NGUYÊN LÝ VÀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM DOPPLER docx

• Lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động: Khi ngôi sao tiến lại gần quả đất thì ánh sáng của nó sẽ chuyển thành màu xanh tức là bước s

"People only see what they are prepared to see."

Ralph Waldo Emerson

NGUYÊN LÝ VÀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM

DOPPLER

BS NGUYỄN QUANG TRỌNG

(Update 29/08/2008)

KHOA CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH

25/10/2008 2

NỘI DUNG

• Hiệu ứng Doppler

• Các hệ thống Doppler

• Hiện tượng vượt ngưỡng

• Kỹ thuật siêu âm Doppler

• Phân tích phổ Doppler

• Kết luận

HIỆU ỨNG DOPPLER

• Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 bởi

Christian Johann Doppler (1803-1853)

• Lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch

màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động: Khi

ngôi sao tiến lại gần quả đất thì ánh sáng của nó sẽ

chuyển thành màu xanh (tức là bước sóng giảm và

tần số của sóng ánh sáng tăng lên) Ngược lại, khi

ngôi sao đi xa quả đất thì ánh sáng của nó chuyển

thành màu đỏ (tức là bước sóng tăng lên và tần số

giảm xuống)

25/10/2008 4

Định nghĩa: “Đó là sự thay đổi tần số của sóng khi có sự dịch chuyển tương quan giữa nguồn phát sóng và người quan sát, tần số sóng phản hồi tăng lên khi nguồn phát sóng và/hoặc người quan sát tiến lại gần nhau, tần số

này sẽ giảm xuống trong trường hợp ngược lại”.

• Một hình ảnh quen thuộc đó là khi ta nghe tiếng còi

xe cấp cứu ở xa với âm trầm (do tần số thấp), khi xe chạy lại gần thì ta nghe âm bỗng (do tần số cao)

• Hoặc là khi ta nghe tiếng tàu hỏa từ xa chạy lại rồi

chạy qua:

thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler xảy ra khi

chùm sóng siêu âm phát ra gặp các hồng cầu chuyển động trong mạch máu đang tiến lại gần đầu dò hoặc

đi xa đầu dò

• Sóng âm gồm có hai thành phần:

tần số (frequency) và biên độ

(amplitude).

• Tần số (f) sóng âm liên quan đến

độ dài bước sóng (wavelength) λ

theo công thức:

f = V(velocity) / λ (wavelength)

• Vận tốc sóng âm đi qua hầu hết

các mô trong cơ thể với vận tốc

1.540m/giây Do vậy khi thay đổi

độ dài bước sóng thì tần số sóng

âm cũng thay đổi.

• Biên độ biểu hiện cường độ của

sóng âm.

25/10/2008 8

• Sóng âm được truyền đi (transmitted-T) từ một đầu dò Doppler xung với một tần số hoặc bước sóng cố định Tần số của sóng âm sẽ không thay đổi nếu như các

cấu trúc mà nó gặp trên đường đi không chuyển động

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Chuyển động của các tế bào máu làm thay đổi tần số của sóng phản hồi trở về (reflected-R) đầu dò Nếu chuyển động của

dòng máu hướng về đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ tăng lên

và bước sóng ngắn lại Ngược lại, nếu dòng máu chuyển động

xa đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ giảm và độ dài bước sóng tăng.

- ∆F: tần số Doppler

- Fo: tần số của sóng phát đi.

- Fr: tần số của sóng phản hồi.

- v: vận tốc của dòng máu.

- c : tốc độ của sóng âm truyền trong cơ thể (#1540m/s).

- α: góc giữa chùm tia siêu âm và mạch máu.

25/10/2008 12

• Từ công thức trên ta rút ra:

- Tần số Doppler ∆ F tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy.

- ∆F có trị số lớn nhất khi chùm tia song song với dòng chảy

(cos α =1) Khi chùm tia vuông góc với dòng chảy thì sẽ không

có tín hiệu Doppler (cos α = 0).

- Với đầu dò phát với tần số 2-8MHz thì ∆F thu được nằm

trong phạm vi tần số mà tai người nghe được (50Hz-15KHz).

- Vận tốc dòng chảy được tính theo công thức:

W Schaberle Ultrasonography in Vascular Diseases p1-27 2005

25/10/2008 14

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

• Doppler liên tục (continuous wave-CW)

• Doppler xung (pulsed wave-PW)

• Duplex sonography

• Tín hiệu Doppler xung

• Doppler màu (color Doppler)

• Tín hiệu Doppler màu

• Doppler năng lượng (power Doppler)

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER LIÊN TỤC

• Doppler liên tục (continuous wave-CW) với đầu dò cóhai tinh thể, một có chức năng phát sóng liên tục vàmột có chức năng nhận sóng phản hồi liên tục

• Nhược điểm : Nó không ghi

được tốc độ tại 1 điểm xác

• Khi chùm sóng âm xuyên

qua hai mạch máu cạnh

nhau (hai động mạch hoặc

25/10/2008 18

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER XUNG

• Phát sóng dạng xung được dùng trong Doppler xung

(pulsed wave-PW) với đầu dò có một tinh thể vừa cóchức năng phát và nhận sóng phản hồi

W Schaberle Ultrasonography in Vascular Diseases p1-27 2005

• Sóng âm được phát đi

theo từng chuỗi xung

dọc theo hướng quét của

đầu dò, song chỉ những

xung phản hồi từ vị trí

đặt cửa sổ (gate, sample

volume) là được ghi

nhận và xử lý

25/10/2008 20

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DUPLEX SONOGRAPHY

• Sự kết hợp hình ảnh siêu âm hai chiều (cung cấp

thông tin về cấu trúc giải phẫu, vị trí đặt cửa sổ, góc

α) và Doppler xung (cung cấp thông tin về dòng

chảy) được gọi là Duplex sonography

25/10/2008 22

TÍN HIỆU DOPPLER XUNG

• Tín hiệu Doppler thu nhận được thể hiện dưới dạng

âm thanh, dạng phổ và hình ảnh

• Dưới dạng âm thanh, ta có thể phân biệt được dòng chảy êm dịu, liên tục của tĩnh mạch; dòng chảy phụt gọn, cách khoảng của động mạch; dòng chảy phụt kéo dài, thô ráp của động mạch bị hẹp

25/10/2008 24

• Ta phóng đại một phổ Doppler để phân tích:

– Hộp xanh chỉ một điểm thời gian trong chu kỳ tim.– Những hộp màu vàng biểu hiện độ lớn của các tần

số riêng biệt

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Vào một thời điểm xác định (hộp hồng) các tín hiệu Doppler có tần số khác nhau được biểu hiện bằng

những vị trí khác nhau trên phổ Doppler (các mũi tên)

25/10/2008 26

• Sự khác nhau về biên độ biểu hiện bằng độ sáng trên thang độ xám Với cùng một tần số, biên độ sóng càng cao thì phổ càng sáng

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Theo qui ước, khi dòng máu đi về phía đầu dò thì ta

có phổ dương (phía trên trục X); ngược lại, khi dòng máu đi xa đầu dò thì ta có phổ âm (phía dưới trục X)

25/10/2008 28

Tuy vậy, cần lưu ý rằng phổ Doppler có thể đảo ngược hoàn toàn nếu

ta ấn vào nút “invert” trên bàn phím máy siêu âm!

• Để hiểu được các dòng chảy ta cần phải phân biệt dòng chảy lớp (laminar flow) và dòng chảy cuộn xoáy (turbulent flow).

• Dòng chảy lớp thấy được ở các mạch máu có vách song song và nhẵn (smooth), nhờ vậy các hồng cầu ở cùng một vùng sẽ chuyển động với cùng một vận tốc và cùng hướng.

• Tuy vậy, do có sự ma sát với thành mạch, dòng chảy ở cạnh thành mạch luôn luôn hơi thấp hơn dòng chảy ở trung tâm.

• Phần lớn dòng chảy của hệ tim-mạch (bao gồm tim và các mạch máu lớn) là dòng chảy lớp và hiếm khi có vận tốc > 1,5m/s.

25/10/2008 30

• Dòng chảy cuộn xoáy (turbulent flow) xuất hiện khi có sự tắc nghẽn ngăn chặn dòng chảy lớp Điều này khiến cho các hồng cầu chuyển động hỗn loạn, không cùng hướng và tạo nên vô số dòng xoáy Nếu tắc nghẽn nặng, hồng cầu có thể chuyển động với vận tốc 7m/s.

-Dòng chảy lớp bình thường qua van ĐMC thì

tâm thu với vận tốc khá đồng đều.

-Dòng chảy cuộn xoáy qua van ĐMC thì tâm

trương với nhiều vận tốc khác nhau.

25/10/2008 32

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER MÀU (COLOR DOPPLER)

• Đó là tín hiệu Doppler xung được mã hóa màu sắc

phủ lên hình siêu âm hai chiều

• Nhưng trong khi ở Doppler xung chỉ có 1 vị trí đặt cửa sổ (gate), thì ở đây có rất nhiều vị trí đặt cửa sổ

ở kế cận nhau trên vùng khảo sát

• Thông tin Doppler thu nhận được từ mỗi vị trí đặt

cửa sổ được phân tích để xác định hướng dòng chảy

và tốc độ trung bình

• Những thông tin này được chuyển đổi thành tín hiệu màu chồng lên hình ảnh siêu âm hai chiều

25/10/2008 34

• Thông thường thì trên mỗi đường tạo ảnh có

khoảng 32 đến 128 vị trí lấy mẫu, do vậy để có

được thông tin chính xác, ta không nên để hộp màu (color box, sample volume) quá lớn

• Với đầu dò convex, ở vùng xa đầu dò, các vị trí lấy mẫu sẽ

thưa ra do sự phân kỳ của chùm tia siêu âm, do vậy sẽ có

những vị trí không có thông tin Doppler Để khắc phục hiện tượng này máy sẽ làm phép tính trung bình của 2 vị trí lấy mẫu cạnh nhau để tạo thông tin Doppler cho vùng khuyết chen

giữa.

25/10/2008 36

• Dòng chảy hướng về đầu dò được mã hóa màu đỏ; ngược lại, chạy xa đầu dò được mã hóa màu xanh.

Tuy vậy, cần lưu ý rằng màu sắc được mã hóa này có thể đảo ngược hoàn toàn nếu ta ấn vào nút “invert” trên bàn phím máy siêu âm!

25/10/2008 38

TÍN HIỆU DOPPLER MÀU

• Với dòng chảy lớp thì vận tốc khá đồng nhất, trong khi với dòng chảy cuộn xoáy thì có nhiều vận tốc và hướng chảy khác nhau; do đó nếu chỉ mã hóa hai màu xanh-đỏ thì sẽ bỏ sót thông tin mà tín hiệu Doppler đem lại Để khắc phục điều này người ta mã hóa thêm các màu thể hiện bằng sơ đồ dưới đây:

25/10/2008 40

• Vì Doppler màu chỉ sử dụng tần số trung bình, nó cóthể biểu hiện cả hướng (nhờ màu-color) và tần sốtrung bình (nhờ sắc màu-hue) của dòng chảy trong cùng một ô vuông (pixel)

Arthur Fleischer,M.D et al Color Power Doppler Ultrasound.1999.

25/10/2008 42

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER NĂNG LƯỢNG (POWER DOPPLER)

• Doppler màu đánh giá tốt sự hiện diện và chiều của dòng chảy, tuy vậy nó không thể đánh giá được các mạch máu nhỏ li ti (mao mạch) Do đó không thể đánh giá tốt sự tưới máu tại các mô

• Doppler năng lượng ra đời, chỉ khảo sát độ lớn của tín hiệu Doppler mà không quan tâm đến chiều của dòng chảy

• Với Doppler màu, trong hộp màu (color box, sample volume) hiện diện đồng thời các vector vận tốc ngược hướng nhau, do vậy giá trị trung bình của vận tốc sẽ nhỏ đi, thậm chí bị triệt tiêu.

• Với Doppler năng lượng thì hoàn toàn không phụthuộc vào các vector vận tốc, do vậy nó có độ nhạy cao hơn nhiều so với Doppler màu, đồng thời nócũng dễ có sảo ảnh do chuyển động

25/10/2008 44

• Khác với Doppler xung thể hiện tất cả các biên độ, Doppler năng lượng chỉ thể hiện biên độ trung bình (MEAN amplitude) và cho màu hồng trên hình thu được bất kể dòng máu đến hay đi xa đầu dò

Arthur Fleischer,M.D et al Color Power Doppler Ultrasound.1999.

• Với Doppler năng lượng, màu được mã hóa để biểu hiện có hay không có dòng chảy Nó không cho biết hướng của dòng chảy

+C: Tốc độ sóng siêu âm trong cơ thể.

+d: Chiều sâu của mạch máu

• Như vậy PRF là số lần mỗi giây mà chùm siêu âm đi-về giữa đầu dò và mạch máu

• PRF được tính bằng kHz

• Các tín hiệu Doppler xung chỉ thu nhận tốt khi có tần

số bằng hoặc thấp hơn PRF/2 Tần số giới hạn này

25/10/2008 48

Joseph A.Kisslo,MD Basic Echo-Doppler

Aliasing phổ Aliasing màu

25/10/2008 50

• Hiện tượng này được giải thích như sau: Ví như ta có 1 bánh

xe, trên bánh xe có đánh dấu 1 điểm Ta quay bánh xe theo

chiều kim đồng hồ với tốc độ ¼ vòng/giây.

• Nếu ta ghi nhận hình ảnh một lần mỗi giây (tương đương với tần số lập lại xung – PRF) thì điểm đánh dấu sẽ chuyển động

theo chiều kim đồng hồ, cách nhau 900

• Nếu ta ghi nhận hình ảnh với tần suất chậm hơn, chỉ một lần cho mỗi 3 giây (tương đương với tần số lập lại xung – PRF) thì sẽ có hiện tượng lạ xảy ra: Trong lúc bánh xe quay theo

chiều kim đồng hồ thì điểm đánh dấu lại chuyển động ngược

chiều kim đồng hồ, cách nhau 900

25/10/2008 52

KỸ THUẬT SIÊU ÂM DOPPLER

• Để có một kết quả siêu âm Doppler đáng tin cậy, các

BS làm siêu âm Doppler cần phải biết cách điều

chỉnh các nút chức năng của máy để cho ra kết quả

tốt nhất

• Ngoài ra, chất lượng của máy cũng là điểm đáng lưu

ý vì nó ảnh hưởng không ít đến kết quả siêu âm

• Tuy vậy, ta cần phải nắm vững kỹ thuật siêu âm

Doppler để cho ra kết quả tốt nhất

• Các kỹ thuật bao gồm:

– Kỹ thuật tránh hiện tượng vượt ngưỡng

– Điều chỉnh thang tốc độ màu

– Điều chỉnh độ lọc thành

– Điều chỉnh góc α

– Điều chỉnh kích thước và hướng cửa sổ

– Điều chỉnh kích thước và hướng của hộp màu

– Điều chỉnh gain phổ và gain màu

25/10/2008 54

KỸ THUẬT TRÁNH HIỆN TƯỢNG VƯỢT NGƯỠNG

1 Chuyển dịch đường nền lên trên hoặc xuống dưới tùy thuộc phổ thu được.

2 Tăng PRF: máy thu tín hiệu nhiều lần trên đường đi về của sóng âm.

3 Giảm ∆F bằng cách giảm tần số đầu dò (với đầu dò đa tần số), đổi đầu dò có tần số thấp hơn.

25/10/2008 56

25/10/2008 Jonathan B Kruskal, MD, PhD et al Optimizing Doppler and Color Flow US: Application to Hepatic 58

Sonography RadioGraphics 2004;24:657-675

Chỉnh color baseline để tránh

aliasing màu.

25/10/2008 60

PRF=3,731Hz

PRF=14,286Hz

25/10/2008 62

PRF = 06 kHz, di chuyển đường nền PRF = 04 kHz

25/10/2008 64

PRF quá cao: bỏ sót tín hiệu màu ở cạnh thành mạch PRF đúng

PRF quá thấp: Aliasing

25/10/2008 68

ĐIỀU CHỈNH THANG TỐC ĐỘ MÀU (color velocity scale):

- Nó không đồng nghĩa với PRF, nhưng PRF liên quan với thang tốc độ màu vì rằng tăng tốc độ màu cũng tăng PRF và ngược lại.

- Nếu thang tốc độ màu đặt dưới vận tốc trung bình của dòng

máu thì ta không thể phân biệt được đâu là dòng bình thường

đâu là dòng cuộn xoáy tốc độ cao.

- Nếu thang tốc độ màu đặt cao hơn vận tốc trung bình của dòng máu thì hiện tượng aliasing có thể biến mất, lúc đó ta sẽ bỏ sót chỗ hẹp

- Ở chỗ mạch máu gần tắc, tốc độ dòng máu có thể thấp hơn

thang tốc độ màu, tạo nên dương tính giả của tắc mạch Lúc này

ta cần giảm thang tốc độ màu xuống thật thấp (có máy có thể

giảm đến 3cm/s Nếu vẫn không thấy được dòng chảy thì cần

phải làm thêm CT, MRA có chích thuốc hoặc Angiography

trước khi kết luận tắc mạch hoàn toàn.

25/10/2008 70

Huyết khối tĩnh mạch cửa ?

(các đầu mũi tên)

Sau khi điều chỉnh thang tốc độ

màu từ 20cm/s xuống 7cm/s, ta

thấy xuất hiện phổ màu trong

lòng TMC (các đầu mũi tên)

Chỉnh thang tốc độ màu quá thấp (maximum velocity=08cm/s)

Paul L Allan et al Clinical Doppler Ultrasound 2 nd Edi 2006

25/10/2008 H.R.Tahmasebpour et al Sonographic Examination of the Carotid Arteries 76

Radiographics.2005;25:1561-1575.

Thang tốc độ màu thấp Æ thấy được dòng chảy hẹp, ngoằn ngoèo Æ Chẩn đoán chính xác là gần tắc chứ không phải là tắc hoàn toàn.

Thang tốc độ màu cao Æ bỏ sót

dòng chảy vận tốc thấp ?

25/10/2008 78

ĐIỀU CHỈNH ĐỘ LỌC THÀNH (wall filter):

- Khi độ lọc thành đặt quá cao, dòng chảy gần thành có tốc độ thấp

sẽ bị bỏ sót.

- Độ lọc thành có thể được biểu thị ở vùng giữa thang tốc độ màu.

- Trên máy, độ lọc thành có thể kết hợp cùng với PRF trên một nút chức năng (khi có cùng chung một nút chức năng, thì khi ta giảm PRF, độ lọc thành cũng tự động giảm theo và ngược lại)

- Ở các máy tốt hơn, ngoài nút chức năng PRF, độ lọc thành còn được điều chỉnh riêng biệt:

+Với các máy này, khi ta giảm PRF thì độ lọc thành cũng tự động giảm theo

+ Nhưng khi ta chọn điều chỉnh riêng độ lọc thành thì PRF

không bị ảnh hưởng.

Máy có nút chức năng chung cho PRF và độ lọc thành, ta xoay nút theo chiều

kim đồng hồ nếu muốn điều chỉnh tăng PRF và wall filter và ngược lại.

25/10/2008 80

Máy có nút chức năng PRF và nút chức năng riêng cho độ lọc thành

Máy đang hiển thị nút đo chức năng PRF, ta xoay nút theo chiều

kim đồng hồ nếu muốn điều chỉnh tăng PRF và ngược lại.

Điều chỉnh PRF từ 3.4kHz xuống 1,7kHz, vận tốc màu giảm từ 25cm/s xuống 12cm/s, đồng thời độ lọc thành cũng giảm từ 262Hz xuống còn 135Hz.

Phổ hẹp van ĐMC, wall filter được điều chỉnh (mũi tên) để loại bỏ các tín hiệu có vận tốc thấp.

25/10/2008 84

Điều chỉnh độ lọc thành (wall filter) từ 790Hz xuống 262Hz,

PRF và vận tốc màu không thay đổi.

25/10/2008 86

Phổ đảo dòng ở TMC do tăng áp lực TMC Huyết khối TMC (các

mũi tên) ?

Giảm vận tốc màu, giảm độ lọc thành xuống thấp Æ xuất hiện dòng chảy trong TMC Æ không

có huyết khối.

ĐIỀU CHỈNH GÓC α

Để tính chính xác vận tốc dòng chảy thì góc α luôn luôn < 60 0

(độ sai số chấp nhận được).

25/10/2008 88

• Hình dưới đây minh họa tầm quan trọng của việc lấy góc α:

– Được biết vận tốc thực sự của dòng máu qua van ĐMC là 2m/s.

– Khi góc α = 10 0 , vận tốc đo được là 1,97m/s.

– Khi góc α = 30 0 , vận tốc đo được là 1,73m/s.

– Khi góc α = 60 0 , vận tốc đo được là 1,00m/s.

Joseph A.Kisslo,MD Basic Echo-Doppler