Hệ thống siêu âm – Nhìn thấy những điều vô hình bằng sóng âm

Công nghệ siêu âm hiện đại đã cách mạng hóa hình ảnh y học, từ những hình ảnh giải phẫu tĩnh sang những đánh giá chức năng động, tất cả đều không sử dụng bức xạ ion hóa. Bài viết này sẽ khám phá vật lý, ứng dụng lâm sàng và những đổi mới tiên tiến trong siêu âm chẩn đoán.

Nguyên lý vật lý
Siêu âm y tế hoạt động ở tần số 2-18MHz. Hiệu ứng áp điện chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học trong đầu dò. Bù trừ khuếch đại theo thời gian (TGC) điều chỉnh sự suy giảm phụ thuộc vào độ sâu (0,5-1 dB/cm/MHz). Độ phân giải theo trục phụ thuộc vào bước sóng (λ = c/f), trong khi độ phân giải theo chiều ngang liên quan đến độ rộng chùm tia.

Dòng thời gian tiến hóa

• 1942: Ứng dụng y học đầu tiên của Karl Dussik (chụp ảnh não)
• 1958: Ian Donald phát triển siêu âm sản khoa
• 1976: Bộ chuyển đổi quét tương tự cho phép tạo ảnh thang độ xám.
• 1983: Kỹ thuật Doppler màu được Namekawa và Kasai giới thiệu.
• 2012: FDA phê duyệt các thiết bị bỏ túi đầu tiên.

Các phương thức lâm sàng

1. Chế độ B
   Công nghệ chụp ảnh thang độ xám cơ bản với độ phân giải không gian xuống đến 0,1mm.
2. Kỹ thuật Doppler

• Siêu âm Doppler màu: Bản đồ vận tốc (giới hạn Nyquist 0,5-2 m/s)
• Siêu âm Doppler năng lượng: Độ nhạy cao hơn 3-5 lần đối với dòng chảy chậm
• Siêu âm Doppler phổ: Định lượng mức độ nghiêm trọng của hẹp động mạch (tỷ lệ PSV >2 cho thấy hẹp động mạch cảnh >50%)

3. Kỹ thuật nâng cao

• Siêu âm đàn hồi (Độ cứng gan >7,1kPa cho thấy xơ gan độ 2)
• Siêu âm tăng cường độ tương phản (bong bóng siêu nhỏ SonoVue)
• Chụp ảnh 3D/4D (Voluson E10 đạt độ phân giải voxel 0,3mm)

Ứng dụng mới nổi

• Siêu âm hội tụ (FUS)
  • Điều trị bằng phương pháp đốt nhiệt (tỷ lệ sống sót 3 năm là 85% đối với chứng run vô căn)
  • Mở hàng rào máu não để điều trị bệnh Alzheimer
• Siêu âm tại chỗ (POCUS)
  • Xét nghiệm FAST (độ nhạy 98% đối với xuất huyết ổ bụng)
  • Hình ảnh siêu âm phổi dạng đường B (độ chính xác 93% trong chẩn đoán phù phổi)

Những bước tiến đột phá trong đổi mới

1. Công nghệ CMUT
   Các đầu dò siêu âm vi cơ điện dung cho phép băng thông cực rộng (3-18MHz) với băng thông tương đối 40%.
2. Tích hợp AI

• Samsung S-Shearwave cung cấp các phép đo độ đàn hồi được hướng dẫn bởi trí tuệ nhân tạo.
• Tính toán EF tự động cho thấy hệ số tương quan 0,92 với MRI tim.

3. Cuộc cách mạng thiết bị cầm tay
   Butterfly iQ+ sử dụng 9000 phần tử MEMS trong thiết kế chip đơn, chỉ nặng 205g.
4. Ứng dụng trị liệu
   Histotripsy loại bỏ khối u không xâm lấn bằng cách tạo bọt khí âm thanh (thử nghiệm lâm sàng đối với ung thư gan).

Thách thức kỹ thuật

• Điều chỉnh sai lệch pha ở bệnh nhân béo phì
• Độ xuyên thấu hạn chế (15cm ở tần số 3MHz)
• Thuật toán giảm nhiễu đốm
• Những rào cản về mặt pháp lý đối với hệ thống chẩn đoán dựa trên trí tuệ nhân tạo

Thị trường siêu âm toàn cầu (8,5 tỷ đô la vào năm 2023) đang được định hình lại bởi các hệ thống di động, hiện chiếm 35% doanh thu. Với các công nghệ mới nổi như hình ảnh siêu phân giải (hiển thị các mạch máu 50μm) và kỹ thuật dựng hình thần kinh, siêu âm tiếp tục định nghĩa lại ranh giới của chẩn đoán không xâm lấn.