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通信工程学院

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超声波治疗文献阅读报告

1 课题背景及意义

自19世纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历史篇章。19xx年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。19xx年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到19xx年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础。19xx年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。 八十年代俄罗斯开发出磁致伸缩原理的超声外科手术仪。日本住友公司为避免刀具容易断裂问题采用无齿刀具,相比有齿刀具,无齿刀具寿命大大得到延长。国内主要是清华大学对超声骨科手术进行研究。美国Valleylab公司采用磁致伸缩换能器进行外科吸引,法国、英国、德国等相继推出压电陶器换能器的超声吸引器,意大利推出了超声脂肪吸引等产品。美国强生公司于九十年代初期开始致力于超声止血手术并推出“Uitraci—sion”超声止血刀主要用于切割软组织和血管,近年,强生GEN300数码超声切割止血刀被广泛用于医院各手术科室。 国内在超声治疗领域起步稍晚,于20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗工作,从19xx年首先在北京开始用800KHz频率的超声治疗机治疗多种疾病,至50年代开始逐步推广,并有了国产仪器。公开的文献报道始见于19xx年。到了70年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到全国各大型医院。40多年来,全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。

超声技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可,并越来越被临床重视和采用。国内外医学专家利用超声技术在治疗肢体软组织损伤、肢体慢性疼痛康复、肢体运动康复方面积取得了非常好的疗效,并把超声治疗拓展到中医科、骨科、外科、内科、儿科、肿瘤科、男科、妇产科等,在临床得以广泛应用,取得了满意的治疗效果。

近年来,超声治疗技术步入新的发展时期,并在若干方面取得了突破性进展。临床研究表明。一定剂量的超声波辐照可以导致生物体系不同结构层次上各种各样的生物效应,对一些病症有明确的治疗作用。基于这种效应,临床上发展了多种超声波疗法。如:一般超声理疗法、超声药物透入疗法、超声——电疗法及超声外科等,这些疗法的出现与发展,使超声治疗在当代医疗技术中占有重要的地位。

2 超声波治疗介绍

2.1 简介

高于2000Hz的声波叫做超声波。将超声波作用于人体以达到治疗目的的方法称为超声波疗法。超声波是一种声波,超过人耳的听觉界限的声波。声源的机械振动能引起周围弹性介质的振动,振动沿着介质由近及远地传播,形成机械波—声波。

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频率500~2500千赫的超声波有一定的治疗作用。理疗中常用的频率一般为800~1000千赫。超声波疗法的使用范围日益广泛,已远远超过理疗科原来的一般疗法,如超声治癌、泌尿系碎石及口腔医学的应用等,因此超声波疗法的概念应有广义的(包括各种特殊超声疗法)及狭义的(指理疗科常用的无损伤剂量疗法)两种。同时随着现代科学技术的进步,超声波不仅用于治疗,还已广泛用于诊断、基础及实验医学、因此已有“超声医学”之称。

2.2物理特性

超声波与声波的本质相同,都是物体的机械振动在弹性介质中传播所形成的机械振动波。

超声波的传播

1.因声波是物质传播能的一种形式,所以其传播必须依赖介质,而在真空中则不能传播,此与光波、电磁波不同。

2.超声波向周围介质传播时,产生一种疏密的波形。这种连续的压缩层和稀疏层交替形成的弹性波和声源振荡的方向一致,是一种弹性纵波)。由于超声波具有非常短的波长,可以聚集成狭小的发射线束而呈束状直线播散,故传播具有一定的方向性。

3.传播速度 声波的传播速度与介质的特性有关,而与声波的频率无关。声波的传播速度都随介质温度的上升而加快。

4.超声的吸收与穿透:超声在介质中传播时,强度随其传播距离而减弱,这说明超声能量被吸收,超声的吸收与介质的密度、粘滞性、导热性及超声的频率等有关。超声在气体中被吸收最大,液体中被吸收较小,固体中吸收最小,在空气中的吸收系数比在水中约大一千倍。且介质的吸收系数又与超声波频率的平方成正比,因而高频超声在空气中衰减异常剧烈,所以在治疗中声头下虽是极小的空气光泡,也应避免。

在实际工作中常用半价层或半吸收层来表明一种介质对超声波的吸收能力。半吸收层是指超声波在某种介质中衰减至原来能量的一半时的厚度。半吸收层厚度大,表示吸收能力弱,不同组织对同一频率的超声波其半吸收层值不同,如频率300千赫的超声波,肌肉半吸收层值为3.6厘米,脂肪为6.8厘米,肌肉加脂肪为4.9厘米。同一组织对不同频率的超声波吸收也不同,超声频率愈高吸收愈多,穿透愈浅,如90千周的超声能穿透软组织10厘米,1兆周的超声将穿透5厘米,而4兆周的超声只穿透1厘米深度。因此,常用于理疗的超声波选用8000千周/秒,穿透深度为5厘米左右。

5.折射、反射与聚焦:超声波由一种介质传播至另一种介质时,将在界面处一部分反射回第一种介质(反射),其余透过界面进入第二种介质,但会发生传播方向的偏转(折射)。声波在界面被反射的程度决定于两种介质的声阻差及入射角的角度。入射角越小,反射角就越小,超声能量反射越少,作用效率越高。声阻差越大,反射程度也越大,(介质的密度和声速的乘积叫介质的声阻)。

声头与空气间反射近于100%,所以超声治疗时需用石腊油等作接触剂,以减少反射。实验证明,由声头进入组织的超声能量只有35~40%,而60~65%被反射。由于空气与组织间的反射,使大量超声能丧失,所以超声波不能通过肺和充气的胃肠。

基于超声传播的反射、折射原理,采用透镜及弧面反射而将声束聚焦于焦点上以产生强大的能量,而治疗某些疾病,如用集束超声波破坏脑部肿瘤等。

超声波的声场

超声波在介质中传播的空间范围 即介质受到超声振动能作用的区域叫超声声场。超声因其频率高,具有类似光线的束射特性,在接近声头的一段为几乎平行的射束,称之为近场区。其后射束开始扩散,称之为远场区。由于超声场的这种特性,为克服能量分布的不均,

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在治疗时声头应在治疗部位缓慢地移动。

超声声场

描写超声声场的主要物理量有声压和声强。

1.声压:超声波在介质中传播时,介质质点在其平衡位置附近做往复运动,使介质内部发生有节律的疏密变化,这种疏密变化形成了压力变化,即声压。代表超声波的强度。声压与超声波的频率和振幅成正比,与声阻成反比。

2. 声强:为单位时间内声能的强度,即在每秒内垂直通过每平方厘米面积的声能。常用测量单位是瓦特/厘米2(W/cm2)。临床常用治疗剂量为3W/cm2以下。

超声波的发生

产生超声波有各种方法,主要用压电式超声发生器,它是根据压电效应的原理制成的。具有压电效应性质的晶体受到压缩或伸拉时在其受力面上就会产生数量相等而符号相反的电荷,这种物理现象称为压电效应。

2.3超声波的生物物理特征

机械作用

超声波在介质中传播时,介质质点在其平衡位置附近作往复运动,使介质内部发生有节律的疏密变化,这种疏密变化形成了压力变化,能对人体组织细胞产生微细按摩作用。微细按摩作用是超声波治疗疾病的最基本的机制。这种对细胞的微细按摩作用可以改变组织细胞的体积,减轻肿胀,改变膜的通透性,促进代谢物质的交换,改变细胞的功能,提高组织细胞的再生能力。所以治疗某些局部循环障碍性疾病,如营养不良性溃疡效果良好。有人观察在超声波的机械作用下,脊髓反射幅度降低,反射的传递受抑制,神经组织的生物电活性降低,因而超声波有明显镇痛作用。超声的机械作用还能使坚硬的结缔组织延长、变软,用于治疗疤痕、粘连及硬皮症等。

可见,超声波的机械作用可软化组织、增强渗透、提高代谢、促进血液循环、刺激神经系统及细胞功能,因此有重要的治疗意义,在超声治疗机理上占重要地位。

温热作用

超声波作用于机体时可产生热,超声波在机体内热的形成,主要是组织吸收声能的结果。其产热有以下特点:

1.由于人体各组织对声能的吸收量各有差异,因而产热也不同。一般超声波的热作用以骨和结缔组织为量显著,脂肪与血液为最少。如在超声波5W/cm2,1.5分钟作用时,温度上升在肌肉为1.1℃,在骨质则为5.9℃。

2.超声波热作用的独特之处是除普便吸收之外,还可选择性加热,主要是在两种不同介质的交界面上生热较多,特别是在骨膜上可产生局部高热。这在关节、韧带等运动创伤的治疗上有很大意义。所以超声波的热作用(不均匀加热)与高频是及其他物理因子所具有的弥漫性热作用(均匀性加热)是不同的。

3.超声波产生的热将有79-82%由血液循环带走,18-21%由邻近组织的热传导散布,因此当超声波作用于缺少血循环的组织时,如眼的角膜、晶体、玻璃体、睾丸等则应十分注意产生过热,以免发生损害[3]。

空化作用

超声波在液体介质中传播时产生声压。当产生的负声压超过液体的内聚力时,液体中出现细小的空腔,即空化现象。空腔分为两种,即稳定空腔和暂时空腔。

稳定空腔在声压的作用下来回振动,空腔周围产生局部的单向的液体流动。这种非常小的液体流动叫做微流,在超声波治疗中起重要作用。微流可以改变细胞膜的通透性,改变膜

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两侧的钾、钙等离子的分布,因而加速组织修复的过程,改变神经的电活动,缓解疼痛。暂时的空腔在声压变化时破灭,产生高热、高压、发光、放电等现象,对机体有破坏作用。

2.4治疗作用

对神经系统的影响

小剂量超声波能使神经兴奋性增高,传导速度加快,减轻神经的炎性反应,促进神经的损伤愈合,提高痛阈,减轻疼痛。因而对周围神经疾病,如神经炎、神经痛,具有明显的镇痛作用。大剂量超声波作用于末梢神经可引起血管麻痹、组织细胞缺氧、继而坏死。

中枢神经对超波显示较高的敏感性,一定剂量之内,超声波对中枢神经的作用如下:作用于大脑可刺激细胞能量代谢,脑血管扩张,血流加快,加速侧枝循环的建立,加速脑细胞功能的恢复;作用于间脑可使心跳加快,血压升高;作用于脊髓可以改变感觉、运动神经传导。

对循环系统的影响

房室束对超声波的作用很敏感。超声波主要影响心脏活动能力及其节律。大剂量超声波可使心律减慢,诱发心绞痛,严重时发生心律紊乱,最后导致心跳停止;小剂量超声波使心脏毛细血管充血,对冠心病患者有扩张动脉管腔及解除血管痉挛的作用,对冠状动脉供血不足患者有一定疗效。

治疗剂量超声对血管无损害作用,通常可见血管扩张,血循环加速。低强度超声作用下,血管器扩张;在较大剂量作用下,可引起血管收缩。更大剂量的超声可使血管运动神经麻痹,从而造成血液流动停止。用大剂量超声时可直接引起血管内皮肿胀,血循环障碍。

对眼睛的影响

由于眼的解剖结构特点是球体形态,层次多,液体成份和血循环特点等因素容易热积聚致损伤。大剂量超声可引起结膜充血、角膜水肿甚至眼底改变,对晶体可致热性白内障。还可以引起交感性眼炎。但用小剂量可以促进吸收,改善循环,对玻璃体浑浊、眼内出血、视网膜炎、外伤性白内障等有较好疗效。

对生殖系统的影响

生殖器官对超声波较敏感,适量的超声波可使精子数目增加,精子活动性增强,受孕率提高。大剂量超声波可使精子萎缩。适量超声波可促进卵泡滤泡形成,大剂量超声波使卵泡变性。超声波可使胚胎畸形、流产。

对骨骼的影响

小剂量超声波多次投射可以促进骨骼生长,骨痂形成;大剂量超声波作用于未骨化的骨骼,可致骨发育不全,因此对幼儿骨骺处禁用超声。

对结缔组织的作用

结缔组织对超声波的敏感性较差,对有组织损伤的伤口,有刺激结缔组织增长的作用;当结缔组织过度增长时,超声波又有软化消散的作用,特别对于浓缩的纤维组织作用更显著。因此超声波对疤痕化结缔组织有“分离纤维”作用,有使“凝胶变为溶胶”的作用。在临床上亦可见超声波对疤痕有较明显的软化散作用。

对皮肤的作用

超声波作用于皮肤可提高皮肤血管的通透性,使皮肤轻微充血,但无红斑。超声波可增强皮肤汗腺分泌,促进皮肤排泄功能,增强真皮再生能力。大剂量超声波可引起皮肤伤害性炎症反应。

2.5治疗方法

直接接触法

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将超声波头直接和治疗部位的皮肤接触进行治疗。此时在皮肤和声头之间应加接触剂。

(1)移动法:该法最常用。治疗时声头轻压皮肤,在治疗部位作缓慢移动,移动速度以每秒1-2厘米为宜。

(2)固定法:较少采用。将超声波声头以适当压力固定在治疗部位。此法易产生过热而发生“骨膜疼痛反应”。故治疗剂量宜小。

间接接触法

(1)水下法:治疗时将超声波声头和治疗肢体一起浸入36-38℃温开水中,声头与皮肤距离1-5厘米,剂量要比直接接触法稍大。

此法常用于不规则的体表,局部痛觉敏感的部位或声头不便直接接触的部位如手指、足趾、踝、肘、溃疡等。

(2)辅助器治疗法:常用有水漏斗法,水枕或水袋法。后者是用薄橡皮膜制成袋,灌满煮沸过的温水,然后再涂接触剂进行治疗,用于面部、颈部、关节、前列腺、牙齿、眼等不平之处。

(3)聚集照射法:利用凹面镜和声透镜将超声波高度集中在某一部位而获得大能量超声波的作用,以做特殊治疗。如治疗肿瘤时用。

治疗剂量

1.治疗强度:以0.4-1.5W/cm2为宜,水下法、水枕法时强度可稍大临床多采用低、中等强度。

2.治疗时间:总时间一般不超过15分钟,多选择5-10分钟。固定法要比移动法治疗时间要短。

3.疗程:一般治疗次数5-10次,慢性病15-20次或更多。每日或隔日一次。疗程间隔1-2周。

适应症

1.外科疾病:软组织扭挫伤、乳腺炎、颈椎病、运动支撑器官创伤性疾病腰痛、肌痛、肩关节周围炎、增生性脊柱炎、颞颌关节炎、腱鞘炎、退行性骨关节病等。

2.皮肤科疾病:荨麻疹、瘙痒症、硬皮病、神经性皮炎、牛皮癣、带状疱疹、湿疹等

3.神经科疾病:脑血栓形成、脑梗死、脑出血、脑外伤、神经炎、神经痛、幻肢痛、坐骨神经痛等

4.其他 脑血管病偏瘫、冠状动脉供血不足、眼视网膜炎、玻璃体混浊、营养不良性、溃疡消化性溃疡、支气管哮喘,胃肠功能紊乱。

禁忌证

凡恶性肿瘤、急性全身性感染、高热、活动性肺结核、严重心脏病的心区和星状神经节、出血倾向、感觉神经异常的局部、孕妇腹部等。

3 技术应用

3.1技术应用的领域

超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。在医学上,由于超声波对人体的无害性,超声波检测技术广泛应用于组织形貌检测,器官病变的诊断,判断血管的通畅程度,[3]胎儿成长情况鉴定等等。让医生可以提前看到人体内部组织的病变情况,提早诊断,尽早治疗,让广大患者得到了福音。现在,随着超声波技术的进

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一步发展,超声波碎石技术,超声波手术刀已经得到应用,患者已经可以在无需开刀(或者创口几下送)的前提下完成手术,大大减轻了患者的痛苦和手术的风险。随着计算机技术和相关技术的发展,超声检测也向着全息影像技术方向发展。这样一声可以得到更直观,更全面,更详细的人体内部组织图像,为疾病的治疗和确定手术方案带来极大的帮助。

3.2 技术应用特点及原理

医学超声波检查的工作原理与声纳有一定的相似性,即将超声波发射到人体内,当它在体内遇到界面时会发生反射及折射,并且在人体组织中可能被吸收而衰减。因为人体各种组织的形态与结构是不相同的,因此其反射与折射以及吸收超声波的程度也就不同,医生们正是通过仪器所反映出的波型、曲线,或影象的特征来辨别它们。此外再结合解剖学知识、正常与病理的改变,便可诊断所检查的器官是否有病。

目前,医生们应用的超声诊断方法有不同的形式,可分为A型、B型、M型及D型四大类。

A型:是以波形来显示组织特征的方法,主要用于测量器官的径线,以判定其大小。可用来鉴别病变组织的一些物理特性,如实质性、液体或是气体是否存在等。B型:用平面图形的形式来显示被探查组织的具体情况。检查时,首先将人体界面的反射信号转变为强弱不同的光点,这些光点可通过荧光屏显现出来,这种方法直观性好,重复性强,可供前后对比,所以广泛用于妇产科、泌尿、消化及心血管等系统疾病的诊断。

M型:是用于观察活动界面时间变化的一种方法。最适用于检查心脏的活动情况,其曲线的动态改变称为超声心动图,可以用来观察心脏各层结构的位置、活动状态、结构的状况等,多用于辅助心脏及大血管疫病的诊断。[4]

D型:是专门用来检测血液流动和器官活动的一种超声诊断方法,又称为多普勒超声诊断法。可确定血管是否通畅、管腔是否狭窄、闭塞以及病变部位。新一代的D型超声波还能定量地测定管腔内血液的流量。近几年来科学家又发展了彩色编码多普勒系统,可在超声心动图解剖标志的指示下,以不同颜色显示血流的方向,色泽的深浅代表血流的流速。现在还有立体超声显象、超声CT、超声内窥镜等超声技术不断涌现出来,并且还可以与其他检查仪器结合使用,使疾病的诊断准确率大大提高。超声波技术正在医学界发挥着巨大的作用,随着科学的进步,它将更加完善,将更好地造福于人类。

全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术。

[1]全息技术第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束;另一部分激光作为参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。

全息学的原理适用于各种形式的波动,如X射线、微波、声波、电子波等。[2]只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即可。全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题,为疾病的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功,一张全息照片所提供的信息相当于480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾

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病的诊断过程中,利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像,并可以用显微镜对整个眼睛 图像的不同位置(如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等)进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中,利用全息 诊断方法可以查出直径在1 mm以上的乳腺癌,有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上的透视等。

理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大。有些疾病如咽喉炎、气管炎等疾病,很难利用血流使药物到达患病的部位。利用超声波加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎,从而减缓病痛,达到治愈的目的。初次之外,利用超声波的高能量还能破坏细菌结构,对物品进行杀菌消毒。[5]

超声手术刀是采用超声能对软组织进行止血切开和凝固。适用于对需要控制出血和最小程度热损伤的软组织进行切开,被广泛的应用于外科手术。超声手术刀可以用来配合或取代高频手术刀、激光手术刀和钢制手术刀,大大拓宽了超声治疗的应用领域。超声白内障乳化是超声外科手术在眼科的应用。 主要利用超声波的空化效应。 3mm 从 到 5mm 切口将白内障乳化后吸除,再将人工晶体经切口植入。利用超声乳化技术后,手 术时间短,无出血,切口长度比常规手术大大缩小,为自封闭形的。能保持正常眼压, 故此,术后散光和炎症反应明显减少,视力可早期恢复。此类仪器的技术已经很成熟。 超声骨科手术主要利用超声波机械效应, 它既可以用于骨骼的切割, 如心胸外科切胸骨、 脑神经外科开颅、手术切开椎板、骨肿瘤摘除、在骨干上切开“窗口”,又可以用于各 种骨组织整形修复,如关节手术对关节腔中的半月板进行修复、骨科的的矫形、面额骨 整形美容等等。超声骨科手术的独特优点在于:骨科手术中超声刀省力、切缘整齐;激 化了凝血酶的活性,使手术中出血少,手术视野清晰;可用于安全性要求高的场合。

利用强度较低的超声波的热效应和机械效应,用聚焦或非聚焦声束对疾病部位进行“加热”和机械刺激来治疗某些疾病,这称为超声理疗。超声理疗主要包括超声按摩、超声针灸及超声热疗等。超声按摩和针灸对于治疗某些皮肤病、坐骨神经痛和某些神经疾病、脑血栓及促进伤口愈合和囊肿的吸收等都有较好的效果。经过数10年实验尝试,表明用聚焦超声可有效地抑制某些癌细胞的生长,甚至杀死癌细胞。而正常组织则不受影响。这表明超声治癌很有前景。

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参考文献

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[2]肖展宏.超声波治疗机化血肿239例临床观察.华夏医学第6期第25卷.第851页-第853页

[3]陈 栎,刘红.波针刺加 TDP 结合超声波治疗颞下颌关节紊乱 42 例.基层医学论坛. 2013 年 3 月第 17 卷第 7 期第910页-第911页

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