03 nguyen ly sieu am TS hoai

f C: tốc độ truyền của sóng S.A trong một môi trường vật chất : bước sóng f: tần số của sóng S.A  Khi tần số tăng lên, bước sóng sẽ giảm đi, vì vậy độ phân giải sẽ tăng lên khi dùng

CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN

SIÊU ÂM

TS.BS NGUYỄN THỊ THU HOÀI

 Hiệu ứng áp điện trên tinh thể thạch anh (quartz): được phát hiện cuối thế kỷ 19

 Cuối những năm 30 của thế kỷ 20: SA mới được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp sau đó là trong y học

 Dussik (1932): người đầu tiên ứng dụng SA trong y học để khảo sát về não

 Nhờ những thành tựu đạt được về RADAR SONAR trong đại chiến thế giới II, từ những năm 50 hàng loạt các công trình nghiên cứu về sử dụng siêu âm trong y học đã ra đời

 Satomura (năm 1957): dùng hiệu ứng Doppler - Siêu âm

để đo tốc độ dòng chảy của máu

LỊCH SỬ

Vào những năm 60: siêu âm chẩn đoán hai bình diện - kiểu B tĩnh

Thập kỷ 70: công nghệ điện tử - mạch tổ hợp, mạch vi xử

lý -> đã ra đời các máy SA với thời gian thực: Kiểu B động

Sự kết hợp của phương pháp siêu âm - kiểu B động và phương pháp đo dòng chảy bằng hiệu ứng Doppler đã tạo

ra kiểu tạo ảnh tô màu dòng chảy trên nền ảnh hai bình diện đen/ trắng (phương pháp tạo ảnh màu)

Là một bước tiến quan trọng trong SA, mở rộng phạm vi thăm khám, đặc biệt là trong thăm khám tim mạch, với những công cụ tính toán qua các phần mềm và kết nối với máy tính

- Dao động, hay sóng được đặc trưng bởi các đại lượng :

Tần số f: số dao động trong một đơn vị thời gian - đơn vị Herz - Hz

1kHz = 1000Hz, 1MHz = 1.000.000 Hz Chu kỳ T: thời gian giữa hai đỉnh liên tiếp.

f = 1/T.

Biên độ : Độ lớn cực đại giữa hai đỉnh.

Bước sóng  : Quãng đường đi được trong thời gian một chu kỳ.

 Siêu âm: là một loại dao động cơ học:

 Tần số dưới 20 Hz : Hạ âm

 Tần số trong khoảng 20Hz - 20.000Hz : Âm tần - âm thanh

nghe được.

 Tần số lớn hơn 20.000Hz : Siêu âm.

 Đối với S.A, về mặt năng lượng, chia ra làm ba dải nhỏ:

 20kHz - 1MHz: Dùng trong công nghiệp và điều trị.

Trong S.A chẩn đoán, thường dùng hai dạng sóng :

 Dạng sóng liên tục: Dao động hình sin liên tục

 Dạng sóng xung: Dao động hình sin ngắt quãng

CÁC DẠNG SÓNG SIÊU ÂM

 Độ dài xung (pulse duration) : thời gian phát

xung

 Chu kỳ lặp lại của xung (pulse repetition period) :

thời gian giữa hai lần phát xung.

 Tần số lặp lại của xung (pulse repetition

frequency - PRF ): nghịch đảo của chu kỳ lặp lại của xung.

 Trong phương pháp đo tốc độ dòng máu bằng

hiệu ứng Doppler - phương pháp Doppler: dùng sóng S.A liên tục.

 Trong phương pháp tạo ảnh S.A hai chiều, sóng

S.A được phát ngắt quãng - sóng xung.

 Tốc độ truyền của sóng: quãng đường đi được trong một đ/v thời gian Tốc độ truyền liên quan đến tần số và bước sóng của sóng S.A theo công thức:

C =  f

C: tốc độ truyền của sóng S.A trong một môi trường vật chất

: bước sóng

f: tần số của sóng S.A

 Khi tần số tăng lên, bước sóng sẽ giảm đi, vì vậy độ phân giải

sẽ tăng lên khi dùng đầu dò có tần số cao.

 Tốc độ truyền thay đổi tuỳ thuộc vào môi trường vật chất mà sóng truyền qua

TỐC ĐỘ TRUYỀN CỦA SÓNG SIÊU ÂM

TỐC ĐỘ TRUYỀN CỦA SÓNG SIÊU ÂM

TRONG MỘT SỐ MÔI TRƯỜNG

 Cường độ: cường độ của sóng S.A được biểu thị bằng Watt (năng lượng) trên đ/v diện tích cm2

 Cường độ phụ thuộc vào tốc độ truyền và mật độ vật chất của môi trường truyền

 Cường độ suy giảm khi truyền trong môi trường nhưng tần số của sóng vẫn giữ nguyên không đổi

CƯỜNG ĐỘ CỦA SÓNG SIÊU ÂM

 Cường độ S.A tương đối: Là một đại lượng tương đối,

được đo bằng dB

 dB bằng 1/10 của B (bel), là logarit cơ số mười của tỷ số giữa hai cường độ của hai chiều S.A (hoặc một chùm S.A tại các thời điểm khác nhau hay vị trí trong không gian khác nhau)

B = log 10 I 1 / I 0

 dB có thể dương hay âm

Nếu dB dương, chứng tỏ năng lượng được tăng lên

Nếu dB âm: năng lượng bị suy giảm

CƯỜNG ĐỘ CỦA SÓNG SIÊU ÂM

CƯỜNG ĐỘ CỦA SÓNG SIÊU ÂM

SỰ TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM TRONG

MỘT MÔI TRƯỜNG VẬT CHẤT

 Trong môi trường đồng nhất

 Trong môi trường không đồng nhất

 Môi trường đồng nhất: chỉ có một loại vật chất, được đặc trưng bởi thông số  là mật độ của vật chất tạo nên môi trường.

 Khi truyền trong môi trường, cường độ của sóng sẽ bị suy giảm Năng lượng bị tiêu tán sẽ chuyển thành nhiệt lượng (làm nóng môi trường)

TRUYỀN SÓNG S.A TRONG MÔI TRƯỜNG ĐỒNG

NHẤT

Gọi I0 là cường độ của sóng tại điểm A và Ix là cường độ của

nó tại điểm B cách A một khoảng là x thì sự liên hệ sẽ là:

I o = I x e * ( -.x )

 là hệ số hấp thụ, đặc trưng cho một loại môi trường

Hệ số  phụ thuộc vào tần số của sóng truyền, nhiệt độ

của môi trường truyền

Hệ số  tỷ lệ thuận với tần số, nghĩa là khi tần số tăng, hệ

số  cũng tăng.

Do đó cường độ sẽ bị suy giảm nhanh trên cùng một

quãng đường truyền so với sóng S.A có tần số thấp hơn.

Hệ số  có thể biểu thị qua dB/cm với một tần số nhất

HỆ SỐ HẤP THỤ CỦA MỘT SỐ CHẤT TRONG CƠ THỂ

 Trở kháng âm:

 Là một đại lượng vật lý cơ bản đặc trưng cho một môi trường vật chất mà sóng S.A truyền qua

 Trở kháng âm z được biểu thị qua mật độ vật chất 

và tốc độ truyền của sóng S.A trong môi trường đó:

TRỞ KHÁNG ÂM CỦA MỘT SỐ CHẤT THƯỜNG GẶP

TRONG CƠ THỂ

- Mặt phân cách giữa hai môi trường đồng nhất: Mặt phân cách giữa hai môi

trường có trở kháng âm khác nhau Ví dụ, giữa môi trường nước và không khí

(1.54/0.0004), máu và thận (1.61/1.62).

HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ VÀ PHẢN XẠ

 Khi sóng S.A truyền từ môi trường có trở kháng âm là z1 sang môi

trường có trở kháng âm là z2, trên mặt phân cách, có một phần sẽ phản

xạ lại, quay trở lại môi trường z1, một phần sẽ qua mặt phân cách để tới môi trường z2 - phần truyền qua

 Góc giữa chùm tia tới i và chùm phản xạ r, so với phương vuông góc với mặt phân cách là bằng nhau Góc của chùm tia truyền qua t và góc i

có mối liên quan với nhau qua biểu thức: Sin i / Sin t = C1/C2

 C1 và C2 là tốc độ truyền của sóng S.A trong môi trường 1 và môi

trường 2 (tương ứng có trở kháng âm là z1=1.c1 và z2 = 2.c2)

KHI CHÙM TIA TỚI VUÔNG GÓC VỚI MẶT PHÂN CÁCH

Đây chính là cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình S.A

 Chùm tia tới, chùm tia phản xạ và chùm tia truyền qua có cùng một phương.

 Năng lượng của chùm sóng S.A khi tới mặt phân cách bị chia làm hai phần, một phần là năng lượng phản xạ - quay trở về nguồn phát - và một phần là năng lượng truyền qua sẽ tiếp tục truyền vào môi trường.

 Trở kháng âm của hai môi trường càng khác nhau nhiều bao nhiêu thì phần năng lượng phản xạ sẽ càng lớn bấy nhiêu Điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong chẩn đoán S.A.

 Chú ý: Sóng phản xạ cũng như sóng truyền qua vẫn giữ nguyên cùng tần số với sóng tới.

KHI CHÙM TIA TỚI VUÔNG GÓC VỚI MẶT PHÂN CÁCH

 Thực tế các cơ quan cũng như tổ chức có đường bao và cấu trúc rất phức tạp

 Nếu mặt phân cách không hoàn toàn phẳng: ngoài hiện tượng phản xạ và hiện tượng truyền qua, còn xảy ra hiện tượng tán xạ:

Ngoài chùm sóng đi theo cùng phương và ngược chiều với chùm sóng tới còn có các sóng phản xạ đi theo các phương khác nhau với năng lượng được phân bố trong không gian phụ thuộc vào góc sóng Tuy nhiên phần năng lượng này rất nhỏ.

 VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN VÀ HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN:

 Vật liệu áp điện: có tính chất đặc biệt: khi đặt một điện

trường lên nó, nó sẽ bị biến dạng, và ngược lại khi tác động một lực cơ học, trên vật liệu đó sẽ xuất hiện một điện trường

 Hiệu ứng trên được gọi là hiệu ứng áp điện

 Hiệu ứng này lần đầu tiên được Pierre và Jacques Curie

phát hiện năm 1880 trên loại vật liệu áp điện là thạch anh

ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

 Khi ta đặt một điện trường thay đổi lên một bản vật liệu

áp điện, bản này sẽ thay đổi theo đúng như sự thay đổi của điện trường

 Sự biến dạng theo chu kỳ này gây nên các sóng cơ học

 Nếu điện trường thay đổi với tần số f, sóng cơ học cũng

có hiện tượng tương tự

 Do đó muốn tạo nên sóng S.A với tần số định trước, ta phải tạo ra dao động điện trường có tần số đúng bằng tần số đã định trước của sóng S.A

NGUYÊN LÝ TẠO SÓNG S.A TRONG

MÁY S.A CHẨN ĐOÁN

Khi sóng S.A tới tác động lên bản vật liệu áp điện, hiệu ứng ngược xảy ra, ta thu được một điện trường thay đổi đúng bằng sự thay đổi của sóng S.A

TẠO ẢNH S.A QUA SÓNG S.A PHẢN XẠ

VỀ TỪ CÁC MẶT PHÂN CÁCH

 Đầu dò S.A: dụng cụ dùng để

phát ra sóng S.A khi đặt lên

đó một dòng điện xoay chiều,

sinh ra một dòng điện khi có

sóng S.A tác động lên nó

 Các dạng hình học, loại vật

liệu của các thành phần có

thể thay đổi tuỳ thuộc vào

loại đầu dò (đầu dò tuyến

tính, đầu dò cong ) và tần

số của đầu dò

ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

 Vật liệu áp điện: nhiều loại khác nhau, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học và cấu trúc của vật liệu.

 Cấu trúc này tuỳ thuộc vào nhiệt độ gia công vật liệu, được gọi là nhiệt độ Curie, là nhiệt độ mà tại đó vật liệu

sẽ mất tính áp điện -> Các đầu dò S.A thường không được khử trùng ở nhiệt độ cao (hấp tiệt trùng)

 Cấu trúc và thành phần hoá học của vật liệu sẽ quyết định độ rộng dải tần của đầu dò

ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

ĐỘ RỘNG DẢI TẦN CỦA ĐẦU DÒ S.A

CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG S.A

HỘI TỤ ĐIỆN TỬ VÀ HỘI TỤ CƠ HỌC

Có hai loại đầu dò thường dùng trong S.A chẩn đoán :

 Đầu dò đơn tử: có một phần tử áp điện Thường dùng trong S.A chẩn đoán kiểu A và đầu dò quét cơ khí Doppler xung, ví dụ S.A qua sọ (T.C.D - transcranial doppler).

 Đầu dò đa tử - loại đầu dò có nhiều phần tử áp điện Dùng cho S.A chẩn đoán kiểu B thời gian thực.

Với đầu dò đa tử có thể kết hợp giữa tạo ảnh đen trắng với phương pháp đo Doppler và tạo ảnh tô màu dòng chảy.

Với hình dạng đặc biệt, đầu dò đa tử còn được dùng trong thăm khám các khoang rỗng như đầu dò qua trực tràng, qua âm đạo, qua thực quản.

 Độ phân giải không gian có một vai trò quan trọng trong đánh giá chất lượng của hình ảnh S.A

 Độ phân giải trục (hay dọc)

 Độ phân giải ngang

 Độ phân giải theo bề dày lớp cắt

 Khi tín hiệu điện thu được từ sóng S.A phản xạ về qua đầu dò còn được tiếp tục xử lý điện tử trong máy S.A Vì vậy độ phân giải tổng thể bao gồm cả ảnh hưởng của đầu

dò và xử lý tín hiệu còn phức tạp hơn nhiều

CHẤT LƯỢNG CỦA HÌNH ẢNH S.A

AN TOÀN SIÊU ÂM Y HỌC

 Tác động nhiệt

 Tác động không nhiệt

 Nguyên lý ALARA

 Chỉ số suất âm

Thank you very much!