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  醫用超音波簡介
診斷與治療用途的醫用超音波(超聲波)簡介

皮膚科  王修含 醫師 (台大皮膚科 皮膚高頻超音波特別門診負責醫師) 

      「超音波」又稱為「超聲波」,在物理定義上,超音波屬於一種聲波,也是一種機械波,人類耳朵可聽到的聲波頻率介於20~20,000 Hz之間,因此頻率大於20,000 Hz的聲波稱為「超音波」(ultrasound),而頻率小於20Hz的聲波,則稱為「超低頻音、次聲、次音」(infrasound)。

        超音波的 研究歷史,可追溯自1880年居禮兄弟Jacques Curie (1855-1941)與Pierre Curie(1859-1906)發現「壓電效應」(piezoelectric effect)(註:Pierre Curie的妻子正是著名的居禮夫人)。他們發現石英(quartz)等礦物晶體受到壓力時,因體積發生變化,晶體表面會出現微小的電荷,若將這種晶體放 在電場內,則會出現體積變化,因此這種壓電現象是可逆的變化。當晶體受到壓力,造成體積變化而產生電壓時,稱為「正壓電效應」,反之若因電壓造成體積變 化,則稱為「逆壓電效應」。這類具有壓電效應的物質,則稱為「壓電材料」,壓電材料除了天然晶體,亦可以人工合成。這種可將能量在電能與壓力之間轉變的性 質,稱為「壓電特性」(piezoelectricity)。

        超音波科技正式被重視與大量應用,起啟於1940年代的二次世界大戰,當時以此科技製造成「聲納」(SONAR),用來進行水下探測。二次大戰後,這類科技被運用至醫學,在1950年代出現醫療用途的醫用超音波(medical ultrasound)。

        醫用超音波可分為診斷與治療兩個方面,治療用的超音波的頻率較低,可應用於復健與皮膚美容等用途,而診斷用途的醫用超音波(diagnostic medical ultrasound)則採用較高的頻率。用於一般超音波影像的超音波頻率,通常界於2-15 MHz之間,頻率(frequency)愈高,則解析度(resolution)愈高,但穿透深度(penetration depth)也隨之降低。皮膚科學的診斷用超音波影像,需極高的解析度以分辨細微的變化,但探測深度僅需聚焦於表淺的組織,因此多採用高頻率的超音波,至 少需10MHz以上,若要獲得更高的解析度,甚至可採用高達20MHz或50MHz的超音波探頭。
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        診斷用醫用超音波(diagnostic medical ultrasound)的基本原理,是因為超音波在 不同的生物組織內前進時,會有相異的速度。若遇到不同的組織界面,會出現明顯的反射,造成信號上的變化,可利用這個變化探測身體內部組織,進而描繪出組織 之影像。易言之,醫用超音波採用「脈衝-回音」的原理(pulse-echo principle),由超音波探頭(ultrasound transducer)將電氣信號轉變成超音波的脈衝,由體表進入組織內部,當這個脈衝遇到組織界面時,會出現回音,再由探頭接收這個回音,將回音轉換回 電氣信號,完成探測過程,再由電腦進行資料處理,形成醫療人員所見到的信號或圖形。一般而言,聲波傳遞速率,在固體最高,其次為液體,而在氣體內最慢。因此於一般的溫度下,超音波在金屬內的傳遞速率,可達3000-6000 m/s,在水中的速率則為1497 m/s,血液 1570 m/s、軟組織(其中約有70%由水分構成) 1540 m/s、整層皮膚內的平均速率約1577 m/s、脂肪 1440 m/s,但在空氣則僅有 330 m/s。

        若以診斷用超音波探頭頻率對照不同的醫療用途,大致可區分如下:
2.5 MHz:深部腹部器官、婦產科
3.5 MHz:一般的腹部探測、婦產科
5.0 MHz:血管外科、乳房外科、產科
7.5 MHz:乳房、甲狀腺
10.0 MHz:皮膚科、表淺軟組織、表淺血管、乳房、甲狀腺
20~50 MHz:皮膚科

            自1940年代起,高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)逐漸被應用於臨床治療,亦即所謂的「超音波手術」。至1970年代,超音波高熱療法已被廣泛運用,利用高強度超音波,可將組織加熱至42-45oC之間,並持續30-60分鐘。1990年 代之後,出現許多與高強度聚焦超音波相關的研究。高強度聚焦超音波採用大面積且幾何聚焦特性較好的探頭,有利於發射較高的能量,且可精確定位於病灶部位, 在多次治療下,也不會出現累積性的劑量傷害,在治療過程中,亦可同時進行超音波造影。除了用於破壞腫瘤組織,高強度聚焦超音波也有不錯的止血效果,可處理 大血管破裂導致的內出血問題。
           高強度聚焦超音波在臨床上的用途,包括治療良性或惡性腫瘤,例如肝癌、胰臟癌、前列腺癌、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、膀胱癌、肉瘤(sarcoma)等;此外,HIFU尚可運用於止血、血栓溶解、藥物與基因傳遞等。
           在皮膚科與美容醫學方面,HIFU科技已被應用於破壞目標區域皮下脂肪,也就是所謂的「超音波溶脂」,例如「Liposonix立塑聚焦音波溶脂」 採用HIFU原理,以非侵入性方式,破壞皮下脂肪 ,可達到體雕(body contouring)的效果。若應用較低能量的HIFU科技,亦即「微聚焦音波」(Microfocused Ultrasound, MFU)技術,可施作於「非侵入式眉毛拉提治療」,即俗稱的「音波拉皮」、「超聲刀拉皮」, 這些儀器包括「極線音波拉皮Ulthera ® (Ultherapy)」, 「海芙拉提UltraFormer ®」, UltraSkin ®(優塑音波拉皮超極限音波拉皮/音波拉提), Doublo ®(倍提音波拉提), HIPRO ®,  E-Clip ®, UTIMS A1 ®(寇斯特”雅提斯A1超音波治療儀, 优提美UTIMS A1 ®极限音波拉皮) ......等,採用HIFU聚焦方式,類似用放大鏡匯聚太陽光的方法,燒灼深層皮膚真皮與皮下組織層或表淺肌肉筋膜系統(SMAS, superficial musculoaponeurotic system),得到拉皮效果。請參見:
1. 音波拉皮 vs 電波拉皮:原理差別與效果比較
http://www.skin168.net/2014/05/HIFU-RF-facelift.html
2. 各種音波拉皮儀器性能比較
http://www.skin168.net/2015/01/ultherapy-ultrasound.html
3. 高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理 
http://www.skin168.net/2013/04/hifu-high-intensity-focused-ultrasound.html
4. Liposonix立塑聚焦音波減脂:HIFU超音波原理與應用
http://www.skin168.net/2014/02/Liposonix.html

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