Tại sao kim thép thông thường biến mất dưới siêu âm trong khi kim siêu âm vẫn sáng

https://www.nature.com/articles/s41598-024-72620-8

Để hiểu làm thế nàotiếng vanghoạt động của kim, trước tiên người ta phải nắm được cơ chế vật lý cơ bản của hình ảnh siêu âm y tế. Đầu dò siêu âm phát ra sóng âm thanh có tần số-cao 1,5–15 MHz vào cơ thể con người. Do sự khác biệt về trở kháng âm thanh (Z=ρ × c, mật độ × tốc độ âm thanh) giữa các mô khác nhau, xảy ra hiện tượng phản xạ bề mặt. Tiếng vọng mà đầu dò nhận được sẽ được xử lý thành hình ảnh thang độ xám-phản xạ mạnh sẽ xuất hiện màu trắng (hyperechoic), trong khi phản xạ yếu/không có sẽ xuất hiện màu đen (không phản âm hoặc giảm âm).

Thành của kim thép không gỉ y tế thông thường sau khi đánh bóng bằng điện cực kỳ mịn, bề mặt gần giống như những tấm gương lý tưởng. Khi siêu âm tấn công ở các góc không-vuông góc (trường hợp xảy ra ở hầu hết các vết thủng trên mặt phẳng- trên lâm sàng), phản xạ gương xảy ra trên bề mặt kim loại nhẵn. Sóng phản xạ lệch khỏi khu vực tiếp nhận của đầu dò theo quy luật góc tới và góc phản xạ bằng nhau, hầu như không có tiếng vang trở lại đầu dò. Do đó, thân kim bị tối đi hoặc thậm chí biến mất hoàn toàn trên màn hình. Hơn nữa, mặc dù có sự khác biệt về trở kháng âm thanh giữa thép và mô mềm, nhưng bề mặt hình trụ nhẵn liên tục tạo ra các tín hiệu tán xạ cực kỳ yếu, khiến cho đoạn trục giữa trở nên đặc biệt khó phân biệt.

Kim tạo tiếng vang khắc phục hạn chế này bằng cách tích cực giới thiệu các vị trí tán xạ ngược dồi dào:

• Sửa đổi địa hình vi mô-(khắc phun cát/vi mô{1}}lúm đồng tiền vi mô xoắn ốc-rãnh/góc phản xạ):​ Khắc laze hoặc khắc hóa học tạo ra các kết cấu thô có kích thước micron- hoặc các vết rỗ thông thường trong khoảng 5–30 mm tính từ đầu kim hoặc dọc theo toàn bộ trục, làm gián đoạn tính liên tục của bề mặt. Những cấu trúc vi mô này phân tán siêu âm tới đầu dò từ nhiều hướng khác nhau; "bộ phản xạ nền tảng" được thiết kế đặc biệt đảm bảo ít nhất một phần chùm tia trở lại trên một phạm vi góc rộng.
• Các giao diện trở kháng âm thanh không phù hợp (lớp phủ vi bọt-khí polymer):​ Các vi bọt kín (không khí/N₂/khí trơ) có đường kính 1–5 μm được phân tán đồng đều trong ma trận polyme polyurethane/silicone y tế. Các bong bóng, polyme và mô xung quanh tạo thành sự chênh lệch trở kháng âm lớn, tạo ra sự tán xạ Rayleigh cường độ cao. Lớp phủ vi bọt có thể tăng cường cường độ phản hồi của thân kim thêm 15–25 dB, duy trì dải màu trắng sáng ngay cả trên nền phức tạp.
• Thiết kế chuyển màu và phân vùng:​ Các sản phẩm-cao cấp điều chỉnh theo từng đoạn nồng độ vi bọt hoặc mật độ ăn mòn dọc theo trục kim-tăng cường phản xạ ở đoạn xa (đầu) để định vị chính xác đồng thời giảm vừa phải phản xạ gần để ngăn các tạo tác quá mức che khuất các mục tiêu sâu hơn.

Lưu ý quan trọng: nếu lớp phủ vi bọt polyme được nhúng lâu dài-hoặc bị đâm thủng nhiều lần khiến chất lỏng thấm vào thì các vi bọt có thể bị dịch chuyển, dẫn đến suy giảm tiếng vang. Các loại khắc vật lý không bị ảnh hưởng khi ngâm nhưng đòi hỏi độ phức tạp trong sản xuất cao hơn. Bất kể cơ chế nào, bản chất là tạo ra các giao diện tán xạ/phản xạ âm thanh được định hướng ngẫu nhiên một cách nhân tạo để biến "thoát gương" thành "phản xạ khuếch tán trở lại", giữ cho kim liên tục "phát sáng" trong khu vực siêu âm.