Một số ứng dụng vật lí trong chẩn đoán y học · SGK trang 39–43 · Xung phản xạ và tạo ảnh siêu âm
Phát biểu được siêu âm là sóng âm có tần số lớn hơn 20 kHz; mô tả tinh thể áp điện, đầu dò phát – thu xung siêu âm.
Giải thích phản xạ tại mặt phân cách, vai trò gel; phân biệt biểu diễn dạng A (đỉnh xung – thời gian) và dạng B (độ sáng – vị trí).
Tính bước sóng từ tốc độ và tần số; suy ra độ sâu từ thời gian truyền đi và về; nhận biết giới hạn của mô hình một chiều.
Trình bày ứng dụng trong y tế, kiểm tra vật liệu, đo độ sâu; so sánh ưu, nhược của siêu âm với phương pháp dùng tia X ở mức khái quát.
Phạm vi: Chuyên đề Vật lí 12 KNTT, Bài 7 “Siêu âm”, tr. 39–43. Các mô phỏng và dữ liệu vật liệu dưới đây mang tính giáo dục, không dùng đọc ảnh chẩn đoán.
Siêu âm là sóng cơ có tần số lớn hơn 20 kHz, vượt ngưỡng nghe thông thường của con người. Sóng siêu âm cần môi trường vật chất để lan truyền, không truyền trong chân không. Trong chẩn đoán, đầu dò thường làm việc ở dải tần cỡ MHz. Sóng có thể truyền qua mô, phản xạ và khúc xạ tại ranh giới các môi trường.
Tốc độ truyền phụ thuộc môi trường. Theo SGK, có thể dùng trị số gần đúng 1500 m/s trong mô mềm để giải các bài toán mô hình; trong thiết bị thực, giá trị giả định thường là khoảng 1540 m/s. Khi giải bài phải dùng đúng giá trị đề cho, không tự thay đổi giữa các bước.
Đặt điện áp biến thiên lên tinh thể/gốm áp điện làm vật liệu biến dạng và rung, phát ra sóng siêu âm. Khi tín hiệu phản xạ làm tinh thể bị biến dạng, nó tạo tín hiệu điện để đầu dò tiếp nhận. Đầu dò có thêm lớp đệm ghép âm và lớp giảm rung để giúp phát–thu xung.
Đầu dò phát xung → xung lan truyền → gặp mặt phân cách có trở kháng âm khác nhau → một phần phản xạ về → đầu dò chuyển echo thành tín hiệu điện → bộ xử lí xác định thời điểm và cường độ tương đối → hiển thị. Xung đi từ đầu dò đến mặt phản xạ rồi quay về, nên độ sâu không bằng \(v\Delta t\).
Gel siêu âm được thoa giữa da và đầu dò để loại bớt lớp không khí. Không khí và mô có trở kháng âm khác nhau rất lớn nên phản xạ mạnh ở biên, làm việc ghép âm kém khi thiếu gel.
Kiểu A (A-mode): tín hiệu phản xạ theo thời gian được vẽ thành các đỉnh (biên độ), giúp nhận ra vị trí tương đối của các mặt phản xạ theo chiều sâu.
Kiểu B (B-mode): gán độ sáng điểm ảnh theo cường độ echo và sắp nhiều đường quét liền nhau để tạo ảnh hai chiều. Dạng B thường được dùng để quan sát hình dạng một vùng cơ thể. Ngoài ra còn có dạng M, Doppler, 3D/4D; đây là nội dung liên hệ thêm.
Siêu âm được dùng để quan sát thai, cơ quan, tim, mạch máu; kiểm tra khuyết tật trong vật liệu, đo độ sâu nước, nghiên cứu thủy sản và công nghiệp. Siêu âm không dùng bức xạ ion hóa nhưng việc phát – thu trong y học phải tuân thủ chuyên môn; chất lượng giảm khi đi qua xương và khí.
Đề: Sóng âm có tần số 18 kHz, 25 kHz, 2 MHz. Sóng nào là siêu âm?
Bước 1. Ngưỡng siêu âm: tần số lớn hơn 20 kHz.
Bước 2. 18 kHz chưa phải siêu âm; 25 kHz và 2 MHz là siêu âm theo phân loại.
Kiểm tra: Đổi 2 MHz = 2 000 000 Hz; không đồng nhất tần số với tốc độ.
Đề: Sóng siêu âm tần số 5 MHz truyền trong mô với tốc độ giả định 1500 m/s. Tính bước sóng.
Bước 1. Đổi tần số: \(f=5\times10^6\,\mathrm{Hz}\).
Bước 2. Tính \(\lambda=v/f=1500/(5\times10^6)=3\times10^{-4}\,\mathrm m=0{,}30\,\mathrm{mm}\).
Kiểm tra: Bước sóng ngắn hơn khi tần số cao hơn với cùng tốc độ.
Đề: Mặt phản xạ ở độ sâu 6 cm, lấy v=1500 m/s. Tìm thời gian từ lúc phát đến lúc thu xung.
Bước 1. Tổng quãng đường \(s=2d=0{,}12\,\mathrm m\).
Bước 2. Tính \(\Delta t=s/v=0{,}12/1500=8\times10^{-5}\,\mathrm s=80\,\mu s\).
Kiểm tra: Không dùng d/v vì xung phải quay về đầu dò.
Đề: Đầu dò thu phản hồi sau 40 µs; v=1500 m/s. Tính độ sâu.
Bước 1. Đổi \(40\,\mu s=40\times10^{-6}\,\mathrm s\).
Bước 2. \(d=v\Delta t/2=1500\times40\times10^{-6}/2=0{,}03\,\mathrm m=3\,\mathrm{cm}\).
Kiểm tra: Kết quả bằng nửa quãng đường âm đi trong 40 µs.
Đề: Hai xung phản hồi xuất hiện sau 40 µs và 68 µs, v=1500 m/s. Tính bề dày lớp giữa hai bề mặt nếu cùng đường truyền.
Bước 1. Tính chênh lệch \(\Delta t=28\,\mu s\).
Bước 2. Bề dày \(h=v\Delta t/2=1500\times28\times10^{-6}/2=0{,}021\,\mathrm m=2{,}1\,\mathrm{cm}\).
Kiểm tra: Chỉ đúng khi tốc độ coi như không đổi giữa hai mặt.
Đề: Nêu cách đầu dò vừa phát vừa nhận siêu âm.
Bước 1. Đặt điện áp xoay chiều/xung điện lên vật liệu áp điện: vật liệu biến dạng tuần hoàn tạo sóng cơ.
Bước 2. Sóng phản xạ làm tinh thể biến dạng, tạo tín hiệu điện; mạch thu xử lí và hiển thị.
Kiểm tra: Không nói tinh thể tự tạo sóng từ nguồn phóng xạ.
Đề: Đầu dò áp lên da nhưng còn lớp không khí. Điều gì xảy ra nếu không dùng gel?
Bước 1. Trở kháng âm của không khí nhỏ rất nhiều so với mô mềm.
Bước 2. Phần lớn năng lượng phản xạ ở biên không khí–mô; gel làm giảm lớp khí và hỗ trợ truyền xung vào mô.
Kiểm tra: Gel là chất ghép âm, không phải thuốc nhuộm ảnh.
Đề: Giả định sóng tới vuông góc từ vật liệu A có Z₁=1,5 MRayl sang B có Z₂=1,8 MRayl. Tính tỉ số cường độ phản xạ R.
Bước 1. Trong mô hình biên phẳng, \(R=((Z_2-Z_1)/(Z_2+Z_1))^2\).
Bước 2. Thay số: \(R=(0{,}3/3{,}3)^2\approx0{,}00826\), tức khoảng 0,83%.
Kiểm tra: Đây là tỉ lệ cường độ tại biên lí tưởng, không phải độ sáng ảnh thực.
Đề: Dữ liệu phản hồi trên cùng tia có các đỉnh ở 25 µs và 85 µs. Vì sao có hai đỉnh?
Bước 1. Mỗi mặt phân cách phản xạ tạo tín hiệu quay về ở một thời điểm.
Bước 2. Khoảng cách thời gian cho biết khoảng cách các mặt nếu biết vận tốc trong lớp.
Kiểm tra: Độ cao đỉnh còn phụ thuộc suy giảm, hình học và hệ thu; không suy ra vật liệu chỉ từ một đỉnh.
Đề: Quét qua một vật hình tròn, vì sao nhiều đường đo có thể tạo ảnh hai chiều?
Bước 1. Mỗi đường đo chứa thông tin độ sâu và độ mạnh echo theo phương quét.
Bước 2. Gán độ sáng cho tín hiệu phản hồi và xếp các đường quét cạnh nhau tạo mặt cắt 2D.
Kiểm tra: Ảnh B-mode là sản phẩm tái tạo, không phải một tấm phim âm thanh.
Đề: Hai đầu dò 3 MHz và 10 MHz dùng cùng mô hình mô mềm. So sánh bước sóng.
Bước 1. \(\lambda_3=1500/(3\times10^6)=0{,}50\,\mathrm{mm}\).
Bước 2. \(\lambda_{10}=1500/(10\times10^6)=0{,}15\,\mathrm{mm}\). Tần số cao cho bước sóng ngắn hơn nhưng thường suy giảm mạnh hơn, giảm độ xuyên sâu.
Kiểm tra: Không đánh đồng bước sóng với độ phân giải thực tế, vốn phụ thuộc xung và hệ đầu dò.
Đề: Vì sao thường ưu tiên siêu âm trong một số khảo sát thai, nhưng không xem siêu âm là hoàn toàn không có giới hạn?
Bước 1. Siêu âm là sóng cơ, không sử dụng bức xạ ion hóa như X-quang.
Bước 2. Chất lượng bị giới hạn khi đi qua khí, xương; mức phát và thời gian vẫn phải tuân thủ thực hành chuyên môn phù hợp.
Kiểm tra: Không thay thế chỉ định y tế bằng mô phỏng web.
Mô phỏng tự dựng dùng mô hình lí tưởng, số liệu giả lập và không có ảnh hoặc dữ liệu bệnh nhân. Hãy dự đoán trước khi thay đổi tham số, đối chiếu kết quả và nêu giới hạn mô hình.
Ngân hàng gồm sáu nhóm; tự luyện không hiện đáp án trước khi trả lời. Trả lời ngắn nhập số không kèm đơn vị; câu tự luận chờ giáo viên đánh giá.
8 ABCD × 0,25 = 2 điểm; 4 Đúng/Sai × 1 = 4 điểm; 8 trả lời ngắn × 0,25 = 2 điểm; 2 tự luận × 1 = 2 điểm. Tự luận chờ đánh giá theo rubric.
Chọn nhánh để ôn tập mối liên hệ giữa bước sóng, echo, ghép âm, A-mode và B-mode.
Không. Siêu âm là sóng cơ, khác với tia X. Tuy vậy các thiết bị y tế vẫn cần vận hành theo quy trình chuyên môn và nguyên tắc an toàn phù hợp.
Gel là chất ghép âm, đẩy bớt không khí giữa đầu dò và da, làm giảm phản xạ quá mạnh ở lớp khí mỏng.
Tần số cao có bước sóng ngắn hơn nhưng thường suy giảm mạnh hơn trong mô, nên độ xuyên sâu giảm; thiết bị còn chịu ảnh hưởng bởi tiêu cự và cấu hình đầu dò.
Xương gây phản xạ, tán xạ và suy giảm mạnh, nên siêu âm khảo sát nội sọ thường bị hạn chế ở người trưởng thành; có các cửa sổ âm đặc biệt trong chỉ định chuyên môn.
B-mode dùng tín hiệu echo từ sóng cơ, chủ yếu thể hiện cấu trúc theo lát cắt quét; ảnh X-quang dùng chùm tia ion hóa truyền qua cơ thể và ghi độ suy giảm.
Dùng video/phần mềm mô phỏng tiếng vọng hoặc cảm biến siêu âm điện áp thấp trong robot để đo khoảng cách: so sánh quãng đường đi và về, không tự chế thiết bị y tế.
Tham khảo nội dung: Chuyên đề học tập Vật lí 12 – Kết nối tri thức, Bài 07, tr.39–43. Mọi minh họa số trong bài đều ghi rõ mô hình và giới hạn.