超声波设备在诊疗中的应用及其安全性和潜在威胁
超声波设备在诊疗中的应用及其安全性和潜在威胁
作者 077901 代辰飞 指导教师 王世伟 教授
摘要：超声波设备历经100年的发展，完善出多种类型多种功能的诊疗器材，在诊断与治疗方面占据了重要的地位，并在安全性方面明显优于其他诊断设备，而特别运用在产科，成为不可替代的设备。不过同时，其潜在威胁也不容忽视。诊断仪声强，存在一个安全阈值，医患都应提高安全意识，不滥用超声诊断。
关键词：超声波设备 诊断与治疗 安全阈值 潜在威胁
一． 历史浪潮中渐渐走来的超声技术
自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章
1922年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。
1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。
1942年，奥地利医生首次将超声技术用于临床诊断，扫描颅骨内的病变，并由此发展出了A型超声诊断仪器。
40年代末期超声治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。
1954年，瑞典人应用M型超声显示运动的心壁，称为超声心动图。
50年代始至70年代中期的研究，使得二维B型超声有了长足的发展。
70年代，脉冲多普勒问世，对于心血管疾病的诊断很有帮助。
80年代，彩色多普勒血流成像进入了应用。
90年代以后，超声技术进展极快，采用了高频率、高分辨声匹配探头、各类腔内探头等技术，发展了介入治疗的新方法。
21世纪，超声聚焦外科更是有望解决肿瘤这一困扰人类多年的顽疾。
二． 现今社会中愈发完备的诊断与治疗手段
【超声波诊断设备原理】
超声波系统采用聚焦成像技术，该技术所能达到的成像性能远超过单通道的方法。采用阵列接收机，通过时间平移(time shifting)、缩放以及智能求和(summing)回声能量，可构建高清晰度的图像。时间平移的概念以及缩放传感器阵列所接收的信号提供了对扫描区域单点“聚焦”的能力。通过一定的顺序聚焦于不同的点，最终汇集成像。
在扫描开始时，将产生一个脉冲信号并通过每一8至512传感器的单元发出。此脉冲将定时且定量的“照射”人体的特定区域。在发射之后，传感器单元立即切换至接收模式。上述脉冲此时将构成机械能的形态，以高频声波传播通过人体，典型频率范围介于1MHz至15MHz之间。随着传播的进行，信号急剧衰减，衰减量与传播距离的平方成反比。而随着信号的传播，一部分波前能量将被反射。这部分发射即为回波，将为接收电子器件所检测。由于反射靠近人体的表皮，直接反射的信号将十分强，而历经一段时间之后，反射所发出的脉冲将非常微弱，这是源于人体深处的反射。
传输至人体内部的总能量是有限的，因此业界必须开发出极为敏感的接收电子器件。在接近于皮肤的聚焦点，接收的回波非常强，仅需要很小乃至不需要任何的放大。此区域被称为近区(near field)。但在深入人体的聚焦点，接收回波将异常的微弱，需要放大上千倍乃至更多。此区域被称为远区(far field)。这两个区域分别处于接收电子器件所必须处理的两个极端。在高增益模式(远区)下，对性能的限制主要源于接收链路中所有噪声信号源的叠加。对接收噪声影响最大的两个因素分别为传感器/电缆线的组装(assembly)以及用于接收低噪声放大器(LNA)。在低增益模式(近区)下，对性能的限制主要由输入信号的量级界定。上述两个区域信号之间的比率定义了系统的动态范围。许多接收链路都集成了低噪声的可变增益放大器。
【超声波诊断设备分类】
分类 简介 适用范围 缺点与不足
A型 一维超声，回声波强度以振幅显示
主要适用于检查肝、胆、脾、眼及脑等简单解剖结构，通过分析回波幅度的分布以获得组织的特征信息。也可以用于心脏、肝脏、胰脏、胆囊、颅脑、眼科、妇科等检查。
缺乏直观图像资料，现已经多被B型取代
B型 辉度调制型设备，它以不同辉度的光点强弱显示病变。三维超声成像也是在B型超声的基础上进行了计算机图像重建处理而生成的图像。
在妇产科中的探测，
人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测，表浅器官内部组织探测
二维切面，对脏器和病灶的空间结构和位置不能清晰显示
M型 纵坐标为扫描时间线，即超声的传播时间，横坐标为光点慢扫描时间，当探头固定一点时，从光点的移动可观察反射体的深度及其活动情况，显示出时间位置曲线图 主要用于心血管疾病的探测，可测运动器官 应用范围较窄，主要用于心脏和大血管的检查，多与B型和D型同时应用和显示
D型 ,当超声波碰到流向远离探头液体时回声频率会降低,流向探头的液体会使探头接收的回声信号频率升高。
在产科中应用与胎心的监测，也可用于听取周围血管血流的有无 多以B型超声图像为基础
【超声波诊断设备应用】
应用1，超声心动图检测胎儿先天性心脏病
某院自2006年1月起至2007年6月对2 851例孕17周以上的孕妇进行胎心检测，其中高危胎儿857例。发现胎儿的心血管发育异常27例，1例心脏横纹肌瘤，产后1天后行彩色多普勒超声心动图符合诊断，产后3天后死亡，尸解符合诊断；3例单心室，永存动脉干，永存左上腔静脉；2例室间隔缺损，永存动脉干；2例室间隔缺损，右室双出口；2例法乐氏三联症；2例Ebstein畸形合并房间隔缺损；1例室间隔缺损、右室双出口及肺动脉分支细小；心内膜垫缺损2例；单心室、房间隔缺损或单心房并大动脉转位2例；单心房、肺动脉瓣闭锁、左心发育不良1例，上述病例引产后尸解证实。6例室间隔缺损及3例房间隔缺损产后行彩色多普勒超声心动图检查证实。漏诊1例Ⅱ型房间隔缺损。
应用2，华支睾吸虫病的超声诊断价值
应用二维超声对308例华支睾吸虫病患者进行检查，观察肝、胆声像图特点，重点观察肝内外胆管有无扩张及其分布、胆管壁回声、肝实质回声、胆囊情况。结果279例华支睾吸虫病有特征性表现。271例肝内胆管较均匀或节段性扩张，部分被膜下小胆管囊状扩张，胆管壁增厚、回声增强，以Ⅱ、Ⅲ级胆管较为明显；60例胆囊内可见点絮状飘浮物回声。5例肝吸虫致胆道阻塞时可见胆管较均匀扩张，管壁增厚，呈低回声，与周围肝组织分界清晰，管腔内充满不均质回声。本组中经超声诊断华支睾吸虫病的准确率98.9%，敏感性90.3%，特异性100%。结论华支睾吸虫病的二维超声声像图表现有一定特异性。超声检查是诊断该病的首选方法，有较高的临床应用价值。
【超声波治疗技术】
1） 超声波药物透入疗法
通过超声波的机械按摩和温热作用使局部循环增强、皮肤毛孔散大，并由超声波的压力作用将药物透入机体。
2） 超声波外科疗法
利用高强度的超声波对组织产生破坏作用，代替手工切除的一种方法。
3） 聚集治疗法
利用了超声波可以聚集很小的部位，获得强大的能量，具备了小部位选择性破坏的优越条件，尤其是在神经系统的手术中。
4） 超声波穴位刺激疗法
将超声经特制的微型声头作用与人体穴位以进行治疗。
5） 低频超声治疗法
对皮肤产生规律的按摩机械作用，并通过空化作用破坏细菌和霉菌细胞，清除坏死的创面组织和增生的角质，促进溃疡伤口肉芽组织生长以及维护皮肤健康等。
6） 超声波乳化疗法
利用空化作用，可完成小切口白内障手术，亦可达到去脂减肥，整形美容的目的。
7） 直接接触辐射法
8） 间接接触辐射法
9） 超声治疗癌肿瘤
【超声波治疗应用】
1） 超声针灸应用
金完成用超声穴位治疗过敏性鼻炎43例，显效20例，占46.5% ，好转21例，占48.8% ，无效2例，占4.7% ，总有效率为95.3%。朱丹观察穴位超声治疗早期急性乳腺炎，用声强为0.75 W／cm2的超声波对53例早期乳腺炎患者进行穴位(肩井、乳根穴)超声治疗，取得了满意效果。认为超声所具有的温热、机械及化学作用，可改善血液及淋巴循环、增强细咆的吞噬功能、加速炎症吸收。张玉华等用超声针治疗肋间神经痛，选用连续波型，功率1.0～1.5W/cm2 ，超声头直径5 cm，采用阿是穴作用法，每次治疗时间10～15 min。每日1次，10次为1疗程。结果：治愈23例，显效4例，无效2例。王常勇应用连续波超声穴位配合中药治疗早期急性乳腺炎60例，取患者乳根穴、肩井穴、每穴超声治疗4 min，声强0.75 W/cm2，每日1次，7次为1疗程，此法疗程短、见效快、疗效确切，明显优于单用药物患者。
2） 超声刀的应用
北京博达高科技有限公司研制的“开拓者”超声骨科手术仪（Exploiter TM UOSS?Ⅱ,简称超声刀），由主机、手柄及刀具、冷却系统3部分组成。计算机控制信号发生器发出超声频率的电信号，经过功率放大器放大后驱动超声换能器，超声换能器在电信号的作用下产生振动，变幅杆将振幅放大后带动刀具工作，工作频率为（40±2）kHz，实施自动频率跟踪，刀具振动幅度低于300 μm，配备有3 mm和2 mm带切齿和凹槽的刀头，以适合不同需要的切割。刀具超声能量输出设为30%。手柄有自冷却系统，刀具可进行缓慢的顺时针或逆时针旋转以及正反交替旋转，以便加大切削能力。
2004年2月～2006年8月收治骨巨细胞瘤患者6例，男4例,女2例;年龄8～26岁,平均18.5岁。发病部位分别为股骨远端3例，股骨近端2例，肱骨近端1例。
术后随访6个月～2年6个月,平均1.5年,未见肿瘤局部复发和肺转移。6例超声刀肿瘤刮除自体骨或异体骨移植后骨修复完善,肢体无畸形、无塌陷及骨折，无明显功能障碍，植骨生长良好未见排斥反应。
3） 超声波作用于兔头部皮肤后损伤效应和温度变化的实验研究
分别用1.25~2.00W/CM2的脉冲及连续超声波作用多组实验兔，5分钟和10分钟，观察并记录超声波作用10天后的反应及头皮温度变化。
研究结果表明超声波的空化作用只有很大的剂量和强度才可引起,一般情况下不会造成此结果。因此临床上应用超声波时，应注意其波型,严格控制其剂量、作用时间，并注意其方法，采用移动法可防止其驻波形成，作用时间以10分钟为限， 以防止产热的累积效应。
三． 超声设备在四种影像设备中的安全性（X光，CT，MRI，超声波）
X射线成像的基本方法是根据人体组织，部位的不同密度在底片上形成的亮度成像，通常X线成像分透视，照相两种。过多的使用X线会有致癌的危险。对于X射线的危害我们不能简单看作是射线本身的问题,这和操作的方法、人的个体差异、设备质量等各种因素都有关系。首先是放射的剂量,根据国际放射防护委员会制定的标准,辐射总危险度为0.0165/西弗特,也就是说,身体每接受1西弗特(1Sv=1000mSv)的辐射剂量,就会增加0.0165的致癌几率。一般四肢做一次X光检查要接受的辐射量为0.01mSv,腹部为0.54mSv,骨盆为0.66mSv等等。
X线在计算机自动化控制基础上形成 CR,DR造影，减影等新技术即发展出了CT。可以看出CT检查也是照射X线，一次CT检查的辐射量远远大于普通X线检查。CT检查致癌的风险概率也远远大于普通拍片检查。
磁共振成像是多种特征参数、多种靶位核素的成像技术。磁共振成像基本原理是利用特定频率的电磁波，向处在磁场中的人体进行照射，人体内各种不同组织的氢核在电磁波的作用下会发生核磁共振，并吸收电磁波的能量，随后发出电磁波。系统探测到电磁波信号后，经过计算机处理和图像重建，即可得到人体断层图像。磁共振可以说比较安全，但是由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用。
超声成像是靠反射或散射回波来运载生物信息的。超声诊断学所依据的脉冲回波检测技术，是利用超声波在传播路线上遇到介质的不均匀界面发生发生反射的物理特性检测回波信号，并对其进行接收放大和信号处理，最后在显示器上显示。而超声设备应用超声，这种声波载体进行检查，避免了辐射及磁场对人体的影响。
四． 超声安全方面的担忧
超声诊断法在妇产科方面广泛应用，成为无法替代的影像学检查方法。而超声波作为一种形式的能量，必然存在能量的安全阈值问题。超声生物效应，超声波作为诊断学的基础在于它的二重物理属性，即：波动属性和能量属性。波动属性正是其携带信息的本领，在治疗方面正式利用了其能量属性，但是诊断方面的能连属性则带来了副作用。超声波的热效应，机械效应和空化作用可以在生物分子，细胞，器官等层面对人体带来影响。
现行的医用超声诊断源检定规程规定，输出声强需小于10mw/cm2。通过大量实验证明此输出声强在经过人体体壁到达脏器后，是一个安全上限，如超过，则会引起一些副作用。
鉴于超声声强究竟具体多少才会对人体产生影响，国际上尚无统一规定，临床实验尚无大量数据，而且输出声强以及抵达检测部位的声强还不一致，设备的老化带来的声强改变，等等问题，超声作为一个最安全的医疗诊断设备还具有着它的不足之处。所以对于大家来说，要提高安全意识，不要认为超声是一种非侵入性的、安全无害的诊断技术。部分人不是因为诊断的需要，而是出于盈利的目的，将超声检查作为产前的常规检查的手段，应该坚决杜绝。
统一超声诊断仪的声强单位，在合法的前提下获取大量的临床数据，临床医生努力提高自身素质，不要因利益而随意让患者接受超声检查，这几方面都是需要业内人士共同努力的。
五． 结论
通过学习超声影像设备的分类、工作原理、临床应用及未来的发展，比较各影像设备的异同，对医学影像设备在医学临床上的应用加深了认知。
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