Nghiên cứu khai thác sử dụng thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000

Vậy bây giờ ta tăng θi thì θt cũng tăng, giả sử khi Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai môi trờng phụ thuộc vào ∆Z = Z1-Z2 giữa hai môi trờng: ∆Z

Lời nói đầu

Kỹ thuật siêu âm đã đợc biết đến từ lâu và đã đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nh: công nghiệp, dân dụng và y học Ví dụ trong công nghiệp ngời ta sử dụng siêu âm để thăm dò các khuyết tật trong các mối hàn kim loại hay để đánh sạch bề mặt vật liệu, còn trong dân dụng ta có thể sử dụng siêu âm để tìm luồng cá trong biển Tuy nhiên lĩnh vực chúng ta đề cập ở đây là vấn đề ứng dụng siêu

âm trong y học Siêu âm đợc sử dụng rộng rãi trong y học cho mục đích chẩn

đoán và điều trị Đặc điểm của siêu âm trong y học là chúng không có tác động xấu đến cơ thể con ngời nh trong X-Quang hay phóng xạ hạt nhân Chính vì thế

mà siêu âm đã và ngày càng chiếm một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩn

đoán và điều trị Đồng thời do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số đã mở rộng khả năng ứng dụng của siêu âm chẩn đoán và chất lợng hình ảnh siêu âm ngày càng cao

ở nớc ta ngày nay các bệnh viện từ tuyến huyện đã đợc trang bị các thiết

bị siêu âm ở các bệnh viện lớn cũng đã đa vào sử dụng các máy siêu âm 3D cho phép tạo ảnh không gian ba chiều rõ nét có tác dụng đặc biệt trong thăm khám thai nhi

Tuy nhiên sự hiểu biết và khai thác thiết bị siêu âm còn có nhiều hạn chế

do chúng ta gần đây mới đa vào đào tạo các kỹ s về chuyên nghành Điện tử y sinh cha đủ cung cấp cho các bệnh viện hay các nghành khác có liên quan, đồng thời thiết bị siêu âm đợc đa vào với mục đích chẩn đoán ngày càng nhiều Xuất phát từ thực tế nh vậy tôi đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung là: ”Nghiên cứu khai thác sử dụng thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000 ” với hy vọng cùng các đồ án tốt nghiệp của các đồng chí khác làm tài liệu tham khảo cho các đối t-

ợng nh các bác sỹ, kỹ s hay các kỹ thuật viên đang làm việc trong các bệnh viện hay các chuyên nghành có liên quan.

Nội dung đồ án gồm bốn chơng:

Chơng 1: Cơ sở kỹ thuật siêu âm

Chơng 2: Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm

Chơng 3: Hệ thống siêu âm chẩn đoán HDI 4000

Chơng 4: Quy trình vận hành kiểm tra sửa chữa và an toàn đối với thiết bị chẩn

Hình 1.1 Dao động sóng âm.

Đặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trờng vật chất là sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình

vận chuyển vật chất trong môi trờng Ngời ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phơng truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua

là trờng sóng

1.1.2 Phân loại sóng âm.

Ngời ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc Sóng ngang

là sóng mà phơng dao động của các phần tử môi trờng vuông góc với tia sóng Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu Sóng dọc là sóng mà phơng dao động của các phần tử của môi trờng trùng với tia sóng Thí dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xo chính là sóng dọc Âm thanh là một dạng sóng dọc Sóng dọc truyền đợc trong chất rắn, lỏng và khí

Hình 1.2 Sóng dọc và sóng ngang.

Toàn bộ dải tần số của sóng âm đợc chia thành 3 vùng chính:

- Sóng âm tần số cực thấp (Infrasound): Đây là dải tần số dới ngỡng nghe thấy gọi là vùng hạ âm f < 16 Hz

- Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): Với sóng âm trong dải tần số f = 16

Hz đến 20 KHz

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20 KHz.

Hình 1.3 Biểu đồ dải tần số sóng âm.

1.1.3 Các tính chất của sóng siêu âm.

ở hai phần trên, ta thấy sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con ngời không thể nghe đợc , tần số của chúng > 20000Hz Và nh thế sóng âm nói chung và sóng siêu âm nói riêng không phải là bức xạ điện từ nh ánh sáng hoặc tia X Bức xạ điện từ bao gồm các trờng điện và từ thay đổi hợp với nhau một góc vuông và chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng, tuy nhiên sự truyền âm trong chân không là không thể vì ở đó không có các phần tử để truyền dao động

Dao động siêu âm đợc đặc trng bởi các tham số sau đây:

a) Vận tốc sóng

Vận tốc sóng là quãng đờng sóng truyền đi đợc sau một đơn vị thời gian Trong lý thuyết đàn hồi, ngời ta có chứng minh đợc trong môi trờng đẳng hớng, vận tốc sóng dọc bằng:

Trong đó:

α : hế số đàn hồi là đại lợng đặc trng cho sự giảm thể tích của môi trờng khi có

lực tác động lên môi trờng Môi trờng càng dễ giảm thể tích thì hệ số đàn hồi càng cao

ρ: tỷ khối của môi trờng còn gọi là khối lợng riêng của môi trờng hay mật độ

môi trờng, là khối lợng các hạt môi trờng trên một đơn vị thể tích Khi tỷ khối tăng thì có nhiều số lợng các hạt chứa trong một thể tích đã cho, các hạt với số l-ợng lớn hơn sẽ yêu cầu lực lớn hơn để tạo ra chuyển động phân tử, và cũng cần một lực lớn hơn để dừng chúng lại Vì vậy nếu xét trên cơ sở tỷ khối thì ta thấy tốc độ siêu âm trong xơng (tỷ khối cao) sẽ thấp hơn trong không khí (tỷ khối thấp)

α

β = 1 : gọi là suất đàn hồi (suất Young).

Từ công thức trên ta thấy nếu tăng tỷ khối mà hệ số đàn hồi giữ không đổi thì tốc độ âm thanh sẽ giảm Hệ số đàn hồi và tỷ khối của một môi trờng cụ thể lại phụ thuộc lẫn nhau, sự thay đổi tỷ khối thờng đi đôi với sự thay đổi khả năng nén giảm thể tích và ngợc lại Tuy nhiên khả năng nén giảm thể tích thay đổi rất nhanh, nên nó trở thành yếu tố ảnh hởng lớn trong công thức (1.1) Tổng kết chúng ta thấy rằng khi tỷ khối tăng tốc độ âm thanh đi qua môi trờng cũng tăng,

dù có ngoại lệ song đối với các đối tợng chụp siêu âm (không khí, phổi, mỡ, mô mềm, xơng) thì điều trên vẫn đúng Bảng 1.1 đa ra tốc độ âm thanh trong một số

Trở kháng âm(

s m

Theo bảng ta thấy tốc độ âm thanh trong không khí là 330m/s, trong xơng

là 4080m/s Xơng có tỷ khối cao hơn không khí nhng khả năng nén là yếu tố chính để phát hiện mối tơng quan giữa các tốc độ âm, do xơng có khả năng nén kém hơn không khí, nên vận tốc âm thanh trong xơng cao hơn trong không khí.b) Chu kỳ và tần số

Chu kỳ là thời gian thực hiện một dao động, đơn vị là giây (s)

Tần số là số chu kỳ thực hiện trong 1s, đơn vị là Hz

Giữa tần số và chu kỳ có quan hệ nh sau:

v = /

=

Hình 1.4 Bớc sóng.

Từ hình vẽ ta thấy bớc sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm có dao động cùng pha.

d) Trở kháng âm

Trở kháng âm Z là đơn vị đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi ờng, nó là đại lợng đặc trng cho khả năng phản xạ sóng siêu âm của môi trờng hay cũng gọi là độ vang hay độ dội của sóng siêu âm

P

t

e) log(

hệ số hấp thụ thông qua biên độ sóng âm tới và sóng âm đi ra khỏi môi trờng

Nh đã biết, công suất tỉ lệ với bình phơng biên độ nên ta có:

L A

A

t

e) log(

10

=

1.1.4 Tơng tác của siêu âm với mô.

Trong siêu âm chẩn đoán hình ảnh ta thu nhận đợc chủ yếu dựa trên năng lợng phản xạ chứ không phải năng lợng truyền qua nh trong chụp X quang chẩn

đoán Đầu dò làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm sau đó phát hiện ra năng lợng phản xạ Một sóng siêu âm đợc định hớng chiếu thẳng tới cơ thể để tơng tác với mô Kết quả của tơng tác này đợc ghi lại cho chẩn đoán dới dạng các sóng siêu

âm phản xạ Các loại tơng tác này xảy ra tơng tự với sóng ánh sáng đợc quan sát là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, giao thoa, hấp thụ

a) Sự phản xạ và khúc xạ của sóng âm.

Sự tơng tác chính đợc quan tâm tới trong siêu âm chẩn đoán là phản xạ Nếu một chùm sóng âm đợc hớng tới dới một góc vuông (gọi là sự tới thẳng góc) tới một mặt phẳng (chẳng hạn đờng bao quanh các mô khác nhau) lớn hơn bề dày của chùm tia, nó sẽ phản xạ một phần ngợc lại nguồn âm (hình 1.5) Các mặt phân cách này gọi là mặt phản xạ, chịu trách nhiệm tạo ảnh các bộ phận chính đ-

ợc quan sát trong siêu âm chẩn đoán Cơ hoành và màng tim là các ví dụ của các mặt phản xạ

Hình 1.5 Sự phản xạ gây bởi sóng âm tới mặt phẳng lớn hơn dới một góc vuông.

Bây giờ chúng ta xét sự truyền sóng âm trong môi trờng đồng nhất và đẳng hớng, khi đó sóng âm sẽ truyền thẳng Khi gặp mặt phân cách đủ lớn (>> λ) giữa

hai môi trờng có trở kháng âm khác nhau, tức là có vận tốc truyền âm khác nhau, sóng âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lợng sóng âm

sẽ phản xạ ngợc trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trờng thứ hai

Độ lớn của năng lợng phản xạ phụ thuộc vào sự khác nhau của trở kháng

âm ∆Z giữa hai môi trờng Hệ số phản xạ K đợc tính theo công thức:

2

1 2

1 2

cos cos

.

cos cos

Pr

i t

Z Z

Z Z

Pi

K

θ θ

θ

Trong đó: θi: góc tới; θt: góc khúc xạ; θr: góc phản xạ

Pr: biên độ áp lực của sóng phản xạ

Pi: biên độ áp lực của sóng tới

Z1, Z2: trở kháng âm của hai môi trờng

Hình 1.6 Sự phản xạ và khúc xạ.

Sau đây ta sẽ xem xét một số trờng hợp đặc biệt:

+ Tia tới vuông góc với mặt phân cách: θi = θr =0, cosθi = cosθr = 1 Khi

đó hệ số phản xạ của mặt phân cách đợc tính theo công thức:

2

1 2

1 2

−

=

Z Z

Z Z

+ Tia tới tạo một góc θi≠ 0 Theo định luật phản xạ ta có góc phản xạ bằng

góc tới θi = θr Sóng truyền tiếp lúc này không còn cùng hớng với sóng tới và tạo một góc θt ≠θi, hiện tợng này gọi là hiện tợng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào tốc độ truyền âm (c1, c2) trong hai môi trờng và đợc xác định bởi công thức:

sinθt = (c2/ c1) ì sinθi (1.9)+ Chúng ta xét một trờng hợp đặc biệt nữa với giả thiết là môi trờng thứ hai

có c2 >c1.Thế thì theo công thức (1.9) ta thấy sin θt > sin θi, trong điều kiện các

góc θt, θi ≤ 90 0 ta suy ra θ >t θi Vậy bây giờ ta tăng θi thì θt cũng tăng, giả sử khi

Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai môi trờng phụ thuộc vào ∆Z = (Z1-Z2) giữa hai môi trờng: ∆Z càng lớn thì năng lợng phản xạ càng lớn, hầu hết năng lợng sẽ bị phản xạ trở lại, chỉ còn một phần nhỏ năng lợng sóng siêu âm đi đợc xuống môi trờng bên dới mặt phân cách, sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận đợc thông tin từ cấu trúc bên dới mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta phải dùng gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí

chúng có lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và rất quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ nh độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ hay vách liên thất.

Hình 1.7 Hiện tợng tán xạ với sóng tán xạ phát ra theo tất cả các hớng.

c) Sự nhiễu xạ.

Nhiễu xạ là hiện tợng gây ra chùm siêu âm bị phân ra hoặc trải ra khi các sóng ra xa khỏi nguồn âm (hình 1.8) Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ của nguồn

âm giảm Nhiễu xạ cũng xảy ra sau khi chùm tia với mặt sóng phẳng đi qua khe

hở nhỏ một khoảng bớc sóng Do sóng bị chặn ở mọi nơi trừ khe hở nên khe hở hoạt động nh một nguồn âm nhỏ và chùm tia phân kỳ một cách nhanh chóng nhchỉ ra ở hình 1.9

Hình 1.8 Sự mở rộng của một chùm tia từ một nguồn nhỏ.

Hình 1.9 Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ.

d) Sự giao thoa.

Giao thoa là hiện tợng chồng chất của hai hay nhiều sóng cơ học Nếu các sóng có cùng tấn số và cùng pha thì chúng giao thoa cộng hởng gây ra sự tăng biên độ Còn nếu có cùng tần số nhng khác pha khi đó chúng triệt tiêu nhau và sẽ

là triệt tiêu hoàn toàn khi mà các sóng cùng tần số, biên độ và hoàn toàn ngợc pha nhau kết quả sẽ cho một sóng có biên độ bằng không

e) Sự hấp thụ.

Sự hấp thụ là quá trình mà năng lợng âm bị tiêu tán trong môi trờng Mọi dạng tơng tác (phản xạ, tán xạ, khúc xạ hay phân kỳ) đều làm giảm cờng độ chùm siêu âm bởi sự định hớng lại năng lợng của chùm Sự hấp thụ là quá trình

mà năng lợng siêu âm đợc chuyển sang dạng năng lợng khác chủ yếu là nhiệt Với tính chất này siêu âm có thể đợc sử dụng trong y tế để chữa bệnh (vật lý trị liệu)

Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan tới tần số, tới tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trờng Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phần tử quay trở lại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay chính xác hơn là lực tác động trở lại trạng thái ban đầu Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phần tử quay trở về vị trí ban đầu trớc khi đợt sóng tiếp theo đến, còn khi thời gian hồi phục dài thì có thể khi các phần tử đang trở về vị trí ban đầu thì đợt sóng khác lại tác động vào chúng nên cần nhiều năng lợng lớn để dừng và chuyển h-ớng các phần tử và do đó sinh ra nhiều nhiệt hơn

Khả năng của các phần tử chuyển động qua một phần tử khác xác định độ nhớt của môi trờng, độ nhớt cao sẽ hạn chế dòng phân tử Tần số cũng ảnh hởng lớn đến sự hấp thụ và quan hệ với cả độ nhớt lẫn thời gian hồi phục Nếu tần số tăng các phần tử dao động càng nhiều và tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hởng kéo theo của ma sát (nhớt) Mặt khác khi tần số tăng thì thời gian cho các phân tử quay về trạng thái cũ trong quá trình hồi phục ít hơn, các phần tử vẫn tiếp tục chuyển động cần nhiều năng lợng để dừng và định hớng lại nên hấp thụ nhiều hơn.

f) Sự suy giảm.

Khi đi qua môi trờng đồng nhất, cờng độ siêu âm giảm dọc theo đờng truyền Sự mất mát về biên độ này gọi là độ suy giảm Độ suy giảm là kết quả của ba quá trình: sự phân kỳ, sự hấp thụ, và sự tán xạ Khi đi vào môi trờng, tia

có thể mở rộng hoặc phân kỳ nên năng lợng sẽ lan truyền ra một diện tích rộng hơn theo quá trình tia truyền qua môi trờng, và do đó năng lợng trên một đơn vị diện tích giảm xuống Với các loại mô khác nhau thì sự suy giảm cũng khác nhau

nh chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.10 Quan hệ độ suy giảm - tần số với các loại mô khác nhau.

Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn nh chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.11 ảnh hởng của tần số đến sự suy giảm.

g) Hình dạng chùm tia siêu âm.

Vì sóng siêu âm là sóng cơ học nên nó đúng với hiện tợng giao thoa và nguyên lý Huyghen

Nguyên lý Huyghen phát biểu nh sau: tất cả các điểm trên một mặt sóng

đều là những nguồn phát xạ sóng mặt cầu Điều này có nghĩa là tại một điểm nào

đó sóng sẽ đợc tính bằng tổng tất cả các sóng con của các điểm nằm trên mặt sóng Ví dụ, trờng siêu âm ở vùng xa của một khe hở đợc chiếu bởi sóng siêu âm phẳng nh chỉ ra trên hình 1.12:

Hình 1.12 Giao thoa giữa hai sóng từ hai nguồn điểm của cảm biến phẳng.

sẽ đợc tính bằng cách cộng tất cả các trờng siêu âm tạo ra bởi mỗi điểm nằm trên khe hở Trên hình chỉ ra các sóng con của hai nguồn điểm trên khe hở Sẽ xảy ra hiện tợng giao thoa cộng tại những điểm mà các mặt sóng con trùng nhau Nếu tính tổng của tất cả các điểm nh thế ta sẽ có dạng mặt sóng tạo ra từ khe hở nh trên hình 1.13

Hình 1.13 Mặt sóng và hình dạng chùm tia tạo ra bởi sóng phẳng đi qua khe hở.

Có thể thấy rằng mặt sóng tiếp tục phẳng khi ở gần khe hở và lồi dần khi đi

ra xa làm cho chùm tia dần bị phân kỳ Vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ phụ thuộc vào tỉ số giữa kích thớc của khe hở và độ dài bớc sóng áp dụng đối với mặt sóng phát ra từ bề mặt cảm biến của đầu dò siêu âm ta thấy khi tỉ số giữa đ-ờng kính của cảm biến D (khẩu độ) và độ dài bớc sóng tăng thì khoảng cách từ cảm biến đến vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ sẽ tăng đồng thời độ phân kỳ giảm

Hình 1.14 Hình dạng chùm tia siêu âm.

áp dụng nguyên lý Huyghen ngời ta tính đợc sự thay đổi của cờng độ chùm tia xuất phát từ cảm biến Ví dụ với dạng chùm tia siêu âm của cảm biến dạng đĩa mỏng có khẩu độ là D Trong trờng hợp này hầu hết năng lợng chùm tia nằm trong bề mặt: hình trụ với vùng gần, hình nón với vùng xa (nh chỉ ra ở hình 1.15)

Hình 1.15 Năng lợng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới

Có thể thấy rằng cờng độ chùm tia siêu âm dọc trục thay đổi theo khoảng cách, trong vùng gần (vùng Fresnel) sự thay đổi này khá rộng, trong vùng xa (vùng Fraunhofer) cờng độ sẽ giảm dần Chiều dài vùng gần (Zm) đợc tính theo công thức:

Sự chuyển động tơng đối của nguồn âm và của ngời quan sát gây ra sự biến

đổi tần số của âm nhận đợc Hiện tợng đó đợc gọi là hiện tợng Doppler Doppler tiến hành nhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại gần ngời quan sát, tần số mà ngời quan sát nhận đợc cao hơn tần số do nguồn âm đó phát ra Trờng hợp nguồn âm đi ra xa ngời quan sát, ngời đó nhận đợc tần số thấp hơn tần số của nguồn phát Tấn số f' nhận đợc theo công thức sau:

v c

c f c v

f f

Trong đó f là tấn số nguồn phát, c là tốc độ âm trong môi trờng, v là tốc

độ âm so với ngời quan sát

b) Các kỹ thuật siêu âm Doppler.

Có hai kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm là

kỹ thuật Doppler liên tục và kỹ thuật Doppler xung

*) Kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục (continuous wave)

Hình 1.16 Doppler liên tục.

Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục ngời ta sử dụng hai tinh thể trong

đầu dò, một cho truyền sóng với tần số không đổi một cách liên tục và một cho nhận các tín hiệu phản xạ một cách liên tục Nhợc điểm của kỹ thuật này là không nhận biết đợc vị trí điểm phản xạ, nhng bù lại Doppler liên tục có thể đo đ-

ợc những vận tốc lớn

c

v f

d

θ

cos 2

Với f d là tần số dịch chuyển Doppler, f TX là tần số dịch chuyển sóng phát, θ

góc tạo giữa trục chùm tia siêu âm và dòng chảy

*) Kỹ thuật siêu âm Doppler xung

Hình 1.17 Doppler xung.

Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler xung ta sử dụng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát vừa làm nhiệm vụ thu Sóng âm phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hớng quét của đầu dò, song chỉ có những xung phản xạ tại vị trí lấy mẫu là

đợc ghi nhận và xử lý Kích thớc và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi đợc Nhờ vậy kỹ thuật Doppler xung cho phép nhận biết tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau

ứng với mỗi vị trí lấy mẫu đợc chọn, khoảng thời gian cho xung đi và về xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung Do vậy độ lặp lại của các chuỗi xung phát PRF (Pulse Repetition Frequency) không thể lựa chọn lớn hơn 1/T

PRF ≤ 1/T

Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng của độ lệch tần số Doppler f d, Doppler xung có thể nhận biết đợc vị trí dòng chảy song lại có một nhợc điểm là bị hạn chế trong việc đo dòng chảy tốc độ cao do xuất hiện hiệu ứng liên kết

Sự kết hợp Doppler xung và hình ảnh siêu âm hai chiều là khả thi, hình siêu âm hai chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học và dùng để đặt vị

trí và kích thớc lấy mẫu, còn Doppler xung cung cấp thông tin về dòng chảy là phần chuyển động hiện diện trong cấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để

bổ sung thông tin lẫn nhau này gọi là Duplex Sonography Nh vậy các thiết bị SonoGraphy cho phép biết đợc hớng dòng chảy, so với chùm tia siêu âm và góc hợp giữa trục chùm tia và hớng dòng chảy, từ đó tính đợc tốc độ dòng chảy

1.1.6 ứng dụng của siêu âm trong y tế.

ứng dụng siêu âm trong điều trị.

Do siêu âm có tần số rất lớn ( >20.000 Hz, bớc sóng nhỏ) nên khi lan truyền ít bị nhiễu xạ, truyền tơng đối thẳng và ta có thể tạo ra chùm siêu âm hội

tụ lên những vị trí cần thiết bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm Khi truyền qua môi trờng, do môi trờng có ma sát và hấp thụ nhiệt nên cờng độ của siêu âm giảm theo quy luật:

x

e I

tăng cờng tính thẩm thấu của tế bào biểu bì, do đó có tác dụng chống viêm Lúc qua mặt phân giới giữa hai môi trờng, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này Sức ép

tỉ lệ thuận với năng lợng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm2 Vì vậy khi nhúng đầu phát siêu âm vào nớc, siêu âm có thể làm nớc bắn lên cao tới vài

cm Nhờ có sức ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách xoa bóp tế vi, một tác dụng rất quí trong điều trị chứng viêm tế bào

Siêu âm là sóng dọc, khi truyền nó làm biến dạng nén giãn môi trờng: có

vị trí mật độ môi trờng lớn vì các phần tử bị ép lại; có vị trí mật độ môi trờng nhỏ vì các phần tử giãn cách nhau xa Khi công suất máy phát lớn, tại nơi mật độ môi trờng lớn, áp suất nén có thể tới hàng vạn atmôtphe; còn tại nơi mật độ nhỏ các phần tử bị giãn ra với "áp suất giãn" có trị số tơng tự Lực giãn các phân tử nh vậy

đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử, môi trờng khi ấy tự đứt và tạo thành lỗ

vi mô Nếu quá trình này xảy ra trong nớc thì những lỗ này sẽ bị hơi nớc hoặc các khí hoà tan choán đầy Do hiện tợng tạo thành lỗ, các tế bào sống đặc biệt là hồng cầu có thể bị vỡ Trong y học dùng hiện tợng tạo thành lỗ để chống đông máu

Vì siêu âm truyền qua đợc các mô trong cơ thể, làm cho các tế bào bị chấn

động, cơ thể hấp thu của siêu âm một nhiệt lợng đáng kể nên ngời ta dùng nó để chữa một số bệnh, chẳng những ở ngoài da mà còn cả ở bên trong cơ thể

Những bệnh chữa bằng siêu âm có hiệu quả nhất là các chứng đau các dây thần kinh, đặc biệt là dây thần kinh toạ, thấp khớp…

Ta cần chú ý rằng siêu âm với tần số thờng dùng cao ( >100.000 Hz) chỉ qua một lớp không khí mỏng đã bị ngăn lại, do đó ngời ta thờng bôi gen lên da để làm môi trờng trung gian giữa da và đầu phát siêu âm thay cho không khí Lu ý không dùng siêu âm điều trị cho những ngời đang có thai, đang bị lao, bị sốt và ở trẻ em Gần đây ngời ta đã bắt đầu dùng những sóng siêu âm có cờng độ lớn (1,4

x 107W/m2) để phá hủy các tổ chức bệnh trong sâu nh sỏi thận, u tuyến,.v.v

ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán.

Siêu âm đợc ứng dụng vào chẩn đoán bệnh là nhờ các đặc điểm sau:

* Có thể tạo ra chùm siêu âm song song hoặc hội tụ vào một khoảng nhỏ, hoặc phân kỳ

* Chùm siêu âm song song truyền qua môi trờng, bị môi trờng hấp thụ, cờng độ giảm theo qui luật (1.14)

* Chùm siêu âm gặp mặt phân giới giữa hai môi trờng sẽ phản xạ Khi hai môi ờng có trở kháng âm rất khác nhau thì sự phản xạ lại càng mạnh

tr-* Chùm siêu âm gặp vật di chuyển, có thể ứng dụng hiệu ứng Doppler để xác

định vận tốc theo hiệu tần số phát và thu (cùng một đầu dò phát - thu) theo công thức (1.12)

* Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùng cho phụ nữ có thai, thai nhi đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần

Trên thực tế dùng siêu âm trong chẩn đoán theo 2 hớng chính sau:

Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm:

Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh nh sau:

a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tơng tự nh tạo ảnh X quang trong chẩn đoán (hình 1.18a)

Hình 1.18 a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tơng tự nh tạo ảnh X quang

trong chẩn đoán.

b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tợng

khảo sát với môi trờng xung quanh.

b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tợng khảo sát với môi trờng xung quanh (hình 1.18b)

áp dụng nguyên lý này vào chẩn đoán, ngời ta còn chia ra các kiểu:

+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A - Scope): đó là phơng pháp ghi đo sóng phản xạ trên một bình diện Đầu phát sóng đợc hớng vào vùng đo Khi gặp phải vật hoặc môi trờng có trở kháng âm khác sẽ phát sóng xung phản xạ Các sóng xung

đó đợc biến thành xung điện và đợc ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang Chúng đợc thể hiện thành từng dấu hiệu hình parabol ngợc có độ cao, độ rộng hẹp khác nhau Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng cách) xuất hiện mà ta chẩn đoán đợc bệnh Phơng pháp này đơn giản, rẻ nhng

khó phân tích, nếu trên đờng đi của sóng âm có nhiều lớp vật chất có âm trở khác nhau.

Phơng pháp này hay đợc dùng để tìm di vật, tụ máu trong não, trong sản phụ

+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B - scope): đó là phơng pháp xung phản xạ trên 2 bình diện, phức tạp hơn kiểu A nhiều Các sóng xung phản xạ đợc thể hiện bằng những chấm có độ sáng khác nhau tùy thuộc cờng độ sóng xung, nó phản ánh hình ảnh hai bình diện của đối tợng nghiên cứu Ngày nay sóng xung phản xạ kiểu B đợc áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh của gan, mật, mắt, sọ não, tim, v.v

Ngoài ra còn siêu âm chẩn đoán kiểu TM hay còn gọi là kiểu M Đây là những nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch v.v ) là cơ…

sở của phơng pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm

Trong việc dùng siêu âm vào chẩn đoán, để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da, giữa đầu dò siêu âm (phát và thu) và da ngời bệnh, ngời ta hay bôi đệm một lớp gen (ví dụ dầu paraphin lanolin có trở kháng âm Z giống nh của cơ thể, nên áp đầu dò vào da đầu, ta loại

đợc lớp không khí len giữa, nên loại đợc phản xạ)

Việc chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm đã có nhiều tiến bộ vợt bậc trong thời gian gần đây đặc biệt tác dụng khi đối tợng rất khó phát hiện bằng hình ảnh

do tia X tạo ra (thí dụ mảnh đạn bằng nhựa chứ không phải kim loại)

Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler:

ở các ứng dụng y sinh của siêu âm, nguồn phát đợc cố định, còn mục tiêu chuyển động ứng dụng thông thờng nhất của siêu âm Doppler là đo tốc độ dòng chảy của máu nhằm chẩn đoán các bệnh về tim mạch Để đo đợc tốc độ của dòng chảy thì yêu cầu cơ bản nhất là dòng chảy phải tồn tại các mục tiêu hữu hình có

khả năng phản xạ sóng siêu âm và các mục tiêu này phải dịch chuyển Trong ờng hợp này, mục tiêu chuyển động là các tế bào máu và chúng sẽ phản xạ sóng siêu âm

tr-Giả thiết: Dòng máu chuyển động với vận tốc v, phát tia siêu âm với tần số chuẩn f0 có góc phát tạo với hớng chuyển động của dòng máu là θ, sóng phản xạ thu đợc có tần số f0 + f d( f d là tần số dịch chuyển Doppler) Đầu dò đứng yên

và dòng máu chuyển động về phía đầu dò

Hình 1.20 ứng dụng hiệu ứng Doppler trong đo tốc độ dòng máu.

áp dụng công thức Doppler ta có:

) cos

(

0 0

θ ν

−

= +

c

c f

f

Từ đây ta có thể tìm ra công thức tính tốc độ dòng máu:

) (

* cos

*

0

f f

f c v

1.2 Cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm.

1.2.1 Cơ sở tạo sóng siêu âm.

a) Tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo.

Hiện tợng từ giảo: Là sự thay đổi kích thớc của vật liệu từ tính, đặc biệt nhất là sắt, Niken, Coban, khi có từ tr… ờng đi qua nó

Một số vật liệu từ giảo khi đặt chúng vào từ trờng thì giãn ra theo hớng ờng sức từ, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ giảo tuyến tính Có loại khi cho vào từ trờng lại làm thay đổi thể tích, gọi là hiệu ứng từ giảo thể tích

đ-Hiệu ứng từ giảo nghịch là chất từ giảo biến dạng làm xuất hiện từ trờng xung quanh chúng

Hình 1.21 Phơng pháp tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo.

Sắt từ có ứng suất là 10-5, còn một số vật liệu khác lớn hơn sắt từ 10ữ100 lần Tần số dao động của vật liệu từ giảo nằm trong vùng siêu âm thấp vì vậy có thể sử dụng trong đầu dò siêu âm thấp (vựng đầu 20KHz)

Tác dụng: Siêu âm tần số thấp trong y tế đợc sử dụng với mục đích phân

đoạn và tán nhỏ các tế bào có tỉ lệ nớc lớn và độ đàn hồi nhỏ để phá huỷ một phần cấu trúc của tổ chức sinh học nhờ khả năng tạo lỗ hổng (hiện tợng sủi bong

bóng trong nớc), cụ thể đợc dùng để tẩy lớp nhờn các cơ quan nh trực tràng, ruột, bàng quang; lấy cao răng bằng siêu âm; dùng phá huỷ u bớu trong phẫu thuật thần kinh, bóc trần các mạch trong các mô chứa nhiều mạch nh gan.

b) Tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện

Việc tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện của một số chất trong tự nhiên nh thạch anh, titanate bari, Hiệu ứng áp điện th… ờng thấy ở các vật liệu kết tinh có hai cực (cực âm và cực dơng) ở mỗi phần tử Trong cấu trúc mạng lới tinh thể thông thờng các lỡng cực đợc xắp xếp ngẫu nhiên không thể cố định Tuy nhiên chất lợng của các tinh thể loại này bị giảm trong môi trờng ẩm, nhiệt độ cao, nên ngày nay chủ yếu các nhà sản xuất sử dụng các tinh thể nhân tạo mà điển hình là gốm áp điện

Hiệu ứng áp điện:

Nếu tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặc kéo giãn một tinh thể gốm theo những phơng đăc biệt thì trên mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu, giữa hai bề mặt xuất hiện một hiệu điện thế Sóng siêu âm là sóng cơ học nên khi va đập vào bề mặt tinh thể gốm sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một chuỗi xung điện có độ lớn tỉ lệ với cờng độ sóng âm gọi là hiệu ứng áp điện thuận