Nghiên cứu và chế tạo thiết bị hỗ trợ người mù sử dụng sóng siêu âm

Nghiên cứu và chế tạo thiết bị hỗ trợ người mù sử dụng sóng siêu âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HỖ

TRỢ NGƯỜI MÙ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HÙNG-KTYS-K53

NGỤY PHAN TÍN-KTYS-K53 NGUYỄN HỮU THẮNG-KTSY-K53

Giảng viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN THU VÂN

Hà Nội, 6-2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI 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: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209 Ngụy Phan Tín 20082681 Nguyễn Hữu Thắng 20082470 Khoá: K53 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Kỹ thuật y sinh 1 Đầu đề đồ án: ……… ….……

……… ….……

Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……… ….……

……….

……… ….……

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……… ….………

……… ….……

………

……… ….……

Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……… ….……

……… ……….…

………

2 Họ tên giảng viên hướng dẫn……… ………

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án ……….………

4 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

-

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209 Ngụy phan Tín 20082681 Nguyễn Hữu Thắng 20082470 Ngành: Kỹ thuật y sinh Khoá: K53 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 )

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời sống xã hội là một xu hướng thiết yếu, đã và đang được các bộ ngành cũng như các

cơ quan nhà nước quan tâm và chú trọng phát triển Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật ở nước ta vào trong đời sống xã hội sẽ giúp cải thiện nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân, đẩy mạnh quá trình tiếp cận và bắt nhịp với xu hướng chung của thế giới

Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất mà còn giúp nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về mặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt đối với những người khuyết tật không gặp may mắn trong cuộc sống Một trong những đối tượng được quan tâm đó là những người bị khiếm thị Những đối tượng này do bị các tật về mặt hoặc vì một lý do nào đó mắt không nhìn được nên việc sinh hoạt giao tiếp với xã hội rất khó khăn Bằng việc sử dụng các công nghệ hiện đại như siêu âm, laser, các phương pháp cấy ghép giác mạc những người khiếm thị đã có được nhiều cơ hội hòa nhập với cộng đồng hơn

Trong các công nghệ hiện nay thì công nghệ sử dụng sóng siêu âm để dẫn đường được sử dụng khá phổ biến Do có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống và một số các phương pháp khác hiện nay Ngoài ra sóng siêu âm cũng rất an toàn với người sử dụng và mọi người xung quanh Từ đó nhóm chúng em đã đưa ra

ý tưởng thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”

Dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Nguyễn Thu Vân cùng sự đoàn kết cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án với đề tài “ Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”

Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, chúng em đã đạt được một số kết quả khả quan trong quá trình triển khai và thực hiện đồ án Mặc dù vậy, do còn thiếu sót về mặt kiến thức thực tế cũng như hạn chế về các linh kiện cần thiết nên nhóm chúng em không tránh khỏi thiếu sót cũng như một số mục tiêu chưa hoàn thành Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy

cô giáo và bạn bè

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Th.S Nguyễn Thu Vân cùng toàn thể gia đình bạn vè đã hỗ trợ nhóm chúng em trong quá trình nghiên cứu Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hùng

Ngụy Phan Tín

Nguyễn Hữu Thắng

`

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

“Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”

Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có khả năng lan truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí Sóng siêu âm sẽ được phát ra từ một đầu cảm biến, sau khi va chạm với các vật cản sẽ được thu nhận lại và xử lý để đưa ra những cảnh bảo chỉ dẫn cho người khiếm thị Thiết bị sẽ gồm bốn phần cơ bản:

- Đầu cảm biến thu và phát sóng siêu âm

- Khối điều khiển và xử lý tín hiệu siêu âm

- Khối cảnh báo khi có vật cản trên đường di chuyển

- Khối vỏ bảo vệ và gắn thiết bị lên cơ thể người khiếm thị

Thiết bị hỗ trợ sẽ được gắn lên cánh tay của người khiếm thị Khi người khiếm thị

di chuyển, thiết bị sẽ liên tục phát ra các sóng siêu âm trong phạm vi đã xác định, thu nhận các sóng âm phản hồi về Sau đó khối điều khiển và xử lý sẽ tính toán các thông tin về vị trí, tốc độ của các vật cản phía trước Từ đó khối cảnh báo sẽ đưa ra các cảnh báo dẫn đường với người khiếm thị để tránh các vật cản trên đường đi

Đồ án trình bày quá trình nhóm tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của thiết

bị bao gồm 4 chương:

 Chương 1: Khái niệm về siêu âm và các ứng dụng

Trình bày về các khái niệm cơ bản cần biết về sóng siêu âm, các tính chất vật

lý của sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tế

 Chương 2: Cảm biến siêu âm

Trình bày một cách cơ bản về cấu tạo của một cảm biến siêu âm, các thông

số cần quan tâm của một cảm biến siêu âm, nêu cấu tạo và các chế độ hoạt động của siêu âm HC-SR04 được sử dụng trong đồ án

 Chương 3: Phân tích và thiết kế

Trình bày về một số đặc điểm đặc trưng của đối tượng sử dụng thiết bị, phân tích các bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế thiết bị Sau đó, dựa trên các phân tích đưa ra được các giải pháp thiết kế, chế tạo để giải quyết các bài toán thực tế

 Chương 4: Kết quả đạt được và thử nghiệm

Trình bày về quá trình thử nghiệm thiết bị trong thực tế, đánh giá kết quả thu được, từ đó rút ra các kết luận, đánh giá tổng kết quá trình triển khai thực hiện đề tài

ABSTRACT

“Research and design a equipmentassisting sightless person using ultrasonic” Ultrasonic wave is a form of mechanical waves, can propagate in solid, liquid and gas Ultrasonic waves are emitted from a sensor head, after colliding with the obstacle will be collected and processed to give the warning instructions for blind people The equipment will consist of four basic parts:

- The ultrasonic wave transmitter and receiver

- The ultrasonic signal controlling and processingblock

- Warning block when there are obstacle on the move

- Protective shell, attaching the device to the body blind

Assistant equipment will be attached to the arm of the blind When blind people move, the device will continuously emit ultrasonic waves in the specified range and receive the feedback wave Then the controller and processor block will calculate information on position, speed of the obstacles ahead From thatit will give a statement to warn the blinds to avoid obstacles along the way

The thesis reports the process of group learning, designing and testing practicality

of the device consists of 4 chapters:

 Chapter 1: the concept of ultrasound and its applications

Presentation of the basic concepts you need to know about sonar, the physical properties of ultrasonic wave and application in fact

 Chapter 2: Ultrasonic sensors

Presenting a fundamental way about the texture of an ultrasonic sensor, the need of

an ultrasonic sensor, articulated structure and mode of operation of HC-SR04 ultrasound is used in blueprints

 Chapter 3: Analysis and design

Presentation on some of the characteristics of using objects, analysis of the actual problem, the necessary requirements for the design of the equipment Then, based

on the analysis of given designing and buliding solutionsto solve the actual problem

 Chapter 4: Test and results achieved

Presentation on the process of testing the device in fact, reviews the results obtained, from which to draw conclusions, the evaluation of the process of implementing the subject

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

ABSTRACT 9

MỤC LỤC 11

DANH MỤC HÌNH VẼ 14

DANH MỤC BẢNG BIỂU 16

MỞ ĐẦU 17

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG 22

1.1 Bản chất vật lý của sóng siêu âm 22

1.1.1 Âm thanh 22

1.1.2 Sóng âm 23

1.1.3 Sóng siêu âm 28

1.2 Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường 29

1.2.1 Phương trình sóng 29

1.2.2 Phản xạ 31

1.2.3 Tán xạ 32

1.2.4 Hấp thụ 33

1.2.5 Sự suy giảm 34

1.2.6 Một số môi trường cụ thể 36

1.3 Ứng dụng siêu âm trong y tế 39

1.4 Kết luận 40

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM 42

2.1 Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện 42

2.1.1 Phần tử áp điện 42

2.1.2 Hiệu ứng áp điện 43

2.1.3 Ứng dụng của hiệu ứng áp điện 44

2.2 Đầu dó cảm biến 45

2.2.1 Thành phần cơ bản 45

2.2.2 Phân loại 46

2.3 Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz 49

2.3.1 Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm 49

2.3.2 Tổng quan đầu dò 50

2.3.3 Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến 51

2.4 Đặc tính của đầu dò cảm biến 54

2.4.1 Cường độ 54

2.4.2 Trường siêu âm 54

2.4.3 Độ phân giải ngang, dọc 59

2.5 Module cảm biến SR04 61

2.5.1 Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04 61

2.6 Kết luận 65

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 66

3.1 Phân tích tập tính của người khiếm thị 66

3.1.1 Định nghĩa người khiếm thị 66

3.1.2 Hoạt động não bộ của người khiếm thị 67

3.2 Phân tích các bài toán thực tế 71

3.2.1 Phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm 71

3.2.2 Cảnh báo 73

3.2.3 Xử lý tín hiệu 74

3.1.4 Năng lượng 75

3.2.4 Nguyên liệu chế tạo 76

3.3 Thiết kế 76

3.3.1 Cấu tạo thiết bị 76

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị 78

3.3.3 Sơ đồ giải thuật 78

3.3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý 82

3.3.5 Sơ đồ mạch in 85

3.4 Kết luận 86

CHƯƠNG 4 TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 87

4.1 Những kết quả đạt được trên thực tế 87

4.1.1 Kiểm tra các thông số cảm biến 87

4.1.2 Kiểm tra năng lượng 95

4.2 Những khó khăn gặp phải 96

4.2.1 Các lỗi đặc trưng chưa xử lý triệt để 96

4.2.2 Các phương pháp xử lý lỗi 99

4.3 Kết luận và định hướng phát triển tương lai 105

4.3.1 Phân tích tính khả dụng của thiết bị 105

4.3.2 Hướng phát triển tương lai 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

Phụ Lục ký hiệu toán học 108

DANH MỤC HÌNH VẼ

nh ậy siêu âm 18

nh ính hỗ trợ người khiếm thị 19

nh m thanh tạo ra khi đánh trống 22

nh ác ải tần số âm thanh 23

nh iểu diễn dạng sóng 24

nh nh ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang 26

nh h n oại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm 27

nh ự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang 29

nh Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng 31

nh ng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ 32

nh Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z 36

nh Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng tần số 36

nh đồ của chùm tia siêu âm trong c thể người với các môi trường c độ trở kháng khác nhau 39

nh h n bố cực từ trong vật chất đ n tinh thể và đa tinh thể 42

nh ự phân cực trong vật liệu gốm và tạo ra hiệu ứng áp điện 43

nh Ví dụ về hiệu ứng áp điện 44

nh Các chế độ ao động khác nhau có thể xảy ra với tinh thể gốm áp điện 45

nh ấu trúc cảm biến siêu âm hở [5] 47

nh Mô phỏng quá trình rung [5] 47

nh ấu trúc cảm biến siêu âm kín [5] 48

nh ấu trúc cảm biến siêu âm tần số cao [5] 48

nh ột cặp đầu dò siêu âm thu và phát 50

nh ặt sau của cảm biến siêu âm 50

nh Cảm biến sau khi tháo lớp ưới phía trên 51

nh Lớp vỏ kim loại và cấu trúc bên trong cảm biến 51

nh Cấu trúc bên trong của cảm biến 52

nh Đế cách điện và dây dẫn của cảm biến 52

nh Khối tạo ao động của cảm biến 53

nh Đồ thị phía trên: trường sóng liên tục của cảm biến mảng vành khuyên có bán kính r và góc phân kì ∅ Đồ thị phía ưới: iên độ cường độ đã được chuẩn hóa dọc theo trục đối xứng của cảm biến phía trên ở tần số trung tâm là 5Mhz và bán kính 7mm 56

nh Trường siêu âm của cảm biến 61

nh Module cảm biến siêu âm HC-SR04 62

nh iản đồ thời gian chế độ 1 62

nh iản đồ thời gian chế độ 2 63

nh ướng chùm sóng siêu âm của cảm biến HC-SR04 65

nh iểu đồ tỉ lệ tiếp nhận thông tin bằng giác quan ở người b nh thường 67

nh iểu đồ tiếp nhận thông tin mới ở người; a) người b nh thường; b) người khiếm thị 68

nh 3.3 Biểu đồ tiếp nhận thông tin ở người khiếm thị khi sử dụng sóng siêu âm 70 nh nh ảnh mô tả hoạt động của thiết bị 72

nh nh ảnh mô tả vật cản chuyển động về phía thiết bị 73

nh in ạc Lipo 500 mAh 75

nh ỏ ngoài thiết bị 77

nh ị trí đặt các khối thiết bị 77

nh đồ nguyên lý hoạt động 78

nh đồ thuật toán và các hàm xử lý ngắt 80

nh Độ rộng xung theo các chế độ hoạt động 81

H nh Điều chế động rộng xung để điều khiển động c 81

nh đồ nguyên lý khối nguồn 82

nh đồ nguyên lý khối xử lý 83

nh đồ nguyên lý khối cảm biến 84

nh đồ nguyên lý khối cảnh báo rung 84

nh Tín hiệu đo đượckhi sử dụng bộ thu để thu nhận tín hiệu 87

nh Tín hiệu đo được khi sử dụng bộ phát để thu 88

nh Đo tín hiệu thu được ở cả bộ phát và thu ở chế độ hiển thị đồng thời của oscillator; với tín hiệu đường bao bên ngoài là của bộ thu 88

nh 4.4 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 20cm – thang đo m / iv 89

nh Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 40cm– thang đo m / iv 90

nh Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 60cm – thang đo m / iv 90

nh Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 70cm– thang đo m / iv 91

nh Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 4m – thang đo m / iv 91

nh ường độ âm tại một điểm trong không gian 94

nh Trường siêu âm của module cảm biến HC-SR04 [5] 94

nh Hình ảnh mô tả nhiễu lặp khi sử dụng ba cảm biến siêu âm 97

nh Hình ảnh mô tả lỗi tán xạ bề mặt 98

nh Hình ảnh mô tả lỗi đọc chéo 99

nh Hình ảnh o ánh hai cách đặt góc giữa hai cảm biến 100

nh Tính toán góc giữa hai cảm biến 100

nh Sự xuất hiện của đọc chéo [17] 101

nh Lưu đồ cách đọc tín hiệu 102

nh Thuật toán loại bỏ tín hiệu đọc chéo 103

MỞ ĐẦU

Trong thực tế hiện nay, do điều kiện môi trường thay đổi cũng như nhận thức còn yếu kém của con người về vấn đề giữ gìn sức khỏe, bảo vệ an toàn cho bản thântrước những mối nguy hại trong cuộc sống, con người rất dễ gặp phải các vấn

đề về sức khỏe Sự suy giảm về mặt sức khỏe ảnh hưởng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp đến các hoạt động sinh hoạt bình thường của một cá nhân

Một trong các vấn đề sức khỏe nổi cộm mà con người gặp phải là các vấn đề về mắt Trên thực tế có rất nhiều bệnh làm suy giảm thị lực của con người cũng như làm hỏng hẳn thị lực Trong đồ án này, nhóm chúng em quan tâm đến nhóm người

bị suy giảm thị lực nặng được xét vào nhóm bị “mù lòa” Theo khái niệm của WHO năm 1992, một người được gọi là khiếm thị khi chức năng thị giác của người đó bị giảm nặng, thậm chí ngay cả khi đã được điều trị và điều chỉnh tật khúc xạ tốt nhất nhưng thị lực ở mắt tốt chỉ ở mức dưới 6/18 (0,33) cho đến còn phân biệt sáng tối

và hoặc thị trường bị thu hẹp dưới 100 kể từ điểm định thị [14]

Theo ước tính Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người khiếm thị (năm 2011) [18]

Vì vậy, phục hồi chức năng (PHCN) cho người khiếm thị đóng vai trò quan trọng trong công tác chống mù lòa, hướng tới thực hiện mục tiêu toàn cầu “Thị giác 2020

- Quyền được nhìn thấy” [13]

Khiếm thị có thể do rất nhiều bệnh lý hay những bất bình thường của con mắt gây

ra Một số nguyên nhân thường gặp như: bệnh cận thị cao, sẹo giác mạc, đục thể thủy tinh, bệnh võng mặc sắc tố, bệnh võng mạc đái tháo đường, bệnh thoái hóa hoàng điểm, bệnh glôcôm, bệnh bạch tạng… Tùy thuộc vào mức độ của bệnh có thể gây khiếm thị ở mức độ nhẹ, vừa, nặng và rất nặng

Ở nước ta hiện nay, các thiết bị hỗ trợ người khiếm thị còn rất khiêm tốn sơ sài, chưa được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển đúng mức Trong khi đó, với một người khiếm thị việc sinh hoạt cá nhân rất khó khăn, đặc biệt khi những người khiếm thị muốn đi ra ngoài để giao tiếp làm việc Chính vì vậy nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị” với mong muốn

góp chút sức để giúp đỡ những người kém may mắn có thể cải thiện bớt khó khăn trong việc hòa nhập với xã hội

 Các biện pháp hỗ trợ

Người mù và người khiếm thị được xếp chung vào nhóm bệnh nhân “mù lòa” (visually impaired) hay còn gọi là suy giảm thị lực, các bệnh nhân này chỉ có số ít được thành công với các ca phẫu thuật mắt, còn phần lớn là không khỏi hoặc chịu biến chứng sau các ca phẫu thuật Do đó các biện pháp được đặt ra để thay đổi tình trạng thị giác cho bệnh nhân mà thực chất là dùng các thiết bị để thay thế cho chức năng của măt, hoặc là các loại kính đặc biệt để cải thiện sức nhìn Ngoài các phương pháp truyền thống như gậy hay chó dẫn đường, hiện nay, các nhà nghiên cứu đã và đang đưa ra rất nhiều thiết bị sử dụng công nghệ cao như siêu âm, camera lập thể, mắt sinh học…

Một số biện pháp hỗ trợ người mù đã và đang được nghiên cứu hiện nay:

nh 0.1 Gậy siêu âm

- Gậy siêu âm Hai cảm biến siêu âm được gắn trên đầu gậy sẽ bắn ra những tia siêu âm rất mạnh, rất lớn đến nỗi nếu nghe thấy, con người có thể bị điếc Tuy nhiên do tần số của nó cực cao nên không gây hại đến tế bào thính giác

Siêu âm phát ra được phản hồi trở lại khi gặp bất kỳ vật cản mềm hay cứng nào dù đó là những chiếc lá trên cành cây, quần áo trên người, hoặc một tấm màn, hay các vật thể như bàn, ghế… Những nút cảm ứng trên cán gậy sẽ rung lên khi thiết bị cảm biến phát hiện có vật cản ở phía trước Mức độ rung mạnh hay nhẹ tùy thuộc vào khoảng cách từ gậy đến vật cản Nhờ đó, người khiếm thị dùng gậy siêu âm có thể dễ dàng tự đi lại một mình và tránh được mọi thứ xung quanh Tuy nhiên, phần lớn người sử dụng có thể phải mất vài tháng để làm quen với chiếc gậy siêu âm Còn theo các nhà phát triển, thiết

bị hiện đại này sẽ mang lại cho người mù một thế giới hoàn toàn mới về cảm giác Hiện nay, các nhà khoa học cho biết phiên bản mới có nhiều cải tiến và cho độ chính xác cao hơn

nh 0.2 Kính hỗ trợ người khiếm thị

- Kính hỗ trợ người khiếm thị: Sử dụng camera lập thể nhỏ xíu được lắp trên gọng, máy chiếu sẽ phóng những hình ảnh vật thể được đơn giản hóa lên phần tròng kính, và hình sẽ càng sáng hơn khi tiến gần đến chướng ngại vật

ở phía trước Công nghệ được tích hợp vào kính có thể mở rộng thêm chức năng, như đọc sách báo thông qua tai nghe, hoặc quét mã vạch để hiển thị giá

cả từng mặt hàng Tiến sĩ Stephen Hicks của Đại học Oxford, người phát minh loại kính trên, dự kiến sẽ cho ra mắt trong vòng 2 năm nữa

- Mắt sinh học: Mắt sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trước đây Vào năm 1929, nhà thần kinh học người Đức Otfird Foerster dùng điện kích thích

vỏ não thị giác của người mù tình nguyện Kết quả: họ "thấy" được các điểm sáng nhỏ Cho đến năm 1968, Giles S Brindley ở Đại học Cambridge cấy 80 điện cực dưới lớp da đầu một phụ nữ mù 52 tuổi Khi mở dòng điện, bà ta thấy được các chấm sáng Sau nhiều năm nghiên cứu, phương pháp đã có bước nhảy đột biến Arman Tanguay và đồng nghiệp Noelle Stiles tiến hành thí nghiệm đầu tiên cấy một camera kỹ thuật số vào mắt, thay thế thấu kính

tự nhiên của con chó bằng thấu kính thủy tinh và một bộ cảm ứng vào năm

2004 Phải đến năm 2010 các camera kỹ thuật số đầu tiên mới được ứng dụng cơ thể người mù kết nối với vật cấy võng mạc mang 256 điện cực trong cuộc nghiên cứu của dự án USC Các nhà nghiên cứu dự đoán đến năm 2014

sẽ chế tạo được vật cấy mang 1000 điện cực cho phép những người tình nguyện thí nghiệm nhận rõ mặt người và đọc được cỡ chữ khoảng 2,5 cm Trong các nghiên cứu gần đây, vật cấy được chế tạo bằng muối bạc hay sillicon mắc đầy điện cực vào một trong võng mạc của người tình nguyện Một camera kỹ thuật số lắp trên kính râm sẽ cung cấp các hình ảnh không dây đến vật cấy này và các điện cực sẽ kích thích các dây thần kinh võng mạc để sản sinh ra cảm giác trước ánh sáng trong não Kết quả thu được rất khả quan, các tình nguyện viên có thể phân biệt được sáng tối và một số đồ vật có hình dạng khác nhau

Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi rất cao Mỗi một phương pháp đều có

ưu nhược điểm và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắc phục các nhược điểm Với năng lực của nhóm cũng như độ lớn của đề tài, nhóm chúng em quyết định sử dụng phương pháp siêu âm để thiết kế thiết bị hỗ trợ người khiếm thị Mục tiêu của nhóm hướng tới là thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trong thực

tế, có thể hỗ trợ những người khiếm thị dễ dàng hơn trong các hoạt động sinh hoạt hằng ngày

 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Với ý tưởng sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách, kết hợp với hệ thống cảnh báo để trợ giúp những người mù lòa trong việc phát hiện vật cản, thực hiện bằng cách sử dụng các transducer thu và phát sóng siêu âm, phân tích khoảng cách và phản hồi đầu ra bằng xung động cơ học được đặt trên cơ thể của người sử dụng, với khoảng cách càng gần, xung động càng mạnh Cụ thể trong đồ án này, nhóm chúng

em sẽ thiết kế và chế tạo một thiết bị đặt ở tay được gắn trên người khiếm thị dưới dạng một chiếc găng tay Thiết bị này có những ưu điểm sau:

- Có thể coi là một hệ thống khôi phục giác quan, nối dài các giác quan của người khiếm thị, để họ có thể tự tin hơn trong việc di chuyển và hành động

- Giúp người khiếm thị tự do hơn, khi có thể giải phóng cả hai tay, không phải phụ thuộc vào gậy, hoặc là chó dẫn đường

- Giá thành rẻ, an toàn cho người sử dụng, máy móc và các sinh vật sống Không bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời, điều khiển từ xa, camera an ninh, các

bề mặt hấp thụ ánh sáng… (như hồng ngoại)

- Sử dụng cho mọi trường hợp bệnh nhân suy giảm thị lực, có thể ứng dụng cho các ngành như định vị - dẫn đường, các ngành công nghiệp, quân sự… Thiết bị sẽ là một sản phẩm lý tưởng với mức giá không quá đắt giúp cho người khiếm thị có thể hòa nhập với cộng đồng, cũng như tiện lợi hơn trong những sinh hoạt hàng ngày

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1 Bản chất vật lý của sóng siêu âm

1.1.1 Âm thanh

Âm thanh là cảm giác cảm nhận được bằng thính giác, là năng lượng cơ học truyền

đi bởi sóng áp suất trong một môi trường vật chất

Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất

1.1.1.1 Nguồn âm

Âm thanh được sinh ra từ các vật rung động Âm thanh phát sinh từ nhiều nguồn thí

dụ như tiếng nói người, tiếng súc vật kêu, tiếng trống, tiếng đàn từ các nhạc cụ Khi thổi sáo, khi đánh trống hay khi hai cái ly chạm nhau đều cho một “tiếng” hay một

“âm” Nói chung, “Tiếng” phát sinh khi có va chạm giữa hai vật Tiếng cao hay thấp tùy thuộc vào sự va chạm mạnh hay nhẹ

nh 1.1 Âm thanh tạo ra khi đánh trống

Khi thổi sáo thì nghe được một tiếng thanh, khi đánh trống thì nghe được một tiếng trầm Tiếng thanh hay trầm tùy thuộc vào vật liệu và môi trường không gian của vật Trong các nhạc cụ, âm thanh "thanh" hay "trầm" phụ thuộc vào kích thước vật

thể như chiều dài, không gian (như sáo, kèn) và cấu tạo (dây thanh mảnh hay dây to) Thí dụ âm thoa cho tiếng thanh hay trầm phụ thuộc vào độ dài âm thoa

1.1.1.2 Bản chất vật lý âm thanh

Các nghiên cứu về âm thanh cho thấy âm thanh nghe được là âm thanh trong dải tần

số 16Hz - 20KHz Âm thanh có dải tần cao hơn 20KHz gọi là Siêu âm Âm thanh thấp hơn 16 Hz gọi Hạ âm

nh 1.2 Các dải tần số âm thanh

Âm thanh không tồn tại trong chân không Thí nghiệm cho thấy chuông sẽ không kêu khi nằm trong môi trường không có không khí

Âm thanh cần vật chất để di truyền Âm thanh di truyền qua mọi vật ở ba trạng thái rắn, lỏng, và khí Âm thanh dễ truyền trong vật rắn tới vật lỏng tới vật Khí

Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại hay giãn nở ra tạo ra các cột không khí co giản Âm thanh di chuyển qua không khí dưới dạng sóng dọc có vận tốc bằng tích của bước sóng với tần Số sóng:

Vận tốc của âm thanh di chuyển thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường vật chất Vận tốc âm thanh ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn đo được bằng 340m/s

1.1.2 Sóng âm

Sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng, có vận tốc cố định trong môi trường

Về bản chất, âm thanh là một sóng cơ học, nhanh và thường không tạo ra những thay đổi nhìn thấy trong môi trường Âm thanh được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh)

1.1.2.1 Đại lượng đặc trưng của sóng âm

Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

nh 1.3 Biểu diễn dạng sóng

Hình bên trên là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

- Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn Đơn vị thường được tính bằng đơn vị đo thời gian( s, ms )

- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất

- Tần số (f) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz

- Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau

- Tốc độ sóng âm (c) là quãng đường mà chùm tia siêu âm đi được trong 1 đơn vị thời gian, thường được đo bằng m/s Tốc độ sóng âm không phụ thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi trường truyền âm Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật độ phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ Giữa tốc độ truyền âm, bước sóng và tần số

có mối liên hệ qua phương trình sau:

- Năng lượng sóng âm (P) biểu thị mức năng lượng mà chùm tia siêu âm truyền vào cơ thể Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm chẩn đoán để đảm bảo an toàn các máy thường phát với mức năng lượng thấp vào khoảng 1mw đến 10mw Tuy nhiên trong các kiểu siêu âm thì siêu âm Doppler thường có mức năng lượng cao hơn Ở các máy siêu âm hiện đại người sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lượng để nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ

em

- Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn vị diện tích Thường được đo bằng đơn vị W/cm2 Cường độ sóng âm sẽ suy giảm dần trên đường truyền nhng tần số của nó không thay đổi Người ta còn tính cường độ sóng âm tương đối đo bằng dB Khác với cường độ sóng âm, đại lượng này là một giá trị tương đối, nó cho biết sự khác nhau về cường độ siêu âm tại 2 vị trí trong không gian

( ) : Cường độ siêu âm tại một điểm bất kỳ

: Cường độ siêu âm ban đầu

1.1.2.2 Phân loại sóng âm

- Sóng dọc (lan truyền trong chất rắn, lỏng, khí): Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng Sóng dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc

- Sóng ngang ( truyền tốt trong chất rắn): Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng Tính chất này chỉ có ở vật rắn

nh 1.4 Hình ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang

 Theo tần số âm: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính

- Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16

Hz Ví dụ: sóng địa chấn

- Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các nguồn sóng siêu âm có trong

tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng … Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz Sóng siêu

âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu

âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz

nh 1.5 Phân loại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm

1.1.2.3 Ứng dụng của sóng âm

Âm thanh nghe được nằm trong dải tần 20Hz - 20 KHz được dùng trong thông tin

để truyền dẫn âm thanh từ nơi phát đến nơi nhận trên một quảng đường gần hay xa Thực nghiệm cho thấy, âm thanh trong dải tần 20Hz - 20 KHz dễ mất năng lượng khi truyền qua không khí nên không thể truyền đi xa hơn 3m Để truyền âm thanh đi

xa hơn, sóng âm thanh phải được trộn với một sóng dẫn có tần số cao MHz - GHz cho ra một sóng phát thanh AM, FM hay PM

- Sóng AM

Sóng AM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cường độ sóng dẫn thay đổi theo cường độ sóng âm Sóng AM thích hợp cho việc truyền dẫn thông tin trên quãng đường gần hay ngắn trong phạm vi địa phương

- Sóng FM

Sóng FM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cùng cường độ nhưng khác tần số Sóng FM thích hợp cho việc truyền dẫn thông tin trên quãng đường dài hay xa trong phạm vi trong hay ngoài nước

Sóng FM cho một tiếng trong rõ hơn sóng AM và có khả năng truyền đi xa hơn sóng AM Vậy, có thể tạo một hệ thông tin viễn thông qua hệ thống điện tử

Sóng âm còn được dùng trong kỹ thuật thăm dò để tìm vị trí một vật Sóng âm khi

bị một vận cản sẽ bị phản xạ Sóng phản xạ cho biết vị trí của một vật

Quãng đường = Vận tốc x Thời gian

1.1.3 Sóng siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20000 Hz Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi tai người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm

Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh Nhờ bước sóng ngắn,

độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước

cỡ centimet hoặc milimet Do đó siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh

y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc cơ khí trong kiểm tra không phá hủy Nhờ khả năng không bị nhận biết được bởi người, sóng siêu âm còn được dùng trong các ứng dụng quan trắc khác, như để đo khoảng cách hay vận tốc Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng siêu âm khác như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu

âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học,

Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện Trong tự nhiên, nhiều loài động vật có thể tạo ra hoặc cảm nhận được siêu âm, ví dụ như dơi là loài có thị giác kém phát triển nhưng tạo ra và cảm nhận siêu âm để xác định các vật thể trong không gian xung quanh

1.2 Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường

1.2.1 Phương trình sóng

Khi sóng siêu âm truyền qua mô sống, năng lượng và động lượng của nó sẽ truyền vào mô Sẽ không có sự chuyển khối tại bất kì điểm nào trong môi trường trừ khi điều này gây ra bởi sự chuyển động lượng Khi sóng siêu âm truyền qua mô hay môi trường, áp suất môi trường sẽ tăng lên Sự dao động của các phần tử chất dẫn đến sự thay đổi áp suất và tạo ra sóng áp suất truyền trong môi trường vật chất làm cho các phân tử kế cận dịch chuyển lần lượt

Các phần tử này có thể dịch chuyển qua lại theo những hướng song song nhau (sóng dọc) hay vuông góc với phương truyền sóng (sóng ngang)

nh 1.6 Sự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang

Chúng ta sẽ xem xét trường hợp thứ nhất, giả sử có một thể tích nguyên tố của phần tử vật chất có thể xem như một chất lỏng không nhớt (không thể tạo ra

sóng trượt) Khi tác dụng một lực làm dịch chuyển một đoạn theo trục

z

Một gradient:

được tạo ra dọc theo khối thể tích đó Giả sử rằng khối thể tích đó đủ nhỏ để động lượng đo được trong môi trường đó là hằng số, ta có thể biểu diễn tuyến tính như sau:

Theo định luật Hooke :

với K là hệ số đàn hồi, lấy đạo hàm 2 vế theo z, ta có:

với c : vận tốc âm thanh

√ √

với là mật độ môi trường, và là hệ số nén của môi trường

nh 1.7 Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng

Sóng áp suất p(t,z) được tạo ra do sự dịch chuyển của các phần tử môi trường

( ) [ ( )]

Trong đó là biên độ âm cực đại Mối tương quan giữa tốc độ truyền và sóng áp suất được mô tả theo phương trình sau:

với Z là trở kháng âm của môi trường, được tính bằng công thức:

Cường độ âm:

1.2.2 Phản xạ

nh 1.8 Sóng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau

sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ

hệ số phản xạ:

i: góc tới (incident wave)

t: góc truyền qua (transmitted wave)

hệ số truyền qua:

1.2.3 Tán xạ

Trường tán xạ ngược (scattered back) tác động lên đầu dò tạo nên hình ảnh siêu

âm cấu trúc bên trong của các bộ phận trên ảnh Sự tán xạ này xảy ra do các mặt phân cách nhỏ (nhỏ hơn khoảng vài bước sóng) Khi chùm tia siêu âm truyền vào

trong cơ thể tác động lên các mặt phân cách , mỗi mặt phân cách chịu tác động lại hoạt động như một nguồn âm mới và âm được phản xạ theo tất cả các hướng Sự tán

xạ do các phân tử nhỏ, có kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là tán xạ Rayleigh Tán xạ có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số ( ) rất hữu dụng trong việc mô tả đặc tính mô

1.2.4 Hấp thụ

Trong quá trình sóng siêu âm đi qua các tổ chức của cơ thể, năng lượng của nó giảm dần, sở dĩ như vậy là do một phần đã bị phản xạ trở lại, một phần do tương tác với môi trường chuyển thành nhiệt năng và gây biến đổi cấu trúc của môi trường Nếu

ta gọi P(d) là biên độ áp âm ở vị trí d, P(0) là biên độ áp âm ban đầu thì:

( ) ( ) α: Hệ số suy giảm siêu âm

f: tần số sóng siêu âm

d: khoảng cách đo so với ban đầu

Theo phương trình trên ta thấy sự suy giảm của năng lượng siêu âm tỷ lệ thuận với khoảng cách thăm dò, hệ số hấp phụ siêu âm của tổ chức và tần số đầu dò, đây là một khó khăn cho việc phát triển kỹ thuật siêu âm vì với tần số cao hình ảnh sẽ có

độ nét cao, nhưng độ xuyên sâu kém nên không thể thăm dò được các vị trí ở xa đầu

dò

Từ đây chúng ta có khái niệm khoảng cách giảm năng lượng 1/2, là khoảng cách mà chùm tia siêu âm đi được nhưng năng lượng đã bị giảm đi một nửa so với ban đầu Năng lượng của chùm tia siêu âm khi tương tác với cơ quan, tổ chức của cơ thể tạo

ra hai hiện tượng:

- Một phần năng lượng này sẽ tạo thành nhiệt, có tác dụng làm nóng tổ chức mà nó đi qua, tuy nhiên do công suất phát của các máy siêu âm chẩn đoán rất thấp nên hiện tượng tăng nhiệt độ tại chỗ rất nhỏ, không đáng kể

và không thể đo được (điều này thấy rõ hơn nhiều với các máy siêu âm

điều trị sử dụng trong khoa vật lý trị liệu phục hồi chức năng do sử dụng công suất lớn hơn)

- Tác dụng tạo bọt, hay còn gọi là tạo hốc Tác dụng này phụ thuộc vào tần số sóng âm, năng lượng của chùm tia siêu âm và cả tính chất hội tụ của chùm tia, cũng như tính chất của môi trường truyền âm Siêu âm có thể tạo ra các

vi bọt có kích thước nhỏ cỡ µm trong các tổ chức, ở mức độ nặng hơn các vi bọt có thể phá vỡ các tế bào, tuy nhiên tác động này trong thăm khám siêu

âm không rõ ràng và cũng chưa được nghiên cứu đầy đủ

Hay có thể nói, các tác động sinh học của siêu âm là có thực, tuy nhiên, theo viện nghiên cứu siêu âm trong y học của Hoa kỳ (AIUM- American Institude of Ultrasound in Medicine), nếu sử dụng siêu âm tần số thấp với cường độ

<100mW/cm2 Hoặc khi tích cường độ và thời gian xuyên âm < 50Joules/cm2 (J/cm2 = W/cm2x sec.) thì không có hậu quả sinh học

1.2.5 Sự suy giảm

Tất cả các dạng tương tác: phản xạ, tán xạ, khúc xạ, hấp thụ… đều làm ảnh hưởng đến cường độ chum siêu âm Sự hấp thụ năng lượng là quá trình làm suy giảm chum tia siêu âm nhiều nhất và năng lượng bị hấp thụ này thường chuyển thành nhiệt năng (có ích trong vật lý trị liệu) Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan đến tần số chùm tia, tính nhớt, và thời gian hồi phục của môi trường

 Thời gian hồi phục của môi trường: nếu một vật liệu có thời gian hồi phục ngắn thì các phân tử quay trở về vị trí ban đầu trước khi có chùm tia siêu âm tiếp theo tác động vào Nếu thời gian hồi phục dài, các phân tử có thể đang trở về vị trí ban đầu thì lại có một đợt sóng tác động vào vì thế cần nhiều năng lượng hơn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo ra nhiệt nhiều hơn (hấp thụ)

 Độ nhớt: khả năng của các phân tử chuyển động qua một phân tử khác Độ nhớt cao hạn chế lớn dòng chảy cần phải thắng lực ma sát bởi các phân tử chuyển động

 Tần số: cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ trong mối quan hệ với cả độ nhớt và thời gian hồi phục Nếu tần số tăng, các phân tử dao động nhiều hơn do đó tao ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát (độ nhớt), thời gian cho các phân tử quay lại trạng thái ban đầu trong thời gian hồi phục ít hơn Các phân tử sẽ tiếp tục chuyển động, cần nhiều năng lượng hơn để dừng và định hướng lại chúng, dẫn đến hấp thụ năng lượng nhiều hơn Tốc độ hấp thụ liên quan đến tần số, tần số tăng gấp đôi, tốc độ hấp thụ của các phân tử cũng tăng gấp đôi

(

)

với là hệ số nhớt động học, chỉ số nhớt trượt của môi trường

nghiệm của phương trình trên:

từ đó suy ra cường độ của chùm siêu âm:

( ) ( ) [ ( )]

〈 〉 ( )

nh 1.9 Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z

nh 1.10 Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng tần số

1.2.6 Một số môi trường cụ thể

 Trong môi trường đồng nhất

Là môi trường có cấu trúc giống nhau, đặc trưng cho mỗi một môi trường là một hệ

số mật độ môi trường (ρ) Khi chiếu một chùm tia siêu âm vào một môi trường

đồng nhất, nó sẽ xuyên qua với một năng lượng giảm dần cho tới khi hết năng lượng Sở dĩ có sự suy giảm năng lượng trên đường truyền là do có sự tương tác giữa siêu âm và các phần tử nhỏ của cơ thể gây ra hiệu ứng toả nhiệt và tạo vi bọt, tuy nhiên do siêu âm chẩn đoán sử dụng công suất thấp nên chúng ta không cảm thấy sự tăng nhiệt độ này trong quá trình thăm khám Mỗi một môi trường có hệ số hấp phụ siêu âm (α) khác nhau, nên mức độ suy giảm siêu âm cũng khác nhau Ngoài ra độ suy giảm siêu âm còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường và tần số của chùm tia siêu âm, khi tần số càng cao mức độ suy giảm càng nhanh nên độ xuyên sâu càng kém Trong siêu âm hệ số (α) thường được tính bằng đơn vị dB/ cm

ở tần số 1MHz Trong thực hành lâm sàng mức độ suy giảm siêu âm còn cao hơn nữa vì thông thường chúng ta sử dụng đầu dò có tần số lớn hơn 1 MHz, tuy nhiên nếu nói chính xác mối quan hệ giữa tần số và hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến tính, nhưng trong giải tần số của siêu âm chẩn đoán thông thường, chúng ta có thể coi gần như tuyến tính nghĩa là khi tần số tăng lên 2MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên gần gấp đôi Do đó muốn nâng cao độ xuyên sâu để thăm khám các bộ phận ở xa đầu dò người ta buộc phải giảm tần số nguồn phát hoặc tăng năng lượng của chùm tia siêu âm, nhưng để đảm bảo tính an toàn cho bệnh nhân điều kiện thứ 2 thường không thể thực hiện được

 Trong môi trường không đồng nhất

Cơ thể người là một môi trường không đồng nhất, bao gồm nhiều thành phần vật chất có cấu trúc khác nhau Khi chùm tia siêu âm truyền tới biên giới của hai môi trường có độ trở kháng âm khác nhau, một phần sẽ đi theo hướng ban đầu và tiếp tục đi vào môi trường tiếp theo, một phần sẽ bị phản xạ trở lại, mức độ phản xạ nhiều hay ít phụ thuộc vào độ chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường Trở kháng

âm (z) là một đại lượng vật lý biểu thị cho khả năng cản trở của môi trường, chống lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của môi trường:

[( )( )]Với : Độ trở kháng âm môi trường 1

: Độ trở kháng âm môi trường 2

Ngược lại với độ trở kháng là độ truyền âm qua hai môi trường có cấu trúc khác nhau Người ta tính hệ số truyền âm qua hai môi trường theo công thức sau:

( )PT: Hệ số truyền qua (Percentage transmitted) (%)

Những ví dụ mà chúng ta mô tả trên là xét trong điều kiện chùm tia siêu âm vuông góc với bề mặt phân cách các môi trường truyền âm có độ trở kháng khác nhau Nhưng trên thực tế phức tạp hơn và ta có hiện tượng phản xạ toàn phần hoặc hiện -ượng sóng âm chỉ trượt trên bề mặt phân cách hai môi trường, hiện tượng này hay gặp khi trên đường đi của chùm tia siêu âm có các cấu trúc hình cầu

Ngoài ra khi mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường không phẳng thì ngoài hiện tượng phản xạ và xuyên qua còn có hiện tượng tán xạ siêu âm, lúc này có một phần rất nhỏ sóng siêu âm đi theo các hướng khác nhau và chỉ có rất ít các sóng này trở

về được đầu dò Hiện tượng tán xạ siêu âm thường gặp khi siêu âm gặp các cấu trúc nhỏ có đường kính nhỏ hơn bớc sóng (ϕ<<λ)

nh 1.11 đồ của chùm tia iêu m trong c thể người với các môi trường c độ trở

kháng khác nhau

1.3 Ứng dụng siêu âm trong y tế

Các ứng dụng của siêu âm diều trị trong y học được chấp nhận và lợi ích của tác dụng siêu âm sinh học được sử dụng nhiều năm qua Cường độ siêu âm thấp khoảng

1 MHz được áp dụng rộng rãi kể từ thập niên 1950 cho vật lý trị liệu trong viêm gân

và viêm bao hoạt dịch Trong thập niên 1980, sóng gây sốc ở biên độ áp lực cao (high pressure amplitude shock waves) bắt đầu được dùng trong tán sỏi thận và nhanh chóng được lựa chọn điều trị thường xuyên nhất thay cho phương pháp phẫu thuật truyền thống Sử dụng năng lương siêu âm trị liệu tiếp tục mở rộng, và được chấp nhận trong tất cả các ứng dụng điều trị bằng tác động sinh học siêu âm, chuẩn hóa, định liều, bảo đảm lơi ích tối ưu về tỷ lệ rủi ro cho bệnh nhân

Siêu âm không chỉ là một phương thức chuẩn đoán hình ảnh mà còn là một phương thức điều trị mà trong đó năng lượng được gửi trong mô để tạo ra các tác dụng sinh học Ứng dụng y học siêu âm cho trị liệu bắt đầu được khám phá từ thập niên 1930 Các ứng dụng ban đầu đã cố sử dụng các cơ chế làm nóng mô (tissue heating) cho nhiều bệnh khác nhau Qua các thập niên sau, những tiến bộ khoa học cho phép cải

tiến phương pháp điều trị hiệu quả bệnh Meniere, bằng cách hủy dây thần kinh tiền đình (vestibular) và bệnh Parkinson bằng cách dùng siêu âm tập trung (focused US) để huỷ mô não khu trú Vào những năm 1970, siêu âm điều trị được thành lập cho vật lý trị liệu và nghiên cứu tiếp tục với các ứng dụng khó khăn hơn trong phẫu thuật thần kinh và cho điều trị ung thư Sau đó, siêu âm điều trị đã phát triển nhanh chóng, với một loạt các phương pháp mà đến nay vẫn còn sử dụng Các ứng dụng mạnh của siêu âm điều trị hiệu quả cũng mang lại các tác dụng sinh học rủi ro ngoại

ý bất lợi, dẫn đến chấn thương nghiêm trọng, thậm chí đe dọa mạng sống bệnh nhân Vì vậy, việc chuẩn hóa, định liều (dosimetry)và giảm thiểu nguy cơ tác dụng phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo một kết quả tối ưu cho bệnh nhân Mục đích của phần này là phác thảo ngắn về sự phát triển gần đây của các ứng dụng siêu âm điều trị và các thiết bị chuyên ngành đã được chấp thuận cho sử dụng, cùng với cân nhắc an toàn có liên quan Các ứng dụng điều trị của siêu âm có thể được sử dụng lâm sàng sau khi được tổ chức FDA (Food and Drug Administration) của chính phủ Mỹ phê cho tiếp thị các thiết bị điều trị thích hợp.Cơ sở cơ bản của năng lượng và các cơ chế qua trung gian siêu âm cho các hiệu ứng sinh học được thảo luận, theo sau thảo luận về các phương pháp siêu âm điều trị bằng cách sử dụng nhiệt, bao gồm vật lý trị liệu, nhiệt độ cao và siêu âm tập trung cường

độ cao (HIFU), sau đó các ứng dụng không nhiệt đã được xem xét và nghiên cứu phát triển với các thiết bị siêu âm với tần số kHz Một số phương pháp trị liệu siêu

âm mới vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu bao gồm thẩm thấu qua da (skin permeabilization) để phân phối thuốc và siêu âm xung cường độ thấp, có thể làm sớm lành xương gãy, phương pháp vi bọt (microbubble) mới hoặc phương pháp điều trị bằng cách tạo hốc (cavitation).Những nghiên cứu khám phá sâu hơn nữa về vật lý và sinh học của sóng siêu âm sẽ dẫn đến các phương pháp điều trị và ứng dụng mới mang tính đột phá trong y học

1.4 Kết luận

Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu rõ các tính chất cơ bản của sóng siêu âm như cường độ âm, tần số, vận tốc âm, đặc biệt là tính chất phản xạ của sóng âm