TRƯỜNG CAO ĐẢNG Y TẾ HÀ NỘI KHOA Y Bộ MÔN HÌNH ẢNH Y HỌC NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH VÃ XỬ LÝ HÌNH ẤNH Y học Ths Cao Văn Chính Hà Nội, năm 2021 1 Nội dung chi tiết học phần TT Tên các bài trong môn học Lý thuyế[.]
TRƯỜNG CAO ĐẢNG Y TẾ HÀ NỘI KHOA Y Bộ MƠN HÌNH ẢNH Y HỌC NGUN LÝ TẠO ẢNH VÃ XỬ LÝ HÌNH ẤNH Y học Ths Cao Văn Chính Hà Nội, năm 2021 Nội dung chi tiết học phần Tên môn học TT Lý thuyết Chương Nguyên lý tạo ảnh xử lý ảnh X quang Nguyên lý tạo ảnh X quang Cấu trúc hệ thống tạo ảnh thu nhận ảnh X quang Các yêu tô ảnh hưởng đên ảnh X quang phương pháp xử lý ảnh X quang Chương Nguyên lý tạo ảnh xử lý ảnh cắt lóp vi tính Ngun lý tạo ảnh cắt lóp vi tính 2 Cấu trúc hệ thống tạo ảnh thu nhận ảnh cắt lóp vi tính Các yếu tố ảnh hưởng đến ảnh cắt lóp vi tính phương pháp xử lý ảnh cắt lóp vi tính Chương Ngun lý tạo ảnh xử lý ảnh cộng hưổng từ Nguyên lý tạo ảnh cộng hưởng từ Cấu trúc hệ thống tạo ảnh thu nhận ảnh cộng hưởng từ 3 Các yếu tố ảnh hưởng tương phản ảnh cộng hưởng từ phương pháp xử lý ảnh cộng hưởng từ Chưong Nguyên lý tạo ảnh siêu âm Nguyên lý tạo ảnh siêu âm nhiễu ảnh siêu âm 2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động đầu dò siêu âm Cấu trúc hệ thống tạo ảnh thu nhận ảnh siêu âm Tổng số 30 CHƯƠNG NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH VÀ XỬ LÝ ẢNH X QUANG BÀI NGUYÊN LÝ TẠO ẢNH X QUANG Thời gian: lý thuyết Mục tiêu - Kiến thúc: Trình bày nguyên lý tạo tia X ứng dụng tia X y học Trình bày trình tương tác tia X với vật chất Trình bày nguyên lý tạo ảnh X quang - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Thể ý thức học tập nghiêm túc, tự giác, tập trung NỘI DUNG Nguyên lý tạo tia X 1.1 Vật lý tia X úng dụng 1.1.1 Hiệu ứng xạ tia Katốt Năm 1895 nhà bác học Đức Wilhelm Konrat Roentgen tìm thấy xạ xuyên qua vật chất ơng làm thí nghiệm, loại tia ông đặt tên tia X Đe kỷ niệm nhà bác học tìm người ta thường gọi tia Rơnghen Năm 1925, Quốc tế chấp nhận Rơnghen tên đợn vị đo liều lượng tia X Năm 1901 nhà bác học W.Ronghen tăng giải thưởng Nobel Vào năm 1837 Michael Faraday nghiên cứu phát quang phóng điện ạua chất khí khác Sau M.Faraday nghiên cứu phóng điện qua ống thủy tinh chứa khí áp suất thấp Năm 1877 Crookes tạo ống thủy tinh chứa khí có áp suất thấp gọi ống Crookes (hình 1.1) Khi nghiên cứu tia katốt, ơng phát hiện: Tia katốt bị lệch hướng từ trường điện trường Ông rút kết luận tia katốt dịng hạt mang điện tích âm, bị lệch trường điện từ quay hội tụ điện cực lồi Ông nhận thấy hạt nóng thể nơi chúng rọi tới (Thực Crookes phát tia X ông không chứng minh được) Năm 1892 Heinrich Hertz nhận thấy tia katốt qua thủy tinh ống chân không, ông tin tia katốt dạng sóng điện từ Thời gian Rơnghen làm việc trường đại học Tổng hợp Wuerzburg Đức Một điều kiện may mắn Rơnghen ý tới việc chụp ảnh Do ngày 8/11/1895 ông nhận thấy số vật phát quang vùng lân cận ống Crookes, ống ông cung cấp dòng điện nhờ cuộn cảm ứng nối với pin Khi xem xét vật thể mà phát quang, ơng nhận thấy chúng phủ lóp hóa chất đặc biệt Tất nhiên tia katốt ống nguyên nhân phát quang Ngày 28/12/1895 Rơnghen báo cáo lần phát minh Năm 1895 nhiều nhà bác học nghiên cứu tia âm cực Và họ đặt câu hỏi: Tia âm cực gì? Nó dịng hạt kết luận Crookes sóng điện từ quan niệm Hertz? Sự hiểu biết tia X thời gian hạn chế điều kiện thí nghiệm khơng đầy đủ Đen năm 1911 thí nghiệm tiếng Milikan chứng minh tồn điện tử cơng trình tặng giải thưởng Nobel năm 1923 Người ta dùng ống thủy tinh có hai cực A K, bên chứa khí áp suất thấp khoảng HP mmHg Ở hai đầu katốt K anốt A đặt điện chiều, khoảng vài nghìn vol, quan sát tượng phóng điện khí Lúc khí ống phát sáng (hình 1.2) Hình 1.2 Sự phóng điện qua chất khí Khi quan sát kỳ dọc theo ống ta thấy phát sáng khơng có khoảng sáng tối: 1: khoảng sáng thứ bao quanh âm cực 2: khoảng tối Crookes 3: khoảng sáng thứ hai 4: khoảng tối Faraday 5: khoảng sáng dương cực Neu hạ thấp áp suất chất khí khoảng tối Crookes nới rộng chiếm hết ống Tuy nhiên tượng phóng điện tiếp diễn Neu đặt kim loại âm cực dương cực thấy thành ống đối diện với âm cực xuất bóng đen kim loại Như rõ ràng từ âm cực phát loại tia mà người ta gọi tia âm cực Đe tìm hiểu chất tia âm cực, nhà khoa học Cruc (Crookes), Peranh (Perrin), Tơmxơn (Thomson) làm nhiều thí nghiệm tìm thấy sổ tính chất quan trọng tia âm cực sau: Vận tốc tia âm cực Tơmxơn đo năm 1894 có giá trị 1,9.105 m/s So sánh với vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s vận tốc tia âm cực nhỏ nhiều Do đồng tia âm cực với ánh sáng - Tia âm cực có khả làm quay chong chóng nhỏ chong chóng đường tia âm cực Điều chứng tỏ tia âm cực chùm hạt, truyền động cho chong chóng quay - Tia âm cực bị lệch hướng tác dụng điện trường từ trường - Khi đo độ lệch tia âm cực tác dụng đồng thời điện trường từ trường, năm 1897 Tômxơn xác định tỷ sô ~ hạt tạo nên tia âm cực: e _ ,, -Z- = 0,175.1011 culông/kg me Ta nhớ trước nghiên cứu dẫn điện dụng dịch định luật điện phân Faraday định luật Avôgadrô, người ta chứng minh tồn nguyên tố điện tích, nghĩa điện tích (hay điện tích ion hóa trị một) e xác định giá trị: 1F e= IN ~ 1’6.1019 culông/kg Trong đó: 1F: Faraday = 9,6522.104 culơng N: số Avôgadrô = 6,059.1023 nguyên tử, số nguyên tử chứa nguyên tử gam mội nguyên tố Do đó, người ta xác định khối lượng hạt tạo nên âm cực Ket cho thấy hạt tạo nên âm cực mang điện tích âm, có khối lượng nhở hàng nghìn lần so với khối lượng nguyên từ Như nhầm tia cực âm với ion âm Ta thấy tia âm cực thực chất chuỗi hạt mang điện tích âm có khối lượng nhở khối lượng nguyên tử hàng nghìn lần 1.1.2 Phương pháp tạo tia X chất tia X Sơ đồ nguồn phát xạ tia Ronghen hình 1.3: Hình 1.3 Sơ đồ nguồn xạ Rơnghen Cơ chế phát xạ Rơnghen giải thích sau: Khi katơt nung nóng đủ mức phát nhiệt điện tử Dưới tác động điện trường mạnh Anôt katôt (do hiệu điện cao gây ra), nhiệt điện tử chuyển động phía Anơt làm kim loại nặng (như vonfram) với vận tốc gia tốc lớn tới đập vào Anôt dừng lại đột ngột Từ Anôt phát chùm tia Rơnghen theo hướng Để định hướng chùm tia, người ta sử dụng nhiều giải pháp kỳ thuật khác (Anơt đặt nghiêng, bóng bọc chì kín có cửa sổ xác định) Tia Rơnghen khơng nhìn thấy mắt thường, có đặc tính làm phát quang số chất, có tác dụng lêm kính ảnh gây ion hóa chất khí Tất đặc tính dử dụng để phát vá nghiên cứu tia Ronghen Tia Rơnghen có chất sóng điện từ ánh sáng có bước sóng nhỏ hon nhiều so với bước sóng ánh sáng, bước sóng ngắn nằm khoảng 10” m đến 10'8 m (ngắn hon bước sóng tia tử ngoại) Bước sóng nhỏ tia X: B = Eđ Amln=^ Với: 8: lượng tia X Eđ Là động e đập vào đối catot “ Eđ=^=eu+^ u : hiệu điện anốt catot V : vận tốc e đập vào đối catot Vo : vận tốc e rời catot (thường Vo = 0) Ta so sánh bước sóng tia Ronghen dải sóng điện từ sau đây: Bức xạ Bước sóng X Tia Gamma(g) < 0,0012nm (lnm=10’9m=10-6mm) 0,0012 + 12nm Tia Rơnghen(X) Tử ngoại 12 + 380nm Nhìn thấy 380 + 760nm Hồng ngoại 760 + 106nm (106nm = Imm) >lmm Sóng vơ tuyến Ta nhận thấy mồi vùng sóng có đặc tính đặc trưng riêng Khi tần số tăng( bước sóng giảm) tính chất hạt xạ tăng Ta ý có chất sóng điện từ vùng sóng có khác quan trọng Sóng vơ tuyến sinh nhờ chuyển động tuần hoàn tập thể điện tử mạch dao động(anten) Sóng quang học phát nhờ chuyển bước lượng bên nguyên tử, phân tử riêng biệt vật thể Còn tia X, nguồn gốc điện tử chuyển dịch lóp nguyên tử Cũng tưong tự ánh sáng, tia Ronghen có tính chất sóng mà ta phát điều nhờ thí nghiệm giao thoa nhiễu xạ Ta biết tia Rơnghen xuất điện tử bị hãm đột ngột va chạm với nguyên tử chất làm đối âm cực Khi xuất hai loại xạ Ronghen xạ hãm xạ đặc trưng 1.1.3 Tính chất tia X - Khả đâm xuyên tốt: truyền qua vật chắn sáng thông thường giấy, gỗ, hay kim loại mỏng Bước sóng ngắn, đâm xuyên mạnh -Tác dụng mạnh lên kính ảnh (làm đen) - Làm phát quang số chất - Có khả ion hóa khơng khí chất khí - Tác dụng sinh học mạnh: hủy hoại tế bào, diệt vi khuẩn, 1.1.4 ứng dụng tia X y học Từ Wilhelm Conrad Rõntgen phát tia X chẩn đốn cấu trúc xương, tia X phát triển để sử dụng cho chụp hình y tế Khoa X quang lĩnh vực chuyên biệt y tế sử dụng ảnh tia X kĩ thuật khác để chẩn đốn bệnh hình ảnh nên cịn gọi Khoa chẩn đốn hình ảnh Việc sử dụng tia X đặc biệt hữu dụng việc xác định bệnh lý xương, giúp ích tìm bệnh phần mềm Một vài ví dụ khảo sát ngực, dùng để chẩn đốn bệnh phổi viêm phổi, ung thư phổi hay phù nề phổi, khảo sát vùng bụng, phát tắc ruột (tắc thực quản), tràn khí (từ thủng ruột), tràn dịch (trong khoang bụng) Trong vài trường họp, sử dụng X quang gây tranh cãi, sởi mật (ít cản quang) hay sỏi thận (thường thấy luôn) Hơn nữa, tư chụp X quang truyền thống sử dụng việc tạo hình phần mềm não hay Việc tạo hình cho phần mềm thay kĩ thuật chụp cắt lớp vi tính computed axial tomography, CAT hay CT scanning) tạo hình bang chụp cộng hưởng từ (MRI) hay siêu âm Tia X sử dụng kỹ thuật soi trực tiếp thời gian thực, thăm khám thành mạch máu hay nghiên cứu độ cản quang tạng rồng nội tạng (chất lỏng càn quang quai ruột lớn hay nhỏ) cách sử dụng máy chiếu huỳnh quang Hình ảnh giải phẫu mạch máu can thiệp y tế qua hệ thống động mạch dựa vào máy soi X quang để định vị thương tổn tiềm tàng chữa trị Xạ trị tia X, can thiệp y tế, dùng chuyên biệt cho ung thư, dùng tia X có lượng mạnh 1.2 Phân loại xạ tia X 1.2.1 Bức xạ đặc trưng (bức xạ rời rạc: chênh lệch lượng liên kết quỹ đạo điện tử chuyển mức) Mồi tia X - quang tạo có electron chùm electron bay tới Anốt tương tác với nguyên tử Sự tương tác làm cho electron quỹ đạo lượng thấp K nguyên tử chuyển lên quỹ đạo có mức lượng cao L, M , sau quay lại quỳ đạo cũ phát phôtôn lượng, gọi xạ đặc trưng (Characteristic Radiation) (X đặc trưng) có lượng xác định theo công thức: =h— = ELM -Ek (2.1) Các mức lượng Ka, Kp minh hoạ hình 1.4 tượng trưng cho chuyển đổi lượng quỹ đạo khác nguyên tử Bức xạ đặc trưng ứng dụng chụp mơ mềm chụp vú Bước sóng À, Hình 1.4 Phố lượng X - quang phát anổt Tungsten 130kV 1.2.2 Bức xạ hãm Một kiểu tương tác thứ hai chiếu xạ liên tục electron tới anốt tạo thành phổ phát xạ tia X, gọi Bức xạ hãm (Bremsstrahlung Radiation) (X hãm) Bức xạ hình thành thay đổi đột ngột tốc độ chùm electron gặp bề mặt anốt, làm giảm tức thời động electron phần lượng giảm chuyển thành lượng tia X Bức xạ hãm chứa hầu hết lượng tia X, quan trọng ứng dụng y học dựa sở hấp thụ lượng hay phép đo lường liên quan tới bước sóng, nghiên cứu tinh thể học sử dụng tia X Mối liên hệ điện anốt lượng phơtơn xạ hình 1.4 Khi tăng điện áp anốt điều kiện dịng tia khơng đổi làm tăng lượng electron chùm Thực tế, lượng electron đập vào anốt cho biểu thức: Ee = e Va (2.2) e điện tích electron (e= -1.602 X 10'19 C) Ee tính theo đơn vị eV eV lượng thu từ electron tăng tốc điện áp IV Mặt khác, electron tương tác với nguyên tử anốt tạo tia X có lượng phù hợp với học lượng tử theo công thức: Ep = h.f , ' (2.3) Ở h số Planck (h= 6.625 X 10 34 Js); f tần số phôtôn Từ phân tích cho thấy: tia X khơng thể có lượng lớn lượng electron sinh tương tác Như lượng tia X hãm vượt giá trị e Va giới hạn điện áp anốt Khi va chạm điện tử bị hãm đột ngột chuyển động có gia tốc hạt mang điện dẫn đến xuất trường điện từ xạ hãm có phổ liên tục Sự phân bố lượng (hay cường độ) theo bước sóng có cực đại bước sóng xác định Hình 1.5 Sự phân hổ I(k) với đổi âm cực Vonfram với điện áp khác Cường độ giảm dần phía bước sóng lớn tiệm cận đến giá trị Ă, —> 00 1.2.3 Bức xạ tổng họp Bức xạ tổng họp kết hợp xạ hãm xạ đặc trưng, số lượng tia X-đặc trưng phổ xạ tổng họp phụ thuộc vào trị số kv Xét vói anơt tungsten: u < 70 kVp 100% xạ hãm Ư = 80 kVp 10% xạ đặc trưng, 90% xạ hãm Ư = 150 kVp 28% xạ đặc trưng, 72% xạ hãm 10 20 30 40 50 60 70 80 Năng lượng (keV) 90 100 CHẤT LƯỢNG - ► Hình 1.6 Phổ xạ tổng họp Trong máy X quang thông thường (anôt vonfram) xạ đặc trưng chiếm tỷ lệ nhỏ xạ tổng hợp (vì u < 100 kVp) Trong máy X quang chụp vú (có điện áp cao khoảng từ 25 kVp đến 50 kVp, anôt Molypden) xạ đặc trưng chiếm tỷ lệ cao xạ tổng họp *Chú ý: Đặc điểm chùm tia X biểu qua hai yếu tố: Chất lượng số lượng - Chất lượng lượng toàn chùm tia X - Số lượng số photon có chùm tia X Chất lượng số lượng chùm tia X chịu tác động nhiều tham số yếu tố chủ yếu kVp, mA, mAs, dạnệ sóng chỉnh lưu, lọc + Sự thay đổi kVp ảnh hưởng đến số lượng hai loại xạ, ảnh hưởng đến chất lượng xạ hãm + Sự thay đổi mA, mAs ảnh hưởng đến số lượng hai loại xạ + Sự thay đổi loại nguồn chỉnh lưu ảnh hưởng đến số lượng chất lượng xạ liên tục ảnh hưởng đến số lượng xạ đặc trưng +Tấm lọc làm tăng chất lượng làm giảm số lượng xạ hãm xạ đặc trưng Quá trình tưong tác tia X vói vật chất 2.1 Sự hấp thụ tia X vật chất Ảnh X - quang y học tạo thành việc tác động chùm tia X tới thể bệnh nhân đo lượng tia xuyên qua Lượng tia X - quang bị hấp thụ thể xác định từ độ chênh lệch lượng xạ chiếu tới lượng xuyên qua Sự hấp thụ tia X sở kỹ thuật để khảo sát đánh giá phận khác thể tác dụng tia X Ví dụ, phần tử xương hấp thụ nhiều tia X - quang phần tử phân biệt chúng dễ dàng nhờ tác động tia X Từ phân tích hấp thụ tia X vật chất đây, ta xây dựng biểu thức định lượng biểu diễn mối quan hệ cường độ I(s) độ suy giảm tuyến tính p(s) A ► ► * ► > ► » - > J(s) J(s+ds) II s s+ds °k A' Hình 1.7 Sơ đồ biêu diên mối tương quan I(s) theo p(.v) Trong trình tương tác với vật chât, cường độ chùm tia X đơn vị diện tích bề mặt vng góc với phương truyền giảm Trong điều kiện định coi suy giảm tỷ lệ thuận với quãng đường Đe dẫn công thức thay đổi cường độ J, ta xét chùm tia chiếu đến với cường độ không đổi L mặt phân giới A - A’ (hình 1.7) Với giả thiết ban đầu hình vẽ, ta có: dJ(s) - -g( 51 )J(s)ds (2.4) Hệ số g( s) (2.4) gọi hệ số hấp thụ tuyến tính tổng quát, dấu trừ lấy từ điều kiện p dương Hệ số hàm số toạ độ không gian (x, y, z)= (Si, S2, S3) tạo thành vectơ bán kính ố Đại lượng dJ(s) đặc trưng cho thay đổi cường độ tia X qua độ dày ds Hệ số p(s) đại lượng đặc trưng cho cấu trúc vật chất, xác định nhờ phương pháp chụp cắt lóp máy tính dùng làm sở việc tái tạo hình ảnh chụp cắt lóp, biểu diễn theo cơng thức mật độ vật chất sau: 10 Hình 3.28 Phương pháp hiển thị ảnh siêu âm Phân loại đầu dò siêu âm theo nguyên lý cách lựa chọn đầu dò 3.1 Phân loại đầu dò siêu âm theo nguyên lý 3.1.1 Đầu dò phang Đầu dò phẳng đầu dò tập họp nhiều đầu dò đơn đặt mặt phang Chúng độc lập với điện tạo nên tia siêu âm song song với nằm mặt phang Độ dày tia (mật độ tia) I phụ thuộc vào số lượng đầu dò đơn Đầu dò phẳng đại thường có 128 chấn tử, chấn tử Hình 3.55 cẩu tạo nguyên lý làm việc đầu dò phắng 3.2.1 Nguyên lý hoạt động Để tạo hình ảnh kiểu quét song song (dạng ảnh chữ nhật), thông thường người ta dùng đầu dị thẳng tuyến tính để qt Đầu dị gồm dãy cách tử xếp sát theo đường thẳng giá đỡ cách ly với điện âm Kích thước cách tử định tần số đầu dị (ví dụ: 10mm X 1mm X 0,5mm) số lượng cách từ (ví dụ 128) định chiều dài quét (ví dụ gồm 32 cách tử) nối với điện (từ cách tử thứ tới cách tử thứ 32) Với nhóm đường quét tiếp theo, lần cách tử thay đổi phần tử (từ tới 33, tiếp đến từ đến 34 đường quét cuối ứng với nhóm cách tử từ 97 tới 128 lên để tạo ảnh siêu âm hồn chỉnh Q trình qt lặp lại nhanh vận tốc truyền âm thể nhanh (ước khoảng 3000 m/s, tức khoảng 20 tới 60 hình qt/s) 146 Chất lượng hình ảnh nâng cao lên nhờ biện pháp cải tiến âm điện tử Ví dụ dẫn hội tụ thấu kính âm Đầu dị tuyến tính cho hình ảnh chữ nhật có mật độ thông tin (khoảng cách hàng) không đổi theo chiều sâu Chất lượng ảnh đồng toàn phạm vi ảnh Số ĩ Cách tử 10 Khoảng cách cách tử A z - Ae Khoảng cách dòng quét A Dòng thứ ba Dòng thứ hai Dòng thứ Hình 3.57 Kiêu dịng qt song song đầu dò tuyến tỉnh 3.2.2 ưu nhược điếm * ưu diêm - Vùng thăm khám rộng - Độ bền vững, ổn định cao - Khả chống nhiễu cao - Khả tạo liên tục tia siêu âm độ sâu khác - Thiết bị siêu âm gọn nhẹ xách tay nên động 147 - Giá thành phải - Khả thể vùng bề mặt tốt - Thực kỹ thuật Focus động - Khơng có phần khí * Nhược điếm - Kích thước lớn - Độ phân giải theo chiều dọc ngang khác - Đầu dò đòi hởi mặt tiếp xúc đầu dò phận cần ghi hình ảnh lớn Cho nên vối đầu dị phẳng khảo sát phận bụng vùng tiếp JÌáP- „ _ ~ , - M Nhưng dù đâu dị mang tính hiệu cao điêu kiện kinh tê hạn hẹp 3.2.3 ứng dụng - Vùng bụng - Sản, phụ khoa - Tuyến giáp - Mạch gần bề mặt - Các ứng dụng đặc biệt: đầu dò Biopsy, nội soi phẫu thuật 3.1.2 Đầu dò rẻ quạt điện tử 3.3.1 Nguyên lý hoạt động Trong phương pháp này, tia siêu âm quét cách dùng khóa điện tử để đóng mở nguồn nuôi tinh thể xếp kế cận theo thứ tự thời gian Lúc tia siêu âm quét theo phương pháp định Mang tính chất sóng nên tia siêu âm lan truyền theo hướng nguồn phát nguồn điểm, nhiên với việc kích hoạt lúc nhiều tinh thể gần nhau, điểm nằm chu kỳ tạo thành mặt phang gọi mặt sóng Khi hướng truyền tia siêu âm vng góc với mặt sóng Đầu dị rẻ quạt điện tử ví dụ đầu dị Convex Trường hợp chấn tử nhỏ Hình 3.58 Phương pháp quét điện tử đẩu dò mảng tuyến tỉnh Đầu dò Convex dựa vào ưu điểm cấu trúc tương tự đầu dị phang: chấn tử đặt hình cong (hình lười búa), khơng phải mặt phang 148 Ý San a«c*e»i ? Hình 3.59 Ngun lỷ làm việc đầu dò Convex Nhờ Cấu trúc mà tia siêu âm phát theo hình rẻ quạt Sự cải tiến cho ta đầu dị có ưu điểm hai loại đầu dò phẳng đầu dò rẻ quạt khí Do vậy, máy siêu âm dùng đầu dò thay cho hai loại đầu dò Tuy nhiên loại đầu dị có mặt hạn chế Vì số chấn tử có kích thước khơng nhỏ nên kích thước lười búa lớn (xem hình 3.22) Cũng máy siêu âm với đầu dị dùng cho bệnh viện đa khoa mà dùng chuyên sâu cho khoa tim mạch 3.3.2 ưu nhược điếm * ưu điếm đầu dị Convex Hình 3.60 cấu tạo đẩu dị Convex - Qt theo hình rẻ quạt mà khơng cần phần khí đồng pha - Be mặt tiếp xúc nhỏ Linear - Có dạng cong nên có khả áp vào nhiều vùng thể * Nhược điếm Chất lượng ảnh siêu âm vùng bụng khơng cao 3.3.5 ứng dụng Có thể thay cho hai loại đầu dò 3.2 Cách lựa chọn đầu dị 3.2.1 Đặc điểm tần số sóng siêu âm Phạm vi tần số đầu dò máy siêu âm chẩn đoán từ 14-15 MHz, Khi tần số thấp, khả xuyên sâu máy siêu âm lớn, có nghĩa cho phép ghi chụp phần tử nằm sâu Nhưng tần số cao, khả phân giải lớn, hình ảnh nét Cũng người ta chế tạo loạỉ đầu dị với tần số khác Thường có tần số: 3,5 MHz, MHz 7,5 MHz, cố gắng gần người ta chế tạo tần số dải rộng Ví dụ: 3,5-5MHz 6,5 7,5MHz 3.2.2 Lựa chọn đầu dò Trong thực hành nhiều người làm siêu âm phải thực thăm khám nhiều quan, phận khác thể, đặc biệt bệnh viện đa khoa Do đó, nên lựa chọn đầu dò cho phù họp với nhiệm vụ mình, tốt đương nhiên 149 đầu dò đa tần đầy đủ chủng loại sector, convex, linear Tuy nhiên, thực tế điều khó xảy ra, nên cần loại bỏ đầu dị sử dụng cần có biện pháp khắc phục khó khăn khơng có đầu dị chun dụng Trước hết chủng loại đầu dị, điện tử co khí, hai loại cho hình ảnh chất lượng tốt nhau, nhiên đầu dị khí thường có độ bền để làm siêu âm tim thường có kích thước to đầu dị điện tử loại, đầu dò loại thường rẻ Theo mục đích thăm khám, để làm siêu âm tim tốt đương nhiên đầu dò sector, người Việt Nam trưởng thành tần số thích hợp 3,5MHz, nhiên có loại đa tần từ 2-4MHz tối ưu, đối trẻ em 5MHz, thích hợp loại 48MHz Để làm siêu âm bụng tổng qt thơng thường dùng đầu dị convex với người lớn 3,5MHz (tốt 2-4MHz), trẻ em dùng loại tần số cao Tuy nhiên, trường họp khơng có đầu dị convex, đầu dị sector dùng thăm khám bụng Đe thăm khám phận nông tuyến giáp, tuyến vú, tinh hoàn, mạch máu ngoại vi đầu dò linear với tần số 7-10MHz tốt Đe phục vụ mục đích sinh thiết người ta thường gắn thêm phận giá đờ cho đầu dị chun dụng, điều kiện khơng có sử dụng đầu dị thơng thường cho mục đích đầu dị sector tốt Như vậy, điều kiện chọn đầu dò nên mua đầu dò sector đa tần 3,5MHz 150 BÀI CẤU TRÚC HỆ THỐNG TẠO ẢNH VÀ THU NHẬN ẢNH SIÊU ÂM Thời gian: lý thuyết Mục tiêu - Kiến thức: Trình bày nguyên lý hoạt động thiết bị tạo hình siêu âm Trình bày chức nhiệm vụ khối thiết bị tạo hình ảnh siêu âm - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Thể ý thức học tập nghiêm túc, tự giác, tập trung Nội dung So- đồ khối Siêu âm chẩn đoán đen trắng sử dụng loại đầu dị tuyến tính, cong khí rẻ quạt với kích thước tần số khác nhau, sử dụng nhiều lĩnh vực chẩn đoán lâm sàng bụng, sản phụ khoa, tim Hình 3.64 Sơ đồ khối máy siêu âm chấn đoán Nguyên lý hoạt động Như biết máy siêu âm chẩn đốn dựa ngun lý thu sóng phản xạ mặt phân cách môi trường khác mật độ phát chùm tia sóng siêu âm với tần số xác định từ đầu dò loại cảm biến thuận nghịch (hình 3.65) 151 Hình 3.65 Ngun lý thu sóng siêu âm phản xạ Khi tác dụng vào đầu dò xung điện, phát xung sóng siêu âm ngược lại có tác dụng xung sóng siêu âm sinh dòng điện Neu ta phát xung siêu âm qua vật thể gồm mặt phân cách ta thu xung điện hình 3.66 Vị trí xung trục ngang chuyển thành chấm với độ sáng tưong ứng với mặt phân cách Hình 3.66 hình ảnh đưịng truyền siêu âm Khi dịch đầu dò bề mặt vật thể, ta có số đưịng truyền siêu âm tương ứng, thu chấm sáng tương ứng với mặt phân cách Như vậy, “quét” đường truyền siêu âm mặt vật thể, ta thu hình ảnh mặt phân cách (hình 3.66) Nếu đầu dò gồm nhiều biến tử điện áp qt theo trình tự sóng phản xạ thu lại theo trình tự thích hợp, ta thu ảnh vật thể Các loại đầu dị khác có cách điều khiển quét khác 152 Hình 3.66 Hình ảnh mặt phân cách Máy siêu âm chẩn đoán hoạt động theo sơ khối (hình 3.64) Máy bao gồm khối thu/phát sóng siêu âm, khơi DSC (Digital Scan Converter), khối tín hiệu hình, khơi điều khiển vi xử lý CPU (Control Processing Unit)-Khối xử lý trung tâm, nguồn cung cấp, bàn phím lăn, hình hiển thị Máy ghép nối vối thiết bị ngoại vi máy in đen trắng, máy ghi hình VTR Ngồi máy lắp sẵn đĩa mềm Chức nhiệm vụ khối 3.1 Khối nguồn cung cấp Khối nguồn cung cấp có chức năng: - Cung cấp điện áp cho toàn khối máy (nguồn ổn áp chiều), mặt khác cịn cung cấp nguồn chiếu sáng bàn phím - Cung câp ngn điện áp cao đê kích thích đâu dị thông qua phân phát siêu âm Nguồn cung cấp hoạt động dựa nguyên lý xung (Switching) dùng với nguồn điện lưói 100M20VAC 200 -^240VAC Nguon hạ áp bao gồm: ± 5V ; ±15V ; +12VDC Nguồn cao áp: 18OU3OOVDC Nguồn cung cấp cho hình (Monitor) hai chế độ chẩn CCIR hay FIA Thay đổi nguồn cung cấp điện vào máy siêu âm không ảnh hưởng tới nguồn cung cấp cho Monitor 3.2 Khối tương tự 3.2.1 Khối đầu dò Để tạo xung sóng siêụ âm, ta phải tạo nhiều xung điện có điện áp đủ lớn để kích thích phần tử áp điện đầu dò Đầu dò xung hay tuyến tính gồm phần tử áp điện xếp theo hàng nằm cạnh với khoảng cách nhỏ số lượng phần tử thay đổi theo loại đầu dị (hình 3.68) 153 Hình 3.68 số lượng phần tử áp điện thay đối tuỳ theo loại đầu dị Đe đảm bảo đủ cơng suất siêu âm cho sóng siêu âm sâu' vào thể (khoảng 25cm) tạo sóng phản hồi có lượng đủ lớn cho thu (độ nhạy máy), cần phải kích thích nhóm phần từ áp điện 3.2.2 Khối thu/phát tín hiệu siêu âm Khối có chức năng: phát thu sóng siêu âm Đầu dị máy siêu âm nối với máy qua cắm mặt máy, loại đầu dò khác nhận biết qua mã đâu dò, mã đâu dò gửi vê xử lý trung tâm sau từ có tín hiệu điều khiển đến phần thu phát khối DSC để chọn kiểu quét thích hợp đồng thời báo lên Moriitor tần số loại đầu dò chọn Khối phát gồm hai phận: - Khôi tạo xung kích - Khơi khuếch đại xung kích Khơi tạo xung kích có nhiệm vụ tạo nhóm xung tương ứng vỏi phần tử cần kích thích S(1 thay đổi tuỳ theo đầu dò sử dụng Như ta biết, kích thích phần tử áp điện, dạng hình học phần tử siêu âm khơng phải hình trụ mà tạo hình 3.69 Vùng phân kỳ làm giảm độ phân giải Để hội tụ chùm tia siêu âm, người ta sử dụng phương pháp hội tụ điện tử với vùng hội tụ có độ sâu khác Hình 3.69 Dạng hình học sóng siêu âm phát Giả thiết số phần tử nhóm 12, hai phần tử hai phần tử trung tâm, hai phần tử 12 hai phần tử nằm xa nhóm Đổ chùm sóng siêu âm hội tụ điểm trường khảo sát, ta cần sóng siêu âm phát phần từ nhóm đến điểm thời điểm, Tuy nhiên, quãng đường sóng siêu âm từ phần tử 6-7 tới phần tử - 12 đến điểm hội tụ khác 154 chênh khoảng thòi gian Ato Tưong tự vối phần tủ —11 so với phần tử - 7, thời gian chênh Ati At2 Như vậy, để tạo chùm tia hội tụ, phần tử - 12 cần phát trước phần tử - 11, phần tử - phát với độ trề thòi gian AtO AQ Độ trễ lập trình sẵn máy tương ứng vói vùng hội tụ độ sâu thâm dò khác cho đầu dò điều khiển bàn phím Một nhóm phần tử nói phát tia siêu âm Đe quét chùm tia siêu âm tồn vùng thăm khám (xem hình 3.66), ta phải dịch tồn nhóm sang phía bên trái phần tử Quá trình lặp lại đến quét hết góc quét ảnh ta thu khn hình, thay đổi tuỳ thuộc loại đầu dị độ sâu thăm khám Các nguồn xung kích thích (cho phần tử) sau đưa qua khuếch đại chung Điện áp kích thích cho phần tử áp điện khoảng 100V qua MOSFET, công suất điện áp lấy từ nguồn máy Trên hình 3.71 thí dụ cho đầu dị hai phần tử Một tia siêu âm tạo nên từ nhóm gồm phần từ Tia thứ tạo nên bơi nhóm phần tử - 8, tia thứ tạo nên nhóm phần tử - 9, tia thứ tạo nên nhóm phần tử - 10 Như phần tử 1, 9, 17 khơng kích thích thịi điểm chúng nôi vào kênh (Channel) Tương tự với phần tử khác đầu dị có kênh Sau phát song song nhóm đường tia siêu âm 1, ghi dịch dịch phần tử để phát tia siêu âm Khối thu Hình 3.70 Sơ đồ khối khối thu Sóng siêu âm sau vào thể, gặp mặt phân cách phản xạ trở vê đầu dò sóng siêu âm phản xạ tác động vào phần tử áp điện sinh dòng điện Dòng điện đưa vào khối tiền khuếch đại, sóng phản xạ quay trở phẫn tử — nhanh so với trở phần tử — 12 phần tử lại Đe tạo tia siêu âm phản xạ, tương ứng với tia siêu âm phát ra, ta phải cộng với tia lại thành khoảng trễ Ato, Atp trường họp phát sóng Bộ phận chọn kênh làm nhiệm vụ xếp tia (như nói ỏ trên) thành nhóm đưa vào trễ máy lập trình sẵn, tuỳ thuộc vào độ sâu thăm dò vùng hội tụ (chọn hội tụ), tín hiệu điều khiển lấy từ khôi điều khiển (vi xử lý) qua tác động bàn phím (độ sâu, vùng hội tụ) Tại khôi chia thành phần, sau làm trễ cộng lại thành tia siêu âm phản xạ có thơng tin mặt phân cách, sau đưa vào khơi khuếch đại cao tần (hình 3.71) 155 Khi truyền mơi trưịng vật chất, sóng siêu âm bị suy giảm lượng q trình hấp thụ tán xạ Do sóng siêu âm truyền vào thể phản xạ trở lại qua mặt phân cách tín hiệu phản xạ ỏ vùng sâu yếu (hình 3.72) Đe khảo sát vùng sâu, ta cần phải bù lại suy giảm nói tín hiệu phản xạ, từ đưa khái niệm ve khuech đại bù tín hiệu theo độ sâu DGC (Depth Gain Compensation) hay gọi khuếch đại bù trừ theo thời gian TGC (Time Gain Compensation) (hình 3.72) Hình 3.7la Bộ chọn kênh xếp lại tia thành phần Nếu có bù trừ tổ chức nằm vùng sâu thu rõ tổ chức vùng nơng Ở khối khuếch đại cao tần, tín hiệu cao tần khuếch đại lên lần nhờ khuếch đại chung Mạch khuếch đại tồn tín hiệu thu từ vùng nơng tối vùng sâu TGC mạch khuếch đại chọn lọc theo độ sâu Cả hai tín hiệu điều chỉnh bàn phím thơng qua điều khiển cao tần 156 Without TGC correction amp amP Hình 3.72 Hình ảnh khuếch đại bù trừ theo thời gian Trong khuếch đại cao tần cịn có khuếch đại dải rộng (mạch nén LOGARIT) để nén tín hiệu phản xạ mạnh làm tăng nhừng tín hiệu nhỏ Nhờ nén tín hiệu mà tín hiệu mạnh khơng bị bão hồ q sớm giữ tín hiệu nhỏ nhờ tăng khuếch đại chung Tuy nhiên, chẩn đốn siêu âm, tín hiệu nhở thường mang lại thơng tin quan trọng nên người ta đưa thêm mạch tăng cường (Euhancement) để làm tăng độ tưong phản tồ chức có mật độ khác ít, ví dụ làm rõ thành phần mạch máu tổ chức Tín hiệu siêu âm phản xạ tín hiệu cao tần với tần sơ" phát đầu dị tín hiệu mạng Đe thu nhận thơng tin hữu ích, ta cần phải có mạch tách sóng để tách thơng tin khỏi mạng tín hiệu cao tần Như vậy, sau khởi khơi tách sóng, ta có đường bao chứa thơng tin mặt phân cách đường truyền siêu âm qua thể (hình 3.73) Hình 3.73 Đường bao chứa thơng tin 3.3 Bộ chuyển đổi số hóa DSC Khơi DSC thực hai nhiệm vụ: - Chuyển đổi thòi gian quét chùm siêu âm sang thời gian quét hình - Chuyển đổi hướng trên/dưói qt chùm siêu âm sang bước qt trái/phải hình Tín hiệu sau đưa khỏi tách sóng tín hiệu liên tục, đưa qua ADC (Analog Digital Converter) để chuyển đổi thành tín hiệu sơ" Sơ" liệu đường truyền siêu âm (một đường truyền bao) lưu giũ tạm thời nhớ đệm trước đưa vào nhớ Tồn tín hiệu khn hình lưu trữ tạm thoi nhớ ảnh Hình ảnh thực thu theo mặt cắt dọc (vng góc thể) Ngồi ra, thịi gian cần có để thu trường siêu âm (thời gian thu cộng vói thời gian phát 157 sóng siêu âm) thay đổi tuỳ thuộc vào độ sâu thăm dò thời gian quét hình cố’ định (theo tiêu chuẩn truyền hình) Thuật tốn chuyển đổi thời gian: thời gian ghi (Write) thịi gian thu tín hiệu siêu âm Thịi gian đọc (Read) thời gian lấy tín hiệu để đua lên hình Thuật tốn chuyển đổi khơng gian: ghi theo cột, đọc theo hàng Các thuật toán đuợc thực vi xử lý thành phần giao diện Số liệu lấy từ nhớ ảnh (theo hàng) đưa vào nội suy Ở có thực thuật tốn nội suy bù lồ trông (điền thêm điểm vào hàng để tăng tính mềm ảnh), hiệu chỉnh Gamma Đe đưa tín hiệu siêu âm lên hình (tạo ảnh siêu âm), số' liệu qua nội suy chuyển đổi từ tín hiệu số' sang tín hiệu liên tục nhị chuyển đổi D/AC (Digital Analog Converter) Bộ chuyển đổi DAC đồng thời chuyển đổi số liệu từ ghi chồng bao gồm ký tự, thích, đánh dấu, số liệu Bộ cộng tín hiệu cộng tín hiệu lấy từ DAC (tín hiệu siêu âm phản xạ tín hiệu ghi chồng) tín hiệu đồng truyền hỉnh lấy từ khối tín hiệu đồng hình để tạo phức tín hiệu hình (Video Cosmposite = tín hiệu hình + tín hiệu đồng xung mành) truyền qua khối tín hiệu hình, tích hợp lại chip - mạch tích họp lón thực nhiệm vụ đặc biệt theo cơng nghệ ASIC Hình 3.74 Sơ đồ khối DSC 158 Hình Ghi theo cột, đọc theo hàng 3.4 Khối monitor Khối tín hiệu hình làm nhiệm vụ khuếch đại phối hợp trở kháng VỐỊ đầu vào hình hiển thị, khơi cịn đua tín hiệu ViA Composite phép ghi máy in nhiệt (Thermal Printer) băng từ VTR - phương pháp lưu trữ số liệu theo kiểu cho phép tín hiệu từ băng từ ghi trỏ lại hình Khối tín hiệu hình nhận tín hiệu phức hình thực phoi họp trỏ kháng với hình Trỏ kháng 75Q thích hợp cho việc dùng cáp Video đồng trục Tín hiệu Video Composite biến đổi lên hình máy qua đường Video In 3.5 Khối điều khiển vi xử lý Khối điều khiển vi xử lý bao gồm vi xử lý mạch phụ trợ, ví dụ: mạch - Overlay - để đưa ký tự hay giải lên hình Bộ vi xử lý điểu khiển hoạt động tồn máy, nhận lệnh từ bàn phím lăn để gửi tới khối thu phát, khối DSC, khối tín hiệu hình Nó thực chức tính tốn, đo đạc thơng qua chương trình phần mềm cài đặt sẵn Các chương trình cài đặt lưu trừ vào chip nhớ EPROM, chúng không bị tắt máy Ngoài đĩa mềm kết nối, cho phép chuyển chương trình cài đặt nguồn sử dụng vào đĩa mềm Chương trình lưu giữ đĩa mềm đề phịng máy có cố Các lệnh vào phải thông qua vi xử lý Khối bao gồm vi xử lý (Micro Processor), nhớ chương trình (lưu phần mềm hệ thống), RTC (Real Time Clock — đồng hồ thời gian) nhớ EPROM (hình 3.77) Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ thu nhận số liệu, thu nhận lệnh từ bàn phím, lăn giải mã lệnh thành phần, chuyển đổi đến khối kháe máy Nó thực, tính tốn cho chương trình đo sinh học Ví dụ tính tuổi thai, tính chu vi, diện tích Thơng qua nhó chương trình, phần mềm hệ thống cho máy hoạt động theo quy trình xác định, xác định chức hoạt động khôi thành phần Bộ RTC xác định thòi gian thực đồng làm việc máy Nó cho phép đặt ngày, tháng, năm hiển thị hình trùng hợp vói lịch địa phương, xác định ngày dự báo sinh đẻ theo chương trình sản khoa 159 Hình 3.77 Sơ khôi khôi vi xử lý Bộ nhớ EPROM dùng để lưu trữ cài đặt người sử dụng máy Bộ nhớ vần giữ lại số liệu ghi lại tắt điện máy Các phần cài đặt cho người sử dụng quy định hướng dẫn sử dụng máy lệnh cài đặt Bàn phím, lăn giao tiếp vâi máy thông qua giải mã Mã đầu dị thơng qua giải mã để tới vi xử lý nhờ chọn chương trình qt thích hợp cho đầu dị Các chng trình phần mềm cài đặt CO’ bản: Các chương trình phần mểm bao gồm chương trình ứng dụng: chương trình sản khoa, phụ khoa, tim Các chương trình tính tương ứng với chương trình ứng dụng Ví dụ: Chương trình tính tuổi thai cho chương trình sản khoa, chương trình tính lịch thòi gian (ngày tháng năm), cách viết lịch (trật tự ngày tháng năm) Chương trình phần mềm thể menu máy Menu noy thay đổi tuỳ theo loại phiên phần mem (Software Version) Các cài đặt số liệu lấy từ chương trình phần mềm có sằn máy Các cài đặt thay đổi bồi mồi người cầi đặt khác nhau, sau chọn ghi vào nhd EPROM bật máy tự động đưa vào sử dụng Trình tự lập trình để chọn cài đặt hướng dần tài liệu hưổng dẫn sử dụng máy Các cài đặt lưu vào đĩa mềm 160