TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Môn Công nghệ chẩn đoán hình ảnh I Báo cáo dịch chủ đề Sóng siêu âm Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thái Hà Họ tên Chu Văn Chiến MSSV 20130382 Lớp ĐTTT 08 K58 Hà Nội, 24 tháng 12 năm 2016 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2017 Giảng viên hướng dẫn Mục Lục 1 Mục tiêu 2 2 Giới thiệu 2 3 Lịch sử 2 4 Chuyển động sóng siêu âm 3 5 Đặc điểm sóng siêu âm 4 6 Cường độ sóng siêu âm 6 7 Vận tốc siêu âm 9 8 Sự suy giảm siêu âm 10 9.
Mục tiêu
Từ việc nghiên cứu chương này, người đọc sẽ có thể:
Giải thích bản chất của siêu âm.
Biểu diễn cường độ siêu âm và áp suất bằng dB.
Miêu tả các tính chất vận tốc truyền, suy giảm và hấp thụ của sóng siêu âm.
Mô tả quan hệ trở kháng ở ranh giới giữa hai vùng mô.
Giải thích sự phản xạ, khúc xạ và tán xạ của siêu âm.
Giới thiệu
Siêu âm là một dạng xáo trộn cơ khí, di chuyển như một làn sóng áp lực qua môi trường Khi môi trường là bệnh nhân, xáo trộn sóng này trở thành công cụ chẩn đoán quan trọng Việc đánh giá các đặc điểm và tính chất của sóng siêu âm trong các môi trường khác nhau là cần thiết để hiểu rõ hơn về ứng dụng của siêu âm trong y học lâm sàng.
Lịch sử
Vào năm 1880, các nhà vật lý Pierre và Jacques Curie đã phát hiện ra hiệu ứng áp điện, mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu vật liệu Tiếp theo, Paul Langevin đã phát triển công nghệ sử dụng vật liệu áp điện để gửi và nhận sóng siêu âm, với ứng dụng đầu tiên là phát hiện tàu ngầm trong Thế chiến I Kỹ thuật này, được gọi là SONAR, đã trở thành một công cụ quan trọng trong Thế chiến II Sự ứng dụng siêu âm trong công nghiệp bắt đầu từ năm 1928, nhờ vào những đề xuất của một nhà vật lý người Liên Xô.
Sokolov cho rằng siêu âm có khả năng phát hiện các lỗ hổng ẩn trong vật liệu Vào năm 1930, siêu âm chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực y học cho các phương pháp điều trị như điều trị ung thư và vật lý trị liệu Ứng dụng chẩn đoán siêu âm bắt đầu phát triển vào cuối những năm 1940 nhờ sự hợp tác giữa các bác sĩ và kỹ sư trong lĩnh vực SONAR.
Chuyển động sóng siêu âm
Môi trường chất lỏng bao gồm một tập hợp các phân tử chuyển động ngẫu nhiên liên tục Các phân tử này thường được hình dung như những chấm tròn trong không gian.
Khi không có lực bên ngoài tác động, các phân tử trong môi trường phân bố không đồng đều Tuy nhiên, khi một lực tác động vào môi trường, như chuyển động của piston, các phân tử sẽ tập trung ở phía trước piston, tạo ra áp lực gia tăng tại đó, được gọi là khu vực nén Sự chuyển động của piston không chỉ tạo ra áp lực mà còn làm cho các khu vực này di chuyển ra khỏi piston và lan truyền qua môi trường Điều này tạo ra một sự xáo trộn cơ học, ảnh hưởng đến môi trường và truyền theo một hướng từ nguồn gốc xáo trộn Trong ứng dụng lâm sàng của siêu âm, piston được thay thế bằng đầu dò siêu âm.
Vùng nén di chuyển qua môi trường, với các piston được rút từ phải sang trái, tạo ra một vùng áp suất giảm ngay phía sau Các phân tử từ môi trường xung quanh di chuyển vào khu vực này để khôi phục mật độ hạt bình thường Đồng thời, một khu vực chân không, hay áp suất thấp, cũng bắt đầu di chuyển ra khỏi piston Như vậy, các vùng nén (áp suất cao) luôn theo sau bởi một khu vực chân không (áp suất thấp) trong quá trình di chuyển xuyên qua môi trường.
Khi các piston di chuyển sang bên phải, một vùng nén thứ hai được hình thành sau vùng chân không Nếu piston dao động liên tục, khu vực nén và chân không sẽ thay thế nhau, tạo ra sự lan truyền qua môi trường, dẫn đến sự xáo trộn sóng Sự xáo trộn này được gọi là sóng dọc, vì các phân tử trong môi trường di chuyển song song với phương truyền sóng Tần số sóng âm nằm trong khoảng 20 Hz đến 20.000 Hz, là âm thanh mà tai người có thể nhận biết Sóng hạ âm có tần số dưới 20 Hz, không thể nghe thấy, trong khi sóng siêu âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz cũng không được tai người cảm nhận Trong chẩn đoán lâm sàng, sóng siêu âm với tần số từ 1 MHz đến 20 MHz được sử dụng.
Khi một sóng dọc di chuyển qua môi trường, các phân tử ở các cạnh của sóng sẽ trượt qua nhau Hiệu ứng cắt gây trở kháng khiến cho các phân tử di chuyển theo hướng của sóng dọc Sự chuyển động ngang của các phân tử dọc theo cạnh của sóng dọc tạo ra sóng ngang tỏa ra từ sóng dọc Sóng ngang chủ yếu chỉ truyền trong các môi trường cứng như chất rắn, và trong các mô sinh học, xương là môi trường quan trọng duy nhất mà sóng ngang có thể truyền qua.
Đặc điểm sóng siêu âm
Một chu kỳ sóng siêu âm bao gồm một vùng nén và một khu vực lân cận của vùng chân không Chu kỳ này có thể được mô tả thông qua đồ thị thể hiện sự thay đổi áp lực (mật độ hạt) trong môi trường theo khoảng cách hướng sóng siêu âm.
Khoảng cách mà một chu kỳ sóng siêu âm bao phủ được gọi là bước sóng Tần số của sóng, được đo bằng số chu kỳ mỗi giây (cps hoặc sec^-1), thể hiện bằng các đơn vị Hz, kHz hoặc MHz, trong đó 1 Hz tương đương với 1 cps Biên độ của sóng siêu âm là chiều cao tối đa trong một chu kỳ sóng Mối quan hệ giữa tần số (ν) và bước sóng (λ) liên quan đến vận tốc của sóng, được biểu thị bằng công thức c = νλ.
Vận tốc siêu âm trong hầu hết các mô mềm đạt khoảng 1540 m/s Để đảm bảo chất lượng chẩn đoán hình ảnh, tần số sóng siêu âm cần đạt từ 1 MHz trở lên, cung cấp các bước sóng phù hợp.
Khi hai sóng gặp nhau, hiện tượng này được gọi là "giao thoa" Có hai loại giao thoa sóng: giao thoa cộng sóng, hay còn gọi là "cùng pha", và giao thoa triệt tiêu sóng, tức là "lệch pha" Trong giao thoa cùng pha, biên độ sóng được tăng cường, trong khi đó, giao thoa lệch pha có khả năng triệt tiêu hoàn toàn sóng.
Cường độ sóng siêu âm
Khi sóng siêu âm di chuyển qua các môi trường khác nhau, nó chuyển giao năng lượng, và tỷ lệ chuyển giao này được gọi là "năng lượng" Siêu âm y tế thường tập trung vào một khu vực nhỏ, với chùm siêu âm tập trung năng lượng trên một đơn vị diện tích, được xác định là "cường độ" chùm Mối quan hệ giữa các đại lượng và đơn vị liên quan đến cường độ được tóm tắt trong Bảng 19-1.
Cường độ sóng siêu âm thường được so sánh với các cường độ tham khảo, chẳng hạn như cường độ sóng phản xạ từ bề mặt cấu trúc trong cơ thể Trong nhiều tình huống lâm sàng, cường độ sóng phản xạ có thể chỉ bằng một phần trăm cường độ sóng truyền đi Đối với sóng phản xạ từ các cấu trúc nằm sâu hơn 10 cm, cường độ có thể bị giảm do nhiều yếu tố khác nhau Để ghi nhận dữ liệu trên một phạm vi lớn, thang logarit là phương pháp phù hợp nhất, và trong sóng siêu âm, đơn vị được sử dụng là dB, với giá trị được xác định dựa trên các phép đo cụ thể.
Với I0 là cường độ tham khảo, Bảng 19-2 cung cấp ví dụ về giá trị dB cho tỷ lệ cường độ nhất định Từ bảng này, có thể rút ra một số quy tắc quan trọng.
Giá trị dB dương cho thấy sóng có cường độ mạnh hơn sóng tham chiếu, trong khi giá trị dB âm chỉ ra rằng sóng có cường độ yếu hơn.
Tăng cường độ của sóng bởi một yếu tố thì cộng 10 dB, và giảm cường độ của một yếu tố trừ đi 10 dB.
Tăng gấp đôi cường độ thì thêm 3 dB, và giảm một nửa cường độ thì trừ 3 dB.
Không có mức cường độ tiêu chuẩn cho siêu âm, vì vậy việc nói "siêu âm ở 50 dB" là không có ý nghĩa Tuy nhiên, câu "tiếng vang trở về là 50 dB so với tín hiệu truyền" lại cung cấp thông tin hữu ích Các tín hiệu truyền này trở thành cường độ tham khảo trong các ứng dụng cụ thể Đối với âm thanh, phát biểu như "động cơ phản lực tạo ra âm thanh ở mức 100 dB" là hợp lý, vì có cường độ chiếu chung của âm thanh là 10^-16 W/cm^2 Âm thanh 1 kHz ở cường độ này gần như không thể nghe thấy, trong khi âm thanh 1 kHz ở 120 dB (10^-4 W/cm^2) có thể gây đau cho người nghe.
Cường độ năng lượng trên một đơn vị diện tích và năng lượng tính theo thời gian cho phép chúng ta áp dụng công thức (19-1) để so sánh năng lượng giữa hai sóng siêu âm.
Cường độ sóng siêu âm có liên quan đến áp suất tối đa (Pm) trong môi trường biểu thị bằng các biểu thức sau đây:
Với ρ là mật độ của môi trường bằng g/cm 3 và c là tốc độ của âm thanh trong môi trường Thay công thức (19-2) vào I và I0 trong công thức (19-1) ta được:
Khi so sánh áp suất của hai sóng, công thức (19-3) cho phép sử dụng trực tiếp mà không cần chuyển đổi cường độ để xác định giá trị dB Đầu dò siêu âm sẽ chuyển đổi biên độ áp suất nhận được từ bệnh nhân, tức là sóng siêu âm phản xạ, thành điện áp Biên độ điện áp ghi nhận cho sóng siêu âm tỷ lệ thuận với sự biến đổi áp suất khi so sánh hai sóng.
Giá trị dB cho tỷ số giữa hai sóng có thể được tính toán bằng công thức (19-1) hoặc công thức (19-3), tùy thuộc vào thông tin có sẵn liên quan đến sóng.
Giá trị nửa năng lượng, tương ứng với tỷ lệ 0,5 trong năng lượng giữa hai sóng, được xác định là -3 dB, trong khi giá trị nửa biên độ, với tỷ lệ 0,5 trong biên độ, là -6 dB (Table 19-2) Sự khác biệt này cho thấy độ nhạy cao hơn của giá trị dB trong biên độ so với các giá trị cường độ.
Vận tốc siêu âm
Vận tốc của sóng siêu âm thay đổi tùy thuộc vào các đặc tính vật lý của môi trường truyền Trong môi trường có mật độ thấp như không khí, sóng siêu âm di chuyển với vận tốc thấp do các phân tử có thể di chuyển xa trước khi tác động lên nhau Ngược lại, trong chất rắn, chuyển động của các phân tử bị hạn chế, dẫn đến vận tốc siêu âm cao hơn Trong cơ thể con người, vận tốc siêu âm trung bình nằm giữa chất khí, chất lỏng và chất rắn, với các mô sinh học thường có vận tốc tương tự như trong chất lỏng, ngoại trừ phổi và xương Sự thay đổi vận tốc trong các môi trường khác nhau ảnh hưởng đến bước sóng của sóng siêu âm, trong khi tần số vẫn tương đối ổn định Trong siêu âm hình ảnh, sự khác biệt về vận tốc sóng siêu âm giúp mô tả các hiện vật trong ảnh, với các cấu trúc lớn như xương và mỡ được phân bổ rõ ràng Các vận tốc siêu âm trong các môi trường truyền khác nhau được trình bày trong bảng.
Vận tốc sóng siêu âm khác với vận tốc phân tử, đặc biệt khi chuyển giữa khu vực nén và chân không, tạo thành sóng Trong khi vận tốc phân tử chỉ mô tả tốc độ của từng phân tử trong môi trường, vận tốc sóng siêu âm phản ánh tốc độ lan truyền của sóng qua môi trường Các tính chất như phản xạ, truyền tải và khúc xạ của sóng siêu âm đặc trưng cho vận tốc sóng, không phải vận tốc phân tử.
8 Sự suy giảm của siêu âm
Khi một chùm tia siêu âm đi vào môi trường, năng lượng của chùm tia sẽ bị thay đổi do các quá trình hấp thụ, tán xạ và phản xạ Các quá trình này được minh họa rõ ràng trong hình ảnh kèm theo.
Suy giảm năng lượng trong chùm tia siêu âm, tương tự như tia X, đề cập đến các cơ chế làm giảm năng lượng Siêu âm có thể bị "hấp thụ" khi một phần năng lượng chuyển đổi thành dạng khác, như sự gia tăng chuyển động của các phân tử Ngoài ra, siêu âm cũng có thể bị "phản xạ" khi có sự lệch trật tự của chùm tia Khi một phần của chùm tia siêu âm thay đổi hướng một cách có trật tự, hiện tượng này được gọi là "tán xạ".
Khi sóng âm thanh gặp trở ngại, đặc tính của nó phụ thuộc vào kích thước của trở ngại so với bước sóng Nếu trở ngại lớn hơn bước sóng và có bề mặt tương đối mịn, sóng âm thanh sẽ giữ được toàn vẹn khi thay đổi hướng Một phần sóng sẽ bị phản xạ, trong khi phần còn lại sẽ xuyên qua trở ngại với cường độ thấp hơn.
Khi kích thước của các vật cản bằng hoặc nhỏ hơn bước sóng của sóng siêu âm, năng lượng sẽ được phân phối theo nhiều hướng khác nhau Một phần năng lượng siêu âm có thể trở lại nguồn phát sau khi trải qua quá trình phân tán mà không phản xạ gương, nhưng điều này chỉ xảy ra sau khi có nhiều sự phân tán diễn ra.
Trong siêu âm hình ảnh, phản xạ gương đóng vai trò quan trọng trong việc xác định ranh giới giữa các cơ quan, trong khi không phản xạ gương giúp hình dung cấu trúc của mô nhu mô.
Cấu trúc mô như sợi collagen có kích thước nhỏ hơn bước sóng của sóng siêu âm, dẫn đến việc năng lượng sóng siêu âm bị phân tán và trở về đầu dò qua nhiều con đường khác nhau Âm thanh trở lại đầu dò không còn mang tính chất phản xạ gương, mà thay vào đó tạo thành một tổng hợp của nhiều sóng thành phần, hình thành nên một mô hình phức tạp của sự giao thoa và triệt tiêu Mô hình tác động này, được gọi là "đốm", mang lại sự xuất hiện siêu âm đặc trưng cho các mô phức tạp như gan.
Các đặc tính của sóng âm thanh khi gặp trở ngại, chẳng hạn như khoảng cách giữa các cấu trúc trong môi trường, được tóm tắt trong Hình 19-3 Hình ảnh này minh họa rõ ràng sự tương tác của sóng âm với các vật cản xung quanh.
Hình 19-4 cho thấy năng lượng còn lại trong chùm tia giảm xấp xỉ theo cấp số nhân với độ sâu của sự đâm xuyên vào môi trường Sự giảm năng lượng, chẳng hạn như sự giảm cường độ siêu âm, được thể hiện bằng đơn vị decibel (dB) như đã đề cập trước đó.
Khi một tia siêu âm 1 MHz đi qua 10 cm chất liệu có mức suy giảm 1 dB/cm, cường độ âm thanh giảm được tính toán như sau: Giảm cường độ (dB) = (1 dB/cm) × (10 cm) = -10 dB Dấu trừ cho thấy sự giảm cường độ so với cường độ ban đầu của âm thanh trước khi bị suy giảm.
Cường độ hiện tại giảm 90% so với cường độ đã cho Xác định cường độ giảm nếu tần số siêu âm đã được tăng lên đến 2MHz.
Sự suy giảm tăng xấp xỉ tuyến tính theo tần số dẫn đến hệ số suy giảm là 2 dB/cm tại 2 MHz, gây ra giảm cường độ lên tới -20 dB, tương đương với 99%.
Sự suy giảm của sóng siêu âm trong vật liệu được biểu diễn bằng hệ số suy giảm α (dB/cm), như thể hiện trong Bảng 19-4 Các giá trị này thay đổi đáng kể tùy thuộc vào nguồn và điều kiện của các mẫu sinh học Hệ số suy giảm α bao gồm các hệ số cá nhân cho tán xạ và hấp thụ, trong đó trong mô mềm, hệ số hấp thụ chiếm từ 60% đến 90% của sự suy giảm, trong khi tán xạ chiếm phần còn lại.
Sự suy giảm năng lượng siêu âm trong xương rất cao, khiến việc hình dung cấu trúc phía sau xương trở nên khó khăn do các hệ số phản xạ lớn Ngược lại, nước là môi trường truyền siêu âm tốt với suy giảm ít hơn Hệ số suy giảm của hầu hết các mô mềm có thể ước tính bằng 0.9υ, trong đó υ là tần số siêu âm (MHz) Điều này cho thấy năng lượng siêu âm suy giảm theo tần số, với siêu âm tần số cao bị suy giảm dễ dàng hơn và ít đâm xuyên hơn so với siêu âm tần số thấp.
Sự mất mát năng lượng trong môi trường bao gồm các lớp vật liệu khác nhau là tổng của các tổn thất năng lượng trong mỗi lớp.
Khi xem xét một khối mô bao gồm chất béo dày 2cm, cơ dày 3cm và gan dày 4cm, tổng tổn thất năng lượng được tính bằng tổng tổn thất trong từng thành phần Đối với chùm tia siêu âm khi di chuyển qua khối mô hoặc phản hồi qua các khối mô, tổng năng lượng suy giảm lần lượt là 8.4 dB và 16.8 dB.
Sự phản xạ
Trong ứng dụng chẩn đoán siêu âm, sóng siêu âm được sử dụng để thu nhận phản xạ từ các mô khác nhau trong cơ thể bệnh nhân Sự phản xạ của năng lượng siêu âm phụ thuộc vào sự khác biệt về trở kháng giữa các môi trường truyền, ảnh hưởng đến cách mà sóng siêu âm tương tác với các mô.
Giá trị trở kháng âm thanh Z của một môi trường là do mật độ ρ của các môi trường và vận tốc của siêu âm trong môi trường:
Trở kháng âm thanh của một số vật liệu được xác định qua hệ số phản xạ αR, áp dụng cho sóng siêu âm vuông góc trên môi trường.
Z1 và Z2 đại diện cho trở kháng âm thanh của hai môi trường truyền khác nhau Hệ số truyền năng lượng αT, phản ánh phần năng lượng được truyền qua một môi trường, được tính toán theo công thức cụ thể.
Rõ ràng ta thấy được αT + αR = 1.
Trong môi trường có trở kháng lớn, sóng siêu âm chủ yếu bị phản xạ, dẫn đến chỉ một phần nhỏ năng lượng được truyền qua Chẳng hạn, chùm sóng siêu âm bị phản xạ mạnh khi đi từ không khí vào mô hoặc nước, do trở kháng của không khí thấp hơn nhiều so với mô và nước.
Tại một môi trường "gan - không khí", Z1 = 1,65 và Z2 = 0,0004 (cả hai cùng nhân với 10 -4 với các đơn vị kg-m -2 -sec -1 ).
Khoảng 99,95% năng lượng siêu âm bị phản xạ trong môi trường "không khí - gan", chỉ có 0,05% năng lượng được truyền qua môi trường này.
Trong môi trường cơ-gan, chỉ dưới 1% năng lượng bị phản xạ, trong khi khoảng 99% năng lượng được truyền qua môi trường Mặc dù tỷ lệ phản xạ năng lượng rất nhỏ, nhưng nó vẫn đủ để hiển thị đường viền gan Độ lớn của âm vọng phản hồi từ các môi trường khác nhau trong cơ thể được minh họa trong Hình 19-5.
Trong môi trường mô - không khí có hệ số phản xạ siêu âm cao, việc sử dụng nước và các loại kem, gel làm chất dẫn siêu âm là cần thiết để loại bỏ túi khí, đảm bảo khớp nối truyền âm tốt giữa đầu dò siêu âm và da bệnh nhân Khi có khớp nối âm đầy đủ, sóng siêu âm sẽ thâm nhập vào cơ thể với ít phản xạ trên bề mặt da Tuy nhiên, sự phản xạ mạnh xảy ra tại ranh giới giữa thành ngực và phổi, cũng như tại các môi trường không khí - mô trong phổi, khiến cho siêu âm trở thành công cụ chẩn đoán không hiệu quả cho phổi Tương tự, trở kháng cao giữa các mô mềm và xương cũng làm hạn chế khả năng sử dụng sóng siêu âm để xác định đặc điểm mô ở khu vực phía sau xương.
Các cuộc thảo luận về phản xạ siêu âm dựa trên giả định rằng các tia siêu âm va chạm với môi trường phản xạ Trong cơ thể, siêu âm tác động đến các môi trường ở mọi góc độ Đối với bất kỳ góc tới nào, năng lượng siêu âm phản xạ lại giao diện với góc tới của chùm tia siêu âm.
Góc tới = góc phản xạ
Trong một cuộc kiểm tra y tế sử dụng siêu âm phản xạ, cả đầu dò phát và nhận siêu âm đều hoạt động để phát hiện năng lượng phản xạ Năng lượng này chỉ được phát hiện khi siêu âm đi vào môi trường với một góc lớn hơn khoảng 3 độ so với phương vuông góc Để đạt hiệu quả cao, môi trường phản xạ cần phải được đặt vuông góc với chùm tia siêu âm.
Sự khúc xạ
Khi một chùm tia siêu âm xuyên qua hai môi trường truyền khác nhau, hướng truyền của nó sẽ thay đổi, ví dụ như bị bẻ cong Nếu vận tốc của siêu âm cao hơn trong môi trường thứ hai, chùm tia sẽ đi qua môi trường này với góc xiên ít dốc hơn Hiện tượng này được gọi là khúc xạ, và mối quan hệ giữa góc tới và góc khúc xạ được mô tả bởi định luật Snell.
4) sincủa góc tới sincủa góc khúc xạ= vận tốc trong môi trường tới vận tốc trong môi trường khúc xạ
Khi chiếu một chùm siêu âm chéo vào môi trường giữa cơ (tốc độ 1.580 m/s) và chất béo (tốc độ 1.475 m/s), sẽ xảy ra hiện tượng tạo góc dốc giữa các môi trường này, như được minh họa trong Hình 19-4.
Khi một chùm tia siêu âm chiếu tới một góc rất chéo trong một môi trường có vận tốc siêu âm cao, các tia có thể bị khúc xạ, dẫn đến việc không có năng lượng siêu âm nào vào môi trường đó Góc tới tại đó khúc xạ không tạo ra sóng siêu âm vào môi trường được gọi là góc tới hạn θc Ở góc tới hạn, góc khúc xạ đạt 90 độ, và sin của 90 độ bằng 1.
Sin -1, hay arcsin, đề cập đến góc mà tại đó sin của góc tương ứng với tỉ số ci/ cr Trong các môi trường đặc biệt, góc này chỉ phụ thuộc vào vận tốc siêu âm trong hai môi trường khác nhau, như minh họa trong Hình Margin 19-5.
Khúc xạ là một yếu tố quan trọng trong hình ảnh siêu âm lâm sàng, như minh họa trong Hình 19-6 Tại đây, các chùm tia siêu âm bị khúc xạ khi đi qua bề mặt phân cách giữa hai môi trường với tốc độ âm thanh khác nhau (c1 > c2) Khi chùm siêu âm di chuyển từ môi trường 2 trở lại môi trường 1, nó sẽ tiếp tục theo hướng ban đầu, song song với hướng vào từ môi trường 1.
Môi trường 2 chỉ đơn giản là chiếm chỗ của chùm tia siêu âm, với khoảng cách phụ thuộc vào sự khác biệt về vận tốc siêu âm và mật độ giữa hai môi trường, cùng với độ dày của môi trường 2 Khi một cấu trúc nhỏ dưới môi trường 2 được hình dung qua phản xạ sóng siêu âm, vị trí của nó sẽ hiện ra như một phần mở rộng của siêu âm từ môi trường 1 Quá trình khúc xạ này tạo ra thêm không gian biến dạng và làm giảm độ phân giải của hình ảnh siêu âm.
Sự hấp thụ
Quá trình suy giảm là cơ chế chính gây tiêu hao năng lượng cho chùm siêu âm mô ngang, bao gồm việc loại bỏ năng lượng từ tia siêu âm và phân tán năng lượng dưới dạng nhiệt Siêu âm được truyền qua việc dịch chuyển các phân tử trong môi trường, yêu cầu năng lượng từ nguồn siêu âm Khi các phân tử đạt độ dịch chuyển tối đa, chuyển động dừng lại và năng lượng chuyển đổi từ động năng sang thế năng Các phân tử sau đó di chuyển ngược lại, chuyển thế năng thành động năng Động năng tối đa đạt được khi phân tử đi qua vị trí cân bằng, nơi năng lượng thế năng bằng 0 Nếu động năng tại đây bằng năng lượng hấp thu ban đầu, không có tiêu tán năng lượng, đó là máy phát siêu âm lý tưởng Tuy nhiên, trong thực tế, quá trình chuyển đổi năng lượng luôn kèm theo tiêu tán, dẫn đến giảm dần năng lượng chùm tia siêu âm khi đi qua môi trường, gọi là thất thoát năng lượng Tác động của tần số đến sự suy giảm siêu âm trong các môi trường truyền được mô tả trong bảng 19-5, thể hiện ảnh hưởng của tần số đến sự hấp thụ sóng siêu âm trong dải tần số chẩn đoán.
Cấu trúc phức tạp của các mẫu mô thể hiện một mô hình suy giảm phức tạp cho các tần số khác nhau, phản ánh sự tồn tại của nhiều tần số với sự tiêu hao và các quá trình hấp thụ năng lượng phân tử chưa được nghiên cứu rõ ràng Những mô hình suy giảm này được thể hiện qua dữ liệu trong Hình 19-6.
Khi bọt khí tồn tại trong môi trường có sóng âm đi qua, sự nén và yếm khí sẽ khiến bọt khí co lại và giãn nở, tạo ra cộng hưởng với sóng âm Dao động của bọt khí này được gọi là sự tạo bọt ổn định Mặc dù sự xâm thực ổn định không phải là cơ chế chính cho việc hấp thụ sóng siêu âm trong chẩn đoán, nhưng nó có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân tán.
Nếu một chùm tia siêu âm có đủ cường độ và tần số thích hợp, nó có thể tạo ra dao động cơ học mạnh mẽ, dẫn đến sự hình thành các bọt khí cực nhỏ trong môi trường Các bọt khí này, giống như các phân tử trong vùng chân không, có thể phát triển đến kích thước 1 ml³ hoặc lớn hơn Khi áp suất tăng, bọt khí sẽ thu nhỏ hoặc vỡ ra, tạo ra sóng xung kích có thể ảnh hưởng đến môi trường Hiện tượng này, được gọi là xâm chiếm năng động, tạo ra nhiệt độ cao lên đến 10,000°C tại điểm phân hủy Sự tạo bọt này kết hợp với việc hấp thụ năng lượng từ tia siêu âm, đồng thời sinh ra các gốc tự do trong nước xung quanh Tuy nhiên, tạo bọt không phải là cơ chế chính gây suy giảm cường độ siêu âm trong chẩn đoán, mặc dù có bằng chứng cho thấy nó có thể xảy ra trong một số điều kiện nhất định.
Các vấn đề
19-1 Giải thích thế nào là sóng dọc, và làm thế nào mô tả một sóng siêu âm được truyền qua một môi trường.
*19-2 Một chùm tia siêu âm bị suy hao bởi một yếu tố trong khi truyền qua môi trường Sự suy giảm của môi trường theo decibel là gì?
Năng lượng siêu âm được truyền và phản xạ tại các giao diện giữa chất béo và cơ bắp, cũng như giữa ống kính, dịch và thủy tinh thể của mắt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính của mô Việc phân tích các phần này giúp hiểu rõ hơn về cách thức năng lượng siêu âm tương tác với các loại mô khác nhau trong cơ thể.
*19-4 Góc khúc xạ của một chùm siêu âm đi vào với một góc 15 độ từ cơ vào xương là gì?
19-5 Giải thích lý do tại sao khúc xạ góp phần vào việc làm mất độ phân giải hình ảnh siêu âm.
Một vùng mô bao gồm 3 cm chất béo, 2 cm cơ và 3 cm gan, với siêu âm được truyền song song với sợi Tổng tổn thất năng lượng gần đúng của siêu âm trong mô này cần được xác định.
* Đối với những vấn đề được đánh dấu bằng một dấu sao, câu trả lời được cung cấp trên p 493.