Siêu Âm Trị Liệu trong Vật lý Trị Liệu: Cơ sở Vật lý và Đặc điểm

Mở đầu

Máy siêu âm trị liệu Gia Hân Medical

Siêu âm (SÓNG SIÊU ÂM) là một dạng năng lượng cơ học (không phải điện), và do đó, nghiêm ngặt mà nói, không thực sự là điện trị liệu, nhưng lại thuộc nhóm các tác nhân vật lý. Rung động cơ học ở tần số tăng dần được gọi là Năng lượng Âm thanh. Phạm vi âm thanh bình thường của con người là từ 16 Hz đến gần 15-20.000 Hz (ở trẻ em và thanh niên). Vượt quá giới hạn trên ¹ này, rung động cơ học được gọi là siêu âm. Tần số được sử dụng trong trị liệu thường là từ 1.0 đến 3.0 MHz (1 MHz = 1 triệu chu kỳ mỗi giây).  

Quá trình nén và giãn nở của sóng siêu âm trong ứng dụng siêu âm trị liệu

Sóng âm là sóng dọc bao gồm các vùng nén và giãn. Các hạt vật chất, khi tiếp xúc với sóng âm, sẽ dao động quanh một điểm cố định thay vì di chuyển cùng với sóng. Khi năng lượng trong sóng âm được truyền đến vật liệu, nó sẽ gây ra dao động của các hạt vật liệu đó. Rõ ràng, bất kỳ sự gia tăng nào trong rung động phân tử trong mô đều có thể dẫn đến sinh nhiệt, và siêu âm có thể được sử dụng để tạo ra những thay đổi nhiệt trong các mô, mặc dù việc sử dụng hiện tại trong trị liệu không tập trung vào hiện tượng này Máy siêu âm trị liệu bao gồm một máy phát tần số cao. Máy này được kết nối với đầu điều trị hoặc mạch chuyển đổi bằng cáp đồng trục để tạo ra sóng siêu âm. Tần số 1 MHz hoặc 3MHz là cần thiết. Khi sự chênh lệch điện thế hoặc tần số khác nhau này được áp dụng trên tinh thể thạch anh, thông qua một điện cực liên kết,. Bất kỳ thay đổi nào về hình dạng của tinh thể (Nén và Giãn nở), đều tạo ra sóng siêu âm. Nó tạo ra sóng siêu âm bằng hiệu ứng áp điện. Ngoài những thay đổi nhiệt, sự rung động của các mô dường như có những tác dụng thường được coi là không nhiệt, mặc dù, như với các phương thức khác (ví dụ: Sóng ngắn xung), phải có một thành phần nhiệt dù nhỏ. Khi sóng SÓNG SIÊU ÂM đi qua một vật liệu (các mô), mức năng lượng bên trong sóng sẽ giảm dần khi năng lượng được truyền đến vật liệu. Các đặc tính hấp thụ và suy giảm năng lượng của sóng SÓNG SIÊU ÂM đã được ghi lại cho các mô khác nhau.

Xem thêm máy siêu âm trị liệu đơn tần số 1Mhz LCS-122D X

Xem thêm máy siêu âm trị liệu đa tần số LCS-128DX

Xem thêm máy siêu âm trị liệu đa tần số JUS-2

Xem thêm máy siêu âm trị liệu kết hợp điện xung Winstim

Xem thêm máy siêu âm trị liệu kết hợp điện xung LCS-188

Đặc điểm Sóng Siêu Âm

• TẦN SỐ: Số lần một hạt trải qua một chu kỳ nén/giãn hoàn chỉnh trong 1 giây. Thường là 1 hoặc 3 MHz.
• BƯỚC SÓNG: Khoảng cách giữa hai điểm tương đương trên dạng sóng trong môi trường cụ thể. Trong ‘mô trung bình’, bước sóng ở 1MHz là 1,5mm và ở 3 MHz là 0,5 mm.
• VẬN TỐC: Vận tốc mà sóng (nhiễu loạn) di chuyển qua môi trường. Trong dung dịch muối, vận tốc của SÓNG SIÊU ÂM xấp xỉ 1500 m/s so với xấp xỉ 350 m/s trong không khí (sóng âm có thể di chuyển nhanh hơn trong môi trường dày đặc hơn). Vận tốc của SÓNG SIÊU ÂM trong hầu hết các mô được cho là tương tự như trong nước muối..

Ba yếu tố này có liên quan, nhưng không phải là hằng số cho tất cả các loại mô. Các số liệu trung bình được sử dụng phổ biến nhất để biểu thị sự di chuyển của SÓNG SIÊU ÂM trong các mô. Tần số SÓNG SIÊU ÂM điển hình từ thiết bị trị liệu là 1 và 3 MHz mặc dù một số máy tạo ra tần số bổ sung (ví dụ: 0,75 và 1,5 MHz) và các thiết bị siêu âm 'Sóng dài' hoạt động ở một vài chục kHz (thường là 40-50.000Hz - tần số thấp hơn nhiều so với 'SÓNG SIÊU ÂM truyền thống' nhưng vẫn nằm ngoài phạm vi nghe của con người).

Biểu diễn toán học của mối quan hệ là V = F.l trong đó V = vận tốc, F = tần số và l là bước sóng.

Dạng Sóng Siêu Âm và Phân bố Năng lượng

Chùm SÓNG SIÊU ÂM không đồng nhất và thay đổi bản chất của nó theo khoảng cách từ đầu dò. Chùm SÓNG SIÊU ÂM gần đầu điều trị được gọi là trường GẦN, trường GIAO THOA hoặc vùng Frenzel. Hành vi của SÓNG SIÊU ÂM trong trường này khác xa so với bình thường, với các khu vực giao thoa đáng kể. Năng lượng SÓNG SIÊU ÂM ở các phần của trường này có thể lớn hơn nhiều lần so với đầu ra được thiết lập trên máy (có thể lớn hơn 12 đến 15 lần). Kích thước (chiều dài) của trường gần có thể được tính bằng r2/l trong đó r = bán kính của tinh thể đầu dò và l = bước sóng SÓNG SIÊU ÂM theo tần số được sử dụng (0,5mm cho 3MHz và 1,5mm cho 1,0 MHz).

Ví dụ về sơ đồ chùm siêu âm

Ví dụ: một tinh thể có đường kính 25mm hoạt động ở 1 MHz sẽ có ranh giới trường gần/trường xa tại: Ranh giới = 12,5mm2/1,5mm » 10cm do đó trường gần (với giao thoa lớn nhất) kéo dài khoảng 10 cm từ đầu điều trị khi sử dụng đầu điều trị lớn và chùm SÓNG SIÊU ÂM 1 MHz. Khi sử dụng SÓNG SIÊU ÂM tần số cao hơn, khoảng cách ranh giới còn lớn hơn. Vượt quá ranh giới này là Trường Xa hoặc vùng Fraunhofer. Chùm SÓNG SIÊU ÂM trong trường này đồng nhất hơn và phân kỳ nhẹ nhàng. Các 'điểm nóng' được ghi nhận trong trường gần không đáng kể. Đối với mục đích ứng dụng điều trị, trường xa nằm ngoài tầm với hiệu quả.

Một chỉ số chất lượng cho bộ ứng dụng SÓNG SIÊU ÂM (đầu dò) là giá trị được gán cho Tỷ lệ Không đồng nhất Chùm tia (BNR). Điều này cho biết sự giao thoa trường gần này. Nó mô tả bằng số tỷ lệ giữa các đỉnh cường độ và cường độ trung bình. Đối với hầu hết các bộ ứng dụng, BNR sẽ xấp xỉ 4 - 6 (tức là cường độ đỉnh sẽ lớn hơn 4 hoặc 6 lần so với cường độ trung bình). Do bản chất của SÓNG SIÊU ÂM, giá trị tốt nhất về mặt lý thuyết cho BNR được cho là khoảng 4.0 mặc dù một số nhà sản xuất tuyên bố đã vượt qua giới hạn này và giảm BNR của máy phát của họ xuống còn 1.0 một cách hiệu quả.

Truyền dẫn Siêu âm qua Mô

Tất cả các vật liệu (mô) đều tạo ra trở kháng đối với sự di chuyển của sóng âm. Trở kháng riêng của một mô sẽ được xác định bởi mật độ và độ đàn hồi của nó. Để năng lượng tối đa được truyền từ môi trường này sang môi trường khác, trở kháng của hai môi trường cần càng giống nhau càng tốt. Rõ ràng, trong trường hợp SÓNG SIÊU ÂM đi từ máy phát đến các mô và sau đó thông qua các loại mô khác nhau, điều này không thể đạt được. Sự khác biệt về trở kháng càng lớn ở một ranh giới, sự phản xạ càng lớn sẽ xảy ra, và do đó, lượng năng lượng được truyền sẽ càng nhỏ. Ví dụ về các giá trị trở kháng có thể được tìm thấy trong tài liệu.

Truyền qua môi trường ghép nối

Sự khác biệt về trở kháng là lớn nhất đối với giao diện thép/không khí, đây là giao diện đầu tiên mà SÓNG SIÊU ÂM phải vượt qua để đến được các mô. Để giảm thiểu sự khác biệt này, cần sử dụng môi trường liên kết phù hợp. Nếu tồn tại ngay cả một khe hở không khí nhỏ giữa đầu dò và da, tỷ lệ SÓNG SIÊU ÂM bị phản xạ sẽ gần 99,998%, điều này có nghĩa là sẽ không có sự truyền hiệu quả.

Môi trường Liên kết: Các môi trường liên kết được sử dụng trong bối cảnh này bao gồm nước, các loại dầu khác nhau, kem và gel. Lý tưởng nhất là môi trường liên kết nên là chất lỏng để lấp đầy tất cả các khoảng trống có sẵn, tương đối nhớt để giữ nguyên vị trí, có trở kháng phù hợp với môi trường mà nó kết nối và cho phép truyền Siêu âm với sự hấp thụ, suy giảm hoặc nhiễu loạn tối thiểu. Để biết thêm thảo luận về môi trường liên kết, hãy xem Casarotto et al. , Klucinec et al. , Williams và Docker et al. . Tại thời điểm hiện tại, môi trường gốc gel dường như được ưu tiên hơn dầu và kem. Nước là một môi trường tốt và có thể được sử dụng như một chất thay thế nhưng rõ ràng nó không đáp ứng các tiêu chí trên về độ nhớt. Không có sự khác biệt thực tế (lâm sàng) giữa các loại gel được sử dụng phổ biến . Việc bổ sung các tác nhân hoạt động (ví dụ: thuốc chống viêm) vào gel được thực hiện rộng rãi, nhưng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Chúng tôi hiện đang đánh giá sâu hơn về can thiệp này.

Hấp thụ và Suy giảm Siêu âm

Sự hấp thụ năng lượng SÓNG SIÊU ÂM tuân theo một mô hình hàm mũ - tức là nhiều năng lượng được hấp thụ trong các mô bề mặt hơn là trong các mô sâu. Để năng lượng có tác dụng, nó phải được hấp thụ, và tại một số thời điểm, điều này phải được xem xét liên quan đến liều lượng SÓNG SIÊU ÂM được áp dụng để đạt được các hiệu ứng nhất định.

Bởi vì sự hấp thụ (xâm nhập) là hàm mũ, về lý thuyết, không có điểm nào mà tất cả năng lượng đã được hấp thụ, nhưng chắc chắn có một điểm mà mức năng lượng SÓNG SIÊU ÂM không đủ để tạo ra hiệu quả điều trị. Khi chùm Siêu âm xâm nhập sâu hơn vào các mô, một tỷ lệ lớn hơn của năng lượng sẽ bị hấp thụ và do đó có ít năng lượng hơn để đạt được các hiệu ứng điều trị. Độ sâu nửa giá trị thường được trích dẫn liên quan đến Siêu âm và nó thể hiện độ sâu trong các mô mà một nửa năng lượng bề mặt có sẵn. Chúng sẽ khác nhau đối với mỗi mô và cả đối với các tần số SÓNG SIÊU ÂM khác nhau.

Sự hấp thụ năng lượng theo cấp số nhân trong một môi trường

Bảng dưới đây cung cấp một số dấu hiệu về độ sâu nửa giá trị điển hình (hoặc trung bình) cho siêu âm trị liệu. Vì rất khó, nếu không muốn nói là không thể biết độ dày của từng lớp này ở một bệnh nhân cá nhân, nên độ sâu nửa giá trị trung bình được sử dụng cho mỗi tần số: 3MHz - 2.0cm; 1MHz - 4.0cm.

Các giá trị này (sau Low & Reed) không được chấp nhận rộng rãi  và một số nghiên cứu (chưa được công bố) cho thấy rằng trong môi trường lâm sàng, chúng có thể thấp hơn đáng kể.

Để đạt được cường độ SÓNG SIÊU ÂM cụ thể ở độ sâu, cần tính đến tỷ lệ năng lượng đã bị hấp thụ bởi các mô ở các lớp bề mặt hơn. Bảng dưới đây cung cấp một sự giảm gần đúng về mức năng lượng với các mô điển hình ở hai tần số thường được sử dụng, và thông tin chi tiết hơn được tìm thấy trong tài liệu tính toán liều lượng.

Vì sự xâm nhập (hoặc truyền dẫn) của SÓNG SIÊU ÂM không giống nhau ở mỗi loại mô, rõ ràng là một số mô có khả năng hấp thụ SÓNG SIÊU ÂM lớn hơn các mô khác. Nói chung, các mô có hàm lượng protein cao hơn sẽ hấp thụ SÓNG SIÊU ÂM ở mức độ lớn hơn, do đó các mô có hàm lượng nước cao và hàm lượng protein thấp hấp thụ ít năng lượng SÓNG SIÊU ÂM (ví dụ: máu và mỡ) trong khi các mô có hàm lượng nước thấp hơn và hàm lượng protein cao hơn sẽ hấp thụ SÓNG SIÊU ÂM hiệu quả hơn nhiều. Các mô có thể được xếp hạng theo sự hấp thụ mô tương đối của chúng và điều này rất quan trọng về mặt ra quyết định lâm sàng [6].

Sự hấp thụ mô tương đối liên quan đến hàm lượng protein

Mặc dù sụn và xương nằm ở đầu trên của thang điểm này, các vấn đề liên quan đến phản xạ sóng có nghĩa là phần lớn năng lượng SÓNG SIÊU ÂM chạm vào bề mặt của một trong hai mô này có khả năng bị phản xạ. Các mô hấp thụ tốt nhất về mặt thực hành lâm sàng là các mô có hàm lượng collagen cao - DÂY CHẰNG, GÂN, MẠC, VỎ KHỚP, MÔ SẸO

Việc áp dụng SÓNG SIÊU ÂM điều trị cho các mô có khả năng hấp thụ năng lượng thấp ít có khả năng hiệu quả hơn so với việc áp dụng năng lượng vào vật liệu hấp thụ cao hơn. Bằng chứng gần đây về tính không hiệu quả của một can thiệp như vậy có thể được tìm thấy trong Wilkin et al.  và Markert et al. trong khi ứng dụng trong mô là chất hấp thụ tốt hơn sẽ, như mong đợi, dẫn đến một can thiệp hiệu quả hơn.

Sự giảm dần cường độ của chùm siêu âm sau khi nó rời khỏi đầu điều trị. Sự mất năng lượng từ chùm SÓNG SIÊU ÂM trong các mô được gọi là suy giảm. Nó phụ thuộc vào sự hấp thụ và tán xạ. Hấp thụ bao gồm sự hấp thụ chùm SÓNG SIÊU ÂM bởi các mô và được chuyển thành nhiệt tại thời điểm đó. Nó chiếm khoảng 60-80% năng lượng bị mất từ chùm tia. Tán xạ xảy ra khi chùm tia siêu âm bị lệch khỏi đường đi của nó do phản xạ. Chùm tia song song bình thường trở nên phân tán hơn khi nó đi qua môi trường.

Chế độ Xung của Siêu Âm

Hầu hết các máy siêu âm trị liệu đều cung cấp chế độ đầu ra xung, và đối với nhiều nhà lâm sàng, đây là một phương thức điều trị được ưa thích. Cho đến gần đây, thời lượng xung (thời gian máy hoạt động) gần như độc quyền là 2ms (2 phần nghìn giây) với khoảng thời gian nghỉ thay đổi. Một số máy hiện cung cấp thời gian bật thay đổi, mặc dù liệu điều này có ý nghĩa lâm sàng hay không vẫn chưa được xác định. Tỷ lệ xung điển hình là 1:1 và 1:4 mặc dù có các tỷ lệ khác (xem tính toán liều lượng). Ở chế độ 1:1, máy cung cấp đầu ra trong 2ms, tiếp theo là 2ms nghỉ. Ở chế độ 1:4, đầu ra 2ms được tiếp theo bởi thời gian nghỉ 8ms. Sơ đồ bên cạnh minh họa hiệu quả của việc thay đổi tỷ lệ xung.

 Chế độ Xung của Siêu Âm

Tác dụng của Siêu Âm Xung

Các tác dụng của siêu âm xung đã được ghi nhận rõ ràng và loại đầu ra này được ưu tiên đặc biệt trong điều trị các tổn thương cấp tính hơn. Một số máy cung cấp các thông số xung không xuất hiện được hỗ trợ từ tài liệu (ví dụ: 1:9; 1:20). Một số nhà sản xuất mô tả xung của họ theo phần trăm thay vì tỷ lệ (1:1 = 50% 1:4 = 20% v.v.).

Giải thích chi tiết

• Thời lượng xung (Pulse duration/On time): Là khoảng thời gian đầu phát siêu âm phát ra năng lượng. Đơn vị tính bằng mili giây (ms). Ví dụ: 2ms.
• Thời gian nghỉ (Off time): Là khoảng thời gian đầu phát siêu âm ngừng phát năng lượng. Đơn vị tính bằng mili giây (ms).
• Tỷ lệ xung (Pulse ratio): Là tỷ lệ giữa thời gian phát xung và thời gian nghỉ. Ví dụ: tỷ lệ 1:1 nghĩa là cứ 2ms phát xung thì có 2ms nghỉ. Tỷ lệ 1:4 nghĩa là 2ms phát xung thì có 8ms nghỉ.
• Chu kỳ nhiệm vụ (Duty cycle): Là tỷ lệ phần trăm giữa thời gian phát xung và tổng thời gian của một chu kỳ (thời gian phát xung + thời gian nghỉ). Ví dụ: tỷ lệ 1:1 tương ứng với chu kỳ nhiệm vụ 50% (2ms phát, 2ms nghỉ, tổng 4ms, vậy 2/4 = 50%). Tỷ lệ 1:4 tương ứng với chu kỳ nhiệm vụ 20% (2ms phát, 8ms nghỉ, tổng 10ms, vậy 2/10 = 20%). Cách biểu diễn theo phần trăm này đôi khi được các nhà sản xuất sử dụng.

Ứng dụng lâm sàng

Siêu âm xung được ưa chuộng trong điều trị các tình trạng viêm và tổn thương cấp tính do khả năng giảm thiểu tác dụng nhiệt, từ đó giảm nguy cơ tổn thương mô. Việc kiểm soát các thông số xung (tỷ lệ, thời lượng) cho phép điều chỉnh lượng năng lượng đưa vào mô, giúp tối ưu hóa hiệu quả điều trị và giảm thiểu tác dụng phụ. Việc lựa chọn chế độ xung và các thông số cụ thể cần dựa trên đánh giá lâm sàng và mục tiêu điều trị.