醫療用超音波

1. 診斷用超音波

超音波為一高頻率聲波，也是一種機械振動波，其產生原理為由壓電材料製成之振 動元件，受到驅動電信號之激發產生壓縮或舒張的振動，再藉由周圍之介質傳遞振動 波出去。醫學超音波則是利用超音波在組織中傳遞的變化，而達到診斷或治療的功 能。診斷用超音波是利用超音波在組織中傳遞時，被組織主質反射或散射以成回波，

回波信號則被用來組成器官組織之影像，以幫助醫師診斷。與其他醫學影像系統相 較，具有低價格、無輻射性、即時、高空間解析度、可攜性、可量測血流等諸多優點。

在各種醫學影像的擷取上，藉著加入對比劑來增進影像品質的技巧已被廣泛的運 用，目前醫用超音波影像上所使用的對比劑則是以微氣泡形式的對比劑為主流。現今 已發展出的超音波對比劑除了穩定性高、可通過肺循環外，還具備無毒性、易使用、

分解慢、副作用少、效果明顯等優點，在臨床上的應用已十分廣泛。

2. 治療用超音波

此外，近年隨之而興起的超音波生物學效應的研究顯示了超音波與生物體系各個層 次相互作用的機制，例如：機械效應、熱效應及空蝕化效應等，它的基礎研究和應用 日趨受到人們的重視。以下就這三種效應簡略說明：

機械效應：超音波具有波動性和粒子性，其聲波強度越高，質點運動的加速度越大，

甚至可能超過重力加速度的數萬倍。質點的高速度運動會在液體中形成微激流，並對 生物組織產生剪切摩擦和拉扯而造成破壞作用。

熱效應：聲波在組織中傳播，組織的熱傳導損耗，和內摩擦粘滯消耗會不斷的把之 升高。由於熱能的累積涉及組織的傳熱性和吸熱性，因此，溫升的幅度不但與超音波 的作用時間成正比，也與組織的性質有關。

穴蝕化效應：穴蝕化效應是超音波誘使氣泡形成至破裂的過程，已有研究顯示，當 超音波的聲壓超過個閥值（threshold）時，就會產生微氣泡。微氣泡會於聲場下振盪、

生長與急劇破裂，釋放大量能量並造成震波（shock wave）與導致高溫，引起自由基

（free radicals）的生成與機械性的組織傷害，因此造影用超音波之強度和能量均受到 嚴格監控，以避免對人體組織不當的損傷。但是若能侷限穴蝕化效應於患部，利用釋 出的能量破壞腫瘤細胞或輔助藥物傳遞，穴蝕化效應有潛力成為專一性治療之工具，

並且可以有效與現有之超音波影像系統結合。穴蝕化效應除了造成細胞組織損害外，

近年來亦有研究發現穴蝕化效應可增加細胞外的分子進入細胞的機會，此分子包括蛋 白質與 DNA。此外，DNA 於穴蝕化效應的影響下不但可進入細胞，還能正常表現 出特定蛋白質，對於基因治療的應用具有非常大的助益。

- 發展趨勢

目前較為精密的訊號處理機器中，醫療用超音波系統是其中最普及的。超音波系 統雖然類似於雷達或聲納，但卻是以射頻的速度來操作，比雷達的波長尺度慢，而比 聲納來得快。從早期推車式超音波診斷系統問世以來，醫學界已經將這種即時處理技 術應用於早期健康檢查和一般診斷過程。隨著技術不斷地推陳出新，超音波診斷系統 變得越來越易於攜帶，有些超音波診斷系統已經發展成超小型掌上設備。在不久的將 來，超音波診斷系統即使無法像醫生的聽診器一樣普遍，仍可望成為一種專用的個人 數位助理( PDA )。Siemens Medical Solutions 在2000年早期提出口袋超音波概念，如 今已經開發出全世界最小的便攜式超音波系統，也是全世界第一部被定位為定點照護 應用的超音波產品：「Acuson P10」。該產品(如圖5-7)圖像品質精緻、操作容易且尺寸 小便於攜帶，重量只有1.6磅。

圖5-7 Siemens 口袋超音波：Acuson P10 圖片來

：

源

http://ultrasound-machine.blogspot.com/2007/10/siemens-pocket-ultrasound.htm l

許多要求嚴格的應用會因為輕便超小型可攜設備提供了即時掃描功能而獲得許多 好處。最明顯的例子是，現場急診醫療服務(EMS)的醫護人員將會更快地接觸到病人，

並且能夠事先提供檢測結果。如果路途遙遠，醫生在急救室等候病人的同時還可進行 遠端診斷。普通醫生在例行辦公室問診期間則可以對病人做超音波掃描以當作檢查的 一部分，毋需專家幫助。提高便攜性亦可以為無穩定電力的偏遠地區和農村提供更多 因使用這些裝置而提升醫療服務的機會。另一方面，獸醫若使用攜帶型超音波診斷設 備，對於現場診斷大型動物或寵物非常有用，同時也可用於專門從事食品產品的大農 場中的猪牛繁殖。採用可攜式超音波系統當然也必須承擔成本，不僅要提供用於診 斷、掃描和分析的新設備，還須要進行人員培訓。

超音波影像系統因為具有可攜性、非侵入式、可即時反映組織特性等優點，已經成 為實驗研究及臨床診斷上最常用的醫學影像系統之一。相較於其他醫學影像系統，傳 統上工作頻率範圍在2~10 MHz 的低頻超音波影像系統，其影像解析度並不能滿足許 多較細微組織結構性觀察的需求。然而超音波系統的影像解析度會隨著頻率的上升而 改善，近年來，由於電子元件、電路設計技術的創新，高頻超音波影像技術也逐漸應 用於臨床診斷與實驗研究上，各種利用高頻超音波精細的解析度對人體以及小動物各 表層組織的觀察也已開始被廣泛的研究。如血管內超音波（intravascular ultrasound）

便是高頻超音波的應用之一。因為高頻超音波探頭的體積較小，利用小型的環形陣列 探 頭 進 入 血 管 內 對 周 圍 管 壁 做 組 織 結 構 的 觀 察 ， 可 對 於 如 主 動 脈 剝 離 （ aortic dissection）和冠狀動脈心臟病（CAD）等心血管疾病做即時的診斷與評估。

另外在癌症方面，由於癌細胞本身經由血管新生（angiogenesis）過程所增生的新生 血管，其形態往往是相當不規則的，它們的管徑大小不一，角度任意彎曲，不論在形 態、血流特性和功能上都和周圍正常組織的血管有顯著的不同。所以一個可以用來觀 測腫瘤微循環的技術，在診斷、檢驗和評估一些癌症藥物及治療方法時都是十分重要 的。近年來，利用超音波對比劑（contrast agent），更可找到人體中臟器局部缺血，

以及微循環發生障礙的位置，不但不具有輻射危險，更可以將微小血管狹窄處清晰地 突顯出來，以供尋求病因及進一步治療之用。

也是近幾年來蓬勃發展的高能量聚焦型超音波( High Intensity Focused Ultrasound:

HIFU )是將波的能量經過聚焦形成一個高能量的小區域，可在短時間內，將焦點區域 的溫度提升至細胞蛋白質變性所須的溫度以上，已達到殺死癌細胞的目的。其原理就 像是用放大鏡將光能集中來燒紙片一般，可做有效且精確的燒灼。其最大優勢為完全 非侵入式，亦不傷害鄰近正常組織，病患免開刀，大幅降低了醫療成本。

高能量聚焦超音波的大量研究興起於1990年代左右。因探頭面積大、幾何聚焦特性 較佳，故可發射較強之能量（強度約診斷用超音波1000-10000倍左右）之超音波以燒 灼定點組織，其優點是精確度高，不會造成聚焦區周圍組織的傷害。相較於輻射治療，

同一位置能多次以高能量聚焦超音波進行治療而不會產生累加性的劑量傷害。近年 來，高能量聚焦超音波已運用於許多領域，包括泌尿科、眼科與腫瘤治療，前列腺癌 與肝腫瘤的治療也具臨床治療的可能性，並且此方法也可運用於其他癌症的診治。除 了治療腫瘤，超音波聚焦所產生之瞬間高熱亦可做內出血之處理。在動物中之大血管 如肝動脈破裂後，利用非侵入式之高能量聚焦超音波，可在數秒內燒結血管以達到止 血的目的。

美國，法國，英國、日本以及中國大陸，皆相繼投入超音波熱治療設備之開發，並 且已進入人體試驗階段。如 Insightec 公司與奇異公司及哈佛大學合作，開發利用聚 焦式超音波和核磁共振影像監控療程之技術應用在女性良性子宮肌瘤熱切除上，效果

良好，證實可大幅改善病患之適應症狀。此機型在04年底通過美國 FDA 認證，更獲 選為 Wall Street Journal 年度票選十大新科技。以色列的 InSightec Image Guided Treatment（IIGT）公司，成立於1999年，在主要股東 GE Healthcare、Elbit Medical Imaging 移轉相關專利技術下，InSightec 投資超過6,000萬美元在研發上，進行核磁 共振導引聚焦超音波手術（MRgFUS）的發展，以取代過去侵入式手術的方式，為全 球超過數百萬罹患癌症或腫瘤等嚴重疾病病患進行非侵入式的手術。InSightec 第一 個產品為 ExAblate 2000，結合 GE Healthcare 的 MRI，在2004年10月通過美國 FDA 上市許可，用於更年期前女性子宮肌瘤的治療。中國之重慶海扶公司亦獲歐規 CE 認 證，開發出以超音波 B-mode 影像監控療程之技術應用在肝臟惡性腫瘤熱切除。此治 療想法也為惡性腫瘤之治療手段開發出新契機。由華爾街日報（Wall Street Journal）

這幾年所公佈的全球科技創新獎的產品可看出，低侵入式，甚至非侵入式診斷與治療 的方式，已成為目前醫療器材技術的主流，而能夠提供更好療效以及能在疾病發生早 期就診斷出來的產品，都成為未來產業界技術創新努力的目標。

圖5-8為結合超音波熱治療與 MRI 之 Insightec ExAblate 2000 System 治療女性子 宮肌瘤( Uterine fibroids )之示意圖。

圖5-8 Insightec ExAblate 2000 System

圖片來源：

http://medgadget.com/archives/2007/06/noninvasive_palliation_of_pain_of_bone_mets.html

http://medgadget.com/archives/2007/06/noninvasive_palliation_of_pain_of_bone_mets.html