CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TẠO ẢNH SIÊU ÂM SÓNG BIẾN DẠNG 1.1 Nguyên lý về siêu âm chẩn đoán 1.1 Cơ sở vật lý của phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm Định nghĩa sóng siêu âm: Là các sóng hình sin tạo bởi những rung động cơ học trong môi trường vật chất (có thể đàn hồi, thay đổi hình dạng được). Siêu âm truyền năng lượng cơ học cho môi trường nhưng không ion hóa nó. [4] Tần số siêu âm thường được sử dụng để chẩn đoán y tế là từ 2 đến 15 MHz. Sóng siêu âm có thể được tạo ra bởi vật liệu có hiệu ứng áp điện.
Siêu âm là kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh sử dụng sóng siêu âm để chụp và nghiên cứu các cấu trúc bên trong cơ thể bệnh nhân. Phương pháp tạo hình ảnh bằng siêu âm dựa trên những đặc điểm sau của sóng âm. Tốc độ truyền của sóng âm Tốc độ truyền của sóng âm phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền âm. Trong cơ thể, chính tính chất vật lý của mô quyết định tốc độ lan truyền của sóng âm qua nó.1 ta thấy tốc độ thay đổi đáng kể.
Các dụng cụ siêu âm trong y khoa thường lấy tốc độ trung bình ước định của sóng siêu âm trong các tổ chức phần mềm là 1.1 Tốc độ lan truyền của các mô thường gặp [2] Tốc độ lan truyền của sóng âm liên quan tới tần số và bước sóng qua phương trình (1.1) Trong đó: c là tốc độ truyền sóng âm (m/s) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 𝑓 là tần số (Hz) 𝜆 là bước sóng (m) Tốc độ lan truyền là một giá trị đặc biệt quan trọng trong ứng dụng lâm sàng của siêu âm và mang tính quyết định để xác định khoảng cách từ đầu dò tới giao diện phản chiếu. Chính sự tính toán thời gian này giúp siêu âm thu thập thông tin. Một khi sóng siêu âm được truyền vào cơ thể, thời gian phản hồi được ghi nhận, có thể tính ra độ sâu của giao diện nơi tạo ra phản hồi (hình 1.2 Xác định độ sâu của của giao diện nơi tạo ra phản hồi[2] Độ chính xác của việc đo đạc này tùy thuộc vào sự chênh lệch nhiều hay ít giữa tốc độ ước định với tốc độ lan truyền thực sự của sóng âm trong mô khảo sát. Trở kháng âm Trở kháng âm (Z) là một đại lượng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở của môi trường, chống lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của môi trường theo phương trình (1.2) Trong đó: 𝜌 là mật độ của môi trường (kg/m3) 𝑐 là vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường (m/s) Z là trở kháng âm ( N·s/m³) Trở kháng âm trong môi trường có vai trò quyết định đối với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường.
Tại các giao diện giữa hai môi trường có độ chênh lệch lớn về trở kháng âm, ví dụ như giữa mô với khí hoặc với xương, năng lượng phản hồi gần như hoàn toàn, còn nếu độ khác biệt ít hơn, chỉ một phần năng lượng phản hồi, phần còn lại vẫn tiếp tục truyền qua. Tương tự tốc độ lan truyền, trở kháng âm lệ thuộc tính chất vật lý của mô mà sóng truyền qua. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Hiện tượng khúc xạ Một hiện tượng xảy ra khi sóng âm đi từ một mô này sang một mô khác mà tốc độ lan truyền trong môi trường sau cao hơn hoặc thấp hơn so với môi trường trước, đó là sự đổi chiều của hướng sóng tới.
Sự đổi chiều này gọi là khúc xạ tuân theo luật Snell: sin 𝜃𝑖 ⁄sin 𝜃𝑡 = 𝑐1⁄𝑐2 (1.3) Trong đó 𝜃𝑖 là góc tới, tạo bởi sóng tới tạo với giao diện, 𝜃𝑡 là góc khúc xạ, 𝑐1và 𝑐2 là tốc độ sóng âm lan truyền trong các mô tạo nên giao diện (hình 1.3 Hiện tượng khúc xạ [2] d.Hiện tượng phản xạ Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng âm truyền truyền theo phương thẳng. Khi nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có trở kháng âm khác nhau xảy ra hiện tượng phản xạ. Một phần năng lượng của chùm siêu âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai. Năng lượng phản xạ từ giao diện âm được xác định bằng hệ số phản xạ R.
Nếu chùm sóng tới thẳng góc với mặt phản xạ, năng lượng phản hồi được tính bằng phương trình (1.4) (𝑍2 + 𝑍1 )2 Trong đó Z2 và Z1 là trở kháng của các môi trường tạo nên giao diện. Hiện tượng tán xạ Hiện tượng tán xạ xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các bề mặt không đồng đều hoặc cấu trúc nhỏ có kích thước nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Khi đó tia siêu âm bị phân tán theo các hướng khác nhau và chỉ có một phần nhỏ sóng phản hồi truyền tới được đầu dò. Hiện tượng tán xạ không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và có vai trò quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tụy…).
Hiện tượng nhiễu xạ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 Hiện tượng nhiễu xạ: chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc vào bước sóng, khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra. Sự hấp thu của tổ chức và độ suy giảm của năng lượng tia siêu âm Khi sóng âm đi qua mô, nó sẽ mất năng lượng và biên độ của các sóng áp lực sẽ giảm dần khi sóng đi xa dần nguồn phát. Sự chuyển dịch năng lượng sang mô, cụ thể là nhiệt cùng với sự thất thoát năng lượng do phản hồi và khuếch tán đã tạo nên tình trạng giảm thấu.
Như vậy giảm thấu là hậu quả của tổng hợp các hiệu ứng hấp thu, tán sắc, nhiễu xạ và phản hồi. Độ giảm thấu lệ thuộc tần số của sóng tới cũng như bản chất của môi trường.5) Trong đó: 𝐼0 : là cường độ lúc ban đầu 𝐼𝑥 : Cường độ ở độ sâu X F: tần số sóng siêu âm X: Chiều dày của mô xuyên qua Sóng có tần số cao sẽ giảm thấu nhanh hơn sóng có tần số thấp và tần số của đầu dò là tiêu chuẩn quyết định độ sâu hữu ích mà siêu âm có thể thu nhập thông tin. Giảm thấu tác động lên hiệu quả xuyên thấu của sóng qua một mô nào đó (hình 1.4 Độ giảm thấu của các mô thường gặp [2] 1.2 Phương pháp tạo hình bằng siêu âm Đầu dò là thiết bị quan trọng trong siêu âm. Đầu dò phát chùm tia siêu âm vào trong cơ thể và thu nhận chùm tia siêu âm phản xạ.
Đầu dò siêu âm được chế tạo dựa trên nguyên lý áp điện. Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén và dãn tinh thể thạch anh theo một phương nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phương vuông góc với lực kéo, dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dòng điện được tạo thành, chiều của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn. Ngược lại khi cho một dòng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 14 điện xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số dòng điện và tạo thành dao động cơ học. [3] Cấu tạo cơ bản của một đầu dò siêu âm (hình 1.5) + Đầu dò siêu âm gồm nhiều chấn tử.
Mỗi chấn tử gồm một tinh thể áp điện được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần. Chiều dày của các tinh thể ảnh hưởng đến tần số đầu dò. Cứ sau mỗi xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng phản hồi. Độ lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán.
+ Đầu dò của máy siêu âm có nhiều dải tần số. + Các điện cực áp vào 2 mặt của tinh thể áp điện. + Lớp giảm rung để tạo ra một dao động tắt dần nhanh sau khi ngừng tác dụng xung điện. + Lớp đệm tăng cường khả năng truyền năng lượng xung siêu âm truyền ra ngoài (giảm sự hao tổn).5 Cấu tạo đầu dò1 Phân loại đầu dò: - Theo phương pháp quét: Các đầu dò điện tử, các đầu dò cơ khí.
- Theo hình dạng vùng quét: Đầu dò Linear, đầu dò Convex, đầu dò Sector như hình 1.net/dau-do-sieu-am-cau-tao-nguyen-ly-va-cach-lua-chon.html LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6 Ba loại đầu dò phổ biến 2 Đầu dò tuyến tính (Linear): Các chấn tử được xếp theo dạng thẳng, sóng âm được phát ra song song với nhau và tạo ra hình ảnh dạng hình chữ nhật. Lợi thế của dòng đầu dò này là cho ra hình ảnh siêu âm ở gần có độ phân giải cao. Vùng phủ sóng, tần số và các ứng dụng của đầu dò tuyến tính phụ thuộc vào việc sản phẩm dành cho hình ảnh 2D hay 3D. Đầu dò tuyến tính cho hình ảnh 2D có vùng phủ sóng rộng và tần số trung tâm của nó là 2,5Mhz - 12Mhz.
Sử dụng để khám mạch máu, tĩnh mạch, hình ảnh mạch máu, tuyến vú, tuyến giáp, phẫu thuật nội soi, mổ nội soi, đo độ dày của mỡ cơ thể và cơ bắp để kiểm tra chăm sóc sức khỏe hàng ngày và kiểm tra hội chứng đầu máy. Đầu dò tuyến tính cho hình ảnh 3D có vùng phủ sóng rộng hơn và tần số trung tâm 7,5Mhz - 11Mhz được sử dụng để đánh giá mô mềm và tuyến giáp. Nhược điểm của đầu dò Linear là mặt tiếp xúc rộng, do đó sẽ tạo ra hình ảnh không thật khi khảo sát ở những vùng góc cạnh, vì không khí chen vào chính giữa da và đầu dò.Ứng dụng: Siêu âm vùng bụng, sản phụ khoa, tuyến giáp, mạch gần bề mặt, nội soi phẫu thuật… Đầu dò lồi (Convex): Các chấn tử được xếp theo dạng cong cho phép có được hình ảnh với trường khảo sát rộng hơn và dạng quạt. Đầu dò lồi cho hình ảnh 2D có vùng phủ sóng tương đối rộng và tần số trung tâm của nó là 2,5 MHz - 7,5 MHz.
Đầu dò này được dùng khảo sát bụng, sản khoa, vùng chậu qua ngả bụng. Đầu dò lồi cho hình ảnh 3D có trường nhìn rộng và tần số trung tâm 3,5 MHz - 6,5 MHz, có thể sử dụng để kiểm tra bụng. Các loại đầu dò Convex kích thước nhỏ, tần số cao được ứng dụng trong thăm khám âm đạo và trực tràng. Đầu dò mảng pha (Sector - Phased Array): đặt tên theo sự sắp xếp tinh thể áp điện được gọi là mảng pha và nó là kiểu tinh thể được sử dụng phổ biến nhất.