Luận Văn Thạc Sĩ Vật Lý Kỹ Thuật: Ứng Dụng Sóng Xung Kích Trong Vật Lý Trị Liệu

Luận văn thạc sĩ vật lý kỹ thuật khám phá ứng dụng sóng xung kích trong vật lý trị liệu, mang lại hiệu quả điều trị cao và tiềm năng phát triển.

• Tác giả: Đỗ Khoa Bình
• Người hướng dẫn: Trần Hy Bình
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
• Đề tài: Ứng Dụng Sóng Xung Kích Trong Vật Lý Trị Liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Sóng xung kích và các công nghệ tạo ra sóng xung kích

Sóng xung kích là một dạng sóng cơ học đặc biệt, xuất hiện trong môi trường chất lưu khi có sự kiện mang tính bùng nổ. Đặc trưng của sóng xung kích bao gồm áp suất dương cao ở bề mặt sóng và khoảng giảm áp nhỏ ở đuôi sóng. Biên độ áp suất tăng nhanh trong vài nano giây, với tốc độ lan truyền lớn hơn tốc độ âm thanh. So sánh với sóng siêu âm, sóng xung kích có độ rộng xung hẹp hơn và khả năng truyền năng lượng xa hơn. Các công nghệ tạo ra sóng xung kích bao gồm nguyên lý điện thủy lực, điện từ trường, và tạo sóng áp lực xuyên tâm. Những công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng sóng xung kích vào vật lý trị liệu.

1.1. Định nghĩa và bản chất của sóng xung kích

Sóng xung kích được định nghĩa là mặt gián đoạn lan truyền trong môi trường chất lưu, gây ra sự thay đổi đột ngột các tham số khí động và nhiệt động. Đặc điểm nổi bật của sóng xung kích là áp suất đỉnh cao và độ rộng xung hẹp, giúp truyền năng lượng hiệu quả. Trong vật lý trị liệu, sóng xung kích được sử dụng để kích thích phản ứng sinh học trong cơ thể, hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng.

1.2. So sánh sóng xung kích và sóng siêu âm

Sóng xung kích và sóng siêu âm đều là sóng cơ học, nhưng chúng khác biệt về bản chất và ứng dụng. Sóng xung kích có tốc độ lan truyền lớn hơn tốc độ âm thanh và độ rộng xung hẹp, trong khi sóng siêu âm là sóng điều hòa với biên độ áp suất thay đổi theo hình sin. Sự khác biệt này làm cho sóng xung kích phù hợp hơn trong các phương pháp điều trị không xâm lấn.

II. Tác dụng của sóng xung kích lên cơ thể người

Sóng xung kích có tác động đáng kể lên cơ thể người, đặc biệt trong lĩnh vực vật lý trị liệu. Cơ chế truyền năng lượng của sóng xung kích vào cơ thể bao gồm các giai đoạn vật lý, hóa sinh và sinh học. Hiệu ứng sinh học của sóng xung kích bao gồm tạo bóng năng lượng, tạo vết nứt, và thay đổi tính thấm màng tế bào. Những hiệu ứng này hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng và điều trị các bệnh lý như viêm gân, tổn thương cơ, và gai xương.

2.1. Cơ chế truyền năng lượng của sóng xung kích

Sóng xung kích truyền năng lượng vào cơ thể thông qua các giai đoạn vật lý, hóa sinh và sinh học. Giai đoạn vật lý bao gồm tạo bóng năng lượng và tạo vết nứt trên mô. Giai đoạn hóa sinh liên quan đến sự thay đổi tính thấm màng tế bào, kích thích quá trình trao đổi chất. Giai đoạn sinh học bao gồm kích thích tái tạo mô và giảm đau.

2.2. Hiệu ứng sinh học của sóng xung kích

Hiệu ứng sinh học của sóng xung kích bao gồm tạo bóng năng lượng, tạo vết nứt, và thay đổi tính thấm màng tế bào. Những hiệu ứng này hỗ trợ quá trình phục hồi chức năng và điều trị các bệnh lý như viêm gân, tổn thương cơ, và gai xương. Sóng xung kích cũng có tác dụng giảm đau hiệu quả, nhờ vào cơ chế kích thích thần kinh.

III. Ứng dụng của sóng xung kích trong vật lý trị liệu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, sóng xung kích đã được ứng dụng trong vật lý trị liệu với các thiết bị hiện đại như BTL-5000 và MASTERPULS MP200. Các thông số cơ bản của sóng xung kích khi ứng dụng trong điều trị bao gồm áp suất, tần số, và độ sâu tác động. Các chỉ định điều trị bằng sóng xung kích bao gồm viêm gân vôi hóa, khuỷu tay tennis, và viêm cân gan chân. Kết quả điều trị cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm đau và phục hồi chức năng.

3.1. Thiết bị tạo sóng xung kích tại Việt Nam

Các thiết bị tạo sóng xung kích như BTL-5000 và MASTERPULS MP200 đã được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Những thiết bị này có khả năng tạo ra sóng xung kích với các thông số tối ưu, hỗ trợ hiệu quả trong điều trị các bệnh lý về cơ và xương khớp.

3.2. Kết quả điều trị bằng sóng xung kích

Kết quả điều trị bằng sóng xung kích tại Viện Vật lý Y Sinh học cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm đau và phục hồi chức năng. Các bệnh nhân điều trị bằng sóng xung kích đã cải thiện đáng kể tình trạng bệnh lý, đặc biệt là các bệnh viêm gân và thoái hóa khớp.

IV. Xây dựng bộ đo tín hiệu áp suất sóng xung kích

Việc xây dựng bộ đo tín hiệu áp suất sóng xung kích là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Bộ đo này giúp đánh giá chính xác các thông số của sóng xung kích, bao gồm áp suất và tần số. Các linh kiện được lựa chọn để xây dựng bộ đo bao gồm cảm biến áp suất, bộ xử lý trung tâm, và bộ hiển thị. Kết quả đo lường cho thấy hiệu quả của sóng xung kích trong việc tác động lên các mô cơ thể.

4.1. Mục đích và tiêu chí xây dựng bộ đo

Bộ đo tín hiệu áp suất sóng xung kích được xây dựng nhằm đánh giá chính xác các thông số của sóng xung kích, bao gồm áp suất và tần số. Tiêu chí xây dựng bộ đo bao gồm độ chính xác cao, khả năng hiển thị rõ ràng, và dễ dàng sử dụng.

4.2. Kết quả đo lường và đánh giá

Kết quả đo lường cho thấy hiệu quả của sóng xung kích trong việc tác động lên các mô cơ thể. Bộ đo tín hiệu áp suất đã cung cấp dữ liệu chính xác, hỗ trợ quá trình nghiên cứu và ứng dụng sóng xung kích trong vật lý trị liệu.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã khẳng định giá trị của sóng xung kích trong vật lý trị liệu, đặc biệt trong việc điều trị các bệnh lý về cơ và xương khớp. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động của sóng xung kích và ứng dụng rộng rãi hơn trong các kỹ thuật y học hiện đại.

5.1. Kết luận

Sóng xung kích là một phương pháp điều trị hiệu quả trong vật lý trị liệu, đặc biệt trong việc giảm đau và phục hồi chức năng. Nghiên cứu đã chỉ ra các hiệu ứng sinh học của sóng xung kích và ứng dụng thực tế tại Việt Nam.

5.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu sâu hơn về cơ chế tác động của sóng xung kích và ứng dụng rộng rãi hơn trong các kỹ thuật y học hiện đại. Việc cải tiến thiết bị và phương pháp điều trị sẽ nâng cao hiệu quả của sóng xung kích trong vật lý trị liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: SÓNG XUNG KÍCH VÀ CÁC CÔNG NGHỆ TẠO RA SÓNG XUNG KÍCH 1. Định nghĩa, bản chất của sóng xung kích Sóng xung kích là một mặt gián đoạn lan truyền trong các môi trường vật chất (thường gặp trong môi trường chất lưu như chất khí, chất lỏng, plasma,…) mà khi đi qua mặt truyền sóng, các tham số khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, entropy bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn [1]. 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). 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).

HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH 4 - 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) [2]. 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 [3]. So sánh sóng xung kích và sóng siêu âm Từ việc nghiên cứu bản chất sóng xung kích, có thể thấy rằng đây là một dạng sóng rất đặc biệt, khác hẳn với các sóng cơ học quen thuộc dùng trong vật lý trị liệu. Để thấy được sự khác biệt này, chúng ta so sánh sóng xung kích và sóng siêu âm – được tạo ra nhờ hiệu ứng áp điện nghịch khi đặt điện áp lên hai mặt của tinh thể thạch anh. Đồ thị áp suất sóng siêu âm [3] HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS.

TRẦN HY BÌNH 5 Sóng xung kích Sóng siêu âm Giống nhau Cùng là sóng cơ học lan truyền trong các môi trường chất lưu Là sóng xung, có độ rộng xung Là sóng điều hòa, có biên độ áp rất nhỏ. suất thay đổi theo hình sin. Khác nhau Tốc độ lan truyền lớn hơn tốc độ Tốc độ lan truyền bằng tốc độ âm thanh âm thanh 1. Các tham số cơ bản của sóng xung kích 1.

Áp suất Áp suất của sóng xung kích có giá trị bằng tỷ số giữa lực tác dụng của sóng xung kích vuông góc lên một mặt với diện tích của mặt đó, đơn vị đo áp suất là Pascal hay bar. Công thức tính áp suất: P = F/S Trong đó: P: áp suất F: lực tác động của sóng xung kích S: diện tích vùng tác động Áp suất của sóng xung kích có thể đo được khi sử dụng một cảm biến áp suất rất nhỏ, với điện dung cao và đáp ứng tần số rộng. Cảm biến thực hiện việc đo tại các vị trí khác nhau trong trường sóng xung kích. Đo áp suất tại các điểm trong trường sóng xung kích [3] HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS.

TRẦN HY BÌNH 6 Ở mỗi lần đo, đo được các tham số: áp suất đỉnh p+, sơ đồ áp suất tăng theo thời gian tr, độ rộng xung tw, pha giãn ra p-. Từ các giá trị đo được sẽ dựng lên biểu đồ minh họa cho sự phân bố áp suất sóng xung kích như hình 1. Phân bố áp suất trong trường sóng xung kích, trục x và z là hướng truyền của sóng, trục y là giá trị áp suất đỉnh p+ tương ứng trong trường sóng xung kích [3]. Mật độ năng lượng Mật độ năng lượng là năng lượng của sóng xung kích tác động lên một đơn vị diện tích, có đơn vị đo mJ/mm2 và được tính bằng công thức [3]: HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS.

TRẦN HY BÌNH 7 1 ED = 𝜌𝑐∫ 𝑝(𝑡 )𝑑𝑡 1. Các công nghệ tạo ra sóng xung kích Sóng xung kích xuất hiện hoàn toàn là mang bản chất vật lý sau khi xuất hiện một sự kiện mang tính bùng nổ, áp suất của nó có thể rất lớn đến mức phá hủy cả một tòa nhà. 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).

Nguyên lý điện thủy lực Khi kích hoạt bugi (điện cực) đặt trong bầu nước có hình elipsoid, sự tăng nhiệt độ làm cho nước bị giãn nở đột ngột, tạo thành sóng xung kích. Sóng xung kích tạo ra đập vào thành của bầu nước và nếu điện cực đặt ở tiêu điểm F1 của elipsoid thì sóng xung kích được hội tụ tại tiêu điểm F2 [4]. Phương pháp điện thủy lực tạo sóng xung kích [4] Nguyên lý điện từ trường HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH 8 Nguyên lý tạo sóng xung kích bằng điện từ trường giống với nguyên lý tạo âm thanh phát ra loa.

Cấu tạo của thiết bị gồm một nam châm làm bằng cuộn dây cuốn quanh lõi xelenoid, bên ngoài ống dây bao quanh bởi một màng dẫn kim loại, toàn bộ hệ thống được đặt trong một vật chứa hình parabolid quay, trên đó có gắn các gương phản xạ âm. Khi cho một dòng điện xung lớn chạy qua cuộn dây của nam châm tạo ra điện từ trường tác động vào màng dẫn sinh ra sóng xung kích. Sóng xung kích phát ra được hội tụ nhờ các gương đặt trên mặt parabolid xoay [4]. Phương pháp điện từ trường tạo sóng xung kích [4] Nguyên lý áp điện Vật liệu dùng để tạo sóng xung kích là gốm áp điện.

Khi đặt một xung điện lớn lên mặt gốm áp điện tạo nên sóng cơ học phát ra trên bề mặt gốm, đây chính là sóng xung kích. Khi đặt nhiều tinh thể gốm chồng lên nhau trên một hình cầu thì sóng cơ học do từng tinh thể gốm phát ra sẽ được tập trung lại tại một điểm. Phương pháp gốm áp điện tạo sóng xung kích [4] Nguyên lý tạo sóng áp lực xuyên tâm (sóng xung kích phân kỳ) HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH 9 Trong kỹ thuật này, một viên đạn được gia tốc mạnh bằng khí nén làm cho nó có động năng rất lớn tới đập vào đầu phát.

Bằng cách sử dụng môi trường truyền dẫn như gen hay dầu, xung động ở đầu phát được truyền vào trong mô dưới dạng sóng xung kích, từ đó lan tỏa theo hình cầu, gọi là sóng áp lực xuyên tâm. Phương pháp tạo sóng xung kích phân kỳ [5] 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. Sóng xung kích này thường được sử dụng trong vật lý trị liệu để tác động vào cơ, xương, khớp.

Trong bài luận văn này sẽ trình bày chi tiết về cơ chế tác động của sóng xung kích phân kỳ khi tác động vào cơ thể người. Sự khác biệt giữa sóng xung kích tập trung và sóng xung kích phân kỳ được thể hiện trong bảng sau [3]: 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 HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH 10 da Độ xuyên sâu tối đa 12 cm 3 cm trong cơ thể Kết luận chương 1: Chương 1 đã khảo sát bản chất vật lý của sóng xung kích là xung cơ học xuất hiện khi có sự kiện mang tính bùng nổ diễn ra, được đặc trưng bởi áp suất dương rất cao ở bề mặt sóng và khoảng giảm áp nhỏ ở đuôi sóng, năng lượng của sóng được truyền đi khoảng cách khá xa, với tốc độ lan truyền lớn hơn âm thanh. Điều này thực sự khác biệt với các sóng cơ học đã được sử dụng trong Vật lý trị liệu trước đây.

Với mục đích ứng dụng khác nhau mà công nghệ tạo ra sóng xung kích cũng khác nhau. Sóng xung kích tập trung được tạo ra bởi công nghệ điện thủy lực, công nghệ điện từ, công nghệ áp điện, với năng lượng rất cao dùng để phá hủy vật chất. Sóng xung kích phân kỳ được tạo ra bởi công nghệ khí nén và được ứng dụng trong Vật lý trị liệu. Cơ chế phá hủy vật chất của sóng xung kích tập trung đã được nghiên cứu và phát triển rộng rãi trong y tế, thế nhưng, cơ chế điều trị của sóng xung kích phân kỳ vẫn còn khá mới mẻ, điều này sẽ được làm rõ hơn ở chương 2.

HVTH: ĐỖ KHOA BÌNH GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH 11 CHƯƠNG 2: TÁC DỤNG CỦA SÓNG XUNG KÍCH LÊN CƠ THỂ NGƯỜI 2. Lịch sử ứng dụng sóng xung kích trong y học Sóng xung kích được sử dụng trong y tế lần đầu tiên là trong lĩnh vực ngoại khoa. Ý tưởng sử dụng sóng xung kích với mục đích phá vỡ cấu trúc bên trong cơ thể như sỏi mật, sỏi thận từ bên ngoài không tiếp xúc trực tiếp với cơ thể được nảy sinh vào cuối những năm 60 [3].

Ý tưởng này được phát triển trong những năm 1970 chủ yếu ở Munchen do GS.TS Water Breudel, khoa tiết niệu trường Đại học Ludwig Maximillian và GS.TS Eghert Schmiedt, bệnh viện phẫu thuật thực nghiệm thành phố Grosshadern tiến hành trên các thiết bị của hãng Dornier. Tháng 2 năm 1980, ca phẫu thuật đầu tiên nghiền nát sỏi thận bằng công nghệ sóng xung kích HM1 của hãng Dornier thực hiện thành công. Đến năm 1982, thiết bị đã điều trị khoảng 200 bệnh nhân, chủ yếu về sỏi thận có đường kính dưới 1cm [7].