NGUYÊN TẮC VẬT LÝ VỀ SIÊU ÂM

Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường 2.. Tốc Tốc độ độ truyền truyền của của sóng sóng âm âm: :  Định nghĩa : tốc độ truyền âm Cm/s là quãng đường mà sóng truyền được sau một

06/05/2010 1

NGUYÊN LÝ SIÊU ÂM

VÕ TẤN ĐỨC

PAUL LANGEVIN (1872-1946)

LỊCH SỬ

 1880 1880: Jacques Curie tìm ra hiện : Jacques Curie tìm ra hiện

tượng áp điện (piezoelectric

effect) từ thạch anh (squart).

 1917 1917: Paul Langevin (Pháp) ứng : Paul Langevin (Pháp) ứng

dụng sóng siêu âm vào việc phát

hiện tàu ngầm.

 1935 1935: Robert Watson Wat ứng : Robert Watson Wat ứng

dụng hệ thống RADAR đầu tiên,

sóng siêu âm đươc áp dụng trên

06/05/2010 3

LỊCH SỬ

 1936 1936: Siemens sản : Siemens sản

xuất máy siêu âm đầu

tiên, máy Sonostat.

 1942 1942: Ian Dussik (Áo) : Ian Dussik (Áo)

lần đầu tiên ứng dụng

vào Y học để thấy rãnh

liên bán cầu đại não.

 George Ludwig (Mỹ)

tính được vận tốc trung

bình của sóng âm trong

mô động vật là

mô động vật là 1540 1540

m/s.

LỊCH SỬ

 1953 1953: Hertz và Edler ( Thụy Điển) ghi đươc : Hertz và Edler ( Thụy Điển) ghi đươc

hình ảnh tim.

 1958 1958: Ian Donald (Scotland) ứng dụng siêu : Ian Donald (Scotland) ứng dụng siêu

âm vào sản khoa.

 Đầu thập niên Đầu thập niên 60 60 siêu âm sản khoa phát triển siêu âm sản khoa phát triển

mạnh

06/05/2010 5

LỊCH SỬ

 Đầu thập niên Đầu thập niên 70 70 cùng với máy tính cùng với máy tính

hình ảnh siêu âm trở nên tốt hơn và

nhanh hơn

 Thập niên Thập niên 80 80 siêu âm rất phát triển chủ siêu âm rất phát triển chủ

yếu sử dụng B

yếu sử dụng B Mode.Mode

 Thập niên Thập niên 90 90 sử dụng kỹ thuật cắt lớp sử dụng kỹ thuật cắt lớp

độ phân giải cao, đầu dò tần số cao,

multi

multi channel (đa tần số), broadchannel (đa tần số), broad band band

(dải rộng), doppler màu và

06/05/2010 7

CÁC KHÁI NIỆM

 Chu kỳ T(s) : khoảng thời gian thực hiện một nén và một giãn

của sóng

 Tần số f (Hz):

11Hertz = Hertz = 1 1 chu kỳ / giây chu kỳ / giây.

11kHz = kHz = 1000 1000Hz = Hz = 1000 1000 chu kỳ / giây chu kỳ / giây.

11MHz = MHz = 1 1 triệu chu kỳ / giây triệu chu kỳ / giây

 Độ dài bước sóng Độ dài bước sóng λλ : quãng đường mà sóng truyền được sau : quãng đường mà sóng truyền được sau

khoảng thời gian bằng một chu kỳ :

λλ = v x T = v/f

BẢN CHẤT SÓNG ÂM

 Về bản chất : sóng âm là sóng d Về bản chất : sóng âm là sóng dọc, ọc, cơ học cơ học  

tuân theo mọi qui luật đối với sóng cơ.

 Là các sóng hình sin, tạo bởi những rung

động cơ học trong môi trường vật chất.

 Có thể đàn hồi,thay đổi hình dạng được.

 Có tính phản xạ, khúc xạ, tán xạ.

 Truyền năng lượng cơ học cho môi trường

nhưng không ion hóa nó.

 Sóng siêu âm dùng trong Y học có tần số từ

06/05/2010 9

VẬT LÝ HỌC

Cơ sở kỹ thuật ghi hình siêu âm chính là sự

tương tác của chum siêu âm với các tổ chức

trong cơ thể, sự tương tác này phụ thuộc :

1 Tốc độ truyền của sóng âm trong môi

trường

2 Trở kháng âm của môi trường

3 Các định luật truyền âm

4 Sự hấp thụ của tổ chức

5 Thông số (f; Thông số (f; λλ ) của sóng siêu âm và cấu ) của sóng siêu âm và cấu

trúc hình học của tổ chức

11 Tốc Tốc độ độ truyền truyền của của sóng sóng âm âm: :

 Định nghĩa : tốc độ truyền âm C(m/s) là quãng

đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời

gian C =

gian C = √√ 11//αρ αρ = = √√ E/ E/ρρ

+ αα : hệ số đàn hồi

+ E : suất đàn hồi, hay độ cứng, còn gọi là suất Yang

+

+ ρρ : khối lượng riêng của môi trường, còn gọi là tỷ trọng của môi trường : khối lượng riêng của môi trường, còn gọi là tỷ trọng của môi trường

 Tốc độ truyền âm tăng khi :

+ Độ cứng tăng

+ Tỷ trọng giảm

06/05/2010 11

11 Tốc độ truyền của sóng âm Tốc độ truyền của sóng âm

 Tốc Tốc độ độ truyền truyền âm âm trong trong những những môi môi trường trường

trong chất chất khí khí

 Không Không truyền truyền được được trong trong chân chân không không ((khác khác

với

với ánh ánh sáng,tia sáng,tia X X và và tia tia Laser) Laser)

 Trong Trong môi môi trường trường nước,sóng nước,sóng âm âm lan lan truyền truyền

với

với vận vận tốc tốc 1540 1540m/ m/giây giây

 Hầu Hầu hết hết các các mô mô của của cơ cơ thể thể có có vận vận tốc tốc truyền truyền

xương có có vận vận tốc tốc truyền truyền âm âm khá khá cao cao

11 Tốc độ truyền của sóng âm Tốc độ truyền của sóng âm

 CôngCông thứcthức cơcơ bảnbản liênliên hệhệ đếnđến tầntần sốsố

sóng

sóng: :

C = F x

C = F x λλC:

C: vậnvận tốctốc truyềntruyền âmâm ((tùytùy môimôi trườngtrường).)

F:

F: tầntần sốsố ((sốsố chuchu kỳkỳ trongtrong mộtmột giâygiây).)

λλ: : độđộ dàidài bướcbước sóngsóng

BiếtBiết đượcđược tốctốc độđộ truyềntruyền, , khikhi đođo thờithời giangian

đi

đi vàvà vềvề củacủa sóngsóng âmâm tata xácxác địnhđịnh đượcđược

06/05/2010 13

11 Tốc Tốc độ độ truyền truyền của của sóng sóng âm âm

22 Trở Trở kháng kháng âm âm của của môi môi trường trường ::

 Giao diện âm : nơi tiếp giáp giữa Giao diện âm : nơi tiếp giáp giữa 2 2 môi môi

trường có tính chất vật lý khác nhau

trường có tính chất vật lý khác nhau 

sự phản chiếu ở những mức độ khác

nhau đối với những năng lượng âm đi tới

 Lượng phản âm hay phân tán trở lại

nhiều ít tuỳ vào sự khác biệt về độ trở

kháng âm của các vật chất đã tạo nên

06/05/2010 15

22 Trở kháng âm của môi trường : Trở kháng âm của môi trường :

 TrởTrở khángkháng âmâm củacủa môimôi trườngtrường hay hay độđộ

dội

dội củacủa sóngsóng âmâm trongtrong môimôi trườngtrường ::

Z =

Z = ρρ x Cx C+ Z(

+ Z( raylsrayls) : ) : ttrởrở khángkháng âmâm củacủa môimôi trườngtrường

trong môimôi trườngtrường

 Z Z hoànhoàn toàntoàn độcđộc lậplập vớivới tầntần sốsố

sóng,chỉ

sóng,chỉ lệlệ thuộcthuộc vàovào tínhtính châtchât vậtvật lýlý

của

của mômô màmà sóngsóng lanlan qua.qua

22 Trở Trở kháng kháng âm âm của của môi môi trường trường ::

 TạiTại cáccác giaogiao diệndiện âmâm ,,

+

+ NếuNếu chênhchênh lệchlệch lớnlớn vềvề độđộ trởtrở khángkháng

âm

âm (VD: (VD: giữagiữa mômô vớivới khíkhí hay hay vớivới xươngxương) )

: : năngnăng lượnglượng phảnphản hồihồi gầngần nhưnhư hoànhoàn

33 Các Các định định luật luật truyền truyền âm âm

Khi sóng âm truyền trong môi trường đồng

nhất và đẳng hướng nó sẽ truyền theo

phương thẳng

 Khi gặp mặt phân cách đủ lớn (kích thước

ø>>

ø>> λλ )(Z )(Z11≠ ≠ Z Z2 2 hay C hay C11≠ ≠ C C22))

+ Một phần sóng âm sẽ dội trỏ lại môi

trường đầu,gọi là hiện tượng phản xa

(VD: vòm hoành, thành bàng quang đầy nước

tiểu, nội mạc tử cung)

+ Phần sóng còn lại truyền tiếp vào môi

trường thứ hai không còn cùng h

trường thứ hai không còn cùng hưướng với ớng với

sóng tới ,gọi là hiện tượng khúc xạ

06/05/2010 19

33 Các Các định định luật luật truyền truyền âm âm

 Khi gặp các các cấu trúc nhỏ (kích thước Khi gặp các các cấu trúc nhỏ (kích thước ø<< ø<< λλ) hoặc ) hoặc

với bề mặt không đồng đều, sóng siêu âm sẽ bị tán

xạ đi khắp các hướng , và chỉ có một phần rất nhỏ tới

được đầu dò.

(VD: đánh giá độ đồng đều của nhu mô gan,tuỵ hay vách liên thất…)

 Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự

khác biệt của trở kháng âm

khác biệt của trở kháng âm Δ ΔZ giữa hai môi trường



33 Các Các định định luật luật truyền truyền âm âm

R: tia phản xạ.

Rx: tia khúc xạ.

06/05/2010 23

33 Các Các định định luật luật truyền truyền âm âm

 Từ Từ công công thức thức trên trên

 K K phụ phụ thuộc thuộc Δ ΔZ = (Z2 ZZ11))

trúc bên bên dưới dưới

33 Các Các định định luật luật truyền truyền âm âm

 ΔZ Z giữagiữa mômô mềmmềm vàvà khôngkhông khíkhí hay hay giữagiữa

cấu trúctrúc bênbên dướidưới mặtmặt phânphân cáchcách

 DùngDùng gel gel tiếptiếp xúcxúc nhằmnhằm tạotạo rara tiếptiếp xúcxúc

không

không cócó khôngkhông khíkhí

06/05/2010 25

44.Độ Độ giảm giảm thấu thấu : :

 Sóng Sóng âm âm truyền truyền đi đi trong trong tổ tổ chức chức thì thì biên biên độ độ

và

và năng năng lượng lượng bị bị suy suy giảm giảm theo theo khoảng khoảng cách cách

 Sự Sự suy suy giảm giảm của của biên biên độ độ áp áp âm âm theo theo khoảng khoảng

+ d : độ độ sâu sâu cần cần tới tới

44.Độ Độ giảm giảm thấu thấu ::

 Nguyên ên nhân nhân gây gây sự sự suy suy giảm giảm của của năng năng

lượng

lượng sóng sóng siêu siêu âm âm::

+ Sự Sự phản phản xạ xạ và và tán tán xạ xạ trên trên các các tổ tổ chức chức

+

+ Sự Sự hấp hấp thụ thụ của của môi môi trường trường ( ( một một phần phần do do

chuyển

chuyển thành thành nhiệt nhiệt năng năng ))

 Tại Tại khoảng khoảng cách cách dd1 1 biên biên độ độ áp áp âm âm là là pp11

Tại

Tại khoảng khoảng cách cách dd2 2 biên biên độ độ áp áp âm âm là là pp22

 Khi Khi đi đi từ từ dd1 1 đến đến dd2 2 biên biên độ độ áp áp âm âm đã đã suy suy

giảm

giảm D (dB) D (dB)

D (dB) =

D (dB) = 20 20log(p log(p22/p /p11))

06/05/2010 27

44.Độ Độ giảm giảm thấu thấu ::

 ĐốiĐối vớivới mômô mềmmềm : f = : f = 00,,2 2 –– 100 100 MHz,cóMHz,có

hình ảnhảnh tốttốt

f f caocao  độđộ suysuy giảmgiảm caocao  khôngkhông vàovào

sâu

sâu đượcđược

 Những mặt phản xạ cóNhững mặt phản xạ cóΔΔZ như nhau nếu

ở những độ sâu khác nhau sẽ cho

những tín hiệu phản hồi có độ lớn rất

khác nhau

 Để khắc phục,tín hiệu được bù bằng hệ

số khuếch đại nhằm tạo ấn tượng ảnh

Khuếch đại bù theo chiều sâu

06/05/2010 29

55 Thông số của sóng âm và kích Thông số của sóng âm và kích

thước hình học của tổ chức

 Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân

cách

cách  năng lượng phản xạ phụ thuộc :

+ Kích thước của mặt phân cách

+ Độ dài bước sóng của chùm tia

 Mặt phân cách phải có độ day Mặt phân cách phải có độ day ≥≥ λλ//4 4 thì thì

mới có khả năng phản xạ sóng siêu âm

Cấu ấu tạo tạo máy máy siêu siêu âm âm

1. Bộ phận phát

2. Bộ phận đầu dò chính danh

3. Bộ phận tiếp nhận và xử lý

4. Bộ phận hiển thị hình ảnh

5. Bộ phận lưu trữ hình ảnh

06/05/2010 31

11 Bộ Bộ phận phận phát phát

1. Đầu dò vừa đóng vai trò đầu phát

sóng vừa đóng vai trò đầu thu sóng

(dựa vào Hiệu ứng áp điện )

2. Đầu dò cũng kiểm soát nhịp đô xung

phát ra từ đầu dò, tức là Tần số tái lập

xung (PRF)

11 Bộ Bộ phận phận phát phát

 PRF PRF là là thời thời gian gian giữa giữa hai hai xung xung liên liên tiếp tiếp, ,

mang

mang ýý nghĩa nghĩa quan quan trọng trọng trong trong việc việc xác xác định định

độ

độ sâu sâu

 Hai Hai xung xung phải phải cách cách nhau nhau làm làm sao sao để để sóng sóng

ra xung xung mới mới

 Thường Thường dùng dùng PRF PRF 11 10 10 kHz,nghĩa kHz,nghĩa là là

06/05/2010 33

Hiệu Hiệu ứng ứng áp áp điện điện

 HiệuHiệu ứngứng ápáp điệnđiện (piezoelectric effect): (piezoelectric effect):

là

là hiệnhiện tượngtượng chuyểnchuyển đổiđổi mộtmột táctác dụngdụng

cơ

cơ họchọc rara điệnđiện vàvà ngượcngược lạilại

 TinhTinh thểthể ápáp điệnđiện đượcđược làmlàm bằngbằng thạchthạch

nhạy cảmcảm vớivới nhiệtnhiệt độđộ

Hiệu ứng áp điện

 Hiệu ứng áp điện thuậnHiệu ứng áp điện thuận: Khi ta tác động : Khi ta tác động

một lực cơ học (nén hoặc kéo giãn) lên

tinh thể áp điện thì trên mặt giới hạn tinh

thể xuất hiện những điện tích trái dấu

thể xuất hiện những điện tích trái dấu 

có một hiệu số điện thế giữa hai bề mặt

06/05/2010 35

Hiệu ứng áp điện

 Hiệu ứng áp điện nghịchHiệu ứng áp điện nghịch: Khi ta tạo : Khi ta tạo

trên tinh thể áp điện một hiệu số điện

thế thì tinh thể áp điện sẽ giãn ra hay

nén lại Do đó,khi ta tạo trên tinh thể

áp điện một hiệu số điện thế xoay

chiều thì tinh thể áp điện sẽ nén

chiều thì tinh thể áp điện sẽ nén giãn giãn

liên tục và dao động theo tần số của

hiệu số điện thế xoay chiều

hiệu số điện thế xoay chiều  tạo ra

sóng âm

Hiệu ứng áp điện

06/05/2010 37

22 Bộ phận đầu dò chính danh Bộ phận đầu dò chính danh

22 Bộ phận đầu dò chính danh Bộ phận đầu dò chính danh

 Dựa Dựa vào vào hiệu hiệu ứng ứng áp áp điện điện: : sử sử dụng dụng tinh tinh thể thể

gốm

gốm áp áp điện điện để để chế chế tạo tạo đầu đầu dò dò siêu siêu âm âm

 Bề Bề dày dày tinh tinh thể thể gốm gốm sẽ sẽ quyết quyết định định tần tần số số f f của của

đầu

đầu dò dò::

l = m x

l = m x λλ//2 2 + l :

+ l : bề bề dày dày tinh tinh thể thể, , là là số số nguyên nguyên lần lần λλ//2 2

sóng phát phát ra ra càng càng lớn lớn

 Ngày Ngày nay nay mỗi mỗi đầu đầu dò dò có có thể thể có có một một dải dải từ từ 22 8 8

tần

tần số số

06/05/2010 39

22 Bộ Bộ phận phận đầu đầu dò dò chính chính danh danh

 Các xung siêu âm phát ra từ đầu dò tạo nên một

chuỗi các sóng đi tới dưới dạng một chùm siêu âm

3

3 chiều chiều.

 Sự phân bố các chùm siêu âm này chia thành Sự phân bố các chùm siêu âm này chia thành 2 2

vùng :

11 Vùng gần đầu dò: Vùng gần đầu dò:

Chùm tia siêu âm được truyền đi theo phương gần

như song song, gọi là trường gần hay vùng Fresnel.

22 Vùng loe xa đầu dò: Vùng loe xa đầu dò:

Còn gọi là trường xa, hay vùng Frauenhofer.

22 Bộ Bộ phận phận đầu đầu dò dò chính chính danh danh

+

+ ChiềuChiều dàidài củacủa trườngtrường gầngần

d = r22//λλ ( r : ( r : bánbán kínhkính củacủa tinhtinhthể

thể đầuđầu dòdò ))

 CùngCùng tầntần sốsố ((λλ nhưnhư nhaunhau) : ) : kíchkích thướcthước

tinh

tinh thểthể lớnlớn  trườngtrường gầngần lớnlớn

 CùngCùng kíchkích thướcthước tinhtinh thểthể (r (r nhưnhư nhaunhau) : ) :

tần

tần sốsố caocao ((λλ nhỏnhỏ) )  trườngtrường gầngần lớnlớn

06/05/2010 41

Các Các loại loại đầu đầu dò dò

11 ĐầuĐầu dòdò quétquét điệnđiện tửtử::

+ Linear Array

+ Curved Array

+ Phased Array

+ Annular Array

22 ĐầuĐầu dòdò quétquét cơcơ họchọc

Các loại đầu dò

ngắm thẳngthẳng gócgóc vớivới bềbề mặtmặt đầuđầu dòdò

++NhữngNhững đườngđường ngắmngắm riêngriêng lẻlẻ nàynày sẽsẽ kếtkết

hợp

hợp lạilại tạotạo rara trườngtrường khảokhảo sátsát

LLinear Array

 Ưu điểm :

+ Vùng thăm khám rộng

+ Khả năng thể hiện các vùng gần bề mặt tốt.

+ Thực hiện được kỹ thuật focus động.

+ Không có phần cơ khí.

 Nhược điểm :

+ Kích thước lớn.

+Độ phân giải theo chiều dọc và ngang khác

nhau.

dạng cong cong

 ƯuƯu điểmđiểm ::

+ CácCác đầuđầu dòdò đặcđặc biệtbiệt cócó gócgóc quétquét 360360oo

++TrườngTrường âmâm làlà nhưnhư nhaunhau theotheo hướnghướng song song

Độ phân phân giải giải của của đầu đầu dò dò

 Độ phân giải : khoảng cách nhỏ nhất giữa Độ phân giải : khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 2

điểm (mm) trên hình siêu âm còn phân biệt

được.

 Tính theo độ chênh tín hiệu từ điểm cắt của Tính theo độ chênh tín hiệu từ điểm cắt của 2 2

xung có biên độ như nhau, phản hồi từ

xung có biên độ như nhau, phản hồi từ 2 2 điểm điểm

cạnh nhau, đến đỉnh xung.

 Phụ thuộc vào sự thu nhận và xử lý tín hiệu

của đầu dò và máy sao cho mức chênh tín

hiệu này

hiệu này ≥ ≥ 66dB dB.

Độ

Độ phân phân giải giải của của đầu đầu dò dò

 ĐộĐộ phânphân giảigiải dọcdọc : : phụphụ thuộcthuộc tầntần sốsố đầuđầu

Độ phân phân giải giải của của đầu đầu dò dò

 ĐộĐộ phânphân giảigiải ngangngang : : phụphụ thuộcthuộc

+

+ TrườngTrường âmâm vàvà độđộ rộngrộng củacủa chùmchùm tiatia, ,

tức

tức làlà côngcông nghệnghệ chếchế tạotạo đầuđầu dòdò

+ TầnTần sốsố củacủa đầuđầu dòdò

 TrịTrị sốsố tốttốt nhấtnhất nằmnằm trongtrong khoảngkhoảng hộihội tụtụ

của

của đầuđầu dòdò, , thườngthường # # 44 55λλ

Lựa Lựa chọn chọn đầu đầu dò dò

 TrongTrong thựcthực hành,lựahành,lựa chọnchọn đầuđầu dòdò thíchthích

đầu dòdò

 NênNên chọnchọn tầntần sốsố caocao nhấtnhất màmà sóngsóng đếnđến

được

được vùngvùng khảokhảo sátsát

Lựa chọn chọn đầu đầu dò dò

 Cách Cách lựa lựa chọn chọn đầu đầu dò dò : :

 Tần Tần số số đầu đầu dò dò ởở mức mức 20 20MHz : MHz : khảo khảo sát sát thật thật

nông

nông ((vài vài mm): mm): siêu siêu âm âm mắt,siêu mắt,siêu âm âm trong trong

lòng

lòng mạch mạch (intravascular US) (intravascular US).

 Đầu Đầu dò dò 77,,5 5 –– 10 10 MHz : MHz : siêu siêu âm âm mạch mạch máu máu

nông

nông ((11 33cm), cm), tuyến tuyến giáp giáp, , tuyến tuyến vú,bìu vú,bìu

 Đầu Đầu dò dò 33 5 5 MHz : MHz : bụng,tim bụng,tim và và sản sản khoa khoa

 Với Với bụng bụng người người béo béo phì phì và và siêu siêu âm âm xuyên xuyên

thóp

thóp thì thì dùng dùng tần tần số số 11,,55 22,,55MHz MHz.

Lựa Lựa chọn chọn đầu đầu dò dò