Bài 37: Vật lý siêu âm điều trị

Chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu được chương 6 ( gồm 7 bài, link đọc full ở bên dưới ) của chuỗi các bài viết xoay quanh kiến thức về Vật lý trị liệu, cũng như các loại thiết bị liên quan đến điện trị liệu được dùng phổ biến hiện nay. Tiếp theo chúng ta sẽ tiếp tục với chương 7 đó là Siêu âm điều trị (Siêu âm trị liệu) (Siêu âm như một mô thức nhiệt, Tác dụng sinh học của siêu âm…). Chương 7 gồm 10 bài đó là:

          Bài 35: Siêu âm như một mô thức nhiệt

          Bài 36: Truyền năng lượng siêu âm trong tổ chức sinh học

          Bài 37: Vật lý siêu âm điều trị

          Bài 38: Tác dụng sinh học của siêu âm

          Bài 39: Kỹ thuật điều trị siêu âm

          Bài 40: Ứng dụng siêu âm trong lâm sàng

          Bài 41: Siêu âm di

          Bài 42: Kết hợp siêu âm với các mô thức khác

          Bài 43: Thận trọng khi dùng siêu âm

          Bài 44: Hướng dẫn sử dụng an toàn

Ở trong bài này chúng ta sẽ đi tìm hiểu Bài 37: Vật lý siêu âm điều trị (Lưu ý bài viết dài và có nhiều kiến thức chuyên sâu, mọi người chú ý đọc hết để hiểu rõ tránh việc hiểu sai hoặc không hiểu làm ảnh hưởng tới bài tiếp theo) 

Bài 37: Vật lý siêu âm điều trị

1. Thiết bị siêu âm điều trị – Vật lý siêu âm điều trị

Thiết bị siêu âm điều trị gồm bộ phát điện tần số cao nối với mạch dao động. Và bộ biến đổi qua cáp đồng trục tới bộ phận phát siêu âm gắn trong một đầu dò (hình 7.2). Mạch dao động tạo dòng âm tại tần số xác định do nhà sản xuất qui định để phù hợp với bộ phát siêu âm. Bảng điều khiển thường có đồng hồ thời gian, đồng hồ công suất, nút điều khiển cường độ, công tắc điều khiển chu trình hoạt động, nút chọn chế độ xung hoặc liên tục, chế độ tự tắt khi bộ phận phát quá tải.

Hiện nay trang bị hai đầu dò với hai chế độ tần số riêng biệt đã trở thành tiêu chuẩn của các thiết bị siêu âm thường qui (hình 7.3). Bảng 7.3 cung cấp các đặc trưng cơ bản của một thiết bị siêu âm điều trị hiện đại.

Vật lý siêu âm điều trị
Hình 7.2: Đầu phát siêu âm.
Vật lý siêu âm điều trị máy siêu âm
Hình 7.3: Thiết bị siêu âm điều trị tiêu chuẩn với một đầu phát riêng biệt.
Vật lý siêu âm điều trị đặc trưng cơ bản của bảng
Bảng 7.3: Đặc trưng cơ bản của thiết bị siêu âm.

Cần lưu ý rằng, nhiều nghiên cứu cho thấy. Thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau có thể tăng nhiệt độ tổ chức một cách khác nhau. Vì thế lựa chọn nhà sản xuất thích hợp là một yếu tố đáng lưu tâm. Và cũng cần lưu ý rằng, thiết bị cần được kiểm tra và định chuẩn thường xuyên.

2. Bộ phát siêu âm – Vật lý siêu âm điều trị

Bộ phát siêu âm, cũng gọi là đầu phát hoặc đầu siêu âm. Cần phù hợp với thiết bị đi kèm và nói chung không thể thay thế bộ phát của các thiết bị khác. Nó gồm một tinh thể áp điện, như thạch anh hoặc gốm tổng hợp, dầy khoảng 2 – 3 mm. Chính tinh thể này biến điện năng thành sóng siêu âm qua sự biến dạng cơ học của nó.

3. Hiệu ứng áp điện – Vật lý siêu âm điều trị

Khi dòng điện xoay chiều có tần số trùng với tần số cộng hưởng của tinh thể đi qua tinh thể áp điện. Tinh thể sẽ biến dạng theo hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng này có hai dạng: áp điện thuận và áp điện nghịch (hình 7.4). Áp điện thuận là hiệu ứng tinh thể tạo điện thế dưới áp lực cơ học. Còn áp điện nghịch là hiệu ứng tinh thể tạo sóng siêu âm dưới tác dụng của dòng điện. Chính hiệu ứng áp điện nghịch được dùng để tạo sóng siêu âm với tần số yêu cầu.

Vật lý siêu âm điều trị các dạng điện thế
Hình 7.4: Hiệu ứng áp điện thuận và nghịch.

4. Diện tích phát hiệu dụng – Vật lý siêu âm điều trị

Phần bề mặt đầu phát dùng để phát sóng siêu âm được gọi là diện tích phát hiệu dụng ERA (effective radiating area). ERA phụ thuộc vào diện tích bề mặt tinh thể và trong trường hợp lý tưởng. Nó xấp xỉ diện tích bề mặt đầu phát. ERA được xác định bằng cách quét đầu phát tại khoảng cách 5 mm từ bề mặt phát tia. Và ghi lại phần diện tích có công suất lớn hơn trị số 5% công suất ra cực đại tại bất cứ vị trí nào trên bề mặt đầu phát. Năng lượng siêu âm thường tụ trong một chùm có dạng hình trụ. Với đường kính bằng đường kính đầu dò.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Vì ERA thường nhỏ hơn bề mặt đầu phát tia, kích thước đầu phát không cho biết diện tích đang phát siêu âm. Điều đó có thể dẫn tới sự hiểu nhầm. Nhất là với đầu dò diện tích lớn, như loại 10 cm2.

Vùng tổ chức thích hợp nhất với siêu âm điều trị thường có diện tích lớn hơn ERA của tinh thể khoảng 2 – 3 lần. Khi diện tích vùng điều trị tăng lên. Hiệu quả tăng nhiệt giảm đi rõ rệt (hình 7.5).

Hình 7.5: Sự thay đổi nhiệt độ dưới tác dụng của siêu âm 1 MHz, mật độ công suất 1,5 W/cm2 với vùng điều trị gấp 2 và 6 lần ERA. Vùng điều trị 2 ERA có thể tăng nhiệt độ tới 3,6oC; trong khi vùng 6 ERA chỉ tăng 1,1oC.

Như vậy siêu âm là phương pháp can thiệp hiệu quả với các vùng diện tích hẹp. Còn thấu nhiệt cao tần và các mô thức hồng ngoại có ưu thế trong điều trị các vùng tổn thương rộng.

5. Tần số điều trị:

Siêu âm điều trị có hai tần số lựa chọn là 1 và 3 MHz. Một quan niệm sai lầm thường gặp trong siêu âm điều trị là cường độ chùm siêu âm quyết định độ xuyên sâu. Do đó cường độ cao (1,5 – 2 W/cm2) dùng để tăng nhiệt sâu. Còn cường độ thấp (<1 W/cm2) dùng để tăng nhiệt bề mặt. Tuy nhiên độ xuyên sâu do tần số chứ không do cường độ quyết định.

Với tần số 1 MHz, năng lượng siêu âm có thể xuyên qua các lớp bề mặt để tới các lớp nằm sâu 2 – 5 cm (hình 7.6). Tần số 1 MHz phù hợp với bệnh nhân nhiều mỡ dưới da. Và với các cấu trúc nằm sâu như cơ dép hoặc cơ tháp – chậu. Với tần số 3 MHz, năng lượng hấp thụ chủ yếu tại các lớp nằm sâu tối đa 1 – 2 cm. Nên rất phù hợp với các tổn thương bề mặt như viêm mạc gan bàn chân, viêm gân xương bánh chè hoặc viêm mỏm lồi cầu.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Hình 7.6: A. Năng lượng siêu âm tiêu tán khi thâm nhập tổ chức sinh học. Với 1 MHz, năng lượng xuyên sâu hơn tuy chùm tia phân kỳ ít nhiều. Với 3 MHz, tác dụng chủ yếu tại bề mặt và chùm tia hội tụ hơn. B. Tại vùng trường gần, phân bố năng lượng ít đồng nhất. Tại vùng trường xa, năng lượng đồng nhất hơn nhưng chùm tia phân kỳ hơn. L là điểm cường độ âm lớn nhất.

Như đã nhận xét, tiêu tán là sự suy giảm năng lượng siêu âm khi khoảng cách xuyên sâu trong tổ chức tăng lên. Tốc độ hấp thụ, và do đó sự suy giảm, tăng khi tần số siêu âm tăng. Siêu âm tần số 3 MHz không chỉ hấp thụ một cách bề mặt hơn, mà còn nhanh hơn tần số 1 MHz tới ba lần. Tốc độ hấp thụ nhanh giúp nhiệt độ đỉnh trong mô cũng có thể đạt được nhanh hơn. Siêu âm 3 MHz làm nóng cơ nhanh hơn ba lần so với siêu âm 1 MHz.

6. Chùm siêu âm:

Nếu bước sóng của âm lớn hơn kích thước nguồn phát, âm sẽ lan tỏa theo mọi hướng. Điều đó giải thích tại sao khi một người nói, người đứng phía sau nghe cũng rõ như người đứng phía trước. Với siêu âm điều trị, do tần số cao nên bước sóng nhỏ, chùm siêu âm ít phân kì. Nên có khả năng hội tụ năng lượng trong một diện tích giới hạn.

Đường kính đầu phát siêu âm càng lớn, chùm siêu âm càng hội tụ. Đường kính càng nhỏ, chùm siêu âm càng phân kì. Đồng thời chùm siêu âm tần số 1 MHz sẽ phân kỳ hơn chùm 3 MHz. Vì chùm 1 MHz có bước sóng lớn hơn (hình 7.6).

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Bên trong chùm siêu âm có dạng hình trụ đó, phân bố năng lượng sóng âm rất bất đồng nhất. Đặc biệt tại vùng nằm gần đầu phát, gọi là trường gần hoặc vùng gần. Trường gần là vùng có cường độ âm thăng giáng mạnh trong không gian. Khi chùm siêu âm rời xa nguồn phát, các sóng âm dần trở nên không phân biệt được tạo ra điểm có cường độ siêu âm lớn nhất. Điểm cường độ lớn nhất đó có thể xác định bằng cách tính khoảng cách tới bề mặt đầu phát:

L = d 2/(4λ)

Trong đó d là đường kính đầu phát, λ là bước sóng. Từ điểm năng lượng cực đại này, chùm siêu âm đi tới trường xa hoặc vùng xa. Nơi phân bố năng lượng đồng nhất hơn nhưng chùm tia lại phân kỳ hơn.

7. Tỷ số bất đồng nhất của chùm siêu âm:

Chùm siêu âm kém đồng nhất theo trục dọc của nó. Một số điểm có cường độ lớn hơn các điểm khác. Sự biến thiên cường độ đó được biểu diễn bẳng tỷ số bất đồng nhất của chùm siêu âm BNR (beam nonuniformity ratio). Tỷ số này được xác định bằng cách dùng một đầu thu nhúng trong nước để đo các cường độ điểm cực đại của đầu phát so với cường độ trung bình trên bề mặt đầu phát.

Chẳng hạn BNR 2:1 có nghĩa cường độ ra trung bình là 1 W/cm2. Còn cường độ điểm cực đại của chùm siêu âm là 2 W/cm2. BNR lý tưởng là 1:1. Nhưng điều đó hầu như không thể. Trên thực tế, BNR nằm trong khoảng từ 2 tới 6. Một số thiết bị có BNR cao tới 8:1. Cường độ đỉnh 8 W/cm2 có thể gây tổn thương mô.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

BNR càng thấp, chùm siêu âm càng đồng nhất và càng ít xuất hiện các “điểm nóng” với sự tập trung năng lượng cao. Cơ quan quản trị Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) yêu cầu mọi thiết bị siêu âm điều trị phải công khai giá trị BNR. Và người điều trị phải biết BNR của thiết bị đang sử dụng.

Cường độ đỉnh lớn liên quan với BNR cao là căn nguyên của những than phiền về siêu âm trị liệu. Vì thế với BNR cao, kỹ thuật viên cần di chuyển đầu siêu âm nhanh hơn khi điều trị để giảm nguy cơ hình thành các vùng quá nhiệt, vùng tổn thương mô hoặc sự tạo khoang. Hình 7.7 biểu diễn sự đồng nhất cao của đầu phát có BNR thấp và dạng chùm siêu âm điển hình của đầu phát với BNR cao tại tần số 3 MHz.

Hình 7.7: A. Biểu diễn đồ thị của đầu phát với BNR 2:1. B. Đầu phát với BNR 6:1

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Một số nhà thực hành ít quan tâm tới BNR như một chỉ tiêu đánh giá chất lượng của thiết bị siêu âm điều trị. Và cho rằng nó ít ảnh hưởng tới kết quả lâm sàng. Họ xem kỹ thuật điều trị quan trọng hơn BNR. Tuy nhiên đa số công nhận rằng, một điều trị nhiệt liên tục chỉ hiệu quả khi bệnh nhân dung nạp nó và khi nó tạo được sự tăng nhiệt đồng nhất trong tổ chức. Số khác nghi ngờ dòng siêu âm không đồng nhất từ các tinh thể áp điện chất lượng kém có thể gây đau cho bệnh nhân và không tạo đủ nhiệt.

Bệnh nhân cảm thấy dễ chịu hơn với các thiết bị có BNR nhỏ. Điều đó khuyến khích họ chấp nhận điều trị, đồng thời cho phép kỹ thuật viên tăng cường độ đến mức bệnh nhân có cảm giác nhiệt. Một mô thức nhiệt chỉ có ý nghĩa lâm sàng khi người bệnh cảm nhận được sự tăng nhiệt tại vùng điều trị. Nếu không có cảm giác nhiệt, hoặc kỹ thuật viên di chuyển đầu phát quá nhanh, hoặc cường độ siêu âm quá nhỏ.

8. Siêu âm liên tục và siêu âm xung:

Hầu như mọi thiết bị siêu âm điều trị đều có thể phát tại chế độ liên tục và chế độ xung. Nếu siêu âm được phát liên tục, cường độ siêu âm hằng định trong suốt quá trình điều trị và năng lượng sóng âm được tạo ra trong toàn bộ khoảng thời gian xét (100% thời gian) (hình 7.8).

 Với siêu âm xung, cường độ bị ngắt một cách tuần hoàn, với sự vắng mặt của  sóng âm trong thời gian nghỉ xung (hình 7.9). Khi dùng siêu âm xung, năng lượng trung bình theo thời gian giảm đi. Phần trăm thời gian có siêu âm (độ rộng xung) so với chu kỳ xung (độ rộng xung + khoảng cách giữa các xung) được gọi là chu trình hoạt động.

Chu trình  hoạt động  =  độ rộng xung (thời gian có xung) x 100% / chu kỳ xung

(thời gian có xung + thời gian nghỉ xung)

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

 Chẳng hạn, nếu độ rộng xung là 1 ms, chu kỳ là 5 ms, chu trình hoạt động sẽ là 20%. Như vậy, tổng năng lượng truyền tải tới tổ chức chỉ là 20% so với chế độ liên tục. Phần lớn thiết bị trên thị trường có chu trình hoạt động 20% và 50%. Một số thiết bị có thể cung cấp một số giá trị tùy chọn.

Hình 7.8: Siêu âm liên tục.
Hình 7.9: Siêu âm xung. Chu trình hoạt động là tỷ số của thời gian có xung và chu kỳ.

7.3.9. Biên độ, công suất và cường độ:

Biên độ là thuật ngữ dùng để mô tả kích cỡ dao động của sóng. Nó là độ lệch cực đại khỏi vị trí cân bằng mà các phân tử của môi trường có thể đạt được.

Công suất là năng lượng sóng toàn phần của chùm tia trong một đơn vị thời gian, với đơn vị đo là watts (W). Cường độ là số đo tốc độ truyền tải năng lượng qua một đơn vị diện tích. Vì công suất và cường độ phân bố bất đồng nhất trong chùm siêu âm, nên một số đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên đó cũng được sử dụng trong thực hành, như cường độ trung bình trong không gian, cường độ đỉnh trong không gian, cường độ trung bình theo thời gian, cường độ đỉnh theo thời gian và cường độ đỉnh theo thời gian lấy trung bình trong không gian. Chúng đều có đơn vị là W/cm2.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Cường độ trung bình trong không gian là cường độ chùm siêu âm (W) trên một đơn vị diện tích bề mặt đầu phát (cm2). Nếu siêu âm có công suất 6 W và diện tích bề mặt đầu phát 4 cm2, cường độ trung bình trong không gian sẽ là 1,5 W/cm2. Trên nhiều thiết bị siêu âm, cả công suất và cường độ trung bình trong không gian đều được hiển thị trên bảng điều khiển. Nếu cường độ siêu âm không đổi, tăng kích thước đầu phát sẽ giảm mức cường độ trung bình trong không gian.

Cường độ đỉnh trong không gian là giá trị cường độ cực đại, do phân bố bất đồng nhất của chùm siêu âm. Trong các thiết bị hiện hành, nó nằm trong khoảng 0,25 – 3 W/cm2.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Cường độ đỉnh theo thời gian, đôi khi gọi là cường độ đỉnh xung, là cường độ cực đại trong thời gian mở xung đối với siêu âm xung.

Cường độ trung bình theo thời gian chỉ quan trọng với siêu âm xung và được tính bằng cách lấy trung bình giá trị cường độ trong một chu kì. Chẳng hạn chùm siêu âm xung với chu trình hoạt động 20% và cường độ đỉnh xung 2 W/cm2 sẽ có cường độ trung bình theo thời gian 0,4 W/cm2. Cần lưu ý rằng, một số thiết bị hiển thị giá trị cường độ đỉnh xung, trong khi số khác lại hiển thị mức cường độ trung bình theo thời gian.

Cường độ đỉnh theo thời gian lấy trung bình trong không gian là cường độ cực đại của cường độ trung bình trong không gian xuất hiện tại một thời điểm nào đó. Nó đơn giản là giá trị cường độ trung bình trong không gian trong một xung siêu âm đơn.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Cần nhấn mạnh rằng, không có qui chuẩn về giá trị cường độ siêu âm trong điều trị. Tuy nhiên trong số các lựa chọn khả dĩ, cường độ siêu âm nhỏ nhất tại tần số lớn nhất là lựa chọn ưu tiên. Bảng 7.4 cung cấp một số kết quả lâm sàng về tốc độ tăng nhiệt liên quan với cường độ và tần số siêu âm.

Bảng 7.4: Tốc độ tăng nhiệt tính theo phút.

Cần lưu ý rằng, sự dung nạp cá nhân đối với nhiệt rất khác nhau. Nên cường độ lựa chọn trong điều trị cũng khác nhau đối với từng bệnh nhân cụ thể. Khi bắt đầu điều trị, cần chọn cường độ đủ lớn để tạo cảm giác nhiệt sâu. Sau đó giảm cường độ một chút. Trong quá trình điều trị, luôn hỏi bệnh nhân về cảm giác nhiệt. Tuy nhiên qui trình này chỉ áp dụng cho siêu âm liên tục. Vì siêu âm xung hầu như không tạo cảm giác nhiệt. Cần tránh cảm giác đau cho bệnh nhân. Nếu bệnh nhân cảm thấy đầu phát nóng trên bề mặt da. Nhiều khả năng môi trường truyền âm (gel siêu âm hoặc nước) có vấn đề. Hoặc tinh thể áp điện hỏng nên đầu phát quá nhiệt.

Ι− Được chia sẻ bởi Công Nghệ Y Khoa MDT −Ι 

Điều trị siêu âm phụ thuộc vào nhiệt độ, chứ không phụ thuộc vào thời gian. Siêu âm tạo nhiệt được dùng để tạo các tác dụng mong muốn. Và mô phải đáp ứng thỏa đáng với lượng nhiệt hấp thụ. Bất cứ sự thay đổi cường độ nào cũng đi kèm với sự thay đổi thời gian điều trị một cách tương ứng, giống như qui trình siêu âm di. Do đó trong một số thiết bị siêu âm hiện đại, luôn có chế độ tự động tăng hoặc giảm thời gian điều trị tương thích với sự giảm hoặc tăng cường độ chùm siêu âm (hình 7.3).

Cần lưu ý thêm rằng, các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau. Có thể tạo các giá trị cường độ khác nhau trong quá trình điều trị. Vì thế hiệu quả lâm sàng có thể không giống nhau giữa các thiết bị khác nhau.

Đọc tiếp: Bài 38: Tác dụng sinh học của siêu âm ( Bấm để đọc )

Theo dõi thêm các thông tin liên quan về VLTL- PHCN tại đây.

Hãy liên hệ ngay với chúng tôi khi cần tư vấn và giúp đỡ!