ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHÂU HUY THÔNG

MÔ PHỎNG TẠO ẢNH SIÊU ÂM
TỪ DỮ LIỆU ẢNH CT
BẰNG PHẦN MỀM FIELD II

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 60520401

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÝ ANH TÚ

Tp. Hồ Chí Minh – 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia
Tp. Hồ Chí Minh
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÝ ANH TÚ
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HUỲNH QUANG LINH
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN THỊ NGỌC DUNG

Luận văn được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí
Minh; ngày 17 tháng 01 năm 2014.

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. CHỦ TỊCH: PGS. TS. CẨN VĂN BÉ
2. THƯ KÝ: TS. PHẠM THỊ THU HIỀN
3. PB1: TS. HUỲNH QUANG LINH

4. PB2: TS. TRẦN THỊ NGỌC DUNG
5. UV: TS. LÝ ANH TÚ

Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và trưởng khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn được sữa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

_____________________

______________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: CHÂU HUY THÔNG

MSHV: 11124644

Ngày, tháng, năm sinh: 25/01/1989


Nơi sinh: Tp. Huế

Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT

Mã số: 60520401

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT bằng phần mềm FIELD II
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
 Tìm hiểu tổng quan về siêu âm, xử lý và tạo ảnh siêu âm.
 Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT tương ứng bằng phần mềm FIELD
II.
 Đánh giá, tối ưu hình ảnh và rút ra kết luận, hướng nghiên cứu.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2013
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/12/2013
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÝ ANH TÚ

Tp. HCM, ngày… tháng … năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG


I

Lời cảm ơn
Được học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa là một vinh dự lớn
lao, ở đây tơi đã nhận được sự giảng dạy tận tình của các thầy cô trong ngành Vật Lý

Kỹ Thuật khoa Khoa Học Ứng Dụng. Chính nơi đây đã cung cấp cho tôi tri thức khoa
học và định hướng nghề nghiệp bản thân. Do đó, xin phép lời cảm ơn đến với các thầy
cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường.
Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến
thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Lời cảm ơn chân thành và sâu sắc xin gửi đến tiến sĩ Phạm Hồi Ân đã tận tình
chỉ bảo và hướng dẫn tơi từng bước thực hiện nghiên cứu.
Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong hội đồng đã đọc, nhận xét
và giúp tơi hồn chỉnh luận văn.
Cuối cùng xin cảm ơn bè bạn và gia đình đã quan tâm, chia sẻ những khó khăn,
tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp, đánh dấu khoảng
thời gian tốt đẹp tại trường ĐH Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM.

TP. Hồ Chí Minh, 19 tháng 12 năm 2013
Tác giả

Châu Huy Thông

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


II

Tóm tắt luận văn
Mơ phỏng hình ảnh siêu âm thời gian thực có vai trị quan trọng trong ứng dụng
lâm sàng. Công tác nghiên cứu mô phỏng tạo ảnh siêu âm luôn được đánh giá cao
trong việc giúp hiểu rõ bản chất và để đào tạo nâng cao khả năng xử lý hình ảnh siêu
âm. Bài luận văn này mơ tả việc mơ phỏng tạo hình ảnh siêu âm dựa trên chương trình

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

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

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


III

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này công trình nghiên cứu của riêng tơi dưới sự
hướng dẫn của TS. Lý Anh Tú và TS. Phạm Hoài Ân. Các kết quả và hình ảnh của tơi
thu được trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được ai
cơng bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào mà tôi không tham gia.


Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


IV

Danh mục hình
Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện trong tinh thể thạch anh[5] ............................................. 6
Hình 1.2: Cảm biến áp điện được tạo bằng các bản cực áp vào một vật liệu tinh thể
phân cực [5] .......................................................................................................... 8
Hình 1.3: Phương pháp gia cố trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa điện[5] ........ 12
Hình 1.4: Cảm biến áp điện hai tấm ghép.[5].......................................................... 13
Hình 1.5: Các cảm biến áp điện lá ghép song song (A) và nối tiếp (C) và các mạch điện
tương ứng của nó (B và D)[5] ............................................................................... 14
Hình 1.6: Kết cấu đầu dị siêu âm một thành phần[8] .............................................. 17
Hình 1.7: Các đầu đị khác nhau trong tạo ảnh B-mode. [8] ..................................... 19
Hình 1.8: Điều tiêu động và lái chùm tia[8]............................................................ 20
Hình 1.9: Hình ảnh thể hiện của mode A và mode B[7] ........................................... 22
Hình 1.10: TM-mode[7] ....................................................................................... 23
Hình 1.11: Mảng đầu dị phẳng tuyến tính và thiết kế chấn tử[7] .............................. 26
Hình 1.12: Đầu dị mảng tuyến tính[7]................................................................... 27
Hình 1.13:Kiểu dịng qt song song ở đầu dị tuyến tính[7] .................................... 28
Hình 1.14: Cấu tạo và ngun lý qt của đầu dị sector cơ khí[7] ............................ 29
Hình 1.15:Hai phương pháp qt của đầu dị sector cơ khí[7] .................................. 30
Hình 1.16: Các kiểu đầu dị qt cơ họca) Dịch chuyển thẳng; b) Sử dụng gương phản
xạ quay; c) Đầu dò dao động; d) Sử dụng bánh quay[7] .......................................... 31
Hình 1.17: Phương pháp qt điện tử của đầu dị mảng tuyến tính[7] ....................... 32
Hình 1.18: Ngun lý làm việc của đầu dị cong[7] ................................................. 33
Hình 1.19: Cấu tạo đầu dị cong[7] ........................................................................ 33

Hình 2.1: Phân bố khơng gian vùng trường gần và trường xa của đầu dị[7] .............. 35
Hình 2.2: Mô tả trường phát và độ phân giải của đầu dò siêu âm. Mảng đầu dò phân bố
theo trục ngang (leteral). Xung phát dọc theo trục dọc (axial)[9] .............................. 36
Hình 2.3: Độ phân giải dọc của đầu dị[7] .............................................................. 37
Hình 2.4: Độ phân giải ngang của đầu dị[7] .......................................................... 37

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


V

Hình 2.5: Độ phân giải vịng quanh tại góc vng với hướng truyền âm thanh[7] ...... 38
Hình 2.6: Phát và thu nhận tín hiệu phản hồi[9] ...................................................... 39
Hình 2.7: Lan truyền sóng âm tuyến tính[7] ........................................................... 42
Hình 2.8: Sóng phẳng truyền và phản xạ khi truyền xiên qua mặt phẳng phản xạ[8] .. 43
Hình 2.9: Hình trái ‘monopole radiation’, hình phải ‘ dipole radiation’[9]................. 46
Hình 2.10: Tán xạ góc từ điểm tán xạ cầu đàn hồi (đường liền) và không đàn hồi (nét
đứt) với bán kính ≤𝛌. Nguồn phát sóng đồng đều đặt tại góc 1800[9] ....................... 47
Hình 2.11: Tán xạ góc từ điểm tán xạ cầu đàn hồi (đường liền) và khơng đàn hồi (nét
đứt) với bán kính >𝛌. Nguồn phát sóng đồng đều đặt tại góc 1800[9] ........................ 47
Hình 2.12: Độ dịch xuống của tần số trung tâm ở tín hiệu nhận gây ra bởi độ suy giảm
0.5dB/[MHz.cm] ứng với xung gauss 3MHz[8] ...................................................... 51
Hình 2.13: Ảnh hai khối U giống nhau trong vùng thăm khám[7] ............................ 52
Hình 2.14: Tăng độ nhạy theo độ sâu[8] ................................................................ 52
Hình 2.15: Nguyên lý phát và thu tín hiệu siêu âm[17] ............................................ 53
Hình 2.16: Mơ hình phát sóng chuẩn của đầu dị phẳng trịn[8] ................................ 58
Hình 2.17: Biên độ áp suất cho đầu dị pittong phẳng trịn với bán kính 8mm và sóng
liên tục 3MHz[8] ................................................................................................. 60

Hình 2.18: Trường áp suất cho sóng liên tục với đầu dị phảng, trịng r=8mm,
f 0=3MHz[8] ........................................................................................................ 61
Hình 2.19: Mặt cắt ngang của đầu dị lõm[8] .......................................................... 62
Hình 2.20: Hệ tọa độ tính trường sóng xung[8]....................................................... 64
Hình 2.21: Miền khơng gian của trường sóng phát ra từ đầu dò phẳng tròn trong
khoảng thời gian xác định[8] ................................................................................ 66
Hình 2.22: Cấu trúc của h đối với điểm cố định trong khơng gian[8] ........................ 67
Hình 2.23: Hồi đáp xung theo khơng gian cho đầu dị phẳng trịn, z=49 mm[8] ......... 68
Hình 2.24: Kết cấu của truyền sóng tuyến tính[8] ................................................... 70
Hình 2.25: Trường sóng xa của chùm sóng với tần số phát 3Mhz, đầu dị tuyến tính với
64 điểm phát sóng cách nhau 1mm.[8]................................................................... 71
Hình 2.26: Biên dạng chùm tia cho mảng đầu dò với các nguồn điểm (hình trên) hay
các thành phần hình chữ nhật (hình dưới). [8] ........................................................ 73
Hình 2.27: Hàm rải điểm ứng với các vị trí khác nhau trong tạo ảnh B-mode. [8] ...... 74

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


VI

Hình 2.28: Xây dựng sóng khơng tuyến tính theo hàm của khoảng cách. Đỉnh áp suất là
500 kPa, tần số là 3MHz, và B/A là 5.2[8] ............................................................. 77
Hình 2.29: Xây dựng biên dạng sóng của dao động điều hịa cho sóng khơng tuyến tính
1MHz truyền trong mơi trường nước. Áp suất đỉnh là 1Mpa, và B/A là 5.2[8]........... 78
Hình 2.30: Đo các sóng khơng tuyến tính trong nước ứng với đầu dị phổ thơng[8] ... 79
Hình 2.31: Các cách đo cường độ khác nhau đối với xung sóng siêu âm thông thường.
Thời gian độ lặp xung được đặt ở mức thấp 17.5𝛍s.[8] ........................................... 82
Hình 3.1: Thiết đồ cắt ngang các khớp cẳng – bàn tay............................................. 90

Hình 3.2: Ảnh siêu âm thực nghiệm đo xương quay cổ tay ...................................... 91
Hình 3.3: Thiết kế cố định đầu dị siêu âm ............................................................. 93
Hình 3.4: Kết quả đo Impact Socket đặt theo chiều dọc........................................... 94
Hình 3.5: Kết quả đo Impact Socket đặt theo chiều ngang ....................................... 95
Hình 3.6: Mơ hình đường truyền của tia siêu âm .................................................... 97
Hình 3.7: Mơ hình mơ phỏng .............................................................................. 101
Hình 3.8: Ảnh CT theo góc nhìn 2 chiều và giới hạn vùng khảo sát ........................ 103
Hình 3.9: Mảng đầu dị siêu âm .......................................................................... 104
Hình 3.10: Tạo hình dạng bất kỳ với kiểu ảnh bitmap ........................................... 105
Hình 3.11: Hình ảnh mơ phỏng tương ứng với thang tín hiệu decibel 50dB (hình trái)
và 60dB (hình phải), chia theo thang xám 128 mức hiển thị. .................................. 105
Hình 3.12: Phân vùng lát cắt ảnh CT
Hình 3.13: Vùng ảnh siêu âm tương ứng .. 106
Hình 3.14: Hỉnh ảnh mơ phỏng theo tỉ lệ dải động decibel lần lượt là: 30dB (trái, trên),
40dB (trái, dưới), 50dB (phải, trên) và 60dB (phải, dưới) ...................................... 107

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


VII

Danh mục bảng

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


Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


VIII

Mục lục
Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM VÀ TẠO ẢNH SIÊU ÂM ........... 3
I. Sóng âm và các cơng thức cơ bản của sóng âm[5] .............................................. 3
II. Tổng quan về sóng siêu âm và đầu dị[5][6][7] ................................................. 5
1. Nguyên lý tạo sóng siêu âm ............................................................................. 5
2. Đầu dò siêu âm............................................................................................... 8
3. Phân Loại..................................................................................................... 21
Chương 2. CƠ SỞ TẠO ẢNH SIÊU ÂM..................................................................... 34
I. Cơ sở vật lý kỹ thuật tạo ảnh siêu âm.............................................................. 34
1. Các đại lượng đặc trưng ................................................................................ 34
2. Lan truyền sóng âm....................................................................................... 41
3. Tán xạ sóng âm ............................................................................................ 45
4. Độ suy giảm ................................................................................................. 48
II. Nguyên lý chung và hiệu ứng trong ảnh siêu âm............................................. 53
1. Nguyên lý tạo ảnh ......................................................................................... 53
2. Ảnh giả ........................................................................................................ 54
3. Ảnh ảo do độ rộng của chùm tia và chùm tia thứ ............................................. 56
III. Trường sóng siêu âm[8], [9] ........................................................................ 58
1. Trường sóng liên tục ..................................................................................... 58
2. Trường sóng xung......................................................................................... 63
3.Trường hồi đáp xung...................................................................................... 68
4. Trường sóng theo đầu dị xếp dãy................................................................... 69

5. Tính tốn các trường sóng ............................................................................. 75
6. Sóng khơng tuyến tính................................................................................... 75
7. Tương tác khơng tuyến tính ........................................................................... 79
IV. Cường độ và phép đo cường độ ................................................................... 80
V. Tác Dụng Sinh Học Và tính An Tồn Của Máy Siêu Âm [21] ......................... 83
1. Tác dụng sinh học của sóng âm ...................................................................... 84
2. Tác dụng sinh nhiệt ....................................................................................... 84
3. Tác dụng tạo hốc .......................................................................................... 84
4. Tính an tồn của các thiết bị siêu âm chẩn đoán và những khuyến cáo ............... 85

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


IX

Chương 3. PHẦN MỀM FIELD II VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG.......................... 86
I. Giới thiệu phần mềm[23] ............................................................................... 86
1. Cơ sở tính tốn của phần mềm ....................................................................... 86
2. Mơ hình mơ phỏng của phần mềm.................................................................. 87
II. Mô phỏng tạo ảnh siêu âm............................................................................ 88
1. Thực hành tạo ảnh siêu âm thực tế ............................................................. 88
2. Hiệu chuẩn .............................................................................................. 92
3. Thảo luận: .................................................................................................... 96
III. Mô phỏng bằng phần mềm FIELD II ............................................................ 96
1. Phương pháp mô phỏng ............................................................................ 96
2. Mô phỏng .............................................................................................. 101
3.


Kết quả và thảo luận ............................................................................... 103

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


1

Phần mở đầu
Tạo ảnh siêu âm đã được phát triển hơn nữa thế kỷ [1], [2], và tính đến năm
2013, các phương pháp tạo ảnh trong y học phục vụ cho cơng tác chẩn đốn và điều trị
lâm sàng vẫn đang trên đà phát triển và ngày càng đạt được độ chính xác cao. Theo
khảo sát trên ‘google scholar’thì có đến 463 kết quả cho từ khóa tìm kiếm [simulation
“ultrasound imaging” from “CT image”] vào ngày 06/09/2013 với số lượng các bài báo
liên quan đến vấn đề mô phỏng ảnh siêu âm đã có giới hạn thêm số lượng bởi từ khóa
“CT image” liên quan đến đề tài.
Nhìn chung, các phương pháp tạo ảnh đều có ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên
khi nói đến tạo ảnh thời gian thực với độ an tồn và nhanh chóng thì phép tạo ảnh siêu
âm ln chiếm ưu thế. Nó là một trong những phương pháp tạo ảnh trong y tế được sử
dụng rộng rãi trong lĩnh vực chẩn đoán và xử lý hình ảnh. Mặc dù, ảnh siêu âm cho tỉ
lệ nhiễu ảnh cao nhưng nó có lợi thế lớn khi có thể tạo ảnh thời gian thực hỗ trợ cho
các thao tác trực tiếp trên đối tượng. Thêm vào đó, tạo ảnh siêu âm khơng có nguy cơ
nhiễm bức xạ, ít tốn kém so với các mơ hình tạo ảnh khác như cộng hưởng từ hay chụp
ảnh CT.
Đa số các nghiên cứu đều tìm cách tối ưu hóa độ chính xác của hình ảnh, thiết
kế dạng đầu dị hay nâng cao trình độ và đào tạo thực hành lâm sàng. Tuy nhiên, dữ
liệu siêu âm được bảo vệ bởi tính bản quyền nghiên cứu, và nó làm giới hạn các nghiên
cứu tiếp bước, đặc biệt là các nghiên cứu muốn nâng cao hiệu quả của đầu dị. Do đó,
để tiến hành nghiên cứu về lĩnh vực tạo ảnh siêu âm, phần mềm FIELD II là một lựa

chọn hợp lý bởi nó cho phép sử dụng miễn phí, và kết quả sử dụng phần mềm đã được
công nhận trên nhiều thư viện khoa học.

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


2

Phần mềm FIELD II [3], [4], được thiết kế dùng chung với Matlab để tính tốn
và xử lý hình ảnh, dựa trên phần mềm ta có thể thiết kế loại kết cấu đầu dị mong
muốn, điều chỉnh trường sóng phát và thu, tạo mơ hình hội tụ chùm tia, lập bản đồ tán
xạ, tính tốn hàm rải điểm, và các thơng số khác có thể liên quan đến mơ hình tính
tốn. Do đó, phần mềm FIELD II là một giải pháp hữu hiệu cho phép mô phỏng tạo
ảnh siêu âm, nó giúp ta có thể hiểu rõ các thơng số cài đặt và ảnh hưởng trong việc tối
ưu hóa hệ thống tạo ảnh.
Trên cơ sở các vấn đề nêu trên, đề tài hướng đến việc khai thác phần mềm và từ
đó xây dựng cơ sở hướng dẫn người sử dụng máy siêu âm hiểu rõ hơn về phép tạo ảnh
siêu âm. Các thuật tốn trong chương trình được viết bằng ngơn ngữ C và bên cạnh đó
là các hàm m-file để chạy cùng Matlab.
Mục đích của phép mơ phỏng là tạo được ảnh với nhiễu đốm nền vốn được tạo
ra từ những thành phần phụ nằm ngoài vùng khảo sát. Biên độ tán xạ của các điểm tán
xạ là khác nhau, và nó được xác định bằng cách lập bản đồ tán xạ từ dữ liệu ảnh CT,
ảnh MRI hay ảnh quang học thông thường. Trong phương pháp gắn với luận văn, ta sử
dụng ảnh CT làm cơ sở dữ liệu để phân tích bản đồ phân bố điểm tán xạ, từ đó sử xây
dựng mối liên hệ giữa tín hiệu phát ra và thu vào theo độ suy giảm cường độ để suy ra
ảnh siêu âm muốn mô phỏng.
Ảnh siêu âm tạo bởi phần mềm có thể được dùng để so sánh với ảnh siêu âm
trong thực tế ở các thành phần khảo sát tương ứng. Trên cơ sở tạo ảnh siêu âm từ dữ

liệu ảnh CT, độ chính xác về cấu trúc phân bố hình học sẽ đạt độ chính xác cao, tuy
nhiên mục tiêu hướng đến của đề tài là mơ phỏng được ảnh có các hiệu ứng gần giống
với ảnh thực tế nhất.

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


3

Nội dung
Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ
SIÊU ÂM VÀ TẠO ẢNH SIÊU ÂM
I. Sóng âm và các cơng thức cơ bản của sóng âm[5]
Sóng âm là sự nén giãn vật lý của mơi trường (rắn, lỏng, khí) đối với một tấn số
nhất định. Sóng dao động được gọi là sóng dọc cơ học nếu mơi trường chứa dao động
cùng với phương truyền sóng. Sóng âm nằm trong giới hạn nghe của con người, từ
20Hz đến 20Khz. Ngưỡng dưới 20Hz gọi là hạ âm (infrasound), và ngưỡng trên 20kHz
gọi là siêu âm (ultrasound). Trong đó, sóng âm ngưỡng dưới được quan tâm để phân
tích cấu trúc xây dựng, dự đốn động đất, và nguồn có cấu trúc lớn. Cịn sóng siêu âm
được ứng dụng phổ biến trong y học hay cơng nghệ âm hóa học (sonochemistry). Phổ
của các sóng có thể đa dạng; từ các âm đơn sắc như máy đánh nhịp, tới đa sắc như một
bản nhạc vio-lông, hay như tiếng ồn có thể có phổ rất rộng. Phổ sóng âm có thể là sự
phân bố đồng đều về mật độ hay bị xáo trộn bởi các hàm điều hịa ưu thế tại một số
đoạn của nó. Khi sóng âm bị nén, thể tích thay đổi từ V đến V-∆V. Tỉ số sự thay đổi áp
suất với sự thay đổi thể tích gọi là đơn vị khối của độ đàn hồi môi trường
B

P

 0v 2 ,
V / V

(I.i.1)

với ρ0 là mật độ mơi trường ngồi vùng nén, v là vận tốc âm thanh trong môi trường.
Vận tốc của âm thanh được định nghĩa
v

B

0

.

(I.i.2)

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

Luận Văn Thạc Sỹ


4

và đặc trưng này là nền tảng cho cảm ứng nhiệt âm. Đối với vận tốc dọc trong chất rắn,
có thể định nghĩa qua suất Young E và tỉ số Poisson
v


E (1  v)
.
0 (1  v)(1  2v)

(I.i.3)

Đối với sóng âm điều hịa, độ dịch của phần tử khỏi vị trí cân bằng được tính bởi
y  ym cos

2



( x  vt ),

(I.i.4)

với x là vị trí cân bằng, y là độ dịch khỏi vị trí cân bằng, ym là biên độ, λ là bước sóng.
Trong thực tế, làm việc với các biến áp suất đơn giản hơn các biến vị trí. Theo đó, áp
suất được tạo bởi sóng âm là
p  k 0v2 ym sin(kx  t ),

với k 

(I.i.5)

2
là số sóng,  là tần số góc, các giá trị đứng trước xem là biên độ áp suất âm



thanh, pm, và sóng âm được xem là sóng áp suất. Hàm sin và cos trong hai phương trình
trên chỉ ra rằng sóng áp suất và sóng dịch chuyển lệch pha 900. Sự khác biệt giữa áp
suất trung bình và tức thời gọi là áp suất âm thanh P. Khi sóng âm lan truyền, các phần
tử giao động gần vị trí cố định với vận tốc tức thời  . Tỉ số giữa áp suất âm thanh và
vận tốc tức thời gọi là trở kháng âm thanh,
Z

P



,

(I.i.6)

với Z là đại lượng phức, gồm biên độ và pha. Xét trong môi trường lý tưởng (không
mất mát), Z nhận giá trị thực và được tính theo vận tốc sóng âm
Z  0 v

(I.i.7)

Thông thường, trở kháng âm Z thường được hiểu như độ vang hay độ dội của
sóng âm trong mơi trường và có vai trị quyết định đối với biên độ sóng phản xạ trên

Châu Huy Thơng

Luận Văn Thạc Sỹ


5


mặt phân cách giữa hai môi trường. Ta định nghĩa cường độ I của sóng âm ứng với
cơng suất truyền qua một đơn vị diện tích
P2
I  P 
.
Z

(I.i.8)

Thơng dụng hơn, để đặc trưng âm thanh người ta dùng khái niệm mức âm, và định
nghĩa theo cường độ tham chiếu I0=10-12W/m2, là giá trị thấp nhất tai người có thể nghe
I 
.
 I0 

  10 log10 

(I.i.9)

Mức áp suất cũng được diễn tả theo decibel như sau,với p0= 2x10-5 N/m2.
 p
  20 log10   ,
 p0 

(I.i.10)

II. Tổng quan về sóng siêu âm và đầu dị[5][6][7]
1. Ngun lý tạo sóng siêu âm
1.1 Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu dưới sự tác
động của ứng suất cơ học, tên của nó được đặt bởi sự tương đồng về tính chất với vật
liệu sắt điện. Hai anh em Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện trong SiO2 vào năm
1880, nhưng rất ít ứng dụng thực tiễn được phát triển cho đến năm 1917, khi một giáo
sư người pháp, P.Langevin sử dụng SiO2 để tạo ra sóng âm trong nước. Nghiên cứu
của ơng đã dẫn đến việc phát triển của hệ thống định vị dưới nước.
Mô hình đơn giản nhưng rất dễ hiểu của hiệu ứng áp điện được đưa ra vào năm
1927 bởi A. Meissner. Tinh thể SiO2 được mơ phỏng như một vịng xoắn (Hình 1.1)
với một nguyên tử Silicon (Si) và hai nguyên tử Oxi (O2) luân chuyển quanh vòng
xoắn. Tinh thể SiO2 được cắt dọc trục x,y và z của nó; do đó Hình 1.1a là hình nhìn
dọc theo trục z. Trong một tinh thể đơn, có 3 nguyên tử Si và 6 nguyên tử O2. Mỗi
Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


6

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

Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện trong tinh thể thạch anh[5]
Hiệu ứng áp điện là một hiện tượng vật lý nghịch đảo, do đó nếu có điện áp áp
vào dọc theo tinh thể sẽ tạo nên một sự biến dạng cơ học. Bằng cách đặt vài bản cực

trên tinh thể, một cặp bản cực có thể được được dùng để truyền tải điện áp tới tinh thể
và cặp bản cực khác để thu nhận điện tính tạo ra từ sự biến dạng. Hiệu ứng áp điện
thuận nghịch phát biểu như sau:
- Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặc
kéo giãn một số tinh thể áp điện theo những phương đặc biệt trong tinh thể thì trên bề
mặt các mặt giới hạn của tinh thể đó sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và gây nên
một hiệu điện thế giữa 2 bề mặt. Như đã biết, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó khi

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


7

sóng siêu âm va đập vào bề mặt tinh thể gốm thì sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một
chuỗi xung có độ lớn tỷ lệ với cường độ của sóng âm.
- Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể góm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộc
vào chiều của hiệu điện thế đó tinh thể gốm sẽ giãn ra hay nén lại. Khi ta đặt lên tinh
thể gốm mọt hiệu điện thế xoay chiều thì tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động
theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục vào môi
trường bao quanh và tạo ra sóng âm. Phụ thuộc vào tần số dao động, xung điện kích
thích và cơng nghệ chế tạo tinh thể gốm mà ta sẽ thu được các chùm siêu âm có tần số
khác nhau
1.2 Từ giảo
Là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi
dưới tác dụng của từ trường ngồi (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật
từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch).
Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tử
trong vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử khơng

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

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


8

mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu. Do đó,
từ giảo phản ánh tính chất đối xứng của mạng tinh thể.
2. Đầu dò siêu âm
2.1 Vật liệu chế tạo đầu dò.
Đầu dò siêu âm chủ yếu được phát triển dựa trên vật liệu áp điện, trong phần
này ta chỉ chú trọng đến phân tích hoạt động đầu dị dựa trên hiệu ứng và vật liệu áp
điện. Để có thể sử dụng được vật liệu áp điện trong thiết kế đầu dị, hay nói cách khác
là để lấy điện tích ra khỏi vật liệu, các bản cực dẫn điện phải được lắp vào tinh thể ở
hai đầu tương ứng . Như vậy, từ một cảm biến áp điện ta biến nó trở thành như một tụ
điện với vật liệu điện môi là tinh thể áp điện. (xem hình dưới)


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

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ


9

Chất điện môi hoạt động như một máy tạo điện tích tạo ra điệp áp V ngang qua
tụ điện. Mặc dù điện tích trong chất điện mơi tinh thể chỉ tập trung tại nơi có lực tác
dụng, tuy nhiên các bản cực kim loại sẽ trung hịa điện tích dọc trên bề mặt khiến cho
tụ điện không chỉ nhạy theo vùng. Tuy nhiên, nếu các bản cực được thiết kế theo dạng
phức tạp, có kết cấu từ nhiều cặp điện cực thì nó có thể xác định chính xác vị trí của
lực tác dụng bằng cách xác định hồi đáp từ bản cực bị tác dụng. Độ lớn của hiệu ứng
áp điện dưới một dạng đơn giản có thể được biểu diễn bằng vector của độ phân cực:
P  Pxx  Pyy  Pzz

(I.ii.1)

Trong đó x,y và z là một hệ thống thẳng góc tiêu chuẩn liên quan đến hệ trục
tinh thể. Trên phương diện ứng xuất trục dọc,  , chúng ta có thể viết:
Pxx  d11 xx  d12 yy  d13 zz
Pyy  d 21 xx  d 22 yy  d 23 zz

(I.ii.2)

Pzz  d 31 xx  d 32 yy  d 33 zz


Với các hằng số dmn là các hệ số áp điện dọc theo các trục thẳng góc của mặt cắt
tinh thể. Đơn vị của những hệ số này là C/N (Coulomb/Newton).
Để việc tính tốn được thuận tiện, hai đơn vị khác được nêu ra; đầu tiên là hệ số
g, được định nghĩa như độ chia của hệ số dmn tương ứng với hằng số điện môi tuyệt đối.
g mn 

d mn

 0 mn

.

(I.ii.3)

Hệ số này biểu diễn độ biến thiên điện áp được tạo nên bởi tinh thể trên một đơn
vị áp suất tác dụng. Số đo của nó là:
V
m

Châu Huy Thơng

N
m2

(I.ii.4)

Luận Văn Thạc Sỹ


10


Ngồi ra, ta có thể định nghĩa thêm hệ số h, được thu thập bằng cách nhân các
hệ số g bởi các suất Young tương ứng cho từng trục tinh thể. Số đo của hệ số h là:
V
m

m
m

(I.ii.5)

Các tinh thể áp điện là những chất chuyển hóa trực tiếp cơ năng thành điện
năng. Hiệu quả của sự chuyển hóa này có thể được đánh giá dựa trên hệ số ghép kmn
kmn  dmn hmn .

(I.ii.6)

Hệ số k là một trị số quan trọng cho các ứng dụng có hiệu ứng năng lượng giữ
một vị trí quan trọng, ví dụ trong âm học và siêu âm học. Điện tích tạo bởi tinh thể áp
điện tỳ lệ với lực tác dụng, ví dụ, theo hướng trục x, điện tích là
Qx  d11Fx

(I.ii.7)

Xét tinh thế với các bản cực tích hợp như một tụ điện có điện dung C, điện áp V
phát triển ngang qua giữa hai bản cực là:
V

Qx d11


Fx .
C
C

(I.ii.8)

Điện dung C có thể được biểu diễn theo diện tích bề mặt bản cực a và độ dày
tinh thề l, hằng số điện môi k, và hằng số độ thấm điện mơi 0
a
C  k 0 .
l

(I.ii.9)

Ta có điện áp đầu ra là:
V

Châu Huy Thông

d11
d
Fx  11 Fx .
C
k 0 a

(I.ii.10)

Luận Văn Thạc Sỹ



11

Việc chế tạo các chất gốm PZT trên nền tảng ơxit kim loại có độ tinh khiết cao
(như ơxit chì, ôxit Ziconi, ôxit Titan) dưới dạng bột nhuyễn có màu sắc khác nhau; khi
đó bột được nghiền mịn và trộn với các tỷ lệ hoạt hóa chuẩn. Trong q trình nung
luyện, hỗn hợp sẽ được nung với nhiệt độ cao đủ để cho phép hỗn hợp phản ứng tạo
nên một chất bột mà mỗi hạt của nó có một cấu trúc hóa học gần với cấu trúc mong
muốn, tuy nhiên, giai đoạn này các hạt chưa dịnh hình cấu trúc tinh thể mong muốn.
Bước tiếp theo là trộn bột Canxi với chất kết dính hữu cơ rắn hoặc lỏng (để có
thể cháy bên ngồi trong q trình đốt cháy) và cho hỗn hợp vào khn có hình dạng
xấp xỉ với phần tử cảm biến mong muốn. Các tinh thể trong vật liệu có thể được xem
như các lưỡng cực; ở một số vật liệu như SiO2, những tế bào này được định hướng tự
nhiên dọc theo các trục tinh thể nên những vật liệu này nhạy với áp lực. Đối với những
vật liệu có các lưỡng cực được định hướng ngẫu nhiên thì vật liệu cần được tái thiết để
có được tính chất áp điện. Một vài kỹ thuật gia cố trụ có thể được sử dụng để tạo cho
một vật liệu tinh thể các tính chất áp điện. Quá trình gia cố trụ phổ biến nhất là quá
trình gia cố nhiệt bao gồm những bước sau:
1. Vật liệu tinh thể có các lưỡng cực định hướng ngẫu nhiên (Hình 1.3a) được
hâm nóng dưới nhiệt độ Curie. Trong một số trường hợp (cho một bảng PVDF), vật
liệu sẽ chịu áp lực, nhiệt độ cao để tạo ra xáo động mạnh hơn của các lưỡng cực và cho
phép chúng định hướng dễ dàng theo hướng mong muốn.
2. Vật liệu được đặt trong điện trường E (Hình 1.3b) nơi các lưỡng cực xếp hàng
dọc theo các đường điện trường. Nhiều lưỡng cực có thể nằm lệch hướng với hướng
của trường, tuy nhiên vẫn duy trì được sự định hướng các lưỡng cực.
3. Vật liệu được làm mát trong khi điện trường vẫn được duy trì.
4. Các lưỡng cực ở trạng thái “đóng băng” theo hướng được định cho nó bởi
điện trường tại nhiệt độ cao (Hình 1.3c)

Châu Huy Thơng


Luận Văn Thạc Sỹ


12

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

Hình 1.3: Phương pháp gia cố trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa điện[5]
Một phương pháp khác được gọi là phương pháp gia cố cực quang cũng được sử
dụng để tạo nên các Polyme áp điện. Một tấm mỏng chịu tác động của sự phóng điện
quang vài triệu vơn từ một bản cực trên một centimet độ dày tấm trong 40-50 giây. Độ
phân cực vầng quang không quá phức tạp để thực hiện và có thể dễ dàng áp dụng trước
khi quá trình đánh thủng cách điện xuất hiện. Quá trình cuối cùng để chuẩn bị cho các
phần tử cảm biến đang định hình và hồn thành bao gồm cắt, gia cơng và mài bóng.
Sau khi phần tử áp điện được hồn thành, nó được gắn vào giá đỡ của cảm biến, nơi
các bản cực của nó được kết dính vào các đầu nối điện và các phần tử điện khác.
Sau quá trình gia cố, tinh thể vẫn giữ được sự phân cực cố định, tuy nhiên nó lại
chỉ tích điện trong một thời gian ngắn. Có một lượng các hạt mang điện tự do di
chuyển trong điện trường sinh ra bên trong khối vật liệu và có khá nhiều ion tích điện
trong khơng khí xung quanh. Các chất mang điện tích di chuyển qua các lưỡng cực
được gia cố và trung hịa điện tích của chúng (Hình 1.3c). Do đó, sau một lúc, vật liệu
áp điện được gia cố sẽ có khả năng phóng điện, xét dưới các điều kiện ổn định để duy
trì tính chất áp điện. Khi áp lực được thêm vào, hay khơng khí thổi gần bề mặt nó thì
trạng thái cân bằng sẽ giảm bớt và vật liệu áp điện tạo ra một điện tích. Nếu áp lực
được duy trì trong một lúc, các điện tích một lần nữa sẽ được trung hịa bởi q trình

Châu Huy Thông

Luận Văn Thạc Sỹ



13

bên trong. Nói cách khác, một cảm biến áp điện chỉ phản hồi với một áp lực biến đổi
hơn là với sự ổn định về áp lực. Nói cách khác, cảm biến áp điện là một thiết bị xoay
chiều hơn là một thiết bị một chiều.
Độ nhạy định hướng áp điện (hệ số d) phụ thuộc vào nhiệt độ. Với một số vật
liệu (SiO2), độ nhạy giảm với một sự nhấp nhô là 0.016%/oC. Với những vật liệu khác
(các tấm PVDF và gốm) tại nhiệt độ dưới 40oC, nó có thể giảm, và tại nhiệt độ cao
hơn, nó tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ. Loại vật liệu phổ biến nhất để chế tạo ra các
cảm biến áp điện là gốm áp điện. Vật liệu ban đầu của gốm sắt điện là gốm Bari
Titanat, một chất đa tinh thể có cơng thức hóa học là BaTiO3. Độ ổn định của độ phân
cực cố định phụ thuộc vào lực cưỡng bức của các lưỡng cực. Trong một số vật liệu, độ
phân cực có thể giảm theo thời gian. Để cải thiện độ ổn định của vật liệu được gia cố,
các tạp chất đã được đề nghị trong vật liệu cơ bản với ý tưởng là độ phân cực có thể bị
khóa chặt vào vị trí đó.
Mặc dù hằng số áp điện thay đổi với nhiệt độ hoạt động, ta có hằng số điện môi,
k, biểu hiện sự phụ thuộc tương tự. Do đó, theo phương trình (I.ii.10), sự biến thiên
trong các giá trị này có xu hướng loại trừ lẫn nhau vì chúng được đưa vào đồng thời tử
và mẫu số. Điều này cho ra một độ ổn định điện áp đầu ra, V, tốt hơn ở một phạm vi
nhiệt độ lớn. Các phần tử áp điện có thể được dùng như một tinh thể đơn hay đa lớp có
vài lớp của vật liệu được đính chặt vào nhau, điều này phải được thực hiện với các bản
cực đặt giữa chúng. Hình 1.4 cho thấy một cảm biến lực hai lớp.

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

Luận Văn Thạc Sỹ