Năm 1842 Johan Christian Doppler nhà vật lý học người áo đã phát biểu hiệu ứng mang tên ông trong lĩnh vực ánh sáng, sau này các nhà vật lý đã chứng minh rằng hiệu ứng này còn xảy ra và đúng ở các môi trường vật chất dạng sóng khác như sóng Radio, sóng âm thanh. Trong lĩnh vực sóng âm, nguyên lý của hiệu ứng Doppler được hiểu như sau: khi một chùm siêu âm được phát đi gặp một vật thì sẽ có hiện tượng phản hổi âm, tần số của chùm siêu âm phản hổi về sẽ thay đổi so với tần số của chùm phát đi nếu khoảng cách tương đối giữa nguổn phát và vật thay đổi: tần số tăng nếu khoảng cách giảm và ngược lại.
Mục lục
Af. Thay đổi tần số fo. Tần số phát xạ f: Tần số phản xạ V. Tốc độ vật di chuyển 0 Góc giữa chùm siêu âm và mạchmáu C. Tốc độ của siêu âm trong cơ thể (1540m/s)
Nguyên lý các kiểu siêu âm Doppler
Có 4 kiểu siêu âm Doppler: Doppler liên tục, Doppler xung, Doppler màu và Doppler năng lượng.
Nguyên lý của siêu âm Doppler liên tục
Đây là kiểu siêu âm Doppler đòi hỏi cấu trúc máy đơn giản nhất. Đầu dò của máy có chứa hai tinh thể gốm áp điện, một tinh thể có chức năng phát liên tục chùm sóng siêu âm và tinh thể kia có nhiệm vụ thu sóng phản hổi về. So sánh giữa tần số của chùm siêu âm phát và chùm siêu âm thu về là cơ sở để tính tốc độ di chuyển của vật. Trong cơ thể thì vật di chuyển để tạo nên tín hiệu Doppler chính là các tế bào máu di chuyển trong lòng mạch, trong đó chủ yếu là các hồng cầu. Tín hiệu Doppler có thể được biểu diễn dưới dạng âm thanh, đường ghi hoặc phổ.
Kiểu siêu âm Doppler liên tục có các ưu điểm như: cấu tạo của máy đơn giản, giá thành thấp, cho phép ghi được các dòng chảy có tốc độ cao, không có hiên tượng “aliasing”(cắt cụt đỉnh). Ngược lại, kiểu Doppler này có các nhược điểm như: không cho phép ghi chọn lọc ở môt vùng, máy ghi lại tất cả các tín hiệu dòng chảy mà chùm siêu âm đi qua.
Nguyên lý Doppler liên tục
1. Đầu dò
2. Mạch máu
fo. Tần số sóng phátTrong kiểu siêu âm Doppler xung thì chỉ có tín hiệu dòng chảy ở một vùng nhất định được ghi lại. Vị trí và thể tích vùng ghi tín hiệu Doppler (còn gọi là cửa ghi Doppler ) có thể thay đổi được. Vị trí cửa ghi Doppler được xác định bởi khoảng thời gian từ lúc phát đến lúc thu chùm siêu âm phản hồi về. Kích thước của cửa ghi Doppler phụ thuộc vào chiều rộng của chùm siêu âm và khoảng thời gian thu sóng phản hồi (t).
Sơ đồ của ghi Doppler
1. Đầu dò
2. Cửa ghi Doppler
T. Thời gian từ lúc phát tới lúc thu sóng phản hồi
t. Khoảng thời gian thu sóng phản hồi
Do vận tốc của của sóng âm trong cơ thể khá hằng định(1540cm/s) nên chiều sâu của vùng ghi tín hiệu Doppler – d (khoảng cách từ đầu dò tới vùng ghi tín hiệu) được xác định theo công thức
T là thời gian từ lúc phát đến lúc thu chùm siêu âm phản hồi
Chiều dài của cửa ghi Doppler được xác định bởi thời gian thu sóng phản hồi (1). Chiều rộng của cửa ghi Doppler phụ thuộc vào kích thước của chùm siêu âm.Tần số nhắc lại xung (pulse repetition frequency-PRF) là số lần trong một giây mà chùm siêu âm đi đến đích và quay về.
PRF được tính bằng kHz và thường được ghi là K để không nhầm với tần số Doppler (Af cũng được tính bằng kHz).
d. Chiều sâu của mạch máu C. Tốc độ của chùm siêu âm (1540m/s)PRF có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật ghi phổ Doppler vì theo phương trình Shannon
Khi Af > PRF/2 thì có hiên tượng (aliasing), có nghĩa là đỉnh phổ Doppler bị cắt cụt và được ghi sang phía đối diên của đường 0.
Để tránh hiện tượng này có 4 biện pháp:
– Chuyển đường 0 xuống thấp, bỏ các tần số âm để làm tăng thêm các tần số dương trên đường 0
– Giảm Af bằng cách giảm tần số phát fo (chọn đầu dò có tần số thấp), hay tăng góc 0 để giảm Cos0 tuy nhiên góc 0 phải luôn < 600 để giảm sai số .
– Giảm độ sâu (d) bằng cách ép bệnh nhân để tăng PRF
– Sử dụng máy có tần số PRF cao.
Với tiến bộ của khoa học kỹ 30 thuật người ta đã chế tạo được các máy siêu âm Doppler có PRF cao bằng cách phát đi và thu về nhiều lần tín hiệu siêu âm trong thời gian chùm sóng âm đi tới vật và quay trở lại, nhưng không phải máy siêu âm Doppler nào cũng có khả năng này.Hiện nay các máy siêu âm xung có kỹ thuật nhắc lại tần số cao (gọi là HPRF- high pulse repetition frequency), tuy nhiên vẫn có giới hạn tối đa của HPRF, do vậy siêu âm Doppler xung chỉ cho phép đo được tốc độ cao nhất đinh.
So với kiểu siêu âm Doppler liên tục, kiểu Doppler xung có ưu điểm như: cho phép lựa chọn chính xác và thay đổi kích thước vùng cần ghi tín hiêu Doppler. Ngược lại kiểu siêu âm này cũng có môt số nhược điểm: hạn chế về tốc độ tối đa có thể đo được, hạn chế về độ sâu có thể thăm dò cũng như phụ thuộc nhiều vào góc 0.
Phân tích phổ
Tín hiệu Doppler (Doppler liên tục hay Doppler xung) được phân tích dưới dạng âm thanh, đường ghi hay dạng phổ.
Do tần số Doppler (Af) nằm trong khoảng nghe thấy của tai người nên chỉ cần dùng loa thông thường có thể nghe thấy tín hiệu Doppler, và chẩn đoán có thể dựa trên sự thay đổi âm sắc và cường độ âm thanh.
Trong kiểu thể hiện tín hiệu Doppler bằng đường ghi, người ta dùng kỹ thuật đếm số lần tín hiệu vượt trên đường 0 (zero crossing detector). Tín hiệu Doppler được tính chung như một giao động, máy cho phép tính được số lần (tần số) dao động này vượt qua đường 0. Đường ghi tốc độ không thể hiện giá trị lớn nhất, cũng không phải giá trị trung bình của dòng chảy, nó được ước tính ^VA f. Vì vậy đường cong ghi được không biểu hiện tốc đô tức thì của dòng chảy mà chỉ thể hiện tốc độ chung của các dòng chảy mà chùm siêu âm gặp phải trên đường đi.Phổ Doppler là kết quả của sự phân tích tín hiệu Doppler (Af) bằng phép biến đổi nhanh của Fourier( Fast Fourier Transform-FFT)
Hợp âm Sol, Si, Rê được nghe thấy được phân tích bằng FFT thành ba âm cơ bản.
Tần số Doppler (Af) thu được là sự kết hợp của nhiều tần số khác nhau (do trong môt dòng chảy có nhiều tốc đô khác nhau). Phép biến đổi FFT cho phép phân tích nhanh (trong 5 micro giây) môt tần số Doppler thành các tần số thành phần (hình trên) và thể hiên cường đô của mỗi tần số thành phần này bằng đô sáng trên đường ghi phổ Doppler (Doppler spectrum). Như vậy phổ Doppler được coi như đường ghi tín hiêu theo không gian ba chiều: trục thời gian, trục tần số (hay tốc đô) và trục thứ ba là trục cường đô (biểu hiên bằng đô sáng) của các tần số thành phần.
Đường cong biểu diễn phổ Doppler của đông mạch đã được lọc bớt các tín hiêu tần số thấp để loại bỏ các các hiêu ứng Doppler của thành mạch có tần số thấp nhưng cũng loại bỏ bớt các tần số thấp của dòng chảy sát thành mạch. Trên đông mạch bình thường thì các tần số Doppler cao nhiều hơn các tần số thấp cho nên tạo ra cửa sổ ít tín hiệu trong thì tâm thu.
Siêu âm Doppler xung kết hợp với siêu âm cắt lớp (hê thống Duplex)Thăm khám siêu âm Doppler dễ dàng nhờ gắn cùng hê thống siêu âm cắt lớp và hiện nay tất cả các máy siêu âm Doppler xung đều được cấu tạo như vậy. Nhờ có hệ thống siêu âm cắt lớp mà mạch máu được dễ dàng nhận thấy để đặt cửa sổ ghi Doppler cũng như dô rông của nó nhính xác phù hợp với kích thước của mạch cần thăm khám. PRF cũng có thể được tự động điều chỉnh hay điều chỉnh tuỳ theo ý muốn phù hợp với từng mạch máu cần thăm khám cũng như góc thăm khám 0 phù hợp. Hình phổ Doppler được biểu hiên trên màn hình đổng thời với hình 2D hay riêng biệt để dễ dàng phân tích.
Khoa Chẩn đoán hình ảnh BV Bạch Mai
