Mô phỏng trường áp suất âm trong không gian 3 chiều

Các sóng siêu âm hiện nay được tạo ra chủ yếu từ vật liệu áp điện mà hiệu ứng vật lý của nó được khám phá bởi 2 nhà khoa học Jacques và Pierre Curie.Tùy thuộc vào cấu trúc hình học và tầ

Trang 1

Lời giới thiệu

Kể từ khi thiết bị phát siêu âm lần đầu tiên được chế tạo bởi Francis Galton , kỹ thuật

siêu âm được ứng dụng nhiều lĩnh vực của khác nhau bao gồm cả lĩnh vực y tế lẫn

công nghiệp Các sóng siêu âm hiện nay được tạo ra chủ yếu từ vật liệu áp điện mà

hiệu ứng vật lý của nó được khám phá bởi 2 nhà khoa học Jacques và Pierre Curie.Tùy

thuộc vào cấu trúc hình học và tần số dao động của các loại đầu chuyển đổi, các trường

áp suất siêu âm được phát ra bởi các đầu chuyển đổi đó có phân bố khác nhau Sự phân

bố áp suất siêu âm này tạo nên các búp sóng siêu âm có định hướng khác nhau mà đặc

tính phân bố áp suất âm này sẽ ảnh hưởng đến những yêu cầu kỹ thuật của những ứng

dụng cụ thể Chính vì vậy, việc quan sát phân bố của các trường áp suất âm này trên

thực tế là rất quan trọng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các phân bố áp suất âm

đến kết quả và giới hạn của những ứng dụng Để quan sát được phân bố áp suất âm

này, nhiều phương pháp thực nghiệm có thể thực hiện trên các hệ thống đo lường ví dụ

như sử dụng đầu dò áp điện dạng kim, dạng màng , hoặc hiệu ứng điều chế âm quang

Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi trang thiết bị thí nghiệm khá tốn kém và

chỉ có thể tiến hành đo được khi đầu chuyển đổi đã được chế tạo hoàn chỉnh Xuất phát

từ nhu cầu trực quan hóa các trường phân bố áp xuất âm của các đầu dò chuyển đổi

siêu âm thương mại để lựa chọn các loại đầu chuyển đổi cho phù hợp với những ứng

dụng cụ thể cũng như tạo ra một công cụ thiết kế trực quan cho các loại đầu dò chuyển

đổi, bài báo này đề xuất một phương pháp quan sát trường phân bố áp suất âm dựa trên

những kích thước hình học của các loại đầu dò chuyển đổi siêu âm bằng tiếp cận mô

phỏng số

Formatted: Left: 1.38", Right: 0.79", Top:

1.38", Bottom: 1.18"

Formatted: Default Paragraph Font, Font:

(Default) +Body (Calibri), 11 pt, Vietnamese

Formatted: Italian (Italy) Formatted: Default Paragraph Font, Font:

(Default) +Body (Calibri), 11 pt, Vietnamese

Trang 2

Chương I: ặt Vấn ề

I.1 Giới thiệu về kỹ thuật tạo ảnh siêu âm

1 1 Gi1Gi Gi Giới Gthiệu siêu âm

Trong khoảng 30 năm trở lại đây, siêu âm đã trở thành một phương thức hiển thị hình

ảnh rất mạnh nhờ vào những đặc điểm duy nhất của nó như độ phân giải theo thời gian

thực, giá thành rẻ, bức xạ không ion hóa, và có khả năng di chuyển thiết bị dễ dàng

Gần đây những tính năng như hiển thị hình ảnh hài hòa, 3D, thiết bị đầu dò nhỏ gọn, và

việc ứng dụng những yếu tố làm tăng độ tương phản … đã nâng cao được chất lượng

và được sử dụng rộng rãi trong chẩn đóan hình ảnh.Trong chương này, chúng tôi sẽ

giới thiệu tổng quan về cơ sở của chẩn đoán bằng siêu âm và bảng tóm tắt những ứng

dụng trong thực tiễn

Sóng âm là sự lan truyền các dao động âm trong các môi trường rắn, lỏng, khí Dải âm

thanh ta nghe được có tần số từ 20Hz đến 20kHz Siêu âm là những ,sóng có tần số từ

20KHz trở lên.Khi lan truyền trong môi trường nước chúng bị phản xạ rất ít và bị phản

xạ bởi những vật cản, việc ghi nhận những tín hiệu phản xạ trở lại hay còn gọi là echo

cho phép ta xác định được vị trí của vật thể.Nguyên tắc này đã đươc sử dụng trong hệ

thống sonar (Sound Navigation and Ranging) cũng như ở những động vật hữu nhũ như

cá heo, cá voi, điều này cho phép xác định con mồi, những vật cản hay những thú ăn

thịt chúng.Những tần số được sử dụng trong việc hiển thị hình ảnh phụ thuộc rất nhiều

vào ứng dụng của nó: sonar ( 300KHz), siêu âm chẩn đoán, siêu âm điều trị hay kiểm

tra không phá hủy trong công nghiệp ( 0.8-20MHz) hay hiển vi siêu âm ( 12MHz –

1GHz)

a

Hình 1.1 Dải tần số siêu âm và các ứng dụng của nó

Formatted: Italian (Italy)

Formatted: Indent: Left: 0.38", No bullets or

numbering

Formatted: Font: (Default) Times New

Roman, Italian (Italy)

Formatted: Italian (Italy)

Formatted: Font:

Formatted: Indent: Left: 0.75", No bullets or

numbering

Trang 3

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc, là sóng mà

phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng, sóng này xuất hiện

trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó sóng này truyền được trong các

môi trường rắn, lỏng và khí

Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện Tinh

thể áp điện có thể là Các phần tử gốm (Lead zirconate titanate (PZT)) hoặc các vật liệu

áp điện hỗn hợp như: Vật liệu áp điện PVF2 (polyvinylidene difluoride)

Hình 1.2 Vật liệu áp điện

Các đại lượng đặc trưng của sóng siêu âm

Phần tử

áp điện mm

Ma trận Epoxy mm

Formatted: Default Paragraph Font, Font: 12

pt, Font color: Auto

Formatted: Default Paragraph Font, Font: 12

pt, Font color: Auto

Roman, 13 pt

Roman, 13 pt, English (U.S.)

Roman, 13 pt

Trang 4

– Chu kỳ T (m/s): khoảng thời gian sóng siêu âm thực hiện một quá trình nén và dãn

hay còn gọi là một dao động

– Tần số f (Hz): số chu kỳ thực hiện trong một giây Mối liên hệ:

T = 1/f = v/λ

(1.1) Sóng âm được chia thành 3 vùng tần số chính:

 Sóng âm có tần số cực thấp gọi là vùng hạ âm (infrasound) có tần số f < 16 Hz

Ví dụ: sóng địa chấn

 Sóng âm có tần số nghe được (audible sound) có: f =16-20kHz

 Sóng siêu âm (ultrasound) có f > 20kHz Ví dụ: sóng âm phát ra từ con dơi

– Bước sóng λ (m): quãng đường mà sóng truyền đi được sau một chu kỳ Hay còn gọi

là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có dao động cùng pha

− Vận tốc truyền sóng v hoặc c (m/s):

v = ρα./1 = ρ/B

(1.2) Trong đó: α: hệ số đàn hồi

B = 1/α: suất đàn hồi (suất Yang) hay độ cứng của môi trường

ρ: khối lượng riêng hay mật độ của môi trường (kg/m3) ρ càng lớn thì mật độ các phần

tử trong môi trường càng nhiều, khả năng lan truyền dao động càng nhanh nên vận tốc

càng lớn, tuy trong công thức thì ρ tỉ lệ nghịch với v nhưng dù ρ có tăng thì tỉ lệ B/ρ lại

tăng nhiều hơn (trong thực nghiệm) nên vận tốc vẫn tăng theo ρ

Để đặc trưng cho độ lớn của áp lực âm học mà các phần tử trong môi trường nhận

được khi chịu tác động của nguồn phát sóng âm, người ta sử dụng hai đại lượng công

suất P và cường độ I Công suất P (W hoặc mW): mức năng lượng truyền từ đầu dò vào

môi trường Thông thường năng lượng phát ra từ đầu dò trong siêu âm chẩn đoán từ 1

– 10 mW

Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font:

Trang 5

Cường độ I (W/cm2 hoặc mW/cm2 ): biểu thị năng lượng của sóng âm trên một đơn vị

diện tích Trong y tế, siêu âm ứng dụng ở hai lĩnh vực chính:

− Siêu âm chẩn đoán (tạo hình bằng siêu âm): sử dụng tần số từ 2-30 MHz, sử dụng

phổ biến dải số từ 2,5-10MHz Ngoài ra người ta còn sử dụng các tần số khác trong các

đầu dò chuyên biệt Ví dụ: đầu dò siêu âm nội mạch (intraluminal) hoặc siêu âm da liễu

(dermatological) sử dụng tần số lên đến 20-50 MHz

− Siêu âm trị liệu: tạo hiệu ứng nhiệt, xoa bóp, kích thích cơ Có thể dùng riêng hoặc

kết hợp với điện trị liệu (trong các máy kích thích điện) để tìm Trigger (điểm phát bệnh

– điểm gốc) Tần số thường dùng là 700 – 900 kHz tùy theo thế hệ máy Công suất đầu

dò 1- 4 W/cm2 (gấp cỡ 1000 lần so với siêu âm chẩn đoán)

2.1 Cơ sở vật l siêu âm

Khi sóng siêu âm truyền qua mô sống, năng lượng và động lượng của nó sẽ truyền vào

mô.Sẽ không có sự chuyển khối tại bất kì điểm nào trong môi trường trừ khi điều này

gây ra bởi sự chuyển động lượng Khi sóng siêu âm truyền qua mô hay môi trường, áp

suất môi trường sẽ tăng lên Sự dao động của các phần tử chất dẫn đến sự thay đổi áp

suất và tạo ra sóng áp suất truyền trong môi trường vật chất làm cho các phân tử kế cận

dịch chuyển lần lượt

Các phần tử này có thể dịch chuyển qua lại theo những hướng song song nhau (sóng

dọc) hay vuông góc với phương truyền sóng(sóng ngang)

Hình 1.4 Sự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang

Roman, 13 pt

Trang 6

Chúng ta sẽ xem xét trường hợp thứ nhất

Giả sử có một thể tích nguyên tố của phần tử vật chất có thể xem như một chất lỏng

không nhớt (không thể tạo ra sóng trượt) Khi tác dụng một lực làm dịch chuyển

được tạo ra dọc theo khối thể tích đó Giả sử rằng khối thể tích đó đủ nhỏ để động

lượng đo được trong môi trường đó là hằng số, ta có thể biểu diễn tuyến tính như sau :

(1.4) Theo định luật Hooke :

(1.5) với K là hệ số đàn hồi, lấy đạo hàm 2 vế theo z, ta có:

Formatted: Vietnamese

Formatted: Vietnamese Formatted: Vietnamese

Trang 7

(1.6) với :

c : vận tốc âm thanh

(1.7) với là mật độ môi trường, và là hệ số nén của môi trường

Hình 1.5 Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng (1)

và dao động khi chịu tác động của một lực F biến đổi lên trên bề mặt

Trở kháng, năng lượng và sự phản xạ:

Sóng áp suất p(t,z) được tạo ra do sự dịch chuyển của các phần tử môi trường

Trang 8

(1.8) Trong đó po là biên độ âm cực đại Mối tương quan giữa tốc độ truyền và sóng áp suất

được mô tả theo phương trình sau:

(1.9)

Cường độ âm

(1.10) Phản xạ:

Hình 1.6 Sóng đi quan mặt phân cách giữa 2 môi trường có trở kháng âm khác nhau

Trang 9

(1.11)

i : incident wave ( góc tới )

t : transmitted wave ( góc truyền qua )

hệ số truyền qua:

(1.12) Tán xạ:“scattered back” : tán xạ ngược

Trường tán xạ ngược tác động lên đầu dò tạo nên hình ảnh siêu âm à cấu trúc bên trong của các bộ phận trên ảnh Sự tán xạ này xảy ra do các mặt phân cách nhỏ ( nhỏ hơn khoảng vài bước sóng ) Khi chùm tia siêu âm truyền vào trong cơ thể tác động lên các mặt phân cách , mỗi mặt phân cách chịu tác động lại hoạt động như một nguồn âm mới

và âm được phản xạ theo tất cả các hướng Sự tán xạ do các phân tử nhỏ, có kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là tán xạ Rayleigh.Tán xạ có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số ( f^2à f^6) rất hữu dụng trong việc mô tả đặc tính mô

Sự suy giảm:

Tất cả các dạng tương tác: phản xạ, tán xạ, khúc xạ, hấp thụ… đều làm ảnh hưởng đến cường độ chum siêu âm Sự hấp thụ năng lượng là quá trình làm suy giảm chum tia siêu âm nhiều nhất và năng lượng bị hấp thụ này thường chuyển thành nhiệt năng (có ích trong vật l trị liệu) Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan đến tần số chùm tia, tính nhớt, và thời gian hồi phục của môi trường

+ Thời gian hồi phục của môi trường: nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phân tử quay trở về vị trí ban đầu trước khi có chùm tia siêu âm tiếp theo tác động vào Nếu thời gian hồi phục dài, các phân tử có thể đang trở về vị trí ban đầu thì lại có

Trang 10

một đợt sóng tác động vào vì thế cần nhiều năng lượng hơn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo ra nhiệt nhiều hơn (hấp thụ)

+ Độ nhớt: khả năng của các phân tử chuyển động qua một phân tử khác Độ nhớt cao hạn chế lớn dòng chảyà cần phải thắng lực ma sát bởi các phân tử chuyển động + Tần số: cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ trong mối quan hệ với cả độ nhớt và thời gian hồi phục.Nếu tần số tăng, các phân tử dao động nhiều hơn do đó tao ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát (độ nhớt), thời gian cho các phân tử quay lại trạng thái ban đầu trong thời gian hồi phục ít hơn Các phân tử sẽ tiếp tục chuyển động, cần nhiều năng lượng hơn để dừng và định hướng lại chúng, dẫn đến hấp thụ năng lượng nhiều hơn.Tốc độ hấp thụ liên quan đến tần số, tần số tăng gấp đôi, tốc độ hấp thụ của các phân tử cũng tăng gấp đôi

(1.13) với là hệ số nhớt động học, chỉ số nhớt trượt của môi trường

nghiệm của phương trình trên :

(1.14) với là hệ số suy giảm

(1.15)

từ đó suy ra cường độ của chùm siêu âm:

Trang 11

(1.16)

(1.17)

Hình 1 7 Biểu diễn trường siêu âm

3.2 Nguyên lý tạo hình của siêu âm

Nguồn âm trong y tế là các tranducer áp điện, khi đáp ứng lại các xung điện, nói

dao động như một piston, phát sóng âm và mô mà nó tiếp xúc

Hiệu ứng áp điện” (piezoelectric effect) là tính chất của một số loại vật chất

(thường là ceramic) có khả năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu âm và ngược

lại có thể biến đổi tín hiệu âm trở lại thành tín hiệu điện Các đầu dò siêu âm được

gắn một loạt các tinh thể có hiệu ứng áp điện này lại với nhau rồi truyền cho chúng

một điện thế Chúng sẽ biến đổi các điện thế này thành sóng âm rồi truyền nó ra

ngoài môi trường Các sóng âm này đi vào trong cơ thể, gặp các mặt phân cách giữa

hai môi trường khác nhau bên trong cơ thể và bị dội ngược trở lại đầu dò

Formatted: Font: Vietnamese

Trang 12

Hình 1.8 Sóng âm trong các môi trường Cường độ sóng âm bị dội ngược trở về đầu dò tùy thuộc vào tính chất của mặt phân

cách: mặt phân cách giữa hai môi trường có độ trở âm quá khác biệt nhau thì nó sẽ

dội ngược trở về nhiều, còn mặt phân cách giữa hai môi trường có độ trở âm ít cách

biệt nhau hơn thì nó sẽ bị dội ngược trở về ít Nói cách khác, cường độ sóng âm bị

dội ngược từ một mặt phân cách trở về đầu dò tỷ lệ thuận với độ khác biệt về trở âm

giữa hai môi trường tạo ra mặt phân cách đó

Ở hình a, sóng âm từ đầu dò đi vào cơ thể, gặp mặt phân cách A (interface A), một

phần sóng âm bị dội ngược trở lại đầu dò mang thông tin về mặt phân cách A, phần

còn lại không bị dội ngược trở về tiếp tục đi đến mặt phân cách B và tiếp tục xảy ra

hiện tượng tương tự

Ở hình bB, vì độ khác biệt về trở âm giữa hai môi trường tạo ra mặt phân cách A

quá lớn nên sóng âm khi gặp mặt phân cách A nó đã dội ngược trở về một phần lớn,

chỉ còn một ít tiếp tục đi xuống sâu hơn và đến mặt phân cách B Ở mặt phân cách

B, cũng do trở âm giữa hai môi trường tạo ra mặt phân cách B quá lớn nên sóng âm

bị dội ngược trở về hoàn toàn và không còn sóng âm nào tiếp tục đi xuống đến mặt

phân cách C, do đó ta không thu nhận được bất kỳ thông tin nào của môi trường kể

từ mặt phân cách B trở xuống

Da mm

Formatted: Font: (Default) Times New Roman

Roman, 13 pt

Trang 13

Các tinh thể có tính chất áp điện của đầu dò nhận được tín hiệu của sóng âm quay

trở về từ môi trường bên ngoài và chuyển nó trở lại thành tín hiệu điện rồi chuyển

đến máy vi tính Máy vi tính sẽ dựa vào những tín hiệu điện này để tạo ra hình ảnh

trên màn hình siêu âm

Đầu dò siêu âm

Hình 1.9 Cấu trúc của một đầu dò đơn

Thành phần chính của 1 đầu dò siêu âm chính là tinh thể áp điện ( PVDF, thạch

anh, bari titanat, PZT-lead ziriconi titanat…) ,dựa vào độ dày l và tốc độ truyền

sóng trong môi trường c, vật liệu áp điện có tần số cộng hưởng:

(1.18) Cấu trúc đầu dò: phần này chỉ tập trung phân tích 2 bộ phận chính của đầu dò

Backing material và Matching layer

+ Backing material : trong siêu âm hình ảnh, đầu dò phát một hệ thống xung siêu

âm ngắn (có thể là 1 chu kỳ) sau đó là một khoảng lặng để tín hiệu dội trở về(nhận)

trước khi chùm khác phát đi L tưởng là vật liệu đệm có thể hấp thụ hết năng

lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra từ mặt trước của đầu dò Để truyền năng

lượng lớn nhất (từ tinh thể đến vật liệu hỗ trợ) vật liệu đệm cần có trở kháng âm

giống hệt với tinh thể.Phần sau của lớp backing được vát xiên để ngăn chặn sự phản

xạ năng lượng âm vào tinh thể

+ Matching layers : lớp phối hợp trở kháng âm của đầu dò tới vật được quét là 1 hệ

số quan trọng có ảnh hưởng đến độ nhạy của đầu dò.Vì trở kháng âm của tinh thể là

lớn (30,105g/cm2/s) so với mô(1,61g/cm2/s) điều nầy tạo ra 1 lượng phản xạ

lớn(81%) tại mặt phân cách giữa xương và mô vì thế cần có lớp phối hợp này.(là 1

Tiếp xúc BNC

Formatted: Vietnamese Formatted: Font: English (U.K.) Formatted: Font:

Formatted: English (U.K.)

Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.)

Roman, 13 pt

Trang 14

Một cách l tưởng là trở kháng phối hợp :

(1.19) với Z là trở kháng âm của môi trường (mô), ZT trở kháng âm của đầu dò

và độ dày của lớp phối hợp

(1.20)

Zm là giá trị tối ưu để tạo ra độ phân giải ngang tốt nhất(xung ngắn nhất có thể) với

cường độ truyền qua cực đại

dm tạo ra sự tăng cường lớn nhất sóng siêu âm phản xạ từ mặt phân cách giữa vật

liệu bề mặt và tinh thể Điều này tăng cường cường độ siêu âm truyền vào cơ thể

Tinh thể áp điện có thể đáp ứng dạng sóng âm khi chúng được kích thích bằng sóng

điện.Trong đa số trường hợp, sóng điện kích thích được sử dụng là sóng sin bởi tính

đơn giản của nó Nhưng với các sóng âm là các sóng sin liên tục việc xác định vị trí

trong không gian sẽ là rất phức tạp bởi việc xử l tín hiệu trên miền thời gian để xác

định hệ số pha của sóng sin cần phải được tiến hành với tần số lấy mẫu lớn và phải

được thực hiện trên nhiều phần tử thu phát độc lập sẽ làm giảm tốc độ quét ảnh siêu

âm, hơn nữa làm cho hệ thống kồng kềnh không khả thi trong ứng dụng lâm

sàng.Mà việc tái tạo ảnh chỉ có thể thực hiện được khi và chỉ khi xác định được 2

thông số là vị trí không gian và cường độ sáng

Để khắc phục điều này, người ta đã nghĩ đến một giải pháp đơn giản hơn, đó là sử

dụng các xung kích thích là các xung điện Do đó, thời gian phát và thu xung âm

phản xạ một cách đồng bộ với đồng hồ thời gian thực (TOF-Time of Flight) sẽ

được dùng làm tiêu chí để xác định vị trí của các thể phản xạ sóng âm trong không

gian Các xung âm được kích thích thường là các sóng sin trong 1 chu kỳ với tần số

trùng với tần số cộng hưởng của tinh thể áp điện, nghĩa là tần số dao động riêng của

nó Chúng được biểu diễn ở hình 1.10

Formatted: English (U.K.) Formatted: Font:

Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.) Formatted: Font: Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.)

Trang 15

Hình 1.10 Xung âm được kích thích Bên cạnh việc dễ dàng thuận lợi trong việc triển khai kỹ thuật trong tạo ảnh siêu

âm, các xung kích thích cũng cho phép nâng cao biên độ kích thích của sóng âm bởi

lúc này, với thời gian kích thích ngắn, các sóng sin sẽ có năng lượng thấp Nếu coi

rằng năng lượng kích thích là tới hạn hoặc là một hằng số thì việc giảm thời gian

tích thích sẽ có thể được bù đắp bởi biên độ kích thích để đạt tới năng lượng kích

thích Do đó, người ta có thể nâng biên độ của sóng âm lên cao, điều này cũng là

một trong nhữngthuận lợi cho việc tăng cường tương phản của ảnh siêu âm, một

trong những vấn đề trở ngại chính trong ứng dụng ảnh siêu âm trong lâm sàng

Sóng âm khi dội ngược trở về đầu dò mang trong mình nó 2 thông tin:

1 Khoảng cách từ mặt phân cách (mà từ đó nó được dội ngược trở về) đến đầu dò

Do đã biết được vận tốc truyền âm trong môi trường và khoảng thời gian tính từ

lúc phát ra sóng âm đến lúc nhận được hồi âm trở về

2 Cường độ của sóng hồi âm

Ảnh siêu âm có thể được xây dựng dựa trên 2 phương pháp quét:

Phương pháp quét theo đường:

Đây là phương pháp mà tia siêu âm được được dịch chuyển trên một đường thẳng

hoặc một đường cong để tạo thành một khu vực tạo ảnh là hình chữ nhật hoặc hình

quạt tương ứng Các đạng quét được minh họa ở hình 1.11

Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font: Formatted: Font:

Trang 16

Hình 1.11 a Biểu diễn quét dạng thẳng

Hình 1.11b Biểu diễn quét dạng quạt Phương pháp quét dạng đường cho được tốc độ tái tạo ảnh nhanh, bởi sau một thao

tác quét, các điểm sáng nằm trên đường tâm của tia quét sẽ được thu thập, từ đó các

Formatted: Font: Formatted: Font:

Trang 17

đường tâm này với các điểm sáng hoặc biên độ thu thập được sẽ được ghép với

nhau để tạo nên một ảnh Phương pháp này thường được thực hiện với những tia

siêu âm phẳng hoặc tia siêu âm hội tụ có tiêu cự xa so với diện tích phát tia Tuy

nhiên, phương pháp này bị hạn chế bởi độ tương phản của ảnh không rõ rệt do các

mô sinh học được cấu tạo chủ yếu là nước (70 đến 90%)

Phương pháp quét theo điểm

Một phương pháp thứ hai cũng có thể được áp dụng trong tái tạo ảnh siêu âm đó là

quét theo điểm Theo đó, mặt phẳng ảnh được chia thành một ma trận các điểm và

tâm của tia siêu âm lần lượt quét đến các vị trí này và thu tín hiệu phản xạ để xác

định cường độ điểm ảnh Phương pháp này, cho độ chính xác cao về vị trí không

gian, tuy nhiên bị trả giá về tốc độ tạo ảnh Nhưng một lợi thế không nhỏ của

phương pháp này đó là khả năng tăng cường độ tương phản của ảnh nếu như tia

quét là tia siêu âm hội tụ có tiêu cự đủ nhỏ so với diện tích mặt phát tia.Dạng quét

điểm được biểu diễn trong hình 1.12

Hình 1.12 Tia siêu âm được quét theo điểm Hai thông tin này được biểu diễn theo những cách khác nhau ở trong các chế độ A

mode, B mode, M mode của siêu âm trắng đen

Trang 18

A mode: (Amplitude- biên độ)hiển thị theo biên độ Là mode hiển thị cơ bản của kiểm

tra siêu âm, trong đó biên độ tín hiệu dội về theo một đường thẳng được hiển thị trên

một mànhiển thị Thời gian tín hiệu dội trở về tỷ lệ với độ sâu của mặt phản xạ, vì thế

hiển thị mode-A cho biết biên độ tín hiệu dội (spike height) theo độ sâu của mặt phản

xạ Chiều cao xung biểu thị biên độ tínhiệu dội.Cho phép đo chính xác khoảng cách từ

mặt phân cách đến đầudò Chế độ này thường được dùng trong siêu âm mắt, siêu âm

dùng trong điều trị cũng là A mode, nó được dùng để nhắm chính xác vị trí của khối u

hoặc của viên sỏi trong cơ thể để phóng sóng âm có tác dụng hủy diệt lên chúng

Hình1.13 Biểu diễn hoạt động của A mode

Sử dụng mode A để xácđịnh tính dội của các vậtthể Khối có tính dội (hìnhtrên) cho

các tín hiệumode A tương ứng cácmặt phản xạ và tán xạtrong khối Khối không cótính

dội (hình dưới), ví dụu nang, không cho tínhiệu mode A

B mode: (Brightness) thay vì biểu thị 2 thông tin mà sóng hồi âm mang về bằng đồ thị

như A mode, B mode biểu thị dưới dạng những chấm tín hiệu trên màn hình siêu âm

Độ sáng của chấm tín hiệu biểu thị cường độ của sóng hồi âm nhận được, cường độ

càng cao thì chấm tín hiệu càng sáng, cường độ càng thấp thì chấm tín hiệu càng tối Vị

Tín hiệu dội%

Roman, 13 pt

Trang 19

trí của chấm tín hiệu trên màn hình biểu thị vị trí tương đối của mặt phân cách mà sóng

hồi âm dội về từ đó so với đầu dò Vì trong cơ thể và trong từng cơ quan của cơ thể có

vô số mặt phân cách ở cấp độ phân tử (giữa các tế bào hoặc giữa các phân tử có bản

chất khác nhau) nên hình ảnh siêu âm nhận được ở chế độ B mode là tập hợp của vô số

các chấm tín hiệu với độ sáng khác nhau trên màn hình Tập hợp các chấm tín hiệu này

biểu thị được hình dạng giải phẫu và chức năng của các cơ quan trong cơ thể ở mặt

phẳng 2 chiều tương ứng với mặt phẳng của chùm sóng siêu âm được phát ra từ đầu

dò

B mode là chế độ thường được dùng nhất, nó dùng để khảo sát các cơ quan trong cơ

thể như gan, lách, thận, tụy, bàng quang, tử cung, tiền liệt tuyến v.v… Nó là hình ảnh

siêu âm mà ta thường thấy hằng ngày trên thực hành lâm sàng

Formatted: Centered

Trang 20

Hình 1.14 Biểu diễn hình ảnh mode B Mặt cắt cơ thể và hình ảnh Mode B là một tập

hợp gồm vô số chấm tín hiệu có độ sáng-tối khác nhau thể hiện hình dạng giải phẫu

học của cơ thể bệnh nhân ở mặt phẳng cắt đó

M mode:(Motion): Trong B mode, hình ảnh siêu âm được tạo ra bằng cách thu nhận

thông tin của các sóng hồi âm trở về từ các mặt phân cách rồi dựng lên hình ảnh của

các mặt phân cách đó trên màn hình máy siêu âm dựa vào 2 thông số:

 Vị trí tương đối của mặt phân cách so với đầu dò: được thể hiện bằng vị trí

tương đối của 1 chấm tín hiệu theo trục tung và trục hoành trên màn hình

 Cường độ của sóng hồi âm: tỷ lệ thuận với độ sáng của chấm tín hiệu trên màn

hình (cường độ càng cao thì chấm tín hiệu càng sáng và ngược lại)

Như vậy, hình ảnh siêu âm trong B mode là tập hợp của vô số chấm tín hiệu được tạo

thành từ vô số tia hồi âm quay ngược trở về đầu dò tạo nên hình ảnh giải phẫu của các

cơ quan trong cơ thể

Tuy nhiên, hình ảnh siêu âm trong B mode chỉ là hình ảnh tĩnh, do đó nó không thể

hiện được hoạt động của các cơ quan trong cơ thể theo thời gian

M mode cũng có cách thể hiện tương tự như B mode nhưng nó chỉ thể hiện hình ảnh

của các mặt phân cách nằm trên đường đi của 1 tia siêu âm và sự thay đổi theo thời

gian của các mặt phân cách này

Vì chỉ là hình ảnh của các mặt phân cách nằm trên đường đi của 1 tia siêu âm nên nó

chỉ có dạng 1 đường thẳng gồm các chấm tín hiệu (hình ảnh 1 chiều), vì các cơ quan

trong cơ thể thay đổi theo thời gian nên các chấm tín hiệu nằm trên “đường thẳng” này

cũng thay đổi theo thời gian Như vậy, qua mỗi phần trăm của giây, nếu ghi nhận lại

hình ảnh của “đường thẳng” này thì nó sẽ lại có một hình ảnh khác so với trước đó

Hình ảnh M mode bản chất là vô số hình ảnh của “đường thẳng” này được sắp xếp

theo thứ tự thời gian và nằm song song với nhau và song song với trục tung (trục dọc)

trên hình

Ta xét một ví dụ về M mode:

Formatted: Font: Formatted: Font:

Trang 21

Hình1.15 Hình siêu âm của tim, nó là hình siêu âm theo dạng B mode

Nó là tập hợp của vô số chấm tín hiệu được tạo ra từ vô số tia hồi âm quay về đầu

dò Nhưng nó chỉ là hình ảnh tĩnh và nhìn vào nó, ta không thể biết được tim đang

hoạt động như thế nào

Đường chấm chấm trên hình bên phải là đường biểu diễn đường đi của 1 tia siêu âm và hình bên trái là M mode thể hiện sự thay đổi của các mặt phân cách nằm trên đường đi của tia siêu âm đó Bản chất của hình M mode là vô số hình ảnh của đường chấm

chấm trên hình bên phải theo thời gian được xếp song song với nhau và song song với trục tung (trục dọc)

M mode thường được dùng để khảo sát những bộ phận trong cơ thể chuyển động với vận tốc cao, chẳng hạn như các van tim M mode còn được dùng để khảo sát nhịp tim

Trang 22

của thai nhi Ngoài ra nó còn được dùng để đo độ đàn hồi của thành các mạch máu ở

những bệnh nhân bị xơ vữa động mạch

I.2 Tia siêu âm hội tụ và tia siêu âm phẳng

Tia siêu âm phẳng: Phát ra từ tinh thể áp điện dạng mặt phẳng Các tinh thể này thường

được cấu tạo dạng trụ hoặc dạng khối lập phương có phân bố áp suất âm theo tia trụ

gọi là piston beam phẳng Thông thường, theo l thuyết tuyến tính, người ta giả thiết

rằng các điểm phát sóng nếu nhỏ đến mức l tưởng nghĩa là kích cỡ bằng 0 đều phát ra

sóng dạng cầu (các phương truyển sóng là giống nhau theo mọi hướng) Tuy nhiên,

trên thực tế không bao giờ có những điểm l tưởng như vậy mà phải coi rằng các phần

tử áp điện đều phát ra từ các điểm phát sóng trên mặt phẳng chứa các điểm phát sóng

và các sóng cầu này thực hiện theo luật giao thoa để tạo thành trường phân bố áp suất

âm Do trường phân bố áp suất âm này được phân bố theo dạng hình trụ tròn nên người

ta gọi nó là phân bố dạng piston Các phân bố piston này vì có dạng định hướng tia nên

người ta gọi những trường phân bố áp suất âm đó có phát sóng dạng tia

Hình 1.16 mô tả đường bao của phân bố áp suất âm của tia siêu âm phát ra từ đầu dò

siêu âm cấu tạo dạng phẳng Như hình vẽ mô tả, áp suất âm có biên độ gần như không

đổi theo chiều dọc Càng xa điểm phát, áp suất âm có xu hướng giảm do sự giao thoa

mất dần định hướng tia Nói một cách khác, càng đi xa khỏi phần tử phát tia, tia siêu

âm càng mất dần định hướng và kết quả là bán kính trụ càng tăng lên Hiện tượng này

khác với sự suy giảmgiam đã nêu trong mục trước là năng lượng của tia siêu âm có khả

năng bị hấp thụ và sự hấp thụ này làm giảm biên độ áp suất âm của tia siêu âm

Nếu coi rằng tia siêu âm dạng phẳng bị hấp thụ không đáng kể bởi các mô sinh học,

nghĩa là hệ số hấp thụ của các mô sinh học có thể bỏ qua, và các tia siêu âm cũng

không quét quá xa so với điểm phát sóng thì áp suất âm có thể được coi là không đổi

Như vậy,dựa vào sự phân biệt về trở kháng âm của từng bộ phận trong cơ thể, ảnh siêu

âm có thể phân biệt được hình thái lâm sàng dựa trên độ khác biệt về tương phản Do

các điểm phân biệt không quá cách xa nhau nên sự sai lệch về biên độ có thể được bỏ

qua

Trang 23

Hình 1.16Đường biên của phân bố áp suất âm theo chiều dọc

Những tia siêu âm piston dạng phẳng thường được sử dụng trong quét ảnh theo đường

để tạo ra ảnh B-Mode trong những công cụ y học đầu tiên sử dụng ảnh siêu âm Các

đầu dò siêu âm do đó được truyền động bằng động cơ mini để có thể trượt theo quỹ đạo

thẳng hoặc thực hiện quay tròn để quét theo dạng quạt Tuy nhiên những ảnh B-Mode

quét theo chiều sâu do đó không có độ chính xác cao

Tia siêu âm hội tụ: Phát ra từ tinh thể áp điện mặt lõm

Trang 24

Hình 1.17 Tinh thể áp điện dạng lõm và phân bố trường siêu âm

Tia siêu âm dạng hội tụ, hình ảnh quan sát nhỏ, tuy nhiên khi kết hợp nhiều tia siêu âm

dạng hội tụ dung motor chuyển động sẽ cho trường siêu âm ổn định,tín hiệu dội mạnh

dẫn đến hình ảnh rõ nét, mang đầy đủ các thông tin quan tâm

Tia siêu âm hội tụ được hình thành đối với các loại đầu dò mặt lõm, so với một

transducer tương đương (có cùng tần số và đường kính) nhưng không hội tụ, hội tụ có

tác dụng làm hẹp chùm sóng và tăng biên độ của các tín hiệu dội từ các mặt phản xạ

trên một phạm vi trục giới hạn

Tia siêu âm được hội tụ lại một vị trí theo như hình vẽ, khi đó, tại vị trí hội tụ xảy ra

hiện tượng giao thoa sóng siêu âm, năng lượng sẽ tập trung chủ yếu tại vị trí hội tụ

Tia siêu âm dh thhội tụ lại một vị trí phân bố trường siêu âm ka siêu âm dh thể áp điện

dạng lõm và dung motor chuy dh thhội tụ lại một vị trí phân bố trường siêu âm ka siêu

âm dh thể áp điện dạng lõm và giao thoa sóng siêu âm, nă

Formatted: Centered

Trang 25

Tia siêu âm hh thhội tụ lại một vị trí phân bố trường siêu mặt lõm, so với một transducer tương đương (có cùng tần số và đường kính) nhưng không hội tụ, hội tụ có tác dụng làm hẹp chùm sóng và tăng biên độ của các tín hiệu dội từ các mặt phản xạ trên một phạm vi trục giới hạn

Tia siêu âm đư th siêu âm hh thhội đối với các loại đầu dò mặt lõm, so với một transducer tương đương (có cùng tần số và đường kính) nhưng không hội tụ, hội tụ có tác dụng làm

Hình 1.18 Điểm hội tụ nằm trên trục tia siêu âm Cường độ chùm tia

(1.21) Trong đó

(1.22)

Là nghiệm của pt Bessel, Jinc(x) còn đựơc gọi là hệ số directivity

Trang 26

Độ hội tụ: độ phân giải ngang(điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) có thể cải

thiện bằng sự hội tụ (focusing) tinh thể đầu dò.Sự hội tụ giới hạn độ sâu trường gần

hiệu dụng do chùm tia phân kỳ nhanh chóng vượt qua vùng hội tụ

Vùng hội tụ đựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 3dB so

với cực đại dọc theo trục đầu dò.Vùng hội tụ gần mặt đầu dò hơn so với độ sâu trường

gần không hội tụ với các đầu dò có cùng tần số và đường kính.Vùng hội tụ có thể

không đối xứng quanh điểm hội tụ(là điểm có cường độ cực đại), chùm tia hẹp nhất tại

điểm hội tụ, cường độ chùm siêu âm tại điểm hội tụ lớn hơn so với cường độ của đầu

dò không hội tụ có cùng đường kính do mặt cắt ngang của chùm tia của đầu dò hội tụ

nhỏ hơn so với đầu không hội tụ Độ lớn cường độ được tạo ra bởi hội tụ có thể cao tới

hệ số 100

Đưng hội tụ đựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 1.19

Trong đó dđựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 3dB so v

Trong đó dđựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 3dB so

với cực đại dọc theo trục đầu dò.Vùng hội tụ gần mặt đầu dò hơn so với độ sâu trường

gầni dọc theo trục đầu dò.Vùng hội tụ gần mặt đầu dò hơn so với đh

Độ hội tụ: độ phân giải ngang(điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) có thể cải

thiện bằng sự hội tụ (focusing) tinh thể đầu dò.Sự hội tụ giới hạn độ sâu trường gần

hiệu dụng do chùm tia phân kỳ nhanh chóng vượt qua vùng hội tụ

Vùng h tụ: độ phân giải ngang(điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) có thể

cải thiện bằng sự hội tụ (focusing) tinh thể đầu dò.Sự hội tụ giới hạn độ sâu trường gần

hiệu dụng do chùm tia phân kỳ nhanh chóng vượt qua v kính.Vùng hội tụ có thể không

đối xứng quanh điểm hội tụ(là điểm có cường độ cực đại), chùm tia hẹp nhất tại điểm

hội tụ, cường độ chùm siêu âm tại điểm hội tụ lớn hơn so với cường độ của đầu dò

không hội tụ có cùng đường kính do mặt cắt ngang của chùm tia của đầu dò hội tụ nhỏ

hơn so với đầu không hội tụ Độ lớn cường độ được tạo ra bởi hội tụ có thể cao tới hệ

số 100

Đưng h tụ: độ phân giải ngang(điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) 1.19

Trong đó dộ phân giải ngang(điều quan trọng nhất trong iệt so với các vùng khác trong

không gian Đây cũng chính sẽ là điểm tạo ra sự phản xạ mạnh nhất và cho điểm sáng

nhTrong đó dộ phân tại điểm hội tụ, áp suất âm rất phân biệt so với các vùng khác

trong không gian Đâythiện đáng kể độ tương phản của ảnh siêu âm

Trục dọc%

Formatted: Normal (Web), Space Before: 0

pt, After: 0 pt

Formatted: Vietnamese Formatted: Font color: Auto, Vietnamese Formatted: Font: (Default) Times New

Roman, 13 pt

Trang 27

Hình 1.19 Đường biên của trường phân bố áp suất âm theo chiều dọcĐưnh 1.19

dộ1.19 iên của trường phân bố áp suất âm th

I.3 Sự ảnh hưởng của hình thái siêu âm tới chất lượng hình ảnh

Như đã trình bày trong các chương trước, tia siêu âm phẳng cho được lợi thế khi quét

ảnh ở chế độ B-Mode theo đường thẳng, và các ảnh thu được sẽ là mặt cắt ngang của

mô sinh học Sở dĩ có thể thực hiện được phương pháp quét theo đường với tia siêu âm

phẳng là bởi vì phân bố áp suất âm của chúng theo chiều dọc là gần như nhau Như

vậy, xét theo chiều dọc là chiều của các xung âm phản xạ và cho được biên độ phản xạ,

có thể thấy giá trị là như nhau cho nhiều lần quét liên tục ở trên cùng một vị trí, do đó,

thay vì nhiều lần quét, chuỗi xung thu được cho một lần quét có thể được sử dụng để

định dạng vị trí các điểm sáng trên 1 trục

Việc thực hiện quét theo đường do đó sẽ cho được ảnh nhanh hơn nhiều so với việc

thực hiện quét theo điểm Tuy nhiên, do các phân bố trở kháng âm của mô sinh học là

gần xấp xỉ nhau ngoại trừ xương, sỏi canxi, sỏi kali hoặc mô biểu bì cứng, nên ảnh siêu

Formatted: Font: (Default) Times New Roman Formatted: Font: (Default) Times New Roman Formatted: Font: (Default) Times New Roman

Trang 28

khăn trong chuẩn đoán bệnh, và đòi hỏi các bác sĩ cần phải được đào tạo kỹ cách đọc

hình ảnh siêu âm Cũng chính vì l do này, các phần tử trong cùng một lớp mô sinh

học không thể quan sát được một cách rõ ràng, ví dụ như các mô bất thường hoặc bị

canxi hóa

Khác với tia siêu âm phẳng, tia siêu âm hội tụ cho sự tập trung năng lượng trong một

vùng không gian xác định Điều này mang lại một thuận lợi đáng kể làm tăng mức độ

tương phản của ảnh bởi biên độ của sóng phản xạ tỷ lệ với mật độ vật chất hay trở

kháng âm của chất đó, như vậy xung tới có cường độ càng lớn thì sự phân biệt giữa 2

chênh lệch nhỏ sẽ càng phân biệt rõ hơn Nói một cách khác, lúc này độ nhạy của phép

đo sẽ được tăng lên bởi tỷ lệ tín trên tạp sẽ đã được cải thiện

Tuy nhiên, cũng do tính phân bố áp suất âm phân biệt trên một vùng xác định, điều này

cũng dẫn đến một cản trở là các tia siêu âm hội tụ khó có thể thực hiện được phương

pháp quét theo đường như đối với tia siêu âm phẳng do tại những vùng ngoài vùng hội

tụ, áp suất âm có giá trị nhỏ hơn rất nhiều, do đó, giá trị biên độ phản xạ không tương

đương với giá trị trở kháng âm thực vì vậy gây ra sai lệch về phân bố trở kháng âm Để

khắc phục điều này người ta buộc phải sử dụng thuật quét điểm Đương nhiên, việc này

bị trả giá bằng tốc độ tạo ảnh

Tuy nhiên, nếu xét ở chế độ C-Mode, là chế độ quét mà tia siêu âm chỉ quét ở một độ

sâu nhất định, thì cả 2 phương pháp dùng tia siêu âm phẳng hay tia siêu âm hội tụ đều

phải thực hiện quét điểm Như vậy tốc độ sẽ không còn là ưu thế của bất kỳ phương

pháp nào do đó, ở C-Mode, chất lượng ảnh siêu âm sẽ được tăng rõ rệt khi sử dụng tia

siêu âm hội tụ

Như đã trình bày trong các chương trưp sum phân biệt trên một vùng xác định, điều

này cũng dẫn đến một cảtheo đường thẳng, và các ảnh thu được sẽ là mặt cắt ngang của

mô sinh học Sở dĩ có thể thực hiện được phương pháp quét theo đường với tia siêu âm

phẳng là bởi vì phân bố áp suất âm của chúng theo chiều dọc là gần như nhau Như v

trình bày trong các chương trưp suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi quét ảnh ở chế

độ B-Mode theo đường thẳng, và các ảnh thu được sẽ là mặt cắt ngang của mô sinh

học Sở dĩ có thể thực hiện được phương pháp quét theo đường với tia siêu âmược sử

dụng để định dạng vị trí các điểm sáng trên 1 trục

Vihư v trình bày trong các chương trưp surưp suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi

quét ảnh ở chế độ B-Mode theo đường thẳng, và các ảnh thu được sẽ là mặt cắt ngang

của mô sinh học Sở dĩ có thể thực hiện được phương pháp quét thecứng, nên trình bày

trong các chương trưp suất âm rất phân biệt so vớét ên trình bày trong các chương trưp

suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi quét ảnh ở chế độ B-Mode theo đường thẳng, và

Trang 29

các ảnh thu được sẽ l do này, các phần tử trong cùng một lớp mô sinh học không thể

quan sát được một cách rõ ràng, ví dụ như các mô bất thường hoặc bị canxi hóa

Khác v trình bày trong các chương trưp suất âm rất phân biệt so vớét ên trình bày

trong các chương trưp suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi quét ảàm tăng mức độ

tương phản của ảnh bởi biên độ của sóng phản xạ tỷ lệ với mật độ vật chất hay trở

kháng âm của chất đó, như vậy xung tới có cường độ càng lớn thì sự phân biệt giữa 2

chênh lệch nhỏ sẽ càng phân biệt rõ hơn Nói một cách khác, lúc này độ nhạy của phép

đo sẽ được tăng lên bởi tỷ lệ tín trên tạp sẽ đã được cải thiện

Tuy nhiên, cũng do tính phân bơng trưp suất âm rất phân biệt so vớét ên trình bày

trong các chương trưp suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi quét ảàm tăng mức độ

tương phản củaheo đường như đối với tia siêu âm phẳng do tại những vùng ngoài vùng

hội tụ, áp suất âm có giá trị nhỏ hơn rất nhiều, do đó, giá trị biên độ phản xạ không

tương đương với giá trị trở kháng âm thực vì vậy gây ra sai lệch về phân bố trở kháng

âm Để khắc phục điều này người ta buộc phải sử dụng thuật quét điểm.Đương nhiên,

việc này bị trả giá bằng tốc độ tạo ảnh

Tuy nhiên, nũuy nhiên, do tại ơng trưp su trưpn, cũng do tính phân bơng trưp suội tụ,

áp suất âm có giá trị nhương pháp dùng tia siêu âm phbơng trưpia siêu âm hội tụ đều

phải thực hiện quét điểm Như vậy tốc độ sẽ không còn là ưu thế của bất kỳ phương

pháp nào do đó, ở C-Mode, chất lượng ảnh siêu âm sẽ được tăng rõ rệt khi sử dụng tia

siêu âm hội tụ

I.4 Hướng nghiên cứu

Tia siêu âm hội tụ tỏ ra có nhiều ưu điểm trong việc cải thiện chất lượng ảnh siêu âm

theo như những phân tích ở trên Do đó, nghiên cứu phân bố áp suất âm của tia siêu âm

hội tụ được ảnh hưởng bởi cấu trúc và hình thái hình học của đầu dò siêu âm là rất cần

thiết Cho đến nay, những vấn đề tương tự như thế này đã được thực hiện rất lâu trên

thế giới Tuy nhiên, tại Việt Nam, vấn đề này còn được rất ít đề cập Hầu hết các đầu

dò siêu âm đều được các hãng chế tạo máy siêu âm đặt hàng và thiết kế Các sản phẩm

về thiết bị siêu âm lại được nhập nguyên chiếc Do đó, những nghiên cứu định lượng

mô phỏng để từ đó tạo ra các công cụ thiết kế là rất cần thiết

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài này đề xuất nghiên cứu tạo ra một công cụ mô

phỏng trường áp suất âm hội tụ Đối tượng nghiên cứu là đầu dò siêu âm dạng cầu lõm

bởi đây là dạng đầu dò tạo tia siêu âm hội tụ khá phổ biến bởi nó bảo đảm tính liên tục

trong trường áp suất âm mà nó tạo ra Công cụ nghiên cứu được lựa chọn là Matlab,

một phần mềm đã được phát triển với các công cụ toán học được module hóa thành các

Trang 30

việc mô phỏng số các thông số của đầu dò sẽ được điều tra và trực quan hóa trường

phân bố áp suất âm để từ đó tìm ra một số những đặc tính tiêu biểu của ảnh hưởng hình

thái hình học của đầu dò siêu âm lên trường áp suất âm hội tụ

Thông qua phương pháp số hóa phương trình sóng, để tài kỳ vọng sẽ mở ra một công

cụ số để các ứng dụng khác có thể tiếp tục phát triển nâng cấp để hướng tới những ứng

dụng riêng Cũng dựa trên công cụ này, các thông số của đầu dò siêu âm có thể được

các kỹ sư, kỹ thuật viên nghiên cứu và định giá trị phù hợp với những ứng dụng của

mình thông qua việc mô phỏng để lựa chọn các thông số của đầu dò siêu âm hợp l

Việc tiến tới sản suất các đầu dò siêu âm là một công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao và rất

khác biệt Tuy nhiên, việc lựa chọn các đầu dò với thông số hợp l cũng là một trong

những vấn đề quan trọng của các kỹ sư ngành điện tử y sinh Do đó, công việc này

cũng sẽ đóng góp 1 phần vào nghĩa đó.Tia siêu âm hên cứu.nh phân bơng trưp su,

câm rất phân biệt so với lợi thế khi quét ảnh ở chế độ B-Mode theo ương pháp dùng tia

siêu âm phẳng hay tia siêu âm hội tụ đều phải thực hiện quét điểm Như vậy tốc độ sẽ

không còn là ưu thế của bất kỳ âm là rất cần thiết Cho đến nay, những vấn đề tương tự

như thế này đã được thực hiện rất lâu trên thế giới.Tuy nhiên, tại Việt Nam, vấn đề này

còn được rất ít đề cập Hầu hết các đầu dò siêu âm đều được các hãng chế tạo máy siêu

âm đặt hàng và thiết kế Các sản phẩm về thiết bị siêu âm lại được nhập nguyên chiếc

Do đó, những nghiên cứu định lượng mô phỏng để từ đó tạo ra các công cụ thiết kế là

rất cần thiết

Xua siêu âm hên cứu.nh phân bơng trưp su, câm rất phân biệt so với lợi thế khi quét

ảnh ở chế độ B-Mode theo ương pháp dùng tia siêu âm phẳng hay tia siêu âm hội tụ

đều phải thực hiện quét điểm Như vậy tốc độ sẽ không còn là ưu thế của bất kỳ âm là

rất ctrong trường áp suất âm mà nó tạo ra Công cụ nghiên cứu được lựa chọn là

Matlab, một phần mềm đã được phát triển với các công cụ toán học được module hóa

thành các hộp công cụ, tiện lợi trong việc số hóa các phương trình toán học phức tạp

Thông qua việc mô phỏng số các thông số của đầu dò sẽ được điều tra và trực quan hóa

trường phân bêu âm hên cứđ.nh phân bơng trưp suất âm rất phân biệt so với lợi thế khi

quét ảnh ở chế độ B-Mode theo ương pháp dùng tia siêu âm phẳng hay t

Thông qua phương pháp s phâa phương trình sóng, đs phân bơng trưp su, câm r là ưu

th ph tạp Thông qua việc mô phỏng số các thông số của đầu dò sẽ được điều tra và

trực quan hóa trường phân bêu âm hên cứđ các thông số của đầu dò siêu âm có thể

được các kỹ sư, kỹ thuật viên nghiên cứu và định giá trị phù hợp với những ứng dụng

của mình thông qua việc mô phỏng để lựa chọn các thông số của đầu dò siêu âm hợp

l Việc tiến tới sản suất các đầu dò siêu âm là một công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao và

rất khác biệt Tuy nhiên, việc lựa chọn các đầu dò với thông số hợp l cũng là một

Trang 31

trong những vấn đề quan trọngc phương trình sóng, đsừ đó tìm ra một số những đặc

tính tiêu biểu của ảnh hưởng hình thái hình

Chương II: Tổng quan về trường siêu âm h i t

II.1 Các phương pháp siêu âm hội tụ

Có 3 phương pháp chính để hội tụ sóng âm:

Đây là phương pháp xuất phát từ tưởng gợi ý từ thấu kính quang học vốn được sử

dụng để hội tụ các chùm sáng song song do đó nó có tên là “thấu kính” mặc dù sóng

âm là sóng cơ và gặp sự phản xạ rất mạnh từ vật liệu thủy tinh Khái niệm thấu kính chỉ

mang nghĩa về mặt hình tượng là một đối tượng mà sóng âm khi đi qua đó sẽ cho

phép hội tụ vào một điểm Để làm được điều này các thấu kính hội tụ thường được

thiết kế gồm những lỗ hoặc khe hở nhỏ cho sóng âm truyền qua và các đường bao của

các lỗ này được thiết kế sao cho hướng sóng âm tới về một tiêu điểm Một trong những

thấu kính âm tiêu biểu thường gặp trong đời sống hàng ngày đó là nắp đậy phía trên

micro âm thanh để tăng cường khuyếch đại âm thanh

Hình 2.1: Một thấu kính âm tiêu biểu

Các mặt bậc 2 có một thuộc tính chung, đó là luôn tồn tại một điểm trong không gian

Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.) Formatted: English (U.K.)

Trang 32

ở trên về công thức 1.3, nếu là hằng số trong khi được đặt cố định 1 giá trị nào đó,

thì những điểm phát sóng âm trên bề mặt của đầu dò hoặc nguồn phát sóng âm sẽ hội

tụ tại tâm điểm đó Tuy nhiên, các mặt cong họ parabol, elliptic, và hyperbol thường ít

được sử dụng trong thiết các đầu dò siêu âm bởi vì tiêu cự của nó thường quá ngắn so

với đường kính của nguồn phát sóng và đầu dò, điều này hạn chế nhiều trong việc triển

khai những ứng dụng từ đầu dò siêu âm hội tụ trên thực tế Ngược lại đối với chức

năng để khuyếch đại tín hiệu từ thu sóng thì những mặt cong này lại phát huy khả năng

của nó nhờ mặt anten rộng với khoảng cách đặt bộ thu sóng ngắn Trên thực tế những

đầu dò siêu âm dạng lõm rất phổ biến trong những ứng dụng y tế cũng như công

nghiệp Hầu hết chúng đều được thiết kế dựa trên mặt cầu lõm

Hình 2.2: Một đầu dò siêu âm mặt cầu lõm tiêu biểu

Xét công thức 1.3, nếu đến một điểm bất kỳ trong không gian là khác nhau bởi sự

sắp xếp các phần tử nguồn điểm phát sóng âm không tuân theo quy luật phân bố đều

khoảng cách , thì sự bù đắp sự khác biệt đó có thể sử dụng thông qua góc pha ban đầu

Như vậy, bằng cách bổ sung giá trị của thì sự khác nhau của sẽ được cân

bằng Như vậy, về mặt hiệu ứng vật l , phương pháp này tương đương như 2 phương

pháp trước với sự điều khiển pha bù trễ do khác biệt về khoảng cách gây ra Kỹ thuật

này, lần đầu tiên được ứng dụng trong thiết kế anten cho thu phát sóng điện từ được đặt

tên là mảng pha (phased-array) Phỏng theo tưởng này, các nhà sản xuất đầu dò siêu

âm cũng đề xuất phương án hội tụ sóng âm nhơ kỹ thuật mảng pha Cũng giống như kỹ

thuật anten trong sóng vô tuyến, các đầu dò mảng pha cũng được chia ra thành các

cách tử được bố trí theo một định dạng hình học nhất định và các cách tử đó được điều

Formatted: Font: (Intl) Cambria Math, English

Trang 33

khiển pha ban đầu để bù lại sự khác biệt về khoảng cách do cấu trúc hình học đó gây

ra Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh không những cả tiêu cự mà còn cả hướng của tia

sóng âm một cách hoàn toàn bằng kỹ thuật điện tử

Hình 2.3: Nguyên lý lái tia siêu âm và hội tụ sóng âm bằng kỹ thuật mảng pha

Phương pháp hội tụ sẽ tạo ra trường siêu âm ổn định, tuy nhiên phải sử dụng motor

chuyển độngh để hội tụ chùm tia

II.2 Phương trình sóng mô tả trường siêu âm

Các dạng tia siêu âm, một cách tổng quát nhất có thể được chia là 3 nhóm chính: tia

siêu âm dạng sóng phẳng, tia siêu âm phân tán, và tia siêu âm hội tụ Khi lan truyền

sóng âm trong không gian, nếu xét trên một tiết diện vô cùng nhỏ và có thể được coi là

một điểm thuộc bề mặt vật liệu áp điện của các đầu dò siêu âm, ở điều kiện l tưởng là

môi trường truyền sóng là đồng nhất và đẳng hướng, các sóng âm phát ra từ những

nguồn điểm này sẽ tạo ra những sóng truyền đi theo mọi hướng giống nhau hay còn gọi

là dạng sóng cầu được biểu diễn như sau:

Lái chùm tia%

Hội tụ chùm

Đồng bộ chùm tia%

Lái và hội tụ%

Formatted: Font: (Intl) Cambria Math, English

Roman, 13 pt

Trang 34

Trong đó là đại lượng áp suất âm, là vector tọa độ trong không gian được tính theo

các tọa độ bằng công thức √ , là hằng số đại diện cho tốc độ

truyền sóng trong môi chất, và là thời gian

Từ công thức 2.1 có thể dễ dàng giải được phương trình với nghiệm như sau:

(2.2) với là biên độ áp suất âm, được gọi là hằng số sóng trong đó là tần

số sóng, là tần số góc, và là góc pha Như vậy sóng âm cũng có biểu diễn giống

như các dạng sóng khác do đó nó cũng có những xử sự giống như với các loại sóng

khác

Một trong những đặc trưng của thuộc tính sóng là sự giao thoa.Sự giao thoa này tạo

nên những chồng chất về giá trị biên độ của sóng Đối với sóng âm, sự giao thoa mang

đến sự chồng chất về áp xuất âm vốn được sinh ra do giao động cơ của tinh thể áp

điện.Do đó, nếu có một điểm nào đó mà các áp xuất âm xuất phát từ những tinh thể áp

điện này được đồng thời lan truyền đến trong một khoảng thời gian như nhau thì tại đó

áp suất âm sẽ đạt cực đại trong khi các điểm khác sẽ có giá trị nhỏ hơn Hiện tượng này

được gọi là hội tụ chùm sóng Công thức giao thoa có thể được biểu diễn như sau:

(2.3)

Từ công thức 2.3, có thể thấy dễ dàng rằng nếu tham số góc pha và của nguồn

phát sóng sẽ quyết định giá trị của áp suất âm tổng hợp Đối với , người ta có thể

chủ động để kích hoạt các góc pha ban đầu này để chúng có cùng một giá trị do đó

công thức 2.3 dẫn đến hệ quả là giá trị sóng tổng hợp sẽ chỉ phụ thuộc vào Nếu

của tất cả các nguồn sóng đến 1 điểm đều bằng nhau trong điều kiện góc pha ban đầu

là như nhau thì tại điểm đó cường độ của sóng âm hay áp suất âm sẽ đạt cực đại

trong khi tại các điểm khác khi khoảng cách khác nhau sẽ làm giá trị trong biểu thức

dạng sin sẽ khác nhau và dẫn đến sự suy giảm áp suất âm phụ thuộc vào sự khác biệt

đó Theo luật giao thoa, nếu sự khác nhau này là bằng bội của thì sự tổng hợp sóng sẽ

có giá trị = 0 trong khi nếu sự khác biệt đó là bội số của thì sự khác biệt đó sẽ tạo ra

cực đại của sóng tổng hợp

Mỗi một đầu dò hay nguồn phát sóng âm đều có một hằng số đàn hồi dẫn đến cộng

hưởng để phát ra các sóng âm và có phân bố áp suất âm khác nhau Để mô hình hóa

Định dạng
Số trang	68
Dung lượng	4,04 MB