TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG MÔN CÔNG NGHỆ CHẨN ĐOÁN HÌNH ẢNH I ĐỀ TÀI Vật lý học trong siêu âm Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện Phạm Xuân Bắc Lớp ĐTTT 07 – K57 MSSV 20121268 Mục Lục TỔNG QUAN 4 Chương I ÂM HỌC CĂN BẢN 5 1 Độ dài sóng và Tần số 5 2 Sư lan truyền của âm thanh 6 3 Đo đạc khoảng cách 7 4 Trở kháng âm 7 5 Sự phản hồi 8 6 Sự khúc xạ 9 7 Độ giảm thấu 10 Chương II DỤNG CỤ 11 1 Bộ phân phát 12 2 Đầu dò chính danh 12 3 Bộ phận tiếp nhậ.
ÂM HỌC CĂN BẢN
Độ dài sóng và Tần số
Âm thanh là kết quả của sự lan truyền năng lượng âm trong vật chất dưới dạng sóng, gây ra hiện tượng nén và dãn lặp đi lặp lại Chuyển động hạn chế của các phân tử trong vật chất tạo ra sóng áp lực, giúp âm thanh được truyền đi Biến đổi áp lực này được biểu thị bằng sóng hình sin, trong đó trục Y thể hiện áp lực tại một điểm và trục X thể hiện thời gian Biến đổi áp lực theo thời gian xác định đơn vị đo âm thanh, với khoảng cách giữa các điểm trên đường cong áp lực – thời gian được gọi là độ dài sóng ƛ, và thời gian T để hoàn tất một vòng được gọi là chu kỳ.
Tần số âm thanh, ký hiệu là f, được định nghĩa là số chu kỳ xảy ra trong một đơn vị thời gian Tần số và chu kỳ có mối quan hệ tỷ lệ nghịch; cụ thể, nếu chu kỳ T được tính bằng giây, thì công thức tính tần số là f = 1/T hoặc f = T.x giây -1 Đơn vị đo tần số là hertz (Hz), trong đó 1 Hz tương đương với 1 chu kỳ trong 1 giây Ngoài ra, tần số cao còn được biểu thị bằng kilohertz (1 kHz = 1000 Hz) và megahertz (1 MHz = 1.000.000 Hz).
Tần số âm thanh trong tự nhiên trải dài từ dưới 1Hz đến trên 100.000Hz (100 kHz), trong khi khả năng nghe của con người chỉ giới hạn từ 20 đến 20.000 Hz Siêu âm có tần số cao gấp 500 đến 1.000 lần so với âm thanh nghe được Các tần số sóng âm dùng trong chẩn đoán thường nằm trong khoảng 2 đến 15 MHz, mặc dù các tần số cao từ 50 đến 60 MHz đang được nghiên cứu cho một số ứng dụng hình ảnh chuyên biệt.
Sư lan truyền của âm thanh
Siêu âm trong ứng dụng lâm sàng chủ yếu sử dụng các xung năng lượng ngắn để truyền vào cơ thể và lan truyền qua các mô Sóng âm có thể di chuyển theo hướng vuông góc với phương dao động của các phần tử (sóng ngang) hoặc trùng với phương dao động (sóng dọc) Tốc độ lan truyền của sóng trong các mô thay đổi đáng kể tùy thuộc vào các thuộc tính vật lý của mô, và chủ yếu bị chi phối bởi độ kháng của môi trường với lực nén Độ kháng này lại phụ thuộc vào tỷ trọng, độ cứng và độ đàn hồi của mô.
Tốc độ lan truyền âm thanh trong cơ thể người khoảng 1540 m/giây, được coi là hằng số cho từng loại mô và không bị ảnh hưởng bởi tần số hay độ dài sóng Mặc dù đây là giá trị trung bình cho hầu hết các mô, một số mô như phổi thông khí và mỡ có tốc độ lan truyền thấp hơn, trong khi xương có tốc độ cao hơn, dẫn đến sai lệch trong hình ảnh siêu âm Tốc độ lan truyền âm thanh c liên quan đến tần số f và độ dài sóng ƛ theo công thức c = f.ƛ Ví dụ, với tần số 5 MHz, độ dài sóng trong mô là 0,308 mm.
Đo đạc khoảng cách
Tốc độ lan truyền của sóng siêu âm là yếu tố quan trọng trong ứng dụng lâm sàng, giúp xác định khoảng cách từ đầu dò đến giao diện phản chiếu Khi sóng siêu âm được truyền vào cơ thể, thời gian phản hồi được ghi nhận cho phép tính toán độ sâu của giao diện phát sinh phản âm dựa trên tốc độ đã biết của sóng trong mô Ví dụ, nếu thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận phản âm là 0,05 ms với tốc độ lan truyền 1540 m/s, khoảng cách sóng âm đã đi là 7,7 cm Tuy nhiên, do thời gian đo bao gồm cả chiều đi và về, khoảng cách thực tế từ đầu dò đến giao diện chỉ là 3,85 cm Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào sự khác biệt giữa tốc độ ước tính và tốc độ thực tế của sóng âm trong mô khảo sát.
Trở kháng âm
Các đầu dò siêu âm hiện tại hoạt động dựa trên khả năng phát hiện và hiển thị các âm phản hồi, hay còn gọi là phản âm Để tạo ra phản âm, cần có một giao diện phản chiếu, vì âm thanh đi qua môi trường đồng nhất sẽ không gặp giao diện này và không tạo ra phản âm, dẫn đến hình ảnh dạng nang Giao diện âm xuất hiện tại nơi tiếp giáp giữa hai môi trường có tính chất vật lý khác nhau, tạo ra sự phản chiếu cần thiết cho quá trình siêu âm.
Lượng phản âm tại giao diện giữa các vật chất phụ thuộc vào sự khác biệt về độ trở kháng âm, được tính bằng công thức Z = pc, trong đó p là tỷ trọng và c là tốc độ lan truyền của sóng âm Tại những giao diện có độ chênh lệch lớn về độ trở kháng, như giữa mô và khí hoặc xương, năng lượng phản hồi gần như hoàn toàn, trong khi ở các giao diện có độ khác biệt nhỏ, chỉ một phần năng lượng được phản hồi Độ trở kháng âm không phụ thuộc vào tần số sóng mà chỉ liên quan đến các đặc tính vật lý của môi trường mà sóng đi qua.
Sự phản hồi
Khi âm thanh gặp một giao diện âm, hình thức sóng phản chiếu phụ thuộc vào kích thước và tính chất bề mặt của giao diện Giao diện rộng và trơn láng phản hồi âm thanh giống như gương phản chiếu ánh sáng, được gọi là mặt phản xạ Ví dụ về mặt phản xạ bao gồm vòm hoành, thành bàng quang khi căng đầy nước tiểu và nội mạc tử cung Lượng năng lượng phản xạ từ giao diện âm chỉ chiếm một phần năng lượng tới, được xác định bởi hệ số phản hồi R.
Nếu chùm sóng tới thẳng góc với mặt phản xạ, lượng năng lượng phản hồi được tính bằng biểu thức sau:
R = (Z2 – Z1 ) 2 /(Z2 + Z1) 2 (2) Trong đó Z1 và Z2 là độ trở kháng âm của các môi trường tạo nên giao diện.
Đầu dò chỉ phát hiện được sóng phản xạ quay trở lại, do đó, việc hiển thị giao diện phụ thuộc nhiều vào góc phản âm Các mặt phản xạ chỉ tạo ra sóng phản âm khi chùm âm tới vuông góc với giao diện Nếu chùm sóng tới không vuông góc, sóng phản xạ sẽ không trở về đầu dò và không thể phát hiện được phản âm.
Phản âm trong cơ thể chủ yếu phát sinh từ các giao diện nhỏ bên trong các tạng đặc, có kích thước nhỏ hơn nhiều so với chiều dài sóng âm Những giao diện này, được gọi là mặt phản hồi khuếch toán, tạo ra các hình thái phản âm khác nhau cho từng tạng và mô Trong các ứng dụng chẩn đoán, cấu trúc phản hồi có thể gây ra những mâu thuẫn quan trọng; ví dụ, để quan sát rõ thành mạch máu, sóng tới cần tạo góc 90º, trong khi hình ảnh học Doppler yêu cầu góc giữa sóng tới và mạch máu phải nhỏ hơn 90º.
Sự khúc xạ
Một hiện tượng khác có thể xảy ra khi sóng âm đi từ một mô này sang một mô khác mà tốc
Hiện tượng khúc xạ âm thanh là một yếu tố quan trọng trong việc gây ra sự sai lệch hình ảnh siêu âm của cấu trúc Góc sóng tới (θ1) và góc khúc xạ (θ2) cùng với tốc độ sóng âm (c1, c2) trong các mô tạo nên giao diện ảnh hưởng đến việc đầu dò nhận sóng phản âm Khi sóng bị khúc xạ, hình ảnh hiển thị có thể không phản ánh chính xác vị trí thực của vật thể, dẫn đến việc hình ảnh bị méo mó và giảm chất lượng.
Độ giảm thấu
Khi năng lượng âm di chuyển trong một môi trường đồng nhất, nó chủ yếu được truyền dưới dạng nhiệt độ và khả năng thực hiện các tác động này phụ thuộc vào lượng năng lượng âm sinh ra Công suất âm, được đo bằng watt (W) hoặc milliwatt (mW), thể hiện số năng lượng âm sinh ra trong một đơn vị thời gian Mặc dù công suất cho thấy mối quan hệ giữa năng lượng và thời gian, nó không liên quan đến sự phân bố năng lượng trong không gian Cường độ, ký hiệu là I, biểu thị khả năng phân bố năng lượng trong không gian và được tính bằng tỷ số giữa công suất và độ rộng của vùng phân bố.
I(w/cm 2 ) = Công suất (w) / Vùng (cm 2 ) (4)
Khi sóng âm di chuyển qua mô, độ giảm thấu năng lượng đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng lâm sàng, ảnh hưởng đến độ sâu xuyên qua mô và thông tin thu thập được Điều này liên quan đến việc lựa chọn đầu dò và điều chỉnh nhiều thông số cài đặt của máy, bao gồm việc điều chỉnh gain theo thời gian (hoặc độ sâu), độ giảm thấu năng lượng phát ra và các mức gain của toàn hệ thống.
Decibel (dB) là đơn vị thường được sử dụng để so sánh mức độ công suất và cường độ siêu âm, phản ánh độ giảm thấu một cách tương đối Giá trị decibel được tính bằng 10 lần log10 của tỷ số công suất hoặc cường độ so sánh Ví dụ, nếu cường độ đo được tại một điểm trong mô là 10mW/cm² và tại một điểm sâu hơn là 0,1mW/cm², độ khác biệt về cường độ sẽ được xác định dựa trên tỷ số này.
Khi sóng âm truyền qua mô, năng lượng sẽ bị mất và biên độ sóng áp lực giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát Sự chuyển giao năng lượng sang mô, đặc biệt là dưới dạng nhiệt, cùng với sự thất thoát năng lượng do phản hồi và khuếch tán, dẫn đến hiện tượng giảm thấu Hiện tượng này là kết quả tổng hợp của các hiệu ứng hấp thụ, khuếch tán và phản hồi, và độ giảm thấu phụ thuộc vào tần số sóng và bản chất của môi trường Sóng có tần số cao giảm thấu nhanh hơn so với sóng tần số thấp, trong khi tần số của đầu dò quyết định độ sâu hữu ích mà siêu âm có thể thu thập thông tin Giảm thấu ảnh hưởng đến hiệu quả xuyên thấu của sóng qua mô.
DỤNG CỤ
Bộ phân phát
Phần lớn ứng dụng lâm sàng sử dụng siêu âm dạng xung, phát năng lượng âm vào cơ thể qua các xung ngắn Nguồn xung này được tạo ra từ điện thế cao, với thời gian phát chính xác Điện thế tối đa áp vào đầu dò được kiểm soát bởi các nguyên tắc nhằm đảm bảo độ an toàn cho bệnh nhân và hiệu quả chẩn đoán Đầu dò cũng điều chỉnh tần số tái xung (PRF), là khoảng thời gian giữa hai xung liên tiếp, ảnh hưởng đến độ sâu khảo sát và độ chính xác của dữ liệu hình ảnh cũng như Doppler Để sóng âm có đủ thời gian đi xuống và quay trở lại, PRF thường được thiết lập trong khoảng 1 đến 10 kHz, tương ứng với khoảng cách giữa các xung từ 0,1 đến 1 giây Ví dụ, PRF 5 kHz cho phép sóng đi đến độ sâu 15,4 cm trước khi phát xung tiếp theo.
Đầu dò chính danh
Đầu dò siêu âm là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ và ngược lại, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống siêu âm chẩn đoán Nó thực hiện hai nhiệm vụ chính: phát các xung âm vào bệnh nhân và nhận tín hiệu phản âm, chuyển đổi áp lực yếu thành tín hiệu điện để xử lý Sử dụng nguyên lý áp điện được phát hiện bởi Pierre Curie vào năm 1880, các vật liệu áp điện có khả năng thay đổi hình dạng dưới điện trường và sinh ra điện thể khi bị nén Khi điện thế thay đổi, độ dày của đầu dò cũng biến đổi, tạo ra sóng áp lực cơ học truyền vào cơ thể Hiệu ứng áp điện còn tạo ra điện thế nhỏ khi nhận phản âm, với áp lực dương và âm gây ra sự phân cực khác nhau, từ đó tạo ra thông tin hình ảnh hoặc hiển thị Doppler.
Khi áp dụng điện thế vào đầu dò, nó sẽ rung lên với tần số phụ thuộc vào vật liệu và độ dày của đầu dò Tần số ưu tiên được xác định bởi tốc độ lan truyền trong vật liệu và độ dày của đầu dò Trong các máy siêu âm hiện tại, xung siêu âm thường phát ra dải tần số rộng, bao gồm cả tần số cao và thấp hơn tần số ưu tiên Độ dài của xung siêu âm được xác định bởi số lần biến đổi điện thế áp vào đầu dò; đối với máy siêu âm phát sóng liên tục, dòng điện xoay chiều cố định tạo ra sóng âm liên tục Trong hình ảnh học, xung ngắn và duy nhất giúp đầu dò rung ở tần số ưu tiên, với số chu kỳ trong mỗi xung quyết định độ dài xung Để đạt được độ dài xung ngắn từ 2 đến 3 chu kỳ, cần sử dụng vật liệu giảm rung hiệu quả, đảm bảo xung siêu âm rất ngắn và chất lượng hình ảnh tốt trong ứng dụng lâm sàng.
Xung siêu âm phát sinh từ đầu dò sẽ lan truyền trong mô và cung cấp các thông tin lâm sàng.
Vỏ bọc đặc biệt của đầu dò và gel siêu âm đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao năng lượng từ đầu dò vào cơ thể Khi vào trong cơ thể, các xung siêu âm sẽ lan truyền, phản xạ, khúc xạ và bị hấp thụ theo các nguyên tắc vật lý âm học cơ bản.
Các xung siêu âm từ đầu dò tạo ra chùm sóng siêu âm ba chiều, với đặc tính bị ảnh hưởng bởi sự giao thoa của các sóng áp lực Sự giao thoa này diễn ra trong vùng gần đầu dò, gọi là vùng Fresnel, nơi biên độ áp lực thay đổi đáng kể Khi di chuyển xa hơn, âm trường phân ly và biên độ áp lực giảm dần trong vùng xa, hay vùng Frauenhofer Đối với đầu dò array hiện đại, thời gian kích thích giữa các chân tử được định sẵn chính xác, giúp điều chỉnh độ phân ly của chùm sóng siêu âm và cho phép hội tụ ở các độ sâu cụ thể.
Chỉ những xung phản hồi từ đầu dò mới có khả năng kích thích nó thông qua các biến đổi áp lực nhỏ Những biến đổi này sau đó được chuyển đổi thành điện thế, giúp nhận diện, khuếch đại và xử lý thông tin phản âm, từ đó tạo ra hình ảnh.
Bộ phận tiếp nhận
Khi các phản âm quay trở lại và tác động lên bề mặt đầu dò, các điện thế nhỏ được sinh ra qua các chấn tử áp điện Bộ phận tiếp nhận không chỉ nhận diện mà còn khuếch đại các tín hiệu yếu, đồng thời cung cấp khả năng bù trừ cho các chênh lệch về cường độ sóng phản âm do độ hấp thụ khác nhau giữa các mô Để thực hiện điều này, việc kiểm soát độ bù trừ theo thời gian và độ sâu, hay còn gọi là TGC (time gain compensation), là rất cần thiết.
Khi sóng âm đi qua cơ thể, chúng bị giảm thấu và mất một phần năng lượng khi phản âm về đầu dò Độ giảm thấu này tỷ lệ thuận với tần số đầu dò và không thay đổi trong một mô nhất định Phản âm từ vùng sâu yếu hơn so với vùng nông, do đó cần được khuếch đại nhiều hơn để tạo ra hình ảnh phản âm đồng nhất TGC đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại chọn lọc phản âm từ vùng sâu và giảm tín hiệu từ vùng nông, giúp bù trừ độ giảm thấu do mô Mặc dù một số máy mới có TGC tự động, việc điều khiển bằng tay vẫn rất quan trọng và ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh.
Bộ phận tiếp nhận trong máy siêu âm có chức năng quan trọng là nén độ rộng biên độ, giúp chuyển đổi tín hiệu trở về thành dải hiển thị rõ ràng Tỷ số giữa biên độ cao nhất và thấp nhất, được đo bằng decibel, tương ứng với dải động, có thể thay đổi từ 1:10^12, tương đương với dải động 120dB Mặc dù các bộ khuếch đại có khả năng tiếp nhận dải điện thế lớn, nhưng thang xám hiển thị chỉ giới hạn trong khoảng 35 đến 40 dB Do đó, việc nén và sắp xếp lại dữ liệu là cần thiết để phù hợp với dải động hiển thị Bộ phận tiếp nhận thực hiện nén bằng cách khuếch đại chọn lọc các tín hiệu yếu, và xử lý thêm giúp chọn lọc tín hiệu để hiển thị, từ đó làm thay đổi độ sáng tối và ảnh hưởng đến độ tương phản của hình ảnh.
Hiển thị hình ảnh
Có nhiều phương pháp hiển thị tín hiệu siêu âm, từ kiểu A đơn giản đến các công nghệ phân giải cao và hiển thị tức thì Kiểu A ban đầu hiển thị điện thế tại đầu dò khi nhận sóng phản xạ trên kính dao động, trong đó hiện tượng quét ngang cho biết khoảng cách từ đầu dò đến bề mặt phản xạ Biên độ sóng phản xạ được biểu diễn qua độ cao của đường biểu diễn trên kính dao động, cho phép ghi nhận vị trí và cường độ của cấu trúc phản xạ.
Mode M là một phương pháp siêu âm đơn giản, hiển thị biên độ sóng phản âm để xác định vị trí của mặt phản xạ di động Phương pháp này sử dụng độ sáng để biểu thị cường độ phản âm và có thể điều chỉnh thời gian để cải thiện độ phân giải Mode M chủ yếu được ứng dụng để đánh giá chuyển động nhanh của van tim và buồng tim, đồng thời trong tương lai có thể đo đạc các chuyển động nhỏ của thành mạch để đánh giá tính đàn hồi liên quan tới bệnh xơ vữa Hiện nay, hình ảnh siêu âm chủ yếu sử dụng mode B, hiển thị theo thang xám trong thời gian thực, với các tín hiệu phản xạ được thể hiện qua cường độ ánh sáng Để tạo ra hình ảnh 2D, các xung siêu âm được chuyển thành chuỗi đường quét, với các cấu trúc có năng lượng âm phản xạ mạnh hiện lên màu trắng, trong khi các tín hiệu trung gian được thể hiện qua sắc xám và không có tín hiệu là màu đen.
Trong các thiết bị hiện đại, bộ nhớ thường sử dụng 512x512 hoặc 512x640 điểm ảnh để lưu trữ giá trị cường độ phản âm từ các phần tương thích của bệnh nhân Mỗi điểm ảnh có ít nhất 256 độ xám, thể hiện biên độ phản âm Hình ảnh được lưu trữ theo cách này có thể dễ dàng truyền và hiển thị trên màn hình.
Để hiểu rõ cách biên độ sóng siêu âm được thể hiện qua độ sáng trên màn hình, người thực hiện siêu âm cần nắm vững mối liên quan giữa cường độ tín hiệu khuếch tán và mức độ sáng Các nhà chế tạo thường cung cấp nhiều tùy chọn về nén dải động và chuyển đổi tín hiệu sang sắc xám, mặc dù các chi tiết kỹ thuật có thể khác nhau giữa các máy Tuy nhiên, phương pháp sử dụng vẫn khá ổn định để tạo ra hình ảnh có giá trị lâm sàng Do đó, việc hiển thị với dải động rộng nhất có thể là cần thiết để nhận diện những chênh lệch nhỏ trong phản âm của mô.
Siêu âm thời gian thực mang lại cảm giác chuyển động thông qua việc xử lý chuỗi hình ảnh 2D với tốc độ từ 15 đến 60 khung hình mỗi giây Hiện nay, siêu âm mode B, hai chiều, thời gian thực là phương pháp chính cho siêu âm toàn cơ thể và là hình thức phổ biến nhất của hiển thị mode B Phương pháp này không chỉ giúp đánh giá chuyển động mà còn cung cấp thông tin về giải phẫu Khi hình ảnh được thu thập và hiển thị liên tục, thông tin thu được phản ánh tình trạng và chuyển động của cơ quan ngay trong quá trình khảo sát, do đó được gọi là thời gian thực Trong lĩnh vực tim mạch, thuật ngữ “siêu âm tim 2D” và “siêu âm 2D” thường được sử dụng để chỉ hình ảnh kiểu B, trong khi “siêu âm thời gian thực” được áp dụng cho các ứng dụng khác.
Các đầu dò cung cấp hình ảnh thời gian thực được phân loại theo phương thức quét chùm sóng, với tốc độ yêu cầu từ 30 đến 60 hình mỗi giây để đảm bảo hình ảnh tức thì Chùm sóng có thể quét theo kiểu xoay cơ học, dao động hoặc quét điện tử, với quét sóng điện tử thường được sử dụng trong các đầu dò linear array và phased array, cho phép hiển thị hình ảnh ở nhiều khổ khác nhau Các đầu dò quét sóng điện tử hiện đại còn có khả năng hội tụ điện tử điều chỉnh theo độ sâu Đầu dò quét cơ học thường chỉ sử dụng một chấn tử duy nhất với điểm hội tụ cố định hoặc có thể có các chấn tử xếp theo annular array kèm hội tụ điều khiển điện tử Trong lĩnh vực hình ảnh học thời gian thực, đầu dò quét sóng cơ học hoặc điện tử hiển thị hình ảnh theo khổ chữ nhật hoặc chop Trong sản khoa và khảo sát mạch máu ngoại biên, đầu dò linear array thường được sử dụng với hình ảnh dạng chữ nhật, mang lại lợi điểm về trường khảo sát rộng nhưng yêu cầu diện tích tiếp xúc lớn Ngược lại, đầu dò sector với kiểu quét sóng cơ học hay điện tử có ưu thế khi khảo sát những khu vực nhỏ và hẹp nhờ vào diện tích tiếp xúc nhỏ hơn.
Đầu dò cơ học dạng quạt
Các đầu dò siêu âm ban đầu chỉ sử dụng một chấn tử áp điện, yêu cầu chuyển động cơ học để tạo hình ảnh hiển thị Tuy nhiên, các đầu dò cơ học không cho phép thay đổi vùng hội tụ, dẫn đến việc cần thiết sử dụng đầu dò annular array Mặc dù đã đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu, nhưng hiện nay, việc sử dụng các đầu dò cơ học với hội tụ cố định và chỉ một chấn tử đã giảm đi đáng kể.
Array
Công nghệ đầu dò đa chấn tử hiện đại sử dụng vật liệu áp điện được chia thành nhiều đơn vị nhỏ, mỗi đơn vị có điện cực riêng Các loại đầu dò này chủ yếu bao gồm các hình thức như linear, curved, phased và annular Bằng cách điều chỉnh thời điểm khởi động của các nhóm chấn tử trong array, người ta có thể thay đổi hướng chùm sóng siêu âm, từ đó tạo ra hình ảnh thời gian thực theo kiểu quét thẳng hoặc quét rẻ quạt.
Đầu dò linear thường được sử dụng trong khảo sát phần mềm, mạch máu và sản khoa nhờ vào hình ảnh dạng chữ nhật phù hợp cho các ứng dụng này Các chấn tử trong đầu dò linear được sắp xếp theo dạng thẳng, và khi khởi động theo chuỗi, mỗi chấn tử hoặc nhóm chấn tử sẽ phát ra các xung song song, tạo ra các đường ngắm thẳng góc với bề mặt đầu dò Các đường ngắm này kết hợp lại để hình thành trường khảo sát, cho phép điều chỉnh độ sâu hội tụ tùy thuộc vào số lượng chấn tử và chuỗi khởi động đã chọn.
Curved Array là loại đầu dò với các chấn tử sắp xếp theo dạng cong, giúp tạo ra hình ảnh với trường khảo sát rộng hơn và dạng quạt Loại đầu dò này được sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực khảo sát bụng, sản khoa và vùng chậu qua ngả bụng Ngoài ra, các đầu dò curved array có kích thước nhỏ và tần số cao còn được ứng dụng trong khảo sát qua ngả âm đạo, trực tràng và trong việc thăm khám bệnh nhi.
Đầu dò phased array không có phần nào chuyển động, khác với các đầu dò dạng quạt cơ học Chúng hoạt động bằng cách khởi động các chấn tử theo chuỗi chính xác dưới sự kiểm soát điện tử, cho phép quét sóng siêu âm theo nhiều hướng khác nhau Nhờ vào việc kiểm soát thời gian và chuỗi khởi động, đầu dò này tạo ra hình ảnh dạng quạt với các đường ngắm có góc thay đổi, cho phép sản xuất đầu dò nhỏ gọn nhưng có trường khảo sát rộng theo độ sâu Loại đầu dò này rất hữu ích trong việc quét liên sườn để khảo sát các cơ quan như tim, gan và lách ở những vùng khó tiếp cận.
Annular Array là cấu trúc gồm các chấn tử chữ nhật sắp xếp theo hình dạng đồng tâm hoặc xen kẽ, tạo ra những chấn tử nhỏ bên trong một mảnh vật liệu áp điện tròn Việc sử dụng nhiều chấn tử đồng tâm giúp hội tụ sóng chính xác, mang lại ưu điểm về độ đồng nhất và khả năng hội tụ cao độ cho chùm sóng Khác với linear array, trong đó cần trì hoãn khởi động chấn tử để điều chỉnh hướng quét sóng, annular array không thay đổi được hướng quét và sử dụng sóng được chỉnh hướng cơ học cho hình ảnh học hiển thị tức thì.
Lựa chọn đầu dò
Khi lựa chọn đầu dò siêu âm cho các ứng dụng lâm sàng, cần xem xét không chỉ vùng khảo sát mà còn cả độ sâu của cấu trúc Đối với các mạch máu nông và các cơ quan như tuyến giáp, vú, và tinh hoàn, thường sử dụng tần số từ 7,5 đến 10 MHz, vì chúng chỉ nằm cách bề mặt da khoảng 1 đến 3 cm Tần số cao này cũng rất phù hợp cho việc khảo sát trong quá trình phẫu thuật Trong khi đó, để khảo sát các cơ quan bụng chậu nằm sâu, cần lựa chọn đầu dò với tần số phù hợp hơn.
Để đạt được độ phân giải tối ưu khi khảo sát ở độ sâu từ 12 đến 15 cm, cần sử dụng tần số từ 2,25 đến 3,5 MHz Việc áp dụng tần số cao nhất sẽ mang lại độ phân giải dọc và bên tuyệt hảo.
Lưu trữ hình ảnh
Siêu âm thời gian thực cho phép bác sĩ quan sát ngay trên màn hình hiển thị Độ sáng và độ tương phản của hình ảnh phụ thuộc vào các thông số cài đặt màn hình, điều chỉnh gain của hệ thống và TGC Một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh trong siêu âm là việc điều chỉnh không đúng các thông số hiển thị và thiếu đánh giá mối tương quan giữa màn hình và dữ liệu khi lưu trữ vào ổ cứng Do đó, các điều kiện hiển thị và ánh sáng trong phòng đọc cần được chuẩn hóa tương ứng với thiết bị lưu trữ.
Lưu trữ hình ảnh thường xuyên là cần thiết để xem lại và bảo quản, có thể thực hiện bằng camera quang học, laser, máy in hoặc băng từ Theo thời gian, việc lưu trữ hình ảnh siêu âm đã chuyển sang dạng số hóa để tiện lợi hơn trong việc quản lý và truy cập.
CHẤT LƯỢNG HÌNH ẢNH
Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian của máy siêu âm là khả năng phân biệt hai vật riêng biệt nằm gần nhau, được đánh giá qua ba mặt phẳng Độ phân giải dọc theo trục của chùm sóng siêu âm phụ thuộc vào chiều dài xung, mà lại liên quan đến số chu kỳ âm thanh trong mỗi xung Cụ thể, mỗi xung siêu âm thường bao gồm hai hoặc ba chu kỳ, và chiều dài xung sẽ giảm khi tần số tăng, dẫn đến độ phân giải tốt hơn Ví dụ, đầu dò 5 MHz tạo ra sóng âm với chiều dài sóng 0,308 mm, và nếu mỗi xung gồm ba chu kỳ, chiều dài xung sẽ gần 1 mm, xác định độ phân giải tối đa dọc theo trục Khi tần số tăng lên 10 MHz, chiều dài xung giảm xuống dưới 0,5 mm, cho phép đạt được độ phân giải chi tiết hơn.
Ngoài việc phân giải theo trục, cần chú ý đến phân giải ngang trong mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng âm, liên quan đến độ dày của lát cắt Phân giải ngang phụ thuộc vào độ rộng của chùm sóng siêu âm, là yếu tố quyết định chất lượng hình ảnh Chùm sóng quá rộng và dày sẽ hạn chế khả năng nhận biết các vật thể nhỏ và vùng nang bên trong mảng xơ vữa Độ rộng và độ dày của chùm sáng xác định độ phân giải ngang và bên, trong đó độ phân giải ngang thường kém hơn so với phân giải theo trục Kiểm soát độ phân giải ngang có thể thực hiện thông qua kỹ thuật hội tụ chùm sóng, trong khi độ phân giải bên phụ thuộc vào cách chế tạo của đầu dò và không thể kiểm soát bởi người sử dụng.
CÁC BẪY HÌNH ẢNH
Trong siêu âm, chất lượng thông tin thu thập phụ thuộc vào khả năng của người thực hiện trong việc nhận định và tránh các ảnh giả cũng như bẫy chẩn đoán Nhiều ảnh giả có thể phát sinh do sai sót trong kỹ thuật quét hoặc việc sử dụng máy không đúng cách, nhưng đều có thể tránh được Những ảnh giả này có thể gợi ý sự hiện diện của cấu trúc không thực sự tồn tại, dẫn đến chẩn đoán sai hoặc che khuất các dấu hiệu quan trọng Do đó, việc hiểu rõ các ảnh giả là rất cần thiết để lý giải hình ảnh một cách chính xác Chúng ta sẽ thảo luận về một số ảnh giả quan trọng trong bài viết này.
Nhiều ảnh giả xuất hiện do sự phản xạ nhiều lần của tín hiệu siêu âm giữa các giao diện có phản xạ cao gần đầu dò, dẫn đến hiểu nhầm về sự hiện diện của cấu trúc đặc trong vùng chỉ chứa dịch Mặc dù một số kiểu ảnh giả này có thể hữu ích trong việc phát hiện các mặt phản xạ đặc biệt, như trong các clip phẫu thuật, nhưng chúng cũng có thể gây nhầm lẫn Để giảm thiểu hoặc loại bỏ ảnh giả dội lại nhiều lần, cần thay đổi góc quét hoặc cách đặt đầu dò nhằm tránh các giao diện song song.
Khúc xạ âm thanh làm lệch chùm sóng, khiến vật khảo sát không còn nằm trong trục sóng tới Sóng phản xạ được phát hiện và hiển thị trong hình ảnh, dẫn đến việc một số cấu trúc ngoài vùng khảo sát xuất hiện trong hình ảnh (xem Hình 1).
7 ) Tương tự ảnh giả thùy bên cũng tạo ra những phản âm nhầm lẫn phát sinh từ những chùm sóng âm nằm bên ngoài chùm sóng chính ( Hình 1-16 ).
Những ảnh giả trong siêu âm có ảnh hưởng lớn đến lâm sàng bằng cách tạo ra cảm giác về sự hiện diện của các cấu trúc bên trong, làm giảm độ phân giải ngang và gây sai lệch trong đo đạc Để phân biệt ảnh giả với phản âm thực, cần điều chỉnh đầu dò và vùng hội tụ hoặc sử dụng đầu dò khác Ảnh giả có thể che lấp thông tin quan trọng, dẫn đến việc bỏ sót các bệnh lý Bóng lưng xuất hiện khi cường độ siêu âm giảm do mặt phản xạ mạnh, làm mất thông tin từ các cấu trúc nông Việc điều chỉnh gain và TGC không đúng cũng làm giảm thông tin, yêu cầu sự khéo léo trong điều chỉnh để tối ưu hóa thông tin với nhiễu tối thiểu Thêm vào đó, góc quét nhỏ, độ xuyên thấu yếu và độ phân giải kém cũng góp phần làm mất thông tin Việc không chú ý đến tần số đầu dò và các đặc tính hội tụ của chùm sóng có thể dẫn đến mất thông tin quan trọng từ các vật nhỏ, sâu, như hiện tượng ảnh giả nhiều đường khi phản âm không trở về đúng vị trí.
SIÊU ÂM DOPPLER
Xử lý và hiển thị tín hiệu Doppler
Biến thiên tần số Doppler (ΔF) cung cấp thông tin quan trọng về chiều và tốc độ dòng máu, với nhiều tùy chọn để xử lý Tần số Doppler thu được nằm trong dải tần số âm và được ghi lại trong thể tích mẫu Đường viền của phổ hiển thị các tần số tối đa tại từng thời điểm, trong khi bề rộng của phổ tại một thời điểm nhất định biểu thị dải tần số ghi được.
Biên độ của mỗi tần số trên nhiều máy thường được hiển thị theo thang xám Khi có nhiều tần số khác nhau xuất hiện đồng thời trong chu kỳ tim, hiện tượng này được gọi là sự xóa cửa sổ phổ (spectral broadening).
Trong các máy hình ảnh học Doppler màu, thông tin về tốc độ được thể hiện qua hình ảnh, cho phép phát hiện biến thiên Doppler từ từng điểm ảnh Bên cạnh đó, các máy này còn cung cấp khả năng sử dụng Doppler xung kết hợp với phân tích phổ, giúp hiển thị toàn bộ dữ liệu Doppler một cách chi tiết.
Dụng cụ Doppler
Khác với siêu âm mode A, M và mode B, Doppler tập trung vào thông tin dòng chảy Các máy Doppler đơn giản nhất sử dụng sóng liên tục (CW Doppler), cho phép xác định chiều dòng chảy nhưng không phân biệt được độ sâu và nguồn tín hiệu Mặc dù rẻ tiền và dễ di chuyển, CW Doppler có hạn chế, dẫn đến việc sử dụng Doppler xung với cổng lấy mẫu Doppler xung phát ra các xung năng lượng ngắn, xác định độ sâu của vật phản xạ và cho phép kiểm soát thể tích mẫu Khi kết hợp với hình ảnh học 2D, Doppler màu giúp hiển thị chuyển động và tốc độ của hồng cầu, với màu sắc thể hiện hướng di chuyển và độ bão hòa chỉ tốc độ tương đối Việc sử dụng Doppler màu trong siêu âm duplex cung cấp khả năng ước lượng dòng chảy và xác định vị trí mạch máu, giúp phát hiện rối loạn dòng chảy và các bất thường trong thành mạch Hình ảnh Doppler màu cho phép quan sát dòng chảy tại mọi điểm trong mạch, nhưng cũng có hạn chế như phụ thuộc vào góc, hiện tượng vượt ngưỡng và ảnh giả do nhiễu.
Doppler năng lượng
Một phương pháp khác để hiển thị thông tin tần số với Doppler màu là sử dụng bản đồ màu thể hiện công suất tín hiệu Doppler thay vì chuyển dịch tần số trung bình Hình ảnh này không cung cấp thông tin về chiều và vận tốc dòng chảy, và Doppler năng lượng ít phụ thuộc vào góc Doppler hơn so với Doppler màu Khác với Doppler màu, nơi nhiễu xuất hiện ở mọi vị trí và màu sắc, Doppler năng lượng tạo ra màu nền đồng nhất cho nhiễu mà không ảnh hưởng đến hình ảnh Điều này cho phép tối ưu hóa dải động của thiết bị, giúp điều chỉnh gain và tăng cường độ nhạy khi phát hiện dòng chảy.
Lý giải tín hiệu Doppler
Để đánh giá dữ liệu Doppler, cần phân tích cả phổ và hình ảnh màu, bao gồm chuyển dịch Doppler về tần số và biên độ, góc Doppler, phân bố tần số trong không gian mạch máu và biến thiên tín hiệu tạm thời Do tín hiệu Doppler không cung cấp thông tin giải phẫu, người thực hiện cần lý giải và xác định bản chất của tín hiệu trong bối cảnh tổng thể.
Biến thiên tần số Doppler cho phép phát hiện chuyển động của vật khảo sát và sự hiện diện của dòng chảy Dấu hiệu biến thiên tần số (dương hoặc âm) chỉ ra chiều dòng chảy so với đầu dò Hẹp mạch máu thường đi kèm với dịch chuyển Doppler rộng tại nơi hẹp nhất và dòng xoáy sâu Phân tích biến đổi Doppler ở mạch máu ngoại biên giúp dự đoán chính xác mức độ hẹp Hơn nữa, phân tích vận tốc dòng máu theo thời gian cung cấp thông tin về kháng lực của mạng mạch máu xa Siêu âm Doppler hỗ trợ trong việc xác định chiều dòng chảy, đánh giá hẹp hoặc tắc và định tính dòng chảy tới các tạng Chỉ số Doppler như tỷ số tâm thu/tâm trương cung cấp thông tin về kháng lực của mạng mạch ngoại biên, có thể được sử dụng để đánh giá độ tưới máu thận ghép và các tạng khác Các chỉ số này rất quan trọng trong việc phát hiện tình trạng thải ghép sớm và các bệnh lý ác tính, nhưng cần lưu ý rằng đo đạc còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác như nhịp tim, huyết áp và độ đàn hồi của thành mạch.
Hình ảnh Doppler màu, mặc dù phức tạp hơn hình phổ Doppler đơn giản, lại được ưa chuộng hơn trong việc đánh giá Nó có nhiều ưu điểm so với hình ảnh học duplex Doppler xung, vì dữ liệu thu được từ hình ảnh Doppler màu bao quát hơn vùng khảo sát Để đảm bảo độ nhạy và độ chuyên biệt trong việc phát hiện rối loạn dòng chảy, cần thực hiện nghiên cứu có phương pháp và đặt mẫu ở nhiều vị trí khác nhau Các dụng cụ Doppler màu cho phép đặt mẫu đồng thời tại nhiều nơi, giảm thiểu sai sót trong quá trình khảo sát.
Một số nhận xét khác về kỹ thuật
Trong siêu âm Doppler, nhiều vấn đề và ảnh giả tương tự như trong hình ảnh học mode B, như bóng lưng, có thể xảy ra Việc phát hiện và hiển thị thông tin tần số liên quan đến vật di chuyển tạo ra những nhận xét đặc biệt về kỹ thuật mà các kiểu siêu âm khác không gặp phải Hiểu rõ nguồn gốc của các ảnh giả và ảnh hưởng của chúng đến phân tích số đo dòng chảy là rất quan trọng Các nguồn gốc chính gây ra ảnh giả trong Doppler bao gồm sự thay đổi cường độ của âm khuếch tán theo tỷ lệ lũy thừa bốn của tần số, điều này ảnh hưởng đến việc chọn tần số khảo sát Mặc dù tần số cao cải thiện độ nhạy Doppler, nó cũng làm tăng độ giảm thấu của mô, dẫn đến khả năng xuyên thấu kém hơn Do đó, người ta thường sử dụng đầu dò có tần số từ 3 đến 3,5 MHz để cân nhắc giữa độ nhạy và độ xuyên thấu.
Lọc thành là một quá trình quan trọng trong việc sử dụng dụng cụ Doppler để phát hiện chuyển động của hồng cầu và các cấu trúc lân cận Để loại bỏ các tín hiệu tần số thấp, hầu hết các máy Doppler sử dụng bộ lọc gọi là lọc “thành”, giúp loại bỏ tất cả các tín hiệu thấp hơn một ngưỡng tần số nhất định Mặc dù bộ lọc này hiệu quả trong việc loại trừ nhiễu tần số thấp, nhưng nó cũng có thể loại bỏ các tín hiệu từ dòng máu có vận tốc thấp, điều này có thể dẫn đến những sai lệch nghiêm trọng trong kết quả lý giải Việc không phát hiện được dòng tĩnh mạch vận tốc thấp hoặc không hiển thị các dòng tâm trương có vận tốc thấp có thể làm sai lệch các chỉ số Doppler như chỉ số tâm thu/tâm trương hoặc chỉ số kháng Do đó, cần lựa chọn bộ lọc ở mức thấp nhất, thường trong khoảng 50 đến 100 Hz, để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.
Xóa cửa sổ phổ tương ứng với sự hiện diện của một dải rộng các vận tốc dòng tại một điểm trong chu kỳ xung, là tiêu chuẩn quan trọng của hẹp mạch khít Gain hệ thống quá cao hoặc biến đổi dải động hiển thị theo thang xám của phổ Doppler có thể gợi ý mở rộng phổ Ngược lại, việc điều chỉnh gain không đúng có thể dẫn đến mất hiện tượng phổ rộng, gây ra chẩn đoán sai Mở rộng phổ cũng có thể xảy ra khi chọn thể tích mẫu quá rộng hoặc đặt thể tích mẫu quá gần với thành mạch, nơi có dòng chảy với tốc độ thấp.
Vượt ngưỡng (aliasing) là hiện tượng xảy ra khi có sự mơ hồ trong đo đạc các biến thiên tần số cao, dẫn đến việc tạo ra những ảnh giả Để đảm bảo các mẫu từ độ sâu chọn sẵn trong hệ thống Doppler xung, cần chờ phản âm từ vùng khảo sát trước khi phát ra xung tiếp theo, điều này giới hạn khả năng xử lý xung với tần số lặp lại thấp (PRF) ở độ sâu lớn PRF cũng ảnh hưởng đến độ rõ ràng tại độ sâu tối đa; nếu PRF nhỏ hơn hai lần biến thiên tần số tối đa từ vật di chuyển (giới hạn Nyquist), hiện tượng aliasing sẽ xảy ra Khi PRF không đủ, những biến thiên tần số thấp hơn thực tế sẽ được hiển thị, đặc biệt khi cần PRF nhỏ để khảo sát các mạch sâu trong khi có vận tốc dòng cao.
Góc Doppler Khi đo Doppler, cần điều chỉnh lại góc Doppler và hiển thị các số đo vận tốc.
Các số đo liên quan đến tốc độ ước lượng bằng Doppler không phụ thuộc vào tần số Doppler Độ chính xác của các phép đo này phụ thuộc vào việc đo góc Doppler, đặc biệt quan trọng khi góc này vượt quá 60 độ Để đảm bảo độ chính xác cao, nên giữ góc Doppler ở mức 60 độ hoặc thấp hơn, vì sự thay đổi nhỏ ở góc trên 60 độ có thể dẫn đến sai số lớn trong tốc độ đo được.
Kích thước thể tích mẫu trong hệ thống Doppler xung được kiểm soát bởi người thực hiện, trong khi độ rộng của nó phụ thuộc vào tính chất của chùm sóng Để phân tích tín hiệu Doppler hiệu quả, việc điều chỉnh chính xác thể tích mẫu là cần thiết nhằm giảm thiểu tối đa nhiễu không mong muốn từ thành mạch.
Các kiểu hoạt động: Ứng dụng lâm sàng
Các máy siêu âm hoạt động với nhiều kiểu khác nhau như thời gian thực, Doppler màu, Doppler phổ và hình ảnh học mode M, với hình ảnh phụ thuộc vào kiểu hoạt động Khi quét, các xung siêu âm từ đầu dò tạo ra hình ảnh bằng cách di chuyển và thay đổi hướng quét, dẫn đến việc năng lượng và số lượng xung đến một điểm trong cơ thể bệnh nhân là tương đối nhỏ Hình ảnh học Doppler phổ không sử dụng phương pháp quét, mà phát ra nhiều xung siêu âm dọc theo một đường thẳng để thu thập dữ liệu, dẫn đến việc chùm sóng cố định có thể gây nóng đáng kể Thời gian xung và tần số PRF trong Doppler dài hơn so với các kiểu hình ảnh khác, và để tránh aliasing, thường cần sử dụng PRF cao hơn Việc sử dụng thời gian xung dài và PRF cao làm tăng năng lượng cần thiết để quét Doppler màu nằm giữa hình ảnh học thời gian thực và Doppler phổ, sử dụng xung dài hơn Người thực hiện cần hiểu rằng việc chuyển từ chế độ hình ảnh sang chế độ Doppler sẽ thay đổi điều kiện khảo sát và có thể ảnh hưởng đến hiệu quả sinh học.
Các máy siêu âm hiện nay thường có tác dụng sinh học nhỏ do không sử dụng cường độ gây nhiệt, nhưng siêu âm Doppler có thể tạo ra hiệu ứng nhiệt lớn hơn Kiểm tra ban đầu cho thấy nhiệt độ có thể tăng 1°C tại giao diện mô mềm/xương nếu giữ nguyên vùng hội tụ Do đó, cần thận trọng khi khảo sát Doppler gần giao diện mô mềm/xương, đặc biệt đối với sản phụ trong tam cá nguyệt thứ hai và thứ ba Trong các ứng dụng này, nguyên tắc ALARA (as low as reasonably achievable) phải được tuân thủ, và người thực hiện nên sử dụng các yếu tố âm thấp nhất có thể để thu thập dữ liệu chẩn đoán.
7 Có cần quan tâm tới tác dụng sinh học?
Mặc dù bác sĩ cần hiểu rõ các tác dụng sinh học của siêu âm, nhưng yếu tố quan trọng hơn là kỹ năng và kiến thức của người thực hiện, ảnh hưởng đến tỷ lệ nguy cơ-lợi ích trong các tình huống lâm sàng Việc nhấn mạnh quá mức vào nguy cơ có thể dẫn đến việc không chỉ định siêu âm, khiến bệnh nhân phải trải qua các phương pháp khảo sát khác có thể gây hại hơn Sự khéo léo và kinh nghiệm trong giải thích kết quả siêu âm còn quan trọng hơn cả tác dụng sinh học, vì việc bỏ sót các bất thường như thai ngoài tử cung có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng Do đó, hiểu biết về tác dụng sinh học là thiết yếu để đảm bảo việc sử dụng siêu âm một cách an toàn và hiệu quả Người thực hiện cần nắm rõ các nguy cơ tiềm tàng và lợi ích của siêu âm để điều chỉnh các thông số khảo sát, áp dụng nguyên tắc ALARA nhằm giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân trong khi vẫn đạt được mục tiêu chẩn đoán.