超聲波的生物物理特性主要有機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)。

（一）機(jī)械效應(yīng)

超聲波是機(jī)械波，機(jī)械效應(yīng)是它的一個最基本作用，熱效應(yīng)和空化效應(yīng)都是機(jī)械作用而產(chǎn)生的。產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)有兩種，一是行波場中的機(jī)械效應(yīng)，二是駐波場中的機(jī)械效應(yīng)。

1．行波場中的機(jī)械效應(yīng)　它是超聲波在介質(zhì)中傳播時所產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)。超聲波在介質(zhì)中傳播時能使介質(zhì)發(fā)生疏密的變化，因此產(chǎn)生很大的正負(fù)壓力即聲壓。一般治療強(qiáng)度的超聲波在人體組織內(nèi)，這一壓力的變化為±304kPa，即3個大氣壓。如lMHz頻率的超聲波所產(chǎn)生的壓力為400～800Pa，即4～8g／cm2，每一個細(xì)胞所承受的壓力變化為0．4～0．8Pa，即4～8mg。

2．駐波場中的機(jī)械效應(yīng)　它是由前進(jìn)波和反射波的干涉形成的。它可影響組織的壓力、張力，使機(jī)體質(zhì)點得到更大的加速度，并使體液中質(zhì)量不同的離子獲得不同的運動速度，質(zhì)量小的離子運動速度快，質(zhì)量大的離子運動速度慢，由于他們間的速度差出現(xiàn)摩擦而產(chǎn)生能量，它在機(jī)械效應(yīng)中所起的作用甚至比壓力變化所起的作用還大。

超聲波的機(jī)械振動、壓力變化，可以看成對細(xì)胞的物質(zhì)及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的按摩作用，也稱微細(xì)按摩或細(xì)胞按摩或稱內(nèi)按摩。由于超聲的微細(xì)按摩作用，可以改變細(xì)胞膜的通透性，使通透性增強(qiáng)，彌散過程加速，從而影響細(xì)胞的物質(zhì)代謝過程，加速代謝產(chǎn)物的排出，改善細(xì)胞缺血、缺氧狀態(tài)，改善組織的營養(yǎng)，提高細(xì)胞組織的再生能力。有人把超聲波看成是彌散過程和新陳代謝的加速劑。

超聲駐波場中質(zhì)點摩擦而產(chǎn)生的能量還可引起細(xì)胞質(zhì)的運動，原漿顆粒旋轉(zhuǎn)，從而改變細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)，引起細(xì)胞活動能力的變化。

超聲波的機(jī)械作用還可以使堅硬的結(jié)締組織延長變軟、粘連的組織松解，也可促進(jìn)組織再生、血管形成。

所以超聲波在修復(fù)傷口、軟化瘢痕、松解粘連、增加滲透、促進(jìn)組織代謝、改善血液循環(huán)和刺激神經(jīng)系統(tǒng)功能等方面有重要的治療意義。

（二）熱效應(yīng)

超聲波產(chǎn)生熱是一種組織內(nèi)生熱的過程，它是一種聲波的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能的過程。超聲波的熱作用具有重要的治療意義，因此超聲波治療曾經(jīng)被稱為超聲透熱療法。20世紀(jì)50～60年代的文獻(xiàn)報道對超聲波治療的作用，主要認(rèn)為是熱的作用，而近年才比較強(qiáng)調(diào)超聲波的非熱作用。

1．超聲波產(chǎn)熱的主要原理

（1）超聲波通過組織時，聲能被組織吸收，轉(zhuǎn)變成為熱能。

（2）超聲波通過機(jī)體組織時，正負(fù)壓力的變化而產(chǎn)生熱能。

（3）超聲波通過不同組織的界面時，因波的反射、干涉、駐波形成而產(chǎn)生熱。兩種不同組織的交界處產(chǎn)熱較多，如皮下組織與肌肉交界處、肌肉與骨骼交界處。有實驗證明，用頻率為1MHz、強(qiáng)度為1W／cm2的超聲波，作用于大腿前下部，骨骼與肌肉界面1cm內(nèi)，溫度上升5～7℃。

（4）在超聲波作用下，液體中由于空化作用而釋放出高熱。

2．超聲波產(chǎn)熱的有關(guān)因素　超聲波產(chǎn)熱的多少與超聲波的頻率、劑量、介質(zhì)的物理特性（聲阻、導(dǎo)熱性、介質(zhì)界面的情況等）以及治療方法等有關(guān)。

（1）超聲波頻率越高，越易被組織吸收，產(chǎn)熱也越多。

（2）機(jī)體不同組織吸收聲能不一樣，產(chǎn)熱也不等。肌肉組織較脂肪組織吸收能量約大1倍，神經(jīng)組織較脂肪大2～3倍，見表1－2。

（3）超聲波的強(qiáng)度越強(qiáng)，產(chǎn)熱越多。

（4）治療方法不同，產(chǎn)熱多少也不等。

固定法較移動法產(chǎn)熱多。有人用1．2W／cm2強(qiáng)度的超聲波，分別用固定法和移動法作用于正常皮膚，固定法較移動法溫度高出1．5℃。

直接接觸法較水下法產(chǎn)熱多，這是因為：①直接接觸法治療時需要耦合劑，探頭、耦合劑、組織三者聲阻差異大，在兩個界面間超聲波被來回反射，探頭與皮膚的界面易產(chǎn)生駐波，故產(chǎn)熱多。②水下法因水與組織的聲阻相近，兩個界面間很少有聲波反射，僅有少部分聲波被組織反射到周圍水中被水吸收，因此水下很少有駐波形成，故直接接觸法較水下法產(chǎn)熱多。

（5）連續(xù)輸出較脈沖輸出產(chǎn)熱多。脈沖式輸出所產(chǎn)生的總熱量明顯低于連續(xù)式輸出，尤其當(dāng)脈沖間歇期長時更為顯著。

3．超聲波產(chǎn)熱的特點　超聲波產(chǎn)熱的特點是局限性的。用圓盤探頭治療時，產(chǎn)熱是以探頭作用處的皮膚為底面，向組織深處延伸的圓柱形，產(chǎn)熱強(qiáng)度近探頭處大于遠(yuǎn)探頭處，中心部位大于周圍區(qū)域。

4．熱的傳導(dǎo)與散失　超聲波在組織中所產(chǎn)生的熱量是通過組織傳導(dǎo)和血流而散失。雖然超聲波內(nèi)生熱較多，但由于人體內(nèi)神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，不會使局部過熱。有人認(rèn)為在局部有80%的熱量是經(jīng)血流帶走，只有20%的熱量靠組織傳導(dǎo)而散失。超聲作用下局部血管擴(kuò)張，血流加速，有利于熱的散失。有實驗表明，800kHz的超聲波，強(qiáng)度4W／cm2連續(xù)作用于尸體20s后局部2mm處溫度升高5．6℃，30mm處溫度升高2．8℃；同樣強(qiáng)度作用于活體，則在2mm處溫度只升高0．5℃，30mm處溫度升高0．1℃。故超聲波作用于人體組織不會引起深部組織過熱而燙傷。但用固定法作用于骨骼處，易形成駐波，故應(yīng)注意超聲波的劑量，不宜太大，以免局部燙傷。由于超聲波的熱效應(yīng)，可使組織局部血管擴(kuò)張，血流加快，代謝旺盛，肌肉張力下降，疼痛減輕，結(jié)締組織的延展性增加，能起到很好的治療作用。

（三）空化效應(yīng)

所謂超聲空化是指聲能致氣（汽）泡各種形式的活性。這些氣（汽）泡的活性表現(xiàn)，在一些情況是有規(guī)律可循的，而在另外一些情況下又是相當(dāng)激烈而難以預(yù)言的。但是，不論是哪種形式，它們都是可以通過一定的方法予以檢測的。

通常，按氣（汽）泡不同的動力學(xué)表現(xiàn)行為，分成穩(wěn)態(tài)空化與瞬態(tài)空化兩種。

1．穩(wěn)態(tài)空化　當(dāng)液體介質(zhì)內(nèi)的聲場中存在適當(dāng)大小的氣泡時（氣泡太大會漂浮至液面而逸去；反之，氣泡太小時，因表面張力很大，會溶解在液體中），氣泡會在聲波的交變聲壓作用下進(jìn)入振動（即體脈動）狀態(tài)。當(dāng)聲波頻率接近氣泡共振的特征頻率時，氣泡的振動就進(jìn)入共振狀態(tài)，使脈動的幅度達(dá)到極大。氣泡的這種動力學(xué)表現(xiàn)稱之為穩(wěn)態(tài)空化。

當(dāng)氣泡處在共振狀態(tài)時，會伴隨發(fā)生一系列二階現(xiàn)象，如輻射力及微聲流。微聲流可使脈動氣泡表面附近呈現(xiàn)出很高的速度梯度和黏滯力，足以使處在該處的細(xì)胞和生物大分子產(chǎn)生生物效應(yīng)。

這種穩(wěn)態(tài)空化現(xiàn)象，對于水中平面行波的情況下，在聲強(qiáng)為0．3W／cm2的超聲波作用下，即可發(fā)生。不久前，Miller等人做了如下實驗：把氣泡引入紅細(xì)胞懸浮液，隨后用2MHz的超聲波進(jìn)行輻照，結(jié)果在ISPTA＝6mW／cm2時，就發(fā)現(xiàn)有ATP（三磷酸腺苷）從紅細(xì)胞內(nèi)釋放出來，這表明發(fā)生了細(xì)胞效應(yīng)。

一個演示單一振動氣泡的微聲流造成細(xì)胞破壞的實驗，可按如下進(jìn)行：在一個小容器中裝有0．2ml紅細(xì)胞懸浮液（懸浮液體為生理鹽水），再把一個很細(xì)的金屬管的一端插入懸浮液中，在壓力的控制下使下管口處形成一個直徑為250μm的半球形氣泡，然后用頻率為20kHz的超聲波輻照懸浮液，使其中形成的半氣泡進(jìn)入振動狀態(tài)，則伴有微聲流發(fā)生。當(dāng)超聲振動強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時，微聲流即可導(dǎo)致細(xì)胞溶解，并伴有血紅蛋白釋放出來。

實驗表明，氣泡振動幅度達(dá)18μm時，是使細(xì)胞溶解的最佳條件。而聲學(xué)理論可以證明，為了產(chǎn)生這樣幅度的氣泡振動，并不要求太高的聲強(qiáng)。對于頻率為20kHz的平面超聲波，為使氣泡的振幅達(dá)到18μm，其理論聲強(qiáng)值僅為1mW／cm2。

2．瞬態(tài)空化　當(dāng)用強(qiáng)度較高的超聲波輻照液體時，聲場中氣泡的動力學(xué)過程變得更為復(fù)雜和激烈。在聲波的負(fù)壓半周期內(nèi)空化核（微小氣泡）迅速膨脹，隨后又在聲波正半周期內(nèi)氣泡被壓縮以至崩潰，這一過程稱為瞬態(tài)空化。當(dāng)氣泡被壓縮至崩潰前的暫短時間內(nèi)（可能為1ns以下），氣泡內(nèi)的溫度可高達(dá)數(shù)千度，壓力可高達(dá)幾百個大氣壓。氣泡內(nèi)的水蒸汽在這種極端物理條件下可以裂解為H＋和OH－自由基，它們因具有高度化學(xué)活性而迅速與其他組分相互作用而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這正是20世紀(jì)80年代中期崛起的聲化學(xué)（sonochemistry）的物理基礎(chǔ)。

此外，在瞬態(tài)空化發(fā)生時還常常伴有聲致發(fā)光、沖擊波及高速射流等現(xiàn)象發(fā)生，因此處在空化泡附近的細(xì)胞等生物體將會受到嚴(yán)重?fù)p傷乃至破壞。

馮若及其助手們的一系列研究表明，在行波場中，用頻率為800kHz的理療級連續(xù)超聲波輻照水溶液時，當(dāng)聲強(qiáng)為0．7W／cm2時即可發(fā)生瞬態(tài)空化；如在小尺度混響場中，產(chǎn)生瞬態(tài)空化的閾值聲強(qiáng)下降到0．4 W／cm2。

從以上討論可知，對于兩種類型的空化現(xiàn)象，空化核（即存在于液體中的微小氣泡）都是必要的。液體中的空化核的存在及其分布取決于諸多因素，并且有較大的隨機(jī)性，因此在實驗上通過某種空化效應(yīng)（物理的、化學(xué)的或生物的）來定量研究超聲空化規(guī)律時，每次測量的數(shù)據(jù)之間常會有一定起伏波動。

（四）超聲波的作用機(jī)制

1．局部作用　超聲能作用于人體局部，即產(chǎn)生了直接的局部作用，通過以機(jī)械作用為主的，繼發(fā)有熱及其他理化作用產(chǎn)生局部組織的生理或病理變化，如組織溫度增高、血流加速、代謝旺盛、組織狀態(tài)改善、酸堿度變化、組織間生化反應(yīng)加速、酶系統(tǒng)活力增強(qiáng)等。

2．神經(jīng)體液作用　超聲作用于人體局部組織，包括周圍神經(jīng)、自主神經(jīng)末梢，其所產(chǎn)生的影響不僅限于局部，還可以波及遠(yuǎn)離部位或人的整體。在超聲作用下，局部組織的代謝產(chǎn)物和理化作用產(chǎn)生的物質(zhì)，尤其是乙酰膽堿、組胺等活性物質(zhì)和激素，可以通過人體體液系統(tǒng)作用于靶器官，產(chǎn)生機(jī)體效應(yīng)。如類H物質(zhì)的解痙作用和擴(kuò)張血管作用等，即是通過體液系統(tǒng)完成的。

3．神經(jīng)反射作用　神經(jīng)反射作用在超聲理療中尤為重要，體內(nèi)臟器、機(jī)體血管與遠(yuǎn)離器官的治療均依賴于神經(jīng)反射作用完成。神經(jīng)反射作用的存在，許多實驗研究與臨床反應(yīng)的例證均可證明。

如用超聲作用于家兔的一側(cè)耳朵，而對側(cè)耳朵同時出現(xiàn)同樣的持續(xù)性血管擴(kuò)張、血管壁的滲透性增強(qiáng)及耳血中白細(xì)胞增多；又如應(yīng)用超聲治療腰椎神經(jīng)和坐骨神經(jīng)炎時，探頭作用區(qū)的對側(cè)相應(yīng)區(qū)域皮膚溫度也有升高，升高程度最大的時間為治療后5～15min。

這種神經(jīng)反射的機(jī)制是以超聲作為一種刺激動因，作用于神經(jīng)末梢感受器，產(chǎn)生神經(jīng)沖動，引起的各級神經(jīng)反射活動。

神經(jīng)反射作用中和神經(jīng)系統(tǒng)參與的反應(yīng)中，自主神經(jīng)系統(tǒng)的影響非常重要，因為它關(guān)系到人的生長、代謝、循環(huán)、血管運動、呼吸、體溫調(diào)節(jié)、激素反應(yīng)及應(yīng)激能力等重要生理生命功能。

超聲治療是綜合上述作用產(chǎn)生治療效果。白鼠的實驗顯示，超聲作用于腹壁，發(fā)現(xiàn)腦皮質(zhì)組織氧代謝有變化。此例可說明超聲治療的綜合作用，與超聲作用下遠(yuǎn)離器官的反應(yīng)。

4．細(xì)胞分子學(xué)水平的作用　近年來醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的飛速發(fā)展，各種物理治療作用機(jī)制的研究進(jìn)入了細(xì)胞分子學(xué)的水平，超聲也不例外。有學(xué)者研究不同強(qiáng)度的超聲對細(xì)胞組織的影響發(fā)現(xiàn)：

（1）高強(qiáng)度的超聲可使組織液電離成自由基OH－、H＋、O－2、HO－2等，這類自由基有極強(qiáng)的活性，即有非常強(qiáng)的氧化還原作用。它可在極短的時間內(nèi)，引起一系列的連鎖反應(yīng)，繼而產(chǎn)生生化反應(yīng)。

（2）中強(qiáng)度的超聲作用下，產(chǎn)生較強(qiáng)的細(xì)胞原漿微流，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)容物的移動，改變細(xì)胞內(nèi)各空間的相互位置。細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)中線粒體對超聲波最敏感，而線粒體是細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生能量的重要單位，并參與脂肪酸的氧化和谷氨酸、天冬氨酸的結(jié)合，因此超聲波對物質(zhì)代謝有重要作用。另一方面超聲波還能影響細(xì)胞膜對K＋、Ca2＋的通透性，改變細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度的比例和改變膜電位，而產(chǎn)生治療作用。

（3）低強(qiáng)度的超聲波能刺激細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)復(fù)合物的合成過程，加速組織修復(fù)。超聲作用下組織蛋白質(zhì)的－SH基增加，進(jìn)而使SH基化合物增加，而SH基化合物對體內(nèi)許多活性物質(zhì)如酵素、酶、維生素、激素、神經(jīng)遞質(zhì)等有顯著的還原作用。

超聲波還能改變銅、鋅等微量元素在不同組織中的分布，而微量元素與細(xì)胞膜、核糖、蛋白質(zhì)、酶、DNA、RNA等都有關(guān)系。如缺鋅可使兒童多動，缺鈣可使骨質(zhì)疏松，糖尿病患者血中的鎂含量較低等。

由于人體是個極復(fù)雜的組織，超聲波參數(shù)較多，不同參數(shù)作用于不同組織反應(yīng)不一，所以超聲波對人體的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

5．穴位、經(jīng)絡(luò)說　中醫(yī)學(xué)的經(jīng)絡(luò)、穴位學(xué)說在超聲治療上應(yīng)用很廣，也有一定臨床療效，但多數(shù)為經(jīng)驗醫(yī)學(xué)，原理與機(jī)制更應(yīng)深度發(fā)掘。目前已有穴位治療的超聲設(shè)備。