Chuyên đề Vật lí 12 Bài 4 (Chân trời sáng tạo): Chẩn đoán bằng siêu âm

Giải Chuyên đề Vật lí 12 Bài 4: Chẩn đoán bằng siêu âm

Mở đầu trang 24 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 được 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?

Lời giải:

Kĩ thuật siêu âm dựa trên những tính chất của sóng là: Phản xạ và khúc xạ khi gặp mặt phân cách giữa các môi trường, không truyền trong chân không.

Khi sóng siêu âm truyền tới bề mặt giữa hai môi trường không đồng nhất trong cơ thể, một phần của nó sẽ bị phản xạ và phần còn lại sẽ bị khúc xạ do sự khác biệt về tốc độ truyền sóng của hai môi trường này. Như vậy, sóng siêu âm phản xạ sẽ được thu nhận bởi đầu dò, tinh thể áp điện chuyển sóng siêu âm thành tín hiệu điện. Từ đó sử dụng các phần mềm máy tính để tái tạo hình ảnh của cơ quan trong cơ thể.

1. Kĩ thuật siêu âm ứng dụng trong y học

Hình thành kiến thức mới 1 trang 24 Chuyên đề Vật Lí 12: Nhắc lại các tính chất của sóng cơ học

Lời giải:

- 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: chất rắn và bề mặt chất lỏng.

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

- Sóng cơ không truyền được trong chân không.

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

Hình thành kiến thức mới 2 trang 25 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 5 800 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 ứng với sóng siêu âm đang xét ở câu a.

Lời giải:

a) Bước sóng của một sóng siêu âm là: $\lambda =\frac{v}{f}=\frac{5800}{{2.10}^6}=2,{9.10}^{-3}m$

b) Bề dày tối ưu của tinh thể áp điện trong đầu dò là một nửa bước sóng của sóng siêu âm là: $d=\frac{\lambda }{2}=\frac{2,{9.10}^{-3}}{2}=1,{45.10}^{-3}m$

Luyện tập trang 25 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu và trình bày vai trò của lớp vật liệu hấp thụ dao động trong đầu dò.

Lời giải:

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 khỏi 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 trang 25 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu trên sách, báo, internet, ... và trình bày sơ lược một số ứng dụng thực tiễn khác của tinh thể áp điện.

Lời giải:

Ứng dụng của tinh thể áp điện:

- Các thiết bị đầu dò, các thiết bị cảm biến như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc áp điện, cảm biến siêu âm

- 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 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.

Hình thành kiến thức mới 3 trang 27 Chuyên đề Vật Lí 12: Quan sát Hình 4.5b, lập luận để rút ra công thức (4.2).

Lời giải:

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 )

t là thời gian sóng siêu âm đi từ B đến C

Từ đó, bề dày của lớp giữa bề mặt B và C được xác là d = v.t

Ta thấy xung 1, 2 và 3 mô tả tại các ranh giới khác nhau. Xung 1 phản xạ tại ranh giới giữa cơ và xương tại B. Xung 2 phản xạ tại ranh giới giữa xương và cơ tại C. Do đó để xuất hiện xung 2 thì sóng siêu âm phải xuất đi qua lớp B, đến lớp C sau đó quay trở lại qua B và tới đầu dò, nên Δt là khoảng thời gian cần thiết để sóng siêu âm truyền được quãng đường bằng hai lần bề dày của lớp giữa hai bề mặt B và C.

Do đó $t=\frac{\Delta t}{2}\Rightarrow d=v.t=\frac{v.\Delta t}{2}$

Luyện tập trang 27 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 1 570 m/s.

Lời giải:

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

$d=\frac{v.\Delta t}{2}=\frac{1570.0,{03.10}^{-3}}{2}=0,02355m$

2. Một số ứng dụng khác của sóng siêu âm

Hình thành kiến thức mới 4 trang 28 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu và nêu một số ứng dụng của sóng siêu âm trong nông nghiệp.

Lời giải:

Ứng dụng của sóng siêu âm trong nông nghiệp là:

- Sấy khô bằng siêu âm được lựa chọn để thay thế cho sấy nóng những vật không thể sấy khô bằng nhiệt vi nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi các tính chất của chúng.

- Siêu âm cũng được dùng để tiệt trùng làm kéo dài thêm thời gian bảo quản thực phẩm.

- 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.

- 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 trang 28 Chuyên đề Vật Lí 12: 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 chìm 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.

Lời giải:

Có hai loại sonar:

- Sonar chủ động thì tự phát xung sóng và nghe tiếng vọng lại. Loại này thường được trang bị trên các tàu khu trục, tàu quét mìn, tàu corvette, tàu phóng lôi,...của quân sự (dùng chống tàu ngầm, quét. rà phá thủy lôi) và trên các tàu đánh cá, tàu cứu hộ,... của dân sự

- Sonar bị động (hay sonar thụ động) thì chỉ nghe âm thanh do tàu bè hay nguồn âm khác phát ra. Loại sonar này có tầm hoạt động kém hơn so với sonar chủ động và được trang bị trên tàu ngầm.

Bài tập (trang 28)

Bài tập 1 trang 28 Chuyên đề Vật Lí 12: Tìm hiểu và giải thích vì sao sóng siêu âm không được sử dụng trong chẩn đoán các vấn đề liên quan đến não.

Lời giải:

Sóng siêu âm không được sử dụng phổ biến để chụp ảnh não vì: xương có thể cản trở sóng siêu âm hoặc làm cho các xung tín hiệu phản xạ không được tốt dẫn đến chất lượng hình ảnh về não không sắc nét.

Bài tập 2 trang 28 Chuyên đề Vật Lí 12: 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.

Lời giải:

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,…

- Bệnh lí liên quan đến buồng trứng, bệnh lí tử cung,…

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