Phản xạHình 1.1: Sự phản xạ gây ra bởi sóng âm chạm vào một bề mặt phẳng lớn dới một góc vuông Trang 11 sóng phản xạ đợc xác định bởi trở kháng âm học của môi trờng thờng chứa phân
Lê Thị Hồng Minh Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Luận văn thạc sĩ khoa học Điện tử viễn thông Ngành: điện tử viễn thông Nghiên cứu siêu âm 3d y tế Lê thị hồng minh 2004-2006 Hà Nội 2006 Hà nội 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131455041000000 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn nghiên cứu, tìm tòi, tổng hợp không chép từ tài liệu khác Tác giả luận văn Lê Thị Hồng Minh ii Mục lơc Lêi cam ®oan i Danh mục hình vẽ iv Danh mục bảng vi Lời mở đầu vii ch¬ng : c¬ së vËt lÝ cđa sãng siêu âm 1.1 Sãng ©m 1.2 Tơng tác sóng siêu âm với mô 1.2.1 Phản xạ 1.2.2 Tán xạ 1.2.3 Sù khóc x¹ 1.2.4 NhiƠu x¹ .7 1.2.5 Sù giao thoa 1.2.6 Sù hÊp thô 1.2.7 §é suy gi¶m 10 1.3 Cêng độ chùm siêu âm 10 1.3.1 C«ng thøc cêng ®é 11 1.3.2 Suy gi¶m cêng ®é 11 1.3.3 C«ng suÊt 12 1.3.4 Decibel 12 1.3.5 Lớp nửa giá trị (HVL – Half Value Layer) 13 1.3.6 Công thức biên độ cho dB 13 1.3.7 Decibel vµ HVL 13 1.4 Tính toán suy giảm 14 1.5 Xác định cờng độ dội (ECHO) 15 1.5.1 Mặt phân cách xơng mô 15 1.5.2 Suy giảm suy hao phản x¹ 15 1.5.3 Tính toán cờng độ 16 1.6 Xác định dải dội 16 chơng : loại siêu âm chẩn đoán ứng dụng y tế 18 2.1 Siêu âm thờng (2d) 18 2.1.1 Cách tạo ảnh siêu âm 18 2.1.1.1 QuÐt chÕ ®é A 18 2.1.1.2 QuÐt chÕ ®é B 21 2.1.1.3 QuÐt chÕ ®é M 25 2.1.2 Đầu dß 28 2.1.2.1 HiÖu ứng áp điện 28 2.1.2.2 Cấu tạo đầu dò siêu âm dùng tinh thể áp điện 30 2.1.2.3 Hình dạng chùm tia siêu âm 30 2.1.2.4 Độ phân giải đầu dß 32 2.1.2.5 Các phơng pháp quét đầu dò siêu âm 33 2.2 siêu âm doppler 40 2.2.1 HiÖu øng Doppler 40 2.2.2 C¸c kü thuËt Doppler 41 2.2.2.1 FFT Doppler (Doppler dïng biÕn ®ỉi Fourier nhanh) 41 2.2.2.2 Doppler mµu 47 2.2.2.3 Doppler lợng 47 2.3 siêu âm 3d 48 2.4 siêu âm 4d 50 iii chơng : siêu âm 3D 51 3.1 Tiến trình Tạo ảnh siêu âm 3D 51 3.1.1 Phơng pháp thu thập liệu 51 3.1.1.1 Thu nhận chuỗi ảnh 2D để tạo thành ¶nh 3D 52 3.1.1.2 Thu thập liệu từ mảng 2D để tạo ảnh thêi gian thùc 3D 54 3.1.2 Tái tạo ảnh 3D 55 3.1.3 Hiển thị ảnh 3D 55 3.2 siêu âm 3d có hỗ trợ máy tÝnh 60 3.2.1 Tỉng quan vỊ hƯ thèng 60 3.2.2 Thuật toán tái tạo ảnh 3D 62 3.2.2.1 ThuËt to¸n 62 3.2.2.2 C¸c thuËt to¸n nhanh 65 3.2.3 ThuËt to¸n đa mức cho siêu âm 3D tay 66 3.2.3.1 ThuËt to¸n ®¬n møc 66 3.2.3.2 Thuật toán đa mức 72 3.2.3.3 KÕt qu¶ thÝ nghiƯm 75 Kết luận kiến nghị 84 Tài liệu tham khảo 86 Tãm t¾t luận văn 87 iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Sự phản xạ gây sóng âm chạm vào bề mặt phẳng lớn dới gãc vu«ng Hình 1.2: Sự phản xạ gây sóng âm chạm vào mặt phản xạ dới góc Góc phản xạ ( r ) b»ng gãc tíi (φ φ i ) H×nh 1.3: Tín hiệu phản xạ ranh giới môi trờng Hình 1.4: Phản xạ khuếch tán H×nh 1.5: Tán xạ Sóng tán xạ đợc phát theo tất hớng, vẽ hai kích cỡ Hình 1.6: Sự khúc xạ H×nh 1.7: Sù më réng cđa chïm tia tõ mét nguån nhá Hình 1.8: Sự nhiễu xạ chùm sóng sau qua lỗ nhỏ H×nh 1.9: Giao thoa sãng Sóng b) có tần số khác sóng a) nên c) tổng hai sóng Hình 2.1: Quét hình chế độ A hiển thị: a) Mặt phân cách (I,II,III); b) Biểu diễn tơng ứng ba mặt phân cách 19 Hình 2.2: Mô máy quét dạng A để bớc xử lí tín hiệu TGC, khuếch đại, tích phân đặt ngỡng tríc hiĨn thÞ 20 Hình 2.3: So sánh hình chế độ A vµ B 22 Hình 2.4: Quét hình chế độ B kết hợp: a) Đầu dò đợc di chuyển để kiểm tra ngời bệnh dọc theo đờng quét khác nhau; b) Trên hình mặt phân cách đợc xếp nh chuỗi điểm dọc theo đờng quét 23 Hình 2.5: Máy quét chế độ B Máy quét chế độ A đợc cải biến thêm bao gồm cánh tay quét, máy phát định cị hình lu giữ 25 Hình 2.6: So sánh hiển thị chế độ quét A, B M mặt phân cách tĩnh chun ®éng 26 Hình 2.7: Máy quét chế ®é M 27 Hình 2.8: Hiệu ứng áp điện 29 H×nh 2.9: Phát thu sóng siêu âm 29 Hình 2.10: Cấu tạo đầu dò 30 H×nh 2.11: Hình dạng chùm tia siêu âm 31 H×nh 2.12: Hội tụ chùm tia siêu âm 31 H×nh 2.13: Độ phân giải dọc đầu dị 32 H×nh 2.14: Độ phân giải ngang đầu dị 33 H×nh 2.15: Phương pháp quét điện tử đầu dò mảng tuyến tính 34 H×nh 2.16: Đầu dị mảng tuyến tính 35 H×nh 2.17: Phương pháp điều khiển hội tụ đầu dò mảng tuyến tính 36 H×nh 2.18: Ngun lý làm việc đầu dò mảng pha 38 H×nh 2.19: Nguyên lý làm việc đầu dò lồi 39 H×nh 2.20: HiƯu øng Doppler 40 Hình 2.21: Sơ đồ khối thiết bị siêu âm Doppler liên tục 43 Hình 2.22: Sơ đồ khối thiết bị Doppler xung 45 H×nh 2.23: TÝn hiƯu Doppler xung 46 H×nh 3.1: Quét nghiêng đầu dò để tạo ảnh 3D 52 H×nh 3.2: Các phơng pháp quét đầu dò để thu thập liệu 3D A) Quét song song; B) Quét dẻ quạt; C) Quét với bề mặt quét tự ; D) QuÐt quay quanh trôc 53 H×nh 3.3: Đầu dò mảng 2D Các cảm biến đợc xếp thành mảng hai chiều, cần quét điện tử thu đợc liệu 3D 54 Hình 3.4: Đầu dò siêu âm 3D hÃng Aloka 55 R R R R v Hình 3.5: Các điểm ảnh thể tích điểm 56 H×nh 3.6: ảnh vuông góc, lát cắt đợc đặt trực giao với 57 Hình 3.7: Phơng pháp quan sát khối, mặt đợc trích đợc vẽ lên mặt khối đa diÖn 58 Hình 3.8: ảnh siêu âm 3D dùng công nghệ VR quan sát mặt tay thai nhi 59 Hình 3.9: Hệ thống siêu âm 3D có hỗ trợ máy tính 61 Hình 3.10: Lới 3D biểu diƠn cđa thĨ tÝch ®iĨm (voxel) 67 Hình 3.11: Đo hớng vị trí mặt cắt 67 Hình 3.12: Biểu diễn đỉnh l©n cËn 69 Hình 3.13: L(U) theo trình lặp đối víi α = 10-12 vµ α = 5.10-11 71 Hình 3.14: Phơng pháp nội suy để truyền thể tích đà đợc đánh giá lới n tíi líi tiÕp theo 72 H×nh 3.15: ảnh với nhiễu Rayleigh a) Nhiễu nền; b) Mặt cắt ngang cđa mét khèi lËp ph¬ng 75 Hình 3.16: Kết tái tạo ảnh với = 10 -12: a,b) mặt cắt trích từ thể tích đợc đánh giá thu đợc tơng ứng từ thuật toán đơn mức đa mức c) cờng độ theo đờng chéo ảnh thuật toán đơn mức (đờng mảnh) thuật toán đa mức (đờng đậm nét) 76 H×nh 3.17: KÕt tái tạo ảnh với = 5.10 -12: a,b) mặt cắt trích từ thể tích đợc đánh giá thu đợc tơng ứng từ thuật toán đơn mức ®a møc c) cêng ®é theo ®êng chÐo chÝnh cña ảnh thuật toán đơn mức (đờng mảnh) thuật toán đa mức (đờng đậm nét) 76 Hình 3.18: Kết tái tạo ảnh với = 10 -11: a,b) mặt cắt trích từ thể tích đợc đánh giá thu đợc tơng ứng từ thuật toán đơn mức đa mức c) cờng độ theo đờng chéo ảnh thuật toán đơn mức (đờng mảnh) thuật toán đa møc (®êng ®Ëm nÐt) 77 Hình 3.19: Độ hội tụ thuật toán đơn mức (SS) đa mức (MS) a) = 10-12 , b) α = 5.10-12 , c) α = 10 -11 77 Hình 3.20: Các mặt cắt đợc trích tõ ba thĨ tÝch cã sè lỵng chun tiÕp khác với không nhiễu (hàng trên) bị sửa ®ỉi bëi nhiƠu Rayleigh (hµng ci) 78 Hình 3.21: Sự tiến triển hàm đối tợng theo trình lặp với ba thể tích gốc khác số lợng lần truyền khác 79 H×nh 3.22: a) Hai mặt cắt liệu ảnh túi mật, b) c) mặt cắt đợc trích từ thể tích đà đợc đánh giá, tơng ứng sử dụng phơng pháp đơn mức đa mức 81 H×nh 3.23: Đờng liệu trích từ mặt cắt a) hàng b) hàng thứ hai hình 3.21 US - ảnh siêu âm, SS thể tích tái tạo lại dùng phơng pháp đơn mức, MS thể tích tái tạo lại dùng phơng pháp đa mức 82 Hình 3.24: ảnh túi mật đợc tái tạo từ phơng pháp đa mức sử dụng tập liệu dạng hình 3.22 82 Hình 3.25: Hàm đối tợng L(U) theo trình đánh giá lặp túi mật 83 P P P P P P P P P P P P P P P P vi Danh mơc c¸c bảng Bảng 1.1 Quan hệ tỷ lệ cờng độ, dB vµ HVL 13 Bảng 1.2: Các mức nửa công suất (theo cm) tần số khác 14 Bảng 3.1: Kết mô sử dụng khối lập phơng tổng hợp = 10-12 , 5.10 -12, 10 -11 76 B¶ng 3.2: Kết mô ba thể tích đợc điền đầy khối lập phơng đồng 79 P P P P P P vii Lêi mở đầu Ngày nay, với phát triển nh vũ bÃo khoa học, công nghệ, ngành thiết bị y tế tiến bớc dài, cho đời nhiều loại máy đại, trợ giúp đắc lực cho bác sĩ việc chẩn đoán điều trị bệnh Một thiết bị quan trọng máy siêu âm Máy siêu âm thiết bị chẩn đoán hình ảnh hữu ích phổ biến hầu hết sở y tế Có nhiều loại máy siêu âm: hai chiều, ba chiều, bốn chiều nhng phổ biến loại siêu âm hai chiều Mặc dù siêu âm ba chiều, bốn chiều có nhiều u điểm siêu âm hai chiều nhng giá thành đắt nên nhiều sở y tế trang bị đợc Vì việc xây dựng hệ thống siêu âm ba chiều dựa thiết bị siêu âm hai chiều truyền thống việc cã ý nghÜa khoa häc vµ thùc tÕ rÊt to lớn Đợc động viên thày cô bạn bè đồng nghiệp, đà nhận đề tài đề tài luận văn tốt nghiệp đến đà hoàn thành Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn tới PGS,TS Nguyễn Đức Thuận Trởng phòng Nghiên cứu khoa học trờng ĐHBK HN - Ngời thầy đà theo sát, giúp đỡ cho nhiều ý kiến quý báu trình hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành biết ơn KS Trần Anh Toàn Viện bệnh truyền nhiễm nhiệt đới quốc gia, KS Phạm Quốc Trọng Trởng phòng kỹ thuật công ty Nippon Việt Nam toàn thể cán phòng đà ân cần giúp đỡ, bảo cung cấp tài liệu cho trình làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn công lao sinh thành dỡng dục bố mẹ, ngời đà thơng yêu, động viên, hy sinh để có ngày hôm Tôi xin chân thành cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp đà quan tâm, động viên giúp đỡ trình làm luận văn tốt nghiệp Lê Thị Hång Minh ch¬ng : c¬ së vËt lÝ sóng siêu âm 1.1 Sóng âm Sóng âm dạng nhiễu loạn gây dịch chuyển lợng học qua môi trờng (rắn, lỏng, khí ) truyền từ nguồn âm Nguồn âm vật tạo dao động Những dao động tác động đến phân tử môi trờng xung quanh làm chúng dao động quanh vị trí cân chúng Các phân tử lại tác động lên phân tử kế tiếp, nh tạo thành sóng nh sóng nớc biển đại dơng Sóng mang lợng âm truyền qua môi trờng theo hớng xa cờng độ giảm dần Tần số sóng số dao động mà phân tử tạo giây số chu kỳ lặp lại giây Âm mà tai ngời phát thấy đợc dao động khoảng tần số từ 20 đến 20.000Hz Sóng âm sóng học, khác với xạ điện từ nh ánh sáng tia X Bức xạ điện từ bao gồm trờng điện từ thay đổi hợp với góc vuông chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng Sự truyền âm xảy chân không phân tử để truyền dao động Siêu âm sóng âm tần số cao mà ngời nghe thấy, chúng sóng có tần số > 20.000Hz Sóng đợc chia làm hai loại bản: sãng däc vµ sãng ngang Sãng ngang lµ sãng mµ dịch chuyển hạt vuông góc với hớng truyền lợng sóng Sóng dọc sóng mà chuyển động hạt dọc theo hớng truyền lợng sóng nghĩa hạt dao động phía trớc sau theo hớng với sóng dịch chuyển Sóng âm sóng dọc Ngoài sóng âm đợc phân chia theo tần số: vùng hạ ©m tÇn sè sãng ©m < 20Hz; vïng ©m tần số sóng âm khoảng từ 20Hz đến 20KHz; vùng siêu âm >20KHz (siêu âm chẩn đoán từ 2MHz đến 20MHz) Siêu âm đợc dùng nh công cụ chẩn đoán đợc hội tụ thàh chùm tia nhỏ, xác định, thăm dò thể ngời tơng tác với cấu trúc mô để tạo ảnh Cũng nh sóng học thông thờng, sóng âm có thuộc tính chu kỳ(T), bớc sóng(), biên độ(A), tần số(f) vận tốc âm (c= f ), tốc độ sóng truyền qua môi trờng Vận tốc âm đợc xác định tốc độ lợng sóng đợc truyền qua môi trờng, tuỳ vào khối lợng riêng khả nén môi trờng 1.2 Tơng tác sóng siêu âm với mô 1.2.1 Phản xạ Hình 1.1: Sự phản xạ gây sóng âm chạm vào bề mặt phẳng lớn dới góc vuông Hình 1.1 cho thấy phản xạ gây sóng âm chạm vào bề mặt phẳng lớn dới góc vuông Bề mặt lớn bề rộng chùm tia tác dụng nh bề mặt phản xạ Cờng độ liên quan sóng đợc truyền