Trang 39
| Khởi động Cùng với chụp X-quang và chụp cắt lớp, siêu âm là một ứng dụng quan trọng trong y học, góp một phần không nhỏ cho việc chẩn đoán và điều trị. Vậy cách tạo ra siêu âm và nguyên tắc tạo hình ảnh trong kĩ thuật siêu âm như thế nào? |
I. SIÊU ÂM
Sóng âm được phân loại dựa trên khả năng nghe của con người. Tai người cảm nhận được âm thanh có tần số trong khoảng từ 16 Hz tới 20 kHz, được gọi là âm thanh nghe được. Tần số sóng âm nhỏ hơn 16 Hz được gọi là hạ âm. Tần số sóng âm cao hơn 20 kHz được gọi là siêu âm. Trong các thiết bị y tế, sóng siêu âm được sử dụng có dải tần cỡ MHz. Tốc độ của sóng siêu âm phụ thuộc vào môi trường mà chúng truyền qua. Tốc độ truyền siêu âm qua mô cơ thể người vào khoảng 1500 m/s.
Câu hỏi
Tốc độ truyền siêu âm trong thạch anh là 5 700 m/s. Tính bước sóng của sóng siêu âm có tần số 2 MHz trong tinh thể thạch anh.
II. CÁCH TẠO RA SIÊU ÂM
Siêu âm được tạo ra bởi sự rung động nguồn âm. Thông thường siêu âm được tạo ra bằng một bộ biến đổi điện – cơ. Đây là một linh kiện có chức năng biến đổi các dao động điện thành dao động cơ cùng tần số. Bộ biến đổi điện – cơ thường được làm bằng thạch anh hoặc gốm áp điện. Những vật liệu này có tính chất đặc biệt là bị co dãn khi có điện trường đặt vào (Hình 7.1). Nếu đặt một xung điện vào các vật liệu trên thì độ biến dạng của chúng sẽ thay đổi theo tần số xung nghĩa là chúng đã tạo ra các dao động cơ học. Nếu tần số của xung điện nằm trong dải tần số của sóng siêu âm thì các dao động cơ cũng có tần số này và tạo ra sóng siêu âm.
Hình 7.1. Mô hình hiệu ứng áp điện: a) Khi không có điện trường đặt vào, b) Bị nén lại khi có điện trường đặt vào, c) Bị dãn ra khi đổi chiều điện trường đặt vào, d) Phát ra sóng siêu âm khi điện trường đặt vào biến thiên theo tần số siêu âm
Co lại
Dãn ra
Gốm áp điện
Sóng siêu âm
Khi thu sóng siêu âm người ta sử dụng tính chất biến đổi cơ – điện của tinh thể thạch anh hoặc gốm áp điện. Khi nhận được sóng siêu âm thì chúng sẽ tạo ra điện áp biến thiên cùng tần số với sóng siêu âm.
Trang 40
III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY SIÊU ÂM
Nguyên lí hoạt động của máy siêu âm là dựa vào định vị bằng sóng siêu âm, thông qua một đầu dò có chức năng phát và thu tín hiệu phản hồi của sóng siêu âm (Hình 7.2).
Hình 7.2. Cấu tạo của đầu dò siêu âm
Tinh thể áp điện
Lớp giảm rung
Lớp đệm
Các điện cực
Sóng siêu âm được phát ra truyền theo hướng của đầu dò vào môi trường với tốc độ xác định. Sóng siêu âm khi gặp mặt phân cách (ranh giới) trên đường đi sẽ bị phản xạ và khúc xạ (Hình 7.3). Trong siêu âm, ta quan tâm tới tín hiệu phản xạ của sóng siêu âm. Đầu dò sẽ thu nhận tín hiệu sóng siêu âm phản xạ, chuyển đối
thành tín hiệu điện, được máy vi tính xử lí và hiển thị trên màn hình.
Hình 7.3. Một sóng siêu âm khi chạm vào ranh giới giữa hai vật liệu khác nhau, vừa bị khúc xạ vừa bị phản xạ
Mặt phân cách
Sóng siêu âm
Góc tới
Sóng siêu âm phản xạ
Góc khúc xạ
Sóng siêu âm khúc xạ
Sự chênh lệch cường độ sóng siêu âm phản xạ càng lớn thì hình ảnh thu được càng rõ nét. Điều này cho phép giải thích khi siêu
âm thì hình ảnh xương được thế hiện rõ trong khi khó nhìn thấy các mô mềm khác nhau (Hình 7.4).
Khi siêu âm, giữa da và đầu dò có một lớp không khí và có đến 99,95% sóng siêu âm sẽ bị phản xạ trước khi đi vào cơ thể. Để khắc phục điều này, giữa đầu dò và da cần có một lớp gel
Hình 7.4. Hình ảnh siêu âm thai nhi
Trang 41
EM CÓ BIẾT?
Một số loại đầu dò siêu âm
- Đầu dò thẳng: phát ra sóng siêu âm có tần số cao, thích hợp cho đánh giá các vùng nông như da, tuyến giáp, tuyến vú, mạch máu.
- Đầu dò cong: phát ra sóng siêu âm có tần số thấp hơn, thích hợp cho việc đánh giá các cơ quan sâu, thường sử dụng cho siêu âm bụng, thai, mạch máu ở sâu.
- Đầu dò tìm: phát ra sóng siêu âm có tần số tương đương đầu dò cong, chuyên dụng dùng cho siêu âm tim.
- Ngoài ra còn có đầu dò sử dụng cho siêu âm 3D, 4D, siêu âm can thiệp điều trị.
Hoạt động
1. Giải thích vì sao khi siêu âm da và xương được hiển thị rõ ràng trong khi hình ảnh các cơ quan mềm hơn bên trong cơ thể không được hiển thị rõ?
2. Giải thích tại sao siêu âm ít được dùng để kiểm tra não.
EM CÓ BIẾT
Khi sóng siêu âm đi qua cơ thế, chúng sẽ bị hấp thụ. Sự hấp thụ của sóng siêu âm tuân theo quy luật hàm số mũ tương tự như đối với tia X. Phương trình mô tả cường độ sóng siêu âm I giảm dần theo độ dày d như sau:
Ở đây, α là hệ số hấp thụ, giá trị của α thay đối theo bản chất của mô mà sóng siêu âm đi qua và theo tần số của sóng siêu âm.
IV. NGUYÊN TẮC TẠO HÌNH ẢNH SIÊU ÂM
Siêu âm kiểu A
Một xung siêu âm được chiếu vào cơ thể, sóng siêu âm phản xạ được thu nhận và hiến thị trên màn hình máy tính dưới dạng đồ thị điện áp - thời gian. Đầu đò phát sóng siêu âm gián đoạn, khi sóng siêu âm đi vào cơ thể, gặp ranh giới giữa các mô khác nhau sẽ tạo ra các sóng siêu âm phản xạ khác nhau. Đầu đò thu được tín hiệu sóng âm phản xạ biến đối thành tín hiệu điện. Từ những tín hiệu điện thu được, máy tính xử lí và hiển thị trên màn hình dưới dạng các xung (Hình 7.5).
Hình 7.5. Các xung siêu âm trong. siêu âm kiểu A
Gel
Đầu dò siêu âm
Cơ
Xương
Điện áp
Xung tới
Xung phản xạ
Thời gian
Trang 42
Từ Hình 7.5 ta thấy xung 1, 2 và 3 mô tả tại các ranh giới khác nhau. Xung 1 phản xạ tại ranh giới giữa cơ và xương tại B. Xung 2 phản xạ tại ranh giới giữa xương và cơ tại C. Từ thông tin thu nhận được người ta có thể xác định được độ dày của xương.
Siêu âm kiểu B
Nguyên lí cũng tương tự như kiếu A nhưng hình ảnh thu được sẽ được hiển thị có độ sáng, tối khác nhau. Ranh giới giữa các mô cho phản xạ sóng siêu âm có cường độ mạnh sẽ hiển thị màu sáng, cường độ yếu sẽ hiển thị màu tối. Các ranh giới mô khác nhau sẽ cho phản xạ sóng siêu âm khác nhau được hiển thị với các màu sáng, tối khác nhau.
Trong siêu âm kiểu B, hình ảnh chi tiết của một bộ phận cơ thể được xây dựng từ nhiều hình ảnh của siêu âm kiểu A. Đầu dò được di chuyến xung quanh khu vực cần siêu âm, mỗi xung phản xạ được phân tích để xác định độ sâu của bề mặt phản xạ và bản chất của bề mặt. Sau đó, một hình ảnh hai chiều được máy tính hiến thị trên màn hình các chấm định vị để biếu thị vị trí của bề mặt phản xạ với độ sáng được xác định bởi cường độ sóng siêu âm phản xạ (Hình 7.6).
Hình 7 6. Bằng cách di chuyển đầu dò, một loạt các dấu chấm trên màn hình tạo ra hình dạng của bộ phận đang được kiểm tra
Chuyển động của đầu dò siêu âm
Da
Bộphậncơthể
Quét kiểu B
Ngoài ra còn có các kiểu hiển thị hình ảnh siêu âm như: siêu âm kiểu M (TM - Time motion); kiểu 3D; 4D; kiểu Doppler.
Hoạt động
Giải thích tại sao đế kiểm tra thai nhi, người ta sử dụng siêu âm kiểu B chứ không dùng phương pháp chụp X-quang.
V. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM
Siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, y học, hàng hải, công nghệ thực phẩm, địa chất, nghiên cứu khoa học. Ngoài ra siêu âm còn được dùng để tổng hợp các vật tổng hợp vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu sinh học, vật liệu có cấu trúc nano,..
Trang 43
Hình 7.7. Ứng dụng siêu âm để kiểm tra khuyết tật của sản phẩm
a) Sản phẩm không có lỗi
b) Sản phẩm có lỗi
Hình 7.8. Ứng dụng siêu âm để hàn vật liệu
Hình 7.9. Ứng dụng siêu âm trong y học
Hình 7.10. Ứng dụng siêu âm để khử khuẩn
Hình 7.11. Ứng dụng siêu âm trong khai thác thủy sản
Hình 7.12. Ứng dụng siêu âm trong nghiên cứu biển và đại dương
Hoạt động
Từ các thông tin, hình ảnh trên hãy đánh giá vai trò của siêu âm trong đời sống và trong khoa học.
EM ĐÃ HỌC
• Siêu âm, sơ lược cách tạo siêu âm.
• Sơ lược cách tạo ra hình ảnh siêu âm các cấu trúc bên trong cơ thể.
• Vai trò của siêu âm trong đời sống và trong khoa học.
EM CÓ THỂ
Nêu được ứng dụng của siêu âm trong một số lĩnh vực.
