Đồ án tốt nghiệp Y sinh Siêu âm chẩn đoán doppler

Đồ án tốt nghiệp Y sinh: Siêu âm chẩn đoán doppler viện Điện tử viễn thốngĐH Bách Khoa Hà Nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

PGS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội, 06/2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ

NỘI

-Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ĐẶNG MẠNH CƯỜNG Số hiệu sinh viên: 20050379 Khoá:50 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử y sinh 1 Đầu đề đồ án: ………

………

………

2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ……… ……

………

………

………

………

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………

……… …

………

……… …

………

……… …

………

………

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………

………

……… ……… …

………

5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………

………

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……….

………

7 Ngày hoàn thành đồ án: ………

………

Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:

Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:

Cán bộ phản biện:

1 Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2 Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án em thực hiện có thể tóm tắt như sau:

Chương 1: Cơ sở kỹ thuật siêu âm.

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm.

Chương 3: Hệ thống siêu âm chẩn đoán HDI 4000.

Chương 4: Quy trình vận hành kiểm tra sửa chữa và an toàn đối với thiết bị chẩn đoán HDI 4000.

THESIS’ SUMMARY

Content of my thesis can be summarized as follows:

Chapter 1: Base in ultrasound.

Chapter 2: Principles of operation of the ultrasound machine.

Chapter 3: System HDI 4000 diagnostic ultrasound.

Chapter 4: Operation process inspection and repair of safety for HDI 4000 diagnostic equipment.

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghiệp, dân dụng và y học Ví dụ trong công nghiệp người ta sử dụng siêu âm để thăm dò các khuyết tật trong các mối hàn kim loại hay để đánh sạch bề mặt vật liệu, còn trong dân dụng có thể sử dụng siêu âm để tìm luồng cá trong biển Tuy nhiên lĩnh vực em xin đề cập ở đây là vấn đề ứng dụng siêu âm trong y học Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong y học cho mục đích chẩn đoán và điều trị Đặc điểm của siêu âm trong y học là chúng không có tác động xấu đến cơ thể con người như trong X-Quang hay phóng xạ hạt nhân Chính vì thế mà siêu âm

đã và ngày càng chiếm một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩn đoán và điều trị Đồng thời do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số đã mở rộng khả năng ứng dụng của siêu âm chẩn đoán và chất lượng hình ảnh siêu âm ngày càng cao

Ở nước ta ngày nay các bệnh viện từ tuyến huyện đã được trang bị các thiết

bị siêu âm Ở các bệnh viện lớn cũng đã đưa vào sử dụng các máy siêu âm 3D cho phép tạo ảnh không gian ba chiều rõ nét có tác dụng đặc biệt trong thăm khám thai nhi

Tuy nhiên sự hiểu biết và khai thác thiết bị siêu âm còn có nhiều hạn chế do chúng ta gần đây mới đưa vào đào tạo các kỹ sư về chuyên nghành Điện tử y sinh chưa đủ cung cấp cho các bệnh viện hay các nghành khác có liên quan, đồng thời thiết bị siêu âm được đưa vào với mục đích chẩn đoán ngày càng nhiều Xuất phát

từ thực tế như vậy em đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung là: “Siêu âm chẩn

đoán Doppler” với hy vọng cùng các đồ án tốt nghiệp của các bạn làm tài liệu

tham khảo cho các bác sỹ, kỹ sư hay các kỹ thuật viên đang làm việc trong các bệnh viện hay các chuyên nghành có liên quan

Nội dung đồ án gồm bốn chương:

Chương 1: Cơ sở kỹ thuật siêu âm

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm

Chương 3: Hệ thống siêu âm chẩn đoán HDI 4000.

Chương 4: Quy trình vận hành kiểm tra sửa chữa và an toàn đối với thiết bị chẩn đoán HDI 4000

Em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đức Thuận đã tận tình hướng dẫn và động viên em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện tử y sinh và các bạn trong lớp

đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

THESIS’ SUMMARY 4

L I NÓI Ờ ĐẦ 4U M C L CỤ Ụ 7

DANH SÁCH CÁC T VI T T TỪ Ế Ắ 11

Chương 1 12

C S K THU T SIÊU ÂMƠ Ở Ỹ Ậ 12

1.1 Cơ sở vật lý siêu âm 12

1.1.1 B n ch t c a sóng âm.ả ấ ủ 12

1.1.2 Phân lo i sóng âm.ạ 13

1.1.3 Các tính ch t c a sóng siêu âm.ấ ủ 14

1.1.4 Tương tác c a siêu âm v i mô.ủ ớ 17

1.1.5 Hi u ng Doppler v các k thu t siêu âm Doppler.ệ ứ à ỹ ậ 25

1.1.6 ng d ng c a siêu âm trong y t Ứ ụ ủ ế 28

1.2 C s ph n c ng c a thi t b siêu âm.ơ ở ầ ứ ủ ế ị 32

1.2.1 C s t o sóng siêu âm.ơ ở ạ 32

1.2.2 C u t o ấ ạ đầu dò siêu âm dùng tinh th áp i n.ể đ ệ 35

1.2.3 Các phương pháp quét c a ủ đầu dò siêu âm 38

Chương 2 41

NGUYÊN LÝ HO T Ạ ĐỘNG C A MÁY SIÊU ÂMỦ 41

2.1 Máy quét chế độ A 41

2.1.1 Hi n th tín hi u d i.ể ị ệ ộ 41

2.1.2 Các th nh ph n c a h th ng.à ầ ủ ệ ố 43

Chương 3 59

H TH NG SIÊU ÂM CH N OÁN HDI 4000Ệ Ố Ẩ Đ 59

3.1 Tổng quan hệ thống siêu âm HDI 4000 59

3.1.1 Gi i thi u chung.ớ ệ 59

3.1.2 Đặ đ ểc i m k thu t.ỹ ậ 63

3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị 67

3.2.1 C u trúc c a h th ng.ấ ủ ệ ố 67

3.2.2 Ho t ạ động c a h th ng.ủ ệ ố 68

3.2.3 Ch c n ng, ho t ứ ă ạ động c a các kh i.ủ ố 69

3.3 Vị trí một số khối của hệ thống siêu âm HDI 4000 88

3.3.1 Panel v o ra.à 88

3.3.2 V trí các b ng m ch chính c a h th ng.ị ả ạ ủ ệ ố 89

Chương 4 91

QUY TRÌNH V N HÀNH KI M TRA S A CH A VÀ AN TOÀN Ậ Ể Ử Ữ ĐỐI V I THI T B Ớ Ế Ị CH N OÁN HDI 4000Ẩ Đ 91

4.1 Tác dụng sinh học và sự an toàn của thiết bị siêu âm chẩn đoán 91

4.1.1 N ng lă ượng chùm tia v cà ường độ chùm tia 91

4.1.2 Tác d ng sinh h c c a sóng siêu âm.ụ ọ ủ 93

4.1.3 S an to n c a các thi t b siêu âm ch n oán v nh ng khuy n cáo.ự à ủ ế ị ẩ đ à ữ ế 93

4.2 Các chú ý an toàn khi tiến hành bảo dưỡng kiểm tra thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000 94

4.2.1 An to n à đố ới v i máy móc 94

4.2.2 An to n v i n.à ề đ ệ 94

4.2.3 Các bi u tể ượng an to n.à 95

4.3 Thực hiện điều chỉnh quá trình vận hành của máy 96

4.3.1 Th c hi n quá trình kh i t o v ki m tra m n hình.ự ệ ở ạ à ể à 97

4.3.2 Th c hi n v ki m tra ch ự ệ à ể ế độ ạ ả t o nh 2D 99

4.3.3 Th c hi n ch ự ệ ế độ ạ ả t o nh 3D 101

4.4 Một số vấn đề về sửa chữa thiết bị siêu âm HDI 4000 102

4.4.1 M t s quy t c trong s a ch a.ộ ố ắ ử ữ 102

4.4.2 M t s hi n tộ ố ệ ượng thường g p v cách kh c ph c.ặ à ắ ụ 105

4.4.3 Ki m tra c u chì.ể ầ 111

4.4.4 Ki m tra nhi u i n t EMI v nhi u radio RFI.ể ễ đ ệ ừ à ễ 111

K T LU NẾ Ậ 112

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 113

DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH B NG BI UẢ Ể 10

Hình 1.1 Dao động sóng âm 13

Hình 1.2 Sóng d c v sóng ngang.ọ à 14

Hình 1.3 Bi u ể đồ ả ầ ố d i t n s sóng âm 14

Hình 1.4 Bước sóng 16

Hình 1.5 S ph n x gây b i sóng âm t i m t ph ng l n h n dự ả ạ ở ớ ặ ẳ ớ ơ ưới m t ộ góc vuông 18

Hình 1.6 S ph n x v khúc x ự ả ạ à ạ 19

Hình 1.7 Hi n tệ ượng tán x v i sóng tán x phát ra theo t t c các hạ ớ ạ ấ ả ướng 20

Hình 1.8 S m r ng c a m t chùm tia t m t ngu n nh ự ở ộ ủ ộ ừ ộ ồ ỏ 21

Hình 1.9 S nhi u x c a chùm sóng sau khi qua l nh ự ễ ạ ủ ỗ ỏ 21

Hình 1.10 Quan h ệ độ suy gi m - t n s v i các lo i mô khác nhau.ả ầ ố ớ ạ 22

Hình 1.11 nh hẢ ưởng c a t n s ủ ầ ố đế ựn s suy gi m.ả 23

Hình 1.12 Giao thoa gi a hai sóng t hai ngu n i m c a c m bi n ph ng.ữ ừ ồ đ ể ủ ả ế ẳ 23

Hình 1.13 M t sóng v hình d ng chùm tia t o ra b i sóng ph ng i qua khe h ặ à ạ ạ ở ẳ đ ở 24

Hình 1.14 Hình d ng chùm tia siêu âm.ạ 24

Hình 1.15 N ng lă ượng chùm tia siêu âm t p chung ch y u trong không gian gi i h n ậ ủ ế ớ ạ b i m t b m t.ở ộ ề ặ 25

Hình 1.16 Doppler liên t c.ụ 26

Hình 1.17 Doppler xung 27

Hình 1.18 30

a) Hình nh t o nên nh chùm siêu âm truy n qua tả ạ ờ ề ương t nh t o nh X quang trong ự ư ạ ả ch n oán.ẩ đ 30

b) Hình nh t o nên nh chùm siêu âm ph n x t các m t phân gi i ả ạ ờ ả ạ ừ ặ ớ đố ượi t ng kh o ả sát v i môi trớ ường xung quanh 30

Hình 1.20 ng d ng hi u ng Doppler trong o t c Ứ ụ ệ ứ đ ố độ dòng máu 32

Hình 1.21 Phương pháp t o siêu âm b ng v t li u t gi o.ạ ằ ậ ệ ừ ả 33

Hình 1.22 Hi u ng áp i n.ệ ứ đ ệ 34

Hình 1.23 Phát v thu sóng siêu âm.à 34

Hình 1.24 Phương pháp thu sóng siêu âm 35

Hình 1.25 Phương pháp hi n th nh siêu âm.ể ị ả 35

Hình 1.26 C u trúc ấ đầu dò 36

Hình 1.27 S c ng hự ộ ưởng trong tinh th ể 37

Hình 1.28 Đường i c a xung siêu âm gi a c m bi n v m t ph n x đ ủ ữ ả ế à ặ ả ạ 38

Hình 1.29 Tín hi u ph n h i t các m t ph n x có ệ ả ồ ừ ặ ả ạ độ sâu khác nhau 39

Hình 1.30 Xung gi i i u ch các m t ph n x gi ng nhau ả đ ề ế ặ ả ạ ố ở độ sâu khác nhau 39

Hình 1.31 Hi n th A-Scan không có v có b AGC.ể ị à ộ 40

Hình 2.1 Đường i c a xung gi a c m bi n v m t ph n x đ ủ ữ ả ế à ặ ả ạ 42

Hình 2.2 Đường i c a xung gi a hai m t ph n x đ ủ ữ ặ ả ạ 42

Hình 2.3 Quét hình ch ế độ A v hi n th à ể ị 42

Hình 2.4 S ơ đồ kh i máy quét ch ố ế độ A 43

Hình 2.5 Đầu ra kh i t o tín hi u PRF.ố ạ ệ 43

Hình 2.6 Nguyên lý l m vi c bù suy gi m theo th i gian.à ệ ả ờ 45

Hình 2.7 H n th ch ể ị ế độ A khi TGC t t (a) v khi TGC m (b).ắ à ở 45

Hình 2.8 ng d ng lâm s ng c a máy quét ch ứ ụ à ủ ế độ A 46

Hình 2.9 So sánh m n hình ch à ế độ A v B.à 47

Hình 2.10 Quét hình ch ế độ B k t h p.ế ợ 48

Hình 2.11 S ơ đồ kh i máy quét ch ố ế độ 48 B Hình 2.12 Máy quét ch ế độ B Máy quét ch ế độ A c b n ơ ả đượ ảc c i bi n thêm bao ế g m c n quét, máy phát nh v v m n hình l u tr ồ ầ đị ị à à ư ữ 49

Hình 2.13 S ơ đồ kh i máy siêu âm ch ố ế độ B hi n th CRT.ể ị 51

Hình 2.14 Nguyên lý l m vi c c a à ệ ủ đầu dò m ng tuy n tính.ả ế 53

Hình 2.15 Nguyên lý l m vi c c a à ệ ủ đầu dò Convex 55

Hình 2.16 Nguyên lý l m vi c c a à ệ ủ đầu dò m ng pha.ả 56

Hình 2.17 S ơ đồ kh i máy siêu âm c b n.ố ơ ả 58

Hình 3.1 Hình nh t ng quan c a máy siêu âm HDI 4000.ả ổ ủ 60

Hình 3.2 S ơ đồ panel i u khi n v b n phím đ ề ể à à đẩy kéo 61

Hình 3.3 S ơ đồ núm nút trên Panel i u khi n.đ ề ể 62

Hình 3.4 S ơ đồ kh i c a h th ng siêu âm HDI 4000.ố ủ ệ ố 70

Hình 3.5 S ơ đồ đường d li u gi a các kh i.ữ ệ ữ ố 71

Hình 3.5 S ơ đồ kh i l a ch n ố ự ọ đầu dò 72

Hình 3.6 B t o chùm tia BF0-BF3.ộ ạ 74

Hình 3.7 S ơ đồ kh i ch c n ng c a b x lý tín hi u Doppler.ố ứ ă ủ ộ ử ệ 75

Hình 3.8 S ơ đồ kh i b x ký tín hi u s DSP PCB.ố ộ ử ệ ố 79

Hình 3.9 S ơ đồ kh i c a b chuy n ố ủ ộ ể đổi quét s ố 80

Hình 3.10 S ơ đồ kh i cung c p tín hi u Video.ố ấ ệ 82

Hình 3.11 S ơ đồ kh i cung c p tín hi u âm thanh.ố ấ ệ 83

Hình 3.12 S ơ đồ phân ph i cáp ngu n.ố ồ 85

Hình 3.13 S ơ đồ kh i ngu n cung c p.ố ồ ấ 87

Hình 3.14 Panel k t n i v o ra phía sau.ế ố à 89

Hình 3.15 V trí các b ng m ch chính.ị ả ạ 89

Hình 3.16 V trí c a b l a ch n i n c c.ị ủ ộ ự ọ đ ệ ự 90

Hình 3.17 Chi ti t v front care cage.ế ề 90

Hình 4.1 Phân lo i cạ ường độ theo th i gian:ờ 92

Hình 4.2 V trí nút ngu n c a h th ng.ị ồ ủ ệ ố 97

Hình 4.3 M n hình kh i à ở động 98

Hình 4.4 M n hình CONTRACT.à 99

Hình 4.5 M n hình BRIGHTNESS.à 99

Hình 4.6 M n hình MAIN MENU.à 99

Hình 4.7 M n hình SETUP.à 103

Hình 4.8 M n hình sau khi kích Diagnostics.à 103

Hình 4.9 M n hình sau kích Service Diagnostics.à 104

Hình 4.10 Danh sách các m c ch n oán.ụ ẩ đ 104

Hình 4.11 K t q a hi n th khi ta ch n System Enviroments.ế ủ ể ị ọ 105

Hình 4.12 Minh ho ạ động tác tháo l p c u chì.ắ ầ 111

DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH HÌNH VẼ 8

B ng 1.1 ả Đặc tính c a các môi trủ ường khác nhau 15

B ng 3.1: ả Đặ đ ểc i m v t lý c a h th ng v gi i h n.ậ ủ ệ ố à ớ ạ 66

B ng 3.3: Gi i h n nhi t ả ớ ạ ệ độ độ ẩ m c a thi t b ủ ế ị 67

Ngu n i n áp xoay chi u k t n i tr c ti p t i ngu n cung c p, bao g m c panel ồ đ ệ ề ế ố ự ế ớ ồ ấ ồ ả i u khi n phía sau Ngu n cung c p ho t ng i n áp 115 ho c 230Vac B ng 3.5 đ ề ể ồ ấ ạ độ ở đ ệ ặ ả a ra i n áp u ra c a ngu n cung c p đư đ ệ đầ ủ ồ ấ 86

B ng 4.1 D i cả ả ường độ siêu âm c a m t s thi t b siêu âm ch n oán.ủ ộ ố ế ị ẩ đ 92

B ng 4.2 M t s h ng hóc thả ộ ố ỏ ường g p v cách kh c ph c.ặ à ắ ụ 105

B ng 4.3 L i kh i ả ỗ ở động h th ng v cách kh c ph c.ệ ố à ắ ụ 107

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng việt

EFOV Extended field of view Siêu âm thời gian thực tới trường nhìn mở rộng

Chương 1

CƠ SỞ KỸ THUẬT SIÊU ÂM

1.1 Cơ sở vật lý siêu âm.

1.1.1 Bản chất của sóng âm.

Trong vật lý phổ thông chúng ta đã biết những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi (rắn, lỏng, khí) được gọi là những sóng cơ Chúng ta coi môi trường đàn hồi gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường các

phần tử môi trường dao động quanh những vị trí cân bằng bền, nhưng khi có ngoại lực tác dụng lên một phần tử nào đó của môi trường thì nó làm cho phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền Tuy nhiên do tương tác với các phần tử xung quanh nên một mặt phần tử này chịu lực tác động của các phần tử xung quanh kéo về vị trí cân bằng bền, một mặt nó lại tác động tới các phần tử xung quanh làm các phần tử này cũng thực hiện dao động Kết quả là có dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi, dao động đó gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.

Hình 1.1 Dao động sóng âm.

Đặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trường vật chất

là sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình vận chuyển vật chất trong môi trường Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phương truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng

1.1.2 Phân loại sóng âm.

Người ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng Thí dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò

xo chính là sóng dọc Âm thanh là một dạng sóng dọc Sóng dọc truyền được trong chất rắn, lỏng và khí

Hình 1.2 Sóng dọc và sóng ngang.

Toàn bộ dải tần số của sóng âm được chia thành 3 vùng chính:

- Sóng âm tần số cực thấp (Infrasound): Đây là dải tần số dưới ngưỡng nghe thấy gọi là vùng hạ âm f < 16 Hz

- Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): Với sóng âm trong dải tần số f = 16

Hz đến 20 KHz

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20 KHz.

Hình 1.3 Biểu đồ dải tần số sóng âm.

1.1.3 Các tính chất của sóng siêu âm.

Ở hai phần trên, ta thấy sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con người không thể nghe được , tần số của chúng > 20000Hz Và như thế sóng âm nói chung và sóng siêu âm nói riêng không phải là bức xạ điện từ như ánh sáng hoặc tia

X Bức xạ điện từ bao gồm các trường điện và từ thay đổi hợp với nhau một góc vuông và chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng, tuy nhiên sự truyền âm trong chân không là không thể vì ở đó không có các phần tử để truyền dao động

Dao động siêu âm được đặc trưng bởi các tham số sau đây:

a) Vận tốc sóng.

Vận tốc sóng là quãng đường sóng truyền đi được sau một đơn vị thời gian Trong lý thuyết đàn hồi, người ta có chứng minh được trong môi trường đẳng hướng, vận tốc sóng dọc bằng:

α : hế số đàn hồi là đại lượng đặc trưng cho sự giảm thể tích của môi trường khi có

lực tác động lên môi trường Môi trường càng dễ giảm thể tích thì hệ số đàn hồi càng cao

ρ: tỷ khối của môi trường còn gọi là khối lượng riêng của môi trường hay mật độ

môi trường, là khối lượng các hạt môi trường trên một đơn vị thể tích Khi tỷ khối tăng thì có nhiều số lượng các hạt chứa trong một thể tích đã cho, các hạt với số lượng lớn hơn sẽ yêu cầu lực lớn hơn để tạo ra chuyển động phân tử, và cũng cần một lực lớn hơn để dừng chúng lại Vì vậy nếu xét trên cơ sở tỷ khối thì ta thấy tốc

độ siêu âm trong xương (tỷ khối cao) sẽ thấp hơn trong không khí (tỷ khối thấp)

α

β = 1 : gọi là suất đàn hồi (suất Young).

Từ công thức trên ta thấy nếu tăng tỷ khối mà hệ số đàn hồi giữ không đổi thì tốc độ âm thanh sẽ giảm Hệ số đàn hồi và tỷ khối của một môi trường cụ thể lại phụ thuộc lẫn nhau, sự thay đổi tỷ khối thường đi đôi với sự thay đổi khả năng nén giảm thể tích và ngược lại Tuy nhiên khả năng nén giảm thể tích thay đổi rất nhanh, nên nó trở thành yếu tố ảnh hưởng lớn trong công thức (1.1) Tổng kết chúng ta thấy rằng khi tỷ khối tăng tốc độ âm thanh đi qua môi trường cũng tăng, dù

có ngoại lệ song đối với các đối tượng chụp siêu âm (không khí, phổi, mỡ, mô mềm, xương) thì điều trên vẫn đúng Bảng 1.1 đưa ra tốc độ âm thanh trong một số

tổ chức của cơ thể

Bảng 1.1 Đặc tính của các môi trường khác nhau.

Vật liệu Tỷ khối(kg / m3) Tốc độ âm

thanh(m / s)

Trở kháng âm(

s m

kg/ /

106 2 )

Theo bảng ta thấy tốc độ âm thanh trong không khí là 330m/s, trong xương

là 4080m/s Xương có tỷ khối cao hơn không khí nhưng khả năng nén là yếu tố chính để phát hiện mối tương quan giữa các tốc độ âm, do xương có khả năng nén kém hơn không khí, nên vận tốc âm thanh trong xương cao hơn trong không khí.b) Chu kỳ và tần số

Chu kỳ là thời gian thực hiện một dao động, đơn vị là giây (s)

Tần số là số chu kỳ thực hiện trong 1s, đơn vị là Hz

Giữa tần số và chu kỳ có quan hệ như sau:

Trở kháng âm Z là đơn vị đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi trường, nó là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản xạ sóng siêu âm của môi trường hay cũng gọi là độ vang hay độ dội của sóng siêu âm.

ρ

v

Trở kháng âm có đơn vị là rayl Bảng 1.1 đã chỉ ra trở kháng âm của một số

môi trường sinh học

e) Hệ số suy giảm âm

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm suy giảm sóng siêu âm của một chất đồng nhất Để minh hoạ hiện tượng hấp thụ của sóng âm trong môi trường chất

ta xét mẫu vật dày 1cm (L=1), trong đó công suất ra bằng 1/2 năng lượng khi đi vào môi trường Hệ số suy giảm α được xác định bằng 10 lần logarit cơ số 10 của tỉ số công suất ra Pe so với công suất tới Pt, tất cả chia cho quãng đường siêu âm đi qua L:

L P

P t

e)log(

L A

A t

e)log(

10

=

1.1.4 Tương tác của siêu âm với mô.

Trong siêu âm chẩn đoán hình ảnh ta thu nhận được chủ yếu dựa trên năng lượng phản xạ chứ không phải năng lượng truyền qua như trong chụp X quang chẩn đoán Đầu dò làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm sau đó phát hiện ra năng lượng phản

xạ Một sóng siêu âm được định hướng chiếu thẳng tới cơ thể để tương tác với mô Kết quả của tương tác này được ghi lại cho chẩn đoán dưới dạng các sóng siêu âm

phản xạ Các loại tương tác này xảy ra tương tự với sóng ánh sáng được quan sát là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, giao thoa, hấp thụ.

a) Sự phản xạ và khúc xạ của sóng âm.

Sự tương tác chính được quan tâm tới trong siêu âm chẩn đoán là phản xạ Nếu một chùm sóng âm được hướng tới dưới một góc vuông (gọi là sự tới thẳng góc) tới một mặt phẳng (chẳng hạn đường bao quanh các mô khác nhau) lớn hơn bề dày của chùm tia, nó sẽ phản xạ một phần ngược lại nguồn âm (hình 1.5) Các mặt phân cách này gọi là mặt phản xạ, chịu trách nhiệm tạo ảnh các bộ phận chính được quan sát trong siêu âm chẩn đoán Cơ hoành và màng tim là các ví dụ của các mặt phản xạ

Hình 1.5 Sự phản xạ gây bởi sóng âm tới mặt phẳng lớn hơn

dưới một góc vuông.

Bây giờ chúng ta xét sự truyền sóng âm trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, khi đó sóng âm sẽ truyền thẳng Khi gặp mặt phân cách đủ lớn (>>λ) giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, tức là có vận tốc truyền âm khác nhau, sóng âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lượng 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 nhau của trở kháng

âm ∆Z giữa hai môi trường Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:

2

1 2

1 2

cos.cos

cos.cos

.Pr

i t

Z Z

Z Z

Pi

K

θθ

θθ

(1.7)Trong đó: θi: góc tới; θt: góc khúc xạ; θr: góc phản xạ

Pr: biên độ áp lực của sóng phản xạ

Pi: biên độ áp lực của sóng tới

Z1, Z2: trở kháng âm của hai môi trường

Hình 1.6 Sự phản xạ và khúc xạ.

Sau đây ta sẽ xem xét một số trường hợp đặc biệt:

+ Tia tới vuông góc với mặt phân cách: θi = θr =0, cosθi = cosθr = 1 Khi đó

hệ số phản xạ của mặt phân cách được tính theo công thức:

2

1 2

1 2

−

=

Z Z

Z Z

+ Tia tới tạo một góc θi ≠ 0 Theo định luật phản xạ ta có góc phản xạ bằng góc tới θi = θr Sóng truyền tiếp 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 tốc độ truyền âm (c1, c2) trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:

sinθt = (c2/ c1) × sinθi (1.9)+ Chúng ta xét một trường hợp đặc biệt nữa với giả thiết là môi trường thứ hai có c2 >c1.Thế thì theo công thức (1.9) ta thấy sinθt >sinθi, trong điều kiện các

góc θt,θi ≤900 ta suy ra θ >t θi Vậy bây giờ ta tăng θi thì θt cũng tăng, giả sử khi

ta tăng θi tới một giá trị *

nhỏ năng lượng sóng siêu âm đi được xuống môi trường bên dưới mặt phân cách, sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận được thông tin từ cấu trúc bên dưới mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta phải dùng gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí.

b) Sự tán xạ sóng âm.

Một tương tác quan trọng khác giữa siêu âm và mô là sự tán xạ Sự tán xạ xảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn so với bước sóng, hoặc bề mặt không đồng đều Khi có sự tán xạ thì mỗi mặt phân cách hoạt động như là một nguồn âm mới, và âm được phản xạ theo tất cả các hướng, và chỉ một phần nhỏ năng lượng siêu âm đến được đầu dò Mặc dù việc thu nhận các tia tán xạ rất khó khăn, nhưng chúng có lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và rất quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ như độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ hay vách liên thất

Hình 1.7 Hiện tượng tán xạ với sóng tán xạ phát ra theo tất cả các hướng.

ở hình 1.9

Hình 1.8 Sự mở rộng của một chùm tia từ một nguồn nhỏ.

Hình 1.9 Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ.

e) Sự hấp thụ.

Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường Mọi dạng tương tác (phản xạ, tán xạ, khúc xạ hay phân kỳ) đều làm giảm cường độ chùm siêu âm bởi sự định hướng lại năng lượng của chùm Sự hấp thụ là quá trình

mà năng lượng siêu âm được chuyển sang dạng năng lượng khác chủ yếu là nhiệt Với tính chất này siêu âm có thể được sử dụng trong y tế để chữa bệnh (vật lý trị liệu)

Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan tới tần số, tới tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trường Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phần tử quay trở lại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay chính xác hơn là lực tác động trở lại trạng thái ban đầu Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phần tử quay trở về vị trí ban đầu trước khi đợt sóng tiếp theo đến, còn khi thời gian hồi phục dài thì có thể khi các phần tử đang trở về vị trí ban đầu thì đợt sóng khác lại tác động vào chúng nên cần nhiều năng lượng lớn để dừng và chuyển hướng các phần tử và

do đó sinh ra nhiều nhiệt hơn.

Khả năng của các phần tử chuyển động qua một phần tử khác xác định độ nhớt của môi trường, độ nhớt cao sẽ hạn chế dòng phân tử Tần số cũng ảnh hưởng lớn đến sự hấp thụ và quan hệ với cả độ nhớt lẫn thời gian hồi phục Nếu tần số tăng các phần tử dao động càng nhiều và tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát (nhớt) Mặt khác khi tần số tăng thì thời gian cho các phân tử quay về trạng thái cũ trong quá trình hồi phục ít hơn, các phần tử vẫn tiếp tục chuyển động cần nhiều năng lượng để dừng và định hướng lại nên hấp thụ nhiều hơn

f) Sự suy giảm.

Khi đi qua môi trường đồng nhất, cường độ siêu âm giảm dọc theo đường truyền Sự mất mát về biên độ này gọi là độ suy giảm Độ suy giảm là kết quả của

ba quá trình: sự phân kỳ, sự hấp thụ, và sự tán xạ Khi đi vào môi trường, tia có thể

mở rộng hoặc phân kỳ nên năng lượng sẽ lan truyền ra một diện tích rộng hơn theo quá trình tia truyền qua môi trường, và do đó năng lượng trên một đơn vị diện tích giảm xuống Với các loại mô khác nhau thì sự suy giảm cũng khác nhau như chỉ ra

ở hình vẽ sau:

Hình 1.10 Quan hệ độ suy giảm - tần số với các loại mô khác nhau.

Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn như chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm.

g) Hình dạng chùm tia siêu âm.

Vì sóng siêu âm là sóng cơ học nên nó đúng với hiện tượng giao thoa và nguyên lý Huyghen

Nguyên lý Huyghen phát biểu như sau: tất cả các điểm trên một mặt sóng đều là những nguồn phát xạ sóng mặt cầu Điều này có nghĩa là tại một điểm nào đó sóng sẽ được tính bằng tổng tất cả các sóng con của các điểm nằm trên mặt sóng Ví

dụ, trường siêu âm ở vùng xa của một khe hở được chiếu bởi sóng siêu âm phẳng như chỉ ra trên hình 1.12:

Hình 1.12 Giao thoa giữa hai sóng từ hai nguồn điểm của cảm biến phẳng.

sẽ được tính bằng cách cộng tất cả các trường siêu âm tạo ra bởi mỗi điểm nằm trên khe hở Trên hình chỉ ra các sóng con của hai nguồn điểm trên khe hở Sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa cộng tại những điểm mà các mặt sóng con trùng nhau Nếu tính tổng của tất cả các điểm như thế ta sẽ có dạng mặt sóng tạo ra từ khe hở như trên hình 1.13

Hình 1.13 Mặt sóng và hình dạng chùm tia tạo ra bởi sóng phẳng đi qua khe hở.

Có thể thấy rằng mặt sóng tiếp tục phẳng khi ở gần khe hở và lồi dần khi đi

ra xa làm cho chùm tia dần bị phân kỳ Vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ phụ thuộc vào tỉ số giữa kích thước của khe hở và độ dài bước sóng Áp dụng đối với mặt sóng phát ra từ bề mặt cảm biến của đầu dò siêu âm ta thấy khi tỉ số giữa đường kính của cảm biến D (khẩu độ) và độ dài bước sóng tăng thì khoảng cách từ cảm biến đến vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ sẽ tăng đồng thời độ phân kỳ giảm

Hình 1.14 Hình dạng chùm tia siêu âm.

Áp dụng nguyên lý Huyghen người ta tính được sự thay đổi của cường độ chùm tia xuất phát từ cảm biến Ví dụ với dạng chùm tia siêu âm của cảm biến dạng đĩa mỏng có khẩu độ là D Trong trường hợp này hầu hết năng lượng chùm tia nằm trong bề mặt: hình trụ với vùng gần, hình nón với vùng xa (như chỉ ra ở hình 1.15)

Hình 1.15 Năng lượng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới

ra Trường hợp nguồn âm đi ra xa người quan sát, người đó nhận được tần số thấp hơn tần số của nguồn phát Tấn số f' nhận được theo công thức sau:

v c

c f c v

f f

độ âm so với người quan sát.

b) Các kỹ thuật siêu âm Doppler.

Có hai kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm là

kỹ thuật Doppler liên tục và kỹ thuật Doppler xung

*) Kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục (continuous wave)

Hình 1.16 Doppler liên tục.

Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục người ta sử dụng hai tinh thể trong đầu dò, một cho truyền sóng với tần số không đổi một cách liên tục và một cho nhận các tín hiệu phản xạ một cách liên tục Nhược điểm của kỹ thuật này là không nhận biết được vị trí điểm phản xạ, nhưng bù lại Doppler liên tục có thể đo được những vận tốc lớn

c

v f

d

θ

cos 2

Hình 1.17 Doppler xung.

Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler xung ta sử dụng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát vừa làm nhiệm vụ thu Sóng âm phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò, song chỉ có những xung phản xạ tại vị trí lấy mẫu là được ghi nhận và xử lý Kích thước và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi được Nhờ vậy kỹ thuật Doppler xung cho phép nhận biết tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau

Ứng với mỗi vị trí lấy mẫu được chọn, khoảng thời gian cho xung đi và về xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung Do vậy độ lặp lại của các chuỗi xung phát PRF (Pulse Repetition Frequency) không thể lựa chọn lớn hơn 1/T

PRF ≤ 1/T

Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng của độ lệch tần số Doppler f d, Doppler xung có thể nhận biết được vị trí dòng chảy song lại có một nhược điểm là bị hạn chế trong việc đo dòng chảy tốc độ cao do xuất hiện hiệu ứng liên kết

Sự kết hợp Doppler xung và hình ảnh siêu âm hai chiều là khả thi, hình siêu

âm hai chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học và dùng để đặt vị trí và kích thước lấy mẫu, còn Doppler xung cung cấp thông tin về dòng chảy là phần chuyển động hiện diện trong cấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để bổ sung thông tin lẫn nhau này gọi là Duplex Sonography Như vậy các thiết bị SonoGraphy cho phép biết được hướng dòng chảy, so với chùm tia siêu âm và góc hợp giữa trục chùm tia và hướng dòng chảy, từ đó tính được tốc độ dòng chảy

1.1.6 Ứng dụng của siêu âm trong y tế.

Ứng dụng siêu âm trong điều trị.

Do siêu âm có tần số rất lớn ( >20.000 Hz, bước sóng nhỏ) nên khi lan truyền

ít bị nhiễu xạ, truyền tương đối thẳng và ta có thể tạo ra chùm siêu âm hội tụ lên những vị trí cần thiết bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm Khi truyền qua môi trường, do môi trường có ma sát và hấp thụ nhiệt nên cường độ của siêu âm

giảm theo quy luật:

x e I

Trong đó: Io là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường, I là cường độ lúc ra khỏi môi trường; x là chiều dày của môi trường, α là hệ số hấp thụ của môi trường,

e là cơ số lôgarit tự nhiên bằng 2,71828

Qua thực nghiệm người ta thấy α tỉ lệ với bình phương tần số f của âm, lập

phương vận tốc và tỉ lệ nghịch mật độ môi trường:

ρ

Do không khí có tỷ khối thấp nên siêu âm bị hấp thụ nhiều trong không khí, đồng thời do mặt phân giới giữa môi trường nào đó với môi trường không khí phản

xạ nhiều sóng siêu âm nên khi điều trị hoặc chẩn đoán dùng siêu âm người ta phải

để đầu phát siêu âm sát da và ở trên da phải bôi một lớp gen điện cực Sự hấp thụ năng lượng siêu âm của môi trường thể hiện bằng sự tăng nhiệt độ Lợi dụng đặc tính này người ta dùng siêu âm làm giãn các mạch máu ngoại biên để tăng cường tính thẩm thấu của tế bào biểu bì, do đó có tác dụng chống viêm Lúc qua mặt phân giới giữa hai môi trường, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này Sức ép tỉ lệ thuận với năng lượng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm2 Vì vậy khi nhúng đầu phát siêu âm vào nước, siêu âm có thể làm nước bắn lên cao tới vài cm Nhờ có sức

ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách xoa bóp tế vi, một tác dụng rất quí trong điều trị chứng viêm tế bào

Siêu âm là sóng dọc, khi truyền nó làm biến dạng nén giãn môi trường: có vị trí mật độ môi trường lớn vì các phần tử bị ép lại; có vị trí mật độ môi trường nhỏ vì các phần tử giãn cách nhau xa Khi công suất máy phát lớn, tại nơi mật độ môi trường lớn, áp suất nén có thể tới hàng vạn atmôtphe; còn tại nơi mật độ nhỏ các

phần tử bị giãn ra với "áp suất giãn" có trị số tương tự Lực giãn các phân tử như vậy đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử, môi trường khi ấy tự đứt và tạo thành

lỗ vi mô Nếu quá trình này xảy ra trong nước thì những lỗ này sẽ bị hơi nước hoặc các khí hoà tan choán đầy Do hiện tượng tạo thành lỗ, các tế bào sống đặc biệt là hồng cầu có thể bị vỡ Trong y học dùng hiện tượng tạo thành lỗ để chống đông máu

Vì siêu âm truyền qua được các mô trong cơ thể, làm cho các tế bào bị chấn động, cơ thể hấp thu của siêu âm một nhiệt lượng đáng kể nên người ta dùng nó để chữa một số bệnh, chẳng những ở ngoài da mà còn cả ở bên trong cơ thể

Những bệnh chữa bằng siêu âm có hiệu quả nhất là các chứng đau các dây thần kinh, đặc biệt là dây thần kinh toạ, thấp khớp…

Ta cần chú ý rằng siêu âm với tần số thường dùng cao ( >100.000 Hz) chỉ qua một lớp không khí mỏng đã bị ngăn lại, do đó người ta thường bôi gen lên da để làm môi trường trung gian giữa da và đầu phát siêu âm thay cho không khí Lưu ý không dùng siêu âm điều trị cho những người đang có thai, đang bị lao, bị sốt và ở trẻ em Gần đây người ta đã bắt đầu dùng những sóng siêu âm có cường độ lớn (1,4

x 107W/m2) để phá hủy các tổ chức bệnh trong sâu như sỏi thận, u tuyến,.v.v

Ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán.

Siêu âm được ứng dụng vào chẩn đoán bệnh là nhờ các đặc điểm sau:

* Có thể tạo ra chùm siêu âm song song hoặc hội tụ vào một khoảng nhỏ, hoặc phân

* Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùng cho phụ nữ có thai, thai nhi đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần

Trên thực tế dùng siêu âm trong chẩn đoán theo 2 hướng chính sau:

Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm:

Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh như sau:

a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh X quang trong chẩn đoán (hình 1.18a)

Áp dụng nguyên lý này vào chẩn đoán, người ta còn chia ra các kiểu:

+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A - Scope): đó là phương pháp ghi đo sóng phản xạ trên một bình diện Đầu phát sóng được hướng vào vùng đo Khi gặp phải vật hoặc môi trường có trở kháng âm khác sẽ phát sóng xung phản xạ Các sóng xung đó

được biến thành xung điện và được ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang Chúng được thể hiện thành từng dấu hiệu hình parabol ngược có độ cao, độ rộng hẹp khác nhau Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng cách) xuất hiện

mà ta chẩn đoán được bệnh Phương pháp này đơn giản, rẻ nhưng khó phân tích, nếu trên đường đi của sóng âm có nhiều lớp vật chất có âm trở khác nhau

Phương pháp này hay được dùng để tìm di vật, tụ máu trong não, trong sản phụ

+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B - scope): đó là phương pháp xung phản xạ trên 2 bình diện, phức tạp hơn kiểu A nhiều Các sóng xung phản xạ được thể hiện bằng những chấm có độ sáng khác nhau tùy thuộc cường độ sóng xung, nó phản ánh hình ảnh hai bình diện của đối tượng nghiên cứu Ngày nay sóng xung phản xạ kiểu B được áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh của gan, mật, mắt, sọ não, tim, v.v

Ngoài ra còn siêu âm chẩn đoán kiểu TM hay còn gọi là kiểu M Đây là những nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch v.v…) là cơ sở của phương pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm

Trong việc dùng siêu âm vào chẩn đoán, để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da, giữa đầu dò siêu âm (phát và thu) và

da người bệnh, người ta hay bôi đệm một lớp gen (ví dụ dầu paraphin lanolin có trở kháng âm Z giống như của cơ thể, nên áp đầu dò vào da đầu, ta loại được lớp không khí len giữa, nên loại được phản xạ)

Việc chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trong thời gian gần đây đặc biệt tác dụng khi đối tượng rất khó phát hiện bằng hình ảnh

do tia X tạo ra (thí dụ mảnh đạn bằng nhựa chứ không phải kim loại)

Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler:

Ở các ứng dụng y sinh của siêu âm, nguồn phát được cố định, còn mục tiêu chuyển động ứng dụng thông thường nhất của siêu âm Doppler là đo tốc độ dòng chảy của máu nhằm chẩn đoán các bệnh về tim mạch Để đo được tốc độ của dòng chảy thì yêu cầu cơ bản nhất là dòng chảy phải tồn tại các mục tiêu hữu hình có khả năng phản xạ sóng siêu âm và các mục tiêu này phải dịch chuyển Trong trường hợp này, mục tiêu chuyển động là các tế bào máu và chúng sẽ phản xạ sóng siêu âm

Giả thiết: Dòng máu chuyển động với vận tốc v, phát tia siêu âm với tần số chuẩn

0

f có góc phát tạo với hướng chuyển động của dòng máu là θ, sóng phản xạ thu được có tần số f0 + f d( f d là tần số dịch chuyển Doppler) Đầu dò đứng yên và dòng máu chuyển động về phía đầu dò

Hình 1.20 Ứng dụng hiệu ứng Doppler trong đo tốc độ dòng máu.

Áp dụng công thức Doppler ta có:

)cos

(

0

c f

f

Từ đây ta có thể tìm ra công thức tính tốc độ dòng máu:

)(

*cos

*

0

f f

f c v

1.2 Cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm.

1.2.1 Cơ sở tạo sóng siêu âm.

a) Tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo

Hiện tượng từ giảo: Là sự thay đổi kích thước của vật liệu từ tính, đặc biệt nhất là sắt, Niken, Coban, …khi có từ trường đi qua nó

Một số vật liệu từ giảo khi đặt chúng vào từ trường thì giãn ra theo hướng đường sức từ, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ giảo tuyến tính Có loại khi cho vào

từ trường lại làm thay đổi thể tích, gọi là hiệu ứng từ giảo thể tích

Hiệu ứng từ giảo nghịch là chất từ giảo biến dạng làm xuất hiện từ trường

xung quanh chúng.

Hình 1.21 Phương pháp tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo.

Sắt từ có ứng suất là 10-5, còn một số vật liệu khác lớn hơn sắt từ 10÷100 lần Tần số dao động của vật liệu từ giảo nằm trong vùng siêu âm thấp vì vậy có thể sử dụng trong đầu dò siêu âm thấp (vựng đầu 20KHz)

Tác dụng: Siêu âm tần số thấp trong y tế được sử dụng với mục đích phân đoạn và tán nhỏ các tế bào có tỉ lệ nước lớn và độ đàn hồi nhỏ để phá huỷ một phần cấu trúc của tổ chức sinh học nhờ khả năng tạo lỗ hổng (hiện tượng sủi bong bóng trong nước), cụ thể được dùng để tẩy lớp nhờn các cơ quan như trực tràng, ruột, bàng quang; lấy cao răng bằng siêu âm; dùng phá huỷ u bướu trong phẫu thuật thần kinh, bóc trần các mạch trong các mô chứa nhiều mạch như gan

b) Tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện

Việc tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện của một số chất trong tự nhiên như thạch anh, titanate bari,… Hiệu ứng áp điện thường thấy ở các vật liệu kết tinh có hai cực (cực âm và cực dương) ở mỗi phần tử Trong cấu trúc mạng lưới tinh thể thông thường các lưỡng cực được xắp xếp ngẫu nhiên không thể cố định Tuy nhiên chất lượng của các tinh thể loại này bị giảm trong môi trường ẩm, nhiệt độ cao, nên ngày nay chủ yếu các nhà sản xuất sử dụng các tinh thể nhân tạo mà điển hình là gốm áp điện

Hiệu ứng áp điện:

Nếu tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặc kéo giãn một tinh thể gốm theo những phương đăc biệt thì trên mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu, giữa hai bề mặt xuất hiện một hiệu điện thế Sóng siêu âm là sóng cơ học nên khi va đập vào bề mặt tinh thể gốm sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một chuỗi xung điện có độ lớn tỉ lệ với cường độ sóng âm gọi là hiệu ứng áp điện thuận.

Hình 1.22 Hiệu ứng áp điện.

Ngược lại, nếu đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc vào chiều của điện thế đó, tinh thể sẽ giãn hay nén lại nhờ đó tạo ra dao động cơ học gọi là hiệu ứng áp điện nghịch

Trong siêu âm chẩn đoán, người ta ứng dụng hiệu ứng áp điện trong phát và nhận tín hiệu siêu âm Khi được cấp điện áp các tinh thể sẽ tạo ra sóng siêu âm Ngược lại sự tác động của sóng siêu âm dội về khi gặp mặt phản xạ sẽ làm xuất hiện tín hiệu điện áp ở đầu ra của tinh thể Đây chính là cơ sở để thiết kế thiết bị siêu âm

Hình 1.23 Phát và thu sóng siêu âm.

Hình 1.24 Phương pháp thu sóng siêu âm.

Hình 1.25 Phương pháp hiển thị ảnh siêu âm.

1.2.2 Cấu tạo đầu dò siêu âm dùng tinh thể áp điện.

Thành phần chính của một đầu dò là một tinh thể vật liệu áp điện với các điện cực ở các mặt đối diện để tạo ra cực thay đổi Các điện cực được tạo thành bởi lớp mạ mỏng bằng vàng hoặc bạc trên bề mặt tinh thể Để nâng cao sự truyền năng lượng đến và về từ bệnh nhân, lớp phối hợp được đặt ngay sau các điện cực Sự rung tinh thể được loại bỏ nhờ vật liệu hỗ trợ nối tiếp từ bề mặt điện cực ra khỏi bệnh nhân Toàn bộ tinh thể được lắp ghép, bao gồm các điện cực, lớp phối hợp và vật liệu hỗ trợ, được chứa trong một lớp vỏ cách điện (thường là loại nhựa nào đó) Một bộ cách âm, thường làm bằng cao su, có tác dụng ngăn sự truyền năng lượng siêu âm vào nó Hình 1.26 chỉ ra mặt cắt của một đầu dò:

Hình 1.26 Cấu trúc đầu dò.

Đầu dò rất nhạy với giao thoa điện từ, góp phần vào mức nhiễu (các tín hiệu không tương ứng với các tương tác vật lý của sóng âm với mô) Mức nhiễu cao ngăn chặn sự phát hiện các tín hiệu dội yếu Để làm giảm bớt giao thoa điện từ, lưới chắn bảo vệ tần số radio bao gồm trụ kim loại rỗng được đặt xung quanh tinh thể và vật liệu đệm và tiếp đất tới mặt điện cực đằng trước Lớp cách điện bao phủ bề mặt trong của lưới chắn bảo vệ sóng radio để chặn ảnh hưởng dội lại

Với chữa bệnh siêu âm thì mục tiêu là phát ra lượng năng lượng lớn nhất dưới dạng nhiệt vào người bệnh nhân Điều này đạt được bằng cách phát ra liên tục các sóng siêu âm từ đầu dò, công suất phát ra lớn nhất có được nếu cộng hưởng xảy

ra trong tinh thể, trường hợp này vật liệu đệm cần có trở kháng âm khác trở kháng

âm tinh thể Phản xạ lớn nhất tại mặt phân cách tinh thể-vật liệu hỗ trợ gây nên sự cộng hưởng Không khí thường được sử dụng là vật liệu đệm cho các đầu dò chữa bệnh Các tinh thể có thể hoạt động do nguồn điện xoay chiều có tần số chính xác

để tạo ra sóng liên tục Đó là phương thức thường dùng cho các đầu dò sóng siêu

âm chữa bệnh, nó cũng có các ứng dụng trong máy quét Doppler Tinh thể tạo ra sóng liên tục không có khả năng nhận các sóng siêu âm phản xạ

Với tạo ảnh đầu dò gửi chùm siêu âm ngắn (có thể là một chu kỳ) theo sau là một khoảng lặng để nghe tín hiệu dội trở về trước khi chùm khác phát đi Đó là một

hệ thống xung và sự thiết kế dựa trên nguyên tắc phạm vi tín hiệu dội Lý tưởng là vật liệu đệm hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra từ mặt trước đầu dò Để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể đến vật liệu hỗ trợ), vật liệu đệm cần có trở kháng âm giống hệt với tinh thể Hỗn hợp nhựa epoxy và bột kim loại nặng được sử dụng làm vật liệu đệm trong các đầu dò chẩn đoán siêu âm để hạn chế xung siêu âm Phần sau của vật đệm được làm vát để ngăn chặn sự phản xạ năng lượng âm vào tinh thể.

Trong quá trình thiết kế chế tạo đầu dò siêu âm cần quan tâm đến vấn đề sau:

Sự cộng hưởng

Đặc điểm của tinh thể áp điện là khi chịu tác dụng của xung điện sóng cơ học tạo ra là đối xứng trên bề mặt của tinh thể Vì vậy, cần giải quyết tốt hiện tượng truyền sóng trong tinh thể tránh gây ra hiện tượng giao thoa làm suy giảm tín hiệu siêu âm

Hình 1.27 Sự cộng hưởng trong tinh thể.

Như trên hình vẽ ta thấy rằng nếu chiều dày của cảm biến (d) được chọn sao cho thời gian truyền (τ) của sóng từ S1 đến S2 và quay lại bằng một chu kỳ dao động thì w1 và w2 sẽ cùng pha với nhau, và do đó sẽ diễn ra hiện tượng giao thoa cộng

Để đạt được hiện tượng này ta phải thoả mãn điều kiện:

1.2.3 Các phương pháp quét của đầu dò siêu âm.

a) Phương pháp quét cơ học

Phương pháp này được thực hiện bởi các đầu dò cơ học hay còn gọi là đầu

dò cơ khí; yêu cầu phải có động cơ đảm nhiệm việc quay chùm tia thông qua việc quay các cảm biến trong đầu dò, nhờ đó có thể điều chỉnh chùm tia phát theo các góc thu phát khác nhau Trong tất cả các trường hợp, cảm biến đều được đặt trong môi trường dầu nhớt, tia siêu âm chỉ truyền qua cửa sổ trên màng Plastic Có các loại đầu dò cơ khí như sau: dịch chuyển thẳng, sử dụng gương phản xạ quay, đầu dò dao động, sử dụng bánh quay

b) Phương pháp quét điện tử

Trong phương pháp này các tia siêu âm được quét bằng cách dùng khoá điện

tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thể sắp xếp kế cận nhau theo thứ tự thời gian Lúc này các tia siêu âm được quét theo phương thức nhất định Với tính chất sóng nên sóng siêu âm lan truyền theo mọi hướng khi nguồn phát là nguồn điểm, tuy nhiên với việc kích hoạt cùng lúc nhiều tinh thể gần nhau, các điểm nằm trên cùng một chu kỳ sẽ tạo thành một mặt phẳng gọi là mặt sóng Khi đó hướng truyền của tia siêu âm sẽ vuông góc với mặt sóng này

1.3 Phương pháp hiển thị cơ sở của máy siêu âm.

Phương pháp thu nhận đơn giản nhất là quét theo chế độ A Chế độ này dựa trên thực tế là tốc độ truyền sóng siêu âm trong mô mềm thường có giá trị không đổi cỡ 1540 m/s Xác định thời gian đi và phản xạ trở về (τ) của tia siêu âm, người

ta tính được khoảng cách (độ sâu) của mặt phản xạ

2/

;/

τ = L c L=c

Hình 1.28 Đường đi của xung siêu âm giữa cảm biến và mặt phản xạ.

Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ có thể được tính như sau:

(

;2/

;2/

Hình 1.29 Tín hiệu phản hồi từ các mặt phản xạ có độ sâu khác nhau.

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 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 xạ Loại hình này thường được dùng trong đo đạc vì có độ chính xác cao

Hình 1.30 Xung giải điều chế các mặt phản xạ giống nhau ở độ sâu khác nhau.

Trong phương pháp quét chế độ A, do sự suy giảm trên cả hai hướng đi và về của tia siêu âm nên biên độ tín hiệu siêu âm từ các mặt phản xạ giống nhau, ở độ sâu khác nhau sẽ giảm đi dần theo chiều sâu

Hình 1.31 Hiển thị A-Scan không có và có bộ AGC.

Do đó, cần có mạch hỗ trợ sao cho các tín hiệu phản xạ này được hiển thị với biên độ giống nhau, chính vì thế trong thiết bị A-scan người ta sử dụng tín hiệu bù suy giảm bằng cách tăng hệ số khuếch đại theo thời gian phản hồi (được gọi là TGC)