Các nguồn phát và thu sóng siêu âm

và Z2: 2 1 2 1 Z Z Z Z R    (3.11)

Hệ số R đo giữa nước (mô mềm cơ thể…) và không khí là 0,99. Như thế nghĩa là hầu hết năng lượng (99%) của chùm siêu âm đã bị phản xạ và chỉ còn 1% được lan truyền tiếp tục. Hệ số R cũng khá lớn giữa xương và mô mềm, phổi và mô, …

- Chùm siêu âm gặp vật di chuyển, có thể ứng dụng hiệu ứng Doppler để xác định vận tốc theo hiệu tần số phát và thu (cùng một đầu dò phát – thu).

- Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùng cho phụ nữ có thai, thai nhi… đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần.

Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh như sau:

Hình 3.2. Hình ảnh chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh X quang trong

chẩn đoán

Hình 3.3. Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân cách đối tượng khảo sát với môi trường xung quanh.

VII. CÁC NGUỒN PHÁT VÀ THU SÓNG SIÊU ÂM SIÊU ÂM

1. Hiện tượng áp điện ( P i e zo e l e c t r i c )

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng xuất hiện phân cực điện hoặc thay đổi phân cực điện đã có trong một số chất điện môi tự nhiên (thạch an h, tuamalin, ...) hoặc nhân tạo (sulfat liti, thạch anh tổng hợp) khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của một lực có chiều nhất định. Hiệu ứng áp điện là h iệu ứng thuận ngh ịch. Dưới tác

Đầu và máy phát siêu âm

Bộ biến đổi tín

hiệu siêu âm thành hình ảnh

Đầu và máy thu

siêu âm đã truyền qua đối tượng Đối tượng khảo sát

Bộ biến đổi tín

hiệu siêu âm thành hình ảnh và ghi lại

Máy và đầu phát

– thu siêu âm

Đối tượng khảo

sát

dụng của lực điện trường có chiều thích hợp, vật liệu áp điện bị biến d ạng. Đặc biệt vật liệu áp điện có thể đạt tới trạng thái cộng hưởng rất cao. Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu th ế vào vật thì sẽ sinh ra c ô n g b iế n d ạ n g l à m b iế n đ ổ i l ự c. Mộ t v ậ t đ ư ợ c c ấ u t ạ o b ở i b a yế u t ố P ZT ( c h ì P b , zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện.

Hình 3.5. Hướng của sự phân cực

Hình 3.6. Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện là một loại thiết bị được áp dụng hiệu ứng này để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật áp điện (như áp suất, gia tốc,..) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của vật liệu. Vật liệu áp điện thuận có cấu trúc đối xứng tinh thể.

Trong tất cả các chất điện môi, điện trường tác dụng sẽ gây nên sự dịch chuyển điện tích liên kết ra khỏi vị trí cân bằng của chúng. Sự xuất hiện hoặc thay đổi momen lưỡng cực xảy ra đồng thời với sự thay đổi kích thước. Ví dụ với tinh thể thạch anh. Hình trên là mạng tinh th ể thạch anh : Khi khô ng có ứn g lực, các trọng tâm G+ và G- củ a c á c đ i ệ n t í c h â m v à d ư ơ n g t r ù n g n h a u c h o n ê n m o m e n l ư ỡ n g cự c b ằ n g không. Nếu có tác dụng lực lên cấu trúc, thì cấu trúc trên bị biến dạng. các trọng tâm G+ của các điện tích dương và G- của các điện tích âm sẽ kh ông trùng

nhau nữa dẫn tới xuất hiện momen lưỡng cực và các điện tích trên bề mặt, đó là hiệu ứng áp điện. Công thức liên hệ: giả sử tiếng ồn sinh ra một lực F tác dụng vào diện tích S. Khi đó: điện tích do lực F sinh ra là:

Q = kF (3.10)

k là hằng số điện áp. Điện dung của tụ:

c ab C  (3.11) Từ đó điện áp sinh ra là : ab kFC C Q U    (3.12)

Vật liệu áp điện có thể là thạch anh, họ gốm PZT có công thức chung là PbTi1- xZrxO3

giá trị x thường sấp xỉ 0.5, quyết định tính chất vật lý, tính chất nhiệt của vật liệu.

Hình 3.7. Cấu trúc của vật liệu áp điện

2. Hiện tượng từ giảo

Hình 3.9. Hiện tượng từ giảo

Từ giảo (Magnetostriction) là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch).

Người ta định nghĩa hệ số từ giảo (hay từ giảo Joule) là tỉ lệ phần trăm sự thay đổi về chiều dài hoặc thể tích:

0 0 ) ( ) ( l l H l H    hoặc 0 0 ) ( ) ( V V H V H    (3.10)

Với l(H), l0, V(H), V0 lần lượt là chiều dài (hay thể tích) của vật thể trong từ trường (H) và khi không có từ trường. Hệ số từ giảo là đại lượng không có thứ nguyên.

Theo định nghĩa này, nếu λ > 0 ta có từ giảo dương, λ < 0 ta sẽ có từ giảo âm. Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi là từ giảo dài, còn hiện tượng dẫn đến sự thay đổi toàn thể tích gọi là từ giảo khối.

Trong các nghiên cứu về từ học và kỹ thuật, người ta còn quan tâm đến đại lượng độ cảm từ giảo, được định nghĩa bởi sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường:

dH d

  (3.11)

Độ cảm từ giảo mang ý nghĩa tương tự như độ cảm từ, chỉ khả năng thay đổi tính chất từ giảo do từ trường. Độ cảm từ giảo có thứ nguyên là nghịch đảo của từ trường, đơn vị là m/A hay Oe-1.

* Cơ chế hiện tượng từ giảo

Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo trong các điện tử trong vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh. Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của

mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tích của môi trường.

Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là momen quỹ đạo bằng 0), tất cả các vị trí của các iôn lân cận đều tương đương đối với sự phân bố điện tử. Khi có sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi, nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên (không dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu. Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là momen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trí phân bố xung quanh không còn tính chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu. Hay nói một cách đơn giản, từ giảo phản ánh tính chất đối xứng của mạng tinh thể.

Từ giảo mang tính chất của đối xứng tinh thể nên nó phụ thuộc vào phương của từ trường, vector từ độ và hướng của tinh thể. Người ta thường sử dụng đại lượng từ giảo bão hòa (ký hiệu là slà hệ số từ giảo đạt được trong trạng thái bão hòa từ. Từ giảo bão hòa là một hàm (liên hợp tuyến tính) của các hệ số từ giảo đo theo các phương khác nhau của tinh thể.

3. Nguồn phát sóng siêu âm

Nguyên lý chung để tạo ra sóng siêu âm là làm cho một vật rắn hay một dây căng dao động đàn hồi. Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi phải có tần số trên 20.000 Hz nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh, tinh thể niken, …

Hình 3.10. Mạch phát siêu âm

Nguyên lý hoạt động của mạch phát siêu âm: Dùng mạch dao động đa hài để tạo ra tín hiệu có tần số khoảng 40 kHz để cấp cho bộ cảm biến phát ra sóng siêu âm. Vậy mỗi khi nhấn nút S, mạch dao động được cấp nguồn, nó sẽ tạo ra tín hiệu đa hài có tần số khoảng 40KHz, tín hiệu này sẽ được B chuyển đổi ra sóng siêu âm và phát ra ngoài (dĩ nhiên, chúng ta sẽ không nghe thấy sóng âm này).

a. Nguồn phát siêu âm dựa vào hiện tượng áp điện nghịch

Một bản thạch anh được đặt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện. Người ta mạ hai mặt của bản để tạo thành một tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phẳng.

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều bản thạch anh sẽ bị biến dạng cong về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngược lại. Khi ta thay đổi nguồn một chiều bằng nguồn xoay chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sẽ liên tục biến dạng theo tần số của dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số trên 20.000 Hz. Siêu

âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi tần số dao động điện tác dụng vào bản thạch anh phù hợp với tần số dao động riêng của bản thạch anh. Ở đây năng lượng của nguồn điện đã biến thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan truyền vào môi trường xung quanh với tần số có thể lên đến 50 MHz.

b. Nguồn phát siêu âm dựa vào hiện tượng từ giảo

Một thanh sắt từ hoặc một thanh kền khi bị từ hóa thì độ dài của nó sẽ ngắn đi chút ít, đó là hiện tượng từ giảo.

Đặt thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với nguồn điện một chiều. Do hiện tượng từ giảo làm độ dài của thanh sắt từ ngắn đi một ít. Khi ngắt dòng điện, từ trường trong lòng cuộn dây không còn làm chiều dài thanh sắt trở lại bình thường. Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay chiều có tần số cao. Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên liên tục với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều. Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động gấp đôi tần số dao động của dòng điện và sẽ phát ra siêu âm khi tần số trên 20.000 Hz. Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của thanh sắt từ. Nguồn phát siêu âm loại này có thể lên đến 1000 MHz.

4. Nguồn thu sóng siêu âm

Dựa vào hiện tượng áp điện thuận, người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện. Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại.

Hình 3.11. Mạch thu sóng siêu âm

Nguyên lý hoạt động của mạch thu sóng siêu âm: Người ta dùng bộ cảm biến thu

sóng siêu âm B, tín hiệu được thu vào, mạch dùng transistor FET (VT1) để phối hợp trở

kháng cao của bộ cảm biến. Tín hiệu được cho khuếch đại với VT2 và dùng 2 diode

VD1, VD2 để nắn dòng tạo ra mức áp DC trên tụ C4, mức áp DC trên tụ C4 sẽ làm cho transistor VT3 bảo hòa, điện áp trên chân C của VT3 xuống mức thấp sẽ làm lật mạch

Chương 4: HIỆU ỨNG DOPPLER I. Hiệu ứng Doppler

Được tìm ra vào năm 1842 bởi nhà toán học người Áo Christian Johann Doppler (1803 – 1853), khi đó dùng để giải thích hiện tượng lệch màu sắc của các ngôi sao đang chuyển động. Hiệu ứng được phát biểu như sau:

- Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến một đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát.

- Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài ra hoặc ngắn lại, ngắn lại trong trường hợp đầu thu và phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp ra xa nhau.

Hiệu ứng Doppler đúng với tất cả các loại sóng và do đó đúng với cả sóng siêu âm.

Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi sóng siêu âm được phản hồi từ các vật thể chuyển động (tế bào hồng cầu, thành mạch, co cơ…), khi đó tần số của sóng phản hồi sẽ khác với tần số sóng tới, và hiệu hai tần số gọi là độ lệch Dopler hay tần số Doppler.

Hình 4.1. Hiệu ứng Doppler ở thế hệ đầu ứng dụng trong siêu âm

Kỹ thuật Doppler đươc dùng để đo vận tốc dòng chảy, mà qua đó có thể đánh giá được sự cung cấp máu cho các cơ quan cũng như hình thái của mạch, qua đó cho phép chẩn đoán thông qua đo đạc và đánh giá các thông số huyết động.

II. Công thức hiệu ứng Doppler

Tần số Doppler Δf từ các tế bào máu đang chuyển động so với tần số phát lúc ban đầu được xác định bởi công thức:

Δf = ftx − frx = 2*ftx* v*cosθ/c (4.1) Công thức này là gần đúng trong trường hợp c>>v.cosθ

Trong đó: c là vận tốc lan truyền trong mô của sóng âm (≈ 1540 m/s) v: vận tốc cần khảo sát

ftx: tần số của sóng phát frx: tần số sóng phản hồi

Số 2 trong công thức được đưa vào do hiệu ứng Doppler xảy ra hai lần: lần một khi tế bào máu nhận tín hiệu phát từ đầu dò, lần hai khi đầu dò nhận tín hiệu phản hồi từ tế bào máu.

Hình 4.2. Sự phản hồi 2 lần của dòng chảy khi phát xung từ đầu dò

Từ công thức trên ta rút ra nhận xét:

– Tần số Doppler tỷ lệ thuận với vận tốc dòng chảy và tần số tới, đồng thời nó cũng phụ thuộc vào góc θ, tần số Doppler lớn nhất khi trục chùm tia siêu âm có phương song song với phương của dòng chảy (cos θ = 1), và không ghi nhận được tín hiệu Doppler khi trục chùm tia siêu âm vuông góc với phương của dòng chảy (cosθ = 0).

– Tần số Doppler làm tăng hoặc giảm tần số của tín hiệu phản hồi so với tín hiệu phát một khoảng Δf phụ thuộc vào chiều dòng chảy: các vận tốc của dòng chảy hướng về phía đầu dò sẽ được biểu thị trên đường zero của phổ Doppler (Δf có giá trị dương) và được mã màu đỏ trên hình Doppler màu, còn các vận tốc của dòng hướng ra xa đầu dò sẽ được biểu thị bên dưới đường zero (Δf có giá trị âm) và được mã màu xanh trên hình Doppler màu.

Tần số Δf đo được với ftx = 2 ÷8 MHz với các giá trị v sinh lý thì nằm trong phạm vi tần số nghe được từ 50 ÷15 kHz

III. Các kiểu Doppler

Có hai kỹ thuật trong cách thức tạo sóng siêu âm: doppler liên tục (Continuous Wave) và doppler xung (pulse wave).

- Doppler liên tục – cW doppler: trên đầu dò dùng hai tinh thể làm hai nhiệm vụ khác nhau: một làm nhiệm vụ phát sóng âm liên tục, một làm nhiệm vụ thu liên tục. Nhược điểm của kỹ thuật này là không nhận biết được vị trí mặt phản hồi nhưng nó có ưu điểm là có thể đo được những vận tốc lớn Δf = 2 * ftx* v * cos θ/c

- Doppler xung – pW doppler: đầu dò chỉ sử dụng một tinh thể vừa làm nhiệm vụ phát, vừa làm nhiệm vụ thu. Sóng âm được phát đi theo từng chuỗi xung dọc theo hướng quét của đầu dò nhưng chỉ những xung phản hồi tại vị trí lấy mẫu (cổng gate) là được ghi nhận và xử lí. Kích thước và độ sâu vùng lấy mẫu có thể thay đổi được. Nhờ đó kỹ thuật pW doppler cho phép phân biệt tín hiệu Doppler tại độ sâu khác nhau.

Ứng với mỗi vị trí lấy mẫu được chọn, khoảng thời gian cho xung đi và về xác định khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai chuỗi xung. Do vậy độ lặp lại các chuỗi xung