Nghiên cứu ảnh hưởng của định dạng hình học bề mặt tới định dạng phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------***------

Hoàng Thị Lê Vân

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊNH DẠNG HÌNH
HỌC BỀ MẶT TỚI ĐỊNH DẠNG PHÂN BỐ ÁP SUẤT ÂM
CỦA ĐẦU DÒ SIÊU ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT Y SINH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS Trịnh Quang Đức

Hà Nội - 2016


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập nghiên cứu, với sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy
cơ giáo, sự động viên khích lệ của gia đình, đồng nghiệp và bạn bè cùng với sự cố
gắng của bản thân, tác giả đã hoàn thành đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của
định dạng hình học bề mặt tới định dạng phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm ”.
Với tình cảm chân thành, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trịnh
Quang Đức người đã hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo tác giả tận tình trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Sau đại học, Viện Điện tử viễn thông
Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô giáo đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác
giả trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp vơ cùng

quý báu của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, các bạn bè đã giúp đỡ tác giả hoàn
thành đề tài luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2016
Học viên

Hoàng Thị Lê Vân


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan, những gì tơi viết trong luận văn này là do sự tìm tịi và nghiên
cứu của bản thân. Các số liệu trong luận văn là có thực, mọi kết quả nghiên cứu cũng
như ý tưởng của tác giả đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể, rõ ràng.
Luận văn này cho đến nay vẫn chưa được ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng
bảo vệ luận văn thạc sỹ nào và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện
thông tin nào.
Tôi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi cam đoan.
Hà Nội, ngày 28 tháng 3 năm 2016
Học viên

Hoàng Thị Lê Vân


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
1.

Giới thiệu về cảm biến áp điện ............................................................................ 3

2.

Phân bố áp suất âm của các dạng đầu dò ............................................................. 9

2.1 Trường áp suất âm của đầu dò dạng điểm ............................................................ 9
2.2 Trường áp suất âm của đầu dò dạng phẳng ........................................................ 10
2.3 Trường áp suất âm của đầu dò dạng cầu lõm ..................................................... 11
3.

Ứng dụng của các đầu dò áp điện trong y tế ...................................................... 12

3.1 Tạo ảnh siêu âm ................................................................................................... 12
3.1.1 Ảnh B-Mode và đo A-Mode ........................................................................... 12
3.1.2 Ảnh C-Mode .................................................................................................. 15
3.2 Siêu âm điều trị .................................................................................................... 16
4.

Vai trò của thiết kế đầu dò bằng phương pháp số .............................................. 18

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 20
1.1 Phương trình mơ tả lan truyền sóng âm ............................................................... 21
1.2 Xây dựng phương trình mơ tả phân bố áp suất âm .............................................. 24
1.3 Phương pháp số hóa ............................................................................................. 25
1.4 Lựa chọn cơng cụ mơ phỏng................................................................................ 28
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG PHÂN BỐ ÁP
SUẤT ÂM ..................................................................................................................... 30
2.1 Xác định các tham số đầu vào ............................................................................. 30
2.1.1 Tham số tốc độ truyền sóng trong mơi chất c .............................................. 30
2.1.2 Tần số của sóng âm ....................................................................................... 30

2.1.3 Áp suất âm cực đại của một nguồn phát sóng điểm ........................................ 30
2.1.4 Độ rộng của mặt phẳng quan sát phân bố áp suất âm. ................................ 31
2.2 Xây dựng lưu đồ thuật toán ................................................................................ 31
2.3 Xây dựng mặt phẳng và các mặt bậc hai ............................................................. 33
2.3.1 Mặt cầu lõm ................................................................................................... 33


2.3.2 Mặt cầu lồi...................................................................................................... 34
2.3.3 Mặt Ellipse lõm ............................................................................................ 36
2.3.4 Mặt Ellipse lồi ............................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ...................................... 44
3.1 Phân bố áp suất âm của mặt phẳng ...................................................................... 44
3.2 Phân bố áp suất âm của mặt cầu lõm .................................................................. 49
3.3 Phân bố áp suất âm của mặt cầu lồi ..................................................................... 54
3.4 Phân bố áp suất âm của mặt Ellipse lõm ............................................................ 57
3.5 Phân bố áp suất âm của mặt Ellipse lồi ............................................................... 68
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Cấu tạo của đầu dị áp điện ................................................................................. 4
Hình 2: Đầu dị siêu âm dạng phẳng ................................................................................ 6
Hình 3: Đầu dị siêu âm dạng lõm .................................................................................... 6
Hình 4: Đầu dị siêu âm mảng pha ................................................................................... 8
Hình 5: Phân bố áp suất âm đầu dị điểm ......................................................................... 9
Hình 6: Phân bố áp suất âm của đầu dị dạng phẳng...................................................... 10
Hình 7: Phân bố áp suất âm của đầu dị dạng cầu lõm................................................... 11
Hình 8: Ngun lý tạo ảnh B-Mode ............................................................................... 13
Hình 9: Ảnh B-Mode của một mạch máu ...................................................................... 14

Hình 10: Nguyên lý quét ảnh C-Mode ........................................................................... 15
Hình 11: Ảnh Siêu âm C-Mode và 3D ........................................................................... 16
Hình 12: Trị liệu bằng siêu âm ....................................................................................... 16
Hình 13: Sử dụng siêu âm trong phẫu thuật ................................................................... 17
Hình 14: Búp sóng chính và phụ sinh ra trên cùng một mặt phẳng ............................... 19
Hình 1.1: Minh họa giả định mơ phỏng ......................................................................... 27
Hình 2.1: Lưu đồ thuật tốn của mơ phỏng số trường áp suất âm ................................. 32
Hình 2.2: Phân bố của các điểm nguồn phát sóng trên mặt cầu lõm ............................. 34
Hình 2.3: Phóng đại của phân bố điểm nguồn phát sóng âm trên mặt cầu .................... 34
Hình 2.5: Biểu diễn cách đều của vị trí các nguồn điểm phát sóng ............................... 36
Hình 2.6: Họ đường cong Conic .................................................................................... 37
Hình 2.7: Họ đường cong Ellipse................................................................................... 38
Hình 2.8: Phân bố các nguồn điểm phát sóng trên đoạn cong Ellipse ........................... 39
Hình 2.9: Biểu diễn của góc tới hạn  ........................................................................... 40
Hình 2.10: Biểu diễn phân bố sắp xếp tuyến tính hóa các điểm nguồn phát sóng ........ 41
Hình 2.11: Phóng đại của sự sắp xếp lại các điểm nguồn phát sóng tuyến tính hóa ..... 41
Hình 2.12: Phân bố của các điểm nguồn phát sóng dưới dạng phi tuyến ...................... 43
và tuyến tính ................................................................................................................... 43
Hình 3.1: Phân bố áp suất âm của đầu dò phẳng 0.5 mm .............................................. 45


Hình 3.2: Phân bố áp suất âm của đầu dị 1.6 mm ......................................................... 46
Hình 3.3: Phân bố áp suất âm của đầu dị 6.4 mm ......................................................... 47
Hình 3.4: Phân bố áp suất âm của đầu dị 16 mm .......................................................... 48
Hình 3.5: Phân bố áp suất âm của đầu dò cầu lõm R=40 .............................................. 50
Hình 3.6: Phân bố áp suất âm của đầu dị cầu lõm R=30 .............................................. 51
Hình 3.7: Phân bố áp suất âm của đầu dò cầu lõm R=20 .............................................. 52
Hình 3.8: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm cầu lõm góc nhìn 450 ...................... 53
Hình 3.9: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm cầu lõm góc nhìn 600 ...................... 54
Hình 3.10: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm cầu lồi R=40 mm, α=300 .............. 55

Hình 3.11: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm cầu lồi R=30 mm, α=300 .............. 56
Hình 3.13: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=20 mm, và α=350 ........................................................................................................ 58
Hình 3.14: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=30 mm, và α=350 ........................................................................................................ 59
Hình 3.15: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=40 mm, và α=350 ........................................................................................................ 60
Hình 3.16: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=50 mm, và α=350 ........................................................................................................ 61
Hình 3.17: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=20 mm,
b=40 mm, và α=350 ........................................................................................................ 62
Hình 3.18: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=25 mm,
b=40 mm, và α=350 ........................................................................................................ 63
Hình 3.19: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=40 mm, và α=350 ........................................................................................................ 64
Hình 3.20: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm,
và α=200 ......................................................................................................................... 65
Hình 3.21: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm, b=30 mm,
và α=300 ......................................................................................................................... 66
Hình 3.22: Phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=30 mm, và α=400 ........................................................................................................ 67


Hình 3.23: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm Ellipse lõm a=10 mm,
b=30 mm, và α=500 ........................................................................................................ 68
Hình 3.24: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm Ellipse lồi a=10 mm,
b=20 mm, và α=350 ........................................................................................................ 69
Hình 3.25: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm Ellipse lồi a=10 mm, b=30 mm,
và α=350 ......................................................................................................................... 70
Hình 3.26: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm Ellipse lồi a=10 mm,

b=40 mm, và α=350 ........................................................................................................ 71
Hình 3.27: Phân bố áp suất âm của đầu dị siêu âm Ellipse lồi a=10 mm,
b=50 mm, và α=350 ........................................................................................................ 72


PHẦN MỞ ĐẦU
Tia siêu âm hội tụ có vai trị rất quan trọng trong các ứng dụng y tế bởi nó
cải thiện được độ tương phản của ảnh siêu âm và tạo ra lợi thế trong điều trị không
xâm lấn. Đối với ảnh siêu âm, tín hiệu phản xạ của sóng âm phụ thuộc vào trở
kháng âm vốn được đặc trưng bởi mật độ vật chất hay trọng lượng riêng của vật
chất.
Ở mô mềm, cấu tạo của mô sinh học thường có trọng lượng riêng gần như
nhau và chứa đến 80% nước, do đó, sự phân biệt đối với các tín hiệu sóng âm phản
xạ là khơng đáng kể. Trước đây, các tia siêu âm quét ảnh siêu âm được sử dụng là
những tia siêu âm có dạng piston được phát ra từ những đầu dị dạng phẳng, tức là
khơng hội tụ. Những tia siêu âm này cho phân bố áp suất âm đều theo chiều dọc vì
thế khơng có sự phân biệt đáng kể. Chính vì thế, sự phân biệt ở tín hiệu siêu âm
phản xạ là khơng lớn, đây cũng chính là lý do giải thích tại sao độ tương phản của
ảnh siêu âm rất thấp.
Muốn tăng độ tương phản, cần phải tăng cường độ áp suất âm, mà điều này
phụ thuộc vào kích thước phần tử áp điện, hơn nữa cường độ sóng âm quá lớn cũng
gây ra nhưng tác dụng không tốt tới cơ thể. Do đó, việc tạo ra những tia siêu âm hội
tụ có ý nghĩa quan trọng trong việc giải quyết vấn đề tăng độ tương phản của ảnh
siêu âm, bởi tại vùng hội tụ, áp suất âm có giá trị rất lớn và rất phân biệt so với
những giá trị áp suất âm ở những nơi khác. Sự tăng áp suất âm này cho tín hiệu
phản xạ lớn và sự khác biệt của giá trị trở kháng âm sẽ được khuyếch đại.
Ở phương pháp điều trị không xâm lấn bằng tia siêu âm, sự tập trung giá trị
áp suất âm tại vùng hội tụ sẽ tương tác vật lý với các đối tượng cần điều trị mà
không làm ảnh hưởng tới vùng khơng cần điều trị. Ví dụ như trong điều trị tán sỏi,
vùng hội tụ siêu âm sẽ tác động cơ học lên vùng bị sỏi hóa trong khi các vùng lân

cận sẽ không bị ảnh hưởng. Nếu giá trị áp suất âm không đủ lớn, tác động vật lý sẽ
không đủ mạnh để làm tan sỏi trong khi các vùng khác có giá trị áp suất âm nhỏ sẽ
khơng gây tổn hại đến mô sống của cơ thể.
1


Những nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp tạo tia siêu âm hội tụ
bằng đầu dò mặt cầu lõm. Những tia siêu âm hội tụ được tạo ra từ mặt cầu lõm có
đặc tính là vùng hội tụ của nó nằm ở tâm của mặt cầu lõm. Tùy thuộc vào kích cỡ
của đầu dị mà vùng hội tụ có kích thước khác nhau. Đường kính của vùng hội tụ
phụ thuộc vào tần số của sóng âm, nhưng độ rộng dọc của nó thì ngồi tần số của
sóng âm cịn phụ thuộc cả vào tỷ lệ của tiêu cự so với đường kính thiết diện của
phần tử áp điện. Nếu tỷ lệ bằng

tức là thiết diện phát tia là một quả cầu khép kín

thì độ rộng dọc của vùng hội tụ sẽ bằng với đường kính của vùng hội tụ. Chế tạo
những đầu dị như vậy sẽ khơng thể tạo được ứng dụng, đây chính là lý do tại sao
vùng hội tụ siêu âm của tia siêu âm hội tụ ln có dạng ellipse tức là độ rộng dọc
của vùng hội tụ ln lớn hơn đường kính của vùng hội tụ.
Trong quang học, tính chất dạng ellipse của vùng hội tụ do tác dụng của mặt
cầu được gọi là cầu sai. Để xử lý dạng quang sai cầu sai, người ta đã tính đến
phương pháp tạo hội tụ từ những mặt phi cầu. Cũng tương tự như vậy, để tăng tỷ lệ
tín hiệu trên nhiễu tạp ở các antena đặc biệt là các antena đòi hỏi độ nhạy cao, các
antena hội tụ dạng phi cầu cũng được áp dụng. Dạng phi cầu của mặt lõm cho nhiều
hứa hẹn sẽ tạo ra được các dạng phân bố áp suất tương ứng với độ rộng của các bề
mặt phát tia có lợi cho những ứng dụng đòi hỏi độ tập trung và phân biệt cao đối với
chùm tia siêu âm.
Xuất phát từ ý tưởng áp dụng kỹ thuật hội tụ phi cầu, luận văn thạc sĩ này đề
xuất nghiên cứu thử nghiệm bằng mô phỏng đối với phân bố áp suất âm của các mặt

phi cầu. Do giới hạn về thời gian, đề tài chỉ dừng lại ở nghiên cứu phân bố áp suất
âm của mặt ellipse. Để đơn giản và giảm thiểu khối lượng tính tốn, đề tài giả thiết
rằng phân bố của áp suất âm trong không gian dạng 3D là tổng hợp của các mặt cắt
phân bố áp suất âm của nhiều mặt phẳng cắt lớp, như vậy phân bố của áp suất âm
của mặt ellipse sẽ có dạng giống như phân bố áp suất âm của một đường ellipse mà
trên đó có chứa các điểm phát sóng âm lý tưởng và mặt phẳng để chọn khảo sát sẽ
trùng khớp với mặt phẳng chứa các điểm phát sóng âm đó.

2


1. Giới thiệu về cảm biến áp điện
Để phân tích các trường hợp mô phỏng, nhất thiết cần phải phân tích và tìm
hiểu các cảm biến áp điện vốn là những cơ cấu chấp hành phát ra sóng siêu âm. Cơ
chế phát sóng siêu âm cũng cần được làm rõ và dựa trên mơ hình lý thuyết để giả
thiết những điều kiện cần và đủ cho bài tốn mơ phỏng. Mơ hình này sẽ được sử
dụng trong các mơ phỏng số đối với những bài toàn phức tạp và tiến hành thực
nghiệm trên giải tích nếu có thể đơn giản hóa mơ hình này.
Các cảm biến áp điện trong ngơn ngữ kỹ thuật còn được gọi bằng Anh ngữ là
piezoelectric, là một loại hình vật liệu mà điện tích được sinh ra dưới tác dụng của
lực cơ học là biến dạng hình thái của tinh thể, ngược lại, dưới tác dụng của điện áp,
các tinh thể này cũng bị biến dạng và sinh ra sự thay đổi về thể tích. Nếu như sự tác
động cơ học lên tinh thể có dạng dao động cơ, thì điện áp sinh ra trên các sensor này
cũng là các sóng điện từ, và ngược lại, nếu tác động lên tinh thể là các dao động
điện từ thì sự biến đổi thể tích theo điện áp cũng sinh ra các sóng cơ. Các sóng cơ
chính là sóng âm và được thiết kế ở dải tần số cao lớn hơn 20 kHz, do đó, người ta
gọi những đầu dò áp điện như vậy là các đầu dị siêu âm.
Sở dĩ phải thiết kế tần số sóng âm ở dải siêu âm là bởi vì trong tự nhiên tồn
tại nhiều dao động sóng âm ở dải tần số khả thính, do đó, gây nhiễu lên các sóng âm
tích cực làm giảm tỷ lệ tín trên tạp của các sóng âm phát ra từ đầu dị. Sóng siêu âm

do đó được ưa thích, vì cho phép tăng tỷ lệ tín trên tạp, hay nói cách khác là giảm tỷ
lệ nhiễu. Thông thường, mức của nhiễu nền này rơi vào khoảng giá trị của -50 đến
-100 dBm, rất nhỏ so với giá trị -20 dBm, là giá trị của nhiễu nền trong khoảng tần
số của miền khả thính.
Để khảo sát đặc tính vật lý của đầu dị áp điện, trước hết, cần xem xét cấu tạo
của nó. Đối với một đầu dò áp điện, vật liệu áp điện được chế tạo là các tinh thể dao
động ví dụ như thạch anh được cắt gọt và gia cơng cơ khí sau đó được phủ lên bề
mặt một lớp kim loại để dẫn điện gọi là điện cực. Sự gia công tấm dao động này khá
phức tạp và địi hỏi cơng nghệ cao để đảm bảo tần số cộng hưởng và phổ của nó.
Như vậy với kích thích là các xung điện hoặc dao động điện từ ở trong khoảng phổ
3


cộng hưởng của nó, đầu dị áp điện cho được cường độ áp suất lớn nhất. Tần số
cộng hưởng của đầu dò áp điện được đặc trưng bởi khối lượng và khối hình học của
nó mà có thể tính tốn được dựa trên lý thuyết đàn hồi cơ học, tuy nhiên, sẽ không
được bàn ở đây mà luận văn này chỉ xem như là một cơng cụ được tận dụng.

Hình 1: Cấu tạo của đầu dò áp điện
Lực kéo σ được sinh ra trong trường hợp này được biểu diễn thơng qua cơng thức 1:
(1)
trong đó,
áp điện,

đại diện cho điện áp đặt vào đầu dò áp điện và

là độ dày của đầu dò

là hằng số áp điện phụ thuộc vào từng loại vật liệu và cách thức, công

nghệ gia công riêng được đo bằng đơn vị N/Vm. Ở trên một diện tích bề mặt S, từ
cơng thức 1, lực F được sinh ra sẽ được tính theo cơng thức 2:
(2)
Nếu coi lực sinh ra từ đầu dò áp điện chỉ phụ thuộc vào giá trị điện áp đặt lên
nó và một hằng số nào đó của tồn bộ đầu dị, thì biểu thức

sẽ được coi là

hằng số của đầu dị áp điện. Ngược lại, nếu giả thiết rằng có một lực nào đó tác
động lên đầu dị, các tinh thể của đầu dò áp điện sẽ phân cực và sinh ra một điện áp.
Khi đó, mật độ điện tích trên diện tích D sẽ được tính qua điện tích Q và diện tích S
theo cơng thức 3, trong đó sự phân cực điện của tinh thể sẽ phụ thuộc vào độ biến
dạng của đầu dò:

(3)
4


Nếu xem xét sự biến đổi này trên khoảng thời gian vơ cùng nhỏ ở miền vi
phân thì với định nghĩa dịng điện

và vận tốc

ta có cơng thức 4:
(4)

Như vậy, nếu như lực sinh ra từ đầu dò áp điện phụ thuộc vào điện áp đặt
trên nó, thì dịng điện phân cực sinh ra sẽ phụ thuộc vào tốc độ biến dạng của đầu
dò áp điện.
Vật liệu đầu dò áp điện được 2 nhà khoa khọc Piere và Marie Currie phát

hiện ra khá lâu, tuy nhiên, vì tỷ lệ sinh lực và hiệu suất biến đổi thấp nên chưa được
các nhà khoa học cùng thời quan tâm. Phải đến 1960, khi người ta có ý tưởng dùng
sóng siêu âm để soi các cơ quan sinh học nằm trong cơ thể, người ta mới chú ý phát
triển ứng dụng loại vật liệu này để tạo ra đầu dò siêu âm. Vào năm 1970, sau khi
những thành công ban đầu của đầu dị siêu âm trong chẩn đốn thai nhi, những ứng
dụng tương tự cũng được phát triển trong công nghiệp và ngày nay, đầu dị siêu âm
được sử dụng trong cơng nghiệp tiêu biểu là các phép kiểm tra không phá hủy.
Các dạng đầu dò hiện hành trên thế giới khá đa dạng và phong phú, tựu
chung, chúng tồn tại ở 3 dạng chính: dạng đầu dị phẳng, dùng trong các ứng dụng
làm sạch mẫu vật, tan bọt khí và thu tín hiệu dao động âm, đo khoảng cách, độ dày
vv..., dạng đầu dò lõm được sử dụng trong những ứng dụng tạo tương phản lớn, tạo
ảnh, tán sỏi, phẫu thuật trong y học vv..., loại thứ 3 chính là loại đầu dò hiện nay rất
phổ biến trong các thiết bị y tế và kiểm tra không phá hủy là các đầu dò mảng pha.
Các đầu dò mảng pha được phổ dụng, bởi tính linh hoạt của chúng trong ứng dụng,
phép quét, lái tia, và điều khiển hội tụ hoàn toàn có thể thực hiện được bằng điện tử.
Hình 2 biểu diễn đầu dị siêu âm dạng phẳng, thơng thường, phần tử áp điện
được chế tạo theo một hình dạng hình học nhất định rồi, được hàn dây dẫn điện và
đặt trong một vỏ kim loại. Ở phía đầu tiếp xúc của nó được phủ một lớp nhựa hoặc
keo đặc biệt để bảo vệ bởi tinh thể này rất dễ vỡ. Ở đầu dò đơn phần tử dạng phẳng,

5


phần tử áp điện được mài phẳng và có hình trụ. Dạng phân bố áp suất âm ra thường
có dạng piston.

Hình 2: Đầu dị siêu âm dạng phẳng
Đầu dị dạng lõm cũng có cấu tạo tương tự như đầu dị dạng phẳng, tuy nhiên
mặt tiếp giáp phía ngồi được mài lõm dạng cầu. Đây cũng là loại đơn phần tử do
đó trường áp suất âm khơng bị gián đoạn. Mặt lõm được gia cơng bằng phương

pháp cắt gọt cơ khí, nên thông thường là mặt cầu. Những mặt phi cầu hầu như
không thể gia công bằng phương pháp này. Phân bố của áp suất âm của loại đầu dò
này tập trung và cho giá trị lớn nhất tại tiêu điểm trùng khớp với tâm của mặt cầu
lõm. Tùy thuộc vào đường kính độ rộng phát tia mà độ rộng vùng hội tụ có kích
thước dài hay ngắn. Hình 3 mơ tả đầu dị siêu âm dạng lõm.

Hình 3: Đầu dị siêu âm dạng lõm
Xuất phát điểm, 2 đầu dò dạng phẳng và dạng lõm được sử dụng để triển
khai các ứng dụng tạo ảnh siêu âm hoặc kiểm tra không phá hủy. Tuy nhiên, vì là
đơn phần tử, nên thao tác quét phải thực hiện bằng truyền động cơ điện. Việc này
tạo ra sự hạn chế trong việc tăng tốc độ quét cũng như tăng giá thành sản xuất đầu
6


dị. Trong những năm 20 cơng nghệ RADA ra đời và kỹ thuật này đòi hỏi sự phối
hợp và đồng bộ của các pha kích thích được gọi là mảng pha. Vì sự hạn chế trong
tốc độ quét ảnh cũng như bản chất sóng của dao động cơ cũng giống như dao động
điện từ, nên người ta đã ứng dụng kỹ thuật này cho đầu dò siêu âm gọi là đầu dò
siêu âm mảng pha.
Đầu dò mảng pha là loại đầu dị có nhiều phần tử phát tia, mỗi phần tử được
sắp xếp theo một trật tự nào đó đối với các phần tử khác. Mơ hình đơn giản nhất là
đầu dị mảng pha dạng tuyến tính 1 hàng được sử dụng trong các ứng dụng đo BMode trong máy siêu âm y tế. Loại sắp xếp theo 2 chiều được sử dụng trong phép
đo C-Mode được sử dụng chủ yếu là phép lái tia. Trên hình 4 mơ tả các dạng đầu dị
mảng pha hiện hành. Trong đó, E là độ rộng của đầu dò, A là độ dài của đầu dò, p là
khoảng cách giữa các phần tử và g là khoảng trống giữa các phần tử và W là độ
rộng của từng phần tử.
Đối với đầu dò mảng pha, giá trị A là giá trị quyết định độ rộng chùm tia siêu
âm cũng như giới hạn hoạt động của nó. Các giá trị E và W quyết định công suất tối
đa tạo ra áp suất âm của đầu dị. Khoảng cách p quyết định tính liên tục trong
trường siêu âm được tạo ra, nó được tính tốn và phụ thuộc vào tần số cộng hưởng

tâm. Nếu tần số cộng hưởng lớn mà khoảng cách p rộng, nó sẽ tạo ra các búp sóng
phụ có góc tạo với búp sóng chính nhỏ, ngược lại tần số cộng hưởng bé mà khoảng
cách p nhỏ, sẽ tạo ra những búp sóng phụ có góc tạo ra với búp sóng chính lớn.
Búp sóng phụ sinh ra ở trong trường siêu âm tạo ra từ đầu dò siêu âm mảng
pha được đặc trưng bởi tính chất mà người ta gọi là tính không liên tục. Ở những
trường áp suất âm được tạo ra bởi đơn phần tử thường không gặp hiện tượng này.
Sự xuất hiện búp sóng phụ hay tính chất khơng liên tục của trường siêu âm sẽ gây ra
hiện tượng tín hiệu giả gây sai số trong phép tạo ảnh siêu âm, do đó, vấn đề thiết kế
đầu dị siêu âm mảng pha là một bài toán được rất nhiều kỹ thuật viên và nhà khoa
học quan tâm.

7


Hình 4: Đầu dị siêu âm mảng pha
Như đã giới thiệu ở trên, phân bố áp suất âm là một trong những tiêu chí
quan trọng và nó giúp người thiết kế đầu dò cũng như người ứng dụng đầu dò có thể
tiên đốn trước được các hiện tượng vật lý xảy ra khi ứng dụng, đặc biệt là đối với
các kỹ thuật viên thiết kế đầu dị mảng pha. Chính vì vậy, việc tạo ra cơng cụ mơ
phỏng trường áp suất âm là rất quan trọng, trước đây người ta phải đo đạc trực tiếp
hoặc ước lượng bởi công thức giải tích phức tạp. Tuy nhiên, máy điện tốn ra đời đã
gợi ý những phương pháp mô phỏng số hiệu quả mà kết quả của nó khá gần với kết
quả thí nghiệm đo lường vật lý. Mục 2 sẽ giới thiệu một số phân bố áp suất âm của
các dạng đầu dị siêu âm bằng cơng cụ này.

8


2. Phân bố áp suất âm của các dạng đầu dò
Phân bố áp suất của từng đầu dò được trực quan hóa dựa trên hình dạng hình

học của đầu dị và đặc tính sóng của nó. Phương pháp mơ phỏng là sử dụng phương
trình số ở dạng vi phân. Các sóng phát, để đơn giản hóa, được coi là sóng hình sin.
Hình ảnh phân bố áp suất được tính tốn dựa trên một mặt phẳng chứa đường bao hình
học của các đầu dị. Thơng qua chương trình tính tốn được cài đặt trên máy tính, hình
ảnh trực quan của phân bố áp suất âm được thể hiện. Dưới đây, trong mục này, luận
văn xin giới thiệu một số dạng trường phân bố áp suất âm được coi là tiêu biểu.
2.1 Trường áp suất âm của đầu dò dạng điểm
Phân bố áp suất âm của điểm phát sóng siêu âm theo lý thuyết là sóng cầu,
khơng xác định hướng, hay nói cách khác là phân bố theo mọi hướng là giống nhau.
Tuy nhiên, trên thực tế và ngay cả trên tính tốn mơ phỏng bằng máy tính, điểm
phát sóng là khơng tồn tại. Ở đây, để trực quan hóa một điểm phát sóng có kích
thước, chương trình mơ phỏng đã giả lập 1 nguồn phát sóng có kích thước rất nhỏ,
20 µm. Tần số của sóng âm được giả thiết là sóng sin có tần số là 1 MHz, là loại
đầu dị thường gặp trong siêu âm thai nhi. Hình 5 biểu diễn kết quả của phân bố áp
suất âm của nguồn phát sóng 20 µm đó. Nó cho thấy nguồn phát sóng có định
hướng tuy khơng q tập trung.
150

Y (mm)

100

50

30

20

10

0
X (mm)

-10

-20

Hình 5: Phân bố áp suất âm đầu dị điểm
9

0
-30


Dễ dàng nhận thấy, áp suất âm tập trung ở phía dọc, vng góc với trục phát,
là đường nằm ngang. Ở phía gần với đường nằm ngang, phân bố áp suất âm hoặc
giá trị rất nhỏ không đáng kể. Các búp sóng phụ xuất hiện ở đây khơng rõ, tuy
nhiên, có tạo với phương nằm ngang một góc nhất định. Đối với những nguồn phát
sóng âm, kích thước càng lớn sẽ càng mang lại tính định hướng cao.
2.2 Trường áp suất âm của đầu dò dạng phẳng
Để chứng minh điều vừa nhận định, mô phỏng tăng số lượng điểm phát và
thực hiện phép tốn giao thoa để tính tốn phân bố áp suất âm. Ở đây, để thỏa mãn
tính phẳng của mặt phát của đầu dò, các điểm được bố trí trên 1 đường thẳng và
nằm song song với phương nằm ngang của mặt phẳng chứa các điểm tính tốn áp
suất âm tổng hợp. Số điểm được tăng đến cỡ sao cho có thể coi là gần như liên tục
và độ rộng của phần tử phát tia được giả định là 6.4 mm
150

Y (mm)

100

50

30

20

10

0

-10

-20

0
-30

X (mm)

Hình 6: Phân bố áp suất âm của đầu dị dạng phẳng
Quan sát hình 6 và so sánh với hình 5, có thể thấy rằng phân bố áp suất âm ở
đầu dị dạng phẳng, hay nói cách khác là kích cỡ nguồn phát sóng được tăng lên, 6.4
mm so với 20 µm cho tính định hướng cao hơn và tăng lên rất rõ rệt. Chính vì vậy,
10


phân bố áp suất âm của những đầu dò dạng phẳng còn được gọi là tia siêu âm dạng
piston, nếu tăng kích thước đầu dị lên hơn nữa, sự tập trung áp suất âm sẽ tăng và

khi ấy hoàn toàn có thể coi rằng 1 tia siêu âm dạng piston sẽ được phát ra từ những
đầu dò loại này. Đối với những ứng dụng đo siêu âm ở chế độ A-Mode, những đầu
dò như thế này là rất hiệu quả vì phân bố áp suất âm của nó theo trục dọc là gần như
không thay đổi.
2.3 Trường áp suất âm của đầu dò dạng cầu lõm
Ở phần giới thiệu ban đầu đã có phân tích sơ lược về đầu dị siêu âm dạng
cầu lõm, về cơ bản, chúng cung cấp tia siêu âm hội tụ mà điểm hội tụ trùng với tâm
điểm của mặt cầu lõm của đầu dò. Để trực quan hóa được trường áp suất âm hội tụ
này, các điểm phát sóng gần lý tưởng được bố trí trên một đường cầu lõm mà điểm
giữa của đường cong nằm ở tọa độ (0,0) của trục tọa độ biểu diễn mặt phẳng tính
tốn áp suất âm. Để bảo đảm tính tuyến tính của bài tốn mơ phỏng, các điểm phát
sóng được bố trí sao cho khoảng cách giữa chúng được giữ ở một giá trị không đổi.
Trong trường hợp này, luận văn giả định 1 đường cong có độ rộng mặt phát tia là 24
mm và bán kính cong là 40 mm. Tần số của sóng siêu được chọn là 5 MHz, là loại
hay dùng trong y tế để soi mạch hoặc tim.
90

80

70

50

40

30

20

10

30

20

10

0

-10

-20

X (mm)

Hình 7: Phân bố áp suất âm của đầu dò dạng cầu lõm
11

0
-30

Y (mm)

60


Hình 7 thể hiện phân bố áp suất âm của đầu dò siêu âm dạng lõm này, sự tập
trung trong phân bố áp suất âm của trường áp suất âm này là rất rõ rệt có đường
kính vùng hội tụ là 1 mm và độ rộng trục dọc là 5 mm. Ở các vùng khác ngoài vùng
hội tụ, áp suất âm có giá trị rất nhỏ và ở ngồi vùng búp sóng chính hầu như khơng

có áp suất âm. Đây chính là lý do giải thích tại sao chùm siêu âm hội tụ có thể cải
thiện được tỷ lệ tín trên tạp và hiệu quả cao trong điều trị, bởi năng lượng dao động
âm chỉ tập trung trong một vùng nhất định mà khơng ảnh hưởng đến các vùng khác.
Ngồi những dạng trên, đơi khi, cũng có những dạng đầu dị siêu âm kiểu
mặt cầu lồi, tuy nhiên, vì sự hạn chế trong ứng dụng của nó, nên chúng ít được sử
dụng. Hầu hết chúng được áp dụng trong những trường hợp như làm tẩy rửa linh
kiện, thiết bị, hoặc đánh tan bọt khí bởi phân bố áp suất âm của đầu dị này rất đồng
đều trên một diện tích rộng của mặt phẳng. Ở giới hạn của luận văn này, khảo sát
những đầu dò như vậy được bỏ qua vì trọng tâm của luận văn này tập trung nghiên
cứu trường phân bố áp suất âm của đầu dò lõm dạng phi cầu.
3. Ứng dụng của các đầu dò áp điện trong y tế
Ứng dụng của đầu dò áp điện trong y tế tiêu biểu gồm 2 ứng dụng chính là
tạo ảnh và điều trị. Đối với tạo ảnh, đầu dò áp điện được thiết kế để phát ra siêu âm
và những tín hiệu thu được từ sóng âm phản xạ sẽ được sử dụng để kết hợp cùng
với góc quét để tái tạo thành ảnh. Trong công tác điều trị, đầu dò áp điện được thiết
kế sao cho tại vùng cần điều trị áp suất âm là lớn nhất mà không ảnh hưởng đến các
vùng khác. Năng lượng của sóng âm càng lớn, hiệu quả điều trị càng cao, q trình
điều trị siêu âm có thể lợi dụng được 2 đặc tính vật lý của sóng âm, đó là sự dao
động cơ học làm triệt tiêu những kết dính cơ học của các chất thải đọng lại trong cơ
thể ví dụ như sỏi mật, thận. Đồng thời q trình dao động cơ cũng làm sinh ra nhiệt
và nhiệt này được sử dụng để đốt nóng và phá huỷ những mô biến dạng hay mô
bệnh trong cơ thể.
3.1 Tạo ảnh siêu âm
3.1.1 Ảnh B-Mode và đo A-Mode
Ảnh B-Mode còn gọi là ảnh 2D được đo dựa trên phát triển của phương pháp
A-Mode mà nguyên lý tạo ảnh của nó được minh hoạ ở hình 1.7. Nếu như ở chế độ
A-Mode, tín hiệu phản xạ được biểu diễn dưới dạng biên độ sóng trên miền thời
12

gian, thì ở chế độ B-Mode, các biên độ đó được quy chiếu thành mức xám của ảnh.
Độ lớn của chấm sáng được tính là độ rộng tại một nửa biên độ, FWHM (Full With
Half Maximum). Vì A-Mode khơng quan tâm đến dựng ảnh mà chỉ quan tâm đến
tín hiệu biến thiên trên miền thời gian, nói cách khác A-Mode là dữ liệu dạng 1D,
nên nó khơng cần kết hợp với thông số của hướng quét. Ở chế độ B-Mode, để tạo
ảnh, cần phải có dữ liệu 2D nghĩa là ngồi biên độ, thời gian, giá trị khơng gian
cũng cần được đồng bộ. Như vậy tại mỗi hướng quét, các thông số về không gian
cũng được ghi lại. Tuy nhiên, thông số không gian này không đo được mà do ước
lượng hoặc do hiệu chuẩn của nhà sản xuất.
Tuy B-Mode cung cấp dữ liệu 2D, tức là ảnh tái tạo của các vật thể nhưng
dựa trên ảnh đó, người quan sát chỉ có khái niệm tương đối, tức là hình ảnh trực
quan của các cơ quan sinh học trong cơ thể, hình thái giải phẫu của nó mà khơng thể
đo chính xác được kích thước của nó. Trong y học, đối với việc chẩn đốn, ngồi
việc hình dung rõ chức năng giải phẫu, các bác sĩ cịn cần biết kích thước hình học
của nó. Tuy nhiên, ở chế độ B-Mode lại khơng thể cung cấp một cách chính xác
được bởi nó đã quy đổi ra điểm ảnh. Bởi vậy, sự kết hợp B-Mode với A-Mode có
thể giúp các bác sĩ có một cơng cụ chẩn đốn tốt.

Hình 8: Ngun lý tạo ảnh B-Mode
13


Hình 9 giới thiệu một mẫu ảnh B-Mode tiêu biểu. Trên hình, mạch máu được
thể hiện rất rõ. Ở những trường hợp quan sát các bộ phận sinh học có trở kháng âm
rất khác biệt, ảnh siêu âm thể hiện rất rõ, tuy nhiên, đối với mô mềm, hầu như sự
phân bố phức tạp của chúng không thể được thể hiện trên ảnh siêu âm. Lý do thứ
nhất: sự khác biệt trở kháng âm của mô mềm là quá nhỏ do đó độ tương phản khơng
cho phép có thể nhìn rõ được. Lý do thứ 2: độ phân giải của ảnh siêu âm do phụ
thuộc vào bước sóng của sóng âm nên khơng thể lớn hơn cỡ 100 µm. Hơn nữa để
tăng thời gian quét, mỗi tia siêu âm sẽ cho một đường mà ở đó sẽ có các điểm ảnh

được xếp theo hàng. Như vậy, thay vì phải quét ảnh theo dạng ma trận, các đầu dò
lần lượt chuyển hướng quét một cách tuần tự mà các nhà thiết kế đã tính tốn sẵn.
Vị trí của các điểm sáng trên đường qt sẽ được tính tốn chuyển đổi theo dữ liệu
của A-Mode. Phương pháp này cho tốc độ quét rất nhanh, tuy nhiên, nó bị trả giá
bằng độ tương phản thấp.

Hình 9: Ảnh B-Mode của một mạch máu

14


3.1.2 Ảnh C-Mode
Giới hạn của ảnh B-Mode là chỉ cho phép bác sĩ quan sát được ảnh 2D, nghĩa
là xác định vị trí trong khơng gian thực sẽ gặp khó khăn. Chính vì vậy, phương
pháp tạo ảnh siêu âm 3D đã được đề xuất. Để có được một ảnh siêu âm 3D, cần
phải tạo nhiều ảnh cắt lớp song song với nhau trong không gian. Nếu quét theo
phương pháp B-Mode, ngồi việc tạo ra đầu dị mảng pha 2 chiều, giới hạn quét ảnh
cũng bị giới hạn. Do đó, phương pháp quét ảnh C-Mode được đề xuất, khác với BMode ảnh C-Mode được qt từ những mặt phẳng vng góc với tia quét mà tia
quét trong trường hợp này là những tia siêu âm hội tụ được điều khiển ở dạng lái tia
(steering). Hình 10 mơ tả ngun lý qt ảnh C-Mode.

Hình 10: Ngun lý qt ảnh C-Mode
Từ khơng gian của ảnh C-Mode, phép nội suy tái tạo ảnh sẽ có thể cung cấp
ảnh 3D. Về phương diện quan sát, ảnh C-Mode thể hiện khơng khác ảnh B-Mode
nhưng từ đó cho phép tái tạo ảnh 3D thì biểu diễn ảnh khác rất nhiều. Nó cho phép
các bác sĩ quan sát các bộ phận sinh học của cơ thể một cách rõ nhất. Hình 11 mơ tả
một mẫu ảnh siêu âm 3D tiêu biểu là ảnh siêu âm thai nhi. Các bác sĩ thường dùng
phương pháp này để dễ dàng tìm ra dị tật của đứa trẻ, cũng như theo dõi sự phát
triển của thai nhi ở trong bụng mẹ.

15


Hình 11: Ảnh Siêu âm C-Mode và 3D
3.2 Siêu âm điều trị
Một trong những ứng dụng khác ngoài tạo ảnh siêu âm có thể kể đến là sử
dụng siêu âm để điều trị. Trong trường hợp này siêu âm có thể được sử dụng như là
một công cụ làm thư giãn các bó cơ vốn căng q sức như hình 12, hoặc sử dụng
siêu âm trong phẫu thuật u nang như trong hình 13. Trong trường hợp này, tia siêu
âm cần đến phải có độ hội tụ cao và áp suất âm cực lớn để có thể tác động vật lý
đáng kể làm thay đổi thực trạng của mơ bệnh.

Hình 12: Trị liệu bằng siêu âm
16


Đối với yêu cầu của các phương pháp điều trị bằng siêu âm, vấn đề được đặt
ra là ngoài vùng cần thiết tác động, cường độ của tia siêu âm không được phép làm
hỏng các mô chức năng đang hoạt động bình thường hay gọi là mơ lành mà chỉ tác
động tới mô bệnh. Trước đây, phương pháp này cũng được để sử dụng trong tán sỏi
thận. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, kỹ thuật này bị giới hạn bởi với những
sỏi canxi lâu năm, tác động của siêu âm cường độ cao vẫn dường như chưa đủ mạnh
để làm tan chúng.
Để tạo ra tia siêu âm hội tụ có cường độ cao, người thiết kế phải lựa chọn
được một vùng tham số của đầu dò, cụ thể là đường kính độ rộng phần tử phát tia ở
đầu dị đơn phần tử, hoặc mảng phát tia ở đa phần tử, và tiêu cự ở một miền tần số
xác định để sao cho sự hội tụ đạt cường độ lớn nhất và vùng hội tụ nhỏ nhất. Công
cụ để thiết kế những đầu dị này thường là những mơ phỏng số cho phép trực quan
hố những thơng số kỹ thuật ban đầu và dựa trên cơ sở đó tạo ra những bộ tham số
tối ưu.

Hình 13: Sử dụng siêu âm trong phẫu thuật
17