超声生物物理学ultrasonic biophysics

系研究超声的生物物理现象的科学。包括2×10⁴赫兹以上的声振动在生物介质中的传播规律、生物体对超声的反应及动物界超声通讯等。通过超声生物物理学研究已研究制造出多种医学诊断仪器，对诊断某些疾病的定位、判定性质及功能情况有重要意义。

超声生物物理学ultrasonic biophysics

是研究超声(频率在2×10⁴赫兹以上的声振动)的生物物理学。研究内容主要包括超声在生物介质中的传播规律，有机体对超声的反应及动物界的超声通讯问题等。

超声生物物理学

超声是频率高于每秒2万次的声波。超声生物物理学研究超声在生物介质内的传播规律、有机体对超声的反应以及动物界的超声通讯问题。
超声与生物组织的相互作用可概括为吸收和散射二种。散射起因于传播介质的不均匀性。在散射过程中能量仍被保留在波中，只是形成一种新的分布状态。单个靶的散射大致可分为三类：
❶散射靶体尺寸远大于超声波长，这时一部分入射能量在靶与传播介质的界面上发生镜反射。另一部分入射能量经折射传入界面的另一方（靶体中），在靶体后方出现声影。作软组织的超声探查时，超声频率一般为1～10MHz，肝、肾被膜、大血管、胆囊和胆管表面都是镜反射界面。超声镜反射是超声脉冲-回波诊断术的基础。
❷靶体远小于超声波长，全部散射波向各方向均匀地散布。软组织在声学上是一种非均质结构，超声波束在软组织内传播时产生一种向着各个方位的非镜反射散射信号。它在脉冲-回波诊断术中称为内回波。形成内回波的散射体有细胞、亚细胞成分及一些组织结构，如细胞与小管道之间、脂肪细胞与肝细胞之间、肾细胞与肾管之间的界面。B-型灰级回波图就是由内回波与镜反射回波信号构成的。在回波的灰级处理过

图1 生物学界面的回波幅度范围： 显示单元的大部分灰级用于显示内回波

程中，显示器（如阴极射线管）的一部分显示能力用于描绘镜反射信号，大部分灰级用于显示内回波(图1)。与双稳态B型回波图相比，灰级回波图含有更丰富的体内器官结构的信息。
❸散射类型介于上述二者之间，散射辐射的分布图形复杂。肌肉组织由肌纤维束排列组成，肝组织由类球体排列成的三维点阵组成，对于这类组织来说，其振幅与组织旋转角有关。表达这种相互关系的图形构成超声反向散射Bragg衍射图(图2)器官组织的衍射图反映组织中散射结构的特征，它为非侵入性地鉴别组织性质提供经验性资料。

图2实验散射几何学的计算机模拟模型

吸收不同于散射，在吸收过程中超声能量被转换成其他形式。超声波在粘弹性的生物组织中发生机械能的耗散和储存现象，在介质密度与交变压强之间出现相位滞后。细胞核对软组织的超声吸收作用没有重要贡献。蛋白质是吸收超声的主要成份，吸收与蛋白质的浓度成正比，并且与它的细胞学状态无关。
超声波通过热效应、空化和机械效应在生物介质中引起可逆的和不可逆的变化。以上这些作用都与超声强度以及组织暴露在声场中的时间有关。在这方面只有少数几种组织经过仔细的研究，例如哺乳动物的脑组织。当强度<102w/cm2，暴露时间为1s以上时，热效应占主要地位。通过分子吸收过程引起组织温度上升，甚至可以达到破坏性的程度。如果强度>103w/cm2，暴露时间为毫秒量级，由暂态空化可引起不可逆的损伤。暂态空化系指在超声场中从液体的空化核心突然扩张出微小的空腔，接着又在压强变化的影响下发生空腔崩溃，并在液体内产生冲击波。整个过程所经历的时间小于波的一个周期。空化是降解分子量>105的大分子的必要条件。由机械效应引起的超声作用同那个介于热效应和空化作用之间的阈值区联系着，它可能与非线性过程引起的单向力有关。临床诊断中的超声强度的空间峰值时间平均值<100mw/cm²时，超声短时间地作用于局部组织，在此情况下超声的毒性效应看来是可以忽略的。
衰减系数及超声传播速度是鉴定组织超声物理性质的两个基本物理量。超声波束在组织内传播时受到几何因子、散射和吸收的衰减作用。几何因子主要由换能器的辐射场决定。软组织的超声衰减作用与超声频率有关，近似值为0.1Np/cm·MHz。(肺组织除外。)骨的衰减作用约为软组织的十倍。吸收作用对于衰减的贡献大小随组织而异，对于血液来说约为90%，对于大部分软组织而论，约为75%。在肺组织中吸收对衰减的贡献是非常微小的。介质的超声传播速度取决于介质的密度和弹性性质。软组织的超声传播速度与水的声速十分接近，它的频散很小。由于生物组织的结构复杂，不易测量它们的弹性模量，因此生物材料的超声传播速度一般都由直接测量求得(图3)。器官组织各个部位上成份、生理状态和病理情况的变化会产生超声传播速度的差别。以超声透射法为基础，运用代数重建原理可以非侵入性地显

图3 正常生物学材料的超声传播速度

示出组织内部声速的二维分布景象。
研究动物超声通讯的主要内容有以下几个方面： 动物超声信号的检测与分析、动物超声发射器官及接收器官的声学性质和工作原理、种间超声信号的测量与反测量关系。研究这些问题不仅可加深对有关动物行为的认识，而且将为革新声纳系统提供模型和启示。