Luận văn thạc sĩ Vật lý kỹ thuật: Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT bằng phần mềm FIELD II

Nguyên lý tạo sóng siêu âm1.1 Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiện tượng sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu dưới sự tácđộng của ứng suất cơ học, tên của nó được đặt bởi sự tương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHAU HUY THONG

MO PHONG TAO ANH SIEU AM

TU DU LIEU ANH CTBANG PHAN MEM FIELD II

Chuyén nganh: VAT LY KY THUAT

Mã số: 60520401

NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC

TS.LÝ ANH TÚ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LY ANH TÚCán bộ cham nhận xét 1: TS HUYNH QUANG LINHCán bộ chấm nhận xét 2: TS TRAN THI NGOC DUNG

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

Thanh phan hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1.

2.CHU TICH: PGS TS CAN VAN BETHU KY: TS PHAM THI THU HIEN PBI: TS HUYNH QUANG LINH

PB2: TS TRAN THI NGOC DUNG UV: TS LY ANH TU

Xác nhận của chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và trưởng khoa quản ly chuyên ngành

sau khi luận văn được sữa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: CHAU HUY THONG MSHV: 11124644Ngày, thang, năm sinh: 25/01/1989 Noi sinh: Tp HuéChuyén nganh: VAT LY KY THUAT Mã số: 60520401IL.TÊN ĐÈ TÀI:

Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT bằng phần mềm FIELD IINHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiệu tông quan về siêu âm, xử lý và tạo anh siêu âm.Mô phỏng tạo ảnh siêu âm từ dữ liệu ảnh CT tương ứng băng phần mềm FIELDII.

Đánh giá, tối ưu hình anh và rút ra kết luận, hướng nghiên cứu.II NGÀY GIAO NHIEM VU: 19/08/2013

Il NGAY HOÀN THÀNH NHIEM VU: 19/12/2013IV.CÁN BO HUONG DAN: TS LY ANH TU

Tp HCM, ngày thang năm 2014CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

TRUGNG KHOA KHOA HOC UNG DUNG

Được học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Bách Khoa là một vinh dự lớnlao, ở đây tôi đã nhận được sự giảng dạy tận tình của các thây cô trong ngành Vật LýKỹ Thuật khoa Khoa Học Ứng Dụng Chính nơi đây đã cung cấp cho tôi tri thức khoahoc và định hướng nghề nghiệp bản thân Do đó, xin phép lời cảm ơn đến với các thầycô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường.

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sc đến thầy Ly Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiếnthức 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 Hoài An đã tận tìnhchỉ bảo và hướng dẫn tôi từng bước thực hiện nghiên cứu

Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thay cô trong hội đồng đã đọc, nhận xétvà giúp tôi hoàn chỉnh luận văn.

Cuối cùng xin cảm ơn bè bạn và gia đình đã quan tam, chia sẻ những khó khăn,tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp, đánh dau khoảngthời gian tốt đẹp tại trường DH Bách Khoa — ĐHQG Tp.HCM

TP Hỗ Chí Minh, 19 tháng 12 năm 2013

Tác giả

Châu Huy Thông

Mô phỏng hình ảnh siêu âm thời gian thực có vai trò quan trọng trong ứng dụnglâm sàng Công tác nghiên cứu mô phỏng tạo ảnh siêu âm luôn được đánh giá caotrong việc giúp hiểu rõ bản chất và dé đào tao nâng cao kha năng xử lý hình ảnh siêuâm Bài luận văn này mô tả việc mô phỏng tạo hình ảnh siêu âm dựa trên chương trìnhFIELD II và phan mềm Matlab Phương pháp mô phỏng được tiến hành theo mô hìnhphát chùm tia định vùng hội tụ để xét tương tác giữa mô và sóng siêu âm, kết hợp vớiảnh CT để xây dựng bản đồ phân bố các điểm tán xạ dựa trên mối liên hệ về cường độsóng siêu âm trong truyền và nhận sóng Ảnh mô phỏng sẽ được so sánh với ảnh tươngứng thu được trong thực tế để có thé phân tích, so sánh và rút ra đánh giá khách quancho hướng phát triển của đề tài.

Abstract

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

Loi cam doan

Tôi xin cam đoan luận văn nay công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sựhướng dẫn của TS Lý Anh Tú và TS Phạm Hoài Ấn Các kết quả và hình ảnh của tôithu được trong luận văn nay là hoàn toàn trung thực, khách quan và chưa từng được aicông bố trong bat cứ công trình khoa học nào mà tôi không tham gia

Danh mục hình

Hình 1.1: Hiệu ứng áp điện trong tinh thể thạch anh[ 5 ] - + c 2k se kcss2 6Hình 1.2: Cảm biến áp điện được tạo băng các bản cực áp vào một vật liệu tỉnh théPHAN CUC 7P 8Hinh 1.3: Phuong phap gia có trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa dién[5] 12Hình 1.4: Cảm biến áp điện hai tâm ghép.[ 5] 52 2222 E22 E22 E22£££££z££zzzezx2 13Hình 1.5: Các cảm biến áp điện lá ghép song song (A) và nỗi tiếp (C) và các mạch điệntương ứng của nó (B và IĐ)|Š ] - -c c1 131 SH 2H Họ ng cv 14Hình 1.6: Kết câu đầu dò siêu âm một thành phan[8] "————— 17Hình 1.7: Các đầu đò khác nhau trong tạo ảnh B-mode [8] - . - 5 s<s+ 5<: 19Hình 1.8: Điều tiêu động và lái chùm tia[8] 0cccccccececescescescesceseesessesseeseesees 20Hình 1.9: Hình anh thé hiện của mode A và mode B[7| - 2s + sex k£+s£++exz 22l8i000810068)/00i:.013: 20720 -‹cd - 23Hình 1.11: Mang đầu dò phăng tuyến tính và thiết kế chan tử[7] - - =5 26Hình 1.12: Dau dò mảng tuyến tính 7 ] - . + + + ++*£+*£+E£+EE+EE+EE+EEeeeereseesee 27Hình 1.13:Kiéu dòng quét song song ở đâu dò tuyến tính[7] - - s-s=+s+5<¿ 28Hình 1.14: Cấu tạo và nguyên lý quét của đầu dò sector cơ khí[7] - - 29Hình 1.15:Hai phương pháp quét của đầu dò sector cơ Khi[7] - -s s=«: 30Hình 1.16: Các kiểu đầu dò quét cơ họca) Dịch chuyền thăng: b) Sử dụng gương phảnxạ quay: c) Đầu dò dao động: d) Sử dụng bánh quay[7] -s << +s++s++<+ss2 31Hình 1.17: Phuong pháp quét điện tử của đầu dò mảng tuyến tinh[7] - 32Hình 1.18: Nguyên lý làm việc của dau dò cong[ 7] - + + + s++s£+s£+z£+z£+s£ss2 33Hình 1.19: Cau tạo đầu dò COIĐ[Í] - -G G9 gu nh kg 33Hình 2.1: Phân bố không gian vùng trường gan và trường xa của đầu dò[7| 35Hình 2.2: Mô tả trường phát và độ phân giải của đầu dò siêu âm Mảng đầu dò phân bốtheo trục ngang (leteral) Xung phat dọc theo trục dọc (axial)[9] - -. «- 36Hình 2.3: Độ phân giải dọc của đầu dò[ 7| - ¿2c 22 22 E22 E22 E22 E2E£E£EczEzzezesez 37Hình 2.4: Độ phân giải ngang của đầu dO[7] ¿+22 2£ 22 E22 E£E+E£zEcztzzezecez 37

Hình 2.7: Lan truyền sóng âm tuyến tính[ 7] - ¿+ 2+2 +22 E22 E+2E+2E+2E£zE£zzzzzezsvd 42Hình 2.8: Sóng phăng truyền và phản xạ khi truyền xiên qua mặt phăng phản xạ[8] 43

Hình 2.9: Hình trai ‘monopole radiation’, hình phải “ dipole radiation’ [9] 46

Hình 2.10: Tán xạ góc từ điểm tán xạ câu đàn hồi (đường liền) và không đàn hồi (nétđứt) với bán kính <A Nguôn phát sóng đồng đều đặt tại góc 180”[9] ATHình 2.11: Tan xa góc từ điểm tán xạ câu đàn hồi (đường liền) và không đàn hồi (nétđứt) với bán kính >A Nguồn phát sóng đồng đều đặt tại góc 180”[9] ATHình 2.12: Độ dịch xuống của tân số trung tâm ở tín hiệu nhận gây ra bởi độ suy giảm0.5dB/[MHz.cm] ứng với xung gauss 3MHz|S] - - - S11 vs, 51Hình 2.13: Ảnh hai khối U giống nhau trong vùng thăm kham[7] - 52Hình 2.14: Tang độ nhạy theo độ sau[8] - - - - SH ven 52Hình 2.15: Nguyên ly phat và thu tín hiệu siêu âm| ÍÍ7] << << <<<+ << <3 53Hình 2.16: Mô hình phát sóng chuẩn của dau dò phăng tron[8] - - 5 58Hình 2.17: Biên độ áp suất cho dau dò pittong phăng tròn với bán kính 8mm va sóngT6n tc /0srF 10 -.(Aa 60Hình 2.18: Trường áp suất cho sóng liên tục với đầu dò phảng, tròng r=8mm,

Hinh 2.19: Mat cat ngang cua đầu dò 1Om[8] cccceeccceccccecsceececeesccesecescesseeetseeens 62Hình 2.20: Hệ tọa độ tính trường sóng xung| 8Ì - - - sS Ăn s 64Hình 2.21: Miền không gian của trường sóng phát ra từ dau dò phăng tròn trong

khoảng thời gian xác dinh[8] - - - cc 3131911 111 1v vn TK nh nh kh 66Hình 2.22: Cấu trúc của h đối với điểm có định trong không øian|§] 67Hình 2.23: Hồi đáp xung theo không gian cho đầu dò phăng tròn, z=49 mm[ 8] 68Hình 2.24: Kết cầu của truyền sóng tuyến tính[§] ¿+ ¿+52 52+ 2+2 £+z£+z£zz£zs+2 70Hình 2.25: Trường sóng xa của chùm sóng với tần số phát 3Mhz, dau dò tuyến tính với64 điểm phát sóng cách nhau I mm.|Ñ] - ¿+ + + +2 * + *£+*£+E£+E£+E£+E£+e£zseeeeseesez 71Hình 2.26: Biên dạng chùm tia cho mang đầu dò với các nguồn điểm (hình trên) haycác thành phan hình chữ nhật (hình dưới) [Ñ]_ - . ¿2+ <2 +2 ££+E£+z££z££ze£zsce: 73Hình 2.27: Hàm rải điểm ứng với các vi trí khác nhau trong tạo anh B-mode [8] 74

Hình 2.28: Xây dựng sóng không tuyến tính theo hàm của khoảng cách Đỉnh áp suất là500 kPa, tần số là 3MHz, và B/A là 5 2[| - c5 2c 2212212121212 21215 e2 77Hình 2.29: Xây dựng biên dạng sóng của dao động điều hòa cho sóng không tuyến tính

1MHz truyền trong môi trường nước Áp suất đỉnh là 1Mpa, và B/A là 5.2[8] 78Hình 2.30: Do các sóng không tuyến tinh trong nước ứng với đầu dò phô thông|[8] 79Hình 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 17.5s.|SÌ] -cccSSẰ S2 s2 82Hình 3.1: Thiết đồ cắt ngang các khớp căng — bàn tay ccececccececescssessesseesesseesees 90Hình 3.2: Ảnh siêu âm thực nghiệm đo xương quay CO tay - . 5 +<cc< +52 91Hình 3.3: Thiết kế cố định đầu dò siêu âm - eseeseteeeseeeeeeeseeeeeeeeeeeneees 93Hình 3.4: Kết quả đo Impact Socket đặt theo chiều dọc - 5 + -<++<++<+552 94Hình 3.5: Kết quả do Impact Socket đặt theo chiều ngang - - 55x55: 95Hình 3.6: Mô hình đường truyền của tia siêu âm ¿+52 52 22 22 + +z£szcz+2 97Hình 3.7: Mô hình mô phỏng - - - c1 1313901 1V 1v vs 101Hình 3.8: Anh CT theo góc nhìn 2 chiều và giới hạn vùng khảo sát 103Hình 3.9: Mang đầu dò siêu âm - ¿5c 22 E21 S191 E2EE2EEEE E1 EEtrkererrerreg 104Hình 3.10: Tạo hình dạng bat kỳ với kiểu ảnh bitmap 5-5 5+ 55+ +<£><+2 105Hình 3.11: Hình ảnh mô phỏng tương ứng với thang tín hiệu decibel 50dB (hình trái)và 60dB (hình phải), chia theo thang xám 128 mức hiển thị - 5-5 -5+¿ 105Hình 3.12: Phân vùng lát cat ảnh CT Hình 3.13: Vung ảnh siêu âm tương ứng 106Hình 3.14: Hinh ảnh mô phỏng theo tỉ lệ dải động decibel lần lượt là: 30dB (trái, trên),

40dB (trai, dưới), 50dB (phải, trên) và 60dB (phải, dưới) - <<<+ 107

Danh muc bang

Bang 1-1.Cac đặc tinh đặc trưng của các tắm áp điện[Š << *s+2 15Bang 2-1: Trở kháng âm, vận tốc lan truyền trong một số môi trường sinh hoc[7] AlBang 2-2: Độ suy giảm ứng với các mô trong co thé người eee 5 5s eee 49Bảng 3-1: Hệ số tương ứng giữa don vị Hounsfield và hệ số tán xạ ngược, suy giảm, vàthuộc tính trở kháng âm| 2/7] - - - - - - S111 9110 110 10 1 1 v1 nh kh nh ve 100

Muc luc

Chương 1 GIỚI THIEU TONG QUAN VE SIEU AM VÀ TAO ANH SIEU ÂM 3

I Sóng am và các công thức co ban của sóng âm| Š ] - eee etree 3

H Tổng quan về sóng siêu âm và đầu dò[5][Ó][7| - ¿5 + k 2+2 £++e£+seesss 5

1 Nguyên lý tạo sóng siÊu AM - - - SH nh 5

2 Đầu dò siêu âm + ST T221 11 1211111111111 11T T111 83 Phân LOạI -. cc QC n 1111 TT TT nh KH KH nh nh nh kh kh kh nh tu nhu 21Chương 2 CƠ SỞ TAO ANH SIÊU ẨM c2 22 21111151 51 11 51 51 11 51 1E kg 34

I Cơ sở vật lý kỹ thuật tạo ảnh siêu âm - - - S211 11 1 1 sen 341 Các đại lượng đặc trung - - ng KT nh 342 Lan truyền sóng âm ¿- + + + + 1211211211211 11 1111111111011 011 0110110110110 0 ch 413 lán xạ SONG Âm ng TK ve 454 ĐỘ SUY ĐiẢm - - QQ Gà 48II Nguyên lý chung va hiệu ứng trong ảnh siêu âm -. << c3 53

1 Nguyên lý tạo ảnh - - HH ST cv cà 532 Ảnh giả c1 11111111111 11 11111111 11 11 11 HT TH TH TH TH TH TH TH TH HH HH 543 Ảnh ảo do độ rộng của chùm tia và chùm tia thứ - - << << << <2 56III Trường sóng siêu âm| § ], [9] - - - - - {3 3311331011 1111111 1111 1 vn ky 58

1 Trường sóng lIÊn TỤC - - - - HH SH vs 582 Trường SONY XUNE - - cQ Gv v 633.Trường hồi đáp Xung -¿- ¿5c 211 11121151111 111 111 11 11 11 1110110110110 0 ch 684 Trường sóng theo đầu dò xếp day cccccccccccecescescescescescescscessssesesneeeeness 69

5 Tính toán các trường SONG - HH Tnkv sà 75

6 Sóng không tuyến tính ¿2c +22 E11 91 91 91153 91 51151 11 1110110111110 gx 757 Tương tác không tuyến tinh ¿5c 5c 22 1+1 21 91 91 51 51 11 81 11 11 1111 E6 79

IV Cường độ và phép đo cường độ - 80V Tac Dung Sinh Hoc Và tinh An Toàn Của May Siêu Am [2I] 83

1 Tác dung sinh học của sóng âm - - - Ă HH SH HH vs 842 Tác dụng sinh nhiỆt - - - c1 0110311010311 31101 1111 111v 11v nh nh nh v 843 Tac dung tao O2 844 Tính an toàn của các thiết bi siêu âm chân đoán và những khuyến cáo 85

1 Cơ sở tính toán của phân MEM - - 5 - c1 31111311111 31111 3111111112 86

2 Mô hình mô phỏng của phan MEM cececececescescescescecscssceesseeeeseeseeseeaees 87H Mô phỏng tạo ảnh siêu âm - - - 5< S111 kế 88

1 _ Thực hành tao ảnh siêu âm thực t6 ccccccccecccesceseeseescescssesseesesseeeeees 882 Hiệu chuẩn 2c 2c 2E 1E 11211211211 1110110110110 01101 111g HH 92

II Mô phỏng bang phần mềm FIELD IL ccccccccccescescescescesceseesceseeseeseeseesees 961 Phuong pháp mô phỏng - - - - + c c1 SH kh ke 962 MÔ phỏng cG cọ Ti vớ 1013 Kết quả va thảo luận ¿E22 k1 1 91 11 91 11 11 11 01 11 1 1 1 tre 103

Tạo ảnh siêu âm đã được phát triển hơn nữa thế kỷ [1], [2], và tính đến năm2013, các phương pháp tạo ảnh trong y học phục vụ cho công tác chan đoán và điều trịlâm sàng vẫn đang trên đà phát triển và ngày càng đạt được độ chính xác cao Theokhảo sát trên ‘google scholar’thi 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 báoliên quan đến van dé mô phỏng ảnh siêu âm đã có giới hạn thêm số lượng bởi từ khóa

“CT image” liên quan đên đê tài.

Nhìn chung, các phương pháp tạo ảnh đều có ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiênkhi nói đến tạo ảnh thời gian thực với độ an toàn và nhanh chóng thì phép tạo ảnh siêuâm luôn chiễm ưu thế Nó là một trong những phương pháp tạo ảnh trong y tế được sửdụng rộng rãi trong lĩnh vực chan đoán và xử lý hình ảnh Mặc dù, ảnh siêu âm cho tỉlệ nhiễu ảnh cao nhưng nó có lợi thế lớn khi có thể tạo ảnh thời gian thực hỗ trợ chocác thao tác trực tiếp trên đối tượng Thêm vào đó, tạo ảnh siêu âm không có nguy cơnhiễm bức xạ, ít tốn kém so với các mô hình tạo ảnh khác như cộng hưởng từ hay chụpanh CT.

Da số các nghiên cứu đều tìm cách tối ưu hóa độ chính xác của hình ảnh, thiếtkế dạng đầu dò hay nâng cao trình độ và đào tạo thực hành lâm sàng Tuy nhiên, dữliệu siêu âm được bảo vệ bởi tính bản quyền nghiên cứu, và nó làm giới hạn các nghiêncứu tiếp bước, đặc biệt là các nghiên cứu muốn nâng cao hiệu quả của đầu dò Do đó,để tiễn hành nghiên cứu về lĩnh vực tạo ảnh siêu âm, phan mềm FIELD II là một lựachọn hợp lý bởi nó cho phép sử dụng miễn phí, và kết quả sử dụng phần mềm đã đượccông nhận trên nhiêu thư viện khoa học.

muốn, điều chỉnh trường sóng phát và thu, tao mô hình hội tụ chùm tia, lập bản đỗ tánxạ, tính toán hàm rải điểm, và các thông số khác có thé liên quan đến mô hình tínhtoán Do đó, phần mềm FIELD II là một giải pháp hữu hiệu cho phép mô phỏng tạoảnh siêu âm, nó giúp ta có thé hiểu rõ các thông số cài đặt và ảnh hưởng trong việc tốiưu hóa hệ thống tạo ảnh.

Trên cơ sở các vân dé nêu trên, dé tài hướng đên việc khai thác phân mêm và từ

đó xây dựng cơ sở hướng dẫn người sử dụng máy siêu âm hiểu rõ hơn về phép tạo anhsiêu âm Cac thuật toán trong chương trình được viét băng ngôn ngữ C và bên cạnh đólà các hàm m-file để chạy cùng Matlab

Mục đích của phép mô phỏng là tao được ảnh với nhiễu đốm nền vốn được tạora từ những thành phan phụ năm ngoài vùng khảo sát Biên độ tán xạ của các điểm tánxạ là khác nhau, và nó được xác định bang 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 sửdụng ảnh CT làm cơ sở dữ liệu để phân tích bản đồ phân bố điểm tán xạ, từ đó sử xâydựng mỗi liên hệ giữa tín hiệu phát ra và thu vào theo độ suy giảm cường độ dé suy raảnh siêu âm muôn mô phỏng.

Ảnh siêu âm tạo bởi phần mềm có thé được dùng dé so sánh với ảnh siêu âmtrong thực té ở các thành phần khảo sát tương ứng Trên cơ sở tạo ảnh siêu âm từ dữliệu ảnh CT, độ chính xác về cấu trúc phân bố hình học sẽ đạt độ chính xác cao, tuynhiên mục tiêu hướng đến của dé tài là mô phỏng được ảnh có các hiệu ứng gan giốngvới ảnh thực tế nhất

Chương 1 GIOT THIEU TONG QUAN VESIEU AM VA TAO ANH SIEU AM

Sóng âm va các công thức cơ ban của sóng am

Sóng âm là sự nén giãn vật lý của môi trường (ran, lỏng, khí) đối với một tan sốnhất định Sóng dao động được gọi là sóng dọc cơ học nếu môi trường chứa dao độngcùng với phương truyền sóng Sóng âm năm trong giới hạn nghe của con người, từ20Hz đến 20Khz Ngưỡng dưới 20Hz gọi là hạ âm (infrasound), và ngưỡng trên 20kHzgọi là siêu âm (ultrasound) Trong đó, sóng âm ngưỡng dưới được quan tâm dé phântích câu trúc xây dựng, dự đoán động đất, và nguồn có cấu trúc lớn Còn sóng siêu âmđược ứng dụng phô bién trong y học hay công nghệ âm hóa học (sonochemistry) Phốcủa các sóng có thé da dạng: từ các âm đơn sắc như máy đánh nhịp, tới da sắc như mộtban nhạc vio-lông, hay như tiếng ồn có thé có pho rất rộng Phổ sóng âm có thé là sựphân bố đồng đều về mật độ hay bị xáo trộn bởi các hàm điều hòa ưu thế tại một sốđoạn của nó Khi sóng âm bị nén, thê tích thay đổi từ V đến V-AV Tỉ số sự thay đối ápsuất với sự thay đối thé tích gọi là đơn vị khối của độ đàn hồi môi trường

p=k/@v”y„ sin(kx— at), (1.i.5)

rs 20 4 kg ` LÀN Ke a eae , ` PA AA ⁄ Kia

VỚI k= = là sô sóng, ø là tân sô góc, các giá tri đứng trước xem là biên độ áp suât âmthanh, p„„ và sóng âm được xem là sóng áp suất Hàm sin và cos trong hai phương trìnhtrên chi ra rang sóng áp suất và sóng dịch chuyền lệch pha 90° Sự khác biệt giữa ápsuất trung bình và tức thời gọi là áp suất âm thanh P Khi sóng âm lan truyền, các phầntử giao động gan vị trí cố định với vận tốc tức thời £ Tỉ số giữa áp suất âm thanh vàvận tốc tức thời gọi là trở kháng âm thanh,

Thông thường, trở kháng âm Z thường được hiểu như độ vang hay độ dội của

sóng âm trong môi trường và có vai trò quyêt định đôi với biên độ sóng phản xạ trên

Tổng quan về sóng siêu âm va dau dò S T

1 Nguyên lý tạo sóng siêu âm1.1 Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu dưới sự tácđộng của ứng suất cơ học, tên của nó được đặt bởi sự tương đồng về tính chất với vậtliệu sat điện Hai anh em Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện trong SiO, vào năm1880, nhưng rat ít ứng dụng thực tiễn được phát trién cho đến năm 1917, khi một giáosư người pháp, P.Langevin sử dung SiO, dé tạo ra sóng âm trong nước Nghiên cứucủa ông đã dẫn đến việc phát triển của hệ thống định vi dưới nước

Mô hình đơn giản nhưng rất dễ hiểu của hiệu ứng áp điện được đưa ra vào năm1927 bởi A Meissner Tinh thé SiO, được mô phỏng như một vòng xoăn (Hình 1.1)với một nguyên tử Silicon (Si) và hai nguyên tử Oxi (Os) luân chuyển quanh vòngxoăn Tinh thé SiO, được cắt dọc trục x,y và z của nó; do đó Hình 1|.1a là hình nhìndoc theo trục z Trong một tinh thé đơn, có 3 nguyên tử Si và 6 nguyên tử Oy Mỗi

băng điện tích, nhưng khi có ngoại lực F, nén tinh thê dọc theo trục x sẽ làm cho cácđiện tích bị ép dẫn đến sự phân bé điện tích không đều ở 2 đầu và phát triển sự phâncực theo trục y (Hình 1.1b) Vương tự, nếu tinh thể được kéo giãn dọc theo trục x (HìnhI.Ic), điện tích của cực đối nghịch sẽ được tạo nên dọc theo trục y Mô phỏng nàyminh họa cho khả năng kích hoạt điện tích trên bề mặt của tinh thể như một đáp ứngcủa ứng suât cơ học.

- Hiệu ứng thuận: nếu ta tác động một lực cơ học, hay nói cách khác là khi nén hoặckéo giãn một số tinh thé áp điện theo những phương đặc biệt trong tinh thé thì trên bềmặt các mặt giới hạn của tinh thé đó sẽ xuất hiện những điện tích trái dẫu và gây nênmột hiệu điện thế giữa 2 bề mặt Như đã biết, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó khi

- Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gdm áp điện một hiệu điện thế thì phụ thuộcvào chiều của hiệu điện thé đó tinh thé gồm sẽ giãn ra hay nén lại Khi ta đặt lên tinhthé gốm mọt hiệu điện thế xoay chiêu thì tinh thé gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao độngtheo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục vào môitrường bao quanh và tạo ra sóng âm Phụ thuộc vào tần số đao động, xung điện kíchthích và công nghệ chế tạo tinh thé gốm mà ta sẽ thu được các chùm siêu âm có tân sốkhác nhau

1.2 Từ giao

Là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổidưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vậttừ bị thay đối khi có sự thay đối về hình dạng và kích thước (từ giao nghịch)

Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo của các điện tửtrong vật liệu sat từ Hiện tượng từ giao chỉ có thé xảy ra khi đám mây điện tử khôngcó dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trườngngoài, sự phân bố của các điện tử sẽ quay theo chiều quay của mômen từ theo hướngnày qua hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnhđiện giữa điện tử và điện tích của môi trường Khi đám mây điện tử có dạng đối xứngcầu (mômen quỹ đạo băng 0), tất cả các vị trí của các ion lân cận đều tương đương đốivới sự phân bố điện tử Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy cóquay đi nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nênkhoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên, và không dẫn đến sự thay đổi về kíchthước cũng như hình dạng mẫu Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng câu(mômen quỹ đạo khác 0), lúc này các vi trí phân bố xung quanh không còn tính chat

đôi xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám

2 Đầu dò siêu âm2.1 Vật liệu chế tạo đầu dò.

Đầu dò siêu âm chủ yếu được phát triển dựa trên vật liệu áp điện, trong phầnnày ta chỉ chú trọng đến phân tích hoạt động đầu dò dựa trên hiệu ứng và vật liệu ápđiện Để có thể sử dụng được vật liệu áp điện trong thiết kế đầu dò, hay nói cách kháclà dé lay điện tích ra khỏi vật liệu, các bản cực dẫn điện phải được lắp vào tinh thể ởhai đầu tương ứng Như vậy, từ một cảm biến áp điện ta biến nó trở thành như một tụđiện với vật liệu điện môi là tinh thé áp điện (xem hình dưới)

Hình 1.2: Cảm biến áp điện được tạo bằng các bản cực áp vào một vật liệu tinh

thé phân cực [5]

dụng, tuy nhiên các bản cực kim loại sẽ trung hòa điện tích dọc trên bề mặt khiến chotụ điện không chỉ nhạy theo vùng Tuy nhiên, nếu các bản cực được thiết kế theo dạngphức tạp, có kết cầu từ nhiều cặp điện cực thì nó có thể xác định chính xác vị trí củalực tác dụng băng cách xác định hồi đáp từ bản cực bị tác dụng Độ lớn của hiệu ứngáp điện dưới một dạng đơn giản có thé được biêu diễn băng vector của độ phân cực:

Dé việc tính toán được thuận tiện, hai đơn vị khác được nêu ra; đầu tiên là hệ sốø, được định nghĩa như độ chia của hệ SỐ dinn tương ứng với hằng số điện môi tuyệt đối

& Ean

Hệ sô này biéu diễn độ biên thiên điện áp được tạo nên bởi tinh thé trên một don

vị áp suât tác dụng Sô đo của nó là:

V

HN (Lii.4)

2

Ngoài ra, ta có thể định nghĩa thêm hệ số h, được thu thập băng cách nhân cáchệ số g bởi các suất Young tương ứng cho từng trục tinh thể Số đo của hệ số j là:

Ỳm (1.1.5)

mm

Các tinh thé áp điện là những chất chuyển hóa trực tiếp cơ năng thành điệnnăng Hiệu quả của sự chuyển hóa này có thê được đánh giá dựa trên hệ số ghép k„„

Hệ số k là một trị số quan trọng cho các ứng dụng có hiệu ứng năng lượng giữmột vi trí quan trọng, ví dụ trong âm học và siêu âm học Điện tích tạo bởi tinh thé apđiện ty lệ với luc tác dung, ví dụ, theo hướng trục x, điện tích là

keua (Lii.10)

Việc chế tạo các chất gom PZT trên nền tảng ôxIt kim loại có độ tinh khiết cao(như 6xit chì, ôxit Ziconi, 6xit Titan) dưới dạng bột nhuyễn có màu sắc khác nhau; khiđó bột được nghiền mịn và trộn với các tỷ lệ hoạt hóa chuẩn Trong quá trình nungluyện, hỗn hợp sẽ được nung với nhiệt độ cao đủ để cho phép hỗn hợp phản ứng tạonên một chất bột mà mỗi hạt của nó có một cau trúc hóa học gan với cau trúc mongmuốn, tuy nhiên, giai đoạn này các hạt chưa định hình câu trúc tinh thể mong muốn.

Bước tiếp theo là trộn bột Canxi với chất kết dính hữu cơ rắn hoặc lỏng (dé cóthé cháy bên ngoài trong quá trình đốt cháy) và cho hỗn hợp vào khuôn có hình dạngxấp XỈ VỚI phần tử cảm bién mong muốn Các tinh thé trong vật liệu có thể được xemnhư các lưỡng cực; ở một số vật liệu như SiO, những tế bao này được định hướng tựnhiên dọc theo các trục tinh thể nên những vật liệu này nhạy với áp lực Đối với nhữngvật liệu có các lưỡng cực được định hướng ngẫu nhiên thì vật liệu cần được tái thiết décó được tính chất áp điện Một vài kỹ thuật gia cô trụ có thé được sử dụng để tạo chomột vật liệu tinh thé các tính chất áp điện Quá trình gia cô trụ phố biến nhất là quátrình gia cố nhiệt bao gồm những bước sau:

1 Vật liệu tinh thể có các lưỡng cực định hướng ngẫu nhiên (Hình 1.3a) đượchâm nóng dưới nhiệt độ Curie Trong một số trường hợp (cho một bảng PVDF), vậtliệu sẽ chịu áp lực, nhiệt độ cao dé tạo ra xáo động mạnh hơn của các lưỡng cực và chophép 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 hàngdọc theo các đường điện trường Nhiều lưỡng cực có thể năm lệch hướng với hướngcủa 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 bởiđiện trường tại nhiệt độ cao (Hình 1.3c)

5 Điện trường được loại bỏ và quá trình gia cô đã hoàn thành Độ phân cực củavật liệu gia cô sẽ duy trì ôn định lâu dài néu được duy trì dưới nhiệt độ Curie.

a C

Hình 1.3: Phương pháp gia có trụ nhiệt của một vật liệu áp điện và hỏa dién[5]Một phương pháp khác được gọi là phương pháp gia cô cực quang cũng được sửdụng để tạo nên các Polyme áp điện Một tắm mỏng chịu tác động của sự phóng điệnquang vài triệu vôn từ một bản cực trên một centimet độ dày tắm trong 40-50 giây Độphân cực vang quang không quá phức tap dé thực hiện và có thé dễ dàng áp dụng trướckhi quá trình đánh thủng cách điện xuất hiện Quá trình cuối cùng để chuẩn bị cho cácphan tử cảm biến đang định hình và hoàn thành bao gồm cắt, gia công và mài bóng.Sau khi phần tử áp điện được hoàn thành, nó được gan vào giá đỡ cua cam biến, nơi

các bản cực của nó được kêt dính vào các đâu nôi điện và các phân tử điện khác.

Sau quá trình gia có, tinh thể vẫn giữ được sự phân cực có định, tuy nhiên nó lạichỉ tích điện trong một thời gian ngăn Có một lượng các hạt mang điện tự do dichuyên trong điện trường sinh ra bên trong khối vật liệu và có khá nhiều ion tích điệntrong không khí xung quanh Các chất mang điện tích di chuyển qua các lưỡng cựcđược gia có và trung hòa điện tích của chúng (Hình 1.3c) Do đó, sau một lúc, vật liệuáp điện được gia cố sẽ có kha năng phóng điện, xét dưới các điều kiện ồn định để duytrì tính chất áp điện Khi áp lực được thêm vào, hay không khí thôi gần bề mặt nó thìtrạng thái cân băng sẽ giảm bớt và vật liệu áp điện tạo ra một điện tích Nếu áp lựcđược duy trì trong một lúc, các điện tích một lần nữa sẽ được trung hòa bởi quá trình

bên trong Nói cách khác, một cảm biên áp điện chỉ phản hôi với một áp lực biên đôihơn là với sự ôn định vê áp lực Nói cách khác, cảm biên áp điện là một thiệt bị xoaychiều hơn là một thiết bị một chiều.

Độ nhạy định hướng áp điện (hệ số d) phụ thuộc vào nhiệt độ Với một số vậtliệu (SiO), độ nhạy giảm với một sự nhập nhô là 0.016%/°C Với những vật liệu khác(các tâm PVDE và gốm) tại nhiệt độ dưới 40°C, nó có thể giảm, và tại nhiệt độ caohơn, nó tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ Loại vật liệu phổ biến nhất để chế tạo ra cáccảm biến áp điện là gồm áp điện Vật liệu ban đầu của gồm sắt điện là gồm BanTitanat, một chất đa tỉnh thể có công thức hóa học là BaTiO3 Độ ôn định của độ phâncực cô định phụ thuộc vào lực cưỡng bức của các lưỡng cực Trong một số vật liệu, độphân cực có thể giảm theo thời gian Đề cải thiện độ 6n định của vật liệu được gia cô,các tạp chất đã được đề nghị trong vật liệu cơ bản với ý tưởng là độ phân cực có thé bịkhóa chặt vào vi trí đó.

Mặc dù hằng số áp điện thay đôi với nhiệt độ hoạt động, ta có hằng số điện môi,k, biểu hiện sự phụ thuộc tương tự Do đó, theo phương trình (Lii.10), sự biến thiêntrong các giá trị này có xu hướng loại trừ lẫn nhau vì chúng được đưa vào đông thời tửvà mẫu số Điều này cho ra một độ ôn định điện áp đầu ra, V, tốt hơn ở một phạm vinhiệt độ lớn Các phân tử áp điện có thể được dùng như một tinh thể đơn hay đa lớp cóvài lớp của vật liệu được đính chặt vào nhau, điều này phải được thực hiện với các bảncực đặt giữa chúng Hình 1.4 cho thay một cảm biến lực hai lớp

Khi ngoại lực tác dụng từ một bên, phân trên của cảm biến giãn no trong khiphần đáy co lại Nếu các lớp được dán chặt với nhau đúng cách sẽ tạo ra một tính hiệuđầu ra kép Các cảm biến kép có thé mặc song song như trong (Hình 1.5a) hay nối tiếpnhư (Hình 1.5c) Mạch điện tương ứng của cam biến áp điện là một mạch mắc songsong tao bởi một nguôn điện tao sinh ra do áp lực, một điện trở rò (7), và một điện dung(C) Tùy thuộc vào cach nỗi kết các lớp ta có các mạch điện tương ứng thê hiện trong(Hình 1.5b) và (Hình 1.5d).

V V

Hình 1.5: Các cảm biến áp điện lá ghép song song (A) và nối tiếp (C) và các mach

“o-điện tương ứng cua nó (B và D)[5]

Các điện tro rò r là rất lớn (bậc 107 - 10'*Q) Do đó cảm biến có một trở khángđầu ra cực cao Điều này đòi hỏi phải có các mạch điện tích hợp đặc biệt, chăng hạnnhư các bộ biến đổi điện tích và cường độ dòng điện thành điện áp, hay các bộ khuyếch

tán điện áp với các điện trở dau vào cao.2.2 Các tâm áp điện

Vào năm 1969, H Kawai đã khám phá ra hiện tượng áp điện mạnh trong PVDF,

và vào năm 1975, công ty Pioneer của Nhật đã phát triển sản phâm thương mai đâu tiênvới PVDF là các loa áp điện và tai nghe áp điện PVDF là một Polyme bán tinh thể vớimức độ tinh thé xấp xi 50% Giống như các Polyme bán tinh thé khác, PVDF bao gồm

cau trúc lặp cua Ethane Flo hóa kép CFa-CH: Giống như một số vật liệu sắt điện khác,PVDF cũng có tính hỏa điện, hiệu ứng tạo nên điện tích phản hồi lại sự thay đổi nhiệtđộ PVDF hấp thụ mạnh năng lượng hồng ngoại trong bước sóng từ 7 — 20 km, trải dàicùng một phô bước sóng với nhiệt độ cơ thê người.

Bang 1-1.Các đặc tính đặc trưng của các tam áp dién[5]Symbol Parameter PVDF Copolymer Units

t Thickness 9, 28,52,110 <1 to 1200 ium (micron, 105)

dai Piezo strain constant 22 11 107? = im MT

d33 —33 —38 +

231 Piezo stress constant 216 162 10 ”—”; or SSH3 330 —542 ĐẾN TẤN

k3, Electromechanical coupling 12% 20%k, factor 14% 25-29%

C Capacitance 380 for 28 um 68 for 100 zm = pF/em* @ 1 kHz

De Volume resistivity 10° >10” Ohm meters

Ry Surface metallization <3.0 <3.0 Ohms/square for

resistivity NiAlRo 0.1 0.1 Ohms/square for Ag

Inktand Loss tangent 0.02 0.015 @ 1 kHz

Yield strength 45-55 20-30 10° N/m? (stretch

axis)Temperature Range —40 to —40 to "

80 100 115 145

Water absorption <0.02 <0.02 % HOMaximum operating voltage 750 (30) 750(30) V/mil(V/um), DC,

@ 25°CBreakdown voltage 2,000 (80) 2,000 (80) V/mil(V/um), DC,

@ 25°C

Tam áp điện không có những giới hạn ứng dung, nó tao nên một máy phat cođiện yêu khi so sánh với gôm, đặc biệt là cho độ cộng hưởng và các ứng dụng tân sô

thấp Các tam đồng trùng có nhiệt độ lưu trữ cực dai cao khoảng 135°C, trong khi đóPVDF không được khuyến khích sử dụng hay lưu trữ trên 100°C Đồng thời, nếu cácbản cực trên tắm mỏng được lộ ra, cảm biến có thể nhạy cảm với bức xạ điện từ Tắmáp điện có mật độ thấp và độ nhạy tuyệt đối và khá bền Khi bị dồn vào trong tắmmong, các polymer áp điện có thé được gắn trực tiếp vào cau trúc mà không can trởhoạt động cơ học của nó Các tâm áp điện khá thích hợp cho các ứng dụng cảm biến -giãn nở đòi hỏi một dải tần rất rộng và độ nhạy cao.

Hiệu ứng áp điện là phương tiện cơ bản của việc chuyển hóa quá trình biến dạngcơ học thành các tín hiệu điện và ngược lại trong các cảm biến bán dẫn thu nhỏ Tuynhiên, hiệu ứng chỉ có thể được sử dụng cho việc chuyển hóa các kích thích và khôngthê được dùng để chuyển hóa các tín hiệu thay đôi chậm hay ồn định

Vi Silicon không có các đặc tinh áp điện nên các đặc tinh đó có thể được thêmvào băng cách kết dính các lớp tinh thé của các vật liệu áp điện Ba loại vật liệu phổbiến nhất là ZnO, AIN, và Pb (Zn,T¡)Os được biết đến như gôm PZT, vật liệu tương tựcơ bản được dùng cho việc tạo nên các cảm biên áp điện rời rạc được trình bày ở trên.

Các tam mỏng PZT có một hệ số áp điện lớn hơn ZnO và AIN cũng như một hệsố hỏa điện cao khiến cho nó là lựa chọn tốt cho việc tạo nên các bộ cảm biến bức xạnhiệt Một loạt kỹ thuật phủ đa dạng rất phù hợp cho PZT, trong số đó là kỹ thuật bayhơi chùm electron, kỹ thuật tỷ lệ tan số, kỹ thuật phun kim loại, kỹ thuật phun chùmion, kỹ thuật phát triển Epitaxy băng cách phun kim loại RE, kỹ thuật phun kim loạimagnetron, kỹ thuật laser bào mon, và kỹ thuật sử dụng keo lỏng Nhôm Nitrat là mộtvật liệu áp điện tuyệt vời vì vận tốc âm cao của nó và độ bền của nó với độ âm và nhiệt

độ cao.

2.3 Thiết kế đầu dò siêu âm chan đoán hình änh[8]

Trường áp suât sóng âm truyền vào mô được tao ra bởi dau do siêu âm, thườngđược chế tạo từ vật liệu áp điện Cấu tạo của một thành phần đầu dò được chỉ ra trong

hình dưới Nó chứa tinh thé áp điện có độ dày nữa bước sóng, với c„ là tốc độ âm thanhtruyền trong vật liệu và L, là độ dày của tinh thé, ta có tần số cộng hưởng là

ẹ (1.1.11)

thau kinh 4m va mang

, lớp bọc sau ý ,

đầu nối BNC chan trước

fe cuộn điều hướng

vỏ bọc chất dẻo Vật liệu áp điện

Hình 1.6: Kết cấu đầu dò siêu âm một thành phan[8]Vật liệu áp điện dùng pho biến là PZT (Lead zirconate titanate), có vận tốc chophép lan truyền khoảng 4000m/s Dé phát được tần số khoảng 3MHz thì tinh thé ở daudò phải có độ dày 0.67mm Lớp ghép được đặt ngay trước tinh thé dé đạt độ trở khángtại bề mặt, từ đó giúp tối ưu năng lượng phát về phía bệnh nhân Lớp ghép này có thểcó dạng lõm để hội tụ chùm tia và đạt được độ phân giải không gian tốt hơn tại điểmhội tụ Ngoài ra, tinh thể sẽ được tối ưu hơn nếu thiết kế một lớp màn bọc sau để dậptat dao động của tinh thể Mục đích là dé tăng băng thông và tối ưu năng lượng ngõ ra

Hai lớp bọc trước và sau tinh thé có vai trò hỗ trợ đối nghịch nhau Trở khángâm khác nhau của lớp bọc sau và tinh thé giúp xác định lượng năng lượng bi phản xạvà lượng năng lượng bị hấp thụ bởi lớp vật liệu bọc sau Xét trường hợp không khí sẽcho độ phản hồi âm tốt và sẽ tối ưu năng lượng ngõ ra nhưng nó sẽ không hủy dao

động tốt khi tinh thé dao động: bên cạnh dé, băng thông cho ra sẽ hẹp và xung âm sẽ bịkéo dài Do đó, một lớp vật liệu có khả năng hủy dao động phải được sử dụng để hấpthụ năng lượng phát về phía mặt sau, dù cho năng lượng ra thấp, nhưng sẽ cho xungngăn và phố hẹp Trường hợp tương tự cũng được xem xét khi ta làm việc với sóng

đên.

Lựa chọn cấu tạo của đầu dò sẽ phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng Lớp mặt saubăng khí sẽ phù hợp với ứng dụng cần đến sóng liên tục, trong khi nếu dùng vật liệuhủy dạo động tốt thì sẽ cho ra độ phân giải cao nhưng độ nhạy sẽ giảm và độ sâutruyền vào môi trường giảm bớt Trong hệ thống đo lường vận tốc, không khí sẽ đượcchọn, khác với trong trường hợp tạo ảnh B-mode, bởi vì xung dài sẽ có độ nhạy tốthơn, đó là điều đáng quan tâm hơn so với độ phân giải của hình ảnh

Đầu dò don tinh thé trong hình trên phải được dịch chuyển hoặc xoay bởi hệ cơhọc dé có thé thu thập hình anh Việc tạo tần số dịch chuyển cơ học dé khởi động vàdừng đầu dò trong tạo ảnh các bộ phận dịch chuyển là khá phức tạp, do đó người ta chếtạo ra đầu dò xếp mảng dang dãy trong ghi ảnh dòng máu đang chảy Hình 1.7 chothay các dang mảng pho biến được sử dụng

Mang tuyến tính có thé chọn vùng kiểm tra bang cách hướng phạm vi hoạt độngcủa các thành phân đến vùng đó.Chùm tia được dịch chuyên băng cách phát từng nhómvới các thành phân liên tục liền kề, và cuối cùng chính là tín hiệu ghép từ các nhómthành phan Việc hội tụ sóng phát dat được băng cách đưa vào độ trễ phát sóng kíchthích của các thành phân riêng biệt Từ đó, thu được dạng chùm tia phát ra lõm hay lôi.Chùm tia có thé được hội tụ trong quá trình nhận băng cách đưa vào độ trễ và thêm vàohồi đáp từ các thành phần khác nhau Việc hội tụ chùm tia liên tục, vài điểm, hay tạovùng hội tụ có thể được điều chỉnh được; thông thường, có thể đạt được 4 đến 8 vùngđối với các dau dò hiện đại Hình 1.7, mảng biến đổi pha dang chùm với 3 điểm vùngtiêu tụ trong quá trình phát và nhận Trong khi đó, các đầu dò khác chỉ có 1 vùng tiêu

Dau do mang tuyén tinh Dau dò mang cong

I | thanh phan ma

kích hoạt

chùmBiên dạng ‹

` thành phanchùm b

chùm

diện tích ảnh

Biên dạngchùm

Hình 1.7: Các đầu đò khác nhau trong tạo ảnh B-mode [8]Mảng đầu dò tuyến tính thu được ảnh khung chữ nhật, mảng có thể khá lớn đểcó thé bao phủ được hết vùng cần kiểm tra (Region Of Interest [ROI]) Tuy nhiên, mộtvùng diện tích lớn có thé được quét bởi đầu dò dạng mảng nhỏ, nếu các thành phanđược đặt trên một bề mặt cong Đầu dò dạng quạt được chế tạo cho mục đích này

Phương pháp hội tụ và quét chùm tia trong quá trình truyền và nhận tương tự với đầudò tuyến tính, thông thường một mảng có khoảng 128 thành phan câu thành.

Các mảng tròn thường quá lớn để tạo ảnh tim khi muốn khảo sát qua vùngxương sườn Mảng nhỏ có thể được dùng với trường khảo sát được mở rộng bằng cáchđiều chỉnh pha cho mảng đầu dò Tất cả các thành phần của mảng đầu dò được dùngtrong suốt quá trình truyền và nhận tín hiệu Chiều của chùm tia có thé được lái băngcách đưa vào độ trễ tín hiệu đi hay đến từng thành phân riêng biệt (Hình 1.8)

Điều tiêu điện tử Lái và hội tụ chùm tỉa

3 Phan Loai3.1 Phân loại theo lĩnh vực ứng dung:

3.1.1 Ứng dụng trong y tế:

Siêu âm không chi là một phương thức chan đoán hình ảnh mà còn là mộtphương thức điều trị mà trong đó năng lượng được gửi trong mô để tạo ra các tác dụngsinh học Ứng dụng siêu âm trong trị liệu bắt đầu được khám phá từ thập niên 1930.Các ứng dụng ban đầu dựa trên cơ chế làm nóng mô để chữa nhiều bệnh khác nhau,ngày nay các phương hướng điều trị đã được mở rộng không chỉ qua tạo nhiệt mà còndựa trên các cơ chế không sinh nhiệt, bao gồm cả siêu âm tạo hốc, kích hoạt khí huyếtcơ thé, ứng suất cơ học và các tiến trình không sinh nhiệt kích thích sinh học khác Khithay biên độ áp lực, tần số, dạng xung hoặc độ dài truyền sóng thì sóng siêu âm có thểbiến dang, thay đối cơ chế tác động, tạo héc năng lượng cực lớnhay kích hoạt khí huyếtcơ thé Các ứng dụng phố biến hiện nay có thé kế đến là siêu âm hình ảnh 3D, siêu âmDoppler, siêu âm trị liệu kích thích sinh học, siêu âm phâu thuật, tạo hốc năng lượngcao Nhìn chung, ưu điểm của sóng siêu âm là chỉ số an toàn cao hơn so với cácphương pháp trị liệu khác bởi không gây kích thích bức xạ Ion, giảm thiêu nguy cơ độtbiến gen và ung thư

3.1.2 Ứng dụng trong công nông nghiệp

Phương pháp siêu âm là một trong các phương pháp được ứng dụng rộng rãi đểđo chiều dày vật liệu, đánh giá khuyết tật, ăn mòn, phát hiện tách lớp và khuyết tậttrong vật liệu, mỗi hàn Ưu điểm nổi bật của phương pháp là nhanh, chính xác, thiết bịnhỏ gọn rẻ tiền, và có thể cho ta biết cả chiều sâu của khuyết tật Tuy nhiên, kết quảkiểm tra phụ thuộc rất nhiều vào kỹ năng của kỹ thuật viên và khó kiểm chứng được.Bên cạnh đó, siêu âm được ứng dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực siêu âm hóa học, tạora các phản ứng năng lượng cao rất hữu dụng trong chế tạo vật liệu

3.2 Phân loại theo phương pháp tạo ảnh3.2.1 Tạo ảnh A- mode(Amplitude mode)

Tạo ảnh ở Mode A là phản ánh ảnh cấu trúc của vật chất trên một đường tia siêuâm đi qua, và nó thể hiện băng các xung phản xạ được gọi là kiểu 1 chiều Tín hiệu hồiâm được thê hiện bằng xung hình gai trên dạo động ký qua hệ thống trục tung và trụchoành, chiều cao của xung thể hiện độ lớn của biên độ tín hiệu hồi âm, vị trí của xungthể hiện khoảng cách từ đầu dò đến mặt phản hỗi Loại hình thé hiện này thường được

dùng trong đo đạc vì có độ chính xác cao.

thê năm trên đường truyên của chùm tia siêu âm.

3.2.3 Tạo anhTM-mode hoặc mode M ( Time Motion Mode)

Mode TM là khảo sát quỹ đạo chuyên động của vat chất theo thời gian băngcách thể hiện hình ảnh A-mode hoặc B-mode theo diễn biến thời gian VỚI các tốc độquét khác nhau Kết quả là nếu nguồn hồi âm đứng yên thì sẽ tao ra đường thăng ngangqua màn hình, còn nếu mặt phản hồi chuyển động thì sẽ tao ra đường cong phan anh sựchuyển động của mặt phản hồi Trên màn hình hién thi của TM-mode, biên độ chuyểnđộng của mặt phản xạ được biểu thị trên trục tung, thời gian trên trục hoành nhờ vậy cóthê tính toán được vận tốc chuyển động của mặt phản hồi khi tốc độ quét đã được xác

được các chuyên động có phương vuông góc với phương truyên của tia siêu âm.

Để có thể thu được hình ảnh siêu âm thời gian thực, hệ thống quét ảnh độngđược thiết kế với 2 cách quét là quét điện tử và quét cơ học Trong đó, chế độ quét điệntử sử dụng nguyên tắc độ trễ pha giữa các thành phần cảm biến để lái chùm tia quétqua toàn bộ vùng khảo sát, chế độ quét cơ học sử dụng tay điều khiển cơ học dịch

chuyên đầu dò qua từng phan trong vùng khảo sát Ngày nay, công nghệ khảo sát trêndiện rộng gọi là tạo anh thời gian thực EFOV(extended field of view)- siêu âm thờigian thực với trường nhìn mở rộng cho phép tạo ảnh động có tính tổng quát như ảnhtinh Dé tạo được diện khảo sát rộng người ta vừa di chuyển đầu dò theo một thiết diệncắt ngang cơ thê vừa ghi nhận hình ảnh, hình ảnh được tổng hợp liên tục từ các gócquét riêng biệt ứng với các vị trí của đầu dò, kết quả nhận được là một hình tổng quát,đồng thời vẫn giữ được tính động của ảnh.

3.2.4 Siêu âm Doppler

Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi sóngsiêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động như các tế bào hồng câu, thànhmạch, cơ chuyển động, v.v Khi đó tần số của sóng phản hồi sẽ khác với tần số củasóng tới, và hiệu của hai tân số gọi là độ lệch Doppler hay tần số Doppler Có 2 kỹthuật Doppler áp dụng liên quan đến cách thức tạo ra sóng âm: Sóng liên tục(Continuous Wave-CW) và xung (Pulsed Wave-PW).

- Doppler lién tuc: Nguoi ta su dung đầu đò với 2 tinh thé làm 2 nhiệm vu khác nhau:một làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục, một làm nhiệm vụ thu liên tục Ưu điểm củaDoppler liên tục là có thể đo được vận tốc dòng máu rất lớn , tuy nhiên, nhược điểmcủa nó là không ghi được tốc độ tại 1 điểm xác định mà nó chi chi được tốc độ trungbình của nhiều điểm chuyển động khi chùm sóng âm phát ra gặp trên đường đi của nó.- Doppler xung: Thường được thiết kế với đầu dò có một tinh thê vừa có chức năngphát và nhận sóng phản hồi Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theohướng quét của dau dò, chỉ những xung phản hồi tại vị trí lẫy mẫu là được ghi nhận vàxử lý, với kích thước và độ sâu vùng lây mẫu có thể thay đôi được Nhờ đó, kỹ thuậtDoppler xung cho phép ghi nhận phân biệt tín hiệu Doppler tại các độ sâu khác nhau.Ứng với mỗi vị trí lẫy mẫu được chọn, khoảng thời gian T cho xung đi và về xác địnhkhoảng thời gian ngăn nhất giữa 2 chuỗi xung Do đó độ lặp lại của các chuỗi xung

phát PRF (Pulse Repetition Frequency) không thé lựa chon lớn hơn 1/T (PRF < 1/T).Do khoảng giá trị của PRF cũng năm trong khoảng của tan số Doppler Af, Dopplerxung có thể nhận biết được vị trí của dòng chảy song lại có một nhược điểm là bị hạnchế trong việc đo các dòng có vận tốc cao bởi độ nhiễu do chồng chập xung.

3.3 Phân loại theo cau tao đầu dò3.3.1 Đầu dò đơn tỉnh thể

Có rất nhiều loại nhưng ta có thể phân ra hai loại chính là đầu dò đơn tỉnh thể vàdau dò da tinh thể Trong đó, đầu dò don tinh thé chỉ dùng một chan tử và nó dùng phổbiến trong đo lường và kiểm tra không phá hủy, đây là loại đầu dò đơn giản và ít đượcsử dụng (xem câu tạo đầu dò đơn Hình 1.6)

Trong các thiết kế của đầu dò đơn ta có phương pháp lac (Wobbler Principle),mục đích của phương pháp là quét tia siêu âm theo một góc rẻ quạt băng cách cho tỉnhthê lắc quanh một trục Phương pháp này chỉ sử dụng một tính thể lớn hoặc một loạitinh thé vành khuyên đồng tâm do đó không cần những yêu cau đặc biệt trong việcghép tinh thé.Tuy nhiên, bộ phận cơ khí của thiết kế khá phức tap, do chuyên động laccủa tinh thé phải đối chiều liên tục nên phải giảm khoảng thời gian chết được gây rabởi mômen từ quán tính Ngoài ra hệ đầu dò cũng phải thoả mãn những yêu cau đặcbiệt dé khống chế tốc độ góc chuyên động quét hoặc hăng định

* Nguyên lý hoạt động cua đầu dò phang kiểu quét song song

Đề tạo ra hình ảnh ở kiểu quét song song (dạng ảnh chữ nhật), thông thườngngười ta dùng đâu dò phăng tuyến tính để quét Đầu dò này gồm một dãy các cách tửđược sắp xếp sát nhau theo một đường thăng trên một giá đỡ và được cách ly với nhau

dau dò có 128 cách tử, với số cách tử kích hoạt 1 lần quét là 32, sẽ có đường quét tiếptheo từ phan tử số 2 tới 33, tiếp đến là từ 3 đến 34 cho tới đường quét cudi cùng ứngvới nhóm cách tử từ 97 tới 128 hiện lên để tạo ra một ảnh siêu âm hoàn chỉnh Quátrình quét này được lặp lại rất nhanh do vận tốc truyền âm trong cơ thé khá nhanh (ướckhoảng hơn 3000 m/s, tức là khoảng 20 tới 60 hình quét/giây) Chất lượng hình ảnh cóthé được nâng cao lên nhờ biện pháp cải tiễn về âm thanh và điện tử Vi dụ như bộ dẫn

hội tụ gôm các thâu kính âm.

Dich chuyén thang

em S61

8 chan tửđược kích

theo đượckích hoạt

Hình 1.12: Đầu dò mảng tuyến tính[7]Đầu đò tuyến tính cho ra hình ảnh chữ nhật có mật độ thông tin (khoảng cáchgiữa các hàng) không đổi theo chiều sâu Chất lượng ảnh đồng đều trên toàn phạm vi

của ảnh.

* Nhược điểm của đấu do này là kích thước lớn, độ phân giải theo chiều doc và ngangkhác nhau Nó đòi hỏi mặt tiếp xúc giữa đầu dò và bộ phận cân ghi hình ảnh rất lớn dođó đầu dò dò phăng chỉ có thể khảo sát bộ phận bụng và vùng tiếp giáp

* Ứng dụng phổ biến là trong siêu âm vùng bụng, sản phụ khoa, siêu âm tuyến giáp,mạch gan bề mặt, và các ứng dụng đặc biệt như nội soi phẫu thuật

3.3.3 Đầu dò cong hoặc lôi

Nguyên lý tương tự như dau dò phăng, đầu dò thiết kế dạng cong được dùng