Đang tải... (xem toàn văn)
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 v
Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN Kể từ siêu âm ứng dụng vào y học (năm 1950) đến nay, trải qua nhiều tiến kỹ thuật chất lượng hình ảnh, siêu âm trở thành cơng cụ chuẩn đốn hình ảnh thơng dụng phổ biến trung tâm y tế bệnh viện, khuyến cáo tổ chức Y Tế Thế Giới phát triển phương tiện chẩn đốn hình ảnh nước phát triển ưu tiên phát triển kỹ thuật siêu âm hiệu quả, tiết kiệm vơ hại Phương pháp siêu âm chẩn đốn có lợi bật: khả ứng dụng rộng, thơng tin chẩn đốn cao, gọn nhẹ đặc biệt không gây tác dụng phụ Trong vài thập niên tới tiềm đẩy mạnh hiệu siêu âm chẩn đoán y học lớn lao Với lợi trang bị kiến thức vật lý y học năm khoa Khoa Học Ứng Dụng trường đại học Bách Khoa, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc thiết bị, học hỏi kinh nghiệm từ kỹ sư nhà sản xuất thiết bị hãng Siemens Tác giả có hội tìm hiểu sâu dạng chuẩn đốn hình ảnh phổ biến đại Cho nên mục tiêu luận văn khảo sát nghiên cứu sở ngun lí chung thiết bị, tìm hiểu sơ đồ thành phần thiết bị, tiến đến đánh giá yếu tố tác động đến chất lượng hình ảnh phạm vi ứng dụng thiết bị Với hướng tiếp cận đó, nội dung luân văn chia thành chương với nội dung sau: Chương , tảng sở hệ thống siêu âm Chương trình bày thiết bị để ghi hình siêu âm: đầu dị, thiết bị xử lí… Chương khảo sát thiết bị siêu âm hãng Siemens ứng dụng chẩn đốn hình ảnh cụ thể: tim mạch, sản phụ khoa, thận,….đặc biệt ứng dụng siêu âm doppler mô khảo sát tim Chương giới hạn kỹ thuật siêu âm Cuối kết luận kết đạt SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM CHƯƠNG 2.NGUYÊN LÍ, CƠ SỞ KỸ THUẬT CỦA SIÊU ÂM CƠ BẢN 2.1.Lịch Sử Ra Đời Của Siêu Âm Chẩn Đốn [3] Sóng âm làm dạng sóng học truyền môi trường vật chất cách truyền lượng từ phần tử đến phần từ khác Dải âm ta nghe có tần số từ 20Hz đến 20kHz Cịn với dải sóng âm có tần số lớn 20kHz gọi sóng siêu âm Tuy nhiên tần số cao, sóng siêu âm bị suy giảm nhanh truyền không khí nên siêu âm ứng dụng ngày Mãi đến chiến II, người ta áp dụng tính chất truyền nước siêu âm vào việc phát tàu ngầm, máy rà soát SONAR, giai đoạn này, siêu âm bí mật quân nên tới năm 1950 ứng dụng vào y học Đó cơng trình nghiên cứu Howry A-mode chẩn đốn phủ tạng Hình 2.1 Howry thiết bị ông nghiên cứu siêu âm phát kiến hai nhà bác học Igne Ender Hert việc ứng dụng sóng siêu âm để đo hoạt động tim vào năm 1954 Hình 2.2.Igne Ender Hert với thiết bị siêu âm SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Song song với phát kiến Irge Hezt, giáo sư Ian Donald với cộng ông bệnh viện Glasgow Royal Maternity Hospital ( GRMH ) GlasgowScotland lần ứng dụng sóng siêu âm vào việc chẩn đốn sản phụ khoa thức khẳng định an tồn sóng siêu âm thai nhi Ngày 7/6/1958 cơng bố kết nghiên cứu “Ứng Dụng Xung Siêu Âm Trong Khảo Sát Ổ Bụng” coi tài liệu quan trọng cho việc ứng dụng sóng siêu âm dùng chẩn đốn y tế Hình 2.3.Giáo sư Ian Donald Kế cơng trình cơng trình nghiên cứu sản phẩm giáo sư Kratochwil ( sinh năm 1928-Nhật) bắt đầu với với A-Mode (1968), B-mode (1972) 3D (1990) Hình 2.4.Kratochwil thiết bị Từ trở kỹ thuật siêu âm có nhiều đổi mới, cải thiện chất lượng hình ảnh mở rộng khả thăm khám trở thành cơng cụ chẩn đốn hình ảnh phổ biến Ta tìm hiểu đặc tính kỹ thuật SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM 2.2.Sự Hình Thành Của Sóng Âm Trong Mơi Trường [1] Trong mơi trường rắn, lỏng, khí phần tử môi trường liên kết chặt chẽ với tạo thành môi trường đàn hồi, phần tử mơi trường có vị trí cân bền Khi ta tác động lực lên phần tử mơi trường lực liên kết mà phần tử chung quanh, mặt kéo phần tử vị trí cân bằng, mặt khác chịu lực tác động thực dao động Hiện tượng tiếp tục xảy phần tử khác môi trường Những dao động lan truyền môi trường đàn hồi tạo thành sóng đàn hồi (hay sóng cơ) Do vị trí mơi trường trạng thái bình thường có mật độ phân tử ρ áp suất P cố định Khi có phần tử mơi trường dao động mật độ áp suất vị trí thay đổi Như chất lan truyền dao động lan truyền mật độ khối áp suất P Hình 2.5.Sự hình thành sóng âm mơi trường Bản chất sóng âm sóng học tuân theo quy luật sóng Như ta biết sóng phân loại theo phương dao động có loại: sóng ngang sóng dọc SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Sóng ngang: sóng mà phương dao động phần tử mơi trường vng góc với tia sóng, sóng xuất mơi trường có tính đàn hồi hình dạng, có vật rắn Sóng dọc: sóng mà phương dao động phần tử mơi trường trùng với tia sóng, sóng xuất môi trường chịu biến dạng thể tích, sóng truyền mơi trường rắn, lỏng khí Sóng siêu âm ứng dụng siêu âm chẩn đốn thuộc loại sóng dọc Áp suất khơng khí 2.3.Các đặc trưng chung sóng âm [1] Nén (tăng áp suất) Chu kỳ Áp suất bình thường Biên độ Dãn (tăng áp suất) t(ms) Thời gian Hình 2.6 Biểu diễn sóng âm theo thời gian – Chu kỳ T (m/s): khoảng thời gian sóng siêu âm thực q trình nén dãn hay cịn gọi dao động – Tần số f (Hz): số chu giây Mối liên hệ: T = 1/f = v/λ Sóng âm chia thành vùng tần số chính: Sóng âm có tần số cực thấp gọi vùng hạ âm (infrasound) có tần số f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn Sóng âm có tần số nghe (audible sound) có: f =16-20kHz Sóng siêu âm (ultrasound) có f > 20kHz Ví dụ: sóng âm phát từ dơi SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM – Bước sóng λ (m): quãng đường mà sóng truyền sau chu kỳ Hay gọi khoảng cách ngắn hai điểm có dao động pha − Vận tốc truyền sóng v c (m/s): v = / α ρ = B/ρ Trong đó: α: hệ số đàn hồi B = 1/α: suất đàn hồi (suất Yang) hay độ cứng môi trường ρ: khối lượng riêng hay mật độ mơi trường (kg/m3) ρ lớn mật độ phần tử môi trường nhiều, khả lan truyền dao động nhanh nên vận tốc lớn, cơng thức ρ tỉ lệ nghịch với v dù ρ có tăng tỉ lệ B/ρ lại tăng nhiều (trong thực nghiệm) nên vận tốc tăng theo ρ Thực nghiệm vận tốc lớn chất rắn đến chất lỏng cuối chất khí Bảng 2.1.Bảng mật độ vận tốc truyền sóng âm mơi trường thể SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Vật liệu Mật độ (kg/m3) Vận tốc (m/s) Khơng 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 Để đặc trưng cho độ lớn áp lực âm học mà phần tử môi trường nhận chịu tác động nguồn phát sóng âm, người ta sử dụng hai đại lượng công suất P cường độ I Công suất P (W mW): mức lượng truyền từ đầu dị vào mơi trường Thơng thường lượng phát từ đầu dị siêu âm chẩn đoán từ – 10 mW Cường độ I (W/cm2 mW/cm2 ): biểu thị lượng sóng âm đơn vị diện tích Trong y tế, siêu âm ứng dụng hai lĩnh vực chính: − Siêu âm chẩn đốn (tạo hình siêu âm): sử dụng tần số từ 2-30 MHz, sử dụng phổ biến dải số từ 2,5-10MHz Ngoài người ta sử dụng tần số khác đầu dị chun biệt Ví dụ: đầu dị siêu âm nội mạch (intraluminal) 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 Có thể dùng riêng kết hợp với điện trị liệu (trong máy kích thích điện) để tìm Trigger (điểm phát bệnh – điểm gốc) Tần SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM số thường dùng 700 – 900 kHz tùy theo hệ máy Cơng suất đầu dị 1- W/cm2 (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 phản hồi siêu âm từ tổ chức thể, phản hồi phụ thuộc vào: − Tốc độ truyền sóng âm mơi trường − Trở kháng âm môi trường − Sự hấp thụ tổ chức − Thơng số (f, λ) sóng âm cấu trúc hình học tổ chức 2.4.1 Tốc độ truyền sóng âm: Rất phụ thuộc vào môi trường truyền Từ bảng 1.1 ta thấy vận tốc truyền sóng âm mơi trường khác khác Tốc độ trung bình sóng âm tổ chức mô mềm v ≈ 1540 m/s Biết vận tốc truyền, đo thời gian sóng siêu âm ta xác định rõ bề mặt phản xạ 2.4.2 Trở kháng âm môi trường định luật truyền âm: Trở kháng âm z (rayls): độ dội lại sóng âm mơi trường: z = v*ρ ; Trong đó: v (m/s): vận tốc lan truyền sóng âm môi trường; ρ (kg/m3): mật độ môi trường Trở kháng âm có vai trị định biên độ sóng phản xạ mặt phân cách hai môi trường Bảng 2.2.trở kháng âm số mơi trường sinh học Mơi trường Z (rayls) Khơng khí 0,0004.106 Phổi 0,18 106 Mỡ 1,34 106 SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Nước 1,48 106 Gan 1,65 106 Máu 1,65 106 Thận 1,63 106 Cơ 1,71 106 Xương 7,8 106 Âm truyền theo tia gọi tia âm Thực nghiệm chứng tỏ tia âm bị phản xạ, khúc xạ, tán xạ hấp thụ tia sáng Phản xạ khúc xạ: gặp mặt phân cách đủ lớn (>> λ) hai mơi trường có trở kháng âm khác nhau, tia âm tuân theo định luật phản xạ khúc xạ Một phần lượng sóng âm phản xạ ngược trở lại phần lại truyền tiếp vào môi trường thứ hai Độ lớn lượng phản xạ phụ thuộc vào khác biệt trở kháng âm Δz hai môi trường Hệ số phản xạ K tính theo cơng thức: K = Pr/Pi = [(Z2 cos θt – Z1 cos θi)2/( Z2 cos θt + Z1 cos θi)]2 Trong đó: θi: góc tới; θr: góc phản xạ; θt: góc khúc xạ Pr: Biên độ áp lực sóng phản hồi Pi: Biên độ áp lực sóng tới Z2 , Z1 : trở kháng âm hai mơi trường Có hai trường hợp xảy ra: − Th1: tia tới vuông góc với mặt phân cách: θi=θr=0.Lúc sóng truyền qua hướng với sóng tới Khi hệ số phản xạ K = [(Z2- Z1)/( Z2+ Z1)]2 – Th2: góc tới θi ≠ Theo định luật phản xạ θi = θr Sóng truyền qua lúc khơng cịn hướng với sóng tới tạo góc θt # θi , tượng gọi tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận tốc truyền âm hai môi trường xác định công thức: SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung GVHD: TS Huỳnh Quang Linh Luận văn tốt nghiệp Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM Sin θt = (v2/v1) sin θi (Do theo định luật khúc xạ: n1 sin θi = n2 sin θt => c/v1 sin θi = c/v2 sin θt => Sin θt = (v2/v1) sin θi ; với c vận tốc ánh sáng, n1 n2 chiết suất hai môi trường) Nếu v2 > v1 => θt > θi góc tới θi đạt 900 góc khúc xạ θt vượt ngưỡng 900 khơng cịn tượng khúc xạ mà xảy tượng phản xạ toàn phần, góc tới giới hạn giá trị góc khúc xạ đạt 900 sin θigh = v2/v1 (do sin θt =1) Khi θi ≥ v2/v1 sóng âm không khúc xạ sang môi trường thứ hai bên mặt phân cách mà toàn lượng phản xạ trở lại mơi trường thứ Ngồi dù v2 > v1 hay v2 < v1 mà góc tới θi ≈ 900 (tia tới gần tiếp tuyến với mặt phân cách xảy cấu trúc hình cầu mặt cắt ngang cấu trúc ống) sóng âm trượt bề mặt phân cách mà không truyền tiếp vào môi trường thứ hai Từ hai công thức ta thấy hệ số phản hồi mặt phân cách hai môi trường phụ thuộc vào ΔZ = Z2- Z1 hai môi trường ΔZ lớn lượng phản xạ lớn phần nhỏ lượng sóng siêu âm xuống môi trường bên mặt phân cách Nếu ΔZ vừa đủ để nhận biết mặt phân cách phần lớn lượng sóng âm truyền xuống mặt phân cách tiếp tục cho thông tin cấu trúc bên mặt phân cách Trở kháng khác SVTH: Nguyễn Thị Cẩm Nhung Trở kháng khác nhiều 10 GVHD: TS Huỳnh Quang Linh ... 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 dạng sóng học truyền môi trường vật chất cách truyền lượng từ phần tử đến phần từ khác Dải âm ta... ta nghe có tần số từ 20Hz đến 20kHz Cịn với dải sóng âm có tần số lớn 20kHz gọi sóng siêu âm Tuy nhiên tần số cao, sóng siêu âm bị suy giảm nhanh truyền khơng khí nên siêu âm ứng dụng ngày Mãi... 2.1 Howry thiết bị ông nghiên cứu siêu âm phát kiến hai nhà bác học Igne Ender Hert việc ứng dụng sóng siêu âm để đo hoạt động tim vào năm 1954 Hình 2.2.Igne Ender Hert với thiết bị siêu âm SVTH:
![2.4.Cơ Sở Vật Lý Và Kỹ Thuật Của Phương Pháp Tạo Hình Bằng Siêu Âm[1] - 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.](https://media.store123doc.com/figures/001/119/so-vat-thuat-phuong-phap-tao-hinh-sieu-1119276.png)
