Bài giảng Kĩ thuật siêu âm

KĨ THUẬT SIÊU ÂM Những kiến thức bổ trợ: Kiến thức lí sinh y học: - Đại cương về sóng âm và siêu âm Kiến thức Vật lí: - Tính chất vật lí của siêu âm - Dao động và sóng - Nguyên lí nguồn phát siêu âm - Sóng âm Hướng dẫn: Hướng dẫn: - Xem Giáo trình Lí sinh -Xem: “ Giáo trình&sách tham khảo”, (Phần 1. Chương 1, bài 3). chọn “giáo trình vật lí lí sinh (phần 3 - Bài giảng dạng slide trong Chương 3 ) website lisinhstudy.tnu.edu.vn - Bài giảng dạng Slide và tài liệu tham - Tham khảo: Giáo trình Vật lí khảo trong lisinhstudy.tnu.edu.vn đại cương -Tham khảo : Giáo trình lí sinh y học ( Phan sĩ An-NXB Y học), Li sinh học ( Đoàn Suy Nghĩ, NXB ĐH Huế). Chủ đề 1: Bản chất vật lý của sóng siêu âm 1. Dao động và sóng – Sóng âm 1.1.Dao động Là một chuyển động được lặp lại nhiều lần theo thời gian. VD: con lắc đồng hồ, dao động của cây cầu treo, dao động của dòng điện trong mạch 1.2. Sóng Là sự lan truyền của tín hiệu (mang năng lượng), từ điểm này đến điểm kia trong một môi trường mà không có sự di chuyển thành dòng của các phần tử môi trường ... 1.3. Sóng âm – Siêu âm • Bản chất Âm do các vật dao động phát ra và được lan truyền ra môi trường dưới dạng sóng: Sóng âm Bản chất sóng âm là sóng cơ học VD: - Kéo dây đàn ra khỏi vị trị cân bằng rồi thả ra thì ta thấy nó dao động  Âm thanh phát ra và lan truyền (sóng âm). • Các thông số cơ bản * Chu kỳ dao động (T): * Biên độ dao động (h): * Tần số dao động (f): * Bước sóng (): * Tốc độ lan truyền của siêu âm (v): * Cường độ của sóng siêu âm (I): * Năng lượng của sóng siêu âm (I): 2. Các tính chất vật lý cơ bản của sóng âm • Hiện tượng phản xạ • Hiện tượng khúc xạ • Hiện tượng tán xạ • Hiện tượng nhiễu xạ • Hiện tượng hấp thụ • Hiệu ứng đople 2.1. Hiện tượng phản xạ + Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có âm trở khác nhau sẽ tạo nên hiện tượng phản xạ siêu âm, tuân theo định luật quang hình học. + Hệ số phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ số phản xạ siêu âm khác nhau. Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào âm trở của hai môi trường: R = (Z1 – Z2) / (Z1 + Z2) Trong đó Z1 và Z2 là âm trở của môi trường 1 và 2. Ví dụ: - Hiện tượng dội lại khi âm phát ra gặp vật cản (tường, núi) trong tự nhiên. - Giữa mô mềm và không khí, xương có Äz lớnhầu hết năng lượng của chùm siêu âm bị phản xạ lạidùng Gel. 2.2. Hiện tượng khúc xạ. - Là hiện tượng chùm siêu âm khi lan truyền trong một môi trường có âm trở khác bị lệch hướng đột ngột ngay tại mặt phân cách. - Sự khúc xạ siêu âm làm lệch nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến chùm siêu âm phản xạ và kết quả chẩn đoán. M S Px I M Kx 2.3. Hiện tượng tán xạ. Hiện tượng này xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các cấu trúc nhỏ (có kích thước <<) hoặc với bề mặt không đồng đều, khi đó tia siêu âm bị tán xạ theo mọi hướng và chỉ có 1 phần nhỏ tới được đầu dò Hiện tượng này không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, rất quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ...). 2.4. Hiện tượng nhiễu xạ. Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra.  Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm càng đi xa càng bị suy giảm. 2.5. HiÖn tîng hÊp thô: - Khi chïm siªu ©m truyÒn qua mét m«i trêng vËt chÊt chïm siªu ©m ®· truyÒn mét phÇn n¨ng lîng cho m«i trêng ®ã hay nã bÞ m«i trêng ®ã hÊp thô. - Sù hÊp thô phô thuéc vµo ®é dµy c¸c m«i trêng siªu ©m truyÒn qua, tÇn sè siªu ©m vµ hÖ sè hÊp thô cña m«i trêng. -fx Ix= I0 .e Ix: cường độ siêu âm đo được ở độ sâu x Io: cường độ siêu âm lúc đầu f : hệ số hấp thụ của môi trường. x : chiều dày của môi trường siêu âm đi qua. 2.6. Hiệu ứng Doppler Khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát âm và thiết bị thu âm, tần số âm thanh thu được sẽ thay đổi. Đó là hiệu ứng Dopple Cụ thể: + Bước sóng  ngắn lại khi đầu thu và phát lại gần nhau ( tần số tăng) và dài ra trong trường hợp xa nhau ra (tần số giảm). Ví dụ: tiêng còi tàu lúc đến và đi khác nhau. 3. 1. Nguyên lí nguồn phát siêu âm. Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một vật rắn, một màng căng hay một dây căng dao động đàn hồi. Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi phải có tần số trên 20 000Hz nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh, tinh thể Niken... Có hai cách phát siêu âm: + Dựa vào hiệu ứng áp điện. + Dựa vào hiện tượng từ giảo. 3.2. Hiệu ứng áp điện Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện. Người ta mạ hai mặt của bản để tạo thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phẳng Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều bản thạch anh bị biến dạng cong về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngược lại. Khi ta thay nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay HƯ áp điện chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sẽ liên tục bị biến dạng theo tần số của dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số trên 20 000Hz. 3.2. Hiện tượng từ giảo: - Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với một nguồn điện một chiều  độ dài của thanh sắt từ ngắn đi một ít : hiện tượng từ giảo - Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay chiều có tần số cao. Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên liên tục  thanh sắt từ dao động với tần số cự lớn và sẽ phát ra siêu âm ( với tần số > 20 000Hz). Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của thanh sắt từ. Nguồn phát siêu âm loại này có thể lên đến 1000MHz. Chủ đề 2: Cơ sở vật lý của kĩ thuật siêu âm. 1. Nguyên lí chung: Tương tác của sóng siêu âm với các tổ chức trong cơ thể, sự tương tác này phụ thuộc vào: + Tốc độ truyền của sóng siêu âm trong môi trường. + Trở kháng âm của môi trường. + Sự hấp thụ của tổ chức. + Thông số (f,) của sóng siêu âm + Cấu trúc hình học của tổ chức sống 2. Tốc độ lan truyền siêu âm qua các môi trường sinh học. M«i trêng Tèc ®é siªu ©m (m/s) Da vµ tæ chøc díi da 1408 Mì 1450(330) Níc èi 1500 C¬ 1585(330) Cæ tö cung 1560 Tæ chøc xèp 1540 X¬ng sä thai 3000 ThËn 1581(330) N·o thai 1514 X¬ng dµi 4080(330) (Tốc độ siêu âm trung bỡnh qua cơ thể con người là 1500-1600m/s) 3. Âm trở (Z): Mỗi một môi trường có đặc điểm cấu trúc, tính chất và mật độ khác nhau gây ra những cản trở vận tốc siêu âm khác nhau. Sự cản trở đó là âm trở của môi trường. Âm trở của môi trường tỉ lệ với mật độ của môi trường và tốc độ lan truyền siêu âm. Z= .v Z: âm trở. : mật độ của môi trường. v: tốc độ lan truyền siêu âm. Âm trở của một số môi trường M«i trêng ¢m trë (g/cm2.s) Níc 37oC 1,49.105 Kh«ng khÝ 0,0004.105 M«i trêng sinh vËt DÞch m¾t 1,5.105 Tinh thÓ m¾t 1,52.105 N·o 1,54.105 C¬ 1,60.105 M¸u 1,60.105 ThËn 1,62.105 L¸ch 1,64.105 Gan 1,65.105 X¬ng ®Æc 6,10.105 2,55.105 X¬ng xèp 4. Phân loại sóng âm. 4.1. Phân loại theo phương dao động: - Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng (môi trường có tính đàn hồi về hình dạng  có ở vật rắn). - Sóng dọc: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng (môi trường chịu biến dạng về thể tíchtruyền qua được chất rắn, khí, lỏng). Sóng siêu âm là sóng dọc 4.2. Phân loại theo tần số: + Hạ âm: f <16 Hz + Sóng âm có tần số nghe thấy: f = 16- 20KHz. + Siêu âm: f > 20 KHz.  Ứng dụng trong y học: 700 KHz- 50 MHz (chẩn đoán: 2MHz-50MHZ) Chủ đề 3. Kĩ thuật siêu âm 1. Cấu tạo tổng quát của máy siêu âm. Đồng hồ Máy phát sóng Đầu dò Bộ tách sóng HIỆN HINH Bộ nhớ ảnh Bộ kiểm soát độ hội tụ Xử lý sau khi chụp 2. Nguyên lý cấu tạo đầu dò Đầu dò siêu âm gồm một đơn vị tinh thể có tính áp điện để trong một buồng làm bằng chất nhựa (tinh thể là một tấm mỏng thạch anh hoặc Barium titanate được nối 2 cực dòng điện của máy). Trong buồng nhựa còn chứa một môi trường hỗ trợ nhằm định hướng nguồn siêu âm phát ra, môi trường này sẽ hấp thụ nguồn siêu âm phát ngược lại  Đầu dò vừa phát sóng, vừa thu sóng. 3. Nguyên lí thu – phát 3.1. Nguyên lý thu siêu âm. + Hiện tượng áp điện thuận: 3.2. Nguyên lý phát siêu âm. + Hiện tượng áp điện nghịch: 4. Các loại đầu dò phổ biến. Dựa vào nguyên lý trên  chế tạo các loại đầu dò đơn, đầu dò ghép, và thay đổi hình dạng để thuận tiện ứng dụng trong lâm sàng: - Loại quét hình vòng cung phát nguồn siêu âm qua nước thẳng trực tiếp vào da theo hình vòng cung theo hướng hội tụ. - Loại quét thẳng vào cơ thể theo hướng phân kỳ. - Loại chùm siêu âm phát ngược lên một gương phản chiếu theo hướng phân kỳ rồi phản xạ lại theo hướng song song vào cơ thể. - Loại vừa phát vừa xoay tròn để cho chùm siêu âm từ trong phát ra theo hình tròn. Hình minh họa các loại đầu dò: Trên thực tế có các loại đầu dò sau: - Linear Array: cấu tạo từ 1 dãy n tinh thể đơn xếp thành hàng, ứng dụng siêu âm vùng bụng, sản-phụ khoa, tuyến giáp - Đầu dò Convex: tinh thể xếp thành đường cong, quét hinh rẻ quạt, ứng dụng siêu âm vùng bụng, Pelvis. - Đầu dò Sector điện tử (Phased Array): SA khe liên sườn, SA-nội soi. - Đầu dò Sector cơ khí: ứng dụng siêu âm tim, sản Phụ khoa, âm đạo... Vấn đề 4 : ứng dụng siêu âm trong y học 1. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG ĐIỀU TRỊ. CƠ CHẾ: KHI TÁC DỤNG LÊN CÁC TẾ BÀO VÀ CÁC TỔ CHỨC SỐNG, SIÊU ÂM GÂY RA 3 HIỆU ỨNG: - HIỆU ỨNG CƠ HỌC - HIỆU ỨNG NHIỆT HỌC - HIỆU ỨNG HOÁ HỌC CỎC HIỆU ỨNG NÀY LÀM THAY ĐỔI TÍNH CHẤT VÀ CHỨC NĂNG SINH LÝ CỦA CÁC TỔ CHỨC TRONG CƠ THỂ. 1.1. Hiệu ứng cơ học : Sóng siêu âm gây ra tại chỗ những biến đổi áp lực và những dịch chuyển các phần vật chất xung quanh vị trí cân bằng của chúng làm nén giãn môi trường  ở vùng giãn liên kết của các phần tử có thể bị đứt gãy (hiện tượng tạo lỗ vi mô). Tác dụng sinh học: + Với chùm siêu âm có cường độ vừa và nhỏ (<20 kW/m2)  tăng tính thẩm thấu của màng tế bào và sự dịch chuyển của bào tương  các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động nhẹ (xoa bóp tế vi)  điều trị viêm tế bào. + Với chùm siêu âm có cường độ mạnh, hiện tượng tạo lỗ làm rách màng tế bào, biến dạng nhân phá huỷ tế bào. ứng dụng: trong chống đông máu, diệt trùng, phá huỷ tổ chức trong sâu (sỏi thận, u tuyến...), sử dụng trong phẫu thuật thần kinh,... + Chế tạo ra các loại nhũ tương, các khí dung với những hạt có kích thước bé. 1.2. Hiệu ứng nhiệt. - Nội dung: Phần lớn năng lượng mà chùm siêu âm được chuyển sang dạng nhiệt làm tăng nhiệt độ môi trường (xảy ra nhiều nhất ở các mặt ngăn cách giữa hai môi trường có mật độ khác nhau). - Tác dụng sinh học: giãn mạch, tăng cường dinh dưỡng, chống teo cơ, chống co thắt cơ, chống viêm, chống đau dây thần kinh, đau khớp. 1.3. Hiệu ứng hoá học. Sóng siêu âm có thể gây ra các phản ứng mà ở điều kiện bình thường khó xảy ra hoặc có vai trò làm xúc tác các phản ứng hoá học. Siêu âm làm tăng các phản ứng phân ly các hợp chất hữu cơ, làm tăng sự ion hoá và tạo ra nhiều gốc tự do trong môi trường. - Tỏc dụng sinh học: Đối với mô sinh học: siêu âm làm thay đổi những đặc tính của nó (như độ pH, điểm đẳng điện, áp suất thẩm thấu, áp suất keo)  Siêu âm cũng làm thay đổi sự chuyển hoá vật chất và hoạt tính các men sinh học trong cơ thể.  điều trị bệnh cao huyết áp, các bệnh dạ dày (thay đổi độ toan của dịch vị). - Lưu ý: Trong điều trị thường dùng siêu âm có tần số 20KHz – 1MHz  không dùng siêu âm để điều trị cho người có thai, đang bị sốt, mắc bệnh lao và trẻ em. 2. ứng dụng của siêu âm trong chẩn đoán. Cơ sở: Sóng siêu âm khi truyền qua các tổ chức sống trong cơ thể sẽ bị hấp thụ hoặc phản xạ. Kết quả phụ thuộc vào tính chất, cấu trúc của các tổ chức sống gián tiếp phản ánh tình trạng, cấu trúc của các tổ chức sống thông qua hình ảnh sóng siêu âm trên màn hình. Có hai kiểu sóng phản xạ: + Sóng xung phản xạ kiểu A (A-scope): - Là phương pháp ghi đo sóng phản xạ trên một bình diện. Đầu phát sóng được hướng vào vùng đo. Khi gặp phải vật hoặc môi trường có âm trở khác sẽ phát sóng xung phản xạ. Các sóng xung đó được biến thành xung điện và được ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang (hình parabol ngược có độ cao, độ rộng hẹp khác nhau). Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng cách) xuất hiện mà ta chẩn đoán được bệnh. - Phương pháp này hay được dùng để tìm dị vật, các ổ áp xe, ổ tụ máu trong não, trong sản phụ. Sơ đồ minh hoạ (A-scope) Biên độ (mm) Tần số (Hz) t1 t2 + Sóng xung phản xạ kiểu B (B-scope). - Đó là phương pháp xung phản xạ trên hai bình diện. Các sóng xung phản xạ được thể hiện bằng những chấm có độ sáng khác nhau tuỳ thuộc cường độ sóng xung, nó phản ánh hình ảnh hai bình diện của đối tượng nghiên cứu. - Sóng xung phản xạ kiểu B được áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh gan, mật, mắt, tim Sơ đồ minh hoạ (B-scope) + Siêu âm chẩn đoán kiểu TM (Time-motion) - kiểu M. - Cơ sở: 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 diến biến thời gian với các tốc độ quét khác nhau. - Kết quả: nếu nguồn hồi âm đứng yên thì tạo ra đường thẳng ngang qua màn hình, nếu mặt phản hồi chuyển động đường cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi. - ứng dụng: nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch..) là cơ sở của phương pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm. 2.2. Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler. - Là hiện tượng sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động (tế bào hồng cầu, thành mạch, cơ co...), khi đó tần số của sóng phản hồi khác với tần số sóng tới. - Tần số sóng siêu âm thu được biểu hiện bằng một đường cong phản ánh tốc độ tức thời của máu tại nơi thăm khám (trạng thái bình thường mỗi mạch máu có một đường cong đặc trưng liên quan rõ rệt với đường kính cũng như vùng tưới máu của nó). - Phương pháp này dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần hoàn ngoại biên như viêm tắc động mạch, tĩnh mạch, rò động mạch.(Thí dụ: có thể thăm khám các mạch máu lớn bằng hiệu ứng Doppler). MỘT SỐ VÍ DỤ CHẨN ĐOÁN SIÊU ÂM TRONG SẢN PHỤ KHOA SIÊU ÂM MODE B (2D REAL TIME) SIÊU ÂM MODE TM Siêu âm TM van nhĩ thất Mode DOPPLER Siêu âm Doppler dùng thăm dò hệ thống tuần hoàn mẹ con: Doppler xung, Doppler màu, Doppler tăng cường năng lượng DOPPLER MẦU DOPPLER THAI Doppler rốn binh thường Siêu âm 3D Siêu âm Mode Triplan Siêu âm ba chiều [3D] hiện nay đang sử dụng còn gọi là 3D thời gian thật. SIÊU ÂM MODE triplan SIÊU ÂM 3D MODE REAL TIME SIÊU ÂM 3D MODE bề mặt