Nguyên lý vật lý cơ bản của siêu âm dùng trong y khoa (Phần 1) | BvNTP

GIỚI THIỆU

Khi siêu âm được ứng dụng vào chuyên ngành sản – phụ khoa, nó đã tác động rất lớn đến sự chăm sóc bệnh nhân vì nó cho ta hình ảnh rõ nét của thai nhi, bánh nhau (sản khoa), của tử cung và phần phụ (phụ khoa). Những điều đó giúp ta có được chẩn đoán chính xác, cũng như hướng dẫn ta đường đi để can thiệp một cách an toàn cho bệnh nhân. Hiểu biết về nguyên lý vật lý của siêu âm là thiêt yếu cho kiến thức cơ bản để điều chỉnh máy. Nó cũng giúp ta hiểu được sự an toàn và các tác động sinh học của kỹ thuật này. 

 

CÁC ĐẶC TÍNH VẬT LÝ CỦA ÂM THANH

Âm thanh là sóng cơ học lan truyền trong một môi trường ở dạng dọc và đường thẳng. Khi âm thanh lan truyền trong một môi trường, các phân tử trong môi trường đó luân phiên bị nén lại và giãn ra. Âm thanh không thể lan truyền trong chân không; nó cần một môi trường để truyền âm, vì sóng âm là năng lượng cơ học được truyền từ phân tử này tới phân tử khác. Điều quan trọng cần lưu ý đó là các phân tử không chuyển động khi sóng âm truyền qua chúng, chúng chỉ dao động tới – lui, hình thành những vùng nén lại và giãn ra trong môi trường. Bảy thông số được dùng để mô tả đặc tính của sóng âm. Bảng 1.1 liệt kê các đặc tính này. 

BẢNG 1.1 : Các đặc tính của sóng âm

Tần số (Frequency)

Chu kỳ (Period)

Biên độ (Amplitude)

Công suất (Power)

Cường độ (Intensity)

Độ dài bước sóng (Wavelength)

Vận tốc truyền âm (Propagation speed)

 

Tần số của sóng âm là số chu kỳ diễn ra trong 1 giây (Hình 1.1). Đơn vị Hertz là 1 chu kỳ / giây. Tần số là một đặc tính quan trọng của sóng âm, vì nó quyết định độ xuyên thấu của sóng âm và chất lượng hình ảnh. 

Chu kỳ của sóng âm là thời gian để hình thành một bước sóng đi lên và xuống, và như thế liên quan chặt chẽ với tần số. Ví dụ như, sóng âm có tần số 10 Hertz sẽ có chu kỳ là 1/10 giây.

Biên độ, công suất và cường độ là ba đặc tính liên quan đến sức mạch của sóng âm. Biên độ được xác định bằng sự chênh lệch giữa đỉnh (tối đa) hoặc lõm (tối thiểu) của sóng âm và giá trị trung bình (Hình 1.2). Đỉnh hoặc chỏm, biểu thị cho vùng nén lại và lõm biểu thị cho vùng giãn ra (Hình 1.2). Đơn vị của biên độ là thông số áp suất (Pascals) và trong hình ảnh lâm sàng, đơn vị là million Pascals (MPa). Biên độ của sóng âm giảm bớt khi âm thanh lan truyền trong cơ thể. Công suất là mức năng lượng chuyển qua sóng âm, đơn vị là Watts. Công suất tỷ lệ thuận với biên độ của sóng âm. Công suất có thể điều chỉnh tăng hoặc giảm trên máy siêu âm. Cường độ là sự tập trung năng lượng trong sóng âm và như thế nó phụ thuộc vào công suất và thiết diện cắt ngang của chùm sóng âm. Cường độ của sóng âm được tính bằng cách chia công suất của sóng âm (Watts) cho thiết diện cắt ngang của nó (cm2), đơn vị là W/cm2. Độ dài bước sóng là chiều dài của sóng được xác định là khoảng cách của 1 chu kỳ. Nó được ký hiệu là lambda (λ), đơn vị tính là mm khi ứng dụng trong lâm sàng (Hình 1.3), và được tính bằng cách chia vận tốc của sóng âm cho tần số của sóng âm (λ = v/f). Vận tốc truyền âm là khoảng cách mà sóng âm truyền qua một môi trường đặc thù trong thời gian 1 giây. 

Hình 1.1: Tần số của sóng âm là số chu kỳ mỗi giây,  đơn vị tính là  Hertz (1 chu kỳ / giây). A, tần số là  2 chu kỳ mỗi giây hoặc 2 Hertz.  B, tần số là 3 chu kỳ mỗi giây hoặc 3 Hertz. Mũi tên đôi ghi chú độ dài bước sóng được mô tả ở hình 1.3.

Hình 1.2: Biên độ (A) được xác định bằng sự chênh lệch giữa đỉnh (tối đa) hoặc lõm (tối thiểu) của sóng và giá trị trung bình. Đơn vị của biên độ là million Pascals (MPa).

Hình 1.3: Độ dài bước sóng của sóng âm là chiều dài của sóng, được xác định là khoảng cách của một chu kỳ. Ký hiệu là lambda (λ), đơn vị là mm. Trong biểu đồ này, 3 sóng âm có độ dài bước sóng ngắn dần từ A tới C.

BẢNG 1.2: Tốc độ của sóng âm trong một số môi trường

Môi trường

Speed (m/s)

Khí

330

Mỡ

1.450

Nước

1.450

Mô mềm

1.540

Xương

3.500

Kim loại

lên tới 7.000

 

Nguồn phát sóng âm (máy siêu âm và/hoặc đầu dò) quyết định tần số, chu kỳ, biên độ, công suất và cường độ của sóng âm. Độ dài bước sóng được xác định bằng cả nguồn phát sóng và môi trường truyền âm vì môi trường quyết định tốc độ lan truyền của sóng âm. Tốc độ lan truyền của sóng âm trong mô mềm là một hằng số, 1.540 m/s. Bảng 1.2 cho biết vận tốc truyền âm trong một số môi trường và vật chất. 

 

SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Âm thanh được phân loại dựa trên khả năng nghe của con người. Tai người trẻ khỏe cảm nhận được âm thanh có tần số từ 20 Hertz, viết tắt là Hz, tới 20.000 Hz, hoặc 20 KHz (Kilo Hertz), được gọi là âm thanh nghe được (từ 20 – 20.000 Hz). Nếu tần số sóng âm nhỏ hơn 20 Hz, tai người không thể nghe được và được gọi là hạ âm (infrasonic, infrasound). Nếu tần số sóng âm cao hơn 20 KHz, tai người cũng không thể nghe được và được gọi là siêu âm (ultrasonic, ultrasound). Bảng 1.3. Tần số thường dùng trong siêu âm chẩn đoán là 2-10 MHz (mega, (million), Hertz). Tần số sóng siêu âm thường dùng trong sản – phụ khoa thường giữa 3 và 10 MHz.

BẢNG 1.3 Phổ tần số âm thanh

Sóng âm

Tần số

Siêu âm

Lớn hơn 20 KHz

Âm thanh nghe được

20 Hz tới 20 KHz

Hạ âm

Nhỏ hơn 20

SÓNG SIÊU ÂM ĐƯỢC TẠO THÀNH NHƯ THẾ NÀO?

Sóng siêu âm được tạo thành từ những tinh thể áp điện nằm trong đầu dò siêu âm (Hình 1.4). Khi một dòng điện luân phiên đến những tinh thể này, chúng co lại và giãn ra với cùng một tần số mà dòng điện thay đổi chiều phân cực và tạo thành tia siêu âm. Tia siêu âm đi vào cơ thể với cùng một tần số mà đầu dò đã tạo ra. Ngược lại, khi tia siêu âm trở về đầu dò, những tinh thể này thay đổi hình dáng, và sự thay đổi nhỏ bé này tạo ra một dòng điện nhỏ bé rồi được khuếch đại bởi máy siêu âm để tạo thành hình ảnh siêu âm trên màn hình. Các tinh thể áp điện trong đầu dò đã chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ (siêu âm) và ngược lại. Một tinh thể là không đủ để tạo một sóng siêu âm cho chẩn đoán và các đầu dò hiện đại có rất nhiều tinh thể sắp xếp thành những hàng song song nhau (Hình 1.4). Tuy vậy mỗi tinh thể có thể được kích thích riêng biệt. Các tinh thể được bảo vệ bởi lớp cao su che phủ giúp giảm bớt trở kháng sóng âm từ tinh thể đến cơ thể. Sóng âm tần số cao được tạo thành bởi đầu dò không truyền tốt trong không khí, vì thế, để dễ truyền từ đầu dò tới da của bệnh nhân, một chất gel được dùng để kết nối giữa đầu dò và da, giúp song âm lan truyền dễ dàng. Như thế, sóng siêu âm được tạo thành bên trong đầu dò bởi các tinh thể chuyển đổi dòng điện thành sóng âm và ngược lại, chuyển đổi sóng siêu âm phản hồi trở về từ cơ thể thành dòng điện. Các đầu dò hiện đại có tinh thể được làm từ plumbium zirconium titanate (PZT) tổng hợp.

Hình 1.4:  Các tinh thể áp điện bên trong một đầu dò. Lưu ý sự sắp xếp đối xứng của các tinh thể. Hình này là sơ đồ  minh họa, vì thực tế các tinh thể có kích thước nhỏ hơn nhiều. Hình 1.4 được sửa đổi với sự cho phép từ Hiệp hội Siêu âm trong Giáo dục Y khoa (Society of Ultrasound in Medical Education – SUSME.org).

HÌNH SIÊU ÂM ĐƯỢC TẠO THÀNH NHƯ THẾ NÀO?

Máy siêu âm hiện đại tạo ra một hình ảnh siêu âm bằng cách gửi nhiều xung sóng âm từ đầu dò với hướng đi khác nhau không đáng kể và phân tích sóng âm phản hồi trở về các tinh thể. Chi tiết của quá trình này nằm ngoài mục tiêu của cuốn sách này, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là   các mô phản xạ mạnh sóng siêu âm như xương hoặc không khí sẽ tạo ra dòng điện mạnh từ các tinh thể áp điện và sẽ cho hình ảnh hồi âm dày (hyperechoic) trên màn hình máy siêu âm. (Hình 1.5). Nói cách khác, những phản xạ yếu sóng siêu âm, như dịch hoặc mô mềm, sẽ tạo ra dòng điện yếu, cho hình ảnh hồi âm kém (hypoechoic) hoặc hồi âm trống (anechoic) trên màn hình

(Hình 1.5). Như thế hình ảnh siêu âm được tạo thành từ sự phân tích tinh vi sóng siêu âm phản hồi trở về để tạo thành hình ảnh trên thang độ xám. Vì rằng sóng âm lan truyền theo trục dọc, để nhận được hình ảnh tốt nhất có thể, ta điều chỉnh đầu dò sao cho chùm tia siêu âm phát ra vuông góc với cấu trúc cần khảo sát, vì như thế góc tới bằng góc phản xạ (Hình 1.6).

Hình 1.5: Hình ảnh siêu âm chi của thai quý II. Lưu ý xương đùi có hồi âm dày, mô mềm của đùi có hồi âm kém, nước ối có hồi âm trống. Đo dọc khoang ối lớn nhất (chương 9).

Hình 1.6: Hình ảnh siêu âm chi dưới của thai quý II mô tả hiệu ứng góc của sóng âm. Lưu ý rằng xương chày (tibia) thấy rõ vì chùm tia siêu âm tạo với nó một góc gần 90 độ. Xương đùi (femur) không thấy rõ vì nó gần như song song với chùm tia siêu âm.

 

CÁC MODE SIÊU ÂM KHÁC NHAU?

A-mode, là “mode biên độ”, không còn được sử dụng trong siêu âm sản – phụ khoa, nhưng nó là nền tảng của hình ảnh siêu âm hiện đại. Hình A-mode, một biểu đồ thể hiện sóng âm phản hồi trở về với trục x biểu thị cho độ sâu trong mô và trục y biểu thị cho biên độ của sóng hồi âm. Lịch sử, A-mode được ứng dụng trong sản khoa để đo đường kính lưỡng đỉnh (Hình 1.7). Bmode, là “mode độ sáng”, còn gọi là hình ảnh hai chiều, thường được dùng để mô tả hình ảnh siêu âm trên thang độ xám. Hình ảnh tạo thành dựa trên cường độ của sóng hồi âm, được phản ánh bằng nhiều sắc thái trên thang độ xám để hình thành hình siêu âm (Hình 1.8). Điều quan trọng cần lưu ý đó là B-mode là hình ảnh theo thời gian thực (real-time), một đặc tính quan trọng và cơ bản của siêu âm. Bảng 1.4 cho biết độ hồi âm khác nhau của mô thai nhi bình thường.

Hình 1.7: Siêu âm A-Mode đầu thai nhi. Đỉnh nhọn thứ nhất tương ứng với  xương sọ phía trước và đỉnh nhọn thứ hai tương ứng với xương sọ phía sau. Đường kính lưỡng đỉnh (biparietal diameter) là khoảng cách giữa hai đỉnh nhọn.

Hình 1.8: Những khác nhau trên thang độ xám trong hình siêu âm 2D vùng bụng thai nhi trong quý II. Lưu ý xương sườn và mô phổi có hồi âm dày, gan hồi âm kém và tĩnh mạch rốn hồi âm trống.

Cường độ sóng hồi âm quyết định độ hồi âm.

Xem tiếp: Nguyên lý vật lý cơ bản của siêu âm dùng trong y khoa (Phần 2)

 

Bệnh viện Nguyễn Tri Phương – Đa khoa Hạng I Thành phố Hồ Chí Minh

  facebook.com/BVNTP

  youtube.com/bvntp