đồ án tốt nghiệp điện tử y sinh

Bạn đang xem: đồ án tốt nghiệp điện tử y sinh Tại Lingocard.vn

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.73 MB, 114 trang )

Đang xem: đồ án tốt nghiệp điện tử y sinh

1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN DOPPLER

Sinh viên thực hiện: ĐẶNG MẠNH CƯỜNG
Lớp ĐTYS – K50
Giảng viên hướng dẫn:
PGS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

Hà Nội, 06/2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ
NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG MẠNH CƯỜNG Số hiệu sinh viên: 20050379
Khoá:50 Khoa: Điện tử – Viễn thông Ngành: Điện tử y sinh
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… ……

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………
……………… ….
………………………………………………………………………………………………
…………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………
……………………………………… ….
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………….
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………… ……………………………… ….
……………………………………………
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………
…………………………………………….
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….
………………………………………………………………
7. Ngày hoàn thành đồ án:
………………………………………………………………………
……………………………
Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

2
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên:
Ngành: Khoá:

Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:

2. Nhận xét của cán bộ phản biện:

Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện

( Ký, ghi rõ họ và tên )
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
3
Nội dung đồ án em thực hiện có thể tóm tắt như sau:
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 bị chẩn đoán HDI 4000.
THESIS’ SUMMARY
Content of my thesis can be summarized as follows:
Chapter 1: Base in ultrasound.
Chapter 2: Principles of operation of the ultrasound machine.
Chapter 3: System HDI 4000 diagnostic ultrasound.
Chapter 4: Operation process inspection and repair of safety for
HDI 4000 diagnostic equipment.
LỜI NÓI ĐẦU
4
Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và đã được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như: công nghiệp, dân dụng và y học. Ví dụ trong công nghiệp người ta sử
dụng siêu âm để thăm dò các khuyết tật trong các mối hàn kim loại hay để đánh
sạch bề mặt vật liệu, còn trong dân dụng có thể sử dụng siêu âm để tìm luồng cá
trong biển Tuy nhiên lĩnh vực em xin đề cập ở đây là vấn đề ứng dụng siêu âm
trong y học. Siêu âm được sử dụng rộng rãi trong y học cho mục đích chẩn đoán và
điều trị. Đặc điểm của siêu âm trong y học là chúng không có tác động xấu đến cơ
thể 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 ứng
dụng 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 cho
phép tạo ảnh không gian ba chiều rõ nét có tác dụng đặc biệt trong thăm khám thai
nhi.
Tuy nhiên sự hiểu biết và khai thác thiết bị siêu âm còn có nhiều hạn chế do
chúng ta gần đây mới đưa vào đào tạo các kỹ sư về chuyên nghành Điện tử y sinh
chưa đủ cung cấp cho các bệnh viện hay các nghành khác có liên quan, đồng thời
thiết 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 bệnh
viện 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.
5
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 bị
chẩn đoán HDI 4000.
Em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Đức
Thuận 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.
6
MỤC LỤC
THESIS’ SUMMARY 4
L I NÓI UỜ ĐẦ 4
M C L CỤ Ụ 7
DANH SÁCH CÁC T VI T T TỪ Ế Ắ 11
Ch ng 1ươ 12
C S K THU T SIÊU ÂMƠ Ở Ỹ Ậ 12

1.1. Cơ sở vật lý siêu âm 12
1.1.1. B n ch t c a sóng âm.ả ấ ủ 12
1.1.2. Phân lo i sóng âm.ạ 13
1.1.3. Các tính ch t c a sóng siêu âm.ấ ủ 14
1.1.4. T ng tác c a siêu âm v i mô.ươ ủ ớ 17
1.1.5. Hi u ng Doppler v các k thu t siêu âm Doppler.ệ ứ à ỹ ậ 25
1.1.6. ng d ng c a siêu âm trong y t .Ứ ụ ủ ế 28
1.2. C s ph n c ng c a thi t b siêu âm.ơ ở ầ ứ ủ ế ị 32
1.2.1. C s t o sóng siêu âm.ơ ở ạ 32
1.2.2. C u t o u dò siêu âm dùng tinh th áp i n.ấ ạ đầ ể đ ệ 35
1.2.3. Các ph ng pháp quét c a u dò siêu âm.ươ ủ đầ 38
Ch ng 2ươ 41
NGUYÊN LÝ HO T NG C A MÁY SIÊU ÂMẠ ĐỘ Ủ 41
2.1. Máy quét chế độ A 41
2.1.1. Hi n th tín hi u d i.ể ị ệ ộ 41
2.1.2. Các th nh ph n c a h th ng.à ầ ủ ệ ố 43
Ch ng 3ươ 59
H TH NG SIÊU ÂM CH N OÁN HDI 4000Ệ Ố Ẩ Đ 59
3.1. Tổng quan hệ thống siêu âm HDI 4000 59
3.1.1. Gi i thi u chung.ớ ệ 59
3.1.2. c i m k thu t.Đặ đ ể ỹ ậ 63
3.2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị 67
3.2.1. C u trúc c a h th ng.ấ ủ ệ ố 67
3.2.2. Ho t ng c a h th ng.ạ độ ủ ệ ố 68
3.2.3. Ch c n ng, ho t ng c a các kh i.ứ ă ạ độ ủ ố 69
3.3. Vị trí một số khối của hệ thống siêu âm HDI 4000 88
3.3.1. Panel v o ra.à 88
3.3.2. V trí các b ng m ch chính c a h th ng.ị ả ạ ủ ệ ố 89
Ch ng 4ươ 91
QUY TRÌNH V N HÀNH KI M TRA S A CH A VÀ AN TOÀN I V I THI T B Ậ Ể Ử Ữ ĐỐ Ớ Ế Ị

CH N OÁN HDI 4000Ẩ Đ 91
4.1. Tác dụng sinh học và sự an toàn của thiết bị siêu âm chẩn đoán 91
4.1.1. N ng l ng chùm tia v c ng chùm tia.ă ượ à ườ độ 91
4.1.2. Tác d ng sinh h c c a sóng siêu âm.ụ ọ ủ 93
4.1.3. S an to n c a các thi t b siêu âm ch n oán v nh ng khuy n cáo.ự à ủ ế ị ẩ đ à ữ ế 93
4.2. Các chú ý an toàn khi tiến hành bảo dưỡng kiểm tra thiết bị siêu âm
chẩn đoán HDI 4000 94
4.2.1. An to n i v i máy móc.à đố ớ 94
4.2.2. An to n v i n.à ề đ ệ 94
4.2.3. Các bi u t ng an to n.ể ượ à 95
4.3. Thực hiện điều chỉnh quá trình vận hành của máy 96
4.3.1. Th c hi n quá trình kh i t o v ki m tra m n hình.ự ệ ở ạ à ể à 97
7
4.3.2. Th c hi n v ki m tra ch t o nh 2D.ự ệ à ể ế độ ạ ả 99
4.3.3. Th c hi n ch t o nh 3D.ự ệ ế độ ạ ả 101
4.4. Một số vấn đề về sửa chữa thiết bị siêu âm HDI 4000 102
4.4.1. M t s quy t c trong s a ch a.ộ ố ắ ử ữ 102
4.4.2. M t s hi n t ng th ng g p v cách kh c ph c.ộ ố ệ ượ ườ ặ à ắ ụ 105
4.4.3. Ki m tra c u chì.ể ầ 111
4.4.4. Ki m tra nhi u i n t EMI v nhi u radio RFI.ể ễ đ ệ ừ à ễ 111
K T LU NẾ Ậ 112
TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 113
DANH SÁCH HÌNH VẼ
DANH SÁCH B NG BI UẢ Ể 10
Hình 1.1. Dao ng sóng âm.độ 13
Hình 1.2. Sóng d c v sóng ngang.ọ à 14
Hình 1.3. Bi u d i t n s sóng âm.ể đồ ả ầ ố 14
Hình 1.4. B c sóng.ướ 16
Hình 1.5. S ph n x gây b i sóng âm t i m t ph ng l n h n d i m t ự ả ạ ở ớ ặ ẳ ớ ơ ướ ộ
góc vuông 18

8
Hình 1.6. S ph n x v khúc x .ự ả ạ à ạ 19
Hình 1.7. Hi n t ng tán x v i sóng tán x phát ra theo t t c các h ng.ệ ượ ạ ớ ạ ấ ả ướ 20
Hình 1.8. S m r ng c a m t chùm tia t m t ngu n nh .ự ở ộ ủ ộ ừ ộ ồ ỏ 21
Hình 1.9. S nhi u x c a chùm sóng sau khi qua l nh .ự ễ ạ ủ ỗ ỏ 21
Hình 1.10. Quan h suy gi m – t n s v i các lo i mô khác nhau.ệ độ ả ầ ố ớ ạ 22
Hình 1.11 nh h ng c a t n s n s suy gi m.Ả ưở ủ ầ ố đế ự ả 23
Hình 1.12. Giao thoa gi a hai sóng t hai ngu n i m c a c m bi n ph ng.ữ ừ ồ đ ể ủ ả ế ẳ 23
Hình 1.13. M t sóng v hình d ng chùm tia t o ra b i sóng ph ng i qua khe h .ặ à ạ ạ ở ẳ đ ở 24
Hình 1.14. Hình d ng chùm tia siêu âm.ạ 24
Hình 1.15. N ng l ng chùm tia siêu âm t p chung ch y u trong không gian gi i h n ă ượ ậ ủ ế ớ ạ
b i m t b m t.ở ộ ề ặ 25
Hình 1.16. Doppler liên t c.ụ 26
Hình 1.17. Doppler xung 27
Hình 1.18 30
a) Hình nh t o nên nh chùm siêu âm truy n qua t ng t nh t o nh X quang trong ả ạ ờ ề ươ ự ư ạ ả
ch n oán.ẩ đ 30
b) Hình nh t o nên nh chùm siêu âm ph n x t các m t phân gi i i t ng kh o ả ạ ờ ả ạ ừ ặ ớ đố ượ ả
sát v i môi tr ng xung quanh.ớ ườ 30
Hình 1.20. ng d ng hi u ng Doppler trong o t c dòng máu.Ứ ụ ệ ứ đ ố độ 32
Hình 1.21. Ph ng pháp t o siêu âm b ng v t li u t gi o.ươ ạ ằ ậ ệ ừ ả 33
Hình 1.22. Hi u ng áp i n.ệ ứ đ ệ 34
Hình 1.23. Phát v thu sóng siêu âm.à 34
Hình 1.24. Ph ng pháp thu sóng siêu âm.ươ 35
Hình 1.25. Ph ng pháp hi n th nh siêu âm.ươ ể ị ả 35
Hình 1.26. C u trúc u dò.ấ đầ 36
Hình 1.27. S c ng h ng trong tinh th .ự ộ ưở ể 37
Hình 1.28. ng i c a xung siêu âm gi a c m bi n v m t ph n x .Đườ đ ủ ữ ả ế à ặ ả ạ 38
Hình 1.29. Tín hi u ph n h i t các m t ph n x có sâu khác nhau.ệ ả ồ ừ ặ ả ạ độ 39
Hình 1.30. Xung gi i i u ch các m t ph n x gi ng nhau sâu khác nhau.ả đ ề ế ặ ả ạ ố ở độ 39

Hình 1.31. Hi n th A-Scan không có v có b AGC.ể ị à ộ 40
Hình 2.1. ng i c a xung gi a c m bi n v m t ph n x .Đườ đ ủ ữ ả ế à ặ ả ạ 42
Hình 2.2. ng i c a xung gi a hai m t ph n x .Đườ đ ủ ữ ặ ả ạ 42
Hình 2.3. Quét hình ch A v hi n th .ế độ à ể ị 42
Hình 2.4. S kh i máy quét ch A.ơ đồ ố ế độ 43
Hình 2.5. u ra kh i t o tín hi u PRF.Đầ ố ạ ệ 43
Hình 2.6. Nguyên lý l m vi c bù suy gi m theo th i gian.à ệ ả ờ 45
Hình 2.7. H n th ch A khi TGC t t (a) v khi TGC m (b).ể ị ế độ ắ à ở 45
Hình 2.8. ng d ng lâm s ng c a máy quét ch A.ứ ụ à ủ ế độ 46
Hình 2.9. So sánh m n hình ch A v B.à ế độ à 47
Hình 2.10. Quét hình ch B k t h p.ế độ ế ợ 48
Hình 2.11. S kh i máy quét ch B.ơ đồ ố ế độ 48
Hình 2.12. Máy quét ch B. Máy quét ch A c b n c c i bi n thêm bao ế độ ế độ ơ ả đượ ả ế
g m c n quét, máy phát nh v v m n hình l u tr .ồ ầ đị ị à à ư ữ 49
Hình 2.13. S kh i máy siêu âm ch B hi n th CRT.ơ đồ ố ế độ ể ị 51
Hình 2.14. Nguyên lý l m vi c c a u dò m ng tuy n tính.à ệ ủ đầ ả ế 53
Hình 2.15. Nguyên lý l m vi c c a u dò Convex.à ệ ủ đầ 55
Hình 2.16. Nguyên lý l m vi c c a u dò m ng pha.à ệ ủ đầ ả 56
Hình 2.17. S kh i máy siêu âm c b n.ơ đồ ố ơ ả 58
Hình 3.1. Hình nh t ng quan c a máy siêu âm HDI 4000.ả ổ ủ 60
Hình 3.2. S panel i u khi n v b n phím y kéo.ơ đồ đ ề ể à à đẩ 61
Hình 3.3. S núm nút trên Panel i u khi n.ơ đồ đ ề ể 62
Hình 3.4. S kh i c a h th ng siêu âm HDI 4000.ơ đồ ố ủ ệ ố 70
9
Hình 3.5. S ng d li u gi a các kh i.ơ đồ đườ ữ ệ ữ ố 71
Hình 3.5. S kh i l a ch n u dò.ơ đồ ố ự ọ đầ 72
Hình 3.6. B t o chùm tia BF0-BF3.ộ ạ 74
Hình 3.7. S kh i ch c n ng c a b x lý tín hi u Doppler.ơ đồ ố ứ ă ủ ộ ử ệ 75
Hình 3.8. S kh i b x ký tín hi u s DSP PCB.ơ đồ ố ộ ử ệ ố 79
Hình 3.9. S kh i c a b chuy n i quét s .ơ đồ ố ủ ộ ể đổ ố 80

Hình 3.10. S kh i cung c p tín hi u Video.ơ đồ ố ấ ệ 82
Hình 3.11. S kh i cung c p tín hi u âm thanh.ơ đồ ố ấ ệ 83
Hình 3.12. S phân ph i cáp ngu n.ơ đồ ố ồ 85
Hình 3.13. S kh i ngu n cung c p.ơ đồ ố ồ ấ 87
Hình 3.14. Panel k t n i v o ra phía sau.ế ố à 89
Hình 3.15. V trí các b ng m ch chính.ị ả ạ 89
Hình 3.16. V trí c a b l a ch n i n c c.ị ủ ộ ự ọ đ ệ ự 90
Hình 3.17. Chi ti t v front care cage.ế ề 90
Hình 4.1. Phân lo i c ng theo th i gian:ạ ườ độ ờ 92
Hình 4.2. V trí nút ngu n c a h th ng.ị ồ ủ ệ ố 97
Hình 4.3. M n hình kh i ng.à ở độ 98
Hình 4.4. M n hình CONTRACT.à 99
Hình 4.5. M n hình BRIGHTNESS.à 99
Hình 4.6. M n hình MAIN MENU.à 99
Hình 4.7. M n hình SETUP.à 103
Hình 4.8. M n hình sau khi kích Diagnostics.à 103
Hình 4.9. M n hình sau kích Service Diagnostics.à 104
Hình 4.10. Danh sách các m c ch n oán.ụ ẩ đ 104
Hình 4.11. K t q a hi n th khi ta ch n System Enviroments.ế ủ ể ị ọ 105
Hình 4.12. Minh ho ng tác tháo l p c u chì.ạ độ ắ ầ 111
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
DANH SÁCH HÌNH VẼ 8
B ng 1.1 c tính c a các môi tr ng khác nhau.ả Đặ ủ ườ 15
B ng 3.1: c i m v t lý c a h th ng v gi i h n.ả Đặ đ ể ậ ủ ệ ố à ớ ạ 66
B ng 3.3: Gi i h n nhi t m c a thi t b .ả ớ ạ ệ độ độ ẩ ủ ế ị 67
Ngu n i n áp xoay chi u k t n i tr c ti p t i ngu n cung c p, bao g m c panel ồ đ ệ ề ế ố ự ế ớ ồ ấ ồ ả
i u khi n phía sau. Ngu n cung c p ho t ng i n áp 115 ho c 230Vac. B ng 3.5 đ ề ể ồ ấ ạ độ ở đ ệ ặ ả
a ra i n áp u ra c a ngu n cung c p.đư đ ệ đầ ủ ồ ấ 86
B ng 4.1 D i c ng siêu âm c a m t s thi t b siêu âm ch n oán.ả ả ườ độ ủ ộ ố ế ị ẩ đ 92
B ng 4.2. M t s h ng hóc th ng g p v cách kh c ph c.ả ộ ố ỏ ườ ặ à ắ ụ 105

B ng 4.3. L i kh i ng h th ng v cách kh c ph c.ả ỗ ở độ ệ ố à ắ ụ 107
10
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Từ đầy đủ Nghĩa tiếng việt
CRT Cathode ray tube Ống tia ca tốt
PRF Pulse repetition frequency Tấn số xung lặp
TGX Time gain compensation Bù khuếch đại thời gian
FR Frame rate Tốc độ tạo hình
LD Line density Mật độ đường
11
EFOV Extended field of view
Siêu âm thời gian thực tới trường
nhìn mở rộng
VCR Video cassette recoder Đầu thu video
BF Beamformer Bộ tạo chùm tia
RF Radio frequency Tần số vô tuyến
DSC Digital scan converter Bộ chuyển đổi quét số
VM Video manager Khối quản lý hình ảnh
TP Temporal peak Đỉnh theo thời gian
TA Temporal average Trung bình theo thời gian
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 trong
môi trường đàn hồi (rắn, lỏng, khí) được gọi là những sóng cơ. Chúng ta coi môi
trường đàn hồi gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường các
12
phần tử môi trường dao động quanh những vị trí cân bằng bền, nhưng khi có ngoại

lực tác dụng lên một phần tử nào đó của môi trường thì nó làm cho phần tử này rời
khỏi vị trí cân bằng bền. Tuy nhiên do tương tác với các phần tử xung quanh nên
một mặt phần tử này chịu lực tác động của các phần tử xung quanh kéo về vị trí cân
bằng bền, một mặt nó lại tác động tới các phần tử xung quanh làm các phần tử này
cũng thực hiện dao động. Kết quả là có dao động cơ lan truyền trong môi trường
đàn 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 vận
chuyển vật chất trong môi trường. Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn
sóng, phương truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường
sóng.
1.1.2. Phân loại sóng âm.
Người ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc. Sóng ngang là
sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng. Thí
dụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu. Sóng dọc là sóng mà
phương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng. Thí dụ: khi ta
nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra. Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò
xo chính là sóng dọc. Âm thanh là một dạng sóng dọc. Sóng dọc truyền được trong
chất rắn, lỏng và khí.
13
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 thấy
gọi 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 con
người không thể nghe được , tần số của chúng > 20000Hz. Và như thế sóng âm nói
chung 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 góc
vuông và chúng lan truyền qua chân không với vận tốc ánh sáng, tuy nhiên sự
truyền âm trong chân không là không thể vì ở đó không có các phần tử để truyền
dao động.
Dao động siêu âm được đặc trưng bởi các tham số sau đây:
14
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 đẳng
hướng, vận tốc sóng dọc bằng:
αρ
1
=v
=
ρ
β
(1.1)
Trong đó:
α
: hế số đàn hồi là đại lượng đặc trưng cho sự giảm thể tích của môi trường khi có
lực tác động lên môi trường. Môi trường càng dễ giảm thể tích thì hệ số đàn hồi
càng cao.
ρ
: tỷ khối của môi trường còn gọi là khối lượng riêng của môi trường hay mật độ
môi trường, là khối lượng các hạt môi trường trên một đơn vị thể tích. Khi tỷ khối
tăng thì có nhiều số lượng các hạt chứa trong một thể tích đã cho, các hạt với số
lượng lớn hơn sẽ yêu cầu lực lớn hơn để tạo ra chuyển động phân tử, và cũng cần

một 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).
α
β
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 thì
tốc độ âm thanh sẽ giảm. Hệ số đàn hồi và tỷ khối của một môi trường cụ thể lại
phụ thuộc lẫn nhau, sự thay đổi tỷ khối thường đi đôi với sự thay đổi khả năng nén
giảm 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 lệ song đối với các đối tượng chụp siêu âm (không khí, phổi, mỡ, mô
mềm, xương) thì điều trên vẫn đúng. Bảng 1.1 đưa ra tốc độ âm thanh trong một số
tổ chức của cơ thể.
Bảng 1.1 Đặc tính của các môi trường khác nhau.
Vật liệu
Tỷ khối(
3
/ mkg
)
Tốc độ âm
thanh(
sm /
)
Trở kháng âm(
smkg //10
26
)

Không khí 1.2 330 0.0004
Nước(
c
0
20
)
1000 1480 1.48
15
Gan 1060 1550 1.64
Cơ 1080 1580 1.70
Mỡ 952 1459 1.38
Máu 1057 1575 1.62
Xương 1912 4080 7.8
Phổi 400 650 0.26
Nước dịch thể 1000 1500 1.50
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 tố
chính để phát hiện mối tương quan giữa các tốc độ âm, do xương có khả năng nén
kém 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:
f
1
T =
(1.2)
c) Bước sóng.
Bước sóng
λ

là quãng đường mà sóng truyền đi được sau thời gian một chu
kỳ:
fvTv /. ==
λ
(1.3)
Hình 1.4. Bước sóng.
Từ hình vẽ ta thấy bước sóng là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm có dao
động cùng pha.
d) Trở kháng âm.
16
Trở kháng âm Z là đơn vị đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi
trường, nó là đại lượng đặc trưng cho khả năng phản xạ sóng siêu âm của môi
trường hay cũng gọi là độ vang hay độ dội của sóng siêu âm.
ρ
.vZ =
(1.4)
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 một
chất 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 vào
môi trường. Hệ số suy giảm α được xác định bằng 10 lần logarit cơ số 10 của tỉ số
công suất ra P
e
so với công suất tới P
t
, tất cả chia cho quãng đường siêu âm đi qua
L:
L

P
P
t
e
)log(10
=
α
(1.5)
Trong thí dụ đó chọn, L=1, P
e
/P
t
=1/2, nên hệ số suy giảm là:
)2/1log(10=
α
=-3,01 (dB/cm)
Dấu âm chỉ ra rằng có sự suy giảm. Tuy nhiên trong thực tế việc xác định
năng lượng tới và năng lượng ra gặp nhiều khó khăn, vì vậy người ta thường xác
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
=
α
(1.6)
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 năng
lượng phản xạ chứ không phải năng lượng truyền qua như trong chụp X quang chẩn
đoán. 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 âm
17
phản 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 thẳng
góc) tới một mặt phẳng (chẳng hạn đường bao quanh các mô khác nhau) lớn hơn bề
dày của chùm tia, nó sẽ phản xạ một phần ngược lại nguồn âm (hình 1.5). Các mặt
phân cách này gọi là mặt phản xạ, chịu trách nhiệm tạo ảnh các bộ phận chính được
quan sát trong siêu âm chẩn đoán. Cơ hoành và màng tim là các ví dụ của các mặt
phản 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 đẳng
hướng, khi đó sóng âm sẽ truyền thẳng. Khi gặp mặt phân cách đủ lớn (
λ
>>
) giữa
hai 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
12

12
cos.cos.
cos.cos.
Pr






+
−
==
it
it
ZZ
ZZ
Pi
K
θθ
θθ
(1.7)
Trong đó: θ
i
: góc tới; θ
t
: góc khúc xạ; θ
r
: góc phản xạ.
P

r
: biên độ áp lực của sóng phản xạ.
P
i
: biên độ áp lực của sóng tới.
Z
1
, Z
2
: trở kháng âm của hai môi trường.
18
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: θ
i
= θ
r
=0, cosθ
i
= cosθ
r
= 1. Khi đó
hệ số phản xạ của mặt phân cách được tính theo công thức:
2
12
12





Xem thêm: Các Khóa Học Bất Dộng Sản A, Khóa Học Đầu Tư Bất Động Sản Thực Chiến



+
−
=
ZZ
ZZ
K
(1.8)
+ Tia tới tạo một góc θ
i
≠ 0. Theo định luật phản xạ ta có góc phản xạ bằng
góc tới θ
i
= θ
r
. Sóng truyền tiếp lúc này không còn cùng hướng với sóng tới và tạo
một góc θ
t
≠ θ
i
, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θ
t
phụ thuộc
vào tốc độ truyền âm (c
1
, c
2
) trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:
sinθ

t
= (c
2
/ c
1
) × sinθ
i
(1.9)
+ Chúng ta xét một trường hợp đặc biệt nữa với giả thiết là môi trường thứ
hai có
12
cc >
.Thế thì theo công thức (1.9) ta thấy
it
θθ
sinsin >
, trong điều kiện các
góc
0
90, ≤
it
θθ
ta suy ra
it
θθ
>
. Vậy bây giờ ta tăng
i
θ
thì

t
θ
cũng tăng, giả sử khi
ta tăng
i
θ
tới một giá trị
*
i
θ
nào đó thì góc
0
90=
t
θ
, lúc này thì tia khúc xạ đi là là
mặt phân cách hai môi trường, nếu tiếp tục tăng
i
θ
thì không còn tia khúc xạ nữa
mà toàn bộ sóng được phản xạ trở lại môi trường thứ nhất, hiện tượng đó gọi là hiện
tượng phản xạ toàn phần. Khi đó ta có thể tính
*
i
θ
theo công thức:
)/arcsin(
21
*
cc

i
=
θ
.
Từ hai công thức nêu trên ta thấy hệ số phản hồi của mặt phân cách giữa hai
môi trường phụ thuộc vào ∆Z = (Z
1
-Z
2
) giữa hai môi trường: ∆Z càng lớn thì năng
lượng phản xạ càng lớn, hầu hết năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại, chỉ còn một phần
19
nhỏ năng lượng sóng siêu âm đi được xuống môi trường bên dưới mặt phân cách,
sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận được thông tin từ cấu trúc bên dưới
mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âm chẩn đoán ta phải
dùng gel tiếp xúc, nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí.
b) Sự tán xạ sóng âm.
Một tương tác quan trọng khác giữa siêu âm và mô là sự tán xạ. Sự tán xạ
xảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn so với bước sóng, hoặc bề mặt không
đồng đều. Khi có sự tán xạ thì mỗi mặt phân cách hoạt động như là một nguồn âm
mới, và âm được phản xạ theo tất cả các hướng, và chỉ một phần nhỏ năng lượng
siêu âm đến được đầu dò. Mặc dù việc thu nhận các tia tán xạ rất khó khăn, nhưng
chúng có lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm, và rất quan trọng
trong đánh giá các cấu trúc nhỏ, ví dụ như độ đồng đều của nhu mô gan, tuỵ hay
vách 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 các
sóng 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 hở

nhỏ một khoảng bước sóng. Do sóng bị chặn ở mọi nơi trừ khe hở nên khe hở hoạt
động như một nguồn âm nhỏ và chùm tia phân kỳ một cách nhanh chóng như chỉ ra
ở hình 1.9.
20
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.
d) Sự giao thoa.
Giao thoa là hiện tượng chồng chất của hai hay nhiều sóng cơ học. Nếu các
sóng có cùng tấn số và cùng pha thì chúng giao thoa cộng hưởng gây ra sự tăng biên
độ. Còn nếu có cùng tần số nhưng khác pha khi đó chúng triệt tiêu nhau và sẽ là
triệt tiêu hoàn toàn khi mà các sóng cùng tần số, biên độ và hoàn toàn ngược pha
nhau kết quả sẽ cho một sóng có biên độ bằng không.
e) Sự hấp thụ.
Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường. Mọi
dạng tương tác (phản xạ, tán xạ, khúc xạ hay phân kỳ) đều làm giảm cường độ
chùm 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 trị
liệu).
Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan tới tần số, tới tính nhớt và thời gian
hồi phục của môi trường. Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phần tử quay trở
lại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực hay chính xác hơn là lực tác động trở lại
trạng thái ban đầu. Nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phần tử quay
trở về vị trí ban đầu trước khi đợt sóng tiếp theo đến, còn khi thời gian hồi phục dài
thì có thể khi các phần tử đang trở về vị trí ban đầu thì đợt sóng khác lại tác động
vào chúng nên cần nhiều năng lượng lớn để dừng và chuyển hướng các phần tử và
21
do đó sinh ra nhiều nhiệt hơn.
Khả năng của các phần tử chuyển động qua một phần tử khác xác định độ
nhớt của môi trường, độ nhớt cao sẽ hạn chế dòng phân tử. Tần số cũng ảnh hưởng

lớn đến sự hấp thụ và quan hệ với cả độ nhớt lẫn thời gian hồi phục. Nếu tần số tăng
các phần tử dao động càng nhiều và tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo
của ma sát (nhớt). Mặt khác khi tần số tăng thì thời gian cho các phân tử quay về
trạng thái cũ trong quá trình hồi phục ít hơn, các phần tử vẫn tiếp tục chuyển động
cần 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 đường
truyền. 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 theo
quá trình tia truyền qua môi trường, và do đó năng lượng trên một đơn vị diện tích
giảm 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:
22
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 và
nguyên lý Huyghen.
Nguyên lý Huyghen phát biểu như sau: tất cả các điểm trên một mặt sóng
đều là những nguồn phát xạ sóng mặt cầu. Điều này có nghĩa là tại một điểm nào đó
sóng 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 phẳng
như 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 trên
khe hở. Trên hình chỉ ra các sóng con của hai nguồn điểm trên khe hở. Sẽ xảy ra
hiện tượng giao thoa cộng tại những điểm mà các mặt sóng con trùng nhau. Nếu
tính tổng của tất cả các điểm như thế ta sẽ có dạng mặt sóng tạo ra từ khe hở như

trên hình 1.13.
23
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 phụ
thuộc vào tỉ số giữa kích thước của khe hở và độ dài bước sóng. Áp dụng đối với
mặt sóng phát ra từ bề mặt cảm biến của đầu dò siêu âm ta thấy khi tỉ số giữa đường
kính của cảm biến D (khẩu độ) và độ dài bước sóng tăng thì khoảng cách từ cảm
biến 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 độ
chùm tia xuất phát từ cảm biến. Ví dụ với dạng chùm tia siêu âm của cảm biến dạng
đĩa mỏng có khẩu độ là D. Trong trường hợp này hầu hết năng lượng chùm tia nằm
trong bề mặt: hình trụ với vùng gần, hình nón với vùng xa (như chỉ ra ở hình 1.15).
24
Hình 1.15. Năng lượng chùm tia siêu âm tập chung chủ yếu trong không gian giới
hạn bởi một bề mặt.
Góc θ (bằng 1/2 góc phân kỳ) được tính theo công thức:
D
λ
θ
2.1sin =
(1.10)
Có thể thấy rằng cường độ chùm tia siêu âm dọc trục thay đổi theo khoảng
cách, trong vùng gần (vùng Fresnel) sự thay đổi này khá rộng, trong vùng xa (vùng
Fraunhofer) cường độ sẽ giảm dần. Chiều dài vùng gần (Z
m
) được tính theo công
thức:
λ

4
2
D
Z
m
=
(1.11)
1.1.5. Hiệu ứng Doppler và các kỹ thuật siêu âm Doppler.
a) Hiệu ứng Doppler.
Sự chuyển động tương đối của nguồn âm và của người quan sát gây ra sự
biến đổi tần số của âm nhận được. Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng Doppler.
Doppler tiến hành nhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại gần người
quan sát, tần số mà người quan sát nhận được cao hơn tần số do nguồn âm đó phát
ra. Trường hợp nguồn âm đi ra xa người quan sát, người đó nhận được tần số thấp
hơn tần số của nguồn phát. Tấn số
'
f
nhận được theo công thức sau:
vc
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 khi
người 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
25