информационный портал по вопросам биомедицинской инженерии

Сейчас на сайте 0 пользователей и 0 гостей.

Вход в систему

Недавно присоединились

  • Сергей Посохов
  • Roman Polostnikov
  • Абдусаламов Магом...
  • Комиссаров Мэлор ...
  • Олег Матвеевич
аватар: Аль-кавати Ахмед Абдо
Ультразвуковые аппараты терапевтического назначения состоят из генератора электрических колебаний, излучательной головки с пьезопреобразователем, элементов управления и источника питания. Излучательная головка соединяется с генератором ультразвуковых колебаний соединительным кабелем. Он достаточно высоковольтный и высокочастотный. Генератор электрических колебаний обычно обеспечивает работу излучателя в непрерывном или импульсном режимах. В непрерывном режиме напряжение возбуждения излучателя представляет собой гармонические колебания с частотами порядка 800 кГц÷3 Мгц. В отечественных аппаратах используются частоты 880 кГц и 2640 кГц. В импульсном режиме период следования, как правило, равен Т= 20 мс. А длительность импульсов в известных конструкциях t И - 2, 4, 10 мс.
Основной частью излучательной головки является пьезоизлучатель. Основу его составляет пластина из пьезоэлектрического материала. В настоящее время чаще всего используется титанат бария или другие керамические материалы. Пластины чаще всего совершают продольные колебания, при которых под влиянием приложенного напряжения меняется их толщина. Колебания происходят в плоскости совпадающей с вектором электрического поля. Колебания продольных размеров пластинки под действием электрического поля в первом приближении пропорционально приложенному напряжению.

где: ΔS - изменение толщины пластинки; d - коэффициент пропорциональности (пьезоэлектрический модуль); U - подведенное к поверхностям напряжение.
Изменения толщины пьезопластин очень невелики. Так, например, у пластины из кварца оно равно 200 A при приложении высокочастотного напряжения U в 1кВ. У титаната бария и других современных материалов пьезоэффект больше в 50 и более раз. Но для повышения амплитуды колебаний приходится использовать явление резонанса. Он возникает тогда, когда частота переменного напряжения, подаваемого на пьезоэлемент, равна частоте его механических колебаний. Последняя во многом зависит от толщины пластины. Например, для толщины 3,2 мм резонансная частота около 880 кГц, для толщины 1 мм - 2,88 Мгц, для толщины 0,5мм - 5,76 Мгц. Для возбуждения колебаний требуемой амплитуды приходится прикладывать к пьезопреобразователю напряжение с амплитудой 50 -100 В.
Упрощенная структура ультразвукового излучателя показана на рис. 1.
Рис. 1. Упрощенная конструкция ультразвукового излучателя.

 
В нем пластина пьезоэлемента размещена на массивном металлическом торце головки излучателя. Корпус, вместе с металлическим торцем являются одним проводом токоподвода. К металлическому покрытию или пластине на другой стороне напряжение подводится с помощью контактной пружины. Концы высокочастотного кабеля подключены к ней и к корпусу. Корпус обычно выполняется из металла. Это необходимо для лучшего рассеивания тепла в окружающую среду. Теплота образуется при работе пьезопреобразователя. Причем точка Кюри, при которой у титаната бария исчезает пьезоэффект, соответствует температуре 120-150 ° С.
Так как водяное охлаждение излучателя применять неудобно, то, как правило, используется естественное охлаждение. Его эффективность зависит от теплопередачи корпуса, выполняющего роль радиатора, площади поверхности рассеивающей тепло, а также от ее излучающих свойств.
В состав высокочастотного генератора электрических колебаний обычно входят автогенератор, модулятор, усилитель мощности, измеритель напряжения, характеризующий плотность мощности излучения, генератор модулирующих сигналов. Для их работы необходим источник питания. Кроме этого, обычно вводится таймер с сигнализатором окончания процедуры терапии. Функциональная схема ультразвукового терапевтического аппарата приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема ультразвукового терапевтического аппарата.

 
Колебания электрического сигнала требуемой формы (прямоугольные, синусоидальные и пр.) создаются автогенератором. С помощью модулятора обеспечивается непрерывный или импульсный режимы акустического воздействия на биообъект. В некоторых случаях возможно получение амплитудно-модулированных колебаний, огибающая которых адекватна электрическим или механическим процессам в объекте, который подвергается терапии. Характер модуляции задается генератором модулирующего сигнала. Сформированные электрические колебания подаются на усилитель мощности. В нем они усиливаются до требуемого уровня и прикладываются к пьезоэлектрическому излучателю. Вследствие проявления прямого пьезоэффекта пластина пьезоизлучателя начинает колебаться в соответствии с приложенным напряжением и создает ультразвуковые колебания торцевой части излучательной головки.
Мощность колебаний обычно оценивается с помощью измерителя напряжений, шкала которого для конкретного излучателя градуируется в значениях плотности мощности Вт/см 2 . Для удобства в эксплуатации обычно предусматривается таймер со звуковой сигнализацией. С помощью его автоматически дозируется время лечебной процедуры.
Упрощенная принципиальная схема ультразвукового терапевтического аппарата, дающая представление о способах его построения, приведена на рис. 3.

Рис. 3 Упрощенная принципиальная схема аппарата для ультразвуковой терапии.

 
Автогенератор колебаний выполнен на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Частота автоколебаний стабилизирована кварцевым резонатором B1. Для обеспечения мягкого режима возбуждения автоколебаний логические элементы DD1 и DD1.2 через резисторы R 1 и R 2 охвачены отрицательной обратной связью. Она обеспечивает работу микросхем в линейном режиме в момент их включения.
Микросхема DD1.3 служит для формирования из сигнала автогенератора прямоугольного напряжения и уменьшения влияния на него сопротивления нагрузки. На микросхеме DD1.4 выполнен модулятор, с помощью которого обеспечивается получение непрерывного или импульсного режима работы. На один из входов микросхемы подан сигнал логической единицы при работе аппарата в непрерывном режиме. Поэтому каждое колебание, снимаемое с выхода микросхемы DD1.3, вызовет соответствующее колебание выходного напряжения микросхемы DD1.4. В импульсном режиме, при замкнутом ключе SW4, на входе микросхемы DD1.4 сигнал периодически становится нулевым.
Микросхема на время действия сигнала логического нуля перестает передавать на выход импульсы автогенератора. Соответственно, на этот период времени прекращается излучение ультразвуковых колебаний пьезоизлучателем. Управление модулятором осуществляется с помощью напряжения прямоугольной формы, имеющего необходимые длительности чередования напряжений. Выходное напряжение микросхемы DD1.4 подается на предусилитель со ступенчатой регулировкой интенсивности колебаний. Он выполнен на транзисторах VT1 и VT2. Транзисторы работают в ключевом режиме и позволяют получить импульсы требуемой амплитуды. Она обеспечивается делителями напряжений на резисторах R 6 -R 11 . Причем с помощью их выставляется требуемое значение лотности мощности, например: 0,05 Вт/см 2 ; 0,2 Вт/см 2 ; 0,4 Вт/см 2 ; 0,7 Вт/см 2 ; 1 Вт/см и т.д. Количество делителей и переключателей (SW1-SW3) зависит от количества требуемых плотностей мощности.
На транзисторе VT3 выполнен предусилитель. Через резистор R 13 он охвачен глубокой отрицательной обратной связью, повышающей стабильность работы. Для выделения первой гармоники и формирования синусоидального колебания из прямоугольного используется резонансный LC-контур, состоящий из индуктивности L 3 , конденсаторов С 5 , С 6 , С 7 , С 8 . Индуктивности (дроссели) L 1 , L 2 и конденсаторы С3 , С 4 представляют собой фильтр низких частот, препятствующей проникновению высокочастотных колебаний в цепь напряжения источника питания и обеспечивающей большое сопротивление нагрузки и большой коэффициент усиления у каскада в области высоких частот.
Усиление сигнала по мощности до требуемого уровня обеспечивается транзистором VT4. Он включен по схеме с общим эмиттером и охвачен отрицательной обратной связью по току через резистор R15. Согласование выходного каскада с излучателем B2, который с электрической точки зрения представляет собой емкость с потерями, осуществляется с помощью катушки индуктивности L7, и конденсатора C12 С помощью их обеспечивается получение режима, при котором будет максимальной амплитуда колебаний пьезоизлучателя. Назначение индуктивности L7 - компенсация значительного емкостного сопротивления нагрузки пьезоэлектрического преобразователя. Катушки индуктивности (дроссели) L5 , L6 и конденсаторы С9 , С10 аналогичны по назначению индуктивностям L1 , L2 и конденсаторам С3 , С4 . Катушка индуктивности L4 компенсирует влияние входной емкости транзистора VT4.
Из приведенного примера видно, что приходится применять специальные меры по согласованию излучателя с генератором электрических колебаний. Если используется несколько типов излучающих головок, то соответствующее согласование необходимо применять для каждого типа. Вследствие этого обстоятельства проведена унификация излучателей, которые выпускаются под маркой ИУТ. В их обозначении присутствует название ИУТ, составляющее первый элемент. Вторым элементом является рабочая частота (частота преобразуемых колебаний в МГц). Третьим элементом - эффективная площадь излучателя. Четвертым - обычно указывается модификация. Например ИУТ 0,88-0,5-10 излучатель с частотой колебаний 880 кГц с эффективной площадью излучения 0,5 см 2 десятой модификации или ИУТ 2,64-2-2 - частота 2,64 МГц с эффективной площадью излучателя 2 см2 второй модификации.
Ультразвуковые аппараты обычно выпускаются под маркой УЗТ.
При использовании технических средств для ультразвуковой терапии, следует помнить, что воздушная прослойка между излучателем и объектом в 0,01 мм является непреодолимым препятствием для ультразвуковых волн терапевтических частот. Поэтому между ними всегда должна быть жидкая контактная среда (вазелин, глицерин, вода, ланолин). Для предохранения обслуживающего персонала или пациента от ультразвуковых воздействий на руку, которая держит излучательную головку, следует одевать перчатку. Импульсный режим способствует заметному уменьшению тепловых эффектов.
Для примера приведем технические данные одного из аппаратов для ультразвуковой терапии.
Частота ультразвуковых колебаний 2640 кГц; эффективная площадь излучателей 2 см и 0,5 см 2 ; режимы работы - непрерывный и импульсный; длительность пачки импульсов - 2, 4, 10 мс; частота повторения пачек импульсов 50 Гц; ступени переключения интенсивности, Вт/см 2 - 1,0; 0,7; 0,4; 0,2; защита от поражения электрическим током по классу 1; потребляемая от сети электрическая мощность 50 В.А.; масса электрического блока 7 кг.

 

Комментарии

Отправить комментарий

Содержание этого поля является приватным и не предназначено к показу.
  • Доступны HTML теги: <a> <em> <strong> <cite> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <img> <table> <td> <tr> <hr> <div> <span> <h1> <h2> <h3> <h4> <h5> <h6> <p> <pre> <adress> <center>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Подробнее о форматировании

3 + 9 =
Решите эту простую математическую задачу и введите результат. Например, для 1+3, введите 4.

Комментарии