Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 12 CTST bài 4: Chẩn đoán bằng siêu âm

KHỞI ĐỘNG

Trong y học, kĩ thuật chẩn đoán bằng sóng siêu âm (thường được gọi là kĩ thuật siêu âm hay siêu âm) được sử dụng phổ biến để thu được hình ảnh của một bộ phận cần quan sát trong cơ thể như siêu âm bụng, siêu âm thai nhi (Hình 4.1) …Nhờ đó, các bác sĩ có thể quan sát và chẩn đoán tình trạng sức khoẻ của bệnh nhân hoặc theo dõi sức khoẻ của thai nhi trong thai kì. Vậy kĩ thuật siêu âm dựa trên những tính chất nào của sóng?

Bài làm chi tiết:

Kĩ thuật siêu âm dựa trên những tính chất của sóng là: Phản xạ và tán xạ khi gặp mặt phân cách, không truyền trong chân không, trong những môi trường khác truyền với vận tốc bằng vận tốc âm.

1. KĨ THUẬT SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

Thảo luận 1:Nhắc lại các tính chất của sóng cơ học.

Bài làm chi tiết:

- Sóng cơ học là quá trình lan truyền dao động cơ học theo thời gian trong môi trường vật chất đàn hồi.

- Khi sóng truyền qua, các phân tử của môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của chúng mà không chuyển dời theo sóng, chỉ có pha dao động của chúng được truyền đi.

- Môi trường truyền sóng ngang: rắn và bề mặt chất lỏng.

- Môi trường truyền sóng dọc: rắn, lỏng, khí.

- Sóng cơ không truyền được trong chân không.

- Sóng có tính chất phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa.

Thảo luận 2: 

a) Tính bước sóng của một sóng siêu âm có tần số 2 MHz lan truyền trong thạch anh, biết tốc độ lan truyền của sóng âm trong thạch anh khoảng 5800 m/s.

b) Biết bề dày tối ưu của tinh thể áp điện trong đầu dò là một nửa bước sóng của sóng siêu âm. Hãy xác định bề dày tối ưu của tinh thể áp điện tương đương với sóng siêu âm đang xét ở câu a.

Bài làm chi tiết:

a) Bước sóng của một sóng siêu âm là:

b) Bề dày tối ưu của tinh thể áp điện trong đầu dò là một nửa bước sóng của sóng siêu âm là: m

Luyện tập: Tìm hiểu và trình bày vai trò của lớp vật liệu hấp thụ dao động trong đầu dò.

Bài làm chi tiết:

Vai trò của lớp vật liệu hấp thụ dao động trong đầu dò  được sử dụng để làm suy giảm và hấp thụ năng lượng siêu âm bức xạ từ mặt sau của tinh thể áp điện, để nó không bị phản xạ trở lại trong đầu dò. Hơn nữa lớp vật liệu hấp thụ dao động còn giúp bảo vệ tinh thể áp điện khỏ các tác động cơ học, rung động và tiếng ồn môi trường, giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao độ ổn định của tinh thể áp điện, góp phần tăng độ bền cho đầu dò. Trong ứng dụng siêu âm y tế thì lớp vật liệu hấp thụ dao động đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ phân giải hình ảnh bằng cách giảm thiểu nhiễu sóng giúp hình ảnh siêu âm sắc nét và rõ ràng hơn. 

Vận dụng: Tìm hiểu trên sách, báo, internet,… và trình bày sơ lược một số ứng dụng thực tiễn khác của tinh thể áp điện.

Bài làm chi tiết:

Ứng dụng thực tiễn của tinh thể áp điện:

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo bộ dao động có độ ổn định cao, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử như đồng hồ, máy tính,…

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo loa có âm thanh trong trẻo, rõ ràng và có thể tái tạo âm thanh với độ chính xác cao, được ứng dụng trong hệ thống âm thanh vòm.

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo máy in phun có độ phân giải cao, tốc độ in nhanh.

Thảo luận 3: Quan sát Hình 4.5b, lập luận để rút ra công thức (4.2)

Bài làm chi tiết:

V là tốc độ truyền âm của lớp vật liệu giữa về mặt B và C. 

D là quãng đường sóng truyền được trong thời gian t (bề dày của lớp giữa bề mặt B và C ).

Theo định nghĩa tốc độ là quãng đường sóng âm truyền đi trong một thời gian:

mà

Luyện tập: Hai xung sóng phản xạ liên tiếp trong một phép chẩn đoán sử dụng kĩ thuật siêu âm kiểu A cách nhau một khoảng thời gian là 0,03 ms. Tính khoảng cách giữa hai bề mặt phản chiếu ứng với hai xung này. Lấy tốc độ của sóng siêu âm trong mô mềm khoảng 1570 m/s.

Bài làm chi tiết:

Khoảng cách giữa hai bề mặt phản chiếu ứng với hai xung này là:

2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC CỦA SÓNG SIÊU ÂM.

Thảo luận 4: Tìm hiểu và nêu một số ứng dụng của sóng siêu âm trong nông nghiệp.

Bài làm chi tiết:

Ứng dụng của sóng siêu âm trong nông nghiệp là:

- Loại bỏ các hoá chất, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật tồn dư ra khỏi các sản phẩm nông nghiệp.

- Dùng siêu âm để kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Sóng siêu âm còn có thể xử lí đất trồng và cho kết quả tốt đẹp.

- Các nhà khoa học cho biết, sóng siêu âm có thể đã tác dụng lên vi sinh vật trong đất khiến cho chúng kích thích phát triển làm tỷ lệ mùn tăng lên.

Vận dụng: Sóng siêu âm được ứng dụng trong kĩ thuật SONAR (Sound Navigation and Ranging) để định vị, liên lạc và phát hiện các đối tượng trên mặt, dưới nước hoặc ở đáy biển như đàn cá, tàu, vật thể trôi nổi hoặc hìm trong bùn cát. Hãy tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của kĩ thuật SONAR thông qua sách, báo, internet,… và trình bày một cách ngắn gọn.

Bài làm chi tiết:

SONAR là kĩ thuật phát hiện và xác định khoảng cách và hướng của các vật thể dưới nước bằng phương tiện âm thanh. Sóng âm thanh phát ra hoặc phản xạ từ vật thể được thiết bị siêu âm phát hiện và phân tích thông tin chứa trong đó.

Hệ thống SONAR:

- Hệ thống SONAR chủ động: máy chiếu âm thanh tạo ra sóng âm lan ra bên ngoài và bị phản xạ trở lại bởi vật thể mục tiêu.

- Máy thu và phân tích tín hiệu phản xạ và có thể xác định phạm vi, phương hướng, chuyển động tương đối của mục tiêu.

3. BÀI TẬP

Câu hỏi 1: Tìm hiểu và giải thích vì sao sóng siêu âm không được sử dụng trong chẩn đoán các vấn đề liên quan đến não.

Bài làm chi tiết:

Sóng siêu âm không được sử dụng phổ biến để chụp ảnh não vì nó có những hạn chế về cấu trúc hình ảnh trong hộp sọ. Xương sọ có thể cản trở sự truyền sóng siêu âm, gây khó khăn  cho việc thu được hình ảnh rõ ràng và chi tiết về nào. Hơn nữa, sóng siêu âm bị xương hấp thụ và phân tán, điều này càng cản trở khả năng xuyên qua hộp sọ và tạo ra hình ảnh não chất lượng cao.

Câu hỏi 2: Tìm hiểu trên sách, báo, internet,.. và trình bày ngắn gọn một số bệnh lí có thể được chẩn đoán bằng kĩ thuật siêu âm.

Bài làm chi tiết:

Một số bệnh lí có thể được chẩn đoán bằng kĩ thuật siêu âm là:

- Bệnh lý tim mạch như: tim bẩm sinh, bệnh tim do van tim, bệnh tim do thiếu máu cục bộ,…

- Mang thai, bệnh lý buồn trứng, bệnh lý tử cung,…

- Bệnh lý tiết liệu như sỏi thận, viêm đường tiết liệu,…

- Bệnh về xương, bệnh lý tuyến giáp, bệnh lý tuyến vú,…