những cơ sở kỹ thuật của siêu âm và ứng dụng của kỹ thuật đó trên thiết bị thực tế, khảo sát được một số ứng dụng thăm khám cụ thể.

Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
1
CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN
Kể từ khi siêu âm được ứng dụng vào trong y học (năm 1950) đến nay, trải qua nhiều tiến
bộ về kỹ thuật trong chất lượng hình ảnh, siêu âm đã trở thành công cụ chuẩn đoán hình ảnh
thông dụng và phổ biến trong các trung tâm y tế cũng như trong bệnh viện, khuyến cáo của tổ
chức Y Tế Thế Giới đối với sự phát triển các phương tiện ch
ẩn đoán hình ảnh ở các nước đang
phát triển vẫn là ưu tiên đối với phát triển kỹ thuật siêu âm bởi sự hiệu quả, tiết kiệm và vô hại
của nó. Phương pháp siêu âm chẩn đoán có những lợi thế nổi bật: khả năng ứng dụng rộng, thông
tin chẩn đoán cao, gọn nhẹ và đặc biệt không gây tác dụng phụ.
Trong vài thập niên tới tiềm năng này còn đẩy mạ
nh hơn nữa bởi hiệu quả của siêu âm
chẩn đoán trong y học rất lớn lao.
Với lợi thế được trang bị những kiến thức cơ bản về vật lý và y học trong 4 năm tại khoa
Khoa Học Ứng Dụng trường đại học Bách Khoa, đồng thời được tạo điều kiện tiếp xúc thiết bị,
được học hỏi kinh nghiệm từ những kỹ
sư của nhà sản xuất thiết bị hãng Siemens. Tác giả đã có
cơ hội tìm hiểu sâu về dạng chuẩn đoán hình ảnh phổ biến và hiện đại này.
Cho nên mục tiêu chính của luận văn là khảo sát nghiên cứu những cơ sở và nguyên lí
chung của thiết bị, tìm hiểu sơ đồ và những thành phần chính của thiết bị, tiến đến đánh giá các
yếu tố tác động đến chất l
ượng hình ảnh và phạm vi ứng dụng của thiết bị.
Với hướng tiếp cận đó, nội dung luân văn được chia thành 5 chương với nội dung như sau:
 Chương 2 , 3 là nền tảng cơ sở của hệ thống siêu âm
 Chương 4 trình bày về các thiết bị để ghi hình siêu âm: đầu dò, thiết bị xử lí…
 Chương 5 khảo sát về thiết bị siêu âm của hãng Siemens và các ứng dụng trong chẩ
n đoán
hình ảnh cụ thể: tim mạch, sản phụ khoa, thận,….đặc biệt là ứng dụng của siêu âm doppler mô
trong khảo sát tim.

 Chương 6 là giới hạn kỹ thuật của siêu âm
Cuối cùng là kết luận về kết quả đạt được.


Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
2
CHƯƠNG 2.NGUYÊN LÍ, CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA SIÊU ÂM CƠ BẢN
2.1.Lịch Sử Ra Đời Của Siêu Âm Chẩn Đoán [3]
Sóng âm làm một dạng sóng cơ học được truyền đi trong môi trường vật chất bằng cách
truyền năng lượng từ phần tử này đến phần từ khác. Dải âm thanh ta nghe được có tần số từ 20Hz
đến 20kHz. Còn với dải sóng âm có tần số lớn hơn 20kHz gọi là sóng siêu âm.
Tuy nhiên do ở t
ần số cao, sóng siêu âm bị suy giảm rất nhanh khi truyền trong không
khí nên siêu âm ít được ứng dụng hằng ngày. Mãi đến thế chiến II, người ta mới áp dụng tính
chất truyền được trong nước của siêu âm vào việc phát hiện tàu ngầm, máy rà soát SONAR,
nhưng trong giai đoạn này, siêu âm là bí mật quân sự nên mãi tới những năm 1950 mới được ứng
dụng vào y học. Đó chính là công trình nghiên cứu của Howry về A-mode chẩn đoán phủ tạng





Hình 2.1. Howry và thiết bị
ông nghiên cứu về siêu âm
và phát kiến của hai nhà bác học Igne Ender và Hert về việc ứng dụng sóng siêu âm để đo các
hoạt động của tim vào năm 1954.

Hình 2.2.Igne Ender và Hert với thiết bị siêu âm của mình
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
3
Song song với phát kiến của Irge và Hezt, giáo sư Ian Donald cùng với các cộng sự của
ông ở bệnh viện Glasgow Royal Maternity Hospital ( GRMH ) tại GlasgowScotland đã lần đầu
tiên ứng dụng sóng siêu âm vào việc chẩn đoán các sản phụ khoa và chính thức khẳng định sự an
toàn của sóng siêu âm đối với thai nhi. Ngày 7/6/1958 công bố kết quả nghiên cứu “Ứng Dụng
Xung Siêu Âm Trong Khảo Sát Ổ Bụng” được coi là một trong những tài liệu quan trọng nhất
cho việc ứng dụng sóng siêu âm dùng trong chẩ
n đoán y tế







Hình 2.3.Giáo sư Ian Donald
Kế đó là các công trình công trình nghiên cứu và sản phẩm của giáo sư Kratochwil ( sinh
năm 1928-Nhật) bắt đầu với với A-Mode (1968), B-mode (1972) và 3D (1990)

Hình 2.4.Kratochwil và thiết bị của mình
Từ đó trở đi kỹ thuật siêu âm có nhiều đổi mới, cải thiện về chất lượng hình ảnh cũng
như mở rộng khả năng thăm khám trở thành công c
ụ chẩn đoán hình ảnh phổ biến.
Ta sẽ tìm hiểu về đặc tính kỹ thuật của nó
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
4

2.2.Sự Hình Thành Của Sóng Âm Trong Môi Trường [1]
Trong các môi trường rắn, lỏng, khí các phần tử trong môi trường liên kết chặt chẽ với
nhau tạo thành các môi trường đàn hồi, mỗi phần tử trong môi trường đều có một vị trí cân bằng
bền. Khi ta tác động một lực lên một phần tử nào đó trong môi trường thì do lực liên kết mà các
phần tử chung quanh, một mặt kéo phần tử đó về vị trí cân bằng, mặt khác c
ũng chịu lực tác động
và cũng thực hiện dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác trong môi
trường. Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi tạo thành sóng đàn hồi (hay sóng
cơ).
Do mỗi vị trí trong môi trường ở trạng thái bình thường đều có một mật độ phân tử ρ và
một áp suất P cố định. Khi có một phần tử trong m
ột môi trường dao động thì mật độ và áp suất
tại vị trí đó sẽ thay đổi. Như vậy bản chất của sự lan truyền dao động là sự lan truyền của mật độ
khối và áp suất P.

Hình 2.5.Sự hình thành sóng âm trong môi trường
Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ.
Như ta đã biết sóng cơ phân loại theo phương dao động thì có 2 loại: sóng ngang và sóng
dọc
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

5
Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường vuông góc
với tia sóng, sóng này chỉ xuất hiện trong môi trường có tính đàn hồi về hình dạng, chỉ có ở vật
rắn.
Sóng dọc: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng,
sóng này xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó sóng này truyền được
trong các môi trường rắn, lỏng và khí.
Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loạ
i sóng dọc.
2.3.Các đặc trưng chung của sóng âm [1]







Hình 2.6. Biểu diễn sóng âm theo thời gian
– Chu kỳ T (m/s): khoảng thời gian sóng siêu âm thực hiện một quá trình nén và dãn hay còn gọi
là một dao động.
– Tần số f (Hz): số chu kỳ thực hiện trong một giây. Mối liên hệ:
T = 1/f = v/λ
Sóng âm được chia thành 3 vùng tần số chính:
 Sóng âm có tần số cực thấp gọi là vùng hạ âm (infrasound) có tần số f < 16 Hz. Ví dụ:
sóng địa chấn

Sóng âm có tần số nghe được (audible sound) có: f =16-20kHz
 Sóng siêu âm (ultrasound) có f > 20kHz. Ví dụ: sóng âm phát ra từ con dơi.
Chu kỳ
Nén

(tăng áp suất)
Áp suất bình
thường
Dãn
(tăng áp suất)
Thời
gian
Biên độ
Áp suất
khôn
g khí
t(ms)

Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
6
– Bước sóng λ (m): quãng đường mà sóng truyền đi được sau một chu kỳ. Hay còn gọi là khoảng
cách ngắn nhất giữa hai điểm có dao động cùng pha.
− Vận tốc truyền sóng v hoặc c (m/s): v =
ρα
./1
=
ρ
/B

Trong đó:
α
: hệ số đàn hồi
B = 1/
α

: suất đàn hồi (suất Yang) hay độ cứng của môi trường
ρ
: khối lượng riêng hay mật độ của môi trường (kg/m
3
)
ρ
càng lớn thì mật độ các phần tử trong môi trường càng nhiều, khả năng lan truyền dao
động càng nhanh nên vận tốc càng lớn, tuy trong công thức thì
ρ
tỉ lệ nghịch với v nhưng dù
ρ

có tăng thì tỉ lệ B/
ρ
lại tăng nhiều hơn (trong thực nghiệm) nên vận tốc vẫn tăng theo
ρ
.
Thực nghiệm vận tốc lớn nhất trong chất rắn rồi đến chất lỏng cuối cùng là chất khí.
Bảng 2.1.Bảng mật độ và vận tốc truyền sóng âm trong các môi trường trong cơ thể

Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
7
Để đặc trưng cho độ lớn của áp lực âm học mà các phần tử trong môi trường nhận được
khi chịu tác động của nguồn phát sóng âm, người ta sử dụng hai đại lượng công suất P và cường
độ I
Công suất P (W hoặc mW): mức năng lượng truyền từ đầu dò vào môi trường. Thông
thường năng lượng phát ra từ đầu dò trong siêu âm chẩn đoán từ 1 – 10 mW

Cường độ I (W/cm
2
hoặc mW/cm
2
): biểu thị năng lượng của sóng âm trên một đơn vị
diện tích.
Trong y tế, siêu âm ứng dụng ở hai lĩnh vực chính:
−
Siêu âm chẩn đoán (tạo hình bằng siêu âm): sử dụng tần số từ 2-30 MHz, sử dụng phổ biến dải
số từ 2,5-10MHz. Ngoài ra người ta còn sử dụng các tần số khác trong các đầu dò chuyên biệt.
Ví dụ: đầu dò siêu âm nội mạch (intraluminal) hoặc siêu âm da liễu (dermatological) sử dụng
tần số lên đến 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
Vật liệu Mật độ (kg/m
3
) Vận tốc (m/s)
Không khí 1,129 330
Phổi 300 600
Mỡ 924 1450
Nước 1000 1480
Mô mềm 1050 1540
Thận 1041 1565
Máu 1058 1560
Gan 1061 1555
Bắp thịt 1068 1600
Xương sọ 1912 4080
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
8
số thường dùng là 700 – 900 kHz tùy theo thế hệ máy. Công suất đầu dò 1- 4 W/cm
2
(gấp cỡ
1000 lần so với siêu âm chẩn đoán).
2.4.Cơ Sở Vật Lý Và Kỹ Thuật Của Phương Pháp Tạo Hình Bằng Siêu Âm[1]
Cơ sở chính của nó là sự phản hồi của siêu âm từ các tổ chức trong cơ thể, sự phản hồi
này phụ thuộc vào:
−
Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường
−
Trở kháng âm của môi trường
−
Sự hấp thụ của tổ chức.
−
Thông số (f,
λ
) của sóng âm và cấu trúc hình học của tổ chức.
2.4.1. Tốc độ truyền của sóng âm:
Rất phụ thuộc vào môi trường truyền. Từ bảng 1.1 ta thấy vận tốc truyền của sóng âm
trong những môi trường khác nhau là rất khác nhau. Tốc độ trung bình của sóng âm trong các tổ
chức mô mềm v
≈
1540 m/s. Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về của sóng siêu âm
ta có thể xác định rõ bề mặt phản xạ
2.4.2. Trở kháng âm của môi trường và các định luật truyền âm:
Trở kháng âm z (rayls): chính là độ dội lại của sóng âm trong môi trường: z = v*
ρ

;
Trong đó: v (m/s): vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường;
ρ
(kg/m
3
): mật độ môi
trường
Trở kháng âm có vai trò quyết định đối với biên độ sóng phản xạ trên mặt phân cách
giữa hai môi trường
Bảng 2.2.trở kháng âm của một số môi trường sinh học
Môi trường Z (rayls)
Không khí 0,0004.10
6
Phổi 0,18. 10
6

Mỡ 1,34. 10
6

Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
9
Nước 1,48. 10
6

Gan 1,65. 10
6

Máu 1,65. 10
6

Thận 1,63. 10
6

Cơ 1,71. 10
6

Xương 7,8. 10
6

Âm được truyền theo những tia gọi là tia âm. Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng bị phản
xạ, khúc xạ, tán xạ và hấp thụ như tia sáng.

Phản xạ và khúc xạ: khi gặp mặt phân cách đủ lớn (>>
λ
) giữa hai môi trường có trở kháng âm
khác nhau, tia âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ. Một phần năng lượng của sóng
âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai.
Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm
Δ
z giữa hai
môi trường. Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:
K = P
r
/P
i
= [(Z
2

. cos
θ
t
– Z
1
. cos
θ
i
)
2
/( Z
2
. cos
θ
t
+ Z
1
. cos
θ
i
)]
2
Trong đó:
θ
i
: góc tới;
θ
r
: góc phản xạ;
θ

t
: góc khúc xạ
P
r
: Biên độ áp lực của sóng phản hồi
P
i
: Biên độ áp lực của sóng tới
Z
2
, Z
1
: trở kháng âm của hai môi trường
Có hai trường hợp sẽ xảy ra:
−
Th1: tia tới vuông góc với mặt phân cách:
θ
i
=
θ
r
=0.Lúc này sóng truyền qua cùng hướng với
sóng tới. Khi đó hệ số phản xạ
K = [(Z
2
- Z
1
)/( Z
2
+ Z

1
)]
2
–

Th2: góc tới
θ
i
≠ 0. Theo định luật phản xạ
θ
i
=
θ
r
. Sóng truyền qua lúc này không còn cùng
hướng với sóng tới và tạo một góc
θ
t
#
θ
i
, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ, góc khúc
xạ
θ
t
phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh

10
Trở kháng khác nhau ít Trở kháng khác nhau nhiều
Sin
θ
t
= (v
2
/v
1
) . sin
θ
i

(Do theo định luật khúc xạ: n
1
sin
θ
i
= n
2
sin

θ
t
=> c/v
1
sin
θ
i
= c/v

2
sin

θ
t

=> Sin
θ
t
= (v
2
/v
1
) . sin
θ
i
; với c là vận tốc ánh sáng, n
1
và n
2
là chiết suất của hai môi
trường)
Nếu v
2
> v
1
=>
θ
t
>

θ
i
khi góc tới
θ
i
đạt 90
0
thì góc khúc xạ
θ
t
đã vượt ngưỡng 90
0
khi
đó không còn hiện tượng khúc xạ nữa mà sẽ xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần, góc tới giới
hạn tại giá trị góc khúc xạ đạt 90
0
khi đó sin
θ
igh
= v
2
/v
1
(do sin
θ
t
=1). Khi
θ
i

≥
v
2
/v
1
thì sóng
âm sẽ không khúc xạ được sang môi trường thứ hai bên kia mặt phân cách mà toàn bộ năng
lượng được phản xạ trở lại môi trường thứ nhất.
Ngoài ra dù v
2
> v
1
hay v
2
< v
1
mà góc tới
θ
i

≈
90
0
(tia tới gần như tiếp tuyến với mặt
phân cách xảy ra đối với cấu trúc hình cầu và mặt cắt ngang cấu trúc ống) thì sóng âm chỉ trượt
trên bề mặt phân cách mà không truyền tiếp vào môi trường thứ hai.
Từ hai công thức trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai môi trường phụ
thuộc vào
Δ
Z = Z

2
- Z
1
giữa hai môi trường .
Δ
Z càng lớn thì năng lượng phản xạ càng lớn và chỉ một phần rất nhỏ năng lượng sóng
siêu âm đi được xuống môi trường bên dưới mặt phân cách. Nếu
Δ
Z vừa đủ để nhận biết mặt
phân cách phần lớn năng lượng sóng âm sẽ truyền được xuống dưới mặt phân cách và tiếp tục
cho thông tin về cấu trúc bên dưới mặt phân cách.








Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
11
Hình 2.7. sự phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường
Trong bảng trở kháng âm của các môi trường, ta thấy
Δ
Z giữa mô mềm và không khí hoặc mô
mềm và xương rất lớn, do đó trong ghi hình siêu âm nếu sóng siêu âm gặp những mặt phân cách
này thì hầu hết năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại, sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận

được thông tin từ cấu trúc bên dưới mặt phân cách này, do đó trong siêu âm chẩn đoán phải dùng
gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí.







Hình 2.7. Một loại gel điển hình dùng trong siêu âm ch
ẩn đoán


Sự tán xạ:
Khi gặp các cấu trúc nhỏ (kích thước <<
λ
) hoặc với bề mặt không đồng đều. Khi đó tia siêu âm
sẽ bị tán xạ đi khắp các hướng và chỉ một phần rất nhỏ chắc chắn tới được đầu dò. Việc ghi nhận
các tia tán xạ rất khó khăn nhưng chúng có một lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia
siêu âm và rất quan trọng trong việc đánh giá các cấu trúc nhỏ như: độ đồng đều của nhu mô gan,
tụy hay vách liên th
ất…
2.4.3.Sự hấp thụ của tổ chức và độ suy giảm của năng lượng tia siêu âm, khuyếch đại bù.
Khi sóng âm truyền trong tổ chức thì biên độ và năng lượng của tia siêu âm bị suy giảm
theo khoảng cách, sự suy giảm tuân theo hàm: I
x
= I
0
exp(-
μ

.f.x)
Trong đó: I
x
là cường độ tia siêu âm tại độ sâu x, I
0
là cường độ tại x = 0
μ
: hệ số suy giảm âm của môi trường; f: tần số của sóng âm; x: độ sâu đạt tới
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
12
Từ công tính sự suy giảm ta thấy sự suy giảm phụ thuộc rất nhiều vào tần số, gần như tỉ
lệ thuận với tần số. Sự phụ thuộc này là một hạn chế của siêu âm chẩn đoán vì tần số càng cao
thì độ phân giải càng cao đồng thời độ suy giảm cũng cao do đó mà độ xuyên sâu càng kém.
Nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lượng của tia siêu âm là:
−
Sự phản xạ và tán xạ trên tổ chức
−
Sự hấp thu của môi trường do một phần năng lượng của tia siêu âm bị chuyển thành năng
lượng của các dao động nhiệt, nhưng đối với siêu âm chẩn đoán thì năng lượng này quá nhỏ
và không thể gây ra các biến đổi về nhiệt độ.
Mức độ suy giảm được tính theo công thức: D(dB hoặc dB/cm) = 10 log (I
x
/I
0
)
Ngoài ra đối với mô mềm có thể áp dụng công thức gần đúng: D(dB) = f (MHz) * z (cm) *
μ

Bảng 2.3.cho thấy sự suy giảm của sóng âm ở các môi trường khác nhau trong cơ thể

Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
13
Từ bảng trên ta thấy năng lượng siêu âm bị giảm mạnh trong môi trường không khí và
xương còn đối với mô mềm sự suy giảm này nằm trong khoảng 0,4 – 1 dB/cm.
Năng lượng siêu âm càng vào sâu thì càng suy giảm (Ví dụ: khi vào sâu tới 20 cm, với
đầu dò 3,5 MHz có
μ

≈
1 theo công thức tính thì D = 70 dB = 3162 lần). Như vậy những mặt phản
xạ có
Δ
z như nhau nếu nằm ở những độ sâu khác nhau sẽ cho tín hiệu có độ lớn khác nhau. Để
khắc phục điều này ta phải dùng đến khuyếch đại bù theo độ sâu DGC (depth gain control) để tạo
ảnh đồng nhất, ngoài ra còn điều chỉnh DGC khi thăm khám các bệnh nhân gầy, béo khác nhau
và chọn lựa vùng khảo sát nông hay sâu…
2.4.4.Thông số của sóng âm và kích thước hình học của tổ chức
Vật liệu Mật độ (kg/m
3

) Vận tốc (m/s)
Khoảng cách
năng lượng bị
giảm nửa (cm),
tại 2 MHz
Độ suy giảm
(dB/cm) với tần
số 1 MHz,
Không khí 1,129 330 0,08 1,7
Nước 1000 1480 380 0,002
Máu 1058 1560 15 0,1
Nước tiểu 1020 1535 0,0025
Mỡ 924 1450 0,4
Cơ 1040
1568
1
÷
0,6
0,7
Gan 1061 1555 0,6
Thận 1041 1565 0,5
Não 1030 1520 0,5
Da 1100 1950 1,0
Xương
1700
÷
9970 1700
÷
3600 0,7
÷

0,2
5
Mô mềm 1050
1540
5,1
÷
1

Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
14
Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách do đó năng lượng phản xạ còn phụ thuộc
vào kích thước của mặt phân cách và độ dài bước sóng của chùm tia. Sóng âm có tần số càng cao
tức
λ
càng nhỏ thì càng dễ phát hiện và phân biệt các vật nhỏ nhưng khó mà vào được sâu. Người
ta dùng khái niệm khoảng cách năng lượng giảm nửa (Half Power Distance) để chỉ khoảng cách
năng lượng giảm đi còn một nửa. Cùng một loại đầu dò ở trong cùng điều kiện thì đại lượng này
khác nhau đối với những môi trường khác nhau.
2.3.Nguyên Lý Tạo Ảnh[1]
Đầu dò được kích thích bởi xung điện (chiều dài và cường độ có thể điều chỉnh được) .
Khi phát xung âm lan truyền theo hướng của đầu dò vào môi trường do đặc tính của môi trường
(
ρ
, B) ta sẽ xác định được vận tốc đồng thời sóng âm sẽ gặp các mặt phản hồi trên đường truyền
tạo ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dò và thu nhận bởi đầu dò đó.
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.

Khoảng thời gian cho sóng đi và về xác định bởi công thứ
c: d = c* t/2
Trong đó: d là khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi;
c (hay v) : vận tốc sóng âm trong môi trường;
t/2: thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi.
Đầu dò sẽ biến đổi sóng hồi âm thành tín hiệu điện thông qua hiệu ứng áp điện, tín hiệu
này mang thông tin về độ lớn biên độ, thời gian tiếp nhận, các thông tin này sau đó được xử lý và
thể hiện thành hình ảnh trên màn hình.
Các hình thức thể hi
ện:

A – mode (Amplitude mode): tín hiệu hồi âm được thể hiện bằng xung hình gai trên dao động
ký qua hệ thống trục tung và trục hoành, chiều cao xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu
hồi âm, vị trí xung thể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi, thường được dùng trong
đo đạc vì độ chính xác cao.
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
15

Hình 2.8. thể hiện tín hiệu kiểu A-mode

B – mode (Brightness mode): tín hiệu hồi âm được thực hiện bởi những chấm sáng, độ sáng
của các chấm thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác định khoảng cách từ
đầu dò đến mặt phản hồi.

Hình 2.9. thể hiện tín hiệu kiểu B-mode



TM – mode (Time Motion mode): dùng để thể hiện sự chuyển động cùng phương 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
Nếu nguồn hồi âm đứng yên sẽ tạo ra đường thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt
phản hồi chuyển động sẽ ra đường cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi.
Trên màn hình thể
hiện của TM – mode, biên độ chuyển động của mặt phản hồi được
biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành với tốc độ quét đã được xác định ta có thể tính
toán được vận tốc chuyển động của mặt phản hồi.
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
16

Hình 2.10. So sánh 3 kiểu thu nhận tín hiệu: A-mode, B-mode và TM-mode
Phương pháp A – mode, B – mode và TM – mode gọi chung là siêu âm một chiều.
Ưu điểm của 3 phương pháp là đơn giản, rẻ tiền, có thể xác định được chính xác vị trí
của bề mặt phản xạ và trong kiểu TM có thể đo được biên độ chuyển động của vật thể theo
phương song song với chùm tia siêu âm.
Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là không cho hình ảnh tổng thể của vật cần ch
ẩn
đoán và không đánh giá được các chuyển động có phương vuông góc với phương truyền của tia
siêu âm.
2.4.Hình Ảnh Tĩnh Và Hình Ảnh Động[1]
Hình ảnh tĩnh có từ thập niên 50 và 60: gọi là siêu âm 2 chiều, cơ sở của kiểu thể hiện
hình ảnh 2 chiều là B mode, tương ứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ thể và mỗi hướng của chùm
tia thì trên màn hình ta có một đường tạo ảnh, phản ánh các mặt phản hồi được tạo ra bởi các cấu
trúc cơ thể nằm trên đường truyền của tia siêu âm. Với hệ thống máy quét tĩnh, sự tổ
ng hợp tất cả

các đường tạo ảnh tương ứng với nhiều vị trí đặt đầu dò trên cơ thể theo nhiều hướng 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. Đây là hạn chế về mặt kỹ thuật, để có hình ảnh
cắt khoanh lớp cơ thể thì phải mất r
ất nhiều thời gian và hình ảnh nhận được cũng chỉ là hình ảnh
tĩnh. Tuy vậy nó cũng có ưu điểm là cho cái nhìn tổng thể về các cấu trúc và mối liên quan giữa
các cấu trúc chỉ trên một hình.
Vào những năm 60, để thực hiện sự tổng hợp nói trên, người ta phải dùng hệ thống cánh
quét cấu tạo bởi các trục và khớp nối để điều khiển đầu dò.
Các kiểu: A-mode, B-mode và M-mode
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
17

Hình 2.11. Siêu âm hình ảnh tĩnh dùng hệ thống cánh quét
Hình ảnh động (từ thập niên 70): nhờ kỹ thuật quét chùm tia siêu âm và khả năng xử lí
thông tin nhanh của máy điện toán đã ra đời thế hệ máy quét hình ảnh động (real time scanner) có
thể nhìn thấy sự chuyển động tức thời (đặc biệt là ứng dụng trong tim mạch), tốc độ tạo hình
(FR-Frame Rate) nhanh, tốc độ tạo hình thường dùng khoảng 25 hình/ giây.








Có hai cách quét thường dùng:

–

Quét điện tử: dùng bộ điều khiển khóa điện tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thể sắp
xếp kế cận nhau theo một thứ tự thời gian làm các tia siêu âm quét theo một phương nhất
định.
–

Quét cơ học: các chấn tử quay quanh một trục hoặc dao động theo kiểu con lắc làm quét
tia siêu âm.
Hình 2.12.Hình ảnh quét theo thời gian thựcnăm1972
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
18
Nhược điểm của máy ghi ảnh động là diện khảo sát (field of view) bị hạn chế, không cho hình
ảnh tổng quát. Sự hạn chế này là do công thức:
1/FR = N*t = 2 N*d/c
Với : FR: số hình trong 1s hay tốc độ ghi hình (hình/s);
1/FR: thời gian tạo một hình
N: mật độ đường cho 1 hình;
d: độ sâu khảo sát;
t: thời gian cho tia siêu âm đi và về đến đầu dò hay thời gian tạo một đường hình (s)
Thông thường ở độ sâu khảo sát 20 cm, với số đường tạo
ảnh cho một hình là 150 thì số
hình trong một giây không thể vượt quá 25 hình. Do đó, nếu sử dụng diện khảo sát rộng thì đòi
hỏi mật độ đường tạo ảnh lớn để đảm bảo chất lượng hình ảnh, như thế làm tăng thời gian tạo nên
một hình và đồng thời giới hạn tốc độ tạo hình của máy.
Nhờ tiến bộ của vi xử lí, người ta đã tạ
o ra thế hệ máy vừa khảo sát trên diện rộng vừa

có hình động gọi là siêu âm thời gian thực với trường nhìn mở rộng.( real time extended field of
view) gọi tắt là real time EFOV, bằng cách vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ
thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình ảnh được tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt ứng với các
vị trí của đầu dò, kết quả nhận được là một hình tổng quát v
ừa có tính động. Thực hiện nhờ sử
dụng thuật toán Fuzzy-logic với sự xử lí cực nhanh của máy điện toán và bộ xử lí truyền thông đa
phương tiện.
Những năm gần đây nhờ với sự ra đời của siêu âm 3 chiều (3D) khảo sát được độ sâu
của cấu trúc thăm khám hỗ trợ hiệu quả trong chuẩn đoán bệnh lý và siêu âm thời gian thực 4D
(3 chiều không gian và một chi
ều thời gian) cho thấy sự chuyển động thật của em bé trong bụng
thai phụ đã hoàn thiện tính năng chẩn đoán hình ảnh cho thiết bị siêu âm.




Bộ biến đổi
Tái tạo
Thu nhận
Trường tín hiệu
Vật phát
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
19

Hình 2.13.Quá trình hình thành hình ảnh 3D






Hình 2.13.Hình ảnh siêu âm 3D thấy tật sức môi ở thai nhi
CHƯƠNG 3.SIÊU ÂM DOPPLER[1]
3.1. Hiệu Ứng Doppler:
Được tìm ra vào năm 1842 bởi nhà toán học người Áo Christian Johann Doppler (1803-
1853), khi đó dùng để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động.
Hiệu ứng được phát biểu như sau:
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
20
–

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 hoặc ngắn lại, ngắn lại trong trường hợp đầu
thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa nhau.
Hình 3.1. Hiệu ứng Doppler xảy ra giữa nguồn âm người thu nhận
Hiệu ứng Doppler đúng với tất cả các loại sóng và do đó đúng với cả sóng siêu âm.
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 (tế bào hồng cầu, thành m
ạch, co cơ…), khi đó tần số
của sóng phản hồi sẽ khác với tần số sóng tới, và hiệu hai tần số gọi là độ lệch Doppler hay tần số
Doppler.





Hình 3.2. Hiệu ứng Doppler ở thế hệ đầu ứng dụng trong siêu âm
Kỹ thuật Doppler được dùng để đo vận tốc dòng chảy, mà qua đó có thể đánh giá được
sự cung cấp máu cho các cơ quan cũng như hình thái củ
a mạch, qua đó cho phép chẩn đoán thông
qua đo đạc và đánh giá các thông số huyết động.
3.2.Công Thức Của Hiệu Ứng Doppler:
Đi ra xa:
f = f
o
.(c-v)/c
Đi lại gần:
f = f
o

.(c+v)/c
Nguồn
Âm
Thiết bị siêu âm Doppler ban đầu ở Anh
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
21
Tần số Doppler
Δ
f từ các tế bào máu đang chuyển động so với tần số phát lúc ban đầu
được xác định bởi công thức:
Δ
f =
frxftx −
= 2*f
tx
* v*cos
θ
/c
Công thức này là gần đúng trong trường hợp c>>v.cos
θ
,
Trong đó: c là vận tốc lan truyền trong mô của sóng âm (
≈
1540 m/s);
v: vận tốc cần khảo sát;
f
tx

: tần số của sóng phát;
f
rx
: tần số sóng phản hồi;
θ
: góc tạo giữa trục chùm tia siêu âm và dòng chảy.
Số 2 trong công thức được đưa vào do hiệu ứng Doppler xảy ra hai lần: lần một khi tế bào
máu nhận tín hiệu phát từ đầu dò, lần hai khi đầu dò nhận tín hiệu phản hồi từ tế bào máu.







Hình 3.3. Sự phản hồi 2 lần của dòng chảy khi phát xung từ đầu dò
Từ công thức trên ta rút ra nhận xét:
–

Tần số Doppler tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tần số tới, đồng thời nó cũng phụ thuộc
vào góc
θ
, tần số Doppler lớn nhất khi trục chùm tia siêu âm có phương song song với phương
của dòng chảy (cos
θ
= 1), và không ghi nhận được tín hiệu Doppler khi trục chùm tia siêu âm
vuông góc với phương của dòng chảy (cos
θ
= 0).
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
22
–

Tần số Doppler làm tăng hoặc giảm tần số của tín hiệu phản hồi so với tín hiệu phát một
khoảng
Δ
f phụ thuộc vào chiều dòng chảy: các vận tốc của dòng chảy hướng về phía đầu dò sẽ
được biểu thị trên đường zero của phổ Doppler (
Δ
f có giá trị dương) và được mã màu đỏ trên
hình Doppler màu, còn các vận tốc của dòng hướng ra xa đầu dò sẽ được biểu thị bên dưới
đường zero (
Δ
f có giá trị âm) và được mã màu xanh trên hình Doppler màu.
Tần số
Δ
f đo được với f
tx
= 2
÷
8 MHz với các giá trị v sinh lý thì nằm trong phạm vi tần số nghe
được từ 50
÷
15 kHz
3.3. Các Kiểu Doppler:
Có hai kỹ thuật trong cách thức tạo sóng siêu âm: doppler liên tục (Continuous Wave) và
doppler xung (pulse wave).


Doppler liên tục – cW doppler: trên đầu dò dùng hai tinh thể làm hai nhiệm vụ khác nhau:
một làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục, một làm nhiệm vụ thu liên tục. Nhược điểm của kỹ
thuật này là không nhận biết được vị trí mặt phản hồi nhưng nó có ưu điểm là có thể đo được
những vận tốc lớn
Δ
f = 2 * f
tx
* v * cos
θ
/c

Doppler xung – pW doppler: đầu dò chỉ sử dụng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát, vừa
làm nhiệm vụ thu. Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò
nhưng chỉ những xung phản hồi tại vị trí lấy mẫu (cổng gate) là được ghi nhận và xử lí. Kích
thước và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi được. Nhờ đó kỹ thuật pW doppler cho phép phân
biệt tín hiệu Doppler tại độ sâu khác nhau.
Ứng với mỗi vị trí lấy mẫu được chọn, khoảng thời gian cho xung đi và về xác định
khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung. Do vậy độ lặp lại 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 tần số doppler
Δ
f, pW doppler có thể
nhận biết được vị trí của dòng chảy nhưng lại có một nhược điểm bị hạn chế trong việc đo các
dòng chảy có vận tốc cao do xuất hiện hiệu ứng aliasing.
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
23
Sự kết hợp pW doppler và hình siêu âm hai chiều gọi là Duplex Sonography có cả hai
đặc điểm: hình siêu âm hai chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học để đặt vị trí và kích
thước lấy mẫu, pW doppler cung cấp thông tin về dòng chảy là phần chuyển động hiện diện trong
cấu trúc giải phẫu cần khảo sát. 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.
3.4. Sự Thể Hiện Thông Tin Doppler
Gồm các loại sau:
−
Âm thanh
−
Phổ tần số theo thời gian
−
Sự thể hiện theo từng loại vận tốc
−
Kỹ thuật Doppler – màu
−
Kỹ thuật Power Doppler – Doppler năng lượng
3.4.1.Âm thanh:
Tần số Doppler thuộc phạm vi tần số nghe được, bởi vậy trong hầu hết các thiết bị, tín
hiệu được khuyếch đại và phát qua loa nên chúng ta có thể nghe được tín hiệu Doppler. Âm
thanh nghe được bao gồm nhiều âm sắc và độ lớn khác nhau do nhiều thành phần tần số có biên
độ khác nhau.

Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
24








Hình 3.4 Xử lý và thể hiện tín hiệu bằng âm thanh
3.4.2. Phổ tần số theo thời gian:
Tín hiệu Doppler trong thu nhận khá phức tạp do bởi sự hiện diện của 2 thành phần vận
tốc trong một dòng chảy:
–

Dòng chảy tầng (Laminar flow): vận tốc lớn nhất ở giữa lòng mạch và nhỏ ở vị trí sát thành
mạch, tạo nên mặt nghiêng parabol của dòng chảy.
–

Dòng chảy rối (Turbulent flow): độ không đồng nhất của vận tốc các điểm trong dòng chảy cao
hơn nhiều và diễn biến không ngừng theo thời gian.

Hình 3.5. Các loại dòng chảy trong lòng mạch máu
Nếu chùm sóng âm và thể tích lấy mẫu đủ lớn so với đường kính lòng mạch những tín
hiệu hồi âm sẽ được thu nhận một cách đồng thời từ các tế bào máu đang di chuyển với tốc độ
khác nhau và tín hiệu Doppler thu nhậ
n là khá phức tạp.
Sóng siêu
â
m
Khối điều
ể
Bộ thu
Bộ phân
tích
phổ
Trộn sóng và
tái điều biến
Bộ phát
Đầu
dò
Tai
Lọc triệt dải
Luận văn tốt nghiệp

Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM
SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS. Huỳnh Quang Linh
25
Để khảo sát người ta phân tích tín hiệu phức tạp này thành những thành phần tần số

riêng biệt có biên độ tương ứng và biểu diễn theo sự diễn biến của thời gian.
Quá trình này được gọi là phân tích phổ, được thực hiện nhờ thủ thuật toán học phân tích
dãy Fourier (Fast fourier Transfrom-FFT). Phổ tần số theo thời gian thu được gọi là phổ Doppler.
Phổ Doppler của dòng chảy với các giá trị tần số được biểu thị trên trụ
c tung, thời gian trên trục
hoành, độ lớn hay biên độ của mỗi thành phần vận tốc được biểu thị bằng độ sáng tối theo thang
xám của màn hình.





Hình 3.6. Sự thể hiện phổ Doppler
Quá trình phân tích phổ FFT giống như sự phân tích của một hợp âm.
Nếu quá trình phân tích diễn ra liên tục thì phổ tần số sẽ được thể hiện theo thời gian
thực, trên phổ tần số có thể biểu th
ị cả phổ vận tốc theo tính toán của công thức Doppler.
Nói chung: với việc tín hiệu (tần số) Doppler được thể hiện thông qua phân bố phổ FFT,
trên đường phổ đó biên độ của tần số được

thể hiện bằng độ sáng tối của đường phổ (gọi là thông
qua Histogram). Như vậy phổ Doppler không chỉ cho ta biết có bao nhiêu giá trị tần số hiện diện
( tức là bao nhiêu giá trị vận tốc có trong dòng chảy khảo sát) mà còn cho biết bao nhiêu hạt vật
chất tạo nên tần số đó (mang hạt vật tốc đó) tại mỗi thời điểm.
3.4.3.Sự thể hiện theo từng loại vận tốc:
Từ phổ tần số hay phổ vận tốc tổng hợp từ toàn bộ tín hiệu nêu trên tại mỗi thời điểm
người ta có thể tách ra từng loại đường cong vận tốc riêng biệt và thể hiện trên màn hình. Thông
thường các loại đường cong sau đây được thể hiện:
–

V
max
(maximun curve): đường cong biểu thị các tần số cao nhất theo thời gian.