SIÊU ÂM TRỊ LIỆU
PGS.TS. Hà Hoàng Kiệm, BV 103
1. ĐẠI CƯƠNG
1.1. Âm và siêu âm
Sóng âm tạo ra do quá trình lan truyền giao động trong môi trường đàn hồi dưới dạng sóng dọc (phương dao động của các phần tử trong môi trường đàn hồi trùng với phương truyền của sóng).
Các âm có tần số trong khoảng 16 - 20.000Hz, tai người có thể nghe được thì được gọi là âm thanh.
Các âm có tần số dưới 16Hz, tai người không nghe được thì gọi là hạ âm.
Các âm có tần số trên 20.000Hz, tai người cũng không nghe được thì gọi là siêu âm.
1.2. Nguyên lý thu và phát siêu âm
Để thu và phát siêu âm người ta dựa trên nguyên lý áp điện. Có một số tinh thể có tính chất áp điện như: Thạch anh (Quartz), Titơnat bary, Ziconat chì, một số gốm áp điện…
Ta áp vào hai bề mặt một tinh thể áp điện hình trụ hai điện cực kim loại, cho dòng điện cao tần vào hai điện cực thì bề mặt tinh thể sẽ bị nén vào và dãn ra (rung lên) theo tần số của dòng điện cao tần tác động lên nó. Hiện tượng bề mặt tinh thể bị nén vào và dãn ra theo tần số dòng điện tác động lên nó được gọi là hiện tượng áp điện nghịch. Rung của bề mặt tinh thể cũng giống như rung của màng loa sẽ lan truyền dao động ra môi trường với tần số cao cỡ megahertz chính là siêu âm. Như vậy để tạo ra siêu âm người ta dựa trên nguyên lý áp điện nghịch.
Nguyên lý áp điện có tính chất thuận nghịch, nghĩa là khi ta tác động vào hai bề mặt tinh thể áp điện một lực cơ học tuần hoàn (dùng siêu âm tác động lên bề mặt điện cực) sẽ làm xuất hiện trên hai bề mặt tinh thể các điện tích trái dấu. Hiện tượng xuất hiện lớp điện tích trái dấu trên hai bề mặt tinh thể áp điện khi ta tác động lên bề mặt tinh thể một lực cơ học tuần hoàn được gọi là hiện tượng áp điện thuận. Khi giữa hai bề mặt tinh thể áp điện xuất hiện lớp điện tích trái dấu sẽ làm xuất hiện giữa hai bề mặt tinh thể một điện trường, do đó chúng ta có thể thu được một dòng điện nhỏ dẫn về và được khuyếch đại để tạo ra tín hiệu trên màn hình. Do đó thu siêu âm dựa trên hiện tượng áp điện thuận.
Một máy phát và thu siêu âm có hai bộ phận cơ bản: đầu thu và phát siêu âm gồm một tinh thể áp điện hình trụ. Một bề mặt tinh thể được áp vào một điện cực bằng kim loại, điện cực kia chính là vỏ kim loại áp lên bề mặt tinh thể còn lại. Hai điện cực được nối với một máy tạo dòng điện cao tần. Đây là nguyên lý cấu tạo máy siêu âm điều trị. Với máy siêu âm chẩn đoán cần kèm thêm các bộ phận phụ kiện thu khuyếch đại dòng điện và tạo tín hiệu trên màn hình.
1.3. Vận tốc của siêu âm
Siêu âm và âm thanh có cùng bản chất là sóng âm nên vận tốc của siêu âm cũng như âm thanh không phụ thuộc vào tần số mà phụ thuộc vào môi trường truyền âm. Trong cùng một môi trường, siêu âm và âm thanh lan truyền với vận tốc như nhau:
1.4. Năng lượng của siêu âm
Các phần tử trong môi trường đàn hồi có sóng cơ học truyền qua không bị cuốn đi theo sóng mà chỉ giao động quanh vị trí cân bằng của chúng. Nếu chiều của giao động trùng với phương truyền của sóng thì gọi là sóng dọc (Ví dụ: giao động của lò xo). Nếu chiều của giao động vuông góc với phương truyền của sóng thì gọi là sóng ngang (ví dụ: sóng nước, sóng điện từ).
Năng lượng giao động của nguồn sóng sẽ truyền theo sóng ra khắp môi trường (truyền theo phương truyền của sóng cho các phần tử giao động. Năng lượng của sóng siêu âm chính là động năng giao động và thế năng đàn hồi của các phần tử trong môi trường.
Cường độ siêu âm tỷ lệ thuận với bình phương của biên độ và bình phương của tần số. Trong cùng một môi trường, giả sử với cùng một biên độ, sóng siêu âm có cường độ lớn hơn sóng âm thanh vì tần số của siêu âm lớn hơn sóng âm thanh.
Áp xuất siêu âm: Dưới tác dụng của siêu âm, các phần tử của môi trường đàn hồi giao động tuần hoàn dọc theo phương truyền của sóng (sóng siêu âm là sóng dọc). Trong quá trình giao động đó, chúng gây nên sự biến đổi áp suất trong môi trường có tính chất tuần hoàn phù hợp với tần số của siêu âm. Tại một vị trí nào đó trong môi trường, ở nửa chu kỳ đầu của sóng áp suất tại đó tăng lên và trong nửa chu kỳ sau lại giảm xuống. Tính chất này cũng tuần hoàn theo không gian: các vùng áp suất tăng và giảm sắp xếp luân phiên và cách nhau một khoảng bằng độ dài một nửa bước sóng.
 |
Hình 1.12: Thay đổi áp xuất của môi trường truyền âm.
P0: là áp xuất ban đầu khi chưa có siêu âm;
p: là biên độ của áp xuất dư (ngoài áp suất P0 ban đầu), áp suất dư phụ thuộc theo thời gian.
1.5. Sự hấp thụ siêu âm
Trong quá trình truyền qua môi trường, năng lượng của siêu âm bị suy giảm do hiện tượng hấp thu. Hệ số hấp thu phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Chất khí có mật độ môi trường thấp hơn chất lỏng và chất rắn nên hệ số hấp thu của chất khí lớn hơn chất lỏng và chất rắn. Cùng một môi trường thì hệ số hấp thu đối với siêu âm lớn hơn đối với âm thanh và cùng cường độ, nguồn siêu âm nào có tần số lớn hơn thì có hệ số hấp thu lớn hơn. Nghĩa là siêu âm có tần số càng lớn thì năng lượng càng cao nhưng khả năng xuyên sâu càng giảm.
1.6. Phản xạ và khúc xạ của siêu âm
Sau khi ra khỏi đầu phát, chùm siêu âm đi thẳng sau đó bị phân kỳ. Trường mà chùm siêu âm đi thẳng gọi là trường gần, trường mà chùm siêu âm phân kỳ gọi là trường xa. Trong điều trị, trường gần có vai trò quan trọng.
 |
Đầu phát Trường gần Trường xa
Hình 1.13: Trường phát siêu âm.
Vì sóng phẳng nên các tia sóng siêu âm là những tia song song, có định hướng. Vì có bước sóng nhỏ nên chùm tia siêu âm ít bị nhiễu xạ khi đi qua các vật cản. Với chùm siêu âm song song, định hướng nên dễ hội tụ lên một tiết diện nhỏ chính xác.
Khi siêu âm truyền qua mặt phẳng giữa hai môi trường thì nó sẽ phản xạ và khúc xạ giống như ánh sáng.
Siêu âm tới Pháp tuyến Siêu âm phản xạ
(Ultrasound) (Normal) (Echo)
Siêu âm khúc xạ
(Refraction)
Hình 1.14: Siêu âm tới (Ultrasound) Phản xạ âm (echo), khúc xạ âm (refraction) của siêu âm.
2. TÁC DỤNG CỦA SIÊU ÂM ĐỐI VỚI CƠ THỂ SỐNG
2.1. Tác dụng sinh học
2.1.1. Hiệu ứng cơ học
Trong môi trường có siêu âm truyền qua thì các phần tử trong môi trường giao động tạo nên các pha nén và pha giãn. Sự giao động của các phần tử và sự thay đổi áp suất làm tăng tính thấm qua các màng của các tổ chức, tăng tính khuếch tán và thẩm thấu của tổ chức, từ đó làm tăng các quá trình sinh học của tổ chức.
2.1.2. Hiệu ứng hóa học
Các lỗ nhỏ trong môi trường được hình thành dưới tác dụng của siêu âm trong pha giãn chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn. Quá trình giảm và tăng áp xuất tại mỗi điểm diễn ra trong một nửa chu kỳ giao động. Trong pha nén, các lỗ bị vỡ ra với một áp suất lớn, lúc này các phân tử trong môi trường chuyển động với một tốc độ lớn, quá trình va chạm và ma sát xảy ra, kết quả là các phân tử có thể bị kích thích hay ion hóa. Hiện tượng này làm tăng tốc độ các phản ứng sinh học, tăng chuyển hóa của tổ chức. Ngoài ra có thể làm hình thành các gốc ion tự do như O2- (anion superoxid), OH- (hydroxyl), 1O2 (oxy đơn bội)... Các ion và các gốc tự do có hoạt tính mạnh sẽ tương tác với các chất của tổ chức sống như các lipid màng tế bào, protein, men, acid nucleic... làm biến tính và bất hoạt các phân tử quan trọng này.
2.1.3. Hiệu ứng nhiệt
Các phần tử của môi trường giao động dưới tác dụng của siêu âm, cơ năng sẽ chuyển thành nhiệt năng do ma sát làm tăng nhiệt độ của tổ chức. Hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào cường độ và thời gian tác dụng của siêu âm. Ở cường độ dưới 1W/cm2 thường chỉ làm xuất hiện trong tổ chức sống các hiệu ứng sinh vật dương tính. Bào tương của tế bào bị khuấy động làm tăng các quá trình sinh học bình thường. Siêu âm liên tục 1,5W/cm2 sau 5 phút thấy tổ chức phần mềm tăng 3,30C, bao khớp tăng 6,30C, xương tăng 9,30C. Nhiệt độ tăng nhiều tại ranh giới giữa các tổ chức có trị số phản xạ âm khác nhau. Tăng nhiệt độ tổ chức dẫn đến tăng các quá trình sinh học như tăng tốc độ các phản ứng sinh học, tăng chuyển hóa và dinh dưỡng... Siêu âm liên tục làm tăng nhiệt độ nhiều hơn siêu âm xung, điều này cần lưu ý khi điều trị các tổ chức như khớp, các vùng xương gần sát da, vì vậy nên sử dụng siêu âm xung.
2.1.4. Hiệu ứng tạo lỗ
Vì bước sóng siêu âm rất nhỏ tạo nên những vùng nén và vùng giãn mạnh. Trong nước và tổ chức cơ thể sống chịu tác động của sự biến thiên áp suất, nếu siêu âm có cường độ đủ lớn thì mối liên kết của các phần tử bị đứt tạo nên các lỗ hổng. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng tạo lỗ của siêu âm. Nếu cùng cường độ, nguồn siêu âm nào có bước sóng ngắn hơn (tần số lớn hơn) thì hiệu ứng tạo lỗ mạnh hơn. Hiệu ứng tạo lỗ gây phá hủy cấu trúc. Trong y học ứng dụng hiệu ứng này để làm dao mổ siêu âm hoặc tán nhuyễn thủy tinh thể trong phẫu thuật phaco.
2.2. Ứng dụng của siêu âm trong điều trị
Trong các khoa Vật lý trị liệu, siêu âm được sử dụng trong điều trị có công suất từ 0,1 - 3W/cm2. Khi tác động lên tổ chức, chúng gây ra ba hiệu ứng: hiệu ứng cơ học, hiệu ứng hóa học và hiệu ứng nhiệt. Từ các hiệu ứng cơ bản trên, siêu âm có các tác dụng sau:
+ Tăng tuần hoàn máu cục bộ do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của mạch máu và tổ chức.
+ Giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các cảm thụ thần kinh.
+ Tăng tính thấm của màng tế bào, tăng tính khuếch tán và thẩm thấu qua màng do tăng giao động của các phần tử và biến đổi áp suất luân phiên giữa các vùng tổ chức. Do đó siêu âm có tác dụng làm tăng hấp thu dịch nề, tăng trao đổi chất, tăng dinh dưỡng và tái sinh tổ chức.
+ Giảm đau do tác dụng trực tiếp lên cảm thụ thần kinh.
Hình 1.15: Máy siêu âm điều trị hai đầu phát US - 750 của Nhật Bản.
2.2.1. Chỉ định và chống chỉ định
2.2.1.1. Chỉ định
- Chỉ định trong các bệnh co thắt cơ do thần kinh:
+ Co thắt phế quản: hen phế quản, viêm phế quản co thắt; điều trị vào vùng liên sống bả.
+ Co thắt các mạch máu ngoại vi: hội chứng Reynaud.
+ Co thắt cơ do đau, lạnh.
+ Đau do phản xạ thần kinh, viêm dây thần kinh.
- Các bệnh có nguyên nhân giảm dinh dưỡng chuyển hóa:
+ Các chấn thương sau 3 ngày, các vùng sẹo xấu kém nuôi dưỡng.
+ Các vùng sưng nề do chấn thương giai đoạn hấp thu dịch nề, do các ổ viêm cũ.
- Làm mềm sẹo
- Siêu âm dẫn thuốc:
Dưới tác dụng của siêu âm làm tăng tính thấm và khuếch tán của các ion qua các màng bán thấm. Người ta pha các thuốc vào chất tiếp xúc giữa đầu phát siêu âm và da rồi dùng siêu âm để đưa thuốc vào tại chỗ. Các ion thuốc được đẩy vào và tích lũy lại ở biểu bì và khuếch tán dần vào cơ thể giống như làm điện di ion thuốc bằng dòng điện một chiều. Các thuốc thường dùng là mỡ hydrocortisol, mỡ nọc rắn, mỡ profenid, mỡ kháng sinh...
- Siêu âm tạo khí dung trong điều trị các bệnh mũi, họng, đường hô hấp.
2.2.2. Chống chỉ định
- Các vùng không được điều trị bằng siêu âm: não, tủy sống, cơ quan sinh dục, thai nhi.
- Vùng điều trị có mang các vật kim loại hoặc vật rắn (đinh, nẹp vít...).
- Các khối u (cả u lành và u ác tính).
- Giãn tĩnh mạch và viêm tắc động mạch, viêm tắc tĩnh mạch.
- Các vùng đang chảy máu và có nguy cơ chảy máu như dạ con thời kỳ kinh nguyệt, chảy máu dạ dày, các vết thương mới, các chấn thương có tụ máu...
- Các ổ viêm nhiễm khuẩn vì có thể làm vi khuẩn lan rộng.
- Giãn phế quản: không điều trị vào vùng liên sống - bả.
- Các chấn thương mới trong 3 ngày đầu.
3. NHỮNG ĐIỂM LƯU Ý TRONG KỸ THUẬT ĐIỀU TRỊ BẰNG SIÊU ÂM
3.1. Các phương pháp điều trị bằng siêu âm
3.1.1. Siêu âm tiếp xúc trực tiếp với da
Đặt đầu phát siêu âm tiếp xúc trực tiếp với da. Không khí có hệ số hấp thu siêu âm rất lớn nên chỉ cần một lớp không khí mỏng ngăn cách giữa đầu phát siêu âm với da cũng hấp thu gần hoàn toàn siêu âm. Vì vậy, giữa đầu phát siêu âm và da cần có một môi trường trung gian dẫn truyền siêu âm. Người ta thường dùng một chất gel, dầu, vaselin... làm chất trung gian giữa đầu phát siêu âm và da để triệt tiêu lớp không khí giữa đầu phát và da. Kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp đơn giản, dễ làm, thường được dùng ở những vùng bề mặt da tương đối phẳng, dễ tiếp xúc.
3.1.2. Siêu âm qua nước
Nước là một môi trường dẫn truyền âm tốt, người ta thường dùng thùng, chậu hay bể đựng nước sạch có nhiệt độ thích hợp, bộ phận điều trị và đầu phát siêu âm đều phải ngập trong nước. Đầu phát siêu âm để vuông góc với mặt da vùng điều trị, cách mặt da khoảng 1 - 5cm. Siêu âm qua nước có ưu điểm là tận dụng được năng lượng siêu âm, nhưng kỹ thuật phức tạp hơn nên thường chỉ sử dụng cho những vùng điều trị không bằng phẳng mà sử dụng kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp khó khăn như các ngón tay, ngón chân, khớp cổ tay, cổ chân.
3.1.3. Siêu âm dẫn thuốc
Dưới tác dụng của siêu âm tạo nên các vùng có áp suất thay đổi tuần hoàn trong tổ chức, do đó làm tăng tính thấm và tính khuếch tán của các chất qua các màng sinh học. Vì vậy người ta pha các thuốc vào mỡ hoặc dầu làm môi trường trung gian giữa đầu phát và da. Dưới tác dụng của siêu âm, thuốc được "đẩy" vào da tại vùng điều trị. Các thuốc thường dùng là mỡ hydrocortisol, mỡ kháng sinh, mỡ profenid, salicylat...
3.2. Kỹ thuật thao tác
3.2.1. Cố định đầu phát siêu âm
Đầu phát siêu cố định tại vùng điều trị. Kỹ thuật này thường dùng cho những vùng điều trị nhỏ. Chỉ dùng liều siêu âm thấp < 0,3W/cm2 với chế độ siêu âm liên tục và dùng liều 1W/cm2 với chế độ siêu âm xung. Với siêu âm trong nước, người ta sử dụng kỹ thuật cố định đầu phát.
Kỹ thuật siêu âm cố định dễ gây quá liều và tổn thương màng xương, sụn khớp nhất là khi dùng chế độ liều cao liên tục.
3.2.2. Di động đầu phát siêu âm
Đầu phát siêu âm điều trị không cố định mà di chuyển theo vòng xoáy hoặc theo chiều dọc hoặc ngang trên vùng da điều trị. Tốc độ di chuyển chậm và đầu phát phải luôn tiếp xúc với bề mặt da.
Với kỹ thuật di động đầu phát siêu âm, có thể dùng cường độ siêu âm trung bình 1W/cm2 với chế độ liên tục và 1 - 2W/cm2 với chế độ xung. Có thể điều trị cho vùng rộng hơn nhưng cần tính toán thời gian điều trị cho phù hợp, diện tích điều trị càng rộng thì thời gian cần phải dài hơn.
3.3. Chế độ siêu âm và liều điều trị
3.3.1. Chế độ siêu âm liên tục
Siêu âm được phát liên tục với cường độ không đổi trong suốt thời gian điều trị. Chế độ siêu âm liên tục gây hiệu ứng nhiệt độ cao nên người ta thường phải dùng cường độ siêu âm thấp, điều này hạn chế tác dụng của hiệu ứng cơ học và hóa học.
3.3.2. Chế độ siêu âm xung
Siêu âm không phát liên tục mà phát ngắt quãng trong thời gian điều trị. Vì vậy, năng lượng trung bình của siêu âm theo thời gian thấp. Ví dụ: xung 1 : 5 (1giây có siêu âm, 5giây không có siêu âm) thì liều trung bình chỉ bằng 20% chế độ liên tục. Xung 1 : 10 thì liều trung bình chỉ bằng 10% chế độ liên tục.
Với chế độ siêu âm xung thì cường độ siêu âm có thể cao nhưng liều trung bình lại thấp nên tăng nhiệt độ ít và phát huy được tác dụng của hiệu ứng cơ học và hóa học. Chế độ siêu âm xung được sử dụng rộng rãi trong điều trị hiện nay.
3.3.3. Liều điều trị siêu âm
Cường độ siêu âm là năng lượng siêu âm truyền qua một đơn vị diện tích môi trường (W/cm2), còn công suất siêu âm là tích của cường độ siêu âm với vùng bức xạ có hiệu lực điều trị (W). Ví dụ dùng đầu phát có diện tích tính bằng 1cm2 với cường độ 1W/cm2 thì công suất là 1cm2 x 1W/cm2 = 1W. Nếu dùng đầu phát có diện tích 5cm2 với cường độ 1W/cm2 thì công xuất là 5cm2 x 1W/cm2 = 5W. Liều điều trị siêu âm cần được điều chỉnh dựa vào các yếu tố:
- Tần số siêu âm: Siêu âm có tần số càng cao thì năng lượng càng lớn.
- Cùng một thời gian điều trị, cùng một cường độ siêu âm thì chế độ siêu âm liên tục cho liều lớn hơn chế độ xung.
- Thời gian điều trị càng dài thì liều tác dụng càng lớn.
- Cùng thời gian, cùng cường độ siêu âm, vùng điều trị càng nhỏ thì chịu liều tác dụng càng lớn. Chọn liều điều trị cần lưu ý đến tính chất vùng điều trị, loại bệnh cần điều trị.
Với chế độ siêu âm liên tục, cường độ siêu âm không nên vượt quá 0,6W/cm2. Với chế độ siêu âm xung, có thể sử dụng các liều: < 0, 5W/cm2 (liều nhẹ), 0,5 - 1,2W/cm2 (liều trung bình), 1,2 - 3W/cm2 (liều mạnh).
Một đợt điều trị thông thường 10 - 15 lần, 1 lần/ngày. Các trường hợp bệnh mạn tính, có thể điều trị cách quãng 2 - 3 lần/tuần.
Nguồn: Hà Hoàng Kiệm (2017). Vật lý trị liệu và phục hồi chức năng. Giáo trình dùng cho sau đại học. Bộ môn VLTL-PHCN HVQY .NXB QĐND.
