Cơ sở vật lý của siêu âm
Hiện nay siêu âm đã rất phát triển, có ứng dụng rộng rãi trong chẩn
đoán của rất nhiều chuyên khoa.Chúng ta hãy tìm hiểu cơ sở vật lý của ứng
dụng này nhé !
1. Vật lý học của sóng âm
* Bản chất củasóng âm:
Sự hình thành sóng cơ trong môi trườngchất: các môi trườngchất đàn hồi(khí
lỏng hayrắn) có thể coi như những môitrường liên tục gồm những phần tử liên
kết chặt chẽ với nhau.Lúc bình thườngmỗi phần tử có một vị trí cân bằngbền.
Nếu tácdụnglực lên một phầntử Avề vị trí cân bằng nàođó của môi trường thì
phần tử này rời khỏi vị trí cânbằng bền. Do tươngtác, các phầntử bên cạnh, một
mặtkéo phần tử A một mặtcũng chịu lựctác dụng và do đó ũng thực hiện dao
động. Hiện tượngtiếp tục xảy ra đối với các phầntử khác của môi trường.Những
dao độngcơ lantruyền trong môi trườngđàn hồi gọi là sóng cơ
Về bản chất sóngâm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóngcơ,
có thể tạo ra sóngâm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền
âm. Ví dụ: đánh vào mặt trống:tác động dòng điện làm rungmàngloa; tác động
làm rungâm thoa, đạn bay trong khôngkhí
* Phân loại sóngâm:
Theo phương daođộng:
- Sóng ngang: phương dao động vuông góc với tia sóng
- Sóng dọc: phươngdao độngtrùng với tia sóng
- Sóng siêu âm ứngdụng trong yhọc thuộc sóng dọc
Theo tần số:
- Sóng âm tần số cực thấp haygọi là vùng hạ âm: f< 16Hz, ví dụ sóng địa chấn
- Sóng âm tần số nghe thấy:f= 16Hz- 20kHz
- Sóng siêu âm: f< 20kHz
* Cácđại lượng đặc trưng
- Chu kỳ Tlà khoảngthời gianthực hiện 1nén và 1giãn, tính bằnggiây
- Tầnsố f(Hz):số chukỳ thực hiện được trong một giây
- Vận tốc truyềnâm(m/s)làquãng đường mà sóng truyền được sau mộtđơn vị

thời gian.
- Độ dài bước sóngλ(m) là quãng đườngmà sóng truyền đượcsau khoảng thời
gian bằngmột chu kỳ: λ =vT=v/f
2. Cơ sở vật lý và kỹ thuật của phương pháp tạo hình bằng siêu âm
* Cơ sở vật lý
Cơ sở vậtlý là sự phản hồi của tiasiêu âm từ các tổ chức trong cơ thể ,sự phản hồi
này phụ thuộc vào:
- Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường
- Trở kháng âm của môi trường
- Sự hấp thụ củatổ chức
- Thông số(f,λ) của sóng siêuâm và cấutrúc hìnhhọc của tổ chức
* Tốc độ truyền củasóng âm:
Phụ thuộc vào môi trường. Tốcđộ trung bìnhcủa sóng siêu âm trong các tổ chức
phần mềm v λ≈ 1540m/s. Biết được vận tốc truyền,khi đo thời gian đi và về của
sóng siêu âm ta có thể định vị trí rõ được bề mặt phảnxạ
* Trở kháng âmcủa môi trường và các định luậttruyền âm
- Trở kháng âm z:Trở kháng âmcủa môi trường gọi nôm na làđộ vang hayđộ dội
của sóng âm trong môi trường
Z(rayls)= c*ρ
Trong đó:
ρ(kg/m3): mật độ của môi trường
c(m/s)-vận tốc lantruyền củasóng siêuâm trong môitrường
Trở kháng của môi trường cóvai trò quyết định với biên độ củasóng phảnxạ trên
mặtphân cách giữa2 môi trường
- Sự phảnxạ và sự khúc xạ
Âm đượctruyền đi theo những tia gọi là âm tia.
Phản xạ và khúc xạ: Khi sóngâm truyền trong môitrường đồngnhất và đẳng
hướngnó sẽ truyềntheo phươngthẳng; khigặp mặt phân cáchđủ lớn giữa 2 môi
trường có trở kháng âm khác nhau tứclà có vậntốctruyền âm khác nhau,tia âm
sẽ tuân theo định luật phản xạ vàkhúc xaqj. Một phầnnăng lượng của sóng âm sẽ

phản xạ ngược trở lại và phầncòn lại sẽ truyền tiếp vào môitrường thứ 2
Độ lớncủa năng lượngphản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm ∆z
giữa2 môi trường.Hệ số phản xạ K được tính theocông thức:
K= Pr/Pi((Z2 cosθt- Z1cosθi) / (Z2 cosθt+ Z1cosθi))
Trong đó:
θi: góctới; θt: góc phản xạ; θt: góc khúc xạ
Pr- Biên độ áp lực của sóngphản hồi
Pi- biên độ áp lực của sóngtới
Z1, Z2- trở khángâm của 2môi trường
Ở đây sẽ xảy ra2 trường hợp:
- Trường hợp 1: Tiatới vuônggóc với mặt pâhn cách θi=θt=0
Hệ số phản hồi của mặt phân cáchsẽ được tính theo công thức:
Cosθ = cos θr = 1 nên:
- Trường hợp 2: Tiatới tạo một góc θi≠0. Theo đinh luật phản xạ góc phản xạ bằng
góc tới.Sóng truyền tiếp lúcnày không còn cùng hướng với sóngtới và tạo một góc
θt≠θi ,hiện tượng này gọi làhiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận
tốc truyên âm trong2 môi trườngvà được xác địnhbởi côngthức:
sin θt= (c2/c1)*sinθi
+ Với c2>c1, khi sinθi= c1/c2ta có θcritic=arcsin (c1/c2)
Thì sin θt=1 và θt= 900. Hiệntượng này gọi làhiệntượng phản xạ toàn phần. Như
vậy với tất cả các góc θi ≥θcritic sóng âm sẽ khôngkhúc xạ được sangmôi trường
thứ 2 bên kia mặt phân cách và toàn bộ năng lượngđược phảnxạ trở lại môi
trường thứ nhất
+ Ngoài ra dù với c2>c1 hayc2<c1nếu góc tới θt ≈ 90 độ(tia tới gần như tiếp tuyến
với mặtpâhn cách) thì sóng âmchỉ trượt trên bề mặt phâncách mà khôgn truyền
tiếp vào môi trườngthứ 2
+ Cả 2 hiện tượng trên( phản xạ toàn phần và tia tới truyền tiếp tuyến với mặt
phân cách) giải thích cho sự xuất hiện bóng lưingbên ở nhjững cấu trúchình cầu
và mặt cắt ngang cấu trúc ống
Từ 2 côngthức trên ta thấy hệ số phản hổi củamặt phân cách giữa 2 môi trường

phụ thuộc vào ∆Z= Z2-Z1 giữa 2môi trường:
+ ∆Z cànglớn thì năng lượng phản xạ càng lớn và chỉ cònmột phần rất nhỏ năng
lượng sóngsiêu âm đi đượcxuống môi trường bên dưới mặtphân cách.Nếu ∆Z là
vừa đủ nhận biết mặt phân cáchthì một phần năng lượngcủa sóngsiêu âm sẽ
truyền được xuốngdưới mặt phân cách và tiếp tụccho thêm thông tinvề cấu trúc
bên dưới
∆Z giữamô mềm và không khí hoặc mô mềm và xương rất lớn do đó trong ghi hình
siêu âmnếu sóng siêu âm gặp những mặt phâncách này thìhầu hết nănglượng sẽ
bị phản xạ trở lại, sóng truyềntiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận được thông tin
cấu trúcbên dưới mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại saotrong siêu âm
chẩn đoán ta phải dùng geltiếp xúc nhằm tạo ratiếp xúc khôngcó không khí
* Sự tán xạ
Một hiện tượngquan trọngkhác trong tạo hìnhbằngsiêu âm đó là hiện tượngtán
xạ củasiêu âm khigặp cáccấu trúc nhỏ hoặc với bề mặt khôngđồng đều. Khi đó tia
siêu âmsẽ bị tán xạ đi khắp cáchướng và chỉ có một phần rất nhỏ chắc chắn tới
được đầu dò. Tuy vậy mặc dù việc ghi nhận cáctiatán xạ là rất khó khăn song
chúng ta phảithừa nhận rằngchúng cómột lợi thế đó là không phụ thuộc vào góc
tới của tia siêu âm và rất quan trọngtrong việc đánhgiá các cấu trúc nhrví dụ như
độ đồngđều của nhu mô gan, tuỵ, vách liên thất và cá máy siêu âmchẩn đoán
ngày nay chủ yếu làm việc trên các tia tán xạ
* Sự hấp thụ của tổ chức và độ suy gảim của năng lượng tia siêu âm, khuyếch
đại bù
- Khi sóngâm truyền đi trongtổ chức thì biên độ và nănglượng của tia siêu âm bị
suy giảm theo khoảng cách.
Các nguyên nhân gây sự suygiảmnăng lượng của tia siêuâm đó là:
+ Sự phản xạ và tánxạ trên các tổ chức
+ Sự hấp thụ của môi trường do một pầhn năng lượng của tia siêu âm bị chuyển
đổi thành nănglượng của cácdao động nhiệt nhưng trongsiêu âm chẩn đoán,
phần nănglượng này quá nhỏ và khôngthể gây ra các biến đổi về nhiệt độ
- Khuyếch đại bù:

Năng lượngsiêuâm càng vào sâu thì càngsuy giảm. Khi vàosâu tới 20cmvới đầu
dò 3,5MHzthì sự suy giảm tới 3162lần. Như vậy những mặtphản xạ có ∆Z như
nhau nếu ằnm ở nhữngđộ sâu khác nhausẽ cho những tín hiệu phản xạ cóđộ lớn
khác nhau. Để khắc phục điều đó tínhiệu phải được bù bằng hệ số khuyếch đại để
tạo ấntượng ảnh đồngnhất.
* Thông số của sóng siêu âm và kích thước hình học của tổ chức
Vì sóng siêu âm phản xạ trên mặt phân cách dođó năng lượng phản xạ còn phụ
thuộcvào kích thước của mặt phân cách và độ dài bước sóng của chùmtia. Nếu ta
đặt một vật rắn chìm vào trong môitrường chất lỏng thì năng lượngphản xạ từ vật
đó phụ thuộc vào kíchthước củavật so vớiđộ dài bước sóngsiêu âm.Vật phải có
độ dài ít nhấtlớn hơn λ/4thì mới cókhả năng phản xạ sóng siêu âm.Do đó sóng
siêu âmcó tần số càng cao tứclà λ càng nhỏ thì càng dễ phát hiện và phân biệt
được các vật nhỏ song cũng dođó màkhó vào đượcsâu. Người tađưa ra khái
niệm"khoảng giảm nửa năng lượng"để chỉ khoảng cáchmà tia siêuâm có thể đi
được chotới khi nănglượng của chùm tia giảm đi còn mộtnửa.Với cùng một loại
đầu dò trong nhữngđiều kiện như nhauthì đại lượngnày là khác nhaucho những
môitrường khácnhau
3. Kỹ thuật của phương pháp tạo hình bằng siêu âm
* Nguyên lý tạo ảnh
Đầu dò được kích thích bởi xungđiện với chiều dài và cườngđộ có thể điều chỉnh
được thìkhi phátxung âm lantruyền theo hướng của đầu dò vào môi trường một
vận tốcxác định bởi đặc tínhcủa môi trường; sóngâm sẽ gặp các mặtphản hồi
trên đườngtruyềnvà tạo ra các sóng phản xạ và tán xạ quay trở về đầu dòvà được
thu nhận tại đây
Khoảngthời gian mất cho sóng âm đi đến và quayvề từ mặt phản hồi sẽ xác định
độ sâu của mặt phản hồi bởi công thức: d=c*t/2
Trong đó:
d: khoảng cách từ đầu dòđến mặt phản hồi
c: vận tốc sóng âmtrong môi trường
t/2: thời gian cho sóng âm đi từ đầu dò đến mặt phản hồi

Độ lớncủa biên độ sóngphản hồi phụ thuộc vào biên độ sóng phát đi, góc tới tia
sóng âm và trở kháng âm của mặtphản hồi
Đầu dò sẽ biếnđổi sóng hồi âm thành tín hiệuđiện thông quahiệu ứng áp điện, tín
hiệu điện này mang thông tin về độ lớn biên độ thời giantiếp nhận,các thông tin
này sauđó được xử lývà thể hiện thành hìnhảnh trênmàn hình
* Các hình thức thể hiện
- A- mode( Amplitude mode)
Tín hiệuhồi âm được thể hiện bằng xunghình gai trên dạođộng ký quahệ thống
trụctung và trục hoành, chiều cao của xungthể hiện độ lớncủa biên độ tín hiệu hồi
âm, vị trí của xungthể hiệnkhoảng cáchtừ đầudò đến mặtphản hồi. Loại hìnht hể
hiện này thườngđược dùng trong đo đạc vì có độ chính xáccao
- B-Mode( Brightness mode)
Tín hiệuhồi âm được thể hiện bởi những chấm sáng, độ sáng của cácchấm nàythể
hiện biên độ tínhiệu hồi âm,vị trí các chấmsáng xác địnhkhoảng cáchtừ đầu dò
đến mặt phản hồi
- TM-mode( Time Motion Mode)
Dùng để thể hiện sự chuyển động cùngphươngvới tia siêu âm của cácvật thể theo
thời gian bằng cách thể hiệnhìnhảnh B-modetheo diễnbiến thờigian với cáctốc
độ quét khác nhau.Kết quả là nếu nguồnhồi âmđứng yên thìsẽ tạo ra đường
thẳngngang qua màn hình, còn nếu mặt phản hồi chuyển động thì sẽ tạo ra đường
cong phản ảnhsự chuyển độngcủa mặt phản hồi
Trênmànhình hiển thị của TM-mode, biên độ chuyển độngcủa mặt phản xạ được
biểuthị trên trụctung, thời gian trêntrục hoành nhờ vậy cóthể tính toán được
vận tốcchuyển động của mặt phản hồi khitốc độ quét đã được xác định
Phương pháp A-mode, B-mode, TM-modecó thể gọichung là siêu âm mộtchiều
ưu điểmcủa siêu âmmột chiều là bằng phươngpháp tương đốiđơn giản rẻ tiền ta
có thể xác điịnh được chính xác vị trícủa bề mặt phảnxạ trong kiểu TMcó thể đo
được biên độ chuyển động của vật theo phươngsong songvới chùmtia siêu âm
Nhược điểm của phươngpháp: khôngchohìnhảnhtổngthẻ của vật cần chẩn đoán.
Không đánh giá được các chuyển động có phương vuông góc với phương truyền

của tiasiêu âm
* Hình ảnh tĩnh và hình ảnh động
Cơ sở của kiểu thể hiện hình ảnhsiêu âm 2 chiều này là B-mode đượcdùng trong
hầu hếtcác thiết bị siêu âmchẩn đoántừ trước chotới nay
Theo cách thể hiện của B-mode trong siêu âmmột chiều thì tươngxứng với mỗi vị
trí đầudò trên cơ thể và mỗi hướng củachùm tia nhất định thì trên mànhình ta có
thể có một đườngtạo ảnh(line of site) B-mode-phản ánh cácmặt phản hồi được
tạo ra bởicác cấutrúc cơ thể nằm trên đường truyền của chùm tia siêu âm. Để thể
hiện sự tổng hợp nói trên người ta dùng các hệ thống quét. Hệ thốngquét ảnh
động(realtime scanner)với 2 cách quét là quét điện tử vàquét cơ học. Một nhược
điểm củaquét ảnhđộng alf diện khảo sátbị hạn chế khôngcho một hìnhảnh tổng
quát như trong kỹ thuật quét ghi hình tĩnh.Vì thế trongnhữngnăm gần đây người
ta khắcphục để có2ưu điểm làvừa ghi hìnhđộng và vừa có hình tĩnh đó là khảo
sát trêndiện rộnggọi alf real time -EFOV(extendedfield of view)- siêu âm thời
gian thực với trườngnhìn mở rộng. Để tạo được diện khảo sát rọngngườita vừa
di chuyển đầu dòtheo một thiết diện cắt ngangcơ thể vừa ghi nhận hình ảnh, hình
ảnh được tổng hợpliên tục từ các góc quét riêng biệt ứngvới các vị trí của đầudò,
kết quả nhậnđược là một hìnhtổng quát, đồngthời vẫn giữ được tính động của
ảnh
4. Thiết bị ghi hình bằng siêu âm
* Sơ đồ cấu tạo máy siêu âm
* Đầu dò:
Hiệu ứng áp điện thuận- nghịch:
Hiệu ứngáp điệnthuận nghịchphát biểu như sau:
- Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động mộtlực cơ học, hay nói cách khác là khi nên
hoặc kéo dãn một số tinhthể gốm theo nhữngphương đặc biệt trong tinh thể thì
trên mặt ácc mặt giới hạncủa tinh thể đó xuất hiện nhữngđiện tích tráidấu và do
đó có một hiệu điện thế giữa 2 bề mặt. Mà như ta đã biét sóng siêu âmlà sóng cơ
học dođó khi sóngsiêu âmva đập vào bề mặt tinhthể gốm thì sẽ làm xuất hiện
trên tinh thể một chuỗixung có độ lớn tỷ lệ với cườngđộ của sóngâm

- Hiệu ứng thuận:
- Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặtlên tinh thể góm áp điện một hiệu điệnthế thì phụ
thuộcvào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ dãn ra haynén lại.Và nếunhư
ta đặt lên tinh thể gốm mọt hiệu điện thế xoaychiều thì tinhthể gốm sẽ nén dãn
liên tiếp và dao độngtheo tần số của hiệu điệnthế xoaychiều, tạo raáp lực nénvà
dãn liên tục vào môi trường bao quanhtức là tạo ra sóng âm. Phụ thuộc vào tần số
dao đọngxung điện kích thước và công nghệ chế tạo tinhthể gốm ta sẽ thu được
các chùm siêu âm có tần số khác nhau
* Cấu tạo đầu dò
Dựa vào hiệu ứngtrên người ta đã sử dụngtinh thể gốm áp điện để chế tạo đầu dò
siêu âm.Đầu dò vừa đóng vaitrò đầu phát vừa đóng vaitrò đầuthu. Về mặt kỹ
thuật việc này được thực hiện như sau:tinh thể gốm củađầu dò đượcnuôi bằng
các chuỗi xungcao tần. Cứ sau mỗi xungphátđầu dò lại làmnghiệm vụ tiếpnhận
sóng hồi âm. Độ lặp lại của các chuỗi xungphụ thuộc vàođộ sâu tối đa cần chẩn
đoán
Tuy nhiên ngày naydùng vật liệu tổnghợp các đầudò không chỉ có mộttần số mà
có thể co smột dài từ 2-8 tần số trên một đầu dò. Về mặt công nghẹ việc này được
thực hệnnhư sau:ngườita cắt gốm áp điện thànhnhững phần cực nhỏ có kích
thước 100-200µmvàsauđó lấp đầy vết cắt bằngvậtliệucótrở khángâmcực thấp,
bằngcách đó có thể giảm giá trị trở kháng âmcao của góm xuống gần tới mứctrở
kháng âm củanước.