超声生物效应及诊断超声的安全阈值剂量
冯若
关键词：超声 生物效应 诊断 安全阈值剂量 超声波用于诊断，是因为它具有波动特性，它可以作为信息的载体。但是，还必须注意到，超声波同时又是一种机械振动能量的传播形式，当作用于人体的超声波达到一定剂量时，它就会通过超声波与人体组织之间一定的作用机制(即物理原因)使人体组织或器官产生某种生化的、免疫的、功能的或结构上的可逆或非可逆的变化，这便是“超声生物效应”〔1〕。
显然，对于诊断超声，人们只希望利用它来探查与提取人体内的诊断信息，而不希望它对人体产生任何效应。反之，对于治疗超声，人们正是希望利用超声的某种生物效应来达到既定的医疗目的。因此，超声生物效应一直是医学超声的重要基础研究内容。
超声剂量学的主要任务是研究超声场与其所引起的生物效应之间的定量关系。为进行超声剂量学研究，必须要建立超声场参量的测试方法和研究生物效应的表现层次及相应的鉴别手段，因为剂量阈值的概念总是相对某种特定含义下的生物效应而言的〔2〕。
, http://www.100md.com
诊断超声安全阈值剂量的建立问题一直是医学超声界十分重视的问题，特别是80年代以来，随着B超(特别是彩超)在产科应用范围的迅速扩展，人们对这个问题尤为关切。但是，由于医学超声剂量学研究本身所特有的难度，以至迄今国际上还难以建立一个科学的、统一的、为大家一致接受的安全阈值剂量标准。
产生超声生物效应的几种作用机制
1、机械机制(即力学机制)
为超声作用的原发机制，这是因为超声波即是机械振动状态的传播形式。机械机制主要表现为声场的一阶应力(声压)及二阶应力(声辐射力)的作用。高强脉冲超声辐照导致哺乳动物肺出血和骨出血，即被归结为机械机制〔3〕。
2、热机制
超声波在人体内传播时，部分声能被人体组织吸收转化为热能，使组织自身温度升高，并导致某种生物效应。因此，热机制属次级机制。理疗超声〔4〕、治疗癌症的高热疗法(hyperthermia)〔5〕及高强聚焦超声(HIFU)的温热疗法(pyrotherapy)〔6〕，主要都是利用超声的热机制。在诊断超声情况下，使用的是脉冲超声波，有时它引起的瞬态温升，亦不容忽视，特别是在骨表面处尤为明显。
, 百拇医药
3、空化机制
这是另一种次级机制，它与声场激活人体内可能存在的微小气泡(气核)相联系。在低声强下，气泡的径向振荡受声压控制，称为稳态空化，它可在其周围的生物细胞内产生局部应力，从而使细胞质运动或细胞膜破裂。当作用声强增大，使气泡的振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时，气泡的运动即转而由其周围媒质的惯性所控制，使其收缩至崩溃，从而产生比声压大出几个量级的高压(几百上千个大气压)及局部高温(5000℃以上)。这种空化称作瞬态空化或惯性空化〔7〕。通常所说的空化多指的是这种空化。高强脉冲超声辐照会导致哺乳动物肠出血及血液溶血，即归结为空化机制〔3〕。
区别机械机制和空化机制这两种非热机制的最简单的判别手段，是看它们对负声压变化的反应如何，因为负声压是激活空化泡的起动力，它对负声压的变化十分敏感。
这三种作用机制常常会同时存在，但其中必然存在一个导致生物效应的主导机制，这是不难通过实验来加以鉴别的。而且，在各种作用机制之间，会产生相互影响。如瞬态空化会产生局部高温，而温升又会影响到空化强度等〔8〕。深入研究与了解这些作用机制，极有利于推动医学超声技术的发展。
, http://www.100md.com
诊断超声的安全阈值剂量
不言而喻，所谓诊断超声的安全阈值剂量主要是指产科超声诊断的安全阈值剂量问题。这个问题自80年代以来变得十分重要而引人注目，其背景之一是诊断超声在产科的应用范围迅速扩大〔9〕，其次是诊断超声设备输出的瞬态声强有时竟可能高达1000w/cm2以上〔10〕。这样高的声强足以能够在那些含有空化核的生物体内产生空化。而一旦产生空化，如Carstensen教授指出：“……空化引起的效应可能是很局部的，只损伤其周围的几个细胞。对于人体大部分器官或生物流体而言，损伤少量细胞不会影响到健康，但唯一例外的是涉及到人体的生殖细胞。或处于发育敏感时期的胚胎或胎儿，在这种情况下，即或是损伤几个细胞，人们也是难以接受的”〔11〕。
国际上，对诊断超声安全阈值剂量的研究，主要是通过实验动物及流行病学研究二个途径来进行。研究是大量的，有时甚至是跨国界的，积累了不少研究资料，也总结了少量的定量规律〔12〕，但它充其量也只能作为临床安全诊断的参考，而不可能给出具体的指导标准。
, 百拇医药
准确地说，诊断超声安全阈值剂量标准的建立，应该是基于对产科临床超声诊断大量的科学研究，而这正是国际上研究的空白，这不能不说是个重大的缺憾!鉴于我国计划生育基本国策的有利条件，西安医科大学巩岩等率先在国内完成了首例临床研究，其研究结果于1988年由笔者受托带到在美国华盛顿召开的第五届世界生物医学超声大会上发表〔13〕。该文的发表引起了国际医学超声界的积极反响。例如其后不久，美国著名的医学超声专家Illinois大学F，Dunn教授给笔者的专函中写道：“这样的研究课题，在美国由于流行反堕胎观点，是极为困难或者是根本无法进行的，如果在你们国家得以开展下去，那无疑，将是对国际诊断超声发展的极大贡献”(这段文字于1990年发表在《中国超声医学杂志》上〔14〕)。上述情况对于带动与促进国内在这一研究领域工作的开展起了重要作用。1994年中国超声医学工程学会于长沙召开了《超声诊断安全性》的专题学术交流会，报告论文24篇(见中国超声医学杂志1994年第8期)这不仅集中检阅我国学者的研究进展，也有力地推动了研究的进一步深入。近5年来，研究成果的一个重要突破，是把研究内容从诊断超声辐照对胎儿发育环境(如绒毛组织)的影响，进而深入到对胎儿本身某部分器官的影响〔15～17〕。
, http://www.100md.com
在此不得不遗憾地指出，这些研究报道的一个共同的不足之处，是对辐照声场的计量还不到位。大都只能给出设备输出的ISPTA值，而没有能够给出最大负声压-Pmax及Im,ISPPA等瞬态声强值。
但是，从这些研究结果中，大体上可以得到如下的安全阈值剂量提示：对于现有的多数超声诊断设备，其输出超声的定点辐照时间如超过20分钟，即会对胚胎的发育环境(如绒毛组织)乃至胎儿本身造成损伤。个别研究甚至表明，定点辐照胎儿眼球5分钟即可导致角膜的局部水肿。
为此，我们有必要重申，在产科使用超声诊断技术应认真坚持积极而谨慎的科学态度。具体而言，应遵循如下各点：
1.只有在特定的医学指征条件下，才可进行妊娠期的超声检查。
2.妊娠期的超声检查应严守使用最小剂量的原则，即在保证获取必要诊断信息的前提下，使用的声强尽量小，辐照时间尽量短。
, http://www.100md.com
3.以商业或教学为目的胎儿超声成像，以及为鉴别胎儿性别的胎儿成像，应严加杜绝。
4.对于早期妊娠最好不做或尽量少做超声检查。即使对妊龄大于3个月的胎儿脑、眼、髓及心脏等部位，必要做超声检查时，超声辐照亦应控制在3～5分之内。
5.对每一位从事临床超声诊断的医生进行业务培训时，其培训内容应包括有关超声生物效应及超声安全诊断剂量的知识。
作者单位：冯若(210093 南京大学声学研究所，国家重点近代声学实验室)
参考文献
1，冯 若.超声生物效应及超声剂量学，见周永昌，郭万学主编，超声医学，第三版，北京，科学技术文献出版社，1998，57～74
, 百拇医药 2，冯 若主编.生物医学超声，南京，南京大学出版社，1987，109～114
3，Castensen EL,Mechanisms for biological effects of ultrasound,Proceedings of 16th ICA98,Seattle,Washington,USA,1437～1438
4，冯 若，汪荫棠著.超声治疗学.北京，中国医药科技出版社，1994，78～141
5，冯 若，吴至诚.抗癌热疗法新进展.自然杂志，1985，8(9)：666～669
6，冯 若.高强聚焦超声无创性外科的兴起.临床超声医学杂志，1999，1(2)：65～67
7，Nyborg WL.Cavitation terminology.Proceedings of 16th ICA98,Seattle,Washington,USA,1913～1914
, 百拇医药
8，冯 若，李化茂.声化学及其应用.合肥，安徽科技出版社，1992，89～99
9，冯 若，李化茂.妊娠期超声图像诊断安全吗?自然杂志，1990，669～673
10，冯 若主编.超声诊断设备原理与设计.北京，中国医药科技出版社，1993，923～948
11，Carstensen EL.Acoustic cavitation and the safety of diagnostic ultrasound.Ultrasound Med Biol,1987,13:597～606
12，Feng Ruo.The safety problem of ultrasound examination in obstetrics(Review).Journal of CAUME,1998,4(2):63～67
, 百拇医药
13，Gong Y,Zhang YJ,Wang BZ.An assessment of the effect of ultrasonic diagnostic dosage of the embryos in uteri.J Ultrasound Med,Official Proceedings 1988,WFUMB Meeting,s265～s266
14，冯 若.关于“诊断剂量超声波对宫内胎胚安全性的研究”一文之我见.中国超声医学杂志，1990，6(3)：210～211
15，冯泽平，汤海军，吴连连等.诊断用超声波对中期妊娠胎儿睾丸微结构的影响.中国超声医学杂志，1996，12(5)：12～14
16，冯泽平，汤海军，吴连连等.诊断超声对中孕宫内胎儿卵巢超微结构影响的研究.中国超声医学杂志，1997，13(12)：43～45
17，彭朗呜，孔秋英，冯 若等，诊断超声对人体宫内胎儿安全性的影响.中国超声医学杂志，1997，13(8)：51～53, 百拇医药
关键词：超声 生物效应 诊断 安全阈值剂量 超声波用于诊断，是因为它具有波动特性，它可以作为信息的载体。但是，还必须注意到，超声波同时又是一种机械振动能量的传播形式，当作用于人体的超声波达到一定剂量时，它就会通过超声波与人体组织之间一定的作用机制(即物理原因)使人体组织或器官产生某种生化的、免疫的、功能的或结构上的可逆或非可逆的变化，这便是“超声生物效应”〔1〕。
显然，对于诊断超声，人们只希望利用它来探查与提取人体内的诊断信息，而不希望它对人体产生任何效应。反之，对于治疗超声，人们正是希望利用超声的某种生物效应来达到既定的医疗目的。因此，超声生物效应一直是医学超声的重要基础研究内容。
超声剂量学的主要任务是研究超声场与其所引起的生物效应之间的定量关系。为进行超声剂量学研究，必须要建立超声场参量的测试方法和研究生物效应的表现层次及相应的鉴别手段，因为剂量阈值的概念总是相对某种特定含义下的生物效应而言的〔2〕。
, http://www.100md.com
诊断超声安全阈值剂量的建立问题一直是医学超声界十分重视的问题，特别是80年代以来，随着B超(特别是彩超)在产科应用范围的迅速扩展，人们对这个问题尤为关切。但是，由于医学超声剂量学研究本身所特有的难度，以至迄今国际上还难以建立一个科学的、统一的、为大家一致接受的安全阈值剂量标准。
产生超声生物效应的几种作用机制
1、机械机制(即力学机制)
为超声作用的原发机制，这是因为超声波即是机械振动状态的传播形式。机械机制主要表现为声场的一阶应力(声压)及二阶应力(声辐射力)的作用。高强脉冲超声辐照导致哺乳动物肺出血和骨出血，即被归结为机械机制〔3〕。
2、热机制
超声波在人体内传播时，部分声能被人体组织吸收转化为热能，使组织自身温度升高，并导致某种生物效应。因此，热机制属次级机制。理疗超声〔4〕、治疗癌症的高热疗法(hyperthermia)〔5〕及高强聚焦超声(HIFU)的温热疗法(pyrotherapy)〔6〕，主要都是利用超声的热机制。在诊断超声情况下，使用的是脉冲超声波，有时它引起的瞬态温升，亦不容忽视，特别是在骨表面处尤为明显。
, 百拇医药
3、空化机制
这是另一种次级机制，它与声场激活人体内可能存在的微小气泡(气核)相联系。在低声强下，气泡的径向振荡受声压控制，称为稳态空化，它可在其周围的生物细胞内产生局部应力，从而使细胞质运动或细胞膜破裂。当作用声强增大，使气泡的振荡幅度可与其平衡尺寸相比拟时，气泡的运动即转而由其周围媒质的惯性所控制，使其收缩至崩溃，从而产生比声压大出几个量级的高压(几百上千个大气压)及局部高温(5000℃以上)。这种空化称作瞬态空化或惯性空化〔7〕。通常所说的空化多指的是这种空化。高强脉冲超声辐照会导致哺乳动物肠出血及血液溶血，即归结为空化机制〔3〕。
区别机械机制和空化机制这两种非热机制的最简单的判别手段，是看它们对负声压变化的反应如何，因为负声压是激活空化泡的起动力，它对负声压的变化十分敏感。
这三种作用机制常常会同时存在，但其中必然存在一个导致生物效应的主导机制，这是不难通过实验来加以鉴别的。而且，在各种作用机制之间，会产生相互影响。如瞬态空化会产生局部高温，而温升又会影响到空化强度等〔8〕。深入研究与了解这些作用机制，极有利于推动医学超声技术的发展。
, http://www.100md.com
诊断超声的安全阈值剂量
不言而喻，所谓诊断超声的安全阈值剂量主要是指产科超声诊断的安全阈值剂量问题。这个问题自80年代以来变得十分重要而引人注目，其背景之一是诊断超声在产科的应用范围迅速扩大〔9〕，其次是诊断超声设备输出的瞬态声强有时竟可能高达1000w/cm2以上〔10〕。这样高的声强足以能够在那些含有空化核的生物体内产生空化。而一旦产生空化，如Carstensen教授指出：“……空化引起的效应可能是很局部的，只损伤其周围的几个细胞。对于人体大部分器官或生物流体而言，损伤少量细胞不会影响到健康，但唯一例外的是涉及到人体的生殖细胞。或处于发育敏感时期的胚胎或胎儿，在这种情况下，即或是损伤几个细胞，人们也是难以接受的”〔11〕。
国际上，对诊断超声安全阈值剂量的研究，主要是通过实验动物及流行病学研究二个途径来进行。研究是大量的，有时甚至是跨国界的，积累了不少研究资料，也总结了少量的定量规律〔12〕，但它充其量也只能作为临床安全诊断的参考，而不可能给出具体的指导标准。
, 百拇医药
准确地说，诊断超声安全阈值剂量标准的建立，应该是基于对产科临床超声诊断大量的科学研究，而这正是国际上研究的空白，这不能不说是个重大的缺憾!鉴于我国计划生育基本国策的有利条件，西安医科大学巩岩等率先在国内完成了首例临床研究，其研究结果于1988年由笔者受托带到在美国华盛顿召开的第五届世界生物医学超声大会上发表〔13〕。该文的发表引起了国际医学超声界的积极反响。例如其后不久，美国著名的医学超声专家Illinois大学F，Dunn教授给笔者的专函中写道：“这样的研究课题，在美国由于流行反堕胎观点，是极为困难或者是根本无法进行的，如果在你们国家得以开展下去，那无疑，将是对国际诊断超声发展的极大贡献”(这段文字于1990年发表在《中国超声医学杂志》上〔14〕)。上述情况对于带动与促进国内在这一研究领域工作的开展起了重要作用。1994年中国超声医学工程学会于长沙召开了《超声诊断安全性》的专题学术交流会，报告论文24篇(见中国超声医学杂志1994年第8期)这不仅集中检阅我国学者的研究进展，也有力地推动了研究的进一步深入。近5年来，研究成果的一个重要突破，是把研究内容从诊断超声辐照对胎儿发育环境(如绒毛组织)的影响，进而深入到对胎儿本身某部分器官的影响〔15～17〕。
, http://www.100md.com
在此不得不遗憾地指出，这些研究报道的一个共同的不足之处，是对辐照声场的计量还不到位。大都只能给出设备输出的ISPTA值，而没有能够给出最大负声压-Pmax及Im,ISPPA等瞬态声强值。
但是，从这些研究结果中，大体上可以得到如下的安全阈值剂量提示：对于现有的多数超声诊断设备，其输出超声的定点辐照时间如超过20分钟，即会对胚胎的发育环境(如绒毛组织)乃至胎儿本身造成损伤。个别研究甚至表明，定点辐照胎儿眼球5分钟即可导致角膜的局部水肿。
为此，我们有必要重申，在产科使用超声诊断技术应认真坚持积极而谨慎的科学态度。具体而言，应遵循如下各点：
1.只有在特定的医学指征条件下，才可进行妊娠期的超声检查。
2.妊娠期的超声检查应严守使用最小剂量的原则，即在保证获取必要诊断信息的前提下，使用的声强尽量小，辐照时间尽量短。
, http://www.100md.com
3.以商业或教学为目的胎儿超声成像，以及为鉴别胎儿性别的胎儿成像，应严加杜绝。
4.对于早期妊娠最好不做或尽量少做超声检查。即使对妊龄大于3个月的胎儿脑、眼、髓及心脏等部位，必要做超声检查时，超声辐照亦应控制在3～5分之内。
5.对每一位从事临床超声诊断的医生进行业务培训时，其培训内容应包括有关超声生物效应及超声安全诊断剂量的知识。
作者单位：冯若(210093 南京大学声学研究所，国家重点近代声学实验室)
参考文献
1，冯 若.超声生物效应及超声剂量学，见周永昌，郭万学主编，超声医学，第三版，北京，科学技术文献出版社，1998，57～74
, 百拇医药 2，冯 若主编.生物医学超声，南京，南京大学出版社，1987，109～114
3，Castensen EL,Mechanisms for biological effects of ultrasound,Proceedings of 16th ICA98,Seattle,Washington,USA,1437～1438
4，冯 若，汪荫棠著.超声治疗学.北京，中国医药科技出版社，1994，78～141
5，冯 若，吴至诚.抗癌热疗法新进展.自然杂志，1985，8(9)：666～669
6，冯 若.高强聚焦超声无创性外科的兴起.临床超声医学杂志，1999，1(2)：65～67
7，Nyborg WL.Cavitation terminology.Proceedings of 16th ICA98,Seattle,Washington,USA,1913～1914
, 百拇医药
8，冯 若，李化茂.声化学及其应用.合肥，安徽科技出版社，1992，89～99
9，冯 若，李化茂.妊娠期超声图像诊断安全吗?自然杂志，1990，669～673
10，冯 若主编.超声诊断设备原理与设计.北京，中国医药科技出版社，1993，923～948
11，Carstensen EL.Acoustic cavitation and the safety of diagnostic ultrasound.Ultrasound Med Biol,1987,13:597～606
12，Feng Ruo.The safety problem of ultrasound examination in obstetrics(Review).Journal of CAUME,1998,4(2):63～67
, 百拇医药
13，Gong Y,Zhang YJ,Wang BZ.An assessment of the effect of ultrasonic diagnostic dosage of the embryos in uteri.J Ultrasound Med,Official Proceedings 1988,WFUMB Meeting,s265～s266
14，冯 若.关于“诊断剂量超声波对宫内胎胚安全性的研究”一文之我见.中国超声医学杂志，1990，6(3)：210～211
15，冯泽平，汤海军，吴连连等.诊断用超声波对中期妊娠胎儿睾丸微结构的影响.中国超声医学杂志，1996，12(5)：12～14
16，冯泽平，汤海军，吴连连等.诊断超声对中孕宫内胎儿卵巢超微结构影响的研究.中国超声医学杂志，1997，13(12)：43～45
17，彭朗呜，孔秋英，冯 若等，诊断超声对人体宫内胎儿安全性的影响.中国超声医学杂志，1997，13(8)：51～53, 百拇医药