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

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 đượcphát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thìtầnsố
thu bằngtần số phát.
- Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phátthay đổi trongkhoảng thời gianthu
sóng(thời gian sóng truyền đến đầu thu)thì bước sóng λ sẽ dài ratrongtrường
hợp raxa nhau.
- Hiệu ứngDoppler đúng vớitất cả các loại sóng và dođó đúngvới cả sóng siêu
âm.
Trongđời sốnghàng ngàychúng ta có thể quan sáthiệuứng Dopplernhư tiếngcòi
của xecứu thương khichạy tiesn về phíata thì nghe âm sắc cao hơncòn khi xe
chạyra xa thì nghe âm sắc thấp hơn
Hiệu ứngDopplersử dụng trong phương pháp siêuâm Dopplerxảy ra khi sóng
siêu âmđượcphản hồi từ các vật thể chuyển độngnhư các tế bào hồng cầu, thành
mạch,cơ co… khi đó tần số của sóngphản hồi sẽ khác vớitần số của sóng tới,và
hiệu của hai tần số gọi là độ lệch Doppler hay tần số Doppler.
Năm 1959,Satomura(Nhật) lần đầutiên ứng dụng hiệu ứngDoppler vào Yhọc
nhằmkhảo sát tim-mạch.
Sau đó Pourcelot (Pháp) và Franklin(Mỹ) phát triển tiếp kỹthuật này.
Khác vớisiêu âm B-mode, máy không xử lý tín hiệu sóng phản hồi thành hình
ảnh,mà chỉ ghi nhậnsự thay đổi tầnsố dohiệu ứngDopplerxảyra khi chùm sóng
siêu âmphát ragặp các hồng cầu chuyển độngtrong mạch máu đangtiến lại gần
đầu dò hoặc đi xa đầu dò.

2. Công thức Doppler:
Sóng âm gồm có hai thành phần: tần số(frequency)vàbiênđộ(amplitude).
- Tầnsố(f) sóng âm liên quanđến độ dài bướcsóng(wavelength)λ theo công
thức:
f = v(velocity)/λ
- Vận tốc sóngâm đi quahầu hếtcác mô trong cơ thể với vận tốc 1.540m/giây. Do
vậy khithayđổi độ dài bướcsóng thìtần số sóng âmcũngthay đổi.
- Biên độ biểu hiện cường độ của sóng âm.
Sóng âm được truyền đi (transmitted-T)từ một đầu dò Dopplerxungvới một tần
số hoặc bướcsóng cố định.Tần số của sóngâmsẽ khôngthay đổi nếu như các cấu
trúcmà nó gặp trên đường đikhông chuyểnđộng.
Chuyển động của các tế bào máu làm thay đổi tần số của sóng phảnhồi trở về
(reflected-R) đầu dò. Nếu chuyển độngcủa dòng máuhướngvề đầu dò thì tần số
sóng phản hồi sẽ tănglên và bước sóng ngắn lại. Ngược lại,nếudòng máu chuyển
độngxa đầu dòthì tầnsố sóng phản hồi sẽ giảm và độ dài bước sóngtăng.
Do vậytần số của sóng truyềnđi và trở về khác nhau,chúng sẽ lệch pha vớinhau.
Hiệu số của haitần sốnày chính là tần số Doppler(ΔF ).
-ΔF: tần sốDoppler.
-Fo: tần sốcủasóng phát đi.
-Fr: tầnsốcủa sóng phản hồi.
-v: vận tốc củadòng máu.
-c : tốc độcủa sóng âm truyền trongcơ thể(#1540m/s).
-α: góc giữa chùmtia siêu âmvàmạch máu.
Từ công thứctrên ta rút ra:
-Tần số Doppler ΔF tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy.
-ΔF cótrịsốlớn nhất khichùm tiasong song với dòng chảy (cos α=1).Khi chùm tia
vuônggóc vớidòng chảy thì sẽ khôngcótín hiệu Doppler(cos α= 0).
-Vớiđầu dòphát với tần số2-8MHzthìΔF thu đượcnằm trong phạm vi tầnsố mà
tai người ngheđược(50Hz-15KHz).
-Vận tốcdòng chảy được tínhtheo công thức:

3. Các hệ thống Doppler
Có 2 kỹ thuậtDoppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóngâm: Sóng liên
tục(Continuouswave-cw)vàxung(Pulsedwave-pw)
3.1 Doppler liên tục (continuous wave-CW): Người tasử dụngđầu dòvới 2 tinh
thể làm 2 nhiệmvụ khác nhau:mộtlàmnhiệm vụ phátsóng âmliêntục, một làm
nhiệmvụ thu liên tục.
- Ưu điểm: Dopplerliên tục đo đượcvận tốc dòngmáu rất lớn (mà điều này
thường thấy trong tìnhtrạng bệnh lý).
- Nhượcđiểm:Nó không ghi đượctốc độtại 1điểm xác định mànóchỉ ghi được tốc
độtrungbình của nhiều điểmchuyểnđộng màchùmsóng âm phátra gặptrên
đườngđi củanó.
Đầu dò thuvà nhận liên tục
Khi chùm sóng âm xuyên quahai mạch máu cạnh nhau(hai động mạch hoặc một
độngmạch vàmột tĩnhmạch) thìtốc độ ghi được làtốc độtrung bìnhcủa các tốc
độởhaimạchmáu.
3.2 Doppler xung:
Phát sóngdạngxung đượcdùng trongDopplerxung(pulsed wave-PW)với đầudò
có mộttinh thể vừa cóchứcnăng phát và nhận sóng phảnhồi. Sóngâm được phát
đi theo từng chuỗi xungdọctheo hướngquét của đầu dò, song chỉ nhữngxung
phản hồi tại vị trí lẫy mẫu(hay còn gọi là cổng-gate)là đượcghi nhận và xử lý. Kích
thướcvà độ sâu ùnglấy mẫu có thể thayđổi được. Nhờ đó kỹ thuật pw-Doppler
cho phép ghi nhận phân biệttín hiệu doppler tại các độ sâu khác nhau.
Ứng với mỗi vị trí lẫy mẫu được chọn,khoảng thời gian T choxungđi vàvề xác
định khoảngthời gian ngắnnhất giữa 2 chuỗi xung. Dovậyđộ lặp lại của các chuỗi
xungphát PRF(PulseRepetitionFrequency)khôngthể lựa chọnlớn hơn1/T.
PRF ≤ 1/T
Do khoảng giá trị của PRF cũng nằmtrong khoảng của tầnsố Doppler ∆f,pw
Dopplercó thể nhận biết được vị trí của dòngchảy songlại có một nhược điểm là
bị hạn chế trong việcđo cácdòng cóvận tốc cao- do xuấthiện hiệuứng loạn sắc-
aliasing

Sự kết hợp pw-Dopplervà hình ảnhsiêu âm 2 chiều là khả thi, hình siêu âm2
chiềucung cấp thông tinvề cấu trúc giải phẫu họcvà để đặt vị trí và kích thích mẫu
lấy, còn pw-Dopplercungcấp thông tin về dòng chảy là phầnchuyển động hiện
diện trongcấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để bổ sungthôngtin lẫn
nhau này gọi làDuplexsonography.Như thế các thiết bị Duplexscannercho phép
biết được hướng dòngchảy sovớichùm tia siêu âm và góc hợp bởi trục chùm tia
và hướngdòng chảy,từ đó tính được tốcđộ dòng chảy.
3.2.1Các hệ thống Doppler Duplex sonography
Sự kết hợp hình ảnh siêu âm hai chiều(cungcấp thôngtinvềcấu trúc giải phẫu, vị
trí đặt cửa sổ, góc α)và Dopplerxung(cung cấp thông tin về dòng chảy) được gọi là
Duplexsonography.
.2.2 Tín hiệu Doppler xung:
Tín hiệuDopplerthunhận được thể hiện dưới dạng âm thanh, dạngphổ và hình
ảnh.
* Dưới dạng âm thanh: ta có thể phân biệtđượcdòng chảy êm dịu,liên tục của
tĩnh mạch;dòngchảyphụt gọn, cách khoảng của độngmạch; dòng chảy phụt kéo
dài, thô rápcủa động mạch bị hẹp.
* Phổ Dopplergồm có 3 thành phần:
- Thời gian (time): đượcmô tả theo trụcX.
- Tầnsố(frequency): được mô tả theo trục Y.
- Biên độ(amplitude): được môtả bằng độ sáng (brightness) của phổ.
Ta phóng đại một phổ Dopplerđể phân tích:
–Hộp xanhchỉ một điểm thời gian trong chu kỳtim.
–Nhữnghộp màu vàng biểu hiện độ lớn củacác tần sốriêng biệt.
Vào một thờiđiểm xácđịnh (hộp hồng)các tínhiệu Doppler cótầnsốkhác nhau
được biểu hiện bằngnhững vịtríkhácnhautrên phổDoppler(các mũi tên).
Sự khácnhau về biên độ biểu hiện bằng độ sángtrên thangđộ xám. Với cùng một
tần số, biên độ sóng càng cao thì phổ càng sáng.
Theo quiước, khidòng máu đi về phía đầudò thì ta có phổ dương(phía trên trục
X); ngược lại, khidòngmáuđi xa đầu dò thì ta có phổ âm (phía dưới trụcX).

Để hiểu được các dòng chảy ta cần phải phân biệt dòngchảy lớp (laminar flow)
vàdòng chảy cuộn xoáy (turbulentflow).
- Dòngchảylớp thấy được ở các mạch máucóvách songsong vànhẵn (smooth),
nhờ vậy cáchồng cầuở cùng một vùng sẽ chuyểnđộng với cùngmột vận tốc
vàcùnghướng.