Bài giảng Chương 4 - Lý sinh y học | Trường Đại học Phenika

Lý sinh y học PGS.TS. Trần Quang Huy
Email: huy.tranquang@phenikaa-uni.edu.vn
Chương 4: SÓNG ÂM VÀ SIÊU ÂM ĐỐI VỚI CƠ THỂ SỐNG
4.1 Bản chất vật lý của sóng âm và siêu âm 4.2 Nguồn phát âm 4.3 Cảm giác âm 4.4 Nguồn phát siêu âm
4.5 Ứng dụng âm và siêu âm trong y học
4.1 Bản chất vật lý của sóng âm và siêu âm
- Sóng âm là sóng cơ học lan truyền trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí), không truyền được trong chân không
+ Sóng âm là dạng sóng dọc, tần số dao động: 16 Hz – 20 kHz
+ Hạ âm: < 16 Hz; siêu âm: >20 kHz
+ Tốc độ truyền: v = λ.f = λ/T
+ Tốc độ truyền: âm phụ thuộc mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường
v =  : mật độ môi trường : hệ số đàn hồi của môi trường  Môi trường Tốc độ truyền âm (m/s) Không khí 350 Nước 1500 Đồng 3800 Cao su 50 Phần mềm và mỡ 1400 Cơ 1600 Xương 3600 - 4000
Cường độ âm (I): là đại lượng biểu thị bằng năng lượng truyền trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt
ở điểm đấy và vuông góc với phương truyền của âm. Đơn vị: W/m2 hay µW/m2
Cường độ âm càng đi xa nguồn càng giảm nhanh vì:
+ Các phần tử của môi trường dao động, ma sát với môi trường. Do đó, một phần năng lượng dao động mất mát để
thắng ma sát với môi trường và biến thành nhiệt năng
+ Âm trong khi truyền gặp mặt phân cách hai môi trường cũng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ tương tự như ánh sáng;
+Trong điều kiện lý tưởng khi nguồn phát âm là một điểm, môi trường đồng nhất, cường độ âm cũng giảm, tỷ lệ nghịch
với bình phương khoảng cách tới nguồn - Siêu âm:
+ Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người có khả năng nghe thấy được.
+ Sóng siêu âm có tần số lớn (bước sóng ngắn) => với nguồn phát có kích thước nhỏ, thiết diện chùm siêu âm phát ra hẹp, truyền thẳng;
+ Khi truyền qua các môi trường, sóng siêu âm bị môi trường hấp thụ nên cường độ của nó sẽ giảm dần. Giả sử chùm
siêu âm song song khi tới một môi trường có cường độ I , khi xuyên vào môi trường với chiều sâu x, cường độ là I: o I=I .e-αx o
Với e = 2,71828 còn α tỉ lệ với f2, 1/ρ và v3. Không khí có ρ bé nên α lớn, nghĩa là I giảm nhanh.
+ Siêu âm là sóng dọc, có tác dụng nén giãn môi trường, ở vùng nén thì mật độ môi trường lớn, ở vùng giãn thì mật độ
môi trường nhỏ, áp suất nén giãn tức thời có thể lên đến hàng vạn atm. 4.2 Nguồn phát âm
- Nguồn phát âm thanh (sound): có nhiều nguồn phát.
Xét 1 dây căng thẳng thực hiện dao động đàn hồi, tần số dao động âm tạo ra được tính theo: f=  
f: tần số âm; L: chiều dài dây căng; M: khối lượng 1 đơn vị chiều dài dây; P: lực căng của dây  
+ Cơ quan phát ra âm thanh của động vật là thanh quản với các dây âm thanh. Sự phát âm được giải thích bởi hai
giả thuyết: (1) thuyết đàn hồi còn hay gọi là thuyết cơ học và (2) thuyết luồng thần kinh của Housson
+ Cấu tạo của dây âm thanh rất đặc biệt: niêm mạc loãng, lỏng lẻo và không dính chặt vào tổ chức dưới đó
+ Các xoang cộng hưởng quyết định âm sắc của giọng nói
- Cơ quan phát âm ở người:
1- Bộ phận cung cấp làn hơi (phổi – dây âm thanh)
2- Bộ phận phát thanh (2 dây âm thanh nằm trong thanh quản)
3- Bộ phận truyền tăng âm (cuống họng (yết hầu) thông với đường miệng hoặc mũi)
4- Bộ phận phát âm (nhả chữ) (môi, răng, lưỡi, hàm dưới, vòm mềm
(hàm ếch mềm, cúa mềm, ngạc mềm))
5- Bộ phận dội âm (toàn hộ các khoang trống trên cơ thể, các
khoang trên đầu, trên mặt) 4.3 Cảm giác âm
- Sóng âm -> cơ quan thính giác ->cảm giác âm thanh
+ Âm đến tai được chia làm 2 loại: âm thanh và tiếng ồn
+ Cảm giác âm: độ cao, âm sắc, độ to
* Độ cao của âm: do tần số quyết định, f cao ->âm trong; f nhỏ -> âm trầm
Y học dùng sóng siêu âm 104 Hz < f < 3.106Hz) khi lan truyền có đặc tính truyền thẳng thành chùm, mang theo năng lượng lớn,
phản ánh nhiều đặc điểm của môi trường hấp thụ ->được sử dụng rộng rãi.
* Âm sắc: phẩm chất của âm thanh
* Độ to: đặc trưng cảm giác về độ mạnh/yếu của dao động âm truyền tới tai
Cường độ âm thay đổi -> cảm giác về độ to cũng thay đổi. Định luật Weber-Fechner:
“Sự biến thiên độ to của âm tỷ lệ với logarit của tỷ số cường độ hai dao động gây ra cảm giác âm”
- Gọi L là độ to gây ra do âm có cường độ I ; L là độ to do âm có cường độ I : 1 1 2 2 L -L = k.lg (I /I ) 2 1 2 1
Để có đơn vị đo độ to một cách xác định người ta quy ước rằng: lấy âm 1000 Hz ở ngưỡng nghe cường độ I thì 0 độ to L = 0; o
Khi ấy, một âm bất kỳ với cường độ I sẽ có độ to là: L – L = k.
). Nếu chọn k = 10 thì L sẽ đo ra đơn vị là Db o lg (I/Io (Decibell) 4.4 Nguồn phát siêu âm
- Nguồn phát siêu âm (ultrasound): Một dụng cụ cung cấp năng lượng dao động ghép với một bộ cộng hưởng
(tinh thể thạch anh) dựa vào hiệu ứng áp điện nghịch/hiện tượng từ giảo
+ Hiệu ứng áp điện sẽ truyền năng lượng cho tấm thạch anh
+ Điện áp qua tinh thể thạch anh là dòng xoay chiều ->thạch anh bị nén, giãn theo tần số ->phát siêu âm
- Sóng siêu âm trong y học: 1-15 MHz
+ Sóng siêu âm gặp các mặt phân cách trên đường đi => sóng phản xạ và tán xạ quay về đầu dò.
+ Đầu dò sẽ biến tín hiệu phản hồi về thành tín hiệu điện qua hiệu ứng áp điện=> thông tin được xử lý và hiển thị trên màn hình (chẩn đoán). - Đầu dò siêu âm:
+ Đầu dò thẳng (Linear array): đầu dò thẳng, tần số cao, độ phân giải cao, thích hợp => vùng nông: da, tuyến giáp, tuyến vú, mạch máu
+ Đầu dò cong (convex): tần số thấp hơn, độ phân giải thấp hơn, thích hợp cho việc đánh giá các cơ quan sâu, thường sử dụng
cho siêu âm bụng, thai, mạch máu ở sâu.
+ Đầu dò tim: tần số tương đương đầu dò cong, chuyên dụng cho siêu âm tim
+ Đầu dò khác: sử dụng cho siêu âm 3D, 4D, SA qua thực quản, qua âm đạo (hoặc trực tràng), siêu âm vùng mắt, siêu âm can thiệp điều trị
- Hình thức hiển thị hình ảnh siêu âm: kiểu A (Amplitude mode); kiểu B (Brightness mode); Kiểu TM (Time motion mode); Kiểu 3D, 4D:
kiểu siêu âm đa chiều trên nền tảng kiểu B, TM =>giúp tái tạo hình ảnh dạng đa chiều; dopper (đánh giá lưu lượng máu, chức năng tim…) - Các loại siêu âm:
+ Siêu âm không xâm lấn: chỉ di chuyển trên bề mặt da tại vị trí bộ phận cần chẩn đoán (Siêu âm tim, mạch máu; Siêu âm thai,
siêu âm tim thai; Siêu âm ổ bụng; Siêu âm tuyến giáp, tuyến vú, phần mềm, cơ xương khớp)
+ Siêu âm xâm lấn: thường được thực hiện thông qua âm đạo hoặc hậu môn để kiểm tra chức năng hoạt động của buồng trứng, tử cung,
bàng quang, tuyến tiền liệt,… Hình thức siêu âm đầu dò trực tràng giúp phát hiện các trường hợp tắc trực tràng, khối u trực tràng,…
+ Siêu âm nội soi: là kỹ thuật cận lâm sàng thường được thực hiện khi cần kiểm tra chi tiết tại
các bộ phận như dạ dày, thực quản (từ miệng vào thực quản và dạ dày)
4.5 Ứng dụng của siêu âm trong y học
- Chẩn đoán gõ: khi gõ vào các vị trí tương ứng của các tạng (tim, phổi, gan…) trên lồng ngực hay trên thành bụng, các
tạng này sẽ dao động và phát ra âm
- Chẩn đoán nghe: các âm từ cơ thể người thường <1000 Hz
+ Âm ở phổi do không khí qua lại khí quản, cuống phổi và mô phổi sinh ra
+ Cường độ của âm này mạnh yếu là do hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm tỷ lệ nghịch với tiết diện khí quản, phổi
+ Âm ở tim biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng van tim, vận tốc và độ nhớt của máu, miệng của các van.
+ Bảng liên hệ giữa tần số và tỉ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình thường: