Luận văn Những cơ sở kỹ thuật của siêu âm và ứng dụng của kỹ thuật đó trên thiết bị thực tế, khảo sát được một số ứng dụng thăm khám cụ thể

Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Kể từ khi siêu âm được ứng dụng vào trong y học (năm 1950) đến nay, trải qua nhiều tiến bộ về kỹ thuật trong chất lượng hình ảnh, siêu âm đã trở thành công cụ chuẩn đoán hình ảnh thông dụng và phổ biến trong các trung tâm y tế cũng như trong bệnh viện, khuyến cáo của tổ chức Y Tế Thế Giới đối với sự phát triển các phương tiện chẩn đoán hình ảnh ở các nước đang phát triển vẫn là ưu tiên đối với phát triển kỹ thuật siêu âm bởi sự hiệu quả, tiết kiệm và vô hại của nó. Phương pháp siêu âm chẩn đoán có những lợi thế nổi bật: khả năng ứng dụng rộng, thông tin chẩn đoán cao, gọn nhẹ và đặc biệt không gây tác dụng phụ. Trong vài thập niên tới tiềm năng này còn đẩy mạnh hơn nữa bởi hiệu quả của siêu âm chẩn đoán trong y học rất lớn lao. Với lợi thế được trang bị những kiến thức cơ bản về vật lý và y học trong 4 năm tại khoa Khoa Học Ứng Dụng trường đại học Bách Khoa, đồng thời được tạo điều kiện tiếp xúc thiết bị, được học hỏi kinh nghiệm từ những kỹ sư của nhà sản xuất thiết bị hãng Siemens. Tác giả đã có cơ hội tìm hiểu sâu về dạng chuẩn đoán hình ảnh phổ biến và hiện đại này. Cho nên mục tiêu chính của luận văn là khảo sát nghiên cứu những cơ sở và nguyên lí chung của thiết bị, tìm hiểu sơ đồ và những thành phần chính của thiết bị, tiến đến đánh giá các yếu tố tác động đến chất lượng hình ảnh và phạm vi ứng dụng của thiết bị. Với hướng tiếp cận đó, nội dung luân văn được chia thành 5 chương với nội dung như sau: ™ Chương 2 , 3 là nền tảng cơ sở của hệ thống siêu âm ™ Chương 4 trình bày về các thiết bị để ghi hình siêu âm: đầu dò, thiết bị xử lí… ™ Chương 5 khảo sát về thiết bị siêu âm của hãng Siemens và các ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh cụ thể: tim mạch, sản phụ khoa, thận,….đặc biệt là ứng dụng của siêu âm doppler mô trong khảo sát tim. ™ Chương 6 là giới hạn kỹ thuật của siêu âm Cuối cùng là kết luận về kết quả đạt được. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 2 CHƯƠNG 2.NGUYÊN LÍ, CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA SIÊU ÂM CƠ BẢN 2.1.Lịch Sử Ra Đời Của Siêu Âm Chẩn Đoán [3] Sóng âm làm một dạng sóng cơ học được truyền đi trong môi trường vật chất bằng cách truyền năng lượng từ phần tử này đến phần từ khác. Dải âm thanh ta nghe được có tần số từ 20Hz đến 20kHz. Còn với dải sóng âm có tần số lớn hơn 20kHz gọi là sóng siêu âm. Tuy nhiên do ở tần số cao, sóng siêu âm bị suy giảm rất nhanh khi truyền trong không khí nên siêu âm ít được ứng dụng hằng ngày. Mãi đến thế chiến II, người ta mới áp dụng tính chất truyền được trong nước của siêu âm vào việc phát hiện tàu ngầm, máy rà soát SONAR, nhưng trong giai đoạn này, siêu âm là bí mật quân sự nên mãi tới những năm 1950 mới được ứng dụng vào y học. Đó chính là công trình nghiên cứu của Howry về A-mode chẩn đoán phủ tạng Hình 2.1. Howry và thiết bị ông nghiên cứu về siêu âm và phát kiến của hai nhà bác học Igne Ender và Hert về việc ứng dụng sóng siêu âm để đo các hoạt động của tim vào năm 1954. Hình 2.2.Igne Ender và Hert với thiết bị siêu âm của mình Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 3 Song song với phát kiến của Irge và Hezt, giáo sư Ian Donald cùng với các cộng sự của ông ở bệnh viện Glasgow Royal Maternity Hospital ( GRMH ) tại GlasgowScotland đã lần đầu tiên ứng dụng sóng siêu âm vào việc chẩn đoán các sản phụ khoa và chính thức khẳng định sự an toàn của sóng siêu âm đối với thai nhi. Ngày 7/6/1958 công bố kết quả nghiên cứu “Ứng Dụng Xung Siêu Âm Trong Khảo Sát Ổ Bụng” được coi là một trong những tài liệu quan trọng nhất cho việc ứng dụng sóng siêu âm dùng trong chẩn đoán y tế Hình 2.3.Giáo sư Ian Donald Kế đó là các công trình công trình nghiên cứu và sản phẩm của giáo sư Kratochwil ( sinh năm 1928-Nhật) bắt đầu với với A-Mode (1968), B-mode (1972) và 3D (1990) Hình 2.4.Kratochwil và thiết bị của mình Từ đó trở đi kỹ thuật siêu âm có nhiều đổi mới, cải thiện về chất lượng hình ảnh cũng như mở rộng khả năng thăm khám trở thành công cụ chẩn đoán hình ảnh phổ biến. Ta sẽ tìm hiểu về đặc tính kỹ thuật của nó Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 4 2.2.Sự Hình Thành Của Sóng Âm Trong Môi Trường [1] Trong các môi trường rắn, lỏng, khí các phần tử trong môi trường liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành các môi trường đàn hồi, mỗi phần tử trong môi trường đều có một vị trí cân bằng bền. Khi ta tác động một lực lên một phần tử nào đó trong môi trường thì do lực liên kết mà các phần tử chung quanh, một mặt kéo phần tử đó về vị trí cân bằng, mặt khác cũng chịu lực tác động và cũng thực hiện dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác trong môi trường. Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi tạo thành sóng đàn hồi (hay sóng cơ). Do mỗi vị trí trong môi trường ở trạng thái bình thường đều có một mật độ phân tử ρ và một áp suất P cố định. Khi có một phần tử trong một môi trường dao động thì mật độ và áp suất tại vị trí đó sẽ thay đổi. Như vậy bản chất của sự lan truyền dao động là sự lan truyền của mật độ khối và áp suất P. Hình 2.5.Sự hình thành sóng âm trong môi trường Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ. Như ta đã biết sóng cơ phân loại theo phương dao động thì có 2 loại: sóng ngang và sóng dọc Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 5 Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường vuông góc với tia sóng, sóng này chỉ xuất hiện trong môi trường có tính đàn hồi về hình dạng, chỉ có ở vật rắn. Sóng dọc: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng, sóng này xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó sóng này truyền được trong các môi trường rắn, lỏng và khí. Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc. 2.3.Các đặc trưng chung của sóng âm [1] Hình 2.6. Biểu diễn sóng âm theo thời gian – Chu kỳ T (m/s): khoảng thời gian sóng siêu âm thực hiện một quá trình nén và dãn hay còn gọi là một dao động. – Tần số f (Hz): số chu kỳ thực hiện trong một giây. Mối liên hệ: T = 1/f = v/λ Sóng âm được chia thành 3 vùng tần số chính: ƒ Sóng âm có tần số cực thấp gọi là vùng hạ âm (infrasound) có tần số f < 16 Hz. Ví dụ: sóng địa chấn ƒ Sóng âm có tần số nghe được (audible sound) có: f =16-20kHz ƒ Sóng siêu âm (ultrasound) có f > 20kHz. Ví dụ: sóng âm phát ra từ con dơi. Chu kỳ Nén (tăng áp suất) Áp suất bình thường Dãn (tăng áp suất) Thời gian Biên độ Á p su ất kh ôn g kh í t(ms) Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 6 – Bước sóng λ (m): quãng đường mà sóng truyền đi được sau một chu kỳ. Hay còn gọi là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có dao động cùng pha. − Vận tốc truyền sóng v hoặc c (m/s): v = ρα./1 = ρ/B Trong đó: α: hệ số đàn hồi B = 1/α: suất đàn hồi (suất Yang) hay độ cứng của môi trường ρ: khối lượng riêng hay mật độ của môi trường (kg/m3) ρ càng lớn thì mật độ các phần tử trong môi trường càng nhiều, khả năng lan truyền dao động càng nhanh nên vận tốc càng lớn, tuy trong công thức thì ρ tỉ lệ nghịch với v nhưng dù ρ có tăng thì tỉ lệ B/ρ lại tăng nhiều hơn (trong thực nghiệm) nên vận tốc vẫn tăng theo ρ. Thực nghiệm vận tốc lớn nhất trong chất rắn rồi đến chất lỏng cuối cùng là chất khí. Bảng 2.1.Bảng mật độ và vận tốc truyền sóng âm trong các môi trường trong cơ thể Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 7 Để đặc trưng cho độ lớn của áp lực âm học mà các phần tử trong môi trường nhận được khi chịu tác động của nguồn phát sóng âm, người ta sử dụng hai đại lượng công suất P và cường độ I Công suất P (W hoặc mW): mức năng lượng truyền từ đầu dò vào môi trường. Thông thường năng lượng phát ra từ đầu dò trong siêu âm chẩn đoán từ 1 – 10 mW Cường độ I (W/cm2 hoặc mW/cm2 ): biểu thị năng lượng của sóng âm trên một đơn vị diện tích. Trong y tế, siêu âm ứng dụng ở hai lĩnh vực chính: − Siêu âm chẩn đoán (tạo hình bằng siêu âm): sử dụng tần số từ 2-30 MHz, sử dụng phổ biến dải số từ 2,5-10MHz. Ngoài ra người ta còn sử dụng các tần số khác trong các đầu dò chuyên biệt. Ví dụ: đầu dò siêu âm nội mạch (intraluminal) hoặc siêu âm da liễu (dermatological) sử dụng tần số lên đến 20-50 MHz − Siêu âm trị liệu: tạo hiệu ứng nhiệt, xoa bóp, kích thích cơ. Có thể dùng riêng hoặc kết hợp với điện trị liệu (trong các máy kích thích điện) để tìm Trigger (điểm phát bệnh – điểm gốc). Tần Vật liệu Mật độ (kg/m3) Vận tốc (m/s) Không khí 1,129 330 Phổi 300 600 Mỡ 924 1450 Nước 1000 1480 Mô mềm 1050 1540 Thận 1041 1565 Máu 1058 1560 Gan 1061 1555 Bắp thịt 1068 1600 Xương sọ 1912 4080 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 8 số thường dùng là 700 – 900 kHz tùy theo thế hệ máy. Công suất đầu dò 1- 4 W/cm2 (gấp cỡ 1000 lần so với siêu âm chẩn đoán). 2.4.Cơ Sở Vật Lý Và Kỹ Thuật Của Phương Pháp Tạo Hình Bằng Siêu Âm[1] Cơ sở chính của nó là sự phản hồi của siêu âm từ các tổ chức trong cơ thể, sự phản hồi này phụ thuộc vào: − Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường − Trở kháng âm của môi trường − Sự hấp thụ của tổ chức. − Thông số (f, λ) của sóng âm và cấu trúc hình học của tổ chức. 2.4.1. Tốc độ truyền của sóng âm: Rất phụ thuộc vào môi trường truyền. Từ bảng 1.1 ta thấy vận tốc truyền của sóng âm trong những môi trường khác nhau là rất khác nhau. Tốc độ trung bình của sóng âm trong các tổ chức mô mềm v ≈ 1540 m/s. Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về của sóng siêu âm ta có thể xác định rõ bề mặt phản xạ 2.4.2. Trở kháng âm của môi trường và các định luật truyền âm: Trở kháng âm z (rayls): chính là độ dội lại của sóng âm trong môi trường: z = v*ρ ; Trong đó: v (m/s): vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường; ρ (kg/m3): mật độ môi trường Trở kháng âm có vai trò quyết định đối với biên độ sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường Bảng 2.2.trở kháng âm của một số môi trường sinh học Môi trường Z (rayls) Không khí 0,0004.106 Phổi 0,18. 106 Mỡ 1,34. 106 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 9 Nước 1,48. 106 Gan 1,65. 106 Máu 1,65. 106 Thận 1,63. 106 Cơ 1,71. 106 Xương 7,8. 106 Âm được truyền theo những tia gọi là tia âm. Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ như tia sáng. ™ Phản xạ và khúc xạ: khi gặp mặt phân cách đủ lớn (>> λ) giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, tia âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ. Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai. Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm Δz giữa hai môi trường. Hệ số phản xạ K được tính theo công thức: K = Pr/Pi = [(Z2. cos θt – Z1. cos θi)2/( Z2. cos θt + Z1. cos θi)]2 Trong đó: θi: góc tới; θr: góc phản xạ; θt: góc khúc xạ Pr: Biên độ áp lực của sóng phản hồi Pi: Biên độ áp lực của sóng tới Z2 , Z1 : trở kháng âm của hai môi trường Có hai trường hợp sẽ xảy ra: − Th1: tia tới vuông góc với mặt phân cách: θi=θr=0.Lúc này sóng truyền qua cùng hướng với sóng tới. Khi đó hệ số phản xạ K = [(Z2- Z1)/( Z2+ Z1)]2 – Th2: góc tới θi ≠ 0. Theo định luật phản xạ θi = θr . Sóng truyền qua lúc này không còn cùng hướng với sóng tới và tạo một góc θt # θi , hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và được xác định bởi công thức: Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 10 Trở kháng khác nhau ít Trở kháng khác nhau nhiều Sin θt = (v2/v1) . sin θi (Do theo định luật khúc xạ: n1 sin θi = n2 sin θt => c/v1 sin θi = c/v2 sin θt => Sin θt = (v2/v1) . sin θi ; với c là vận tốc ánh sáng, n1 và n2 là chiết suất của hai môi trường) Nếu v2 > v1 => θt > θi khi góc tới θi đạt 900 thì góc khúc xạ θt đã vượt ngưỡng 900 khi đó không còn hiện tượng khúc xạ nữa mà sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, góc tới giới hạn tại giá trị góc khúc xạ đạt 900 khi đó sin θigh = v2/v1 (do sin θt =1). Khi θi ≥ v2/v1 thì sóng âm sẽ không khúc xạ được sang môi trường thứ hai bên kia mặt phân cách mà toàn bộ năng lượng được phản xạ trở lại môi trường thứ nhất. Ngoài ra dù v2 > v1 hay v2 < v1 mà góc tới θi ≈ 900 (tia tới gần như tiếp tuyến với mặt phân cách xảy ra đối với cấu trúc hình cầu và mặt cắt ngang cấu trúc ống) thì sóng âm chỉ trượt trên bề mặt phân cách mà không truyền tiếp vào môi trường thứ hai. Từ hai công thức trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai môi trường phụ thuộc vào ΔZ = Z2- Z1 giữa hai môi trường . ΔZ càng lớn thì năng lượng phản xạ càng lớn và chỉ một phần rất nhỏ năng lượng sóng siêu âm đi được xuống môi trường bên dưới mặt phân cách. Nếu ΔZ vừa đủ để nhận biết mặt phân cách phần lớn năng lượng sóng âm sẽ truyền được xuống dưới mặt phân cách và tiếp tục cho thông tin về cấu trúc bên dưới mặt phân cách. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 11 Hình 2.7. sự phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường Trong bảng trở kháng âm của các môi trường, ta thấy ΔZ giữa mô mềm và không khí hoặc mô mềm và xương rất lớn, do đó trong ghi hình siêu âm nếu sóng siêu âm gặp những mặt phân cách này thì hầu hết năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại, sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận được thông tin từ cấu trúc bên dưới mặt phân cách này, do đó trong siêu âm chẩn đoán phải dùng gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí. Hình 2.7. Một loại gel điển hình dùng trong siêu âm chẩn đoán ™ Sự tán xạ: Khi gặp các cấu trúc nhỏ (kích thước << λ) hoặc với bề mặt không đồng đều. Khi đó tia siêu âm sẽ bị tán xạ đi khắp các hướng và chỉ một phần rất nhỏ chắc chắn tới được đầu dò. Việc ghi nhận các tia tán xạ rất khó khăn nhưng chúng có một lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và rất quan trọng trong việc đánh giá các cấu trúc nhỏ như: độ đồng đều của nhu mô gan, tụy hay vách liên thất… 2.4.3.Sự hấp thụ của tổ chức và độ suy giảm của năng lượng tia siêu âm, khuyếch đại bù. Khi sóng âm truyền trong tổ chức thì biên độ và năng lượng của tia siêu âm bị suy giảm theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm: Ix = I0 exp(-μ.f.x) Trong đó: Ix là cường độ tia siêu âm tại độ sâu x, I0 là cường độ tại x = 0 μ: hệ số suy giảm âm của môi trường; f: tần số của sóng âm; x: độ sâu đạt tới Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 12 Từ công tính sự suy giảm ta thấy sự suy giảm phụ thuộc rất nhiều vào tần số, gần như tỉ lệ thuận với tần số. Sự phụ thuộc này là một hạn chế của siêu âm chẩn đoán vì tần số càng cao thì độ phân giải càng cao đồng thời độ suy giảm cũng cao do đó mà độ xuyên sâu càng kém. Nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lượng của tia siêu âm là: − Sự phản xạ và tán xạ trên tổ chức − Sự hấp thu của môi trường do một phần năng lượng của tia siêu âm bị chuyển thành năng lượng của các dao động nhiệt, nhưng đối với siêu âm chẩn đoán thì năng lượng này quá nhỏ và không thể gây ra các biến đổi về nhiệt độ. Mức độ suy giảm được tính theo công thức: D(dB hoặc dB/cm) = 10 log (Ix/I0) Ngoài ra đối với mô mềm có thể áp dụng công thức gần đúng: D(dB) = f (MHz) * z (cm) * μ Bảng 2.3.cho thấy sự suy giảm của sóng âm ở các môi trường khác nhau trong cơ thể Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 13 Từ bảng trên ta thấy năng lượng siêu âm bị giảm mạnh trong môi trường không khí và xương còn đối với mô mềm sự suy giảm này nằm trong khoảng 0,4 – 1 dB/cm. Năng lượng siêu âm càng vào sâu thì càng suy giảm (Ví dụ: khi vào sâu tới 20 cm, với đầu dò 3,5 MHz có μ ≈1 theo công thức tính thì D = 70 dB = 3162 lần). Như vậy những mặt phản xạ có Δz như nhau nếu nằm ở những độ sâu khác nhau sẽ cho tín hiệu có độ lớn khác nhau. Để khắc phục điều này ta phải dùng đến khuyếch đại bù theo độ sâu DGC (depth gain control) để tạo ảnh đồng nhất, ngoài ra còn điều chỉnh DGC khi thăm khám các bệnh nhân gầy, béo khác nhau và chọn lựa vùng khảo sát nông hay sâu… 2.4.4.Thông số của sóng âm và kích thước hình học của tổ chức Vật liệu Mật độ (kg/m3) Vận tốc (m/s) Khoảng cách năng lượng bị giảm nửa (cm), tại 2 MHz Độ suy giảm (dB/cm) với tần số 1 MHz, Không khí 1,129 330 0,08 1,7 Nước 1000 1480 380 0,002 Máu 1058 1560 15 0,1 Nước tiểu 1020 1535 0,0025 Mỡ 924 1450 0,4 Cơ 1040 1568 1÷0,6 0,7 Gan 1061 1555 0,6 Thận 1041 1565 0,5 Não 1030 1520 0,5 Da 1100 1950 1,0 Xương 1700÷9970 1700÷3600 0,7÷0,2 5 Mô mềm 1050 1540 5,1÷1 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 14 Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách do đó năng lượng phản xạ còn phụ thuộc vào kích thước của mặt phân cách và độ dài bước sóng của chùm tia. Sóng âm có tần số càng cao tức λ càng nhỏ thì càng dễ phát hiện và phân biệt các vật nhỏ nhưng khó mà vào được sâu. Người ta dùng khái niệm khoảng cách năng lượng giảm nửa (Half Power Distance) để chỉ khoảng cách năng lượng giảm đi còn một nửa. Cùng một loại đầu dò ở trong cùng điều kiện thì đại lượng này khác nhau đối với những môi trường khác nhau. 2.3.Nguyên Lý Tạo Ảnh[1] Đầu dò được kích thích bởi xung điện (chiều dài và cường độ có thể điều chỉnh được) . Khi phát xung âm lan truyền theo hướng của đầu dò vào môi trường do đặc tính của môi trường (ρ, B) ta sẽ xác định được vận tốc đồng thời sóng âm sẽ gặp các mặt phản hồi trên đường truyền tạo ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dò và thu nhận bởi đầu dò đó. 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. Khoảng thời gian cho sóng đi và về xác định bởi công thức: d = c* t/2 Trong đó: d là khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi; c (hay v) : vận tốc sóng âm trong môi trường; t/2: thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi. Đầu dò sẽ biến đổi sóng hồi âm thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng áp điện, tín hiệu này mang thông tin về độ lớn biên độ, thời gian tiếp nhận, các thông tin này sau đó được xử lý và thể hiện thành hình ảnh trên màn hình. Các hình thức thể hiện: ™ A – mode (Amplitude mode): tín hiệu hồi âm được thể hiện bằng xung hình gai trên dao động ký qua hệ thống trục tung và trục hoành, chiều cao xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí xung thể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi, thường được dùng trong đo đạc vì độ chính xác cao. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 15 Hình 2.8. thể hiện tín hiệu kiểu A-mode ™ B – mode (Brightness mode): tín hiệu hồi âm được thực hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của các chấm thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác định khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi. Hình 2.9. thể hiện tín hiệu kiểu B-mode ™ TM – mode (Time Motion mode): dùng để thể hiện sự chuyển động cùng phương với tia siêu âm của các vật thể theo thời gian bằng cách thể hiện hình ảnh B – mode theo diễn biến thời gian với các tốc độ quét khác nhau Nếu nguồn hồi âm đứng yên sẽ tạo ra đường thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồi chuyển động sẽ ra đường cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi. Trên màn hình thể hiện của TM – mode, biên độ chuyển động của mặt phản hồi được biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành với tốc độ quét đã được xác định ta có thể tính toán được vận tốc chuyển động của mặt phản hồi. Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 16 Hình 2.10. So sánh 3 kiểu thu nhận tín hiệu: A-mode, B-mode và TM-mode Phương pháp A – mode, B – mode và TM – mode gọi chung là siêu âm một chiều. Ưu điểm của 3 phương pháp là đơn giản, rẻ tiền, có thể xác định được chính xác vị trí của bề mặt phản xạ và trong kiểu TM có thể đo được biên độ chuyển động của vật thể theo phương song song với chùm tia siêu âm. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là không cho hình ảnh tổng thể của vật cần chẩn đoán và không đánh giá được các chuyển động có phương vuông góc với phương truyền của tia siêu âm. 2.4.Hình Ảnh Tĩnh Và Hình Ảnh Động[1] Hình ảnh tĩnh có từ thập niên 50 và 60: gọi là siêu âm 2 chiều, cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnh 2 chiều là B mode, tương ứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ thể và mỗi hướng của chùm tia thì trên màn hình ta có một đường tạo ảnh, phản ánh các mặt phản hồi được tạo ra bởi các cấu trúc cơ thể nằm trên đường truyền của tia siêu âm. Với hệ thống máy quét tĩnh, sự tổng hợp tất cả các đường tạo ảnh tương ứng với nhiều vị trí đặt đầu dò trên cơ thể theo nhiều hướng khác nhau trong cùng một mặt phẳng, sẽ tạo thành hình ảnh siêu âm phản ánh các cấu trúc giải phẫu theo thiết diện cắt ngang qua bởi mặt phẳng nói trên. Đây là hạn chế về mặt kỹ thuật, để có hình ảnh cắt khoanh lớp cơ thể thì phải mất rất nhiều thời gian và hình ảnh nhận được cũng chỉ là hình ảnh tĩnh. Tuy vậy nó cũng có ưu điểm là cho cái nhìn tổng thể về các cấu trúc và mối liên quan giữa các cấu trúc chỉ trên một hình. Vào những năm 60, để thực hiện sự tổng hợp nói trên, người ta phải dùng hệ thống cánh quét cấu tạo bởi các trục và khớp nối để điều khiển đầu dò. Các kiểu: A-mode, B-mode và M-mode Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 17 Hình 2.11. Siêu âm hình ảnh tĩnh dùng hệ thống cánh quét Hình ảnh động (từ thập niên 70): nhờ kỹ thuật quét chùm tia siêu âm và khả năng xử lí thông tin nhanh của máy điện toán đã ra đời thế hệ máy quét hình ảnh động (real time scanner) có thể nhìn thấy sự chuyển động tức thời (đặc biệt là ứng dụng trong tim mạch), tốc độ tạo hình (FR-Frame Rate) nhanh, tốc độ tạo hình thường dùng khoảng 25 hình/ giây. Có hai cách quét thường dùng: – Quét điện tử: dùng bộ điều khiển khóa điện tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thể sắp xếp kế cận nhau theo một thứ tự thời gian làm các tia siêu âm quét theo một phương nhất định. – Quét cơ học: các chấn tử quay quanh một trục hoặc dao động theo kiểu con lắc làm quét tia siêu âm. Hình 2.12.Hình ảnh quét theo thời gian thực năm1972 Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 18 Nhược điểm của máy ghi ảnh động là diện khảo sát (field of view) bị hạn chế, không cho hình ảnh tổng quát. Sự hạn chế này là do công thức: 1/FR = N*t = 2 N*d/c Với : FR: số hình trong 1s hay tốc độ ghi hình (hình/s); 1/FR: thời gian tạo một hình N: mật độ đường cho 1 hình; d: độ sâu khảo sát; t: thời gian cho tia siêu âm đi và về đến đầu dò hay thời gian tạo một đường hình (s) Thông thường ở độ sâu khảo sát 20 cm, với số đường tạo ảnh cho một hình là 150 thì số hình trong một giây không thể vượt quá 25 hình. Do đó, nếu sử dụng diện khảo sát rộng thì đòi hỏi mật độ đường tạo ảnh lớn để đảm bảo chất lượng hình ảnh, như thế làm tăng thời gian tạo nên một hình và đồng thời giới hạn tốc độ tạo hình của máy. Nhờ tiến bộ của vi xử lí, người ta đã tạo ra thế hệ máy vừa khảo sát trên diện rộng vừa có hình động gọi là siêu âm thời gian thực với trường nhìn mở rộng.( real time extended field of view) gọi tắt là real time EFOV, bằng cách vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình ảnh được tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt ứng với các vị trí của đầu dò, kết quả nhận được là một hình tổng quát vừa có tính động. Thực hiện nhờ sử dụng thuật toán Fuzzy-logic với sự xử lí cực nhanh của máy điện toán và bộ xử lí truyền thông đa phương tiện. Những năm gần đây nhờ với sự ra đời của siêu âm 3 chiều (3D) khảo sát được độ sâu của cấu trúc thăm khám hỗ trợ hiệu quả trong chuẩn đoán bệnh lý và siêu âm thời gian thực 4D (3 chiều không gian và một chiều thời gian) cho thấy sự chuyển động thật của em bé trong bụng thai phụ đã hoàn thiện tính năng chẩn đoán hình ảnh cho thiết bị siêu âm. Bộ biến đổi Tái tạo Thu nhận Trường tín hiệu Vật phát Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh 19 Hình 2.13.Quá trình hình thành hình ảnh 3D