Giáo trình nguyên lý hoạt động của kỹ thuật siêu âm

¾ Sóng âm là sự lan truyền những dao động nhiễu loạn tuần hoàn của mật độ và áp suất trong môi trường theo thời gian... Sự hình thành và tương tác của sóng siêu âmgiảm áp suất Thời gian

Trang 1

Chẩn đoán hình ảnh bằng siêu âm

Yêu cầu

Nắm được các thành phần cơ bản và nguyên tắc hoạt động của một hệ siêu âm chẩn đoán.

Nắm được các đặc trưng cơ bản của sóng siêu âm.

Nắm được sự tương tác giữa sóng siêu âm và vật chất.

Hiểu nguyên tắc của quá trình ghi ảnh.

Hiểu nguyên tắc của việc giải thích ảnh siêu âm (nguồn gốc của artefact, etc.)

Trang 2

Nội dung:

I – Sự hình thành và tương tác của sóng siêu âm

1 Mở đầu, tổng quan

2 Một số tính chất chung của các hiện tượng sóng

3 Các đặc trưng của sóng siêu âm

4 Tương tác của sóng siêu âm và vật chất

5 Đầu dò và các đặc trưng của chùm tia siêu âm

II - Ghi ảnh dùng siêu âm

1 Mở đầu và tổng quan

2 Các kiểu hiển thị ảnh

3 Đặc trưng của ảnh của các cấu trúc mô

4 Các mẫu quét tia

5 Các phương pháp quét tia

6 Hệ thống thu nhận ảnh

7 Độ phân giải của ảnh

8 Độ tương phản của ảnh

9 Ảnh giả trong siêu âm

III- Ghi ảnh chuyển động của tim và dòng chảy của máu

2 Các kiểu chuyển động

3 Ghi ảnh Doppler

Trang 3

I Sự hình thành và tương tác của sóng siêu âm

trường, tạo thành sóng cơ học

Do mật độ trong môi trường tỉ lệ với áp suất, nên sự lan truyền dao

động của mật độ sẽ đi kèm theo sự lan truyển những dao động của áp suất

¾ Sóng âm là sự lan truyền những dao động (nhiễu loạn tuần hoàn) của mật độ và áp suất trong môi trường theo thời gian

Trang 4

(giảm áp suất) Thời gian

Biên độ

Trang 5

Một đặc trưng quan trọng của sóng là tần số: đó là số dao động

trong một đơn vị thời gian

Đơn vị chuẩn của tần số sóng là hertz (Hz): một dao động trong một giây: 1 Hz = 1/s

Sóng âm mà tai người có thể nghe thấy có tần số nằm trong khoảng

Sóng siêu âm là sóng có tần số > 20 kHz

Sóng siêu âm dùng trong chẩn đoán y tế có tần số từ

2 MHz đến 20 MHz

¾ Sở dĩ siêu âm được dùng cho chẩn đoán là do ta có thể tạo ra những

¾ Sau đây chúng ta sẽ làm quen với cấu tạo và nguyên lý làm việc của một máy siêu âm chẩn đoán, trước khi đi vào khảo sát chi tiết

Trang 6

Sự hình thành và tương tác của sóng siêu âm

Phân loại sóng âm theo tần số

Hạ âm Âm nghe được Siêu âm Siêu âm chẩn đoán

Trang 9

Hệ thống ghi ảnh bằng siêu âm

Máy siêu âm và các loại

đầu dò khác nhau

Trang 10

Các thành phần chính của một máy siêu âm chẩn

đoánHiển thị

Scan converterĐiều khiển quét

Trang 11

a Đầu dò (transducer probe)

b Bộ phát xung (pulse generator)

c Bộ khuếch đại (amplifier)

d Bộ quét (scan generator)

e Bộ biến đổi (scan converter)

f Bộ xử lý ảnh (image processor)

g Hiển thị (display)

Các thành phần chính của một máy siêu âm chẩn đoán bao gồm:

Trang 12

sóng siêu âm Trên đó có thể có một hay nhiều tinh thể áp điện

thường người ta không phát sóng siêu âm liên tục mà phát và thu theo từng xung một, với tốc độ khoảng 1000 xung/giây

Bộ phát xung tạo ra các xung điện đưa vào đầu dò

xung vào các phần tử áp điện trên đầu dò

dò Độ khuếch đại được xác định bởi độ lợi (gain) hay bộ khuếch đại

bù trừ thời gian (time gain compensation, TGC)

phục vụ việc biến đổi từ xung sóng âm sang dạng có thể xử lý và

hiển thị được

tạo ra các độ tương phản như mong muốn

thấy được

¾ Đầu dò là bộ phận quan trọng nhất của máy siêu âm

Trang 13

Đầu dò sử dụng nguyên tắc của hiệu ứng áp điện, piezoelectric

Trong đầu dò có một hay nhiều tinh thể áp điện (piezoelectric

chiều vào tinh thể, tinh thể dao động

¾ Nếu áp một xung điện ngắn vào tinh thể thì sẽ ra dao động tắt dần

Sự dao động với tần số cao của tinh thể tạo ra sóng âm

Sóng siêu âm truyền đi

Trang 15

a Hệ thống ghi ảnh bằng siêu âm

Cấu tạo của đầu dò

Tinh thể áp điện Các điện cực Lớp giảm rung

Lớp đệm

Các điện cực áp vào 2

mặt của tinh thể áp điện

Lớp giảm rung để tạo ra

một dao động tắt dần

nhanh sau khi ngừng tác

dụng xung điện

Lớp đệm để tăng cường

khả năng truyền năng

lượng xung siêu âm

truyền ra ngoài (giảm sự

hao tổn)

Trang 16

Trong đó, a(x, t) là độ lệch (của vị

trí, mật độ hay áp suất) khỏi giá trị

trung bình tại vị trí và thời điểm

Chu kỳ T và bước sóng λ là hai

đặc trưng quan trọng của sóng

Về mặt toán học, có thể mô tả một sóng bằng một hàm tuần hoàn

của sự dao động theo thời gian và không gian Đối với sóng một

chiều điều hòa (dạng sin), ta có thể viết:

a(x,t) = Asin[2π(t/T - x/λ)]

Trang 17

Các sóng gặp trong đời sống có thể có bản chất rất khác nhau (sóng

âm, sóng trên mặt nước, sóng điện từ, v.v )

Nhưng chúng đều thể hiện những hiện tượng giống nhau như phản

xạ, khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ v.v và đều tuân theo hai nguyên lý

cơ bản là nguyên lý Huyghens và nguyên lý chồng chất sóng

¾ Nguyên lý Huyghens cùng với nguyên lý chồng chất sóng cho phép giải thích các hiện tượng trên

phát sóng cầu thứ cấp, gây ra các sóng lan truyền với cùng tần số vàvận tốc của sóng tới

thực hiện đồng thời hai dao động Các dao động này có thể tăng

cường hay làm yếu lẫn nhau

Nếu hai sóng có cùng tần số thì ta quan sát được sự giao thoa sóng

Trang 18

¾ Các tia sóng (đường lan truyền) của sóng cầu có hình rẽ quạt

Theo nguyên lý Huyghens, một

nguồn điểm sẽ phát ra sóng cầu

Trang 19

a Sóng cầu, sóng phẳng

Mặt sóng

ở thời điểm

ở thời điểm t+Δt

Trong môi trường đồng nhất, một nguồn

có dạng phẳng và cókích thước lớn hơn nhiều lần bước sóng

sẽ tạo ra sóng phẳng (mặt sóng là mặt

phẳng)

¾ Các tia sóng của sóng phẳng là những

đường thẳng song song

¾ Cũng có thể có các mặt sóng và các tia sóng phức tạp

ở thời điểm t+ Δt

Trang 20

lỗ không phải làsóng cầu

khi kích thước

lỗ rất lớn hơn bước sóng λ, sóng sau lỗ làsóng phẳng

Trang 21

sóng vô tuyến truyền hình và

điện thoại di động từ khoảng

Trang 22

c Phản xạ và khúc xạ

Nguyên lý Huygen cũng giúp giải thích hiện tượng phản xạ hay khúc

xạ sóng

Định luật khúc xạ: sin θi/c1 = sin θr/c2

c1, c2: vận tốc sóng trong môi trường

Trang 23

sóng trực tiếp

và sóng phản

nhiễu xạ

sóng trực tiếp

và sóng phản xạ

sóng nhiễu xạ

Trang 24

a Sự tạo ra và lan truyền của sóng siêu âm

b Tần số

c Vận tốc

d Bước sóng

e Biên độ

f Cường độ và công suất

g Đặc trưng thời gian

h Đặc trưng không gian

i Phối hợp đặc trưng không gian/thời gian

Cần nắm vững những đặc trưng của sóng siêu âm để áp dụng nómột cách hiệu quả

Trang 25

a Việc tạo ra và sự lan truyền của sóng siêu âm

Dao động của tinh thể áp điện được tạo ra bằng cách cho các xung điện áp (có thời gian kéo dài khoảng 1μs) vào tinh thể

¾ Độ cao của xung điện (thường vào khoảng 150 V) xác định biên độ dao động của tinh thể

Sau khi ngưng cấp xung điện, do quán tính, tinh thể sẽ còn dao động một thời gian và tắt dần, do đó xung ra có dạng tắt dần

Do đầu dò áp vào cơ thể, các dao động này sẽ lan truyền trong cơ thể tạo thành các xung sóng âm (bó sóng) cách nhau một khoảng trong không gian

Sự dao động của các phần tử trong cơ thể gây nên sự nén và dãn,

do đó gây nên sự thay đổi của áp suất trong phần của cơ thể nơi cóxung sóng đi qua

Tốc độ phát xung (số xung phát ra trong một giây) thường vào

khoảng 1 kHz (một nghìn xung/giây)

Không nhầm lẫn tần số phát xung với tần số sóng siêu âm f, có giátrị cao hơn hàng ngàn lần, vào khoảng 2 MHz – 20 MHz

Trang 26

a Việc tạo ra và sự lan truyền của sóng siêu âm

Thời gian thu tín hiệu phản hồi

Khoảng cách thời gian giữa

gian giữa 2 xung

Sự dao động

Xung

điện

nén dãn Biên độ áp suất

cc

Độ sâu

Tần số phát xung = 1/τ

Trang 27

b Tần số của sóng siêu âm

Tần số f sóng âm trùng với tần số dao động của tinh thể và nằm trong khoảng f = 2÷20 MHz

Thường một đầu dò bao gồm nhiều tinh thể Mỗi tinh thể có một tần số dao động riêng fo xác định (tần số cộng hưởng)

Đối với tinh thể gốm, bề dày của tinh thể d và vận tốc truyền âm trong nó cm xác định tần số dao động riêng fo của nó theo công

thức

fo (MHz) = cm(mm/μs)/2d(mm)

Có một số đầu dò có thể dao động với nhiều tần số khác nhau Khi

đó tần số dao động của đầu dò được xác định bởi tần số của dao động điện áp vào tinh thể

Tuỳ theo đối tượng khảo sát mà ta chọn tần số thích hợp

Cần chọn tần số f của sóng siêu âm một cách cẩn thận để đạt được

sự cân bằng giữa độ chi tiết của ảnh và độ sâu sóng âm có thể đến được

Nói chung tần số f càng cao thì ảnh càng chi tiết, nhưng độ sâu

sóng đạt đến càng bé

Trang 28

c Vận tốc của sóng siêu âm

Vận tốc lan truyền c của sóng siêu âm chỉ phụ thuộc vào môi trường

mà không phụ thuộc vào tính chất của sóng siêu âm Cụ thể:

ρ

E

c =

Trong siêu âm chẩn đoán, khoảng

cách đến các mô được tính dựa

trên vận tốc sóng siêu âm

Hầu hết các máy siêu âm đều

được cài đặt để đo khoảng cách

với vận tốc trung bình của sóng

trong mô mềm là 1540 m/s

Do đó việc xác định độ sâu sẽ

không chính xác trong các môi

trường tại đó sóng âm có vận tốc

khác (chẳng hạn trong mỡ hay

chất lỏng)

Vật liệu Mật độ

(kg/m3) Vận tốc c (m/s)Không khí

PhổiMỡNước

Mô mềm Thận

MáuGanBắp thịtXương sọ

1,1293009241000105010411058106110681912

33060014501480154015651560155516004080

ρ là khối lượng riêng (còn gọi là mật độ) của môi trường;

E là một đại lượng liên quan đến tính đàn hồi của môi trường

Trang 29

d Bước sóng của sóng siêu âm

Bước sóng λ là quãng đường sóng siêu âm lan truyền được trong

một chu kỳ Bước sóng tỉ lệ với vận tốc và tỉ lệ nghịch với tần số

λ = c.T = c/f

¾ Bước sóng siêu âm phụ thuộc cả đầu dò (tần số) lẫn môi trường (vận tốc)

Một xung siêu âm thường chứa vài bước sóng Số bước sóng có

trong một xung phụ thuộc vào đặc tính tắt dần của đầu dò

¾ Bước sóng λ xác định chiều dài của xung sóng, do đó xác định độ chi tiết (lớn hay nhỏ) của ảnh

NénBiên độ áp suấtDãn

+

_

Độ dài xung siêu âm (m)

λTThời gian kéo dài của xung (s)

Trang 30

e Biên độ của sóng

Biên độ A của sóng là biên độ dao động của áp suất: giá trị cực đại của

độ lệch của áp suất khỏi áp suất trung bình

Biên độ của sóng có liên quan đến công suất hay “độ to” của xung âm thanh

Biên độ của sóng thay đổi theo vị trí và phụ thuộc vào biên độ dao

động của nguồn phát (đầu dò)

Biên độ dao động của tinh thể đầu dò càng lớn khi biên độ xung sóng điện áp vào đầu dò càng lớn

Biên độ xung sóng điện này có thể được điều chỉnh nhờ bộ phát xung

Trong chẩn đoán, thường ta cần biết tỉ số biên độ A2/A1 của hai xung siêu âm A1 và A2 Chẳng hạn cần biết biên độ của xung thay đổi ra sao sau khi đi qua (hay phản xạ lại từ) một lớp vật chất

Trang 31

Biên độ tương đối (dB) = 20log(A2/A1) = 20(logA2 – logA1)

Lưu ý rằng phép lấy logarith biến phép nhân/chia thành phép cộng/trừ

Khi tỉ số biên độ > 1, biên độ tương đối có giá trị theo đềxiben dương

Khi tỉ số biên độ < 1, biên độ tương đối có giá trị theo đềxiben âm

Nếu biên độ tăng, ta nói nó nhận thêm dB; nếu biên độ giảm, ta nói nómất đi dB

Ví dụ:

Khi biên độ tương đối là - 1dB, tỉ số A2/A1 là 0,89,

Khi biên độ tương đối là - 2dB, tỉ số A2/A1 là (0,89)2 = 0,79

Khi các giá trị A2 và A1 khác nhau 2 lần, biên độ tương đối của

chúng là 6 dB

¾ Khi sóng siêu âm đi vào môi trường qua các lớp vật chất khác nhau, biên độ của sóng giảm dần Nếu ta biết độ suy giảm của sóng trong từng lớp (theo dB) thì có thể, cộng độ suy giảm của nhiều lớp để tính

độ suy giảm cuối cùng

Trang 32

f Công suất (power) và cường độ (intensity) của sóng

trường trong một đơn vị thời gian

¾ Đơn vị của công suất là oát (watt, W), 1 W = 1 J/s (jun/giây)

tích đặt vuông góc với phương truyền sóng

Nói cách khác, đó là năng lượng của sóng truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian

¾ Đơn vị của cường độ là W/m2 hay mW/cm2

Trong chẩn đoán, cường độ sóng ở bề mặt đầu dò thường vào khoảng

¾ Sóng âm có cường độ lớn có thể gây nên tác dụng sinh học không tốt

Cường độ cho biết có bao nhiêu joule năng lượng đi qua một diện tích m2 đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một giây

1 m2

Trang 33

f Cường độ và công suất của sóng (tt)

Cường độ của sóng tỉ lệ với bình phương biên độ: I α A2

Cường độ tương đối của hai xung (I1 và I2) có thể được diễn tả qua đơn

vị dB:

Cường độ tương đối (dB) = 10.log (I2 /I1)

Cường độ sóng có liên quan chặt chẽ với biên độ của từng xung riêng

Trang 34

Đặc trưng thời gian

Xét hai xung liên tiếp nhau: hai khoảng thời gian quan trọng là độ dài

period)

Tỉ số giữa chúng được gọi là hệ số làm việc (duty factor), nó cho biết phần thời gian xung siêu âm thực tế được phát ra

Thường hệ số làm việc có giá trị khá nhỏ, khoảng 0,01

Xét theo thời gian, có 3 giá trị công suất khả dĩ:

công suất đỉnh (peak power): tính tại thời điểm áp suất đạt cực đại.

công suất trung bình xung (pulse average power): tính trung bình trong thời gian kéo dài một xung.

công suất trung bình (average power): tính trung bình trong thời gian của nhiều xung, có giá trị thấp nhất trong 3 đại lượng nêu trên

Độ dài xung Chu kỳ lặp lại xung

công suất đỉnh

công suất trung bình xung

công suất trung bình

Trang 35

Đặc trưng không gian và đặc trưng không/thời gian

Cường độ của sóng âm nói chung không phân bố đồng đều trong miền

có xung siêu âm Thường ở trung tâm của xung có cường độ cực đại và

ở biên có cường độ thấp nhất

Cường độ cực đại thường được gọi là cường độ đỉnh không gian (spatial peak intensity) Cường độ trung bình không gian (spatial average

Nếu xét một xung siêu âm phát ra từ một tinh thể có mặt hình tròn, khi

đó tiết diện ngang của vùng có sóng siêu âm cũng là một mặt tròn

Sự phân cường độ của sóng dọc theo đường kính xy của hình tròn này ởvùng trường xa có dạng như hình dưới: cực đại tại tâm và yếu dần ở

vùng biên

cường độ đỉnh không gian

cường độ trung bình không gianvùng có sóng siêu âm đường kính xy

cường độ

Trang 36

Đặc trưng không gian và đặc trưng không/thời gian

Cường độ của sóng âm nói chung không phân bố đồng đều trong miền có xung siêu âm Thường ở trung tâm của xung có cường độ cực đại và ở

biên có cường độ thấp nhất

Cường độ cực đại thường được gọi là cường độ đỉnh (peak intensity)

cho toàn vùng có xung

Phối hợp các đặc trưng không/thời gian

Việc mô tả sóng bởi các đặc trưng không gian hay thời gian riêng biệt

không hữu ích lắm trong việc mô tả các hiệu ứng sinh học của sóng siêu âm

cường độ ISPTA, (spatial-peak and temporal-average intensity, ISPTA)

Đó là giá trị có được từ việc lấy trung bình về thời gian qua nhiều xung của các giá trị cường độ cực đại trong không gian

Nó cho biết cường độ cực đại cung cấp cho mô xét trung bình trong thời gian chịu siêu âm

Các hiệu ứng nhiệt cũng phụ thuộc vào thời gian làm siêu âm

đến cường độ ISPPA (spatial-peak, pulse-average intensity), là trung bình lấy trong thời gian một xung của các giá trị cường độ cực đại trong không gian

Trang 37

a Mở đầu

Khi một xung sóng siêu âm lan truyền trong môi trường, nó tương tác với các phần tử của môi trường theo nhiều cách khác nhau

Các tương tác chính là hấp thụ, phản xạ, khúc xạ và tán xạ

Một số tương tác trên đóng vai trò hữu ích trong việc tạo ảnh siêu âm

Một số tương tác khác có ảnh hưởng không tốt đến chất lượng ảnh, chẳng hạn tạo ra ảnh giả (artifact)

Trang 38

Trang 39

b Sự suy giảm của sóng siêu âm

Khi một xung sóng siêu âm lan truyền qua vật chất, năng lượng của xung sóng siêu âm giảm dần Tương ứng, biên độ và cường độ của sóng giảm dần đi Ta gọi đây là sự suy giảm (attenuation)

Nguyên nhân: do sự hấp thụ (absorption), tán xạ (scattering), phản

¾ Sự suy giảm làm giới hạn độ sâu mà ta có thể khảo sát được và làm cường độ echo thay đổi theo độ sâu, do đó cần được xem xét và hiệu chỉnh trong quá trình đánh giá ảnh

Khác với hiệu ứng quang điện hay Compton trong bức xạ, trong đó năng lượng mất trong từng tương tác riêng lẻ, năng lượng của sóng

âm giảm liên tục

Yếu tố quan trọng nhất đóng góp vào sự suy giảm là sự hấp thụ sóng

âm và biến nó thành nhiệt Sự phản xạ, tán xạ và khúc xạ cũng đóng góp vào việc mất năng lượng của xung siêu âm, nhưng yếu hơn

Tốc độ suy giảm của sóng siêu âm phụ thuộc vào 2 yếu tố chính:

Tính chất của môi trường và tần số của sóng

¾ Chúng ta xem xét sự suy giảm trong môi trường đồng nhất

Trang 40

b Sự suy giảm của sóng siêu âm trong môi trường đồng nhất

Trong môi trường đồng nhất, nguyên nhân gây ra sự suy giảm của

sóng siêu âm là sự hấp thụ và tán xạ

Sự hấp thụ là do năng lượng cơ học của sóng biến dần thành nhiệt Sựtán xạ xảy ra khi sóng gặp phải vô số những vật thể nhỏ (kích thước

≤ λ) nằm rải rác trong môi trường

Trong môi trường đồng nhất, sự hấp thụ và tán xạ xảy ra dần dần và

liên tục Do đó sự suy giảm của năng lượng sóng siêu âm tuân theo qui luật hàm mũ

Khi một xung siêu âm không hội tụ có tần số f truyền qua một lớp vật chất đồng nhất dày x, cường độ của nó giảm theo hàm mũ của độ dày

x và tần số f

I(x) = Ioe-afx

Trong đó Io là cường độ ban đầu, I(x) là cường độ ở độ sâu x,

a là một hệ số tỉ lệ, có độ lớn chỉ phụ thuộc cấu tạo của môi trường

Định dạng
Số trang	171
Dung lượng	5,36 MB