✴️ Nguyên lý vật lý cơ bản của siêu âm dùng trong y khoa (Phần 2)

M-mode, là “mode chuyển động” sử dụng không thường xuyên trong siêu âm hiện nay nhưng được sử dụng chuyên biệt để đánh giá chuyển động của các buồng tim và van tim thai để làm bằng chứng thai sống và đánh giá một số bất thường tim thai như loạn nhịp tim và bệnh tim bẩm sinh. M-mode phát ra một tia sóng âm duy nhất xuyên qua cơ thể với tần số lập lại xung cao. Thể hiện trên màn hình chỉ thời gian của M-mode trên trục x và độ sâu trên trục y (Hình 1.9).

Hình 1.9: Hình M-mode của tim thai nhi trong quý II. M-mode thể hiện (màu nâu) tương ứng với tia sóng âm duy nhất (đường chấm vàng) với trục X chỉ thời gian và trục y chỉ độ sâu. Lưu ý hình ảnh của tim trên B-mode và tương ứng với M-mode bằng các mũi tên đôi.

Mode Doppler màu và Doppler phổ phụ thuộc vào nguyên lý Doppler (hiệu ứng). Nguyên lý Doppler mô tả sự biến đổi tần số của ánh sáng hoặc sóng âm khi đến gần hoặc ra xa, tương quan với người quan sát. Một ví dụ truyền thống mô tả hiện tượng vật lý này là sự biến đổi tần số của âm thanh khi xe lửa đi vào ga và rồi khởi hành đi khỏi ga. Âm thanh dương như cao độ hơn khi vào ga, và dường như thấp độ hơn khi khởi hành. Sự thay đổi cao độ âm thanh này chính là sự thay đổi tần số âm thanh, tương ứng với tốc độ chuyển động của nguồn phát sóng, trong ví dụ này là xe lửa. Điều quan trọng cần lưu ý là âm thanh thực sự của xe lửa không thay đổi; đó là cảm nhận sự thay đổi của âm thanh tới một người quan sát đứng yên, được gọi là “hiệu ứng Doppler”. Áp dụng trong lâm sàng, khi sóng âm được phát ra với một tần số cố định (fo) tới một mạch máu xác định, tần số sóng phản hồi (fd) hay sự thay đổi tần số là tương quan trực tiếp tới vận tốc của hồng cầu đang chuyển động (vận tốc dòng máu) trong mạch máu đó. Sự thay đổi tần số của tín hiệu phản hồi này được thể hiện dưới dạng đồ thị thay đổi theo thời gian. Trong đồ thị này, trục dọc biểu thị cho sự thay đổi tần số và trục ngang biểu thị cho thời gian, khi nó ghi lại những gì xảy ra trong chu kỳ tim (Hình 1.10). Sự thay đổi tần số này cao nhất trong thì tâm thu, khi vận tốc dòng máu nhanh nhất và thấp nhất trong thì tâm trương, khi vận tốc dòng máu là thấp nhất ở tuần hoàn ngoại vi (Hình 1.10). Vận tốc dòng chảy trong lòng mạch tỷ lệ nghịch với trở kháng của dòng chảy ở hạ lưu, vì thế sự thay đổi tần số cho ta thông tin về trở kháng của dòng chảy ở hạ lưu. Sự thay đổi tần số cũng phụ thuộc vào góc Doppler được tạo thành bởi tia siêu âm hợp với dòng máu (xem công thức trong Hình 1.10). Vì rằng góc của tia tới khó đo trong thực hành lâm sàng, các chỉ số (index) đo được bằng tỷ lệ của sự thay đổi tần số được phát triển để định lượng sóng Doppler. Các chỉ số Doppler này, vì thế, không phụ thuộc vào góc Doppler. Các chỉ số Doppler thường được dùng trong siêu âm sản – phụ khoa được mô tả (Hình 1.11).

Hình 1.10: Doppler động mạch rốn tại vị trí cuống rốn cắm vào thành bụng. “S” đỉnh tâm thu, “D” cuối tâm trương. Công thức tính hiệu ứng Doppler mô tả trong nền trắng. (Sơ đồ công thức Doppler sửa đổi với sự cho phép từ A Practical Guide to Fetal Echocardiography Normal and Abnormal Hearts – Abuhamad, Chaoui, second edition – Wolters Kluwer.

Hình 1.11: Các chỉ số Doppler thường được dùng trong siêu âm sản – phụ khoa. Chỉ số đập (PI - pulsatility index), chỉ số kháng (RI - resistive index), S = vận tốc đỉnh tâm thu, D = vận tốc cuối tâm trương và M = vận tốc trung bình. In lại với sự cho phép từ A Practical Guide to Fetal Echocardiography: Normal and Abnormal Hearts – Abuhamad, Chaoui, second edition – Wolters Kluwer.

Figure 1.12: Doppler màu tại vị trí cuống rốn cắm vào bánh nhau ở thành sau. Máu trong tĩnh mạch rốn được mã hóa màu đỏ (hướng về đầu dò) và máu trong các động mạch rốn được mã hóa màu xanh (chạy xa đầu dò).

Dopple màu là mode được đặt chồng lên hình siêu âm B-mode theo thời gian thực. Mode này được dùng để phát hiện sự hiện diện của dòng chảy của mạch máu trong mô được khảo sát (Hình 1.12). Theo quy ước, nếu dòng chảy hướng về đầu dò được mã hóa màu đỏ và nếu dòng chảy chạy xa đầu dò được mã hóa màu xanh. Người làm siêu âm điều chỉnh nhiều thông số của Doppler màu như thang vận tốc (velocity scale) hay tần số lập lại xung (PRF), độ lọc thành (wall filter), kích thước hộp màu và góc Doppler được tạo thành bởi chùm tia siêu âm và hướng của dòng chảy. Thang vận tốc màu và độ lọc thành thấp được dùng cho gường mạch máu trở kháng thấp như dòng chảy mạch máu buồng trứng trong phụ khoa (Hình 1.13); thang vận tốc và độ lọc thành cao được dùng cho tuần hoàn trở kháng cao như tại các đường ra của tim (Hình 1.14). Để tối ưu hóa hình ảnh Doppler màu, chùm tia siêu âm cần phải song song với hướng của dòng chảy nếu có thể. Nếu góc Doppler gần 90 độ, sẽ không có tín hiệu màu vì “hiệu ứng Doppler” phụ thuộc vào góc Doppler, và cosine của 90 độ bằng không (Hình 1.15). 

Hình 1.13: Doppler màu của dòng máu trong buồng trứng (ovary). Dòng chảy của mạch máu trong buồng trứng có trở kháng thấp và được nhận biết nhờ thang vận tốc và độ lọc thành thấp.

Hình 1.14: Doppler màu buồng ra thất trái của tim thai. Dòng máu trong tim thai có vận tốc cao và như thế cần phải đặt thang vận tốc cao. LV=thất trái, RV=thất phải, Ao=động mạch chủ.

Hình 1.15: Dòng máu trong cuống rốn cho ta biết hiệu ứng Doppler. Các mũi tên trắng chỉ hướng của dòng máu. Lưu ý là không có tín hiệu màu của dòng chảy (dấu sao) khi tia siêu âm (mũi tên xám) tạo một góc 90 độ với dòng chảy. Các mũi tên đen biểu thị cho các dòng chảy gần như song song với tia siêu âm, và như thế thể hiện bằng sắc màu sáng nhất, tương ứng với vận tốc cao nhất.

Ở mode Doppler xung, định lượng dòng chảy có thể thực hiện tại bất cứ điểm nào trong lòng mạch bằng cách đặt cửa sổ Doppler vào (Hình 1.16). Tương tự ở Doppler màu, ta phải điều chỉnh thang tốc độ, độ lọc thành và góc Doppler. Dòng chảy hướng về đầu dò sẽ có phổ trên đường nền và dòng chảy chạy xa đầu dò có phổ dưới đường nền. Ở mode Doppler xung, chỉ có một tinh thể áp điện hoạt động, nó luân phiên gửi và nhận tia siêu âm.

Hình 1.16: Mode Doppler xung ở động mạch rốn. S: đỉnh tâm thu,  D: cuối tâm trương.

Mode Doppler năng lượng là mode Doppler nhạy, được trang bị trên những máy siêu âm hiện đại giúp ta nhận biết được những dòng chảy vận tốc thấp (Hình 1.17). Biên độ của tín hiệu phản hồi được xử lý cơ bản. Doppler năng lượng ít bị ảnh hưởng của góc Doppler hơn Doppler màu và Doppler phổ.

Hình 1.17: Doppler năng lượng thể hiện tưới máu trong bướu buồng trứng ranh giới (lành-ác). Mode Doppler năng lượng giúp nhận biết dòng chảy vận tốc thấp.

CÁC HIỆU ỨNG SINH HỌC CỦA SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Siêu âm là một dạng năng lượng cơ học và công suất của nó phụ thuộc mode siêu âm. Thông thường B-mode có năng lượng thấp nhất và Doppler có năng lượng cao nhất. Về mặt lý thuyết, siêu âm vẫn tiềm tàng khả năng gây hại, lợi ích của bệnh nhân phải luôn luôn đặt nặng hơn nguy cơ. Thông thường, siêu âm được xem là một kỹ thuật hình ảnh an toàn so với các kỹ thuật hình ảnh khác có bức xạ i-on hóa như X quang và Cắt lớp điện toán (CT). Có hai chỉ số quan trọng để đo lường hiệu ứng sinh học của siêu âm; Chỉ số Nhiệt (Thermal Index - TI) và Chỉ số Cơ (Mechanical Index - MI). Chỉ số Nhiệt dự báo sự gia tăng nhiệt độ tối đa dưới những điều kiện lâm sàng liên quan và được xác định như tỷ số của năng lượng sử dụng trên năng lượng yêu cầu để tạo nên một sự gia tăng nhiệt độ 1° C. Chỉ số Nhiệt được báo cáo ở 3 dạng; TIS - Thermal index Soft tissue: chỉ số nhiệt mô mềm; TIB - Thermal index Bone: chỉ số nhiệt xương; , TIC - Thermal index Cranial: chỉ số nhiệt hộp sọ. Chỉ số Cơ (Mechanical index - MI) dự đoán hiệu ứng tạo hang của siêu âm, hậu quả từ sự tương tác của sóng âm với những bóng khí ổn định, vi thể trong các mô. Các hiệu ứng khác bao gồm trong phân loại này là hiệu ứng vật lý (sóng xung kích) và hóa học (phóng thích các gốc tự do) của siêu âm trên mô. 

Năm 1992, Tiêu chuẩn công suất hiển thị (Output Display Standard - ODS) được áp đặt cho tất cả các máy siêu âm. Trong tiêu chuẩn công suất hiển thị này, nhà sản xuất máy được yêu cầu hiển thị theo thời gian thực (real time) Chỉ số Nhiệt và Chỉ số Cơ trên màn hình máy siêu âm với mục đích lưu ý người sử dụng các hiệu ứng sinh học của khảo sát siêu âm (Hình 1.18). Người sử dụng phải được cảnh báo về công suất và chắc chắn rằng nó được duy trì ở mức độ hợp lý.  Mặc dù thiếu những báo cáo khoa học xác nhận hiệu ứng sinh học gây hại khi tiếp xúc với sóng siêu âm trong chẩn đoán, lợi ích và nguy cơ tiềm tàng của khảo sát siêu âm cần được ước lượng và nguyên tắc ALARA cần phải được luôn luôn tuân thủ. Nguyên tắc ALARA (As Low As Reasonably Achievable) có nghĩa là “ có thể đạt được với liều thấp nhất có thể” khi sử dụng máy siêu âm để hạn chế tối đa nguy cơ. Luôn luôn chú ý đến Chỉ số Nhiệt và Chỉ số Cơ trên màn hình máy siêu âm, và giữ Chỉ số Nhiệt dưới 1 và Chỉ số Cơ dưới 1 cho siêu âm sản khoa. 

Hình 1.18: Hình ảnh siêu âm bụng thai nhi quý III. Lưu ý hiển thị  MI và TIb trong hộp màu trắng. MI= Chỉ số Cơ và TIb=Chỉ số Nhiệt xương.

NHỮNG TUYÊN BỐ LIÊN QUAN CHÍNH THỨC TỪ CÁC HIỆP HỘI SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Nhiều hiệp hội quốc gia và quốc tế đã có những tuyên bố chính thức liên quan đến việc sử dụng siêu âm trong sản – phụ khoa. Chúng tôi đã thu thập trong chương này một số tuyên bố liên quan chính thức kèm đường dẫn tới nguồn trên Internet. Điều quan trọng cần lưu ý đó là những tuyên bố liên quan chính thức này luôn được cập nhật, và người đọc cần cần tra cứu website của hội để có được những bản cập nhật nhất. 

Hội siêu âm sản – phụ khoa quốc tế (International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology - ISUOG) (www.ISUOG.org)

ISUOG – Tuyên bố về việc sử dụng an toàn siêu âm Doppler trên thai nhi 11 tới 13+6 tuần tuổi thai (1):

Doppler xung (phổ, năng lượng và màu) không nên sử dụng thường quy.

Doppler xung có thể được sử dụng cho mục đích sàng lọc nguy cơ tam bội nhiễm sắc thể (trisomies).

Khi sử dụng siêu âm Doppler, hiển thị Chỉ số Nhiệt (TI) cần phải  ≤1.0 và thời gian khảo sát càng ngắn càng tốt (thường không lâu hơn 5–10 phút) và không được quá 60 phút.

Khi sử dụng siêu âm Doppler cho mục đích nghiên cứu, giảng dạy và huấn luyện, hiển thị Chỉ số Nhiệt (TI) cần phải  ≤1.0 và thời gian khảo sát càng ngắn càng tốt (thường không lâu hơi 5–10 phút) và không được quá 60 phút. Cần phải có sự đồng thuận của người được khảo sát.

Trong giáo dục, bàn luận về Doppler màu và  xung cho thai quý I cần phải đi kèm với thông tin về tính an toàn và các hiệu ứng sinh học (Chỉ số Nhiệt, thời gian khảo sát và làm thế nào để giảm công suất)

Khi khảo sát động mạch tử cung mang thai quý I, cần phải tiến hành sao cho thai nhi nằm ngoài chùm tia khảo sát Doppler.

ISUOG- Tuyên bố tính an toàn, 2000 (tái xác nhận 2003) (2):

Chỉ số Nhiệt (TI) và Chỉ số Cơ (MI) không dự báo hoàn hảo về các nguy cơ của các hiệu ứng sinh học do nhiệt và không do nhiệt, nhưng hiện tại chúng cần được chấp nhận vì nó thực tế và dễ hiểu nhất để ước lượng tiềm năng của các nguy cơ.

B-mode và M-mode

Công suất sóng âm phát ra thường không đủ cao để tạo ra những hiệu ứng nguy hại. Vì thế chúng an toàn cho thai ở bất kỳ thời điểm nào. 

Siêu âm Doppler

Sự gia tăng nhiệt độ một cách đáng kể có thể được tạo ra khi sử dụng Doppler xung, đặc biệt ở vùng lân cận của xương. Điều này không ngăn cản được sử dụng mode này khi có chỉ định lâm sàng, miễn là người sử dụng có đủ hiểu biết về công suất sóng âm và Chỉ số Nhiệt. Sự thận trọng được khuyến cáo khi sử dụng Doppler màu với hộp màu rất nhỏ, vì mode này tạo ra tiềm năng cao nhất cho các hiệu ứng sinh học. FDA (Food and Drug Administration) khuyến cáo siêu âm có chất cản âm chứa nhiều vi bọt khí, nguy cơ cảm ứng và bổ trợ sự tạo hang là cao hơn trong trường hợp sử dụng chất này.

Thai nghén

Dựa trên chứng cứ hiện tại, việc sử dụng siêu âm thường quy cho sản phụ suốt quá trình thai nghén bằng siêu âm B-mode không bị chống chỉ định. Nguy cơ làm tổn hại đến thai nhi bởi các tác nhân gây hại là đặc biệt lớn trong quý I. Ta phải nhớ rằng nhiệt sẽ tạo ra trên bề mặt đầu dò khi khảo sát qua ngã âm đạo. Doppler phổ và màu có thể tạo ra cường độ cao và việc khảo sát thường quy bởi các phương tiện này trong giai đoạn bào thai hiếm được chỉ định. Thêm vào đó, vì sự hấp thụ sóng âm cao của xương, tiềm năng nung nóng mô kế cận cũng phải  được nghĩ đến. Thời gian khảo sát và công suất của sóng âm cần được giữ ở mức thấp nhất mà vẫn đạt được thông tin cho chẩn đoán và hạn chế chỉ định các khám nghiệm y khoa không cần thiết, nhất là với mục đích giải trí đơn thuần.

Giáo dục

Việc giáo dục người sử dụng máy siêu âm là quan trọng nhất, vì họ chịu trách nhiệm cho việc sử dụng an toàn máy siêu âm nay được chia sẻ giữa người sử dụng và nhà sản xuất máy, bảo đảm sự chính xác của công suất máy thể hiện trên màn hình.

ISUOG-Tuyên bố về việc sử dụng siêu âm không nhằm mục đích Y khoa (2009) (3):

Hội siêu âm sản – phụ khoa quốc tế (ISUOG) và Hội siêu âm và sinh học thế giới (World Federation of Ultrasound in Medicine and Biology - WFUMB) không tán thành việc sử dụng siêu âm cho mục đích thương mại như làm hình lưu niệm của thai nhi. Không có báo cáo nào về tổn hại trên thai nhi trên 40 năm qua khi siêu âm được dùng và giám sát với mục đích y khoa. Tuy vậy, siêu âm là tiếp xúc với một dạng năng lượng, vì thế có nguy cơ tiềm tàng các hiệu ứng sinh học. Vài hiệu ứng này có thể, dưới một số tình huống nhất định, ảnh hưởng đến sự phát triển thai nhi. Vì thế, việc sử dụng siêu âm không được kiểm soát, không đem lại lợi ích y khoa cần phải được ngăn ngừa. Hơn nữa, siêu âm cần được sử dụng bởi các nhà chuyên môn được huấn luyện và cập nhật về ứng dụng lâm sàng và các hiệu ứng sinh học của siêu âm.  

Viện siêu âm trong Y khoa Mỹ (American Institute of Ultrasound in Medicine AIUM) (www.AIUM.org)

AIUM-Có thể đạt được với liều thấp nhất có thể - (As Low As Reasonably Achievable - ALARA) Nguyên tắc (2008) (4):

Lợi ích và nguy cơ tiềm tàng của mỗi khảo sát cần được xem xét. Nguyên tắc “có thể đạt được với liều thấp nhất có thể” (ALARA) cần được tôn trọng khi điều chỉnh công suất máy siêu âm.

Chi tiết hơn về ALARA có thể tìm thấy trong ấn phẩm của AIUM "An toàn siêu âm y khoa”. 

AIUM-Những kết luận đối với dịch tễ học cho Siêu âm Sản khoa (2010) (5):

Dựa trên các dữ kiện dịch tễ học đã có và những kiến thức ngày nay về tác động cơ học, sự chứng minh yếu ớt về mối liên quan giữa siêu âm chẩn đoán và những hiệu ứng không mong muốn trên con người. Vài nghiên cứu đã đề cập đến một số ảnh hưởng lên thai nhi như cân nặng thấp khi sinh, chậm biết nói, khó đọc khó viết, không thuận tay phải. Những nghiên cứu khác lại không mô tả những hậu quả như thế. Bằng chứng dịch tễ học được dựa trên những điều kiện tiếp xúc với sóng siêu âm trước năm 1992, năm mà giới hạn về công suất của sóng siêu âm được gia tăng đáng kể khi áp dụng trong siêu âm sản khoa. 

AIUM-Sử dụng thận trọng và An toàn lâm sàng (2012) (6):

Siêu âm chẩn đoán đã được sử dụng từ cuối những năm 1950s. Căn cứ vào những lợi ích của nó, những hiệu quả được thừa nhận cho chẩn đoán y khoa, bao gồm việc sử dụng cho thai nhi, Viện siêu âm trong Y khoa Mỹ đã phát biểu về tính an toàn lâm sàng khi sử dụng:

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.

Các hiệu ứng sinh học (như chảy máu phổi khu trú) đã được báo cáo ở loài có vú khi tiếp xúc sóng âm nhưng ý nghĩa lâm sàng của những hiệu ứng như thế chưa biết rõ. Siêu âm cần được sử dụng bởi những nhà chuyên môn để mang lại lợi ích Y khoa cho bệnh nhân. Sự tiếp xúc với sóng âm trong quá trình khảo sát cần phải tuân thủ nguyên tắc “có thể đạt được với liều thấp nhất có thể” (ALARA).

AIUM-Sử dụng thận trọng trong thai nghén (2012) (7):

AIUM khuyến nghị việc sử dụng có trách nhiệm trong siêu âm chẩn đoán và phản đối kịch liệt việc sử dụng không nhằm mục đích Y khoa, chỉ nhằm mục đích giải trí. Việc sử dụng siêu âm không có chỉ định để xem thai nhi, chụp hình thai nhi, hoặc xác định giới tính thai nhi là không thích đáng và trái ngược với thực hành y khoa có trách nhiệm. Siêu âm cần phải được sử dụng bởi những nhà chuyên môn có chất lượng để cung cấp lợi ích y khoa cho sản phụ.

AIUM-Tuyên bố về đo đạc tần số tim thai (2011) (8):

Khi muốn đo đạc tần số tim thai bằng máy siêu âm, AIUM khuyến cáo sử dụng M-mode trước tiên, vì công suất sóng âm thấp hơn ở M-mode so với sử dụng Doppler xung. Nếu sử dụng Mmode không thành công, ta có thể sử dụng Doppler xung với những hướng dẫn như sau: sử dụng trong thời gian rất ngắn (4-5 nhịp tim thai) giữ Chỉ số Nhiệt (cho mô mềm (TIS) cho quý I, cho xương (TIB) cho quý II và III) theo nguyên tắc “có thể đạt được với liều thấp nhất có thể” (ALARA).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

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. UOG: Volume 37, Issue 6, Date: June 2011, Page: 628

International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology official statement on Safety. UOG: Volume 21, Issue 1, Date: January 2003, Page: 100

International Society of Ultrasound in Obstetrics and Gynecology official statement on Non-Medical use of ultrasound.  UOG: Volume 33, Issue 5, Date: May 2009, Page: 617

American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on http://www.aium.org/officialStatements/39

American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on As Low As Reasonably Achievable principal; 2008. http://www.aium.org/officialStatements/16

American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Conclusions regarding epidemiology for obstetric ultrasound;    2010 http://www.aium.org/officialStatements/34

American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Prudent use in pregnancy; 2012. http://www.aium.org/officialStatements/33

American Institute of Ultrasound in Medicine official statement on Measurement of fetal heart rate; 2011. http://www.aium.org/officialStatements/43

Bệnh viện Nguyễn Tri Phương - Đa khoa Hạng I Thành phố Hồ Chí Minh

  facebook.com/BVNTP

  youtube.com/bvntp