Vien vat ly y sinh

Nghiên cứu khoa học

Ứng dụng sóng xung kích trong Vật lý trị liệu


Sóng xung kích là sóng cơ học (tương tự như sóng âm thanh) xuất hiện trong môi trường chất lưu (khí, lỏng) khi có sự kiện mang tính bùng nổ diễn ra  (ví dụ khi bom nổ, máy bay vượt rào cản âm thanh).

Shock wave

Hình 1. Máy bay vượt quá tốc độ 1225km, đẩy các phân tử khí khỏi đường bay của nó, luồng phân tử khí này được nén lại với dạng hình tròn kéo dài từ mũi xuống dọc thân máy bay và tạo thành sóng xung kích.

Sóng xung kích là xung cơ học được đặc trưng bởi:

- Áp suất dương rất cao ở bề mặt sóng và khoảng giảm áp nhỏ ở đuôi sóng. Biên độ áp suất tăng lên đỉnh trong vài nano giây. Trong các thiết bị tán sỏi, áp suất đỉnh khoảng 10 – 150 Megapascals (MPs).

- Biên độ áp suất tăng rất nhanh và độ rộng xung rất hẹp (vài micro giây).

- Có thể truyền năng lượng đi một khoảng cách khá xa (bom nổ có thể làm cửa kính ở cách hàng km bị vỡ).

- Sóng xung kích được truyền đi với tốc độ lớn hơn tốc độ âm thanh (khoảng 1500m/s)

Shockwave

Đồ thị áp suất p(t) của sóng xung kích. Biên độ tăng lên áp suất đỉnh p+ trong vài nano giây, phần sóng giãn ra thấp tiếp theo p- có áp suất bằng khoảng 10% so với áp suất đỉnh

Các công nghệ tạo ra sóng xung kích

Trong kỹ thuật, tùy thuộc vào mục đích sử dụng có thể tạo ra được sóng xung kích có áp suất đỉnh thay đổi cho phù hợp. Hiện nay, các thiết bị tạo ra sóng xung kích chủ yếu dựa trên bốn nguyên lý:

Điện thủy lực (Electrohydraulic);

Điện từ (Electromagnetic);

Áp điện (Piezoelectric);

Sóng áp lực xuyên tâm (Pressure wave) hay còn gọi là sóng xung kích phân kỳ (radial shockwave).

Ba phương pháp tạo sóng xung kích bằng điện thủy lực, điện từ và vật liệu áp điện tạo ra sóng xung kích hội tụ, có thể tập trung năng lượng lớn tại một điểm, thường được sử dụng trong các thiết bị tán sỏi ngoài cơ thể trong y tế.

Phương pháp tạo sóng xung kích phân kỳ (sóng áp lực xuyên tâm) tạo ra sóng xung kích dạng tỏa tròn, tác động được các mô ở phía bên ngoài, không xuyên sâu được vào trong cơ thể, được sử dụng trong vật lý trị liệu.

Sự khác biệt giữa sóng xung kích tập trung và sóng xung kích phân kỳ được thể hiện trong bảng sau :

 

 Sóng xung kích tập trung

  Sóng xung kích phân kỳ

 Trường áp lực

Hội tụ

Phân kỳ

Thời gian tăng

0,01 µs

50 µs

Độ rộng xung

0,3 µs

200 – 2000 µs

Áp suất đỉnh dương

0 – 100 MPa

0 – 10 MPa

Mật độ năng lượng

0 – 1,5 mJ/mm2 trong cơ thể

0 – 0,3 mJ/mm2 tại bề mặt da

Độ xuyên sâu tối đa trong cơ thể

12 cm

3 cm

 

Cơ chế truyền năng lượng của sóng xung kích vào cơ thể người

khi viên đạn được gia tốc bằng lực khí nén mạnh sẽ chuyển động tới đập vào đầu phát làm viên đạn dừng đột ngột, động năng của viên đạn truyền cho đầu phát, nếu đầu phát tiếp xúc với mô qua lớp gen dẫn, động năng này sẽ truyền vào mô cơ thể theo dạng sóng xung kích phân kỳ.

Cơ chế truyền sóng xung kích vào cơ thể người. a) viên đạn ở trạng thái nghỉ; b) viên đạn được gia tốc bằng lực khí nén; c) viên đạn đập vào khối đầu phát và truyền sóng xung kích vào cơ thể 

Các tế bào, mô trong cơ thể tại vùng chịu tác động kích thích của sóng xung kích sẽ gây nên các hiện tượng phản xạ, khúc xạ, hấp thụ, truyền qua giống với các tác động cơ học khác. Năng lượng sóng xung kích được hấp thụ trong mô sẽ gây nên các phản ứng sinh học. Tùy thuộc vào các loại mô khác nhau mà đáp ứng sinh học có khác nhau, do đó, hiệu quả điều trị khác nhau

Hiệu ứng sinh học dưới tác dụng của sóng xung kích

Sóng xung kích có thể tác động áp lực cơ học trực tiếp tới mô hoặc tác động gián tiếp qua việc tạo các bóng năng lượng, sau đó, các bóng năng lượng bị vỡ ra tạo áp lực tới mô, tế bào. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng của sóng xung kích tác động tới mô, có thể gây ra các hiệu ứng khác nhau, được tóm tắt trong sơ đồ sau:

Hiệu ứng sinh học của sóng xung kích tới cơ thể theo 4 giai đoạn phản ứng:

- Giai đoạn vật lý: sự lan truyền áp lực cơ học trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua tạo bóng năng lượng bên ngoài tế bào.

- Giai đoạn hóa lý: trao đổi ion giữa tế bào bị kích thích và môi trường bên ngoài.

- Giai đoạn hóa sinh: phản ứng trong tế bào và thay đổi của các phân tử bên trong tế bào.

- Giai đoạn sinh học: thay đổi của tế bào, mô, cơ quan, và cơ thể người.

Hiệu ứng sinh học của sóng xung kích có thể được tóm tắt bằng sơ đồ sau:

                       

Các thông số cơ bản của sóng xung kích khi ứng dụng trong điều trị

- Mật độ năng lượng: Là năng lượng của sóng xung kích tác động lên một đơn vị diện tích điều trị, được chia thành các mức:

+ Mật độ năng lượng thấp: < 0,27 mJ/mm2

+ Mật độ năng lượng trung bình: trong khoảng từ 0,27 đến 0,59 mJ/mm2

+ Mật độ năng lượng cao: >0,59 mJ/mm2

Mật độ năng lượng càng cao thì tác động của sóng xung kích lên vùng điều trị càng lớn, các hiệu ứng sinh học xảy ra mạnh mẽ hơn.

- Áp suất đỉnh: là giá trị lớn nhất sóng xung kích đạt được, giá trị này được thiết lập từ trước khi điều trị. Áp suất đỉnh càng cao thì thể tích các bóng năng lượng tạo ra càng lớn, do đó, khi bóng năng lượng vỡ ra tạo vi dòng phụt càng mạnh, lực tác động lên vùng điều trị càng lớn, độ sâu tác động của sóng xung kích càng tăng.

- Tần số xung: Tần số ảnh hưởng đến quá trình điều trị của sóng xung kích, tần số càng cao thì hiệu ứng sinh học càng diễn ra nhanh và mạnh hơn.

- Diện tích vùng điều trị: với cùng một mức công suất phát, vùng điều trị có diện tích càng nhỏ thì mật độ năng lượng tác động càng lớn, do đó, các phản ứng sinh học diễn ra càng mạnh. Diện tích vùng điều trị càng lớn thì năng lượng tác động bị phân tán trên bề mặt càng cao, mật độ năng lượng càng giảm.

- Kích thước và hình dạng đầu phát: sóng xung kích được tạo ra trên bề mặt của đầu phát, tùy thuộc vào kích thước và hình dạng của đầu phát mà vùng tác động của sóng xung kích có sự khác nhau. Với cùng dạng cầu lồi, đầu phát có đường kính nhỏ hơn sẽ tập trung năng lượng cao hơn nhưng diện tích vùng tác động sẽ nhỏ hơn so với đầu phát có đường kính lớn.

Các chỉ định điều trị bằng sóng xung kích

-   Đau vai: vôi hóa gân vai, viêm gân;

-   Hội chứng khuỷu tay tennis;

-   Đau mặt trong cổ tay;

-   Lồi xương các khớp nhỏ bàn tay, bệnh khớp giai đoạn 1;

-   Đau vùng háng;

-   Viêm bao hoạt dịch vùng mấu chuyển xương đùi;

-   Đau khớp gối;

-   Đau vùng gân khoeo chân;

-   Hội chứng đau cơ chày trước;

-   Đau gân gót chân;

-   Gai xương gót chân;

Các chống chỉ định điều trị bằng sóng xung kích

- Phổi. Sóng xung kích không được có bất kỳ tác động nào trên vùng bề mặt có chứa phổi, gồm có tim, đốt sống ngực, các cơ ở vùng ngực, xương ức.

- Không được tác động lên vùng mắt, vùng não;

- Không tác động trực tiếp lên các dây thần kinh lớn;

- Không điều trị trên vết thương hở;

- Không điều trị trên vùng có cấy ghép kim loại;

- Không điều trị trên các đầu xương đang phát triển;

- Không điều trị trên bộ phận sinh dục;

- Không điều trị trên vùng bụng đối với bệnh nhân mang thai;

- Không điều trị đối với bệnh nhân mắc chứng rối loạn đông máu;

- Không điều trị trên vùng bị nhiễm trùng;

- Không điều trị đối với bệnh nhân ung thư;

- Không điều trị kết hợp với tiêm corticosteroid;

Ứng dụng điều trị sóng xung kích tại Viện Vật lý Y Sinh học

Từ tháng 6/2014, Viện Vật lý Y Sinh học đã hợp tác với các chuyên gia của trường đại học Leipzig và bệnh viện Medica Klinic (Đức) trong việc lắp đặt thiết bị và chuyển giao công nghệ điều trị bằng sóng xung kích.

                             

Thiết bị điều trị bằng sóng xung kích được sử dụng chủ yếu điều trị các bệnh thoái hóa cột sống cổ, gai gót chân, hội chứng khuỷu tay tennis, thoái hóa cột sống thắt lưng, thoái hóa khớp gối, viêm chu vai, viêm gân Achilles, với tỷ lệ khỏi bệnh là trên 90%.

            Therapy, Vat ly tri lieu 

Tổng hợp và sưu tầm - Viện vật lý y sinh học