Chụp ảnh siêu âm

Trước hết ta xét vài đặc điểm của âm và siêu âm. Âm là dao động cơ học truyền đi trong môi trường vật chất. Âm nghe được có tần số trong khoảng từ 20 - 20.000 Hz (hertz), tốc độ truyền âm rất phụ thuộc môi trường. Thí dụ trong không khí tốc độ âm là 333 mét/ giây, trong nước là 1500 mét/ giây, trong thép là 6100 mét/ giây.

Sóng âm truyền đi khi gặp mặt phân cách giữa hai môi trường thì ít hay nhiều đều bị phản xạ một phần, phần còn lại tiếp tục đi theo đường cũ. Đứng trong hang rộng, nếu vỗ tay, ít giây sau ta nghe tiếng vỗ tay vọng lại. Đó là vì âmt hanh vỗ tay truyền tới gặp vách hang phản xạ và đi ngược về chỗ ta đứng. Nếu biết tốc độ truyền âm v (trong hang đó là tốc độ truyền âm trong không khí v = 333 m/s) và đo được thời gian t từ lúc vỗ tay đến lúc nghe tiếng vọng, ta có thể tính khoảng cách từ chỗ ta đứng đến vách hang là v. Dt/2.Dùng siêu âm để đo khoảng cách chính xác, thuận lợi hơn là dùng âm nghe được. Siêu âm cũng là sóng âm nhưng có tần số rất cao, từ trên 20.000 Hz đến 1.000.000.000 Hz (từ hai vạn đến một tỷ hertz). Vì tần số f rất cao nên bước sóng l = v/fnhỏ, sóng siêu âm có thể tập trung lạit hành một tia nhỏ, một xung ngắn, đi theo một đường thẳng, dễ sử dụng để đo đạc khoảng cách.

Bộ phận quan trọng nhất của máy chụp siêu âm là đầu dò siêu âm, có chức năng phát ra xung siêu âm đồng thời thu được các xung siêu âm phản xạ. Kèm theo đầu dò là một máy đo thời gian rất chính xác đồng thời có các bộ vi xử lýy để tính toán, điều khiển vẽ, tô màu…

Thí dụ muốn có ảnh siêu âm của một thai nhi trong bụng mẹ (siêu âm thai). Bác sĩ đặt đầu dò áp sát vào da bụng mẹ. Giả sử đầu dò ở thời điểm t ₀phát ra một xung siêu âm đi vào bụng mẹ (xem như đi vào một chất dịch) theo hướng xuyên qua cánh tay em bé (xem như đi vào chất thịt) và đi ra khỏi cánh tay (lại đi vào chất dịch). Khi xung siêu âm bắt đầu đến cánh tay tức là đến lớp phân cách giữa chất dịch và chất thịt, xung siêu âm bị phản xạ một phần, và một phần tiếp tục đi thẳng. Phần phản xạ đi ngược lại đến đầu dò siêu âm ở thời điểm t ₁, nếu biết được vận tốc siêu âm trong chất dịch ở bụng mẹ là v­ _dich­ta có thể tính:

v _dich­(t ₁– t ₀)/2 =khoảng cách từ da bụng mẹ đến cánh tay em bé theo hướng đi của xung siêu âm.

Phần còn lại sau phản xạ lần thứ nhất tiếp tục đi trong chất thịt của cánh tay em bé, lại bị phản xạ khi ra khỏi cánh tay gặp mặt phân cách giữa chất thịt và chất dịch. Đầu dò nhận xung phản xạ lần 2 này vào thời điểm t ₂. Nếu tốc độ siêu âm trong chất thịt là v _thịtta có:

V _thịt(t ₂– t ₁)/2 =bề rộng của cánh tay em bé theo hướng đi của xung siêu âm.

Như vậy từ bụng mẹ vạch đường thẳng theo hướng đi của xung siêu âm, trên đường đó có thể vẽ được chấm thứ nhất ứng với khoảng cách từ da bụng mẹ đến cánh tay em bé và chấm thứ hai cách chấm thứ nhất bằng bề rộng cánh tay em bé (theo hướng đi của xung siêu âm). Lần lượt nghiêng chùm tia siêu âm để quét tia siêu âm theo nhiều hướng, có thể có được nhiều chấm như vậy và nối chúng lại ta có hình vẽ theo đường viền của tay, chân, đầu, bụng em bé…

Nếu căn cứ theo chất tức là theo tốc độ truyền xung siêu âm mà ta đã dùng để tính toán và quy ước thí dụ chất dịch ứng màu nhạt, chất thịt ứng màu đậm, chất của con mắt cho màu hơi đen…. và điều khiển để máy tính tô màu, ta có được ảnh em bé trong bụng mẹ như là ảnh chụp vậy. Chú ý là ở các đầu dò hiện dùng có thể phát ra đồng thời nhiều xung siêu âm ở nhiều độ nghiêng một các tự động và máy tính xử lý rất nhanh nên tuy quét theo nhiều hướng trên một diện rộng nhưng chụp ảnh siêu âm không phải là tức thời trong nháy mắt nhưng không phải quá lâu. Ảnh siêu âm thường có hình rẻ quạt là vì đầu dò siêu âm hầy như để một chỗ trên bụng, chủ yếu là nghiêng qua nghiêng lại để quét. Nếu quét tia siêu âm theo một mặt, ta có ảnh là lát cắt (2 chiều) nếu quét theo cả không gian ta có ảnh ba chiều, nếu lần lượt quét nhiều ảnh ba chiều theo thời gian ta có ảnh siêu âm bốn chiều.

Thực tế người ta tiến hành đo đạc phân tích không phải chỉ là theo biên độ của sóng siêu âm mà theo cả biên độ và pha nên thu được thông tin phong phú chính xác hơn.

Có những trường hợp, thí dụ máu trong cơ thể là động chứ không phải đứng yên. Người ta có thể dùng hiệu ứng Doppler đối với siêu âm để có những thông tin về cả vị trí, cả chuyển động thường gọi là siêu âm Doppler. Dí dụ ảnh siêu âm Doppler của một bàn tay có thể thấy rõ đâu là tĩnh mạch màu xanh, đâu là động mạch màu đỏ trên một bàn tay. Thực sự màu sắc ở đây không liên quan gì đến màu sắc như hồng cầu của máu mà chỉ liên quan đến cách gán màu theo tốc độ khi điều khiển vẽ, tô màu ở ảnh siêu âm.