am thanh va sieu am trong y hoc

_______________________________________________________________________________________________

BÀI 2: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

I. ÐẶC TRƯNG CỦA DAO ÐỘNG VÀ SÓNG CƠ HỌC

Dao động là một chuyển động được lặp lại nhiều lần theo thời gian; Ví dụ như tim hoạt động như một cái bơm vừa hút đẩy máu đi liên tục đến các cơ quan theo một chu kỳ nhất định. Hoạt động của tim là một chuỗi của những dao động. Quá trình hoạt động của phổi để trao đổi khí giữa máu và không khí cũng là một qúa trình dao động.

* Hệ phải có một vị trí cân bằng bền và hệ dao động qua lại hai bên vị trí đó. Ðộ lệch cực đại của vật so với vị trí cân bằng gọi là biên độ.

* Khi hệ rời khỏi vị trí cân bằng bền, luôn luôn có một lực kéo hệ về vị trí cân bằng bền gọi là lực hồi phục F=-kx với k hệ số hồi phục, x là độ dời của hệ so với vị trí cân bằng.

* Hệ có quán tính cho nên khi chuyển đến vị trí cân bằng, do quán tính, nó tiếp tục vượt qua vị trí cân bằng đó.

* Chu kỳ của một dao động là thời gian để hệ thực hiện hoàn chỉnh một dao động.

* Dao động điều hòa: Khi chu kỳ của dao động là ổn định và biên độ là không đổi ta có dao động điều hòa.

Ðể đặc trưng cho tính tuần hòan của dao động, người ta còn dùng khái niệm tần số. Tần số là một đại lượng có trị số bằng tổng số dao động mà hệ thực hiện được trong một đơn vị thời gian. Dễ dàng thấy rằng, tần số f liên hệ chu kỳ T của dao động điều hòa theo biểu thức:

* Có hai dạng dao động được xem gần như dao động điều hòa là dao động của con lắc lò xo và dao động của con lắc dây (Con lắc toán học).

Chúng ta thiết lập phương trình dao động điều hòa của con lắc lò xo, cụ thể là tìm sự phụ thuộc của độ dời x của con lắc lò xo theo thời gian. Viết phương trình định luật 2 Newton đối với quả cầu có độ cứng lò xo là k ta có:

Ðây là một phương trình vi phân cấp hai thuần nhất, hệ số không đổi. Theo giải tích, nghiệm của nó có dạng:

trong đó A > 0 là biên độ và là pha ban đầu phụ thuộc vào các điều kiện ban đầu của hệ.

Dao động là một dạng chuyển động cơ học, vì vậy năng lượng dao động là cơ năng:

Ðể tính thế năng, ta tính công của lực hồi phục F trong chuyển dời con lắc từ vị trí cân bằng đến vị trí có toạ độ x:

Công bằng độ biến thiên thế năng của con lắc lò xo từ vị trí cân bằng đến vị trí có toạ độ x:

trong đó

là thế năng tại O,

là thế năng tại vị trí có toạ độ x.

Nếu ta quy ước thế năng của con lắc lò xo tại O bằng khôngĠ, thì

Cơ năng trong quá trình dao động điều hòa phụ thuộc vào biện độ và tần số của dao động. Như vậy trong quá trình dao động điều hòa, năng lượng được bảo toàn. Ðiều này phù hợp với định luật bảo toàn cơ năng, tuy là cơ năng bảo toàn, nhưng luôn có sự chuyển hóa qua lại giữa động năng và thế năng.

Trong cơ thể chúng ta những dao động thực sự là những dao động cưỡng bức, ví dụ dao động của tim được thực hiện do sự co bóp liên tục của cơ tim; Khi tim ngừng co bóp cơ thể ngừng hoạt đống. Dao động của hệ cưỡng bức khá phức tạp vì đó là sự chồng chất của dao động riêng tắt dần dưới tác dụng của nội lực và dao động cưỡng bức dưới tác dụng của ngoại lực tuần hòan. Sau một thời gian đủ lớn dao động tắt dần không còn nữa; khi đó dao động của hệ chỉ là dao động cưỡng bức. Thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng dao động cưỡng bức có chu kỳ bằng chu kỳ của ngoại lực tuần hòan tác dụng.

Khi tần số góc của lực tuần hòan bằng tần số dao động riêng của hệ lúc đó biên độ dao động cưỡng bức đạt giá trị cực đại, ta nói có hiện tượng cộng hưởng. Tần số góc của lực tuần hòan được gọi là tần số cộng hưởng . Cộng hưởng được sử dụng trong một số phương pháp trị bệnh bằng cách dùng ngoại lực từ các máy kích thích tuần hoàn (ví dụ như các dòng điện xoay chiều tần số cao) lên một số bộ phận hoạt động kém hay bị tê liệt trên cơ thể.

Những dao động cơ lan truyền trong môi trường vật chất (đàn hồi) được gọi là sóng cơ. Ðặc điểm của quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trường vật chất là sự truyền sóng ứng với những kích động nhỏ không kèm theo quá trình vận chuyển vật chất trong môi trường. Người ta gọi ngoại vật gây kích động là nguồn sóng, phương truyền của sóng là tia sóng, không gian mà sóng truyền qua là trường sóng.

Người ta chia sóng cơ làm hai loại là sóng ngang và sóng dọc. Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng. Thí dụ: sóng truyền trên một sợi dây đàn khi ta rung nhẹ một đầu (Hình2.1a). Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng. Thí dụ: khi ta nén vài vòng của lò xo rồi bỏ tay ra (Hình 2.1b). Hình ảnh những đoạn này truyền dọc theo lò xo chính là sóng dọc. Âm thanh là một dạng sóng dọc. Sóng dọc truyền được trong chất rắn cũng như trong các môi trường lỏng và khí.

Vận tốc sóng là quảng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian. Trong lý thuyết đàn hồi, người ta đã chứng minh được trong môi trường đẳng hướng, vận tốc sóng dọc bằng:

Trong đó

và

lần lượt là hệ số đàn hồi, suất đàn hồi (suất Young) và khối lượng riêng của môi trường;

Vận tốc sóng ngang được tính qua suất trượt G của môi trường theo công thức:

Chu kỳ T và tần số f của sóng là chu kỳ và tần số của các phần tử dao động của môi trường.

Giả sử xét một phần tử của môi trường đồng nhất và đẳng hướng, có thể tích

, nằm trên phương truyền sóng y. Nếu hàm sóng có dạng

thì năng lượng của sóng trong thể tích nhỏ

đó được tính theo biểu thức:

Năng lượng của sóng cũng có tính chất tuần hoàn theo thời gian và không gian với chu kỳ T và bước sóng

Mật độ năng lượng sóng w0 là năng lượng của sóng đi qua một đơn vị thể tích của môi trường. Từ (2.18) ta suy ra:

Ta thấy mật độ năng lượng sóng biến thiên theo thời gian. Ta có thể tính giá trị trung bình của nó trong một chu kỳ. Vì giá trị trung bình củaĠtrong một chu kỳ bằng 1/2 nên theo (2.19) mật độ trung bình của sóng bằng:

mật độ năng lượng sóng trung bình chính là năng lượng dao động của một đơn vị thể tích môi trường mà sóng đi qua. Ðôi khi người ta còn dùng khái niệm cường độ sóng đó là năng lượng sóng đi qua một đơn vị diện tích của môi trường:

Trong y học người ta dùng sóng âm (siêu âm) cho truyền qua một số bộ phận của cơ thể, vận tốc truyền của sóng âm trong các bộ phận đó cho ta những thông tin quang trọng về khối lượng riêng về độ đồng nhất. Ví dụ như cho siêu âm đi qua một mãnh xương,vận tốc truyền sóng âm qua xương đó giúp ta biệt được hàm lượng Canxi và sự phân bố Canxi trong mẫu xương đó.

Âm thanh là sóng cơ học có biên độ nhỏ mà thính giác của con người có thể nhận biết được. Thí dụ: sóng âm phát ra từ một nhánh âm thoa, một dây đàn, một mặt trống đang rung động. Mỗi âm đơn có một tần số riêng.

Ðơn vị tần số là Hertz (viết tắt là Hz). Hertz là tần số của một quá trình dao động âm mà cứ mỗi giây vật thực hiện được một dao động. Dao động âm có tần số khoảng từ 20 - 20.000 Hz. Những dao động cơ có tần số dưới 20 Hz gọi là hạ âm, trên 20.000 Hz gọi là siêu âm. Như vậy, sóng âm nghe được có bước sóng từ 20m ( 2cm trong chân không.

f < 20 Hz	20 Hz < f < 20.000 Hz	f > 20000 Hz
Hạ âm	Âm (nghe được)	Siêu âm

Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được không có gì khác nhau về bản chất. Chúng chỉ khác nhau về phương diện tác dụng sinh lý đối với màn nhỉ. Thực nghiệm chứng tỏ âm thanh đi thành tia và nó cũng bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng. Vì vậy, ta có thể nghe được tiếng động phản xạ từ vách đá, tiếng động bên ngoài đi vào trong một ngôi nhà đóng kín cửa; Hai người cách nhau một bức tường có thể trò chuyện với nhau dễ dàng.

Thực nghiệm xác nhận mọi vật rắn khi thực hiện những va chạm nhỏ với các vật khác đều tạo ra âm thanh. Khi ta vỗ tay, khi ta khảy dây đàn, khi chân ta đá vào một qủa bóng, tất cả các trường hợp đó đều tạo ra những âm thanh xác định.

Sự truyền âm trong một môi trường đàn hồi không phải là tức thời; ta có thể nhận thấy ánh chớp trước khi nghe được tiếng sấm. Thực nghiệm chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vận tốc không đổi. Vận tốc truyền âm thanh thay đổi khi âm thanh truyền qua các môi trường khác nhau (chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí).

- Vận tốc tỉ lệ với

với

là khối lượng riêng của chất khí.

Vận tốc tỉ lệ với nhiệt độ, vì khi nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí tăng, khối lượng riêng bị giảm. Ta có:

v là vận tốc truyền âm ở nhiệt độ toC ;

là vận tốc truyền âm ở 0oC.

Ðể tính sự phụ thuộc chính xác của vận tốc vào nhiệt độ và cả khối lượng riêng ta dùng công thức Laplace:

trong đó P0 = 1,013.105 N/m2 là áp suất khí quyển, khối lượng riêng của chất khí, tính bằng kg/m3:; CP và CV là nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của không khí; v là vận tốc của âm thanh trong chất khí ở nhiệt độ toC

Người ta thấy là vận tốc truyền âm truyền trong chất lỏng lớn hơn nhiều so với khi truyền trong chất khí và không khác nhau nhiều trong những môi trường chất lỏng khác nhau. Vận tốc đó vào khoảng 1.400 -> 1.500 m/s lớn gấp 3 đến 4 lần vận tốc trong chất khí.

Vận tốc truyền âm trong vật rắn lớn gấp 10 -> 15 lần vận tốc truyền âm trong không khí, tức là vào khoảng 3.000 đến 4.500 m/s.

Cường độ của âm là một tính chất mà dựa vào đó ta có thể phân biệt một âm mạnh hay yếu. Rõ ràng cường độ âm gắn liền với biên độ và năng lượng của dao động âm. Ví dụ như ta đánh mạnh vào dây đàn thì âm thanh phát ra sẽ to và dễ cảm nhận hơn là đánh nhẹ vào nó.

Cường độ của âm là đại lượng phụ thuộc vào khả năng cảm nhận âm thanh của con người mà ta gọi là cảm giác âm. Cảm giác âm do những sự biến đổi áp suất không khí ở gần lổ tai, những sự biến đổi ấy liên quan đến năng lượng dao động âm tiếp nhận bởi màng nhĩ trong một đơn vị thời gian. Như vậy, cường độ âm biến đổi tỉ lệ với công suất rung tiếp nhận bởi lổ tai. Công suất nầy được tính bằng đơn vị là Juole/cm2s hay là W/cm².

Lưu ý là cường độ âm giãm dần theo khoảng cách từ nơi nhận âm đến nguồn phát âm theo công thức: Ġ (2.25)

với I là cường độ âm nơi quan sát cách nguồn phát có cường độ âm là I0 một khoảng r; k là hệ số tỉ lệ có gía trị nhỏ hơn 1 đặc trưng cho sự hấp thụ sóng âm của môi trường.

Nếu âm thanh truyền qua môi trường hấp thụ quá mạnh, ta phải dùng công thức :

Nhiều thực nghiệm xác nhận: Cảm giác âm thanh ở tai chúng ta không chỉ phụ thuộc vào công suất rung tiếp nhận ở tai mà còn phụ thuộc vào tần số của âm thanh.

Hình 2.4 diễn tả khả năng thu nhận âm thanh theo tần số và công suất rung của âm thanh được tai tiếp nhận. Cảm giác âm thanh mà tai ta nghe được nằm ở giữa đường biểu diễn. Ðường phía trên là giới hạn cực đại, nếu công suất rung nằm phía trên đường giới hạn cực đại âm thanh có khả năng làm hỏng màng nhỉ.

Ðường phía dưới là giới hạn cực tiểu, nếu công suất rung nằm phía dưới đường giới hạn cực tiểu,có nghĩa là âm thanh có độ rung quá yếu (thầm thì) tai ta không cảm giác được. Khoảng tần số ở giữa (từ 500 ( 100 Hz) là khu vực mà tai ta dễ cảm giác âm thanh nhất. Các nhà sinh vật học giải thích điều này là do con người giao tiếp với nhau bởi khoảng tần số đó, cũng là khu vực tần số phát âm của loài người.

Giới hạn cực tiểu nhỏ nhất của công suất rung nằm ngay tần số 1.000Hz. Ðó là âm thanh mà tai ta dễ cảm nhận hơn cả.

Qui ước ứng với một âm có công suất

thì cường độ của nó .

Cường độ âm I ứng với một công suất rung P khác được tính theo công thức:

Ở đó đơn vị tính của cường độ âm là bel ( viết tắc là B) hay decibel (dB) =ĠBel.

Giá trị lớn nhất của công suất rung cũng nằm ở tần số 1.000Hz có giá tri là:

. Ðó là công suất rung giới hạn mà tai ta còn chịu được. Ngoài giới hạn nầy màn nhỉ có nguy cơ bị rách.

Bây giờ dựa vào công thức (2.25) ta hãy tính cường độ lớn nhất ứng với công suất rung cực đại.

Vậy cường độ âm cần phải cảnh giác đối với tai chúng ta có giá trị là 130 dB.

Trong các âm phát ra bởi các nhạc cụ, có âm thì trầm có âm thì bổng (thảnh thoát và cao vút). Tính chất trầm bổng được đặc trưng bằng cao độ của âm. Cao độ của âm tỉ lệ với tần số của dao động âm.

Trong âm nhạc người ta dùng một số âm có tần số nhất định để tạo thành các bộ âm giai theo cách sau:

Trong khoảng tần số từ 16Hz đến 20000Hz người ta chia làm 11 bộ âm giai (Hình 2.5). Mỗi bộ âm giai gồm có 7 nốt nhạc (Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Si ). Hai nốt nhạc kế cận có thể cách nhau hai bậc (2B) hoặc một bậc (1B) như trường hợp hai nốt Mi và Fa hoặc Si và Do.

Nếu ta gọi f1, f2 là tần số của hai nốt kế tiếp nhau một bậc về độ cao thì:

Nếu f1 và f2 là tần số của hai nốt không kế tiếp và cách nhau k bậc, ta có:

Thông thường người ta chọn một nốt nhạc làm chuẩn là La ở bộ 5 gọi tên là La5 có tần số là 435Hz để từ đó có thể tính tần số của các nốt nhạc khác

Ví dụ muốn tính tần số của nốt La4 ta sẽ tính số bậc từ La4 đến La5, đó là 12 bậc. Vậy:

Như vậy từ một nốt ở bộ này sang cùng một nốt đó ở bộ âm giai kế cao hơn thì tần số tăng lên gấp đôi, còn khi chuyển sang cùng nốt đó ở bộ âm giai kế thấp hơn thì tần số của nó giảm đi phân nửa.

Các âm thanh phát ra từ các nhạc cụ khác nhau; giọng nói của những người khác nhau nói chung là các âm thanh phức tạp, gây cho ta những cảm giác âm thanh phong phú hơn hẳn những âm đơn (phát ra từ âm thoa chẳng hạn). Sự khác nhau về các âm thanh nói trên đặc trưng bằng âm sắc. Theo lý thuyết chuổi Taylor và thuyết đàn hồi Helmholtz: có thể phân tích một âm phức tạp thành những âm đơn giản mà tần số của chúng là bội số nguyên của một tần số đơn nhỏ nhất. Các âm có tần số là bội số nguyên của tần số đơn nhỏ nhất đựợc gọi chung là các hoạ âm. Mỗi nhạc cụ phát ra một âm phức trong đó các hoạ âm của âm đơn có biên độ xác định, khác nhau cho nên khi chúng tổng hợp lại chúng gây nên hiệu ứng âm thanh trên màng nhỉ chúng ta khác nhau làm cho chúng ta nhận biết bản sắc riêng biệt của mỗi loại nhạc cụ.

Những nghiên cứu hiện đại khẳng định những dao động âm khác nhau về tần số được tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhỉ. Ðiều nầy thực hiện được là do những dao động cộng hưởng của các sơi màng nhỉ đồng thời còn do sự xuất hiện dao động ỡ limphô nội dịch và sự biến dạng đàn hồi của những phần xác định của màng.

Sự chuyển động tương đối của nguồn âm và của quan sát viên gây ra sự biến đổi tần số của âm nhận được; Hiện tượng đó được gọi là hiện tượng Doppler. Doppler tiến hành nhiều thí nghiệm và nhận thấy, khi nguồn âm tiến lại gần quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được cao hơn tần số do nguồn âm đã phát ra. Trường hợp nguồn âm đi ra xa quan sát viên, người đó nhận được tần số thấp hơn tần số của nguồn phát.

Nếu gọi u là vận tốc truyền âm trong không khí, f là tần số dao động âm được phát ra từ máy phát, f là tần số dao động âm được quan sát viên thu nhận khi mà quan sát viên đang chuyển động với vận tốc v so với nguồn phát xem như đứng yên, công thức dịch chuyển Doppler cho ta:

Dấu - xảy ra khi quan sát viên tiến lại gần nguồn phát âm, Dấu + xảy ra khi quan sát viên đi ra xa nguồn phát âm.

Vì u là vận tốc của âm trong không khí gần bằng 330m/s và nguồn âm chuyển động với vận tốc không lớn sao cho u > v thì khi quan sát viên tiến lại gần nguồn phát âm:

Nghiã là tần số của quan sát viên nhận được cao hơn tần số nguồn âm phát ra.

Nghiã là tần số của quan sát viên nhận được thấp hơn tần số nguồn âm phát ra.

Ðối với con người co quan phát âm (phát tiếng nói) cơ bản nhất là thanh quản. Tiếng nói đối với con người là quan trọng vì nó là hệ thống thông tin tín hiệu thứ hai hình thành trong quá trình lao động sáng tạo và phát triển về cấu tạo cơ thể con người, nó là công cụ thể hiện và truyền bá tư duy. Ðể nghiên cứu cơ chế phát âm của các dây thanh quản, ta tách ra khảo sát một số dây kế nhau trong thanh quản; chúng thường nằm ở vị trí song song và ở điều kiện bình thường thì khép kín vào nhau. Khi phát âm không khí được đẩy từ phổi lên thanh qủan với một áp suất nhất định. Luồn khí đi qua khe hẹp của hai dây âm thanh làm dây rung lên. Luồng thân kinh trung ương chỉ huy độ căng của dây và do đó điều chỉnh tần số dao động của dây. Tần số dao động phát ra tính theo công thức:

với f là tần số âm thanh phát ra, L là chiều dài dây thanh qủan, F là lực căng của dây, ( là khối lượng một đơn vị chiều dài.

Ðối với nam giới, chiều dài và khối lượng một đơn vị chiều dài dây thanh qủan là khá lớn so với chiều dài và khối lượng một đơn vị chiều dài dây thanh quản nữ giới vì vậy tần số âm thanh nam phát ra thường trầm hơn là của phụ nữ.

Tuy nhiên nhiều lý thuyết mới cho rằng tần số của tiếng nói là do tần số kích của xung thần kinh từ luồn thần kinh truyền đến hệ dây thanh quản. Luồn không khí từ phổi đi lên chỉ có tác dụng cung cấp năng lượng cho dây dao động. Phân tích cấu trúc nảo ta thấy có trung tâm phát ra các xung thấn kinh điều khiển sự phát âm có nhiûp điệu ở vùng đồi thị của võ nảo; trong khi trung tâm điều khiển không khí di chuyển lên thanh qủan lại ở trung nảo. Khả năng của thanh qủan đáp ứng một kích thích thần kinh tạo ra âm thanh là rất nhanh (thời trị vào khoảng 10-9 s).

Ngày nay người ta thấy rõ hơn trong cấu tạo của dây âm thanh là niêm mạc của nó rất loãng, lỏng lẻo và không dính chắt vào tổ chức dưới đó. Thế nên một dao động có thể xuất hiện ở từng bộ phận phía dưới, phía trên và ngay ở đầu dây âm thanh.

Âm thanh do con người tạo ra còn chịu tác dụng của nhiều yếu tố khác như của buồng cộng hưởng đó chính là hốc xương mắt; của sự ma sát qua kẽ răng, ma sát giữa răng và lưỡi.

Khi sóng âm truyền đến tai ngoài, sự thay đổi áp suất do dao động làm cho các phần tử của màng nhỉ dao động theo. Dao động đó truyền đến cửa sổ bầu dục của tai giữa, thông qua hệ thống xương con ở đó. Dao động của các phần tử ở cửa sổ bầu dục tạo ra chuyển động ngoại dịch pêrilymphô chứa trong ốc tai. Khi sóng âm có cường độ lớn có thể gây ra những chuyển động xoáy ở ngoại dịch pêrilymphô đó.

Trong quá trình lan truyền sóng âm, hệ thống xương con đóng một vai trò rất quan trọng. Nó vừa có tác dụng khuếch đại áp lực âm thanh vừa bảo vệ tai trong trước những âm có cường độ lớn.

Ðể khuếch đại được áp lực âm thanh, hệ xương con hoạt động như một đòn bẩy. Trên hình 2.6, ta thấy: tại cửa sổ bầu dục có lực tác dụng F2 và lực F1 tác dụng ở màng nhĩ. Cánh tay đòn ở hệ đòn bẩy này là

Ngoài ra diện tích S2 của cửa sổ bầu dục nhỏ hơn 17 lần so với diện tích S1 của màng nhĩ. Vì vậy áp lực âm thanh tác dụng lên cửa sổ bầu dục sẽ lớn hơn 17 lần áp lực âm thanh tác dụng lên màng nhĩ. Tổng hợp lại ta có áp lực âm thanh ở phía sau hệ xương con (ở cửa sổ bầu dục) sẽ lớn hơn ở phía trước hệ xương con nơi tiếp giáp với màng nhĩ: 17 x 1,3 = 22 lần. Người ta cho rằng dù bị hao hụt năng lượng do ma sát sự khuếch đại đó cũng còn đạt được rất lớn, gần 20 lần.

Hệ thống xương con cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc dẫn truyền các sóng âm. Nó bổ sung những hao hụt do sự phản xạ sóng âm ở mặt ngăn cách giữa 2 môi trường có âm trở khác nhau. Âm trở là đại lượng đặt trưng cho mức độ cản trở sự truyền sóng âm của môi trường; nó tỉ lệ với khối lượng riêng của môi trường và bình phương tần số âm thanh theo công thức (2.22)

Âm trở của màng nhĩ có giá trị gần bằng âm trở của không khí là 4,3.102kg/m2.s. Âm trở của cửa sổ bầu dục bằng âm trở của ngoại dịch pêrilymphô ở đó, tức là gần như âm trở của nước, có giá trị là 1,5.106kg/m2.s.

Như thế nghĩa là nếu như không có hệ xương con mà sóng âm trực tiếp từ tai ngoài tác dụng vào của sổ bầu dục thì 99.9% năng lượng sóng âm bị phản xạ mà chỉ còn khoảng 0,1% được lan truyền vào đến ngoại dịch pêrilympho theo công thức:

Trong đó lần lượt là âm trở của môi trường ngoài và của của sổ bầu dục

Tác dụng bảo vệ tai trong của hệ xươn7g con khi gặp những âm có cường độ lớn là sự chuyển đổi từ dao động sóng dọc sang chuyển động xoáy của ngoại dịch pêrilympìlo của hệ xương con.

Quá trình tiếp nhận và cảm thụ âm thanh ở tai trong xảy ra phức tạp hơn nhiều. Ở đây màng đáy đóng vai trò rất quan trọng. Những nghiên cứu về màng đáy của Hehnholtz và nghiên cứu cơ chế cảm thụ âm thanh của Bekesy gần đây đã làm sáng tỏ hơn cơ chế lý sinh thính giác.

Cấu tạo chính của tai trong là ốc tai. Ốc tai có chiều dài khoảng 35 mm. Chiều dài đó được ngăn thành 3 khung gọi là 3 bậc thang và được ngăn cách nhau bằng những màng (Hình 2.6). Màng đáy ngăn cách giữa bậc thang màng nhĩ và bậc thang ốc tai. Màng trước ngăn cách bậc thang ốc tai và bậc thang trước.

Bậc thang màng nhĩ và bậc thang trước chứa ngoại dịch pêrilymphô và nối với đỉnh của ốc tai bằng một lỗ thông. Bên trong thân ốc tai chứa đầy dịch enđôlymphô. Màng đáy được cấu tạo bởi một hệ vòng xoáy gọi là thể Corty bao gồm các cơ quan cảm thụ của tế bào thần kinh thính giác.

Theo lý thuyết của Bekesy, dao động của cửa sổ bầu dục làm cho ngoại dịch pêrilymphô dưới đó chuyển động xoáy. Chính những chuyển động xoáy này gây ra sự khác nhau về áp suất giữa các bậc thang trước và bậc thang màng nhĩ, tác dụng lên màng đáy. Từ đó tạo ra các sóng xung lan truyền dọc theo màng đáy đi về phía ốc tai.

Mỗi sóng âm với một tần số nhất định tác dụng vào một vị trí xác định trên màng đáy và kích thích những receptor nhất định ở thể Corty. Âm tần số càng cao thì vị trí kích thích càng gần đỉnh ốc tai (cửa sổ bầu dục). Ở đó màng rất căng và hẹp. Âm càng có tần số thấp thì kích thích các vị trí càng ở gần với đầu đối diện.

Bằng cơ chế đó, tai phân tích tần số sóng âm tới kích thích. Các xung kích thích được mã hóa và truyền về một vị trí nhất định ở vỏ não bởi những tơ thần kinh xác định. Với những âm phức hợp thì tạo ra sự kích thích ở nhiều điểm hơn và do vậy gây ra cảm giác khác nhau về âm sắc.

Cường độ sóng âm ảnh hưởng đến biên độ dao động ở cửa sổ bầu dục và vận tốc của chuyển động xoáy của ngoại dịch pêrilympho.

Cho đến nay người ta chưa hiểu rõ hết bản chất của quá trình mã hóa các sóng xung kích thích của âm để dẫn truyền vào các tế bào thần kinh thính giác. Các nghiên cứu về điện sinh học ở cơ quan thính giác xác nhận rằng cơ chế của quá trình mã hóa thông tin ở đây cũng là làm xuất hiện điện thế hoạt động. Ở đây người ta gọi là các điện thế âm thanh. Ðiện thế âm thanh quyết định cả tần số và cường độ âm. Ngày nay bằng các vi điện cực người ta đã ghi đo được giá trị của các điện thế âm thanh đó. Ðiện thế âm thanh là kết quả của tất cả các quá trình xảy ra ở ốc tai khi tiếp nhận âm. Một điều đáng chú ý là điện thế giữa enđolymphô và perilympho có giá trị khoảng 80 mV. Ðiện thế đó thể hiện điện thế nghỉ ở tai trong. Khi màng đáy bị kích thích như đã giải thích ở trên, xuất hiện những sự thay đổi về điện trở và tính thấm của màng tế bào ở đây và làm xuất hiện điện thế hoạt động.

IV. ỨNG DỤNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y SINH HỌC

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. Dựa vào âm phát ra chúng ta có thể xác định được vị trí, kích thước của chúng. Cũng có thể đánh giá chúng bình thường hay có bệnh do sự thay đổi về âm sắc và độ cao.

Ta có thể dùng ngón tay hay một dùi nhỏ gõ trực tiếp trên da bệnh nhân, ở vùng tương ứng với các phủ tạng cần chẩn đoán. Phương pháp này ít dùng vì những chấn động gõ thường bị tắt dần sau khi đi qua các lớp da, mô cơ... do đó chúng chỉ làm cho các tạng đó dao động với biên độ nhỏ, âm phát ra nhỏ quá, khó nghe.

Chúng ta thường gõ qua ngón tay hoặc qua thanh gỗ mỏng đặt sát vào nơi muốn gõ. Tùy theo bệnh nhân và yêu cầu chẩn đoán, chúng ta phải gõ với mức độ mạnh nhẹ khác nhau: gõ mạnh đối với bệnh nhân quá béo, với trẻ em phải gõ nhẹ.

Thường chúng ta gõ với mức độ trung bình vì gõ như thế cũng đủ làm cho các tạng ở sâu dưới da 5 cm dao động và dao động này có thể lan truyền trên một diện tích từ 4 đến 6cm2. Khi muốn tìm giới hạn của một tạng nào hay nghiên cứu một phần của tạng đó, cần phải gõ nhẹ.

Âm phát ra khi gõ cần phải phân tích một cách tỉ mỉ về cường độ, độ cao, âm sắc... Như thế mới nhận được các thay đổi nhỏ của âm, phân biệt được các trường hợp bệnh lý và bình thường. Thí dụ như âm phát ra khi gõ vào phổi của một người bình thường có tần số cao, âm sắc phong phú (có nhiều hoạ âm) cường độ lớn, thời gian dư âm dài: âm phát ra khi gõ những tạng đặc hoặc phổi bị vôi hóa, màng phổi bị tràn dịch... có tần số thấp (tiếng nghe đục), cường độ nhỏ, thời gian dư âm ngắn. Còn âm ở ổ bụng, dạ dày phát ra có tần số cao song âm sắc nghèo nàn (hầu như không có hoạ âm).

Ðó là phương pháp nghiên cứu những âm từ cơ thể phát ra như của tim, phổi để định bệnh.

Các âm từ cơ thể phát ra thường có tần số không vượt quá 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 hay yếu là do hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm tỷ lệ nghịch với tiết diện khí quản, cuống phổi. Khi khí quản; cuống phổi hẹp hay chứa các dịch nhầy do một quá trình bị bệnh nào đấy thì âm phổi sẽ thay đổi; có thể dựa vào sự thay đổi đó mà chẩn bệnh.

Âm phát ra ở tim biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng các van tim, vận tốc của máu, độ nhớt của máu, miệng của các van (tức là các lỗ trong tim mà các van đó đậy lại)...

Bảng 2.2 cho biết liên hệ giữa tần số và tỉ lệ năng lượng của âm phát ra từ một quả tim bình thường.

Tần số	Năng lượng
50-60Hz	56%
60-70	27%
70-80	10%
80-90	4%
90-100	2%
100-110	1%

Ðể nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, người ta thường dùng ống nghe (stétoscope). Ống nghe gồm 2 dây cao su mềm hình trụ có tác dụng truyền âm, nối với một hộp bằng sắt hình trụ bẹt, mặt có căng một màng mỏng đóng vai trò một hộp cộng hưởng. Hộp cộng hưởng có khi là một loa hình phễu không có màng căng. Mặt của hộp cộng hưởng đặt áp sát da (nơi muốn nghe), dao động âm của cơ thể truyền tới được hộp này khuếch đại, sau đó sẽ qua các dây truyền âm để tới tai.

Tần số dao động riêng của màng căng tỉ lệ thuận với độ căng của màng. Các dao động âm từ cơ thể tới màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất (cộng hưởng) nếu tần số của chúng trùng với tần số dao động riêng của màng.

Nếu dùng loa để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép vào sẽ căng ra và đóng vai trò của một màng căng. Chúng ta có thể điều chỉnh sức ép của loa vào da để độ căng của màng da đó có tần số dao động riêng trùng với tần số của âm muốn nghiên cứu, nhờ đó chúng ta có thể nghe âm này rõ hơn các âm khác, (thường còn dùng cách này khi âm muốn nghiên cứu bị các âm khác che lấp).

Mục đích phép thử này để xác định tổn thương ở vùng nào của cơ quan thính giác: ở tai ngoài, tai giữa, tai trong hoặc não.

Phép thử này dựa vào nhận xét như sau : Những dao động âm có thể truyền qua xương sọ tới những tận cùng của thần kinh thính giác... và cho chúng ta cảm giác âm; do đó dù rằng tai ngoài và tai giữa hỏng rồi âm vẫn truyền qua xương và gây cảm giác được.

Nếu ta đặt một âm thoa đang dao động gần tai bệnh nhân sau đó để bệnh nhân cắn đuôi âm thoa đó (dao động của âm thoa lúc này cũng có biên độ giống lúc trước). Nếu lúc đầu bệnh nhân còn nghe được âm, lúc sau không được thì dấu hiệu Rinnơ là dương, nếu ngược lại ta có dấu hiệu Rinnơ âm.

Một chứng điếc có dấu hiệu Rinnơ dương chứng tỏ một tổn thương ở tai trong hoặc não. Nếu dấu hiệu Rinnơ âm thì tổn thương chỉ khu trú ở tai ngoài hay tai giữa.

Do siêu âm có tần số rất lớn (>20.000 Hz ( bước sóng nhỏ) nên khi lan truyền ít bị nhiễu xạ, truyền tương đối thẳng và ta có thể tạo ra chùm siêu âm hội tụ lên những vị trí cần thiết bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm. Khi truyền qua môi trường, do môi trường có ma sát và hấp thu nhiệt nên cường độ của siêu âm giảm theo quy luật (2.26):

trong đó Io là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường, I là cường độ lúc ra khỏi môi trường; x là chiều dày của môi trường, ( là hệ số hấp thụ của môi trường, e là cơ số lôgarit tự nhiên bằng 2,71828.

Qua thực nghiệm người ta thấy ( tỷ lệ với bình phương tần số f của âm, tỷ lệ nghịch mật độ môi trường và lập phương vận tốc nhỏ

Thế nên, siêu âm bị hấp thụ nhiều trong không khí, đồng thời do mặt phân giới giữa môi trường nào đó với môi trường không khí phản xạ nhiều sóng siêu âm nên khi điều trị hoặc chẩn đoán dùng siêu âm người ta phải để đầu phát siêu âm sát da và ở trên da phải bôi một lớp dầu, hoặc ngâm cả đầu phát siêu âm lẫn bộ phận cần điều trị vào nước. Sự hấp thụ năng lượng siêu âm của môi trường thể hiện bằng sự tăng nhiệt độ. Mức tăng của nhiệt độ phụ thuộc vào tỉ nhiệt môi trường, nhiệt độ môi trường ngoài... Lợi dụng đặc tính này người ta dùng siêu âm làm dãn các mạch máu ngoại biên để tăng cường tính thẩm thấu của tế bào biểu bì, do đó có tác dụng chống viêm.

Lúc qua mặt phân giới giữa hai môi trường, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này. Sức ép tỉ lệ thuận với năng lượng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm2. Vì vậy khi nhúng đầu phát siêu âm vào nước, siêu âm có thể làm nước bắn lên cao tới vài cm. Nhờ có sức ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách xoa bóp tế vi, một tác dụng rất quí trong điều trị chứng viêm tế bào.

Siêu âm là sóng dọc, khi truyền nó làm biến dạng nén giãn môi trường: có vị trí mật độ môi trường lớn vì các phần tử bị ép lại; có vị trí mật độ môi trường nhỏ vì các phần tử giãn cách nhau xa. Khi công suất máy phát lớn, tại nơi mật độ môi trường lớn, áp suất nén có thể tới hàng vạn atmôtphe; còn tại nơi mật độ nhỏ các phần tử bị giãn ra với "áp suất giãn" có trị số tương tự. Lực dán các phân tử như vậy đủ lớn để thắng lực hút giữa các phân tử, môi trường khi ấy tự đứt và tạo thành lỗ vi mô. Nếu quá trình này xảy ra trong nước thì những lỗ này sẽ bị hơi nước hoặc các khí hoà tan choán đầy. Hiện tượng tạo thành lỗ đóng một vai trò quan trọng, gắn liền các hiện tượng điện, điện hóa... được áp dụng trong nhiều ngành. Do hiện tượng tạo thành lỗ, các tế bào sống đặc biệt là hồng cầu và tếch trùng có thể bị vỡ. Trong y học dùng hiện tượng tạo thành lỗ để chống đông máu, diệt trùng.

Vì siêu âm truyền qua được các mô trong cơ thể, làm cho các tế bào bị chấn động, cơ thể hấp thu của siêu âm một nhiệt lượng đáng kể nên người ta dùng nó để chữa một số bệnh, chẳng những ở ngoài da mà còn cả ở trong sâu.

Những bệnh chữa bằng siêu âm có hiệu quả nhất là các chứng đau các dây thần kinh, đặc biệt là dây thần kinh toạ, thấp khớp...

Ta cần chú ý rằng siêu âm với tần số thường dùng cao (( >100.000 Hz) chỉ qua một lớp không khí mỏng đã bị ngăn lại, do đó người ta thường bôi dầu lên da để làm môi trường trung gian giữa da và đầu phát siêu âm thay cho không khí.

Lưu ý không dùng siêu âm điều trị cho những người đang có thai, đang bị lao, bị sốt và ở trẻ em.

Gần đây người ta đã bắt đầu dùng những sóng siêu âm có cường độ lớn (1,4 x 107W/m2) để phá hủy các tổ chức bệnh trong sâu như sỏi thận, u tuyến,.v.v...

Siêu âm được ứng dụng vào chẩn đoán bệnh là nhờ các đặc điểm sau:

* Chùm siêu âm song song truyền qua môi trường, bị môi trường hấp thụ, cường độ giảm theo qui luật (2.26):

- Chùm siêu âm gặp mặt phân giới giữa hai môi trường sẽ phản xạ. Khi hai môi trường có âm trở (Z = (.v) rất khác nhau thì sự phản xạ lại càng mạnh.

cho ta liên hệ biên độ sóng phản xạ, sóng tới (vuông góc mặt phân giới) với âm trở hai môi trường.

Hệ số phản xạ ở mặt ngăn cách của sóng siêu âm giữa hai môi trường có âm trở Z1 và Z2 theo (2.37) sẽ là:

Hệ số R đo giữa nước (mô mềm cơ thể...) và không khí là 0,99. Như thế nghĩa là hầu hết năng lượng (99%) của chùm siêu âm đã bị phản xạ và chỉ 1% được lan truyền tiếp tục. Hệ số R cũng khá lớn giữa xương và mô mềm, phổi và mô, v.v...

- Chùm siêu âm gặp vật di chuyển, có thể ứng dụng hiệu ứng Doppler để xác định vận tốc theo hiệu tần số phát và thu (cùng một đầu dò phát - thu) theo công thức (2.37).

- Tác động của siêu âm lên tế bào không gây nên các đột biến di truyền nên dùng cho phụ nữ có thai, thai nhi... đỡ nguy hiểm hơn tia X nhiều lần.

Trên thực tế dùng siêu âm trong chẩn đoán theo 2 hướng chính sau:

Sơ đồ nguyên lý cách tạo hình ảnh siêu âm để chẩn đoán bệnh như sau:

a) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh X quang trong chẩn đoán.

b) Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân giới đối tượng khảo sát với môi trường xung quanh.

Áp dụng nguyên lý này vào chẩn đoán, người ta còn chia ra các kiểu:

+ Sóng xung phản xạ kiểu A (A - Scope): Ðó là phương pháp ghi đo sóng phản xạ trên một bình diện. Ðầu phát sóng được hướng vào vùng đo. Khi gặp phải vật hoặc môi trường có âm trở khác sẽ phát sóng xung phản xạ. Các sóng xung đó được biến thành xung điện và được ghi lại hoặc hiện lên màn huỳnh quang. Chúng được thể hiện thành từng dấu hiệu hình parabol ngược có độ cao, độ rộng hẹp khác nhau. Căn cứ vào các đặc điểm của sóng xung và thời gian (khoảng cách) xuất hiện mà ta chẩn đoán được bệnh. Phương pháp này dợn giản, rẻ nhưng khó phân tích, nếu trên đường đi của sóng âm có nhiều lớp vật chất có âm trở khác nhau.

Phương pháp này hay được dùng để tìm di vật, các ổ áp xe, tụ máu trong não, trong sản phụ.

+ Sóng xung phản xạ kiểu B (B - scope): Ðó là phương pháp xung phản xạ trên 2 bình diện, phức lạp hơn kiểu A nhiều. Các sóng xung phản xạ được thể hiện bằng những chấm có độ sáng khác nhau tùy thuộc cường độ sóng xung, nó phản ánh hình ảnh hai bình diện của đối tượng nghiên cứu. Ngày nay sóng xung phản xạ kiểu B được áp dụng rộng rãi hơn kiểu A trong chẩn đoán các bệnh của gan, mật, mắt, sọ não, tim, v.v...

Ngoài ra còn siêu âm chẩn đoán kiểu TM (từ chữ Anh Tim - Motion) hay còn gọi là kiểu M. Ðây là những nghiên cứu cấu trúc các mô tạng ở trạng thái động (tim, mạch v.v.:.) là cơ sở của phương pháp chụp cắt lớp bằng siêu âm.

Trong việc dùng siêu âm vào chẩn đoán, để tránh cho chùm siêu âm bị không khí hấp thụ và gây phản xạ ngay trên mặt da, giữa đầu dò siêu âm (phát và thu) và da người bệnh, người ta hay bôi đệm một lớp đầu (ví dụ dầu paraphin lanolin có âm trở Z giống như của cơ thể, nên áp đầu dò vào da đầu, ta loại được lớp không khí len giữa, nên loại được phản xạ)

Việc chẩn đoán bằng hình ảnh siêu âm đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trong thời gian gần đây đặc biệt tác dụng khi đối tượng rất khó phát hiện bằng hình ảnh do lia X tạo ra (thí dụ mảnh đạn bằng nhựa chứ không phải kim loại).

Phương pháp này thường dùng để chẩn đoán các bệnh của tuần hoàn ngoại biên như viêm tắc động mạch, tĩnh mạch, xoang, rò động mạch... Thí dụ: có thể thăm khám các mạch máu lớn bằng hiệu ứng Doppler (( có thể biểu hiện bằng một đường cong phản ánh tốc độ tức thời của máu tại nơi thăm khám. Ở trạng thái bình thường mỗi mạch máu có một đường cong đặc trưng liên quan rõ rệt với đường kính cũng như vùng tưới máu của nó.

a) chu kỳ bằng tổng số dao động mà hệ thực hiện được trong một đơn vị thời gian

b) là hoạt động của tim vừa hút vừa đẩy máu đi liên tục đến các cơ quan.

c) chu kỳ của dao động là ổn định và biên độ là không đổi.

a) là hoạt động của tim vừa hút vừa đẩy máu đi liên tục đến các cơ quan.

b) Khi tần số của lực tuần hòan bằng tần số dao động riêng của hệ

c) dùng ngoại lực từ các máy kích thích tuần hoàn tác dụng một số bộ phận trên cơ thể.

b) quá trình lan truyền sóng cơ học trong một môi trường vật chất.

c) phương dao động của các phần tử môi trường vuông góc với tia sóng.

d) dao động của các phần tử của môi trường trùng với tia sóng.

b) tổng số dao động mà hệ thực hiện được trong một đơn vị thời gian.

c) quảng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng một chu kỳ.

b) năng lượng sóng đi qua một đơn vị diện tích của môi trường.

c) năng lượng sóng đi qua một đơn vị diện tích của môi trường khi biên độ dao động bằng một đơn vị chiều dài.

d) năng lượng của sóng đi qua một đơn vị thể tích của môi trường.

d) cũng bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng.

a) không thay đổi khi âm thanh truyền qua các môi trường khác nhau.

c) Vận tốc truyền âm trong vật rắn lớn gấp 10 lần vận tốc truyền âm trong không khí,

10. Cường độ âm cần phải cảnh giác đối với màn nhỉ chúng ta:

13. Ðược tiếp nhận bằng những phần khác nhau của màng nhỉ là:

a) Khi nguồn âm tiến lại gần quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được cao hơn tần số do nguồn âm đã phát ra

b) Khi nguồn âm tiến lại gần quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được thấp hơn tần số do nguồn âm đã phát ra

c) Khi nguồn âm đi ra xa quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được cao hơn tần số do nguồn âm đã phát ra

d) Khi nguồn âm đi ra xa quan sát viên, tần số mà quan sát viên nhận được cao thấp tần số do nguồn âm đã phát ra.

a) sóng âm truyền đến tai ngoài, sự thay đổi áp suất do dao động làm cho các phần tử của màng nhỉ dao động theo

b) dao động màng nhỉ truyền đến cửa sổ bầu dục của tai giữa, thông qua hệ thống xương con ở đó.

c) dao động của các phần tử ở cửa sổ bầu dục tạo ra chuyển động ngoại dịch pêrilymphô chứa trong ốc tai.

a) Mỗi sóng âm với một tần số nhất định tác dụng vào một vị trí xác định trên màng đáy và kích thích những receptor nhất định ở thể Corty

b) Âm tần số càng cao thì vị trí kích thích càng xa đỉnh ốc tai (cửa sổ bầu dục).

c) Âm càng có tần số thấp thì kích thích các vị trí càng ở gần với đầu đối diện.

d) Ðiện thế âm thanh quyết định cả tần số và cường độ âm.

a) Dựa vào âm phát ra của một số bộ phận gõ, ta có thể đánh giá các phần tim, phổi, gan là bình thường hay có bệnh do sự thay đổi về âm sắc và độ cao.

b) Tùy theo bệnh nhân và yêu cầu chẩn đoán, chúng ta phải gõ với mức độ mạnh nhẹ khác nhau

c) Gõ mạnh đối với bệnh nhân quá béo, với trẻ em phải gõ nhẹ

d) Phải phân tích một cách tỉ mỉ âm thanh tạo ra khi gõ về cường độ, độ cao, âm sắc.

21. Nếu âm phát ra khi gõ vào phổi của một người đạt tần số cao, âm sắc phong phú, cường độ lớn, thời gian dư âm dài ta kết luận:

b) nghiên cứu những âm từ cơ thể phát ra như của tim, phổi để định bệnh.

BÀI 2: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM TRONG Y HỌC

I. ÐẶC TRƯNG CỦA DAO ÐỘNG VÀ SÓNG CƠ HỌC

III. CƠ CHẾ CỦA QÚA TRÌNH NGHE

IV. ỨNG DỤNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y SINH HỌC

trong đó Io là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường, I là cường độ lúc ra khỏi môi trường; x là chiều dày của môi trường, ( là hệ số hấp thụ của môi trường, e là cơ số lôgarit tự nhiên bằng 2,71828.