Cơ sở vật lý siêu âm- Nguyên lý siêu âm Doppler

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

343
lượt xem 44
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 nhà toán học người Áo Christian Johann Doppler(1803-1853), lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động: Khi ngôi sao tiến lại gần quả đất thì ánh sáng của nó sẽ chuyển thành màu xanh(tức là bước sóng giảm và tần số của sóng ánh sáng tăng lên).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cơ sở vật lý siêu âm- Nguyên lý siêu âm Doppler

Cơ sở vật lý siêu âm- Nguyên lý siêu âm Doppler Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 nhà toán học người Áo Christian Johann Doppler(1803-1853), lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động: Khi ngôi sao tiến lại gần quả đất thì ánh sáng của nó sẽ chuyển thành màu xanh(tức là bước sóng giảm và tần số của sóng ánh sáng tăng lên). Ngược lại, khi ngôi sao đi xa quả đất thì ánh sáng của nó chuyển thành màu đỏ(tức là bước sóng tăng lên và tần số giảm xuống). Hiệu ứng được phát biểu như sau: - Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát. - Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng(thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng λ sẽ dài ra trong trường hợp ra xa nhau. - Hiệu ứng Doppler đúng với tất cả các loại sóng và do đó đúng với cả sóng siêu âm. Trong đời sống hàng ngày chúng ta có thể quan sát hiệu ứng Doppler như tiếng còi
của xe cứu thương khi chạy tiesn về phía ta thì nghe âm sắc cao hơn còn khi xe chạy ra xa thì nghe âm sắc thấp hơn Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động như các tế bào hồng cầu, thành mạch, cơ co… khi đó tần số của sóng phản hồi sẽ khác với tần số của sóng tới, và hiệu của hai tần số gọi là độ lệch Doppler hay tần số Doppler. Năm 1959, Satomura (Nhật) lần đầu tiên ứng dụng hiệu ứng Doppler vào Y học nhằm khảo sát tim-mạch. Sau đó Pourcelot (Pháp) và Franklin (Mỹ) phát triển tiếp kỹthuật này. Khác với siêu âm B-mode, máy không xử lý tín hiệu sóng phản hồi thành hình ảnh,m à chỉ ghi nhận sự thay đổi tần số do hiệu ứng Doppler xảy ra khi chùm sóng siêu âm phát ra gặp các hồng cầu chuyển động trong mạch máu đang tiến lại gần đầu dò hoặc đi xa đầu dò. 2. Công thức Doppler: Sóng âm gồm có hai thành phần: tần số(frequency)và biên độ(amplitude). - Tần số(f) sóng âm liên quan đến độ dài bước sóng (wavelength) λ theo công thức: f = v(velocity)/λ - Vận tốc sóng âm đi qua hầu hết các mô trong cơ thể với vận tốc 1.540m/giây. Do
vậy khi thay đổi độ dài bước sóng thìtần số sóng âm cũng thay đổi. - Biên độ biểu hiện cường độ của sóng âm. Sóng âm được truyền đi (transmitted-T) từ một đầu dò Doppler xung với một tần số hoặc bước sóng cố định. Tần số của sóng âm sẽ không thay đổi nếu như các cấu trúc mà nó gặp trên đường đi không chuyển động. Chuyển động của các tế bào máu làm thay đổi tần số của sóng phản hồi trở về (reflected-R) đầu dò. Nếu chuyển động của dòng máu hướng về đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ tăng lên và bước sóng ngắn lại. Ngược lại, nếu dòng máu chuyển động xa đầu dò thì tần số sóng phản hồi sẽ giảm và độ dài bước sóng tăng.
Do vậy tần số của sóng truyền đi và trở về khác nhau, chúng sẽ lệch pha với nhau. Hiệu số của hai tần sốnày chính là tần số Doppler (ΔF ). -ΔF: tần sốDoppler. -Fo: tần sốcủa sóng phát đi. -Fr: tần sốcủa sóng phản hồi. -v: vận tốc của dòng máu. -c : tốc độcủa sóng âm truyền trong cơ thể(#1540m/s). -α: góc giữa chùm tia siêu âm vàmạch máu.
Từ công thức trên ta rút ra: -Tần số Doppler ΔF tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy. -ΔF cótrịsốlớn nhất khi chùm tia song song với dòng chảy (cos α=1). Khi chùm tia vuông góc với dòng chảy thì sẽ không cótín hiệu Doppler (cos α= 0). -Với đầu dò phát với tần số2-8MHz thìΔF thu được nằm trong phạm vi tần số mà tai người nghe được(50Hz-15KHz). -Vận tốc dòng chảy được tính theo công thức:
3. Các hệ thống Doppler Có 2 kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm: Sóng liên tục(Continuous wave-cw) và xung(Pulsed wave-pw) 3.1 Doppler liên tục (continuous wave-CW): Người ta sử dụng đầu dò với 2 tinh thể làm 2 nhiệm vụ khác nhau: một làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục, một làm nhiệm vụ thu liên tục. - Ưu điểm: Doppler liên tục đo được vận tốc dòng máu rất lớn (mà điều này thường thấy trong tình trạng bệnh lý). - Nhược điểm: Nó không ghi được tốc độtại 1 điểm xác định mànóchỉ ghi được tốc độtrung bình của nhiều điểm chuyển động màchùm sóng âm phát ra gặp trên đường đi của nó. Đầu dò thu và nhận liên tục
Khi chùm sóng âm xuyên qua hai mạch máu cạnh nhau (hai động mạch hoặc một động mạch vàmột tĩnh mạch) thìtốc độ ghi được làtốc độtrung bình của các tốc độởhai mạch máu. 3.2 Doppler xung: Phát sóng dạng xung được dùng trong Doppler xung (pulsed wave-PW)với đầu dò có một tinh thể vừa có chức năng phát và nhận sóng phản hồi. Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò, song chỉ những xung phản hồi tại vị trí lẫy mẫu(hay còn gọi là cổng-gate) là được ghi nhận và xử lý. Kích thước và độ sâu ùng lấy mẫu có thể thay đổi được. Nhờ đó kỹ thuật pw-Doppler cho phép ghi nhận phân biệt tín hiệu doppler tại các độ sâu khác nhau. Ứng với mỗi vị trí lẫy mẫu được chọn, khoảng thời gian T cho xung đi và về xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa 2 chuỗi xung. Do vậy độ lặp lại của các chuỗi xung phát PRF(Pulse Repetition Frequency) không thể lựa chọn lớn hơn 1/T. PRF ≤ 1/T Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng của tần số Doppler ∆f, pw Doppler có thể nhận biết được vị trí của dòng chảy song lại có một nhược điểm là bị hạn chế trong việc đo các dòng có vận tốc cao- do xuất hiện hiệu ứng loạn sắc- aliasing Sự kết hợp pw-Doppler và hình ảnh siêu âm 2 chiều là khả thi, hình siêu âm 2 chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học và để đặt vị trí và kích thích mẫu
lấy, còn pw-Doppler cung cấp thông tin về dòng chảy là phần chuyển động hiện diện trong cấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để bổ sung thông tin lẫn nhau này gọi là Duplex sonography. Như thế các thiết bị Duplex scanner cho phép biết được hướng dòng chảy so với chùm tia siêu âm và góc hợp bởi trục chùm tia và hướng dòng chảy, từ đó tính được tốc độ dòng chảy. 3.2.1 Các hệ thống Doppler Duplex sonography Sự kết hợp hình ảnh siêu âm hai chiều(cung cấp thông tin vềcấu trúc giải phẫu, vị trí đặt cửa sổ, góc α) và Doppler xung(cung cấp thông tin về dòng chảy) được gọi là Duplex sonography. .2.2 Tín hiệu Doppler xung: Tín hiệu Doppler thu nhận được thể hiện dưới dạng âm thanh, dạng phổ và hình ảnh. * Dưới dạng âm thanh: ta có thể phân biệt được dòng chảy êm dịu, liên tục của tĩnh mạch; dòng chảy phụt gọn, cách khoảng của động mạch; dòng chảy phụt kéo dài, thô ráp của động mạch bị hẹp. * Phổ Doppler gồm có 3 thành phần: - Thời gian (time): được mô tả theo trục X. - Tần số(frequency): được mô tả theo trục Y. - Biên độ(amplitude): được mô tả bằng độ sáng (brightness) của phổ.
Ta phóng đại một phổ Doppler để phân tích: –Hộp xanh chỉ một điểm thời gian trong chu kỳtim. –Những hộp màu vàng biểu hiện độ lớn của các tần sốriêng biệt. Vào một thời điểm xác định (hộp hồng) các tín hiệu Doppler cótần sốkhác nhau được biểu hiện bằng những vịtríkhác nhau trên phổDoppler (các mũi tên).
Sự khác nhau về biên độ biểu hiện bằng độ sáng trên thang độ xám. Với cùng một tần số, biên độ sóng càng cao thì phổ càng sáng. Theo qui ước, khi dòng máu đi về phía đầu dò thì ta có phổ dương (phía trên trục X); ngược lại, khi dòng máu đi xa đầu dò thì ta có phổ âm (phía dưới trục X).
Để hiểu được các dòng chảy ta cần phải phân biệt dòng chảy lớp (laminar flow) vàdòng chảy cuộn xoáy (turbulent flow). - Dòng chảy lớp thấy được ở các mạch máu cóvách song song và nhẵn (smooth), nhờ vậy các hồng cầu ở cùng một vùng sẽ chuyển động với cùng một vận tốc vàcùng hướng.