物理新知–超聲波的應用
郭綺珊   湯兆昇   

超聲波掃描術常用於產前檢查
圖一  超聲波掃描術常用於產前檢查 (圖片鳴謝﹕Philip Research)。

我們的耳朵只能分辨頻率為二十至二萬赫的聲音,頻率比人的聽頻範圍高的聲波就叫做超聲波。不同的動物可聽到的聲波頻率範圍不盡相同。狗可以聽到一些超聲波,所以狗隻訓練員可以用超聲波哨子呼喚狗兒。超聲波對於蝙蝠更為重要,這種動物是靠超聲波來「看」世界的!

蝙蝠先會發出一連串超聲的尖叫聲,聲波遇到障礙物便會反射,就像我們向山谷拍手會聽到回聲一樣。由於超聲波的頻率高,相對較少出現繞射現象,所以回聲十分清晰。蝙蝠分析回聲的方向和回傳時間,便可以知道環境的精確圖像。人們根據蝙蝠「看」事物的原理,發明了聲納探測器,用來測量水深。船隻上的發射器先向海底發射超聲波,再由另一些儀器接收和分析反射回來的訊息,從而得到整個海床的面貌。

醫學的超聲波掃描術可說是超聲波最重要的應用。超聲波掃描不涉及有害的輻射,遠比 X-射線等檢驗工具安全,所以常用於產前檢查 (圖一)。醫生會將一個發出高頻超聲波 (頻率為1-5 兆赫) 的手提換能器,貼著母親的肚皮進行掃描。聲波到達各種身體組織的邊界時會有不同程度的反射 (例如液體及軟組織的邊界、軟組織及骨的邊界)。接收器收到反射波,便可計算出反射的強度及反射面的距離,以分辨不同的身體組織,並得到胎兒的影像。接收器使用了壓電的原理,把超聲波所產生的壓力轉變成電子訊號,再輸送到儀器分析。超聲波掃描可以幫助醫生量度胎兒的大小以確定產期,檢查胎兒的性別、生長速度、頭的位置是否正常向下、胎盤的位置是否正常、陽水是否足夠,與及監察抽陽水的過程,以保障胎兒的安全等。此外,超聲波掃描術也用於婦科檢查,它可以幫助醫生有效地把生長在乳房或卵巢的惡性組織分辨出來。

多普勒超聲波掃描術
圖二  多普勒超聲波掃描術用於檢查血液在心臟的流動速度 (圖片鳴謝﹕Philip Research)。

超聲波掃描術的兩個重要分支-多普勒超聲波掃描術和立體超聲波成像技術,更擴大了超聲波在醫學上的用途。

多普勒超聲波掃描術已應用了頗長的時間,這技術利用了波動的多普勒效應。反射超聲波物體的運動,會改變回聲的頻率﹔當物體正向著接收器移動時,頻率便會升高,相反當物體正在遠去時,頻率便會降低。從回聲的頻率改變,儀器便可計算到物體的運動速度。多普勒超聲波掃描術主要用於檢查血液在心臟及主要動脈中的流動速度。血液的流動情況會以一個顏色的影像顯示出來,不同的顏色代表不同的流速 (圖二)。這有助醫生及早發現胎兒先天性心臟毛病。

立體超聲波成像技術是很新的技術。檢查員首先從多個不同角度拍攝胎兒的二維超聲波影像,然後利用電腦技術合成胎兒的立體影像。利用這技術可清晰地顯示胎兒的樣貌 (圖三),甚至攝錄到胎兒細致如踢腳或轉身等動態,實在為準父母帶來不少驚喜。外表的缺憾如兔唇、多指甚至細如斑痣等都可以清楚地顯示出來。立體成像技術將會成為未來超聲波技術研究的重點。

立體超聲波成像技術
圖三  利用立體超聲波成像技術顯示胎兒的立體影像 (圖片鳴謝﹕Philip Research)。

此外,高頻的超聲波帶有強大的振動能。將超聲波入射載滿水的容器,再放入需要的清洗的物件,水的振動便可去除物件上的塵垢,而不需直接接觸物件的表面。眼鏡公司替我們洗眼鏡時就是用這種方法。如果將高能超聲波聚焦,能量甚至足以震碎石塊,所以可以用來擊碎體內結石,使患者免受手術之苦。