nguyên lý siêu âm tim ts đặng vạn phúc

NGUYÊN LÝ SIÊU ÂM TIM : Siêu âm tim sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tái lập hình ảnh của cấu trúc tim hoặc dòng máu trong buồng tim.. Sóng phản hồi âm có thể thu hồi được tại bề mặt

NGUYÊN LÝ SIÊU ÂM TIM

GS.TS Đặng Vạn Phước

TS Nguyễn Văn Trí

Mục tiêu bài giảng :

1 Trình bày được nguyên lý chung của siêu âm

2 Trình bày được 3 kiểu siêu âm cơ bản : siêu âm kiểu M, siêu âm hai chiều và siêu âm Doppler

1 LỊCH SỬ SIÊU ÂM TIM

Hartridge (1920) đưa ra giả thiết dơi phóng ra sóng siêu âm để tìm mồi

Đến năm 1949, Ludwig và Struthers dùng sóng siêu âm phát hiện vật lạ và sỏi mật trong cơ thể chó

Năm 1952, Wild và Reid đầu tiên dùng siêu âm phát hiện khối u ở vú

Năm 1954, Edler và Hertz ứng dụng siêu âm để khảo sát tim

Từ năm 1960-1972, siêu âm 2 chiều dần được hoàn thiện (Hertz, Olofsson, Bom) Từ những năm 1956-1970, siêu âm Doppler được hoàn thiện và ứng dụng vào lâm sàng (Satomusa, Liv Hattle)

Siêu âm màu được Omoto ứng dụng vào năm 1982

Siêu âm qua thực quản được ứng dụng vào cuối thập niên 80

Ngày nay, siêu âm cản âm, siêu âm năng lượng, siêu âm nội mạch, siêu âm 3 chiều ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng

2 NGUYÊN LÝ SIÊU ÂM TIM :

Siêu âm tim sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tái lập hình ảnh của cấu trúc tim hoặc dòng máu trong buồng tim Siêu âm tần số cao (vượt mức độ tai người có thể nghe được) có thể xuyên thấu cấu trúc đặc và phản hồi bề mặt ngăn cách giữa hai cấu trúc khác nhau có kháng trở âm thanh không như nhau (kháng trở âm thanh = tỉ trọng của mô x tốc độ truyền âm) Sóng phản hồi âm có thể thu hồi được tại bề mặt cúa da và sử dụng nó để tạo ra một hình ảnh (25-30 ảnh (frame)/ giây) vật cần khảo sát giống như nhà địa chất dùng siêu âm để phát hiện hình ảnh mỏ dầu dưới lòng đất

Cơ tim và van tim có kháng trở khác nhau do đó có thể hình ảnh phản hồi khác nhau Nhờ vậy siêu âm là phương pháp duy nhất cho thấy hình ảnh cơ quan mà không cần sử dụng hóa chất Siêu âm tim là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh an toàn và không xâm lấn

2.2 Các kiểu siêu âm tim.

Có 3 kiểu siêu âm tim cơ bản gồm siêu âm tim kiểu M, siêu âm tim hai chiều và siêu âm tim Doppler

Siêu âm tim màu là một ứng dụng từ siêu âm Doppler và siêu âm ba chiều là một ứng dụng từ siêu âm hai chiều

2.2.1 Siêu âm tim kiểu M

Siêu âm kiểu M được áp dụng trong chẩn đoán tim đầu tiên (Hình 1 và 2) Với kỹ thuật này, đầu dò chứa chùm siêu âm phát và cả chùm siêu âm nhận được đặt lên

vùng trước ngực sẽ cho chùm tia đến tim Tất cả những cấu trúc có chùm tia đi qua sẽ cho tín hiệu phản hồi về đầu dò Những tín hiệu phản hồi sẽ được ghi trên một băng giấy đang chuyển động Từ đó xác định được vị trí của các cấu trúc tim chuyển động theo thời gian Từ những biến đổi hình ảnh ghi được giúp thầy thuốc xác định bệnh học và độ trầm trọng của cấu trúc tim

Ưu điểm của siêu âm kiểu M cho phép khảo sát được 1000 ảnh trong một giây Nhờ vậy xác định rõ vị trí cấu trúc tim theo thời gian và độ phân giải của cấu trúc cũng rõ ràng

Bất lợi chính của siêu âm kiểu M là do hình ảnh chỉ có một chiều nên khó cho mặt cắt điển hình Siêu âm kiểu M chỉ có thể cho hình ảnh mặt cắt ngang thất trái mà không thể có thông tin về mặt cắt trục dọc Hiện nay, siêu âm kiểu M thường kết hợp với siêu âm hai chiều cùng lúc thì thông tin từ siêu âm kiểu M mới chính xác hơn

2.2.2 Siêu âm tim hai chiều

Siêu âm tim hai chiều cho hình ảnh tim chủ yếu (Hình 1) Hình ảnh siêu âm hai chiều có được do chùm siêu âm cắt ngang cấu trúc tim Tùy theo độ sâu của cấu trúc so với đầu dò mà mặt phẳng cắt thay đổi từ góc cắt 600 đến 900 Độ phân giải của hình cũng thay đổi tùy độ sâu của cấu trúc (càng sâu, độ phân giải càng kém) và hình ảnh cũng phụ thuộc vào tần số của đầu dò có được Tần số đầu dò càng cao thì độ phân giải càng tốt nhưng độ xuyên thấu sẽ kém hơn Ở trẻ con, độ sâu của cấu trúc tim rộng phù hợp với đầu dò có tần số cao để cho độ phân giải hình ảnh rõ Ở người lớn, đầu dò có tần số 3.5MHz (1MHz = 1.000.000 chu kỳ / giây) cho hình ảnh tốt ở trẻ con có thể sử dụng đầu dò tần số cao hơn Với kỹ thuật sắp xếp hình cung (annular array technology) có thể sử dụng đầu dò với tần số cao từ 5MHz hoặc 7MHz ở người lớn

Hình 1 Siêu âm tim kiểu M và siêu âm tim hai chiều.

Hình phía trên là sơ đồ trục dọc thất trái minh họa cho đầu dò kiểu M đặt trên thành ngực với chùm tia đi hướng ra sau Các giai đoạn tạo nên hình ảnh kiểu M được minh họa ở bên phải phía trên hình 1 Bề mặt giao tiếp giữa máu – cơ, máu – van tim hoặc cơ – màng ngoài tim đều kèm gia tăng độ phản hồi và đều được đầu dò ghi nhận Mỗi kích thích của đầu dò đều tạo nên một dòng điện nhỏ biểu hiện theo thứ tự mà đầu dò nhận được Nếu tiêu biểu cho dòng điện này bằng một chuỗi các que thì độ dài của mỗi que tương ứng với độ mạnh của tín hiệu ; cách biểu hiện này gọi là kiểu A Nếu những que được biểu tượng bởi dạng nốt thì kích thước và độ sáng của nốt tương ứng với độ mạnh của tín hiệu ; cách biểu hiện này gọi là kiểu B Cả kiểu A và kiểu B đều mô tả chuyển động của cấu trúc theo thời gian Tuy nhiên, để tạo nên một hình ảnh ổn định về vị trí, kích thước và chuyển động của cấu trúc nằm dọc theo chùm siêu âm thì phải sử dụng kiểu M Trong kiểu M, một dãi băng nhạy ánh sáng được vẽ lên qua hình ảnh kiểu B, tạo nên hình ảnh liên tục

Phía dưới hình 1, những phương pháp tạo thành hình ảnh hai chiều Trong các hình trên, có một chùm siêu âm đơn độc chạy lui tới cắt ngang tổ chức mô Ở kiểu sắp xép tuần tự (phased array), có sự xếp đặt các tinh thể với đường kính tương đối nhỏ Các sắp xếp này giúp chùm tia chuyển nhanh thành hình quạt Tia quét hình quạt cơ học (mechanical rotation) nhờ sự xoay vòng của 3 hoặc 4 đầu dò kiểu M Kiểu dao động (oscillation) do một tinh thể kiểu M đơn độc dao động lui tới tạo nên hình ảnh hai

2

1: thành ngực

2: thành thất (P)

3 vách liên thất

4,5: van 2 lá

6: thành thất (T)

Kiểu

1 3 4 5 6

chiều Ở kiểu sắp xếp thẳng hàng đa tinh thể (multicrystal) cho một chùm tia thẳng lớn qua tổ chức và sẽ cho hình ảnh bằng với kích cỡ chùm tia Muốn sử dụng kỹ thuật này thì khoản gian sườn phải đủ lớn thì mới thấy được hình tim (kỹ thuật này áp dụng trong siêu âm mạch máu ngoại biên)

2.2.3 Siêu âm Doppler liên tục

Kỹ thuật Doppler giúp chúng ta đo được gián tiếp vận tốc dòng máu trong tim qua sự di chuyển của hồng cầu Nguyên tắc của Doppler dựa vào sự thay đổi tần số giữa chùm siêu âm truyền đi và chùm siêu âm phản hồi khi gặp một vật đang di chuyển (hồng cầu) Sự thay đổi tần số (f) bằng hai lần tần số truyền đi (b.fo), nhân cho vận tốc máu đã được điều chỉnh góc (Vcosθ) và chia cho vận tốc âm thanh

2fo x Vcosθ

c

Khi hồng cầu di chuyển về phía đầu dò thì chiều dài sóng phản hồi sẽ bị rút ngắn lại, còn nếu hồng cầu di chuyển xa đầu dò, chiều dài sóng sẽ dài ra (hình 2) Phân tích trên điện toán và quy ước, khi vận tốc hướng về phía đầu dò sẽ ghi được phổ nằm ở trên đường đẳng điện và ngược lại khi vận tốc đi xa khỏi đầu dò sẽ ghi được phổ nằm ở dưới đường đẳng điện

Đầu dò Doppler liên tục chứa 2 tinh thể, một phát chùm siêu âm truyền đi liên tục và một chùm siêu âm phản hồi liên tục Sự thay đổi tần số Doppler (f) nằm trong mức tần số âm thanh mà chúng ta có thể nghe được, do đó chúng ta có thể sử dụng tín hiệu âm thanh nghe được này điều chỉnh đầu dò để có hình ảnh phổ Doppler rõ nhất Phổ Doppler trên màn hình là một biểu đồ của vận tốc theo thời gian Đậm độ của phổ có liên quan đến số lượng hồng cầu đang di chuyển ở vận tốc đó Ví dụ, phổ động mạch phổi có đậm độ dầy đặc ở sát đường đẳng điện (Hình 3, mũi tên) : phản ánh hầu hết dòng máu ở trên và dưới van đang di chuyển với vận tốc thấp (1m/s) Dòng máu tăng tốc qua van với tốc độ cao (5m/s)

f =

Hình 2 Nguyên tắc Doppler

Hồng cầu di chuyển về phía đầu dò có độ dài sóng bị rút ngắn (phổ vận tốc ở trên đường đẳng điện) ; hồng cầu di chuyển xa đầu dò có độ dài sóng kéo dài (phổ vận tốc ở dưới đường đẳng điện)

Hình 3 Phổ Doppler liên tục của hẹp động mạch phổi, vận tốc theo trục đứng và thời gian theo trục ngang Phần tín hiệu đậm (mũi tên) do máu chủ yếu di chuyển trong buồng thất phải, tín hiệu có vận tốc cao là do dòng máu di chuyển qua van bị hẹp

Doppler liên tục giúp ước lượng độ hẹp của van tim và áp lực động mạch phổi Doppler liên tục đo được vận tốc cao nhưng không thể định vị trí phát tín hiệu dòng chảy

2.2.4 Siêu âm Doppler xung

Nhu cầu cần xác định vị trí xuất phát rối loạn dòng chảy hoặc cần xác định vận tốc tại một vùng cụ thể dẫn đến hính thành Doppler xung Một tinh thể truyền ra sóng siêu âm sau đó tạm dừng truyền và quay ra nhận lại sóng hồi âm Siêu âm Doppler kết hợp với hình siêu âm hai chiều vì vậy có thể xác định được vị trí cần đo bằng đặt “cửa sổ ghi” (sample volume) lên vị trí cần đo hiện trên màn hình (Hình 4)1-6, tr 14

Doppler xung chủ yếu đo phổ Doppler qua van 2 lá kỳ tâm trương và để đo phổ Doppler tại buồng thoát thất trái giúp tính độ hẹp van động mạch chủ, cung lượng tim và các luồng thông nối (shunt) trong tim

Hạn chế của Doppler xung là không đo được phổ có vận tốc quá lớn

Hình 4 Phổ Doppler xung khác nhau ở những vị trí khác nhau trong buồng thất trái (từ mõm đến vùng dưới van động mạch chủ)

Hình (a) vì dòng chảy lớp, nên vận tốc bất kỳ ở vị trí nào cũng cho phổ có viền hẹp Để so sánh, phổ Doppler liên tục ở hình (b) ghi được phổ dòng chảy dọc theo cả chiều dài chùm tia đi qua cho nên phổ đậm đều, mất viền hẹp, có hiện tượng nhiễu do đóng mở van động mạch chủ (mũi tên)

2.2.5 Siêu âm Doppler màu

Người ta áp dụng nguyên lý siêu âm xung nhiều cửa ghi để thu tín hiệu Tín hiệu từ các cửa Doppler này được mã hóa dưới dạng màu chồng lên hình ảnh siêu âm hai chiều tạo thành hình Doppler màu

Việc mã hóa dòng chảy thực hiện theo nguyên tằc :

 Dòng chảy về phía đầu dò được thể hiện bằng màu đỏ, dòng chảy đi xa đầu dò được thể hiện bằng màu xanh Có thể đảo ngược màu quy ước bằng nút điều chỉnh trên máy

 Dòng chảy có tốc độ càng lớn được thể hiện màu càng sáng : tốc độ dòng chảy tăng thì màu xanh thẫm chuyển thành xanh tươi, màu đỏ chuyển thành xanh lá cây và màu vàng, thậm chí màu rất sáng (trắng)

 Nếu có hiện tượng phủ trùm màu : chỗ tăng tốc biến thành màu đối lập nhưng phai nhạt như màu đỏ biến thành màu xanh nhạt

 Nếu có dòng chảy rối (dòng chảy theo nhiều hướng và với tốc độ khác nhau) thì ở đó có hình khảm màu (mosaic) gồm đỏ, xanh, vàng xen kẽ nhau không theo trật tự nào

Siêu âm Doppler màu có ưu điểm là thể hiện dòng chảy dưới dạng hình ảnh 2 chiều, nhờ vậy nhận định được hướng dòng chảy, xác định được vị trí, kích thước mạch máu mà siêu âm hai chiều đôi khi khó phát hiện Nhược điểm của siêu âm Doppler màu là có số ảnh trong một giây thấp, độ phân giải kém

Hình 5 Doppler màu chứng tỏ hở van 2 lá.

Hình 4 buồng từ mõm có dòng phụt màu xanh vào nhĩ trái