非侵入式超声塑形及其实现的关键技术

　　1 引言

　　将超声用于人体塑形是上世纪90年代发展起来的一项技术，最初作为脂肪吸除术的辅助处理手段，随着技术与经验的不断进步，逐渐发展成为非侵入式无创超声塑形技术。这项技术使用特殊的超声换能器，产生具备一定功率的高频聚焦超声波作用于人体特定部位的脂肪层，利用超声波的空化效应破坏脂肪细胞膜，游离的细胞内容物将通过人体的代谢系统排出体外，从而达到减肥塑形的目的。其优势主要在于整个治疗过程是无创的，不会对体造成副损伤;治疗中使用超声聚焦换能器，可以严格控制治疗区域，使用更加方便灵活。以色列Ultrashape 公司和美国Liposonix公司在非侵入式超声塑形方面的研究走在世界的前列。Liposonix公司的科研人员在 003年到2004 年进行了超声塑形的人体实验[1]，证明超声用于人体塑形是安全而有效的。两家公司都已经推出了商用的超声塑形的仪器。图1是笔者所在的科研小组研制的超声塑形机的效果图。

　　2 超声塑形系统组成、工作原理和参数

　　非侵入式超声塑形系统的主要组成部分和普通的功率超声系统类似，如图2所示：

　　信号产生模块产生特定频率的信号，经过功放将信号能量放大，通过匹配电路之后加到换能器上，换能器从而产生具有一定功率的超声信号，最后作用于人体的脂肪层。

　　通过研究发现，在非侵入式超声塑形中起主要作用的是空化效应。空化效应是指液体中存在的微小气泡在超声波作用下产生的振荡、膨胀、收缩以至内爆等一系列动力学过程。理论与实验研究已证实，空化过程可以把声场能量聚集起来，空化泡崩溃的瞬间，在液体中的极小空间内将其高度集中的能量释放出来，从而在局部形成异乎寻常的高温、高压、强冲击波、射流等极端物理条件，并伴随液体中自由基的产生。这些极端的物理条件和自由基的形成，对细胞的正常结构有极大的破坏作用，造成不可逆的细胞损伤[2]。图3和图4是经过功率超声照射前后的脂肪组织切片图。通过对比可以看到，经过功率超声照射后，脂肪细胞的细胞壁完全被破坏掉。

　　超声塑形中射入人体的是高强度超声波，发射的能量越大，空化效应越强烈。但高强度超声波在照射时会对皮肤产生一定的刺激。医用生理学把可引起皮肤疼痛的外部刺激的最小值称为疼痛阈值。这里可以参考HIFU作用于人体时的疼痛阈值。国外的学者G.Ter.HAAR 在1995年的报告[3]中提出人体的疼痛阈值约为2100W/cm 。国内学者何申戌、杨珺等人对国人的疼痛阈值进行了验证[4]，得到的疼痛阈值范围为2275W/cm~135W/cm ，与G.Ter.HAAR给出的疼痛阈值相符。在超声塑形过程中，发射功率在疼痛阈值以下即可达到破坏脂肪细胞的目的。除了人体的疼痛阈值，超声能量在人体的累积效应也是需要考虑的。人体受照射时间越长，组织吸收能量越多，温度上升越快，人体组织就越容易受到损伤。为了降低这种累积效应的影响，换能器一般工作在脉冲方式下，脉冲宽度和占空比可以根据实际需要进行调整。因此实用超声塑形系统应该对最大发射功率、脉冲宽度、占空比和累计工作时间等工作参数进行控制[5]。