SIÊU ÂM TRONG CHUẨN ĐOÁN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Bộ môn Công nghệ chuẩn đoán hình ảnh I Đề tài SIÊU ÂM TRONG CHUẨN ĐOÁN Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Hà Nội 1 2017 MỤC LỤC 4Chương 1 Sóng siêu âm 41 1 Tổng quan 41 2 Lịch sử phát triển 51 3 Sự truyền lan sóng siêu âm 61 4 Đặc điểm sóng siêu âm 71 5 Cường độ sóng 81 6 Tốc độ sóng 91 7 Sự suy giảm sóng siêu âm 121 8 Sự hấp thụ sóng siêu âm 13Chương 2 Đầu dò siêu âm 132 1 Giới thiệu 132 2 Hiệu ứng áp điện 142 3 Thiết kế đầu dò siêu.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Bộ môn: Công nghệ chuẩn đoán hình ảnh I

Đề tài:

SIÊU ÂM TRONG CHUẨN ĐOÁN

Giảng viên hướng dẫn:

MỤC LỤC

Các ứng dụng của siêu âm điều trị trong y học được chấp nhận và lợi ích của tác dụng siêu âm sinh học được sử dụng nhiều năm qua Cường độ siêu âm thấp khoảng 1 MHz được áp dụng rộng rãi kể từ thập niên 1950 cho vật lý trị liệu trong viêm gân và viêm bao hoạt dịch Trong thập niên 1980, sốc sóng biên độ áp lực cao

[high-pressure-amplitude shock waves] bắt đầu được dùng tán sỏi thận và "lithotripsy" nhanh chóng thay cho phẫu thuật và là lựa chọn điều trị thường xuyên nhất Sử dụng năng lượng siêu

âm trị liệu tiếp tục mở rộng, và các ứng dụng được chấp thuận hiện nay bao gồm uterine fibroid ablation, phacoemulsification, surgical tissue cutting và hemostasis, transdermal drug delivery, và bone fracture healing Tác động sinh học không mong muốn có thể xảy

ra, trong đó bỏng nhiệt do điều trị và xuất huyết nặng do điều trị cơ học (ví dụ như, tán sỏi) Trong tất cả các ứng dụng điều trị bằng tác động sinh học siêu âm, chuẩn hóa, định liều, bảo đảm lợi ích, và giảm thiểu nguy cơ tác dụng phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo lợi ích tối ưu về tỷ lệ rủi ro cho bệnh nhân Siêu âm điều trị thường có cũng xác định lợi ích và rủi ro và do đó vấn đề xử trí an toàn cần trình bày cho bác sĩ Tuy nhiên, thông tin an toàn có thể phân tán, khó hiểu, hoặc tùy thuộc vào xung đột lợi ích thương mại Tầm quan trọng tối thượng để xử trí các vấn đề này là giao tiếp thông tin an toàn thực hành của các nhóm có thẩm quyền, chẳng hạn American Institute of Ultrasound in

Medicine cho cộng đồng siêu âm y học 3

Chương 1 Sóng siêu âm 4

1.1Tổng quan 4

Chương 2 Đầu dò siêu âm 12

2.1 Giới thiệu 12

2.2 Hiệu ứng áp điện 12

2.3 Thiết kế đầu dò siêu âm 13

2.4 Tần số cộng hưởng của Tranducer 17

2.5 Bộ phận xử lý tín hiệu và thông tin 18

2.6 Các kiểu siêu âm 19

Kết luận 21

áp lực cao [high-pressure-amplitude shock waves] bắt đầu được dùng tán sỏi

thận và "lithotripsy" nhanh chóng thay cho phẫu thuật và là lựa chọn điều trị thường xuyên nhất Sử dụng năng lượng siêu âm trị liệu tiếp tục mở rộng, và các ứng dụng được chấp thuận hiện nay bao gồm uterine fibroid ablation, phacoemulsification, surgical tissue cutting và hemostasis, transdermal drug delivery, và bone fracture healing Tác động sinh học không mong muốn có thể xảy ra, trong đó bỏng nhiệt do điều trị và xuất huyết nặng do điều trị cơ học (ví dụ như, tán sỏi) Trong tất cả các ứng dụng điều trị bằng tác động sinh học siêu âm, chuẩn hóa, định liều, bảo đảm lợi ích, và giảm thiểu nguy cơ tác dụng phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo lợi ích tối ưu về tỷ lệ rủi ro cho bệnh nhân Siêu âm điều trị thường có cũng xác định lợi ích và rủi ro và

do đó vấn đề xử trí an toàn cần trình bày cho bác sĩ Tuy nhiên, thông tin an toàn có thể phân tán, khó hiểu, hoặc tùy thuộc vào xung đột lợi ích thương mại Tầm quan trọng tối thượng để xử trí các vấn đề này là giao tiếp thông tin

an toàn thực hành của các nhóm có thẩm quyền, chẳng hạn American Institute

of Ultrasound in Medicine cho cộng đồng siêu âm y học

Siêu âm không chỉ là môt phương pháp chuẩn đoán hình ảnh mà còn là một phương pháp điều trị mà trong đó năng lượng được gửi trong tế bào để tạo ra các tác dụng sinh học Ứng dụng của siêu âm cho việc điều trị bắt đầu được tìm ra từ những năm 1930 Những ứng dụng ban đầu cố gắng sử dụng cơ chế làm nóng mô

(tissue heating) cho các bệnh khác nhau Qua nhiều thập niên, với tiến bộ khoa học

kĩ thuật cho phép cải tiến phương pháp điều trị bệnh Meniere bằng cách hủy dây

thần kinh tiền đình (vestibular) và bệnh Parkinson bằng cách dùng siêu âm tập trung (focused US) để huỷ mô não khu trú Vào những năm 1970, siêu âm điều trị được

thành lập cho vật lý trị liệu và tiếp tục nghiên cứu với nhiều ứng dụng khó khăn hơntrong phẫu thuật thần kinh và ung thư Sau đó, siêu âm điều trị đã có những bước phát triển nhanh chóng, cùng một loạt các phương pháp đến nay vẫn còn sử dụng Các tác dụng mạnh của siêu âm điều trị cũng đem lại các rủi ro sinh học ngoài ý muốn, dẫn đến chấn thương nghiêm trọng, thậm chí đe dọa mạng sống bệnh nhân

Do đó, việc chuẩn hóa, định liều [dosimetry], bảo đảm lợi ích, và giảm thiểu nguy

cơ tác dụng phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo một kết quả tốt nhất cho bệnh nhân

Chương 1 Sóng siêu âm

1.1 Tổng quan

Siêu âm là kỹ thuật chuẩn đoán hình ảnh được đưa vào sử dụng trong lâm sàng

từ năm 1960 Kỹ thuật này dùng một đầu dò phát ra sóng âm thanh với tần số rất cao mà con người không nghe thấy được gọi là sóng siêu âm Chùm sóng này sẽ đi xuyên qua cơ thể người và truyền đến các cơ quan nội tạng bên trong Sau đó, một phần sóng âm này sẽ được phản ngược lại và thu tại đầu dò, đem tín hiệu về bộ phận xử lý (trong máy siêu âm) để cho ra hình ảnh thực về cơ quan đang được khảo sát Sóng siêu âm không hề gây tổn hại cho các cơ quan mà nó đi xuyên qua Do đó,siêu âm là một trong những phương tiện chuẩn đoán nhanh chóng, an toàn, không gây hại cho bệnh nhân và có chi phí thấp Vì vậy, đối với bác sĩ lâm sang siêu âm gần như là phương tiện chuẩn đoán được nghĩ đến đầu tiên

1.2 Lịch sử phát triển

Vào năm 1858, hai nhà vật lí người Pháp là Pierre Curie và Jacques Curie đã tìm ra hiệu ứng áp điện Nhà vật lí người Pháp sau đó là Paul Langerin đã phát triển vật chất áp điện, tạo ra máy tạo nhiễu cao tần (sóng siêu âm) thông qua vật chất áp điện Ứng dụng riêng của ông là dùng sóng siêu âm để phát hiện tàu ngầm trong chiến tranh thế giới lần thứ I

Ngành công nghiệp sử dụng sóng siêu âm bắt đầu từ những năm 1928 với sự khởi xướng của nhà vật lí người Xô – Viết là Sokolov, qua đó sóng siêu âm được dùng để phát hiện vết nứt ngầm trong kim loại

Sóng siêu âm được dùng trong ngành y tế vào những năm 1930, nó bị hạn chế

để ứng dụng trong việc hỗ trợ xử lí, điều trị ung thư, dùng trong các liệu pháp vật lí trị liệu cho nhiều đối tượng bệnh nhân khác nhau Ứng dụng chuẩn đoán của sóng siêu âm bắt đầu vào những năm 1940 bởi sự hợp tác giữa các nhà vật lí và các kĩ sư đầu ngành của công nghệ SONAR

1.3 Sự truyền lan sóng siêu âm

Chất lỏng là sự chuyển động không ngừng của nhiều phần tử tập hợp trong đó tạo ra Khi không có ngoại lực tác dụng vào môi trường, các phân tử phân bố khôngđồng đều Khi có lực tác dụng (lực đẩy của piston từ trái sang phải) các phân tử được nén lại, thể tích giảm, mật độ phân tử tăng ở mặt trước của piston, kết quả là tăng áp suất, khi vùng đó được tăng áp suất tới một giới hạn vùng đó gọi là vùng nén Do phía trước piston các phân tử bị dồn lại dẫn đến tăng mật độ Vùng được tăng mật độ trước khi piston di chuyển ra xa qua môi trường Vì vậy ngành cơ khí đưa sự hỗn loạn vào sự chuyển động môi trường qua môi trường bên trong theo mộthướng từ nguồn can thiệp

Trong ứng dụng khám và điều trị của siêu âm, piston được di chuyển bởi một thay đổi siêu âm ở vùng nén trước khi nó đổi hướng qua môi trường Piston có thể

đi từ phải sang trái để lập một vùng giảm áp suất trực tiếp (hoạt động này là tức thì, xảy ra ngay sau khi tạo ra vùng nén) Các phân tử xung quanh di chuyển vào vùng khác để phục hồi mật độ phân tử, được giới hạn là vùng loãng khí trước khi truyền

từ piston C

Nếu piston không đi về bên phải thì một sức ép thứ 2 của không khí được hình thành, theo không khí của vùng loãng khí thông qua Nếu piston dao động tiếp, vùng khí luân phiên thay đổi theo vùng sức ép và vùng loãng truyền thông qua vùng

ổn định Được minh họa ở hình (d)

Hình 1 Quá trình tạo dao động bằng PistonSóng mà có tần số dao động khoảng 20Hz – 20kHz là sóng âm, là sóng mà tai người có thể nghe thấy và cảm nhận Sóng hạ âm là sóng có tần số dưới 20Hz Sóngsiêu âm là sóng có tần số lớn hơn 20kHz Tai người không thể cảm nhận được sóng

hạ âm và siêu âm

Trong chuẩn đoán lâm sang sóng siêu âm dùng trong khoảng từ 1MHz đến 20MHz

Sóng dọc di chuyển trong môi trường không khí các phân tử ở rìa sóng chuyển động khác nhau Trở kháng tác động qua hiệu ứng Shearing là lí do các phân tử chuyển động theo phương của sóng Nhìn chung sóng dọc có ý nghĩa với môi trường rắn Sóng dọc được dùng trong siêu âm chuẩn đoán vì nó tác động tới các

mô sinh học, xương…

1.4 Đặc điểm sóng siêu âm

Một chu kì sóng có thể được biểu diễn bằng một đồ thị Độ dài một chu kì là bước sóng Số chu kì trong 1s là tần số của sóng Đơn vị Hz, kHz… Chiều cao tối

đa của một chu kì là biên độ

Hình 2 Đồ thị biểu diễn đặc điểm của sóngCông thức liên hệ giữa λ và v:

Ở mô mềm tốc độ sóng siêu âm là 1540 m/s với tần số 1MHz

Khi hai sóng gặp nhau sẽ tương tác với nhau gây nên hiện tượng giao thoa Nếucùng pha thì cộng hưởng, dẫn đến tăng biên độ Nếu ngược nhau thì triệt tiêu nhau

1.5 Cường độ sóng

Khi sóng siêu âm truyền trong môi trường nó mang theo năng lượng Năng lượng đó gọi là cường độ Siêu âm trong y tế là các phần nhỏ, luôn hội tụ trong vùng nhỏ, các phần được diễn tả bằng năng lượng trên một đơn vị diện tích, được định nghĩa là cường độ của tia Mối quan hệ giữa số lượng và đơn vị cường độ đượctổng hợp ở bảng dưới.

Cường độ luôn được diễn tả quan hệ với một vài cường độ tham chiếu Ví dụ cường độ sóng siêu âm qua cơ thể có thể so sánh với sóng phản xạ từ bề mặt của cấu trúc cơ thể Trong việc điều trị, sóng phản xạ từ bề mặt cơ thể chiếm 1% sóng tới, sóng phản xạ từ kết cấu có độ dày khoảng 10cm hoặc hơn dưới bề mặt

Một tỉ lệ logic thích hợp cho dữ liệu ghi chép của một vùng cường độ là tỉ lệ Decibel Được xác định:

dB = 10log

Io là sóng có cường độ để tham chiếu Ví dụ về giá trị dB cho một số trường hợp được tổng hợp ở bảng dưới

Một vài quy tắc khi tính giá trị dB

• dB dương khi một sóng có cường độ cao hơn sóng tham chiếu, âm với sóng có cường độ thấp hơn

• Tăng cường độ sóng một hệ số 10 thì cộng 10dB Giảm 10 lần cường độ thì cường độ giảm 10dB

Không có cường độ tham chiếu chuẩn cho siêu âm Không được nói là siêu âm

sử dụng 50dB, mà phải nói là chỉnh âm phản xạ 50dB thấp hơn sóng mang là mang

đủ thông tin Sóng mang trở thành sóng có cường độ tham chiếu trong các ứng dụngđặc biệt

Cường độ là năng lượng trên một đơn vị diện tích và là năng lượng trên đơn vị thời gian Khi so sánh sức ép giữa hai sóng có thể sử dụng tỉ lệ thuận Sức ép khôngthể biến đổi thành cường độ Để xác định độ lớn decibel một sóng siêu âm thì ta biến đổi biên độ sức ép từ bệnh nhân vào điện áp Biên độ của điện áp ghi lại cho sóng siêu âm là tỉ lệ thuận biến thiên trong sức ép của sóng phản xạ.

1.6 Tốc độ sóng

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà con người có thể nghethấy Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thường nó vào cỡ 20 MHz.Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi taingười (khoảng 20 Hz) là hạ âm

Siêu âm có thể truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ bằng tốc độ âm thanh Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi có tần số cao hơn, nên bước sóng của siêu âm ngắn hơn bước sóng của âm thanh Vì bước sóng ngắn, độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để nhận biết các vật thể ở kích thước cỡ centimet hoặc milimet Do đó siêu âm được ứng dụng trong chuẩn đoán hình ảnh y khoa (siêu âm

y khoa) [1] hoặc chụp ảnh bên trong những cấu trúc cơ khí Nhờ việc không bị nhậnbiết được bởi người, sóng siêu âm còn được dùng trong các ứng dụng khác, như để

đo khoảng cách hay vận tốc Ở các môi trường khác nhau thì siêu âm có vận tốc truyền khác nhau Siêu âm có tốc độ lan truyền lớn ở chất rắn và thấp khi ở chất khí

Hình 3 Vận tốc sóng trong một số môi trường

1.7 Sự suy giảm sóng siêu âm

Khi một chùm sóng siêu âm truyền vào một môi trường, năng lượng sẽ bị loại

bỏ khỏi chùm sóng bởi sự hấp thụ, tán xạ và phản xạ Quá trình này đã được biểu diễn trong hình 4 Cũng như với tia X, định nghĩa suy giảm đề cập tới bất kỳ cơ chế nào giúp loại bỏ năng lượng từ sóng siêu âm Sóng siêu âm bị hấp thụ bởi môi trường xung quanh nó

Sự tăng hoặc giảm giao thoa ảnh hưởng tới đặc tính lặp lại từ gương không phản xạ Bởi vì âm thanh được dội lại từ mọi hướng, nên có nhiều khả năng để sóngsiêu âm có thể đi theo nhiều con đường khác nhau Các đợt sóng quay trở lại máy biến đổi có thể tăng hoặc giảm giao thoa một cách ngẫu nhiên Kiểu giao thoa tăng giảm ngẫu nhiên này được gọi là “đốm” (giao thoa)

Hình 4 Quá trình tạo đốm giao thoa

Năng lượng biến đổi thành những dạng khác nhau nhờ sự gia tăng trong chuyểnđộng ngẫu nhiên của phân tử Sóng siêu âm phản xạ nếu như có một sự thay đổi hướng có trật tự của toàn bộ hoặc một phần của chùm tia Nếu một phần của chùm

tia thay đổi hướng theo một cách không trật tự, trường hợp này thường được gọi là

Nếu kích thước của vật cản xấp xỉ hoặc nhỏ hơn so với bước sóng của sóng siêu âm, vật cản sẽ tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Một số năng lượng sóng siêu âm có thể sẽ quay lại với nguyên trạng của nó sau khi tán xạ, nhưng có thể không khi nhiều lần tán xạ diễn ra

Trong hình ảnh của sóng siêu âm, phản xạ gương cho phép mường tượng về ranh giới giữa các môi trường

Hình 5 Tương tác của sóng khi gặp môi trường

Hình 6 Sự suy giảm sóng siêu âm trong môi trường

1.8 Sự hấp thụ sóng siêu âm

Trong quá trình sóng siêu âm đi qua các cơ quan của cơ thể, năng lượng của nó giảm dần, do một phần năng lượng đã bị phản xạ trở lại, một phần tương tác với môi trường biến đổi thành nhiệt năng và gây thay đổi cấu trúc của môi trường Nếu

ta gọi P(d) là biên độ áp âm ở vị trí d, P(0) là biên độ áp âm ban đầu thì:

P(d) = P(0) E-α.f.d

α: Hệ số suy giảm siêu âm

f : tần số sóng siêu âm

d : khoảng cách đo so với ban đầu

Theo phương trình trên ta thấy sự suy giảm của sóng siêu âm tỷ lệ thuận với khoảng cách thăm dò, hệ số hấp phụ siêu âm của cơ quan và tần số đầu dò Đây là một khó khăn cho việc phát triển kỹ thuật siêu âm vì với tần số cao hình ảnh sẽ có

độ nét cao, nhưng độ đâm sâu kém nên không thể thăm dò được các vị trí xa đầu

dò

Từ đây chúng ta có khái niệm khoảng cách giảm năng lượng một nửa, là khoảngcách mà chùm tia siêu âm đi được nhưng năng lượng đã bị giảm đi một nửa so với ban đầu, ví dụ khoảng cách này đối với không khí là 0,08cm; xương 0,2-0,7cm; mô mềm 5-7cm; máu 15cm Chính vì vậy những cơ quan trong cơ thể có chứa hơi nhưphổi, ruột gây cản trở nhiều cho việc siêu âm Mặt khác do hiện tượng suy giảm năng lượng siêu âm theo độ đâm sâu của chùm tia siêu âm , nên về mặt kỹ thuật cácmáy siêu âm đều có chế độ “bù gain theo chiều sâu”(Time Gain Compensation- TGC ), chế độ này nhằm tăng cường độ sáng của những phần xa đầu dò để tạo hình ảnh đồng nhất về độ hồi âm trên toàn bộ trường nhìn của màn hình, giúp người

kiểm tra siêu âm tránh được những nhận định sai lầm do kỹ thuật, đảm bảo kết quả chính xác.

Một phần năng lượng này sẽ tạo thành nhiệt, có tác dụng làm nóng tổ chức mà

nó đi qua, tuy nhiên do công suất phát của các máy siêu âm chuẩn đoán rất thấp nênhiện tượng tăng nhiệt độ tại chỗ rất nhỏ, không đáng kể và không thể đo được ( điềunày thấy rõ hơn nhiều với các máy siêu âm điều trị sử dụng trong khoa vật lý trị liệuphục hồi chức năng do sử dụng công suất lớn hơn)

Chương 2 Đầu dò siêu âm

2.1 Giới thiệu

Transducer là bộ phận biến đổi năng lượng này (ở đầu vào) thành năng lượng khác ( ở đầu ra )

Thành phần quan trọng nhất của đầu dò siêu âm là các tinh thể áp điện

Hiện tượng áp điện xảy ra như sau: khi áp vào vật liệu áp điện một trường điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì

nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định

Chất áp điện biến đổi trực tiếp năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Một vật được cấu tạo bởi 3 thành phần PZT (chì Pb, zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện (VD: thạch anh)

2.2 Hiệu ứng áp điện.

Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học

gần giống gốm (ceramic) và nó có hiệu ứng thuận nghịch: khi áp vào nó một trường

điện thì nó biến đổi hình dạng, và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì

nó tạo ra điện tích trên bề mặt xác định

Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học

và ngược lại Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì

sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh

ra công biến dạng làm biến đổi lực Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT (chì Pb,zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện (VD: thạch anh)