KQHT 3: ỨNG DỤNG CỦA SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

1. Chuyển động sóng2. Âm và siêu âm3. Ứng dụng âm và siêu âm trong

Y sinh học

1. Chuyển động sóng

• Là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử).

• Sóng cơ học trong môi trường đàn hồi

1.1 Môi trường đàn hồi: Cấu tạo bởi các phần tử mà giữa chúng có lực liên kết, phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai phần tử của môi trường

• Chuyển động sóng là sự lan truyền dao động trong một môi trường đàn hồi (môi trường có liên kết giữa các phần tử).

1.1 Môi trường đàn hồi:

Do ngoại lực, các phân tử này rời khỏi vị trí cân bằng và bắt đầu dao động. Các liên kết phân tử được lan truyền sang các phân tử xung quanh. Sóng truyền qua trong môi trường các vùng dãn, nén liên tiếp tuần hoàn trong không gian và theo thời gian.

1.2 Phân loại sóng cơ học: có 2 loại Nếu phương truyền sóng mà các phần tử của

môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng, gọi là sóng ngang. Ví dụ: sóng ánh sáng, sóng trên mặt nước

Nếu các phần tử của môi trường dao động song song với phương truyền sóng thì đó là sóng dọc. Ví dụ: sóng di chuyển của lò xo khi co dãn, sóng âm trong không khí.

Tốc độ truyền sóng

N: hệ số đặc trưng cho tính đàn hồi, : mật độ môi trường

Nv

1.3 Đặc điểm của sóng cơ học:Bước sóng ( λ ): Là khoảng cách ngắn nhất giữa các phân tử của môi trường dao động đồng pha hoặc là quãng đường sóng truyền đi được trong một chu kì.

Khoảng cách từ A → E Đơn vị đo: m, cm, μm, nm.

1.3 Đặc điểm của sóng cơ học:

Chu kỳ dao động (T) : Thời gian cần thiết để một điểm của môi trường thực hiện một dao động toàn phần.

Vận tốc truyền sóng (c): Quãng đường truyền sóng truyền được trong một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: m/s.

fvvT

1.3 Đặc điểm của sóng cơ học:

Tần số (f): Là số lần dao động trong một giây

Đơn vị đo: Hezt (Hz): 1 Hz = 1/s

Tần số góc (ω), Đơn vị đo: rad/s

fT

22

1.4 Hiệu ứng Doppler và ứng dụng

• Khi nguồn phát và nguồn thu sóng âm đứng yên tương đối với nhau thì khi nguồn phát phát ra tần số f , nguồn thu nhận được sóng âm cũng với tần số f . Những khi nguồn phát chuyển động tương đối với nhau thì tần số phát thu sẽ khác nhau.

1.4 Hiệu ứng Doppler và ứng dụng

• Khi đứng yên (nguồn thu) ta nghe thấy tiếng ô tô lại gần với tần số cao dần lên và khi ô tô đi xa thì tần số lại thấp dần đi (nghe như trầm xuống).

• Vậy hiệu ứng Doppler là hiệu ứng lệch tần số giữa nguồn phát và nguồn thu thu được khi chúng chuyển động tương đối với nhau

* Trường hợp người quan sát đứng yên còn nguồn âm chuyển động với tốc độ v0

• Nguồn âm chuyển động lại gần người quan sát:

• Nguồn âm chuyển động ra xa người quan sát:

fvvvf

0

'

fvvvf

0

''

* Trường hợp nguồn phát âm đứng yên có tốc độ v còn nguồn thu (người quan sát) chuyển động với tốc độ v0

• Người quan sát chuyển động lại gần nguồn âm:

• Người quan sát chuyển động ra xa nguồn âm:

fvvvf 0'

fvvvf 0''

VD: Một cái còi phát sóng âm có tần số 950Hz chuyển động đi ra xa một người đứng bên đường về phía một vách đá với tốc độ 15 m/s. tốc độ âm trong không khí là 330 m/s. Hỏi:

a. Tần số của âm người đó nghe trực tiếp từ cái còi

b. Tần số âm người đó nghe được khi âm phản xạ lại từ vách đá.

2. Âm và siêu âm2.1 Bản chất vật lý của âm và siêu • Sóng âm là những dao động truyền trong các

môi trường vật chất đàn hồi (rắn, lỏng, khí). Sóng âm không truyền trong chân không

2.1 Bản chất vật lý của âm và siêuTần số 0 →16 Hz: Vùng hạ âm; sóng đàn hồi gây ra do động đất, bão truyền trong nước biển

• Tần số 16 Hz →20 KHz: Tai người bình thường nghe được.

• Tần số 20KHz → 109 Hz: siêu âm, tai người không nghe được (một số loài vật như dơi, chó có thể nghe được ).

• Tần số 109Hz → 1013 Hz: siêu siêu âm. 1013Hz là giới hạn trên vì bước sóng ở tần số này vào khoảng chiều dài khoảng cách giữa các phân tử chất rắn

• Sóng âm là sóng dọc trong môi trường đàn hồi nên nó có các đặc trưng như các sóng cơ học khác: bước sóng λ, tần số f, chu kì T, tốc độ lan truyền

Tốc độ truyền sóng âm phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi của môi trường.

ρ: mật độ của môi trường, α: hệ số đàn hồi của môi trường.

Tfv .

1

v

VD: Các máy dò dùng siêu âm, chỉ có thể phát hiện các vật có kích thước cỡ bước sóng của siêu âm. Siêu âm trong một máy dò có tần số 6MHz. Với máy dò này, có thể phát hiện được những vật có kích thước cỡ bao nhiêu:

a) Vật ở trong không khíb) Vật ở trong nước

2.2 Nguồn phát âm

Đối với con người, cơ quan phát ra âm thanh là thanh quản.

Để khảo sát cơ chế phát âm của các dây thanh quản, ta tách ra khảo sát một số dây kế nhau trong thanh quản.

Khi phát âm, không khí được đẩy từ phổi lên thanh quản với một áp suất nhất định.

Luồng khí đi qua khe hẹp của hai dây âm thanh làm dây rung lên.

Luồng thần kinh trung ương chỉ huy độ căng của dây; do đó điều chỉnh tần số dao động của dây.

Tần số dao động phát ra được tính:

L: chiều dài dây thanh quản; F: lực căng của dây; p: khối lượng trên một đơn vị chiều dài.

pF

Lf

21

Đối với nam giới, chiều dài và khối lượng trên một đơn vị chiều dài dây thanh quản là khá lớn so với của nữ. Do đó, tần số âm thanh của nam phát ra thường trầm hơn của nữ.

Nhiều lý thuyết mới cho rằng: tần số của tiếng nói là do tần số kích thích của xung thần kinh từ luồng thần kinh truyền đến hệ dây thanh quản.

Luồng không khí từ phổi đi lên chỉ có tác dụng cung cấp năng lượng cho dây dao động.

Phân tích cấu trúc não: trung tâm phát ra các xung thần kinh điều khiển sự phát âm có nhịp điệu ở vùng đồi thị của vỏ não.

Trong khi trung tâm điều khiển không khí di chuyển lên thanh quản lại ở trung não.

Khả năng của thanh quản đáp ứng một kích thích thần kinh tạo ra âm thanh là rất nhanh (khoảng 10-9s).

Âm thanh do con người tạo ra còn chịu tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau như: buồng cộng hưởng của hốc xương mặt, sự ma sát qua kẽ răng, ma sát giữa răng và lưỡi.

* Cơ chế của quá trình nghe

1. Tai Phần ngoại vi của cơ quan phân

tích thính giác là tai ngoài, tai giữa và tai trong.

Tai ngoài gồm 2 phần: vành tai và ống tai nối từ vành tai đến tai giữa.

Tai

Phần quan trọng của tai giữa là ba xương nối tiếp nhau gồm xương búa, xương đe và xương bàn đạp. Chúng có nhiệm vụ truyền dao động của màng nhĩ vào tai trong.

Xương búa tiếp xúc với màng nhĩ còn xương bàn đạp tiếp xúc với màng cửa sổ bầu dục.

* Cơ chế tai nghe

Tai ngoài Âm lan truyền trong môi trường đàn hồi ở

dạng sóng dọc. Tai người có thể tiếp nhận sóng âm từ 20

Hz đến 20 kHz. Theo ống tai ngoài, sóng âm đập vào màng

nhĩ và gây dao động với tần số dao động âm nhưng nhạy cảm nhất ở tần số 1 kHz.

Tai ngoài

Khi sóng âm truyền đến màng nhĩ, sự thay đổi áp suất làm cho các phần tử của màng nhĩ dao động theo.

Dao động đó truyền đến cửa sổ bầu dục của tai giữa, thông qua hệ thống xương con.

2.3 Các đặc trưng của cảm giác âm• Âm đến tai: âm thanh và tiếng ồn• Cảm giác âm: Độ cao của âm, âm sắc và độ

to1. Độ cao của âm: do tần số của âm quyết định.

Những dao động âm có tần số cao cho ta cảm giác thanh (trong)

• Để phân biệt được độ cao của âm, thời gian âm tác động lên cơ quan thính giác ít nhất phải từ 1/100 đến 1/40s

a. Độ cao của âm

• Ngưỡng của cảm giác độ cao là một dao động toàn phần của âm. Một dao động mà chưa thực hiện đầy đủ một dao động toàn phần thì không thể xác định chu kỳ hay tần số của nó.

• Sóng siêu âm có tần số lớn hơn 20.000 Hz, không gây cảm giác âm thanh cho người.

b. Âm sắcNhững âm phát ra từ âm thoa cho ta một cảm giác đơn

giản, chúng ứng với những dao động hình sin.

a: âm phức tạp ; b, c, d: các thành phần phân tích của nó Âm có tần số nhỏ nhất gọi là âm cơ bản, các âm khác gọi là họa âm.

b. Âm sắc:

• Tai ta nhận được hai âm cùng độ cao của hai loại nhạc cụ khác nhau mà phân biệt được là vì mỗi mỗi âm đó đã gây cho chúng ta cảm giác âm nhạc khác nhau.

• Mỗi âm có một âm sắc riêng biệt, được đặc trưng bằng thành phần dao động điều hoà hình sin

b. Âm sắc:

• Khi tác dụng lên màng nhĩ, dao động âm cơ bản hay phức tạp gây nên ở màng những dao động cộng hưởng của những sợi xác định mà tần số riêng của chúng tương ứng với tần số phổ điều hoà của dao động âm.

c. Độ toĐặc trưng cảm giác về sự mạnh hay yếu của dao động âm được cảm nhận bởi tai ta.

• Âm có cường độ càng lớn sẽ gây nên cảm giác âm thanh “càng to” đối với tai và ngược lại.

• Cường độ âm là năng lượng được sóng âm truyền qua 1 đơn vi diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong 1 đơn vị thời gian

c. Độ to• Đơn vị cường độ âm: W/m2

• Đại lượng dùng để so sánh cường độ của một âm với cường độ âm tiêu chuẩn là mức cường độ âm:

L (dB)=10lgI/I0

Giá trị cực đại mà tai ta có thể chịu đựng được gọi là ngưỡng đau với mức cường độ âm là 120 dB

c. Độ to

• Một âm có cường độ I khi thay đổi một lượng ΔI đủ để con người nhận thức được rằng âm đó có thay đổi về độ to, cần phải có:

• Những âm có tần số khác nhau có cùng cường độ nhưng lại gây nên những cảm giác to nhỏ khác nhau, cho ta thấy độ “thính” của tai phụ thuộc vào tần số âm.

c. Độ to: Tai thính nhất đối với những âm có tần số trong khoảng từ 1000Hz đến 5000Hz.

Độ to của một số âm điển hình

VD1 Tính cường độ âm ứng với các mức cường độ âm:

Nguồn âm Mức CĐ âm (dB)

Lá rơi, tiếng thì thầm cách 1m 10

Tiếng nói nhỏ trong khu vườn vắng 20

Tiếng nhạc nhẹ, tiếng ồn trong nhà 40

Tiếng nói chuyện cách 1m 60

Tiếng ồn ngoài phố 80

Tiếng máy bay phản lực lúc cất cánh 130

VD2:Một mức cường độ âm nào đó được tăng thêm 50dB. Cường độ âm tăng lên gấp bao nhiêu lần?

VD3: Loa của một cái đài dùng trong gia đình có công suất âm thanh là 0,8W và mở to hết công suất.

a) Tính mức cường độ âm tại một điểm cách dây 3m

b) Để ở tại điểm ấy, mức cường độ âm chỉ còn 80dB, phải giảm nhỏ công suất của loa bao nhiêu lần?

2.4 Cơ sở vật lý của PP âm trong chẩn đoán

1. Chẩn đoán gõ:

• Khi gõ vào tim, phổi, gan ... trên lồng ngực hay trên thành bụng, sẽ dao động và phát ra âm. Dựa vào âm phát ra chúng ta có thể xác định được vị trí, kích thước của chúng, có thể xác định được chúng bình thường hay có bệnh.

a. Chẩn đoán gõ:

• Tuỳ theo bệnh nhân và yêu cầu cần chẩn đoán, chúng ta phải gõ với mức độ mạnh nhẹ khác nhau: gõ mạnh đối với bệnh nhân quá béo, với trẻ em phải gõ nhẹ. Thường chúng ta gõ với mức độ trung bình vì gõ như thế cũng đủ làm cho các tạng ở sâu dưới da 5 cm

a. Chẩn đoán gõ:

• Dùng ngón tay hay một dùi nhỏ gõ trực tiếp trên da bệnh nhân, Phương pháp này ít dùng vì âm các tạng phát ra nhỏ quá khó nghe.

b. Chẩn đoán nghe:• Để nghe các âm phát ra từ trong cơ

thể, người ta dùng ống nghe• Những âm từ cơ thể phát để định

bệnh, có tần số không vượt quá 1000 Hz

• Cường độ âm của phổi mạnh hay yếu là do hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm tỷ lệ nghịch với tiết diện khí quản, cuống phổi.

b. Chẩn đoán nghe:

• Khi khí quản, cuống phổi bị hẹp hay chứa các dịch nhầy thì âm phổi sẽ thay đổi; chẩn đoán bệnh.

• Âm phát ở tim ra biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng các van tim, vận tốc của máu, độ nhớt của máu, miệng của các van

2.5 Sơ lược về ứng dụng siêu âm trong ngành y

• Lĩnh vực y học, sóng siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán và điều trị.

• Sóng siêu âm khi truyền qua các tổ chức sống trong cơ thể sẽ bị hấp thụ hoặc phản xạ.

• Thường sử dung sóng siêu âm có tần số từ 105 đến 3.106 Hz

2.5.1 Tác dụng của sóng siêu âm

• Khi tác dụng lên các tế bào và các tổ chức sống, siêu âm gây ra 3 hiệu ứng: cơ học, nhiệt học và hoá lý.

• Các hiệu ứng này làm thay đổi tính

chất và chức năng sinh lý của các tổ chức trong cơ thể. Đó chính là cơ chế của các liệu pháp điều trị trong kỹ thuật siêu âm.

2.5.2 Ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán

1. Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm• Sơ đồ nguyên lý cách tạo ảnh nhờ chùm

siêu âm truyền qua

a. Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm

• Chùm siêu âm sau khi đã truyền đối tượng sẽ được thu lại, thể hiện bằng những hình ảnh khác nhau tuỳ thuộc vào cường độ chùm siêu âm.

• Căn cứ vào hình ảnh đó để xác định được về mặt hình thái, cấu trúc của đối tượng là bình thường hay bệnh lý.

• Hình ảnh ghi được là hình ảnh gián tiếp được tạo bởi chùm siêu âm truyền qua.

a. Chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm • Sơ đồ nguyên lý cách tạo ảnh nhờ chùm

siêu âm phản xạ

Hình ảnh ghi được là hình ảnh gián tiếp của đối tượng được tạo bởi chùm siêu âm phản xạ.

b. Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler

• Siêu âm Doppler có thể đo được tốc độ di chuyển của hồng cầu, từ đó có thể tính được lưu lượng máu qua mạch máu có bình thường không.

• Dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần hoàn ngoại biên như viêm tắc động mạch, tĩnh mạch, rò động mạch…

• Chùm siêu âm thường dùng có tần số 4- 10MHz và cường độ 2-10mW/cm2, an toàn, không gây nguy hiểm cho người bệnh

b. Chẩn đoán chức năng dựa vào hiệu ứng Doppler

• Để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da người bệnh

• Giữa đầu dò siêu âm và da người bệnh, người ta thường bôi đệm một lớp dầu (paraphin, lanolin hoặc glycerin…). Nhằm loại bỏ phản xạ làm chùm siêu âm truyền đến cơ thể một cách toàn vẹn.

2.5.3 Ứng dụng siêu âm vào điều trị

• Với chùm siêu âm có cường độ mạnh khi tác động vào tế bào có thể làm rách màng tế bào, biến dạng nhân, do đó có thể phá huỷ tế bào, ứng dụng trong chống đông máu, diệt trùng.

• Không dùng siêu âm điều trị cho những người có thai, đang bị lao, bị sốt và ở trẻ em.

2.5.4 Ứng dụng siêu âm vào điều trị

Ngày nay người ta còn dùng siêu âm có cường độ mạnh (1,4.107W/m2) để phá huỷ tổ chức trong sâu như sỏi thận, u tuyến, lấy cao răng, hay sử dụng trong phẫu thuật thần kinh với ưu điểm là làm giảm đau, không gây chảy máu tránh được nhiễm trùng và có độ chính xác cao.

VD:Để đo vận tốc máu bằng hiệu ứng Doppler, người ta dùng sóng siêu âm có bước sóng trong cơ thể là 0,44mm. Cho rằng máu chuyển động thẳng hướng ra xa nguồn phát siêu âm với tốc đọ 2cm/s tại ĐM đùi. Độ chênh lệch tần số giữa sóng siêu âm phản xạ lại mà máy thu được và sóng phát ra là bao nhiêu? Cho biết âm thanh truyền trong mô cơ thể người với vận tốc 1540m/s.