Bài giảng kỹ thuật siêu âm

kỹ thuật siêu âm

KĨ THUẬT SIÊU ÂM

- Đại cương về sóng âm và siêu âm

- Tính chất vật lí của siêu âm

- Nguyên lí nguồn phát siêu âm

Hướng dẫn:

-Xem: “ Giáo trình&sách tham khảo”, chọn “giáo trình vật lí lí sinh (phần 3 Chương 3 )

- Bài giảng dạng Slide và tài liệu thamkhảo trong lisinhstudy.tnu.edu.vn

-Tham khảo : Giáo trình lí sinh y học( Phan sĩ An-NXB Y học), Li sinh học( Đoàn Suy Nghĩ, NXB ĐH Huế)

Chủ đề 1: Bản chất vật lý của sóng siêu âm

1 Dao động và sóng – Sóng âm

1.1.Dao động

Là một chuyển động được lặp lại nhiều lần theo thời gian

VD: con lắc đồng hồ, dao động của cây cầu treo, dao động của dòng điện trong mạch…

1.3 Sóng âm – Siêu âm

- Kéo dây đàn ra khỏi vị trị cân bằng rồi thả ra thì ta thấy

nó dao động  Âm thanh phát ra và lan truyền (sóng âm)

* Tốc độ lan truyền của siêu âm (v):

* Cường độ của sóng siêu âm (I):

* Năng lượng của sóng siêu âm (I):

2 Các tính chất vật lý cơ bản của sóng âm

2.1 Hiện tượng phản xạ

+ Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua hai môi trường có

âm trở khác nhau sẽ tạo nên hiện tượng phản xạ siêu âm,

tuân theo định luật quang hình học

+ Hệ số phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ

số phản xạ siêu âm khác nhau Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào

âm trở của hai môi trường:

R = (Z1 – Z2) / (Z1 + Z2)Trong đó Z1 và Z2 là âm trở của môi trường 1 và 2

Ví dụ: - Hiện tượng dội lại khi âm phát ra gặp vật cản (tường, núi) trong tự nhiên

- Giữa mô mềm và không khí, xương có Äz lớnhầu hết năng lượng của chùm siêu âm bị phản xạ lạidùng Gel

2.2 Hiện tượng khúc xạ.

- Là hiện tượng chùm siêu âm khi lan truyền trong một môi

trường có âm trở khác bị lệch hướng đột ngột ngay tại mặt phân cách

- Sự khúc xạ siêu âm làm lệch nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến chùm siêu âm phản xạ và kết quả chẩn đoán

M

M S

I

Px

Kx

2.3 Hiện tượng tán xạ.

Hiện tượng này xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các cấu

trúc nhỏ (có kích thước <<) hoặc với bề mặt không đồng đều, khi đó tia siêu âm bị tán xạ theo mọi hướng và chỉ có 1 phần nhỏ tới được đầu dò Hiện tượng này không phụ

thuộc vào góc tới của tia siêu âm, rất quan trọng trong đánh giá các cấu trúc nhỏ (độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ )

2.4 Hiện tượng nhiễu xạ.

Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản

Hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra

 Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm càng đi

xa càng bị suy giảm

2.5 Hiện tợng hấp thụ:

- Khi chùm siêu âm truyền qua một môi trờng vật chất chùmsiêu âm đã truyền một phần năng lợng cho môi trờng đó hay

nó bị môi trờng đó hấp thụ

- Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trờng siêu âmtruyền qua, tần số siêu âm và hệ số hấp thụ của môi trờng

Ix= I0 .e-fx

Ix: cường độ siờu õm đo được ở độ sõu x

Io: cường độ siờu õm lỳc đầu

f : hệ số hấp thụ của mụi trường

x : chiều dày của mụi trường siờu õm đi qua

2.6. Hiệu ứng Doppler

Khi có chuyển động tương đối giữa nguồn phát âm và thiết

bị thu âm, tần số âm thanh thu được sẽ thay đổi Đó là hiệu ứng Dopple

Cụ thể:

+ Bước sóng  ngắn lại khi đầu thu và phát lại gần nhau ( tần số tăng) và dài ra trong trường hợp xa nhau ra (tần số giảm)

Ví dụ: tiêng còi tàu lúc đến và đi khác nhau

3 1 Nguyên lí nguồn phát siêu âm.

Nguyên lý chung để tạo ra sóng âm là làm cho một vật rắn, một màng căng hay một dây căng dao động đàn hồi

Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi phải có tần số trên 20 000Hz nhờ vào nguồn dao

động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh, tinh thể Niken

Có hai cách phát siêu âm:

+ Dựa vào hiệu ứng áp điện.

+ Dựa vào hiện tượng từ giảo.

3.2 Hiệu ứng áp điện

Một bản thạch anh được cắt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện Người ta mạ hai mặt của bản để tạo thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phẳng

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện

một chiều bản thạch anh bị biến dạng cong

về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản

thạch anh bị cong ngược lại Khi ta thay

nguồn điện một chiều bằng nguồn xoay

chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sẽ liên

tục bị biến dạng theo tần số của dòng điện

và phát ra siêu âm khi tần số trên 20 000Hz.

HƯ áp điện

3.2 Hiện tượng từ giảo:

- Đặt một thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với một nguồn

điện một chiều  độ dài của thanh sắt từ

ngắn đi một ít : hiện tượng từ giảo

- Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay

chiều có tần số cao Từ trường trong lòng

cuộn dây biến thiên liên tục  thanh sắt từ

dao động với tần số cự lớn và sẽ phát ra siêu

âm ( với tần số > 20 000Hz)

Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của thanh sắt từ Nguồn phát siêu âm

loại này có thể lên đến 1000MHz

+ Tốc độ truyền của sóng siêu âm trong môi trường.

+ Trở kháng âm của môi trường

+ Sự hấp thụ của tổ chức.

+ Thông số (f,) của sóng siêu âm + Cấu trúc hình học của tổ chức sống

2 Tốc độ lan truyền siờu õm qua cỏc mụi trường sinh học.

Môi trờng Tốc độ siêu âm (m/s)

1585(330) 1560

1540 3000 1581(330) 1514

4080(330)

(Tốc độ siờu õm trung bỡnh qua cơ thể con người là 1500-1600m/s)

3 Âm trở (Z):

Mỗi một môi trường có đặc điểm cấu trúc, tính chất và mật

độ khác nhau gây ra những cản trở vận tốc siêu âm khác

nhau Sự cản trở đó là âm trở của môi trường

Âm trở của môi trường tỉ lệ với mật độ của môi trường và tốc

độ lan truyền siêu âm

Z= .vZ: âm trở

: mật độ của môi trường

v: tốc độ lan truyền siêu âm

Âm trở của một số môi trường

4 Phân loại sóng âm.

4.1 Phân loại theo phương dao động:

- Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng (môi trường có tính đàn hồi về

Chủ đề 3 Kĩ thuật siêu âm

1 Cấu tạo tổng quát của máy siêu âm.

HIỆN HINH

Xử lý sau khi chụp

2 Nguyên lý cấu tạo đầu dò

Đầu dò siêu âm gồm một đơn

vị tinh thể có tính áp điện để trongmột buồng làm bằng chất nhựa (tinhthể là một tấm mỏng thạch anh

hoặc Barium titanate được nối 2 cựcdòng điện của máy)

Trong buồng nhựa còn chứa một

môi trường hỗ trợ nhằm định hướngnguồn siêu âm phát ra, môi trườngnày sẽ hấp thụ nguồn siêu âm phátngược lại  Đầu dò vừa phát sóng,vừa thu sóng

3 Nguyên lí thu – phát

3.1 Nguyên lý thu siêu âm.

+ Hiện tượng áp điện thuận:

3.2 Nguyên lý phát siêu âm.

+ Hiện tượng áp điện nghịch:

4 Các loại đầu dò phổ biến.

Dựa vào nguyên lý trên  chế tạo các loại đầu dò đơn, đầu dòghép, và thay đổi hình dạng để thuận tiện ứng dụng trong lâmsàng:

- Loại quét hình vòng cung phát nguồn siêu âm qua nước thẳngtrực tiếp vào da theo hình vòng cung theo hướng hội tụ

- Loại quét thẳng vào cơ thể theo hướng phân kỳ

- Loại chùm siêu âm phát ngược lên một gương phản chiếu theohướng phân kỳ rồi phản xạ lại theo hướng song song vào cơ thể

- Loại vừa phát vừa xoay tròn để cho chùm siêu âm từ trong phát

ra theo hình tròn

Hình minh họa các loại đầu dò:

Trên thực tế có các loại đầu dò sau:

- Linear Array: cấu tạo từ 1 dãy n tinh thể đơn xếp thành hàng, ứng dụng siêu âm vùng bụng, sản-phụ khoa, tuyến giáp…

- Đầu dò Convex: tinh thể xếp thành đường cong, quét hinh rẻ quạt, ứng dụng siêu

âm vùng bụng, Pelvis.

- Đầu dò Sector điện tử (Phased Array): SA khe liên sườn, SA-nội soi.

- Đầu dò Sector cơ khí: ứng dụng siêu âm tim, sản Phụ khoa, âm đạo

Vấn đề 4 : ứng dụng siêu âm trong y học

1 ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG ĐIỀU TRỊ.

CƠ CHẾ: KHI TÁC DỤNG LÊN CÁC TẾ BÀO VÀ CÁC TỔCHỨC SỐNG, SIÊU ÂM GÂY RA 3 HIỆU ỨNG:

- HIỆU ỨNG CƠ HỌC

- HIỆU ỨNG NHIỆT HỌC

- HIỆU ỨNG HOÁ HỌCCỎC HIỆU ỨNG NÀY LÀM THAY ĐỔI TÍNH CHẤT VÀ CHỨCNĂNG SINH LÝ CỦA CÁC TỔ CHỨC TRONG CƠ THỂ

1.1 Hiệu ứng cơ học : Sóng siêu âm gây ra tại chỗ những biến đổi áp lực

và những dịch chuyển các phần vật chất xung quanh vị trí cân bằng của chúng làm nén giãn môi trường  ở vùng giãn liên kết của các phần tử

có thể bị đứt gãy (hiện tượng tạo lỗ vi mô).

Tác dụng sinh học:

+ Với chùm siêu âm có cường độ vừa và nhỏ (<20 kW/m2)  tăng

tính thẩm thấu của màng tế bào và sự dịch chuyển của bào tương 

các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động nhẹ (xoa bóp tế vi)  điều

trị viêm tế bào.

+ Với chùm siêu âm có cường độ mạnh, hiện tượng tạo lỗ làm

rách màng tế bào, biến dạng nhân phá huỷ tế bào ứng dụng:

trong chống đông máu, diệt trùng, phá huỷ tổ chức trong sâu (sỏi

thận, u tuyến ), sử dụng trong phẫu thuật thần kinh,

+ Chế tạo ra các loại nhũ tương, các khí dung với những hạt có

kích thước bé.

1.2 Hiệu ứng nhiệt.

- Nội dung: Phần lớn năng lượng mà chùm siêu âm đượcchuyển sang dạng nhiệt làm tăng nhiệt độ môi trường (xảy ranhiều nhất ở các mặt ngăn cách giữa hai môi trường có mật độkhác nhau)

- Tác dụng sinh học: giãn mạch, tăng cường dinh dưỡng,chống teo cơ, chống co thắt cơ, chống viêm, chống đau dâythần kinh, đau khớp

1.3 Hiệu ứng hoá học.

Sóng siêu âm có thể gây ra các phản ứng mà ở điều kiện bình thường khó xảy ra hoặc có vai trò làm xúc tác các phản ứng hoá học.

Siêu âm làm tăng các phản ứng phân ly các hợp chất hữu cơ, làm

tăng sự ion hoá và tạo ra nhiều gốc tự do trong môi trường.

- Tỏc dụng sinh học: Đối với mô sinh học: siêu âm làm thay đổi những đặc tính của nó (như độ pH, điểm đẳng điện, áp suất thẩm thấu, áp

suất keo)  Siêu âm cũng làm thay đổi sự chuyển hoá vật chất và hoạt tính các men sinh học trong cơ thể  điều trị bệnh cao huyết áp, các

bệnh dạ dày (thay đổi độ toan của dịch vị).

- Lưu ý: Trong điều trị thường dùng siêu âm có tần số 20KHz – 1MHz

 không dùng siêu âm để điều trị cho người có thai, đang bị sốt, mắc

bệnh lao và trẻ em.

2 ứng dụng của siêu âm trong chẩn đoán.

Cơ sở: Sóng siêu âm khi truyền qua các tổ chức sống trong cơ thể sẽ bị hấp thụ hoặc phản xạ Kết quả phụ thuộc vào tính chất, cấu trúc của các tổ chức sống gián tiếp phản ánh tình trạng, cấu trúc của các tổ chức sống thông qua hình ảnh sóng siêu âm trên màn hình.

Có hai kiểu sóng phản xạ:

+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A-scope):

- Là phương pháp ghi đo sóng phản xạ trên một bình diện Đầuphát sóng được hướng vào vùng đo Khi gặp phải vật hoặc môitrường có âm trở khác sẽ phát sóng xung phản xạ Các sóng xung

đó được biến thành xung điện và được ghi lại hoặc hiện lên mànhuỳnh quang (hình parabol ngược có độ cao, độ rộng hẹp khácnhau) Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian(khoảng cách) xuất hiện mà ta chẩn đoán được bệnh

- Phương pháp này hay được dùng để tìm dị vật, các ổ áp xe, ổ tụmáu trong não, trong sản phụ

+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B-scope).

- Đó là phương pháp xung phản xạ trên hai bình diện Các sóngxung phản xạ được thể hiện bằng những chấm có độ sáng khácnhau tuỳ thuộc cường độ sóng xung, nó phản ánh hình ảnh haibình diện của đối tượng nghiên cứu

- Sóng xung phản xạ kiểu B được áp dụng rộng rãi hơn kiểu Atrong chẩn đoán các bệnh gan, mật, mắt, tim…

Sơ đồ minh hoạ (B-scope)

+ Siêu âm chẩn đoán kiểu TM (Time-motion) - kiểu M.

- Cơ sở: Dùng để thể hiện sự chuyển động cùng phương vớitia siêu âm của các vật thể theo thời gian bằng cách thể hiện hìnhảnh B- mode theo diến biến thời gian với các tốc độ quét khácnhau

- Kết quả: nếu nguồn hồi âm đứng yên thì tạo ra đường thẳngngang qua màn hình, nếu mặt phản hồi chuyển động đườngcong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi

- ứng dụng: nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng tháiđộng (tim, mạch ) là cơ sở của phương pháp chụp cắt lớp bằngsiêu âm

2.2 Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler.

- Là hiện tượng sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyểnđộng (tế bào hồng cầu, thành mạch, cơ co ), khi đó tần số củasóng phản hồi khác với tần số sóng tới

- Tần số sóng siêu âm thu được biểu hiện bằng một đường congphản ánh tốc độ tức thời của máu tại nơi thăm khám (trạng tháibình thường mỗi mạch máu có một đường cong đặc trưng liênquan rõ rệt với đường kính cũng như vùng tưới máu của nó)

- Phương pháp này dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần hoànngoại biên như viêm tắc động mạch, tĩnh mạch, rò độngmạch….(Thí dụ: có thể thăm khám các mạch máu lớn bằng hiệuứng Doppler)

SIÊU ÂM MODE B (2D REAL TIME)

MỘT SỐ VÍ DỤ

CHẨN ĐOÁN SIÊU ÂM TRONG SẢN PHỤ KHOA

SIÊU ÂM MODE TM

Siêu âm TM van nhĩ thất

Mode DOPPLER

Siêu âm Doppler dùng thăm dò hệ thống tuần hoàn mẹ con: Doppler xung, Doppler màu, Doppler tăng cường năng lượng

DOPPLER MẦU

DOPPLER THAI

Doppler rốn binh thường

Siêu âm 3D

Siêu âm Mode Triplan

Siêu âm ba chiều [3D] hiện nay đang sử dụng còn gọi là 3D thời gian thật.

SIÊU ÂM MODE triplan

SIÊU ÂM 3D MODE REAL TIME

SIÊU ÂM 3D MODE bề mặt