1. Nguyên lý tạo ảnh bằng siêu âm
Đầu dò khi được kích thích bởi xung điện với chu kỳ và cường độ có thể điều chỉnh được phát ra các xung siêu âm lan truyền theo hướng của đầu dò vào môi trường ở một vận tốc xác định, do đặc tính của môi trường (mật độ và độ đàn hồi) quyết định. Sóng âm sẽ gặp các mặt phân cách, các cấu trúc vật chất lạ trên đường truyền, gây ra sóng phản xạ và tán xạ quay về đầu dò và thu nhận được tại đây. Thời gian sóng âm đi đến và quay về từ mặt phản xạ sẽ xác định độ sâu của mặt phản xạ hoặc khoảng cách đi được của chùm siêu âm:
2 .t c
z (3.3) Trong đó: c là vận tốc truyền âm;
t/2 là thời gian cho sóng âm đi từ mặt phản hồi đến đầu dò. t là thời gian truyền (thời gian từ lúc xung phát đến khi thu nhận một sóng phản xạ)
Ví dụ: Thời gian cần thiết để thu được tín hiệu dội biết vận tốc trung bình của siêu âm trong mô là c = 1540m/s, khoảng cách mặt phân cách là 1cm.
áp dụng công thức trên ta có: c z t 2 = 13s 1540 10 2 2
Độ lớn của biên độ sóng phản xạ phụ thuộc vào biên độ sóng phát đi, góc tới của sóng âm và trở kháng âm của mặt phản hồi. Đầu dò sẽ biến đổi sóng phản xạ thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện ngược. Tín hiệu điện này mang thông tin về biên độ, thời gian thu lại các thông tin này sau đó được xử lý và thể hiện trên màn hình.
2. Các phương pháp tạo ảnh
Cách tạo ảnh siêu âm được phân loại theo số chiều không gian và thời gian mà ảnh được thể hiện.
Chiều trong không gian là phương pháp truyền của sóng siêu âm Chiều theo thời gian thể hiện độ sâu theo phương truyền.
a. Tạo ảnh kiểu A (Amplitude mode):
- ảnh kiểu A là ảnh một chiều không gian và một chiều thời gian.
Hình 3.16: Nguyên lý tạo ảnh kiểu A
Nguyên lý được thực hiện như sau: P1, P2 là hai xung phát siêu âm. Quá trình có tính chu kỳ, khoảng giữa hai thời điểm phát đầu dò thu tín hiệu phản xạ. V1, V2, V3 là các vật siêu âm trên đường truyền (mặt phản xạ) khi gặp các vật này, một phần sóng siêu âm tiếp tục truyền đi đến các mặt phản xạ khác và phản xạ trở lại, cứ thế tiếp tục ta nhận được các tín hiệu phản xạ khác nhau của các vật phản xạ khác nhau trên đường truyền. Các tín hiệu phản xạ này được chuyển
V1 V2 V3
P1 P2
Hai xung phát siêu âm
Mặt phản xạ trên đường truyền (khuyết tật)
Các tín hiệu phản xạ tại mặt phân cách được chuyển thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện và thể hiện trên màn hình là xung hình tam giác. (xung tín hiệu phản hồi khuyết tật)
thành tín hiệu điện nhờ hiệu ứng áp điện của đầu dò và nó được thể hiện trên màn hình là các xung hình tam giác.
ảnh kiểu A mô tả cấu trúc vật chất trên đường tia siêu âm đi qua:
Tín hiệu hồi âm thể hiện bằng xung dao động hình gai (xung hình tam giác) qua hệ thống trục tung và trục hoành. Chiều cao của xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của xung thể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi.
Trên màn hình trục X là trục quét thời gian, tốc độ quét do máy quy định Ta có: z = c.t thời gian t có thể được đo trên máy, c vận tốc sóng siêu âm trong môi trường nước c =1000m/s. Thay trục X làm trục độ sâu, trục Y đặc trưng cho biên độ sóng phản xạ, khoảng thời gian giữa 2 xung phát phụ thuộc vào nhịp phát xung.
Do sóng siêu âm bị hấp thụ trong môi trường nên ở độ sâu nào đó năng lượng sóng phản xạ sẽ giảm đi đáng kể nên sóng phản xạ về đầu dò là quá yếu và khi đó bộ thu không làm việc được. Để khắc phục người ta dùng bộ khuếch đại mà bộ khuếch đại của nó có thể thay đổi theo một chương trình đã được lập sẵn để bù lại sự suy giảm của năng lượng sóng siêu âm trên đường truyền. Bộ khuếch đại là TGC (Time Gain Compensation) và được lắp ở đầu thu.
Vật thể cần kiểm tra Khuyết tật Đầu dò Phản xạ mặt ngoài Phản xạ mặt ngoài
Xung tín hiệu phản hồi khuyết tật
ứng dụng của tạo ảnh kiểu A: Loại hình thể hiện này kiểm tra các môi trường vật chất đơn giản: đo độ sâu, dò khuyết tật …. vì có độ chính xác cao.
b. Tạo ảnh kiểu B:
Hình ảnh thu được biểu diễn trên một mặt phẳng mà các tia siêu âm đi qua nó mô tả cấu trúc vật chất của vật kiểm tra trong mặt phẳng đó qua cường độ sáng tối của các điểm ảnh.
*. Tạo ảnh kiểu B tĩnh là (Brightness mode): P1
P2
Tín hiệu chưa khuếch đại TGC
TGC
Tín hiệu sau khuếch đại TGC Tín hiệu sau khuếch đại TGC
t
t
t
II III
I
Độ KĐ ở độ sâu khác nhau, độ sâu lớn (biên độ sóng phản xạ nhỏ) hệ số khuếch đại càng tăng lên
Có TGC đã bù lại phần năng lượng bị môi trường hấp thụ các tín hiệu ở độ sâu hơn cũng có biên độ lớn bằng tín hiệu ở gần đầu dò.
Hình 3.18: Bù hệ số khuếch đại theo thời gian
Khuyết tật ảnh thu được Phương di chuyển của đầu dò
Tín hiệu hồi âm được thể hiện bởi những chấm sáng. Độ sáng của chấm thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của chấm sáng xác định khoảng cách đầu dò đến mặt phản xạ. Tạo ảnh kiểu B tĩnh được gọi là kiểu quét tay hay tạo ảnh thời gian không thực.
Đầu dò dịch chuyển bằng tay trên bề mặt tiếp xúc. Biên độ sóng phản xạ được đưa qua một mạch so sánh để biến thành một điểm trên màn hình tương ứng với độ sáng của chấm. Ta thấy rằng dù biên độ sóng phản xạ lớn hay nhỏ thì trên màn hình ta chỉ có một điểm sáng với độ chói cố định.
Vì đầu dò di chuyển trên những mặt có đường cong khác nhau nên vị trí đầu dò trong không gian được xác định bằng tọa độ cực, nó là hàm số của góc và khoảng cách. Trong khi đó ảnh được tạo ra trên màn hình được biểu diễn trên tọa độ trực giao XY. Vì vậy ở phương pháp này ta cần phải có một bộ phận chuyển tọa độ để làm tương ứng giữa vật và ảnh.
ảnh siêu âm là ảnh của mặt cắt theo phương thẳng đứng trong khi đó ảnh ta quan sát trên màn hình là theo phương ngang. Vì vậy phải chuyển tọa độ khi thu nhập ảnh và tọa độ hiển thị lên màn hình. Vì thế trong phương pháp tạo ảnh kiểu B động cần phải có hai bộ chuyển đổi tọa độ. Bộ biến đổi trực giao F(X,Y), bộ biến đổi tọa độ xoay mặt phẳng góc 900.
*. Tạo ảnh kiểu B động: (tạo ảnh bằng phương pháp có điều khiển) Có 2 loại:
+ Tạo ảnh kiểu B động tuyến tính:
Đầu dò có nhiều phần tử áp điện được đặt liên tiếp nhau khi đó ta sẽ lần lượt cho các phần tử áp điện phát và thu theo một chương trình đã được định
Vật (,r) Bộ biến đổi tọa độ F(x,y) Bộ biến tọa độ xoay mặt phẳng 900 ảnh F(x,y)
Hình 3.21: Sơ đồ khối bộ biến đổi ảnh
Vật (,r)
Bộ biến đổi
tọa độ ảnh F(x,y)
trước ta sẽ được ảnh siêu âm hai chiều. Số phần tử áp điện thay đổi tùy theo thiết kế của mỗi hãng từ vài chục đến vài trăm phần tử.
Chương trình phát thu sóng siêu âm cho mỗi kiểu đầu dò khác nhau. Chương trình này được lập sẵn vào trong bộ nhớ ROM. Để tập trung năng lượng vào các vùng sâu nhất, ta cần phải hội tụ chùm tia, người ta dùng thấu kính điện tử là dựa trên nguyên lý giao thoa của các chùm tia với độ lệch pha khác nhau. + Tạo ảnh kiểu B động dải quạt:
Đầu dò chỉ gồm một phần tử áp điện. Sự di chuyển của đầu dò được thực hiện bằng các dao động ở một vị trí cố định được gọi là tâm dải quạt. Biên độ dao động được gọi là góc mở của dải quạt. Góc mở càng rộng, tầm nhìn càng rộng thì độ phân giải kém. Chương trình thu phát sóng siêu âm cho mỗi đầu dò là cố định đối với mỗi loại máy, mỗi chủng loại đầu dò và cho mỗi hãng. Các chương trình được nạp vào bộ nhớ ROM. Việc điều khiển sự dao động của phần tử áp điện thường bằng động cơ nên đôi khi người ta gọi phương pháp này là phương pháp quét cơ điện.
c. Tạo ảnh kiểu TM (time modion mode):
Tạo ảnh kiểu TM là một cách thể hiện khác của phương pháp tạo ảnh kiểu A. Phương pháp TM cho ta khảo sát sự chuyển động của mặt phân cách trên một đường truyền của sóng siêu âm như trong kiểu A nhưng không phải theo thời gian thực của đối tượng nghiên cứu mà theo quy định của máy. ở phương pháp tạo ảnh kiểu A tại vị trí T1, T2, T3 biểu diễn biên độ của ảnh, nhưng trong trường hợp này ta biểu diễn vị trí T1, T2, T3 bằng các điểm trên màn hình qua mạch so sánh và cho phương truyền di chuyển từ trên xuống dưới hoặc ngược lại.
Hình 3.22 : Phương pháp tạo ảnh kiểu TM
Đường quét theo phương truyền của sóng siêu âm là đường quét nhanh. Đường quét để tách nhanh mang thông tin về độ sâu của vật cản trên đường truyền của sóng siêu âm. Đường quét chậm thường được thiết kế có vận tốc bằng vận tốc của máy đo tín hiệu BCG nghĩa là 25 và 50mm/s. Người ta dùng hai vận
Đầu dò
Chiều quét Phương truyền sóng siêu âm
tốc này làm chuẩn, để tạo tín hiệu đồng bộ điện tim hoặc tín hiệu sinh học khác của tim như phono, áp lực van… để có thể so sánh giữa pha của tín hiệu này với sự mở của van tim.
3. Xử lý tín hiệu siêu âm
a. Xử lý trước ảnh
+ Sự khuếch đại: Tín hiệu phản xạ của sóng siêu âm được thu nhận tại đầu dò, trước khi thể hiện thành hình ảnh đều được xử lí. Một trong nhưng bước xử lí quan trọng là khuếch đại tín hiệu phản xạ của sóng siêu âm là quá nhỏ. Hệ số khuếch đại thường được tính bằng dB, là tỷ số giữa biên độ sau khi khuếch đại và biên độ trước khi khuếch đại.
KdB = 20lg 1 2 U U (dB) Trong đó
KdB : hệ số khuếch đại thường được tính bằng dB ; U2 : biên độ tín hiệu phản xạ sau khi khuếch đại ;
U1 : biên độ tín hiệu phản xạ trước khi khuếch đại. ví dụ : KdB = 40 dB nghĩa là : 20lg 1 2 U U = 40 => lg 1 2 U U = 2 = lg 102 => 1 2 U U = 100
Hãy tính hiệu ra được khuếch đại 100 lần so với tín hiệu vào ban đầu.
+ Khuếch đại bù theo độ sâu: Trong khi khuếch đại tín hiệu, một yếu tố không thể bỏ qua là hiện tượng sóng siêu âm bị suy hao trong quá trình lan truyền trong môi trường, hiệu quả của hiện tượng này là do tín hiệu trở về của đầu dò ở độ sâu càng lớn thì có biên độ càng nhỏ, vì vậy phải có một phần công suất bù lại công suất suy hao năng lượng sóng siêu âm nói trên. các bộ khuếch đại DGC hay TGC (DGC hay TGC: Depth Gain Compensation or Time Gain Compensation ) thực chất là hệ số khuếch đại gia tăng theo thời gian, sau khi siêu âm được truyền đi những tín hiệu hồi âm từ những mặt phản hồi ở xa thì được khuếch đại nhiều hơn so với tín hiệu hồi âm ở gần.
+ Khuếch đại bờ (EE: Edge Enhancement): Khuếch đại bờ có tác dụng tăng độ phân dải theo phương của tia siêu âm bằng cách tăng độ vi phân của tín hiệu, khi tăng EE, hình siêu âm được biểu thị có các hạt nhỏ hơn, các bề mặt vuông góc với phương truyền của tia siêu âm được vẽ ra rõ hơn, vì vậy phép xử lí này là khuếch đại bờ
+ Dải động của tín hiệu (DR : Dynamic Range) như đã nói ở trên, hình ảnh siêu âm hai chiều được tao bởi tín hiệu phản hồi của sóng siêu âm, ghi lại theo vị trí dưới dạng ma trận và trình tự thời gian với tốc độ thời gian thực. Các tín hiệu phản hồi này nằm trong khoảng biên độ tín hiệu rất rộng.
Các mặt phân cách mô mềm/không khí cho tín hiệu phản hồi lớn nằm trong khoảng 1 : 10V các mặt phân cách mô mềm/xương cho tín hiệu phản hồi trong một khoảng 100mV : 1V. các mặt phân cách các cơ quan (bề mặt các cơ quan) cho tín hiệu phản hồi nằm trong khoảng 10V: 100mV. Các nhu mô của các cơ quan cho tín hiệu phản hồi vào khoảng 10V. Như vậy những tín hiệu thu được nằm trong khoảng 10mV : 10V là tỉ lệ
min U
Umx = 106 hay nói cách khác
min max U
U = 120 dB. Nhưng thực chất trong chuẩn đoán người ta không cần quan sát
toàn bộ dải tín hiệu cùng một lúc. Về mặt ý nghĩa, dải động khoảng biên độ tín hiệu có thể biểu diễn và tỉ lệ giữa tín hiệu thứ nhất và tín hiệu nhỏ nhất trong khoảng tín hiệu cần quan tâm. Các dải động được chọn thường được biểu diễn 64 mức xám.
Thay đổi dải động của tín hiệu để đáp ứng độ tương phản của màn hình siêu âm cực đại. Các giá trị DR thấp cần thiết khi chẩn đoán tim mạch. Các giá trị DR cao cho phép biểu thị các cấu trúc và do đó thường được sử dụng khi chẩn đoán nội tổng quát
+ Lưu ảnh tương quan: Độ tương quan có thể hiểu là sự trung bình hóa theo thời gian bộ nhớ ảnh. Trung bình theo thời gian có thể thực hiện sao cho các thộng tin mới được ghi vào bộ nhớ thì một phần thông tin cũ cần có thể dữ lại. thông tin đã được lưu giữ và thông tin mới nhận kết hợp lại để tạo ra ảnh mới theo tỉ lệ có thể lựa chọn bằng giá trị hiện tại trên giá trị đã cho trước, chất lượng sản phẩm đều có thể dùng trong những trường hợp ảnh không thể thay đổi hoặc thay đổi trậm (ví dụ : vùng bụng, mạch ngoại vi…).
Để cải thiện tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tức là cải thiện ảnh, tạo hiệu ứng làm dịu ảnh nhờ loại bỏ những nhiễu tức thời gây ra cho các chuyển động cơ, mô… b. Xử lí hình sau khi tạo ảnh (Post Processing).
Chức năng này cho phép người sử dụng làm nổi rõ hoặc làm mờ đI các mức xám (grey scale) riêng lẻ hoặc nhóm mức xám ở các ảnh siêu âm, để giúp cho đọc hình được dễ dàng nhất bằng cách thay đổi hệ số khuếch đại cho các mức
xám, hình 3.1.3 là một ví dụ. Hiệu sử lí được thực hiện ở mode thời gian (B - mode) hoặc ở chế độ ảnh dừng.