Nguyên lý vật lý và hiệu ứng sinh học của siêu âm thai quý 1

Trungtamthuoc.com - Hiện nay, siêu âm quý 1 được coi là một thành phần quan trọng của chăm sóc thai nghén và được ứng dụng trên lâm sàng để xác định chính xác tuổi thai, đánh giá nguy cơ lệch bội và tầm soát các dị tật lớn của thai nhi. 

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA SIÊU ÂM THAI QUÝ 1, trang 23-38, Sách SIÊU ÂM THAI QUÝ 1

Dịch từ sách: First Trimester Ultrasound Diagnosis of Fetal Abnormalities -Tác giả Alfred Abuhamad và Rabih Chaoui

Người dịch: Bác sĩ Vũ Văn Tài

Tải bản PDF TẠI ĐÂY

1 GIỚI THIỆU

Nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ siêu âm cùng với ngày càng có nhiều nghiên cứu về chủ đề này đã giúp mở rộng vai trò của siêu âm sản khoa trong quý 1. Hiện nay, siêu âm quý 1 được coi là một thành phần quan trọng của chăm sóc thai nghén và được ứng dụng trên lâm sàng để xác định chính xác tuổi thai, đánh giá nguy cơ lệch bội và tầm soát các dị tật lớn của thai nhi. Hiểu được các nguyên lý vật lý cơ bản của siêu âm là điều cần thiết giúp có kiến thức về điều khiển thiết bị cũng như tính an toàn và hiệu ứng sinh học của công nghệ này. Trong chương này, chúng tôi trình bày các khái niệm cơ bản về nguyên lý vật lý của siêu âm, định nghĩa các thuật ngữ quan trọng và xem xét tính an toàn và hiệu ứng sinh học của nó, đặc biệt khi sử dụng trong quý 1. Các chương tiếp theo sẽ trình bày về vai trò của siêu âm quý 1 trong việc xác định tuổi thai và tầm soát dị tật thai nhi.

2 CÁC ĐẶC ĐIỂM VẬT LÝ CỦA ÂM THANH

Âm thanh là sóng cơ lan truyền trong môi trường theo phương dọc và đường thẳng bằng cách truyền năng lượng từ phân tử này sang phân tử khác. Do đó, âm thanh không thể lan truyền trong chân không vì nó cần một môi trường để truyền năng lượng. Khi âm thanh lan truyền qua một môi trường, các phân tử trong môi trường đó luân phiên bị nén lại và giãn ra. Điều quan trọng cần lưu ý là, các phân tử dao động chứ không chuyển động khi sóng âm lan truyền qua chúng. Bảy thông số âm học mô tả các đặc tính của sóng âm và được liệt kê trong Bảng 2.1. Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn về tần số, công suất và cường độ của âm thanh do tầm quan trọng của chúng đối với tính an toàn của siêu âm. Để biết thêm chi tiết và thảo luận sâu hơn về vật lý siêu âm, độc giả có thể tham khảo các tài liệu về chủ đề này.^1-3

Tần số của sóng âm là số chu kỳ diễn ra trong 1 giây. Đơn vị Hertz là 1 chu kỳ/giây. Tần số là một đặc tính quan trọng của sóng âm, vì nó ảnh hưởng đến độ xuyên thấu của sóng âm và chất lượng hình ảnh. Nhìn chung, tần số siêu âm càng cao thì chất lượng hình ảnh càng tốt nhưng độ xuyên thấu mô giảm. Công suất và cường độ của chùm sóng siêu âm liên quan đến sức mạnh (strength) của sóng âm. Công suất là mức năng lượng chuyển qua sóng âm và đơn vị là Watts. Công suất có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm trên máy siêu âm. Cường độ là sự tập trung năng lượng trong sóng âm và vì vậy nó phụ thuộc vào công suất và thiết diện cắt ngang của chùm sóng âm. Cường độ của sóng âm được tính bằng cách chia công suất của sóng âm (Watts) cho thiết diện cắt ngang của nó (cm²), đơn vị là W/cm².

Nguồn phát sóng âm, là máy siêu âm và / hoặc đầu dò, quyết định tần số, công suất và cường độ của sóng âm. Tốc độ truyền âm trong mô mềm không đổi là 1,540 m/s. Tốc độ truyền âm nhanh nhất trong xương và chậm nhất trong không khí. Đây là lý do tại sao việc sử dụng siêu âm y tế bị hạn chế ở các vùng giải phẫu chứa khí, chẳng hạn như phổi hoặc đại tràng.

Âm thanh được phân loại dựa trên khả năng nghe của con người. Tai người lớn trẻ khỏe cảm nhận được âm thanh có tần số từ 20 Hertz, viết tắt là Hz, tới 20.000 Hz, hoặc 20 KHz (Kilo Hertz), được gọi là âm thanh nghe được (từ 20 – 20.000 Hz). Nếu tần số sóng âm < 20 Hz, tai người không thể nghe được và được gọi là hạ âm (infrasonic, infrasound). Nếu tần số sóng âm > 20 KHz, tai người cũng không thể nghe được và được gọi là siêu âm (ultrasonic, ultrasound). Tần số thường dùng trong siêu âm chẩn đoán là 2-10 MHz (mega, (million), Hertz). Tần số sóng siêu âm thường dùng trong sản phụ khoa thường từ 3 đến 10 MHz.

3 SÓNG SIÊU ÂM

Sóng siêu âm được tạo thành từ những tỉnh thể áp điện (piezoelectric crystals) siêu nhỏ nằm trong đầu dò siêu âm. Khi dòng điện xoay chiều (alternate current) đến những tinh thể này, chúng co lại và giãn ra với cùng một tần số mà dòng điện thay đổi chiều phân cực và tạo thành sóng siêu âm. Sóng siêu âm đi vào cơ thể với cùng một tần số mà đầu dò đã tạo ra. Ngược lại, khi sóng siêu âm trở về đầu dò, các tinh thể này thay đổi hình dạng, và sự thay đổi nhỏ này tạo ra một dòng điện siêu nhỏ mà rồi được khuếch đại bởi máy siêu âm để tạo thành hình ảnh siêu âm trên màn hình. Do đó, các tinh thể áp điện trong đầu dò đã chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ (siêu âm) và ngược lại. Các tỉnh thể được bảo vệ bởi lớp Cao Su che phủ giúp làm giảm trở kháng sóng âm truyền từ tinh thể đến cơ thể và ngược lại. Vì để giảm thiểu tác động của không khí, nên cần bôi một chút gel nước lên da bệnh nhân giúp truyền âm thanh đến và đi từ đầu dò dễ dàng hơn.

4 HÌNH ẢNH SIÊU ÂM

Máy siêu âm hiện đại tạo ra một hình ảnh siêu âm bằng cách gửi nhiều xung sóng âm từ đầu dò với hướng đi khác nhau không đáng kể và phân tích sóng âm phản hồi trở về các tỉnh thể. Chi tiết của quá trình này nằm ngoài phạm vi của cuốn sách này, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là, các mô phản xạ mạnh sóng siêu âm như xương hoặc không khí sẽ tạo ra dòng điện mạnh từ các tỉnh thể áp điện và sẽ cho hình ảnh hồi âm dày (sáng) trên màn hình máy siêu âm (Hình 2.1). Nói cách khác, những phản xạ yếu sóng siêu âm, như dịch hoặc mô mềm, sẽ tạo ra dòng điện yếu, cho hình ảnh hồi âm kém hoặc hồi âm trống (tối) trên màn hình (Hình 2.1). Vì vậy, hình ảnh siêu âm được tạo thành từ sự phân tích tỉnh vi sóng siêu âm phản hồi trở về để tạo thành hình ảnh trên thang xám. Do sóng âm lan truyền theo trục dọc, để nhận được hình ảnh tốt nhất có thể, cần điều chỉnh đầu dò sao cho chùm sóng siêu âm phát ra vuông góc với cấu trúc cần khảo sát, vì khi đó góc tới (angle of incidence) bằng góc phản xạ (angle of reflection)

5 CÁC MODE SIÊU ÂM

5.1 Siêu âm B-mode

Siêu âm B-mode, là “mode độ sáng”, còn gọi là hình ảnh hai chiều (2D), thường được dùng để mô tả hình ảnh siêu âm trên thang xám. Hình ảnh tạo thành dựa trên cường độ của sóng trở về, được phản ánh bằng nhiều sắc thái trên thang xám để hình thành hình siêu âm (Hình 2.2). Điều quan trọng cần lưu ý, B-mode là hình ảnh theo thời gian thực (real-time), một đặc tính quan trọng và cơ bản của siêu âm. B-mode, hoặc hình ảnh thang xám, là phương thức siêu âm cơ bản trong quý 1 và sẽ được thảo luận ở phần sau của chương này, và nó mang ít năng lượng nhất.

5.2 Siêu âm M-mode

Siêu âm M-mode, viết tắt của “mode chuyển động”, thường được dùng ở giai đoạn đầu thai kỳ để đánh giá chuyển động của các lá van và buồng tim nhằm ghi lại hoạt động tim thai. M-mode được tạo thành từ một sóng âm duy nhất xuyên qua cơ thể với tần số lặp lại xung cao. Bản ghi trên màn hình cho thấy thời gian của M-mode trên trục x và độ sâu trên trục y (Hình 2.3).

5.3 Doppler xung (phổ)

Mode Doppler xung (phổ) là phương thức siêu âm phụ thuộc vào nguyên lý (hiệu ứng) Doppler. Nguyên lý Doppler mô tả sự biến thiên rõ ràng về tần số của sóng âm khi nguồn sóng tiến lại gần hoặc di chuyển ra xa, so với người quan sát. Sự thay đổi tần số rõ ràng này, hay còn gọi là tần số chuyển dịch (frequency shift), tỷ lệ thuận với vận tốc chuyển động của (các) vật thể phản xạ hoặc phát ra âm thanh, chẳng hạn như các tế bào hồng cầu trong mạch máu. Tần số chuyển dịch này được biểu thị dưới dạng biểu đồ phụ thuộc thời gian. Trên màn hình, trục tung thể hiện tần số chuyển dịch và trục hoành thể hiện sự thay đổi theo thời gian của tần số chuyển dịch này, ghi lại các sự kiện trong chu chuyển tim (Hình 2.4). Tần số chuyển dịch cao nhất trong thì tâm thu, khi dòng máu chảy nhanh nhất và thấp nhất ở cuối thì tâm trương, khi dòng máu chảy chậm nhất trong tuần hoàn ngoại vi (Hình 2.4). Do vận tốc dòng chảy trong một giường mạch cụ thể tỷ lệ nghịch với trở kháng của dòng chảy ở hạ lưu, vì vậy, tần số chuyển dịch cho ta thông tin về trở kháng của dòng chảy ở hạ lưu. Tần số chuyển dịch cũng phụ thuộc vào cosin của góc Doppler được tạo thành bởi sóng siêu âm hợp với hướng dòng máu (xem công thức trong Hình 2.4). Vì góc Doppler (góc tới) khó đo được trong thực hành lâm sàng, nên các chỉ số (index) dựa trên tỷ lệ của sự thay đổi tần số đã được phát triển để định lượng các dạng sóng Doppler.

Trong mode Doppler xung, có thể đánh giá định lượng dòng chảy trong mạch máu tại bất kỳ điểm nào bằng cách đặt cửa sổ Doppler vào trong lòng mạch (Hình 2.4). Bác sĩ siêu âm sẽ điều chỉnh thang vận tốc (velocity scale), độ lọc thành (wall filter) và góc Doppler (angle of incidence). Dòng chảy hướng về phía đầu dò được hiển thị trên đường cơ sở (baseline) và dòng chảy hướng ra xa đầu dò được hiển thị dưới đường cơ sở. Trong mode Doppler xung, thường chỉ cần một tinh thể và nó luân phiên giữa việc gửi và nhận xung siêu âm.

5.4 Doppler màu

Dopple màu là mode được đặt chồng lên hình siêu âm B-mode theo thời gian thực. Mode này được dùng để phát dòng chảy của mạch máu trong mô được khảo sát (Hình 2.5). Theo quy ước, nếu dòng chảy hướng về phía đầu dò, nó có màu đỏ và nếu dòng chảy hướng ra xa đầu dò, nó có màu xanh lam. Thang vận tốc màu và độ lọc thành thấp được dùng cho các giường mạch trở kháng thấp như dòng chảy qua nhau thai (Hình 2.5) và thang vận tốc màu và độ lọc thành cao được dùng cho tuần hoàn trở kháng cao như dòng chảy trong tim (Hình 2.6). Để tối ưu hóa hình ảnh Doppler màu, chùm sóng siêu âm cần phải song song với hướng của dòng máu, nếu có thể. Nếu góc Doppler gần 90°, sẽ không có tín hiệu màu vì “hiệu ứng Doppler” phụ thuộc vào cosine góc Doppler, và cosine 90° bằng 0 (Hình 2.7). Các đặc điểm và tối ưu hóa hình ảnh Doppler màu trong quý 1 được thảo luận chi tiết trong Chương 3.

5.5 Mode Doppler năng lượng hoặc độ nét cao (Power or High Definition Doppler Mode)

Mode Doppler năng lượng hoặc độ nét cao là mode Doppler nhạy, được trang bị trên một số máy siêu âm cao cấp, và rất hữu ích trong việc đánh giá tim thai quý 1 (Hình 2.8). Biên độ của tín hiệu phản hồi chủ yếu đã qua xử lý. Doppler năng lượng ít bị ảnh hưởng bởi góc Doppler hơn Doppler màu và Doppler phổ.

6 HIỆU ỨNG SINH HỌC VÀ TÍNH AN TOÀN CỦA SIÊU ÂM

Siêu âm là một dạng năng lượng và công suất của nó phụ thuộc mode siêu âm. Khi sóng siêu âm truyền qua mô, sự hấp thụ năng lượng dẫn đến hiện tượng tản nhiệt (heat dissipation), được gọi là “hiệu ứng nhiệt của siêu âm" (thermal effect of ultrasound). Sóng siêu âm lan truyền qua mô cũng tạo ra hiệu ứng cơ trực tiếp từ áp lực dương và áp lực âm xen kẽ nhau. Hiệu ứng nhiệt và cơ của siêu âm được phản ánh bởi 2 chỉ số quan trọng để đo lường hiệu ứng sinh học của siêu âm: chỉ số nhiệt (TI) và chỉ số cơ (MI). MI ước tính hiệu ứng tạo hang của siêu âm, là kết quả từ sự tương tác của sóng âm với các bóng khí siêu nhỏ, ổn định trong các mô.

TI là một chỉ số dự đoán về mức tăng nhiệt độ tối đa trong các điều kiện liên quan đến lâm sàng và được xác định là tỷ số giữa công suất sử dụng trên công suất cần thiết để tạo ra mức tăng nhiệt độ 1°C. TI được báo cáo dưới 3 dạng - chỉ số nhiệt mô mềm (TIS) cho rằng sóng âm lan truyền trong mô mềm và chủ yếu hữu ích trong quý 1; chỉ số nhiệt xương (TIB) cho rằng sóng âm ở hoặc gần xương, hữu ích vào cuối quý 2 và quý 3 của thai kỳ; chỉ số nhiệt hộp sọ (TIC) cho rằng xương hộp sọ gần với chùm sóng siêu âm, được dùng ở bệnh nhân trưởng thành. Ngoài ra còn có các hiệu ứng năng lượng khác của siêu âm bao gồm hiệu ứng vật lý (sóng xung kích) và hóa học (giải phóng các gốc tự do) trên mô.

Trong siêu âm sản khoa, hiệu ứng nhiệt (TI) đáng lo ngại hơn hiệu ứng cơ (MI). Tăng thân nhiệt đã được chứng minh là có tác động gây quái thai đối với phôi đang phát triển ở nhiều loài khác nhau.^4,5 Vì hiệu ứng nhiệt dẫn đến tăng nhiệt độ trong mô KHI sóng siêu âm đi tới, nên cần thận trọng để hạn chế phôi và thai nhi tiếp xúc trong thời gian tối thiểu mà cần thiết cho mục đích chẩn đoán và lợi ích cho bệnh nhân phải luôn lớn hơn rủi ro. Ngưỡng chung (general threshold) 1,5°C trên mức sinh lý bình thường được đề xuất là ngưỡng an toàn cho siêu âm chẩn đoán.⁶

Năm 1992, tiêu chuẩn hiển thị công suất (Output Display Standard-ODS) được áp dụng cho tất cả các máy siêu âm chẩn đoán. Trong ODS này, các nhà sản xuất được yêu cầu hiển thị TI và MI theo thời gian thực trên màn hình siêu âm với mục đích lưu ý người sử dụng biết về các hiệu ứng sinh học khi siêu âm (Hình 2.9). Người sử dụng phải được cảnh báo về công suất (power output) và chắc chắn rằng nó được duy trì ở mức hợp lý. Mặc dù thiếu các nghiên cứu dịch tễ học xác nhận các tác động sinh học có hại do tiếp xúc với siêu âm chẩn đoán, nhưng luôn phải đánh giá lợi ích và nguy cơ tiềm ẩn của siêu âm và tuân thủ nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable- có thể đạt được với liều thấp nhất có thể), đặc biệt khi sử dụng máy siêu âm để giảm thiểu rủi ro. Điều này ngụ ý, công suất siêu âm nên được giữ ở mức thấp nhất có thể và thời gian tiếp xúc với siêu âm càng ngắn càng tốt. Khi siêu âm sản khoa, phải luôn theo dõi các giá trị TI và MI trên màn hình siêu âm, và giữ TI < 1 và MI < 1.

Hiệu ứng sinh học và tính an toàn của siêu âm là một chủ đề rất quan trọng, đặc biệt khi liên quan với phôi và thai nhi đang phát triển ở giai đoạn đầu thai kỳ. Các nguyên tắc hướng dẫn về chủ đề này gợi ý, lợi ích của siêu âm phải luôn được cân nhắc với nguy cơ khi siêu âm được thực hiện trong giai đoạn đầu thai kỳ. Công suất của B- mode và M-mode thường không đủ cao để gây ra các tác dụng có hại. Do đó, việc sử dụng chúng dường như là an toàn trong suốt thai kỳ. Tuy nhiên, Doppler xung tập trung năng lượng của chùm sóng siêu âm vào một mục tiêu giải phẫu nhỏ và do đó không nên sử dụng thường quy trong quý 1,⁸ mà chỉ nên giới hạn ở một số tình huống lâm sàng với lợi ích thai kỳ rõ ràng. Khi thực hiện siêu âm Doppler, TI được hiển thị phải ≤ 1 và thời gian tiếp xúc càng ngắn càng tốt (thường không quá 5 đến 10 phút) và không được vượt quá 60 phút.⁸ Trong siêu âm sản khoa, nhìn chung siêu âm 3D và 4D có Tì thấp, tương đương với B-mode và được coi là an toàn như B-mode.⁹

Khi siêu âm chẩn đoán tần số tim thai, AIUM khuyến cáo sử dụng M-mode đầu tiên, vì cường độ sóng âm trung bình theo thời gian (time-averaged acoustic intensity) truyền đến thai nhi thấp hơn Doppler xung.¹⁰ Nếu không thành công, có thể dùng Doppler xung với các hướng dẫn sau: chỉ sử dụng Doppler xung trong thời gian ngắn (ví dụ: 4 đến 5 nhịp tim) và giữ TI (TIS đối với mô mềm trong quý 1) càng thấp càng tốt, tốt nhất là < 1, phù hợp với nguyên tắc ALARA. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý, cũng có thể xác nhận hoạt động tim thai sớm bằng cách lưu một đoạn phim B- mode.

Những hiệu ứng bất lợi được xác nhận rõ ràng gây ra khi tiếp xúc với sóng âm từ các thiết bị siêu âm chẩn đoán hiện tại đã được báo cáo ở bệnh nhân được siêu âm không sử dụng chất cản âm.¹¹ Các hiệu ứng sinh học (như chảy máu phổi cục bộ) đã được báo cáo ở các loài động vật có vú khi tiếp xúc với sóng siêu âm chẩn đoán,¹² nhưng vẫn chưa rõ ý nghĩa lâm sàng của những hiệu ứng như vậy.

Các hiệp hội siêu âm trong nước và quốc tế đã đưa ra các tuyên bố chính thức liên quan đến việc sử dụng siêu âm trong sản khoa.^7,8,10-16 Điều quan trọng cần lưu ý, các tuyên bố chính thức này luôn được cập nhật theo thời gian và độc giả nên truy cập trang web của các hiệp hội này để tìm kiếm phiên bản mới nhất. Siêu âm cần được sử dụng bởi các nhà chuyên môn để mang lại lợi ích y khoa cho bệnh nhân và khi siêu âm phải luôn tuân thủ nguyên tắc ALARA.¹⁶ Tất cả những người làm siêu âm chẩn đoán bắt buộc phải biết về các hiệu ứng sinh học của siêu âm, nguyên tắc ALARA và tiêu chuẩn hiển thị công suất (output display standard).

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Miele F. Ultrasound Physics and Instrumentation. 5th ed. Brampton, Canada: Miele Enterprises; 2013.

2. Edelman SK. Understanding Ultrasound Physics. 4th ed. Tenafly, NJ: E.S.P. Ultrasound; 2012.

3. Kremkau FW. Diagnostic Ultrasound: Principles & Instruments. 8th ed. Philadelphia: Saunders; 2010.

4. Edwards MJ, Saunders RD, Shiota K. Effects of heat on embryos and fetuses. Int J Hyperthermis. 2003;19(3):295-324.

5. Clarren SK, Smith DW, Harvey MA, et al. Hyperthermia a prospective evaluation of a possible teratogenic agent in man. J Pediatr. 1979;95(1):81-83.

6. Barnett SB. WFUMB symposium on safety of ultrasound in medicine. Conclusions and recommendations on thermal and non-thermal mechanisms for biological effects of ultrasound. Ultrasound Med Biol. 1998;24(suppl 1):8.

7. International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. Official statement on safety. Ultrasound Obstet Gynecol. 2003;21:100.

8. International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. Official statement on the safe use of Doppler in the 11 to 13+6 week fetal ultrasound examination. Ultrasound Obstet Gynecol. 2011;37:628.

9. Sheiner E, Hackmon R, Shoham-Vardi I, et al. A comparison between acoustic output indices in 2D and 3D/4D ultrasound in obstetrics. Ultrasound Obstet Gynecol. 2007;29(3):326-328.

10. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on measurement of fetal heart rate, 2011. http://www.aium.org/officialStatements/43. Accessed March 11, 2016.

11. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on Conclusions regarding epidemiology for obstetric ultrasound, http://www.aium.org/officialStatements/34. Accessed March 11, 2016. 2010

12. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on mammalian biological effects of ultrasound in vivo, http://www.aium.org/officialStatements/9. Accessed March 11, 2016. 2015.

13. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on the Safe Use of Doppler Ultrasound During 11-14 week scans (or earlier in pregnancy), 2016, http://www.aium.org/officialStatements/42. Accessed March 11, 2016.

14. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on prudent use in pregnancy, 2012. http://www.aium.org/officialStatements/33. Accessed March 11, 2016.

15. International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. Official statement on non-medical use of ultrasound. Ultrasound Obstet Gynecol. 2009;33(5):617.

16. American Institute of Ultrasound in Medicine. Official statement on as low as reasonably achievable principal, 2008. http://www.aium.org/officialStatements/16. Accessed March 11, 2016.

Mời bạn đọc tìm hiểu về các khía cạnh kỹ thuật của siêu âm thai nhi trong quý 1 TẠI ĐÂY