NGUYÊN LÝ VÀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM DOPPLER doc

• Khác với siêu âm B-mode, máy không xử lý tín hiệu sóng phản hồi thành hình ảnh, mà chỉ ghi nhận sự thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler xảy ra khi chùm sóng siêu âm phát ra gặp các hồ

"People only see what they are prepared to see."

Ralph Waldo Emerson

NGUYÊN LÝ VÀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM

DOPPLER

BS NGUYỄN QUANG TRỌNG

(Last update 05/07/2011)

02/08/2011 2

MỤC TIÊU BÀI GIẢNG

• Hiểu được hiệu ứng Doppler.

• Ứng dụng hiệu ứng Doppler vào trong siêu âm.

• Nắm được các kỹ thuật, thao tác điều chỉnh trên máy khi thực hiện siêu âm Doppler.

• Phân tích được các phổ và âm thanh thu được.

NỘI DUNG

• Hiệu ứng Doppler

• Các hệ thống Doppler

• Hiện tượng vượt ngưỡng

• Kỹ thuật siêu âm Doppler

• Vài cas minh hoạ

• Phân tích phổ Doppler

• Kết luận

docteurtrong@yahoo.com ,

doctortrong@yahoo.com ,

02/08/2011 4

HIỆU ỨNG DOPPLER

• Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 bởi nhà toán học và vật lý học

người Áo (Austrian mathematician and physicist) Christian Johann Doppler

(1803-1853)

• Lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao

đang chuyển động: Khi ngôi sao tiến lại gần quả đất thì ánh sáng của nó sẽ

chuyển thành màu xanh (tức là bước sóng giảm và tần số của sóng ánh sáng

tăng lên) Ngược lại, khi ngôi sao đi xa quả đất thì ánh sáng của nó chuyển

thành màu đỏ (tức là bước sóng tăng lên và tần số giảm xuống).

Định nghĩa: “Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của

sóng khi có sự dịch chuyển tương quan giữa nguồn

phát sóng và người quan sát, tần số sóng phản hồi tăng

lên khi nguồn phát sóng và/hoặc người quan sát tiến lại gần nhau, tần số này sẽ giảm xuống trong trường hợp

ngược lại”.

02/08/2011 6

• Một hình ảnh quen thuộc đó là khi ta nghe tiếng còi

xe cấp cứu ở xa với âm trầm (do tần số thấp), khi xe chạy lại gần thì ta nghe âm bỗng (do tần số cao).

• Hoặc là khi ta nghe tiếng tàu hỏa ( ) từ xa chạy lại rồi chạy qua:

• Khác với siêu âm B-mode, máy không xử lý tín

hiệu sóng phản hồi thành hình ảnh, mà chỉ ghi

nhận sự thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler xảy

ra khi chùm sóng siêu âm phát ra gặp các hồng cầu

chuyển động trong mạch máu đang tiến lại gần đầu

dò hoặc đi xa đầu dò.

• Sóng âm gồm có hai thành phần:

tần số (frequency) và biên độ

(amplitude).

• Tần số (f) sóng âm liên quan đến

độ dài bước sóng (wavelength) λ

theo công thức:

f = V(velocity) / λ (wavelength)

• Vận tốc sóng âm đi qua hầu hết

các mô trong cơ thể với vận tốc

1.540m/giây Do vậy khi thay đổi

độ dài bước sóng thì tần số sóng

âm cũng thay đổi.

02/08/2011 10

• Sóng âm được truyền đi (transmitted-T) từ một đầu dò Doppler xung với một tần số hoặc bước sóng cố định Tần số của sóng âm sẽ không thay đổi nếu như các

cấu trúc mà nó gặp trên đường đi không chuyển động.

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Chuyển động của các tế bào máu làm thay đổi tần số của sóng phản hồi trở về (reflected-R) đầu dò Nếu chuyển động của

dòng máu hướng về đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ tăng lên

và bước sóng ngắn lại Ngược lại, nếu dòng máu chuyển động

xa đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ giảm và độ dài bước sóng tăng.

- ∆F: tần số Doppler

- Fo: tần số của sóng phát đi

- Fr: tần số của sóng phản hồi

- v: vận tốc của dòng máu

- c : tốc độ của sóng âm truyền trong cơ thể (#1540m/s)

- α: góc giữa chùm tia siêu âm và mạch máu

02/08/2011 14

• Từ công thức trên ta rút ra:

- Tần số Doppler ∆F tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy.

- ∆F có trị số lớn nhất khi chùm tia song song với dòng chảy (cos α =1)

Khi chùm tia vuông góc với dòng chảy thì sẽ không có tín hiệu Doppler (cos α = 0)

- Với đầu dò phát với tần số 2-8MHz thì ∆F thu được nằm trong phạm vi

tần số mà tai người nghe được (50Hz-15KHz).

- Vận tốc dòng chảy được tính theo công thức:

W Schaberle Ultrasonography in Vascular Diseases p1-27 2005

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

• Doppler liên tục (continuous wave-CW).

• Doppler xung (pulsed wave-PW)

• Tín hiệu Doppler xung.

• Doppler màu (color Doppler).

• Tín hiệu Doppler màu.

• Doppler năng lượng (power Doppler).

• Duplex và Triplex sonography.

W Schaberle Ultrasonography in Vascular Diseases p1-27 2005

• Ưu điểm: Doppler liên tục đo

được vận tốc dòng máu rất lớn

(mà điều này thường thấy

trong tình trạng bệnh lý).

• Nhược điểm: Nó không ghi

được tốc độ tại 1 điểm xác

02/08/2011 18

• Khi chùm sóng âm xuyên

qua hai mạch máu cạnh

nhau (hai động mạch hoặc

W Schaberle Ultrasonography in Vascular Diseases p1-27 2005

• Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng

quét của đầu dò, song chỉ những xung phản hồi từ vị trí đặt

cửa sổ (gate, sample volume) là được ghi nhận và xử lý.

02/08/2011 22

TÍN HIỆU DOPPLER XUNG

• Tín hiệu Doppler thu nhận được thể hiện dưới dạng

âm thanh, dạng phổ và hình ảnh.

• Dưới dạng âm thanh, ta có thể phân biệt được dòng chảy êm dịu, liên tục của tĩnh mạch ( ); dòng chảy phụt gọn, cách khoảng của động mạch ( ); dòng chảy phụt kéo dài, thô ráp của động mạch bị hẹp ( ).

02/08/2011 24

• Ta phóng đại một phổ Doppler để phân tích:

– Hộp xanh chỉ một điểm thời gian trong chu kỳ tim – Những hộp màu vàng biểu hiện độ lớn của các tần

số riêng biệt.

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Vào một thời điểm xác định (hộp hồng) các tín hiệu Doppler có tần số khác nhau được biểu hiện bằng những vị trí khác nhau trên phổ Doppler (các mũi tên)

• Thông thường cứ mỗi 5-10ms, lại có tín hiệu Doppler được mã hoá để hình thành phổ Doppler.

02/08/2011 26

• Sự khác nhau về biên độ biểu hiện bằng độ sáng trên thang độ xám Với cùng một tần số, biên độ sóng càng cao thì phổ càng sáng.

Arthur Fleischer, MD et al Color Power Doppler Ultrasound 1999

• Theo qui ước, khi dòng máu đi về phía đầu dò thì ta có phổ dương (phía trên trục X); ngược lại, khi dòng máu đi xa đầu dò thì ta có phổ âm (phía dưới trục X).

02/08/2011 28

Tuy vậy, cần lưu ý rằng phổ Doppler có thể đảo ngược hoàn toàn nếu

ta ấn vào nút “invert” trên bàn phím máy siêu âm!

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER MÀU (COLOR DOPPLER)

• Đó là tín hiệu Doppler xung được mã hóa màu sắc

phủ lên hình siêu âm hai chiều.

• Trong khi ở Doppler xung chỉ có 1 vị trí đặt cửa sổ

(gate), thì ở Doppler màu có rất nhiều vị trí đặt cửa

sổ ở kế cận nhau trên vùng khảo sát.

02/08/2011 30

• Thông tin Doppler thu nhận được từ mỗi vị trí đặt

cửa sổ được phân tích để xác định hướng dòng chảy

và tốc độ trung bình.

• Những thông tin này được chuyển đổi thành tín

hiệu màu chồng lên hình ảnh siêu âm hai chiều.

• Tuỳ theo chất lượng của máy siêu âm, trên mỗi đường tạo ảnh có khoảng 32 đến 128 vị trí lấy mẫu (gate) hoặc nhiều

hơn, do vậy để có được thông tin chính xác, ta để hộp màu

(color box, sample volume) vừa đủ bao trùm vùng cần

khảo sát Khi để hộp màu quá lớn, máy phải chia sẻ khả

năng xử lý dữ liệu, và do đó chất lượng hình ảnh và thông tin thu được sẽ kém đi.

02/08/2011 32

• Với đầu dò convex, ở vùng xa đầu dò, các vị trí lấy mẫu (gate)

sẽ thưa ra do sự phân kỳ của chùm tia siêu âm, do vậy sẽ có

những vị trí không có thông tin Doppler Để khắc phục hiện

tượng này máy sẽ làm phép tính trung bình của 2 vị trí lấy mẫu cạnh nhau để tạo thông tin Doppler cho vùng khuyết chen

giữa.

• Dòng chảy hướng về đầu dò được mã hóa màu đỏ; ngược lại, chạy xa đầu dò được mã hóa màu xanh.

02/08/2011 34

Tín hiệu màu thu được sẽ chồng lên hình siêu âm 2D, cho

ra hình siêu âm màu.

02/08/2011 36

TÍN HIỆU DOPPLER MÀU

• Với dòng chảy lớp thì vận tốc khá đồng nhất, trong khi với dòng chảy cuộn xoáy thì có nhiều vận tốc và hướng chảy khác nhau; do

đó nếu chỉ mã hóa hai màu xanh-đỏ thì sẽ bỏ sót thông tin mà tín hiệu Doppler đem lại Để khắc phục điều này người ta mã hóa thêm các màu thể hiện bằng sơ đồ dưới đây (thêm màu vàng và màu lục lam):

02/08/2011 38

• Vì Doppler màu chỉ sử dụng tần số trung bình, nó có

thể biểu hiện cả hướng (nhờ màu - color) và tần số trung bình (nhờ sắc màu - hue) của dòng chảy trong

cùng một ô vuông (pixel).

Arthur Fleischer,M.D et al Color Power Doppler Ultrasound.1999.

02/08/2011 40

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DOPPLER NĂNG LƯỢNG (POWER DOPPLER)

• Doppler màu đánh giá tốt sự hiện diện và chiều của dòng chảy, tuy vậy nó không thể đánh giá được các mạch máu nhỏ li ti (mao mạch) Do đó không thể đánh giá tốt sự tưới máu tại các mô.

• Doppler năng lượng ra đời, chỉ khảo sát độ lớn của tín hiệu Doppler mà không quan tâm đến chiều của dòng chảy.

• Với Doppler màu, trong hộp màu (color box, sample volume) hiện diện đồng thời các vector vận tốc ngược hướng nhau, do vậy giá trị trung bình của vận tốc sẽ nhỏ đi, thậm chí bị triệt tiêu.

• Với Doppler năng lượng thì hoàn toàn không phụ thuộc vào các vector vận tốc, do vậy nó có độ nhạy cao hơn nhiều so với Doppler màu, đồng thời nó cũng dễ có sảo ảnh do chuyển động hơn.

02/08/2011 42

• Khác với Doppler xung thể hiện tất cả các biên độ,

Doppler năng lượng chỉ thể hiện biên độ trung bình

(MEAN amplitude) và cho màu hồng trên hình thu

được bất kể dòng máu đến hay đi xa đầu dò

Arthur Fleischer,M.D et al Color Power Doppler Ultrasound.1999.

• Với Doppler năng lượng, màu được mã hóa để biểu hiện có

hay không có dòng chảy Nó không cho biết hướng của dòng chảy

02/08/2011 44

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

DUPLEX SONOGRAPHY

• Sự kết hợp hình ảnh siêu âm hai chiều (cung cấp thông tin

về cấu trúc giải phẫu, vị trí đặt cửa sổ, góc α) và Doppler

xung (cung cấp thông tin về dòng chảy) được gọi là Duplex

sonography.

02/08/2011 46

CÁC HỆ THỐNG DOPPLER

TRIPLEX SONOGRAPHY

• Sự kết hợp hình ảnh siêu âm hai chiều (cung cấp thông tin

về cấu trúc giải phẫu, vị trí đặt cửa sổ, góc α), Doppler màu

và Doppler xung (cung cấp thông tin về dòng chảy) được gọi

là Triplex sonography.

HIỆN TƯỢNG VƯỢT NGƯỠNG

(ALIASING PHENOMENON)

• Trong Doppler xung có một yếu tố gọi là tần số lập lại xung (Pulse Repetition Frequency-PRF):

PRF=C/2d

+C: Tốc độ sóng siêu âm trong cơ thể.

+d: Chiều sâu của mạch máu.

• Như vậy PRF là số lần mỗi giây mà chùm siêu âm đi-về giữa đầu dò và mạch máu.

02/08/2011 48

• PRF được tính bằng kHz

• Các tín hiệu Doppler xung chỉ được thu nhận tốt khi

có tần số bằng hoặc thấp hơn PRF/2 Tần số giới hạn

này gọi là tần số NYQUIST.

• Khi tín hiệu Doppler xung có tần số vượt tần số

NYQUIST thì sẽ xảy ra hiện tượng vượt ngưỡng.

Lúc này phổ Doppler xung sẽ bị cắt cụt, Doppler màu

sẽ xuất hiện thêm sắc vàng ngoài hai màu xanh - đỏ.

02/08/2011 50

• Hiện tượng này được giải thích như sau: Ví như ta có 1 bánh

xe, trên bánh xe có đánh dấu 1 điểm Ta quay bánh xe theo

chiều kim đồng hồ với tốc độ ¼ vòng/giây.

• Nếu ta ghi nhận hình ảnh một lần mỗi giây (tương đương với tần số lập lại xung – PRF) thì điểm đánh dấu sẽ chuyển động

theo chiều kim đồng hồ, cách nhau 900 .

02/08/2011 52

• Nếu ta ghi nhận hình ảnh với tần suất chậm hơn, chỉ một lần cho mỗi 3 giây (tương đương với tần số lập lại xung – PRF) thì sẽ có hiện tượng lạ xảy ra: Trong lúc bánh xe quay theo

chiều kim đồng hồ thì điểm đánh dấu lại chuyển động ngược

chiều kim đồng hồ, cách nhau 900.

KỸ THUẬT SIÊU ÂM DOPPLER

• Để có một kết quả siêu âm Doppler đáng tin cậy, các

BS làm siêu âm Doppler cần phải biết cách điều

chỉnh các nút chức năng của máy để cho ra kết quả

tốt nhất.

• Ngoài ra, chất lượng của máy cũng là điểm đáng lưu

ý vì nó ảnh hưởng không ít đến kết quả siêu âm.

• Tuy vậy, ta cần phải nắm vững kỹ thuật siêu âm

Doppler để cho ra kết quả tốt nhất.

02/08/2011 54

• Các kỹ thuật bao gồm:

– Kỹ thuật tránh hiện tượng vượt ngưỡng.

– Điều chỉnh thang tốc độ màu.

– Điều chỉnh độ lọc thành.

– Điều chỉnh góc α.

– Điều chỉnh kích thước và hướng cửa sổ.

– Điều chỉnh kích thước và hướng của hộp màu.

– Điều chỉnh gain phổ và gain màu.

KỸ THUẬT TRÁNH HIỆN TƯỢNG VƯỢT NGƯỠNG

1 Chuyển dịch đường nền (baseline) lên trên hoặc xuống

dưới tùy thuộc phổ thu được.

2 Tăng PRF: máy thu tín hiệu nhiều lần trên đường đi về của sóng âm.

3 Giảm ∆F bằng cách giảm tần số đầu dò (với đầu dò đa tần số), đổi đầu dò có tần số thấp hơn.

02/08/2011 56

Chỉnh baseline để tránh

aliasing phổ.

02/08/2011 62

PRF = 04 kHz PRF = 10 kHz

02/08/2011 64

PRF quá cao: bỏ sót tín hiệu màu ở cạnh thành mạch PRF đúng

PRF quá thấp: Aliasing

Đầu dò 7-7,5 MHz Đầu dò 2,8-3,5 MHz

02/08/2011 68

Người ta dựa vào hiện tượng vượt ngưỡng để nhận biết chỗ hẹp của mạch máu !

ĐIỀU CHỈNH THANG TỐC ĐỘ MÀU (color velocity scale)

- Nếu thang tốc độ màu đặt thấp hơn vận tốc trung bình của

dòng máu thì ta không thể phân biệt được đâu là dòng bình

thường đâu là dòng cuộn xoáy tốc độ cao.

- Nếu thang tốc độ màu đặt cao hơn vận tốc trung bình của

dòng máu thì hiện tượng aliasing có thể biến mất, lúc đó ta sẽ bỏ sót chỗ hẹp

- Ở chỗ mạch máu gần tắc tốc độ dòng máu rất thấp, lúc này ta cần giảm thang tốc độ màu xuống thật thấp (có máy có thể

giảm đến 1 cm/s) để tránh dương tính giả của tắc mạch Nếu vẫn không thấy được dòng chảy thì cần phải làm thêm CTA, MRA hoặc Angiography trước khi kết luận tắc mạch hoàn toàn.

02/08/2011 70

Huyết khối tĩnh mạch cửa ?

(các đầu mũi tên)

Sau khi điều chỉnh thang tốc độ

Chỉnh thang tốc độ màu quá thấp (maximum velocity=08cm/s)

Paul L Allan et al Clinical Doppler Ultrasound 2 nd Edi 2006

02/08/2011 76

02/08/2011 78

Thang tốc độ màu chỉnh quá thấp Thang tốc độ màu chỉnh quá cao

Thang tốc độ màu chỉnh đúng

Thang tốc độ màu thấp Æ thấy được dòng chảy hẹp, ngoằn ngoèo ÆChẩn đoán chính xác là gần tắc chứThang tốc độ màu cao Æ bỏ sót

dòng chảy vận tốc thấp ?

02/08/2011 80

ĐIỀU CHỈNH ĐỘ LỌC THÀNH (wall filter):

- Ta dùng chức năng lọc thành (wall filter) nhằm mục đích loại bỏ tín hiệu tần số thấp do thành mạch chuyển động tạo thành Thế

nhưng khi độ lọc thành đặt quá cao, dòng chảy gần thành có tốc độ thấp sẽ bị bỏ sót.

- Độ lọc thành được biểu thị ở vùng giữa thang tốc độ màu.

- Trên máy, độ lọc thành kết hợp cùng với PRF trên một nút chức năng Khi ta tăng PRF, độ lọc thành tăng theo và ngược lại

- Ở các máy tốt hơn, ngoài nút chức năng PRF, độ lọc thành còn được điều chỉnh riêng biệt :

+Với các máy này, khi ta giảm PRF thì độ lọc thành giảm theo

và ngược lại

02/08/2011 82

Máy có nút chức năng chung cho PRF và độ lọc thành, ta xoay nút theo chiều

kim đồng hồ nếu muốn điều chỉnh tăng PRF và wall filter và ngược lại

Điều chỉnh PRF từ 3.4kHz xuống 1,7kHz, vận tốc màu giảm từ 25cm/s xuống 12cm/s, đồng thời độ lọc thành cũng giảm từ 262Hz xuống còn 135Hz.

02/08/2011 84

Máy có nút chức năng PRF và nút chức năng riêng cho độ lọc thành

Máy đang hiển thị nút đo chức năng PRF, ta xoay nút theo chiều

kim đồng hồ nếu muốn điều chỉnh tăng PRF và ngược lại

Để điều chỉnh riêng độ lọc thành, ta nhấn nút điều chỉnh, máy sẽ chuyển sang

02/08/2011 86

Điều chỉnh độ lọc thành (wall filter) từ 790Hz xuống 262Hz,

PRF và vận tốc màu không thay đổi

Phổ đảo dòng ở TMC do tăng áp lực TMC Huyết khối TMC (các

mũi tên) ?

Giảm vận tốc màu, giảm độ lọc thành xuống thấp Æ xuất hiện dòng chảy trong TMC Æ không

có huyết khối

02/08/2011 90

ĐIỀU CHỈNH GÓC α

Để tính chính xác vận tốc dòng chảy thì góc α luôn luôn < 600

(độ sai số chấp nhận được).

• Hình dưới đây minh họa tầm quan trọng của việc lấy góc α:

– Được biết vận tốc thực sự của dòng máu qua van ĐMC là 2m/s

– Khi góc α = 100, vận tốc đo được là 1,97m/s

– Khi góc α = 300, vận tốc đo được là 1,73m/s

– Khi góc α = 600, vận tốc đo được là 1,00m/s

02/08/2011 92

02/08/2011 94

ĐIỀU CHỈNH KÍCH THƯỚC VÀ HƯỚNG CỦA CỬA SỔ

- Cửa sổ quá nhỏ sẽ bỏ sót tín hiệu Doppler

- Cửa sổ đúng:

+ Với khảo sát hệ tĩnh mạch, các động mạch nhỏ: cửa sổ lấy hết đường kính mạch máu (cố gắng thu nhận tối đa tín hiệu dòng chảy) + Với khảo sát các động mạch lớn: cửa sổ lý tưởng chiếm 1/3

đường kính mạch máu và đặt ở 1/3 giữa của lòng mạch (loại bỏ tín hiệu dòng chảy thấp ở hai bên thành mạch).

+ Riêng với cuống rốn, cửa sổ được đặt bao trùm cả ĐM lẫn TM rốn: vì trong một số tình trạng bệnh lý điều này giúp ta phát hiện phổ TM rốn đập.

- Để chẩn đoán hẹp mạch máu ta phải chỉnh hướng của cửa sổ song song với hướng của dòng chảy (chứ không phải song song với thành mạch) để cho trị số PSV và EDV đúng nhất Tuy nhiên,

với khảo sát Doppler trong sản-phụ khoa thì ta thường quan tâm đến trị số RI, trị số này không bị ảnh hưởng bởi hướng của cửa

sổ cho nên ta không cần điều chỉnh.