Cơ sở vật lý của siêu âm
Hiện nay siêu âm đã rất phát triển, có ứng dụng rộng rãi trong chẩn
đoán của rất nhiều chuyên khoa.Chúng ta hãy tìm hiểu cơ sở vật lý của ứng
dụng này nhé !
1. Vật lý học của sóng âm
* Bản chất củasóng âm:
Sự hình thành sóng cơ trong môi trườngchất: các môi trườngchất đàn hồi(khí
lỏng hayrắn) có thể coi như những môitrường liên tục gồm những phần tử liên
kết chặt chẽ với nhau.Lúc bình thườngmỗi phần tử có một vị trí cân bằngbền.
Nếu tácdụnglực lên một phầntử Avề vị trí cân bằng nàođó của môi trường thì
phần tử này rời khỏi vị trí cânbằng bền. Do tươngtác, các phầntử bên cạnh, một
mặtkéo phần tử A một mặtcũng chịu lựctác dụng và do đó ũng thực hiện dao
động. Hiện tượngtiếp tục xảy ra đối với các phầntử khác của môi trường.Những
dao độngcơ lantruyền trong môi trườngđàn hồi gọi là sóng cơ
Về bản chất sóngâm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóngcơ,
có thể tạo ra sóngâm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền
âm. Ví dụ: đánh vào mặt trống:tác động dòng điện làm rungmàngloa; tác động
làm rungâm thoa, đạn bay trong khôngkhí
* Phân loại sóngâm:
Theo phương daođộng:
- Sóng ngang: phương dao động vuông góc với tia sóng
- Sóng dọc: phươngdao độngtrùng với tia sóng
- Sóng siêu âm ứngdụng trong yhọc thuộc sóng dọc
Theo tần số:
- Sóng âm tần số cực thấp haygọi là vùng hạ âm: f< 16Hz, ví dụ sóng địa chấn
- Sóng âm tần số nghe thấy:f= 16Hz- 20kHz
- Sóng siêu âm: f< 20kHz
* Cácđại lượng đặc trưng
- Chu kỳ Tlà khoảngthời gianthực hiện 1nén và 1giãn, tính bằnggiây
- Tầnsố f(Hz):số chukỳ thực hiện được trong một giây
- Vận tốc truyềnâm(m/s)làquãng đường mà sóng truyền được sau mộtđơn vị

phản xạ ngược trở lại và phầncòn lại sẽ truyền tiếp vào môitrường thứ 2
Độ lớncủa năng lượngphản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm ∆z
giữa2 môi trường.Hệ số phản xạ K được tính theocông thức:
K= Pr/Pi((Z2 cosθt- Z1cosθi) / (Z2 cosθt+ Z1cosθi))
Trong đó:
θi: góctới; θt: góc phản xạ; θt: góc khúc xạ
Pr- Biên độ áp lực của sóngphản hồi
Pi- biên độ áp lực của sóngtới
Z1, Z2- trở khángâm của 2môi trường
Ở đây sẽ xảy ra2 trường hợp:
- Trường hợp 1: Tiatới vuônggóc với mặt pâhn cách θi=θt=0
Hệ số phản hồi của mặt phân cáchsẽ được tính theo công thức:
Cosθ = cos θr = 1 nên:
- Trường hợp 2: Tiatới tạo một góc θi≠0. Theo đinh luật phản xạ góc phản xạ bằng
góc tới.Sóng truyền tiếp lúcnày không còn cùng hướng với sóngtới và tạo một góc
θt≠θi ,hiện tượng này gọi làhiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận
tốc truyên âm trong2 môi trườngvà được xác địnhbởi côngthức:
sin θt= (c2/c1)*sinθi
+ Với c2>c1, khi sinθi= c1/c2ta có θcritic=arcsin (c1/c2)
Thì sin θt=1 và θt= 900. Hiệntượng này gọi làhiệntượng phản xạ toàn phần. Như
vậy với tất cả các góc θi ≥θcritic sóng âm sẽ khôngkhúc xạ được sangmôi trường
thứ 2 bên kia mặt phân cách và toàn bộ năng lượngđược phảnxạ trở lại môi
trường thứ nhất
+ Ngoài ra dù với c2>c1 hayc2<c1nếu góc tới θt ≈ 90 độ(tia tới gần như tiếp tuyến
với mặtpâhn cách) thì sóng âmchỉ trượt trên bề mặt phâncách mà khôgn truyền
tiếp vào môi trườngthứ 2
+ Cả 2 hiện tượng trên( phản xạ toàn phần và tia tới truyền tiếp tuyến với mặt
phân cách) giải thích cho sự xuất hiện bóng lưingbên ở nhjững cấu trúchình cầu
và mặt cắt ngang cấu trúc ống
Từ 2 côngthức trên ta thấy hệ số phản hổi củamặt phân cách giữa 2 môi trường

Năng lượngsiêuâm càng vào sâu thì càngsuy giảm. Khi vàosâu tới 20cmvới đầu
dò 3,5MHzthì sự suy giảm tới 3162lần. Như vậy những mặtphản xạ có ∆Z như
nhau nếu ằnm ở nhữngđộ sâu khác nhausẽ cho những tín hiệu phản xạ cóđộ lớn
khác nhau. Để khắc phục điều đó tínhiệu phải được bù bằng hệ số khuyếch đại để
tạo ấntượng ảnh đồngnhất.
* Thông số của sóng siêu âm và kích thước hình học của tổ chức
Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách dođó năng lượng phản xạ còn phụ
thuộcvào kích thước của mặt phân cách và độ dài bước sóng của chùmtia. Nếu ta
đặt một vật rắn chìm vào trong môitrường chất lỏng thì năng lượngphản xạ từ vật
đó phụ thuộc vào kíchthước củavật so vớiđộ dài bước sóngsiêu âm.Vật phải có
độ dài ít nhấtlớn hơn λ/4thì mới cókhả năng phản xạ sóng siêu âm.Do đó sóng
siêu âmcó tần số càng cao tứclà λ càng nhỏ thì càng dễ phát hiện và phân biệt
được các vật nhỏ song cũng dođó màkhó vào đượcsâu. Người tađưa ra khái
niệm"khoảng giảm nửa năng lượng"để chỉ khoảng cáchmà tia siêuâm có thể đi
được chotới khi nănglượng của chùm tia giảm đi còn mộtnửa.Với cùng một loại
đầu dò trong nhữngđiều kiện như nhauthì đại lượngnày là khác nhaucho những
môitrường khácnhau
3. Kỹ thuật của phương pháp tạo hình bằng siêu âm
* Nguyên lý tạo ảnh
Đầu dò được kích thích bởi xungđiện với chiều dài và cườngđộ có thể điều chỉnh
được thìkhi phátxung âm lantruyền theo hướng của đầu dò vào môi trường một
vận tốcxác định bởi đặc tínhcủa môi trường; sóngâm sẽ gặp các mặtphản hồi
trên đườngtruyềnvà tạo ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dòvà được
thu nhận tại đây
Khoảngthời gian mất cho sóng âm đi đến và quayvề từ mặt phản hồi sẽ xác định
độ sâu của mặt phản hồi bởi công thức: d=c*t/2
Trong đó:
d: khoảng cách từ đầu dòđến mặt phản hồi
c: vận tốc sóng âmtrong môi trường
t/2: thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi

của tiasiêu âm
* Hình ảnh tĩnh và hình ảnh động
Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnhsiêu âm 2 chiều này là B-mode đượcdùng trong
hầu hếtcác thiết bị siêu âmchẩn đoántừ trước chotới nay
Theo cách thể hiện của B-mode trong siêu âmmột chiều thì tươngxứng với mỗi vị
trí đầudò trên cơ thể và mỗi hướng củachùm tia nhất định thì trên mànhình ta có
thể có một đườngtạo ảnh(line of site) B-mode-phản ánh cácmặt phản hồi được
tạo ra bởicác cấutrúc cơ thể nằm trên đường truyền của chùm tia siêu âm. Để thể
hiện sự tổng hợp nói trên người ta dùng các hệ thống quét. Hệ thốngquét ảnh
động(realtime scanner)với 2 cách quét là quét điện tử vàquét cơ học. Một nhược
điểm củaquét ảnhđộng alf diện khảo sátbị hạn chế khôngcho một hìnhảnh tổng
quát như trong kỹ thuật quét ghi hình tĩnh.Vì thế trongnhữngnăm gần đây người
ta khắcphục để có2ưu điểm làvừa ghi hìnhđộng và vừa có hình tĩnh đó là khảo
sát trêndiện rộnggọi alf real time -EFOV(extendedfield of view)- siêu âm thời
gian thực với trườngnhìn mở rộng. Để tạo được diện khảo sát rọngngườita vừa
di chuyển đầu dòtheo một thiết diện cắt ngangcơ thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình
ảnh được tổng hợpliên tục từ các góc quét riêng biệt ứngvới các vị trí của đầudò,
kết quả nhậnđược là một hìnhtổng quát, đồngthời vẫn giữ được tính động của
ảnh
4. Thiết bị ghi hình bằng siêu âm
* Sơ đồ cấu tạo máy siêu âm
* Đầu dò:
Hiệu ứng áp điện thuận- nghịch:
Hiệu ứngáp điệnthuận nghịchphát biểu như sau:
- Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động mộtlực cơ học, hay nói cách khác là khi nên
hoặc kéo dãn một số tinhthể gốm theo nhữngphương đặc biệt trong tinh thể thì
trên mặt ácc mặt giới hạncủa tinh thể đó xuất hiện nhữngđiện tích tráidấu và do
đó có một hiệu điện thế giữa 2 bề mặt. Mà như ta đã biét sóng siêu âmlà sóng cơ
học dođó khi sóngsiêu âmva đập vào bề mặt tinhthể gốm thì sẽ làm xuất hiện
trên tinh thể một chuỗixung có độ lớn tỷ lệ với cườngđộ của sóngâm