Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh ct bằng phần mềm field ii

Nguyên lý tạo sóng siêu âm 1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiện tượng sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu dưới sự tác động của ứng suất cơ học, tên của nó được đặt bởi sự t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHÂU HUY THÔNG

MÔ PHỎNG TẠO ẢNH SIÊU ÂM

TỪ DỮ LIỆU ẢNH CT BẰNG PHẦN MỀM FIELD II

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT

Mã số: 60520401

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS LÝ ANH TÚ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia

Tp Hồ Chí Minh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÝ ANH TÚ

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS HUỲNH QUANG LINH

2 THƯ KÝ: TS PHẠM THỊ THU HIỀN

3 PB1: TS HUỲNH QUANG LINH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

_

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: CHÂU HUY THÔNG MSHV: 11124644

Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1989 Nơi sinh: Tp Huế

I TÊN ĐỀ TÀI:

Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT bằng phần mềm FIELD II

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu tổng quan về siêu âm, xử lý và tạo ảnh siêu âm

 Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT tương ứng bằng phần mềm FIELD

II

 Đánh giá, tối ưu hình ảnh và rút ra kết luận, hướng nghiên cứu

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2013

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/12/2013

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÝ ANH TÚ

Tp HCM, ngày… tháng … năm 2014

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Lời cảm ơn chân thành và sâu sắc xin gửi đến tiến sĩ Phạm Hoài Ân đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi từng bước thực hiện nghiên cứu

Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét

và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Cuối cùng xin cảm ơn bè bạn và gia đình đã quan tâm, chia sẻ những khó khăn, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp, đánh dấu khoảng thời gian tốt đẹp tại trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM

TP Hồ Chí Minh, 19 tháng 12 năm 2013

Tác giả

Châu Huy Thông

Tóm tắt luận văn

Mô phỏng hình ảnh siêu âm thời gian thực có vai trò quan trọng trong ứng dụng lâm sàng Công tác nghiên cứu mô phỏng tạo ảnh siêu âm luôn được đánh giá cao trong việc giúp hiểu rõ bản chất và để đào tạo nâng cao khả năng xử lý hình ảnh siêu

âm Bài luận văn này mô tả việc mô phỏng tạo hình ảnh siêu âm dựa trên chương trình FIELD II và phần mềm Matlab Phương pháp mô phỏng được tiến hành theo mô hình phát chùm tia định vùng hội tụ để xét tương tác giữa mô và sóng siêu âm, kết hợp với ảnh CT để xây dựng bản đồ phân bố các điểm tán xạ dựa trên mối liên hệ về cường độ sóng siêu âm trong truyền và nhận sóng Ảnh mô phỏng sẽ được so sánh với ảnh tương ứng thu được trong thực tế để có thể phân tích, so sánh và rút ra đánh giá khách quan cho hướng phát triển của đề tài

Abstract

Real-time simulation of medical ultrasound imaging has an important role in clinical application Quick access for training is highly concerned by improving technical skills to understand and process ultrasound image This thesis focuses on the simulation of an ultrasound image which is based on the FIELD II program and Matlab software We use the model of focused beam tracing in association with tissue- ultrasound interaction, and apply CT scanning to obtain the map of scattering structure using intensity relation in transmission and receiving ultrasound The simulated image will be compared with the measured one for the purpose of synthesizing, analyzing, and to deduce an objective evaluation for thesis development

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan luận văn này công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của TS Lý Anh Tú và TS Phạm Hoài Ân Các kết quả và hình ảnh của tôi

thu được trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được ai

công bố trong bất cứ công trình khoa học nào mà tôi không tham gia

Danh mục hình

Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện trong tinh thể thạch anh[5] 6

Hình 1.2: Cảm biến áp điện được tạo bằng các bản cực áp vào một vật liệu tinh thể phân cực [5] 8

Hình 1.3: Phương pháp gia cố trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa điện[5] 12

Hình 1.4: Cảm biến áp điện hai tấm ghép.[5] 13

Hình 1.5: Các cảm biến áp điện lá ghép song song (A) và nối tiếp (C) và các mạch điện tương ứng của nó (B và D)[5] 14

Hình 1.6: Kết cấu đầu dò siêu âm một thành phần[8] 17

Hình 1.7: Các đầu đò khác nhau trong tạo ảnh B-mode [8] 19

Hình 1.8: Điều tiêu động và lái chùm tia[8] 20

Hình 1.9: Hình ảnh thể hiện của mode A và mode B[7] 22

Hình 1.10: TM-mode[7] 23

Hình 1.11: Mảng đầu dò phẳng tuyến tính và thiết kế chấn tử[7] 26

Hình 1.12: Đầu dò mảng tuyến tính[7] 27

Hình 1.13:Kiểu dòng quét song song ở đầu dò tuyến tính[7] 28

Hình 1.14: Cấu tạo và nguyên lý quét của đầu dò sector cơ khí[7] 29

Hình 1.15:Hai phương pháp quét của đầu dò sector cơ khí[7] 30

Hình 1.16: Các kiểu đầu dò quét cơ họca) Dịch chuyển thẳng; b) Sử dụng gương phản xạ quay; c) Đầu dò dao động; d) Sử dụng bánh quay[7] 31

Hình 1.17: Phương pháp quét điện tử của đầu dò mảng tuyến tính[7] 32

Hình 1.18: Nguyên lý làm việc của đầu dò cong[7] 33

Hình 1.19: Cấu tạo đầu dò cong[7] 33

Hình 2.1: Phân bố không gian vùng trường gần và trường xa của đầu dò[7] 35

Hình 2.2: Mô tả trường phát và độ phân giải của đầu dò siêu âm Mảng đầu dò phân bố theo trục ngang (leteral) Xung phát dọc theo trục dọc (axial)[9] 36

Hình 2.3: Độ phân giải dọc của đầu dò[7] 37

Hình 2.4: Độ phân giải ngang của đầu dò[7] 37

Hình 2.5: Độ phân giải vòng quanh tại góc vuông với hướng truyền âm thanh[7] 38

Hình 2.6: Phát và thu nhận tín hiệu phản hồi[9] 39

Hình 2.7: Lan truyền sóng âm tuyến tính[7] 42

Hình 2.8: Sóng phẳng truyền và phản xạ khi truyền xiên qua mặt phẳng phản xạ[8] 43

Hình 2.9: Hình trái ‘monopole radiation’, hình phải ‘ dipole radiation’[9] 46

Hình 2.10: Tán xạ góc từ điểm tán xạ cầu đàn hồi (đường liền) và không đàn hồi (nét đứt) với bán kính ≤𝛌 Nguồn phát sóng đồng đều đặt tại góc 1800 [9] 47

Hình 2.11: Tán xạ góc từ điểm tán xạ cầu đàn hồi (đường liền) và không đàn hồi (nét đứt) với bán kính >𝛌 Nguồn phát sóng đồng đều đặt tại góc 1800 [9] 47

Hình 2.12: Độ dịch xuống của tần số trung tâm ở tín hiệu nhận gây ra bởi độ suy giảm 0.5dB/[MHz.cm] ứng với xung gauss 3MHz[8] 51

Hình 2.13: Ảnh hai khối U giống nhau trong vùng thăm khám[7] 52

Hình 2.14: Tăng độ nhạy theo độ sâu[8] 52

Hình 2.15: Nguyên lý phát và thu tín hiệu siêu âm[17] 53

Hình 2.16: Mô hình phát sóng chuẩn của đầu dò phẳng tròn[8] 58

Hình 2.17: Biên độ áp suất cho đầu dò pittong phẳng tròn với bán kính 8mm và sóng liên tục 3MHz[8] 60

Hình 2.18: Trường áp suất cho sóng liên tục với đầu dò phảng, tròng r=8mm, f 0=3MHz[8] 61

Hình 2.19: Mặt cắt ngang của đầu dò lõm[8] 62

Hình 2.20: Hệ tọa độ tính trường sóng xung[8] 64

Hình 2.21: Miền không gian của trường sóng phát ra từ đầu dò phẳng tròn trong khoảng thời gian xác định[8] 66

Hình 2.22: Cấu trúc của h đối với điểm cố định trong không gian[8] 67

Hình 2.23: Hồi đáp xung theo không gian cho đầu dò phẳng tròn, z=49 mm[8] 68

Hình 2.24: Kết cấu của truyền sóng tuyến tính[8] 70

Hình 2.25: Trường sóng xa của chùm sóng với tần số phát 3Mhz, đầu dò tuyến tính với 64 điểm phát sóng cách nhau 1mm.[8] 71

Hình 2.26: Biên dạng chùm tia cho mảng đầu dò với các nguồn điểm (hình trên) hay các thành phần hình chữ nhật (hình dưới) [8] 73

Hình 2.27: Hàm rải điểm ứng với các vị trí khác nhau trong tạo ảnh B-mode [8] 74

Hình 2.28: Xây dựng sóng không tuyến tính theo hàm của khoảng cách Đỉnh áp suất là

500 kPa, tần số là 3MHz, và B/A là 5.2[8] 77

Hình 2.29: Xây dựng biên dạng sóng của dao động điều hòa cho sóng không tuyến tính 1MHz truyền trong môi trường nước Áp suất đỉnh là 1Mpa, và B/A là 5.2[8] 78

Hình 2.30: Đo các sóng không tuyến tính trong nước ứng với đầu dò phổ thông[8] 79

Hình 2.31: Các cách đo cường độ khác nhau đối với xung sóng siêu âm thông thường Thời gian độ lặp xung được đặt ở mức thấp 17.5𝛍s.[8] 82

Hình 3.1: Thiết đồ cắt ngang các khớp cẳng – bàn tay 90

Hình 3.2: Ảnh siêu âm thực nghiệm đo xương quay cổ tay 91

Hình 3.3: Thiết kế cố định đầu dò siêu âm 93

Hình 3.4: Kết quả đo Impact Socket đặt theo chiều dọc 94

Hình 3.5: Kết quả đo Impact Socket đặt theo chiều ngang 95

Hình 3.6: Mô hình đường truyền của tia siêu âm 97

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng 101

Hình 3.8: Ảnh CT theo góc nhìn 2 chiều và giới hạn vùng khảo sát 103

Hình 3.9: Mảng đầu dò siêu âm 104

Hình 3.10: Tạo hình dạng bất kỳ với kiểu ảnh bitmap 105

Hình 3.11: Hình ảnh mô phỏng tương ứng với thang tín hiệu decibel 50dB (hình trái) và 60dB (hình phải), chia theo thang xám 128 mức hiển thị 105

Hình 3.12: Phân vùng lát cắt ảnh CT Hình 3.13: Vùng ảnh siêu âm tương ứng 106

Hình 3.14: Hỉnh ảnh mô phỏng theo tỉ lệ dải động decibel lần lượt là: 30dB (trái, trên), 40dB (trái, dưới), 50dB (phải, trên) và 60dB (phải, dưới) 107

Danh mục bảng

Bảng 1-1.Các đặc tính đặc trưng của các tấm áp điện[5] 15 Bảng 2-1: Trở kháng âm, vận tốc lan truyền trong một số môi trường sinh học[7] 41 Bảng 2-2: Độ suy giảm ứng với các mô trong cơ thể người 49 Bảng 3-1: Hệ số tương ứng giữa đơn vị Hounsfield và hệ số tán xạ ngược, suy giảm, và thuộc tính trở kháng âm[27] 100

Mục lục

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM VÀ TẠO ẢNH SIÊU ÂM 3

I Sóng âm và các công thức cơ bản của sóng âm[5] 3

II Tổng quan về sóng siêu âm và đầu dò[5][6][7] 5

1 Nguyên lý tạo sóng siêu âm 5

2 Đầu dò siêu âm 8

3 Phân Loại 21

Chương 2 CƠ SỞ TẠO ẢNH SIÊU ÂM 34

I Cơ sở vật lý kỹ thuật tạo ảnh siêu âm 34

1 Các đại lượng đặc trưng 34

2 Lan truyền sóng âm 41

3 Tán xạ sóng âm 45

4 Độ suy giảm 48

II Nguyên lý chung và hiệu ứng trong ảnh siêu âm 53

1 Nguyên lý tạo ảnh 53

2 Ảnh giả 54

3 Ảnh ảo do độ rộng của chùm tia và chùm tia thứ 56

III Trường sóng siêu âm[8], [9] 58

1 Trường sóng liên tục 58

2 Trường sóng xung 63

3.Trường hồi đáp xung 68

4 Trường sóng theo đầu dò xếp dãy 69

5 Tính toán các trường sóng 75

6 Sóng không tuyến tính 75

7 Tương tác không tuyến tính 79

IV Cường độ và phép đo cường độ 80

V Tác Dụng Sinh Học Và tính An Toàn Của Máy Siêu Âm [21] 83

1 Tác dụng sinh học của sóng âm 84

2 Tác dụng sinh nhiệt 84

3 Tác dụng tạo hốc 84

4 Tính an toàn của các thiết bị siêu âm chẩn đoán và những khuyến cáo 85

Chương 3 PHẦN MỀM FIELD II VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 86

I Giới thiệu phần mềm[23] 86

1 Cơ sở tính toán của phần mềm 86

2 Mô hình mô phỏng của phần mềm 87

II Mô phỏng tạo ảnh siêu âm 88

1 Thực hành tạo ảnh siêu âm thực tế 88

2 Hiệu chuẩn 92

3 Thảo luận: 96

III Mô phỏng bằng phần mềm FIELD II 96

1 Phương pháp mô phỏng 96

2 Mô phỏng 101

3 Kết quả và thảo luận 103

Phần mở đầu

Tạo ảnh siêu âm đã được phát triển hơn nữa thế kỷ [1], [2], và tính đến năm

2013, các phương pháp tạo ảnh trong y học phục vụ cho công tác chẩn đoán và điều trị lâm sàng vẫn đang trên đà phát triển và ngày càng đạt được độ chính xác cao Theo khảo sát trên ‘google scholar’thì có đến 463 kết quả cho từ khóa tìm kiếm [simulation

“ultrasound imaging” from “CT image”] vào ngày 06/09/2013 với số lượng các bài báo liên quan đến vấn đề mô phỏng ảnh siêu âm đã có giới hạn thêm số lượng bởi từ khóa

“CT image” liên quan đến đề tài

Nhìn chung, các phương pháp tạo ảnh đều có ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên khi nói đến tạo ảnh thời gian thực với độ an toàn và nhanh chóng thì phép tạo ảnh siêu

âm luôn chiếm ưu thế Nó là một trong những phương pháp tạo ảnh trong y tế được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực chẩn đoán và xử lý hình ảnh Mặc dù, ảnh siêu âm cho tỉ

lệ nhiễu ảnh cao nhưng nó có lợi thế lớn khi có thể tạo ảnh thời gian thực hỗ trợ cho các thao tác trực tiếp trên đối tượng Thêm vào đó, tạo ảnh siêu âm không có nguy cơ nhiễm bức xạ, ít tốn kém so với các mô hình tạo ảnh khác như cộng hưởng từ hay chụp ảnh CT

Đa số các nghiên cứu đều tìm cách tối ưu hóa độ chính xác của hình ảnh, thiết

kế dạng đầu dò hay nâng cao trình độ và đào tạo thực hành lâm sàng Tuy nhiên, dữ liệu siêu âm được bảo vệ bởi tính bản quyền nghiên cứu, và nó làm giới hạn các nghiên cứu tiếp bước, đặc biệt là các nghiên cứu muốn nâng cao hiệu quả của đầu dò Do đó,

để tiến hành nghiên cứu về lĩnh vực tạo ảnh siêu âm, phần mềm FIELD II là một lựa chọn hợp lý bởi nó cho phép sử dụng miễn phí, và kết quả sử dụng phần mềm đã được công nhận trên nhiều thư viện khoa học

Phần mềm FIELD II [3], [4], được thiết kế dùng chung với Matlab để tính toán

và xử lý hình ảnh, dựa trên phần mềm ta có thể thiết kế loại kết cấu đầu dò mong muốn, điều chỉnh trường sóng phát và thu, tạo mô hình hội tụ chùm tia, lập bản đồ tán

xạ, tính toán hàm rải điểm, và các thông số khác có thể liên quan đến mô hình tính toán Do đó, phần mềm FIELD II là một giải pháp hữu hiệu cho phép mô phỏng tạo ảnh siêu âm, nó giúp ta có thể hiểu rõ các thông số cài đặt và ảnh hưởng trong việc tối

ưu hóa hệ thống tạo ảnh

Trên cơ sở các vấn đề nêu trên, đề tài hướng đến việc khai thác phần mềm và từ

đó xây dựng cơ sở hướng dẫn người sử dụng máy siêu âm hiểu rõ hơn về phép tạo ảnh siêu âm Các thuật toán trong chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và bên cạnh đó

là các hàm m-file để chạy cùng Matlab

Mục đích của phép mô phỏng là tạo được ảnh với nhiễu đốm nền vốn được tạo

ra từ những thành phần phụ nằm ngoài vùng khảo sát Biên độ tán xạ của các điểm tán

xạ là khác nhau, và nó được xác định bằng cách lập bản đồ tán xạ từ dữ liệu ảnh CT, ảnh MRI hay ảnh quang học thông thường Trong phương pháp gắn với luận văn, ta sử dụng ảnh CT làm cơ sở dữ liệu để phân tích bản đồ phân bố điểm tán xạ, từ đó sử xây dựng mối liên hệ giữa tín hiệu phát ra và thu vào theo độ suy giảm cường độ để suy ra ảnh siêu âm muốn mô phỏng

Ảnh siêu âm tạo bởi phần mềm có thể được dùng để so sánh với ảnh siêu âm trong thực tế ở các thành phần khảo sát tương ứng Trên cơ sở tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT, độ chính xác về cấu trúc phân bố hình học sẽ đạt độ chính xác cao, tuy nhiên mục tiêu hướng đến của đề tài là mô phỏng được ảnh có các hiệu ứng gần giống với ảnh thực tế nhất

Nội dung

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ

SIÊU ÂM VÀ TẠO ẢNH SIÊU ÂM

I Sóng âm và các công thức cơ bản của sóng âm[5]

Sóng âm là sự nén giãn vật lý của môi trường (rắn, lỏng, khí) đối với một tấn số nhất định Sóng dao động được gọi là sóng dọc cơ học nếu môi trường chứa dao động cùng với phương truyền sóng Sóng âm nằm trong giới hạn nghe của con người, từ 20Hz đến 20Khz Ngưỡng dưới 20Hz gọi là hạ âm (infrasound), và ngưỡng trên 20kHz gọi là siêu âm (ultrasound) Trong đó, sóng âm ngưỡng dưới được quan tâm để phân tích cấu trúc xây dựng, dự đoán động đất, và nguồn có cấu trúc lớn Còn sóng siêu âm được ứng dụng phổ biến trong y học hay công nghệ âm hóa học (sonochemistry) Phổ của các sóng có thể đa dạng; từ các âm đơn sắc như máy đánh nhịp, tới đa sắc như một bản nhạc vio-lông, hay như tiếng ồn có thể có phổ rất rộng Phổ sóng âm có thể là sự phân bố đồng đều về mật độ hay bị xáo trộn bởi các hàm điều hòa ưu thế tại một số đoạn của nó Khi sóng âm bị nén, thể tích thay đổi từ V đến V-∆V Tỉ số sự thay đổi áp suất với sự thay đổi thể tích gọi là đơn vị khối của độ đàn hồi môi trường

2

0 ,/



Trong đó, vận tốc của âm phụ thuộc vào độ đàn hồi B và mật độ của môi trường Vì hai biến này là hàm của nhiệt độ nên tốc độ âm cũng tùy thuộc vào nhiệt độ,

và đặc trưng này là nền tảng cho cảm ứng nhiệt âm Đối với vận tốc dọc trong chất rắn,

có thể định nghĩa qua suất Young E và tỉ số Poisson

0

(1 )(1 )(1 2 )

 là số sóng, là tần số góc, các giá trị đứng trước xem là biên độ áp suất âm

thanh, p m, và sóng âm được xem là sóng áp suất Hàm sin và cos trong hai phương trình trên chỉ ra rằng sóng áp suất và sóng dịch chuyển lệch pha 900 Sự khác biệt giữa áp suất trung bình và tức thời gọi là áp suất âm thanh P Khi sóng âm lan truyền, các phần

tử giao động gần vị trí cố định với vận tốc tức thời  Tỉ số giữa áp suất âm thanh và vận tốc tức thời gọi là trở kháng âm thanh,

,

P Z

mặt phân cách giữa hai môi trường Ta định nghĩa cường độ I của sóng âm ứng với công suất truyền qua một đơn vị diện tích

II Tổng quan về sóng siêu âm và đầu dò[5][6][7]

1 Nguyên lý tạo sóng siêu âm

1.1 Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu dưới sự tác động của ứng suất cơ học, tên của nó được đặt bởi sự tương đồng về tính chất với vật liệu sắt điện Hai anh em Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện trong SiO2 vào năm

1880, nhưng rất ít ứng dụng thực tiễn được phát triển cho đến năm 1917, khi một giáo

sư người pháp, P.Langevin sử dụng SiO2 để tạo ra sóng âm trong nước Nghiên cứu của ông đã dẫn đến việc phát triển của hệ thống định vị dưới nước

Mô hình đơn giản nhưng rất dễ hiểu của hiệu ứng áp điện được đưa ra vào năm

1927 bởi A Meissner Tinh thể SiO2 được mô phỏng như một vòng xoắn (Hình 1.1) với một nguyên tử Silicon (Si) và hai nguyên tử Oxi (O2) luân chuyển quanh vòng xoắn Tinh thể SiO2 được cắt dọc trục x,y và z của nó; do đó Hình 1.1a là hình nhìn

nguyên tử Si mang 4 điện tích dương và một cặp O2 mang 4 điện tích âm (2 cho mỗi nguyên tử) Khi không có áp lực bên ngoài tác động thì các nguyên tử ở trạng thái cân bằng điện tích, nhưng khi có ngoại lực Fx nén tinh thể dọc theo trục x sẽ làm cho các điện tích bị ép dẫn đến sự phân bố điện tích không đều ở 2 đầu và phát triển sự phân cực theo trục y (Hình 1.1b) Tương tự, nếu tinh thể được kéo giãn dọc theo trục x (Hình 1.1c), điện tích của cực đối nghịch sẽ được tạo nên dọc theo trục y Mô phỏng này minh họa cho khả năng kích hoạt điện tích trên bề mặt của tinh thể như một đáp ứng của ứng suất cơ học

Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện trong tinh thể thạch anh[5]

Hiệu ứng áp điện là một hiện tượng vật lý nghịch đảo, do đó nếu có điện áp áp vào dọc theo tinh thể sẽ tạo nên một sự biến dạng cơ học Bằng cách đặt vài bản cực trên tinh thể, một cặp bản cực có thể được được dùng để truyền tải điện áp tới tinh thể

và cặp bản cực khác để thu nhận điện tính tạo ra từ sự biến dạng Hiệu ứng áp điện thuận nghịch phát biểu như sau:

- Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặc kéo giãn một số tinh thể áp điện theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên bề mặt các mặt giới hạn của tinh thể đó sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và gây nên một hiệu điện thế giữa 2 bề mặt Như đã biết, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó khi

sóng siêu âm va đập vào bề mặt tinh thể gốm thì sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một chuỗi xung có độ lớn tỷ lệ với cường độ của sóng âm

- Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể góm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ giãn ra hay nén lại Khi ta đặt lên tinh thể gốm mọt hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục vào môi trường bao quanh và tạo ra sóng âm Phụ thuộc vào tần số dao động, xung điện kích thích và công nghệ chế tạo tinh thể gốm mà ta sẽ thu được các chùm siêu âm có tần số khác nhau

1.2 Từ giảo

Là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật

từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch)

Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử trong vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không

có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử sẽ quay theo chiều quay của mômen từ theo hướng này qua hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử và điện tích của môi trường Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (mômen quỹ đạo bằng 0), tất cả các vị trí của các ion lân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện tử Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên, và không dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (mômen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trí phân bố xung quanh không còn tính chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám

mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu Do đó,

từ giảo phản ánh tính chất đối xứng của mạng tinh thể

2 Đầu dò siêu âm

2.1 Vật liệu chế tạo đầu dò

Đầu dò siêu âm chủ yếu được phát triển dựa trên vật liệu áp điện, trong phần này ta chỉ chú trọng đến phân tích hoạt động đầu dò dựa trên hiệu ứng và vật liệu áp điện Để có thể sử dụng được vật liệu áp điện trong thiết kế đầu dò, hay nói cách khác

là để lấy điện tích ra khỏi vật liệu, các bản cực dẫn điện phải được lắp vào tinh thể ở hai đầu tương ứng Như vậy, từ một cảm biến áp điện ta biến nó trở thành như một tụ điện với vật liệu điện môi là tinh thể áp điện (xem hình dưới)

Hình 1.2: Cảm biến áp điện được tạo bằng các bản cực áp vào một vật liệu tinh

thể phân cực [5]

Chất điện môi hoạt động như một máy tạo điện tích tạo ra điệp áp V ngang qua

tụ điện Mặc dù điện tích trong chất điện môi tinh thể chỉ tập trung tại nơi có lực tác dụng, tuy nhiên các bản cực kim loại sẽ trung hòa điện tích dọc trên bề mặt khiến cho

tụ điện không chỉ nhạy theo vùng Tuy nhiên, nếu các bản cực được thiết kế theo dạng phức tạp, có kết cấu từ nhiều cặp điện cực thì nó có thể xác định chính xác vị trí của lực tác dụng bằng cách xác định hồi đáp từ bản cực bị tác dụng Độ lớn của hiệu ứng

áp điện dưới một dạng đơn giản có thể được biểu diễn bằng vector của độ phân cực:

Để việc tính toán được thuận tiện, hai đơn vị khác được nêu ra; đầu tiên là hệ số

g, được định nghĩa như độ chia của hệ số d mn tương ứng với hằng số điện môi tuyệt đối

0

.

mn mn

mn

d g

 



(I.ii.3)

Hệ số này biểu diễn độ biến thiên điện áp được tạo nên bởi tinh thể trên một đơn

vị áp suất tác dụng Số đo của nó là:

2

V m N m

(I.ii.4)

Ngoài ra, ta có thể định nghĩa thêm hệ số h, được thu thập bằng cách nhân các

hệ số g bởi các suất Young tương ứng cho từng trục tinh thể Số đo của hệ số h là:

V m m m

(I.ii.5)

Các tinh thể áp điện là những chất chuyển hóa trực tiếp cơ năng thành điện

năng Hiệu quả của sự chuyển hóa này có thể được đánh giá dựa trên hệ số ghép k mn

Hệ số k là một trị số quan trọng cho các ứng dụng có hiệu ứng năng lượng giữ

một vị trí quan trọng, ví dụ trong âm học và siêu âm học Điện tích tạo bởi tinh thể áp điện tỳ lệ với lực tác dụng, ví dụ, theo hướng trục x, điện tích là

11

(I.ii.7)

Xét tinh thế với các bản cực tích hợp như một tụ điện có điện dung C, điện áp V

phát triển ngang qua giữa hai bản cực là:

Việc chế tạo các chất gốm PZT trên nền tảng ôxit kim loại có độ tinh khiết cao (như ôxit chì, ôxit Ziconi, ôxit Titan) dưới dạng bột nhuyễn có màu sắc khác nhau; khi

đó bột được nghiền mịn và trộn với các tỷ lệ hoạt hóa chuẩn Trong quá trình nung luyện, hỗn hợp sẽ được nung với nhiệt độ cao đủ để cho phép hỗn hợp phản ứng tạo nên một chất bột mà mỗi hạt của nó có một cấu trúc hóa học gần với cấu trúc mong muốn, tuy nhiên, giai đoạn này các hạt chưa dịnh hình cấu trúc tinh thể mong muốn

Bước tiếp theo là trộn bột Canxi với chất kết dính hữu cơ rắn hoặc lỏng (để có thể cháy bên ngoài trong quá trình đốt cháy) và cho hỗn hợp vào khuôn có hình dạng xấp xỉ với phần tử cảm biến mong muốn Các tinh thể trong vật liệu có thể được xem như các lưỡng cực; ở một số vật liệu như SiO2, những tế bào này được định hướng tự nhiên dọc theo các trục tinh thể nên những vật liệu này nhạy với áp lực Đối với những vật liệu có các lưỡng cực được định hướng ngẫu nhiên thì vật liệu cần được tái thiết để

có được tính chất áp điện Một vài kỹ thuật gia cố trụ có thể được sử dụng để tạo cho một vật liệu tinh thể các tính chất áp điện Quá trình gia cố trụ phổ biến nhất là quá trình gia cố nhiệt bao gồm những bước sau:

1 Vật liệu tinh thể có các lưỡng cực định hướng ngẫu nhiên (Hình 1.3a) được hâm nóng dưới nhiệt độ Curie Trong một số trường hợp (cho một bảng PVDF), vật liệu sẽ chịu áp lực, nhiệt độ cao để tạo ra xáo động mạnh hơn của các lưỡng cực và cho phép chúng định hướng dễ dàng theo hướng mong muốn

2 Vật liệu được đặt trong điện trường E (Hình 1.3b) nơi các lưỡng cực xếp hàng dọc theo các đường điện trường Nhiều lưỡng cực có thể nằm lệch hướng với hướng của trường, tuy nhiên vẫn duy trì được sự định hướng các lưỡng cực

3 Vật liệu được làm mát trong khi điện trường vẫn được duy trì

4 Các lưỡng cực ở trạng thái “đóng băng” theo hướng được định cho nó bởi điện trường tại nhiệt độ cao (Hình 1.3c)

5 Điện trường được loại bỏ và quá trình gia cố đã hoàn thành Độ phân cực của vật liệu gia cố sẽ duy trì ổn định lâu dài nếu được duy trì dưới nhiệt độ Curie

Hình 1.3: Phương pháp gia cố trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa điện[5]

Một phương pháp khác được gọi là phương pháp gia cố cực quang cũng được sử dụng để tạo nên các Polyme áp điện Một tấm mỏng chịu tác động của sự phóng điện quang vài triệu vôn từ một bản cực trên một centimet độ dày tấm trong 40-50 giây Độ phân cực vầng quang không quá phức tạp để thực hiện và có thể dễ dàng áp dụng trước khi quá trình đánh thủng cách điện xuất hiện Quá trình cuối cùng để chuẩn bị cho các phần tử cảm biến đang định hình và hoàn thành bao gồm cắt, gia công và mài bóng Sau khi phần tử áp điện được hoàn thành, nó được gắn vào giá đỡ của cảm biến, nơi các bản cực của nó được kết dính vào các đầu nối điện và các phần tử điện khác

Sau quá trình gia cố, tinh thể vẫn giữ được sự phân cực cố định, tuy nhiên nó lại chỉ tích điện trong một thời gian ngắn Có một lượng các hạt mang điện tự do di chuyển trong điện trường sinh ra bên trong khối vật liệu và có khá nhiều ion tích điện trong không khí xung quanh Các chất mang điện tích di chuyển qua các lưỡng cực được gia cố và trung hòa điện tích của chúng (Hình 1.3c) Do đó, sau một lúc, vật liệu

áp điện được gia cố sẽ có khả năng phóng điện, xét dưới các điều kiện ổn định để duy trì tính chất áp điện Khi áp lực được thêm vào, hay không khí thổi gần bề mặt nó thì trạng thái cân bằng sẽ giảm bớt và vật liệu áp điện tạo ra một điện tích Nếu áp lực được duy trì trong một lúc, các điện tích một lần nữa sẽ được trung hòa bởi quá trình

bên trong Nói cách khác, một cảm biến áp điện chỉ phản hồi với một áp lực biến đổi hơn là với sự ổn định về áp lực Nói cách khác, cảm biến áp điện là một thiết bị xoay chiều hơn là một thiết bị một chiều

Độ nhạy định hướng áp điện (hệ số d) phụ thuộc vào nhiệt độ Với một số vật

liệu (SiO2), độ nhạy giảm với một sự nhấp nhô là 0.016%/o

C Với những vật liệu khác (các tấm PVDF và gốm) tại nhiệt độ dưới 40oC, nó có thể giảm, và tại nhiệt độ cao hơn, nó tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ Loại vật liệu phổ biến nhất để chế tạo ra các cảm biến áp điện là gốm áp điện Vật liệu ban đầu của gốm sắt điện là gốm Bari Titanat, một chất đa tinh thể có công thức hóa học là BaTiO3 Độ ổn định của độ phân cực cố định phụ thuộc vào lực cưỡng bức của các lưỡng cực Trong một số vật liệu, độ phân cực có thể giảm theo thời gian Để cải thiện độ ổn định của vật liệu được gia cố, các tạp chất đã được đề nghị trong vật liệu cơ bản với ý tưởng là độ phân cực có thể bị khóa chặt vào vị trí đó

Mặc dù hằng số áp điện thay đổi với nhiệt độ hoạt động, ta có hằng số điện môi,

k, biểu hiện sự phụ thuộc tương tự Do đó, theo phương trình (I.ii.10), sự biến thiên

trong các giá trị này có xu hướng loại trừ lẫn nhau vì chúng được đưa vào đồng thời tử

và mẫu số Điều này cho ra một độ ổn định điện áp đầu ra, V, tốt hơn ở một phạm vi

nhiệt độ lớn Các phần tử áp điện có thể được dùng như một tinh thể đơn hay đa lớp có vài lớp của vật liệu được đính chặt vào nhau, điều này phải được thực hiện với các bản cực đặt giữa chúng Hình 1.4 cho thấy một cảm biến lực hai lớp

Hình 1.4: Cảm biến áp điện hai tấm ghép.[5]

Khi ngoại lực tác dụng từ một bên, phần trên của cảm biến giãn nờ trong khi phần đáy co lại Nếu các lớp được dán chặt với nhau đúng cách sẽ tạo ra một tính hiệu đầu ra kép Các cảm biến kép có thể mắc song song như trong (Hình 1.5a) hay nối tiếp như (Hình 1.5c) Mạch điện tương ứng của cảm biến áp điện là một mạch mắc song

song tạo bởi một nguồn điện tạo sinh ra do áp lực, một điện trở rò (i), và một điện dung (C) Tùy thuộc vào cách nối kết các lớp ta có các mạch điện tương ứng thể hiện trong

(Hình 1.5b) và (Hình 1.5d)

Hình 1.5: Các cảm biến áp điện lá ghép song song (A) và nối tiếp (C) và các mạch

điện tương ứng của nó (B và D)[5]

Các điện trờ rò r là rất lớn (bậc 1012 - 1014) Do đó cảm biến có một trở kháng đầu ra cực cao Điều này đòi hỏi phải có các mạch điện tích hợp đặc biệt, chẳng hạn như các bộ biến đổi điện tích và cường độ dòng điện thành điện áp, hay các bộ khuyếch tán điện áp với các điện trở đầu vào cao

2.2 Các tấm áp điện

Vào năm 1969, H Kawai đã khám phá ra hiện tượng áp điện mạnh trong PVDF,

và vào năm 1975, công ty Pioneer của Nhật đã phát triển sản phẩm thương mại đầu tiên với PVDF là các loa áp điện và tai nghe áp điện PVDF là một Polyme bán tinh thể với mức độ tinh thể xấp xỉ 50% Giống như các Polyme bán tinh thể khác, PVDF bao gồm một cấm trúc dạng tấm lẫn với các vùng bất định Cấu trúc hóa học của nó bao gồm

cấu trúc lặp của Ethane Flo hóa kép CF2-CH2 Giống như một số vật liệu sắt điện khác, PVDF cũng có tính hỏa điện, hiệu ứng tạo nên điện tích phản hồi lại sự thay đổi nhiệt

độ PVDF hấp thụ mạnh năng lượng hồng ngoại trong bước sóng từ 7 – 20 m, trải dài cùng một phổ bước sóng với nhiệt độ cơ thể người

Bảng 1-1.Các đặc tính đặc trưng của các tấm áp điện[5]

Tấm áp điện không có những giới hạn ứng dụng, nó tạo nên một máy phát cơ điện yếu khi so sánh với gốm, đặc biệt là cho độ cộng hưởng và các ứng dụng tần số

thấp Các tấm đồng trùng có nhiệt độ lưu trữ cực đại cao khoảng 135oC, trong khi đó PVDF không được khuyến khích sử dụng hay lưu trữ trên 100oC Đồng thời, nếu các bản cực trên tấm mỏng được lộ ra, cảm biến có thể nhạy cảm với bức xạ điện từ Tấm

áp điện có mật độ thấp và độ nhạy tuyệt đối và khá bền Khi bị dồn vào trong tấm mỏng, các polymer áp điện có thể được gắn trực tiếp vào cấu trúc mà không cản trở hoạt động cơ học của nó Các tấm áp điện khá thích hợp cho các ứng dụng cảm biến - giãn nở đòi hỏi một dải tần rất rộng và độ nhạy cao

Hiệu ứng áp điện là phương tiện cơ bản của việc chuyển hóa quá trình biến dạng

cơ học thành các tín hiệu điện và ngược lại trong các cảm biến bán dẫn thu nhỏ Tuy nhiên, hiệu ứng chỉ có thể được sử dụng cho việc chuyển hóa các kích thích và không thể được dùng để chuyển hóa các tín hiệu thay đổi chậm hay ổn định

Vì Silicon không có các đặc tính áp điện nên các đặc tính đó có thể được thêm vào bằng cách kết dính các lớp tinh thể của các vật liệu áp điện Ba loại vật liệu phổ biến nhất là ZnO, AIN, và Pb (Zn,Ti)O3 được biết đến như gốm PZT, vật liệu tương tự

cơ bản được dùng cho việc tạo nên các cảm biến áp điện rời rạc được trình bày ở trên

Các tấm mỏng PZT có một hệ số áp điện lớn hơn ZnO và AIN cũng như một hệ

số hỏa điện cao khiến cho nó là lựa chọn tốt cho việc tạo nên các bộ cảm biến bức xạ nhiệt Một loạt kỹ thuật phủ đa dạng rất phù hợp cho PZT, trong số đó là kỹ thuật bay hơi chùm electron, kỹ thuật tỷ lệ tần số, kỹ thuật phun kim loại, kỹ thuật phun chùm ion, kỹ thuật phát triển Epitaxy bằng cách phun kim loại RF, kỹ thuật phun kim loại magnetron, kỹ thuật laser bào mòn, và kỹ thuật sử dụng keo lỏng Nhôm Nitrat là một vật liệu áp điện tuyệt vời vì vận tốc âm cao của nó và độ bền của nó với độ ẩm và nhiệt

độ cao

2.3 Thiết kế đầu dò siêu âm chẩn đoán hình ảnh[8]

Trường áp suất sóng âm truyền vào mô được tạo ra bởi đầu dò siêu âm, thường được chế tạo từ vật liệu áp điện Cấu tạo của một thành phần đầu dò được chỉ ra trong

hình dưới Nó chứa tinh thể áp điện có độ dày nữa bước sóng, với c c là tốc độ âm thanh

truyền trong vật liệu và L c là độ dày của tinh thể, ta có tần số cộng hưởng là

0

2

c c

c f L



(I.ii.11)

Hình 1.6: Kết cấu đầu dò siêu âm một thành phần[8]

Vật liệu áp điện dùng phổ biến là PZT (Lead zirconate titanate), có vận tốc cho phép lan truyền khoảng 4000m/s Để phát được tần số khoảng 3MHz thì tinh thể ở đầu

dò phải có độ dày 0.67mm Lớp ghép được đặt ngay trước tinh thể để đạt độ trở kháng tại bề mặt, từ đó giúp tối ưu năng lượng phát về phía bệnh nhân Lớp ghép này có thể

có dạng lõm để hội tụ chùm tia và đạt được độ phân giải không gian tốt hơn tại điểm hội tụ Ngoài ra, tinh thể sẽ được tối ưu hơn nếu thiết kế một lớp màn bọc sau để dập tắt dao động của tinh thể Mục đích là để tăng băng thông và tối ưu năng lượng ngõ ra

Hai lớp bọc trước và sau tinh thể có vai trò hỗ trợ đối nghịch nhau Trở kháng

âm khác nhau của lớp bọc sau và tinh thể giúp xác định lượng năng lượng bị phản xạ

và lượng năng lượng bị hấp thụ bởi lớp vật liệu bọc sau Xét trường hợp không khí sẽ cho độ phản hồi âm tốt và sẽ tối ưu năng lượng ngõ ra nhưng nó sẽ không hủy dao

động tốt khi tinh thể dao động; bên cạnh đó, băng thông cho ra sẽ hẹp và xung âm sẽ bị kéo dài Do đó, một lớp vật liệu có khả năng hủy dao động phải được sử dụng để hấp thụ năng lượng phát về phía mặt sau, dù cho năng lượng ra thấp, nhưng sẽ cho xung ngắn và phổ hẹp Trường hợp tương tự cũng được xem xét khi ta làm việc với sóng đến

Lựa chọn cấu tạo của đầu dò sẽ phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng Lớp mặt sau bằng khí sẽ phù hợp với ứng dụng cần đến sóng liên tục, trong khi nếu dùng vật liệu hủy dạo động tốt thì sẽ cho ra độ phân giải cao nhưng độ nhạy sẽ giảm và độ sâu truyền vào môi trường giảm bớt Trong hệ thống đo lường vận tốc, không khí sẽ được chọn, khác với trong trường hợp tạo ảnh B-mode, bởi vì xung dài sẽ có độ nhạy tốt hơn, đó là điều đáng quan tâm hơn so với độ phân giải của hình ảnh

Đầu dò đơn tinh thể trong hình trên phải được dịch chuyển hoặc xoay bởi hệ cơ học để có thể thu thập hình ảnh Việc tạo tần số dịch chuyển cơ học để khởi động và dừng đầu dò trong tạo ảnh các bộ phận dịch chuyển là khá phức tạp, do đó người ta chế

tạo ra đầu dò xếp mảng dạng dãy trong ghi ảnh dòng máu đang chảy Hình 1.7 cho

thấy các dạng mảng phổ biến được sử dụng

Mảng tuyến tính có thể chọn vùng kiểm tra bằng cách hướng phạm vi hoạt động của các thành phần đến vùng đó.Chùm tia được dịch chuyển bằng cách phát từng nhóm với các thành phần liên tục liền kề, và cuối cùng chính là tín hiệu ghép từ các nhóm thành phần Việc hội tụ sóng phát đạt được bằng cách đưa vào độ trễ phát sóng kích thích của các thành phần riêng biệt Từ đó, thu được dạng chùm tia phát ra lõm hay lồi Chùm tia có thể được hội tụ trong quá trình nhận bằng cách đưa vào độ trễ và thêm vào hồi đáp từ các thành phần khác nhau Việc hội tụ chùm tia liên tục, vài điểm, hay tạo vùng hội tụ có thể được điều chỉnh được; thông thường, có thể đạt được 4 đến 8 vùng đối với các đầu dò hiện đại Hình 1.7, mảng biến đổi pha dạng chùm với 3 điểm vùng tiêu tụ trong quá trình phát và nhận Trong khi đó, các đầu dò khác chỉ có 1 vùng tiêu

tụ duy nhất cho cả truyền và nhận tín hiệu

Hình 1.7: Các đầu đò khác nhau trong tạo ảnh B-mode [8]

Mảng đầu dò tuyến tính thu được ảnh khung chữ nhật, mảng có thể khá lớn để

có thể bao phủ được hết vùng cần kiểm tra (Region Of Interest [ROI]) Tuy nhiên, một vùng diện tích lớn có thể được quét bởi đầu dò dạng mảng nhỏ, nếu các thành phần được đặt trên một bề mặt cong Đầu dò dạng quạt được chế tạo cho mục đích này

Phương pháp hội tụ và quét chùm tia trong quá trình truyền và nhận tương tự với đầu

dò tuyến tính, thông thường một mảng có khoảng 128 thành phần cấu thành

Các mảng tròn thường quá lớn để tạo ảnh tim khi muốn khảo sát qua vùng xương sườn Mảng nhỏ có thể được dùng với trường khảo sát được mở rộng bằng cách điều chỉnh pha cho mảng đầu dò Tất cả các thành phần của mảng đầu dò được dùng trong suốt quá trình truyền và nhận tín hiệu Chiều của chùm tia có thể được lái bằng cách đưa vào độ trễ tín hiệu đi hay đến từng thành phần riêng biệt (Hình 1.8)

Hình 1.8: Điều tiêu động và lái chùm tia[8]

Ảnh có thể thu được qua cửa sổ làm việc nhỏ và chùm tia được quét nhanh qua vùng kiểm tra (ROI) Khả năng lái chùm tia nhanh hơn so với đầu dò cơ cho phép nó được áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực tạo ảnh hai chiều Do đó, phương pháp dùng mảng đấu dò điều chỉnh pha được ứng dụng phổ biến trong tạo ảnh tim mạch để có thể nghiên cứu vùng sâu phía sau sườn

cơ thể, ứng suất cơ học và các tiến trình không sinh nhiệt kích thích sinh học khác Khi thay biên độ áp lực, tần số, dạng xung hoặc độ dài truyền sóng thì sóng siêu âm có thể biến dạng, thay đổi cơ chế tác động, tạo hốc năng lượng cực lớnhay kích hoạt khí huyết

cơ thể Các ứng dụng phổ biến hiện nay có thể kể đến là siêu âm hình ảnh 3D, siêu âm Doppler, siêu âm trị liệu kích thích sinh học, siêu âm phẩu thuật, tạo hốc năng lượng cao Nhìn chung, ưu điểm của sóng siêu âm là chỉ số an toàn cao hơn so với các phương pháp trị liệu khác bởi không gây kích thích bức xạ ion, giảm thiêu nguy cơ đột biến gen và ung thư

3.1.2 Ứng dụng trong công nông nghiệp

Phương pháp siêu âm là một trong các phương pháp được ứng dụng rộng rãi để

đo chiều dày vật liệu, đánh giá khuyết tật, ăn mòn, phát hiện tách lớp và khuyết tật trong vật liệu, mối hàn Ưu điểm nổi bật của phương pháp là nhanh, chính xác, thiết bị nhỏ gọn rẻ tiền, và có thể cho ta biết cả chiều sâu của khuyết tật Tuy nhiên, kết quả kiểm tra phụ thuộc rất nhiều vào kỹ năng của kỹ thuật viên và khó kiểm chứng được Bên cạnh đó, siêu âm được ứng dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực siêu âm hóa học, tạo

ra các phản ứng năng lượng cao rất hữu dụng trong chế tạo vật liệu

3.2 Phân loại theo phương pháp tạo ảnh

3.2.1 Tạo ảnh A- mode(Amplitude mode)

Tạo ảnh ở Mode A là phản ánh ảnh cấu trúc của vật chất trên một đường tia siêu

âm đi qua, và nó thể hiện bằng các xung phản xạ được gọi là kiểu 1 chiều Tín hiệu hồi

âm được thể hiện bằng xung hình gai trên dạo động ký qua hệ thống trục tung và trục hoành, chiều cao của xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của xung thể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi Loại hình thể hiện này thường được dùng trong đo đạc vì có độ chính xác cao

Hình 1.9: Hình ảnh thể hiện của mode A và mode B[7]

3.2.2 Tạo ảnh B-Mode( Brightness mode)

Ảnh Mode B là ảnh phản ánh cấu trúc vật chất của những điểm nằm trong mặt phẳng mà tia siêu âm quét qua thể hiện bằng độ sáng tối khác nhau Tín hiệu hồi âm được thể hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của các chấm này thể hiện biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí các chấm sáng xác định khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hồi Theo cách thể hiện của B-mode trong siêu âm một chiều thì tương xứng với mỗi vị trí đầu dò trên cơ thể và mỗi hướng của chùm tia nhất định thì trên màn hình ta có thể có một đường tạo ảnh B-mode- phản ánh các mặt phản hồi được tạo ra bởi các cấu trúc cơ thể nằm trên đường truyền của chùm tia siêu âm

3.2.3 Tạo ảnhTM-mode hoặc mode M ( Time Motion Mode)

Mode TM là khảo sát quỹ đạo chuyển động của vật chất theo thời gian bằng cách thể hiện hình ảnh A-mode hoặc B-mode theo diễn biến thời gian với các tốc độ quét khác nhau Kết quả là nếu nguồn hồi âm đứng yên thì sẽ tạo ra đường thẳng ngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồi chuyển động thì sẽ tạo ra đường cong phản ảnh sự chuyển động của mặt phản hồi Trên màn hình hiển thị của TM-mode, biên độ chuyển động của mặt phản xạ được biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành nhờ vậy có thể tính toán được vận tốc chuyển động của mặt phản hồi khi tốc độ quét đã được xác định

Hình 1.10: TM-mode[7]

Phương pháp A-mode, B-mode, TM-mode có thể gọi chung là siêu âm một chiều Ưu điểm của siêu âm một chiều là đơn giản, rẻ tiền, cho khả năng xác định chính xác vị trí của bề mặt phản xạ, đặc biệt trong kiểu TM có thể đo được biên độ chuyển động của vật theo phương song song với chùm tia siêu âm Nhược điểm của phương pháp là không cho hình ảnh tổng thể của vật cần chẩn đoán, không đánh giá được các chuyển động có phương vuông góc với phương truyền của tia siêu âm

Để có thể thu được hình ảnh siêu âm thời gian thực, hệ thống quét ảnh động được thiết kế với 2 cách quét là quét điện tử và quét cơ học Trong đó, chế độ quét điện

tử sử dụng nguyên tắc độ trễ pha giữa các thành phần cảm biến để lái chùm tia quét qua toàn bộ vùng khảo sát, chế độ quét cơ học sử dụng tay điều khiển cơ học dịch

chuyển đầu dò qua từng phần trong vùng khảo sát Ngày nay, công nghệ khảo sát trên diện rộng gọi là tạo ảnh thời gian thực EFOV(extended field of view)- siêu âm thời gian thực với trường nhìn mở rộng cho phép tạo ảnh động có tính tổng quát như ảnh tĩnh Để tạo được diện khảo sát rộng người ta vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diện cắt ngang cơ thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình ảnh được tổng hợp liên tục từ các góc quét riêng biệt ứng với các vị trí của đầu dò, kết quả nhận được là một hình tổng quát, đồng thời vẫn giữ được tính động của ảnh

3.2.4 Siêu âm Doppler

Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động như các tế bào hồng cầu, thành mạch, cơ chuyển động, v.v Khi đó tần số của sóng phản hồi sẽ khác với tần số của sóng tới, và hiệu của hai tần số gọi là độ lệch Doppler hay tần số Doppler Có 2 kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm: Sóng liên tục (Continuous Wave-CW) và xung (Pulsed Wave-PW)

- Doppler liên tục: Người ta sử dụng đầu dò với 2 tinh thể làm 2 nhiệm vụ khác nhau:

một làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục, một làm nhiệm vụ thu liên tục Ưu điểm của Doppler liên tục là có thể đo được vận tốc dòng máu rất lớn , tuy nhiên, nhược điểm của nó là không ghi được tốc độ tại 1 điểm xác định mà nó chỉ ghi được tốc độ trung bình của nhiều điểm chuyển động khi chùm sóng âm phát ra gặp trên đường đi của nó

- Doppler xung: Thường được thiết kế với đầu dò có một tinh thể vừa có chức năng

phát và nhận sóng phản hồi Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò, chỉ những xung phản hồi tại vị trí lẫy mẫu là được ghi nhận và

xử lý, với kích thước và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi được Nhờ đó, kỹ thuật Doppler xung cho phép ghi nhận phân biệt tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau Ứng với mỗi vị trí lẫy mẫu được chọn, khoảng thời gian T cho xung đi và về xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa 2 chuỗi xung Do đó độ lặp lại của các chuỗi xung

phát PRF (Pulse Repetition Frequency) không thể lựa chọn lớn hơn 1/T (PRF ≤ 1/T)

Do khoảng giá trị của PRF cũng nằm trong khoảng của tần số Doppler ∆f, Doppler xung có thể nhận biết được vị trí của dòng chảy song lại có một nhược điểm là bị hạn chế trong việc đo các dòng có vận tốc cao bởi độ nhiễu do chồng chập xung

3.3 Phân loại theo cấu tạo đầu dò

3.3.1 Đầu dò đơn tinh thể

Có rất nhiều loại nhưng ta có thể phân ra hai loại chính là đầu dò đơn tinh thể và đầu dò đa tinh thể Trong đó, đầu dò đơn tinh thể chỉ dùng một chấn tử và nó dùng phổ biến trong đo lường và kiểm tra không phá hủy, đây là loại đầu dò đơn giản và ít được

sử dụng (xem cấu tạo đầu dò đơn Hình 1.6)

Trong các thiết kế của đầu dò đơn ta có phương pháp lắc (Wobbler Principle), mục đích của phương pháp là quét tia siêu âm theo một góc rẻ quạt bằng cách cho tinh thể lắc quanh một trục Phương pháp này chỉ sử dụng một tinh thể lớn hoặc một loại tinh thể vành khuyên đồng tâm do đó không cần những yêu cầu đặc biệt trong việc ghép tinh thể.Tuy nhiên, bộ phận cơ khí của thiết kế khá phức tạp, do chuyển động lắc của tinh thể phải đổi chiều liên tục nên phải giảm khoảng thời gian chết được gây ra bởi mômen từ quán tính Ngoài ra hệ đầu dò cũng phải thoả mãn những yêu cầu đặc biệt để khống chế tốc độ góc chuyển động quét hoặc hằng định

3.3.2 Đầu dò phẳng tuyến tính

Hình 1.11: Mảng đầu dò phẳng tuyến tính và thiết kế chấn tử[7]

Đầu dò tuyến tính là đầu dò tập hợp nhiều đầu dò đơn được đặt trên cùng một mặt phẳng, chúng độc lập với nhau về mặt cơ điện, thông thường nó được thiết kế với

mật độ 128 thành phần và chấn tử riêng, hình ảnh tạo ra có hình chữ nhật Chiều rộng

của hình và số dòng quét là hằng định ở tất cả các cấu trúc mô Lợi điểm của loại đầu

dò này là cho hình ảnh ở gần có độ phân giải cao Khoảng tần số cao (5.0 - 7.5 MHz) được dùng để đánh giá mô mềm và tuyến giáp Điểm bất lợi của đầu dò loại này là mặt tiếp xúc rộng do đó sẽ cho xảo ảnh khi khảo sát ở những khu vực góc cạnh của cơ thể

vì khí sẽ chen vào chính giữa da và bề mặt đầu dò Thông thường thì đầu dò loại này không thích hợp để khảo sát những cơ quan bên trong ngực và bụng trên

* Nguyên lý hoạt động của đầu dò phẳng kiểu quét song song

Để tạo ra hình ảnh ở kiểu quét song song (dạng ảnh chữ nhật), thông thường người ta dùng đầu dò phẳng tuyến tính để quét Đầu dò này gồm một dãy các cách tử được sắp xếp sát nhau theo một đường thẳng trên một giá đỡ và được cách ly với nhau

về điện và âm Kích thước của các cách tử này được quyết định bởi tần số đầu dò; ví dụ

đầu dò có 128 cách tử, với số cách tử kích hoạt 1 lần quét là 32, sẽ có đường quét tiếp theo từ phần tử số 2 tới 33, tiếp đến là từ 3 đến 34 cho tới đường quét cuối cùng ứng với nhóm cách tử từ 97 tới 128 hiện lên để tạo ra một ảnh siêu âm hoàn chỉnh Quá trình quét này được lặp lại rất nhanh do vận tốc truyền âm trong cơ thể khá nhanh (ước khoảng hơn 3000 m/s, tức là khoảng 20 tới 60 hình quét/giây) Chất lượng hình ảnh có thể được nâng cao lên nhờ biện pháp cải tiến về âm thanh và điện tử Ví dụ như bộ dẫn hội tụ gồm các thấu kính âm

Hình 1.12: Đầu dò mảng tuyến tính[7]

Đầu dò tuyến tính cho ra hình ảnh chữ nhật có mật độ thông tin (khoảng cách giữa các hàng) không đổi theo chiều sâu Chất lượng ảnh đồng đều trên toàn phạm vi của ảnh

Hình 1.13:Kiểu dòng quét song song ở đầu dò tuyến tính[7]

* Ưu điểm của đầu dò tuyến tính là vùng thăm khám rộng, độ bền vững và độ ổn định

rất cao Đầu dò cókhả năng phát sóng siêu âm liên tục ở những độ sâu khác nhau và chống nhiễu cao, cho phép điều tiêu động và thể hiện các vùng bề mặt tốt Đồng thời, thiết bị siêu âm thiết kế gọn nhẹ có thể xách tay nên rất cơ động và giá thành phải chăng

* Nhược điểm của đầu dò này là kích thước lớn, độ phân giải theo chiều dọc và ngang

khác nhau Nó đòi hỏi mặt tiếp xúc giữa đầu dò và bộ phận cần ghi hình ảnh rất lớn do

đó đầu dò dò phẳng chỉ có thể khảo sát bộ phận bụng và vùng tiếp giáp

* Ứng dụng phổ biến là trong siêu âm vùng bụng, sản phụ khoa, siêu âm tuyến giáp,

mạch gần bề mặt, và các ứng dụng đặc biệt như nội soi phẫu thuật

3.3.3 Đầu dò cong hoặc lồi

Nguyên lý tương tự như đầu dò phẳng, đầu dò thiết kế dạng cong được dùng