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114年:醫物幅安(2)

在超音波的特性中，下列何種效應會造成組織加熱的現象？

A阻抗（impedance）
B吸收（absorption）
C折射（refraction）
D繞射（diffraction）

詳細解析

本題觀念：

本題考查的是超音波物理學中，聲波與人體組織發生交互作用時的「衰減（Attenuation）」與「生物效應（Bioeffects）」。當超音波在人體組織中傳播時，其能量會逐漸減少，這個過程稱為衰減。衰減主要是由吸收（Absorption）、反射（Reflection）與散射（Scattering）所組成，其中，將聲波能量轉化為熱能的物理機制正是「吸收」效應，這也是超音波產生「熱效應（Thermal effect）」的根本原因。

選項分析

  • A. 阻抗（impedance）：不正確。聲阻抗（Acoustic impedance）是指介質密度與聲速的乘積。當超音波行經兩種不同聲阻抗的組織交界面時，會產生「反射（Reflection）」與「透射（Transmission）」，這是超音波形成影像回音強弱的基礎，但阻抗本身並不會使超音波能量轉變為熱能。
  • B. 吸收（absorption）：正確。當超音波穿透介質時，由於介質內部分子的摩擦與黏滯性，聲波的機械能會被組織吸收並轉換為「熱能」，導致組織溫度上升。這不僅是超音波衰減最主要的原因（約佔總衰減的80%），也是高強度聚焦超音波（HIFU）或復健科超音波熱療能夠加熱組織的物理基礎。
  • C. 折射（refraction）：不正確。折射是指當超音波以非垂直的角度，入射至兩種「聲速不同」的介質交界面時，聲波傳遞方向發生偏折的現象（遵循司乃耳定律 Snell's law）。折射主要會造成超音波影像的空間定位假影（Refraction artifact），與組織加熱無關。
  • D. 繞射（diffraction）：不正確。繞射是指聲波在行進過程中，遇到與其波長相近的微小障礙物或狹縫時，波前發生彎曲並向四周散開的現象。這屬於聲波傳播的空間分佈特性，並非能量轉換為熱能的機制。

答案解析

超音波在人體組織中行進時，能量的損耗稱為衰減（Attenuation）。吸收（Absorption）是衰減過程中佔比最大的因素。在吸收的過程中，超音波的機械能（聲波）克服了組織的內部摩擦力，轉化成了熱能，進而造成局部組織溫度的升高。

在診斷醫學超音波中，為了避免組織過度加熱造成生物傷害，儀器螢幕上會顯示「熱指數（Thermal Index, TI）」，用以提示當下操作參數可能造成的組織溫度上升程度。而在治療型超音波（例如海扶刀 HIFU 或醫美音波拉提）中，則是刻意利用超音波的高強度與高吸收率，在焦點處產生瞬間高溫（可達60-70°C）來破壞腫瘤組織或刺激膠原蛋白新生。因此，造成組織加熱現象的效應為吸收（absorption），故最適合的答案為 (B)。

核心知識點

醫事放射師在準備超音波物理時，應熟記以下聲波與組織的交互作用：

  1. 衰減（Attenuation）：能量隨深度遞減的現象，主要由吸收、反射及散射組成。與超音波頻率成正比（頻率越高，衰減越快，穿透力越差）。
  2. 吸收（Absorption）：聲波轉化為熱能，是造成組織加熱（熱效應，Thermal effect）的唯一原因。臨床上需監測熱指數（Thermal Index, TI）。
  3. 反射（Reflection）：取決於兩介質的聲阻抗（Acoustic impedance）差異，是超音波 B-mode 成像的基礎。
  4. 折射（Refraction）：取決於兩介質的聲速（Propagation speed）差異及入射角，會造成邊緣陰影或重影等假影。
  5. 生物效應評估指標：除了熱效應外，另有由氣穴/空穴效應（Cavitation）引起的機械效應，由**機械指數（Mechanical Index, MI）**監控。

臨床重要性

在臨床執行超音波掃描時（尤其是在進行胎兒超音波、高頻彩色都卜勒或使用經陰道探頭時），因超音波的高頻率與高能量輸出會增加組織吸收率，可能導致周圍或胎兒組織溫度上升（熱效應）。操作者需隨時注意螢幕上的熱指數（TI），特別是骨骼熱指數（TIB）和軟組織熱指數（TIS），遵循 ALARA（As Low As Reasonably Achievable）原則，以保護病患及胎兒安全。

參考資料

  1. A Review on Biological Effects of Ultrasounds: Key Messages for Clinicians (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8900889/)
  2. Heating of bone and soft tissue by ultrasound (https://www.tandfonline.com/doi/pdf/10.1179/174313106X154081)
  3. Statement on the Safety of Cosmetic Ultrasound - AIUM (https://www.aium.org/resources/official-statements/view/statement-on-the-safety-of-cosmetic-ultrasound)
  4. Statement on Biological Effects of Ultrasound in Vivo - AIUM (https://www.aium.org/resources/official-statements/view/statement-on-biological-effects-of-ultrasound-in-vivo)
  5. 高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理 (https://www.skin168.net/2015/05/hifu-focused-ultrasound.html)
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