Khóa luận tốt nghiệp: Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài này sẽ nghiên cứu về phương pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp giúp cho chất lượng ảnh cải thiện đáng kể so với phương pháp DBIM thông thường. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp: Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ *** LƢU HOÀNG ANH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội, 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ *** LƢU HOÀNG ANH ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG TẠO ẢNH SIÊU ÂM CẮT LỚP Chuyên ngành: Vật lý kĩ thuật KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Th.S Trần Quang Huy Hà Nội, 2018
LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Trần Quang Huy, Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2, thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này. Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 nói chung và các thầy, các cô trong khoa Vật Lý nói riêng đã dạy dỗ tôi trong suốt bốn năm học và cung cấp cho tôi từ những kiến thức cơ bản đến kiến thức chuyên sâu, cũng nhƣ kĩ năng thực hành, thực nghiệm và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt khóa luận của mình. Qua đây, tôi cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những ngƣời thân đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình làm khóa luận. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực hiện Lƣu Hoàng Anh
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan khóa luận này do tôi tự tìm hiểu và nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn của Th.S Trần Quang Huy. Đề tài này không trùng với kết quả của bất kì khóa luận nào trƣớc đây. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực hiện Lƣu Hoàng Anh
MỤC LỤC PHẦN 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài. ....................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu. ................................................................................. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................. 2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. ...............................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu. ..................................................................................2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. ................................................................................ 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu. ........................................................................... 2 6. Cấu trúc khóa luận ...................................................................................... 2 PHẦN 2 : NỘI DUNG.................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 3 1.1. Tổng quan về chẩn đoán hình ảnh ........................................................... 3 1.1.1.Chụp ảnh cắt lớp ......................................................................................3 1.1.2.Chụp cộng hƣởng từ ................................................................................7 1.1.3 Chụp siêu âm............................................................................................9 1.2. Siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc ................................................... 17 CHƢƠNG 2. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRẢI RỘNG PHỔ TRONG SIÊU ÂM CẮT LỚP .............................................................................................. 20 2.1. Lặp vi phân born (DBIM)...................................................................... 20 2.2. Kỹ thuật trải rộng phổ............................................................................ 23
CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................. 27 3.1. Tham số mô phỏng. ............................................................................... 27 3.2. Kết quả mô phỏng.................................................................................. 27 PHẦN 3 : KẾT LUẬN CHUNG .................................................................. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ảnh chụp cắt lớp CT sọ não ............................................................. 5 Hình 1.2: Ảnh chụp công hƣởng từ (sọ não) .................................................... 7 Hình 1.3: Đầu dò siêu âm ............................................................................... 10 Cấu hình hệ đo ............................................................................... 19 Hình 2.2: Tạo ảnh MRI: Lỗi chuẩn hóa theo tỉ số nén khi không sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ (đƣờng màu xanh) và khi sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ (đƣờng màu đen) [3]........................................................................ 23 Hình 3.1. Cấu hình đo hệ thống tạo ảnh ......................................................... 26 Hình 3.2. Hàm mục tiêu lý tƣởng ................................................................... 27 Hình 3.3. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 1 vòng lặp ......... 27 Hình 3.4. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 2 vòng lặp ......... 28 Hình 3.5. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 3 vòng lặp ......... 28 Hình 3.6. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 4 vòng lặp ......... 29 Hình 3.7. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp DBIM sau 5 vòng lặp ......... 29 Hình 3.8. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 1 vòng lặp .. 30 Hình 3.9. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 2 vòng lặp .. 30 Hình 3.10. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 3 vòng lặp 31 Hình 3.11. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 4 vòng lặp 31 Hình 3.12. Ảnh khôi phục sử dụng phƣơng pháp CE-DBIM sau 5 vòng lặp 32 Hình 3.13. So sánh lỗi chuẩn hóa giữa phƣơng pháp DBIM và CE-DBIM ... 33
PHẦN 1. MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Trong y học, chẩn đoán hình ảnh là một phƣơng pháp chẩn đoán cho phép các bác sĩ có thể quan sát bằng hình ảnh các bộ phận của cơ thể một cách trực quan nhất, từ đó đƣa ra các chẩn đoán chính xác của bệnh lý để có biện pháp điều trị hiệu quả. Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các phƣơng tiện chẩn đoán hình ảnh không ngừng đƣợc cải tiến nhằm nâng cao độ chính xác, tính hữu ích và ngày càng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống y học. Đặc biệt, trong bối cảnh sự bùng nổ các căn bệnh ung thƣ, chẩn đoán hình ảnh đƣợc sử dụng nhƣ một phƣơng pháp phát hiện sớm bệnh ung thƣ. Một số phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến là: chụp X - quang, chụp cắt lớp (CT), chụp cộng hƣởng từ (MRI), siêu âm… Thời gian gần đây, siêu âm trở thành một phƣơng pháp đang đƣợc áp dụng rộng rãi với ƣu điểm nổi trội là thực hiện đơn giản, giá thành rẻ, không độc hại; tuy nhiên phƣơng pháp tạo ảnh truyền thống nhƣ B-mode vẫn còn tồn tại nhƣợc điểm về chất lƣợng ảnh, ảnh sau khi đƣợc tái tạo chƣa rõ nét đƣợc, ảnh hƣởng đến chất lƣợng, gây khó khăn cho việc chẩn đoán bệnh. Do đó, phƣơng pháp tạo ảnh cắt lớp bắt đầu đƣợc quan tâm do đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng và độ chính xác, nhƣng phƣơng pháp này chƣa có nhiều ứng dụng trong thƣơng mại do còn gặp một số khuyết điểm trong đó phải kể đến chất lƣợng và tốc độ tính toán. Tạo ảnh siêu âm cắt lớp sử dụng tán xạ ngƣợc dựa trên hai nguyên lý hoạt động là lặp Born (Born Iterative Method - BIM) và lặp vi phân Born (Distorted Born Iterative Method - DBIM), đây là hai phƣơng pháp đƣợc cho là tốt nhất hiện nay cho tạo ảnh tán xạ. Trong đó, lặp vi phân Born có ƣu điểm là tốc độ hội tụ nhanh và là phƣơng pháp tác giả lựa chọn để cải tiến. Luận văn này đề xuất phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ để cải tiến phƣơng pháp DBIM truyền thống (có thể áp dụng đƣợc cả với BIM) giúp cho ảnh tạo đƣợc có chất lƣợng tốt hơn hẳn phƣơng pháp ban đầu, cùng với lỗi chuẩn hóa giảm thiểu đáng kể khi tỉ số nén tăng 1
dần, đặc biệt khi tỉ số nén càng lớn thì lỗi chuẩn hóa càng giảm. Với những kết quả thu đƣợc qua những thực nghiệm mô phỏng đã chứng minh phƣơng pháp đề xuất cho kết quả tốt, chất lƣợng ảnh đƣợc cải thiện đáng kể khi sử dụng kỹ thuật trải rộng phổ. Xuất phát từ điều đó tôi đã chọn đề tài “Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp” . 2. Mục đích nghiên cứu. Đề tài này sẽ nghiên cứu về phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật kích thích trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp giúp cho chất lƣợng ảnh cải thiện đáng kể so với phƣơng pháp DBIM thông thƣờng. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu. Mô hình tạo ảnh siêu âm cắt lớp, mô hình CE-DBIM. 3.2. Phạm vi nghiên cứu. Lĩnh vực tạo ảnh siêu âm cắt lớp ứng dụng trong chẩn đoán y khoa. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu. - Nghiên cứu kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp. - So sánh kỹ thuật trải rộng phổ trong tạo ảnh siêu âm cắt lớp với phƣơng pháp DBIM thông thƣờng. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu. - Lí thuyết kết hợp với mô phỏng. 6. Cấu trúc khóa luận Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung - Chƣơng 1: Tổng quan - Chƣơng 2 : Ứng dụng kỹ thuật trải rộng phổ trong siêu âm cắt lớp - Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 2
PHẦN 2 : NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về chẩn đoán hình ảnh. Chẩn đoán hình ảnh hay chẩn đoán bệnh thông qua hình ảnh là phƣơng pháp quan trọng giúp cho bác sĩ và ngƣời bệnh hiểu rõ về hình thái, chức năng, cấu tạo sinh lý của cơ thể, để từ đó đƣa ra những phƣơng án phòng ngừa và điều trị bệnh một cách hiệu quả nhất. Một số phƣơng pháp chẩn đoán hình ảnh phổ biến hiện nay nhƣ: X - quang, chụp cắt lớp - CT (Computed Tomography), cộng hƣởng từ - MRI (Magnetic Resonance Imaging), siêu âm (Ultrasound),… 1.1.1. Chụp ảnh cắt lớp. CT là từ viết tắt của Computed Tomography có nghĩa là “chụp ảnh các lát cắt bằng tính toán”, CT có khả năng tạo hình ảnh “xuyên qua” cơ thể bệnh nhân. CT còn có tên gọi khác là CAT (Computed axial tomography). Lịch sử Chụp cắt lớp vi tính (CLVT) hay còn gọi là chụp CT scanner (CT), là kỹ thuật đƣợc phát minh bởi nhà vật lý ngƣời Anh Godfrey Hounsfield và bác sĩ Allan Cormack vào năm 1972. Vào năm 1979, Hounsfied và Cormack đƣợc nhận giải Nobel vật lý nhờ những ứng dụng của CT trong y học và khoa học. Máy CT đầu tiên đƣợc đƣa vào ứng dụng trong lâm sàng vào năm 1974-1976, lúc này máy CT chỉ đƣợc dùng để chụp sọ não, thời gian chụp một lát cắt mất vài giờ. Từ những năm 80 trở về sau, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn trong lâm sàng, đƣợc áp dụng cho tất cả các bộ phận trong cơ thể, thời gian chụp nhanh hơn và chất lƣợng hình ảnh cao hơn. Các thế hệ máy CT không ngừng đƣợc cải tiến, từ máy một lát cắt, đến thế hệ máy chụp xoắn ốc (Spiral CT) đến thế hệ máy đa lát cắt (2, 4, 6….320, 640 lát cắt) 3
và máy chụp CT năng lƣợng kép (Dual-CT). Hiện nay, trên thế giới có trên 30.000 máy CT đƣợc lắp đặt. Ứng dụng Ngày nay, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi trên lâm sàng để phát hiện bệnh lý từ sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực, bụng, chậu, xƣơng, mô mềm cho đến bệnh lý mạch máu não, cổ, mạch máu chi và các mạch máu tạng khác. CT còn đƣợc dùng để hƣớng dẫn phẫu thuật, xạ trị, theo dõi sau phẫu thuật. Kỹ thuật 3D-CT cho phép đánh giá chính xác vị trí tổn thƣơng trong không gian 3 chiều, từ đó định hƣớng tốt cho phẫu thuật cũng nhƣ xạ trị. Kỹ thuật này còn dùng để tái tạo 3D trong các bệnh lý bất thƣờng bẩm sinh, giúp cho các nhà phẫu thuật tạo hình chỉnh sửa tốt hơn các dị tật bẩm sinh. Sơ lƣợc về nguyên lý Khi chụp X - quang, bệnh nhân đứng giữa một máy phát tia X và một tấm phim. Tia X có bản chất giống với ánh sáng - cùng là sóng điện từ, nhƣng có bƣớc sóng rất nhỏ, năng lƣợng lớn nên có khả năng đâm xuyên rất mạnh. Khi tia X đi qua cơ thể ngƣời, nó sẽ bị các cơ quan trong cơ thể hấp thụ một phần. Năng lƣợng tia X giảm tuân theo định luật Beer : I = I0 exp(-μx), (1.1) Trong đó: I0 , I là năng lƣợng tia X tới và sau khi đi qua vật hấp thu; μ là hệ số suy giảm tuyến tính của vật liệu, đặc trƣng cho khả năng làm suy giảm năng lƣợng tia X của vật chất và x là chiều dày của vật hấp thu tia X. Các bộ phận khác nhau trong cơ thể hấp thụ tia X khác nhau . Vì vậy, chùm tia X khi đi ra khỏi cơ thể sẽ gồm các tia có năng lƣợng khác nhau, mức độ tác động lên phim khác nhau nên trên phim sẽ có các vùng sáng tối mô tả các cơ quan bên trong cơ thể ngƣời chụp. 4
CT cũng dùng tia X nhƣng có nhiều điểm khác biệt và phức tạp hơn chụp X - quang thông thƣờng. Một chùm tia X đƣợc sử dụng “cắt” ngang qua cơ thể ngƣời chụp. Ở phía bên kia, thay vì đặt một tấm phim, ngƣời ta dùng các máy thu để ghi lại tín hiệu này. Tia X và máy thu sẽ quay xung quanh ngƣời chụp nhƣng quỹ đạo quay vẫn nằm trên một mặt phẳng để lấy dữ liệu thô (raw data) về lát cắt này. Dữ liệu thô sau đó đƣợc tính toán và biến đổi bằng toán học để chuyển thành dữ liệu hình ảnh cho ta quan sát. Hiện nay, hầu hết các máy CT đều có phần mềm tái tạo hình ảnh 3D từ các lát cắt. Các phần mềm này cho phép bác sỹ quan sát các cơ quan bên trong cơ thể theo mọi hƣớng, có thể cắt lại trên nhiều hƣớng khác nhau [1]. Ƣu điểm và nhƣợc điểm Ngày nay, CT đƣợc ứng dụng rộng rãi trong khám lâm sàng để phát hiện bệnh lý từ sọ não, đầu mặt cổ, tim, ngực, bụng, chậu, xƣơng, mô mềm cho đến bệnh lý mạch máu não, cổ, mạch máu chi và các mạch máu tạng khác. CT còn đƣợc dùng để hƣớng dẫn phẫu thuật, xạ trị và theo dõi sau phẫu thuật. Kỹ thuật 3D-CT cho phép đánh giá chính xác vị trí tổn thƣơng trong không gian 3 chiều, từ đó định hƣớng tốt cho phẫu thuật cũng nhƣ xạ trị . Hình 1.1: Ảnh chụp cắt lớp CT sọ não 5
* Các ƣu điểm của kỹ thuật CT là: - Hình ảnh rõ nét do không có hiện tƣợng nhiều hình chồng lên nhau. - Khả năng phân giải những hình ảnh mô mềm cao hơn nhiều so với X - quang. - Thời gian chụp nhanh, cần thiết trong khảo sát, đánh giá các bệnh cấp cứu và khảo sát các bộ phận di động trong cơ thể (phổi, tim, gan, ruột…). - Độ phân giải không gian đối với xƣơng cao nên rất tốt để khảo sát các bệnh lý xƣơng. - Kỹ thuật dùng tia X, nên có thể dùng để chụp cho những bệnh nhân có chống chỉ định chụp cộng hƣởng từ (Đặt máy tạo nhịp, van tim kim loại, máy trợ thính cố định, di vật kim loại…). * Kỹ thuật CT cũng tồn tại những nhƣợc điểm, cụ thể là: - Do khả năng đâm xuyên mạnh của tia X nên CT khó phát hiện các tổn thƣơng phần mềm hơn là MRI. - CT khó phát hiện đƣợc các tổn thƣơng sụn khớp, dây chằng và tổn thƣơng tủy sống. - Những cơ quan và tổn thƣơng có cùng độ đậm thì khó phát hiện và khó phân biệt trên CT. - Độ phân giải hình ảnh của CT thấp hơn MRI, nhất là các cấu trúc mô mềm, vì vậy CT khó phát hiện các tổn thƣơng có kích thƣớc nhỏ. - CT là kỹ thuật dùng tia X và gây nhiễm xạ. Mức độ nhiễm xạ mỗi lần chụp đều nằm trong giới hạn cho phép. 1.1.2. Chụp cộng hƣởng từ. Chụp cộng hƣởng từ (MRI) là một phƣơng pháp thu hình ảnh của các cơ quan trong cơ thể sống và quan sát lƣợng nƣớc bên trong các cấu trúc của các cơ quan. 6
Ảnh của các mô mềm trong cơ thể tạo ra từ cộng hƣởng từ rõ nét hơn so với ảnh từ các phƣơng pháp khác. Nguyên lý Dựa vào nguyên tắc cấu tạo của nguyên tử và các mômen tạo ra từ electron và proton. Cơ thể con ngƣời cấu tạo chủ yếu từ nƣớc (60-70%) mà trong thành phần của phân tử nƣớc luôn có nguyên tử hydro. Về mặt từ tính, nguyên tử hydro là một nguyên tử đặc biệt, hạt nhân chỉ chứa 1 proton, do đó, nó có một mômen từ lớn. Từ điều này dẫn tới một hệ quả là: nếu ta dựa vào hoạt động từ của các nguyên tử hydro để ghi nhận sự phân bố nƣớc khác nhau của các mô trong cơ thể thì chúng ta có thể ghi hình và phân biệt đƣợc các mô đó. Mặt khác, trong cùng một cơ quan, các tổn thƣơng bệnh lý dẫn đến sự thay đổi phân bố nƣớc tại vị trí tổn thƣơng, dẫn đến hoạt động từ tại đó sẽ thay đổi so với mô lành, nên ta cũng sẽ ghi hình đƣợc các thƣơng tổn. Ứng dụng nguyên lý này, MRI sử dụng một từ trƣờng mạnh và một hệ thống phát các xung có tần số vô tuyến để điều khiển hoạt động điện từ của nhân nguyên tử, mà cụ thể là nhân nguyên tử hydro có trong phân tử nƣớc của cơ thể, nhằm bức xạ năng lƣợng dƣới dạng các tín hiệu có tần số vô tuyến. Các tín hiệu này sẽ đƣợc một hệ thống thu nhận và xử lý điện toán để tạo ra hình ảnh của đối tƣợng vừa đƣợc đƣa vào từ trƣờng đó [7]. Hình 1.2: Ảnh chụp công hƣởng từ (sọ não) 7
* Các ƣu điểm của kỹ thuật MRI là: - Bệnh nhân không bị ảnh hƣởng bởi tia xạ. - Bệnh nhân không bị ảnh hƣởng gì về mặt sinh học. - Thu đƣợc hình chụp đa mặt phẳng: coronal, axial, sagittal hay bất kỳ mặt phẳng nghiêng nào. - Độ phân giải mô mềm cao. - Hiển thị đặc điểm mô tốt hơn so với CT. - Chụp đƣợc MRA kể cả khi không dùng chất tƣơng phản. - Là kĩ thuật hình ảnh không xâm lấn. - Chất tƣơng phản tác dụng phụ rất hiếm. * MRI còn tồn tại một số nhƣợc điểm: - Giá thành cao. - Không dùng đƣợc nếu bệnh nhân bị chứng sợ nơi chật hẹp hay đóng kín. - Thời gian chụp lâu: gặp khó khăn nếu bệnh nhân nặng hay không hợp tác. - Vỏ xƣơng và tổn thƣơng có calci khảo sát không tốt bằng XQ, CT. - Thời gian đào tạo chuyên môn dài. - Không thể chụp bệnh nhân với máy tạo nhịp tim, các clip phẫu thuật, mô cấy ở mắt hay tai,… - Không thể mang theo thiết bị hồi sức vào phòng chụp. 1.1.3 Chụp siêu âm. Siêu âm là một loại dao động cơ học đƣợc truyền đi trong một môi trƣờng vật 8
chất nhất định. Năng lƣợng cơ học này tác động vào các phân tử vật chất của môi trƣờng làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, tạo thành sóng lan truyền cho tới khi hết năng lƣợng. Chính vì vậy siêu âm không thể truyền ở môi trƣờng chân không nhƣ các sóng điện từ . Dựa theo tần số, âm thanh đƣợc chia thành 3 loại: (1) Những âm thanh có tần số nhỏ hơn 16 Hz mà tai ngƣời không thể nghe đƣợc là hạ âm; (2) Các sóng âm có dải tần từ 16 Hz đến 20.000 Hz đƣợc gọi là âm nghe đƣợc; (3) Siêu âm là âm thanh có tần số trên 20.000 Hz. Nhƣ vậy về bản chất siêu âm cũng không có gì khác với các dao động cơ học khác và nó cũng đƣợc đặc trƣng bởi một số đại lƣợng vật lý nhƣ: tần số, biên độ, chu kỳ... Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thƣờng đƣợc tính bằng đơn vị đo thời gian (s, ms...). Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất. Tần số (f) là số chu kỳ dao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz. Bƣớc sóng (λ) là độ dài của 1 chu kỳ dao động. Bƣớc sóng thƣờng đƣợc đo bằng đơn vị đo chiều dài nhƣ mm, cm. Tốc độ siêu âm (c) là quãng đƣờng mà chùm tia siêu âm đi đƣợc trong 1 đơn vị thời gian, thƣờng đƣợc đo bằng m/s. Tốc độ siêu âm không phụ thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trƣờng truyền âm. Những môi trƣờng có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngƣợc lại những môi trƣờng có mật độ phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ. Ví dụ xƣơng từ 2700 - 4100 m/s; tổ chức mỡ 1460 - 1470 m/s; gan 1540 - 1580 m/s; phổi 650 - 1160 m/s; cơ 1545 - 1630m/s; nƣớc 1480m/s... Trong siêu âm chẩn đoán, ngƣời ta thƣờng lấy giá trị trung bình của tốc độ siêu âm trong cơ thể là 1540m/s. Giữa tốc độ truyền âm, bƣớc sóng và tần số có mối liên hệ qua phƣơng trình sau : c = λ. f (1.2) Năng lƣợng siêu âm (P) biểu thị mức năng lƣợng mà chùm tia siêu âm truyền vào cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm chẩn đoán để đảm 9
bảo an toàn, các máy thƣờng phát với mức năng lƣợng thấp vào khoảng 1MW đến 10MW. Tuy nhiên, trong các kiểu siêu âm thì siêu âm Doppler thƣờng có mức năng lƣợng cao hơn. Ở các máy siêu âm hiện đại, ngƣời sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lƣợng để nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ em [6]. Nguyên lý cấu tạo máy siêu âm Máy siêu âm đƣợc cấu thành từ 2 bộ phận chính đó là đầu dò và bộ phận xử lý trung tâm và một số bộ phận hỗ trợ. Đầu dò siêu âm Hình 1.3: Đầu dò siêu âm Đầu dò (Transducer - Probe): làm nhiệm vụ vừa phát vừa thu sóng âm phản hồi. Nó bao gồm một hoặc nhiều miếng gốm áp điện (piezo-eletric), khi có dòng điện xoay chiều tần số cao kích thích vào miếng gốm này làm cho nó co giãn và phát ra xung siêu âm. Ngƣợc lại khi miếng áp điện rung lên do sóng siêu âm dội trở về sẽ tạo ra một xung động. Sóng siêu âm lan truyền vào các mô trong cơ thể, gặp các mặt phẳng sẽ gặp các sóng âm dội trở về. Mỗi âm dội mà đầu dò thu nhận đƣợc sẽ chuyển thành tín hiệu điện, từ tín hiệu này sẽ đƣợc xử lý và chuyển thành tín hiệu trên màn hình, và tất cả chùm sóng âm quét tạo nên hình ảnh siêu âm. Tùy vào chức năng và tần số khảo sát, hãng sản xuất, các loại đầy dò có hình dạng và kích thƣớc 10
khác nhau. Các đầu dò quét đƣợc nhờ một hệ thống cơ khí hay điện tử, với chùm thăm dò theo hình chữ nhật hay rẽ quạt. - Đầu dò quét cơ học: Trong đầu dò có bộ chuyển động đƣợc gắn với tinh thể gốm áp điện hoặc một tấm gƣơng phản âm. Chức năng của bộ này giống nhƣ một bộ đèn pha quét ánh sáng chùm đơn, chuyển động nhờ một bánh xe hoặc một chuyển động kế. Các dao động sóng sẽ phản chiếu nhờ tấm gƣơng. - Đầu dò quét điện tử: Các tinh thể gốm áp điện đƣợc xếp thành một dãy theo chiều ngang (tuyến tính), đƣợc mở ra một cửa sổ (aperture) nhỏ lớn phụ thuộc vào số lƣợng tinh thể, chiều rộng của chùm sóng âm khi phát ra. Một số loại đầu dò phổ biến nhƣ đầu dò Convex (dò tổng quát), đầu dò Linear (khảo sát phần nông), đầu dò tim (khảo sát tim mạch), đầu dò âm đạo (sản phụ khoa)… Đa số các siêu âm đƣợc thực hiện với đầu dò bên ngoài da, một số loại siêu âm thực hiện bên trong cơ thể (invasive ultrasound). Trong trƣờng hợp này,đầu dò đƣợc gắn vào một que đo và đƣợc đƣa vào bên trong bằng các con đƣờng mở tự nhiên. Một số siêu âm thuộc loại này bao gồm : + Transesophageal echocardiogram (siêu âm tim qua thực quản): đầu dò đƣợc đƣa vào bên trong thực quản để thu các hình ảnh của tim. + Transrectal ultrasound (siêu âm qua trực tràng): đầu dò đƣợc đƣa vào bên trong hậu môn để quan sát trực tràng, tuyến tiền liệt. + Transvaginal ultrasound (siêu âm qua âm đạo): đầu dò đƣợc đƣa vào bên trong âm đạo để quan sát tử cung và buồng trứng. Bộ phận xử lý tín hiệu và thông tin. Tín hiệu siêu âm phản hồi từ cơ thể đƣợc đầu dò thu nhận, sau đó biến thành dòng điện. Dòng điện này mang theo thông tin về độ chênh lệnh trở kháng giữa các cấu trúc mà chùm tia siêu âm đã xuyên qua (khi độ chênh lệch trở kháng giữa hai cấu trúc càng lớn, năng lƣợng của chùm tia siêu âm phản xạ càng cao, sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều càng lớn) và thông tin về khoảng cách từ cấu trúc phản xạ siêu âm đến đầu dò. Khoảng cách này đƣợc tính bằng công thức: 11
ct D (1.3) 2 Trong đó: D là khoảng cách, c là tốc độ siêu âm trong cơ thể, t là thời gian từ khi phát xung đến khi nhận xung. Những tín hiệu này sau khi xử lý tuỳ theo kiểu siêu âm mà cho ta các thông tin khác nhau về cấu trúc và chức năng của các cơ quan mà ta cần nghiên cứu. Ngoài ra, máy siêu âm còn chứa phần mềm, cho phép đo đạc tính toán các thông số nhƣ khoảng cách, diện tích, thể tích, thời gian... theo không gian 2 chiều, 3 chiều. Từ những thông tin này kết hợp với những chƣơng trình đã đƣợc tính toán sẵn sẽ cung cấp cho chúng ta những thông tin cao hơn. Ví dụ, từ đƣờng kính lƣỡng đỉnh thai nhi, có thể dự kiến ngày sinh, trọng lƣợng thai... Hoặc từ thể tích thất trái cuối kỳ tâm trƣơng, tâm thu, chúng ta sẽ biết đƣợc thể tích nhát bóp, cung lƣợng tim... Những thông tin về cấu trúc và chức năng của các cơ quan sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình, đồng thời cũng có thể đƣợc lƣu trữ lại trong các bộ phận ghi hình và có thể nối mạng với các phƣơng tiện khác [8]. Các kiểu siêu âm Siêu âm kiểu A: Đây là kiểu siêu âm cổ điển nhất, ngày nay chỉ còn sử dụng trong phạm vi hẹp, nhƣ chuyên khoa mắt với mục đích đo khoảng cách, vì nó rất chính xác trong chức năng này. Các tín hiệu thu nhận từ đầu dò đƣợc biến thành những xung có đỉnh nhọn, theo nguyên tắc biên độ của sóng siêu âm phản xạ càng lớn, biên độ của xung càng cao và ngƣợc lại. nhƣ vậy trên màn hình chúng ta không nhìn thấy hình ảnh mà chỉ thấy các xung. Thời gian xuất hiện các xung sẽ phản ánh chính xác khoảng cách từ các vị trí xuất hiện sóng siêu âm phản xạ. Siêu âm kiểu B hay 2 chiều (2D) : Hay còn gọi là siêu âm 2 bình diện, kiểu siêu âm này hiện nay đang đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong tất cả các chuyên khoa.Có thể nói chính siêu âm 2D là một cuộc cách mạng trong ngành siêu âm chẩn 12
đoán. Vì đây là lần đầu tiên chúng ta có thể nhìn đƣợc các cấu trúc bên trong của cơ thể và sự vận động của chúng, chính vì vậy nó đã mở ra thời kỳ ứng dụng rộng rãi của siêu âm trên lâm sàng. Nguyên lý của siêu âm 2D nhƣ sau: những tín hiệu siêu âm phản xạ đƣợc đầu dò tiếp nhận sẽ biến thành dòng điện xoay chiều, dòng điện này sẽ mang theo 2 thông tin về mức độ chênh lệch trở kháng tại biên giới giữa các cấu trúc khác nhau và khoảng cách của các cấu trúc này so với đầu dò. Dòng điện sau đó đƣợc xử lý biến thành các chấm sáng có mức độ sáng khác nhau tuỳ theo dòng điện lớn hay nhỏ và vị trí của chúng theo đúng khoảng cách từ đầu dò đến mặt phân cách có phản hồi âm. nhƣ vậy các thông tin này sẽ đƣợc thể hiện trên màn hình thành vô vàn những chấm sáng với cƣờng độ khác nhau, đƣợc sắp xếp theo một thứ tự nhất định tái tạo nên hình ảnh của các cơ quan, cấu trúc mà chùm tia đã đi qua. Để nghiên cứu các cấu trúc có vận động trong cơ thể nhƣ tim và các mạch máu ngƣời ta chế tạo các đầu dò có thể ghi lại rất nhiều hình ảnh vận động của chúng ở các thời điểm khác nhau trong một đơn vị thời gian ( > 24 hình/ giây ) và nhƣ vậy những vận động của các cơ quan này sẽ đƣợc thể hiện liên tục giống nhƣ vận động thực của nó trong cơ thể và ngƣời ta gọi là siêu âm hình ảnh thời gian thực ( real time). Tất cả các máy siêu âm hiện nay đều là hình ảnh thời gian thực. Siêu âm kiểu TM : Để đo đạc các thông số siêu âm về khoảng cách, thời gian đối với những cấu trúc có chuyển động, nhiều khi trên siêu âm 2D gặp nhiều khó khăn. Do đó để giúp cho việc đo đạc dễ dàng hơn ngƣời ta đa ra kiểu siêu âm M- Mode hay còn gọi là TM ( Time motion ), đó là kiểu siêu âm vận động theo thời gian, ở đó chùm tia siêu âm đƣợc cắt ở một vị trí nhất định, trục tung của đồ thị biểu hiện biên độ vận động của các cấu trúc, trục hoành thể hiện thời gian. nhƣ vậy những cấu trúc không vận động sẽ thành những đƣờng thẳng, còn những cấu trúc vận động sẽ biến thành những đƣờng cong với biên độ tuỳ theo mức độ vận động của các cấu trúc này. Sau đó khi dừng hình chúng ta có thể dễ dàng đo đƣợc các thông số về khoảng cách, biên độ vận động, thời gian vận động...Kiểu TM đƣợc sử dụng nhiều trong siêu âm tim mạch. 13