SIÊU ÂM DOPPLER
Bs NGUYỄN THIỆN HÙNG
I. CÁC NGUYÊN LÝ HUYẾT ÐỘNG:
Kỹ thuật Doppler dùng đo vận tốc dòng chảy qua đó đánh giá tưới máu cơ quan và tình trạng mạch.
Chuyển động trong mạch máu máu chịu lực cản của mạch hay lực cản ngoại biên (R). Lực cản phụ thuộc vào đường kính mạch máu. Mạch càng nhỏ lực cản càng lớn.
Lực cản dòng máu được biểu diễn theo công thức 1/R=p x r4/8hl (định luật Hagen-Poiseuille). [r=bán kính mạch, h= độ nhớt của máu, l = chiều dài mạch máu].
Do vậy khi bán kính mạch giảm đi ít lực cản gia tăng nhiều vì R=1/ r4.
Huyết động học liên quan 2 yếu tố chủ yếu là áp suất và lực cản và mối quan hệ của chúng với lưu lượng máu (Q), là lượng máu chảy qua mạch trong một đơn vị thời gian. Phương trình cơ bản huyết động là = Lưu lượng máu Q = Gradient huyết áp P / Lực cản R
II. KỸ THUẬT SIÊU ÂM DOPPLER:
1/ Hiệu ứng Doppler:
Do Christian Johann Doppler (1803-1853) tìm ra năm 1843 khi giải thích hiện tượng đổi màu các vì sao hay thiên thể khác: xanh nếu chuyển động đến gần trái đất và đỏ nếu xa trái đất.
Hiệu ứng được định nghĩa như sau: Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số của nguồn sóng âm khi có sự dời chỗ tương đối giữa nguồn hay người quan sát. Tần số người quan sát nhận được khác với tần số sóng tới; tần số tăng khi nguồn và/hoặc người quan sát đến gần nhau; tần số giảm trong trường hợp ngược lại.
Trong đời sống hàng ngày có thể gặp hiệu ứng Doppler như lúc nghe tiếng còi xe cứu thương có âm sắc cao hơn khi chạy về phía ta, và âm sắc thấp hơn khi chạy ra xa.
Ðến năm 1960 Satomura tìm ra cách ứng dụng trong y khoa hiệu ứng Doppler và Kato trong siêu âm Doppler mạch máu. Năm 1963 Pourcelot và Delalande chế tạo một máy Doppler liên tục.
Khi sóng siêu âm phản hồi từ vật thể chuyển động trong cơ thể như các tế bào hồng cầu, thành mạch, thành ruột, cơ co. tần số sóng phản hồi khác với tần số sóng tới. Ðộ lệch tần số Doppler hay tần số Doppler là hiệu số của 2 tần số sóng tới và sóng phản hồi.
2/ Công thức của hiệu ứng Doppler:
Df = 2 f.v.cosq/c
f= tần số truyền
c=vận tốc sóng âm truyền trong mô (=1540m/sec)
v=vận tốc dòng chảy khảo sát
q=góc tạo giữa chùm sóng siêu âm và hướng dòng chảy
Df phụ thuộc vào góc q. Df lớn nhất khi trục chùm siêu âm song song với hướng dòng chảy (góc q = 00, cos 00=1). Khi trục chùm siêu âm thẳng góc với hướng dòng chảy (cos 900=0) không có tín hiệu Doppler.
Các vận tốc dòng chảy hướng về phía đầu dò sẽ hiển thị trên đường baseline phổ Doppler, Df có giá trị dương và được mã màu đỏ ở siêu âm Doppler màu. Các vận tốc chạy ra xa đầu dò sẽ có Df có giá trị âm, và được mã hóa màu xanh ở siêu âm Doppler màu.
3/ Các mode Doppler:
a. Doppler liên tục:
Dùng đầu dò có 2 tinh thể có 2 nhiệm vụ khác nhau: một phát sóng âm liên tục, một thu liên tục.Nhược điểm là không xác định được vị trí điểm phản hồi nhưng có thể đo được những vận tốc rất lớn.
b. Doppler xung:
Ðầu dò có cùng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát vừa làm nhiệm vụ thu. Sóng âm phát đi từng chuỗi xung dọc theo hướng quét đầu dò nhưng chỉ những xung phản hồi tại vị trí lấy mẫu (hay cổng, gate) được ghi nhận và xử lý. Kích thước và độ sâu vùng lấy mẫu thay đổi được nên Doppler xung phân biệt được tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau.
Ứng với mỗi vị trí lấy mẫu được chọn, khoảng thời gian T cho xung đi và về xác định quãng thời gian ngắn nhất giữa 2 chuỗi xung. Do đó mà tần số lặp xung PRF (Pulse Repetition Frequency) không thể lớn hơn 1/T.
Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng tần số Doppler Df, Doppler xung nhận biết vị trí dòng chảy nhưng lại bị hạn chế khi đo các dòng chảy vận tốc cao do hiệu ứng aliasing (loạn màu).
Khi Doppler xung được kết hợp với siêu âm mode B thì gọi là Duplex Sonography: siêu âm mode B cung cấp thông tin về vị trí và kích thước mẫu chọn và hình ảnh giải phẫu còn Doppler xung cho thông tin về dòng chảy và chuyển động trong cấu trúc đang khảo sát. Vậy các máy siêu âm Duplex biết được hướng dòng chảy, chọn góc họp bởi chùm siêu âm và dòng chảy và nhờ vậy tính được tốc độ lưu lượng.
Còn các máy gọi là siêu âm Triplex tức là các máy siêu âm Duplex có thêm Doppler liên tục.
4/ Thể hiện thông tin Doppler:
a/ Âm thanh:
Tần số Doppler thuộc phạm vi tần số âm thanh nghe được, tín hiệu được khuếch đại và phát ra loa gồm nhiều âm sắc và độ lớn khác nhau do nhiều tần số với biên độ khác nhau. Với luyện tập có thể phân biệt được nhiều âm sắc các mạch máu khác nhau và bệnh lý kèm theo.
b/ Phổ tần số theo thời gian:
Phổ Doppler dòng chảy với các giá trị tần số được biểu diễn theo trục tung còn thời gian diễn tiến dòng chảy theo trục hoành. Biên độ mỗi thành phần tần số được biểu thị bằng độ sáng tối theo thang xám màn hình.
Thường có nhiều thành phần vận tốc trong dòng chảy: dòng chảy tầng (laminar flow) có vận tốc lớn nhất ở giữa lòng mạch và vận tốc nhỏ nhất sát thành mạch tạo nên mặt nghiêng dạng parabol dòng chảy. Còn dòng chảy rối (turbulent flow) có nhiều vận tốc khác biệt ở nhiều vị trí trong dòng chảy và diễn tiến không ngừng theo thời gian.
5/ Thể hiện theo loại vận tốc:
Từ phổ tần số hay phổ vận tốc tổng hợp từ toàn bộ tín hiệu nêu trên tại mọi thời điểm, có thể tách ra từng loại đường cong vận tốc (velocity curve):
+ Vmax = Maximum Curve: Ðường cong biểu thị các giá trị tần số cao nhất theo thời gian.
+ Vmode = Mode Curve: Ðường cong biểu thị các giá trị tần số có biên độ lớn nhất theo thời gian. Ðây là cách kết hợp giữa phổ spectrum và histogram.
+ Vmin = Minimum Curve: Ðường cong biểu thị các giá trị tần số có biên độ thấp nhất theo thời gian.
+ Vmean = Ðường cong biểu thị các giá trị vận tốc trung bình theo thời gian.
6/ Siêu âm Doppler Màu:
Tín hiệu Doppler được dùng để tạo ra màu sắc phủ lên hình ảnh Mode B, do vậy rất cần nhiều thông tin Doppler ở nhiều vị trí lấy mẫu trên vùng khảo sát.
Tương tự như nguyên lý cổng thu Doppler của các máy siêu âm duplex, nhưng thay vì phát hiện dòng chảy ở một sample volume đơn độc thì ở đây dùng nhiều sample volume kề cận nhau dọc theo mỗi đường tạo ảnh (image line) để thu nhận tín hiệu Doppler.
Số lượng, vị trí lấy mẫu thu nhận tín hiệu Doppler tùy thiết bị và cách vận hành. Thông tin Doppler nhận từ mỗi cổng được phân tích để xác định hướng dòng chảy và đánh giá tốc độ trung bình Vmean. Những thông tin này chuyển đổi thành tín hiệu màu chồng lên tín hiệu hình ảnh tương ứng của siêu âm mode B. Dòng chảy về phía đầu dò được mã hóa màu đỏ còn dòng chảy xa khỏi đầu dò được mã hóa màu xanh.
Thường trên mỗi đường tạo ảnh có khoảng 32 đến 128 vị trí lấy mẫu, và tương ứng cần 32-128 xung khảo sát Doppler cho mỗi vị trí, do đó cần thời gian cho tính toán và xử lý. Ðây chính là nhược điểm của máy siêu âm vì muốn được chất lượng màu chi tiết thì tốc độ tạo ảnh phải chậm lại và ngược lại cần có tốc độ tạo ảnh cao thì chất lượng màu lại bị suy giảm.
7/ Siêu âm Doppler màu năng lượng:
Doppler màu giúp phát hiện và xác định hướng dòng chảy nhưng bị hạn chế ở phạm vi các mao mạch nên không thể khảo sát tưới máu nhu mô các cơ quan.
Doppler màu năng lượng chỉ chú ý khía cạnh biên độ tín hiệu Doppler tức độ lớn sóng phản hồi và tán xạ trở lại đầu dò từ các phần tử chuyển động trong vùng khảo sát là các tế bào hồng cầu.
Sự mã hóa màu trong kỹ thuật này dựa vào việc tính toán toàn bộ biên độ tín hiệu Doppler và các dòng chảy được thể hiện bằng một gam màu duy nhất, mà trong đó độ sáng tối vùng màu phụ thuộc vào biên độ năng lưng tán xạ trở lại từ vùng đó.
Nếu như trong kỹ thuật Doppler và Doppler màu trong sample volume có hiện diện đồng thời các vector vận tốc ngược hướng nhau thì giá trị Doppler trung bình của chúng sẽ nhỏ đi thậm chí triệt tiêu lẫn nhau. Còn trong Doppler màu năng lượng giá trị trung bình các biên độ tín hiệu Doppler không phụ thuộc vào hướng vector vận tốc, nên không triệt tiêu nhau. Do vậy mà Doppler màu năng lượng có độ nhạy cao hơn Doppler màu quy ước.
Ngoài ra lợi thế cơ bản của Doppler màu năng lượng còn ở chỗ có thể dùng độ khuếch đại gain lớn hơn, có thể cao hơn ít nhất 10dB so với Doppler màu quy ước. Vì trong Doppler màu năng lượng tín hiệu nhiễu chủ yếu là do mô chuyển động với biên độ thấp nên dễ loại bỏ hơn trong khi Doppler màu quy ước nhiễu có dãi phổ rộng hơn nên chi dùng gain quá cao sẽ khó phân biệt tín hiệu nhiễu với tín hiệu thật.
Lợi thế khác của Doppler năng lượng là không phụ thuộc vào góc q như Doppler màu quy ước và vì không xét đến khía cạnh tần số nên không có hiện tượng aliasing trong Doppler màu năng lượng.
Tuy nhiên Doppler màu năng lượng có các nhược điểm:
Xác định được dòng chảy nhưng không biết chiều dòng chảy.
Quá nhạy nên dễ có xảo ảnh do chuyển động (motion artifact).
Khó khảo sát ở vùng sâu do đặc tính giảm âm của môi trường.
Nhiều ứng dụng của Doppler màu năng lượng như sau=
+ Khảo sát những dòng chảy cực chậm của vi tuần hoàn hay đánh giá được tưới máu nhu mô.
+ Khảo sát hình thái học mạch máu nhờ phân biệt được vùng có dòng chảy và vùng không có dòng chảy.
Tóm lại Doppler màu năng lượng là một bổ sung hoàn hảo cho khám siêu âm màu quy ước.
8/ Giới hạn kỹ thuật, và xảo ảnh:
a/ Hiên tượng aliasing:
Là xuất hiện xảo ảnh - những thành phần tần số cao được thể hiện như những thành phần tần số thấp trong phổ tín hiệu khi tần số lặp xung PRF nhỏ hơn 2 lần tần số Doppler. Tín hiệu Doppler càng được phản ảnh trung thực khi PRF càng cao tức có nhiều xung được dùng trong một chu kỳ tín hiệu Doppler, nhưng nếu chọn PRF quá cao sẽ bị giảm khả năng nhận tín hiệu từ vùng xa đầu dò.
Ðể không xảy ra hiện tượng aliasing thì PRFmin= 2Fdop.
Tần số Doppler lớn nhất nhận biết được mà không bị hiện tượng aliasing là Fdop= 1/2 PRF.
Giới hạn này được gọi là Nyquist. Phổ Doppler có hiện tượng aliasing có các thành phần tần số cao vượt quá giới hạn Nyquist (thường là các giá trị gần peak systolic) đều bị cắt cụt và xuất hiện phía đối diện đường baseline. Lúc bấy giờ ta có thể nâng hoặc hạ đường baseline để khảo sát toàn bộ phổ, tất nhiên chỉ khảo sát được phổ một chiều.
Trong trường hợp Doppler màu, hiện tượng aliasing xảy ra khi dòng chảy hướng về đầu dò sẽ mã màu như chạy xa khỏi đầu dò.
Nhiều biện pháp khắc phục aliasing:
- Tăng PRF (tăng giới hạn Nyquist)
- Giảm tần số sóng âm đang sử dụng.
- Gia tăng góc q giữa trục chùm sóng âm và hướng dòng chảy.
b/ Xảo ảnh soi gương:
Nhận ra khi tín hiệu dòng chảy giả tạo xuất hiện phía bên kia đường baseline. Nguyên do thường gặp:
+trục trặc máy móc.
+mức khuếch đại Doppler quá cao.
c/ Hiện tượng đập của thành (wall thump) và bộ phận lọc:
Khảo sát dòng chảy mạch máu thành mạch chuyển động theo nhịp đập với vận tốc nhỏ. Nhưng vì là mặt phẳng phản hồi mạnh hơn từ các tế bào máu nên tạo thành tín hiệu tần số thấp có biên độ lớn làm sai lệch khi tính toán giá trị tốc độ Vmean, Vmode).
Dùng bộ phận lọc thành (wall filter) để khắc phục tình trạng này. Thường tăng mức lọc 600-800 Hz khi khảo sát động mạch.
Nguyên lý lọc như sau: Tín hiệu hồi âm của xung được giữ trễ trong một khoảng thời gian t giữa 2 xung kế tiếp, sau đó trừ cho tín hiệu hồi âm của xung kế tiếp. Kết quả với vận tốc thành mạch thấp thì sự lệch pha quá nhỏ sau khi bị trừ đi nên những hồi âm này được loại bỏ khỏi tín hiệu dòng chảy.
III. CÁC KỸ THUẬT DOPPLER MỚI (với chất tương phản siêu âm)
1. Chất tương phản siêu âm (xem bài riêng).
2. Các kỹ thuật mới:
a/ TDI (Tissue Doppler Imaging): Một trong các nhiệm vụ chủ yếu của siêu âm tim là đánh giá chức năng tâm thất, trong đó đặc biệt quan trọng là phân tích chức năng thất từng vùng.
Hiện nay đánh giá chức năng vùng được thực hiện bởi nhiều phương pháp:
- Digitized ventriculography.
- Siêu âm tim M-mode từng vùng ở mặt cắt cạnh ức trục dọc và trục ngang.
- Siêu âm tim 2D với phân tích co bóp cơ tim từng vùng.
- Cộng hưởng từ nhân ( MRI )
TDI hay còn gọi là TDE là một phương pháp chẩn đoán hình ảnh có tiềm năng đánh giá chức năng tâm thu và tâm trương từng vùng ở cả thất trái và thất phải. TDI là một kỹ thuật Doppler màu qui ước (conventional colour Doppler technology) trong đó những tín hiệu màu xuất hiện ở mô cơ (<10cm/s và biên độ cao ) trong khi dòng máu (10 - 100cm/s và biên độ thấp ).
Khái niệm TDI được phát triển tùy 2 nhóm: một được mô tả bởi Sutherland và cộng sự, một được mô tả bởi Yamazaki và cộng sự. Ðiều quan trọng của TDI là bỏ qua highpass filter được xử dụng trước đây trong siêu âm màu dùng để loại bỏ chuyển động ở vách tim.
Một điểm khác biệt quan trọng khác giữa chuyển động cơ tim và dòng máu là tín hiệu Doppler có biên độ cao hơn (cao hơn 40 dB). Do đó, về lý thuyết sự khảo sát chủ động cơ tim bằng TDI nhạy cảm hơn siêu âm màu quy ước.
Aliasing không xảy ra vì tần số Doppler nhận được từ chuyển động cơ tim thì thấp hơn nhiều giới hạn Nyquist.
Sự chuyển động cơ được mã màu bởi một bản đồ vận tốc có nhiều màu. Một bản đồ hiển thị vận tốc thấp nhất có màu đỏ hướng về phía đầu dò, vận tốc trung bình màu cam, và vận tốc cao nhất màu vàng. Vận tốc thấp nhất hướng đi xa đầu dò có màu xanh, cao hơn màu tím, xanh lá cây là cao nhất. Theo đó những dữ liệu vận tốc cơ tim được hiển thị bằng TDI ở M-mode hay 2D ở mặt cắt cạnh ức hoặc 4 buồng từ đỉnh.
TDI dùng khảo sát sự co cơ cơ tim trong thời gian thực ở bệnh tim thiếu máu (ischemic heart disease), bệnh cơ tim (cardiomyopathy), giúp khảo sát những cấu trúc (khối u, huyết khối, vách thất).
b/ Kỹ thuật harmonic, Flash echo (FEI) và đảo pha.
Ở siêu âm màu và siêu âm màu năng lượng thường có nhiễu tín hiệu ngoài mạch máu, gọi là xảo ảnh khuếch đại {'blooming' artifact} do ứ đọng tín hiệu, thường thấy rõ trong siêu âm năng lượng (PDI). Do vậy nhiều kỹ thuật mới như harmonic, flash echo và đảo xung được phát triển khi sử dụng với chất TPSA.
1/ Kỹ thuật harmonic
Trong kỹ thuật harmonic, tần số nhận gấp đôi tần số truyền, giúp phát hiện tín hiệu chủ yếu từ vi bọt chất TPSA, lớn hơn tín hiệu của mô vốn có cộng hưởng yếu hơn. Kết quả là có tăng tín hiệu trong mạch máu, làm giảm đi xảo ảnh khuếch đại 'blooming', và giúp giảm thấp mức độ lọc. Nhờ vậy kỹ thuật harmonic có thể phát hiện dòng chảy rất nhỏ và chậm trong các mô chuyển động như cơ tim và mô gan gần cơ hoành nhất là khi kết hợp với siêu âm màu năng lượng.
Kỹ thuật harmonic cần công nghệ đặc biệt chế tạo đầu dò siêu âm đa tần số hay dãi rộng (thí dụ từ 2 đến 5 MHz) và giai cường độ (gamme dynamique) rộng cho phép nhận tức thì các phản âm có cường độ khác nhau.
Mode này cũng áp dụng được như mode B, Doppler xung, màu hay năng lượng. Tuy nhiên chỉ sử dụng được trong một dãi tần số giới hạn cho việc tạo nên hình ảnh, xung quanh tần số gấp đôi tần số cơ bản. Hơn nữa tần số cơ bản và tần số harmonic không thể hoàn toàn tách rời nhau. Nhược điểm là khó áp dụng siêu âm harmonic ở vị trí khám ở sâu vì các tần số harmonic rất cao sẽ giảm âm rất mạnh.
Một kỹ thuật harmonic mới, flash echo, giúp phát hiện các tổn thương di căn gan rất nhỏ và khảo sát tưới máu mô bằng cách dùng tín hiệu của các vi bọt chất TPSA bị méo mó do chùm sóng âm. Sóng âm truyền đi đôi khi làm giới hạn thời gian sống còn các vi bọt này. Vào thời điểm đó một tín hiệu echo rất lớn (như một chớp flash) có được từ sóng âm truyền lúc đầu sau vài giây chờ, quan sát được trong khung hình đầu tiên (first frame image) mà không thấy trong khung hình thứ hai. Thời gian chờ từ 30-40 giây sau tiêm chất TPSA một lần. Khi gan sáng lên do chất TPSA có thể thấy được các tổn thương di căn isoechoic hay hypoechoic đối với mô gan lành xung quanh.
2/ Kỹ thuật đảo pha
Kỹ thuật đảo pha cũng dựa vào các tính chất cộng hưởng của vi bọt chất TPSA, luân phiên biểu hiện thành những áp lực sóng âm dương tính và âm tính. Một dòng hình được tạo bởi 2 xung ngược pha. Ngược với mô có tái phân bố tuyến tính (rétrodiffusion linéaire), tái phân bố không tuyến tính của vi bọt với các xung âm và dương có dạng không đối xứng do cộng hưởng khác nhau. Xung tổng của 2 xung của vi bọt sẽ có biên độ lớn hơn xung tổng của mô có biên độ thấp.
Kỹ thuật này tách được thành phần harmonic của tín hiệu mà không sử dụng lọc và không làm giảm độ rộng dãi tần số của hình ảnh, khác với siêu âm harmonic.
3/ Kỹ thuật chậm cách quãng (interval delay imaging):
Mới đây Burns và cs phát triển một kỹ thuật đơn giản chậm cách quãng interval delay imaging với chất TPSA Optison dùng tăng cường với mode harmonic hoặc đảo pha giúp phân biệt u gan lành và ác dựa trên hiện tượng tái tưới máu tương đối chuyên biệt của mô bướu so với chủ mô gan lành. Với kỹ thuật chậm cách quãng (interval delay imaging) các di căn có ít mạch máu xuất hiện như tổn thương dạng khuyết, nhỏ hơn kích thước thật, trên nền gan sáng hơn. Ngược lại các tổn thương hemangioma nhiều mạch máu thì sáng như mô gan xung quanh, vì cùng độ tưới máu. Ðối với hemangioma tăng cường quanh nốt đặc trưng như thấy ở CT và MR có thể thấy được trong pha mạch máu sớm của siêu âm.
Kỹ thuật mới này đơn giản và có thể lặp lại.
IV. CÁC ỨNG DỤNG: (Xem bài riêng).
1/ Trong Sản Phụ khoa (thai nhi, dây rốn, tiền sản giật, HyCoSy).
2/ Trong bệnh lý mạch máu (động mạch, tĩnh mạch đầu mặt cổ và các chi).
3/ Trong bệnh lý gan (tăng áp lực tĩnh mạch cửa, tưới máu u gan nguyên phát và các u tân sản khác).
4/ Trong bệnh lý thận nội khoa, thận bế tắc và thải ghép thận.
5/ Trong bệnh lý và u tuyến vú.
6/ Trong bệnh lý và u tuyến giáp.
7/ Trong bệnh lý bìu, tinh hoàn và rối loạn cương.
