Kỹ thuật xử lý ảnh siêu âm trong bệnh viện TWQĐ 108

1

MỞ ĐẦU
Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như các ngành: y học, công nghiệp và dân dụng… Người ta sử dụng
siêu âm để thăm dò khuyết tật trong các mối hàn kim loại, đánh sạch bề mặt vật
liệu.
Tuy nhiên, lĩnh vực ứng dụng siêu âm rộng rãi và quan trọng nhất là trong y
học chẩn đoán và điều trị. Là một phương pháp ít xâm hại đến sức khỏe người
bệnh và nhân viên y tế, ít tốn kém, siêu âm có thể được áp dụng nhiều lần cho một
bệnh nhân, để theo dõi tiến triển của bệnh và kết quả điều trị, không gây ra những
tác động xấu về sinh học đối với cơ thể người như tia X- Quang hay phóng xạ hạt
nhân, siêu âm đã ngày càng chiếm lĩnh một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩn
đoán hình ảnh. Có thể nói rằng, các thế hệ của thiết bị siêu âm hiện nay với sự phát
triển của công nghệ số đã mở rộng khả năng ứng dụng của siêu âm chẩn đoán với
chất lượng hình ảnh của siêu âm ngày càng cao.
Trong kỹ thuật siêu âm chẩn đoán hiện nay người ta thường sử dụng kỹ thuật
siêu âm Doppler để đo dòng chuyển động của máu trong mạch và một số chức
năng khác mà ở siêu âm thường không thực hiện được. Kỹ thuật siêu âm Doppler
đã chiếm vị trí hàng đầu trong những phương pháp chẩn đoán các bệnh tim mạch.
Với sự phát triển mạnh của công nghệ điện tử - tin học, các máy siêu âm tim ngày
càng được hoàn thiện, với nhiều tính nǎng, độ phân giải tǎng lên không ngừng và
các kỹ thuật mới được đưa vào ứng dụng như siêu âm trong lòng mạch máu, siêu
âm tim qua thực quản, siêu âm tim stress, siêu âm tim cho thai nhi và siêu âm cản
âm (các buồng tim và cơ tim)... Siêu Doppler có nhiều ưu điểm, kỹ thuật này giúp
cho bác sĩ có thể đưa ra những chẩn đoán bệnh tốt hơn phục vụ quá trình khám và
điều trị. Trong suốt nhiều năm qua, siêu âm Doppler đã có sự phát triển đáng kể cả
về số lượng và tính đa dạng trong công việc kiểm tra.


2

Với sự yêu thích tìm hiểu về kỹ thuật siêu âm trong quá trình học tập, và được sự
động viên, hướng dẫn của TS.Vũ Văn Sơn, TS.Phan Trọng Hanh em đã quyết
định chọn đề tài tìm hiểu về “Kỹ thuật xử lý ảnh siêu âm trong Bệnh viện TWQĐ
108”. Nội dung của Luận văn gồm:
Chương 1: CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA THIẾT BỊ SIÊU ÂM
Chương 2: CÁC HOẠT ĐỘNG GHI NHẬN, XỬ LÝ ẢNH SIÊU ÂM VÀ CÁC
PHẦN MỀM ỨNG DỤNG

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH TRONG THIẾT BỊ SIÊU ÂM VÀ ỨNG
DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN LÂM SÀNG TẠI BỆNH VIỆN TRUNG ƯƠNG
QUÂN ĐỘI 108

Do thời gian và kiến thức tìm hiểu về lĩnh vực này còn nhiều hạn chế, mặt
khác trong quá trình học tập và nghiên cứu cơ hội được tiếp cận trực tiếp với thiết
bị còn chưa nhiều, Luận văn của em chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để có thể hoàn thiện hơn những
hiểu biết của em về lĩnh vực này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2014
Học viên

Lê Mạnh Hùng

Chương 1
CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA THIẾT BỊ SIÊU ÂM


3
1.1 Vật lý học của sóng âm
1.1.1 Bản chất của sóng âm

Âm thanh là năng lợng cơ học đợc truyền qua môi trờng. Các môi trờng đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể xem nh những môi trờng liên tục gồm
những phân tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình th ờng, mỗi phân tử có vị
trí cân bằng bền. Nếu tác dụng lực lên phần tử A nào đó của môi tr ờng thì
phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do t ơng tác các phần tử bên cạnh,
một mặt kéo phần tử A về vị trí cân bằng, một mặt cũng chịu lực tác dụng và
do đó cũng thực hiện dao động. Hiện tợng tiếp tục xảy ra với các phần tử
khác của môi trờng. Những dao động cơ lan truyền trong môi tr ờng đàn hồi
đợc gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.
Về bản chất sóng âm là sóng cơ học; do đó tuân theo mọi quy luật đối
với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào
môi trờng truyền âm. Ví dụ: Đánh vào mặt trống; tác động dòng điện làm
rung màng loa; tác động làm rung âm thoa; đạn bay trong không khí...
1.2 Phân loại sóng âm
a. Phân loại theo phơng dao động
Dựa vào cách truyền sóng, ngời ta chia sóng cơ học làm hai loại: sóng
dọc và sóng ngang.
Sóng ngang là sóng mà phơng dao động của các phân tử môi trờng
vuông góc tia sóng. Sóng ngang xuất hiện trong môi tr ờng có tính đàn hồi về
hình dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn.
Sóng dọc là sóng mà phơng dao động của các phân tử môi trờng trùng
với tia sóng. Sóng dọc xuất hiện trong các môi trờng chịu biến dạng về thể
tích, do đó nó truyền đợc trong cả vật rắn cũng nh môi trờng lỏng và khí.
Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chuẩn đoán thuộc loại sóng dọc.
b. Phân loại theo tần số
Sóng âm đợc chia theo dải tần số thành ba vùng chính:
+ Sóng âm tần số cực thấp hay còn gọi là vùng hạ âm (infrasound),
f < 16Hz. Ví dụ: Sóng địa chấn.
+ Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound), f = 16Hz - 2kHz
+ Sóng siêu âm (Ultrasound), f > 20kHz.
Các nguồn sóng siêu âm có trong tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển

phát sóng siêu âm để định hớng... nói chung các sóng này nằm trong vùng
tần số 20 - 100kHz.
1.3 Các đại lợng đặc trng


4
Khi nói dến sóng âm ngời ta phải biết tới những đại lợng đặc trng nh:
vận tốc truyền âm; tần số; chu kỳ và độ dài sóng âm; Hình1. biểu diễn sóng
âm là tập hợp của các lực nén và dãn. Sự thay đổi này là tuần tự theo dạng
hình sin với các cực đại thể hiện áp lực cao nhất (max) và các cực tiểu thể
hiện áp lực thấp nhất (min).
+ Khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn gọi là một chu kỳ T = [s]
+ Số chu kỳ thực hiện đợc trong một giây gọi là tần số f = [Hz]
+ Vận tốc truyền sóng của sóng âm là quãng đờng mà sóng truyền đợc
trong một không thời gian. Trong lý thuyết đàn hồi ngời ta đã chứng minh đợc trong một môi trờng đẳng hớng, vận tốc của sóng dọc bằng:
v = 1 / p =

E / p = [m/s]

Trong đó: ; E = 1/; lần lợt là Hệ số đàn hồi; Suất đàn hồi (còn gọi
là suất Yang) và Khối lợng riêng của môi trờng hay còn gọi là mật độ của
môi trờng.
+ Độ dài bớc sóng = [m]: là quãng đờng mà sóng truyền đợc sau
khoảng thời gian bằng một chu kỳ, = vT = v/f.
Từ trên hình vẽ ta thấy bớc sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa hai
điểm có dao động cùng pha.
Ngoài ra, để đặc trng cho độ lớn của áp lực âm học mà các phần tử
trong môi trờng nhận đợc khi chịu tác động của nguồn phát sóng âm, ngời ta
đa ra hai đại lợng P và I (công suất và cờng độ):
P: Mức năng lợng đợc truyền từ đầu dò vào môi trờng, đơn vị đo của P

là [W] hoặc [mW]. Thông thờng năng lợng phát ra từ đầu dò trong lĩnh vực
siêu âm chẩn đoán, nằm trong phạm vi từ 1mW đến 10mW.
I: Cờng độ sóng âm, biểu thị bằng năng lợng sóng âm trên một đơn vị
diện tích, đơn vị của I là W/cm 2 hoặc mW/cm 2 .
Đối với sóng siêu âm, ngời ta chia làm 3 dải nhỏ:
- Từ 20 KHz đến 1 MHz thờng dùng trong công nghiệp và điều trị.
- Từ 1 MHz đến 1GHz thờng dùng trong chẩn đoán.
- Trên 1 GHz thờng dùng trong nghiên cứu cấu trúc (ví dụ nh kính hiển
vi siêu âm).


5

Hình 1.1 Sóng âm
1.4 Các tính chất của sóng siêu âm:
- Có thể định hớng đợc
- Có thể hội tụ đợc
- Vì có tần số cao nên khả năng dùng để nghiên cứu những vật có kích th ớc
nhỏ và chuyển động nhanh.
- Nếu dùng với năng lợng cao có khả năng phá vỡ màng tế bào, tạo nhiệt địa
phơng (cục bộ).
1.5 ng dụng của sóng siêu âm trong y tế.
Sóng siêu âm đợc ứng dụng rộng rãi trong y tế trong hai lĩnh vực
chính. Đó là:
Siêu âm chẩn đoán: Thực chất là tạo hình bằng siêu âm. Sử dụng phổ
biến dải tần số từ 2,5 MHz đến 10 MHz. Ngoài ra ngời ta còn sử dụng các
tần số khác trong đầu dò chuyên biệt; ví dụ nh: Đầu dò siêu âm nội mạch
(Intraluminal), hay siêu âm da liễu (Dermatological) sử dụng tần số có thể
lên tới 20 - 50 MHz...
Siêu âm trị liệu: Tạo hiệu ứng nhiệt, xoa bóp kích thích cơ. Có thể

dùng riêng hoặc kết hợp với điện trị liệu (trong các máy kích thích điện) để
tìm Trigger (Điểm phát bệnh - điểm gốc). Tần số thờng dùng trong siêu âm
trị liệu là 700 - 900 kHz tuỳ theo thế hệ máy. Công suất của đầu dò
1 - 4W/cm 2 (gấp cỡ 1000 lần so với siêu âm chẩn đoán).
1.6 C s vt lý v k thut ca phng phỏp to hỡnh bng siờu õm


6
1.6.1 Cơ sở vật lý của phơng pháp và các yếu tố quyết định
Tạo hình bằng siêu âm đợc đa vào ứng dụng trong chẩn đoán Y học từ
những năm 50. Cơ sở của nó chính là sự phản hồi của tia siêu âm từ các tổ
chức trong cơ thể, sự phản hồi này phụ thuộc vào:
+ Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trờng.
+ Trở kháng âm của môi trờng.
+ Sự hấp thụ của tổ chức.
+ Thông số (f; ) của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức.
a. Tốc độ truyền của sóng siêu âm
Đôi khi còn đợc ký hiệu là c - nh đã nêu trên, rất phụ thuộc vào môi
trờng truyền. Bảng 1.1 cho ta thấy vận tốc truyền của sóng siêu âm trong các
môi trờng khác nhau là rất khác nhau. Tốc độ trung bình của sóng siêu âm
trong các tổ chức phần mềm v 1540m/s. Biết đợc vận tốc truyền, khi đo
thời gian đi và về của sóng siêu âm ta có thể định vị rõ đ ợc vị trí bề mặt của
phản xạ.
b. Trở kháng âm của môi trờng và các định luật truyền âm
Trở kháng âm z:
Trở kháng âm của môi trờng cho bởi công thức sau:
Z = c x (velocity x density) = [rayls];
Trong đó:
= [kg/m 3 ] - mật độ của môi trờng.
c = [m/s] - vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trờng.

Trở kháng âm của môi trờng có vai trò quyết định đối với biên độ của
sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trờng. Trên bảng 1-1 ta có trở
kháng âm của một số môi trờng khác nhau.
Môi trờng
Z (rayls)
Không khí
0.0004 x 10 6
Phổi
0.18 x 10 6
Mỡ
1.34 x 10 6
Nớc
1.48 x 10 6
Gan
1.65 x 10 6
Máu
1.65 x 10 6
Thận
1.63 x 10 6
Cơ
1.71 x 10 6
Xơng
7.8 x 10 6


7
Bảng 1.1 Trở kháng âm của một số môi trờng sinh học
Phản xạ và khúc xạ:
Khi sóng âm đợc truyền trong môi trờng đồng nhất và đẳng hớng nó sẽ
truyền theo phơng thẳng; khi gặp mặt phân cách đủ lớn (kích thớc >>)

giữa hai môi trờng có trở kháng khác nhau, tức là vận tốc truyền âm khác
nhau, tia âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ. Một phần năng l ợng
của sóng âm sẽ phản xạ ngợc trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi
trờng thứ hai.
Độ lớn của năng lợng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở
kháng âm z giữa hai môi trờng. Hệ số phản xạ K đợc tính:

Trong đó:

Z Cos t Z 1 Cos i
p
K = r = 2
Pi Z 2 Cos t + Z 1 Cos





2

i : góc tới; r : góc phản xạ; t : góc khúc xạ
P r - biên độ áp lực của sóng phản hồi
P i - biên độ áp lực của sóng tới
Z 1 ,Z 2 - trở kháng âm của hai môi trờng

Hình1.2 Sự phản xạ và khúc xạ
ở đây sẽ xảy ra hai trờng hợp:
Trờng hợp 1: Tia tới vuông góc với mặt phân cách: i = = 0
Hệ số phản hồi của mặt phân cách sẽ đợc tính theo công thức:

8
Cos i = cos r = 1 nên:
Z Z1

K = 2
Z 2 + Z1

2

Trờng hợp 2: Tia tới tạo một góc i 0.
Theo định luật phản xạ, góc phản xạ bằng góc tới i = r . Sóng truyền
tiếp lúc này không còn cùng hớng với sóng tới và tạo một góc t i , hiện tợng này gọi là hiện tợng khúc xạ, góc khúc xạ t phụ thuộc vào vận tốc
truyền âm trong hai môi trờng và đợc xác định bởi công thức:
sin t = (c 1 /c 2 ) x sin i
Với c 2 > c 1 , khi sin t = c 1 /c 2 , ta có critic = arcsin(c 1 /c 2 ) thì sin t = 1 và
t = 90 0 . Hiện tợng này gọi là hiện tợng phản xạ toàn phần. Nh vậy với tất cả
các góc i critic sóng âm sẽ không khúc xạ đợc sang môi trờng thứ hai, bên
kia mặt phân cách và toàn bộ năng lợng đợc phản xạ trở lại môi trờng thứ
nhất.
Ngoài ra, dù với c 2 > c 1 hay c 2 < c 1 , nếu góc tới t 90 0 (tia tới đi gần
nh tiếp tuyến với mặt phân cách) thì sóng âm chỉ trợt trên bề mặt phân cách
mà không truyền tiếp vào môi trờng thứ hai.
Cả hai hiện tợng trên (phản xạ toàn phần và tia tới truyền tiếp tuyến
với mặt phân cách) giải thích cho sự xuất hiện bóng l ng bên (Lateral
shadowing) ở những cấu trúc hình cầu và mặt cắt ngang cấu trúc ống.
Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách
giữa hai môi trờng phụ thuộc vào Z = (Z 1 - Z 2 ) giữa hai môi trờng.
Z càng lớn thì năng lợng phản xạ càng lớn và chỉ còn một phần rất
nhỏ năng lợng sóng siêu âm đi đợc xuống môi trờng bên dới mặt phân cách.

Nếu Z là vừa đủ để nhận biết mặt phân cách thì một phần lớn năng l ợng
của sóng siêu âm sẽ truyền xuống dới mặt phân cách và tiếp tục cho thên
thông tin về cấu trúc bên dới.
Nhìn vào bảng 1.1 ta thấy Z giữa mô mềm và không khí hoặc giữa
mô mềm và xơng rất lớn, do đó trong ghi hình siêu âm nếu sóng siêu âm gặp
mặt phân cách này thì hầu hết năng lợng sẽ bị phản xạ trở lại, sóng truyền
tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận đợc thông tin từ dới mặt phân cách này,
đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta phải dùng gel tiếp
xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí - Airless Contact.


9
Sự tán xạ :
Một hiện tợng quan trọng khác trong tạo hình bằng siêu âm, đó là hiện
tợng tán xạ của siêu âm khi gặp các cấu trúc nhỏ (có kích th ớc >> ) hoặc
với bề mặt không đồng đều. Khi đó tia siêu âm sẽ bị tán xạ đi khắp các h ớng
và chỉ có một phần rất nhỏ chắc chắn tới đợc đầu dò. Tuy vậy, mặc dù việc
ghi nhận các tia tán xạ là rất khó khăn, song chúng ta phải thừa nhận rằng
chúng ta có một lợi thế đó là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và
rất quan trọng trong việc đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ nh sự đồng đều
của nhu mô gan, tuỵ hay vách liên thất..., và các máy siêu âm chẩn đoán
ngày nay chủ yếu làm việc trên các tia tán xạ.

Hình 1.3 Sự tán xạ
c. Sự hấp thụ của tổ chức và sự suy giảm của năng l ợng tia siêu âm,
khuếch đại bù
Khi sóng âm truyền đi trong tổ chức thì biên độ và năng l ợng của tia
âm bị suy giảm theo khoảng cách. Hình 4 biểu diễn sự suy giảm của biên độ
áp âm theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm số: p(z) = p 0 x e - .f.z
+ P - biên độ áp âm; p 0 = p (z=0)

+ - hệ số suy giảm âm của môi trờng truyền
+ f - tần số của sóng siêu âm
+ z - độ sâu cần tới
Các nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lợng của tia siêu âm là:
Sự hấp thụ của môi trờng do một phần năng lợng của tia siêu âm bị
chuyển đổi thành năng lợng của các dao động nhiệt, nhng trong siêu âm
chẩn đoán, phần năng lợng này quá nhỏ và không thể gây ra các biến đổi về
nhiệt độ.
Mức độ suy giảm năng lợng này thờng đợc tính bằng [dB] hay
[dB/cm], đơn vị này đợc hiểu nh sau: ví dụ ở khoảng cách z 1 biên độ của áp
âm là p 1 , ở khoảng cách z 2 biên độ đó là p 2 ; ta nói khi từ z 1 đến z 2 biên độ áp
âm đã suy giảm đi D [dB], với D đợc tính theo sông thức : D[dB] = 20
log(p2/p1).


10
Đối với mô mềm và f = 0,2 MHz, có thể áp dụng công thức gần đúng
sau: Độ suy giảm D[dB] = f[MHz] x z[cm] x .
Môi trờng Mật độ
[kg/m 3
10 3 ]
Không khí 0.00129
Nớc
1.0
Máu
1.0
Nớc tiểu
1.02
Mỡ
0.97

Cơ
1.04
Gan
1.06
Thận
1.04
Não
1.03
Da
1.1
Xơng
1.7ữ9.97
Mô mềm

Vận tốc
x [m/s]
331
1492
1560
1535
1470
1568
1560
1565
1520
1950
1700 ữ3600

H/p dist. At
2MHz[cm]

0.08
380
15

1ữ0.6

0.7ữ0.2
5.1ữ1

Attenuat. At
1MHz[dB/cm
]
1.7
0.002
0.1
0.0025
0.4
0.7
0.6
0.5
0.5
1.0
5

Bảng 1.2 Tính chất âm học của một số môi trờng sinh học
- H/p dist. At 2MHz[cm]: Khoảng cách năng lợng bị giảm nửa, tại
2MHz, tính bằng cm.
- Attenuat. at 1MHz [dB/cm]: độ suy giảm với tần số 1MHz, tính bằng
dB/cm.
Trên bảng 1-2 có đa ra suy giảm của sóng siêu âm trong một môi trờng

khác nhau. Ta thấy năng lợng siêu âm bị giảm mạnh trong môi trờng không
khí và xơng còn với mô mềm sự suy giảm này nằm trong khoảng 0,4 1dB/cm.
Từ công thức trên ta thấy sự suy giảm này cũng phụ thuộc rất nhiều
vào tần số, gần nh tỷ lệ thuận với tần số. Sự phụ thuộc này là một trong
những hạn chế của siêu âm chẩn đoán, bởi nh ta sẽ thấy dới đây tần số càng
cao thì độ phân giải càng cao song độ suy giảm cũng cao và do đó độ xuyên
sâu càng kém.


11

Hình 1.4 Tia siêu âm bị phản xạ một phần tại ranh giới giữa hai vùng
Khuyếch đại bù theo chiều sâu: DGC - Depth Gain Control:
Năng lợng siêu âm càng vào sâu thì càng suy giảm. Khi vào sâu tới 20
cm, với đầu dò 3,5 Mhz ( 1), theo công thức trên thì D = 70dB = 3162
lần. Nh vậy những mặt phản xạ có z nh nhau nếu nằm ở những độ sâu khác
nhau sẽ cho những tín hiệu phản xạ có độ lớn khác nhau. Để khắc phục điều
đó tín hiệu phải đợc bù hệ số khuyếch đại để tạo ấn tợng ảnh đồng nhất.
Ngoài ra DGC cũng đợc điều chỉnh khác nhau khi thăm khám bệnh nhân
gày, béo khác nhau và chọn lựa vùng khảo sát nông sâu...

d. Thông số cuả sóng siêu âm và kích thớc hình học của hệ thống
Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách do đó năng l ợng phản xạ
còn phụ thuộc vào kích thớc của mặt phân cách và độ dài bớc sóng của chùm
tia. Nếu ta đặt một vật rắn chìm vào trong môi trờng chất lỏng thì năng lợng
phản xạ từ vật đó phụ thuộc vào kích thớc cuả vật so với độ dài bớc siêu âm.
Vật phải có độ dài ít nhất lớn hơn /4 thì mới có khả năng phản xạ sóng
siêu âm. Do đó sóng siêu âm có tần số càng cao, tức càng nhỏ thì càng dễ
phát hiện và phân biệt đợc các vật nhỏ song cũng do đó mà khó vào sâu. Ngời ta đa khái niệm Haft Power Distance - Khoảng giảm nửa năng l ợng - để
chỉ khoảng cách mà tia siêu âm có thể đi đợc cho tới khi năng lợng của

chùm tia giảm đi còn một nửa. Với cùng một loại đầu dò trong những điều
kiện nh nhau thì đại lợng này là khác nhau cho những môi trờng khác nhau.
Trên bảng 1-2 là khoảng cách giảm nửa của một số môi trờng tiêu biểu.


12
1.6.2 Kỹ thuật của phơng pháp tạo hình bằng siêu âm
a. Nguyên lý tạo ảnh
Đầu dò khi đợc kích thích bằng xung điện với chiều dài và c ờng độ có
thể điều chỉnh đợc thì khi phát ra xung âm lan truyền theo h ớng của đầu dò
vào môi trờng ở một vận tốc xác định bởi đặc tính của môi tr ờng (mật độ
và độ đàn hồi B); sóng âm sẽ gặp các mặt phản hồi trên đ ờng truyền và tạo
ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dò và đợc thu nhận tại đây.
Khoảng thời gian mất cho sóng âm đi đến và quay trở về từ mặt phản hồi sẽ
xác định độ sâu của mặt phản hồi bởi công thức:
d = c x t/2
Trong đó:
d: Khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi
c: Vận tốc sóng âm trong môi trờng
t/2: Thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi.
Độ lớn của biên độ sóng phản hồi 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 hồi âm thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng áp điện, tín hiệu điện
này mang thông tin về độ lớn biên độ, thời gian tiếp nhận, các thông tin này
sau đó đợc xử lý và thể hiện thành hình ảnh trên màn hình.
b. Các hình thức thể hiện
A - mode (Amplitude mode):
Tín hiệu hồi âm đợc thể hiện bằng xung hình gai (xung nhọn) trên dao
động ký 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. Loại hình thể hiện này th ờng đợc dùng trong đo
đạc vì có độ chính xác cao.
Xét trờng hợp cụ thể sau:
Vật cần nghiên cứu là môi trờng có ba lớp trở âm khác nhau:
a

Z1

Z2

Z3

Đầu dò
b

t1

t2

t3

t4

x


13
Hỡnh 1.5 Tr khỏng v Biờn xung siờu õm phn x
Tại thời điểm xung siêu âm từ đầu dò đi vào Z 1 , Z 2 , Z 3 . Sau một thời
gian sóng siêu âm đi qua mặt phân cách giữa Z 1 và Z 2 sẽ có một xung phản

xạ tại t 2 . Lợng sóng siêu âm đi qua Z 1 và Z 2 ta lại nhận đợc một xung phản
xạ tại t 3 . Lợng sóng siêu âm vợt qua Z 3 đến biên giới môi trờng và không khí
lại nhận đợc một xung phản xạ toàn phần tại t 4 . Ngời ta gọi các xung siêu âm
phản xạ trên là hình ảnh cấu trúc của vật chất trên đ ờng tia siêu âm đi qua.
Ta có định nghĩa sau: ảnh ở mode A (Amplitude ) là ảnh cấu trúc của vật
chất trên một đờng tia siêu âm đi qua thể hiện bằng các xung phản xạ.
Kiểu ghi hình ảnh này ngời ta ít dùng vì lí do:
+ Chỉ có hình ảnh một đờng nằm trong vật chất.
+ Sự khác nhau giữa cấu trúc thực và xung phản xạ làm bác sỹ khó t ởng tợng ra vật chất cần thăm dò. Mode A này chỉ sử dụng trong môi tr ờng
đơn giản ví dụ nh mắt.
B - mode (Brightness Mode) :
Tín hiệu hồi âm đợc thể hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của những
chấm này thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác định
khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi.
Là phơng pháp đo theo độ sáng (B: brighness), thực chất Mode B là
"Chụp ảnh" cấu trúc vật chất trên đờng tia siêu âm đi qua.
Lấy ảnh ở Mode A phần trên để điều chế độ sáng trên màn hình (Xung
siêu âm lớn sẽ sáng nhiều còn xung siêu âm bé sẽ sáng ít và không có xung
thì không sáng):

t1

t2

t3

t4

Hỡnh 1.6 Th hin Mode B

Mode A

Mode B


14
Hình ảnh này đợc gọi là kiểu B (Brighness modulation). Vậy ảnh của
Mode B là ảnh phản ánh cấu trúc vật chất của những điểm nằm trong mặt
phẳng mà tia siêu âm quét qua thể hiện bằng độ sáng tối khác nhau. Do đó
ảnh của Mode B là một lát cắt.
TM - mode (Time Motion Mode) :
Dùng để thể hiện sự chuyển động cùng phơng với tia siêu âm của các
vật thể theo thời gian bằng cách thể hiện hình ảnh B - mode theo diễn biến
thời gian với các tốc độ quét khác nhau. Kết quả là các nguồn hồi âm đứng
yên thì sẽ tạo ra đờng thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồi
chuyển động thì sẽ ra đờng cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi.
Mode TM cho biết quỹ đạo chuyển động của những điểm trên đ ờng tia
siêu âm đi qua. Giống nh mode A khi đo mode TM đầu dò phải đứng yên,
điểm B chuyển động thì quỹ đạo của A là một vạch dài thẳng còn quỹ đạo
của B là một hình sin kéo dài:
Đầu dò
A
a

B
a

A'
x

Hỡnh 1.7 Th hin Mode TM
Nh vậy mode TM là khảo sát quỹ đạo chuyển động của vật chất theo
thời gian. Để thực hiện mode A và TM cần một đầu dò đơn, đứng yên ở một
vị trí. ảnh Mode A là các xung trên đờng của một tia siêu âm đi qua và độ
lớn xung là quan trọng. Trong khi ảnh của Mode TM là quỹ đạo chuyển động
của vật thể trên đờng một tia siêu âm đi qua và ở đây quỹ đạo chuyển động
là quan trọng. Còn ảnh ở mode B là ảnh của một mặt cắt mà tia siêu âm đi
qua, nó thể hiện cấu trúc của vật chất bằng độ sáng, độ đậm nhạt khác nhau.
Trên màn hình hiện thị của TM - mode, biên độ chuyển động của mặt
phản hồi đợc biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành, nhờ vậy có
thể tính toán đợc vận tốc chuyển động của mặt phản hồi, khi tốc độ quét đã
đợc xác định.


15
Phơng pháp A - mode, B - mode và TM - mode có thể gọi chung là siêu
âm một chiều (hay một bình diện).
Nh vậy: Ưu điểm của siêu âm một chiều là bằng phơng pháp tơng đối
đơn giản, rẻ tiền ta có thể xác định đợc chính xác vị trí của bề mặt phản xạ
và trong điều kiện TM có thể đo đợc biên độ chuyển động của vật theo phơng song song với chùm tia siêu âm.
Nhợc điểm của phơng pháp: Không cho hình ảnh tổng thể của vật cần
chẩn đoán. Không đánh giá đợc các chuyển động có phơng vuông góc với
phơng truyền của tia siêu âm.
Hình ảnh tĩnh và hình ảnh động
Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnh siêu âm hai chiều này là B - mode, đ ợc dùng trong hầu hết các thiết bị siêu âm chẩn đoán từ tr ớc đến nay, từ các
máy Static Scanner (Máy quét tĩnh) của thời kỳ sơ khai của ngành siêu âm
chẩn đoán thuộc thập niên 50, 60... cho đến các máy quét hoạt động Real
Time Scanner từ những thập niên 70 trở lại đây.
Theo cách thể hiện của B - mode trong siêu âm một chiều thì t ơng
xứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ sở và mỗi h ớng của chùm tia nhất định thì

trên màn hình ta có một đờng tạo ảnh (line of sight) B-mode - phản ánh các
mặt phản hồi đợc tạo ra bởi các cấu trúc cơ thể nằm trên đ ờng truyền của
chùm tia siêu âm. Với các máy Static Scanner, sự tổng hợp tất cả các đ ờng
tạo ảnh tơng xứng với nhiều vị trí đặt đầu dò trên cơ thể theo chiều h ớng
khác nhau trong cùng một mặt phẳng sẽ tạo thành hình ảnh siêu âm phản ánh
các cấu trúc giải phẫu theo thiết diện cắt ngang qua bởi mặt phẳng nói trên.
Vào những năm 60, để thực hiện sự tổng hợp nói trên ngời ta phải
dùng hệ thống cánh quét (scanning arm). Cấu tạo bởi các trục và khớp nối để
điều khiển đầu dò.
Do hạn chế về mặt kỹ thuật, để có đợc một hình siêu âm cắt khoanh
lớp cơ thể thì phải mất rất nhiều thời gian và hình ảnh nhận đ ợc chỉ là hình
ảnh tĩnh của các cấu trúc, vì vậy ngời ta gọi hệ thống này là quét ảnh tĩnh.
Tuy nhiên u điểm của hệ thống này là cho cái nhìn tổng thể về các cấu trúc
và mối liên quan giữa các cấu trúc chỉ trên một hình.
Để nhìn thấy sự chuyển động tức thời của cấu trúc trong cơ thể (đặc
biệt quan trọng trong lĩnh vực tim mạch ) thì tốc độ tạo hình phải thật nhanh,
tốc độ tạo hình thờng dùng (FR Frame rate) khoảng 25 hình/giây; của
những năm 70 của thế hệ máy siêu âm mới ra đời cho phép ghi hình tức thời
sự chuyển động của các cấu trúc trong cơ thể gọi là máy quét hình ảnh động
(Real time Scanner), tốc độ quét hình của máy này đạt đợc nhờ kỹ thuật quét
chùm tia siêu âm và khả năng xử lý thông tin nhanh của máy điện toán.
Có hai cách quét chủ yếu đợc sử dụng trong máy quét hình ảnh động:


16
+ Quét điện tử - Electronic Scanning: Các tia siêu âm đợc quét bằng
cách dùng bộ điều khiển khoá điện tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thể
sắp xếp kề cận nhau theo một thứ tự thời gian thì các tia siêu âm sẽ đ ợc quét
theo một phơng nhất định.
+ Quét cơ học - Mechanical Scanning: Tia siêu âm đợc quét khi các

chấn tử đợc quay quanh một trục hoặc dao động theo kiểu con lắc.
Một nhợc điểm của máy ghi hình ảnh động là diện khảo sát ( Field of
view) bị hạn chế, không cho một hình ảnh tổng quát nh trong kỹ thuật ghi
hình tĩnh nói trên, do kỹ thuật ghi hình động bị hạn chế bởi ba yếu tố:
+ Số hình trong 1 s - Frame rate - FR
+ Mật độ đờng cho một hình - Line Density - N
+ Độ sâu khảo sát - d.
Liên quan chặt chẽ với nhau bởi công thức:
1/FR = N x t = 2N x d/c
ở đây:
1/FR thực chất sẽ là thời gian tạo một hình;
t: thời gian tạo một đờng hình (line) - là thời gian cho tia siêu âm đi và về tới
đầu dò.
Thông thờng ở độ sâu khảo sát 20cm, với số đờng tạo ảnh cho một
hình là 150 thì số hình trong một giây không thể vợt quá 25 hình. Nh vậy
nếu sử dụng diện khảo sát rộng thì đòi hỏi mật độ đ ờng tạo ảnh lớn để đảm
bảo chất lợng hình và đồng thời giới hạn tốc độ tạo hình của máy.
Một vài năm gần đây nhờ những tiến bộ trong kỹ thuật vi xử lý, ng ời ta
đã tạo ra thế hệ máy có đồng thời hai u điểm của hai thế hệ máy nói trên,
vừa có hình động vừa có khảo sát trên diện rộng gọi là Real time - E.F.O.V
(Extended Field Of View) - Siêu âm thời gian thực với tr ờng nhìn mở rộng,
ngời ta vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ thể vừa ghi
nhận hình ảnh, hình ảnh đợc tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt với
các vị trí của dầu dò, kết quả nhận đợc là một hình tổng quát, đồng thời vẫn
giữ đợc tính động của hình ảnh. Để thực hiện đợc kỹ thuật này ngời ta phải
sử dụng thuật toán Fuzzy - logic với sự xử lý cực nhanh của máy diện toán
và bộ vi mạch xử lý truyền thông đa phơng tiện - M.V.P - Multimedia Video
Processor.
Siêu âm với trờng nhìn mở rộng cho phép đánh giá các tổ chức trong
sự tơng quan toàn thể với cấu trúc xung quanh, giúp bác sĩ thực sự nhìn thấy

toàn cảnh thay vì phải tởng tợng bằng cách ghép các mảnh hình riêng biệt lại
với nhau. Kỹ thuật này đã thực sự kết hợp đ ợc u điểm của siêu âm chẩn đoán
- độ an toàn cao - với hình ảnh cấu trúc toàn thể mà tr ớc đây chỉ có trên các
hình CT hay MR, nói một cách khác, kỹ thuật này thức sự mở ra một chân
trời mới đối với siêu âm chẩn đoán.


17

Chng 2:
CC HOT NG GHI NHN, X Lí NH SIấU M V CC
PHN MM NG DNG
2.1 Cỏc hot ng x lý nh siờu õm ch yu
2.1.1 Sự khuếch đại - Gain
Tín hiệu đợc thu nhận tại đầu dò trớc khi thể hiện thành hình ảnh đều
phải đợc xử lý, một trong những bớc xử lý quan trọng là khuyếch đại tín hiệu
do biên độ của chúng quá nhỏ. Hệ số khuyếch đại, thờng đợc tính bằng dB,
là một tỷ số giữa biên độ sau khi khuyếch đại và biên độ tr ớc khi khuyếch
đại:
Gain = RX = 20 Log (U2/U1) = [dB]
ở đây: U2 là biên độ tín hiệu sau khi khuyếch đại
U1: biên độ tín hiệu trớc khi khuyếch đại
2.1.2 Khuếch đại bù trừ theo độ sâu (DGC hay TGC Depth Gain
Compensation or Time Gain Compensation)
Trong khi khuyếch đại tín hiệu một yếu tố không thể bỏ qua là hiện t ợng
làm suy giảm năng lợng sóng âm của môi trờng (Attenuation), hậu quả của
hiện tợng này là làm cho tín hiệu trở về đầu dò từ độ sâu càng xa thì có biên
độ càng bé, vì vậy cần phải có sự bù lại cho mất mát năng l ợng nói trên.
DGC hay TGC thực chất là sự khuyếch đại gia tăng theo thời gian: sau khi
sóng âm đợc truyền đi, những tín hiệu hồi âm từ những mặt phản hồi ở xa thì

đợc khuyếch đại nhiều hơn so với những tín hiệu hồi âm ở những mặt phản
hồi gần.
2.1.3 Khuyếch đại tăng bờ - ee: Edge Enhancement
EE có tác dụng tăng độ phân dải dọc theo phơng truyền của tia siêu âm
bằng cách tăng độ vi phân của tín hiệu, khi tăng EE hình siêu âm đ ợc biểu


18
thị có hạt nhỏ hơn (fine - grained), các bề mặt vuông góc với ph ơng truyền
của tia siêu âm đợc vẽ ra rõ nét hơn (ví dụ nh các lớp thành mạch...), vì vậy
phép xử lý này đợc gọi là khuyếch đại tăng bờ.

Hình 2.1: Xử lý khuyếch đại tăng bờ
2.1.4 Dải động - DR: Dynamic Range
ở phần trên, hình ảnh siêu âm hai chiều đợc tạo bởi các tín hiệu phản
hồi của tia siêu âm, ghi lại theo vị trí dới dạng ma trận và theo trình tự thời
gian với tốc độ thời gian thực. Các tín hiệu phản hồi này nằm trong khoảng
rất rộng.
10V
Mô mềm/ không khí
1V

Mô mềm/ xơng

100mV
10mV

bề mặt phân cách các cơ quan

1mV

bề mặt nhỏ
100àV
10àV

chất lỏng
Hình 2.2. Dải tín hiệu hồi âm


19
Trên hình vẽ, các mặt phân cách mô mềm/không khí cho tín hiệu phản
hồi lớn nhất và nằm trong khoảng 1ữ10V. Các mặt phân cách mô mềm/ xơng
cho tín hiệu phản hồi nằm trong khoảng 100mV ữ 1V. Các mặt phân cách
các cơ quan (bề mặt các cơ quan) cho tín hiệu khoảng 100àV ữ 100mV. Các
nhu mô của các cơ quan cho tín hiệu phản hồi trong khoảng 10àV ữ 100mV.
Các chất lỏng cho tín hiệu phản hồi cỡ khoảng 10àV.
Nh vậy, toàn bộ dải tín hiệu thu đợc sẽ nằm trong khoảng 10àVữ10V,
tức là tỷ lệ U max /U min = 10 6 lần, hay nói cách khác U max /U min = 120dB. Nhng
thực chất là trong chuẩn đoán ngời ta không cần quan sát toàn bộ dải tín hiệu
trên cùng một lúc. Về mặt ý nghĩa dải động là khoảng tín hiệu cần thiết có
thể biểu diễn đợc và là một tỷ lệ giữa tín hiệu lớn nhất và tín hiệu nhỏ nhất
trong khoảng tín hiệu cần quan tâm. Các dải rộng thờng gặp là 35, 40, 45,
50, 55 hoặc 60 dB. Mỗi dải động đợc chọn thờng đợc biểu diễn bởi 64 mức
xám (grey scale).
Thay đổi dải động của tín hiệu để đáp ứng độ tơng phản của hình ảnh
siêu âm cực đại. Các giá trị DR thấp cần thiết khi cần nhìn rõ các đ ờng bao
và do đó thờng đợc sử dụng khi chẩn đoán tim mạch. Các giá trị DR cao cho
phép biểu thị rõ các cấu trúc và do đó thờng đợc sử dụng khi chẩn đoán nội
tổng quát.
2.1.5 Độ tơng quan - CL: Correlation
Có thể hiểu độ tơng quan là sự trung bình hoá theo thời gian của bộ

nhớ ảnh.
Sự trung bình hoá theo thời gian có thể đợc thực hiện sao cho khi các
thông tin mới đợc ghi vào bộ nhớ thì một phần các thông tin cũ vẫn còn đợc
giữ lại. Thông tin đã lu giữ và thông tin mới nhận đợc kết hợp lại để tạo ra
ảnh mới theo các tỷ lệ đã lựa chọn: = Giá trị hiện tại/ Giá trị cho tr ớc, CL có
thể đợc dùng trong những trờng hợp ảnh không thay đổi hoặc thay đổi chậm
(ví dụ: vùng bụng, mạch ngoại vi... ) để cải thiện ảnh, tạo hiệu ứng làm dịu
ảnh nhờ loại bỏ đợc những nhiễu tức thời gây ra do các chuyển động của cơ,
mô.
Trong ví dụ trên, độ mịn cực đại đạt đợc với CL3 = 50/50. Đối với
những vật thể chuyển động nhanh, ví dụ nh tim, thì CL làm mờ (blur) các
chuyển động của van tim, thành tim..., do đó, khi khảo sát các biên độ
chuyển động, nên đặt CL ở giá trị thấp nhất = CL0 = 100/0
2.1.6 Xử lý hình sau khi tạo ảnh (Postprocessing)
Chức năng này cho phép ngời 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


20
giúp cho việc đọc hình đợc dễ dàng nhất bằng cách thay đổi hệ số khuyếch
đại cho các mức thang xám. Hình vẽ trên là một ví dụ. Hậu xử lý có thể đ ợc
thực hiện ở mode thời gian thực (B-mode) hoặc ở chế độ ảnh dừng.
2.2 Phần mềm của máy, các chơng trình đo và tính
Thiết bị chính bao gồm thân máy, bàn phím, màn hình và phần lu trữ
hình ảnh. Toàn bộ giao tiếp để điều khiển và xử lý ảnh đợc thực hiện qua bàn
phím. Qua bàn phím có thể đa tên, tuổi bệnh nhân, các chú dẫn trên hình,
các pictogram... thay đổi chế độ, mode làm việc của máy, thực hiện các phép
xử lý hình, các phép đo...
Các chế độ làm việc thông dụng:
Tuỳ theo chế độ đo của máy và hãng sản xuất, các chế độ làm việc sau

thờng đợc cài đặt trên máy: B, 2B, 4B, B+M, M, các chế độ có thể kết hợp
đồng thời với A - mode.
Chơng trình đo và tính:
+ ở chế độ B - mode: khoảng cách, chu vi, diện tích, thể tích, góc.
+ ở chế độ M - mode: chiều sâu, thời gian, vận tốc, nhịp tim.
+ Riêng trong phép đo và tính thể tích thì các máy khác nhau đ ợc cài
đặt để tính theo các công thức khác nhau, ví dụ:
- Tính thể tích hình tròn: dùng Track ball để chỉ ra đờng kính của cơ quan
hay bộ phận cần đo. Thể tích sẽ đợc tính theo công thức tính thể tích hình
cầu tròn. Phơng pháp này đơn giản song không chính xác vì hình dạng của
các khối cần đo thờng không phải là hình cầu tròn.
- Tính thể tích Elip: Thể tích hình Elip có thể đợc tính theo 3 cách:
Tính theo đờng kính dài và ngắn: Để tính theo công thức này, cần phải
nạp vào máy kích thớc của hai đờng kính L và D. Thể tích sẽ đợc tính theo
công thức:
V = LD 2 /6
Tính theo diện tích lớn nhất của hình Elip: Dùng track ball hoặc
joystick vẽ theo đờng bao quanh của thiết diện lớn (a) chiều dài của trục dọc
(l). Thể tích sẽ đợc tính theo công thức:
V =

8 A2
3 L

Tính theo phơng pháp Simson: Cách nạp dữ liệu cũng giống nh phơng
pháp tính theo diện tích lớn của hình Elip song máy sẽ tính thể tích của hình
bằng cách tính thể tích của từng lát cắt sau đó cộng lại:
V = (h/4) * (D 1 2 + D 2 2 + ...+ D n 2 )

21
Ph¬ng tr×nh nµy ®óng víi bÊt kú mét cÊu tróc d¹ng cÇu nµo.
2.3. Kỹ thuật siêu âm Doppler và ứng dụng trong thăm khám bệnh nhân
2.3.1. Khái quát về siêu âm Doppler.
Siêu âm Doppler là phương pháp ứng dụng hiệu ứng Doppler. Người ta phát
sóng siêu âm tới bộ phận cần khảo sát chức năng và thu hồi sóng phản xạ. Từ sự
khác biệt tần số tới và phản hồi ta sẽ có các thiết bị xử lý và hiển thị lên màn ảnh.
Ảnh được hiển thị sẽ cho biết tình trạng và hoạt động của các cơ quan.
2.3.2. Vấn đề cần quan tâm trong siêu âm Doppler.
Về khía cạnh kỹ thuật ta quan tâm tới hai vấn đề. Đó là :
Phân tích sóng phản hồi để tính tần số Doppler, nhờ đó khảo sát được sự chuyển
động của vật cần khảo sát.
Hiển thị lên màn ảnh sự phân bố của vật chuyển động đó.
2.4. Nguyên lý chung về siêu âm Doppler
2.4.1. Hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng siêu âm Doppler được tìm ra vào năm 1845 bởi Christian Andreas
Doppler (1803-1853), hiệu ứng Doppler được phát biểu:
Nếu sóng siêu âm được phát ra từ một nguồn phát cố định đến một đầu thu cố
định thì tần số thu bằng tần số phát.
Nếu có sự chuyển động tương đối giữa đầu thu và đầu phát thì tần số mà đầu
thu nhận được khác với tần số phát tại nguồn phát.
Nhờ sự thay đổi tần số này, người ta có thể xác định được vận tốc và hình ảnh đối
tượng và được sử dụng để xác định dòng chảy của mạch máu trong cơ thể.
2.4.2. Ứng dụng hiệu ứng Doppler trong kiểm tra mạch máu
Các thiết bị Doppler được thiết kế để thu được dịch chuyển Doppler từ các tín
hiệu nhận được. Các thay đổi này nằm trong phạm vi nghe thấy (thường từ 200 Hz
tới 1500 Hz), điều này cho phép các bộ khuếch đại âm thanh cùng với tai nghe
hoặc loa được sử dụng làm thiết bị đầu ra.

22
Với kiểm tra dòng trong mạch máu, nguyên lý siêu âm Doppler là khi một
chùm sóng siêu âm với tần số nhất định tới các mạch máu và gặp các yếu tố hữu
hình, mà chủ yếu là các tế bào hồng cầu (Red Blood Cells –RBCs). Do RBC có
đường kính 7µm nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của sóng âm (thường từ 0,2
mm đến 0,5 mm) nên tán xạ Rayleigh xảy ra, một phần sóng âm phản xạ lại với
một tần số khác với tần số chùm siêu âm phát đi, được nhận tại bộ phận thu sóng
phản xạ. Sự thay đổi tần số này là cơ sở để tính tốc độ di chuyển của các tế bào
máu.
2.4.3. Tính toán tần số Doppler
Hiệu ứng Doppler là hiện tượng thay đổi tần số quan sát được nếu có chuyển
động tương đối giữa nguồn phát và nguồn thu. Cụ thể, tần số tại đầu thu lớn hơn
( hay nhỏ hơn) tần số sóng siêu âm tại đầu phát khi đầu thu và đầu phát chuyển
động lại gần nhau (hay ra xa nhau). Nếu giả thiết :
f s : Tần số sóng phát
f r : Tần số sóng thu

Xét mối quan hệ giữa tần số f s của sóng âm tạo bởi nguồn chuyển động và
tần số sóng thu f r thu được tại đầu thu chuyển động. Giả thiết rằng nguồn và đầu
thu chuyển động trên cùng một đường thẳng.
Giả sử tại thời điểm t=0, nguồn S và đầu thu R cách nhau một khoảng d.
Nguồn chuyển động với vận tốc v S và đầu thu chuyển động với vận tốc v R .
d
S
vS

R
vR

Tại t=0, giả sử nguồn S phát ra sóng âm, sóng âm này truyền tới R sau một

khoảng thời gian t :
c.t


23
d

v R .t

S

R

R’

Trong khoảng thời gian t, đầu thu R dịch chuyển một khoảng v R⋅t và sóng âm
truyền với tốc độ c sẽ đi được một khoảng là c.t. Ta có:
c.t = d + v R .t

(2.1)
d

Hay t = c − v

(2.2)
R

Tại thời điểm τ , nguồn sẽ di chuyển được một khoảng τ .v S . Giả thiết sóng
phát ra tại thời điểm này sẽ thu được tại đầu thu tại thời điểm t’.
c.(t '− τ )

vR .t '

d
S

S’

R

R”

vs .τ

Trong khoảng thời gian này, đầu thu di chuyển được tổng quãng đường là vR .t ' .
Ta có:
c(t '− τ ) = (d − vS .τ ) + vR .t '

Hay t ' =

d + (c − vS ).τ
c − vR

(2.3)
(2.4)

Như vậy, với đầu thu khoảng thời gian giữa các sóng là :
τ ' = t '− t =

c − vS

.τ
c − vR

τ'

c−v

S
Hay τ = c − v
R

(2.5)
(2.6)

Với nguồn phát, khoảng thời gian giữa các sóng là τ . Số lượng sóng do nguồn
phát ra trong khoảng thời gian τ phải bằng số lượng sóng thu được ở đầu thu trong
khoảng thời gian τ ’, có nghĩa là :
f S .τ = f R .τ '

(2.7)


24
Vậy

fR =

c − vR
. fS
c − vS

(2.8)

Đối với dòng chảy mạch máu, vR , vS ≈ 2 m/s , c ≈ 1500 m/s nên vR , vS = c. Do đó :
fR =

1 − vR / c
. fS
1 − vS / c

(2.9)

Theo khai triển chuỗi:
(1 + x ) n = 1 + nx +

n(n − 1) 2 n( n − 1)(n − 2)..( x − n − 1) n
x +
x + ...
2!
n!

(2.10)

Đối với x = 1, các thành phần bậc cao có thể bỏ qua. Khi đó:
f R ≈ (1 −

v
vR
).(1 + s )
c

c

(2.11)

f R ≈ (1 −

vR − vS
). f S
c

(2.12)

Trong đó, thành phần (vR − vS ) = vRS là tốc độ tương đối của đầu thu so với đầu phát.
Do vậy, tần số Doppler hay độ lệch Doppler có dạng:
f D = f R − f S = ∆f = −

vRS
. fS
c

(2.13)

Từ công thức (2.13) có thể thấy, tần số đo được tại đầu thu chuyển động xa
khỏi nguồn nhỏ hơn tần số đo được tại nguồn phát, và ngược lại khi đầu thu
chuyển động về phía nguồn phát tần số đo được tại đầu thu lớn hơn tại đầu phát.
Đối với trường hợp của khảo sát mạch máu, đầu phát và đầu thu là tĩnh, ngoài
ra đầu phát và đầu thu có thể không cùng nằm trên một đường thẳng. Giả sử góc θt
là góc tạo bởi hướng truyền tới và phương của vật thể khảo sát, còn góc θ R là góc
tạo bởi phương chuyển động của vật và hướng thu.
Khi đó, tốc độ vật tán xạ tương đối với đầu phát sẽ là v.cos θt .

Tốc độ vật tán xạ tương đối với đầu thu sẽ là v.cos θ R .


25

Hình 2-3. Đầu thu, phát không nằm trên cùng một đường thẳng.
Giả thiết:
Vật phản xạ/tán xạ là đầu thu chuyển động rời xa đầu phát với tốc độ v.cos θt
Đầu thu chuyển động rời xa khỏi vật phản xạ/tán xạ với tốc độ v.cos θ R
Khi đó ta có đầu thu chuyển động rời xa đầu phát với tốc độ v.cos θt + v.cos θ R (mặc
dù thực tế đầu thu và đầu phát đứng yên).
Ta có độ lệch Doppler là:
fD = −

v.(cos θt + cos θ R )
2. f .v
θ + θR
θ − θR
f S = − S cos( t
) cos( t
)
c
c
2
2

(2.14)

Khi θt ≈ θ R , công thức 1.14 trở thành :
fD = −

2. f s .v
cos θ
c

(2.15)

Trong đó, thành phần v.cos θ là vận tốc tương đối của vật phản xạ/tán xạ so với đầu
thu, phát.
Vận tốc của dòng chảy có thể suy được từ công thức trên. Đó là công thức chủ
đạo dùng trong khảo sát vận tốc dòng chảy mạch máu.
Vận tốc dòng chảy trong mạch máu:
v=

c. f D
2. f s .cos θ

(2.16)