Bài giảng kỹ thuật siêu âm

KĨ THUẬT SIÊU ÂM
Những kiến thức bổ trợ:
Kiến thức Vật lí:
- Dao động và sóng
- Sóng âm
Hướng dẫn:
- Xem Giáo trình Lí sinh
(Phần 1. Chương 1, bài 3).
- Bài giảng dạng slide trong
website
lisinhstudy.tnu.edu.vn
- Tham khảo: Giáo trình Vật lí
đại cương
Kiến thức lí sinh y học:
- Đại cương về sóng âm và siêu âm
- Tính chất vật lí của siêu âm
- Nguyên lí nguồn phát siêu âm
Hướng dẫn:
-Xem: “ Giáo trình&sách tham khảo”,
chọn “giáo trình vật lí lí sinh (phần 3
Chương 3 )
- Bài giảng dạng Slide và tài liệu tham
khảo trong
lisinhstudy.tnu.edu.vn
-Tham khảo : Giáo trình lí sinh y học
( Phan sĩ An-NXB Y học), Li sinh học
( Đoàn Suy Nghĩ, NXB ĐH Huế).
Chủ đề 1: Bản chất vật lý của sóng siêu âm
1. Dao động và sóng – Sóng âm
1.1.Dao động
Là một chuyển động được lặp lại nhiều lần theo thời gian.

VD: con lắc đồng hồ, dao động của cây cầu treo, dao động của dòng
điện trong mạch…
1.2. Sóng
Là sự lan truyền của tín hiệu (mang năng lượng), từ điểm này đến
điểm kia trong một môi trường mà không có sự di chuyển thành
dòng của các phần tử môi trường
1.3. Sóng âm – Siêu âm
• Bản chất
Âm do các vật dao động phát ra và được lan truyền ra môi
trường dưới dạng sóng: Sóng âm
Bản chất sóng âm là sóng cơ học
VD:
- Kéo dây đàn ra khỏi vị trị cân bằng rồi thả ra thì ta thấy
nó dao động  Âm thanh phát ra và lan truyền (sóng âm).
• Các thông số cơ bản
* Chu kỳ dao động (T):
* Biên độ dao động (h):
* Tần số dao động (f):
* Bước sóng (

):
* Tốc độ lan truyền của siêu âm (v):
* Cường độ của sóng siêu âm (I):
* Năng lượng của sóng siêu âm (I):
2. Các tính chất vật lý cơ bản của sóng
âm
• Hiện tượng phản xạ
• Hiện tượng khúc xạ
• Hiện tượng tán xạ
• Hiện tượng nhiễu xạ

• Hiện tượng hấp thụ
• Hiệu ứng đople
2.1. Hiện tượng phản xạ
+ Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có
âm trở khác nhau sẽ tạo nên hiện tượng phản xạ siêu âm,
tuân theo định luật quang hình học.
+ Hệ số phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ
số phản xạ siêu âm khác nhau. Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào
âm trở của hai môi trường:
R = (Z
1
– Z
2
) / (Z
1
+ Z
2
)
Trong đó Z1 và Z2 là âm trở của môi trường 1 và 2.
Ví dụ: - Hiện tượng dội lại khi âm phát ra gặp vật cản (tường,
núi) trong tự nhiên.
- Giữa mô mềm và không khí, xương có Äz lớnhầu hết
năng lượng của chùm siêu âm bị phản xạ lạidùng Gel.
2.2. Hiện tượng khúc xạ.
- Là hiện tượng chùm siêu âm khi lan truyền trong một môi
trường có âm trở khác bị lệch hướng đột ngột ngay tại mặt phân
cách.
- Sự khúc xạ siêu âm làm lệch nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến
chùm siêu âm phản xạ và kết quả chẩn đoán.
M

M
S
I
Px
Kx
2.3. Hiện tượng tán xạ.
Hiện tượng này xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các cấu
trúc nhỏ (có kích thước <<) hoặc với bề mặt không đồng
đều, khi đó tia siêu âm bị tán xạ theo mọi hướng và chỉ có 1
phần nhỏ tới được đầu dò Hiện tượng này không phụ
thuộc vào góc tới của tia siêu âm, rất quan trọng trong đánh
giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ ).
2.4. Hiện tượng nhiễu xạ.
Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản.
Hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò đến mặt
phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng, đường kính của
nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra.
 Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm càng đi
xa càng bị suy giảm.
2.5. Hiện tợng hấp thụ:
- Khi chùm siêu âm truyền qua một môi trờng vật chất chùm
siêu âm đã truyền một phần năng lợng cho môi trờng đó hay
nó bị môi trờng đó hấp thụ.
- Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trờng siêu âm
truyền qua, tần số siêu âm và hệ số hấp thụ của môi trờng.
I
x
= I
0
.e

-fx
Ix: cng siờu õm o c sõu x
Io: cng siờu õm lỳc u
f : h s hp th ca mụi trng.
x : chiu dy ca mụi trng siờu õm i qua.
2.6.
Hiệu ứng Doppler
Khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát âm và thiết
bị thu âm, tần số âm thanh thu được sẽ thay đổi. Đó là hiệu
ứng Dopple
Cụ thể:
+ Bước sóng  ngắn lại khi đầu thu và phát lại gần nhau (
tần số tăng) và dài ra trong trường hợp xa nhau ra (tần số
giảm).
Ví dụ: tiêng còi tàu lúc đến và đi khác nhau.
3. 1. Nguyên lí nguồn phát siêu âm.
Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một
vật rắn, một màng căng hay một dây căng dao động
đàn hồi.
Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi
phải có tần số trên 20 000Hz nhờ vào nguồn dao
động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh,
tinh thể Niken
Có hai cách phát siêu âm:
+ Dựa vào hiệu ứng áp điện.
+ Dựa vào hiện tượng từ giảo.
3.2. Hiệu ứng áp điện
Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông
góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện. Người ta mạ
hai mặt của bản để tạo thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản

của một tụ điện phẳng
Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện
một chiều bản thạch anh bị biến dạng cong
về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản
thạch anh bị cong ngược lại. Khi ta thay
nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay
chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sẽ liên
tục bị biến dạng theo tần số của dòng điện
và phát ra siêu âm khi tần số trên 20 000Hz.
HƯ áp điện
3.2. Hiện tượng từ giảo:
- Đặt một thanh sắt từ vào trong
lòng một cuộn dây đã nối với một nguồn
điện một chiều  độ dài của thanh sắt từ
ngắn đi một ít : hiện tượng từ giảo
- Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay
chiều có tần số cao. Từ trường trong lòng
cuộn dây biến thiên liên tục  thanh sắt từ
dao động với tần số cự lớn và sẽ phát ra siêu
âm ( với tần số > 20 000Hz).
Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi
dao động của dòng điện phù hợp với dao động
riêng của thanh sắt từ. Nguồn phát siêu âm
loại này có thể lên đến 1000MHz.
Chủ đề 2:
Cơ sở vật lý của kĩ thuật siêu âm.
1. Nguyên lí chung:
Tương tác của
sóng
siêu âm với các tổ chức trong cơ thể, sự

tương tác này phụ thuộc vào:
+ Tốc độ truyền của sóng siêu âm trong môi trường.
+ Trở kháng âm của môi trường.
+ Sự hấp thụ của tổ chức.
+ Thông số (f,) của sóng siêu âm
+ Cấu trúc hình học của tổ chức sống
2. Tc lan truyn siờu õm qua cỏc mụi trng sinh hc.
Môi trờng Tốc độ siêu âm (m/s)
Da và tổ chức dới da
Mỡ
Nớc ối
Cơ
Cổ tử cung
Tổ chức xốp
Xơng sọ thai
Thận
Não thai
Xơng dài
1408
1450(330)
1500
1585(330)
1560
1540
3000
1581(330)
1514
4080(330)
(Tc siờu õm trung bnh qua c th con ngi l 1500-1600m/s)
3. Âm trở (Z):

Mỗi một môi trường có đặc điểm cấu trúc, tính chất và mật
độ khác nhau gây ra những cản trở vận tốc siêu âm khác
nhau. Sự cản trở đó là âm trở của môi trường.
Âm trở của môi trường tỉ lệ với mật độ của môi trường và tốc
độ lan truyền siêu âm.
Z= .v
Z: âm trở.
: mật độ của môi trường.
v: tốc độ lan truyền siêu âm.
m tr ca mt s mụi trng
Môi trờng Âm trở (g/cm
2
.s)
Nớc 37oC
Không khí
Môi trờng sinh vật
Dịch mắt
Tinh thể mắt
Não
Cơ
Máu
Thận
Lách
Gan
Xơng đặc
Xơng xốp
1,49.10
5
0,0004.10
5

1,5.10
5
1,52.10
5
1,54.10
5
1,60.10
5
1,60.10
5
1,62.10
5
1,64.10
5
1,65.10
5
6,10.10
5
2,55.10
5
4. Phân loại sóng âm.
4.1. Phân loại theo phương dao động:
- Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi
trường vuông góc với tia sóng (môi trường có tính đàn hồi về
hình dạng  có ở vật rắn).
- Sóng dọc: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi
trường trùng với tia sóng (môi trường chịu biến dạng về thể
tíchtruyền qua được chất rắn, khí, lỏng).
Sóng siêu âm là sóng dọc
4.2. Phân loại theo tần số:

+ Hạ âm: f <16 Hz
+ Sóng âm có tần số nghe thấy: f = 16- 20KHz.
+ Siêu âm: f > 20 KHz.
 Ứng dụng trong y học: 700 KHz- 50 MHz
(chẩn đoán: 2MHz-50MHZ)
Chủ đề 3. Kĩ thuật siêu âm
1. Cấu tạo tổng quát của máy siêu âm.
HIỆN HINH
Xử lý sau khi
chụp
Bộ nhớ ảnh
Đồng hồ Máy phát sóng
Bộ tách sóng
Bộ kiểm soát độ hội
tụ
Đầu dò
2. Nguyên lý cấu tạo đầu dò
Đầu dò siêu âm gồm một đơn
vị tinh thể có tính áp điện để trong
một buồng làm bằng chất nhựa (tinh
thể là một tấm mỏng thạch anh
hoặc Barium titanate được nối 2 cực
dòng điện của máy).
Trong buồng nhựa còn chứa một
môi trường hỗ trợ nhằm định hướng
nguồn siêu âm phát ra, môi trường
này sẽ hấp thụ nguồn siêu âm phát
ngược lại  Đầu dò vừa phát sóng,
vừa thu sóng.
3. Nguyên lí thu – phát

3.1. Nguyên lý thu siêu âm.
+ Hiện tượng áp điện thuận:
3.2. Nguyên lý phát siêu âm.
+ Hiện tượng áp điện nghịch:
4. Các loại đầu dò phổ biến.
Dựa vào nguyên lý trên  chế tạo các loại đầu dò đơn, đầu dò
ghép, và thay đổi hình dạng để thuận tiện ứng dụng trong lâm
sàng:
- Loại quét hình vòng cung phát nguồn siêu âm qua nước thẳng
trực tiếp vào da theo hình vòng cung theo hướng hội tụ.
- Loại quét thẳng vào cơ thể theo hướng phân kỳ.
- Loại chùm siêu âm phát ngược lên một gương phản chiếu theo
hướng phân kỳ rồi phản xạ lại theo hướng song song vào cơ thể.
- Loại vừa phát vừa xoay tròn để cho chùm siêu âm từ trong phát
ra theo hình tròn.
Hình minh họa các loại đầu dò:
Trên thực tế có các loại đầu dò sau:
- Linear Array: cấu tạo từ 1 dãy n tinh thể đơn xếp thành hàng, ứng dụng siêu âm
vùng bụng, sản-phụ khoa, tuyến giáp…
- Đầu dò Convex: tinh thể xếp thành đường cong, quét hinh rẻ quạt, ứng dụng siêu
âm vùng bụng, Pelvis.
- Đầu dò Sector điện tử (Phased Array): SA khe liên sườn, SA-nội soi.
- Đầu dò Sector cơ khí: ứng dụng siêu âm tim, sản Phụ khoa, âm đạo