升7℃，但未见到骨质的破坏，故可用于骨关节创伤；大剂量超声波作用于未骨化的骨骼，可致骨发育不全，因此对幼儿骨骺处禁用超声。超过3.25W/cm²移动法被认为是危险的剂量。

　　（六）对结缔组织的作用

　　结缔组织对超声波的敏感性较差，对有组织损伤的伤口，有刺激结缔组织增长的作用；当结缔组织过度增长时，超声波又有软化消散的作用，特别对于浓缩的纤维组织作用更显著。因此超声波对疤痕化结缔组织有“分离纤维”作用，有使“凝胶变为溶胶”的作用。在临床上亦可见超声波对疤痕有较明显的软化散作用。

　　五、设备与治疗方法

　　（一）治疗设备

　　1.超声治疗机

　　（1）主要结构原理：由高频振荡器和输出声头两部分组成。

　　其主要结构原理如图7.9

图7.9　超声治疗机原理示意图

　　（2）输出形式

　　连续超声波：是在整个治疗过程中，声头连续不断地辐射出声能作用于机体。它作用均匀，产热效应较大，（图7.10A）。

　　脉冲超声波：是在治疗过程中间断地辐射出声能作用于机体，它的热效应较小，（图7.10B.C）。

　　2.辅助设备　是为特殊治疗需要或便于操作面准备的附件。如水枕、水袋、水槽、水漏斗等。如图7.11；图7.12。

　　3. 接触剂　要选择其声阻接近于人体组织者，以减少其与皮肤界面间的反射消耗。常用有煮沸过的水，液体石腊，凡士林油等（图7.13）。

图7.10　连续超声和脉冲超声

图7.11　金属水槽