Sản xuất và ứng dụng siêu âm
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| transducer/trænsˈdjuːsə/ | bộ chuyển đổi |
| ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ | siêu âm |
| piezo-electric/piˌeɪtsəʊ ɪˈlektrɪk/ | áp điện |
| electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ | điện động lực |
| longitudinal/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl/ | sóng dọc |
| resolution/ˌrezəˈluːʃn/ | độ phân giải |
| specific acoustic impedance/spəˈsɪfɪk əˈkuːstɪk ɪmˈpiːdəns/ | trở kháng âm học riêng |
| density/ˈdensɪti/ | mật độ |
| intensity reflection coefficient/ɪnˈtensɪti rɪˈflekʃn ˌkəʊɪˈfɪʃənt/ | hệ số phản xạ cường độ |
Nếu không có gel, bạn sẽ không nhìn thấy gì cả
- Trước khi quét, kỹ thuật viên siêu âm bôi gel lạnh lên da. trông nó giống như một biện pháp làm dịu. Nhưng không phải thế.
- Nếu không có lớp耦合介质, sẽ có một lớp khí mỏng giữa đầu dò siêu âm và da, khiến 99.9% xung phản xạ thẳng trở lại.
- Với gel, chỉ khoảng $0.2\%$ phản xạ và gần như toàn bộ xung đi vào cơ thể.
- Một đại lượng, được tính từ $Z = \rho c$, quyết định điều đó. Bài học này giải thích cách siêu âm được tạo ra, cách sử dụng và ý nghĩa của con số đó.
Hiệu ứng áp điện
- Một tinh thể áp điện như thạch anh hoặc PZT thực hiện hai việc liên kết với nhau, và cả hai đều cần thiết.
- Đặt hiệu điện thế vào nó và nó thay đổi hình dạng. Đó là cách tạo ra dao động.
- Thay đổi hình dạng nó bằng cách bóp nó, và một lực điện động xuất hiện across nó. Đó là cách phát hiện dao động.
- Hai hiệu ứng này là hoàn toàn ngược nhau, đó là lý do một tinh thể có thể làm cả hai công việc.
Đẩy nó, nó phát thanh; nói chuyện với nó, nó đẩy lại
Một tinh thể áp điện:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Cả hai hiệu ứng cho phép một tinh thể vừa phát siêu âm (áp dụng hiệu điện thế) vừa thu nhận nó (đọc suất điện động).
Máy biến đổi
- Một máy biến đổi sử dụng hiệu ứng này để vừa tạo ra vừa phát hiện siêu âm, tức là sóng dọc trên $20\ \text{kHz}$.
- Tạo sóng, 3 điểm: một hiệu điện thế xoay chiều được đặt across tinh thể; tinh thể giãn nở và co lại theo tần số của hiệu điện thế; hiệu điện thế được cài đặt ở tần số cộng hưởng của tinh thể để dao động lớn, và các mặtpush vào mô.
- Phát hiện, 2 điểm: các biến thiên áp suất của sóng quay lại làm thay đổi hình dạng tinh thể, và hình dạng thay đổi tạo ra một lực điện động, được khuếch đại và ghi lại.
- Cùng một tinh thể làm cả hai việc, chuyển đổi giữa phát và nghe.
Một tinh thể, hai công việc
Sắp xếp thứ tự sự tạo ra siêu âm bởi một đầu dò.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
Việc thu nhận là quá trình ngược lại: sóng trở về làm thay đổi hình dạng tinh thể, và sự thay đổi hình dạng sinh ra suất điện động.
Chụp ảnh phản xạ xung
- Khung sườn 4 điểm: một xung được gửi vào qua gel耦合; tại mỗi biên giới một phần phản xạ và quay lại; độ trễ thời gian cho biết độ sâu; cường độ của echo cho biết loại biên giới đó là gì.
- Độ sâu đến từ chuyến đi đi và về:
- Quét máy biến đổi, hoặc sử dụng mảng, xây dựng thành hình ảnh hai chiều.
- Hệ số $2$ là sai sót tính toán phổ biến nhất trong chủ đề này.
Một spike ra, nhiều spike trả về
Ví dụ minh họa: biên giới nằm sâu bao nhiêu
- Một xung quay lại $60\ \mu\text{s}$ sau khi được gửi, và vận tốc âm thanh trong mô là $1500\ \text{m/s}$. Hãy tìm độ sâu của biên giới phản xạ.
- $d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 60\times10^{-6}}{2} = 0.045\ \text{m} = 4.5\ \text{cm}$.
- Chia đôi nó, vì xung đã đi và về. Lỡ quên chia đôi sẽ cho $9.0\ \text{cm}$, là một đáp án hoàn toàn sai về lý do đáng nhớ.
Một tín hiệu phản xạ trở lại sau $2.0 \times 10^{-4}\ \text{s}$; tốc độ âm thanh là $1500\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Ranh giới nằm sâu bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$d = \dfrac{ct}{2} = \dfrac{1500 \times 2.0 \times 10^{-4}}{2} = 0.15\ \text{m}$ (xung đã đi đến đó và quay về).
Một xung siêu âm trở lại sau 60 micro giây kể từ lúc truyền đi, với tốc độ âm thanh là 1500 m/s. Ranh giới nằm sâu bao nhiêu, tính bằng cm?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
d = ct/2 = 4.5 cm. Chia đôi nó: xung đã đi VÀ quay VỀ. Quên chia 2 sẽ ra kết quả 9.0 cm.
Tại sao là xung, và tại sao là megahertz
- Máy biến đổi gửi một xung ngắn và sau đó lắng nghe. Mỗi echo phải đến trước khi xung tiếp theo rời đi, nếu không các echo từ các xung khác nhau sẽ không phân biệt được, và tinh thể không thể vừa phát vừa thu cùng lúc.
- Tần số là một sự thỏa hiệp. Tần số cao hơn có nghĩa là bước sóng ngắn hơn và chi tiết sắc nét hơn, độ phân giải tốt hơn.
- Nhưng tần số cao cũng bị attenuated mạnh hơn (giảm cường độ mạnh hơn), vì vậy các cơ quan sâu cần tần số thấp hơn so với các cơ quan nông.
- Chụp cắt lớp y tế sử dụng $1$ đến $15\ \text{MHz}$, tạo ra bước sóng nhỏ hơn một phần milimet trong mô.
Tần số siêu âm cao hơn sẽ có những hệ quả nào? Chọn tất cả các đáp án đúng.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Sự phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch trở kháng, không phụ thuộc tần số. Việc chọn tần số là sự đánh đổi giữa độ phân giải và khả năng xuyên thấu, nên cơ quan sâu được quét ở tần số thấp hơn.
Trở kháng âm học riêng
- Trở kháng âm học riêng của môi trường là tích của mật độ và tốc độ truyền âm trong đó.
- Cả hai đại lượng đều phải được nêu tên để nhận 2 điểm. "Âm thanh gặp khó khăn thế nào khi đi qua" không được tính điểm.
- Chỉ riêng mật độ không quyết định nó: nước và mô mềm có thành phần rất khác nhau nhưng gần như cùng một $Z$, và chính $Z$, chứ không phải mật độ, mới xác định bao nhiêu phần bị phản xạ.
- Đối với mô mềm: $Z = 1060 \times 1540 = 1.6\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$.
Trở kháng âm Z = mật độ × ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$Z = \rho c$ — tích của mật độ và tốc độ âm trong môi trường.
Khớp mỗi ranh giới với những gì xảy ra với xung.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
Chụp ảnh cần trường hợp ở giữa. Gel tồn tại để chuyển đổi trường hợp đầu tiên thành trường hợp thứ ba tại da.
Mức độ phản xạ tại biên giới
- Tại biên giới giữa trở kháng $Z_1$ và $Z_2$, hệ số phản xạ cường độ là
- Hai trở kháng rất khác nhau sẽ phản xạ hầu hết năng lượng, đây là vấn đề da tiếp xúc không khí.
- Hai trở kháng rất giống nhau phản xạ gần như không gì, nên biên giới trở nên vô hình.
- Trường hợp hữu ích cho chụp ảnh nằm ở giữa: khác nhau đủ để tạo ra tiếng vang (echo), nhưng giống nhau đủ để xung tiếp tục lan truyền sang biên giới kế tiếp.
Sự không khớp chính là tiếng vang
Quy trình quét siêu âm
Theo dõi xung từ đầu dò đến hình ảnh phản xạ.
Hai môi trường có trở kháng âm rất tương tự sẽ gần như không tạo ra tín hiệu phản xạ.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Tỷ lệ bị phản xạ phụ thuộc vào sự chênh lệch trở kháng; trở kháng tương tự phản xạ rất ít, nên ranh界 khó thấy.
Ví dụ minh họa: tại sao gel không thể thiếu
- Không khí có $\rho = 1.29\ \text{kg/m}^3$ và $c = 343\ \text{m/s}$. Gel có $Z = 1.50\times10^{6}$ và mô mềm có $Z = 1.63\times10^{6}\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$. So sánh sự phản xạ tại biên giới không khí-mô và gel-mô.
- $Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg/(m}^2\text{ s)}$, nhỏ hơn của mô một hệ số gần bằng $4000$.
- Không khí - mô: $\left(\dfrac{442 - 1.63\times10^{6}}{442 + 1.63\times10^{6}}\right)^2 = 0.9989$, do đó $99.9\%$ bị phản xạ và chỉ có $0.1\%$ đi vào cơ thể.
- Gel - mô: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^2 = 0.0017$, do đó chỉ có $0.2\%$ bị phản xạ.
- Gel thay thế không khí bằng thứ có trở kháng gần khớp với da, nên hầu như toàn bộ xung đi vào, và tiếng vang quay lại theo cách tương tự.
Gel耦合 giữa đầu dò và da:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
Không có gel, sự chênh lệch trở kháng khổng lồ giữa da và không khí sẽ phản xạ hầu hết siêu âm tại bề mặt.
Gel có Z = 1.50e6 và mô mềm Z = 1.63e6 kg/(m^2 s). Phần trăm cường độ bị phản xạ tại ranh giới gel-mô là bao nhiêu?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
((1.50-1.63)/(1.50+1.63))^2 = 0.0017, tức là 0.17%. Tại ranh giới không khí-mô, công thức tương tự cho ra 99.9%, đó là lý do gel không thể thiếu.
Sự suy giảm (Attenuation)
- Siêu âm yếu dần khi truyền đi, tuân theo cùng quy luật mũ áp dụng cho tia X và sự phân rã phóng xạ:
- $\mu$ là hệ số suy giảm của môi trường, và tần số cao hơn có hệ số $\mu$ lớn hơn, đây là sự đánh đổi đằng sau việc lựa chọn tần số.
- Để tìm độ dày, lấy logarit: $x = \dfrac{1}{\mu}\ln\dfrac{I_0}{I}$.
- Chú ý đơn vị: $\mu$ trong $\text{cm}^{-1}$ cần $x$ tính bằng cm. Việc trộn lẫn chúng là lỗi chuẩn và dẫn đến đáp án sai một hệ số $100$ trong số mũ.
Điểm số dễ mất
- Chia đôi khoảng cách trong phép tính pulse-echo. Xung đi đến đó và quay về.
- $Z = \rho c$ yêu cầu phải nêu cả mật độ và tốc độ trong định nghĩa.
- Công thức phản xạ sử dụng hiệu trên tổng, bình phương lên. Quên bình phương sẽ làm thay đổi hoàn toàn đáp án.
- Gel dùng để khớp trở kháng, không phải để "giúp âm thanh truyền đi". Hãy nói rõ nó thay thế cái gì và tại sao.
- Tần số cao mang lại độ phân giải tốt hơn nhưng suy giảm nhiều hơn. Một câu hỏi về cơ quan sâu đang hỏi về sự đánh đổi này.
Bạn đã nắm vững
- một tinh thể piezo-electric biến dạng dưới điện áp và sinh ra suất điện động khi biến dạng, nên một bộ chuyển đổi vừa phát vừa thu
- Chụp ảnh pulse-echo cho biết độ sâu từ $d = ct/2$ và loại mô từ cường độ tiếng vang
- trở kháng âm học riêng là $Z = \rho c$, và $I_R/I_0 = \left(\frac{Z_1-Z_2}{Z_1+Z_2}\right)^2$, đó là lý do khe hở không khí phản xạ $99.9\%$ và gel là bắt buộc
- Siêu âm bị suy giảm theo $I = I_0 e^{-\mu x}$, và tần số cao hơn mang lại độ phân giải tốt hơn nhưng khả năng thâm nhập kém hơn