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114年:放射器材(2)

超音波入射至組織中會產生熱效應，下列何者與組織溫度變化無關？

A組織特性
B超音波頻率
C脈衝重複頻率
D訊號放大器

詳細解析

本題觀念：

本題探討的是超音波的生物效應（Bioeffects）中的熱效應（Thermal effect）。超音波在人體組織中傳播時，其聲波的機械能會因為組織的吸收（Absorption）而轉換為熱能，導致局部組織溫度上升。這種溫度上升的程度，取決於超音波發射端的能量參數（如輸出功率、頻率、脈衝特性）以及接收端人體組織本身的聲學與熱學特性。

選項分析

  • A. 組織特性（Tissue characteristics）：有關。不同組織對超音波的吸收係數（Absorption coefficient）差異極大。例如，骨骼的吸收係數極高，容易產生明顯的熱效應；而液體（如羊水、血液）的吸收係數低，不易發熱。此外，組織的血液灌流（Perfusion）程度也會影響散熱速度，進而影響局部溫度的變化。
  • B. 超音波頻率（Ultrasound frequency）：有關。超音波頻率越高，其在組織中的衰減（Attenuation）與吸收越快。這意味著高頻超音波會在較淺層的組織將大部分能量轉換為熱能，造成較高的局部溫度上升；而低頻超音波穿透力強，能量吸收較均勻分散。
  • C. 脈衝重複頻率（Pulse repetition frequency, PRF）：有關。在脈衝式超音波中，熱效應主要取決於空間峰值時間平均強度（ISPTAI_{SPTA}）。脈衝重複頻率（PRF）與脈衝持續時間（Pulse Duration）共同決定了工作週期（Duty Factor, DF）。當 PRF 增加時，工作週期變大，這代表在單位時間內組織暴露於超音波能量的時間變長，時間平均強度（ISPTAI_{SPTA}）隨之增加，產生的熱效應也會更強。
  • D. 訊號放大器（Signal amplifier）：無關。訊號放大器屬於超音波儀器的**接收端（Receiver）**功能（即總增益 Overall Gain）。它的作用是將探頭接收到的微弱回音（Echo）轉換成的電訊號進行放大，以便於後續的影像處理與顯示。調整放大器只會改變螢幕上影像的亮度，完全不會改變探頭發射到人體內的聲波能量，因此絕對不會影響組織的溫度變化。

答案解析

超音波產生熱效應的先決條件是「聲波能量進入組織並被吸收」。任何會影響發射能量大小、時間長短或組織本身吸收能力的變數，都會影響溫度變化。選項 A、B、C 皆會直接影響聲波在組織中能量累積的程度。唯獨選項 D 的「訊號放大器」是在聲波已經離開人體、返回探頭轉成電訊號之後，才在主機內部進行的處理步驟。由於它不牽涉任何入射至病患體內的能量改變，自然與組織熱效應無關。因此正確答案為 D。

核心知識點

醫事放射師在準備超音波物理與儀器學時，必須熟記以下關於生物效應與儀器控制的觀念：

  1. 超音波生物效應（Ultrasound Bioeffects）：
    • 熱效應（Thermal Effect）：以熱指數（Thermal Index, TI）評估。主要與時間平均強度（ISPTAI_{SPTA}）有關。吸收係數高的組織（如骨骼，TIB）發熱最明顯。
    • 機械/空穴效應（Mechanical/Cavitation Effect）：以機械指數（Mechanical Index, MI）評估。與空間峰值脈衝平均強度（ISPPAI_{SPPA}）及最高負壓有關。低頻、高壓的超音波最容易引發空穴效應。
  2. 工作週期（Duty Factor）與強度的關係：
    • Duty Factor (DF)=Pulse Duration (PD)×PRF\text{Duty Factor (DF)} = \text{Pulse Duration (PD)} \times \text{PRF}
    • ISPTA=ISPPA×DFI_{SPTA} = I_{SPPA} \times \text{DF}。因此 PRF 上升會直接導致熱效應增加。
  3. 儀器旋鈕之區別（發射端 vs. 接收端）：
    • 發射端（Transmitter / Output Power / Acoustic Power）：改變射入人體的總能量，會改變病患暴露劑量（影響 TI 與 MI），同時改變影像亮度。
    • 接收端（Receiver / Gain / TGC / Amplifier）：單純處理回波的電訊號，只改變影像顯示，不影響病患暴露劑量或生物效應。

參考資料

  1. Enhancement of Neurite Outgrowth by Warming Biomaterial Ultrasound Treatment - Semantic Scholar (https://www.semanticscholar.org/paper/Enhancement-of-Neurite-Outgrowth-by-Warming-Treatment-Liao-Lin/310f8b17b6a48d8c2810a08e1b6f0e206ab6203a)
  2. EQ Pro Diathermy / Deep Heat - Equine Ultrasound Therapy (https://www.equltrasound.com/equine-ultrasound-therapy-diathermy-deep-heat/)
  3. 脈衝重複頻率與超音波強度 - TW202541849A 用於經由超音波改良核酸遞送之方法及系統 (https://patents.google.com/patent/TW202541849A/zh-TW)
  4. Enhancing tissue imaging contrast in photoacoustic tomography using the ultrasound thermal effect - Optica Publishing Group (https://opg.optica.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-15-1-177&id=544837)
  5. 高頻超音波影像系統 (國立台灣大學電機工程學研究所碩士論文) (https://tdr.lib.ntu.edu.tw/bitstream/123456789/46039/1/ntu-91-R89921071-1.pdf)
  6. 低強度脈衝式超音波對細胞發炎機制的影響 (https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/158774/1/105NCTU5821017.pdf)
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