皮膚科 王修含 醫師 (台大皮膚科 皮膚高頻超音波特別門診負責醫師)
「超音波」又稱為「超聲波」，在物理定義上，超音波屬於一種聲波，也是一種機械波，人類耳朵可聽到的聲波頻率介於20~20,000 Hz之間，因此頻率大於20,000 Hz的聲波稱為「超音波」(ultrasound)，而頻率小於20Hz的聲波，則稱為「超低頻音、次聲、次音」(infrasound)。
超音波的研究歷史，可追溯自1880年居禮兄弟Jacques Curie (1855-1941)與Pierre Curie(1859-1906)發現「壓電效應」(piezoelectric effect)(註：Pierre Curie的妻子正是著名的居禮夫人)。他們發現石英(quartz)等礦物晶體受到壓力時，因體積發生變化，晶體表面會出現微小的電荷，若將這種晶體放在電場內，則會出現體積變化，因此這種壓電現象是可逆的變化。當晶體受到壓力，造成體積變化而產生電壓時，稱為「正壓電效應」，反之若因電壓造成體積變 化，則稱為「逆壓電效應」。這類具有壓電效應的物質，則稱為「壓電材料」，壓電材料除了天然晶體，亦可以人工合成。這種可將能量在電能與壓力之間轉變的性質，稱為「壓電特性」(piezoelectricity)。
超音波科技正式被重視與大量應用，起啟於1940年代的二次世界大戰，當時以此科技製造成「聲納」(SONAR)，用來進行水下探測。二次大戰後，這類科技被運用至醫學，在1950年代出現醫療用途的醫用超音波(medical ultrasound)。
醫用超音波可分為診斷與治療兩個方面，治療用的超音波的頻率較低，可應用於復健與皮膚美容等用途，而診斷用途的醫用超音波(diagnostic medical ultrasound)則採用較高的頻率。用於一般超音波影像的超音波頻率，通常界於2-15 MHz之間，頻率(frequency)愈高，則解析度(resolution)愈高，但穿透深度(penetration depth)也隨之降低。皮膚科學的診斷用超音波影像，需極高的解析度以分辨細微的變化，但探測深度僅需聚焦於表淺的組織，因此多採用高頻率的超音波，至 少需10MHz以上，若要獲得更高的解析度，甚至可採用高達20MHz或50MHz的超音波探頭。
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診斷用醫用超音波(diagnostic medical ultrasound)的基本原理，是因為超音波在 不同的生物組織內前進時，會有相異的速度。若遇到不同的組織界面，會出現明顯的反射，造成信號上的變化，可利用這個變化探測身體內部組織，進而描繪出組織之影像。易言之，醫用超音波採用「脈衝-回音」的原理(pulse-echo principle)，由超音波探頭(ultrasound transducer)將電氣信號轉變成超音波的脈衝，由體表進入組織內部，當這個脈衝遇到組織界面時，會出現回音，再由探頭接收這個回音，將回音轉換回 電氣信號，完成探測過程，再由電腦進行資料處理，形成醫療人員所見到的信號或圖形。一般而言，聲波傳遞速率，在固體最高，其次為液體，而在氣體內最慢。因此於一般的溫度下，超音波在金屬內的傳遞速率，可達3000-6000 m/s，在水中的速率則為1497 m/s，血液 1570 m/s、軟組織(其中約有70%由水分構成) 1540 m/s、整層皮膚內的平均速率約1577 m/s、脂肪 1440 m/s，但在空氣則僅有 330 m/s。
若以診斷用超音波探頭頻率對照不同的醫療用途，大致可區分如下：
2.5 MHz：深部腹部器官、婦產科
3.5 MHz：一般的腹部探測、婦產科
5.0 MHz：血管外科、乳房外科、產科
7.5 MHz：乳房、甲狀腺
10.0 MHz：皮膚科、表淺軟組織、表淺血管、乳房、甲狀腺
20~50 MHz：皮膚科
自1940年代起，高強度聚焦超音波(High-intensity focused ultrasound, HIFU)逐漸被應用於臨床治療，亦即所謂的「超音波手術」。至1970年代，超音波高熱療法已被廣泛運用，利用高強度超音波，可將組織加熱至42-45oC之間，並持續30-60分鐘。1990年 代之後，出現許多與高強度聚焦超音波相關的研究。高強度聚焦超音波採用大面積且幾何聚焦特性較好的探頭，有利於發射較高的能量，且可精確定位於病灶部位， 在多次治療下，也不會出現累積性的劑量傷害，在治療過程中，亦可同時進行超音波造影。除了用於破壞腫瘤組織，高強度聚焦超音波也有不錯的止血效果，可處理 大血管破裂導致的內出血問題。
高強度聚焦超音波在臨床上的用途，包括治療良性或惡性腫瘤，例如肝癌、胰臟癌、前列腺癌、腎細胞癌(renal cell carcinoma)、膀胱癌、肉瘤(sarcoma)等；此外，HIFU尚可運用於止血、血栓溶解、藥物與基因傳遞等。
在皮膚科與美容醫學方面，HIFU科技已被應用於破壞目標區域皮下脂肪，也就是所謂的「超音波減脂」，例如「Liposonix立塑聚焦音波減脂」採用HIFU原理，以非侵入性方式，破壞皮下脂肪 ，可達到體雕(body contouring)的效果。若應用較低能量的HIFU科技，亦即「微聚焦音波」(Microfocused Ultrasound, MFU)技術，可施作於「非侵入式眉毛拉提治療」，即俗稱的「音波拉皮」、「超聲刀拉皮」， 這些儀器包括「極線音波拉皮Ulthera ® (Ultherapy)」, 「海芙拉提UltraFormer ®」, UltraSkin ®(優塑音波拉皮、超極限音波拉皮/音波拉提), Doublo ®(倍提音波拉提), HIPRO ®, E-Clip ®, UTIMS A1 ®(寇斯特”雅提斯A1超音波治療儀, 优提美UTIMS A1 ®极限音波拉皮) ......等，採用HIFU聚焦方式，類似用放大鏡匯聚太陽光的方法，燒灼深層皮膚真皮與皮下組織層或表淺肌肉筋膜系統(SMAS, superficial musculoaponeurotic system)，得到拉皮效果。請參見：
1. 音波拉皮 vs 電波拉皮：原理差別與效果比較
http://www.skin168.net/2014/05/HIFU-RF-facelift.html
2. 各種音波拉皮儀器性能比較
http://www.skin168.net/2015/01/ultherapy-ultrasound.html
3. 高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理
http://www.skin168.net/2013/04/hifu-high-intensity-focused-ultrasound.html
4. Liposonix立塑聚焦音波減脂：HIFU超音波原理與應用
http://www.skin168.net/2014/02/Liposonix.html
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超音波能量強度
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| 超音波原理：一些名詞概念 |
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| 超音波原理：能量強度概念 |
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| 超音波原理：能量強度定義 |
數值大小：ISPTP > ISPPA > ISPTA > ISATP > ISAPA > ISATA
ISPTP (Spatial-Peak Temporal-Peak Intensity) 空間峰值暫態峰值強度
ISPPA (Spatial-Peak Pulse-Average Intensity) 空間峰值脈衝平均強度
ISPTA (Spatial-Peak Temporal-Average Intensity) 空間峰值暫態平均強度
ISATP (Spatial-Average Temporal-Peak Intensity) 空間平均暫態峰值強度
ISAPA (Spatial-Average Pulse-Average Intensity) 空間平均脈衝平均強度
ISATA (Spatial-Average Temporal-Average Intensity) 空間平均暫態平均強度
例題：下列超音波聲壓強度（intensity）的排列順序（由大至小），何者正確？（註：SPTA： spatial peak-temporal average；SATA：spatial average-temporal average；SPPA： spatial peak-pulse average；SPTP：spatial peak-temporal peak）
(A)ISPTA, ISATA, ISPPA, ISPTP
(B)ISPTA, ISPTP, ISPPA, ISATA
(C)ISPTP, ISATA, ISPPA, ISPTA
(D)ISPTP, ISPPA, ISPTA, ISATA
ANS: (D)
本題出自: 《放射線器材學（包括磁振學與超音波學）》
高考 醫事放射師-103年第一次專門職業及技術人員高等暨普通醫事人員（不含牙醫師、助產師、職能治療師）、中醫師、心理師、營養師暨醫師分試醫事放射師
例題：若一超音波空間峰值脈衝平均強度（spatial peak-pulse average intensity, ISPPA）為500mW/cm2，且責任因數（duty factor, DF）為0.01，則其空間峰值時間平均強度（spatial peak-temporal average intensity, ISPTA）為多少？(A)10mW/cm2(B)5mW/cm2(C)2.5mW/cm2(D)1.25mW/cm2
ANS: (B)
duty factor = pulse duration/ pulse repetition period
ITA(temporal average intensity) = duty factor x ITP (temporal peak intensity)
ISPTA = DF x ISPPA = 500mW/cm2 x 0.01 = 5mW/cm2
本題出自: 《放射線器材學（包括磁振學與超音波學）》
高考 醫事放射師-098年第一次專門職業及技術人員高等暨普通醫事人員（不含牙醫師、助產師、職能治療師）、中醫師、心理師、營養師暨醫師分試醫事放射師
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延伸閱讀：
1. 音波拉皮 vs 電波拉皮：原理差別與效果比較http://www.skin168.net/2014/05/HIFU-RF-facelift.html
2. 各種音波拉皮儀器性能比較
http://www.skin168.net/2015/01/ultherapy-ultrasound.html
3. CPT黃金電波拉皮效果【案例圖文】
http://www.skin168.net/2012/02/thermagecpt-thermage-thermage.html
4. 高能量聚焦式超音波(高強度聚焦超音波, HIFU)原理
http://www.skin168.net/2013/04/hifu-high-intensity-focused-ultrasound.html
5. Liposonix立塑聚焦音波減脂：HIFU超音波原理與應用
http://www.skin168.net/2014/02/Liposonix.html
6. 醫用超音波簡介
http://www.skin168.net/2013/04/medical-ultrasound.html
7. 超音波傳遞速率：聲音速度與介質的關係
http://www.skin168.net/2012/02/blog-post.html
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