Kỹ thuật xử lý ảnh siêu âm trong bệnh viện TWQĐ 108

Hình 4 biểu diễn sự suy giảm của biên độ áp âm theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm số: pz = p0 x e- α.f.z + P - biên độ áp âm; p0 = p z=0 + α - hệ số suy giảm âm của môi trờng tr

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng rộng rãi trongnhiều lĩnh vực như các ngành: y học, công nghiệp và dân dụng… Người ta sử dụngsiêu âm để thăm dò khuyết tật trong các mối hàn kim loại, đánh sạch bề mặt vậtliệu

Tuy nhiên, lĩnh vực ứng dụng siêu âm rộng rãi và quan trọng nhất là trong yhọc chẩn đoán và điều trị Là một phương pháp ít xâm hại đến sức khỏe ngườibệnh và nhân viên y tế, ít tốn kém, siêu âm có thể được áp dụng nhiều lần cho mộtbệnh nhân, để theo dõi tiến triển của bệnh và kết quả điều trị, không gây ra nhữngtác động xấu về sinh học đối với cơ thể người như tia X- Quang hay phóng xạ hạtnhân, siêu âm đã ngày càng chiếm lĩnh một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩnđoán hình ảnh Có thể nói rằng, các thế hệ của thiết bị siêu âm hiện nay với sự pháttriển của công nghệ số đã mở rộng khả năng ứng dụng của siêu âm chẩn đoán vớichất lượng hình ảnh của siêu âm ngày càng cao

Trong kỹ thuật siêu âm chẩn đoán hiện nay người ta thường sử dụng kỹ thuậtsiêu âm Doppler để đo dòng chuyển động của máu trong mạch và một số chứcnăng khác mà ở siêu âm thường không thực hiện được Kỹ thuật siêu âm Doppler

đã chiếm vị trí hàng đầu trong những phương pháp chẩn đoán các bệnh tim mạch.Với sự phát triển mạnh của công nghệ điện tử - tin học, các máy siêu âm tim ngàycàng được hoàn thiện, với nhiều tính nǎng, độ phân giải tǎng lên không ngừng vàcác kỹ thuật mới được đưa vào ứng dụng như siêu âm trong lòng mạch máu, siêu

âm tim qua thực quản, siêu âm tim stress, siêu âm tim cho thai nhi và siêu âm cản

âm (các buồng tim và cơ tim) Siêu Doppler có nhiều ưu điểm, kỹ thuật này giúpcho bác sĩ có thể đưa ra những chẩn đoán bệnh tốt hơn phục vụ quá trình khám vàđiều trị Trong suốt nhiều năm qua, siêu âm Doppler đã có sự phát triển đáng kể cả

về số lượng và tính đa dạng trong công việc kiểm tra

Với sự yêu thích tìm hiểu về kỹ thuật siêu âm trong quá trình học tập, và được sựđộng viên, hướng dẫn của TS.Vũ Văn Sơn, TS.Phan Trọng Hanh em đã quyết

định chọn đề tài tìm hiểu về “Kỹ thuật xử lý ảnh siêu âm trong Bệnh viện TWQĐ 108” Nội dung của Luận văn gồm:

Chương 2:CÁC HOẠT ĐỘNG GHI NHẬN, XỬ LÝ ẢNH SIÊU ÂM VÀ CÁC

PHẦN MỀM ỨNG DỤNG

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH TRONG THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ ỨNG

DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN LÂM SÀNG TẠI BỆNH VIỆN TRUNG ƯƠNG QUÂN ĐỘI 108

Do thời gian và kiến thức tìm hiểu về lĩnh vực này còn nhiều hạn chế, mặtkhác trong quá trình học tập và nghiên cứu cơ hội được tiếp cận trực tiếp với thiết

bị còn chưa nhiều, Luận văn của em chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mongnhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để có thể hoàn thiện hơn nhữnghiểu biết của em về lĩnh vực này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên

1.1 Vật lý học của sóng âm

1.1.1 Bản chất của sóng âm

Âm thanh là năng lợng cơ học đợc truyền qua môi trờng Các môi ờng đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể xem nh những môi trờng liên tục gồmnhững phân tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình th ờng, mỗi phân tử có vịtrí cân bằng bền Nếu tác dụng lực lên phần tử A nào đó của môi tr ờng thìphần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tơng tác các phần tử bên cạnh,một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, một mặt cũng chịu lực tác dụng và

tr-do đó cũng thực hiện dao động Hiện tợng tiếp tục xảy ra với các phần tửkhác của môi trờng Những dao động cơ lan truyền trong môi trờng đàn hồi

đợc gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ

Về bản chất sóng âm là sóng cơ học; do đó tuân theo mọi quy luật đốivới sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vàomôi trờng truyền âm Ví dụ: Đánh vào mặt trống; tác động dòng điện làmrung màng loa; tác động làm rung âm thoa; đạn bay trong không khí

1.2 Phân loại sóng âm

a Phân loại theo phơng dao động

Dựa vào cách truyền sóng, ngời ta chia sóng cơ học làm hai loại: sóngdọc và sóng ngang

Sóng ngang là sóng mà phơng dao động của các phân tử môi trờngvuông góc tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong môi tr ờng có tính đàn hồi vềhình dạng Tính chất này chỉ có ở vật rắn

Sóng dọc là sóng mà phơng dao động của các phân tử môi trờng trùngvới tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong các môi trờng chịu biến dạng về thểtích, do đó nó truyền đợc trong cả vật rắn cũng nh môi trờng lỏng và khí

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chuẩn đoán thuộc loại sóng dọc

b Phân loại theo tần số

Sóng âm đợc chia theo dải tần số thành ba vùng chính:

+ Sóng âm tần số cực thấp hay còn gọi là vùng hạ âm (infrasound),

f < 16Hz Ví dụ: Sóng địa chấn

+ Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound), f = 16Hz - 2kHz

+ Sóng siêu âm (Ultrasound), f > 20kHz

Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biểnphát sóng siêu âm để định hớng nói chung các sóng này nằm trong vùngtần số 20 - 100kHz

1.3 Các đại lợng đặc trng

Khi nói dến sóng âm ngời ta phải biết tới những đại lợng đặc trng nh:vận tốc truyền âm; tần số; chu kỳ và độ dài sóng âm; Hình1 biểu diễn sóng

âm là tập hợp của các lực nén và dãn Sự thay đổi này là tuần tự theo dạnghình sin với các cực đại thể hiện áp lực cao nhất (max) và các cực tiểu thểhiện áp lực thấp nhất (min)

+ Khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn gọi là một chu kỳ T = [s]+ Số chu kỳ thực hiện đợc trong một giây gọi là tần số f = [Hz]

+ Vận tốc truyền sóng của sóng âm là quãng đờng mà sóng truyền đợctrong một không thời gian Trong lý thuyết đàn hồi ngời ta đã chứng minh đ-

ợc trong một môi trờng đẳng hớng, vận tốc của sóng dọc bằng:

p / 1

v = α = E / p = [m/s]

Trong đó: α; E = 1/α; ρ lần lợt là Hệ số đàn hồi; Suất đàn hồi (còn gọi

là suất Yang) và Khối lợng riêng của môi trờng hay còn gọi là mật độ củamôi trờng

+ Độ dài bớc sóng λ = [m]: là quãng đờng mà sóng truyền đợc saukhoảng thời gian bằng một chu kỳ, λ = vT = v/f

Từ trên hình vẽ ta thấy bớc sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa hai

điểm có dao động cùng pha

Ngoài ra, để đặc trng cho độ lớn của áp lực âm học mà các phần tửtrong môi trờng nhận đợc khi chịu tác động của nguồn phát sóng âm, ngời ta

đa ra hai đại lợng P và I (công suất và cờng độ):

P: Mức năng lợng đợc truyền từ đầu dò vào môi trờng, đơn vị đo của P

là [W] hoặc [mW] Thông thờng năng lợng phát ra từ đầu dò trong lĩnh vựcsiêu âm chẩn đoán, nằm trong phạm vi từ 1mW đến 10mW

I: Cờng độ sóng âm, biểu thị bằng năng lợng sóng âm trên một đơn vịdiện tích, đơn vị của I là W/cm2 hoặc mW/cm2

Đối với sóng siêu âm, ngời ta chia làm 3 dải nhỏ:

- Từ 20 KHz đến 1 MHz thờng dùng trong công nghiệp và điều trị

- Từ 1 MHz đến 1GHz thờng dùng trong chẩn đoán

- Trên 1 GHz thờng dùng trong nghiên cứu cấu trúc (ví dụ nh kính hiển

vi siêu âm)

1.5 Ứng dụng của sóng siêu âm trong y tế.

Sóng siêu âm đợc ứng dụng rộng rãi trong y tế trong hai lĩnh vựcchính Đó là:

Siêu âm chẩn đoán: Thực chất là tạo hình bằng siêu âm Sử dụng phổbiến dải tần số từ 2,5 MHz đến 10 MHz Ngoài ra ngời ta còn sử dụng cáctần số khác trong đầu dò chuyên biệt; ví dụ nh: Đầu dò siêu âm nội mạch(Intraluminal), hay siêu âm da liễu (Dermatological) sử dụng tần số có thểlên tới 20 - 50 MHz

Siêu âm trị liệu: Tạo hiệu ứng nhiệt, xoa bóp kích thích cơ Có thểdùng riêng hoặc kết hợp với điện trị liệu (trong các máy kích thích điện) đểtìm Trigger (Điểm phát bệnh - điểm gốc) Tần số thờng dùng trong siêu âmtrị liệu là 700 - 900 kHz tuỳ theo thế hệ máy Công suất của đầu dò

1 - 4W/cm2 (gấp cỡ 1000 lần so với siêu âm chẩn đoán)

1.6 Cơ sở vật lý và kỹ thuật của phương phỏp tạo hỡnh bằng siờu õm

1.6.1 Cơ sở vật lý của phơng pháp và các yếu tố quyết định

Tạo hình bằng siêu âm đợc đa vào ứng dụng trong chẩn đoán Y học từnhững năm 50 Cơ sở của nó chính là sự phản hồi của tia siêu âm từ các tổchức trong cơ thể, sự phản hồi này phụ thuộc vào:

+ Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trờng

+ Trở kháng âm của môi trờng

+ Sự hấp thụ của tổ chức

+ Thông số (f; λ ) của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức

a Tốc độ truyền của sóng siêu âm

Đôi khi còn đợc ký hiệu là “c” - nh đã nêu trên, rất phụ thuộc vào môitrờng truyền Bảng 1.1 cho ta thấy vận tốc truyền của sóng siêu âm trong cácmôi trờng khác nhau là rất khác nhau Tốc độ trung bình của sóng siêu âmtrong các tổ chức phần mềm v ≅ 1540m/s Biết đợc vận tốc truyền, khi đothời gian đi và về của sóng siêu âm ta có thể định vị rõ đ ợc vị trí bề mặt củaphản xạ

b Trở kháng âm của môi trờng và các định luật truyền âm

Trở kháng âm z:

Trở kháng âm của môi trờng cho bởi công thức sau:

Z = c x ρ (velocity x density) = [rayls];

Trong đó:

ρ = [kg/m3] - mật độ của môi trờng

c = [m/s] - vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trờng

Trở kháng âm của môi trờng có vai trò quyết định đối với biên độ củasóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trờng Trên bảng 1-1 ta có trởkháng âm của một số môi trờng khác nhau

Bảng 1.1 Trở kháng âm của một số môi trờng sinh học

Phản xạ và khúc xạ:

Khi sóng âm đợc truyền trong môi trờng đồng nhất và đẳng hớng nó sẽtruyền theo phơng thẳng; khi gặp mặt phân cách đủ lớn (kích thớc ∅ >>λ)giữa hai môi trờng có trở kháng khác nhau, tức là vận tốc truyền âm khácnhau, tia âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng l ợngcủa sóng âm sẽ phản xạ ngợc trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môitrờng thứ hai

Độ lớn của năng lợng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trởkháng âm ∆z giữa hai môi trờng Hệ số phản xạ K đợc tính:

Trong đó:

θi: góc tới; θr:gócphản xạ; θt: góc khúc xạ

Pr - biên độ áp lực của sóng phản hồi

Pi - biên độ áp lực của sóng tới

Z1,Z2 - trở kháng âm của hai môi trờng

Hình1.2 Sự phản xạ và khúc xạ

ở đây sẽ xảy ra hai trờng hợp:

Trờng hợp 1: Tia tới vuông góc với mặt phân cách: θi = θ = 0

Hệ số phản hồi của mặt phân cách sẽ đợc tính theo công thức:

2

1 2

1 2

θ θ

Cos Z Cos Z

Cos Z Cos Z

P

p K

t

i t

i r

Cosθi = cosθr= 1 nên:

Trờng hợp 2: Tia tới tạo một góc θi ≠ 0

Theo định luật phản xạ, góc phản xạ bằng góc tới θi = θr Sóng truyềntiếp lúc này không còn cùng hớng với sóng tới và tạo một góc θt ≠ θi, hiện t-ợng này gọi là hiện tợng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận tốctruyền âm trong hai môi trờng và đợc xác định bởi công thức:

sin θt = (c1/c2) x sin θi

Với c2 > c1, khi sin θt = c1/c2, ta có θcritic = arcsin(c1/c2) thì sin θt = 1 và

θt = 900 Hiện tợng này gọi là hiện tợng phản xạ toàn phần Nh vậy với tất cảcác góc θi ≥ θcritic sóng âm sẽ không khúc xạ đợc sang môi trờng thứ hai, bênkia mặt phân cách và toàn bộ năng lợng đợc phản xạ trở lại môi trờng thứnhất

Ngoài ra, dù với c2 > c1 hay c2 < c1, nếu góc tới θt ≈ 90 0 (tia tới đi gần

nh tiếp tuyến với mặt phân cách) thì sóng âm chỉ trợt trên bề mặt phân cách

mà không truyền tiếp vào môi trờng thứ hai

Cả hai hiện tợng trên (phản xạ toàn phần và tia tới truyền tiếp tuyếnvới mặt phân cách) giải thích cho sự xuất hiện bóng lng bên (Lateralshadowing) ở những cấu trúc hình cầu và mặt cắt ngang cấu trúc ống

Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cáchgiữa hai môi trờng phụ thuộc vào ∆Z = (Z1 - Z2) giữa hai môi trờng

∆Z càng lớn thì năng lợng phản xạ càng lớn và chỉ còn một phần rấtnhỏ năng lợng sóng siêu âm đi đợc xuống môi trờng bên dới mặt phân cách.Nếu ∆Z là vừa đủ để nhận biết mặt phân cách thì một phần lớn năng l ợngcủa sóng siêu âm sẽ truyền xuống dới mặt phân cách và tiếp tục cho thênthông tin về cấu trúc bên dới

Nhìn vào bảng 1.1 ta thấy ∆Z giữa mô mềm và không khí hoặc giữamô mềm và xơng rất lớn, do đó trong ghi hình siêu âm nếu sóng siêu âm gặpmặt phân cách này thì hầu hết năng lợng sẽ bị phản xạ trở lại, sóng truyềntiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận đợc thông tin từ dới mặt phân cách này,

đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta phải dùng gel tiếpxúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí - Airless Contact

2

1 2

1 2







 +

−

=

Z Z

Z Z K

Sự tán xạ :

Một hiện tợng quan trọng khác trong tạo hình bằng siêu âm, đó là hiệntợng tán xạ của siêu âm khi gặp các cấu trúc nhỏ (có kích th ớc ∅ >> λ) hoặcvới bề mặt không đồng đều Khi đó tia siêu âm sẽ bị tán xạ đi khắp các h ớng

và chỉ có một phần rất nhỏ chắc chắn tới đợc đầu dò Tuy vậy, mặc dù việcghi nhận các tia tán xạ là rất khó khăn, song chúng ta phải thừa nhận rằngchúng ta có một lợi thế đó là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, vàrất quan trọng trong việc đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ nh sự đồng đềucủa nhu mô gan, tuỵ hay vách liên thất , và các máy siêu âm chẩn đoánngày nay chủ yếu làm việc trên các tia tán xạ

Hình 1.3 Sự tán xạ

c Sự hấp thụ của tổ chức và sự suy giảm của năng l ợng tia siêu âm, khuếch đại bù

Khi sóng âm truyền đi trong tổ chức thì biên độ và năng l ợng của tia

âm bị suy giảm theo khoảng cách Hình 4 biểu diễn sự suy giảm của biên độ

áp âm theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm số: p(z) = p0 x e- α.f.z

+ P - biên độ áp âm; p0 = p (z=0)

+ α - hệ số suy giảm âm của môi trờng truyền

+ f - tần số của sóng siêu âm

+ z - độ sâu cần tới

Các nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lợng của tia siêu âm là:

Sự hấp thụ của môi trờng do một phần năng lợng của tia siêu âm bịchuyển đổi thành năng lợng của các dao động nhiệt, nhng trong siêu âmchẩn đoán, phần năng lợng này quá nhỏ và không thể gây ra các biến đổi vềnhiệt độ

Mức độ suy giảm năng lợng này thờng đợc tính bằng [dB] hay[dB/cm], đơn vị này đợc hiểu nh sau: ví dụ ở khoảng cách z1 biên độ của áp

âm là p1, ở khoảng cách z2 biên độ đó là p2; ta nói khi từ z1 đến z2 biên độ áp

âm đã suy giảm đi D [dB], với D đợc tính theo sông thức : D[dB] = 20log(p2/p1)

Đối với mô mềm và f = 0,2 MHz, có thể áp dụng công thức gần đúngsau: Độ suy giảm D[dB] = f[MHz] x z[cm] x α.

Môi trờng Mật độ

10 3 ]

Vận tốc [m/s]

H/p dist At 2MHz[cm]

Attenuat At 1MHz[dB/cm ]

Bảng 1.2 Tính chất âm học của một số môi trờng sinh học

- H/p dist At 2MHz[cm]: Khoảng cách năng lợng bị giảm nửa, tại2MHz, tính bằng cm

- Attenuat at 1MHz [dB/cm]: độ suy giảm với tần số 1MHz, tính bằngdB/cm

Trên bảng 1-2 có đa ra suy giảm của sóng siêu âm trong một môi trờngkhác nhau Ta thấy năng lợng siêu âm bị giảm mạnh trong môi trờng khôngkhí và xơng còn với mô mềm sự suy giảm này nằm trong khoảng 0,4 -1dB/cm

Từ công thức trên ta thấy sự suy giảm này cũng phụ thuộc rất nhiềuvào tần số, gần nh tỷ lệ thuận với tần số Sự phụ thuộc này là một trongnhững hạn chế của siêu âm chẩn đoán, bởi nh ta sẽ thấy dới đây tần số càngcao thì độ phân giải càng cao song độ suy giảm cũng cao và do đó độ xuyênsâu càng kém

Hình 1.4 Tia siêu âm bị phản xạ một phần tại ranh giới giữa hai vùng

Khuyếch đại bù theo chiều sâu: DGC - Depth Gain Control:

Năng lợng siêu âm càng vào sâu thì càng suy giảm Khi vào sâu tới 20

cm, với đầu dò 3,5 Mhz (α ≅ 1), theo công thức trên thì D = 70dB = 3162lần Nh vậy những mặt phản xạ có ∆z nh nhau nếu nằm ở những độ sâu khácnhau sẽ cho những tín hiệu phản xạ có độ lớn khác nhau Để khắc phục điều

đó tín hiệu phải đợc bù hệ số khuyếch đại để tạo ấn tợng ảnh đồng nhất.Ngoài ra DGC cũng đợc điều chỉnh khác nhau khi thăm khám bệnh nhângày, béo khác nhau và chọn lựa vùng khảo sát nông sâu

d Thông số cuả sóng siêu âm và kích thớc hình học của hệ thống

Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách do đó năng l ợng phản xạcòn phụ thuộc vào kích thớc của mặt phân cách và độ dài bớc sóng của chùmtia Nếu ta đặt một vật rắn chìm vào trong môi trờng chất lỏng thì năng lợngphản xạ từ vật đó phụ thuộc vào kích thớc cuả vật so với độ dài bớc siêu âm.Vật phải có độ dài ít nhất lớn hơn λ /4 thì mới có khả năng phản xạ sóngsiêu âm Do đó sóng siêu âm có tần số càng cao, tức λ càng nhỏ thì càng dễphát hiện và phân biệt đợc các vật nhỏ song cũng do đó mà khó vào sâu Ng-

ời ta đa khái niệm “Haft Power Distance” - Khoảng giảm nửa năng l ợng - đểchỉ khoảng cách mà tia siêu âm có thể đi đợc cho tới khi năng lợng củachùm tia giảm đi còn một nửa Với cùng một loại đầu dò trong những điềukiện nh nhau thì đại lợng này là khác nhau cho những môi trờng khác nhau.Trên bảng 1-2 là khoảng cách giảm nửa của một số môi trờng tiêu biểu

1.6.2 Kỹ thuật của phơng pháp tạo hình bằng siêu âm

a Nguyên lý tạo ảnh

Đầu dò khi đợc kích thích bằng xung điện với chiều dài và cờng độ cóthể điều chỉnh đợc thì khi phát ra xung âm lan truyền theo hớng của đầu dòvào môi trờng ở một vận tốc xác định bởi đặc tính của môi tr ờng (mật độ ρ

và độ đàn hồi B); sóng âm sẽ gặp các mặt phản hồi trên đ ờng truyền và tạo

ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dò và đợc thu nhận tại đây.Khoảng thời gian mất cho sóng âm đi đến và quay trở về từ mặt phản hồi sẽxác định độ sâu của mặt phản hồi bởi công thức:

d = c x t/2Trong đó:

d: Khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồic: Vận tốc sóng âm trong môi trờng

t/2: Thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi

Độ lớn của biên độ sóng phản hồi phụ thuộc vào biên độ sóng phát đi,góc tới của sóng âm và trở kháng âm của mặt phản hồi Đầu dò sẽ biến đổisóng hồi âm thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng áp điện, tín hiệu điệnnày mang thông tin về độ lớn biên độ, thời gian tiếp nhận, các thông tin nàysau đó đợc xử lý và thể hiện thành hình ảnh trên màn hình

b Các hình thức thể hiện

A - mode (Amplitude mode):

Tín hiệu hồi âm đợc thể hiện bằng xung hình gai (xung nhọn) trên dao

động ký qua hệ thống trục tung và trục hoành, chiều cao của xung thể hiện

độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của xung thể hiện khoảng cách từ

đầu dò đến mặt phản hồi Loại hình thể hiện này thờng đợc dùng trong đo

đạc vì có độ chính xác cao

Xét trờng hợp cụ thể sau:

Vật cần nghiên cứu là môi trờng có ba lớp trở âm khác nhau:

Đầu dò

Z1 Z2 Z3a

b

Hỡnh 1.5 Trở khỏng và Biờn độ xung siờu õm phản xạ

Tại thời điểm xung siêu âm từ đầu dò đi vào Z1, Z2, Z3 Sau một thờigian sóng siêu âm đi qua mặt phân cách giữa Z1 và Z2 sẽ có một xung phảnxạ tại t2 Lợng sóng siêu âm đi qua Z1 và Z2 ta lại nhận đợc một xung phảnxạ tại t3 Lợng sóng siêu âm vợt qua Z3 đến biên giới môi trờng và không khílại nhận đợc một xung phản xạ toàn phần tại t4 Ngời ta gọi các xung siêu âmphản xạ trên là hình ảnh cấu trúc của vật chất trên đ ờng tia siêu âm đi qua

Ta có định nghĩa sau: ảnh ở mode A (Amplitude ) là ảnh cấu trúc của vậtchất trên một đờng tia siêu âm đi qua thể hiện bằng các xung phản xạ

Kiểu ghi hình ảnh này ngời ta ít dùng vì lí do:

+ Chỉ có hình ảnh một đờng nằm trong vật chất

+ Sự khác nhau giữa cấu trúc thực và xung phản xạ làm bác sỹ khó t ởng tợng ra vật chất cần thăm dò Mode A này chỉ sử dụng trong môi trờng

-đơn giản ví dụ nh mắt

B - mode (Brightness Mode) :

Tín hiệu hồi âm đợc thể hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của nhữngchấm này thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác địnhkhoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi

Là phơng pháp đo theo độ sáng (B: brighness), thực chất Mode B là

"Chụp ảnh" cấu trúc vật chất trên đờng tia siêu âm đi qua

Lấy ảnh ở Mode A phần trên để điều chế độ sáng trên màn hình (Xungsiêu âm lớn sẽ sáng nhiều còn xung siêu âm bé sẽ sáng ít và không có xungthì không sáng):

Hỡnh 1.6 Thể hiện Mode B

Mode B

Hình ảnh này đợc gọi là kiểu B (Brighness modulation) Vậy ảnh củaMode B là ảnh phản ánh cấu trúc vật chất của những điểm nằm trong mặtphẳng mà tia siêu âm quét qua thể hiện bằng độ sáng tối khác nhau Do đó

ảnh của Mode B là một lát cắt

TM - mode (Time Motion Mode) :

Dùng để thể hiện sự chuyển động cùng phơng với tia siêu âm của cácvật thể theo thời gian bằng cách thể hiện hình ảnh B - mode theo diễn biếnthời gian với các tốc độ quét khác nhau Kết quả là các nguồn hồi âm đứngyên thì sẽ tạo ra đờng thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồichuyển động thì sẽ ra đờng cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi

Mode TM cho biết quỹ đạo chuyển động của những điểm trên đờng tiasiêu âm đi qua Giống nh mode A khi đo mode TM đầu dò phải đứng yên,

điểm B chuyển động thì quỹ đạo của A là một vạch dài thẳng còn quỹ đạocủa B là một hình sin kéo dài:

là quan trọng Còn ảnh ở mode B là ảnh của một mặt cắt mà tia siêu âm điqua, nó thể hiện cấu trúc của vật chất bằng độ sáng, độ đậm nhạt khác nhau

Trên màn hình hiện thị của TM - mode, biên độ chuyển động của mặtphản hồi đợc biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành, nhờ vậy cóthể tính toán đợc vận tốc chuyển động của mặt phản hồi, khi tốc độ quét đã

đợc xác định

A

a BaA'

x

Đầu dò

Phơng pháp A - mode, B - mode và TM - mode có thể gọi chung là siêu

âm một chiều (hay một bình diện).

Nh vậy: Ưu điểm của siêu âm một chiều là bằng phơng pháp tơng đối

đơn giản, rẻ tiền ta có thể xác định đợc chính xác vị trí của bề mặt phản xạ

và trong điều kiện TM có thể đo đợc biên độ chuyển động của vật theo

ph-ơng song song với chùm tia siêu âm

Nhợc điểm của phơng pháp: Không cho hình ảnh tổng thể của vật cầnchẩn đoán Không đánh giá đợc các chuyển động có phơng vuông góc vớiphơng truyền của tia siêu âm

Hình ảnh tĩnh và hình ảnh động

Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnh siêu âm hai chiều này là B mode, đ

-ợc dùng trong hầu hết các thiết bị siêu âm chẩn đoán từ tr ớc đến nay, từ cácmáy “Static Scanner” (Máy quét tĩnh) của thời kỳ sơ khai của ngành siêu âmchẩn đoán thuộc thập niên 50, 60 cho đến các máy quét hoạt động “RealTime Scanner” từ những thập niên 70 trở lại đây

Theo cách thể hiện của B - mode trong siêu âm một chiều thì t ơngxứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ sở và mỗi hớng của chùm tia nhất định thìtrên màn hình ta có một đờng tạo ảnh (line of sight) B-mode - phản ánh cácmặt phản hồi đợc tạo ra bởi các cấu trúc cơ thể nằm trên đờng truyền củachùm tia siêu âm Với các máy “Static Scanner”, sự tổng hợp tất cả các đ ờngtạo ảnh tơng xứng với nhiều vị trí đặt đầu dò trên cơ thể theo chiều h ớngkhác nhau trong cùng một mặt phẳng sẽ tạo thành hình ảnh siêu âm phản ánhcác cấu trúc giải phẫu theo thiết diện cắt ngang qua bởi mặt phẳng nói trên

Vào những năm 60, để thực hiện sự tổng hợp nói trên ngời ta phảidùng hệ thống cánh quét (scanning arm) Cấu tạo bởi các trục và khớp nối để

điều khiển đầu dò

Do hạn chế về mặt kỹ thuật, để có đợc một hình siêu âm cắt khoanhlớp cơ thể thì phải mất rất nhiều thời gian và hình ảnh nhận đ ợc chỉ là hình

ảnh tĩnh của các cấu trúc, vì vậy ngời ta gọi hệ thống này là quét ảnh tĩnh.Tuy nhiên u điểm của hệ thống này là cho cái nhìn tổng thể về các cấu trúc

và mối liên quan giữa các cấu trúc chỉ trên một hình

Để nhìn thấy sự chuyển động tức thời của cấu trúc trong cơ thể (đặcbiệt quan trọng trong lĩnh vực tim mạch ) thì tốc độ tạo hình phải thật nhanh,tốc độ tạo hình thờng dùng (FR – Frame rate) khoảng 25 hình/giây; củanhững năm 70 của thế hệ máy siêu âm mới ra đời cho phép ghi hình tức thời

sự chuyển động của các cấu trúc trong cơ thể gọi là máy quét hình ảnh động(Real time Scanner), tốc độ quét hình của máy này đạt đợc nhờ kỹ thuật quétchùm tia siêu âm và khả năng xử lý thông tin nhanh của máy điện toán

Có hai cách quét chủ yếu đợc sử dụng trong máy quét hình ảnh động:

+ Quét điện tử - Electronic Scanning: Các tia siêu âm đợc quét bằng

cách dùng bộ điều khiển khoá điện tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thểsắp xếp kề cận nhau theo một thứ tự thời gian thì các tia siêu âm sẽ đ ợc quéttheo một phơng nhất định

+ Quét cơ học - Mechanical Scanning: Tia siêu âm đợc quét khi các

chấn tử đợc quay quanh một trục hoặc dao động theo kiểu con lắc

Một nhợc điểm của máy ghi hình ảnh động là diện khảo sát ( Field ofview) bị hạn chế, không cho một hình ảnh tổng quát nh trong kỹ thuật ghihình tĩnh nói trên, do kỹ thuật ghi hình động bị hạn chế bởi ba yếu tố:

+ Số hình trong 1 s - Frame rate - FR

+ Mật độ đờng cho một hình - Line Density - N

+ Độ sâu khảo sát - d

Liên quan chặt chẽ với nhau bởi công thức:

1/FR = N x t = 2N x d/c

ở đây: 1/FR thực chất sẽ là thời gian tạo một hình;

t: thời gian tạo một đờng hình (line) - là thời gian cho tia siêu âm đi và về tới

đầu dò

Thông thờng ở độ sâu khảo sát 20cm, với số đờng tạo ảnh cho mộthình là 150 thì số hình trong một giây không thể vợt quá 25 hình Nh vậynếu sử dụng diện khảo sát rộng thì đòi hỏi mật độ đ ờng tạo ảnh lớn để đảmbảo chất lợng hình và đồng thời giới hạn tốc độ tạo hình của máy

Một vài năm gần đây nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật vi xử lý, ng ời ta

đã tạo ra thế hệ máy có đồng thời hai u điểm của hai thế hệ máy nói trên,vừa có hình động vừa có khảo sát trên diện rộng gọi là Real time - E.F.O.V(Extended Field Of View) - Siêu âm thời gian thực với trờng nhìn mở rộng,ngời ta vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ thể vừa ghinhận hình ảnh, hình ảnh đợc tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt vớicác vị trí của dầu dò, kết quả nhận đợc là một hình tổng quát, đồng thời vẫngiữ đợc tính động của hình ảnh Để thực hiện đợc kỹ thuật này ngời ta phải

sử dụng thuật toán Fuzzy - logic với sự xử lý cực nhanh của máy diện toán

và bộ vi mạch xử lý truyền thông đa phơng tiện - M.V.P - Multimedia VideoProcessor

Siêu âm với trờng nhìn mở rộng cho phép đánh giá các tổ chức trong

sự tơng quan toàn thể với cấu trúc xung quanh, giúp bác sĩ thực sự nhìn thấytoàn cảnh thay vì phải tởng tợng bằng cách ghép các mảnh hình riêng biệt lạivới nhau Kỹ thuật này đã thực sự kết hợp đợc u điểm của siêu âm chẩn đoán

- độ an toàn cao - với hình ảnh cấu trúc toàn thể mà tr ớc đây chỉ có trên cáchình CT hay MR, nói một cách khác, kỹ thuật này thức sự mở ra một chântrời mới đối với siêu âm chẩn đoán

Chương 2:

CÁC HOẠT ĐỘNG GHI NHẬN, XỬ Lí ẢNH SIấU ÂM VÀ CÁC

PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 2.1 Cỏc hoạt động xử lý ảnh siờu õm chủ yếu

2.1.1 Sự khuếch đại - Gain

Tín hiệu đợc thu nhận tại đầu dò trớc khi thể hiện thành hình ảnh đềuphải đợc xử lý, một trong những bớc xử lý quan trọng là khuyếch đại tín hiệu

do biên độ của chúng quá nhỏ Hệ số khuyếch đại, thờng đợc tính bằng dB,

là một tỷ số giữa biên độ sau khi khuyếch đại và biên độ tr ớc khi khuyếch

đại:

Gain = RX = 20 Log (U2/U1) = [dB]

ở đây: U2 là biên độ tín hiệu sau khi khuyếch đại

U1: biên độ tín hiệu trớc khi khuyếch đại

2.1.2 Khuếch đại bù trừ theo độ sâu (DGC hay TGC – Depth Gain Compensation or Time Gain Compensation)

Trong khi khuyếch đại tín hiệu một yếu tố không thể bỏ qua là hiện t ợnglàm suy giảm năng lợng sóng âm của môi trờng (Attenuation), hậu quả củahiện tợng này là làm cho tín hiệu trở về đầu dò từ độ sâu càng xa thì có biên

độ càng bé, vì vậy cần phải có sự bù lại cho mất mát năng l ợng nói trên.DGC hay TGC thực chất là sự khuyếch đại gia tăng theo thời gian: sau khisóng âm đợc truyền đi, những tín hiệu hồi âm từ những mặt phản hồi ở xa thì

đợc khuyếch đại nhiều hơn so với những tín hiệu hồi âm ở những mặt phảnhồi gần

2.1.3 Khuyếch đại tăng bờ - ee: Edge Enhancement

EE có tác dụng tăng độ phân dải dọc theo phơng truyền của tia siêu âmbằng cách tăng độ vi phân của tín hiệu, khi tăng EE hình siêu âm đợc biểu

thị có hạt nhỏ hơn (fine - grained), các bề mặt vuông góc với phơng truyềncủa tia siêu âm đợc vẽ ra rõ nét hơn (ví dụ nh các lớp thành mạch ), vì vậyphép xử lý này đợc gọi là khuyếch đại tăng bờ.

Hình 2.1: Xử lý khuyếch đại tăng bờ

2.1.4 Dải động - DR: Dynamic Range

ở phần trên, hình ảnh siêu âm hai chiều đợc tạo bởi các tín hiệu phảnhồi của tia siêu âm, ghi lại theo vị trí dới dạng ma trận và theo trình tự thờigian với tốc độ thời gian thực Các tín hiệu phản hồi này nằm trong khoảngrất rộng

Trên hình vẽ, các mặt phân cách mô mềm/không khí cho tín hiệu phảnhồi lớn nhất và nằm trong khoảng 1ữ10V Các mặt phân cách mô mềm/ xơngcho tín hiệu phản hồi nằm trong khoảng 100mV ữ 1V Các mặt phân cáchcác cơ quan (bề mặt các cơ quan) cho tín hiệu khoảng 100àV ữ 100mV Cácnhu mô của các cơ quan cho tín hiệu phản hồi trong khoảng 10àV ữ 100mV.Các chất lỏng cho tín hiệu phản hồi cỡ khoảng 10àV.

Nh vậy, toàn bộ dải tín hiệu thu đợc sẽ nằm trong khoảng 10àVữ10V,tức là tỷ lệ Umax/Umin = 106 lần, hay nói cách khác Umax/Umin = 120dB Nhngthực chất là trong chuẩn đoán ngời ta không cần quan sát toàn bộ dải tín hiệutrên cùng một lúc Về mặt ý nghĩa dải động là khoảng tín hiệu cần thiết cóthể biểu diễn đợc và là một tỷ lệ giữa tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhấttrong khoảng tín hiệu cần quan tâm Các dải rộng thờng gặp là 35, 40, 45,

50, 55 hoặc 60 dB Mỗi dải động đợc chọn thờng đợc biểu diễn bởi 64 mứcxám (grey scale)

Thay đổi dải động của tín hiệu để đáp ứng độ tơng phản của hình ảnhsiêu âm cực đại Các giá trị DR thấp cần thiết khi cần nhìn rõ các đ ờng bao

và do đó thờng đợc sử dụng khi chẩn đoán tim mạch Các giá trị DR cao chophép biểu thị rõ các cấu trúc và do đó thờng đợc sử dụng khi chẩn đoán nộitổng quát

ảnh mới theo các tỷ lệ đã lựa chọn: = Giá trị hiện tại/ Giá trị cho tr ớc, CL cóthể đợc dùng trong những trờng hợp ảnh không thay đổi hoặc thay đổi chậm(ví dụ: vùng bụng, mạch ngoại vi ) để cải thiện ảnh, tạo hiệu ứng làm dịu

ảnh nhờ loại bỏ đợc những nhiễu tức thời gây ra do các chuyển động của cơ,mô

Trong ví dụ trên, độ mịn cực đại đạt đợc với CL3 = 50/50 Đối vớinhững vật thể chuyển động nhanh, ví dụ nh tim, thì CL làm mờ (blur) cácchuyển động của van tim, thành tim , do đó, khi khảo sát các biên độchuyển động, nên đặt CL ở giá trị thấp nhất = CL0 = 100/0

2.1.6 Xử lý hình sau khi tạo ảnh (Postprocessing)

Chức năng này cho phép ngời sử dụng làm nổi rõ hoặc làm mờ đi cácmức xám (grey scale) riêng lẻ hoặc nhóm mức xám ở các ảnh siêu âm để

giúp cho việc đọc hình đợc dễ dàng nhất bằng cách thay đổi hệ số khuyếch

đại cho các mức thang xám Hình vẽ trên là một ví dụ Hậu xử lý có thể đ ợcthực hiện ở mode thời gian thực (B-mode) hoặc ở chế độ ảnh dừng

2.2 Phần mềm của máy, các chơng trình đo và tính

Thiết bị chính bao gồm thân máy, bàn phím, màn hình và phần lu trữhình ảnh Toàn bộ giao tiếp để điều khiển và xử lý ảnh đợc thực hiện qua bànphím Qua bàn phím có thể đa tên, tuổi bệnh nhân, các chú dẫn trên hình,các pictogram thay đổi chế độ, mode làm việc của máy, thực hiện các phép

+ Riêng trong phép đo và tính thể tích thì các máy khác nhau đợc cài

đặt để tính theo các công thức khác nhau, ví dụ:

- Tính thể tích hình tròn: dùng Track ball để chỉ ra đờng kính của cơ quan

hay bộ phận cần đo Thể tích sẽ đợc tính theo công thức tính thể tích hìnhcầu tròn Phơng pháp này đơn giản song không chính xác vì hình dạng củacác khối cần đo thờng không phải là hình cầu tròn

- Tính thể tích Elip: Thể tích hình Elip có thể đợc tính theo 3 cách:

Tính theo đờng kính dài và ngắn: Để tính theo công thức này, cần phải

nạp vào máy kích thớc của hai đờng kính L và D Thể tích sẽ đợc tính theocông thức:

V = π LD2/6

Tính theo diện tích lớn nhất của hình Elip: Dùng track ball hoặc

joystick vẽ theo đờng bao quanh của thiết diện lớn (a) chiều dài của trục dọc(l) Thể tích sẽ đợc tính theo công thức:

Tính theo phơng pháp Simson: Cách nạp dữ liệu cũng giống nh phơng

pháp tính theo diện tích lớn của hình Elip song máy sẽ tính thể tích của hìnhbằng cách tính thể tích của từng lát cắt sau đó cộng lại:

V = (πh/4) * (D12 + D2 + + Dn )

L

A V

π

3

=

Phơng trình này đúng với bất kỳ một cấu trúc dạng cầu nào.

2.3 Kỹ thuật siờu õm Doppler và ứng dụng trong thăm khỏm bệnh nhõn

2.3.1 Khỏi quỏt về siờu õm Doppler.

Siờu õm Doppler là phương phỏp ứng dụng hiệu ứng Doppler Người ta phỏtsúng siờu õm tới bộ phận cần khảo sỏt chức năng và thu hồi súng phản xạ Từ sựkhỏc biệt tần số tới và phản hồi ta sẽ cú cỏc thiết bị xử lý và hiển thị lờn màn ảnh.Ảnh được hiển thị sẽ cho biết tỡnh trạng và hoạt động của cỏc cơ quan

2.3.2 Vấn đề cần quan tõm trong siờu õm Doppler.

Về khớa cạnh kỹ thuật ta quan tõm tới hai vấn đề Đú là :

Phõn tớch súng phản hồi để tớnh tần số Doppler, nhờ đú khảo sỏt được sự chuyểnđộng của vật cần khảo sỏt

Hiển thị lờn màn ảnh sự phõn bố của vật chuyển động đú

2.4 Nguyờn lý chung về siờu õm Doppler

2.4.2 Ứng dụng hiệu ứng Doppler trong kiểm tra mạch mỏu

Cỏc thiết bị Doppler được thiết kế để thu được dịch chuyển Doppler từ cỏc tớnhiệu nhận được Cỏc thay đổi này nằm trong phạm vi nghe thấy (thường từ 200 Hztới 1500 Hz), điều này cho phộp cỏc bộ khuếch đại õm thanh cựng với tai nghehoặc loa được sử dụng làm thiết bị đầu ra

Với kiểm tra dòng trong mạch máu, nguyên lý siêu âm Doppler là khi mộtchùm sóng siêu âm với tần số nhất định tới các mạch máu và gặp các yếu tố hữuhình, mà chủ yếu là các tế bào hồng cầu (Red Blood Cells –RBCs) Do RBC cóđường kính 7µm nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của sóng âm (thường từ 0,2

mm đến 0,5 mm) nên tán xạ Rayleigh xảy ra, một phần sóng âm phản xạ lại vớimột tần số khác với tần số chùm siêu âm phát đi, được nhận tại bộ phận thu sóngphản xạ Sự thay đổi tần số này là cơ sở để tính tốc độ di chuyển của các tế bàomáu

2.4.3 Tính toán tần số Doppler

Hiệu ứng Doppler là hiện tượng thay đổi tần số quan sát được nếu có chuyểnđộng tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu Cụ thể, tần số tại đầu thu lớn hơn( hay nhỏ hơn) tần số sóng siêu âm tại đầu phát khi đầu thu và đầu phát chuyểnđộng lại gần nhau (hay ra xa nhau) Nếu giả thiết :

Giả sử tại thời điểm t=0, nguồn S và đầu thu R cách nhau một khoảng d.

Nguồn chuyển động với vận tốc v S và đầu thu chuyển động với vận tốc v R

d v R.t

S R R’

Trong khoảng thời gian t, đầu thu R dịch chuyển một khoảng v R⋅t và sóng âm

truyền với tốc độ c sẽ đi được một khoảng là c.t Ta có:

c.t=d+v R.t (2.1)

Hay

R

v c

d t

−

= (2.2)Tại thời điểm τ , nguồn sẽ di chuyển được một khoảng τ v S Giả thiết sóngphát ra tại thời điểm này sẽ thu được tại đầu thu tại thời điểm t’.

c v

τ + −

=

− (2.4)Như vậy, với đầu thu khoảng thời gian giữa các sóng là :

−

=

− (2.6)Với nguồn phát, khoảng thời gian giữa các sóng là τ Số lượng sóng do nguồnphát ra trong khoảng thời gian τ phải bằng số lượng sóng thu được ở đầu thu trongkhoảng thời gian τ ’, có nghĩa là :

f S τ = f R ' τ (2.7)

Do vậy, tần số Doppler hay độ lệch Doppler có dạng:

ra đầu phát và đầu thu có thể không cùng nằm trên một đường thẳng Giả sử góc θt

là góc tạo bởi hướng truyền tới và phương của vật thể khảo sát, còn góc θR là góc

tạo bởi phương chuyển động của vật và hướng thu

Khi đó, tốc độ vật tán xạ tương đối với đầu phát sẽ là v.cos θt.

Tốc độ vật tán xạ tương đối với đầu thu sẽ là v.cos θR.

Hình 2-3 Đầu thu, phát không nằm trên cùng một đường thẳng.

Giả thiết:

Vật phản xạ/tán xạ là đầu thu chuyển động rời xa đầu phát với tốc độ v.cos θt Đầu thu chuyển động rời xa khỏi vật phản xạ/tán xạ với tốc độ v.cos θR

Khi đó ta có đầu thu chuyển động rời xa đầu phát với tốc độ v.cos θt+v.cos θR (mặc

dù thực tế đầu thu và đầu phát đứng yên)

= − (2.15)Trong đó, thành phần v.cos θ là vận tốc tương đối của vật phản xạ/tán xạ so với đầuthu, phát

Vận tốc của dòng chảy có thể suy được từ công thức trên Đó là công thức chủđạo dùng trong khảo sát vận tốc dòng chảy mạch máu Vận tốc dòng chảy trong mạch máu:

2 .cos. D

s

c f v

f θ

= (2.16)

Hình 2-4 Tần số Doppler trong trường hợp khảo sát mạch máu.

Như vậy, với tần số sóng âm cho trước và đo được dịch chuyển tần sốDoppler của sóng siêu âm phản hồi về từ mục tiêu, ta có thể tính được tốc độ dòngchảy trong mạch máu

Với f S = − 2 10Mhz và với các giá trị sinh lý, tần số ∆f nằm trong phạm vi tần

số nghe được từ 50 Hz-10 kHz Phân tích các kết quả này, ta có thể xác định được

các chỉ số về vận tốc các mạch máu

2.5 Đầu dò siêu âm Doppler.

Đầu dò siêu âm là một trong những phần quan trọng nhất của một máy siêu

âm nói chung Nhiệm vụ của đầu dò là phát sóng siêu âm rồi nhận sóng siêu âmdội lại, tiến hành xử lý và chuyển đổi ra các tín hiệu điện, sau đó hiển thị lên mànhình Các đầu dò rất đa dạng về chủng loại và kích thước Với từng bộ phận trên cơthể sẽ có những đầu dò riêng biệt tương ứng

- Có thể phân loại các đầu dò như sau:

 Siêu âm tổng quát (màu hay Doppler)

 Siêu âm sản phụ với đầu dò TV.

 Siêu âm tim (màu) với đầu dò TEE.

 Siêu âm qua ngõ trực tràng TRUS.

 Siêu âm mô mềm : tuyến giáp, tuyến vú, mắt

 Siêu âm mạch máu Doppler-TCD.

 Siêu âm khớp cơ.

Hình 2-5 Hình ảnh một số loại đầu dò dùng trong siêu âm.

Đầu dò siêu âm có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của thiết bị Ta cần chú ýcác nguyên lý lựa chọn tần số cho hệ sóng liên tục hoặc hệ sóng xung, từ đó lựachọn tần số tối ưu

Tần số sóng tối ưu: là tần số mà khi ta đã biết khoảng cách tới đầu dò thìcường độ của sóng tán xạ ngược là lớn nhất

- Độ phân giải của đầu dò

Độ phân giải dọc : Là khả năng phân biệt hai vật nằm trên trục truyền của chùmsiêu âm Độ phân giải dọc còn chỉ ra vật nhỏ nhất có thể được phát hiện theođường truyền của chùm tia Với bước sóng không đổi, xung ngắn thì độ phân giảidọc tăng

Hình 2-6 Độ phân giải dọc của đầu dò.

Độ phân giải ngang của đầu dò : Là khả năng phân biệt hai vật thể gần nhau nằmtrên đường thẳng vuông góc với trục chùm tia, tức là khả năng của chùm tia siêu

âm có thể phát hiện ra các vật thể nằm cắt đường chùm tia Độ phân giải ngang làthông số chính để đánh giá chất lượng hình ảnh siêu âm chẩn đoán

Hình 2-7 Độ phân giải ngang của đầu dò.

2.6 Các kỹ thuật siêu âm Doppler.

2.6.1 Kỹ thuật Doppler sóng liên tục – CW (Continuous –Wave Doppler)

• Thiết bị Doppler sóng liên tục sử dụng hai tinh thể trong đầu dò :

- Một tinh thể cho truyền các sóng âm tần số không đổi một cách liên tục

- Một tinh thể nhận các tín hiệu phản xạ một cách liên tục

Hai tinh thể này được đặt hơi xiên góc với nhau Một tinh thể không thể gửi vànhận tại cùng một thời điểm do đó cần mạch đầu thu có dải động cực cao để pháthiện các tín hiệu dội nhỏ chồng lên tín hiệu truyền.

- Nhược điểm : Thiết bị Doppler sóng liên tục không nhận biết được tọa độ củađiểm phản xạ

- Ưu điểm : Có thể đo được những vận tốc rất lớn mà phương pháp siêu âm xungkhông đo được

2.6.2 Kỹ thuật Doppler sóng xung – PW (Pulsed- Wave Doppler)

- Thiết bị Doppler sóng xung sử dụng để kiểm tra dòng chảy ở một độ sâu chotrước Thiết bị sử dụng một tinh thể áp điện, tinh thể này vừa làm nhiệm vụ phátvừa làm nhiệm vụ thu sóng siêu âm

- Các thiết bị Doppler sóng xung sử dụng nguyên tắc xác định khoảng tín hiệu dội

để cung cấp thông tin về độ sâu được định lượng theo dịch chuyển Doppler

- Độ sâu mẫu :

Các tín hiệu thu được chặn lại xử lý sao cho chỉ các tín hiệu dội được nhậntrong một khoảng thời gian ngắn sau khi phát xung, tương ứng với một độ sâu cụthể, đóng góp vào tín hiệu Doppler

Khối lấy mẫu

Thời gian trễ Cổng hoạt động

Thời gian trễ trước chặn dùng để xác định vị trí theo hướng dọc của khối lấy mẫu Thời gian chặn xác lập chiều dài theo đường trục của khối lấy mẫu

Thông số chặn có thể lựa chọn bởi người điều khiển do đó độ sâu và chiều dài củakhối lấy mẫu có thể điều chỉnh được.Thiết bị chỉ nhạy với những dòng chảy trongmột thể tích lấy mẫu nhỏ

Đầu dò

8 .cosk

c v

z f θ

= (2.18)

2.6.3 Kỹ thuật Doppler màu.

Tạo ảnh dòng chảy màu là một dạng quét mới, nó kết hợp ảnh mức xám vớibiểu đồ hai chiều về thông tin dòng chảy trong thời gian thực

Tín hiệu Doppler được sử dụng để tạo ra màu sắc trên hình ảnh siêu âm haichiều Kỹ thuật Doppler màu được sử dụng để xác định các mạch máu cần kiểmtra, hình dạng và hướng của dòng chảy, góc giữa chùm siêu âm và mạch máu để đovận tốc ở những vị trí xác định

- Nguyên lý

Các thiết bị Doppler màu sử dụng nguyên lý cổng thu, thông tin được thunhận từ rất nhiều các thể tích lấy mẫu Thông tin Doppler được thu nhận từ mỗicổng được chuyển đổi thành tín hiệu màu chồng lên hình ảnh tương ứng trên hìnhsiêu âm hai chiều Một vận tốc đơn đại diện tại mỗi vị trí lấy mẫu được mã hóabằng màu sắc hoặc cường độ ánh sáng

 Dòng chảy hướng về phía đầu dò được mã hóa màu đỏ

 Dòng rời xa đầu dò được mã hóa màu xanh

 Dòng chảy rối được mã hóa bằng màu xanh lá cây

Hình 2-8 Hình ảnh dòng chảy với Doppler màu

- Nhược điểm của thiết bị

 Muốn có chất lượng màu chi tiết thì tốc độ tạo ảnh phải chậm lại và muốn

có tốc độ tạo ảnh cao thì chất lượng màu lại bị giảm

 Hạn chế trong việc phát hiện và hiển thị các mạch máu nhỏ li ti-mao nơi diễn ra sự trao đổi khí ở mức tế bào

mạch-2.6.4 Doppler năng lượng

Trong một vài năm gần đây, người ta dùng siêu âm năng lượng (Power Doppler) để khảo sát độ lớn biên độ của tín hiệu Doppler – độ lớn của sóng phản

hồi và tán xạ trở về đầu dò từ các phần tử chuyển động trong vùng khảo sát

- Nguyên lý

Sự mã hóa màu dựa trên tính toán độ lớn biên độ của tín hiệu Doppler và cácdòng chảy thể hiện bằng một gam màu duy nhất, trong đó độ sáng tối của vùngmàu phụ thuộc vào độ lớn của năng lượng tán xạ trở về từ vùng đó (tương ứng làmật độ và kích thước của các phần tử đang chuyển động và tạo ra các tán xạ này)

- Ưu điểm

Giá trị trung bình của năng lượng của biên độ không phụ thuộc vào hướng củavector vận tốc nên độ nhạy của thiết bị cao hơn so với trường hợp sử dụng Dopplermàu Ngoài ra, Doppler năng lượng còn có độ khuếch đại cao do tín hiệu nhiễu chủ

yếu là do các chuyển động của mô nên có biên độ thấp, không phụ thuộc vào góc

θ và không có hiện tượng ảnh giả (loại màu sắc) do không xét đến tần số

- Nhược điểm

Kỹ thuật Doppler năng lượng không xác định được hướng của dòng chảy và

bị hạn chế ở các vùng sâu do đặc tính giảm âm của môi trường truyền âm

- Ứng dụng : Doppler năng lượng được ứng dụng trong những lĩnh vực chính sau :

2.7.1 Kiểm tra tín hiệu dội

Tín hiệu dội nhận được cần được đánh giá xem liệu các mặt phản xạ cóchuyển động hay không Điều này được thực hiện nhờ so sánh pha của tín hiệu dộivới tín hiệu tham chiếu Tín hiệu tham chiếu có cùng tần số và cùng pha so vớixung truyền nhưng được kéo dài về thời gian sao cho tín hiệu thu được có thể được

so sánh với dạng sóng truyền ban đầu

- Với mặt phản xạ đứng yên thì pha không đổi

- Với mặt phản xạ chuyển động thì có sự dịch pha

Trong đó:

ωs = 2 π f s

ωD = 2 π f D

θ: Độ lệch pha, phụ thuộc vào khoảng cách giữa vật phản xạ so với

đầu phát và cũng chính là đầu thu

- Khi cho hai tín hiệu nhân với nhau ta có:

- Tín hiệu thu được cần phải xử lý tiếp do các tín hiệu phản xạ từ thành mạch (gây

nên hiệu ứng đập thành ) có biên độ lớn hơn nhiều tín hiệu tán xạ từ các tế bào

máu chuyển động (>= 40-50dB) Các tín hiệu phản xạ do hiệu ứng đập thành cótần số Doppler thấp vì thế cần sử dụng bộ lọc thông cao để loại bỏ

2.7.3 Phân biệt chiều dòng chảy.

- Trong khảo sát mạch máu, hướng của dòng chảy có ý nghĩa khá quan trọng Đểphân biệt chiều dòng chảy có 3 phương pháp chính sau:

 Phương pháp tách sóng đơn biên (Side-band filtering).

 Phương pháp tách sóng phách (Offset carrier demodulation).

 Phương pháp tách sóng cầu phương (In-phase/quadrature demodulation).

- Xác định chiều dòng chảy:

 Khi ωD>0 , vector vận tốc sẽ hướng về phía đầu thu.

 Khi ωD<0 , vector vận tốc hướng ra xa đầu thu.

a Phương pháp tách sóng đơn biên.

Đây là phương pháp đơn giản nhất bằng cách sử dụng 2 bộ lọc thông dải Tínhiệu RF thu được cho qua hai bộ lọc thông dải, bộ lọc thứ nhất cho qua các tần sốtrong khoảng ω ω ω ωs < < s+ m, còn bộ lọc thứ hai cho qua các tần số trong khoảng

ω ω − < < ω ω

Đầu ra của mỗi bộ lọc đều được đưa vào bộ nhân sau đó cho qua các bộ lọc

âm tần Kết quả cho hai tín hiệu riêng biệt tương ứng với các chuyển động hướng

về hay ra xa đầu thu

Hình 2-9 Phương pháp tách sóng đơn biên.

b Phương pháp tách sóng phách.

Để phát hiện chiều dòng chảy, cho tín hiệu thu được nhân với tín hiệu chuẩn

kết hợp với tín hiệu bù (offset) Kỹ thuật này rời dịch chuyển Doppler tới một

- Khi đó dịch chuyển Doppler được tính bởi :

f D = −f r (f s− f1 ) (2.26)

Tín hiệu bù cho phép hiển thị chuyển động về phía đầu thu f r < f s với các tần

số nhỏ hơn f1 và chuyển động ra xa đầu thu f r > f s với các tần số lớn hơn f1

Hình 2-10 Phương pháp tách sóng phách.

c Phương pháp tách sóng cầu phương.

Trong phương pháp này, tín hiệu thu sẽ được đem cho qua hai bộ nhân riêng

 Khi ω >D 0 thì q t f( ) sẽ chậm pha π / 2 so với i t f( )

 Khi ω <D 0 thì q t f( ) sẽ sớm pha π / 2 so với i t f( )

Hình 2.11 Phương pháp tách sóng cầu phương.