2-1 超音波概述
2-1-1 波動的基本原理
超音波是聲波的一種，其頻率超出人耳所能聽到的最高閾值 ( 20kHz )。超音波進行傳播時需依靠介質的震動，其行進方向與介質 傳播方向平行，此時超音波歸類於縱波(Longitudinal wave)；若介質為 剛性材質時，可能使得介質中粒子之上下震動方向與波行進之方向垂 直，此時超音波屬於橫波 (Transverse wave) [30]。圖 2-1 為正弦波之 聲波波形，T 為聲波之週期 (period) ，λ 為聲波之波長 (wavelength)，
其與聲速 c 之關係如式(2-1)。
(2-1) 也可寫成 (f：聲波之頻率，f=1/T)
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λ
T
Time or distance
Amplitude
圖2-1 聲波波形
超音波於不同介質中進行傳播時，會發生散射(scattering)、反射 (reflection)、衰減(attenuation)與折射(refraction)等現象，這些現象會導 致超音波之能量不斷衰減。折射和反射的產生是由於超音波通過不同 聲阻抗之介質界面，如圖 2-2 所示， c1和 c2 分別代表兩不同介質之 聲速、θi 為入射角、θr 為反射角、θt 為折射角，而折射角會遵守斯涅 爾定律（Snell's Law），如式(2-2)所示 [32]。
θ θ ； (2-2)
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Material Velocity ( m/s)
Impedance X 10-6 ( kg/m2-s )a
Water 1484 1.48
Aluminum 6420 17.00
Air 343 0.0004
Plexiglas 2670 3.20
Blood 1550 1.61
Myocardium (perpendicular to fibers) 1550 1.62
Fat 1450 1.38
Liver 1570 1.65
Kidney 1560 1.62
Skull bone 3360 6.00
a Rayl is unit commonly used for acoustic impedance. One rayl = 1 kg/m2-s.
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當超音波於生物組織內進行傳播時，聲強度會有所衰減，式 (2-4) 是用來說明超音波於生物組織中的傳遞情形，Io 為組織中某點之聲強 度，μ 為組織之衰減係數(attenuation coefficient)，I(x)為距離該點 x 處 的聲強度之函數。
Attenuation coefficient ( np/cm at 1 MHz at 20℃)
Air 1.38
Aluminum 0.0021
Plexiglas 0.23
Water 0.00025
Fat 0.06
Blood 0.02
Myocardium (perpendicular to fibers) 0.35
Liver 0.11
Kidney 0.09
Skull bone 1.30
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2-1-2 超音波換能器(transducer)與聲場
超音波換能器為一種聲波振動與電壓之間的能量轉換器，典型超 音波換能器之結構圖如圖 2-4 所示。
圖 2-4 典型超音波換能器之結構圖[31]
超音波之產生原理主要是利用壓電效應，當壓電晶體受到外加之 電壓訊號時，電偶上的正極與負極會重新排列，使得壓電晶體的形狀 尺寸發生變化，並引發固定頻率之振動，進而產生超音波。同樣地，
壓電晶體的物理形狀受到改變時，也會產生感應電壓，形成電子信號。
由此可知，超音波換能器不只能產生超音波也可作為超音波之接收器 [30]。
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超音波從換能器被放射出來時，會於介質中產生一聲壓分布範圍，
此範圍稱為聲場。如圖 2-5 (a)所示，超音波聲場會有遠近場之分，且
超音波能量於近場之分布情形較遠場不均勻。超音波之聚焦深度 Zo
則由式(2-5)所示，λ 為超音波之波長，r 為換能器之半徑，於 Zo 範圍 內之超音波聲場為近場 (Near field) ，超過 Zo 範圍外則為超音波之遠 場 (Far field) 。而且，在遠場中的超音波能量會隨著距離的增加而逐 漸發散，如圖 2-5 (b)所示，超音波波束會以 θ 的角度進行發散，θ 角 可藉由式 ( 2-6 ) 來求得 [32]。
(2-5)
sin . (2-6)
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Axial Distance, Z Z0
Pressure
Decreases as 1/z
(a)
Z
0θ
θ
2r
Transducer
(b)
圖 2-5 超音波聲場 (a)超音波之遠近場分布 (b)超音波之側向聲場
2-1-3 超音波之生物效應
超音波對細胞及生物組織產生之各種作用與效應，稱為生物效應，
此 效 應 大 致 分 為 熱 效 應(Thermal effects) 與 非 熱 效 應 (Non-thermal effects)二種。
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A. 熱效應
超音波傳遞於生物組織中時會引起細胞、分子與組織液相互振動 摩擦而產生熱能。此效應能促進血液循環以提升組織之新陳代謝、修 補損傷之骨膠原纖維組織使其恢復彈性、緩解關節疼痛或肌肉痙攣等 症狀[6]。
B. 非熱效應
超音波之非熱效應即為機械效應，藉由機械波的傳遞來引發細胞 或分子的震盪，其中包括空穴效應(cavitation)、聲流(acoustic streaming)、
微聲流(acoustic microstreaming)以及輻射力(radiation force)等。空穴效 應的產生是由於組織與液體交介面上受到超音波之正負壓力作用後產 生微氣泡。這些微泡會受到超音波之高壓崩裂及負壓的再生，且微泡 於崩裂時會產生衝擊波，類似於噴射的效果，進而破壞生物組織產生 溶解現象(Lysis)。聲流和微聲流的產生則會改變生物組織之濃度梯度，
造成細胞膜之通透性改變，使得細胞膜內外離子產生流動。這些作用 發生之原因在於超音波進入生物組織後會引發介質周圍之壓力變化，
使得非熱效應的產生[6]。
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2-2 細胞
2-2-1 幹細胞
幹細胞(stem cells)為一群尚未分化的單一細胞，同時具有自我再生 (self-renewal )與分化(differentiation)的能力 [33] 。幹細胞分為許多種 類，像是胚胎幹細胞、成體幹細胞或間質幹細胞等。這些幹細胞能分 裂增生成任何一種特定的細胞，藉由外來的刺激來分化成不同型態之 細胞，也可以說幹細胞是全能性之細胞。
幹細胞依照來源的不同可分為兩種類型，一種為胚胎幹細胞
（Embryonic stem cells，ESCs），其為胚胎衍生之幹細胞，取自於囊胚
（blastocyst）中的內細胞團（inner cell mass），在發育過程中可以分化 成各個胚層的細胞，包括外胚層（如上皮細胞、神經細胞等）、中胚層
（如血液、骨骼及肌肉等）、內胚層（如肝臟、腎臟等內臟器官）。所 以一般認為胚胎幹細胞具有多功能性，且可分化成各種細胞型態 [34] 。雖然胚胎幹細胞運用性較為廣泛，但由於取得胚胎幹細胞所引 發的道德爭議不斷，因此胚胎幹細胞的發展至今仍備受限制。
另一種類型之幹細胞為成體幹細胞（Adult stem cells，ASCs），包 含 造 血 幹 細 胞 （Hematopoietic stem cells ， HSCs ）、 間 質 幹 細 胞
（Mesenchymal stem cell，MSCs）等幹細胞。由於這類幹細胞大多是 從自體取出，且較無道德爭議及排斥之問題，因此成為目前較常見之
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幹細胞來源。近年來的研究顯示雖然成體幹細胞之分化能力有限，但 若適時地給予適當的培養條件，亦可培養分化成軟骨細胞、骨母細胞、
脂肪細胞、或肝細胞 [35] 及類心肌細胞 [36] 等。
2-2-2 間質幹細胞
間質幹細胞(Mesenchymal stem cells，MSCs)被認為是具有強大分 化能力之幹細胞，除了主要來源的骨髓之外，間質幹細胞也存在於許 多種組織中，例如臍帶血、胎盤、脂肪組織等。在脊椎動物胚胎的發 育過程中會產生三個胚層(germ layers)，分別為內胚層(Endoderm)、中 胚層(Mesoderm)及外胚層(Ectoderm)。隨著生殖細胞的發育，此三個胚 層會形成各種組織及器官。間質幹細胞是源自於中胚層，但它最後卻 能分化成其他胚層之組織與器官，例如硬骨、軟骨、脂肪、肌肉、神 經及心臟等。由此可以知道間質幹細胞比其他的幹細胞具有更多的細 胞型態，因此間質幹細胞被認為是最原始的細胞 [37] 如圖 2-6 所示。
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圖 2-6 間質幹細胞分化之簡圖 [38]
間質幹細胞最初由 Friedenstein A.J. 等人在骨髓中發現，並定義為 無性繁殖且貼附型之細胞，且證明間質幹細胞在體外培養仍具有增生 的能力 [39] 。進一步的研究顯示間質幹細胞在特定的外來刺激下可 分化成軟骨細胞、成骨細胞 [40] 、脂肪細胞 [41] 及心肌細胞 [42] 等。
間質幹細胞具有 CD44、CD73、CD90 和 CD105 等特殊專一性的表面 標誌，但不具有 CD11b、CD14、CD34、CD45 等表面標誌 [43]。除 此之外，其他研究發現間質幹細胞能分化為神經細胞 [44]、肝細胞 [45]
等等。換言之，間質幹細胞具有可分化成三種不同胚層細胞系的多能 分化性(multipotency)。
25 (phospholamban)等標誌分子，或是心肌轉錄因子 GATA4 和 Nkx2 [48]。
在體內培養研究方面，Tomita S [49]等人在成年大鼠體內進行誘導 間質幹細胞分化成心肌細胞之研究，將間質幹細胞從骨髓中分離出來，
並與 5-氮胞苷 (5-aza) 一起作用。注射細胞於大鼠之心肌瘢痕組織內，
經過三周後可觀察到類心肌細胞 (Cardiomyocyte-like cells) 的形成，
具有心肌細胞特異性標誌物：肌鈣蛋白 (troponin I) 及肌球蛋白重鏈 (myosin heavy chain)。
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