Dịch vụ SMS banking tại ngân hàng vietinbank

Sự tương tác chính được quan tâm tới trong siêu âm chẩn đoán là phản xạ.Nếu một chùm sóng âm được hướng tới dưới một góc vuông gọi là sự tới thẳnggóc tới một mặt phẳng chẳng hạn đường ba

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và đã được ứng dụng trong nhiềulĩnh vực như: công nghiệp, dân dụng và y học Ví dụ trong công nghiệp người ta sửdụng siêu âm để thăm dò các khuyết tật trong các mối hàn kim loại hay để đánhsạch bề mặt vật liệu, còn trong dân dụng có thể sử dụng siêu âm để tìm luồng cátrong biển Tuy nhiên lĩnh vực em xin đề cập ở đây là vấn đề ứng dụng siêu âmtrong y học Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong y học cho mục đích chẩn đoán vàđiều trị Đặc điểm của siêu âm trong y học là chúng không có tác động xấu đến cơthể con người như trong X-Quang hay phóng xạ hạt nhân Chính vì thế mà siêu âm

đã và ngày càng chiếm một lĩnh vực quan trọng trong y học chẩn đoán và điều trị.Đồng thời do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số đã mở rộng khả năng ứngdụng của siêu âm chẩn đoán và chất lượng hình ảnh siêu âm ngày càng cao

Ở nước ta ngày nay các bệnh viện từ tuyến huyện đã được trang bị các thiết

bị siêu âm Ở các bệnh viện lớn cũng đã đưa vào sử dụng các máy siêu âm 3D chophép tạo ảnh không gian ba chiều rõ nét có tác dụng đặc biệt trong thăm khám thainhi

Tuy nhiên sự hiểu biết và khai thác thiết bị siêu âm còn có nhiều hạn chế dochúng ta gần đây mới đưa vào đào tạo các kỹ sư về chuyên nghành Điện tử y sinhchưa đủ cung cấp cho các bệnh viện hay các nghành khác có liên quan, đồng thờithiết bị siêu âm được đưa vào với mục đích chẩn đoán ngày càng nhiều Xuất phát

từ thực tế như vậy em đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung là: “Siêu âm chẩn đoán Doppler” với hy vọng cùng các đồ án tốt nghiệp của các bạn làm tài liệu

tham khảo cho các bác sỹ, kỹ sư hay các kỹ thuật viên đang làm việc trong các bệnhviện hay các chuyên nghành có liên quan

Nội dung đồ án gồm bốn chương:

Chương 1: Cơ sở kỹ thuật siêu âm

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy siêu âm

Chương 3: Hệ thống siêu âm chẩn đoán HDI 4000

Chương 4: Quy trình vận hành kiểm tra sửa chữa và an toàn đối với thiết bịchẩn đoán HDI 4000

Em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn ĐứcThuận đã tận tình hướng dẫn và động viên em trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp

Em cũng xin cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điện tử y sinh và các bạn trong lớp

đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 9

CƠ SỞ KỸ THUẬT SIÊU ÂM 9

1.1 Cơ sở vật lý siêu âm 9

1.1.1 Bản chất của sóng âm 9

1.1.2 Phân loại sóng âm 10

1.1.3 Các tính chất của sóng siêu âm 11

1.1.4 Tương tác của siêu âm với mô 14

1.1.5 Hiệu ứng Doppler và các kỹ thuật siêu âm Doppler 22

1.1.6 Ứng dụng của siêu âm trong y tế 24

1.2 Cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm 29

1.2.1 Cơ sở tạo sóng siêu âm 29

1.2.2 Cấu tạo đầu dò siêu âm dùng tinh thể áp điện 32

Hình 1.27 Sự cộng hưởng trong tinh thể 34

1.2.3 Các phương pháp quét của đầu dò siêu âm 35

1.3 Phương pháp hiển thị cơ sở của máy siêu âm 35

Chương 2 38

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY SIÊU ÂM 38

2.1 Máy quét chế độ A 38

2.1.1 Hiển thị tín hiệu dội 38

2.1.2 Các thành phần của hệ thống 40

2.1.3 Các ứng dụng 43

2.2 Máy quét chế độ B 43

2.2.1 Định dạng ảnh 43

2.2.2 Các yêu cầu quét 45

2.3 Máy quét thời gian thực 48

Chương 3 57

HỆ THỐNG SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN HDI 4000 57

3.1 Tổng quan hệ thống siêu âm HDI 4000 57

3.1.1 Giới thiệu chung 57

3.1.2 Đặc điểm kỹ thuật 60

3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị 64

3.2.1 Cấu trúc của hệ thống 65

3.2.2 Hoạt động của hệ thống 66

3.2.3 Chức năng, hoạt động của các khối 66

3.3 Vị trí một số khối của hệ thống siêu âm HDI 4000 86

3.3.1 Panel vào ra 86

3.3.2 Vị trí các bảng mạch chính của hệ thống 87

Chương 4 89

QUY TRÌNH VẬN HÀNH KIỂM TRA SỬA CHỮA VÀ AN TOÀN ĐỐI VỚI

THIẾT BỊ CHẨN ĐOÁN HDI 4000 89

4.1 Tác dụng sinh học và sự an toàn của thiết bị siêu âm chẩn đoán 89

4.1.1 Năng lượng chùm tia và cường độ chùm tia 89

4.1.2 Tác dụng sinh học của sóng siêu âm 91

4.1.3 Sự an toàn của các thiết bị siêu âm chẩn đoán và những khuyến cáo 91

4.2 Các chú ý an toàn khi tiến hành bảo dưỡng kiểm tra thiết bị siêu âm chẩn đoán HDI 4000 92

4.2.1 An toàn đối với máy móc 92

4.2.2 An toàn về điện 92

4.2.3 Các biểu tượng an toàn 93

4.3 Thực hiện điều chỉnh quá trình vận hành của máy 94

4.3.1 Thực hiện quá trình khởi tạo và kiểm tra màn hình 95

4.3.2 Thực hiện và kiểm tra chế độ tạo ảnh 2D 97

4.3.3 Thực hiện chế độ tạo ảnh 3D 99

4.4 Một số vấn đề về sửa chữa thiết bị siêu âm HDI 4000 100

4.4.1 Một số quy tắc trong sửa chữa 100

4.4.2 Một số hiện tượng thường gặp và cách khắc phục 103

4.4.3 Kiểm tra cầu chì 110

4.4.4 Kiểm tra nhiễu điện từ EMI và nhiễu radio RFI 111

KẾT LUẬN 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 113

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dao động sóng âm 9

Hình 1.2 Sóng dọc và sóng ngang 10

Hình 1.3 Biểu đồ dải tần số sóng âm 10

Hình 1.4 Bước sóng 13

Hình 1.5 Sự phản xạ bởi sóng âm tới mặt phẳng lớn hơn dưới một góc vuông 14

Hình 1.6 Sự phản xạ và khúc xạ 15

Hình 1.7 Hiện tượng tán xạ với sóng tán xạ phát ra theo tất cả các hướng 16

Hình 1.8 Sự mở rộng của một chùm tia từ một nguồn nhỏ 17

Hình 1.9 Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ 17

Hình 1.10 Quan hệ độ suy giảm - tần số với các loại mô khác nhau 19

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm 19

Hình 1.12 Giao thoa giữa hai sóng từ hai nguồn điểm của cảm biến phẳng 20

Hình 1.13 Mặt sóng và hình dạng chùm tia tạo ra bởi sóng phẳng đi qua khe hở 20

Hình 1.14 Hình dạng chùm tia siêu âm 21

Hình 1.15 Năng lượng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới hạn bởi một bề mặt 21

Hình 1.16 Doppler liên tục 22

Hình 1.17 Doppler xung 23

Hình 1.18 27

a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh X quang trong chẩn đoán 27

b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tượng khảo sát với môi trường xung quanh 27

Hình 1.20 Ứng dụng hiệu ứng Doppler trong đo tốc độ dòng máu 29

Hình 1.21 Phương pháp tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo 30

Hình 1.22 Hiệu ứng áp điện 31

Hình 1.23 Phát và thu sóng siêu âm 31

Hình 1.24 Phương pháp thu sóng siêu âm 32

Hình 1.25 Phương pháp hiển thị ảnh siêu âm 32

Hình 1.26 Cấu trúc đầu dò 33

Hình 1.27 Sự cộng hưởng trong tinh thể 34

Hình 1.28 Đường đi của xung siêu âm giữa cảm biến và mặt phản xạ 35

Hình 1.29 Tín hiệu phản hồi từ các mặt phản xạ có độ sâu khác nhau 36

Hình 1.30 Xung giải điều chế các mặt phản xạ giống nhau ở độ sâu khác nhau 36

Hình 1.31 Hiển thị A-Scan không có và có bộ AGC 37

Hình 2.1 Đường đi của xung giữa cảm biến và mặt phản xạ 39

Hình 2.2 Đường đi của xung giữa hai mặt phản xạ 39

Hình 2.3 Quét hình chế độ A và hiển thị 39

Hình 2.4 Sơ đồ khối máy quét chế độ A 40

Hình 2.5 Đầu ra khối tạo tín hiệu PRF 40

Hình 2.6 Nguyên lý làm việc bù suy giảm theo thời gian 42

Hình 2.7 Hển thị chế độ A khi TGC tắt (a) và khi TGC mở (b) 42

Hình 2.8 ứng dụng lâm sàng của máy quét chế độ A 43

Hình 2.9 So sánh màn hình chế độ A và B 44

Hình 2.10 Quét hình chế độ B kết hợp 45

Hình 2.11 Sơ đồ khối máy quét chế độ B 45

Hình 2.12 Máy quét chế độ B Máy quét chế độ A cơ bản được cải biến thêm bao gồm cần quét, máy phát định vị và màn hình lưu trữ 47

Hình 2.13 Sơ đồ khối máy siêu âm chế độ B hiển thị CRT 48

Hình 2.14 Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng tuyến tính 51

Hình 2.15 Nguyên lý làm việc của đầu dò Convex 53

Hình 2.16 Nguyên lý làm việc của đầu dò mảng pha 54

Hình 2.17 Sơ đồ khối máy siêu âm cơ bản 55

Hình 3.1 Hình ảnh tổng quan của máy siêu âm HDI 4000 58

Hình 3.2 Sơ đồ panel điều khiển và bàn phím đẩy kéo 58

Hình 3.3 Sơ đồ núm nút trên Panel điều khiển 59

Hình 3.4 Sơ đồ khối của hệ thống siêu âm HDI 4000 68

Hình 3.5 Sơ đồ đường dữ liệu giữa các khối 69

Hình 3.5 Sơ đồ khối lựa chọn đầu dò 70

Hình 3.6 Bộ tạo chùm tia BF0-BF3 72

Hình 3.7 Sơ đồ khối chức năng của bộ xử lý tín hiệu Doppler 73

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ xử ký tín hiệu số DSP PCB 77

Hình 3.9 Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi quét số 78

Hình 3.10 Sơ đồ khối cung cấp tín hiệu Video 80

Hình 3.11 Sơ đồ khối cung cấp tín hiệu âm thanh 81

Hình 3.12 Sơ đồ phân phối cáp nguồn 83

Hình 3.13 Sơ đồ khối nguồn cung cấp 85

Hình 3.14 Panel kết nối vào ra phía sau 87

Hình 3.15 Vị trí các bảng mạch chính 87

Hình 3.16 Vị trí của bộ lựa chọn điện cực 88

Hình 3.17 Chi tiết về front care cage 88

Hình 4.1 Phân loại cường độ theo thời gian: 90

Hình 4.2 Vị trí nút nguồn của hệ thống 95

Hình 4.3 Màn hình khởi động 96

Hình 4.4 Màn hình CONTRACT 97

Hình 4.5 Màn hình BRIGHTNESS 97

Hình 4.6 Màn hình MAIN MENU 97

Hình 4.7 Màn hình SETUP 101

Hình 4.8 Màn hình sau khi kích Diagnostics 101

Hình 4.9 Màn hình sau kích Service Diagnostics 102

Hình 4.10 Danh sách các mục chẩn đoán 102

Hình 4.11 Kết qủa hiển thị khi ta chọn System Enviroments 103

Hình 4.12 Minh hoạ động tác tháo lắp cầu chì 110

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc tính của các môi trường khác nhau 12

Bảng 3.1: Đặc điểm vật lý của hệ thống và giới hạn 63

Bảng 3.3: Giới hạn nhiệt độ độ ẩm của thiết bị 64

Bảng 3.5 đưa ra điện áp đầu ra của nguồn cung cấp 84

Bảng 4.1 Dải cường độ siêu âm của một số thiết bị siêu âm chẩn đoán 90

Bảng 4.2 Một số hỏng hóc thường gặp và cách khắc phục 103

Bảng 4.3 Lỗi khởi động hệ thống và cách khắc phục 105

DANH SÁCH CÁC T VI T T T Ừ VIẾT TẮT ẾT TẮT ẮT

EFOV Extended field of view Siêu âm thời gian thực tới trường nhìn mở rộng

ESD Electrostatic discharge Phóng điện các vật được mạ điện

Chương 1

CƠ SỞ KỸ THUẬT SIÊU ÂM

1.1 Cơ sở vật lý siêu âm.

1.1.1 Bản chất của sóng âm.

Trong vật lý phổ thông chúng ta đã biết những dao động cơ lan truyền trongmôi trường đàn hồi (rắn, lỏng, khí) được gọi là những sóng cơ Chúng ta coi môitrường đàn hồi gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường cácphần tử môi trường dao động quanh những vị trí cân bằng bền, nhưng khi có ngoạilực tác dụng lên một phần tử nào đó của môi trường thì nó làm cho phần tử này rờikhỏi vị trí cân bằng bền Tuy nhiên do tương tác với các phần tử xung quanh nênmột mặt phần tử này chịu lực tác động của các phần tử xung quanh kéo về vị trí cânbằng bền, một mặt nó lại tác động tới các phần tử xung quanh làm các phần tử nàycũng thực hiện dao động Kết quả là có dao động cơ lan truyền trong môi trườngđàn hồi, dao động đó gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ

Hình 1.1 Dao động sóng âm.

Đặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trường vật chất

là sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình vậnchuyển vật chất trong môi trường Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồnsóng, phương truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trườngsóng

1.1.2 Phân loại sóng âm.

Người ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc Sóng ngang làsóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng Thídụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu Sóng dọc là sóng màphương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng Thí dụ: khi tanén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xochính là sóng dọc Âm thanh là một dạng sóng dọc Sóng dọc truyền được trongchất rắn, lỏng và khí

Hình 1.2 Sóng dọc và sóng ngang.

Toàn bộ dải tần số của sóng âm được chia thành 3 vùng chính:

- Sóng âm tần số cực thấp (Infrasound): Đây là dải tần số dưới ngưỡng nghe thấygọi là vùng hạ âm f < 16 Hz

- Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): Với sóng âm trong dải tần số f = 16

Hz đến 20 KHz

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20 KHz.

Hình 1.3 Biểu đồ dải tần số sóng âm.

1.1.3 Các tính chất của sóng siêu âm.

Ở hai phần trên, ta thấy sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà conngười không thể nghe được , tần số của chúng > 20000Hz Và như thế sóng âm nóichung và sóng siêu âm nói riêng không phải là bức xạ điện từ như ánh sáng hoặc tia

X Bức xạ điện từ bao gồm các trường điện và từ thay đổi hợp với nhau một gócvuông và chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng, tuy nhiên sựtruyền âm trong chân không là không thể vì ở đó không có các phần tử để truyềndao động

Dao động siêu âm được đặc trưng bởi các tham số sau đây:

a) Vận tốc sóng

Vận tốc sóng là quãng đường sóng truyền đi được sau một đơn vị thời gian.Trong lý thuyết đàn hồi, người ta có chứng minh được trong môi trường đẳnghướng, vận tốc sóng dọc bằng:

: tỷ khối của môi trường còn gọi là khối lượng riêng của môi trường hay mật độmôi trường, là khối lượng các hạt môi trường trên một đơn vị thể tích Khi tỷ khốităng thì có nhiều số lượng các hạt chứa trong một thể tích đã cho, các hạt với sốlượng lớn hơn sẽ yêu cầu lực lớn hơn để tạo ra chuyển động phân tử, và cũng cầnmột lực lớn hơn để dừng chúng lại Vì vậy nếu xét trên cơ sở tỷ khối thì ta thấy tốc

độ siêu âm trong xương (tỷ khối cao) sẽ thấp hơn trong không khí (tỷ khối thấp)



 1 : gọi là suất đàn hồi (suất Young)

Từ công thức trên ta thấy nếu tăng tỷ khối mà hệ số đàn hồi giữ không đổi thìtốc độ âm thanh sẽ giảm Hệ số đàn hồi và tỷ khối của một môi trường cụ thể lạiphụ thuộc lẫn nhau, sự thay đổi tỷ khối thường đi đôi với sự thay đổi khả năng néngiảm thể tích và ngược lại Tuy nhiên khả năng nén giảm thể tích thay đổi rất nhanh,nên nó trở thành yếu tố ảnh hưởng lớn trong công thức (1.1) Tổng kết chúng ta thấy

rằng khi tỷ khối tăng tốc độ âm thanh đi qua môi trường cũng tăng, dù có ngoại lệsong đối với các đối tượng chụp siêu âm (không khí, phổi, mỡ, mô mềm, xương) thìđiều trên vẫn đúng Bảng 1.1 đưa ra tốc độ âm thanh trong một số tổ chức của cơthể.

Bảng 1.1 Đặc tính của các môi trường khác nhau.

Vật liệu Tỷ khối(kg / m3) Tốc độ âm

thanh(m / s)

Trở kháng âm(

s m

Theo bảng ta thấy tốc độ âm thanh trong không khí là 330m/s, trong xương

là 4080m/s Xương có tỷ khối cao hơn không khí nhưng khả năng nén là yếu tốchính để phát hiện mối tương quan giữa các tốc độ âm, do xương có khả năng nénkém hơn không khí, nên vận tốc âm thanh trong xương cao hơn trong không khí.b) Chu kỳ và tần số

Chu kỳ là thời gian thực hiện một dao động, đơn vị là giây (s)

Tần số là số chu kỳ thực hiện trong 1s, đơn vị là Hz

Giữa tần số và chu kỳ có quan hệ như sau:

v  /



v

Trở kháng âm có đơn vị là rayl Bảng 1.1 đã chỉ ra trở kháng âm của một số

môi trường sinh học

e) Hệ số suy giảm âm

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng làm suy giảm sóng siêu âm của mộtchất đồng nhất Để minh hoạ hiện tượng hấp thụ của sóng âm trong môi trường chất

ta xét mẫu vật dày 1cm (L=1), trong đó công suất ra bằng 1/2 năng lượng khi đi vàomôi trường Hệ số suy giảm  được xác định bằng 10 lần logarit cơ số 10 của tỉ sốcông suất ra Pe so với công suất tới Pt, tất cả chia cho quãng đường siêu âm đi quaL:

L P

P t

e)log(

định hệ số hấp thụ thông qua biên độ sóng âm tới và sóng âm đi ra khỏi môi trường.Như đã biết, công suất tỉ lệ với bình phương biên độ nên ta có:

L A

A t

e)log(

10



1.1.4 Tương tác của siêu âm với mô.

Trong siêu âm chẩn đoán hình ảnh ta thu nhận được chủ yếu dựa trên nănglượng phản xạ chứ không phải năng lượng truyền qua như trong chụp X quang chẩnđoán Đầu dò làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm sau đó phát hiện ra năng lượng phản

xạ Một sóng siêu âm được định hướng chiếu thẳng tới cơ thể để tương tác với mô.Kết quả của tương tác này được ghi lại cho chẩn đoán dưới dạng các sóng siêu âmphản xạ Các loại tương tác này xảy ra tương tự với sóng ánh sáng được quan sát là:phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, giao thoa, hấp thụ

a) Sự phản xạ và khúc xạ của sóng âm.

Sự tương tác chính được quan tâm tới trong siêu âm chẩn đoán là phản xạ.Nếu một chùm sóng âm được hướng tới dưới một góc vuông (gọi là sự tới thẳnggóc) tới một mặt phẳng (chẳng hạn đường bao quanh các mô khác nhau) lớn hơn bềdày của chùm tia, nó sẽ phản xạ một phần ngược lại nguồn âm (hình 1.5) Các mặtphân cách này gọi là mặt phản xạ, chịu trách nhiệm tạo ảnh các bộ phận chính đượcquan sát trong siêu âm chẩn đoán Cơ hoành và màng tim là các ví dụ của các mặtphản xạ

Hình 1.5 Sự phản xạ gây bởi sóng âm tới mặt phẳng lớn hơn

dưới một góc vuông.

Bây giờ chúng ta xét sự truyền sóng âm trong môi trường đồng nhất và đẳnghướng, khi đó sóng âm sẽ truyền thẳng Khi gặp mặt phân cách đủ lớn () giữahai môi trường có trở kháng âm khác nhau, tức là có vận tốc truyền âm khác nhau,

sóng âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lượng sóng âm

sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai

Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác nhau của trở kháng

âm Z giữa hai môi trường Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:

2

1 2

1 2

cos.cos

cos.cos

.Pr

i t

Z Z

Z Z

Pr: biên độ áp lực của sóng phản xạ

Pi: biên độ áp lực của sóng tới

Z1, Z2: trở kháng âm của hai môi trường

Hình 1.6 Sự phản xạ và khúc xạ.

Sau đây ta sẽ xem xét một số trường hợp đặc biệt:

+ Tia tới vuông góc với mặt phân cách: i = r =0, cosi = cosr = 1 Khi đó

hệ số phản xạ của mặt phân cách được tính theo công thức:

2

1 2

1 2

Z Z

+ Tia tới tạo một góc i  0 Theo định luật phản xạ ta có góc phản xạ bằnggóc tới i = r Sóng truyền tiếp lúc này không còn cùng hướng với sóng tới và tạomột góc t  i, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ t phụ thuộcvào tốc độ truyền âm (c1, c2) trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:

sint = (c2/ c1)  sini (1.9)+ Chúng ta xét một trường hợp đặc biệt nữa với giả thiết là môi trường thứhai có c 2 c1.Thế thì theo công thức (1.9) ta thấy sint sini, trong điều kiện các

góc t,i 900 ta suy ra  t i Vậy bây giờ ta tăng i thì t cũng tăng, giả sử khi

ta tăng i tới một giá trị *

b) Sự tán xạ sóng âm.

Một tương tác quan trọng khác giữa siêu âm và mô là sự tán xạ Sự tán xạxảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn so với bước sóng, hoặc bề mặt khôngđồng đều Khi có sự tán xạ thì mỗi mặt phân cách hoạt động như là một nguồn âmmới, và âm được phản xạ theo tất cả các hướng, và chỉ một phần nhỏ năng lượngsiêu âm đến được đầu dò Mặc dù việc thu nhận các tia tán xạ rất khó khăn, nhưngchúng có lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và rất quan trọngtrong đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ như độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ hayvách liên thất

Hình 1.7 Hiện tượng tán xạ với sóng tán xạ phát ra theo tất cả các hướng c) Sự nhiễu xạ.

Nhiễu xạ là hiện tượng gây ra chùm siêu âm bị phân ra hoặc trải ra khi cácsóng ra xa khỏi nguồn âm (hình 1.8) Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ của nguồn

âm giảm Nhiễu xạ cũng xảy ra sau khi chùm tia với mặt sóng phẳng đi qua khe hởnhỏ một khoảng bước sóng Do sóng bị chặn ở mọi nơi trừ khe hở nên khe hở hoạtđộng như một nguồn âm nhỏ và chùm tia phân kỳ một cách nhanh chóng như chỉ ra

ở hình 1.9

Hình 1.8 Sự mở rộng của một chùm tia từ một nguồn nhỏ.

Hình 1.9 Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi qua lỗ nhỏ.

e) Sự hấp thụ.

Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường Mọidạng tương tác (phản xạ, tán xạ, khúc xạ hay phân kỳ) đều làm giảm cường độchùm siêu âm bởi sự định hướng lại năng lượng của chùm Sự hấp thụ là quá trình

mà năng lượng siêu âm được chuyển sang dạng năng lượng khác chủ yếu là nhiệt.Với tính chất này siêu âm có thể được sử dụng trong y tế để chữa bệnh (vật lý trịliệu)

Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan tới tần số, tới tính nhớt và thời gianhồi phục của môi trường Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phần tử quay trởlại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay chính xác hơn là lực tác động trở lạitrạng thái ban đầu Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phần tử quaytrở về vị trí ban đầu trước khi đợt sóng tiếp theo đến, còn khi thời gian hồi phục dàithì có thể khi các phần tử đang trở về vị trí ban đầu thì đợt sóng khác lại tác độngvào chúng nên cần nhiều năng lượng lớn để dừng và chuyển hướng các phần tử và

do đó sinh ra nhiều nhiệt hơn

Khả năng của các phần tử chuyển động qua một phần tử khác xác định độnhớt của môi trường, độ nhớt cao sẽ hạn chế dòng phân tử Tần số cũng ảnh hưởnglớn đến sự hấp thụ và quan hệ với cả độ nhớt lẫn thời gian hồi phục Nếu tần số tăngcác phần tử dao động càng nhiều và tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theocủa ma sát (nhớt) Mặt khác khi tần số tăng thì thời gian cho các phân tử quay vềtrạng thái cũ trong quá trình hồi phục ít hơn, các phần tử vẫn tiếp tục chuyển độngcần nhiều năng lượng để dừng và định hướng lại nên hấp thụ nhiều hơn

f) Sự suy giảm.

Khi đi qua môi trường đồng nhất, cường độ siêu âm giảm dọc theo đườngtruyền Sự mất mát về biên độ này gọi là độ suy giảm Độ suy giảm là kết quả của

ba quá trình: sự phân kỳ, sự hấp thụ, và sự tán xạ Khi đi vào môi trường, tia có thể

mở rộng hoặc phân kỳ nên năng lượng sẽ lan truyền ra một diện tích rộng hơn theoquá trình tia truyền qua môi trường, và do đó năng lượng trên một đơn vị diện tíchgiảm xuống Với các loại mô khác nhau thì sự suy giảm cũng khác nhau như chỉ ra

ở hình vẽ sau:

Hình 1.10 Quan hệ độ suy giảm - tần số với các loại mô khác nhau.

Tần số càng cao sự suy giảm càng lớn như chỉ ra ở hình vẽ sau:

Hình 1.11 Ảnh hưởng của tần số đến sự suy giảm.

g) Hình dạng chùm tia siêu âm.

Vì sóng siêu âm là sóng cơ học nên nó đúng với hiện tượng giao thoa vànguyên lý Huyghen

Nguyên lý Huyghen phát biểu như sau: tất cả các điểm trên một mặt sóngđều là những nguồn phát xạ sóng mặt cầu Điều này có nghĩa là tại một điểm nào đósóng sẽ được tính bằng tổng tất cả các sóng con của các điểm nằm trên mặt sóng Ví

dụ, trường siêu âm ở vùng xa của một khe hở được chiếu bởi sóng siêu âm phẳngnhư chỉ ra trên hình 1.12:

Hình 1.12 Giao thoa giữa hai sóng từ hai nguồn điểm của cảm biến phẳng.

sẽ được tính bằng cách cộng tất cả các trường siêu âm tạo ra bởi mỗi điểm nằm trênkhe hở Trên hình chỉ ra các sóng con của hai nguồn điểm trên khe hở Sẽ xảy rahiện tượng giao thoa cộng tại những điểm mà các mặt sóng con trùng nhau Nếutính tổng của tất cả các điểm như thế ta sẽ có dạng mặt sóng tạo ra từ khe hở nhưtrên hình 1.13

Hình 1.13 Mặt sóng và hình dạng chùm tia tạo ra bởi sóng phẳng đi qua khe hở.

Có thể thấy rằng mặt sóng tiếp tục phẳng khi ở gần khe hở và lồi dần khi đi

ra xa làm cho chùm tia dần bị phân kỳ Vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ phụthuộc vào tỉ số giữa kích thước của khe hở và độ dài bước sóng Áp dụng đối vớimặt sóng phát ra từ bề mặt cảm biến của đầu dò siêu âm ta thấy khi tỉ số giữa đườngkính của cảm biến D (khẩu độ) và độ dài bước sóng tăng thì khoảng cách từ cảmbiến đến vị trí mà chùm tia bắt đầu phân kỳ sẽ tăng đồng thời độ phân kỳ giảm

Hình 1.14 Hình dạng chùm tia siêu âm.

Áp dụng nguyên lý Huyghen người ta tính được sự thay đổi của cường độchùm tia xuất phát từ cảm biến Ví dụ với dạng chùm tia siêu âm của cảm biến dạngđĩa mỏng có khẩu độ là D Trong trường hợp này hầu hết năng lượng chùm tia nằmtrong bề mặt: hình trụ với vùng gần, hình nón với vùng xa (như chỉ ra ở hình 1.15)

Hình 1.15 Năng lượng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới

ra Trường hợp nguồn âm đi ra xa người quan sát, người đó nhận được tần số thấphơn tần số của nguồn phát Tấn số f' nhận được theo công thức sau:

v c

c f c v

f f







1

'

(1.12)

Dấu “-” xảy ra khi người quan sát tiến lại gần nguồn phát âm, dấu “+” xảy ra khingười quan sát đi ra xa nguồn phát âm

Trong đó f là tấn số nguồn phát, c là tốc độ âm trong môi trường, v là tốc

độ âm so với người quan sát

b) Các kỹ thuật siêu âm Doppler.

Có hai kỹ thuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm là

kỹ thuật Doppler liên tục và kỹ thuật Doppler xung

*) Kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục (continuous wave)

Hình 1.16 Doppler liên tục.

Đối với kỹ thuật siêu âm Doppler liên tục người ta sử dụng hai tinh thể trongđầu dò, một cho truyền sóng với tần số không đổi một cách liên tục và một chonhận các tín hiệu phản xạ một cách liên tục Nhược điểm của kỹ thuật này là khôngnhận biết được vị trí điểm phản xạ, nhưng bù lại Doppler liên tục có thể đo đượcnhững vận tốc lớn.

c

v f

d

cos 2

Ứng với mỗi vị trí lấy mẫu được chọn, khoảng thời gian cho xung đi và vềxác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung Do vậy độ lặp lại của cácchuỗi 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 độ lệch tần sốDoppler f d, Doppler xung có thể nhận biết được vị trí dòng chảy song lại có mộtnhược điểm là bị hạn chế trong việc đo dòng chảy tốc độ cao do xuất hiện hiệu ứngliên kết.

Sự kết hợp Doppler xung và hình ảnh siêu âm hai chiều là khả thi, hình siêu

âm hai chiều cung cấp thông tin về cấu trúc giải phẫu học và dùng để đặt vị trí vàkích thước lấy mẫu, còn Doppler xung cung cấp thông tin về dòng chảy là phầnchuyển động hiện diện trong cấu trúc giải phẫu cần khảo sát; sự kết hợp để bổ sungthông tin lẫn nhau này gọi là Duplex Sonography Như vậy các thiết bị SonoGraphycho phép biết được hướng dòng chảy, so với chùm tia siêu âm và góc hợp giữa trụcchùm tia và hướng dòng chảy, từ đó tính được tốc độ dòng chảy

1.1.6 Ứng dụng của siêu âm trong y tế.

Ứng dụng siêu âm trong điều trị.

Do siêu âm có tần số rất lớn ( >20.000 Hz, bước sóng nhỏ) nên khi lan truyền

ít bị nhiễu xạ, truyền tương đối thẳng và ta có thể tạo ra chùm siêu âm hội tụ lênnhững vị trí cần thiết bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm Khi truyền quamôi trường, do môi trường có ma sát và hấp thụ nhiệt nên cường độ của siêu âm

giảm theo quy luật:

x e I

I  

Trong đó: Io là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường, I là cường độ lúc rakhỏi môi trường; x là chiều dày của môi trường,  là hệ số hấp thụ của môi trường,

e là cơ số lôgarit tự nhiên bằng 2,71828

Qua thực nghiệm người ta thấy  tỉ lệ với bình phương tần số f của âm, lậpphương vận tốc và tỉ lệ nghịch mật độ môi trường:





3 2

Do không khí có tỷ khối thấp nên siêu âm bị hấp thụ nhiều trong không khí,đồng thời do mặt phân giới giữa môi trường nào đó với môi trường không khí phản

xạ nhiều sóng siêu âm nên khi điều trị hoặc chẩn đoán dùng siêu âm người ta phải

để đầu phát siêu âm sát da và ở trên da phải bôi một lớp gen điện cực Sự hấp thụ

năng lượng siêu âm của môi trường thể hiện bằng sự tăng nhiệt độ Lợi dụng đặctính này người ta dùng siêu âm làm giãn các mạch máu ngoại biên để tăng cườngtính thẩm thấu của tế bào biểu bì, do đó có tác dụng chống viêm Lúc qua mặt phângiới giữa hai môi trường, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này Sức ép tỉ lệ thuận vớinăng lượng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm2 Vì vậy khi nhúng đầuphát siêu âm vào nước, siêu âm có thể làm nước bắn lên cao tới vài cm Nhờ có sức

ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách xoa bóp tế vi, mộttác dụng rất quí trong điều trị chứng viêm tế bào

Siêu âm là sóng dọc, khi truyền nó làm biến dạng nén giãn môi trường: có vịtrí mật độ môi trường lớn vì các phần tử bị ép lại; có vị trí mật độ môi trường nhỏ vìcác phần tử giãn cách nhau xa Khi công suất máy phát lớn, tại nơi mật độ môitrường lớn, áp suất nén có thể tới hàng vạn atmôtphe; còn tại nơi mật độ nhỏ cácphần tử bị giãn ra với "áp suất giãn" có trị số tương tự Lực giãn các phân tử nhưvậy đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử, môi trường khi ấy tự đứt và tạo thành

lỗ vi mô Nếu quá trình này xảy ra trong nước thì những lỗ này sẽ bị hơi nước hoặccác khí hoà tan choán đầy Do hiện tượng tạo thành lỗ, các tế bào sống đặc biệt làhồng cầu có thể bị vỡ Trong y học dùng hiện tượng tạo thành lỗ để chống đôngmáu

Vì siêu âm truyền qua được các mô trong cơ thể, làm cho các tế bào bị chấnđộng, cơ thể hấp thu của siêu âm một nhiệt lượng đáng kể nên người ta dùng nó đểchữa một số bệnh, chẳng những ở ngoài da mà còn cả ở bên trong cơ thể

Những bệnh chữa bằng siêu âm có hiệu quả nhất là các chứng đau các dây thần kinh, đặc biệt là dây thần kinh toạ, thấp khớp…

Ta cần chú ý rằng siêu âm với tần số thường dùng cao ( >100.000 Hz) chỉqua một lớp không khí mỏng đã bị ngăn lại, do đó người ta thường bôi gen lên da đểlàm môi trường trung gian giữa da và đầu phát siêu âm thay cho không khí Lưu ýkhông dùng siêu âm điều trị cho những người đang có thai, đang bị lao, bị sốt và ởtrẻ em Gần đây người ta đã bắt đầu dùng những sóng siêu âm có cường độ lớn (1,4

x 107W/m2) để phá hủy các tổ chức bệnh trong sâu như sỏi thận, u tuyến,.v.v

Ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán.

Siêu âm được ứng dụng vào chẩn đoán bệnh là nhờ các đặc điểm sau:

* Có thể tạo ra chùm siêu âm song song hoặc hội tụ vào một khoảng nhỏ, hoặc phân

* Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùngcho phụ nữ có thai, thai nhi đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần

Trên thực tế dùng siêu âm trong chẩn đoán theo 2 hướng chính sau:

Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm:

Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh như sau:

a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh X quangtrong chẩn đoán (hình 1.18a)

Áp dụng nguyên lý này vào chẩn đoán, người ta còn chia ra các kiểu:

+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A - Scope): đó là phương pháp ghi đo sóng phản xạtrên một bình diện Đầu phát sóng được hướng vào vùng đo Khi gặp phải vật hoặcmôi trường có trở kháng âm khác sẽ phát sóng xung phản xạ Các sóng xung đóđược biến thành xung điện và được ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang Chúngđược thể hiện thành từng dấu hiệu hình parabol ngược có độ cao, độ rộng hẹp khácnhau Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng cách) xuất hiện

mà ta chẩn đoán được bệnh Phương pháp này đơn giản, rẻ nhưng khó phân tích,nếu trên đường đi của sóng âm có nhiều lớp vật chất có âm trở khác nhau

Phương pháp này hay được dùng để tìm di vật, tụ máu trong não, trong sảnphụ

+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B - scope): đó là phương pháp xung phản xạ trên 2bình diện, phức tạp hơn kiểu A nhiều Các sóng xung phản xạ được thể hiện bằngnhững chấm có độ sáng khác nhau tùy thuộc cường độ sóng xung, nó phản ánh hình

ảnh hai bình diện của đối tượng nghiên cứu Ngày nay sóng xung phản xạ kiểu Bđược áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh của gan, mật, mắt, sọnão, tim, v.v

Ngoài ra còn siêu âm chẩn đoán kiểu TM hay còn gọi là kiểu M Đây lànhững nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch v.v…) là cơ sởcủa phương pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm

Trong việc dùng siêu âm vào chẩn đoán, để tránh cho chùm siêu âm bị khôngkhí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da, giữa đầu dò siêu âm (phát và thu) và

da người bệnh, người ta hay bôi đệm một lớp gen (ví dụ dầu paraphin lanolin có trởkháng âm Z giống như của cơ thể, nên áp đầu dò vào da đầu, ta loại được lớp khôngkhí len giữa, nên loại được phản xạ)

Việc chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trongthời gian gần đây đặc biệt tác dụng khi đối tượng rất khó phát hiện bằng hình ảnh dotia X tạo ra (thí dụ mảnh đạn bằng nhựa chứ không phải kim loại)

Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler:

Ở các ứng dụng y sinh của siêu âm, nguồn phát được cố định, còn mục tiêuchuyển động ứng dụng thông thường nhất của siêu âm Doppler là đo tốc độ dòngchảy của máu nhằm chẩn đoán các bệnh về tim mạch Để đo được tốc độ của dòngchảy thì yêu cầu cơ bản nhất là dòng chảy phải tồn tại các mục tiêu hữu hình có khảnăng phản xạ sóng siêu âm và các mục tiêu này phải dịch chuyển Trong trường hợpnày, mục tiêu chuyển động là các tế bào máu và chúng sẽ phản xạ sóng siêu âm

Giả thiết: Dòng máu chuyển động với vận tốc v, phát tia siêu âm với tần số chuẩn

0

f có góc phát tạo với hướng chuyển động của dòng máu là , sóng phản xạ thuđược có tần số f 0 f d( f d là tần số dịch chuyển Doppler) Đầu dò đứng yên vàdòng máu chuyển động về phía đầu dò

Hình 1.20 Ứng dụng hiệu ứng Doppler trong đo tốc độ dòng máu.

Áp dụng công thức Doppler ta có:

)cos

(

0 0

f

Từ đây ta có thể tìm ra công thức tính tốc độ dòng máu:

)(

*cos

*

0

f f

f c v

1.2 Cơ sở phần cứng của thiết bị siêu âm.

1.2.1 Cơ sở tạo sóng siêu âm.

a) Tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo

Hiện tượng từ giảo: Là sự thay đổi kích thước của vật liệu từ tính, đặc biệtnhất là sắt, Niken, Coban, …khi có từ trường đi qua nó

Một số vật liệu từ giảo khi đặt chúng vào từ trường thì giãn ra theo hướngđường sức từ, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng từ giảo tuyến tính Có loại khi cho vào

từ trường lại làm thay đổi thể tích, gọi là hiệu ứng từ giảo thể tích

Hiệu ứng từ giảo nghịch là chất từ giảo biến dạng làm xuất hiện từ trườngxung quanh chúng

Hình 1.21 Phương pháp tạo siêu âm bằng vật liệu từ giảo.

Sắt từ có ứng suất là 10-5, còn một số vật liệu khác lớn hơn sắt từ 10100lần Tần số dao động của vật liệu từ giảo nằm trong vùng siêu âm thấp vì vậy có thể

sử dụng trong đầu dò siêu âm thấp (vựng đầu 20KHz)

Tác dụng: Siêu âm tần số thấp trong y tế được sử dụng với mục đích phânđoạn và tán nhỏ các tế bào có tỉ lệ nước lớn và độ đàn hồi nhỏ để phá huỷ một phầncấu trúc của tổ chức sinh học nhờ khả năng tạo lỗ hổng (hiện tượng sủi bong bóngtrong nước), cụ thể được dùng để tẩy lớp nhờn các cơ quan như trực tràng, ruột,bàng quang; lấy cao răng bằng siêu âm; dùng phá huỷ u bướu trong phẫu thuật thầnkinh, bóc trần các mạch trong các mô chứa nhiều mạch như gan

b) Tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện

Việc tạo siêu âm bằng tinh thể áp điện dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện củamột số chất trong tự nhiên như thạch anh, titanate bari,… Hiệu ứng áp điện thườngthấy ở các vật liệu kết tinh có hai cực (cực âm và cực dương) ở mỗi phần tử Trongcấu trúc mạng lưới tinh thể thông thường các lưỡng cực được xắp xếp ngẫu nhiênkhông thể cố định Tuy nhiên chất lượng của các tinh thể loại này bị giảm trong môitrường ẩm, nhiệt độ cao, nên ngày nay chủ yếu các nhà sản xuất sử dụng các tinhthể nhân tạo mà điển hình là gốm áp điện

Hiệu ứng áp điện:

Nếu tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặc kéo giãn

một tinh thể gốm theo những phương đăc biệt thì trên mặt giới hạn của tinh thể đóxuất hiện những điện tích trái dấu, giữa hai bề mặt xuất hiện một hiệu điện thế.Sóng siêu âm là sóng cơ học nên khi va đập vào bề mặt tinh thể gốm sẽ làm xuấthiện trên tinh thể một chuỗi xung điện có độ lớn tỉ lệ với cường độ sóng âm gọi làhiệu ứng áp điện thuận.

Hình 1.22 Hiệu ứng áp điện.

Ngược lại, nếu đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộcvào chiều của điện thế đó, tinh thể sẽ giãn hay nén lại nhờ đó tạo ra dao động cơ họcgọi là hiệu ứng áp điện nghịch

Trong siêu âm chẩn đoán, người ta ứng dụng hiệu ứng áp điện trong phát vànhận tín hiệu siêu âm Khi được cấp điện áp các tinh thể sẽ tạo ra sóng siêu âm.Ngược lại sự tác động của sóng siêu âm dội về khi gặp mặt phản xạ sẽ làm xuất hiệntín hiệu điện áp ở đầu ra của tinh thể Đây chính là cơ sở để thiết kế thiết bị siêu âm

Hình 1.23 Phát và thu sóng siêu âm.

Hình 1.24 Phương pháp thu sóng siêu âm.

Hình 1.25 Phương pháp hiển thị ảnh siêu âm.

1.2.2 Cấu tạo đầu dò siêu âm dùng tinh thể áp điện.

Thành phần chính của một đầu dò là một tinh thể vật liệu áp điện với cácđiện cực ở các mặt đối diện để tạo ra cực thay đổi Các điện cực được tạo thành bởilớp mạ mỏng bằng vàng hoặc bạc trên bề mặt tinh thể Để nâng cao sự truyền nănglượng đến và về từ bệnh nhân, lớp phối hợp được đặt ngay sau các điện cực Sựrung tinh thể được loại bỏ nhờ vật liệu hỗ trợ nối tiếp từ bề mặt điện cực ra khỏibệnh nhân Toàn bộ tinh thể được lắp ghép, bao gồm các điện cực, lớp phối hợp vàvật liệu hỗ trợ, được chứa trong một lớp vỏ cách điện (thường là loại nhựa nào đó).Một bộ cách âm, thường làm bằng cao su, có tác dụng ngăn sự truyền năng lượngsiêu âm vào nó Hình 1.26 chỉ ra mặt cắt của một đầu dò:

Hình 1.26 Cấu trúc đầu dò.

Đầu dò rất nhạy với giao thoa điện từ, góp phần vào mức nhiễu (các tín hiệukhông tương ứng với các tương tác vật lý của sóng âm với mô) Mức nhiễu caongăn chặn sự phát hiện các tín hiệu dội yếu Để làm giảm bớt giao thoa điện từ, lướichắn bảo vệ tần số radio bao gồm trụ kim loại rỗng được đặt xung quanh tinh thể vàvật liệu đệm và tiếp đất tới mặt điện cực đằng trước Lớp cách điện bao phủ bề mặttrong của lưới chắn bảo vệ sóng radio để chặn ảnh hưởng dội lại

Với chữa bệnh siêu âm thì mục tiêu là phát ra lượng năng lượng lớn nhấtdưới dạng nhiệt vào người bệnh nhân Điều này đạt được bằng cách phát ra liên tụccác sóng siêu âm từ đầu dò, công suất phát ra lớn nhất có được nếu cộng hưởng xảy

ra trong tinh thể, trường hợp này vật liệu đệm cần có trở kháng âm khác trở kháng

âm tinh thể Phản xạ lớn nhất tại mặt phân cách tinh thể-vật liệu hỗ trợ gây nên sựcộng hưởng Không khí thường được sử dụng là vật liệu đệm cho các đầu dò chữabệnh Các tinh thể có thể hoạt động do nguồn điện xoay chiều có tần số chính xác

để tạo ra sóng liên tục Đó là phương thức thường dùng cho các đầu dò sóng siêu

âm chữa bệnh, nó cũng có các ứng dụng trong máy quét Doppler Tinh thể tạo rasóng liên tục không có khả năng nhận các sóng siêu âm phản xạ

Với tạo ảnh đầu dò gửi chùm siêu âm ngắn (có thể là một chu kỳ) theo sau làmột khoảng lặng để nghe tín hiệu dội trở về trước khi chùm khác phát đi Đó là một

hệ thống xung và sự thiết kế dựa trên nguyên tắc phạm vi tín hiệu dội Lý tưởng làvật liệu đệm hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra từ mặt trướcđầu dò Để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể đến vật liệu hỗ trợ), vật liệu đệmcần có trở kháng âm giống hệt với tinh thể Hỗn hợp nhựa epoxy và bột kim loạinặng được sử dụng làm vật liệu đệm trong các đầu dò chẩn đoán siêu âm để hạn chếxung siêu âm Phần sau của vật đệm được làm vát để ngăn chặn sự phản xạ nănglượng âm vào tinh thể.

Trong quá trình thiết kế chế tạo đầu dò siêu âm cần quan tâm đến vấn đề sau:

Sự cộng hưởng

Đặc điểm của tinh thể áp điện là khi chịu tác dụng của xung điện sóng cơ họctạo ra là đối xứng trên bề mặt của tinh thể Vì vậy, cần giải quyết tốt hiện tượngtruyền sóng trong tinh thể tránh gây ra hiện tượng giao thoa làm suy giảm tín hiệusiêu âm

Hình 1.27 Sự cộng hưởng trong tinh thể.

Như trên hình vẽ ta thấy rằng nếu chiều dày của cảm biến (d) được chọn saocho thời gian truyền () của sóng từ S1 đến S2 và quay lại bằng một chu kỳ dao độngthì w1 và w2 sẽ cùng pha với nhau, và do đó sẽ diễn ra hiện tượng giao thoa cộng

Để đạt được hiện tượng này ta phải thoả mãn điều kiện:

1.2.3 Các phương pháp quét của đầu dò siêu âm.

a) Phương pháp quét cơ học

Phương pháp này được thực hiện bởi các đầu dò cơ học hay còn gọi là đầu

dò cơ khí; yêu cầu phải có động cơ đảm nhiệm việc quay chùm tia thông qua việcquay các cảm biến trong đầu dò, nhờ đó có thể điều chỉnh chùm tia phát theo cácgóc thu phát khác nhau Trong tất cả các trường hợp, cảm biến đều được đặt trongmôi trường dầu nhớt, tia siêu âm chỉ truyền qua cửa sổ trên màng Plastic Có cácloại đầu dò cơ khí như sau: dịch chuyển thẳng, sử dụng gương phản xạ quay, đầu dòdao động, sử dụng bánh quay

b) Phương pháp quét điện tử

Trong phương pháp này các tia siêu âm được quét bằng cách dùng khoá điện

tử để đóng mở nguồn nuôi các tinh thể sắp xếp kế cận nhau theo thứ tự thời gian.Lúc này các tia siêu âm được quét theo phương thức nhất định Với tính chất sóngnên sóng siêu âm lan truyền theo mọi hướng khi nguồn phát là nguồn điểm, tuynhiên với việc kích hoạt cùng lúc nhiều tinh thể gần nhau, các điểm nằm trên cùngmột chu kỳ sẽ tạo thành một mặt phẳng gọi là mặt sóng Khi đó hướng truyền củatia siêu âm sẽ vuông góc với mặt sóng này

1.3 Phương pháp hiển thị cơ sở của máy siêu âm.

Phương pháp thu nhận đơn giản nhất là quét theo chế độ A Chế độ này dựatrên thực tế là tốc độ truyền sóng siêu âm trong mô mềm thường có giá trị khôngđổi cỡ 1540 m/s Xác định thời gian đi và phản xạ trở về () của tia siêu âm, người

ta tính được khoảng cách (độ sâu) của mặt phản xạ

2/

;/

  L c Lc

Hình 1.28 Đường đi của xung siêu âm giữa cảm biến và mặt phản xạ.

Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ có thể được tính như sau:

(

;2/

;2/ 1 2 2 2 1 1 2

Hình 1.29 Tín hiệu phản hồi từ các mặt phản xạ có độ sâu khác nhau.

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

Hình 1.30 Xung giải điều chế các mặt phản xạ giống nhau ở độ sâu khác nhau.

Trong phương pháp quét chế độ A, do sự suy giảm trên cả hai hướng đi và vềcủa tia siêu âm nên biên độ tín hiệu siêu âm từ các mặt phản xạ giống nhau, ở độsâu khác nhau sẽ giảm đi dần theo chiều sâu

Hình 1.31 Hiển thị A-Scan không có và có bộ AGC.

Do đó, cần có mạch hỗ trợ sao cho các tín hiệu phản xạ này được hiển thị vớibiên độ giống nhau, chính vì thế trong thiết bị A-scan người ta sử dụng tín hiệu bùsuy giảm bằng cách tăng hệ số khuếch đại theo thời gian phản hồi (được gọi làTGC)

Chương 2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY SIÊU ÂM

Trong chương một chúng ta đã nghiên cứu đôi nét về cơ sở phần cứng củathiết bị siêu âm Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu về nguyên lý hoạt độngcủa thiết bị siêu âm

2.1 Máy quét chế độ A.

2.1.1 Hiển thị tín hiệu dội.

Việc quét hình chế độ A (dạng biên độ) dựa trên nguyên lý đo xa bằng tínhiệu dội, tương tự với sóng âm Sóng siêu âm dạng xung được hướng tới cơ thểbệnh nhân, và tín hiệu dội tạo ra tại các mặt phân cách khác nhau được phát hiện.Chỉ những cấu trúc nằm dọc theo hướng truyền mới được xét tới Lấy mẫu theođường truyền chùm tia được gọi là đường quét

Chế độ A biểu hiện biên độ của tín hiệu là một xung nhọn theo chiều dọc đốivới độ sâu, hoặc thời gian của tín hiệu theo chiều ngang (chiều sâu và thời gian cóthể đổi cho nhau vì chúng tỉ lệ thuận) Sự tăng biên độ hoặc cường độ của tín hiệulàm tăng chiều cao của xung nhọn Sự biến đổi cường độ tín hiệu này là do hệ sốphản xạ ở các mặt phân cách khác nhau và làm yếu chùm tia khi sóng âm đi qua cácmặt phân cách khác nhau Bù khuếch đại thời gian nhằm bù lại sự suy giảm Mặtphản xạ tốt ở xa đầu dò có thể tạo ra các tín hiệu có biên độ lớn hơn mặt phản xạyếu ở gần đầu dò Quét hình chế độ A không chỉ có các thông tin về không gian màcòn chỉ ra khoảng cách giữa các mặt phân cách Tốc độ siêu âm trong mô mềmthường có giá trị không đổi (1540m/s) Xác định thời gian đi và phản xạ trở về ()của tia siêu âm, người ta tính được khoảng cách (độ sâu) của mặt phản xạ (hình2.1)

Hình 2.1 Đường đi của xung giữa cảm biến và mặt phản xạ.

Khoảng cách giữa hai mặt phản xạ (hình 2.2) có thể được tính:

D = L2-L1 = (1-2).c/2 (2.5)

Hình 2.2 Đường đi của xung giữa hai mặt phản xạ.

Nhiều mặt phân cách dọc theo hướng lấy mẫu được phát hiện nhờ hàng loạttín hiệu dội Hình 2.3 chỉ ra ba mặt phân cách là ba xung nhọn khác nhau Mặt phâncách 1 tạo ra tín hiệu lớn hơn mặt phân cách 2 hoặc 3 Quét hình chế độ A này cònduy trì mối quan hệ không gian của các cấu trúc được quan sát Mặt phân cách 2 có

vị trí gần mặt phân cách 3 hơn so với mặt phân cách 1

Hình 2.3 Quét hình chế độ A và hiển thị.

a) Ba mặt phân cách (1, 2, 3).

b) Biểu diễn tương ứng của ba mặt phân cách.

2.1.2 Các thành phần của hệ thống.

Hình 2.4 là sơ đồ khối của máy quét hình chế độ A

Hình 2.4 Sơ đồ khối máy quét chế độ A.

* Khối đồng hồ nhịp và phát xung.

Đồng hồ nhịp đảm bảo sự hoạt động của các bộ phận của thiết bị người tathường gọi khối này là khối phát PRF (tần số lặp lại xung) hay khối đồng hồ chủ.Dạng tín hiệu ra là một dãy xung đều đặn (hình 2.5) Dãy xung này cũng khởi độngkhối định thời của ống tia điện tử (CRT)

Hình 2.5 Đầu ra khối tạo tín hiệu PRF.