摘要：超声技术已扩展至治疗领域，涵盖高强度（HIFU）和低强度（LIPUS）超声。HIFU通过高热和机械效应无创治疗妇产科肿瘤，而LIPUS通过微热和非热效应促进细胞代谢，改善缺血缺氧，加速组织修复。非热效应包括空化、微射流、声流和机械刺激，转化为细胞内生化信号。组
一、概念、分类及常用指标
超声技术已扩展至治疗领域，涵盖高强度（HIFU）和低强度（LIPUS）超声。HIFU通过高热和机械效应无创治疗妇产科肿瘤，而LIPUS通过微热和非热效应促进细胞代谢，改善缺血缺氧，加速组织修复。非热效应包括空化、微射流、声流和机械刺激，转化为细胞内生化信号。组织对超声波吸收不同，蛋白质丰富和水分低的组织吸收更多，如骨骼、软骨、肌腱等。低强度超声（LIPUS）因其无显著温度升高而备受关注。LIPUS以低强度脉冲波模式传递，具有最小的热效应，为治疗提供无创物理刺激。研究表明，LIPUS能加速骨折愈合、促进软组织再生、抑制炎症，并有潜力作为神经调节手段。
一般来说，随着声强度的增加，诱发的生物效应会从正常生理反应的增强（如血液灌注增加）转变为破坏性机制（如细胞坏死），这通常是通过集中能量来实现的（图 1））。除了强度之外，频率、振幅、治疗时间和波模式（连续与脉冲）的变化也会影响声压波引发的机制。然而，超声波的热效应和非热效应是不可能隔离的，因为即使是最低振幅的压力波也会导致热沉积和传播到组织中的辐射力。随着振幅的增加，也会发生空化，并且热量仍然会沉积。因此，超声参数组合只能强调而不是孤立特定的生物效应。这仍然允许超声治疗产生的效果存在显着差异（图1）。
（图1）治疗性超声可以引发多种机制。(a) 该图显示，一般来说，随着声强度的增加，机制变得更具破坏性并引起不可逆的生物效应。多种机制，如周期性运动和超声传播引起的组织位移所产生的力、吸声产生的热效应以及气泡效应（括号中），可以以相同的强度发生。虚线轮廓表示次要机制，如辐射力、微流和微射流，可以由主要气泡机制形成，这些机制可以引起组织和/或周围流体的净运动。(b) 汇总表显示超声治疗机制可能产生哪些生物效应。
低强度超声治疗 (LITUS)、体外冲击波疗法 (ESWT) 和径向冲击波疗法 (RSWT) 的一般特征。ESWT 在焦点处实现非线性冲击波，而 LITUS 在低得多的声能下运行以产生线性波。RSWT 能量介于其他两种疗法之间。（I
SATA = 空间平均时间平均强度；EFD = 能量通量密度）从分类来看，可依据不同的参数进行划分。比如按照脉冲频率，有不同赫兹数值的分类；按照脉冲宽度、占空比等参数也能进一步细分不同类型的 LIPUS 设备及应用模式。 LIPUS 一般是指超声强度在 0.1 - 1.0 W/cm² 范围内的脉冲超声。是一种中频超声波 (0.7-3 MHz)，以波模式（100 和 1,000 Hz）产生脉冲，并以远低于传统超声波能量的强度 (
（一）根据用途分类
A 、低强度脉冲超声 (LIPUS)
1.空间峰值时间平均强度 (Ispta)
保持LIPUS的Ispta低于720 mW/cm²以符合FDA Track 3标准，避免探头过热。换能器元件的电压，11.30∼88.18伏（V）；Ispta，151∼193 mW/cm 2]【频率，1.875 MHz；脉冲重复频率，7.10 kHz；周期数：1、16、32、48 和 64；施加到每个换能器元件的电压，11.30∼88.18伏（V）；Ispta，151∼193 mW/cm 2]
B、低强度聚焦经颅超声刺激 (TUS)
TUS 使用 100 至 1,000 kHz 范围内的声波穿过颅骨，将聚焦声能传递到目标大脑区域。
用于神经调节的低强度TUS（通常 中等强度应用（>190 W/cm 2 ）（ Kim et al., 2021 ; Spivak et al., 2022 ; T.Zhang et al., 2021）和高强度聚焦超声（高达 10,000 W/cm 2）用于神经外科患者的临床热消融。
关键参数包括平均声强度（强度空间峰值脉冲平均值，ISPPA）、时间平均强度（ISPTA）、超声处理持续时间（SD）、占空比（DC）、脉冲重复频率（PRF）、热指数（TI）和机械强度指数（MI）
Box 1. Transcranial focused ultrasound stimulation (TUS) key parameters.
Shown are the abbreviations and measurement value definitions for the key TUS parameters.
PARAMETERSDESCRIPTIONDEFINITIONUNITSISPPAIntensity - Spatial Peak Pulse AverageRefers to the Average acoustic intensityW/cm2ISPTAIntensity - Spatial Peak Temporal AverageTemporally averaged intensity over the sonication duration (ISPPA * Duty Cycle)W/cm2SDSonication DurationPeriod during which TUS is applied to the brain targetSecondsPRFPulse Repetition FrequencyThe number of pulses per second delivered to the targetHzMIMechanical IndexCharacterizes the likelihood of mechanical cavitation caused by TUSTIThermal IndexEstimate of temperature rise in tissue due to TUS exposure.°CC、低强度脉冲超声刺激骨折愈合
英国国家健康与护理卓越研究所 (NICE) 于 2010 年支持使用 LIPUS 治疗延迟愈合和不愈合。最广泛使用的 LIPUS 刺激参数包括超声波频率为 1.5 MHz 的突发波形，200 μs 打开和 800 μs 关闭，信号重复 1 kHz，空间平均-时间平均强度 ( I SATA ) 为 30 mW/cm 2，剂量为每天 20 分钟。 到目前为止，大多数报道的实验都使用 FDA 批准的 EXOGEN® 设备，尽管也使用其他系统，脉冲波的强度通常低于100 mW/cm2.
低强度脉冲超声（LIPUS）是一种超声能量输出形式，其特点是超声强度相对较低，且采用脉冲式发射。超声技术近年来已从诊断扩展至治疗领域，包括高强度和低强度超声。HIFU在妇产科治疗肿瘤方面广泛应用，通过高热和机械效应无创诱导靶组织坏死。LIPUS通过微热和非热效应促进细胞代谢，改善缺血缺氧，加速组织修复。非热效应包括空化、微射流、声流和机械刺激，转化为细胞内生化信号。组织对超声波吸收不同，蛋白质丰富和水分低的组织吸收更多，如骨骼、软骨、肌腱等。LIPUS 是一种中频超声波 (0.7-3 MHz)，以波模式（100 和 1,000 Hz）产生脉冲，并以远低于传统超声波能量的强度 (超声强度在 0.1 - 1.0 W/cm²范围内的脉冲超声。
从分类来看，可依据不同的参数进行划分。比如按照脉冲频率，有不同赫兹数值的分类；按照脉冲宽度、占空比等参数也能进一步细分不同类型的 LIPUS 设备及应用模式。
1.低强度聚焦经颅超声刺激 (TUS) ：低强度TUS（通常 2）（美国食品药品监督管理局，2019 年）2.低强度脉冲超声骨生长刺激
3.LIPUS诱导巨噬细胞表型从M1向M2转换而发挥抗炎作用：60 mW/cm2
4.LIPUS治疗压力性尿失禁（SUI）：200 mW/cm2和300 mW/cm2组漏点压力和膀胱容量均恢复。
5.低强度超声诱导肿瘤放射增敏：
（二）根据超声波频率分类
根据超声波频率的不同，超声波可分为三个范围：
用于医学诊断的高频超声波（1-20 MHz）、用于治疗医学的中频超声波（0.7-3.0 MHz）和用于治疗医学的低频超声波（LF）超声波（20-200 kHz）用于工业和治疗应用。
低频超声是kHz频率范围内的一种特殊医学超声，其上限频率在1 MHz以下，频率主要在20 kHz至100 kHz之间。
低频超声可以分为两类：低强度低频超声和高强度低频超声。
通常，低强度低频超声应用于增强药物输送领域和高强度聚焦超声（HIFU）应用于癌症消融和姑息治疗领域。表1总结了超声波根据超声波强度或频率的分类和应用。
表1 超声波的分类和应用。超声波分类应用领域超声波强度低强度超声波（2）治疗医学、影像医学、医学诊断和药物输送高强度超声波（≥3 W/cm 2）手术、癌症消融和姑息治疗超声波频率低频超声波 (20–200 kHz)药物输送、手术、癌症消融和姑息治疗中频超声波 (0.7–3.0 MHz)治疗药物，如骨折愈合、软组织病变愈合、抑制炎症反应、勃起功能障碍治疗高频超声波 (1–20 MHz)影像医学与医学诊断二、常用指标主要包括以下几个方面：
超声强度：通常以 W/cm² 为单位来衡量，它决定了超声作用于生物组织时的能量大小，如上述提到的 0.1 - 1.0 W/cm² 是常见的低强度范围。脉冲频率：即单位时间内超声脉冲的发射次数，不同的脉冲频率对生物组织的影响效果可能不同，常见频率有 1.5 MHz、3 MHz 等。脉冲宽度：指单个超声脉冲持续的时间长度，其长短会影响超声与组织相互作用的效果。占空比：是脉冲持续时间与脉冲周期（包括脉冲持续时间和脉冲间隔时间）的比值，它对于调控超声能量的传递及作用效果也起着重要作用。三、应用
骨组织修复领域
在骨折愈合方面，LIPUS 已被证实可加速骨折断端的骨痂形成。它通过刺激成骨细胞的活性，促进骨基质的合成与矿化，从而缩短骨折愈合的时间。多项临床研究表明，对于一些常规愈合较慢的骨折类型，如胫骨中下 1/3 骨折等，应用 LIPUS 辅助治疗能取得较好的疗效，提高骨折愈合的成功率。
在骨缺损修复中，LIPUS 同样展现出潜力。它可以促进骨组织工程支架内种子细胞的增殖与分化，有助于新骨在缺损部位的生长，为骨缺损修复提供了一种新的辅助治疗手段。
软组织损伤修复
对于肌肉拉伤、肌腱损伤等软组织损伤，LIPUS 能够促进局部血液循环，减轻炎症反应。它可以刺激血管内皮细胞产生一氧化氮等血管活性物质，扩张血管，增加损伤部位的血液灌注。同时，LIPUS 还能调节炎症细胞的活性，减少炎症因子的释放，从而加速软组织的修复过程。
在伤口愈合方面，LIPUS 可刺激成纤维细胞的增殖和胶原蛋白的合成，有助于伤口的收缩和上皮化，提高伤口愈合的质量，减少瘢痕形成的可能性。
神经系统相关应用
在周围神经损伤修复中，LIPUS 被发现可以促进神经轴突的再生。它可能通过调节神经生长因子等相关因子的表达，为神经轴突的生长提供有利的微环境，帮助恢复受损神经的功能。
在中枢神经系统疾病方面，虽然研究尚处于初步阶段，但已有一些探索表明 LIPUS 可能对脑缺血、脊髓损伤等疾病有一定的潜在改善作用，比如促进神经干细胞的分化等，但还需要更多深入的研究来证实其确切疗效。
牙科领域
在正畸治疗中，LIPUS 可应用于加速牙齿移动。它通过影响牙槽骨的重塑过程，使牙齿移动更为顺畅且快速，减少正畸治疗的周期，同时可能降低患者在治疗过程中的第 1 页共 2 页在治疗过程中的不适。
在种植体周围炎的治疗中，LIPUS 能够抑制种植体周围细菌的生长，减轻炎症，促进种植体周围骨组织的愈合，有助于维护种植体的长期稳定性。
四、常用设备及品牌
在低强度脉冲超声的应用中，有多种常用设备可供选择，以下是一些常见的品牌及它们的相关设备特点：
Exogen 系列是一款较为知名的低强度脉冲超声设备，在骨愈合等领域应用广泛。其特点包括：
具有精确的超声强度、脉冲频率等参数设置，能够根据不同的治疗需求进行灵活调整。例如，其超声强度可在合适的低强度范围内精准调控，以达到最佳的治疗效果。设备设计较为人性化，操作简便，便于医护人员快速上手使用，减少了操作过程中的失误风险。Ortho-Gold 系列在骨科及相关领域也有重要应用。主要特点如下：
配备了先进的传感器技术，能够实时监测超声作用于组织的情况，如超声能量的吸收、反射等，从而可以根据反馈信息及时调整治疗参数，确保治疗的有效性和安全性。提供多种预设的治疗模式，针对不同类型的骨骼及软组织损伤，医护人员可以直接选择相应模式，无需复杂的参数设置过程，提高了治疗效率。Sonorex 系列在牙科等领域有较多应用。其优势在于：
对于牙科相关应用，如正畸治疗和种植体周围炎治疗，该设备能够精准聚焦超声能量到特定的牙齿及周围组织区域，减少对周围其他组织的不必要影响。具备良好的兼容性，可以与多种牙科治疗设备协同工作，方便在牙科诊疗过程中综合运用不同设备进行全面治疗。除了上述品牌外，还有一些其他品牌也在不断推出性能优良的低强度脉冲超声设备，随着技术的不断发展，这些设备在功能、精度、易用性等方面都在持续提升，为低强度脉冲超声在各个领域的广泛应用提供了有力的硬件支持。
总体而言，低强度脉冲超声在多个医学领域展现出了广阔的应用前景，但仍需进一步深入研究其作用机制、优化治疗参数等，以更好地发挥其在医疗健康领域的作用。
来源：小轩科技天地
