Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị siêu âm trị liệu hai tần số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN SỸ SỬU

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
THIẾT BỊ SIÊU ÂM TRỊ LIỆU HAI TẦN SỐ

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số: 60 44 17

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2016


Cơng trình được hồn thành tại:Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:TS. TRẦN HY BÌNH

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa,
ĐHQG Tp.HCM ngày tháng

năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Trần Minh Thái

2. Thư ký: TS. Trần Thị Hải Miền
3. Phản biện 1: TS. Nguyễn Lâm Duy
4. Phản biện 2: TS. Lý Anh Tú
5. Ủy viên: TS. Huỳnh Quang Linh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếucó).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN SỸ SỬU

MSHV: 12054912

Ngày, tháng, năm sinh: 06/04/1985

Nơi sinh: Nghệ An

Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật

Mã số : 60 44 17

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ SIÊU ÂM TRỊ
LIỆU HAI TẦN SỐ
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
+ Định nghĩa và các tính chất vật lý của sóng siêu âm.
+ Tác dụng của sóng siêu âm lên cơ thể.
+ Ứng dụng lâm sàng của sóng siêu âm trong vật lý trị liệu.
+ Cơ sở lý thuyết về tạo sóng siêu âm.
+ Thiết kế chế tạo thiết bị siêu âm trị liệu hai tần số.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. TRẦN HY BÌNH
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


ii

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả tốt đẹp như ngày hơm nay, lời đầu tiên, xin tỏ lịng kính
trọng và biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, TS. Trần Hy Bình, người đã hết lịng giảng
dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian làm việc và
nghiên cứu tại Viện Vật lý Y Sinh học. Xin gửi đến thầy lời cảm ơn chân thành vì
đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tơi trong suốt q trình thực hiện cho đến khi hồn
thành luận văn này.
Xin cảm ơn quý thầy cô Khoa Khoa Học Ứng Dụng trường Đại Học Bách
Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tâm truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm
q báu cho tơi trong suốt q trình học tập ở trường, cũng như đã cho tôi những lời
động viên, khích lệ cùng những góp ý bổ sung q báu.
Xin cảm ơn các đồng nghiệp tại Viện Vật Lý Y Sinh học đã cùng tôi miệt
mài nghiên cứu thực hiện nhiệm vụ của viện giao cũng như trợ giúp tơi trong suốt
q trình làm việc và nghiên cứu đặc biệt đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về thời gian
cũng như tài liệu trong quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn những người bạn, những người thân yêu
đã luôn bên cạnh và hỗ trợ hết mình về vật chất lẫn tinh thần cho tơi trong suốt quá
trình học tập ở trường, làm việc và nghiên cứu cũng như thực hiện luận văn này.
Xin chúc mọi người sức khỏe và thành công.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


iii

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Siêu âm trị liệu là một trong những tác nhân quan trọng trong vật lý trị liệu.
Ở nước ta, tác nhân này ngày càng được sử dụng nhiều trong điều trị nhiều loại
bệnh lý ở cả những vùng mô nông và cả những vùng mô sâu. Cùng với điều này,

nhu cầu trang bị thiết bị siêu âm trị liệu 2 tần số ở các phòng điều trị vật lý trị liệu
cũng trở nên cấp thiết. Vì vậy, luận văn này đã tiến hành thiết kế chế tạo dòng thiết
bị này, đồng thời cũng tổng hợp có chọn lọc các nghiên cứu về cơ chế sinh học và
các ứng dụng y học của tác nhân siêu âm để làm cơ sở lý luận xác định các tham số
đầu ra của thiết bị. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra được bản chất của sóng siêu âm,
các hiệu ứng sinh học, các ứng dụng y học trong vật lý trị liệu, xây dựng thành công
sơ đồ khối, các sơ đồ thiết kế nguyên lý, lắp ráp, thi công các mạch điện tử, thiết kế
chế tạo mẫu mã thiết bị và hoàn chỉnh một thiết bị siêu âm trị liệu 2 tần số.

ABSTRACT
Ultrasound is one of the most important physical agents in physiotherapy.
Nowadays, ultrasound is rapid applied in the treatment of superficial and deep tissue
diseases. By this factor, two frequency ultrasound therapy equipments are
requested: one frequency for superficial and other for deep tissue treatment. This
thesis is intnded to design a two frequency ultrasound therapy equipment. Based on
physical essencial characteristics and bio-medical effects, this study has designed
block program, assembled circuits and programmed a complete system.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


iv

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.

Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Sỹ Sửu


1

Phần I
ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG VẬT LÝ TRỊ LIỆU
CHƢƠNG I: ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ
CỦA SĨNG SIÊU ÂM
ịch s ứng dụng của sóng siêu âm.
Phương pháp tạo và phát hiện sóng siêu âm xuất hiện lần đầu tiên tại Hoa Kỳ
trong thế kỉ 19; Tuy nhiên, ứng dụng quy mô lớn đầu tiên của siêu âm là điều hướng
âm và định vị (SONAR) trong chiến tranh thế giới thứ II. Trong ứng dụng SONAR:
một xung siêu âm ngắn được gửi từ một tàu ngầm truyền đến mục tiêu qua môi
trường nước. Khi gặp mục tiêu, xung siêu âm bị phản xạ lại. Căn cứ vào thời gian
phát và phản hồi, người ta có thể xác định khoảng cách từ đầu phát đến các mục tiêu
khác như đá, tàu ngầm đối phương…Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật xung – phản hồi.
Phương pháp này kể từ đóđã được điều chỉnh để phù hợp cho các ứng dụng chẩn
đốn hình ảnh y học, để “xem” một bào thai hoặc các bộ phận khác trong cơ thể, tạo
ra dịng thiết bị siêu âm chẩn đốn. Thời kỳ đầu, các thiết bị siêu âm chẩn đoán sử
dụng siêu âm cường độ cao để dễ quan sát; Tuy nhiên, người ta đã tìm thấy rằng sóng
siêu âm cường độ cao có thể làm nóng và do đó phá hủy tế bào sống khi sử dụng
trong chẩn đoán.Từ phát hiện này, cường độ siêu âm trong chẩn đoán đã được hạn
chế ở mức thích hợp để đảm bảo an tồn trong chẩn đốn. Tuy nhiên, chính phát hiện
này lại dẫn đến một ứng dụng khác của siêu âm trong y tế. Đó là siêu âm trong điều

trị. Là loại thiết bị siêu âm lâm sàng chun dùng để làm nóng mơ sinh học nhằm
mục đích điều trị. Sóng siêu âm thích hợp làm nóng mơ có hàm lượng collagen cao,
chẳng hạn như gân, dây chằng hoặc màng cơ.[2]
Trong 2 năm gần đây, người ta đã tìm thấy sóng siêu âm trị liệu ngồi tác
dụng nhiệt, c n có nh ng tác dụng phi nhiệt. Sử dụng sóng siêu âm trị liệu xung
cường độ thấp, chỉ tạo ra nh ng tác dụng phi nhiệt, đã chứng minh tạo điều kiện ch a
lành mô, thay đ i viêm và tăng cường thẩm thấu thuốc qua da.[2]
2 Định nghĩa sóng siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng âm có tần số lớn hơn 2 .
Hz và sóng siêu âm
truyền đi trong mơi trường vật chất bằng cách nén và dãn các phần tử vật chất ln
phiên nhau. Hình 1.1. mơ tả q trình nén và giãn mơi trường gây ra bởi sóng siêu
âm.[3]
Định nghĩa này được dựa trên giới hạn nghe thấy của người bình thường. Con
người có thể nghe được âm với một tần số từ 16 đến 20.000 Hz, âm với tần số lớn
hơn này được gọi là siêu âm.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


2

v
C c t nh chất vật

s

sóng siêu âm

ản chất của sóng siêu âm
Sóng siêu âm là một loại sóng cơ học vì vậy chúng ta xét sự hình thành sóng
cơ học trong môi trường vật chất đàn hồi (rắn, lỏng hay khí). Ở trạng thái bình
thường, mỗi phần tử ln dao động xung quanh vị trí cân bằng bền. Nếu tác dụng lực
lên một phần tử A bất kỳ của mơi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền.
Do lực liên kết của các phần tử kéo theo sự dao động của các phần tử bên cạnh, đồng
thời cũng kéo phần tử A về vị trí cân bằng. Hiện tượng này tạo ra sự lan truyền dao
động cơ học (sóng cơ học) trong mơi trường đàn hồi.

:D

ộng củ s

cơ

Theo phân loại sóng cơ học, sóng siêu âm là sóng dọc, có phương dao động
trùng với phương lan truyền sóng.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


3

2 C c ại ƣợng vật lý của sóng siêu âm
Sóng siêu âm được đặc trưng bởi các tham số sau đây:

1.3.2.1 Năng ƣợng siêu âm.

Năng lượng siêu âm là một dạng năng lượng cơ học, được tạo ra bởi các rung
động cơ học tại tần số cao. Trong qúa trình truyền sóng, năng lượng siêu âm làm nén
và giãn các phần tử vật chất của mơi trường mà nó truyền qua.

Hình 1.3: Các pha nén giãn của sóng siêu âm[3]
Các hạt vật chất, khi nhận được năng lượng siêu âm sẽ dao động xung quanh
một điểm cố định chứ bản thân phần tử vật chất không truyền đi. Năng lượng mà
sóng siêu âm bỏ lại mơi trường vật chất khi nó truyền qua được tính theo cơng thức:
E = m.ω2.A2

(1.1)

Trong đó: m là khối lượng phần tử vật chất.
ω là tần số góc của sóng siêu âm.
A là biên độ sóng siêu âm tại phần tử vật chất.
Các phần tử vật chất dao động ở tần số cao sẽ sinh ra nhiệt trong mơi trường
do q trình ma sát. Trong quá trình này, năng lượng siêu âm chuyển thành năng
lượng nhiệt làm nóng mơi trường.
Trong siêu âm trị liệu, chúng ta thường sử dụng khái niệm cường độ siêu âm
hay mật độ công suất siêu âm: I, đơn vị là W/cm2. I được tính theo cơng thức:
I=

(1.2)

Trong đó, p là áp lực siêu âm lên phần tử vật chất. Z là trở kháng siêu âm.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

4

1.3.2.2 Tần số siêu âm
Là số lần phần tử vật chất bị nén giãn trong thời gian một giây. Ký hiệu là f,
đơn vị Hz.Vì các mơ trong cơ thể thường có độ sâu trong khoảng từ đến 6cm, nên
trong siêu âm điều trị, người ta sử dụng sóng siêu âm có tần số gi a .7 và 3.3 MHz
để các mô trong cơ thểđạt được sự hấp thụ năng lượng lớn nhất.Dải tần số thấp từ .7
đến 1,5MHz cho độ hấp thụ tốt ở các mô sâu từ 2 đến 6cm, trong khi đó, dải tần số
cao hơn từ 2MHz đến 3.3MHz cho độ hấp thụ tốt nhất ở các mơ nơng từ đến
2.5cm. Do đó, trên thị trường thường có sẵn các loại đầu phát siêu âm ở tần số 1MHz
và 3MHz.[3]

2

ƣớc sóng siêu âm.

Là khoảng cách gi a hai điểm tương đương gần nhau nhất trong phương
truyền sóng siêu âm trong một mơi trường cụ thể. Bảng 1.1 liệt kê các bước sóng của
siêu âm trong một số loại mô và một số môi trường ở tần số 1Mhz và 3Mhz.

: Bước sóng siêu âm trong một số loạ
1Mhz và 3Mhz.

Bả

Các loại mơ và mơi
trƣờng
Khơng khí
Kim loại

Nước
Xương(trung bình)
Máu
Cơ (trung bình)
Mơ mềm (trung bình)

ơv

ƣớc sóng  (um)ở tần
số 1Mhz
330
5960
1480
4000
1570
1590
1500

Mỡ
Da

1450
1730

ơ trườngở tần số
ƣớc sóng  (um)ở tần
số 3Mhz
110
1986
493

1333
524
530
500
483
577

Từ bảng trên ta thấy, trong các mơ cơ thể bước sóng của siêu âm 1Mhz đều
xoay quanh giá trị 15 um, c n bước sóng của siêu âm 3Mhz đều xoay quanh giá trị
500um. Do đó trong thực tiễn lâm sàng, chúng ta sử dụng khái niệm “mơ trung bình”,
đối với mơi trường là “mơ trung bình” bước sóng siêu âm tại tần số 1MHz gần
15 um và tại tần số 3Mhz gần 5 um.
1.3.2.4Vận tốc truyền sóng siêu âm
Vận tốc truyền sóng là quãng đường sóng truyền đi được sau một đơn vị thời
gian. Trong lý thuyết đàn hồi, người ta có chứng minh được trong mơi trường đẳng
hướng, vận tốc sóng dọc bằng:

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


5

c

1
=
 .

E

[m/s]



(1.3)

Trong đó:
: Hệ số đàn hồi
E = 1/: Suất đàn hồi.
: Khối lượng riêng của mơi trường hay cịn gọi là mật độ môi trường.
Như vậy, với mật độ cho trước, tốc độ sẽ càng cao ở các mô càng cứng. Bảng
1.2 liệt kê vận tốc truyền sóng của một số mô và môi trường.

Bảng 1.2: Vận tốc truyền sóng siêu âm trong một số ơ v
Các loại mơ và mơi
trƣờng
Khơng khí
Kim loại
Nước
Xương (trung bình)
Máu
Cơ (trung bình)
Mơ mềm (trung bình)
Mỡ
Da
Gel siêu âm

ơ trường.

Vận tốc truyền sóng
c (m/s)
330
5960
1480
4000
1570
1590
1500
1450
1730
1620

Vận tốc truyền sóng siêu âm trong khơng khí xấp xỉ 330m/s. Vận tốc truyền
sóng siêu âm trong hầu hết các mơ sống xấp xỉ 1500 m/s, gấp khoảng 4 lần vận tốc
truyền trong khơng khí.

1.3.2.5

phản ạ v

h c ạ của sóng siêu âm

- Trở h ng siêu âm 2 :
Trở kháng Z là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản xạ sóng siêu âm của
mơi trường hay cịn gọi là độ vang hay độ dội của sóng siêu âm.
Z = c.ρ[rayls]

(1.4)

Trong đó:
ρ = [kg m ] : Mật độ mơi trường.
c = [m/s] : Vận tốc lan truyền của sóng siêu âm trong mơi trường.
Trở kháng của mơi trường có vai trị quyết định đối với biên độ sóng phản xạ
trên mặt phân cách gi a hai môi trường.Tất cả các mơ đều có trở kháng đối với sóng

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


6

siêu âm khi truyền qua nó. Trở kháng này được xác định dựa vào mật độ và độ đàn
hồi của mô.Bảng 1.3 liệt kê mật độ của một số loại mô và môi trường.

Bảng 1.3: Mật ộ của một số loạ
Các loại mô v môi trƣờng

ôv

ô trường.

Mật ộ môi trƣờng ρ ( gm-3)

Khơng khí

1.3

Nước

1000

Xương (trung bình)

1500

Máu

1060

Cơ (trung bình)

1075

Mơ mềm (trung bình)

1050

Mỡ

925

Da

1150

Từ d liệu ở bảng 1.2 và bảng 1.3, sử dụng cơng thức 1.4, ta có thể tính tốn
ra giá trị các trở kháng của các mô trên. Các giá trị này được liệt kê trong Bảng 1.4.

Bảng 1.4: Trở kháng một số ơ v
Các loại mơ
v mơi trƣờng
Khơng khí
Kim loại
Nước
Xương (trung bình)
Máu
Cơ (trung bình)
Mơ mềm (trung bình)
Mỡ
Da

ơ trường.

Trở kháng siêu âm
Z (kg/m2.s)
0.000429
46.7
1.50
6.00
1.59
1.7
1.58
1.38
1.99

Nếu chiếu chùm siêu âm có cường độ I = 50mW/cm2 , tần số 3Mhz lên mô liên
kết. Mơ liên kết chứa nhiều máu, do đó Z=1,59.1 6 Kg m2.s. Từ cơng thức (1.2) ta

tính được áp lực siêu âm tác động lên các phần tử mô liên kết là p= (2IZ)½ = 39.87
kPa, vận tốc dịch chuyển của phần từ mô liên kết là V=p/Z = 39.87kPa / 1,59.106
Kg m2.s = 25mm s. Biên độ dịch chuyển của phần tử mơ liên kết dưới tác động của
sóng siêu âm là d=V ω = (25mm s) (2.π.3MHZ)=1.32nm.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


7

- Hiện tƣợng phản xạ và khúc xạ [13]
Trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng sóng siêu âm truyền theo một
đường thẳng, khi gặp mặt phân cách gi a hai mơi trường có trở kháng khác nhau, tức
là có vận tốc âm khác nhau, tia siêu âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ.
Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần cịn lại sẽ truyền
tiếp vào mơi trường thứ hai (hình 1.4).
Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác nhau của trở kháng Z
gi a hai mơi trường. Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:

Pr  Z 2 . cos  t  Z1 . cos  i 
K 


Pi  Z 2 . cos  t  Z1 . cos  i 

2

(1.5)

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 siêu âm của hai môi trường.

:

c ạv

ả

ạ

Ở đây: c1, c2 là vận tốc truyền âm trong mơi trường có trở kháng Z1, Z2.
Trong thực tế, chùm siêu âm tới thường vuông góc hoặc gần vng góc với
mặt phân cách, khi đó các góc tới, góc khúc xạ và góc phản xạ đều bằng 0.
Công thức (1.5) trở thành:
K=

(1.6)

Tỉ lệ năng lượng phản xạ:Er = K x 100%.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

8

Tính tỉ lệ năng lượng phản xạ tại bề mặt phân cách gi a khơng khí và da, ta
có:Er = (
)2.1 %= 99,98%. Như vậy tại mặt phân cách gi a khơng khí và
da, sóng siêu âm bị phản xạ hồn tồn.
Tính tỉ lệ năng lượng phản xạ tại bề mặt phân cách gi a da và mô mềm, ta có:
Er = (

)2.100%= 1,31%. Tại mặt phân cách gi a da với mơ mềm, sóng

siêu âm bị phản xạ rất ít.
Tính tỉ lệ năng lượng phản xạ tại bề mặt phân cách gi a cơ và xương, ta có:
Er = (
)2.100%= 31,19%. Tại mặt phân cách gi a cơ và xương, sóng siêu
âm bị phản xạ khá nhiều (gần 1/3).
Ta thấy, hệ số phản xạ của mặt phân cách gi a hai môi trường phụ thuộc vào
độ khác nhau (Z) của trở kháng gi a hai môi trường, Z càng lớn thì tỉ lệ năng
lượng phản xạ càng lớn.Sóng siêu âm hầu như không truyền qua được mặt phân cách
gi a khơng khí với da, dễ dàng truyền qua các mặt phân cách gi a các lớp mô trong
cơ thể, ngoại trừ bề mặt xương. Tại bề mặt xương, một lượng lớn sóng siêu âm bị
phản xạ ngược trở lại.
Ngồi hiện tượng phản xạ, hiện tượng khúc xạ cũng xảy ra tại mặt phân cách
gi a hai mơi trường có trở kháng khác nhau. Sự khúc xạ xảy ra nếu chùm siêu âm tới
khơng vng góc với bề mặt phân cách. Về cơ bản, hướng của chùm siêu âm trong
môi trường sau sẽ không cùng hướng của chùm siêu âm trong mơi trường banđầu.
Góc tới hạn của chùm siêu âm tại bề mặt da khoảng 2 o. Nếu đầu phát siêu âm tạo
với bề mặt da một góc 2 o hoặc nhỏ hơn, thì phần lớn chùm siêu âm sẽ truyền song

song với bề mặt da, chứ không truyền vào các mơ sâu trong cơ thể. Giá trị góc tới
hạn này được tính tốn dựa trên hiện tượng phản xạ tồn phần.
Giả thiết trong mơi trường thứ hai có vận tốc truyền âm c2>c1, hiện tượng
phản xạ toàn phần là hiện tượng tia khúc xạ không tiếp tục đi vào môi trường sau mà
quay trở lại môi trường ban đầu, hiện tượng phản xạ tồn phần xảy ra khi góc khúc
xạ t = 90, tia khúc xạ đi là là mặt phân cách.
Khi đó: sini*=c1/c2, ta có i*=arcsin(c1/c2). Như vậy, với tất cả các góc i>i*
sóng siêu âm khơng khúc xạ được sang môi trường bên kia mặt phân cách mà tồn bộ
năng lượng được phản xạ lại mơi trường ban đầu. Theo bảng 1.2, ta có c1=1620m/s,
là vận tốc truyền siêu âm trong môi trường gel siêu âm (môi trường ban đầu) và
c2=1730m/s là vận tốc truyền siêu âm trong môi trường da (môi trường sau), theo
công thức: sini*=c1/c2, ta tính được i*=70o. Tức chùm siêu âm tới tạo với bề mặt da
một góc bằng 90o – 70o = 20o, thì xảy ra hiện tượng phản xạ tồn phần.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


9

Chùm siêu âm phản xạ gặp chùm siêu âm tới, trong điều kiện phù hợp sẽ gây
ra hiện tượng sóng dừng (hình 1.5), tạo ra các điểm cố định mà tại đó cường độ siêu
âm được tăng cường lớn nhất:

Hình 1.5: Hiệ tượng sóng dừng của sóng siêu âm[2]

1.3.2.6S hấp thụ v suy hao sóng siêu âm trong mơi trƣờng
- Hệ số suy giảm [21]
Là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm suy giảm sóng siêu âm của một chất

đồng nhất. Hệ số suy giảm  được xác định theo công thức sau đây:

10 log(



L

Pe
)
Pt

[dB/cm]

(1.7)

Ở đây Pe là công suất phát ra, cịn Pt là cơng suất tới.
Nếu chọn L=1cm, Pe/Pt =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 lượng tới và năng lượng ra gặp nhiều khó khăn, vì vậy người ta
thường xác định hệ số hấp thụ thơng qua biên độ sóng siêu âm tới và sóng siêu
âm đi ra khỏi mơi trường. Ta biết, cơng suất tỷ lệ với bình phương biên độ nên
ta có:

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

10

10 log(



L

Ae
)
At

[dB/cm]

(1.8)

Sự suy giảm là kết quả của ba quá trình: phân kỳ, hấp thụ, và tán xạ chùm
sóng siêu âm. Khi đi vào mơi trường, chùm sóng siêu âm có thể mở rộng (phân kỳ)
nên năng lượng sẽ lan truyền ra một diện tích rộng hơn, do đó năng lượng trên một
đơn vị diện tích giảm xuống.Hình 1.6 mơ tả sự suy giảm biên độ sóng siêu âm khi
truyền qua mơ.[2]

:

ộ suy

cườ

ộ siêu âm khi sóng truyền qua mơ.

Sự suy hao này phụ thuộc vào tần số, vào bản chất mơi trường, vào qng
đường truyền qua. Do đó, đơn vị của hệ số suy hao thường dùng là: dB/MHz.cm
Bảng 1.5 liệt kê hệ số suy hao của sóng siêu âm khi truyền qua một số mô
trong cơ thể.

Bảng 1.5: Hệ số suy hao của sóng siêu âm khi truyền qua một số ô tr
thể.
Mô
Gan
Thận
Mỡ
Máu
Xương

cơ

Hệ số suy hao (dB/MHz.cm)
0.6-0.9
0.8-1.0
1.0-2.0
0.17-0.24
16.0-23.0

Từ bảng trên ta thấy, sóng siêu âm bị suy hao nhiều khi đi qua mơ xương, sau
đó là mơ mỡ. Sóng siêu âm bị suy hao ít nhất khi truyền qua mơ liên kết (chứa nhiều
máu). Mơ có hệ số suy hao càng lớn thì khả năng hấp thụ năng lượng siêu âm càng
nhiều.
-S hấp thụ:

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


11

Sự hấp thụ sóng siêu âm trong mơ phụ thuộc vào bản chất mô và tần số siêu âm.
Cường độ siêu âm sau khi truyền qua mô được xác định qua cơng thức sau:
I(x)=Io. e-ax

(1.9)

Trong đó:
x là biến số biểu thị bề dày mơ mà sóng siêu âm truyền trong mơ (cm).
I(x) là cường độ sóng siêu âm tại độ sâu x (W/cm2).
Io là cường độ sóng siêu âm tại bề mặt mô (W/cm2).
a là hệ số hấp thụ của mô (cm-1).
Như vậy cường độ siêu âm tại độ sâu x phụ thuộc vào hệ số hấp thụ a, nếu
sóng siêu âm truyền qua mơ có hệ số hấp thụ a lớn, thì năng lượng siêu âm cịn lại là
rất ít. Bảng 1.6 liệt kê các hệ số hấp thụ của các mô trong cơ thể.

Bảng 1.6 Hệ số hấp thụ củ các ô tr
Môi trƣờng
Nước
Máu
Mỡ
Mô thần kinh
Cơ (dọc sợi)
Mạch máu

da
Cơ (ngang sợi)
Gân
Sụn
Khơng khí
Xương

Hệ số hấp thụ
tại tần số 1Mhz
0,0006
0,028
0,14
0,2
0,28
0,4
0,62
0,76
1,12
1,16
2,76
3,22

cơ thể [2].
Hệ số hấp thụ
tại tần số 3Mhz
0,0018
0,084
0,42
0,6
0,84

1,2
1,86
2,28
3,36
3,38
8,28

Như vậy, sự hấp thụ siêu âm không giống nhau trong mỗi loại mô, các mô
chứa nhiều protein sẽ hấp thụ nhiều năng lượng siêu âm hơn, các mơ chứa nhiều
nước hoặc ít protein hơn sẽ hấp thụ ít năng lượng siêu âm. Nước, mỡ, máu... là nh ng
mơ có hệ số hấp thụ thấp, c n mô sụn, gân, xương là nh ng mơ có hệ số hấp thụ cao.
Hình 1.7 mơ tả chiều tăng khả năng hấp thụ sóng siêu âm của các mô trong cơ thể.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


12

Hình 1.7: Chiều tă

ả ă

ấp thụ sóng siêu âm của các mô tron cơ
thể.[3]

Sự hấp thụ năng lượng siêu âm tuân theo đồ thị hàm mũ, nghĩa là năng lượng
bị hấp thụ càng nhiều ở các mơ càng nơng (hình 1.8).

8: ường cong hấp thụ s

s êu

t e

ộ sâu.[2]

Năng lượng siêu âm bị suy giảm theo độ sâu theo hàm mũ, theo đồ thị có một
số điểm mà ở đó, các mức năng lượng siêu âm đủ để tạo ra hiệu quả điều trị. Khi
chùm siêu âm càng truyền sâu vào trong mơ, càng có nhiều năng lượng siêu âm bị
hấp thụ và vì vậy càng có ít năng lượng siêu âm c n lại để đạt được hiệu ứng trị liệu.
Để xác định năng lượng c n lại trong mô, chúng ta đưa vào đại lượng: độ sâu giá trị
½. Nó biểu diễn độ sâu trong mơ mà tại đó c n lại một nửa năng lượng siêu âm chưa
bị hấp thụ. Độ sâu giá trị ½ này khác nhau đối với các mô khác nhau và cũng khác
nhau đối với các tần số siêu âm khác nhau. Bảng 1.7 chỉ ra một số độ sâu giá trị ½
điển hình đối với siêu âm trị liệu.

Bả

7: ộ sâu giá trị ½ của một số mơ với các tần số 1Mhz và 3Mhz [3].
Mô
Tần số
Cơ
Mỡ
Gân

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

1 MHz

9.0 mm
50.0 mm
6.2 mm

Độ sâu giá trị 1/2
3 MHz
3.0 mm
16.5 mm
2.0 mm

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


13

Vì rất khó (khơng thể) biết độ dày mỏng của mỗi lớp mô trong mỗi bệnh nhân,
nên các độ sâu giá trị ½ trung bình thường được sử dụng trong thực tế lâm sàng
(bảng 1.8)

Bả

8: ộ sâu giá trị ½ trung bình [3].
Tần số
3 MHz
1 MHz

Độ sâu gi trị ½ (trung bình)
2.0 cm
4.0 cm

Các độ sâu giá trị ¼ cũng được đề cập trong lâm sàng. Bảng 1.9 mô tả cỏc
sõu giỏ tr ẵ , ẳ trung bỡnh i với tần số 3Mhz và 1MHz.

Bả

9: Các ộ sâu giá tr ẵ v ẳ trung bỡnh.[3]

sõu gi tr ẵ (trung bình)
2
4
8

Tần số Mhz
50%
25%

Tần số Mhz
50%
25%

Mặc dù sụn và xương có hệ số hấp thụ năng lượng siêu âm cao, nhưng thực tế
có rất ít năng lượng siêu âm bị hấp thụ bởi sụn và xương. Bởi vì có sự phản xạ mạnh
sóng siêu âm tại bề mặt xương. Do đó, các mơ hấp thụ được nhiều năng lượng siêu
âm nhất trong thực tế lâm sàng là các mô chứa nhiều collagen: dây chằng, gân, màng
cơ, bao khớp, mô sẹo.
So với sóng ngắn và laser, mơ hấp thụ nhiều năng lượng siêu âm có một số
đặc tính khác biệt. Bảng 1.1 so sánh các mô hấp thụ tốt năng lượng siêu âm, sóng
ngắn và laser.

Bảng 1.10: So sánh các mơ hấp thụ ă

Tác nhân
Tính chất
mơ hấp thụ

Siêu âm
Mơ có mật độ
collagen cao

Các mô hấp
thụ nhiều
năng lượng
nhất

Dây chằng, gân,
màng cơ, bao
khớp, mơ sẹo

lượng siêu âm, laser, sóng ngắn [3].

óng ngắn
-Mơ có trở kháng thấp
-Mô nhiều ion
-Mô nhiều nước
Cơ, thần kinh, vùng phù
nề, vùng tụ máu, vùng
tràn dịch

Laser
Mơ có nhiều mạch
máu bề mặt.

Vết thương hở, cơ,
thần kinh, gân

1.3.2.7Trƣờng gần, trƣờng xa và ộ hơng ồng nhất của chùm siêu âm.
Chùm sóng siêu âm là không đồng nhất, đồng thời thay đ i theo khoảng cách
với đầu phát. Chùm sóng siêu âm gần đầu phát nhất gọi là trường gần. Biên độ của

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


14

sóng siêu âm trong vùng này là khơng n định với các vùng đan xen đáng kể. Năng
lượng siêu âm trong trường này có thể tăng lên nhiều lần so với cơng suất đầu ra thiết
lập ở máy. Kích thước của trường gần có thể được tính tốn theo cơng thức r2 λ, ở
đây r là bán kính đầu phát và λ là bước sóng siêu âm theo tần số (0.5mm cho tần số
3Mhz và 1.5mm cho tần số 1Mhz). Ví dụ, đầu phát siêu âm có đường kính 25mm,
tần số siêu âm là 1Mhz thì kích thước trường gần là 12.5mm2/1.5mm >> 10cm. Khi
sử dụng tần số cao hơn, kích thước này sẽ tăng lên rất nhiều. Ví dụ với siêu âm tần số
3Mhz, đầu phát siêu âm có cùng đường kích 25mm, kích thước trường gần là:
12.5mm2 .5mm >> 3 cm. Ngay sau trường gần là trường xa. Chùm siêu âm trong
trường này khá đồng nhất. Tuy nhiên, trong siêu âm điều trị, trường này khơng có ý
nghĩa.
Biên độ sóng siêu âm tại trường gần biến thiên mạnh và khơng theo quy
luật.Trong khi đó, biên độ sóng siêu âm tại trường xa đồng đều và giảm mạnh khi ra
xa. Đồ thị trong hình 1.9 mơ tả biên độ sóng tại trường gần và trường xa.

9: ồ thị biế

ổ bê

ộ sóng siêu âm theo khoảng cách vớ
phát.

ầu

Nguyên nhân gây ra sự thăng giáng biên độ sóng siêu âm trong trường gần là
do hiện tượng giao thoa xảy ra tại vùng này. Hiện tường này xảy ra như sau: Sóng
siêu âm phát ra từ đầu phát siêu âm không phải là một chùm sóng điểm, mà là tập
hợp của nhiều chùm sóng siêu âm tại các vị trí khác nhau trên bề mặt đầu phát. Các
chùm sóng siêu âm này có cùng pha với nhau và cùng pha với nguồn điện kích thích,
do đó xảy ra hiện tượng giao thoa tại nh ng điểm mà chúng gặp nhau. Tại nh ng
điểm mà các sóng siêu âm truyền tới cùng pha nhau, cường độ được tăng cường.
Ngược lại, tại nh ng điểm mà các sóng siêu âm truyền tới ngược pha nhau, cường độ
bị suy giảm. Vùng khơng gian ngay phía trước đầu phát là nơi xảy ra hiện tượng giao
thoa của các sóng siêu âm. Vì số lượng lượng chùm sóng siêu âm trên mỗi đầu phát
là khó xác định, có thể có hàng chục đến hàng trăm chùm siêu âm, do đó hiện tượng

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


15

giao thoa ở đây là khó kiểm sốt, tạo nên sự thăng giáng biên độ siêu âm không theo
quy luật ở trong vùng này. Hình 1.1 mơ tả hiện tượng giao thoa xảy ra trong trường
gần.

Hình 1.10: Hiệ tượng giao thoa xảy r tr

trường gần.

Một chỉ số chất lượng quan trọng của đầu phát siêu âm là tỉ lệ chùm siêu âm
khơng đồng nhất, kí hiệu BNR (Beam Nonuniformity Ratio). Nó mơ tả tỉ số cường
độ đỉnh và cường độ trung bình. Trong hầu hết các ứng dụng, BNR có giá trị khoảng
từ 4 -6, tức là cường độ đỉnh gấp 4-6 lần cường độ trung bình. Giá trị tốt nhất của
BNR là 4.[20]

Hình 1.11: S

ơ

ồng nhất của chùm siêu âm trong không gian.[3]

1.3.2.8Các tham số h c iên quan ến siêu âm tri liệu.
a) Cƣờng ộ trung bình khơng gian (Spatial Average Intensity - SAI):
Là cường độ trung bình của đầu phát siêu âm phát ra trên diện tích đầu
phát.[2]
b) Cƣờng ộ ỉnh không gian (Spatial Peak Intensity – SPI):
Cường độ đỉnh của siêu âm trên diện tích đầu phát. Cường độ này thường lớn
nhất tại tâm của chùm và nhỏ nhất tại mép đầu phát.[2]

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH

16

: Cườ

ộ ỉnh không gian của siêu âm[2]

c) Siêu âm liên tục (Continuous Ultrasound)
Sóng siêu âm phát ra liên tục trên đầu phát trong suốt thời gian điều trị.

: ồ thị biểu diễ cườ

ộ theo thời gian trong siêu âm liên tục[2]

d) Siêu âm xung (Pulsed Ultrasound)
Sóng siêu âm phát ra trong một số khe thời gian, đan xen với các khe thời
gian không phát siêu âm. Siêu âm xung được quyết định bởi các tham số độ rộng
xung và tần số lặp lại của xung.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


17

: ồ thị biểu diễn chu kỳ xung trong siêu âm xung.[2]
- Độ rộng xung:
Độ rộng xung hay c n gọi thời gian “on” là thời gian phát sóng siêu âm trong
chu kỳ xung. Thời gian “off” là thời gian không phát siêu âm trong chu kỳ xung. Hầu
hết các máy siêu âm trị liệu đều có đầu ra xung đa dạng. Tuy nhiên, đối với các bác

sỹ trị liệu, có một chế độ xung được ưa thích sử dụng nhiều hơn. Đó là chế độ xung
có độ rộng 2ms và khoảng nghỉ biến đ i được. Với mỗi tỉ lệ xung, sẽ xác định được
thời gian khoảng nghỉ. Ví dụ, trong chế độ 1:1, độ rộng xung là 2ms, khoảng nghỉ sẽ
là 2ms. Trong chế độ 1:4, độ rộng xung 2ms, khoảng nghỉ là 8ms (hình 1.15)

Hình 1.15: Các chế ộ hoạt ộng của siêu âm xung.[3]

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


18

- Tần số xung:
Trong chế độ xung, ngoài tỉ lệ xung ra, tần số xung cũng là một tham số cần
quan tâm. Điển hình, với độ rộng xung 2ms, tỉ lệ xung 1:4 (2 %), tức khoảng nghỉ là
8ms. Chu kỳ là 1 ms, do đó tần số xung là 1 Hz. Nếu tăng độ rộng xung từ 2ms lên
4ms, gi nguyên tỉ lệ xung 1:4 thì chu kỳ là 2 ms, do đó tần số xung là 5 Hz.[2 ]
e) Cƣờng ộ ỉnh trung bình khơng gian tạm thời (Spatial Average Temporal
Peak Intensity - SATP)
Là cường độ trung bình khơng gian trong phần thời gian có sóng siêu âm.[2]
f)Cƣờng ộ trung bình khơng gian tạm thời (Spatial Average Temporal
Average Intensity - SATA)
Là cường độ trung bình khơng gian trong cả phần thời gian có sóng siêu âm
và khơng phát siêu âm.[2]

: Cườ

ộ ỉnh trung bình khơng gian tạm thờ v cườ

khơng gian tạm thời.[2]

ộ trung bình

g) Vùng phát hiệu quả ERA
Là vùng diện tích trên đầu phát, có sóng siêu âm phát ra. Vùng này thường
nhỏ hơn diện tích đầu phát. Các giá trị cụ thể tùy thuộc vào mỗi nhà sản xuất.[2]

Hình 1.17: Mơ tả vùng phát hiệu quả của siêu âm.[2]

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH


19

Kết luận chƣơng :
Chương 1 đã khảo sát bản chất vật lý của sóng siêu âm là sóng cơ học, có tần
số trên 2 .
Hz, trong siêu âm điều trị sử dụng dải tần số từ ,7Mhz đến 3.3Mhz.
Sóng siêu âm có thể được mơ tả bởi cường độ, tần số, chu kỳ xung, và tỷ lệ chùm tia
không đồng nhất (BNR). Nó đi vào cơ thể và suy giảm trong mô bởi sự hấp thụ, phản
xạ và khúc xạ. Sự suy giảm lớn nhất là ở mơ có hàm lượng collagen cao và sử dụng
tần số siêu âm cao. Sự suy giảm là kết quả của sự hấp thụ, phản xạ và khúc xạ, với sự
hấp thụ chiếm khoảng một nửa sự suy giảm. Hệ số suy giảm ở nh ng mơ khác nhau
và tần số khác nhau có giá trị khác nhau. Nó lớn hơn ở các mơ có hàm lượng
collagen cao và gia tăng theo tỷ lệ tương ứng với tần số của siêu âm. Dựa trên các
tính chất vật lý của sóng siêu âm đã trình bày ở chương 1, chương 2 sẽ tìm hiểu các
hiệu ứng sinh học xảy ra khi sóng siêu âm tương tác với cơ thể sống.

HVTH: NGUYỄN SỸ SỬU

GVHD: TS. TRẦN HY BÌNH