Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТАНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

по дисциплине: Проектирование МБЭСК

Санкт-Петербург

2012

Список принятых сокращений

УЗ- ультразвук

УЗМ- ультразвуковые многофункциональные терапевтические аппараты

УЗТ- ультразвуковые терапевтические аппараты

Введение

Современные тенденции в развитии приборов и аппаратов для научных и клинических исследований базируются как на фундаментальных знаниях биологической и медицинской науки, так и на широком использовании достижений физики, химии, информационной техники, микроэлектронной технологии, новых материалов.

Тенденции развития медицинского приборостроения наиболее полно проявляются в аппаратах и комплексах для терапии. Различают следующие виды терапии: УЗ; СВЧ; УВЧ; индуктотермия; магнитотерапия.

Ультразвуковую терапию стали применять с 1938 года. А сегодня ультразвук с успехом применяется в ряде областей медицины, и в первую очередь - для лечебных целей в физиотерапии. Высокая физиологическая активность ультразвука, проявляющаяся в его заметном влиянии на обмен веществ, регуляторные функции организма, функциональное состояние различных органов и систем, послужила основанием к его широкому лечебному использованию.

Терапевтическое действие ультразвука зависит от правильного подбора многих параметров. Поэтому необходимы устройства, позволяющие обеспечивать оптимальные значения этих параметров.

Устройства ультразвуковой терапии должны быть портативными, пригодными для лабораторных и домашних условий работы, просты и безопасны в обращении.

Таким образом, в данной дипломной работе будут решены следующие задачи: анализ различных методик ультразвуковой терапии; ознакомление с техническими характеристиками УЗ-аппаратов и изучение их аппаратной реализации, по средствам ознакомления с различной литературой и сравнительного анализа, проведенного на основании освоенного материала.

Целью дипломной работы является разработка принципиальной схемы ультразвукового терапевтического аппарата. Создание модели этого аппарата УЗТ, по средствам пакета программ схемотехнического анализа Micro CAP-VII(VIII). Так же будет написано методическое пособие студентам, для исследования режимов работы ультразвуковой терапевтической аппаратуры.

Актуальность работы заключается в разработке схемотехнически простой принципиальной схемы ультразвукового аппарата (генерация непрерывного сигнала постоянной частоты, и импульсного сигнала, возможность ступенчатой регулировки длительности сигналов). А так же создание наглядного макета для изучения и освоения принципа работы аппарата УЗТ, которым будут пользоваться студенты.

ультразвук излучатель терапевтический

1. Ультразвуковая терапия

1.1 Ультразвуковые волны и особенности их распространения

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда -- он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения -- средой, а длина волны -- и источником звука, и средой.

Звук -- это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рисунок 1- Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне

Звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны (рисунок 2):

1) инфразвук - до 16 Гц;

2) слышимый звук - 16-20000 Гц;

3) ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц.

Механические колебания и волны при частоте ниже 16 Гц называют инфразвуковыми. Инфразвуковые волны человеческое ухо не воспринимает. Несмотря на это, они способны оказывать на человека определенные физиологические воздействия. Объясняются эти действия резонансом. Внутренние органы нашего тела имеют достаточно низкие собственные частоты: брюшная полость и грудная клетка - 5-8 Гц, голова - 20-30 Гц. Среднее значение резонансной частоты для всего тела составляет 6 Гц. Имея частоты того же порядка, инфразвуковые волны заставляют наши органы вибрировать и при очень большой интенсивности способны привести к внутренним кровоизлияниям. Например, на частоте 4-8 Гц человек ощущает перемещение внутренних органов, а на частоте 12 Гц - приступ морской болезни. Лечебное применение подобных колебаний можно видеть на примере вибрационного массажа.

ИнфразвукСлышимый звукУльтразвук

16 20000 f, Гц

Рисунок 2 - Частотная шкала звуковых колебаний

Механические колебания и волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц называются звуковыми и воспринимаются ухом.

Механические колебания и волны с частотой выше 20 кГц называются ультразвуковыми (или просто ультразвуком) и ухом не воспринимаются. Верхний предел спектра ультразвуковых колебаний не установлен. Он обусловлен физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах. Поэтому в газах верхнюю границу УЗ определяют из условия приблизительного равенства длины звуковой волны и длины свободного пробега молекул; при нормальном давлении она составляет - 10⁹ Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10¹²-10¹³ Гц. В зависимости от длины волны и частоты УЗ обладает специфическими особенностями излучения, приема, распространения и применения. Область УЗ удобно разделить на 3 подобласти: низкие УЗ частоты - 1,5?10⁴?10⁵; средние - 10⁵?10⁷, и высокие - 10⁷?10⁹. Упругие волны с частотами 10⁹?10¹² Гц принято называть гиперзвуком [1].

В звуковых и ультразвуковых волнах колебания частиц происходят в том же направлении, что и распределение волны. Такие волны, называемые продольными, представляют собой чередующиеся участки сгущения и разряжения вещества, перемещающиеся в направлении распространения волны. В твердых веществах могут образовываться, кроме продольных, также и поперечные звуковые или ультразвуковые волны.

Скорость распространения волны зависит от упругих свойств и плотности среды; в жидкостях она выше, чем в газах, а в твёрдых телах выше, чем в жидкостях.

В воздухе ультразвуковые волны распространяются со скоростью около 330 м/с. Скорость распространения ультразвука в различных мягких тканях организма находится в пределах 1445-1600 м/с, не отличаясь более чем на 10% от скорости распространения в воде (около 1500 м/с).

В костной ткани скорость распространения выше - около 3370 м/с. Например, при используемой в ультразвуковой терапии частоте 880 кГц длина волны в воде и мягких тканях тела имеет величину порядка 1,6-1,8 мм.

В таблице 1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека [2].

Таблица 1 - Скорость распространения ультразвука в мягких тканях.

Ткань	Скорость распространения ультразвука в мм/мкс
Мозг	1,51
Печень	1,55
Почки	1,.56
Мышцы	1,58
Жировая ткань	1,45
Кости	4,08
Кровь	1,57
Мягкие ткани (усреднение)	1,54
Вода (20°С)	1,48

Для создания и поддержания ультразвуковой волны требуется постоянная передача в среду энергии источника колебаний. Эта энергия в процессе колебания частиц среды около положения равновесия передается от одной частицы другой так, что в ультразвуковой волне происходит передача энергии без переноса самого вещества.

Происходящие в ультразвуковой волне колебательные движения частиц вещества характеризуются очень малой амплитудой смещения и чрезвычайно большими ускорениями. Так, например, при частоте 880 кГц частицы тканей тела, в которых распространяется волна с интенсивностью 2 Вт/см? (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии), колеблются с амплитудой порядка 3,5?10^-6 см. Максимальное ускорение достигает при этом 90?10⁶ см/с?, что превышает величину ускорения свободного падения тел почти в 100 тыс. раз.

Огромные ускорения и значительные давления, испытываемые частицами среды при ультразвуковых колебаниях, определяют в значительной степени действие ультразвука (в том числе и лечебное) на ткани организма.

При распространении ультразвуковой волны происходят потери энергии на нагрев частиц среды. Интенсивность ультразвука уменьшается при этом по экспоненциальному закону. Для характеристики этого процесса используют понятие «глубина проникновения». Глубина проникновения равна расстоянию до поверхности, на которой интенсивность ультразвуковой волны уменьшилась в е раз (е ?2,7 - основание натуральных логарифмов). Поглощение энергии увеличивается с частотой колебаний, соответственно уменьшается глубина проникновения. На частоте 880 кГц глубина проникновения ультразвуковой энергии в мышечные ткани составляет около 5 см, в жировые ткани - около 10 см, в кости - около 0,3 см. Малые потери энергии в слоях жировой ткани и, следовательно, незначительный их нагрев при достаточном проникновении энергии в мышцы обеспечивают хорошие условия для терапевтического применения ультразвука (рис. 3).

Рисунок 3 - Распределение поглощённой механической энергии в тканях организма при УЗ-терапии (К - кожа, М - мышцы, КТ - костная ткань).

Вместе с тем, распределение ультразвуковой энергии между слоями тканей тела имеет характерную особенность, заключающуюся в интенсивном нагреве костных тканей. Это отличает действие ультразвука от действия электромагнитной волны и должно учитываться при проведении процедур ультразвуковой терапии [1].

Таким образом, применение ультразвука из-за его свойств достаточно широко, в том числе он применяется и в интересующей нас сфере - медицине, а в частности физиотерапии.

1.2 Физика получения ультразвука

1.2.1 Методы получения ультразвука

Для получения ультразвука используют два метода. Первый метод - использование явления магнитострикции.

В 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитноеполе, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием

изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться. Никелевые сердечники, в отличии от железных, в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется в одном направлении при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока. Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника и повышению мощности.

Магнитострикционный эффект используется при изготовлении УЗ-вых магнитострикционных преобразователей (рис. 4).

Рисунок 4 - Магнитострикционный преобразователь

Эти преобразователи отличаются большими относительными деформациями, повышенной механической прочностью, малой чувствительностью к температурным воздействиям. Магнитострикционные преобразователи имеют небольшие значения электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения. Чаще всего применяют преобразователи из никеля (высокая стойкость против коррозии, низкая цена). Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов. У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Однако феррит - хрупкий материал, что вызывает опасность их перегрузки при большой мощности. КПД магнитострикционных преобразователей при излучении в жидкость и твердое тело составляет 50?90%, интенсивность излучения достигает нескольких десятков Вт/см².

Такой метод обычно используется для получения ультразвука частотой в несколько десятков килогерц.

Второй метод - использование обратного пьезоэффекта. В медицине для целей терапии применяется ультразвук относительно высокой частоты порядка 800-3000 кГц, которое и получают с помощью, так называемого, обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что во многих кристаллах (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) под действием электрического поля происходит некоторое взаимное смещение полярных групп атомов, составляющих основную структуру вещества, что вызывает соответствующее изменение размеров кристаллов.

Если к торцевым поверхностям пластинки, вырезанной определенным образом из кристалла кварца, с помощью электродов приложить переменное электрическое напряжение, то толщина пластинки будет поочередно уменьшаться и увеличиваться с частотой приложенного напряжения.

При уменьшении толщины пластинки в прилегающих слоях окружающей среды образуется разрежение, а при увеличении - сгущение частиц среды.

Таким образом, в результате периодического изменения толщины пластинки, называемой пьезоэлектрическим преобразователем, в среде возникает УЗ волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном поверхности пластинки (рис. 5).

Рисунок 5 - Пьезоэлектрический излучатель

Ультразвуковые волны подчиняются тем же законам, что и звуковые волны. В связи с большей частотой и соответственно меньшей длиной волны УЗ волны легче фокусируются, они сильнее поглощаются средой, чем звуковые.

Мощность УЗ волны, приходящаяся на единицу рабочей поверхности излучателя, называется удельной мощностью или интенсивностью ультразвука. Обычно максимальная интенсивность терапевтических воздействий 2-2,5 Вт/см². Если площадь головки облучателя колеблется в пределах от 4 до 12 см², то полная УЗ мощность излучателя в малых аппаратах составляет 8-10 и в больших до 25-30 Вт.

1.2.2 Технические методы построения УЗ генераторов

Существующее УЗ технологическое оборудование различной мощности, степени сложности и назначения, базируется на общих принципах работы и сходно по своей структуре.

На рисунке 6 представлена структурная схема УЗ технологического аппарата, который состоит из сетевого источника питания, транзисторного усилителя (инвертора), задающего генератора УЗ частоты, устройства контроля и управления, устройства согласования, УЗКС - УЗ колебательной системы (пьезопреобразователя и концентратора), технологической среды.

Рисунок 6 - Структурная схема ультразвукового генератора

УЗ электронные генераторы - предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и применяются для питания электроакустических преобразователей. В настоящее время УЗ генераторы выполняются на полупроводниковых приборах - транзисторах и тиристорах. Применение тиристорных инверторов ограничено из-за низких частотных свойств тиристоров и сложности схемы управления. Наиболее широко в настоящее время применяются УЗ генераторы на транзисторах. Так как параметры транзисторов непрерывно улучшаются, они являются наиболее перспективными приборами и для новых разработок УЗ генераторов.

По схемному решению генераторы могут быть с независимым возбуждением, с самовозбуждением, с электрической или акустической автоподстройкой частоты.

По своим техническим возможностям УЗ аппараты могут быть универсального применения и специализированные. Универсальные рассчитаны на работу с различными технологическими средами, допускают широкую вариацию выходных параметров (мощности, частоты, напряжения и т.п.) и условий согласования с нагрузкой. Специализированные аппараты рассчитаны на питание одной или нескольких определенных нагрузок. Эти генераторы имеют неизменяемые выходные параметры (рабочую частоту, выходную мощность и т.д.). Универсальные генераторы предназначены для использования в лабораториях, на опытных производствах, для питания устройств, где не происходит изменения параметров технологического воздействия. При применении в массовом производстве, где выходные параметры генератора остаются неизменными, предпочтительны специализированные ультразвуковые аппараты.

Характеристики аппаратов, как электрические, так и неэлектрические обусловлены, характеристиками ультразвуковой технологической установки, в состав которой они входят.

Наличие взаимного влияния параметров среды и преобразователя приводит к влиянию параметров технологической среды на электрические параметры УЗ колебательных систем и электронных генераторов. Это объясняется тем, что УЗ колебательная система, являясь частью технологического аппарата, одновременно входит в состав генератора электрических колебаний, являясь его электрической нагрузкой. УЗ колебательная система представляет собой электромеханическую резонансную систему, к главным характеристикам которой относятся резонансная частота и добротность. Параметры такой системы очень чувствительны к влиянию на неё различных факторов. В связи с этим любое воздействие на колебательную систему изменяет её основные характеристики, что приводит к изменению параметров генератора. Таким образом, на работу генератора электрических колебаний УЗ частоты оказывает влияние изменение параметров колебательной системы.

Ультразвуковая колебательная система (УЗКС) представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование энергии электрических колебаний, поступающих от генератора, в упругие колебания резонансной колебательной системы и ввод сформированных колебаний в обрабатываемые технологические среды. УЗКС является основным узлом любого технологического аппарата, поскольку обеспечивает не только формирование УЗ колебаний, но и их усиление до величин, необходимых для реализации различных процессов при помощи резонансных концентраторов, а также ввод усиленных УЗ колебаний в технологические среды через различные по площади и форме излучающей поверхности рабочие инструменты.

УЗКС технологического назначения состоит из пьезоэлектрических элементов 4, отражающей накладки 4, концентратора 5, рабочего инструмента 6 с излучающей поверхностью (Рис. 7)[7].

1 - корпус; 2 - опора; 3 - отражающая металлическая накладка; 4 - пьезоэлектрические элементы; 5 - излучающая накладка - концентратор; 6 - рабочий инструмент; l₁ - длина цилиндрического участка отражающей накладки с пьезоэлементами; l_z - длина участка переменного сечения (радиальный переход); l₂ - длина излучающего цилиндрического участка концентратора.)

Рисунок 7 - Конструктивная схема полуволновой ультразвуковой колебательной системы.

Важнейшей характеристикой колебательной системы является резонансная частота, так как при работе на резонансной частоте достигаются наибольшие значения колебательных смещений и скоростей, определяющих эффективность процесса. Рабочая частота, или диапазон частот, устанавливается в зависимости от рабочих частот УЗ установок.

1.3 Терапевтический УЗ излучатель

Аппараты для УЗ терапии состоят из генератора УЗ колебаний, к колебательному контуру которого подключен пьезоэлектрический преобразователь (излучатель). Преобразователь выносится в отдельную головку, соединенную кабелем с аппаратом[3].

Типовой терапевтический излучатель приведен на рис.8.

Рисунок 8 - Упрощенная структура терапевтического УЗ-излучателя

Получаемая в излучателях такого типа УЗ волна не имеет большой мощности. В то же время в ряде медицинских приложений (например, для разрушения камней в почках, желчном пузыре, печени) требуется достаточно большая мощность. Такие волны получают с помощью фокусирующих преобразователей, имеющих вогнутые излучающие поверхности. В медицине для получения мощного акустического импульса используется сферический излучатель (рисунок 9).



Рисунок 9- Схема получения мощных фокусированных акустических импульсов:

1 - сферический излучатель, 2 - электроды, 3 - биологическая ткань.

Для получения максимального эффекта от его работы УЗ излучатель проектируют так, чтобы он работал на частоте резонанса. В таком излучателе пьезопластина размещается на массивном металлическом торце головки излучателя. Корпус вместе с металлическим торцом является одним проводом токопровода. К металлическому покрытию или к пластине на другой стороне пьезопластины напряжение подводится через контактную пружину.

В момент замыкания электрического ключа S между электродами возникает электрический разряд. Электроды располагают так, чтобы место разряда находилось в фокусе сферы. Возникающий акустический импульс, отражаясь от сферической поверхности излучателя, вызывает деформацию биологической ткани. Изменяя значение тока электрического разряда между электродами, можно изменять интенсивность акустического импульса, а изменяя частоту разряда конденсатора С - частоту следования импульсов.

Если использовать несколько таких излучателей и разместить их так, чтобы энергия каждого излучателя в основном рассеивалась в одной зоне, то можно существенно уменьшить акустические нагрузки на те части биологической ткани, которые не должны быть разрушены. Действительно, если с четырех только что описанных фокусирующих УЗ излучателей ввести колебания в биообъект с четырех сторон, то все явления в ней будут идти в четыре раза интенсивнее, чем в случае одного излучателя. При этом акустическая нагрузка на биоткань в местах введения в нее ультразвука останется такой же, как и при одном излучателе.

1.4 Методики лечения ультразвуком

Ультразвуковая терапия - лечебное применение механических колебаний частотой 22-44 кГц и от 800 кГц до 3 МГц. Глубина проникновения в ткани 20-50 мм.

Воздействие ультразвука на ткани осуществляется обычно контактно, путем приложения торцевой поверхности головки излучателя к области, подлежащей воздействию.

В связи с тем, что УЗ колебания отражаются даже от тончайших прослоек воздуха, к телу пациента их подводят, так же, как и при диагностике, через безвоздушные контактные среды - вазелиновое или растительное масло, лекарственные мази, воду.

Контактный способ применяется при воздействии на относительно плоские поверхности тела и может быть как неподвижным (стабильным), так и подвижным (лабильным), при котором головку излучателя плавно массирующим движением перемещают в продольном направлении и по кругу по всей поверхности области воздействия. Скорость передвижения излучателя 1-2 см/с. В области максимально выраженных болевых точек полезно задержать излучатель на 5-10 секунд. Время процедуры составляет 1-5 мин, максимум 10-15 мин и зависит от величины поля воздействия. На курс лечения назначают, обычно, от 8 до 12 процедур. По показаниям лечащего врача УЗ терапию можно повторить через 2-3 месяца [4].

Стабильная методика в настоящее время почти не применяется, так как вследствие механической неоднородности тканей и возможного формирования «стоячих» волн стабильная методика может привести к их локальному перегреву.

Процедуры ультразвука проводят через 1-2 часа после еды в удобном для больного положении (сидя или лежа).

Кроме контактного способа, применяется также воздействие через воду (рисунок 10): в ванне или с помощью наполненных водой мешочков[1].

Рисунок 10 - Расположение излучателя при действии ультразвука на голеностопный сустав.

Ультразвук, наряду с другими средствами, используется при лечении моче- и желчекаменной болезни. Такой неоперативный (т.е. без вмешательства) метод называется экстракорпоральная ударно-волновая литотрипсия. Суть его заключается в дроблении камней для последующего их выведения средствами самого организма - через мочу или желчь. При этом волны генерируются внешним источником энергии и передаются от него к месту проведения операции. Специальный прибор - литотриптор - позволяет точно выявить местоположение камня с помощью УЗ волн и, с их же помощью производит дробление камней. В приборах старого образца пациенту должна быть проведена предварительная анестезия, а его тело погружено в ванну с водой. В приборах нового образца этого не требуется, и процесс дробления камней в организме человека значительно упрощается.

Лекарственный ультрафонофорез (фонофорез) - это сочетанное воздействие на ткани ультразвуковых колебаний и вводимых с их помощью лекарственных веществ. При использовании фонофореза к механизмам биологического действия ультразвуковых колебаний добавляются лечебные эффекты конкретного лекарственного вещества. При таком сочетании молекулы лекарственных веществ приобретают большую подвижность и реакционную способность. Это существенно увеличивает количество лекарственного вещества, поступающего в организм, и эффективность его терапевтического действия, которое зависит также и от области его введения[5].

1.5 Параметры ультразвукового сигнала в терапии

Терапевтическое действие ультразвука зависит от правильного подбора следующих параметров: интенсивности, места, площади воздействия, продолжительности, методических приемов проведения процедуры (лабильного или стабильного, контактного или через воду), режима работы (непрерывного или импульсного).

1) В современной физиотерапии утвердилось деление интенсивностей ультразвука на малые (0,05-0.04 Вт/см²), средние (0,6-0,8 Вт/см²) и большие (1,0-1,2 Вт/см²)[1].

Величина интенсивности тесно связана с общей выходной мощностью энергии ультразвука, и этот показатель должен особо учитываться при работе с аппаратами, имеющими большую площадь ультразвукового излучателя (10 см²).

Интенсивность ультразвука должна определяться с учетом локализации воздействия. Наименьшие интенсивности используют при воздействиях в области головы, местах скопления симпатических образований (симпатические ганглии, шейный вегетативно-сосудистый пучок и др.). Имеют значение возраст, выраженность подкожного жирового слоя. При лечении детей (в возрасте не менее 2 лет) и людей старшего возраста предпочтительнее использовать ультразвук малой интенсивности.

При необходимости использовать преимущественно разволокняющее влияние ультразвука, особенно при локализации процессов в области конечностей, можно применять интенсивность более высокую 0,8-1 Вт/см² (шпоры пяточных костей).

2) Ультразвуковые воздействия проводят на ограниченные части тела (полями): местно - на очаг заболевания (при поражении суставов - обычно на один-два, реже - три сустава, вокруг последнего, на фурункул и т.д.); на паравертебральные области (рефлекторно-сегментарные зоны); на зоны проекции - иррадиации боли (при радикулитах, невралгии); на область болевых точек (нейромиозит); на кожную проекцию пораженного органа при внутренней патологии (гастрит). Площадь воздействия (одно поле) в среднем не более 150-250 см².

При сравнительно большой поверхности воздействия (например, на паравертебральную область и область распространения боли при радикулите) всю зону делят на отдельные поля. Паравертебральные воздействия (в виде продольных полос шириной 8-10 см) проводят на 2-3 участка: шейный, грудной, поясничный. Зону воздействия по ходу седалищного нерва делят на следующие участки: ягодица и крестцовая область, задняя поверхность бедра, голень, стопа. Соответственно намечают поля и при шейно-грудном радикулите. Единовременно, в течение одной процедуры, можно подвергать воздействию 4-6 полей.

Не следует применять ультразвук на область сердца, выступающие костные поверхности, ткани с тяжелыми нарушениями циркуляторных процессов (отечные).

3) Продолжительность воздействия ультразвуком на одно поле составляет 3-10 мин. Его определяют исходя из локализации и площади (количество полей) воздействия, принимая во внимание, что общая продолжительность процедуры не должна превышать 15 мин.

Процедуры можно назначать ежедневно или через день на курс лечения - 6-8-10-12 процедур, реже - 20. Повторять курс ультразвуковой терапии, целесообразно с промежутками не менее 3 мес[5].

4) Приемы проведения процедуры могут быть разными. Выбор их зависит от места воздействия (гладкая обширная поверхность спины, конечности или мелкие суставы пальцев руки, контрактура пальцев конечностей и др.) и некоторых клинических особенностей заболевания (гиперестезия, и др.). О способах и методиках проведения терапевтических процедур будет написано ниже.

5) При озвучивании используются различные виды ультразвука: непрерывный и пульсирующий.

Поток ультразвуковых волн без перерыва и скважности принято называть непрерывным ультразвуком (рисунок 10).

Рисунок 10 - Непрерывный ультразвук.

Пульсирующий ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т.е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени - паузы (рисунок 11); эти паузы - скважности - могут быть различны и относятся по отношению к ультразвуковой волне так же, как 1:2 или 1:5 или 1:10.

Рисунок 11 - Пульсирующий ультразвук.

В связи с различными видами ультразвука выделяют режимы воздействия ультразвуком: непрерывный или импульсный. Импульсный режим ультразвуковых колебаний считается более щадящим (в нем заметно уменьшается значение теплового компонента) и используется преимущественно в лечении более острых стадий патологического процесса, при выраженности в клинической картине болезни вегетативно-сосудистого компонента, при наличии очагов хронической инфекции, мышечных атрофиях и др. Этот режим (длительность импульсов 2 или 4 мс) предпочтителен в методиках лечения детей, особенно младшего возраста.

В импульсном щадящем режиме уменьшается значение теплового компонента. При непрерывном режиме более выражено тепловое воздействие ультразвуковых колебаний.

2. Ультразвуковые терапевтические системы

2.1 Обобщенная структурная схема аппарата ультразвуковой терапии

Современные ультразвуковые аппараты, применяемые в медицине, состоят из генератора электрических колебаний ультравысокой частоты, ультразвуковой головки с пьезоэлементом, соединенным высоковольтным кабелем с колебательным контуром генератора, элементов управления и источника питания.

В последние годы в УЗ терапевтических аппаратах широкое применение получили пьезопреобразователи из керамики титаната бария. Это - спеченные при высокой температуре мелкие кристаллы, т.е. керамика имеет поликристаллическую структуру. Преимуществом ее перед кварцем является стоимость и меньшая величина напряжения, необходимого для возбуждения УЗ колебаний (напряжение на кварцевой пластинке при частоте 880 кГц и интенсивности 2 Вт/см² превышает 1500 B, на пластине из керамики титаната бария при той же интенсивности - не более 100 B). Это позволяет упростить конструкцию аппарата, в частности, применить для питания головки гибкий низковольтный кабель.

На рисунке 12 приведена структурная схема аппарата ультразвуковой терапии.

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 предварительный усилитель мощности. В нем они усиливаются до требуемого уровня (т.е. предварительный усилитель производит ступенчатую регулировку коэффициента усиления.) 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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 - Обобщенная структурная схема аппарата ультразвуковой терапии

Все регулировки осуществляются с помощью пульта управления с процедурными часами, которые отключают блок питания по истечении установленного времени длительности процедуры. Индикатор показывает наличие сигнала ультразвуковой частоты на выходе усилителя.

2.2 Технические характеристики УЗ-аппаратов

В физиотерапевтической практике для ультразвуковой терапии используются в основном унифицированные ультразвуковые терапевтические аппараты трех серий:

1) УЗТ-1 (УЗТ-1-01; УЗТ-1-02; УЗТ-1-03) - аппараты, работающие на частотах 880 кГц;

2) УЗТ-3 (УЗТ-3-01; УЗТ-3-02; УЗТ-3-03) - рабочая частота 2640 кГц;

3) УЗТ-13 или «Гамма» (УЗТ-13-01; УЗТ-13-02) - генерируют ультразвук на двух частотах 880 и 2640 кГц.

Для лечения используют аппараты УЗТ. Первая из следующих за этой аббревиатурой цифра указывает на округленную частоту генерируемых колебаний (1 МГц ~ 880 кГц, 3 МГц ~ 2640 кГц), а последняя буква - область применения (Ф - терапевтический, С - стоматологический, У - урологический, Л - оториноларингологический, Г - гинекологический). Кроме них, используют и еще ряд аппаратов непрерывной и импульсной УЗ терапии.

Стоит отметить, что в медицине принято выделять три диапазона интенсивностей:

1) 0,05-0,6 Вт/см² - низкий уровень интенсивности;

2) 0,6-1,2 Вт/см² - средний уровень интенсивности;

3) свыше 1,2 Вт/см² - сверхтерапевтический, высокий уровень интенсивности.

Международная электротехническая комиссия приняла решение, что максимальная интенсивность с головки излучателя терапевтического аппарата не должна превышать 3 Вт/см².

Ниже рассмотрены основные технические характеристики некоторых УЗ-аппаратов (таблица 2).

Таблица 2 - Технические характеристики УЗ-аппаратов

Тип	Назначение	Рабочая частота, кГц	Режим работы	Макс. интенсивность, Вт/см2	Эффективная площадь зонда, см2
УЗМ-01 Галатея	Многофункцио-нальный аппарат для проведения ультразвуковых терапевтических и косметологических процедур по области лица и тела	32 880 2640	Непрерывный Импульсный: ? = 2, 4, 10 мс Fповтор = 50 кГц	0?1 с шагом 0,1	1 и 4
УЗТ-1.07Ф	Лечение различных заболеваний периферической нервной системы опорно-двигательного аппарата, пародонтоза и послеопераци-онных рубцов лица и шеи, урологических заболеваний, цистита	880	Непрерывный Импульсный: ? = 2, 4, 10 мс Fповтор = 50 кГц	0?1 с шагом 0,1	1 и 4
УЗТ-1.03У	Лечение ультразвуком урологических заболеваний типа хронического пиелонефрита, цистита, дистаний, хронического простатита, мочекаменной болезни	880	Непрерывный Импульсный: ? = 2, 4, 10 мс Fповтор = 50 кГц	1,0; 0,7 0,4; 0,2; 0,05	1, 2 и 4
УЗТ-1.02С	Лечение пародонтоза, глоссальгии, артрозоартритов, келоидных и послеоперационных рубцов лица и шеи	880	Непрерывный Импульсный: ? = 2, 4, 10 мс Fповтор = 50 кГц	1,0; 0,7 0,4; 0,2; 0,05	1 и 2
BTL 5720 Sono	Реабилитация, гинекология, ортопедия, неврология, спортивная медицина	1000 3000	Непрерывный Импульсный	0?2 с шагом 0,1 0?3 с шагом 0,1	1 и 4
ULTRASONIC 2100	Лечение артрита; артроза; бронхиальной астмы; воспаления седалищного нерва; колита; гастрита; герпеса; гематомы; мастита; невралгии; рубцов; язв	1000 3000	Непрерывный Импульсный	0?2 с шагом 0,1 0?3 с шагом 0,1	5
УЗТ-1.04О	Лечение ультразвуком различных заболеваний глаз: воспалений роговицы, травматических катаракт, гемофтальма, частичной атрофии зрительного нерва, пигментной дегенерации сетчатки, рубцовых заболеваний век.	880	Непрерывный Импульсный: ? = 2, 4, 10 мс Fповтор = 50 кГц	1,0; 0,7 0,4; 0,2; 0,05	1, 2 и 4

2.3 Основные сведения о программе Micro Cap VII(VIII)

Чтобы спроектировать УЗТ аппарат, воспользуемся пакетом программ схемотехнического анализа MicroCAP-7. Ниже представлено краткое описание этой программы.

MicroCAP-7 -- это универсальный пакет программ схемотехнического анализа, предназначенный для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этого пакета, впрочем, как и всех программ семейства MicroCAP (MicroCAP-3… MicroCAP-8), является наличие удобного и дружественного графического интерфейса, что делает его особенно привлекательным для непрофессиональной студенческой аудитории. Несмотря на достаточно скромные требования к программно-аппаратным средствам ПК (процессор не ниже Pentium II, ОС Windows 95/98/ME или Windows NT 4/2000/XP/7, память не менее 64 Мб, монитор не хуже SVGA), его возможности достаточно велики. С его помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые устройства. Возможно также и смешанное моделирования аналого-цифровых электронных устройств, реализуемое в полной мере опытным пользователем пакета, способным в нестандартной ситуации создавать собственные макромодели, облегчающие имитационное моделирование без потери существенной информации о поведении системы.

От младших представителей своего семейства MicroCAP-7 отличается более совершенными моделями электронных компонентов разных уровней (LEVEL) сложности, а также наличием модели магнитного сердечника. Это приближает его по возможностям схемотехнического моделирования к интегрированным пакетам DESIGNLAB, ORCAD, PCAD2002 -- профессиональным средствам анализа и проектирования электронных устройств, требующим больших компьютерных ресурсов и достаточно сложных в использовании.

Перечисленные достоинства делают пакет программ MicroCAP-7 весьма привлекательным для моделирования электронных устройств средней степени сложности. Удобство в работе, нетребовательность к ресурсам компьютера и способность анализировать электронные устройства с достаточно большим количеством компонентов позволяют успешно использовать этот пакет в учебном процессе.

Заключение

В ходе работы были рассмотрены способы получения ультразвука и технические методы построения ультразвуковых генераторов. Изучены методики ультразвуковой терапии. Было выяснено, что особенности и способы проведения УЗ-терапии имеют общие принципы.

Исходя из анализа современных устройств для лечебного и терапевтического воздействия, была разработана структурная схема устройства, которая включает в себя следующие блоки: автогенератор, модулятор, генератор импульсов регулируемой длительности, предварительный усилитель, выходной усилитель, пульт управления с процедурными часами, блок питания, излучатель и индикатор.

Была разработана и смоделирована принципиальная схема УЗТ аппарата с помощью пакета программ схемотехнического анализа MicroCAP-VII(VIII). Кратное описание возможностей данного программного пакета представлено в пояснительной записке. На созданной модели аппарата УЗТ студенты смогут изучить физический принцип действия установки, и ознакомиться с сигналами на входе и выходе каждого из блоков аппарата.

Список используемой литературы

1. Зайченко К.В., Кулыгина Л.А., Гуревич Б.С., Кривохижина О.В. Технические методы лечебных воздействий. Ультразвуковая и лазерная физеотерапия: Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, 2011.

2. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. Общая физиотерапия: Учебник. - М.: Медицина, 2003.

3. Кореневский Н.А., Попечителев Е.П., Филист С.А. Приборы и технические средства для терапии: Учебное пособие: в 2 ч. Ч. 1. - Курск: Изд-во КГТУ, 2005.

4. Бэмбер Дж. Ультразвук в медицине: Физические основы. - М.: Физматлит, 2008.

5. Пономаренко Г.Н., Турковский И.И. Биофизические основы физиотерапии. - М.: Медицина, 2006.

6. Катона З. Электроника в медицине: Пер. с венг. / Под ред. Розмахина Н. К. - М.: Медицина, 2002.

7. Хмелев, В.Н. Полуволновые пьезоэлектрические ультразвуковые колебательные системы [Электронный ресурс] / В.Н. Хмелев [и др.] // Электронный журнал «Техническая акустика». - 2005. - 26. - 12 с.

Размещено на Allbest.ru