Bài giảng Siêu âm và các ứng dụng

SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG Các Thành Viên Nhóm Dương Thị Mỹ Ngọc Dương Hoàng Ánh Ngọc Dương Thị Tuyết Nhung Ôn Văn Nghĩa Mã Thị Nhung ứng dụng của siêu âm trong công nghiệp Giới thiệu chung về Siêu âm SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG Cơ sở vật lí của siêu âm ứng dụng của siêu âm trong y học Siêu âm là âm thanh (sóng âm)  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. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU 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 centimét hoặc milimét GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM 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, các ứng dụng quan trắc khác, 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, ... GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM 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. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM 1. Cơ chế phát sóng âm : sóng âm được tạo ra do chuyển đổi năng lượng từ điện thành các sóng xung tương tự như phát xạ tia X, phát ra từ các đầu dò, có cấu trúc cơ bản là gồm áp điện (piezo-electric). GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM 2. Tính chất của siêu âm: + Sự lan truyền của sóng- sự suy giảm và hấp thụ: Trong môi trường có cấu trúc đồng nhất, sóng âm lan truyền theo đường thẳng, và bị mất năng lượng dần gọi là suy giảm. Sự suy giảm theo luật nghịch đảo của bình phương khoảng cách. Vận tốc truyền sóng âm phụ thuộc vào độ cứng và tỷ trọng của môi trường vật chất xuyên qua. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM + Sự phản xạ hay phản hồi: Trong môi trường có cấu trúc không đồng nhất. Một phần sóng âm sẽ phản hồi ở mặt phẳng thẳng góc với chùm sóng âm tạo nên âm dội hay âm vang. Phần còn lại sẽ lan truyền theo hướng của chùm sóng âm phát ra. + Sự khúc xạ, nhiễu âm: Khi chùm sáng đi qua mặt phẳng phân cách với một góc nhỏ, chùm âm phát ra sẽ bị thụt lùi một khoảng so với chùm âm tới còn gọi là nhiễu âm. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Trong chẩn đoán Siêu âm rất có hiệu quả trong việc ghi nhận hình ảnh của mô mềm. Những cấu trúc nằm nông ở bề mặt như cơ, dây chằng , và não trẻ sơ sinh được khảo sát với tần số cao (7-18 MHz) có thể cho độ phân giải cao. Những cấu trúc nằm sâu bên trong cơ thể như gan, thận được khảo sát với sóng âm có tần số thấp hơn từ 1 đến 6 MHz cho độ phân giải thấp hơn nhưng có độ xuyên thấu cao hơn.  ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Nguyên lý siêu âm chẩn đoán Sử dụng đầu dò phát tần số từ 1 đến 7,5 MHz, đầu dò bằng chất áp điện, nhận và chuyển thành sóng siêu âm những xung điện gián đoạn 1024/s Khi đi qua cấu trúc đồng nhất về tỷ trọng thì 1 b ộ phận sóng sẽ dội trở lại tại vị trí tiếp giáp giữa 2 cấu trúc khác nhau đó, phần còn lại tiếp tục đi và cũng sẽ dội trở lại khi gặp các cấu trúc ở xa hơn. Âm dội về qua đầu dò được tiếp nhận ở bộ phận khuếch đại rồi biến thành tín hiệu trên màn hiện sóng, có thể chụp hoặc ghi lại trên giấy ảnh. ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 1. Siêu âm tim Hình  siêu âm tim  cho thấy 2  tâm thất  và 2  tâm nhĩ Một  siêu âm tim  không bình thường. Máu tuôn từ tâm thất trái sang tâm thất phải theo lỗ khuyết giữa hai thất ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 2. Siêu âm mắt ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 3. Siêu âm thai nhi Siêu âm thai là phương pháp ghi lại hình ảnh thai nhi và các cơ quan trong vùng chậu của người mẹ trong suốt thai kỳ. Nhờ siêu âm, không những nhìn thấy được sự phát triển, giới tính của bé mà còn biết được liệu bé có bị mắc các dị tật bẩm sinh hay không. ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Ngoài ra siêu âm còn có thể áp dụng được : ·Nội tiết ·Tiêu hóa ·Niệu, dùng để xác định lượng nước tiểu bị giữ lại trong bàng quang. ·Cơ xương khớp, dùng để khảo sát gân cơ, cơ, thần kinh và bề mặt xương. ·Siêu âm nội mạch (Intravascular ultrasound, VD như dùng siêu âm để hướng dẫn hút dịch, kim chọc dò, hướng dẫn tiêm) ·Hình ảnh học can thiệp, sinh thiết, chọc hút dịch, truyền máu trong tử cung. ·Siêu âm tăng độ tương phản (Contrast-enhanced ultrasound) ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Trong điều trị 1 . Tác dụng cơ học: Tác dụng đầu tiên của siêu âm trong điều trị là tác dụng cơ học, do sự lan truyền của sóng siêu âm , gây nên những thay đổi áp lực tương ứng với tần số siêu âm, tạo nên hiện tượng gọi là “ xoa bóp vi thể ”. Với tần số càng lớn (3MHz), sự thay đổi áp lực nhanh hơn so với tần số thấp (1MHz). Sự thay đổi áp lực gây ra: - Thay đổi thể tích tế bào. - Thay đổi tính thấm màng tế bào. - Tăng chuyển hóa. Tác dụng cơ học phụ thuộc vào cường độ siêu âm (W/cm 2 ) và chế độ liên tục hay xung. 2. Tác dụng nhiệt: Sự sinh nhiệt trong tổ chức do tác dụng của siêu âm là do hiện tượng cọ xát chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng nhiệt. Đối với siêu âm, có thể tác động tới độ sâu 1/2 từ 3-5cm. Để tăng nhiệt độ mô mềm ở độ sâu trên 8cm, cần dùng siêu âm với cường độ lớn hơn 1,5w/cm 2 . ở độ sâu dưới 8cm có thể dùng siêu âm cường độ 1w/cm 2 . Khi nghiên cứu tác dụng sóng ngắn, vi sóng và siêu âm để làm tăng nhiệt độ khớp háng thì thấy chỉ có siêu âm mới có thể làm tăng nhiệt độ tới mức có hiệu lực điều trị . ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 3. Tác dụng sinh học: Từ tác dụng cơ học và tác dụng sinh nhiệt dẫn đến hàng loạt tác dụng sinh học tạo nên hiệu quả siêu âm điều trị là: - Tăng tuần hoàn và dinh dưỡng do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của mạch máu và tổ chức. - Giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các thụ cảm thể thần kinh. - Tăng tính thấm của màng tế bào. - Kích thích quá trình tái sinh tổ chức. - Tác dụng lên hệ thần kinh ngoại vi. - Giảm đau. ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Ngoài ra siêu âm còn có tác dụng · L àm sạch răng . ·Nguồn sóng siêu âm có thể dùng để tạo nhiệt năng cục bộ trong mô sinh học, chẳng hạn như điều trị bằng lao động liệu pháp, vật lý trị liệu và điều trị ung thư. ·Sóng siêu âm tập trung có thể dùng tạo ra nhiệt năng tập trung để điều trị các nang và khối u (lành tính hoặc ác tính). · K ích thích phát triển xương và khả năng phá vỡ hàng rào máu não để giúp cho sự thâm nhập của thuốc. ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Sóng siêu âm tập trung có thể được dùng để phá sỏi niệu bằng lithotrypsy . ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC Siêu âm có thể được dùng để điều trị đục nhãn cầu bằng phacoemulsification. ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1. Hàn siêu âm a) Khái niệm Hàn siêu âm là quá trình hàn áp lực, sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn. Nguyên lý: Bộ phận cơ bản tạo nguồn siêu âm là lõi kim loại . Lõi kim loại thường là Niken tinh khiết Nguồn điện có tần số cao (18÷20KHz) 1. Hàn siêu âm ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1. Thùng chứa nước làm nguội 5. Điện cực hàn 2 . Bộ phận tạo dao động sóng siêu âm 6. Chi tiết hàn 3. Bộ phận truyền dao động sóng siêu âm 7. Mối hàn điểm 4. Điểm tựa 8. Cơ cấu ép hàn b) Đặc điểm - Hàn được các chi tiết nhỏ và rất mỏng: S < 1mm - Không cần làm sạch bề mặt vật hàn - Không cần nung nóng đến nhiệt độ cao, do đó hạn chế được sự oxy hoá kim loại, - Lực ép không cần lớn nên kim loại ít bị biến dạng nên phù hợp để hàn vật mỏng và nhỏ - Có thể hàn được tất cả các loại vật liệu cùng loại hoặc khác loại 1. Hàn siêu âm ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP a) Phương pháp - Sử dụng chùm sóng siêu âm chiếu vào vật liệu cần kiểm tra. Chùm siêu âm đi qua môi trường đồng nhất theo đường. Khi chùm siêu âm gặp chỗ không đồng nhất ( khuyết tật hàn ) nó sẽ xảy ra các hiện tượng phản xạ, thẩm thấu (xuyên qua) và sự biến đổi sóng. Đo đạc âm thanh thu lại sau khi chuyền sẽ biết được các khuyết tật hàn trong vật đo. 2. Kiểm tra mối hàn bằng siêu âm ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP b) Các khuyết tật hàn có thể phát hiện Nứt Lỗi không liên kết Hàn không thấu (hàn xuyên qua không đầy đủ) Không gian rỗng được hình thành khi đông cứng Cháy cạnh Lệch cạnh Lỗi lớp chân trong mối hàn 2. Kiểm tra mối hàn bằng siêu âm ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 3. Kiểm tra khuyết tật trong xây dựng ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP - Ứng dụng của nguyên tắc kiểm tra bằng sóng siêu âm trong xây dựng đó là dò tìm vết rạn, kiểm tra độ dày của bê tông - Nguyên tắc: + Khi phóng 1 sóng siêu âm vào công trình cần kiểm tra, gặp vết nứt, rỗ ẩn dấu trong công trình, sóng siêu âm sẽ liên tục tạo ra sóng phản xạ - Ưu điểm: + Kiểm tra bằng siêu âm là kiểm tra không phá huỷ và rất an toàn ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP 3. Kiểm tra khuyết tật trong xây dựng Tẩy sạch bằng sóng siêu âm Chỉ cần nhúng những chi tiết cần phải làm sạch vào bể chứa dung dịch rửa sau đó đưa sóng siêu âm vào dung dịch rửa, chỉ trong chốc lát các chi tiết đã sạch sẽ. Vì sao sóng siêu âm làm được việc đó?  Vốn là dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc thì bị ép lại đặc hơn, lúc thì bị dãn ra loãng hơn. Do dung dịch chịu không nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt không khí nhỏ. Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan ra. Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là “hiện tượng tạo chân không”. ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Do tần số của sóng siêu âm rất cao, những bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, mất đi vô cùng nhanh chóng. Sóng xung kích mà chúng sản ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi xó xỉnh của chi tiết.  ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Công nghệ thực phẩm Người ta sử dụng sóng siêu âm để kiểm tra chất lượng của thực phẩm. Siêu âm thể hiện hữu ích trong một số thử nghiệm, trong đó siêu âm cường độ thấp đã được sử dụng để đánh giá chất lượng của các quả bơ, xoài , dưa hấu, thịt bò hay đậu phụ bằng cách đánh giá các thông số siêu âm như vận tốc và độ giảm âm liên quan đến các đặc tính vật lý của môi trường. ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN ĐÃ LẮNG NGHE