Máy quét thời gian thực dùng theo dõi các cấu trúc động (tim, bào thai), cho thấy sự thay đổi tức thì của mặt phẳng quét. Chùm tia siêu âm đợc tự động quét qua các mặt phẳng quét với tốc độ phù hợp sao cho cho hình ảnh nhận đợc không bị nhấp nháy.
Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnh siêu âm hai chiều này là B- mode, đợc dùng trong hầu hết các thiết bị siêu âm chẩn đoán từ trớc cho đến nay, từ các máy
“Static Scanner” (Máy quét tĩnh) của thời kỳ sơ khai của ngành siêu âm chẩn đoán thuộc thập niên 50, 60 cho đến các máy quét động “Real time Scanner” từ…
những thập niên 70 trở lại đây.
Hình 2.13. Sơ đồ khối máy siêu âm chế độ B hiển thị CRT.
Theo cách thể hiện của B-mode trong siêu âm một chiều thì tơng xứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ thể và mỗi hớng của chùm tia nhất định thì trên màn hình ta có một đờng tạo ảnh (line of site) B-mode, phản ánh các mặt phản hồi đợc tạo ra bởi các cấu trúc cơ thể nằm trên đờng truyền của chùm tia siêu âm. Với các máy “static Scanner” sự tổng hợp tất cả các đờng tạo ảnh tơng xứng với nhiều vị trí đặt đầu dò trên cơ thể theo nhiều hớng khác nhau trong cùng một mặt phẳng
sẽ tạo thành hình siêu âm phản ánh các cấu trúc giải phẫu theo thiết diện cắt ngang qua bởi mặt phẳng nói trên. Vào những năm 60, để thực hiện sự tổng hợp nói trên ngời ta phải dùng hệ thống cánh tay quét (scanning arm), cấu tạo bởi các trục và khớp nối để điều khiển đầu dò (đã trình bày ở phần trên). Do hạn chế về mặt kỹ thuật, để có đợc một hình siêu âm cắt khoanh lớp cơ thể thì phải mất rất nhiều thời gian và hình ảnh nhận đợc chỉ là hình ảnh tĩnh của các cấu trúc, vì vậy ngời ta gọi hệ thống này là quét hình ảnh tĩnh. Tuy nhiên u điểm của hệ thống này là cho cái nhìn tổng thể về các cấu trúc và mối liên quan giữa các cấu trúc chỉ trên một hình.
Để nhìn thấy sự chuyển động tức thời của cấu trúc trong cơ thể (đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực tim mạch) thì tốc độ tạo hình phải thật nhanh, tốc độ tạo hình thờng dùng (FR- Frame rate) khoảng 25 hình/giây; và giữa những năm thuộc thập niên 70 một thế hệ máy siêu âm mới ra đời cho phép ghi hình tức thời sự chuyển động của các cấu trúc trong cơ thể, gọi là máy quét hình ảnh động (Real Time scanner), tốc độ tạo hình ảnh của các máy này đạt đợc nhờ kỹ thuật quét chùm tia siêu âm và khả năng xử lý thông tin nhanh của các máy điện toán. Một nhợc điểm của máy ghi hình ảnh động là trờng quan sát (Field of view) bị hạn chế, không cho một hình ảnh tổng quát nh trong kỹ thuật ghi hình tĩnh nói trên, do kỹ thuật ghi hình động bị hạn chế bởi ba yếu tố:
+ Số hình trong 1s: FR (Frame rate).
+ Mật độ đờng (Line Density) cho 1 hình: N. + Độ sâu khảo sát: d.
1/FR = N x t = 2N x d/c (2.6)
ở đây: 1/FR thực chất sẽ là thời gian tạo một hình; t: thời gian tạo một đ- ờng hình (line) - là thời gian cho tia siêu âm đi và về tới đầu dò. Thông thờng ở độ sâu khảo sát 20 cm, với số đờng tạo ảnh cho một hình là 150 thì số hình trong
một giây không thể vợt quá 25 hình. Nh vậy, nếu sử dụng diện khảo sát rộng đòi hỏi mật độ đờng tạo ảnh lớn để đảm bảo chất lợng hình, và nh thế làm tăng thời gian tạo nên một hình và đồng thời giới hạn tốc độ tạo hình của máy.
Một vài năm gần đây nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật vi xử lý, ngời ta đã tạo ra đợc thế hệ máy có đồng thời cả hai u điểm của hai thế hệ máy nói trên, vừa có hình động, vừa khảo sát trên diện rộng gọi là Real time - EFOV (extended field of view) - Siêu âm thời gian thực tới trờng nhìn mở rộng. Để tạo đợc diện khảo sát rộng, ngời ta vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình ảnh đợc tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt ứng với các vị trí của đầu dò, kết quả nhận đợc là một hình tổng quát, đồng thời vẫn giữ đợc tính động của ảnh. Để thực hiện kỹ thuật này ngời ta phải sử dụng thuật toán Fuzzy - logic với sự xử lý cực nhanh của máy điện toán và bộ vi mạch xử lý truyền thông đa phơng tiện- MVPO: Mulitimedia Video Processor.
Siêu âm với trờng nhìn mở rộng cho phép đánh giá các tổ chức trong sự t- ơng quan toàn thể với các cấu trúc xung quanh, giúp bác sĩ nhìn thấy hình toàn cảnh thay vì phải tởng tợng bằng cách ghép các mảnh hình riêng biệt lại với nhau. Kỹ thuật này thực sự đã kết hợp đợc u điểm của siêu âm chẩn đoán - độ an toàn cao - với ảnh cấu trúc toàn thể mà trớc đây chỉ có trên các hình CT hay MR, kỹ thuật này thực sự mở ra chân trời mới đối với siêu âm chẩn đoán và đa các bác sĩ chẩn đoán hình ảnh xích lại gần nhau hơn. Để thu nhận đợc đờng ảnh ngời ta sử dụng hai phơng pháp quét: quét cơ học và quét điện tử. ở chơng một ta đã nghiên cứu phơng pháp quét cơ học và phơng pháp quét điện tử. Cần chú ý rằng phơng pháp quét điện tử ta sử dụng các đầu dò sau:
*) Đầu dò mảng tuyến tính.
Nguyên lý làm việc: đầu dò đợc cấu tạo từ một dãy n tinh thể đơn. Tia siêu âm đợc tạo thành từ nhóm gồm m đơn tinh thể đứng cạnh nhau và đợc quét bằng
cách tắt tinh thể đứng đầu nhóm và bật thêm một tinh thể đứng kế tinh thể cuối cùng (hình 2.14a). Nh vậy tia siêu âm sẽ đợc dịch đi một khoảng az = ac.
Hình 2.14. Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng tuyến tính.
Bằng cách thay đổi độ rộng của nhóm ngời ta có thể tăng số đờng ảnh (Line Densety) lên gấp đôi, việc này đợc thực hiện nh sau: đầu tiên và thu tín hiệu bởi tắt tinh thể, sau đó bật thêm một tinh thể kế bên tinh thể cuối cùng mà không tắt tinh thể đầu tiên đi, tạo thành nhóm có m + 1 tinh thể, nh vậy trong tr- ờng hợp này tia siêu âm phát đi từ nhóm m+ 1 sẽ dịch đi so với tia trớc đó có độ rộng m tinh thể một khoảng az =1/2 ac. Sau đó tinh thể đầu tiên đợc tắt đi và nhóm thứ ba có m tinh thể lại phát đi một tia siêu âm dịch đi so với tia thứ hai một khoảng cũng bằng nửa chiều dày một tinh thể. Cứ thế tiếp tục, một tinh thể mới lại đợc bật lên cho nhóm thứ t gồm m + 1 tinh thể (hình 2.14b). Tuy nhiên khi số đờng tăng lên gấp đôi thì tốc độ tạo ảnh cũng bị giảm nửa.
Một đặc điểm của đầu dò Linear là có thể thay đổi vị trí điểm Focus bằng cách thay đổi độ rộng (số tinh thể) của nhóm. Nhóm càng lớn thì Focus càng
nằm sâu. Thờng hình ảnh vị trí Focus có độ phân giải là tốt nên khi dùng đầu dò Linear ngời ta có thể dịch Focus đến vị trí quan tâm, ngoài ra đầu dò Linear còn có thể làm việc ở chế độ nhiều Focus - từ 2 đến 4 Focus cùng lúc, tuy nhiên để tăng Focus ngời ta phải tăng số đờng và do đó phải giảm FR, ví dụ FR giảm nửa trong trờng hợp dùng 2 Focus.
Ưu điểm của đầu dò Linear: + Vùng thăm khám rộng.
+ Khả năng thể hiện các vùng gần bề mặt tốt. + Thực hiện đợc kỹ thuật Focus động.
+ Không có phần cơ khí. Nh
ợc điểm: + Kích thớc lớn.
+ Độ phân giải theo chiều dọc và ngang khác nhau.
+ Bị nhiễu mạnh và hiệu ứng cánh sóng phụ nhiều hơn đầu dò cơ khí. ứ ng dụng: + Vùng bụng. + Sản, phụ khoa. + Tuyến giáp. + Mạch gần bề mặt.
+ Các ứng dụng đặc biệt: đầu dò Biopsy, nội soi phẫu thuật…
*) Đầu dò Convex.
Nguyên lý làm việc của đầu dò Convex giống hệt nh đầu dò mảng tuyến tính, chỉ khác ở chỗ các đơn tinh thể không xếp theo hàng ngang mà xếp theo hình cong.
Ưu điểm:
+ Bề mặt tiếp xúc nhỏ hơn của Linear.
+ Có dạng cong nên có khả năng áp vào nhiều vùng của cơ thể. Nh
ợc điểm:
+ Bề mặt tiếp xúc rộng hơn của Phased array với cùng một độ mở. ứng dụng :
+ Vùng bụng và xơng chậu.
Hình 2.15. Nguyên lý làm việc của đầu dò Convex.
*) Đầu dò mảng pha (Phased array).
Nguyên lý làm việc: tia siêu âm đợc 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 đợc bật tắt qua bộ trễ thời gian (hình 2.16), nếu thời gian trễ t1 lớn hơn tn thì xung phát sẽ tới đợc tinh thể n trớc và tinh thể 1 cuối cùng, mỗi tinh thể nếu đủ nhỏ có thể coi nh 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 đợc tinh thể 1 thì sóng phát ra từ tinh thể n đã đi đợc một đoạn s = (t1 - tn) x c, tơng tự nh vậy cho các tinh thể khác ở giữa.
ϕ = arc sin (t1 tn) c/a (2.7) A = aperture = chiều dài của đầu dò
Chiều dài hiệu dụng của đầu dò bằng:
A/ = - A cos ϕ (2.8) Ưu điểm:
+ Bề mặt tiếp xúc nhỏ. + Đầu dò nhỏ, nhẹ.
+ Khả năng thăm khám đặc biệt cao.
+ Hiển thị đồng thời B- mode, Doppler và TM – mode. + Quét rẻ quạt mà không cần bộ phận cơ khí.
+ Có thể đo đợc CW- Doppler. Nh
ợc điểm: + Giá thành cao. + Góc quét nhỏ.
Hình 2.16. Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng pha.
ứng dụng:
+ Các ứng dụng đặc biệt: nội soi qua thực quản, nội soi qua thành bụng, nội soi niệu.
*) Độ phân giải của đầu dò.
Độ phân giải của đầu dò là khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 điểm (tính bằng mm) trên hình siêu âm còn phân biệt đợc, và đợc tính nh sau: tính theo độ chênh tín hiệu từ điểm cắt của sờn hai xung có biên độ nh nhau, phản hồi từ hai điểm cạnh nhau, đến đỉnh xung; phụ thuộc vào sự thu nhận và xử lý tín hiệu của đầu dò và máy sao cho mức chênh tín hiệu này tối thiểu phải là =-6db, thì khoảng cách giữa hai điểm đợc coi là độ phân giải của đầu dò.
Có một sự khác biệt giữa độ phân giải dọc và độ phân giải ngang:
- Độ phân giải dọc (axial resolution): phụ thuộc chủ yếu vào tần số của đầu dò, và đợc xác định bằng độ dài xung phát. Do đó độ rộng xung càng nhỏ, hay nói cách khác xung càng hẹp thì độ phân giải dọc càng tốt và thờng có giá trị cỡ hai lần bớc sóng.
- Độ phân giải ngang (Lateral Resolution): phụ thuộc rất nhiều vào trờng âm, độ rộng của chùm tia, có nghĩa là phụ thuộc vào công nghệ chế tạo đầu dò. Độ phân giải ngang cũng phụ thuộc vào tần số của đầu dò và có giá trị số tốt nhất nằm trong khoảng hội tụ của đầu dò, và thờng có giá trị cỡ bốn đến năm lần bớc sóng.
Kết luận:
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 nhng ta có thể khái quát thành một sơ đồ khối cơ bản sau (hình 2.17).
Hình 2.17. Sơ đồ khối máy siêu âm cơ bản.
Sơ đồ chỉ ra thiết bị chuyển đổi âm - điện đợc kết nối tới khối phát - nhận của máy quét. Thành phần này gọi là đầu dò chịu trách nhiệm phát chùm siêu âm và phát hiện các tín hiệu dội trở về. Khi một tín hiệu dội nhận đợc, các tín hiệu tạo ra đợc xử lý về điện nhằm tăng cờng tín hiệu cho các mục đích quan sát. Tín hiệu đợc hiển thị cần có liên quan tới các tơng tác xảy ra trong cơ thể.
Tất cả các hệ thống con đợc điều khiển bởi một bộ phát đồng bộ chủ. Một tín hiệu điện từ bộ phát đồng bộ chủ tới máy phát để khởi tạo quá trình. Một chùm siêu âm xung đợc phát vào cơ thể. Nó qua các tơng tác khác nhau (phản xạ, tán xạ, giao thoa ) khi bắt gặp một mặt phân cách, một phần năng l… ợng chùm đ- ợc phản xạ trở về đầu dò. Đầu dò lúc này hoạt động nh là một máy thu hơn là một máy phát, chuyển sóng siêu âm (tín hiệu dội trở về) thành một tín hiệu điện để xử lý và hiển thị. Để tơng quan biên độ tín hiệu tạo ra với độ sâu mặt phân
cách, khoảng thời gian giữa thời gian một xung siêu âm rời khỏi đầu dò và thời gian tín hiệu dội trở về cần đợc biết. Bất cứ sự khuếch đại đặc biệt nào dựa trên thời gian trải qua, nh bù khuếch đại thời gian và cổng đều áp dụng cho các tín hiệu đợc phát hiện, cũng yêu cầu biết chính xác thời gian truyền của xung. Tất cả các hệ thống con này cần đợc kích hoạt đồng thời bởi bộ phát đồng bộ chủ để đảm bảo đúng lúc. Với mỗi hệ thống đồng hồ ở bộ phát đồng bộ chủ đo đạc thời gian trải qua từ khi phát xung siêu âm đến khi nhận các tín hiệu dội.