【深造物理】超音波在醫學與工業的力量：看不見的波如何看見與改變世界

在日常生活中，我們聽到的是20 Hz到20 kHz的聲音；超過這個上限，人耳就聽不見，這段「超出聽覺」的聲音，我們叫它超音波(ultrasound)。雖然聽不見，但超音波正悄悄地影響你我：醫院裡以它即時「看見」體內器官與血流，工廠靠它檢查鋼材是否有裂縫，甚至用它把塑膠無縫焊在一起。本文將用貼近生活的語言，拆解超音波的物理原理，帶你看看它在醫學與工業的各種應用，以及背後的工程思維與安全考量。

超音波是什麼？用生活化的物理來理解

聲音本質上是機械波(mechanical wave)：媒介中的微小壓縮與稀疏交替傳遞。超音波只是頻率更高的聲波，一般指超過20 kHz；醫學診斷常用1至20 MHz，工業檢測多用0.5至15 MHz，超音波清洗與塑膠焊接多在20至40 kHz。

• 傳播速度(speed of sound)：取決於媒介的密度與彈性。例如空氣約343 m/s，水約1480 m/s，人體軟組織約1540 m/s，骨頭可達3000至4000 m/s，鋼材約5900 m/s。
• 波長(wavelength)：λ = c / f。以人體軟組織(約1540 m/s)計算，5 MHz的超音波波長約0.3 mm，足以解析血管壁的細節；但頻率愈高，衰減也愈快，穿透力下降。
• 聲阻抗(acoustic impedance, Z = ρc)：決定反射比例。兩種媒介的Z差越大，交界面反射越強。空氣與人體的Z差極大，所以做超音波掃描要塗耦合劑(凝膠)去「排除空氣」，讓能量進入身體。
• 回波與時間測距(time-of-flight)：發出脈衝，等待回波，根據來回所需時間換算距離，組成影像。這就像拍手在山谷聽回音，只是速度更快、頻率更高。
• 都卜勒效應(Doppler effect)：如果反射體(例如紅血球)在移動，回波頻率會因相對速度而偏移，可用來量度血流速度與方向，或工業中管線流體流速。
• 非線性與諧波(harmonic)：在高振幅下，波形會變形，產生高次諧波。醫學成像利用「組織諧波成像」(tissue harmonic imaging)提升對比度並減少雜訊(speckle)。
• 空化(cavitation)：在液體中，強超音波能引發微泡形成與崩解。這既能清洗微孔，也可能傷害組織，所以醫療上以機械指數(MI, mechanical index)評估風險；工業清洗則利用空化來剝離汙垢。

如何把電信號變成聲波？探頭與陣列的秘密

超音波設備的心臟是探頭(transducer)。最常見是壓電材料(piezoelectric materials)，它在電壓作用下會變形，振動時放出聲波；反過來，收到回波也會變形並產生電訊號。近年也出現微機電陣列如電容式微機械超音波換能器(CMUT)，利於製作高密度陣列。

• 單晶片 vs 陣列(array)：單一元件像手電筒；多元素陣列則像可程式化的舞台燈。透過精準延遲(time delay)與加權(apodization)，可把波束聚焦與掃描，稱為波束成形(beamforming)。
• 動態聚焦(dynamic focusing)：發射與接收時都可「把焦點拉來拉去」，提升不同深度的解析度，等於把光學鏡頭的對焦動作搬到聲學世界。
• 寬頻匹配與背襯層：為把能量有效送入媒介，探頭面前加匹配層(acoustic matching)；背面加背襯(damping)以縮短振鈴，提高時間解析度。
• 超快成像(ultrafast imaging)：用平面波或弧形波一次照亮大範圍，再以高速電子學重建，每秒上千幅影像，支援剪切波彈性成像(shear wave elastography)。
• 便攜化：手持式探頭把模擬轉換與部分波束成形搬到手機或平板，讓超音波走進急症室、救護車，甚至偏遠地區。

醫學：從「看」到「治」的超音波

醫學超音波的優勢是即時、安全(非電離輻射 non-ionizing)、便攜且成本較低。它不會像X光那樣改變DNA，因此在婦產、兒科、床邊檢查都非常常見。不過空氣與骨頭會大幅反射或散射超音波，所以肺部與成人腦部(被顱骨遮蔽)是成像限制點。

診斷成像的主角

• B-mode灰階成像：把回波強度轉成亮暗點，組成橫切面。腹部(肝膽腸胃)、甲狀腺、乳房、肌腱、關節等都依賴它。
• M-mode：把單條掃描線的時間序列攤開，觀察心瓣膜運動等周期性動作。
• 都卜勒與彩色血流(Color Doppler)：呈現血流方向與速度，評估狹窄、逆流或血栓；頻譜都卜勒(Spectral Doppler)可量度峰值速度與流速分佈。
• 彈性成像(Elastography)：硬的組織(如腫瘤或纖維化)傳遞剪切波更快。分為應變成像(strain)與剪切波成像(SWE)，幫助肝纖維化分期、乳腺與甲狀腺結節評估。
• 對比劑超音波(CEUS)：注射微氣泡(microbubbles)後，微泡在聲場中會非線性振盪，產生強烈諧波，可用低機械指數成像，提升腫瘤灌注與肝臟病灶的顯影。
• 3D/4D：陣列探頭掃出體積資料，四維(含時間)可觀察胎兒動作或心臟瓣膜形變。

臨床情境與例子

• 急症與床邊超音波(POCUS)：創傷的FAST檢查找腹腔積液；氣胸、心包填塞、深靜脈血栓快速篩查。
• 心臟超音波(Echo)：心肌收縮、瓣膜功能、射血分率，亦可評估先天性心臟病。
• 婦產與小兒：胎兒生長、胎盤位置、先天異常篩查；以最低能量、最短時間完成必要影像，遵循ALARA原則(as low as reasonably achievable)。
• 介入引導：活檢、神經阻滯、中心靜脈置管、引流，都在超音波視野下更安全地進針。
• 肌骨影像：肌腱撕裂、肩袖病變、滑囊炎、神經壓迫，配合動態掃描觀察功能。

治療：不只觀察，還能改變組織

• 高強度聚焦超音波(HIFU)：把能量聚焦在體內小焦點，瞬間升溫凝固壞死，治療子宮肌瘤、某些肝腫瘤；搭配MRI溫度監測的MRgFUS還可治療原發性震顫(丘腦破壞術)。
• 體外震波碎石(ESWL)：用聲學震波(shock wave)擊碎腎結石。它與連續超音波不同，是高幅度、極陡波前的脈衝，能在硬脆結構上產生張力裂解。
• 物理治療與組織修復：低強度脈衝超音波(LIPUS)曾用於骨折癒合促進；不同疾病證據強度不一，臨床會依指引與個案斟酌。
• 神經調控與藥物傳遞：經顱聚焦超音波(tFUS)以低強度干預神經活動；結合微泡可暫時打開血腦障壁，增加藥物進入腦部的機會，仍在積極研究中。

安全與指標

• 超音波屬非電離輻射，不像X光或CT帶來電離風險。但能量過高仍可能造成加熱與機械效應。
• 設備上會顯示熱指數(TI, thermal index)與機械指數(MI)。臨床遵循ALARA原則，避免不必要的長時間與高輸出掃描；尤其早孕期成像，會以最低足夠畫質完成必要檢查。
• 國際標準與監管(如IEC、FDA)規範診斷超音波的輸出上限與顯示標準，醫療團隊依科別指引採用合適模式與能量。

工業：從無損檢測到製程強化

在工業世界，超音波像是「看穿材料的眼睛」，也像「能量螺絲起子」。它能不破壞工件，就找出內部缺陷；也能把能量聚焦在接縫，完成焊接或促進化學反應。

無損檢測(NDT, nondestructive testing)

• 厚度量測與腐蝕監測：單晶探頭量測回波往返時間，校正材料聲速即可得厚度，廣泛用於油氣管線、船體與儲罐維護。
• 相控陣超音波檢測(PAUT)：像醫學波束成形在工業版，動態掃描焊縫，產生截面圖，快速覆蓋大面積並提升檢出率。
• 繞射飛行時間(TOFD)：利用缺陷尖端產生的繞射波，精準量測裂紋高度，對尺寸評估特別可靠。
• 導波(guided waves)：讓超音波沿管道長距離傳播，遠距離找尋腐蝕或凹陷，適合大範圍初步篩查。
• 聲發射(acoustic emission)：在結構承受負載時，裂紋擴展會「叫」，感測器能捉到這些高頻事件，進行結構健康監測。

製程與設備應用

• 超音波清洗：20至40 kHz透過空化把汙垢從微孔震落，眼鏡、精密零件、半導體皆常見。注意：清洗不等於滅菌，醫療器械仍需後續滅菌流程。
• 超音波焊接：塑膠件在振動與接觸壓力下快速升溫熔合；金屬薄件如鋁箔也可超音波金屬焊，應用在電池製造與電子封裝。
• 霧化與噴霧(atomization)：把液體化成微霧，用於加濕、藥物吸入器、噴塗與冷卻。
• 流量與液位量測：管道式利用傳播時間差(transit-time)或都卜勒，槽罐液位可用脈衝回波量距。
• 食品加工與聲化學(sonochemistry)：超音波可促進乳化、脫氣、加速某些化學反應，協助製作更均勻的醬料或奈米材料；亦可改變結晶過程，影響口感與結構。
• 生物製程：超音波均質化(homogenization)與細胞破裂(cell lysis)用於提取蛋白或核酸；需小心控制能量避免破壞目標分子。
• 微流體與表面聲波(SAW, surface acoustic wave)：在芯片上用表面聲波操控微滴與細胞，實現實驗室晶片化(lab-on-a-chip)。
• 距離與存在感測：40 kHz模組常見於機械人避障、停車倒車雷達；工廠自動化用於物料定位。

醫學與工業：頻率、能量與目的的取捨

選擇頻率像調鏡頭的焦距：高頻看得更細但看不遠，低頻看得更深但細節少。能量像快門與ISO：提高能量可增強訊號，但也增加加熱與空化風險，醫療上必須遵守安全指標；工業上則取決於工件與目的(檢測或加工)。

面向	醫學診斷	醫學治療	工業檢測	工業製程
典型頻率	1-20 MHz (淺表更高)	數百kHz-數MHz (HIFU)	0.5-15 MHz	20-40 kHz(清洗/焊接)、100 kHz-數MHz(霧化/化學)
功率/強度	低 (以成像為主)	高 (組織加熱或機械效應)	低至中 (回波量測)	中至高 (需要強空化或摩擦加熱)
主要目標	看清結構與血流	選擇性破壞或調控	找缺陷、量厚度	清洗、焊接、混合、霧化
安全焦點	TI/MI、ALARA	焦點控溫、周邊保護	耦合穩定、校準	防噪音、設備磨損與防護

常見影像現象與「陷阱」：認得它們才能讀懂超音波

• 散斑(speckle)：由眾多微小散射疊加而成的顆粒狀紋理，既是雜訊也是可用的紋理資訊。
• 後影(acoustic shadow)與後增強(posterior enhancement)：強吸收體(如骨或結石)後方變暗；液體吸收少，後方反而變亮，這些是判讀線索。
• 混響與鏡像(reverberation, mirror image)：平行強反射面之間的多次反射會生成假影，需以多視角或改變探頭避免誤判。
• 角度與都卜勒失真：血流測速對入射角敏感，角度過大會低估速度；光柵化取樣也會導致混疊(aliasing)。

為何要用凝膠？空氣是超音波的「天敵」

空氣與軟組織聲阻抗差別極大，幾乎全部反射，因此不塗凝膠就像拿手電筒對著鏡子照，光回來了、但看不到裡面。凝膠把空隙填滿，讓能量順利耦合進入身體或材料，這一點在工業檢測同樣關鍵：穩定耦合才能得到可重現的數據。

速度、解析度、穿透力：工程上的三角平衡

• 解析度取決於波長與脈衝寬度：高頻、短脈衝更清晰，但衰減快。
• 穿透力取決於吸收與散射：在軟組織中，吸收係數大致與頻率成接近線性關係，頻率加倍，深部訊號常顯著下降。
• 掃描速度與訊噪比(SNR)：更快的成像需要更高的瞬時訊號處理能力與巧妙的平均策略，否則SNR不足會讓影像顆粒化。

城市場景中的超音波：香港人的身邊例子

• 醫院的超音波室：孕檢、肝臟篩查、心臟超音波幾乎是日常；急症室醫師手持探頭在床邊就能做FAST。
• 基建與工廠維修：管道腐蝕監測、焊縫檢驗，確保水、燃氣與化工設施安全運行。
• 電子與電池製造：超音波焊接鋁箔與極耳(tab)來降低接觸電阻，提升電池性能。
• 商場與停車場：超音波距離感測協助自動門、停車輔助與機械人避障。

新趨勢：AI、微型化與跨界融合

• AI重建與輔助診斷：用深度學習去雜訊、超解析度(super-resolution)、自動測量器官尺寸與血流參數，降低操作者依賴。
• 穿戴與連網：手持探頭連手機，遠距會診變得容易；結合5G讓即時影像傳輸延遲更低。
• 奈米與藥物應用：聲致空化與微泡/奈米泡粒子攜藥，嘗試精準釋放藥物到腫瘤或腦部。
• 跨域聲學：表面聲波在手機中是RF濾波器的關鍵元件，展現聲學在電子與通訊的價值。

小結：看不見的波，成就看得見的改變

超音波的魅力在於它把簡單的物理——壓縮與稀疏的交替——轉化為跨領域的實用技術：在醫學上，它用安全、即時的方式看見體內的結構與血流，甚至能聚焦能量進行非侵入治療；在工業上，它以非破壞的方式檢驗材料品質，並把能量精準地用於清洗、焊接與促進化學過程。理解頻率、波長、聲阻抗與能量這些核心概念，就能讀懂超音波世界的語言。下一次你看到超音波影像，或聽見工廠裡那微不可聞的振動，不妨想起：正是這些看不見的波，讓我們更安全地診斷、更精準地製造，並一步步把科學變成日常生活中可靠的工具。