GVHD GS TS Nguyễn Đức Thuận TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN DOPPLER Giảng viên hướng dẫn GS TS Nguyễn Đức Thuận Sinh viên[.]
CƠ SỞ KỸ THUẬT SIÊU ÂM
Cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm [1]
1.2.1 Cơ sở tạo sóng siêu âm a) Tạo sóng 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 1.19 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 10100 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 (đầu 20KHz). 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 sắp xếp ngẫu nhiên không 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 (Piezoelectric effect) do hai nhà bác học Jean và Pierre Curie tìm ra vào năm 1980 trên tinh thể Tourmaline và sau đó người ta đã quan sát thấy trên tinh thể thạch anh (Quartz) cũng như nhiều loại gốm tự nhiên và nhân tạo khác Hiệu ứng được phát biểu như sau:
Hiệu ứng thuận: Nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói một cách khác là khi nén hoặc kéo dãn một số tinh thể gốm theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên các mặt giới hạn của tinh thể đó xuất hiện những điện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thế giữa hai bề mặt Như ta đã biết sóng siêu âm là sóng cơ học do đó khi sóng siêu âm va đập vào bề mặt tinh thể gốm thì sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một chuỗi xung điện có độ lớn tỷ lệ với cường độ của sóng âm.
Hình 1.20 Hiệu ứng áp điện.
Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra hay nén lại Và nếu như ta đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và dãn liên tục vào môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm Phụ thuộc vào tần số dao động của xung điện, kích thước và công nghệ chế tạo tinh thể gốm, ta sẽ thu được các chùm tia siêu âm có tần số khác nhau.
Hình 1.21 Hình ảnh mô tả việc phát và thu sóng siêu âm.
Hình 1.22 Phương pháp thu sóng siêu âm.
1.2.2 Cấu tạo đầu dò siêu âm dùng tinh thể áp điện
Dựa vào hiệu ứng trên người ta sử dụng tinh thể gốm áp điện để chế tạo đầu dò siêu âm Đầu dò vừa đóng vai trò đầu phát vừa đóng vai trò đầu thu Về mặt kỹ thuật việc này được thực hiện như sau: Tinh thể gốm của đầu dò được nuôi bằng các chuỗi xung cao tần Ở hình vẽ dưới đây, cứ sau mỗi xung phát đầu dò lại làm nhiệm vụ tiếp nhận sóng hồi âm Độ lặp lại của các chuỗi xung phụ thuộc vào độ sâu tối đa cần chẩn đoán Hình 1.26 chỉ ra mặt cắt của một đầu dò:
Hình 1.23 Cấu trúc đầu dò.
Chiều dày của tinh thể gốm sẽ quyết định tần số f của đầu dò: l = m/2 (m=1,2,3 ) l là số nguyên lần /2; m thường chọn bằng 1.
Công nghệ ngày nay đã cho phép tạo ra độ dày của tinh thể gốm = /4 Như vậy, càng nhỏ (tinh thể càng mỏng) thì tần số sóng phát ra càng lớn.
Tuy nhiên ngày nay, với sự phát triển của công nghệ vật liệu tổng hợp - tức là composite material - các đầu dò không chỉ có một tần số mà có thể có một dải từ 2-8 tần số trên một đầu dò Về mặt công nghệ, việc này thực hiện như sau: người ta cắt gốm áp điện thành những phần tử cực nhỏ có kích thước cỡ 100-200m và sau đó lấp đầy các vết cắt bằng vật liệu có trở kháng âm cực thấp, bằng cách đó có thể giảm giá trị trở kháng âm cao của gốm xuống gần tới mức trở kháng âm của nước. Nghiên cứu phân bố không gian của chùm tia siêu âm hay còn gọi là trường âm được phát đi từ tinh thể gốm, người ta nhận thấy phân bố này chia thành hai vùng.
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 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 phẳng sóng này.
Phương pháp hiển thị cơ sở của máy siêu âm [1]
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 () của tia siêu âm, người ta tính được khoảng cách (độ sâu) của mặt phản xạ sóng trở lại.
Hình 1.24 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:
Hình 1.25 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, 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 1.26 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 27 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 làTGC).
Kết luận
Như vậy trong chương này chúng ta đã tìm hiểu về cơ sở của kỹ thuật siêu âm như cơ sở vật lý siêu âm: bản chất của sóng âm, tính chất của sóng siêu âm,tương tác của sóng siêu âm với mô, hiệu ứng Doppler cùng ứng dụng của siêu âm trong y tế…Và trong chương này chúng ta cũng đã tìm hiểu về cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm và các phương pháp hiển thị cơ sở Ở chương tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của máy siêu âm.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY SIÊU ÂM
Máy quét chế độ A [1]
2.1.1 Hiển thị tín hiệu dội
Việc quét hình chế độ A (dạng biên độ) dựa trên nguyên lý đo khoảng cách bằng tín hiệu dội Quét hình chế độ A không chỉ có các thông tin về không gian mà còn chỉ ra khoảng cách giữa các mặt phân cách Tốc độ siêu âm trong mô mềm thường có giá trị không đổi (1540m/s) Nhờ đó người ta có thể tính toán được độ sâu mặt phản xạ (hình 2.1).
Hình 2.1 Khoảng cách của xung giữa cảm biến và mặt phản xạ.
Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ (hình 2.2) có thể được tính:
Hình 2.2 Chiều đi của xung đối với hai mặt phản xạ.
Các mặt phân cách được phát hiện nhờ hàng loạt tín hiệu dội Hình 2.3 chỉ ra ba mặt phân cách khác nhau.
Hình 2.3 Quét hình chế độ A và hiển thị.
2.1.2 Các thành phần của hệ thống
Hình 2.4 Sơ đồ khối máy quét chế độ A.
Khối phát PRF (tần số lặp lại xung) hay khối đồng hồ chủ có chức năng tạo nhịp Dạng tín hiệu ra là một dãy xung đều đặn (hình 2.5) Dãy xung này cũng có chức năng khởi động khối định thời của ống tia điện tử (CRT)
Hình 2.5 Đầu ra của khối tạo tín hiệu PRF.
Bộ thu nhận tín hiệu. hiệu xung.
Tín hiệu sau khi giải điều chế được đưa tới bộ khuếch đại tín hiệu video và đi tới hai bản cực của ống tia catot
Bù khuếch đại thời gian (TGC-Time Gain Compensation).
Do sự khác nhau về độ suy giảm tín hiệu ở các độ sâu khác nhau nên cần có mạch hỗ trợ sao cho tín hiệu phản hồi từ các mặt phản xạ ở độ sâu khác nhau khi hiển thị sẽ có biên độ giống nhau, vì vậy trong thiết bị quét hình chế độ A người ta sử dụng tín hiệu bù suy giảm bằng cách tăng hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại RF theo thời gian.
Hình 2.6 mô tả sơ đồ khối của nguyên lý làm việc bù suy giảm theo thời gian:
Hình 2.6 Nguyên lý làm việc bù suy giảm theo thời gian.
Hình 2.7 Hiển thị chế độ A khi TGC tắt (a) và khi TGC mở (b).
Việc quét hình chế độ A được dùng trong chụp não để phát hiện sự di chuyển trung tuyến (hình 2.8) và dùng cho định vị dị tật trong mắt So với kỹ thuật tạo ảnh khác, phạm vi động được lưu giữ của các tín hiệu lớn Sự phát hiện các khối u ở vùng ngực đôi khi dễ dàng bằng việc quét hình chế độ A.
Máy quét chế độ B [1]
Trong tạo ảnh chế độ B, biên độ tín hiệu được biểu diễn bằng độ sáng của một chấm sáng trên màn hình Biên độ hoặc độ lớn của tín hiệu được tạo nên bởi độ sáng của chấm sáng Vị trí chấm sáng biểu thị độ sâu (thời gian) của mặt phân cách tính từ đầu dò.
Trong siêu âm chẩn đoán chúng ta quan tâm tới cấu trúc hình ảnh hai chiều của vùng khảo sát hơn là yêu cầu dữ liệu từ một đường quét đơn.
Hình 2.8 Quét hình chế độ B kết hợp.
Sơ đồ khối máy quét chế độ B được biểu diễn trên Hình 2.9 Các thành phần chính bao gồm: máy quét chế độ A, cơ cấu định vị đầu dò và cơ cấu chùm tia, bộ tạo tín hiệu toạ độ và màn hiển thị CRT.
Hình 2.9 Sơ đồ khối máy quét chế độ B.
Hai vấn đề đối với việc quét hình chế độ B khác với chế độ A là định vị (tức là vị trí hai chiều của gốc tín hiệu dội) và lưu giữ thông tin đường quét. Định vị Để định vị chính xác mặt phân cách cần phải biết vị trí dọc và ngang của đầu dò và góc của nó.
Lưu trữ dữ liệu Vấn đề thứ hai đối với quét hình chế độ B là đòi hỏi sự lưu trữ các mức tín hiệu tại các vị trí thích hợp để hiển thị.
Hình 2.10 Sơ đồ khối mô tả máy quét chế độ B.
Máy quét thời gian thực [1]
Máy quét thời gian thực dùng để theo dõi các cấu trúc động (tim, bào thai), cho thấy sự thay đổi tức thì của mặt phẳng quét.
Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnh siêu âm hai chiều này là B- mode, được dùng trong hầu hết các thiết bị siêu âm chẩn đoán từ trước cho đến nay.
Hình 2.11 Sơ đồ khối máy siêu âm chế độ B hiển thị CRT. Đầu dò mảng tuyến tính
Nguyên lý làm việc: đầu dò được cấu tạo từ một dãy n tinh thể đơn Tia siêu âm được tạo thành từ nhóm gồm m đơn tinh thể đứng cạnh nhau và được quét bằng cách tắt tinh thể đứng đầu nhóm và bật thêm một tinh thể đứng kế tinh thể cuối cùng(Hình 2.12a) Như vậy tia siêu âm sẽ được dịch đi một khoảng az = ac.
Hình 2.12 Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng tuyến tính.
Một đặc điểm của đầu dò Linear là có thể thay đổi vị trí điểm Focus bằng cách thay đổi số tinh thể áp điện Càng có nhiều tinh thể thì độ Focus càng nằm sâu. Người ta có thể dịch Focus đến các vị trí nông sâu khác nhau mà họ quan tâm, ngoài ra đầu dò Linear còn có thể Focus cùng lúc nhiều điểm, tuy nhiên để tăng Focus người ta phải tăng số đường và do đó phải giảm FR. Ưu điểm của đầu dò Linear:
+ Thực hiện được kỹ thuật Focus động.
+ Cấu tạo không quá phức tạp.
+ Khả năng thăm khám tốt ở các vùng gần bề mặt.
+ Độ phân giải theo chiều dọc và ngang không đồng đều.
+ Bị nhiễu mạnh và hiệu ứng tia thứ (sides lobes) nhiều hơn đầu dò cơ khí Ứng dụng:
+ Sản, phụ khoa. Ưu điểm:
+ Quét theo hình rẻ quạt nên tầm rộng.
+ Bề mặt tiếp xúc nhỏ hơn Linear.
+ Có dạng cong nên có khả năng tiếp xúc linh hoạt.
+ Bề mặt tiếp xúc rộng hơn của Phased array với cùng một độ mở. ứng dụng:
+ Vùng bụng và vùng chậu (pelvis).
Hình 2.13 Nguyên lý làm việc của đầu dò Convex. Đầu dò mảng pha (Phased array)
Nguyên lý làm việc: tia siêu âm được lái (Beam steering) bằng điện tử theo góc hình rẻ quạt nên loại đầu dò này còn gọi là Sector điện tử Các tinh thể được bật tắt qua bộ trễ thời gian (hình 2.16), nếu thời gian trễ t1 lớn hơn tn thì xung phát sẽ tới được tinh thể n trước và tinh thể 1 cuối cùng, mỗi tinh thể nếu đủ nhỏ có thể coi như một nguồn điểm của sóng, các nguồn điểm khi cộng chồng lên nhau sẽ tạo ra mặt sóng (wave front) Từ trên 2.16 ta thấy do t1 là lớn nhất nên khi xung điện tới được tinh thể 1 thì sóng phát ra từ tinh thể n đã đi được một đoạn s = (t1 - tn) x c, tương tự như vậy cho các tinh thể khác ở giữa.
Góc nghiêng của mặt sóng được tính như sau:
A = aperture = chiều dài của đầu dò
Chiều dài hiệu dụng của đầu dò bằng:
+ Bề mặt tiếp xúc nhỏ.
+ Khả năng thăm khám cao.
+ Hiển thị đồng thời B- mode, TM – mode và Doppler.
+ Quét rẻ quạt mà không cần bộ phận cơ khí.
+ Có thể đo được CW- Doppler.
Hình 2.14 Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng pha. ứng dụng:
+ Siêu âm tim qua khe liên sườn. tương đối thấp Chất lượng hình rất tốt mặc dù Sector cơ khí phát là cố định nhờ cấu trúc cân đối (symmetric) của tinh thể đầu dò (hình tròn) Ngoài ra, người ta có thể sử dụng focus động (dynamic focusing) khi thu tín hiệu phản hồi để nâng cao độ phân dải ngang của đầu dò (các đầu dò annular array).
Nguyên lý quét của đầu dò sector cơ khí:
Tinh thể tròn quay quanh trục và quét tia siêu âm theo một góc hình rẻ quạt, do đó mà loại đầu dò này được gọi là rẻ quạt - sector Tinh thể gắn trên trục và motor quay được để trong đầu đặc biệt và tiếp xúc với bệnh nhân qua lớp vật liệu thấu âm Trong các loại máy siêu âm hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp quét cho đầu dò Sector
- Phương pháp quay tròn (Rotor Principle)
- Phương pháp lắc (Wobbler Principle)
Thay vì sử dụng một tinh thể, người ta gắn một số (từ 3-5) tinh thể giống hệt nhau quanh một trục cách nhau từ 72 o 120 o , khi trục quay thì chỉ có tinh thể đối diện với vùng rẻ quạt - sector định trước là hoạt động, do vậy trên đầu dò có gắn thêm một bộ giải mã để xác định và đồng bộ các tín hiệu truyền về từ các tinh thể tại các thời điểm khác nhau Các đầu dò chế tạo theo phương pháp này có những đòi hỏi rất cao đối với từng tinh thể, độ nhạy và trục âm của chúng Chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng của hình (hình rung, nháy) do độ sáng tối không đều hay các lỗi ngẫu nhiên khác.
Việc quét tia siêu âm theo một góc sector còn có thể thực hiện được bằng cách cho tinh thể lắc (oscilating) quanh một trục Phương pháp này chỉ sử dụng một tinh thể lớn hoặc một loạt các tinh thể vành khuyên đồng tâm (annular rray), do đó không có những yêu cầu đặc biệt trong việc ghép cặp các tinh thể như đối với đầu dò Rotor.
Tuy nhiên sự phức tạp này lại nằm ở bộ phận cơ khí Do chuyển động lắc của tinh thể phải đổi chiều liên tục, nên FR phải giảm do khoảng thời gian chết gây ra bởi moment quán tính
So sánh hai phương pháp:
Phương pháp Rotor và Wobble được sử dụng tương đương Trong thực tế, các đầu dò cơ học sử dụng các tinh thể có độ mở (Aperture) lớn và độ phân dải ngang cao thì phương pháp Wobble có ưu thế hơn Kích thước hình học của loại đầu dò này thường nhỏ hơn và vấn đề đồng bộ các kênh phát không phải đặt ra, ngoài ra với các đầu dò vành khuyên người ta có thể thay đổi vị trí Focus nhằm tạo độ nét tối đa ở vùng cần quan tâm Tuy nhiên, trong các máy đòi hỏi độ phân dải cao hơn thì phải tăng mật độ đường và do đó phải giảm tần số quét.
Tất cả các đầu dò quét cơ khí có một nhược điểm là kém “mềm dẻo” (Flexibility), cụ thể là đổi mode chậm, ví dụ từ B-mode sang TM-mode hay Doppler mode, do moment quán tính lớn. Ưu điểm của đầu dò sector cơ khí:
+ Bề mặt tiếp xúc nhỏ.
+ Các đầu dò đặc biệt có góc quét 360 0
+ Trường âm là như nhau theo hướng song song và vuông góc với tia siêu âm, hình ảnh ở vùng Focus là rất đẹp.
+ Chuyển đổi mode chậm Ứng dụng:
+ Nội tổng quát, sản phụ khoa.
+ Các ứng dụng đặc biệt: đầu dò nội tạng qua âm đạo, trực tràng.
Các phần trên ta đã nghiên cứu các chế độ quét cơ bản của máy siêu âm, mặc dù các máy quét cơ bản rất phức tạp về điện nhưng ta có thể khái quát thành một sơ đồ khối cơ bản sau (Hình 2.15).
Hình 2.15 Sơ đồ khối của máy siêu âm cơ bản.
Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm [1]
Việc quét hình chế độ 1D (dạng biên độ) dựa trên nguyên lý đo khoảng cách bằng tín hiệu dội, tương tự với sóng âm Sóng siêu âm dạng xung được hướng tới cơ thể bệnh nhân Chỉ những cấu trúc nằm dọc theo hướng truyền mới được xét tới Lấy mẫu theo đường truyền chùm tia được gọi là đường quét Sự biến đổi cường độ tín hiệu này là do hệ số phản xạ ở các mặt phân cách khác nhau và làm yếu chùm tia khi sóng âm đi qua các mặt phân cách khác nhau Bù khuếch đại thời gian nhằm bù lại sự suy giảm Mặt phản xạ tốt ở xa đầu dò có thể tạo ra các tín hiệu có biên độ lớn hơn phản xạ yếu ở gần đầu dò Quét hình chế độ 1D không chỉ có các thông tin về không gian mà còn chỉ ra khoảng cách giữa các mặt phân cách Tốc độ siêu âm trong mô mềm thường có giá trị không đổi (1540m/s).
Xét trường hợp cụ thể:
Vật cần nghiên cứu là môi trường có ba lớp trở âm khác nhau:
Hình 2.16 Nguyên lý máy quet chế độ 1D
Tại thời điểm xung siêu âm từ đầu dò đi vào Z1, Z2, Z3 Sau một thời gian sóng siêu âm đi qua mặt phân cách giữa Z1 và Z2 sẽ có một xung phản xạ tại t2. Lượng sóng siêu âm đi qua Z1 và Z2 ta lại nhận được một xung phản xạ tại t3 Lượng sóng siêu âm vượt qua Z3 đến biên giới môi trường và không khí lại nhận được một xung phản xạ toàn phần tại t4 Người ta gọi các xung siêu âm phản xạ trên là hình ảnh cấu trúc của vật chất trên đường tia siêu âm đi qua Ta có định nghĩa sau: Ảnh ở mode 1D (Amplitude) là ảnh cấu trúc của vật chất trên một đường tia siêu âm đi qua thể hiện bằng các xung phản xạ Kiểu ghi hình ảnh này người ta ít dùng vì lí do:
- Chỉ có hình ảnh một đường nằm trong vật chất.
- Sự khác nhau giữa cấu trúc thực và xung phản xạ làm bác sỹ khó tưởng tượng ra vật chất cần thăm dò Mode A này chỉ sử dụng trong môi trường đơn giản ví dụ như mắt.
Quét chế độ 2D là phương pháp đo theo độ sáng, thực chất chế độ 2D là
"Chụp ảnh" cấu trúc vật chất trên đường tia siêu âm đi qua
Tín hiệu hồi âm được thể hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của những chấm này thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác định khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi 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 Kết quả là các nguồn hồi âm đứng yêu thì sẽ tạo ra đường thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồi chuyển động thì sẽ ra đường cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi.
Chế độ TM cho biết quỹ đạo chuyển động của những điểm trên đường tia siêu âm đi qua Giống như chế độ 1D khi đo chế độ TM đầu dò phải đứng yên, điểm
B chuyển động thì quỹ đạo của A là một vạch dài thẳng còn quỹ đạo của B là một hình sin kéo dài.
Hình 2.17 Nguyên lý quét chế độ TM.
Như vậy chế độ TM là khảo sát quỹ đạo chuyển động của vật chất theo thời gian Để thực hiện chế độ 1D và TM cần một đầu dò đơn, đứng yên ở một vị trí Ảnh chế độ 1D là các xung trên đường của một tia siêu âm đi qua và độ lớn xung là quan trọng Trong khi ảnh của chế độ TM là quỹ đạo chuyển động của vật thể trên đường một tia siêu âm đi qua và ở đây quỹ đạo chuyển động là quan trọng.Còn ảnh ở chế độ 2D là ảnh của một mặt cắt mà tia siêu âm đi qua, nó thể hiện cấu trúc của vật chất bằng độ sáng, độ đậm nhạt khác nhau.
Trên màn hình hiện thị của chế độ TM, biên độ chuyển động của mặt phản hồi được biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành, nhờ vậy có thể tính toán được vận tốc chuyển động của mặt phản hồi, khi tốc độ quét đã được xác định.
Trong những năm gần đây siêu âm 3D, đã được ứng dụng rất rộng rãi, chủ yếu ở lĩnh vực sản khoa Siêu âm 3D, do một đầu dò có cấu trúc khá lớn mà trong đó người ta bố trí các chấn tử nhiều hơn theo hình ma trận, phối hợp với phương pháp quét hình theo chiều không gian nhiều mặt cắt, các mặt cắt theo kiểu 2D này được máy tính lưu giữ lại và dựng thành hình không gian 3 chiều.
Hình 2.18 Nguyên lý quét chế độ 3D.
Siêu âm 4D sử dụng công nghệ của siêu âm 3D nhưng lại cho thấy những hình ảnh chuyển động Đây được xem như một clip ngắn và có thể thể hiện một hoạt động của các cơ quan đang được khảo sát Đối với siêu âm thai nhi, siêu âm 4D có thể chụp được hàng ngàn hình ảnh của thai nhi cùng một lúc Sau đó được máy tính xử lý thành hình ảnh 3 chiều của thai nhi và đây là những hình ảnh chuyển động nên rất sống động. Trong khi đó siêu âm 3D cũng cho ra những hình ảnh 3 chiều, mẹ bầu có thể nhìn thấy hình ảnh em bé nôi hẳn lên với đầy đủ khuôn mặt, tay chân và cơ thể trong màn hình siêu âm nhưng đây chỉ là hình ảnh tĩnh.
Dưới đây là sơ đồ khối của một hệ thống siêu âm 4D:
Hình 2.19 Sơ đồ khối hệ thống siêu âm 4D.
Nguyên lý các kiểu siêu âm Doppler [2]
Có bốn kiểu siêu âm Doppler:
2.5.1 Nguyên lý của siêu âm Doppler liên tục Đây là kiêu siêu âm Dopple đòi hỏi cấu trúc mấy đơn giản nhất Đầu dò của máy có chứa hai tinh thể gốm áp điện, một tinh thể có chức năng phát liên tục chùm sóng siêu âm và tinh thể kia có nhiệm vụ thu sóng phản hồi về So sánh giữa tần số của chum siêu âm phát ra và chum siêu âm thu về là cơ sở để tính tốc độ đi chuyển của vật thể Trong cơ thể thì vật di chuyển để tạo nên tín hiệu Doppler chính là các tế bào máu đi chuyển trong lòng mạch, trong đó chủ yếu là các hồng cầu Tín hiệuDoppler có thể được biểu diễn dưới dạng âm thanh, đường ghi hoặc phổ.
Kiểu siêu âm Doppler liên tục có các ưu điểm như: cấu tạo của máy đơn giản, giá thành thấp, cho phép ghi được dòng chảy có tốc độ cao, không có hiện tượng
“aliasing” (cắt cụt đỉnh) Ngược lại, kiểu Doppler này có nhược điểm như: không cho phép ghi chọn lọc ở một vùng, máy ghi lại tất cả tín hiệu dòng chảy mà chùm siêu âm đi qua.
Hình 2.20 Nguyên lý siêu âm liên tục.
1 Đầu dò, 2 Mạch máu, f0 Tần số song phát, f tần số sóng thu, Δf Tần số Doppler = f=f0
2.5.2 Nguyên lý siêu âm Doppler xung
Trong kiểu Doppler xung thì đầu dò chỉ có một tinh thể gốm áp điện, song âm được phát ra ngắt quãng được gọi là xung siêu âm, xem giữa các xung siêu âm là thời gian nghỉ để các tinh thẻ gốm áp điện thi tín hiệu của chum siêu âm phản hồi về Siêu âm Doppler xung đã giúp giải quyết được vấn đề khó khăn thăm khám mạch liên quan đến chiều sâu và kích thước mạch do siêu âm Doppler màu luân gắn cùng với siêu âm hai bình diện.
Hình 2.21 Nguyên lý siêu âm Doppler xung.
Với: 1 Đầu dò, 2 Mạch máu, F0 Tần số sóng phát, F Tần số song phản hồi, Δf. Tần số Doppler = f=f0, P Độ sâu của cửa ghi Doppler, L Kính thước cửa ghi Doppler.
Trong kiểu siêu âm Doppler xung thì chỉ có tín hiệu dòng chảy ở một vùng nhát định được ghi lại Vị trí và thể tích vùng tín hiệu Doppler (còn gọi là cửa ghi Doppler) có thể thay đổi được Vị trí cửa ghi Doppler được xác định bởi khoăng thời gian từ lúc phát đến lúc thu chùm siêu âm phản hồi về Kích thước của cửa ghi Doppler phụ thuộc vào chiều rộng của chùm siêu âm và khoảng thời gian thu song phản hồi (t).
Do vận tốc của của sóng âm trong cơ thể khá hằng định(1540cm/s) nên chiều sâu của vùng ghi tín hiệu Doppler - d (khoảng cách từ đầu dò tới vùng ghi tín hiệu) được xác định theo công thức d = T 2 1540 (m)
T là thời gian từ lúc phát đến lúc thu chùm siêu âm phản hồi
Chiều dài của cửa ghi Doppler được xác định bởi thời gian thu sóng phản hồi Chiều rộng của cửa ghi Doppler phụ thuộc vào kích thước của chùm siêu âm.Tần số nhắc lại xung (pulse repetition frequency-PRF) là số lần trong một giây mà chùm siêu âm đi đến đích và quay về PRF được tính bằng kHz và thường được ghi là K để không nhầm với tần số Doppler (Δf cũng được tính bằng kHz)
PRF = 2 C d Với d là chiều sâu của mạch máu và C là tốc độ của chùm siêu âm
PRF có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật ghi phổ Doppler vì theo phương trình Shannon Δf ≤ PRF
2 Khi Δf > PRF/2 thì có hiện tượng (aliasing), có nghĩa là đỉnh phổ Doppler bị cắt cụt và được ghi sang phía đối diện của đường 0 Để tránh hiện tượng này có 4 biện pháp:
- Chuyển đường 0 xuống thấp, bỏ các tần số âm để làm tăng thêm các tần số dương trên đường 0
- Giảm Δf bằng cách giảm tần số phát fo (chọn đầu dò có tần số thấp), hay tăng góc θ để giảm Cos θ tuy nhiên góc θ phải luôn < 60 o để giảm sai số
- Giảm độ sâu (d) bằng cách ép bệnh nhân để tăng PRF
Sử dụng máy có tần số PRF cao Với tiến bộ của khoa học kỹ thuật người ta đã chế tạo được các máy siêu âm Doppler có PRF cao bằng cách phát đi và thu về nhiều lần tín hiệu siêu âm trong thời gian chùm sóng âm đi tới vật và quay trở lại, nhưng không phải máy siêu âm Doppler nào cũng có khả năng này
Sơ đồ nguyên tắc của PRF cao: a PRF< 2Δf: có phổ Doppler bị cắt cụt đỉnh ngay cả khi đã hạ đường 0 xuống thấp b PRF 4 lần nhanh hơn thì ngay cả khi nâng đường 0 lên cao cũng không bị cắt cụt đỉnh
Hiện nay các máy siêu âm xung có kỹ thuật nhắc lại tần số cao (gọi là HPRF- high pulse repetition frequency), tuy nhiên vẫn có giới hạn tối đa của HPRF, do vậy siêu âm Doppler xung chỉ cho phép đo được tốc độ cao nhất định So với kiểu siêu âm Doppler liên tục, kiểu Doppler xung có ưu điểm như: cho phép lựa chọn chính xác và thay đổi kích thước vùng cần ghi tín hiệu Doppler Ngược lại kiểu siêu âm
Do tần số Doppler (Δf) nằm trong khoảng nghe thấy của tai người nên chỉ cần dùng loa thông thường có thể nghe thấy tín hiệu Doppler, và chẩn đoán có thể dựa trên sự thay đổi âm sắc và cường độ âm thanh
Trong kiểu thể hiện tín hiệu Doppler bằng đường ghi, người ta dùng kỹ thuật đếm số lần tín hiệu vượt trên đường 0 (zero crossing detector) Tín hiệu Doppler được tính chung như một giao động, máy cho phép tính được số lần (tần số) dao động này vượt qua đường 0 Đường ghi tốc độ không thể hiện giá trị lớn nhất, cũng không phải giá trị trung bình của dòng chảy, nó được ước tính Δf Vì vậy đường cong ghi được không biểu hiện tốc độ tức thì của dòng chảy mà chỉ thể hiện tốc độ chung của các dòng chảy mà chùm siêu âm gặp phải trên đường đi
Phổ Doppler là kết quả của sự phân tích tín hiệu Doppler (Δf) bằng phép biến đổi nhanh của Fourier (Fast Fourier Transform-FFT)
Tần số Doppler (Δf) thu được là sự kết hợp của nhiều tần số khác nhau (do trong một dòng chảy có nhiều tốc độ khác nhau) Phép biến đổi FFT cho phép phân tích nhanh (trong 5 micro giây) một tần số Doppler thành các tần số thành phần (hình trên) và thể hiện cường độ của mỗi tần số thành phần này bằng độ sáng trên đường ghi phổ Doppler (Doppler spectrum) Như vậy phổ Doppler được coi như đường ghi tín hiệu theo không gian ba chiều: trục thời gian, trục tần số (hay tốc độ) và trục thứ ba là trục cường độ (biểu hiện bằng độ sáng) của các tần số thành phần Đường cong biểu diễn phổ Doppler của động mạch đã được lọc bớt các tín hiệu tần số thấp để loại bỏ các các hiệu ứng Doppler của thành mạch có tần số thấp nhưng cũng loại bỏ bớt các tần số thấp của dòng chảy sát thành mạch Trên động mạch bình thường thì các tần số Doppler cao nhiều hơn các tần số thấp cho nên tạo ra cửa sổ ít tín hiệu trong thì tâm thi
Siêu âm Doppler xung kết hợp với siêu âm cắt lớp (hệ thống Duplex)
Kết luận
Qua chương hai này chúng ta đã tìm hiểu về các chế độ quét trong máy siêu âm, nguyên lý hoạt động của máy siêu âm cũng như nguyên lý của các kiểu siêu âmDoppler Để có cái nhìn cụ thể hơn về thiết bị siêu âm, chương tiếp theo em xin trình bày về một thiết bị cụ thể: Hệ thống siêu âm chẩn đoán DC70. diện dễ sử dụng được điều khiển bằng phần mềm Hệ thống siêu âm DC70 sử dụng giao diện máy tính hoạt động trên nền window 2000 và sử dụng chùm siêu âm xung dải rộng, như thế nó có thể tạo ra ảnh siêu âm có độ phân giải cao đồng thời cho ta chiều sâu của ảnh siêu âm Máy lưu trữ ảnh và dữ liệu bệnh nhân vào đĩa cứng tới 40.000 ảnh phụ thuộc vào dung lượng ảnh và dung lượng đĩa cứng Đồng thời dữ liệu có thể được copy (lưu) sang các ổ đĩa ngoài theo định dạng JPEG hoặc BMP, nó còn có thể đưa dữ liệu ra máy in đen trắng, máy in màu, hay tới đầu máy vidio VCR (video cassette recorder) Hình ảnh của máy:
Hình 3.1 Hình ảnh của máy siêu âm DC70.
Hình 3.2 Các bộ phận của máy.
Màn hình cảm ứng tiện lợi có thể thay đổi được góc nhìn được thể hiện ở Hình 3.3
Hình 3.3 màn hình cảm ứng.
Bảng điều khiển trung tâm được bố trí hợp lý dễ dàng sử dụng, thao tác.
Hình 3.4 Bảng điều khiển trung tâm.
Bàn phím kéo đẩy tiện lợi dễ dàng thao tác.
Hình ảnh các board mạch bên trong thân máy được bố trí như hình đưới đây.
Hình 3.6 Hình ảnh các bộ phần bên trong thân máy.
Trong đó phần board chính được sắp xếp như sau
Hệ thống siêu âm DC70 có các khả năng thăm khám đa dạng như sau:
Các ứng dụng của máy được thể hiện trong bảng đây:
Bảng 3.1 Các ứng dụng của máy siêu âm.
Small Parts Các bộ phận nhỏ
Emergency Medicine Trường hợp khẩn cấp
3.1.3 Thông số kỹ thuật chính
Ngôn ngữ: Với lượng ngôn ngữ đa dạng bao gồm:
Chinese, English, French, German, Italian, Portuguese, Russian, Spanish, Polish, Czech, Turkish, Norwegian, Serbian.
Các kiểu hiển thị hình ảnh:
- Tissue harmonic và PSH: Hình ảnh nhu mô điều hòa
- Free Xros CM (Curved Anatomical Mmode)
- Kiểu Power Doppler/ Directional PDI
- PW sóng Doppler liên tục
- Tự động cân chỉnh ánh sáng sau khi hệ thống khởi động
- Màn hình LED cảm ứng 10.4” độ phân giải 800x600
- Cổng kết nối đầu dò: 4 cổng
Thông số các chế độ hiển thị và xử lý hình ảnh
- Kiểu hiển thị: Đơn (B), Đôi (B+B), Bốn (4B)
- Điều chỉnh độ mạnh âm (Acoustic output)
- Điều chỉnh mức hội tụ focus
- FOV điều chỉnh liên tục
- Mật độ dòng quét: L/M/H/UH
- TSI: Tính năng thay đổi tốc độ âm thanh để phù hợp cho từng kiểu người: gầy, béo và chung bình.
- Có sẵn với tất cả các loại đầu dò
- Công nghệ sang chế PSH đạt được độ tinh khiết, độ tương phản tốt hơn, độ nhạy cao hơn
- Tỉ lệ S/N, tần số điều hòa cao vượt trội
- Chất lượng hình ảnh: HPen/HGen/HRes (HPen/ HPenGen/HGen/HRes cho từng đoạn)
- Chế độ hiển thị Full
- Có sẵn chế độ color M
- Điều chỉnh độ mạnh âm (Acoustic output)
- Dòng HR: độ phân giải cao cung cấp hình ảnh chất lượng và độ nhạy cao
- Chất lượng hình ảnh: Pen/Gen/Res
- Điều chỉnh độ mạnh âm (Acoustic output)
- Có thể điều chỉnh kích thước và vị trí ROI
- Dịch chuyển đường cơ bản (Base line)
- Chế độ lọc wall filter
- Chất lượng hình ảnh: Pen/Gen/Res
- Tốc độ CWKích thước khối lượng mẫu
- Sample gate depth: có thể điều chỉnh
- Độ phân giải theo thời gian/tần số
- Tự động calc theo chu kỳ
Chức năng CINE và lưu trữ:
- Có sẵn ở tất cả các chế độ
- Xem lại từng khung hình hoặc tự động xem lại với biến tần
- Xem lại từng đoạn độc lập trong chế độ 2D Dual and Quad
- Truy khả năng lưu trữ và cài đặt trước độ dài
- So sánh khung hình: hiển thị 1 đoạn cine dạng kép và cho phép so sánh từng khung hình
- So sánh cine: so sánh các đoạn cine được lưu trong cùng 1 chế độ hình ảnh
- Nhảy về đầu hoặc cuối cine bằng 1 bước
Các chức năng đo đạc và tính toán:
- Bmode: Độ sâu, khoảng cách, góc, diện tích, thể tích, đường ngang, dọc, theo vết, tỷ lệ
- Mmode: Thời gian, nhịp tim, độ dốc, khoảng cách, tốc độ
- PW/CWmode: Tốc độ, chỉ số cản, nhịp tim, vết Spectral, tăng áp
- Thước đo trọn gói: Sản khoa, phụ khoa, tim mạch, tuyến giáp, hệ tiết niệu, chỉnh hình
- Công suất tiêu thụ: 630 VA
Kích thước và cân nặng:
3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị [3].
Cấu trúc của hệ thống siêu âm được xây dựng từ sáu thành phần chức năng cơ bản sau:
Cấu trúc vật lý gồm có những thành phần có thể di chuyển được, và các thành phần hệ thống Các thành phần hệ thống là:
- Bộ tạo hình ảnh (VM).
Phần mềm hoạt động của hệ thống.
Các thành phần khác (các thành phần này có thể di chuyển):
- Panel điều khiển, ổ đĩa, phần kết nối đầu dò, hệ thống quản lý cáp, khu vực lưu giữ.
- Panel kết nối vào ra, bàn phím đẩy kéo.
Phần tạo và thu nhận tín hiệu siêu âm.
Phần phân tích và xử lý tín hiệu ảnh.
Phần hiển thị âm thanh và hình ảnh.
Sự phân phối của hệ thống nguồn được xác định bởi phần cài đặt điện áp nguồn, hệ thống nguồn cung cấp, bảng kết nối điện áp nguồn, và các dây kết nối nguồn.
Phần điều khiển, phần thu nhận, phần xử lý và hiển thị của hệ thống được hỗ trợ bởi hệ xử lý pentum, hệ thống này đưa ra một hệ thống làm việc thời gian thực bao gồm cả phần cứng và phần mềm ghép nối với ổ đĩa cứng, panel điều khiển và các thiết bị ngoại vi.
Phần cơ sở này kết hợp với phần siêu âm trong đó bao gồm bộ tạo chùm siêu âm xung, và phần mềm siêu âm.
3.2.1 Sơ đồ của hệ thống phần cứng
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống phần cứng
Hình ảnh bên trong của máy nhìn từ cạnh trái của máy:
Hình 3.8 Vị trí các board mạch của máy
Thiết bị siêu âm có thể được chia thành ba phần theo chức năng của nó:
Phần mặt trước: chịu trách nhiệm về chức năng quét của hệ thống hình ảnh siêu âm và gửi dữ liệu hình ảnh được xử lý đến đơn vị phía sau để xử lý Bảng động cơ chịu trách nhiệm về thiết bị đầu dò.
- Dữ liệu được tải lên trên bo mạch TR64, được nối và được gửi đến bo mạch động cơ
- Giao diện điều khiển, đồng hồ, tốc độ, quản lý thông tin môđun phụ (tại chỗ,
ID bảng) đều dựa trên bảng động cơ, phân phối cho các môđun phụ khác
- Các chức năng quản lý của đầu dò tách kênh, truyền/nhận và liên lạc với bo mạch động cơ.
- Là module phụ độc lập, chức năng lái 4D và tín hiệu phụ thuộc vào bảng động cơ Là một tùy chọn, chức năng nhận CW có thể được thực hiện thông qua một bảng mạch độc lập và phụ thuộc vào tín hiệu bảng TRA
Back-end unit: nhiều chức năng hơn được thực hiện trên thiết bị đầu cuối Về cơ bản nó giống với PC Nó được trang bị các chức năng chính của thiết bị chính,khả năng tính toán của quá trình hậu xử lý hình ảnh, giao diện hệ điều hành tương tác giữa con người và máy tính Môđun PC chịu trách nhiệm về thiết bị đầu cuối
Bộ cấp nguồn: nó cung cấp nguồn cho thiết bị, thiết bị đầu cuối và thiết bị ngoại vi.
- Môđun PHV phụ thuộc vào môđun DC-DC
- Môđun DC-DC bao gồm bảng DC-DC và pin
- Môđun AC bao gồm AC-DC, giao diện AC, v.v.
3.2.2 Thiết bị đầu cuối siêu âm
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối thiết bị đầu cuối
Bảng Front-end chủ yếu bao gồm:
Hình 3.10 Sơ đồ bảng mạch thăm dò
Bảng đầu dò cung cấp kết nối với đầu dò, và kết nối kênh của đầu dò với kênh của mô đun nhận / truyền trong thiết bị chính Bảng đầu dò là cấp thấp của bảng động cơ, và quản lý đầu dò với bảng động cơ Các chức năng của quản lý thăm dò:
Thông báo về sự thay đổi của đầu dò khi nó được đặt tại chỗ Mỗi tín hiệu tại chỗ của đầu dò được kết nối với CPLD CPLD thông báo DSP_FPGA qua gián đoạn khi mỗi lần thay đổi xảy ra
Kiểm soát chung đầu dò quản lý nguồn điện CPLD, quản lý việc cấp điện và giảm nguồn điện của mỗi đầu dò Cấp nguồn cho đèn flash khi truy cập vào ID khi đầu dò được kết nối Bật đầu dò trong đó kênh cần được chuyển Mạch chuyển mạch bên trong đầu dò cũng cần nguồn điện Sau khi đầu dò được rút phích cắm, tắt nguồn cấp điện cho đầu dò và thông báo cho bảng động cơ dừng truyền
Kiểm soát chung của công nhận thăm dò probe CPLD có được mã ID như SPI truy cập vào mỗi Flash bên trong đầu dò và thông báo DSP_FPGA qua SPI
Việc kết nối với tín hiệu của ổ cắm tín hiệu POUT nhận và truyền của đầu dò thông thường có thể được chuyển đổi giữa nhiều đầu dò khi thực hiện CPLD điều khiển rơle Việc chuyển đổi tín hiệu điều khiển trên đầu dò có công tắc điện áp cao được sản xuất bởi DSP_FPGA Đầu dò phân phối ra từng ổ cắm của đầu dò Sau khi được chọn và phân phối, phản hồi của tín hiệu và điều khiển của các đầu dò đặc biệt khác nhau (như 4D, biplanar, TEE) được kết nối với bo mạch động cơ Việc lựa chọn và phân phối được thực hiện bởi CPLD được kiểm soát DSP_FPGA.
Bảng TR có khả năng cung cấp các gói siêu âm cơ bản Một bảng hoàn thành việc truyền và nhận 64 kênh dữ liệu gửi lại cho bảng điều khiển động cơ thông qua nối tiếp và bổ sung từ một bảng điều khiển khác Bảng điều khiển động cơ điều khiển bảng TR thông qua các mạch liên quan.
Hình 3.11 Sơ đồ TR board
Các chức năng của bảng TR:
- Truyền: để hoàn thành việc truyền lấy nét của toàn bộ thiết bị, TR_FPGA điều khiển 64 kênh trên một bảng đơn để gửi tín hiệu siêu âm điện áp cao tới đầu dò.
- Nhận: trong việc hoàn thành lấy nét, TR_FPGA điều khiển 64 kênh trên một bảng duy nhất để nhận tín hiệu âm thanh siêu âm của đầu dò điều chỉnh CW dựa trên kế hoạch AFE Kết quả điều chỉnh sẽ gửi đến TR_FPGA
- Hỗ trợ pencil probe có sẵn để thực hiện việc chuyển đổi trên bảng TR_A giữa kênh nhận của pencil probe và kênh nhận thông thường Cuối cùng nó kết nối với CW mini board.
HỆ THỐNG SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN DC70
Nguyên lý hoạt động của thiết bị [3]
Cấu trúc của hệ thống siêu âm được xây dựng từ sáu thành phần chức năng cơ bản sau:
Cấu trúc vật lý gồm có những thành phần có thể di chuyển được, và các thành phần hệ thống Các thành phần hệ thống là:
- Bộ tạo hình ảnh (VM).
Phần mềm hoạt động của hệ thống.
Các thành phần khác (các thành phần này có thể di chuyển):
- Panel điều khiển, ổ đĩa, phần kết nối đầu dò, hệ thống quản lý cáp, khu vực lưu giữ.
- Panel kết nối vào ra, bàn phím đẩy kéo.
Phần tạo và thu nhận tín hiệu siêu âm.
Phần phân tích và xử lý tín hiệu ảnh.
Phần hiển thị âm thanh và hình ảnh.
Sự phân phối của hệ thống nguồn được xác định bởi phần cài đặt điện áp nguồn, hệ thống nguồn cung cấp, bảng kết nối điện áp nguồn, và các dây kết nối nguồn.
Phần điều khiển, phần thu nhận, phần xử lý và hiển thị của hệ thống được hỗ trợ bởi hệ xử lý pentum, hệ thống này đưa ra một hệ thống làm việc thời gian thực bao gồm cả phần cứng và phần mềm ghép nối với ổ đĩa cứng, panel điều khiển và các thiết bị ngoại vi.
Phần cơ sở này kết hợp với phần siêu âm trong đó bao gồm bộ tạo chùm siêu âm xung, và phần mềm siêu âm.
3.2.1 Sơ đồ của hệ thống phần cứng
Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống phần cứng
Hình ảnh bên trong của máy nhìn từ cạnh trái của máy:
Hình 3.8 Vị trí các board mạch của máy
Thiết bị siêu âm có thể được chia thành ba phần theo chức năng của nó:
Phần mặt trước: chịu trách nhiệm về chức năng quét của hệ thống hình ảnh siêu âm và gửi dữ liệu hình ảnh được xử lý đến đơn vị phía sau để xử lý Bảng động cơ chịu trách nhiệm về thiết bị đầu dò.
- Dữ liệu được tải lên trên bo mạch TR64, được nối và được gửi đến bo mạch động cơ
- Giao diện điều khiển, đồng hồ, tốc độ, quản lý thông tin môđun phụ (tại chỗ,
ID bảng) đều dựa trên bảng động cơ, phân phối cho các môđun phụ khác
- Các chức năng quản lý của đầu dò tách kênh, truyền/nhận và liên lạc với bo mạch động cơ.
- Là module phụ độc lập, chức năng lái 4D và tín hiệu phụ thuộc vào bảng động cơ Là một tùy chọn, chức năng nhận CW có thể được thực hiện thông qua một bảng mạch độc lập và phụ thuộc vào tín hiệu bảng TRA
Back-end unit: nhiều chức năng hơn được thực hiện trên thiết bị đầu cuối Về cơ bản nó giống với PC Nó được trang bị các chức năng chính của thiết bị chính,khả năng tính toán của quá trình hậu xử lý hình ảnh, giao diện hệ điều hành tương tác giữa con người và máy tính Môđun PC chịu trách nhiệm về thiết bị đầu cuối
Bộ cấp nguồn: nó cung cấp nguồn cho thiết bị, thiết bị đầu cuối và thiết bị ngoại vi.
- Môđun PHV phụ thuộc vào môđun DC-DC
- Môđun DC-DC bao gồm bảng DC-DC và pin
- Môđun AC bao gồm AC-DC, giao diện AC, v.v.
3.2.2 Thiết bị đầu cuối siêu âm
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối thiết bị đầu cuối
Bảng Front-end chủ yếu bao gồm:
Hình 3.10 Sơ đồ bảng mạch thăm dò
Bảng đầu dò cung cấp kết nối với đầu dò, và kết nối kênh của đầu dò với kênh của mô đun nhận / truyền trong thiết bị chính Bảng đầu dò là cấp thấp của bảng động cơ, và quản lý đầu dò với bảng động cơ Các chức năng của quản lý thăm dò:
Thông báo về sự thay đổi của đầu dò khi nó được đặt tại chỗ Mỗi tín hiệu tại chỗ của đầu dò được kết nối với CPLD CPLD thông báo DSP_FPGA qua gián đoạn khi mỗi lần thay đổi xảy ra
Kiểm soát chung đầu dò quản lý nguồn điện CPLD, quản lý việc cấp điện và giảm nguồn điện của mỗi đầu dò Cấp nguồn cho đèn flash khi truy cập vào ID khi đầu dò được kết nối Bật đầu dò trong đó kênh cần được chuyển Mạch chuyển mạch bên trong đầu dò cũng cần nguồn điện Sau khi đầu dò được rút phích cắm, tắt nguồn cấp điện cho đầu dò và thông báo cho bảng động cơ dừng truyền
Kiểm soát chung của công nhận thăm dò probe CPLD có được mã ID như SPI truy cập vào mỗi Flash bên trong đầu dò và thông báo DSP_FPGA qua SPI
Việc kết nối với tín hiệu của ổ cắm tín hiệu POUT nhận và truyền của đầu dò thông thường có thể được chuyển đổi giữa nhiều đầu dò khi thực hiện CPLD điều khiển rơle Việc chuyển đổi tín hiệu điều khiển trên đầu dò có công tắc điện áp cao được sản xuất bởi DSP_FPGA Đầu dò phân phối ra từng ổ cắm của đầu dò Sau khi được chọn và phân phối, phản hồi của tín hiệu và điều khiển của các đầu dò đặc biệt khác nhau (như 4D, biplanar, TEE) được kết nối với bo mạch động cơ Việc lựa chọn và phân phối được thực hiện bởi CPLD được kiểm soát DSP_FPGA.
Bảng TR có khả năng cung cấp các gói siêu âm cơ bản Một bảng hoàn thành việc truyền và nhận 64 kênh dữ liệu gửi lại cho bảng điều khiển động cơ thông qua nối tiếp và bổ sung từ một bảng điều khiển khác Bảng điều khiển động cơ điều khiển bảng TR thông qua các mạch liên quan.
Hình 3.11 Sơ đồ TR board
Các chức năng của bảng TR:
- Truyền: để hoàn thành việc truyền lấy nét của toàn bộ thiết bị, TR_FPGA điều khiển 64 kênh trên một bảng đơn để gửi tín hiệu siêu âm điện áp cao tới đầu dò.
- Nhận: trong việc hoàn thành lấy nét, TR_FPGA điều khiển 64 kênh trên một bảng duy nhất để nhận tín hiệu âm thanh siêu âm của đầu dò điều chỉnh CW dựa trên kế hoạch AFE Kết quả điều chỉnh sẽ gửi đến TR_FPGA
- Hỗ trợ pencil probe có sẵn để thực hiện việc chuyển đổi trên bảng TR_A giữa kênh nhận của pencil probe và kênh nhận thông thường Cuối cùng nó kết nối với CW mini board.
- Điều khiển: nó là cần thiết để kiểm soát để thực hiện các chức năng, chẳng hạn như: Tải về các tham số để TR_FPGA trong thời gian thực như DSP_FPGA kiểm soát giao diện; Kiểm soát trễ trong truyền; Nhận quyền kiểm soát độ lợi của clip, v.v.
CW là một tùy chọn Mạch truyền của CW chia sẻ mạch truyền với chế độ
MỘT SỐ CÁCH KIỂM TRA VÀ KHẮC PHỤC LỖI
Khởi động lỗi về điện [5]
Hình 4.1 Đèn báo trạng thái
Hình 4.1 ở trên thể hiện các chỉ báo trạng thái nguồn điện của thiết bị siêu âm.
Bảng 4.1: Đèn chỉ báo trạng thái Chỉ số trạng thái
Biểu tượng Định nghĩa trạng thái của các chỉ số
Chỉ báo trạng thái bật nguồn Đèn báo không bật khi tắt hệ thống;
Nhấn phím, đèn báo nhấp nháy màu xanh lục sau đó nhấp nháy màu cam.
Sau khi bật nguồn, đèn báo màu xanh lá cây. Chỉ báo trạng thái Pin
Nó sáng màu cam khi đang sạc pin;
Nó phát sáng màu xanh lá cây khi pin được sạc đầy công suất;
Dung lượng pin hơn 20% điện, và đèn báo màu xanh lá cây. tắt.
Chỉ báo nguồn điện AC
Chỉ báo có màu xanh với nguồn điện AC. Các chỉ báo tắt với nguồn cung cấp pin.
Chỉ báo trạng thái chờ Đèn báo nhấp nháy màu cam ở trạng thái chờ. Đèn báo tắt ở trạng thái khác
Hard disk indicator Đèn báo nhấp nháy màu xanh lục khi đĩa cứng được đọc hoặc ghi.
Chỉ báo tắt nếu đĩa cứng không được đọc và ghi
Khi đèn báo AC tắt
Dòng tín hiệu truyền trong máy được di chuyển theo sư đồ của Hình 4.2.
Hình 4.2 Sơ đồ dòng đi của tín hiệu điện
Trình tự đi của nguồn điện sẽ được thể hiện qua Hình 4.3 dưới đây.
Hình 4.3 Sơ đồ chiều đi của dòng điện
Sơ đồ phân tích lỗi: Sơ đồ trong Hình 4.4 dưới đây sẽ mố tả về cách phân tích lỗi khi khởi động thiết bị.
Hình 4.4 Sơ đồ phân tích lỗi khởi động
Lỗi hệ thống khởi động phần mềm [5]
- Đèn nền của tất cả các nút có màu trắng LCD là màn hình đen và hiển thị
- Hệ thống dừng lại trong hình ảnh khởi động BIOS.
Hình 4.5 Sơ đồ phân tích lỗi
Sơ đồ phân tích các lỗi khởi động được thể hiện trong Hình 4.5 ở trên và cách khắc phục sẽ được biểu diễn trong Hình 4.6 dưới đây.
BIOS Boot-up Black screen Windows
Boot-up picture 1 Black screen Doppler
Windows Boot-up picture2 Black screen
CPU module Recover software or
Hình 4.6 Sơ đồ cách khắc phục lỗi
Lỗi màn hình đen [5]
Thông thường, nếu nó khởi động thành công, đèn nền bàn phím vẫn ở chế độ trắng, ngoại trừ màu phím chế độ B biên thay đổi từ màu trắng sang cam.
- Cam: không có tín hiệu, nhưng nguồn điện vẫn ổn.
- Nhấp nháy màu cam: trục trặc trong biến tần của màn hình.
- Màu xanh lá cây: Cả nguồn và tín hiệu đều ổn.
- Tắt: Không có nguồn, không có tín hiệu.
Hình 4.7 sơ đồ phân tích lỗi màn hình đen
Không có tín hiệu dội [5]
Không có tín hiệu dội thể hiện qua hai dạng cơ bản sau đây
- Không có hình ảnh echo trong một đầu dò, những đầu dò khác bình thường
- Không có hình ảnh echo trong tất cả các đầu dò
Phương pháp khắc phục lỗi sử dụng các chức năng kiểm tra trong phần mềm như sau:
Thông thường, nếu chúng ta có thể nghe thấy âm thanh truyền của đầu dò,khả năng chức năng truyền phát là ổn Ngoài ra, nếu chúng ta có thể thấy nhiễu tại chỗ trên ảnh sau khi chúng ta điều chỉnh bộ mã hóa chế độ B thì chức năng nhận tín hiệu là ổn Sơ đồ truyền của tín hiệu siêu âm được thể hiện qua Hình 4.8 dưới đây.
Hình 4.8 sơ đồ tín hiêu siêu âm
Dưới đây là hình ảnh màn hình ở chế độ self test.
Hình 4.9 Màn hình self test
Ngoài ra chúng ta có thể phân tích lỗi các bảng mạch liên quan dựa vào sơ đồ khốiHình 4.10 dưới đây:
Hình 4.10 Sơ đồ phân tích lỗi không có tín hiệu siêu âm
Sọc đen trong khu vực tín hiệu [5]
Các trường hợp xuất hiện sọc đen trong khu vực tín hiệu:
- Có các sọc đen trong một đầu dò những đầu dò khác bình thường
- Có sọc đen trong tất cả các đầu dò
Hình 4.11 Hình ảnh có sọc đen trong khu vực tín hiệu
Phương pháp chẩn đoán sử dụng phần mềm như sau:
Hình 4.12 Sơ đồ phân tích lỗi có sọc đen trong khu vực tín hiệu siêu âm
Hình 4.11 ở trên giúp ta phân tích lỗi xuất hiện sọc đen trong khu vực tín hiệu, từ đó giúp định hướng phương pháp giải quyết khắc phục lỗi. cơ sở của thiết bị siêu âm cũng như một vài ứng dụng của siêu âm trong chẩn đoán hình ảnh trong y học Ngoài ra em cũng đã hiểu một phần về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như một số cách chẩn đoán và khắc phục lỗi của thiết bị siêu âm DC70. Đề tài đã trình bày khá chi tiết về lý thuyết của cơ sở kỹ thuật cũng như nguyên lý hoạt động của máy siêu âm, và đã trình bày một số lỗi thường gặp trên thực tế và phương hướng khắc phục Tuy vậy do còn hạn chế về kiến thức nên phần trình bày còn nhiều thiếu sót, chưa đầy đủ mong quý thầy cô và các bạn góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nếu có thêm thời gian em sẽ tìm hiểu và trình bày chi tiết hơn về đầu dò và các lỗi thường gặp của nó, cũng như phần triển khai của thiết bị trong thực tế cùng điểm mạnh và điểm yếu của thiết bị DC70.
Qua đây em cũng xin cảm thầy Nguyễn Đức thuận, thầy Dương Trọng Lượng đã nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu trong quá trình thực hiện để em hoàn thành đề tài này.