ทำความเข้าใจคุณสมบัติของคลื่นอัลตราซาวด์ ผลทางความร้อนและกลไก พร้อมแนวทางการใช้งานอย่างถูกต้องในทางคลินิก
Therapeutic Ultrasound หรืออัลตราซาวด์เพื่อการบำบัดเป็น modality ที่มีความซับซ้อนทางฟิสิกส์สูงที่สุดชนิดหนึ่งในกลุ่ม therapeutic modalities ทางกายภาพบำบัด โดยอาศัยพลังงานเสียงที่มีความถี่สูงกว่าที่หูมนุษย์รับได้ (>20,000 Hz) ในการก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาในเนื้อเยื่อเป้าหมาย ทั้งผ่านกลไกความร้อน (thermal effects) และกลไกเชิงกล (mechanical effects) ทำให้มีคุณสมบัติการรักษาที่หลากหลายกว่า superficial heating เช่น hot pack หรือ paraffin wax
การใช้ therapeutic ultrasound อย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยความเข้าใจในคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของคลื่นอัลตราซาวด์อย่างลึกซึ้ง ทั้งในแง่ของความถี่ โหมดการทำงาน และความเข้มของพลังงาน ซึ่งล้วนส่งผลต่อความลึก รูปแบบ และขนาดของผลทางสรีรวิทยาที่เกิดขึ้นในเนื้อเยื่อ บทความนี้จะพาผู้อ่านทำความเข้าใจ therapeutic ultrasound อย่างครบถ้วน ตั้งแต่หลักการทางฟิสิกส์ ปฏิสัมพันธ์กับเนื้อเยื่อ ผลทางสรีรวิทยา ไปจนถึงเทคนิคการประยุกต์ใช้และ phonophoresis
หลักการทางฟิสิกส์ของพลังงานเสียงอัลตราซาวด์
การผลิตคลื่นอัลตราซาวด์: Piezoelectric Effect
คลื่นอัลตราซาวด์ที่ใช้ในทางการแพทย์และกายภาพบำบัดถูกผลิตขึ้นโดยอาศัยหลักการ piezoelectric effect ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อผลึกวัสดุบางชนิด เช่น lead zirconate titanate (PZT) ถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าสลับ (alternating current) วัสดุดังกล่าวจะเกิดการหดและขยายตัวตามจังหวะของกระแสไฟฟ้า ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนทางกลที่ส่งออกมาเป็นคลื่นอัลตราซาวด์ ความถี่ของคลื่นที่ผลิตขึ้นขึ้นอยู่กับความหนาของผลึกและลักษณะของกระแสไฟฟ้าที่ใช้กระตุ้น ส่วนหัวอัลตราซาวด์ (transducer head) ที่ใช้ในทางคลินิกมักมีความถี่ 1 MHz หรือ 3 MHz
พารามิเตอร์หลักของคลื่นอัลตราซาวด์
การเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสมเป็นปัจจัยชี้ขาดประสิทธิภาพของ therapeutic ultrasound ตารางด้านล่างสรุปพารามิเตอร์สำคัญและนัยทางคลินิก
|
พารามิเตอร์ |
ค่า |
นัยทางคลินิก |
|
ความถี่ (Frequency) |
1 MHz |
ความลึก 3-5 ซม. เหมาะกับเนื้อเยื่อลึก เช่น กล้ามเนื้อ สะโพก |
|
ความถี่ (Frequency) |
3 MHz |
ความลึก 1-2 ซม. เหมาะกับเนื้อเยื่อตื้น เช่น เอ็น พังผืดที่ผิว |
|
โหมดการทำงาน (Mode) |
Continuous |
ให้พลังงานต่อเนื่อง เน้นผลความร้อน (thermal effects) |
|
โหมดการทำงาน (Mode) |
Pulsed |
ให้พลังงานเป็นช่วง ๆ ลดความร้อน เน้นผลกลไก (mechanical effects) |
|
ความเข้มของพลังงาน (Intensity) |
0.5-1.0 W/cm² |
ระดับต่ำ เหมาะกับระยะเฉียบพลัน/กึ่งเฉียบพลัน |
|
ความเข้มของพลังงาน (Intensity) |
1.0-2.0 W/cm² |
ระดับกลาง-สูง เหมาะกับระยะเรื้อรังหรือต้องการผลความร้อน |
|
ความเข้าใจที่สำคัญเกี่ยวกับ Duty Cycle ใน Pulsed Mode • Duty cycle คือสัดส่วนของเวลาที่เครื่องส่งพลังงานจริงต่อเวลาทั้งหมด เช่น duty cycle 20% หมายถึงเครื่องส่งพลังงาน 2 ms หยุด 8 ms ในทุกช่วง 10 ms • Pulsed ultrasound ที่ duty cycle ต่ำจะลดการสะสมความร้อนในเนื้อเยื่อ เหมาะสำหรับการใช้ในระยะที่ต้องการผลกลไกมากกว่าผลความร้อน • Spatial Average Temporal Average Intensity (SATA) เป็นค่าที่นิยมใช้ระบุความเข้มพลังงานจริงใน pulsed mode โดยคำนวณจาก SATP คูณด้วย duty cycle |
ปฏิสัมพันธ์ของคลื่นอัลตราซาวด์กับเนื้อเยื่อร่างกาย
เมื่อคลื่นอัลตราซาวด์เดินทางผ่านเนื้อเยื่อต่างๆ ของร่างกาย ความเข้มของพลังงานจะลดลงเรื่อยๆ (attenuation) ผ่านกลไกสองทางหลัก คือการดูดซับพลังงาน (absorption) ซึ่งพลังงานเสียงถูกเปลี่ยนเป็นความร้อน และการกระเจิง/การสะท้อนของคลื่น (scattering/reflection) ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นพบรอยต่อระหว่างเนื้อเยื่อที่มีคุณสมบัติอะคูสติกแตกต่างกัน
ปัจจัยที่มีผลต่อการดูดซับพลังงานในเนื้อเยื่อ
เนื้อเยื่อที่มีโปรตีนสูง โดยเฉพาะ collagen ดูดซับพลังงานอัลตราซาวด์ได้สูงกว่าเนื้อเยื่อที่มีน้ำหรือไขมันเป็นองค์ประกอบหลัก นอกจากนี้ความถี่ที่สูงขึ้น (3 MHz) จะถูกดูดซับได้เร็วกว่า จึงทำให้ depth of penetration ลดลงเมื่อเทียบกับ 1 MHz ตารางด้านล่างแสดงระดับการดูดซับของเนื้อเยื่อต่างๆ
|
ชนิดเนื้อเยื่อ |
ระดับการดูดซับ |
นัยทางคลินิก |
|
เลือด / น้ำ |
ต่ำมาก |
ดูดซับพลังงานน้อย คลื่นผ่านได้ดี |
|
ไขมัน |
ต่ำ |
ดูดซับค่อนข้างน้อย |
|
กล้ามเนื้อ |
ปานกลาง |
ดูดซับพลังงานได้ดี เป็นเป้าหมายทางคลินิกหลัก |
|
เอ็น / พังผืด |
สูง |
ดูดซับพลังงานสูงมาก เพราะมี collagen หนาแน่น |
|
กระดูก |
สูงมาก |
ดูดซับเกือบทั้งหมด ระวังความร้อนสะสมที่เยื่อหุ้มกระดูก (periosteum) |
ผลทางสรีรวิทยา: Thermal Effects และ Mechanical Effects
ผลทางสรีรวิทยาของ therapeutic ultrasound แบ่งออกเป็นสองกลุ่มหลักที่แตกต่างกันทั้งในแง่กลไกและบริบทการนำไปใช้ทางคลินิก
1. ผลทางความร้อน (Thermal Effects)
เมื่อพลังงานอัลตราซาวด์ถูกดูดซับโดยเนื้อเยื่อ พลังงานจะถูกเปลี่ยนรูปเป็นความร้อน ทำให้อุณหภูมิเนื้อเยื่อในบริเวณนั้นสูงขึ้น ผลทางความร้อนนี้เด่นชัดที่สุดเมื่อใช้ continuous mode ที่ intensity สูง และจะเกิดขึ้นมากในเนื้อเยื่อที่ดูดซับพลังงานสูง เช่น เอ็นและพังผืด ผลทางความร้อนมีประโยชน์คล้ายกับ superficial heating แต่ลึกกว่ามาก เช่น เพิ่มความยืดหยุ่นของเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เพิ่มการไหลเวียนเลือด และลดความเจ็บปวด อย่างไรก็ตามข้อดีที่โดดเด่นกว่า hot pack คือสามารถให้ความร้อนได้ถึงเนื้อเยื่อลึก เช่น เอ็นร้อยหวาย แคปซูลข้อสะโพก หรือกล้ามเนื้อชั้นลึก
2. ผลทางกลไก (Mechanical Effects): Acoustic Cavitation และ Acoustic Streaming
ผลทางกลไกเป็นคุณสมบัติเฉพาะของ ultrasound ที่ไม่พบใน thermotherapy ชนิดอื่น เกิดขึ้นจากการสั่นสะเทือนทางกลของคลื่นอัลตราซาวด์ที่กระทำต่อเนื้อเยื่อโดยตรง โดยแบ่งเป็นสองปรากฏการณ์หลัก ได้แก่ acoustic cavitation ซึ่งเป็นการก่อตัวและการสั่นสะเทือนของฟองก๊าซขนาดจิ๋วในสภาพแวดล้อมของเหลวภายในเนื้อเยื่อ โดย stable cavitation (ฟองก๊าซสั่นโดยไม่แตก) ถือว่าปลอดภัยและเป็นประโยชน์ต่อการกระตุ้นกระบวนการซ่อมแซมเซลล์ และ acoustic streaming ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของของเหลวในเนื้อเยื่อตามแนวทิศทางของคลื่น ช่วยเพิ่มการแลกเปลี่ยนสารระหว่างเซลล์และสภาพแวดล้อมรอบข้าง กระตุ้นกระบวนการซ่อมแซมและการอักเสบในระยะที่เหมาะสม
|
Stable vs Transient Cavitation: ความสำคัญทางคลินิก • Stable cavitation — ฟองก๊าซสั่นสะเทือนอย่างสม่ำเสมอ ถือว่าปลอดภัยและเป็นประโยชน์ กระตุ้น cell membrane permeability และ cellular repair • Transient (inertial) cavitation — ฟองก๊าซขยายตัวอย่างรวดเร็วและแตกออกอย่างรุนแรง อาจก่อให้เกิดความเสียหายต่อเนื้อเยื่อ ป้องกันได้ด้วยการเลือก intensity ที่เหมาะสมและเคลื่อนหัวอัลตราซาวด์ตลอดเวลา • ความเสี่ยง transient cavitation เพิ่มขึ้นเมื่อใช้ intensity สูงและ/หรือหยุดหัวอัลตราซาวด์นิ่ง |
ผลของ Therapeutic Ultrasound ต่อเนื้อเยื่อเฉพาะและกระบวนการซ่อมแซม
นอกเหนือจากผลทางความร้อนและกลไกโดยรวมแล้ว therapeutic ultrasound ยังมีผลเฉพาะต่อเนื้อเยื่อแต่ละชนิดในแง่ของกระบวนการซ่อมแซมและฟื้นฟู ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญที่ทำให้ ultrasound ถูกใช้ในข้อบ่งชี้ที่หลากหลายกว่า modality ชนิดอื่นในกลุ่ม thermal
|
ชนิดเนื้อเยื่อ |
ผลและกลไกที่เกิดขึ้น |
|
เอ็นและพังผืด (Tendon/Ligament) |
เพิ่ม collagen synthesis, เพิ่มความแข็งแรงของแผลเป็นเอ็น, ช่วยปรับโครงสร้าง collagen ใน remodeling phase |
|
กล้ามเนื้อและรอยช้ำ (Muscle/Contusion) |
ลดระยะเวลาของ inflammatory phase, กระตุ้น satellite cell activity เพื่อการงอกใหม่ของเส้นใยกล้ามเนื้อ |
|
เส้นประสาทส่วนปลาย (Peripheral Nerve) |
กระตุ้น axonal sprouting และเร่งกระบวนการ remyelination หลังการบาดเจ็บ |
|
กระดูกอ่อนข้อต่อ (Articular Cartilage) |
กระตุ้น chondrocyte activity ในการสร้าง proteoglycan ช่วยในการซ่อมแซมกระดูกอ่อน |
|
แผลผิวหนัง (Wound Healing) |
กระตุ้น fibroblast proliferation, เพิ่ม angiogenesis, ลดการอักเสบเรื้อรัง |
|
กระดูก (Fracture Healing) |
Low-intensity pulsed US (LIPUS) ช่วยกระตุ้น osteoblast และเร่งการรวมตัวของกระดูก |
ผลต่อความปวดและการไหลเวียนเลือด
Therapeutic ultrasound ช่วยลดปวดผ่านหลายกลไก ได้แก่ การลดความไวของ nociceptor จากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเฉพาะที่ การลดอาการเกร็งของกล้ามเนื้อ และการลดการสะสมของสารที่ก่อให้เกิดความเจ็บปวด ในแง่ของระบบไหลเวียนเลือด continuous ultrasound กระตุ้นให้เกิด vasodilation ผ่านทั้งผลความร้อนและ mast cell degranulation ซึ่งปล่อย histamine ทำให้การไหลเวียนเลือดเพิ่มขึ้นและนำออกซิเจนรวมถึงสารอาหารมาสู่เนื้อเยื่อมากขึ้น
ข้อบ่งชี้ ข้อห้ามใช้ และข้อควรระวัง
ข้อบ่งชี้ทางคลินิก (Indications)
Therapeutic ultrasound มีข้อบ่งชี้ที่หลากหลาย ครอบคลุมทั้งภาวะของเนื้อเยื่อเกี่ยวพันและกระบวนการซ่อมแซม ได้แก่ ภาวะเอ็นอักเสบเรื้อรัง (tendinopathy) เช่น เอ็นร้อยหวาย เอ็นหัวไหล่ เอ็นกล้ามเนื้อสะโพก ข้อติดหรือพิสัยการเคลื่อนไหวจำกัดจากความตึงของแคปซูลข้อต่อและพังผืด การบาดเจ็บของเอ็นและกล้ามเนื้อในระยะกึ่งเฉียบพลันถึงเรื้อรัง กลุ่มอาการปวดกล้ามเนื้อ (myofascial pain syndrome) และการใช้เป็น deep heating ก่อนการยืดกล้ามเนื้อหรือการดัดข้อต่อในผู้ป่วยที่ต้องการความร้อนระดับลึก
|
ข้อห้ามใช้ (Contraindications) |
ข้อควรระวัง (Precautions) |
|
บริเวณที่มีเนื้องอกหรือมะเร็ง |
บริเวณที่มีการรับความรู้สึกบกพร่อง |
|
บริเวณที่มีการติดเชื้อเฉียบพลัน |
บริเวณกระดูกสันหลังหลังผ่าตัด laminectomy |
|
บริเวณที่มีเลือดออกเฉียบพลัน |
บริเวณที่มีภาวะโลหิตจาง thrombophlebitis |
|
บริเวณดวงตา อัณฑะ มดลูกที่ตั้งครรภ์ |
ผู้ป่วยที่ไม่สามารถรายงานความรู้สึกร้อนได้ |
|
บริเวณที่มี pacemaker ฝังอยู่ |
|
|
บริเวณที่มีกระดูกที่ยังไม่โตสมบูรณ์ (epiphyseal plate ในเด็ก) |
|
|
บริเวณที่มีการฝัง metal implant บางชนิด (ควรปรึกษาผู้เชี่ยวชาญ) |
|
เทคนิคการประยุกต์ใช้ Therapeutic Ultrasound
เคลื่อนหัวอัลตราซาวด์ตลอดเวลา
หลักการสำคัญที่สุดในการใช้ therapeutic ultrasound คือต้องเคลื่อนหัวอัลตราซาวด์ (transducer head) ตลอดเวลาในขณะที่เครื่องทำงาน ด้วยความเร็วประมาณ 2-4 เซนติเมตรต่อวินาที โดยทำการเคลื่อนเป็นวงกลมหรือทิศทางขึ้นลงอย่างต่อเนื่อง การหยุดนิ่งแม้เพียงชั่วขณะอาจทำให้พลังงานสะสมในบริเวณนั้นมากเกินไป ก่อให้เกิด transient cavitation หรือเนื้อเยื่อร้อนเกิน (overheating) ได้
การใช้สารตัวกลาง (Coupling Medium)
คลื่นอัลตราซาวด์ไม่สามารถเดินทางผ่านอากาศได้ จึงต้องใช้สารตัวกลาง (coupling medium) เพื่อกำจัดช่องว่างอากาศระหว่างหัวอัลตราซาวด์กับผิวหนัง วิธีที่ดีที่สุดและให้ประสิทธิภาพสูงสุดคือการทา coupling gel โดยตรงบนผิวหนังบริเวณที่รักษา (direct contact coupling) สำหรับบริเวณที่มีพื้นผิวไม่สม่ำเสมอหรือเจ็บปวดมากเกินกว่าจะสัมผัสโดยตรง เช่น ข้อนิ้วมือ ข้อเท้า สามารถใช้วิธีแช่น้ำ (water immersion) ได้ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการถ่ายเทพลังงานในวิธีนี้ต่ำกว่า direct contact
|
แนวทางการใช้ที่ถูกต้อง • ขนาดพื้นที่รักษาควรไม่เกิน 2-3 เท่าของ ERA (Effective Radiating Area) ของหัวอัลตราซาวด์ที่ใช้ • ระยะเวลาการรักษาทั่วไปอยู่ที่ 5-10 นาทีต่อบริเวณ ขึ้นอยู่กับขนาดพื้นที่และพารามิเตอร์ที่เลือก • ตรวจสอบความสมบูรณ์ของหัวอัลตราซาวด์ด้วยการจุ่มในน้ำและสังเกต cavitation ก่อนใช้งาน • ไม่ควรใช้ gel ที่มีส่วนผสมแอลกอฮอล์เป็น coupling medium เพราะจะรบกวนการส่งผ่านพลังงาน |
Phonophoresis: การนำส่งยาผ่านคลื่นอัลตราซาวด์
Phonophoresis หรือ sonophoresis คือการประยุกต์ใช้ therapeutic ultrasound เพื่อนำส่งยาหรือสารออกฤทธิ์เฉพาะที่ผ่านผิวหนัง (transdermal drug delivery) โดยอาศัยผลของ acoustic streaming และ cavitation ที่ช่วยเพิ่ม permeability ของผิวหนังชั่วคราว ทำให้ยาสามารถซึมผ่านชั้น stratum corneum ได้มากขึ้น ยาที่นิยมใช้ร่วมกับ phonophoresis ได้แก่ corticosteroids (เช่น hydrocortisone) และ NSAIDs โดยยาจะถูกนำมาผสมในรูปแบบ gel หรือ cream เพื่อใช้แทนหรือร่วมกับ coupling gel มาตรฐาน
อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของ phonophoresis ยังคงเป็นประเด็นที่มีการศึกษาวิจัยต่อเนื่อง หลักฐานทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันบ่งชี้ว่าปริมาณยาที่เข้าสู่เนื้อเยื่อด้วยวิธีนี้อาจมีขนาดจำกัด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของยา ความเข้มข้น พารามิเตอร์ของ ultrasound และ coupling medium ที่ใช้
บทสรุป
Therapeutic ultrasound เป็น modality ที่มีความซับซ้อนและมีศักยภาพทางคลินิกสูง การใช้อย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยการเลือกพารามิเตอร์ที่เหมาะสมทั้งความถี่ โหมดการทำงาน และความเข้มพลังงาน ตามบริบทของพยาธิสภาพและเป้าหมายการรักษาของผู้ป่วยแต่ละราย ความเข้าใจในกลไกทั้ง thermal effects และ mechanical effects เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับนักกายภาพบำบัดในการเลือกใช้ระหว่าง continuous mode ที่เน้นผลความร้อน หรือ pulsed mode ที่เน้นผลกลไกกระตุ้นการซ่อมแซม ทั้งนี้การเคลื่อนหัวอัลตราซาวด์ตลอดเวลาและการตรวจสอบข้อห้ามใช้ให้รัดกุมเป็นมาตรฐานความปลอดภัยที่ไม่ควรมองข้ามในทุกการรักษา
เอกสารอ้างอิง (References)
- Michlovitz, S. L. (2011). Modalities for Therapeutic Intervention (5th ed.). F.A. Davis Company.
- Cameron, M. H. (2018). Physical Agents in Rehabilitation: From Research to Practice (5th ed.). Elsevier.
- Bélanger, A. Y. (2015). Therapeutic Electrophysical Agents: Evidence Behind Practice (3rd ed.). Wolters Kluwer.
- Leighton, T. G. (2007). What is ultrasound? Progress in Biophysics and Molecular Biology, 93(1–3), 3–83.
- Robertson, V. J., & Baker, K. G. (2001). A review of therapeutic ultrasound: effectiveness studies. Physical Therapy, 81(7), 1339–1350.