Sóng siêu âm là gì? Người bạn của nền y tế hiện đại

Siêu âm là một cụm từ quen thuộc với nhiều người. Đây là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến sử dụng sóng siêu âm để xây dựng và tái tạo hình ảnh cấu trúc cơ quan bên trong cơ thể người nhằm hỗ trợ bác sĩ phát hiện nhiều bệnh lý. Và có thể bạn chưa biết, sóng siêu âm là gì? Loai sóng đặc biệt có sẵn trong tự nhiên này mang lại nhiều giá trị lợi ích và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, quân sự, công nghiệp hay nông nghiệp.

1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm là gì? Khái niệm, tần số và phân loại

1.1 Khái niệm sóng siêu âm là gì?

Dải tần số âm mà con người có thể nghe được là từ 20Hz đến 20.000 Hz, sóng siêu âm có tần số dao động vượt trên 20.000Hz (hay còn gọi là 20 kHz).

Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm

Về bản chất, sóng siêu âm cũng là sóng âm thanh, tuy nhiên do giới hạn sinh học của màng nhĩ và các thụ thể thần kinh thính giác của con người chỉ đáp ứng với tần số dao động cơ học tối đa 20.000 Hz. Nên khi tần số vượt quá ngưỡng 20.000 Hz, sóng siêu âm rung động quá nhanh khiến hệ thống thính giác không cảm nhận được.

Trong thực tế, tần số dao động của sóng siêu âm trong một giây thường nằm trong khoảng từ 100 kHz đến 50 MHz. Trong chẩn đoán y tế, các thiết bị tường sử dụng dải tần số cao từ 1MHz đến 20MHz để khảo sát sâu các cơ quan tùy theo yêu cầu chi tiết. Dải tần số dùng cho siêu âm trị liệu và điều trị thường thấp hơn, dao động từ 0,7MHz đến 3MHz.

1.2 Môi trường lan truyền của sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm là sóng cơ học, vì vậy nó tuân theo mọi quy luật vật lý của sóng cơ.

• Sóng siêu âm cần có môi trường vật chất đàn hồi như chất rắn, chất lỏng, chất khí để lan truyền.
• Sóng siêu âm không thể truyền trong chân không và truyền rất kém qua các vùng chứa nhiều không khí hoặc khí
• Vận tốc lan truyền của sóng siêu âm trong một môi trường cụ thể ở mức nhiệt độ nhất định là một hằng số không thay đổi hay phụ thuộc vào tần số sóng.

1.3 Phân loại sóng siêu âm

Dựa trên phương dao động, sóng siêu âm được chia làm hai loại là sóng dọc và sóng ngang:

• Sóng dọc có phương dao động của các phần tử môi trường trùng với phương truyền (tia) của sóng. Sóng dọc có thể lan truyền trong 3 môi trường rắn, lỏng, khí. Sóng siêu âm truyền dưới dạng  hình cầu rỗng đồng tâm, tạo ra sự nén lại và dãn ra tuần hoàn của các phân tử môi trường dọc theo chu kỳ sóng.
• Sóng ngang có phương dao động của các phần từ vuông góc với phương truyền của sóng. Sóng ngang chỉ có thể lan truyền được trong những môi trường có tính đàn hồi về hình dạng như vật thể rắn.

Nhờ tần số rất cao nên sóng siêu âm có bước sóng ngắn hơn rất nhiều so với sóng âm nghe được có cùng tốc độ truyền. Bước sóng ngắn giúp độ phân giải hình ảnh siêu âm cực kỳ sắc nét, đủ phân biệt rõ ràng các cấu trúc và vật thể siêu nhỏ ở kích thước vài milimet hoặc centimet.

1.4 Sóng siêu âm ngoài tự nhiên

Cá heo phát sóng siêu âm để kết nối với đồng loại

• Loài dơi do có thị giác kém phát triển nên có thể liên tục phát ra các luồng sóng siêu âm có tần số cực cao từ 50.000 Hz đến 70.000 Hz để bắt mồi và di chuyển trong đêm tối. Khi luồng sóng siêu âm này va chạm với chướng ngại hoặc côn trùng, nó sẽ phản xạ ngược lại giúp dơi định vị chính xác vị trí vật cản hoặc con mồi để né tránh hoặc săn bắt.
• Ngoài biển khơi, cá heo và cá voi sử dụng sóng siêu âm để liên lạc với đồng loại và định vị đối tượng xung quanh trong lòng đại dương sâu thẳm. Đặc biệt, cá voi trắng ở vùng sông Amazon có khả năng tự điều chỉnh cường độ phát sóng, dùng để làm tê liệt con mồi trước khi tấn công.

2. Sóng siêu âm có gây hại cho sức khỏe không? Nhận định từ WHO

Theo WHO, các chuyên gia y tế nhận định rằng: Sóng siêu âm hoàn toàn an toàn và không gây hại cho cơ thể người. Những đặc điểm an toàn của sóng siêu âm là gì:

• Không  chứa bức xạ ion hóa: Khác hoàn toàn với tia X trong chụp X-quang thông thường hay quét CT (cắt lớp vi tính), sóng siêu âm chỉ là các dao động cơ học vật lý.
• Không gây biến đổi vật chất: Sóng siêu âm không có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học hay làm biến đổi cấu trúc DNA của tế bào do không phải là bức xạ ion hóa.
• Tác động cơ học nhẹ nhàng: Khi được vận hành đúng tần số và cường độ tiêu chuẩn, sóng siêu âm qua mô chỉ tác động vi mô nhẹ nhàng, không gây nóng mô quá mức hay làm tổn thương tế bào.

Với các đặc điểm trên, theo công bố từ WHO, sóng siêu âm là phương pháp chẩn đoán hình ảnh an toàn nhất hiện nay. Các thiết bị máy siêu âm y tế hiện đại đều phải trải qua quy trình kiểm định đảm bảo giới hạn phát sóng luôn nằm trong ngưỡng an toàn tuyệt đối với người bệnh lẫn nhân viên y tế vận hành.

Mặc dù sóng siêu âm rất an toàn, nhưng một số đối tượng sau cần thật thận trọng để bảo vệ cơ thể tránh các lạm dụng không cần thiết:

• Phụ nữ mang thai: Các mẹ bầu không nên lạm dụng siêu âm quá nhiều lần với tần suất dày đặc mà nên theo chỉ định khám của bác sĩ chuyên gia uy tín. Chỉ nên khám theo các mốc lịch hẹ để đánh giá chính xác dị tật, nhau thai, lượng nước ối, để đảm bảo an toàn tối đa cho sự phát triển tự nhiên của con.

Sóng siêu âm rất quen thuộc đối với phụ nữ mang thai

• Người có thiết bị điện tử cấy ghép trong cơ thể: Một số kỹ thuật siêu âm chuyên sâu dùng trong điều trị (như siêu âm phục hồi chức năng hoặc công nghệ siêu âm hội tụ cường độ cao - HIFU) có thể làm gia tăng nhẹ nhiệt độ của các mô sâu trong cơ thể. Do đó những bệnh nhân đang mang máy tạo nhịp tim, máy khử rung tim hoặc có bệnh lý tim mạch cần được bác sĩ chuyên khoa đánh giá kỹ lưỡng và chỉ định nghiêm ngặt trước khi tiến hành điều trị bằng sóng siêu âm.
• Người mới phẫu thuật hoặc có vết thương hở: Các kỹ thuật siêu âm điều trị chống chỉ định lên vùng cơ thể mới trải qua phẫu thuật hoặc các vết thương hở chưa lành hoàn toàn người bệnh bắt buộc phải đợi cho các mô tổn thương hồi phục hoặc được sự cho phép của bác sĩ chuyên môn điều trị.

3. Quy trình 6 bước dựng hình ảnh siêu âm trong y khoa

Đầu dò siêu âm là bộ phận đóng vai trò là loa phát sóng và chiếc tai thu nhận tín hiệu phản hồi. Nếu bạn là mẹ bầu thì có thể bạn không quá xa lạ với đầu dò siêu âm được đặt trên bụng này. Các phần tử áp điện được làm bằng tinh thể thạch anh hoặc gốm đá tinh thể đặc biệt trong đầu dò chuyển đổi năng lượng điện thành các sóng siêu âm và ngược lại, chuyển đổi dao động cơ học nhận về thành tín hiệu điện.

Quy trình dựng hình ảnh siêu âm từ sóng siêu âm là gì?

1. Máy siêu âm gửi các xung điện cao tần đến các phần tử áp điện nằm bên trong đầu dò.
2. Các phần tử áp điện nhận điện năng, rung lên ở tần số siêu cao và tạo ra các chùm sóng siêu âm truyền thẳng vào cơ thể người bệnh thông qua lớp gel bôi da làm môi trường dẫn truyền.
3. Sóng siêu âm truyền xuyên qua da, lớp mỡ dưới da, mô cơ và đi sâu vào các cơ quan nội tạng bên trong.
4. Khi chùm sóng di chuyển gặp ranh giới giữa các mô có đặc tính âm học khác nhau (ví dụ ranh giới giữa mô mềm và dịch, hoặc mô mềm và xương), các hiện tượng vật lý sẽ xảy ra bao gồm: phản xạ, khúc xạ, tán xạ, hấp thụ và suy giảm.
5. Đầu dò tiếp nhận các sóng phản hồi dội ngược lại từ các mô cơ thể và chuyển đổi thành tín hiệu điện
6. Bộ vi xử lý trung tâm của máy siêu âm tính toán thời gian sóng đi và về (xác định độ sâu của cấu trúc cơ quan) kết hợp cường độ của tín hiệu phản hồi để tái tạo thành hình ảnh trực quan hiển thị trên màn hình.

Giải mã hình ảnh tạo bởi sóng siêu âm:

• Các vùng màu trắng hoặc sáng là các vùng phản âm mạnh, xuất hiện khi sóng siêu âm va chạm với các cấu trúc cản âm mạnh như xương, sỏi đường mật, sỏi thận, bề mặt phản âm rất mạnh.
• Các dài màu xám với nhiều mức độ đậm nhạt khác nhau là vùng phản âm yếu  tương ứng với các mô gan, thận, cơ, mỡ dính.
• Vùng hiển thị màu đen hoặc tối hoàn toàn là vùng không có hồi âm khi sóng đi qua các cấu trúc chứa dịch đơn thuần hoàn toàn trong suốt (như nước tiểu trong bàng quang, dịch mật trong túi mật, dịch trong các nang lành tính).

4. Ứng dụng của sóng siêu âm là gì trong y học

Vai trò của sóng siêu âm là gì trong y học? Nó được chia thành hai nhánh ứng dụng lớn là chẩn đoán hình ảnh và điều trị phục hồi chức năng.

4.1 Ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

Sóng siêu âm trong chẩn đoán hình ảnh

Sóng siêu âm giúp các bác sĩ chuyên khoa nhìn thấy cấu trúc, hình thái học và chuyển động thực tế của các cơ quan theo thời gian thực.

• Siêu âm ổ bụng tổng quát: Các bác sĩ có thể khảo sát toàn diện từ hình dáng, cấu trúc, và kích thước của các tạng lớn như gan, túi mật, tụy, lách, thận, bàng quang và động mạch chủ bụng. Qua đó bác sĩ dễ dàng phát hiện các bất thường như sỏi mật, sỏi thận, ổ viêm nhiễm hoặc các khối u khu trú. 
• Siêu âm sản - phụ khoa: Bác sĩ có thể theo dõi sát sao từng mốc phát triển của thai nhi trong bụng mẹ, xác định chính xác tuổi thai, vị trí bám của nhau thai, lượng nước ối và tầm soát sớm dị tật bẩm sinh của bé. Phương pháp này cũng giúp đánh giá tử cung, buồng trứng và phát hiện các bệnh lý phụ khoa ở vùng chậu.
• Siêu âm tim: Bác sĩ có thể quan sát chi tiết chuyển động của buồng tim, van tim, thành tim và máu lưu thông qua tim để chẩn đoán các bệnh lý van tim, suy tim hoặc rối loạn nhịp tim.
• Siêu âm Doppler mạch máu: Bác sĩ có thể đánh giá cục máu đông nguy hiểm thông qua việc phát hiện các đoạn mạch bị hẹp, tắc nghẽn qua dòng máu bên trong các động mạch và tĩnh mạch.
• Siêu âm tuyến giáp và tuyến vú: Khảo sát chi tiết cấu trúc cơ quan, đo kích thước phát hiện sớm các nhân giáp hoặc khối u xơ, u nang bất thường ở vú để có hướng can thiệp kịp thời.

4.2 Ứng dụng trong siêu âm trị liệu và phục hồi chức năng

Trong trị liệu, sóng siêu âm là gì? Đây là một trong những phương pháp điều trị phục hồi chức năng hiệu quả và an toàn. Sóng cơ học tần số từ 0,8MHz đến 3MHz tác động vào mô tổn thương để chữa lành cơ thể:

• Hiệu ứng cơ học: Các dao động cơ học tạo ra hiện tượng vi rung làm giãn cơ sâu, giảm nhanh các co thắt căng cơ làm mềm mại các tổ chức mô sẹo xơ cứng lâu ngày.
• Hiệu ứng nhiệt: Năng lượng sóng siêu âm được chuyển hóa thành nhiệt năng tại chỗ. Nhiệt lượng này làm tăng nhiệt độ mô sâu, thúc đẩy giãn mạch máu tại chỗ, tăng cường tuần hoàn máu cục bộ để đưa dinh dưỡng đến nuôi dưỡng mô tổn thương.
• Hiệu ứng sinh học: Sóng siêu âm làm thay đổi áp suất và rung động phân tử, làm tăng tính thấm của màng tế bào, kích thích quá trình trao đổi chất và tái tạo nhanh các mô bị tổn thương, đẩy nhanh quá trình hấp thu các dịch viêm tụ lại ở khớp hoặc cơ.

Siêu âm trị liệu an toàn

Ngoài ra, sóng siêu âm điều trị còn có hai ứng dụng đột phá là siêu âm hội tụ cường độ cao và siêu âm dẫn thuốc, cụ thể:

• Công nghệ siêu âm hội tụ cường độ cao sử dụng chùm sóng siêu âm hội tụ năng lượng cao vào một điểm đích để tiêu diệt khối u trong cơ thể (như u xơ tử cung, ung thư gan) mà hoàn toàn không cần thực hiện phẫu thuật xâm lấn.
• Siêu âm dẫn thuốc: Trộn các loại thuốc điều trị chuyên dụng (kháng viêm, giảm đau) vào chất gel bôi da. Dưới tác động cơ học đẩy sâu của sóng siêu âm, các phân tử thuốc dễ dàng thẩm thấu qua các lớp da để chữa trị vùng cơ khớp bị tổn thương hiệu quả tại chỗ.

5. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Sóng siêu âm có thực sự an toàn và có gây hại cho sức khỏe không?

Sóng siêu âm hoàn toàn an toàn và không gây hại cho sức khỏe. Sóng siêu âm đơn thuần chỉ là các dao động cơ học vật lý do đó nó không có khả năng làm biến đổi vật chất hay gây tổn thương đến tế bào hay các cơ quan trong cơ thể. Dù sóng siêu âm là phương pháp chẩn đoán hình ảnh an toàn nhất hiện nay, nhưng bác sĩ khuyến cáo phụ nữ mang thai không nên lạm dụng siêu âm quá dày khi chưa đến lịch hẹn.

2. Siêu âm điều trị khác gì so với siêu âm chẩn đoán hình ảnh?

Hai kỹ thuật này khác nhau cơ bản về dải tần số hoạt động và mục đích:

• Siêu âm chẩn đoán: Sử dụng tần số  rất cao (từ 1MHz đến 20MHz) nhằm thu nhận sóng phản hồi để tái tạo hình ảnh bên trong phục vụ thăm khám.
• Siêu âm trị liệu: Sử dụng tần số thấp hơn (từ 0,8MHz đến 3MHz) tác động sâu vào mô tổn thương để tạo ra hiệu ứng cơ  học, hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng sinh học chữa trị cơ thể.

3. Những trường hợp nào tuyệt đối không được điều trị bằng phương pháp trị liệu của sóng siêu âm là gì?

Mặc dù là phương pháp phục hồi chức năng rất tốt, siêu âm trị liệu chống chỉ định tuyệt đối trong các trường hợp sau:

• Không phát sóng trực tiếp lên các vùng nhạy cảm: Não bộ, tủy sống, cơ quan sinh dục, và vùng bụng của phụ nữ có thai.
• Vùng cơ thể có gắn các thiết bị kim loại hoặc nẹp vít xương.
• Vị trí đang có khối u (cả lành tính và ác tính).
• Bệnh nhân bị giãn tĩnh mạch, viêm tắc động/tĩnh mạch.
• Các vùng đang có vết thương hở, vùng đang chảy máu hoặc chấn thương mới phát sinh trong vòng 3 ngày đầu (72 giờ đầu)

4. Bể rửa siêu âm làm sạch các linh kiện cơ khí và đồ trang sức bằng cách nào?

Bể rửa siêu âm hoạt động dựa trên hiện tượng tạo lỗ hay hiện tượng không hóa (Cavitation). Máy phát sóng siêu âm tần số cao (từ 20 kHz đến 45 kHz) truyền vào lòng chất lỏng, làm dung dịch bị nén - dãn liên tục. Quá trình này sinh ra hàng triệu bong bóng khí siêu nhỏ. Khi các bong bóng này va chạm vào bề mặt vật thể rắn, chúng sẽ sụp đổ và bùng nổ dữ dội, tạo ra các luồng xung kích cơ học cực mạnh len lỏi đánh bay mọi vết dầu mỡ, cặn bẩn bám sâu trong các khe kẽ nhỏ nhất mà không làm trầy xước thiết bị.

Sóng siêu âm là một công nghệ có vai trò to lớn đối với sức khỏe và đời sống của con người. Với sự an toàn tuyệt đối, hiệu quả vượt trội, khả năng ứng dụng không giới hạn, tương lai ứng dụng của loại sóng này sẽ vô cùng rộng lớn. Hiểu sóng siêu âm là gì chính là bạn đang hiểu về một người bạn đích thực của đời sống y tế hiện đại.

Xem thêm: Môi trường chân không là gì? Kiến thức vật lý thú vị về chân không