C¬ së vËt lý cña ph¬ng ph¸p chÈn ®o¸n siªu ©m

KS Ph¹m Ngäc Hoµn

HiÖu øng ¸p ®iÖn trªn tinh thÓ th¹ch anh (quartz) ®· ®îc ph¸t hiÖn

tõ cuèi thÕ kû 19. Nhng m·i ®Õn cuèi nh÷ng n¨m 30 cña thÕ kû nµy,

siªu ©m míi ®îc ®a vµo øng dông trong c«ng nghiÖp vµ sau ®ã mét

chót lµ trong y häc. Ngêi ®Çu tiªn ¸p dông siªu ©m vµo trong y häc lµ

Dussik, n¨m 1932, víi ý ®å kh¶o s¸t vÒ n·o. Nhê nh÷ng thµnh tùu ®¹t ®îc

vÒ RADAR SONAR trong ®¹i chiÕn thÕ giíi thø lÇn thø hai, tõ nh÷ng

n¨m 50 hµng lo¹t c¸c c«ng tr×nh nghiªn cøu vÒ sö dông siªu ©m trong y

häc ®· ra ®êi. Trong ®ã næi bËt lµ ý tëng cña Satomura, n¨m 1957, dïng

hiÖu øng Doppler - Siªu ©m ®Ó ®o tèc ®é dßng ch¶y cña m¸u. Vµo

nh÷ng n¨m 60 ®· xuÊt hiÖn c¸c thiÕt bÞ siªu ©m chÈn ®o¸n hai b×nh

diÖn - kiÓu B tÜnh; vµ bíc sang thËp kû 70, cïng víi sù ph¸t hiÖn cña

c«ng nghÖ ®iÖn tö - m¹ch tæ hîp, m¹ch vi xö lý ®· ra ®êi c¸c m¸y siªu

©m chÈn ®o¸n víi thêi gian thùc: kiÓu B ®éng. Sù kÕt hîp cña ph¬ng

ph¸p siªu ©m - kiÓu B ®éng vµ ph¬ng ph¸p ®o dßng ch¶y b»ng hiÖu

øng Doppler ®· t¹o ra kiÓu t¹o ¶nh t« mµu dßng ch¶y trªn nÒn ¶nh hai

b×nh diÖn ®en/ tr¾ng, nay thêng gäi lµ ph¬ng ph¸p t¹o ¶nh mµu, lµ mét

bíc tiÕn quan träng trong chÈn ®o¸n siªu ©m, më réng ph¹m vi th¨m

kh¸m, ®Æc biÖt lµ trong th¨m kh¸m tim m¹ch, víi nh÷ng c«ng cô tÝnh

to¸n qua c¸c phÇn mÒm vµ nèi kÕt víi m¸y tÝnh.

1. Nh¾c l¹i mét sè kh¸i niÖm vÒ dao ®éng c¬ häc:

- Dao ®éng c¬ häc lµ dao ®éng ®µn håi ®îc truyÒn trong m«i trêng

vËt chÊt. Nã kh«ng thÓ truyÒn ®îc trong ch©n kh«ng (kh«ng khÝ)

nh tia X - sãng ®iÖn tõ.

- Dao ®éng, hay sãng ®îc ®Æc trng bëi c¸c ®¹i lîng :

• TÇn sè f: sè dao ®éng trong mét ®¬n vÞ thêi gian - ®¬n vÞ Herz -

Hz. 1kHz = 1000Hz, 1MHz = 1.000.000 Hz

1

• Chu kú T: thêi gian gi÷a hai ®Ønh liªn tiÕp

• f = 1/T

• Biªn ®é : §é lín cùc ®¹i gi÷a hai ®Ønh

• Bíc sãng λ : qu·ng ®êng ®i ®îc trong thêi gian mét chu kú

- Siªu ©m ( S.A ) lµ mét lo¹i dao ®éng c¬ häc:

• TÇn sè díi 20 Hz : H¹ ©m

• TÇn sè trong kho¶ng 20Hz - 20.000Hz : ¢m tÇn - ©m thanh nghe

®îc

• TÇn sè lín h¬n 20.000Hz : Siªu ©m

- §èi víi S.A, vÒ mÆt n¨ng lîng, ngêi ta thêng chia ra lµm ba d¶i nhá:

• 20kHz - 1MHz : thêng dïng trong c«ng nghiÖp vµ ®iÒu trÞ

• 1MHz - 1GHz : thêng dïng trong chÈn ®o¸n

• Trªn 1GHz: thêng dïng trong nghiªn cøu cÊu tróc, thÝ dô kÝnh

hiÓn vi S.A

Sù ph©n chia trªn chØ mang tÝnh chÊt íc ®Þnh

- Trong S.A chÈn ®o¸n ngêi ta thêng dïng hai d¹ng sãng :

• D¹ng sãng liªn tôc : dao ®éng h×nh sin liªn tôc

• D¹ng sãng xung : dao ®éng h×nh sin ng¾t qu·ng

2

H×nh 1

- Trong ph¬ng ph¸p ®o tèc ®é dßng m¸u b»ng hiÖu øng

Doppler - ph¬ng ph¸p Doppler: ngêi ta dïng sãng S.A liªn tôc vµ ngîc

l¹i trong ph¬ng ph¸p t¹o ¶nh S.A hai chiÒu, sãng S.A ®îc ph¸t ng¾t

qu·ng - sãng xung.

- Tèc ®é truyÒn cña sãng lµ qu·ng ®êng ®i ®îc trong mét ®¬n vÞ thêi

gian. Tèc ®é truyÒn cã liªn quan ®Õn tÇn sè vµ bíc sãng cña sãng

S.A theo hÖ thøc sau :

C lµ tèc ®é truyÒn cña sãng S.A trong mét m«i trêng vËt chÊt cho trícλ lµ bíc sãngf lµ tÇn sè cña sãng S.A

- Khi tÇn sè t¨ng lªn, bíc sãng sÏ gi¶m ®i, v× vËy ®é ph©n gi¶i sÏ t¨ng

lªn khi dïng ®Çu dß cã tÇn sè cao.

- Tèc ®é truyÒn thay ®æi tuú thuéc vµo m«i trêng vËt chÊt mµ sãng

truyÒn qua

B¶ng 1

M«i trêng Tèc ®é m/sKh«ng khÝ 331

Mì 1450Níc 1540

Tæ chøc mÒm 1540Gan 1549ThËn 1561M¸u 1570C¬ 1585

X¬ng 4080

3

C = λ.f

H×nh 2§é dµi xung ( pulse duration ) : thêi gian ph¸t xungChu kú lÆp l¹i cña xung ( pulse repetition period ): thêi gian gi÷a hai lÇn ph¸t xung.TÇn sè lÆp l¹i cña xung (pulse repetition frequency - PRF ) : nghÞch ®¶o cña

chu kú lÆp l¹i cña xung.

- Cêng ®é: cêng ®é cña sãng S.A ®îc biÓu thÞ b»ng Watt (n¨ng lîng)

trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch cm2. Cêng ®é phô thuéc vµo tèc ®é truyÒn vµ

mËt ®é vËt chÊt cña m«i trêng truyÒn. Cêng ®é suy gi¶m khi truyÒn

trong m«i trêng nhng tÇn sè cña sãng vÉn gi÷ nguyªn kh«ng ®æi.

- Cêng ®é S.A t¬ng ®èi ®îc ®o b»ng dB. Kh¸c víi cêng ®é, ®¹i lîng

nµy lµ mét ®¹i lîng t¬ng ®èi.

- dB b»ng mét phÇn mêi cña B (bel), lµ logarit c¬ sè mêi cña tû sè gi÷a

hai cêng ®é cña hai chiÒu S.A (hoÆc mét chïm S.A t¹i c¸c thêi ®iÓm

kh¸c nhau hay vÞ trÝ trong kh«ng gian kh¸c nhau).

B = log10 I1 / I0 (1)

dB cã thÓ d¬ng hay ©m. NÕu dB d¬ng, chøng tá n¨ng lîng ®îc t¨ng

lªn, cßn nÕu dB ©m - n¨ng lîng bÞ suy gi¶m

B¶ng 2

dB d¬ng Cêng ®é

( W/cm2 )

dB ©m Cêng ®é % cßn l¹i

trong chïm tia0 1 0 1001 1.26 -1 792 1.59 -2 633 2.00 -3 504 2.51 -4 405 3.16 -5 32

2. Sù truyÒn cña sãng S.A trong m«i tr êng vËt chÊt

2.1 Sù truyÒn trong m«i trêng ®ång nhÊt:

- M«i trêng ®ång nhÊt lµ m«i trêng chØ cã mét lo¹i vËt chÊt, ®îc ®Æc

trng bëi th«ng sè ρ lµ mËt ®é cña vËt chÊt t¹o nªn m«i trêng.

- Khi truyÒn trong m«i trêng, cêng ®é cña sãng sÏ bÞ suy gi¶m. N¨ng l-

îng bÞ tiªu t¸n sÏ chuyÓn thµnh nhiÖt lîng (lµm nãng m«i trêng). Gäi I0

4

lµ cêng ®é cña sãng t¹i ®iÓm A vµ Ix lµ cêng ®é cña nã t¹i ®iÓm B

c¸ch A mét kho¶ng lµ x th× sù liªn hÖ sÏ lµ :

Io = Ix e* ( -α.x ) (2)

- Trong ®ã α lµ hÖ sè hÊp thô, ®Æc trng cho mét lo¹i m«i trêng. HÖ

sè α phô thuéc vµo tÇn sè cña sãng truyÒn, nhiÖt ®é cña m«i trêng

truyÒn. HÖ sè α tû lÖ thuËn víi tÇn sè, nghÜa lµ khi tÇn sè t¨ng, hÖ

sè α còng t¨ng, do ®ã cêng ®é sÏ bÞ suy gi¶m nhanh trªn cïng mét

qu·ng ®êng truyÒn so víi sãng S.A cã tÇn sè thÊp h¬n

- Tõ biÓu thøc (2), kÕt hîp víi biÓu thøc (1) ta thÊy r»ng hÖ sè α cã

thÓ biÓu thÞ qua dB/cm víi mét tÇn sè nhÊt ®Þnh. Trong S.A hÖ sè

α thêng ®îc tÝnh theo dB/cm ë tÇn sè 1MHz. B¶ng 3 cho ta hÖ sè α

cña mét sè chÊt thêng hay gÆp trong c¬ thÓ ngêi

B¶ng 3

ChÊt HÖ sè hÊp thô dB/cmPhæi 41

Hép sä 20Kh«ng khÝ 12

C¬ 3.3ThËn 1.0Gan 0.94N·o 0.85Mì 0.63

M¸u 0.18Níc 0.0022

- Tõ b¶ng trªn ta thÊy, thÝ dô ®èi víi thËn, khi sãng S.A víi tÇn sè

1MHz truyÒn qua mét líp cña thËn cã ®é dµy lµ 1cm sÏ suy gi¶m

1dB.

- Theo b¶ng 2, cêng ®é cßn l¹i cña chïm tia sÏ lµ 79% sau khi ®· ®i

qua 1cm thËn, cßn cêng ®é bÞ hÊp thô lµ 21%. Trong khi ®ã ®èi víi

c¬ ( α = 3.3 ), sù hÊp thô t¨ng lªn h¬n 50%, vµ ®èi víi níc th× sù hÊp

thô lµ kh«ng ®¸ng kÓ.

5

- Quan hÖ gi÷a hÖ sè α vµ tÇn sè kh«ng ph¶i lµ hoµn toµn tuyÕn

tÝnh. Tuy nhiªn trong ph¹m vi d¶i tÇn sè dïng trong S.A chÈn ®o¸n,

cã thÓ mét c¸ch gÇn ®óng, xem mèi quan hÖ nµy lµ tuyÕn tÝnh,

nghÜa lµ khi tÇn sè sãng S.A lµ 2MHz th× hÖ sè hÊp thô α sÏ t¨ng

gÇn gÊp ®«i.

- Nh vËy víi chïm sãng S.A cã tÇn sè x¸c ®Þnh tríc, qu·ng ®êng

truyÒn cµng t¨ng lªn th× n¨ng lîng tiªu t¸n cµng t¨ng lªn. Do ®ã trong

S.A chÈn ®o¸n ngêi ta còng thêng hay dïng kh¸i niÖm ®é xuyªn s©u

thay thÕ cho hÖ sè hÊp thô α.

2.2. Sù truyÒn trong m«i trêng kh«ng ®ång nhÊt

- Trë kh¸ng ©m:

• Lµ mét ®¹i lîng vËt lý c¬ b¶n ®Æc trng cho mét m«i trêng vËt chÊt

mµ sãng S.A truyÒn qua.

• Trë kh¸ng ©m z ®îc biÓu thÞ qua mËt ®é vËt chÊt ρ vµ tèc ®é

truyÒn cña sãng S.A trong m«i trêng ®ã qua biÓu thøc :

z = ρ.c

• Trë kh¸ng ©m gÇn nh kh«ng ®æi theo tÇn sè (trong d¶i tÇn sè th-

êng dïng trong chÈn ®o¸n). B¶ng díi ®©y cho ta mét sè gi¸ trÞ cña

trë kh¸ng ©m ®èi víi mét sè chÊt thêng gÆp trong c¬ thÓ ngêi

B¶ng 4

ChÊt Trë kh¸ng ©m ( g/cm2.sec.10-5 )Kh«ng khÝ 0.0004Mì 1.38Níc 1.54N·o 1.58M¸u 1.61ThËn 1.62Gan 1.65C¬ 1.70Hép sä 7.8

- MÆt ph©n c¸ch gi÷a hai m«i trêng ®ång nhÊt

6

MÆt ph©n c¸ch gi÷a hai m«i trêng cã trë kh¸ng ©m kh¸c nhau, thÝ

dô, gi÷a

m«i trêng níc vµ kh«ng khÝ (1.54/0.0004), m¸u vµ thËn (1.61/1.62).

- HiÖn tîng khóc x¹ vµ ph¶n x¹

H×nh 3

• Khi sãng S.A truyÒn tõ m«i trêng cã trë kh¸ng ©m lµ z1 sang m«i

trêng cã trë kh¸ng ©m lµ z2, trªn mÆt ph©n c¸ch, cã mét phÇn sÏ

ph¶n x¹ l¹i, quay trë l¹i m«i trêng z1, mét phÇn sÏ qua mÆt ph©n

c¸ch ®Ó tíi m«i trêng z2 - phÇn truyÒn qua . Gãc gi÷a chïm tia tíi i

vµ chïm ph¶n x¹ r, so víi ph¬ng vu«ng gãc víi mÆt ph©n c¸ch lµ

b»ng nhau. Gãc cña chïm tia truyÒn qua t vµ gãc i cã mèi liªn quan

víi nhau qua biÓu thøc :

• Sin i / Sin t = C1/C2

• Trong ®ã C1 vµ C2 lµ tèc ®é truyÒn cña sãng S.A trong m«i trêng

1 vµ m«i trêng 2 ( t¬ng øng cã trë kh¸ng ©m lµ z1 = ρ1.c1 vµ z2 =

ρ2.c2 ).

- Khi chïm tia tíi lµ vu«ng gãc víi mÆt ph©n c¸ch:

7

H×nh 3b

• Chïm tia tíi, chïm tia ph¶n x¹ vµ chïm tia truyÒn qua lµ cã cïng mét

ph¬ng.

• Chóng ta sÏ kh¶o s¸t chi tiÕt trêng hîp ®Æc biÖt nµy v× ®©y

chÝnh lµ c¬ së vËt lý cña ph¬ng ph¸p t¹o h×nh S.A .

• N¨ng lîng cña chïm sãng S.A khi tíi mÆt ph©n c¸ch sÏ bÞ chia lµm

hai phÇn, mét phÇn lµ n¨ng lîng ph¶n x¹ - quay trë vÒ nguån ph¸t -

vµ mét phÇn lµ n¨ng lîng truyÒn qua sÏ tiÕp tôc truyÒn vµo m«i tr-

êng. HÖ sè ph¶n x¹, cho ta biÕt phÇn cña n¨ng lîng ph¶n x¹ khi

chïm sãng S.A tíi mÆt ph©n c¸ch, ®îc x¸c ®Þnh qua trë kh¸ng ©m

z1 cña m«i trêng 1 va trë kh¸ng ©m z2 cña m«i trêng 2 qua biÓu

thøc :

ThÝ dô khi sãng S.A truyÒn tõ kh«ng khÝ (m«i trêng 1) vµo mì (m«i

trêng 2) hÖ sè ph¶n x¹ R sÏ lµ (xem c¸c gi¸ trÞ nµy ë b¶ng 4)

Cã nghÜa lµ 99.8% n¨ng lîng bÞ ph¶n x¹ trë l¹i. Nhng nÕu sãng S.A

truyÒn tõ mì vµo thËn

Th× n¨ng lîng ph¶n x¹ sÏ lµ 0.64%.

8

R = [(z2 - z1)/ (z2 + z1 )]2

R = [( 1.38 - 0.0004)/ ( 1.38 + 0.0004)]2 = 0.998

R = [(1.62 - 1.38 )/ ( 1.62 + 1.38 )]2 = 0.0064

- Tæng cña n¨ng lîng ph¶n x¹ vµ n¨ng lîng truyÒn qua, chÝnh lµ n¨ng l-

îng cña chïm sãng S.A tíi. Nh vËy trong thÝ dô 1, chØ cßn cã 0.2%

n¨ng lîng ®îc truyÒn vµo m«i trêng 2 so víi 99.36% trong thÝ dô 2. Tõ

®©y ta cã thÓ suy ra r»ng nÕu trë kh¸ng ©m cña hai m«i trêng cµng

kh¸c nhau nhiÒu bao nhiªu th× phÇn n¨ng lîng ph¶n x¹ sÏ cµng lín bÊy

nhiªu. §iÒu nµy cã ý nghÜa rÊt quan träng trong chÈn ®o¸n S.A.

- Chó ý r»ng sãng ph¶n x¹ còng nh sãng truyÒn qua vÉn gi÷ nguyªn

cïng tÇn sè víi sãng tíi.

- MÆt ph©n c¸ch nãi ë trªn lµ trêng hîp mang tÝnh lý thuyÕt. Trong

thùc tÕ c¸c c¬ quan còng nh tæ chøc cña nã cã ®êng bao vµ cÊu

tróc rÊt phøc t¹p. NÕu mÆt ph©n c¸ch kh«ng hoµn toµn ph¼ng th×

ngoµi hiÖn tîng ph¶n x¹ vµ hiÖn tîng truyÒn qua ®· nãi ë trªn cßn x¶y

ra hiÖn tîng t¸n x¹, nghÜa lµ chïm sãng ph¶n x¹, ngoµi chïm sãng ®i

theo cïng ph¬ng vµ ngîc chiÒu víi chïm sãng tíi cßn cã c¸c sãng ph¶n

x¹®i theo c¸c ph¬ng kh¸c nhau víi n¨ng lîng ®îc ph©n bè trong kh«ng

gian phô thuéc vµo gãc sãng. Tuy nhiªn phÇn n¨ng lîng nµy lµ rÊt

nhá.

H×nh 4

3. Sù ph¸t sinh cña sãng siªu ©m - §Çu dß siªu ©m

- Mét sè vËt liÖu ®Æc biÖt cã tÝnh chÊt lµ khi ®Æt mét ®iÖn trêng lªn

nã, nã sÏ bÞ biÕn d¹ng, vµ ngîc l¹i khi t¸c ®éng mét lùc c¬ häc, trªn

vËt liÖu ®ã sÏ xuÊt hiÖn mét ®iÖn trêng. Lo¹i vËt liÖu ®ã ®îc gäi lµ

vËt liÖu ¸p ®iÖn vµ hiÖu øng trªn ®îc gäi lµ hiÖu øng ¸p ®iÖn. HiÖu

9

øng nµy lÇn ®Çu tiªn ®îc Pierre vµ Jacques Curie ph¸t hiÖn n¨m

1880 trªn lo¹i vËt liÖu ¸p ®iÖn lµ th¹ch anh.

- Khi ta ®Æt mét ®iÖn trêng thay ®æi lªn mét b¶n vËt liÖu ¸p ®iÖn,

b¶n nµy sÏ thay ®æi theo ®óng nh sù thay ®æi cña ®iÖn trêng.

ChÝnh sù biÕn d¹ng theo chu kú nµy g©y nªn c¸c sãng c¬ häc. NÕu

®iÖn trêng thay ®æi víi tÇn sè f, sãng c¬ häc còng cã hiÖn tîng t¬ng

tù. Do ®ã muèn t¹o nªn sãng S.A víi tÇn sè ®Þnh tríc, ta ph¶i t¹o ra

dao ®éng ®iÖn trêng cã tÇn sè ®óng b»ng tÇn sè ®· ®Þnh tríc cña

sãng S.A

- §©y chÝnh lµ nguyªn lý t¹o sãng S.A trong m¸y S.A chÈn ®o¸n.

- Khi sãng S.A tíi t¸c ®éng lªn b¶n vËt liÖu ¸p ®iÖn, hiÖu øng ngîc x¶y

ra, vµ ta sÏ thu ®îc mét ®iÖn trêng thay ®æi ®óng b»ng sù thay ®æi

cña sãng S.A . §ã lµ nguyªn lý t¹o ¶nh S.A qua sãng S.A ph¶n x¹ vÒ

tõ c¸c mÆt ph©n c¸ch.

10

H×nh 5

H×nh 6

§Çu dß S.A lµ mét dông cô dïng ®Ó ph¸t ra sãng S.A khi ®Æt lªn ®ã

mét dßng ®iÖn xoay chiÒu vµ sÏ sinh ra mét dßng ®iÖn khi cã sãng S.A

t¸c ®éng lªn nã. Trªn h×nh 7 lµ c¸c thµnh phÇn c¬ b¶n cña mét ®Çu dß.

Thµnh phÇn chÝnh cña nã lµ mét b¶n ¸p ®iÖn, víi chiÒu dµy thay ®æi

tuú theo tÇn sè cña sãng S.A cÇn ph¸t - tÇn sè sãng S.A cµng cao th×

®é dµy cµng gi¶m. NÕu ë tÇn sè 2MHz ®é dµy lµ kho¶ng 1mm th× ë

tÇn sè 10MHz ®é dµy chØ cßn kho¶ng 0.2mm.

- PhÝa mÆt tríc cña b¶n ¸p ®iÖn lµ líp b¶o vÖ vµ phèi hîp trë kh¸ng

©m. Líp nµy cã nhiÖm vô dÉn truyÒn sãng S.A vµo c¬ thÓ, tr¸nh bÞ

ph¶n x¹ ngay trªn bÖ mÆt. PhÝa sau cña b¶n ¸p ®iÖn lµ líp chèng

ph¶n x¹, nã sÏ hÊp thô sãng S.A khi ph¸t ra phÝa sau.

- CÊu tróc nµy lµ chung cho mäi lo¹i ®Çu dß. Tuy nhiªn theo d¹ng h×nh

häc, lo¹i vËt liÖu cña c¸c thµnh phÇn, cã thÓ thay ®æi tuú thuéc vµo

lo¹i ®Çu dß (®Çu dß tuyÕn tÝnh, ®Çu dß cong,...) vµ tÇn sè cña

®Çu dß (h×nh 8)

11

H×nh 7

- VËt liÖu ¸p ®iÖn cã nhiÒu lo¹i kh¸c nhau, lo¹i vËt liÖu ®Çu tiªn lµ

th¹ch anh. HiÖn nay ®· cã rÊt nhiÒu lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau, tuú thuéc

vµo thµnh phÇn ho¸ häc vµ cÊu tróc cña chóng. CÊu tróc nµy tuú

thuéc vµo nhiÖt ®é gia c«ng vËt liÖu, ®îc gäi lµ nhiÖt ®é Curie, lµ

nhiÖt ®é mµ t¹i ®ã vËt liÖu sÏ mÊt tÝnh ¸p ®iÖn. V× vËy c¸c ®Çu dß

S.A thêng kh«ng ®îc khö trïng ë nhiÖt ®é cao (hÊp tiÖt trïng).

- CÊu tróc vµ thµnh phÇn ho¸ häc cña vËt liÖu sÏ quyÕt ®Þnh ®é réng

d¶i tÇn cña ®Çu dß. Trªn h×nh 9a lµ biÓu ®å cña mét lo¹i vËt liÖu,

cho ta biÕt sù thay ®æi cña ®é nh¹y theo tÇn sè. Trªn biÓu ®å ta

thÊy ®é nh¹y cao nhÊt øng víi mét tÇn sè nhÊt ®Þnh vµ ë ngoµi vïng

nµy tÇn sè gi¶m rÊt nhanh. Trªn h×nh 9b còng lµ biÓu ®å t¬ng tù nh-

ng cña lo¹i vËt liÖu kh¸c, trªn biÓu ®å nµy ta thÊy cã mét vïng b×nh

nguyªn ( vïng cã ®é nh¹y ngang b»ng ), sãng S.A cã thÓ thu vµ ph¸t

ë hai tÇn sè kh¸c nhau mµ kh«ng bÞ suy gi¶m. §©y lµ lo¹i vËt liÖu cã

®é réng d¶i tÇn réng h¬n.

12

H×nh 8

H×nh 9 a,b

- Lo¹i vËt liÖu t¬ng øng víi biÓu ®å 9a thêng ®îc dïng cho ®Çu dß

®¬n tÇn, lo¹i ®Çu dß nµy chØ cã thÓ thu vµ ph¸t ë mét tÇn sè duy

nhÊt.

- Lo¹i vËt liÖu t¬ng øng víi biÓu ®å 9b ®îc dïng cho c¸c ®Çu ®a tÇn,

nghÜa lµ nã cã thÓ ph¸t sãng S.A ë hai tÇn sè kh¸c nhau tuú thuéc

vµo dßng ®iÖn kÝch thÝch nã.

4. C¸c ®Æc tr ng cña sãng S.A

- Cêng ®é cña chïm sãng S.A khi ph¸t ra bëi mét b¶n ¸p ®iÖn h×nh

trßn thay ®æi trong kh«ng gian tuú thuéc vµo kÝch thíc cña b¶n ¸p

®iÖn vµ tÇn sè cña sãng S.A. Sù ph©n bè nµy lµ rÊt phøc t¹p, tuy

nhiªn cã thÓ biÓu diÔn mét c¸ch ®¬n gi¶n qua d¹ng h×nh häc cña

chïm tia nh trong h×nh 10. Trªn h×nh 10a ta thÊy cã hai vïng ph©n

bè

- Vïng Fresnel hay vïng gÇn, trong vïng nµy cêng ®é ph©n bè ®Òu

trªn mét ®é dµi, ®îc gäi lµ ®é dµi Fresnel, ký hiÖu lµ X

X = r2 / λ

Theo c«ng thøc nµy, ®é dµi Fresnel phô thuéc tû lÖ thuËn vµo b¸n

kÝnh cña b¶n ¸p ®iÖn vµ bíc sãng λ.

- Vïng Fraunhoffer hay vïng xa. Trªn h×nh vÏ ta thÊy chïm tia bÞ ph©n

kú (cã d¹ng h×nh nãn). Cêng ®é theo ph¬ng n»m trªn trôc cña chïm

13

H×nh 10 a

tia (ph¬ng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng cña b¶n ¸p ®iÖn) t¹i vïng xa lµ

nhá h¬n so víi vïng gÇn (bá qua sù suy gi¶m trªn ®êng truyÒn).

Gãc ph©n kú θ (hay gãc ph©n t¸n) phô thuéc vµo bíc sãng λ vµ ®êng

kÝnh cña b¶n ¸p ®iÖn theo c«ng thøc :

Sinθ = 1.22 λ/D

H×nh 10b vµ 10c minh ho¹ sù phô thuéc vµo tÇn sè (t¬ng øng lµ bíc

sãng λ) vµ kÝch thíc cña b¶n ¸p ®iÖn (r hay D ®èi víi c¸c ®¹i lîng X vµ

θ.

- VÒ mÆt t¹o ¶nh, d¹ng h×nh häc cña chïm tia sÏ ¶nh hëng ®Õn ®é

ph©n gi¶i ngang (®é ph©n gi¶i theo ph¬ng vu«ng gãc víi chïm tia).

Do ®ã ®Ó gi¶m bít ¶nh hëng cña ®é ph©n kú, ngêi ta cÇn ph¶i thùc

hiÖn sù héi tô chïm tia.

- Cã hai biÖn ph¸p :

• Héi tô c¬ häc: T¬ng tù nh trong quang häc, ngêi ta dïng c¸c thÊu

kÝnh ©m (thÊu kÝnh lâm). Líp thÊu kÝnh nµy thêng n»m s¸t bÒ

mÆt b¶n ¸p ®iÖn, h×nh 11a.

14

H×nh 10b,c

H×nh 11a,b

• Héi tô ®iÖn tö. (H×nh 11b): T¹o c¸c thÊu kÝnh ®iÖn tö b»ng ®é

trÔ cña c¸c ®iÖn kÝch thÝch c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn.

- Trªn h×nh 11a, ta thÊy cã vïng héi tô cña chïm tia. §èi víi héi tô c¬

häc, vïng héi tô lµ cè ®Þnh vµ kh«ng thÓ dÞch chuyÓn vïng héi tô.

Trong khi ®ã ®èi víi héi tô ®iÖn tö, vïng nµy cã thÓ thay ®æi ®îc

b»ng c¸ch thay ®æi ®é trÔ t¬ng ®èi cña c¸c xung ®iÖn kÝch thÝch.

§©y lµ mét trong nh÷ng u ®iÓm cña ph¬ng ph¸p quÐt ®iÖn tö.

- CÇn lu ý r»ng chïm sãng S.A còng cã mét bÒ dµy nhÊt ®Þnh, do

kÝch thíc cña b¶n ¸p ®iÖn, t¬ng tù nh trong ph¬ng ph¸p CT

(computer tomography). Tuy nhiªn ®é dµy líp c¾t trong CT cã thÓ

thay ®æi ®îc, th× trong S.A lµ kh«ng thÓ, vµ nã thay ®æi theo ®é

s©u cña chïm tia S.A do tÝnh ph©n kú cña chïm tia. V× vËy trong

nghiªn cøu, ngêi ta thêng ®a vµo kh¸i niÖm phÇn tö ph©n gi¶i (cell

resolution) hay ph©n gi¶i thÓ tÝch, gåm ba ®é ph©n gi¶i :

• Trôc - theo ph¬ng truyÒn cña sãng S.A

• Ngang - theo ph¬ng quÐt cña chïm tia

• Däc - ®é dµy cña chïm tia , h×nh 11c.

- Tõ c¸c phÇn ®· tr×nh bµy ë trªn, ta thÊy lµ ®é xuyªn s©u vµ ®é ph©n

gi¶i lµ hai ®¹i lîng kh«ng thÓ lùa chän tèi u ®ång thêi - lµ c¸c ®¹i lîng

kh«ng thÓ dung hoµ. V× vËy ®Çu dß cßn ®îc lùa chän sao cho

thÝch hîp víi yªu cÇu chÈn ®o¸n cô thÓ cho tõng vïng cña c¬ thÓ vµ

c¸c c¬ quan t¬ng øng.

- Cã hai lo¹i ®Çu dß thêng dïng trong S.A chÈn ®o¸n :

15

• §Çu dß ®¬n tö - lo¹i ®Çu dß cã mét phÇn tö ¸p ®iÖn. Thêng dïng

trong S.A chÈn ®o¸n kiÓu A vµ ®Çu dß quÐt c¬ khÝ Doppler xung,

thÝ dô S.A qua sä (T.C.D - transcranial doppler), h×nh 8a.

• §Çu dß ®a tö - lo¹i ®Çu dß cã nhiÒu phÇn tö ¸p ®iÖn. Dïng cho

S.A chÈn ®o¸n kiÓu B thêi gian thùc, h×nh 8b,c,d.

- Víi ®Çu dß ®a tö cã thÓ kÕt hîp gi÷a t¹o ¶nh ®en tr¾ng víi ph¬ng

ph¸p ®o Doppler vµ t¹o ¶nh t« mµu dßng ch¶y.

- Víi h×nh d¹ng ®Æc biÖt, ®Çu dß ®a tö cßn ®îc dïng trong th¨m kh¸m

c¸c khoang rçng nh ®Çu dß qua trùc trµng, qua ©m ®¹o, qua thùc

qu¶n.

5 ChÊt l îng ¶nh siªu ©m

- ¶nh siªu ©m cung cÊp cho ngêi sö dông hai lo¹i th«ng tin: th«ng tin

h×nh vµ th«ng tin vÒ cÊu tróc.

- Khi sãng S.A truyÒn trong m«i trêng kh«ng ®ång nhÊt (xem phÇn

2.2) sÏ gÆp mÆt ph©n c¸ch vµ song ph¶n sÏ quay trë vÒ ®Çu dß.

§Çu dß sÏ biÕn sãng S.A ph¶n x¹ nµy thµnh dßng ®iÖn vµ tÝn hiÖu

®iÖn sau khi ®îc xö lý trong m¸y sÏ ®îc hiÓn thÞ trªn mµn h×nh (xem

h×nh 6).

- Nh vËy nhê viÖc thu ®îc sãng ph¶n x¹, ta cã thÓ ph¸t hiÖn ®îc c¸c ®-

êng bao - mÆt ph©n c¸ch cña c¸c c¬ quan trong c¬ thÓ.

16

- Ph¬ng ph¸p chÈn ®o¸n S.A, nhê ®ã cho phÐp ta ph¸t hiÖn ®îc c¸c

biÕn d¹ng vÒ h×nh thÓ, thÝ dô, cã thÓ biÕt ®îc thËn cã d·n hay

kh«ng.

- Chóng ta còng cã thÓ ph¸t hiÖn ®îc c¸c dÞ vËt trong c¬ quan - thÝ

dô sái trong tói mËt do trë kh¸ng ©m cña sái vµ mËt lµ rÊt kh¸c nhau,

nªn t¹o ra ®îc mÆt ph©n c¸ch (xem h×nh 12).

- §é ph©n gi¶i kh«ng gian, do ®ã, sÏ cã mét vai trß quan träng trong

®¸nh gi¸ chÊt lîng cña ¶nh S.A. Ngêi ta chia ®é ph©n gi¶i kh«ng gian

ra lµm 3 lo¹i:

• §é ph©n gi¶ trôc (hay däc)

• §é ph©n gi¶i ngang

• §é ph©n gi¶i theo bÒ dµy líp c¾t.

- §é ph©n gi¶i trôc nãi lªn kh¶ n¨ng ph©n biÖt ®îc gi÷a hai vËt thÓ

n»m gÇn nhau theo ph¬ng truyÒn cña chïm S.A. §é ph©n gi¶i trôc

phô thuéc vµo ®é kÐo dµi cña xung (xem h×nh 2), vµ bíc sãng λ cña

sãng S.A (xem h×nh 1).

- §é kÐo dµi cña xung phô thuéc vµo cÊu tróc cña ®Çu dß vµ bíc sãng

λ cã liªn hÖ víi tÇn sè cña ®Çu dß (xem phÇn 1). ThÝ dô λ = 0.5mm

17

H×nh 12

víi f = 3MHz vµ b»ng 0.15mm khi f = 10MHz. Víi thÝ dô nµy ta thÊy

r»ng ®é ph©n gi¶i sÏ tèt h¬n khi tÇn sè t¨ng.

- §é ph©n gi¶i ngang cho biÕt kh¶ n¨ng ph©n biÖt ®îc gi÷a hai vËt thÓ

n»m gÇn nhau theo ph¬ng quÐt cña chïm S.A . §é réng cña chïm tia

S.A sÏ quyÕt ®Þnh ®é ph©n gi¶i ngang. Do ®ã víi chïm tia héi tô, ®é

ph©n gi¶i ngang tèt nhÊt lµ ë vïng héi tô. ë gÇn ®Çu dß vµ ë cuèi ®é

s©u ®é ph©n gi¶i sÏ kÐm ®i (xem h×nh 13).

- Nh vËy c¶ ®é ph©n gi¶i trôc vµ ®é ph©n gi¶i ngang ®Òu kh«ng ph¶i

lµ cè ®Þnh mµ thay ®æi tuú thuéc vµo ®é s©u th¨m dß vµ ®é héi tô

cña chïm tia. Chïm S.A trong thùc tÕ cã d¹ng nh h×nh 11c. Do ®ã c¸c

“ líp c¾t “ t¹o ¶nh kh«ng ph¶i lµ mét mÆt ph¼ng mµ cã mét ®é dµy

nhÊt ®Þnh. V× vËy c¸c vËt thÓ n»m trong bÒ dµy nµy ®îc xem nh

n»m trong cïng mét mÆt ph¼ng.

- §é ph©n gi¶i theo chiÒu dµy cho ta biÕt kh¶ n¨ng ph©n biÖt ®îc hai

vËt theo ph¬ng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng c¾t. ChÝnh ®é dµy nµy

g©y nªn hiÖn tîng “ nhoÌ “ cña bê c¸c vËt thÓ cã bÒ mÆt cong.

H×nh 13

18

- §é ph©n gi¶i nãi ë trªn ®©y chØ liªn quan ®Õn ®Çu dß. Tuy nhiªn khi

tÝn hiÖu ®iÖn thu ®îc tõ sãng S.A ph¶n x¹ vÒ qua ®Çu dß cßn ®îc

tiÕp tôc xö lý ®iÖn tö trong m¸y S.A. V× vËy ®é ph©n gi¶i tæng thÓ

bao gåm c¶ ¶nh hëng cña ®Çu dß vµ xö lý tÝn hiÖu cßn phøc t¹p

h¬n nhiÒu. Trªn h×nh 14a,b ta cã thÓ thÊy mét thÝ dô vÒ ¶nh hëng

chung cña c¶ hai phÇn ®Çu odf vµ xö lý ®iÖn tö.

H×nh 14a,b

- CÊu tróc cña c¸c vËt thÓ (c¸c c¬ quan trong c¬ thÓ thÝ dô gan, tói

mËt - ®îc ph©n biÖt qua møc ®é x¸m - ®en cho ®Õn tr¾ng, nhê sù

suy gi¶m cña n¨ng lîng sãng S.A truyÒn qua c¸c tæ chøc ®ã.

- Trªn h×nh 12 ta thÊy møc ®é x¸m gi÷a tæ chøc gan vµ mËt lµ kh¸c

nhau râ rÖt. Do ®ã ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng ph©n biÖt ®îc sù kh¸c

nhau vÒ mËt ®é cña c¸c tæ chøc n»m gÇn nhau, ngêi ta ®a ra ®é

ph©n gi¶i t¬ng ph¶n. ThÝ dô mét dÞ vËt n»m trong tói mËt, cã ®é

x¸m kh¸c víi ®é x¸m cña mËt nh thÕ nµo ®Ó cã thÓ chÈn ®o¸n ®îc

dÞ vËt ®ã lµ thuéc lo¹i nµo - sái, ...

- Tuy nhiªn cÇn lu t©m r»ng trong m¸y S.A bÊt kú nµo còng cã phÇn

®iÒu khiÓn ®é khuyÕch ®¹i theo chiÒu s©u (TGC), ®Ó bï trõ cho sù

suy gi¶m n¨ng lîng cña sãng S.A khi truyÒn s©u vµo trong c¬ thÓ,

nªn cÇn hÕt søc chó ý khi ®iÒu chØnh ®é TGC.

19

6. An toµn siªu ©m y häc

ChÈn ®o¸n S.A lµ mét ph¬ng tiÖn l©u nay vèn ®îc xem lµ h÷u hiÖu

vµ an toµn. Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ vÒ chÊt lîng còng nh sè lîng cña nã lµ

mét chøng minh râ rµng vµ ch¾c ch¾n. Trong h¬n nöa thÕ kû qua, cha

thÊy cã th«ng b¸o nµo vÒ c¸c tai biÕn g©y nªn do chÈn ®o¸n S.A. Tuy

nhiªn n¨m 1976, FDA Food Drug Administration) còng ®· ®a ra yªu cÇu

vÒ h¹n chÕ c«ng suÊt S.A vµ ®Õn n¨m 1993 AIUM (American institute

of Ultrasound in Medicine) ®· chÝnh thøc th«ng b¸o x¸c nhËn trªn, víi

nhËn ®Þnh r»ng, cha cã th«ng b¸o nµo vÒ c¸c t¸c ®éng sinh häc ®· ®îc

kh¼ng ®Þnh trªn bÖnh nh©n hay ngêi xö dông thiÕt bÞ g©y nªn do

chiÕu S.A ë cêng ®é thêng dïng cña c¸c m¸y S.A chÈn ®o¸n hiÖn nay

®ang dïng.

Tuy nhiªn c¸c giíi h¹n râ rµng vÒ c«ng suÊt S.A vÉn cha ®îc ®a ra

vµ chñ yÕu c¸c sè liÖu nµy vÉn dùa trªn c¸c sè liÖu vÒ c¸c thiÕt bÞ ®·

sö dông tríc ®©y. GÇn ®©y FDA ®· cã khuyÕn c¸o c¸c h·ng s¶n xuÊt

m¸y S.A ph¶i cho hiÓn thÞ c¸c chØ sè suÊt ©m ®Ó c¶nh b¸o cho ngêi

sö dông.

V× vËy nh÷ng vÊn ®Ò vÒ an toµn S.A y häc lµ vÊn ®Ò dù b¸o, nÕu

nh trong t¬ng lai cã thÓ ph¸t hiÖn nh÷ng nguy c¬ g©y nªn do bøc x¹ S.A

®· dïng trong chÈn ®o¸n.

Khi thùc hiÖn mét th¨m kh¸m S.A, ta ph¶i ®a mét n¨ng lîng S.A vµo

c¬ thÓ bÖnh nh©n t¹i mét vïng nhÊt ®Þnh vµ trong mét thêi gian x¸c

®Þnh. N¨ng lîng nµy b»ng c«ng suÊt ph¸t S.A cña m¸y nh©n víi thêi gian

cÇn th¨m kh¸m, sÏ g©y ra hai t¸c ®éng sinh häc :

- T¸c ®éng nhiÖt ( Thermal effect ) lµ t¸c ®éng g©y nãng ®Þa ph¬ng -

t¹i vïng cÇn th¨m kh¸m,

- T¸c ®éng kh«ng nhiÖt, lµ t¸c ®éng mang tÝnh c¬ häc, biÓu hiÖn râ

nhÊt lµ hiÖu øng t¹o bät (cavitation).

6.1 T¸c ®éng nhiÖt:

20

- Mét phÇn n¨ng lîng S.A ®îc chuyÓn ho¸ thµnh nhiÖt n¨ng, lµm nãng

toµn bé vïng ®îc chiÕu S.A.

- C¬ cÊu t¹o nhiÖt, ph©n bè nhiÖt vµ lan truyÒn nhiÖt trong c¬ thÓ lµ

rÊt phøc t¹p. C¸c c¬ cÊu nµy thay ®æi phô thuéc vµo cÊu tróc tÕ bµo

cña tõng c¬ quan, bÖnh lý hay kh«ng bÖnh lý - sù lu th«ng m¸u, ¶nh

hëng cña c¸c c¬ quan, tæ chøc xung quanh vïng bÞ chiÕu x¹, v.v..,

®Æc biÖt lµ khi cã x¬ng ë vïng ngo¹i vi (trë kh¸ng ©m vµ hÖ sè hÊp

thô rÊt kh¸c biÖt). ThÝ dô nh khi th¨m kh¸m thai ë vïng x¬ng ®Çu thai

nhi

6.2 T¸c ®éng kh«ng nhiÖt:

- Lµ t¸c ®éng cña S.A lªn c¸c tÕ bµo tæ chøc, mµ kh«ng g©y ra sù t¨ng

nhiÖt ®é. T¬ng t¸c chÝnh cña nã mang tÝnh c¬ häc: t¹o thµnh, ph¸t

triÓn, dao ®éng vµ sù ph¸ vì cã thÓ cña c¸c vi bät micro bubbles)

trong c¸c tæ chøc (tissue), c¬ cÊu nµy rÊt phøc t¹p vµ cho ®Õn nay

cha ®îc nghiªn cøu kü.

- Tuy nhiªn cÇn chó ý ®Õn nh÷ng yÕu tè sau ®©y, cã ¶nh hëng ®Õn

sù t¹o bät, ®ã lµ tÇn sè, ¸p lùc cña sãng S.A, chïm tia héi tô hay

kh«ng héi tô, vµ cuèi cïng lµ b¶n chÊt cña m«i trêng vµ vïng bao

quanh m«i trêng cã chiÕu S.A.

6.3 Nguyªn lý ALARA :

- Nguyªn lý ALARA lµ mét nguyªn lý ®îc AIUM khuyÕn c¸o trong khi sö

dông ph¬ng ph¸p S.A chÈn ®o¸n. A.L.A.R.A lµ côm tõ viÕt t¾t As

Low As Reasonably Achievable, cã nghÜa lµ sö dông n¨ng lîng chiÕu

x¹ S.A “ thÊp tíi møc cã thÓ mét c¸ch hîp lý “ ®Ó cã thÓ nhËn ®îc

th«ng tin chÈn ®o¸n tèi u. N¨ng lîng chiÕu x¹ S.A lµ tæng n¨ng lîng

S.A sö dông trong thêi gian lµm mét th¨m kh¸m, b»ng tÝch cña c«ng

suÊt ph¸t S.A vµ thêi gian chiÕu x¹.

- §Ó thùc hiÖn nguyªn lý trªn, cÇn chó ý c¸c ®iÓm sau ®©y :

21

• KiÓu t¹o ¶nh - kiÓu B, kiÓu Doppler, kiÓu M, kiÓu mµu

(®en/tr¾ng-mµu, ®en/tr¾ng-mµu-Doppler)

• Lo¹i ®Çu dß : tÇn sè, kiÓu quÐt : tuyÕn tÝnh, cong, pha.

• Kh¶ n¨ng hÖ thèng :

+ Cã ®iÒu khiÓn ®îc c«ng suÊt ph¸t.

+ Cã hiÓn thÞ chØ sè suÊt ©m ( output indices )

+ Cã h¹n chÕ c«ng suÊt ph¸t.

+ Cã kh¶ n¨ng héi tô chïm tia.

6.4 ChØ sè suÊt ©m (output indices)

ChØ sè suÊt ©m ®îc ®a ra nh»m môc ®Ých c¶nh b¸o cho ngêi sö

dông vÒ kh¶ n¨ng (potential) cña c¸c t¸c ®éng sinh häc S.A. Cã hai chØ

sè thêng ®îc sö dông :

- T.I (Thermal Index): cho phÐp íc lîng vÒ gia t¨ng nhiÖt ®é.

- M.I (Mechanical Index) : cho phÐp ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng t¸c ®éng c¬

häc, thÝ dô nh kh¶ n¨ng t¹o bät (caviation).

- ChØ sè T.I cã ba lo¹i :

• T.I.S : Soft tissue Thermal Index . Th«ng tin vÒ gia t¨ng nhiÖt ®é

cho c¸c tæ chøc mÒm thèng nhÊt.

• T.I.C : Cranial Bone Thermal Index. Th«ng b¸o vÒ gia t¨ng nhiÖt

®é cña x¬ng trªn bÒ hay gÇn bÒ mÆt.

• T.I.B : Bone Thermal Index. Th«ng tin vÒ gia t¨ng nhiÖt ®é cña

x¬ng t¹i vïng héi tô hay gÇn vïng héi tô sau khi chïm S.A ®i qua

vïng tæ chøc mÒm.

C¸c vÊn ®Ò vÒ an toµn S.A vÉn cßn ®ang ®îc nghiªn cøu tiÕp tôc. Tuy

nhiªn nguyªn lý ALARA vµ c¸c chØ sè trªn gióp cho ngêi sö dông cã ®îc

sù thËn träng cÇn thiÕt khi sö dông thiÕt bÞ S.A,

22

®Æc biÖt trong th¨m kh¸m tim m¹ch vµ s¶n khoa, ®Ó cã ®îc th«ng tin

chÈn ®o¸n tèi u.

23