摘要
本論文的目的在於研究有關單細胞微生物(草履蟲)，在不同的超音波頻率照射下可能產生的變化機制，以呈現出超音波生物效應在單細胞生物研究上的完整面貌。以往超音波應用於生物、食品工業上時，多半使用較高振幅強度的超音波來激振多細胞的組織或生物內所含的氣室與空氣管路，使其產生共振而導致細胞破壞甚至死亡。這些研究使得超音波在生物效應的應用上，被定位為破壞與消除的機制，但對於超音波所致的建設性生物效應(例如助長、增量等)，卻往往忽略。
本論文即針對上述問題，並考慮多細胞生物在接受超音波照射時，其內部各組織或結構常互相關連，導致所衍生的生物效應往往極為複雜，而不易觀察出生物效應產生的真正機制，因此特別考量以生命最原始形態的單細胞動物—草履蟲為試體，希望能更清楚呈現超音波對生物效應的影響。本研究係以雷利氣泡振動理論模擬試體的結構特性，計算其共振頻率，以作超音波的基本照射頻率。而在生物效應的觀察上，係將觀察影像經數位化處理後，進行照射前後的比較。比較的方法則以血球計數法互相搭配使用，以增加觀測之精度。
經由理論計算，細胞外形的共振頻率約為0.2∼0.27 MHz左右；而由實驗照射的結果可知，在0.25 MHz的照射頻率下，對整個草履蟲生長週期有向後延遲的效應，同時在照射期間則產生抑制和破壞等效果。針對液泡外形為基礎所計算之共振頻率約0.5∼1.09 MHz左右；而在1 MHz的照射頻率下，對成長期的草履蟲有最大相對成長率1.18。此研究之結果可為爾後超音波生物技術之研究基礎。

Abstract
Ultrasonic technique is widely used in medical application and food industry; however, much work has focused on harmful biological effects of tissues and cells by ultrasound exposure; only little information is mentioned about the beneficial biological effects of ultrasound. Thus, the objective of this thesis is to observe the beneficial biological activities of Paramecium induced by ultrasound exposure.
Since the structure or biophysical will stimulated into the interaction between ultrasound and living matter. When multi-cell creature is exposed by ultrasound, this reaction will lead the biological effect becomes complex. Therefore, a single cell creature is chosen to understand the beneficial biological effects induced by ultrasound exposure. The oscillation of the monad in response to the ultrasound radiation is simulated using Rayleigh-Plesset’s bubble activation theory. The resonance frequency of the unicellular creature is then calculated. The diffuse field theory of Sabine is used to create a uniform sound field for the radiation experiment. The images obtained from a microscope can be analyzed and recorded by a personal computer. The number of cells was counted in the haemacytometer after irradiation.
The calculated resonant frequency range of the Paramecium shape is 0.2~0.27 MHz. The relative growth rate of the Paramecium suspensions exposed to ultrasound was about 20% slower than that of unexposed sample. It was found that the phenomenon of inhibition and destruction appeared during irradiation. Also, the growth curve is retarded during the period. The resonance frequency of the Paramecium vacuole is 0.5~1.09 MHz. The maximum relative growth rate was increasing 18% with 1MHz irradiation.

目 錄
目錄……………………………………………………………I
表目錄…………………………………………….………………V
圖目錄……………………………………………………………VII
中文摘要…………………………………………………………XIV
英文摘要………………………………………………………XV
第一章 緒論……………………………………………1
1.1簡介……………………………………………………1
1.2 研究動機………………………………………………1
1.3 研究目的………………………………………………2
1.4文獻回顧………………………………………………4
1.5 原生動物………………………………………………6
1.5.1原生動物概述……………….…………………………6
1.5.2草履蟲………………..………………………………8
1.5.2.1草履蟲的觀察…………………………………9
1.5.2.2草履蟲的運動…………………………………9
1.5.2.3草履蟲的營養、呼吸、排泄與生殖……….10
1.6論文之組織與章節………………………………………11

第二章 基本理論…………………………………………………17
2.1平面聲場的波動方程………………………………17
2.1.1 介質的粒子速度與粒子加速度……………………18
2.1.2 超音波的強度與能量……………………………19
2.2 超音波的空孔原理…………………………………20
2.2.1 穩態空孔……………………………………………20
2.2.2 暫態空孔……………………………………………21
2.2.2.1氣泡的收縮與溫度上升…………………22
2.2.2.2氣泡的收縮與壓力上升……………….22
2.3 空孔氣泡動力學…………………………………23
2.3.1空孔氣泡運動方程式………………………………24
2.4 Rayleigh-Plesset方程式………………………27
2.4.1沒阻尼的線性震盪……………………………27
2.4.1.1共振頻率……………………………………29
2.5穩態阻尼振盪的共振頻率……………………………..29

第三章實驗架構與步驟…………………………………….37
3.1實驗目的…………………………………………..37
3.1.1擴散聲場………………………………………...37
3.1.1.1實驗容器設定…………………………...38
3.1.2實驗儀器………………………………………40
3.1.3實驗照射共振頻率的選取……………………43
3.1.3.1 MiLab計算……………………………44
3.1.3.2理論值計算……………………………44
3.2實驗步驟…………………………………………45
3.2.1草履蟲的選用及培養…………………….45
3.2.2計數方法…………………………………46
3.2.3實驗架構之流程…………………………48
3.2.3.1實驗參數之設定………………………50

第四章 實驗結果與討論…………………………………………..73
4.1照射系統的評估……………………………………73
4.2共振頻率及非共振頻率照射在高原期之影響……75
4.3共振頻率及非共振頻率照射在成長期之影響……77
4.2 共振頻率及非共振頻率照射在高原期與成長期之影響
比較………………………………………………………..79
4.5結果討論……………………………………………80

第五章 結論與建議……………………………………………127
5.1結論…………………………………………….127
5.2建議……………………………………………128
5.3未來展望………………………………………129
參考文獻………………………………………………………131
附錄A：Matlab程式……………………………………………134



表目錄

表3-1探頭的規格與近場距離……………………………………49
表3-2探頭的中心頻率與頻寬…………………………………….49
表3-3水下麥克風頻寬內的靈敏度…………………………………50
表3-4水下麥克風前置放大器頻寬內的增益值……………………51
表4-1 0.25MHz照射高原期之生長曲線量測值……………………82
表 4-2 0.5MHz 照射高原期之生長曲線量測值……………………83
表 4-3 1MHz 照射高原期之生長曲線量測值……………….84
表 4-4 5MHz照射高原期之生長曲線量測值……………….85
表 4-5 10MHz照射高原期之生長曲線量測值………………….86
表4-6 0.25MHz照射區間在高原期與高原期生長率……………..87
表 4-7 0.5MHz照射區間在高原期與高原期生長率……………...88
表 4-8 1MHz照射區間在高原期與高原期生長率…………..89
表 4-9 5MHz照射區間在高原期與高原期生長率…………..90
表 4-10 10MHz 照射區間在高原期與高原期生長率……………..91
表4-11 0.25MH照射生長期之生長曲線量測值……………………92
表 4-12 0.5MHz 照射生長期之生長曲線量測值……………………93
表 4-13 1MHz 照射生長期之生長曲線量測值…………………94
表 4-14 5MHz照射生長期之生長曲線量測值…………………95
表 4-15 10MHz照射生長期之生長曲線量測值………………….96
表 4-16 0.25MHz照射區間在生長期與高原期生長率……………..97
表 4-17 0.5MHz照射區間在生長期與高原期生長率……………..98
表 4-18 1MHz照射區間在生長期與高原期生長率…………99
表 4-19 5MHz照射區間在生長期與高原期生長率…………100
表 4-20 10MHz照射區間在生長期與高原期生長率……………101


圖 目 錄
圖1-1(a)單一氣室流通型共振器………………………………………12
圖1-1(b)雙氣室流通型共振器…………………………………………12
圖1-2原生動物的無性生殖……………………………………13
圖 1-3原生動物的有性生殖………………………………………13
圖 1-4草履蟲的輪廓圖……………………………………………14
圖 1-5 草履蟲的前端400倍放大圖………………………………14
圖 1-6 草履蟲的中部400倍放大圖………………………………15
圖 1-7草履蟲的纖毛100倍放大圖………………………………15
圖 1-8草履蟲的覓食100倍放大圖………………………………16
圖 2-1液體介質的位移、速度、加速度關係圖…………………31
圖 2-2 液體空孔發生說明圖………………………………………31
圖 2-3氣泡收縮前壓力與溫度關係圖……………………………32
圖 2-4氣泡收縮前壓力與氣泡成極小時之壓力關係圖……….32
圖2-5 不可壓縮液體的氣泡運動模型…………………………33
圖2-6氣泡平衡半徑與共振頻率關係圖…………………….33
圖2-7靜水壓與共振頻率關係圖………………………………34
圖2-8達到共振頻率時間與相對氣泡半徑關係圖……………34
圖 2-9 修正後氣泡平衡半徑與共振頻率關係圖………………35
圖2-10修正後靜水壓與共振頻率關係圖……………………………35
圖2-11共振頻率差與氣泡平衡半徑關係圖……………………...36
圖3-1擴散聲場示意圖………………………………………….52
圖3-2探頭近場聲壓示意圖…………………………………….52
圖3-3(a) 0.25MHz照設容器尺寸圖…………………………………..53
圖3-3(b) 0.5MHz照設容器尺寸圖…………………………………….53
圖3-4(c) 1MHz照設容器尺寸圖………………………………………53
圖3-3(d) 5MHz照設容器尺寸圖………………………………………53
圖3-3(e) 10MHz照設容器尺寸圖……………………………………..53
圖3-4 1MHz、5MHz、10MHz照設容器實況圖…………………….54
圖3-5高伏特超音波分析儀實況圖…………………………………..54
圖3-6 0.25MHz浸水式換能器實況圖…………………………….55
圖3-7(a) 0.25MHz特性曲線圖………………………………………55
圖 3-7(b) 0.5MHz特性曲線圖……………………………………..56
圖 3-7(c) 1MHz特性曲線圖…………………………………………..56
圖 3-7(d) 5MHz特性曲線圖…………………………………………..57
圖 3-7(e) 10MHz特性曲線圖………………………………………….57
圖3-8數位示波器實況圖………………………………………58
圖3-9水下麥克風況圖…………………………………………58
圖3-10水下麥克風特性曲線圖………………………………………59
圖3-11水下麥克風前置放大器實況圖………………………………59
圖3-12水下麥克風前置放大器特性曲線圖…………………………60
圖3-13光學顯微鏡實況圖……………………………………………60
圖3-14顯微數位相機實況圖………………………………………..61
圖3-15血球計數器剖面示意圖……………………………………61
圖3-16血球計數器實況圖………………………………………….62
圖3-17(a) 血球計數器凹槽40倍放大圖……………………………62
圖 3-17(b) 血球計數器凹槽100倍放大圖…………………………...63
圖 3-17(c) 血球計數器凹槽400倍放大圖…………………………...63
圖 3-17(d) 血球計數器凹槽1000倍放大圖………………………….64
圖3-18直流供應器實況圖…………………………………………..64
圖3-19(a)鏡台測微計40倍放圖…………………………………..65
圖 3-19 (b)鏡台測微計100倍放圖……………………………………65
圖 3-19 (c)鏡台測微計400倍放圖……………………………………66
圖 3-19 (d)鏡台測微計1000倍放圖…………………………………..66
圖3-20 100倍光學顯微鏡草履蟲放大圖…………………………...67
圖3-21 100倍尺規用MiLab分析量測軟體校正圖………………..67
圖 3-22 MiLab分析量測軟體量測草履蟲的長、寬、面積、周長圖…68
圖3-23 MiLab分析量測軟體量測內部液泡面積……………………68
圖3-24共振頻率與R0關係圖………………………………………..69
圖3-25台南活體中心之試體…………………………………………69
圖3-26稻草培養基……………………………………………………70
圖3-27草履蟲試體培養室……………………………………………70
圖3-28(a)低細胞數在血球計數器分佈圖……………………………..71
圖3-28(b)高細胞數在血球計數器分佈圖…………………………..…71
圖3-29實驗架構流程圖…………………………………………..72
圖3-30階梯式能量激發圖………………………………………72
圖4-1照射容器五個不同位置之聲壓量測點……………………102
圖4-2高伏特超音波分析儀之間隔………………………………..102
圖4-3(a) 0.25MHz探頭在位置1頻譜分析圖………………………103
圖4-3(b) 0.25MHz探頭在位置2頻譜分析圖………………………103
圖4-3(c) 0.25MHz探頭在位置3頻譜分析圖………………………103
圖4-3(d) 0.25MHz探頭在位置4頻譜分析圖………………………103
圖4-3(e) 0.25MHz探頭在位置5頻譜分析圖………………………103
圖4-4(a) 0.5MHz探頭在位置1頻譜分析圖……………………...104
圖4-4(b) 0.5MHz探頭在位置2頻譜分析圖……………………...104
圖4-4(c) 0.5MHz探頭在位置3頻譜分析圖……………………..104
圖4-4(d) 0.5MHz探頭在位置4頻譜分析圖………………………104
圖4-4(e) 0.5MHz探頭在位置5頻譜分析圖………………………104
圖4-5(a) 1MHz探頭在位置1頻譜分析圖…………………….105
圖4-5(b) 1MHz探頭在位置2頻譜分析圖…………………….105
圖4-5(c) 1MHz探頭在位置3頻譜分析圖…………………….105
圖4-5(d) 1MHz探頭在位置4頻譜分析圖…………………….105
圖4-5(e) 1MHz探頭在位置5頻譜分析圖…………………….105
圖4-6(a) 5MHz探頭在位置1頻譜分析圖…………………….106
圖4-6(b) 5MHz探頭在位置2頻譜分析圖…………………….106
圖4-6(c) 5MHz探頭在位置3頻譜分析圖…………………….106
圖4-6(d) 5MHz探頭在位置4頻譜分析圖…………………….106
圖4-6(e) 5MHz探頭在位置5頻譜分析圖…………………….106
圖4-7(a) 10MHz探頭在位置1頻譜分析圖…………………….107
圖4-7(b) 10MHz探頭在位置2頻譜分析圖…………………….107
圖4-7(c) 10MHz探頭在位置3頻譜分析圖…………………….107
圖4-7(d) 10MHz探頭在位置4頻譜分析圖…………………….107
圖4-7(e) 10MHz探頭在位置5頻譜分析圖…………………….107
圖4-8(a) 0.25MHz探頭之位置與頻譜關係圖………………………108
圖4-8(b) 0.5MHz探頭之位置與頻譜關係圖………………………108
圖4-8(c) 1MHz探頭之位置與頻譜關係圖…………………….108
圖4-8(d) 5MHz探頭之位置與頻譜關係圖…………………….108
圖4-8(e) 10MHz探頭之位置與頻譜關係圖……………………..108
圖4-9生長曲線圖………………………………………………109
圖4-10(a) 0.25MHz探頭照射高原期之生長曲線圖………………...109
圖4-10(b) 0.5MHz探頭照射高原期之生長曲線圖………………...110
圖4-10(c) 1MHz探頭照射高原期之生長曲線圖………………110
圖4-10(d) 5MHz探頭照射高原期之生長曲線圖………………111
圖4-10(e) 10MHz探頭照射高原期之生長曲線圖………………..111
圖4-11 0.25MHz在照區間的成長率(照射區在高原期)…………….112
圖4-12 0.5MHz在照區間的成長率(照射區在高原期)…………….112
圖4-13 1MHz在照區間的成長率(照射區在高原期)………….113
圖4-14 5MHz在照區間的成長率(照射區在高原期)…………..113
圖4-15 10MHz在照區間的成長率(照射區在高原期)…………….114
圖4-16 0.25MHz在高原期的成長率(照射區在高原期)…………….114
圖4-17 0.5MHz在高原期的成長率(照射區在高原期)…………….115
圖4-18 1MHz在高原期的成長率(照射區在高原期)…………..115
圖4-19 5MHz在高原期的成長率(照射區在高原期)…………..116
圖4-20 10MHz在高原期的成長率(照射區在高原期)…………….116
圖4-21各頻率在照射區間的生長率(照射區在高原期)…………….117
圖4-22各頻率在高原期的生長率(照射區在高原期)……………….117
圖4-23(a) 0.25MHz探頭照射生長期之生長曲線圖………………...118
圖4-23(b) 0.5MHz探頭照射生長期之生長曲線圖………………...118
圖4-23(c) 1MHz探頭照射生長期之生長曲線圖………………119
圖4-23(d) 5MHz探頭照射生長期之生長曲線圖……………….119
圖4-23(e) 10MHz探頭照射生長期之生長曲線圖………………...120
圖4-24 0.25MHz在照區間的成長率(照射區在生長期)…………….120
圖4-25 0.5MHz在照區間的成長率(照射區在生長期)…………….121
圖4-26 1MHz在照區間的成長率(照射區在生長期)…………..121
圖4-27 5MHz在照區間的成長率(照射區在生長期)…………..122
圖4-28 10MHz在照區間的成長率(照射區在生長期)…………….122
圖4-29 0.25MHz在高原期的成長率(照射區在生長期)…………….123
圖4-30 0.5MHz在高原期的成長率(照射區在生長期)…………….123
圖4-31 1MHz在高原期的成長率(照射區在生長期)…………..124
圖4-32 5MHz在高原期的成長率(照射區在生長期)…………..124
圖4-33 10MHz在高原期的成長率(照射區在生長期)…………….125
圖4-34各頻率在照射區間的生長率(照射區在生長期)…………125
圖4-35各頻率在高原期的生長率(照射區在生長期)…………….126

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