Nghiên cứu khai thác sử dụng thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000

Lời nói đầu
Kỹ thuật siêu âm đã đợc biết đến từ lâu và đã đợc ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực nh: công nghiệp, dân dụng và y học. Ví dụ trong công nghiệp ngời ta sử
dụng siêu âm để thăm dò các khuyết tật trong các mối hàn kim loại hay để đánh
sạch bề mặt vật liệu, còn trong dân dụng ta có thể sử dụng siêu âm để tìm luồng
cá trong biển... Tuy nhiên lĩnh vực chúng ta đề cập ở đây là vấn đề ứng dụng siêu
âm trong y học. Siêu âm đợc sử dụng rộng rãi trong y học cho mục đích chẩn
đoán và điều trị. Đặc điểm của siêu âm trong y học là chúng không có tác động
xấu đến cơ thể con ngời nh trong X-Quang hay phóng xạ hạt nhân. Chính vì thế
mà siêu âm đã và ngày càng chiếm một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩn
đoán và điều trị. Đồng thời do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số đã mở
rộng khả năng ứng dụng của siêu âm chẩn đoán và chất lợng hình ảnh siêu âm
ngày càng cao.
ở nớc ta ngày nay các bệnh viện từ tuyến huyện đã đợc trang bị các thiết
bị siêu âm. ở các bệnh viện lớn cũng đã đa vào sử dụng các máy siêu âm 3D cho
phép tạo ảnh không gian ba chiều rõ nét có tác dụng đặc biệt trong thăm khám
thai nhi.
Tuy nhiên sự hiểu biết và khai thác thiết bị siêu âm còn có nhiều hạn chế
do chúng ta gần đây mới đa vào đào tạo các kỹ s về chuyên nghành Điện tử y
sinh cha đủ cung cấp cho các bệnh viện hay các nghành khác có liên quan, đồng
thời thiết bị siêu âm đợc đa vào với mục đích chẩn đoán ngày càng nhiều. Xuất
phát từ thực tế nh vậy tôi đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung là: Nghiên cứu
khai thác sử dụng thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000 với hy vọng cùng
các đồ án tốt nghiệp của các đồng chí khác làm tài liệu tham khảo cho các đối t-

1


ợng nh các bác sỹ, kỹ s hay các kỹ thuật viên đang làm việc trong các bệnh viện
hay các chuyên nghành có liên quan.
Nội dung đồ án gồm bốn chơng:

Chơng 1: Cơ sở kỹ thuật siêu âm.
Chơng 2: Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm.
Chơng 3: Hệ thống siêu âm chẩn đoán HDI 4000.
Chơng 4: Quy trình vận hành kiểm tra sửa chữa và an toàn đối với thiết bị chẩn
đoán HDI 4000.
Lĩnh vực nghiên cứu sửa chữa, khai thác các thiết bị siêu âm y tế là một
lĩnh vực mới đa vào giảng dạy, tài liệu còn cha nhiều và đây là một lĩnh vực tơng
đối khó, đồng thời khả năng đợc tiếp cận đối với các trang bị y tế không nhiều do
vậy đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy tôi rất mong sự quan tâm góp
ý của thầy cô và các đồng chí quan tâm tới lĩnh vực nghiên cứu sửa chữa, khai
thác các thiết bị siêu âm y tế.

2


Chơng 1
CƠ Sở Kỹ THUậT SIÊU ÂM
1.1. Cơ sở vật lý siêu âm.
1.1.1. Bản chất của sóng âm.
Trong vật lý phổ thông chúng ta đã biết những dao động cơ lan truyền
trong môi trờng đàn hồi (rắn, lỏng, khí) đợc gọi là những sóng cơ. Chúng ta coi
môi trờng đàn hồi gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thờng
các phần tử môi trờng dao động quanh những vị trí cân bằng bền, nhng khi có
ngoại lực tác dụng lên một phần tử nào đó của môi trờng thì nó làm cho phần tử
này rời khỏi vị trí cân bằng bền. Tuy nhiên do tơng tác với các phần tử xung
quanh nên một mặt phần tử này chịu lực tác động của các phần tử xung quanh
kéo về vị trí cân bằng bền, một mặt nó lại tác động tới các phần tử xung quanh
làm các phần tử này cũng thực hiện dao động. Kết quả là có dao động cơ lan
truyền trong môi trờng đàn hồi, dao động đó gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.

Hình 1.1. Dao động sóng âm.
Đặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trờng vật
chất là sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình

3


vận chuyển vật chất trong môi trờng. Ngời ta gọi ngoại vật gây kích động là
nguồn sóng, phơng truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua
là trờng sóng.
1.1.2. Phân loại sóng âm.
Ngời ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc. Sóng ngang
là sóng mà phơng dao động của các phần tử môi trờng vuông góc với tia sóng.
Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu. Sóng dọc là
sóng mà phơng dao động của các phần tử của môi trờng trùng với tia sóng. Thí
dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra. Hình ảnh những đoạn này truyền
dọc theo lò xo chính là sóng dọc. Âm thanh là một dạng sóng dọc. Sóng dọc
truyền đợc trong chất rắn, lỏng và khí.

Hình 1.2. Sóng dọc và sóng ngang.
Toàn bộ dải tần số của sóng âm đợc chia thành 3 vùng chính:
- Sóng âm tần số cực thấp (Infrasound): Đây là dải tần số dới ngỡng nghe thấy
gọi là vùng hạ âm. f < 16 Hz.
- Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): Với sóng âm trong dải tần số f = 16
Hz đến 20 KHz.
- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20 KHz.

4

Hình 1.3. Biểu đồ dải tần số sóng âm.
1.1.3. Các tính chất của sóng siêu âm.
ở hai phần trên, ta thấy sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con
ngời không thể nghe đợc , tần số của chúng > 20000Hz. Và nh thế sóng âm nói
chung và sóng siêu âm nói riêng không phải là bức xạ điện từ nh ánh sáng hoặc
tia X. Bức xạ điện từ bao gồm các trờng điện và từ thay đổi hợp với nhau một góc
vuông và chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng, tuy nhiên sự
truyền âm trong chân không là không thể vì ở đó không có các phần tử để truyền
dao động.
Dao động siêu âm đợc đặc trng bởi các tham số sau đây:
a) Vận tốc sóng.
Vận tốc sóng là quãng đờng sóng truyền đi đợc sau một đơn vị thời gian.
Trong lý thuyết đàn hồi, ngời ta có chứng minh đợc trong môi trờng đẳng hớng,
vận tốc sóng dọc bằng:
v=

1

=
[m/s]



(1.1)

5


Trong đó:
: hế số đàn hồi là đại lợng đặc trng cho sự giảm thể tích của môi trờng khi có

lực tác động lên môi trờng. Môi trờng càng dễ giảm thể tích thì hệ số đàn hồi
càng cao.
: tỷ khối của môi trờng còn gọi là khối lợng riêng của môi trờng hay mật độ

môi trờng, là khối lợng các hạt môi trờng trên một đơn vị thể tích. Khi tỷ khối
tăng thì có nhiều số lợng các hạt chứa trong một thể tích đã cho, các hạt với số lợng lớn hơn sẽ yêu cầu lực lớn hơn để tạo ra chuyển động phân tử, và cũng cần
một lực lớn hơn để dừng chúng lại. Vì vậy nếu xét trên cơ sở tỷ khối thì ta thấy
tốc độ siêu âm trong xơng (tỷ khối cao) sẽ thấp hơn trong không khí (tỷ khối
thấp).
= 1 : gọi là suất đàn hồi (suất Young).

Từ công thức trên ta thấy nếu tăng tỷ khối mà hệ số đàn hồi giữ không đổi
thì tốc độ âm thanh sẽ giảm. Hệ số đàn hồi và tỷ khối của một môi trờng cụ thể
lại phụ thuộc lẫn nhau, sự thay đổi tỷ khối thờng đi đôi với sự thay đổi khả năng
nén giảm thể tích và ngợc lại. Tuy nhiên khả năng nén giảm thể tích thay đổi rất
nhanh, nên nó trở thành yếu tố ảnh hởng lớn trong công thức (1.1). Tổng kết
chúng ta thấy rằng khi tỷ khối tăng tốc độ âm thanh đi qua môi trờng cũng tăng,
dù có ngoại lệ song đối với các đối tợng chụp siêu âm (không khí, phổi, mỡ, mô
mềm, xơng) thì điều trên vẫn đúng. Bảng 1.1 đa ra tốc độ âm thanh trong một số
tổ chức của cơ thể.
Bảng 1.1 Đặc tính của các môi trờng khác nhau.
Vật liệu

Tỷ khối( kg / m 3

Tốc độ âm

Trở kháng âm(

thanh( m / s )
330
1480
1550

10 6 kg / m 2 / s )

Không khí
Nớc( 20 0 c )
Gan

)
1.2
1000
1060

0.0004
1.48
1.64

6


Cơ
Mỡ
Máu
Xơng
Phổi
Nớc dịch thể

1080
952
1057
1912
400
1000

1580
1459
1575
4080
650
1500

1.70
1.38
1.62
7.8
0.26
1.50

Theo bảng ta thấy tốc độ âm thanh trong không khí là 330m/s, trong xơng
là 4080m/s. Xơng có tỷ khối cao hơn không khí nhng khả năng nén là yếu tố
chính để phát hiện mối tơng quan giữa các tốc độ âm, do xơng có khả năng nén
kém hơn không khí, nên vận tốc âm thanh trong xơng cao hơn trong không khí.
b) Chu kỳ và tần số.
Chu kỳ là thời gian thực hiện một dao động, đơn vị là giây (s).
Tần số là số chu kỳ thực hiện trong 1s, đơn vị là Hz.
Giữa tần số và chu kỳ có quan hệ nh sau:
T=

1
f

(1.2)

c) Bớc sóng.
Bớc sóng là quãng đờng mà sóng truyền đi đợc sau thời gian một chu
kỳ:
= v.T = v / f

(1.3)

Hình 1.4. Bớc sóng.

7


Từ hình vẽ ta thấy bớc sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm có
dao động cùng pha.
d) Trở kháng âm.
Trở kháng âm Z là đơn vị đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi trờng, nó là đại lợng đặc trng cho khả năng phản xạ sóng siêu âm của môi trờng
hay cũng gọi là độ vang hay độ dội của sóng siêu âm.
Z = v.

(1.4)

Trở kháng âm có đơn vị là rayl. Bảng 1.1 đã chỉ ra trở kháng âm của một
số môi trờng sinh học.
e) Hệ số suy giảm âm.

Là đại lợng đặc trng cho khả năng làm suy giảm sóng siêu âm của một
chất đồng nhất. Để minh hoạ hiện tợng hấp thụ của sóng âm trong môi trờng chất
ta xét mẫu vật dày 1cm (L=1), trong đó công suất ra bằng 1/2 năng lợng khi đi
vào môi trờng. Hệ số suy giảm đợc xác định bằng 10 lần logarit cơ số 10 của tỉ
số công suất ra P e so với công suất tới P t , tất cả chia cho quãng đờng siêu âm đi
qua L:
10 log(

=

Pe
)
Pt [dB/cm]

(1.5)

L

Trong thí dụ đó chọn, L=1, P e /P t =1/2, nên hệ số suy giảm là:
= 10 log(1 / 2) =-3,01 (dB/cm)

Dấu âm chỉ ra rằng có sự suy giảm. Tuy nhiên trong thực tế việc xác định
năng lợng tới và năng lợng ra gặp nhiều khó khăn, vì vậy ngời ta thờng xác định
hệ số hấp thụ thông qua biên độ sóng âm tới và sóng âm đi ra khỏi môi trờng.
Nh đã biết, công suất tỉ lệ với bình phơng biên độ nên ta có:

8


10 log(

=

Ae
)
At [dB/cm]

(1.6)

L

1.1.4. Tơng tác của siêu âm với mô.
Trong siêu âm chẩn đoán hình ảnh ta thu nhận đợc chủ yếu dựa trên năng
lợng phản xạ chứ không phải năng lợng truyền qua nh trong chụp X quang chẩn
đoán. Đầu dò làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm sau đó phát hiện ra năng lợng
phản xạ. Một sóng siêu âm đợc định hớng chiếu thẳng tới cơ thể để tơng tác với
mô. Kết quả của tơng tác này đợc ghi lại cho chẩn đoán dới dạng các sóng siêu
âm phản xạ. Các loại tơng tác này xảy ra tơng tự với sóng ánh sáng đợc quan sát
là: phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, giao thoa, hấp thụ.
a) Sự phản xạ và khúc xạ của sóng âm.
Sự tơng tác chính đợc quan tâm tới trong siêu âm chẩn đoán là phản xạ.
Nếu một chùm sóng âm đợc hớng tới dới một góc vuông (gọi là sự tới thẳng góc)
tới một mặt phẳng (chẳng hạn đờng bao quanh các mô khác nhau) lớn hơn bề dày
của chùm tia, nó sẽ phản xạ một phần ngợc lại nguồn âm (hình 1.5). Các mặt
phân cách này gọi là mặt phản xạ, chịu trách nhiệm tạo ảnh các bộ phận chính đợc quan sát trong siêu âm chẩn đoán. Cơ hoành và màng tim là các ví dụ của các
mặt phản xạ.

Hình 1.5. Sự phản xạ gây bởi sóng âm tới mặt phẳng lớn hơn dới một góc vuông.
Bây giờ chúng ta xét sự truyền sóng âm trong môi trờng đồng nhất và đẳng
hớng, khi đó sóng âm sẽ truyền thẳng. Khi gặp mặt phân cách đủ lớn ( >> ) giữa

9


hai môi trờng có trở kháng âm khác nhau, tức là có vận tốc truyền âm khác nhau,
sóng âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ. Một phần năng lợng sóng âm
sẽ phản xạ ngợc trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trờng thứ hai.
Độ lớn của năng lợng phản xạ phụ thuộc vào sự khác nhau của trở kháng
âm Z giữa hai môi trờng. Hệ số phản xạ K đợc tính theo công thức:
Pr Z 2 . cos t Z 1 . cos i
K=
=

Pi Z 2 . cos t + Z 1 . cos i

2

(1.7)

Trong đó: i: góc tới; t: góc khúc xạ; r: góc phản xạ.
Pr: biên độ áp lực của sóng phản xạ.
Pi: biên độ áp lực của sóng tới.
Z1, Z2: trở kháng âm của hai môi trờng.

Hình 1.6. Sự phản xạ và khúc xạ.
Sau đây ta sẽ xem xét một số trờng hợp đặc biệt:
+ Tia tới vuông góc với mặt phân cách: i = r =0, cosi = cosr = 1. Khi
đó hệ số phản xạ của mặt phân cách đợc tính theo công thức:
Z Z1
K = 2

Z 2 + Z1

2

(1.8)

+ Tia tới tạo một góc i 0. Theo định luật phản xạ ta có góc phản xạ bằng

10


góc tới i = r. Sóng truyền tiếp lúc này không còn cùng hớng với sóng tới và tạo
một góc t i, hiện tợng này gọi là hiện tợng khúc xạ, góc khúc xạ t phụ thuộc
vào tốc độ truyền âm (c1, c2) trong hai môi trờng và đợc xác định bởi công thức:
sint = (c2/ c1) ì sini

(1.9)

+ Chúng ta xét một trờng hợp đặc biệt nữa với giả thiết là môi trờng thứ hai
có c 2 > c1 .Thế thì theo công thức (1.9) ta thấy sin t > sin i , trong điều kiện các
góc t , i 90 0 ta suy ra t > i . Vậy bây giờ ta tăng i thì t cũng tăng, giả sử khi
ta tăng i tới một giá trị i* nào đó thì góc t = 90 0 , lúc này thì tia khúc xạ đi là là
mặt phân cách hai môi trờng, nếu tiếp tục tăng i thì không còn tia khúc xạ nữa
mà toàn bộ sóng đợc phản xạ trở lại môi trờng thứ nhất, hiện tợng đó gọi là hiện
tợng phản xạ toàn phần. Khi đó ta có thể tính i* theo công thức: i* = arcsin(c1 / c 2 )
.
Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa
hai môi trờng phụ thuộc vào Z = (Z1-Z2) giữa hai môi trờng: Z càng lớn thì
năng lợng phản xạ càng lớn, hầu hết năng lợng sẽ bị phản xạ trở lại, chỉ còn một

phần nhỏ năng lợng sóng siêu âm đi đợc xuống môi trờng bên dới mặt phân cách,
sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận đợc thông tin từ cấu trúc bên dới
mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta
phải dùng gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí.
b) Sự tán xạ sóng âm.
Một tơng tác quan trọng khác giữa siêu âm và mô là sự tán xạ. Sự tán xạ
xảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn so với bớc sóng, hoặc bề mặt không
đồng đều. Khi có sự tán xạ thì mỗi mặt phân cách hoạt động nh là một nguồn âm
mới, và âm đợc phản xạ theo tất cả các hớng, và chỉ một phần nhỏ năng lợng siêu
âm đến đợc đầu dò. Mặc dù việc thu nhận các tia tán xạ rất khó khăn, nhng

11


chúng có lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và rất quan trọng
trong đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ nh độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ hay
vách liên thất.

Hình 1.7. Hiện tợng tán xạ với sóng tán xạ phát ra theo tất cả các hớng.
c) Sự nhiễu xạ.
Nhiễu xạ là hiện tợng gây ra chùm siêu âm bị phân ra hoặc trải ra khi các
sóng ra xa khỏi nguồn âm (hình 1.8). Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ của nguồn
âm giảm. Nhiễu xạ cũng xảy ra sau khi chùm tia với mặt sóng phẳng đi qua khe
hở nhỏ một khoảng bớc sóng. Do sóng bị chặn ở mọi nơi trừ khe hở nên khe hở
hoạt động nh một nguồn âm nhỏ và chùm tia phân kỳ một cách nhanh chóng nh
chỉ ra ở hình 1.9.

Hình 1.8. Sự mở rộng của một chùm tia từ một nguồn nhỏ.

12

Hình 1.9. Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ.
d) Sự giao thoa.
Giao thoa là hiện tợng chồng chất của hai hay nhiều sóng cơ học. Nếu các
sóng có cùng tấn số và cùng pha thì chúng giao thoa cộng hởng gây ra sự tăng
biên độ. Còn nếu có cùng tần số nhng khác pha khi đó chúng triệt tiêu nhau và sẽ
là triệt tiêu hoàn toàn khi mà các sóng cùng tần số, biên độ và hoàn toàn ngợc
pha nhau kết quả sẽ cho một sóng có biên độ bằng không.
e) Sự hấp thụ.
Sự hấp thụ là quá trình mà năng lợng âm bị tiêu tán trong môi trờng. Mọi
dạng tơng tác (phản xạ, tán xạ, khúc xạ hay phân kỳ) đều làm giảm cờng độ
chùm siêu âm bởi sự định hớng lại năng lợng của chùm. Sự hấp thụ là quá trình
mà năng lợng siêu âm đợc chuyển sang dạng năng lợng khác chủ yếu là nhiệt.
Với tính chất này siêu âm có thể đợc sử dụng trong y tế để chữa bệnh (vật lý trị
liệu).
Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan tới tần số, tới tính nhớt và thời gian
hồi phục của môi trờng. Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phần tử quay
trở lại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay chính xác hơn là lực tác động
trở lại trạng thái ban đầu. Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các
phần tử quay trở về vị trí ban đầu trớc khi đợt sóng tiếp theo đến, còn khi thời
gian hồi phục dài thì có thể khi các phần tử đang trở về vị trí ban đầu thì đợt sóng
khác lại tác động vào chúng nên cần nhiều năng lợng lớn để dừng và chuyển hớng các phần tử và do đó sinh ra nhiều nhiệt hơn.

13


Khả năng của các phần tử chuyển động qua một phần tử khác xác định độ
nhớt của môi trờng, độ nhớt cao sẽ hạn chế dòng phân tử. Tần số cũng ảnh hởng
lớn đến sự hấp thụ và quan hệ với cả độ nhớt lẫn thời gian hồi phục. Nếu tần số

tăng các phần tử dao động càng nhiều và tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh h ởng kéo
theo của ma sát (nhớt). Mặt khác khi tần số tăng thì thời gian cho các phân tử
quay về trạng thái cũ trong quá trình hồi phục ít hơn, các phần tử vẫn tiếp tục
chuyển động cần nhiều năng lợng để dừng và định hớng lại nên hấp thụ nhiều
hơn.
f) Sự suy giảm.
Khi đi qua môi trờng đồng nhất, cờng độ siêu âm giảm dọc theo đờng
truyền. Sự mất mát về biên độ này gọi là độ suy giảm. Độ suy giảm là kết quả
của ba quá trình: sự phân kỳ, sự hấp thụ, và sự tán xạ. Khi đi vào môi trờng, tia
có thể mở rộng hoặc phân kỳ nên năng lợng sẽ lan truyền ra một diện tích rộng
hơn theo quá trình tia truyền qua môi trờng, và do đó năng lợng trên một đơn vị
diện tích giảm xuống. Với các loại mô khác nhau thì sự suy giảm cũng khác nhau
nh chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.10. Quan hệ độ suy giảm - tần số với các loại mô khác nhau.

14


Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn nh chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.11 ảnh hởng của tần số đến sự suy giảm.
g) Hình dạng chùm tia siêu âm.
Vì sóng siêu âm là sóng cơ học nên nó đúng với hiện tợng giao thoa và
nguyên lý Huyghen.
Nguyên lý Huyghen phát biểu nh sau: tất cả các điểm trên một mặt sóng
đều là những nguồn phát xạ sóng mặt cầu. Điều này có nghĩa là tại một điểm nào
đó sóng sẽ đợc tính bằng tổng tất cả các sóng con của các điểm nằm trên mặt
sóng. Ví dụ, trờng siêu âm ở vùng xa của một khe hở đợc chiếu bởi sóng siêu âm
phẳng nh chỉ ra trên hình 1.12:

15


Hình 1.12. Giao thoa giữa hai sóng từ hai nguồn điểm của cảm biến phẳng.
sẽ đợc tính bằng cách cộng tất cả các trờng siêu âm tạo ra bởi mỗi điểm nằm trên
khe hở. Trên hình chỉ ra các sóng con của hai nguồn điểm trên khe hở. Sẽ xảy ra
hiện tợng giao thoa cộng tại những điểm mà các mặt sóng con trùng nhau. Nếu
tính tổng của tất cả các điểm nh thế ta sẽ có dạng mặt sóng tạo ra từ khe hở nh
trên hình 1.13.

Hình 1.13. Mặt sóng và hình dạng chùm tia tạo ra bởi sóng phẳng đi qua khe hở.
Có thể thấy rằng mặt sóng tiếp tục phẳng khi ở gần khe hở và lồi dần khi đi
ra xa làm cho chùm tia dần bị phân kỳ. Vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ phụ
thuộc vào tỉ số giữa kích thớc của khe hở và độ dài bớc sóng. áp dụng đối với
mặt sóng phát ra từ bề mặt cảm biến của đầu dò siêu âm ta thấy khi tỉ số giữa đờng kính của cảm biến D (khẩu độ) và độ dài bớc sóng tăng thì khoảng cách từ
cảm biến đến vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ sẽ tăng đồng thời độ phân kỳ
giảm.

16


Hình 1.14. Hình dạng chùm tia siêu âm.
áp dụng nguyên lý Huyghen ngời ta tính đợc sự thay đổi của cờng độ
chùm tia xuất phát từ cảm biến. Ví dụ với dạng chùm tia siêu âm của cảm biến
dạng đĩa mỏng có khẩu độ là D. Trong trờng hợp này hầu hết năng lợng chùm tia
nằm trong bề mặt: hình trụ với vùng gần, hình nón với vùng xa (nh chỉ ra ở hình
1.15).

Hình 1.15. Năng lợng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới

hạn bởi một bề mặt.
Góc (bằng 1/2 góc phân kỳ) đợc tính theo công thức:
sin = 1.2


D

(1.10)

17


Có thể thấy rằng cờng độ chùm tia siêu âm dọc trục thay đổi theo khoảng
cách, trong vùng gần (vùng Fresnel) sự thay đổi này khá rộng, trong vùng xa
(vùng Fraunhofer) cờng độ sẽ giảm dần. Chiều dài vùng gần (Z m) đợc tính theo
công thức:
Zm =

D2
4

(1.11)

1.1.5. Hiệu ứng Doppler và các kỹ thuật siêu âm Doppler.
a) Hiệu ứng Doppler.
Sự chuyển động tơng đối của nguồn âm và của ngời quan sát gây ra sự biến
đổi tần số của âm nhận đợc. Hiện tợng đó đợc gọi là hiện tợng Doppler. Doppler
tiến hành nhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại gần ngời quan sát,
tần số mà ngời quan sát nhận đợc cao hơn tần số do nguồn âm đó phát ra. Trờng
hợp nguồn âm đi ra xa ngời quan sát, ngời đó nhận đợc tần số thấp hơn tần số của

nguồn phát. Tấn số f ' nhận đợc theo công thức sau:
f '=

f
1

v
c

= f

c
cv

(1.12)

Dấu - xảy ra khi ngời quan sát tiến lại gần nguồn phát âm, dấu + xảy ra khi
ngời quan sát đi ra xa nguồn phát âm.
Trong đó f là tấn số nguồn phát, c là tốc độ âm trong môi trờng, v là tốc
độ âm so với ngời quan sát.
b) Các kỹ thuật siêu âm Doppler.
Có hai kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm là
kỹ thuật Doppler liên tục và kỹ thuật Doppler xung.
*) Kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục (continuous wave).

18


Hình 1.16. Doppler liên tục.
Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục ngời ta sử dụng hai tinh thể trong

đầu dò, một cho truyền sóng với tần số không đổi một cách liên tục và một cho
nhận các tín hiệu phản xạ một cách liên tục. Nhợc điểm của kỹ thuật này là
không nhận biết đợc vị trí điểm phản xạ, nhng bù lại Doppler liên tục có thể đo đợc những vận tốc lớn.
fd =

2 f TX .v. cos
c

(1.13)

Với f d là tần số dịch chuyển Doppler, f TX là tần số dịch chuyển sóng phát,
góc tạo giữa trục chùm tia siêu âm và dòng chảy.
*) Kỹ thuật siêu âm Doppler xung.

19


Hình 1.17. Doppler xung.
Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler xung ta sử dụng một tinh thể vừa làm
nhiệm vụ phát vừa làm nhiệm vụ thu. Sóng âm phát đi theo từng chuỗi xung dọc
theo hớng quét của đầu dò, song chỉ có những xung phản xạ tại vị trí lấy mẫu là
đợc ghi nhận và xử lý. Kích thớc và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi đợc.
Nhờ vậy kỹ thuật Doppler xung cho phép nhận biết tín hiệu Doppler tại các độ
sâu khác nhau.
ứng với mỗi vị trí lấy mẫu đợc chọn, khoảng thời gian cho xung đi và về
xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung. Do vậy độ lặp lại của
các chuỗi xung phát PRF (Pulse Repetition Frequency) không thể lựa chọn lớn
hơn 1/T.
PRF 1/T
Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng của độ lệch tần số

Doppler f d , Doppler xung có thể nhận biết đợc vị trí dòng chảy song lại có một
nhợc điểm là bị hạn chế trong việc đo dòng chảy tốc độ cao do xuất hiện hiệu
ứng liên kết.
Sự kết hợp Doppler xung và hình ảnh siêu âm hai chiều là khả thi, hình
siêu âm hai chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học và dùng để đặt vị

20


trí và kích thớc lấy mẫu, còn Doppler xung cung cấp thông tin về dòng chảy là
phần chuyển động hiện diện trong cấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để
bổ sung thông tin lẫn nhau này gọi là Duplex Sonography. Nh vậy các thiết bị
SonoGraphy cho phép biết đợc hớng dòng chảy, so với chùm tia siêu âm và góc
hợp giữa trục chùm tia và hớng dòng chảy, từ đó tính đợc tốc độ dòng chảy.
1.1.6. ứng dụng của siêu âm trong y tế.
ứng dụng siêu âm trong điều trị.
Do siêu âm có tần số rất lớn ( >20.000 Hz, bớc sóng nhỏ) nên khi lan
truyền ít bị nhiễu xạ, truyền tơng đối thẳng và ta có thể tạo ra chùm siêu âm hội
tụ lên những vị trí cần thiết bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm. Khi
truyền qua môi trờng, do môi trờng có ma sát và hấp thụ nhiệt nên cờng độ của
siêu âm giảm theo quy luật:
I = I 0 e x

(1.14)

Trong đó: Io là cờng độ lúc bắt đầu vào môi trờng, I là cờng độ lúc ra khỏi
môi trờng; x là chiều dày của môi trờng, là hệ số hấp thụ của môi trờng, e là
cơ số lôgarit tự nhiên bằng 2,71828.
Qua thực nghiệm ngời ta thấy tỉ lệ với bình phơng tần số f của âm, lập
phơng vận tốc và tỉ lệ nghịch mật độ môi trờng:

~

f 2v3


(1.15)

Do không khí có tỷ khối thấp nên siêu âm bị hấp thụ nhiều trong không
khí, đồng thời do mặt phân giới giữa môi trờng nào đó với môi trờng không khí
phản xạ nhiều sóng siêu âm nên khi điều trị hoặc chẩn đoán dùng siêu âm ngời ta
phải để đầu phát siêu âm sát da và ở trên da phải bôi một lớp gen điện cực. Sự
hấp thụ năng lợng siêu âm của môi trờng thể hiện bằng sự tăng nhiệt độ. Lợi
dụng đặc tính này ngời ta dùng siêu âm làm giãn các mạch máu ngoại biên để

21


tăng cờng tính thẩm thấu của tế bào biểu bì, do đó có tác dụng chống viêm. Lúc
qua mặt phân giới giữa hai môi trờng, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này. Sức ép
tỉ lệ thuận với năng lợng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm 2 . Vì vậy
khi nhúng đầu phát siêu âm vào nớc, siêu âm có thể làm nớc bắn lên cao tới vài
cm. Nhờ có sức ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách
xoa bóp tế vi, một tác dụng rất quí trong điều trị chứng viêm tế bào.
Siêu âm là sóng dọc, khi truyền nó làm biến dạng nén giãn môi trờng: có
vị trí mật độ môi trờng lớn vì các phần tử bị ép lại; có vị trí mật độ môi trờng nhỏ
vì các phần tử giãn cách nhau xa. Khi công suất máy phát lớn, tại nơi mật độ môi
trờng lớn, áp suất nén có thể tới hàng vạn atmôtphe; còn tại nơi mật độ nhỏ các
phần tử bị giãn ra với "áp suất giãn" có trị số tơng tự. Lực giãn các phân tử nh vậy
đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử, môi trờng khi ấy tự đứt và tạo thành lỗ
vi mô. Nếu quá trình này xảy ra trong nớc thì những lỗ này sẽ bị hơi nớc hoặc các

khí hoà tan choán đầy. Do hiện tợng tạo thành lỗ, các tế bào sống đặc biệt là
hồng cầu có thể bị vỡ. Trong y học dùng hiện tợng tạo thành lỗ để chống đông
máu.
Vì siêu âm truyền qua đợc các mô trong cơ thể, làm cho các tế bào bị chấn
động, cơ thể hấp thu của siêu âm một nhiệt lợng đáng kể nên ngời ta dùng nó để
chữa một số bệnh, chẳng những ở ngoài da mà còn cả ở bên trong cơ thể.
Những bệnh chữa bằng siêu âm có hiệu quả nhất là các chứng đau các dây
thần kinh, đặc biệt là dây thần kinh toạ, thấp khớp
Ta cần chú ý rằng siêu âm với tần số thờng dùng cao ( >100.000 Hz) chỉ
qua một lớp không khí mỏng đã bị ngăn lại, do đó ngời ta thờng bôi gen lên da để
làm môi trờng trung gian giữa da và đầu phát siêu âm thay cho không khí. Lu ý
không dùng siêu âm điều trị cho những ngời đang có thai, đang bị lao, bị sốt và ở
trẻ em. Gần đây ngời ta đã bắt đầu dùng những sóng siêu âm có cờng độ lớn (1,4
x 10 7 W/m2) để phá hủy các tổ chức bệnh trong sâu nh sỏi thận, u tuyến,.v.v...

22


ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán.
Siêu âm đợc ứng dụng vào chẩn đoán bệnh là nhờ các đặc điểm sau:
* Có thể tạo ra chùm siêu âm song song hoặc hội tụ vào một khoảng nhỏ, hoặc
phân kỳ.
* Chùm siêu âm song song truyền qua môi trờng, bị môi trờng hấp thụ, cờng độ
giảm theo qui luật (1.14).
* Chùm siêu âm gặp mặt phân giới giữa hai môi trờng sẽ phản xạ. Khi hai môi trờng có trở kháng âm rất khác nhau thì sự phản xạ lại càng mạnh.
* Chùm siêu âm gặp vật di chuyển, có thể ứng dụng hiệu ứng Doppler để xác
định vận tốc theo hiệu tần số phát và thu (cùng một đầu dò phát - thu) theo công
thức (1.12).
* Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùng
cho phụ nữ có thai, thai nhi... đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần.

Trên thực tế dùng siêu âm trong chẩn đoán theo 2 hớng chính sau:
Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm:
Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh nh sau:
a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tơng tự nh tạo ảnh X quang
trong chẩn đoán (hình 1.18a).

23


Hình 1.18
a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tơng tự nh tạo ảnh X quang
trong chẩn đoán.
b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tợng
khảo sát với môi trờng xung quanh.
b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tợng
khảo sát với môi trờng xung quanh (hình 1.18b).
áp dụng nguyên lý này vào chẩn đoán, ngời ta còn chia ra các kiểu:
+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A - Scope): đó là phơng pháp ghi đo sóng phản
xạ trên một bình diện. Đầu phát sóng đợc hớng vào vùng đo. Khi gặp phải vật
hoặc môi trờng có trở kháng âm khác sẽ phát sóng xung phản xạ. Các sóng xung
đó đợc biến thành xung điện và đợc ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang.
Chúng đợc thể hiện thành từng dấu hiệu hình parabol ngợc có độ cao, độ rộng
hẹp khác nhau. Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng
cách) xuất hiện mà ta chẩn đoán đợc bệnh. Phơng pháp này đơn giản, rẻ nhng

24


khó phân tích, nếu trên đờng đi của sóng âm có nhiều lớp vật chất có âm trở khác
nhau.

Phơng pháp này hay đợc dùng để tìm di vật, tụ máu trong não, trong sản
phụ.
+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B - scope): đó là phơng pháp xung phản xạ trên 2
bình diện, phức tạp hơn kiểu A nhiều. Các sóng xung phản xạ đợc thể hiện bằng
những chấm có độ sáng khác nhau tùy thuộc cờng độ sóng xung, nó phản ánh
hình ảnh hai bình diện của đối tợng nghiên cứu. Ngày nay sóng xung phản xạ
kiểu B đợc áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh của gan, mật,
mắt, sọ não, tim, v.v...
Ngoài ra còn siêu âm chẩn đoán kiểu TM hay còn gọi là kiểu M. Đây là
những nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch v.v ) là cơ
sở của phơng pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm.
Trong việc dùng siêu âm vào chẩn đoán, để tránh cho chùm siêu âm bị
không khí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da, giữa đầu dò siêu âm (phát và
thu) và da ngời bệnh, ngời ta hay bôi đệm một lớp gen (ví dụ dầu paraphin
lanolin có trở kháng âm Z giống nh của cơ thể, nên áp đầu dò vào da đầu, ta loại
đợc lớp không khí len giữa, nên loại đợc phản xạ).
Việc chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm đã có nhiều tiến bộ vợt bậc trong
thời gian gần đây đặc biệt tác dụng khi đối tợng rất khó phát hiện bằng hình ảnh
do tia X tạo ra (thí dụ mảnh đạn bằng nhựa chứ không phải kim loại).
Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler:
ở các ứng dụng y sinh của siêu âm, nguồn phát đợc cố định, còn mục tiêu
chuyển động. ứng dụng thông thờng nhất của siêu âm Doppler là đo tốc độ dòng
chảy của máu nhằm chẩn đoán các bệnh về tim mạch. Để đo đợc tốc độ của dòng
chảy thì yêu cầu cơ bản nhất là dòng chảy phải tồn tại các mục tiêu hữu hình có

25