Máy siêu âm là một dụng cụ được áp dụng trong nhiều ngành từ y khoa, xây dựng tới hàng hải. Máy siêu âm được dùng nhiều trong ngành y khoa để chẩn đoán bệnh và có khi trị liệu nữa.
Sở dĩ máy siêu âm được ưa chuộng vì nó giúp cho bác sĩ quan sát được các nội tạng mà không cần phải mổ xẻ. Máy siêu âm cũng không phát ra phóng xạ và an toàn.
Nguyên tắc của máy siêu âm
Khi một vật thể rung động thì sự rung động đó có thể phát ra âm thanh và truyền ra tứ phía theo dạng sóng. Thí dụ bạn đánh vào mặt trống một cái. Mặt trống rung động và sinh ra tiếng trống. Một đặc tính của sóng âm thanh là tần số. Tần số là số sóng đi qua một điểm cố định trong một khoảng thời gian, thí dụ như một giây. Đơn vị đo tần số là Hertz, có ký hiệu là Hz, đây là số sóng đi qua trong một giây, trên hertz còn có kilohertz (1 ngàn hertz) ký hiệu kHz và megahertz (1 triệu hertz) ký hiệu MHz.
Con người có thể nghe âm thanh trong khoảng từ 20 Hz đến 20,000 Hz (20 kHz). Âm thanh trên 20 kHz thì được gọi là siêu âm.
Siêu âm cũng như âm thanh khi đang lan truyền trong một môi trường nào đó mà gặp một môi trường khác thì một phần sóng bị dội ngược lại. Nguyên tắc của máy siêu âm là phát ra sóng siêu âm vào một vật thể muốn quan sát rồi thu nhận lại tiếng dội. Phân tích tiếng dội lại cho biết tin tức của vật thể. Các loại động vật như dơi, cá heo cũng dùng kỹ thuật này để dò đường đi. Tàu ngầm hay các tàu thủy cũng dùng kỹ thuật siêu âm để định vị trí dưới biển và nhận dạng các tàu chung quanh.
Bộ phận quan trọng nhất trong những máy siêu âm là bộ chuyển đổi (transducer) còn gọi là đầu dò (probe). Bộ chuyển đổi phát và nhận sóng siêu âm dùng nguyên tắc của hiệu ứng điện áp (piezoelectric effect). Cốt lõi bộ chuyển đổi là những tinh thể có tính điện áp như tinh thể thạch anh. Khi một dòng điện đi qua thì tinh thể thay đổi hình dạng rất nhanh. Sự thay đổi hình dạng gây ra sự rung động và sinh ra sóng siêu âm. Ngược lại nếu tinh thể nhận được những rung động thì sẽ sinh ra một dòng điện.
Ngoài bộ chuyển đổi máy siêu âm còn có một bộ phận điện tử, màn hình và các dụng cụ nhỏ khác. Bộ phận điện tử thì cũng như là một máy tính, nó có nhiệm vụ phát ra luồng điện tới bộ chuyển đổi và nhận tín hiệu ngược lại. Bộ phận điện tử xử lý những tín hiệu điện đó và tạo thành hình ảnh để hiển thị lên màn hình. Bộ phận điện tử cũng có bộ nhớ để lưu trữ những hình ảnh.
Kỹ thuật mới là máy siêu âm ba chiều. Nhiều hình ảnh siêu âm hai chiều được máy tính dùng những thuật toán ghép lại thành một hình ảnh ba chiều.
Một kỹ thuật khác của máy siêu âm là dùng hiệu ứng Doppler. Sóng dội lại từ một vật thể đứng yên thì có cùng tần số với sóng tới, nếu vật thể di động đi xa nguồn sóng thì tần số sóng dội lại sẽ thấp hơn và nếu đi về hướng nguồn sóng thì tần số sóng dội lại sẽ cao hơn. Mức độ thay đổi tần số tùy theo vật thể di chuyển nhanh hay chậm. Đó là hiệu ứng Doppler. Máy siêu âm Doppler phân tích tần số của sóng dội lại để biết sự chuyển động của vật thể muốn quan sát. Máy siêu âm Doppler thường dùng để quan sát sự chuyển động của máu trong những mạch máu lớn gần tim để xem có bị nghẽn không.
Lịch sử của máy siêu âm
Năm 1880, hai anh em Pierre Curie và Paul-Jacques Curie khám phá ra hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) của một vài tinh thể. Ông Paul Langevin, một học trò của ông Piere Curie phát triển những chất có tính áp điện nghĩa là nếu có điện vào thì sẽ rung động với tần số cao để phát ra siêu âm và cũng có thể cảm nhận được sự rung động từ ngoài vào và biến thành điện.
Trong Thế Chiến Thứ Nhất siêu âm được dùng để dò tìm tàu ngầm của bên địch. Còn về y khoa thì lúc đầu được dùng để chữa bệnh như Parkinson hay thấp khớp. Đến thập niên 1940 thì máy siêu âm bắt đầu được dùng để chẩn bệnh. Đến thập niên 1970 thì máy siêu âm được phổ biến nhiều ở Hoa Kỳ. Đến cuối thế kỷ 20 thì máy siêu âm được dùng trên khắp thế giới.
Áp dụng máy siêu âm trong y khoa
Máy siêu âm dùng trong y khoa phát ra từng nhịp những sóng siêu âm (1-5 MHz) vào cơ thể qua một bộ chuyển đổi. Sóng siêu âm đi vào cơ thể và xuyên qua nhiều bộ phận khác nhau. Khi sóng siêu âm gặp ranh giới của hai bộ phận thì một phần bị dội lại. Một phần khác lại đi tiếp vào bộ phận tới cho tới khi lại gặp một ranh giới mới và bị dội ngược lại. Máy siêu âm nhận được sóng dội ngược lại và rút ra được những thông tin cần thiết. Máy siêu âm thường phóng ra cả triệu nhịp sóng siêu âm mỗi giây và cũng nhận được từng ấy sóng phản hồi. Máy siêu âm cũng được di chuyển để có được cái nhìn ở những góc cạnh khác nhau.
Máy siêu âm được dùng để chẩn đoán nguyên nhân của đau nhức, chỗ bị sưng hay nhiễm trùng trong nội tạng cơ thể con người và giám sát bào thai trong bụng mẹ. Máy siêu âm cũng dùng để chẩn đoán tình trạng trái tim và định xem sự hủy hoại sau một cơn đau tim.
Một trở ngại của máy siêu âm là nhiều cơ quan trong người không thể có hình bằng siêu âm được. Âm thanh không thể đi xuyên qua được một số nội tạng vì bề mặt của nó phản chiếu 100% sóng âm thanh nên phần trong cơ quan đó cũng như những cơ quan nằm sau đó cũng không thể có hình siêu âm. Nội tạng như phổi, dạ dày và ruột non chứa đầy không khí nên trở nên mờ. Xương cứng cũng vậy.
Máy siêu âm được dùng nhiều trong sản khoa. Bác sĩ để đầu dò của máy siêu âm trên bụng người phụ nữ. Trước hết là để xác định là có thai. Ở thời kỳ sau thì có thể dùng máy siêu âm để biết giới tính của bào thai và xem bào thai có phát triển bình thường không.
Máy siêu âm có nhiều điều hữu ích, nhưng không ai có thể ngờ nó là một công cụ trong việc phá thai. Bên Trung Quốc trong thời kỳ có chính sách một gia đình một con thì người ta dùng máy siêu âm để biết giới tính của bào thai. Vì văn hóa trọng nam khinh nữ và cần có con trai nối dõi tông đường nên nếu bào thai là con gái thì sẽ bị bỏ. Không biết bao nhiêu triệu bào thai đã bị chết oan.
Áp dụng máy siêu âm ngoài lãnh vực y khoa
Có nhiều áp dụng của máy siêu âm ngoài y khoa. Một áp dụng từ hồi xưa đến nay là dùng để tìm những thứ dưới biển. Máy siêu âm còn dùng để khám xét những vật chất để xem có vết nứt rạn không, thí dụ như cầu cống, cơ sở hay máy móc.
Mới đây có một phát minh mới về máy siêu âm, đó là máy quét siêu âm xách tay. Máy này chạy bằng pin điện và dùng vi mạch (microchip) thay vì tinh thể áp điện và hiển thị hình trên điện thoại thông minh. Do đó máy này rẻ tiền hơn, không dễ vỡ và đem đi đâu cũng được. Hiện nay có nhiều cơ quan từ thiện dùng máy này ở những vùng nghèo ở Phi Châu để giúp chẩn bệnh và trị bệnh.
(Hà Dương Cự)
