МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТАНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ЗАЩИЩЕН С ОЦЕНКОЙ

РУКОВОДИТЕЛЬ

доц., к.т.н.				Кривохижина О.В.
должность, уч. степень, звание		подпись, дата		инициалы, фамилия

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ТЕРАПЕВТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

по дисциплине: Проектирование МБЭСК

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛА

СТУДЕНТКА ГР.	2846				Степанова Н.А.
			подпись, дата		инициалы, фамилия

Санкт-Петербург

2012

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 3

ВВЕДЕНИЕ 4

1 Ультразвуковая терапия 5

1.1 Ультразвуковые волны и особенности их распространения 5

1.2 Физика получения ультразвука 9

1.2.1 Методы получения ультразвука 9

1.2.2 Технические методы построения УЗ генераторов 11

1.3 Терапевтический УЗ излучатель 15

1.4 Методики лечения ультразвуком 16

1.5 Параметры ультразвукового сигнала в терапии 18

2. Ультразвуковые терапевтические системы 22

2.1. Обобщенная структурная схема аппарата ультразвуковой терапии 22

2.2. Технические характеристики УЗ-аппаратов 23

2.3 Основные сведения о программе Micro Cap VII(VIII) 26

Заключение 28

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 29

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 буду пользоваться студенты.

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.

Инфразвук Слышимый звук Ультразвук

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 – 10⁹Гц. В жидкостях и твердых телах определяющим является равенство длины волны межатомным расстояниям, и граничная частота достигает 10¹²-10¹³Гц. 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÷10¹²Гц 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/см² (максимальная интенсивность, используемая при ультразвуковой терапии), колеблются с амплитудой порядка 3,5×10^-6см. Максимальное ускорение достигает при этом 90×10⁶см/с², 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 ераз (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.