UNIVERSITATEA DE STUDIU BELARUSIAN DE INFORMATICĂ ȘI RADIO ELECTRONICĂ
"Justificare fizică și procedură pentru efectuarea procedurilor de terapie cu ultrasunete" Implementarea hardware a dispozitivelor de terapie cu ultrasunete "
Teme fizice și proceduri pentru efectuarea terapiei cu ultrasunete
În țesuturile corpului, ca și în orice substanță solidă, lichidă sau gazoasă, pot să apară vibrații și valuri mecanice (elastice). Vibrațiile mecanice și undele la o frecvență mai mică de 16 Hz se numesc cele infrasonice. Aplicarea terapeutică a acestor vibrații poate fi văzută în exemplul masajului vibrator. Oscilațiile mecanice și undele în intervalul de frecvențe de la 16 Hz la 20 kHz se numesc unde sonore și sunt percepute de ureche. Vibrațiile mecanice și undele cu o frecvență mai mare de 20 kHz se numesc ultrasonice (sau pur și simplu cu ultrasunete) și urechea nu este percepută. Limita superioară a spectrului de vibrații cu ultrasunete nu este stabilită. În prezent, vibrațiile cu ultrasunete sunt produse la o frecvență de câteva sute de milioane de hertzi.
În cazul undelor sonore și ultrasonice, oscilațiile particulelor apar în aceeași direcție cu propagarea valurilor. Astfel de valuri, numite longitudinale, sunt zone alternante de condensare și rărire a materiei care se deplasează în direcția propagării undelor. Substanțele solide pot forma, în plus față de undele longitudinale, transversale sau ultrasonice.
Distanța dintre cele două puncte cele mai apropiate ale valului, care oscilează într-o singură fază (de exemplu, între centrele a două secțiuni învecinate de condensare sau rarefacție) se numește lungimea de undă. Între frecvența vibrațiilor ultrasonice f și lungimea de undă # 955; există o dependență # 955; = c / f. unde c este viteza de propagare a undelor într-un mediu dat. Viteza de propagare depinde de proprietățile elastice și densitatea mediului; în lichide este mai mare decât în gaze, iar în solide este mai mare decât în lichide.
În aer, undele ultrasonice se propagă la o viteză de aproximativ 330 m / s. Viteza propagării ultrasunetelor în diferite țesuturi moi ale organismului se situează în limitele de 1445-1600 m / s, care nu diferă cu mai mult de 10% față de viteza de propagare în apă (aproximativ 1500 m / s).
În țesutul osos, viteza de propagare este mai mare - aproximativ 3370 m / s. Astfel, cu frecvența de 880 kHz, care este cel mai adesea folosită în terapia cu ultrasunete, lungimea de undă în apă și țesuturi moi ale corpului este de ordinul 1,6 - 1,8 mm.
Pentru a crea și a menține un val ultrasonic necesită un transfer constant la mediul energetic al sursei de oscilații. Această energie în procesul de oscilație a particulelor mediului apropiat poziției de echilibru este transferată de la o particulă la alta, astfel încât în energia undelor ultrasonice este transferată fără transferul substanței în sine.
Cantitatea de energie transferată pe secundă printr-o zonă de 1 cm2 perpendiculară pe direcția propagării valurilor se numește intensitatea vibrațiilor cu ultrasunete. Deoarece valoarea energetică per 1 s este puterea, intensitatea este egală cu puterea oscilațiilor per 1 cm2.
Mișcarea vibrațională a particulelor de materie care apar într-o undă ultrasonică este caracterizată de o amplitudine foarte mică a deplasării și de accelerații extrem de mari. De exemplu, la o frecvență de 880 kHz țesuturile corpului de particule în care unda se propagă cu o intensitate de 2 W / cm2 (intensitate maximă utilizată în timpul terapiei cu ultrasunete) oscileze cu amplitudine de aproximativ 3,5 x 10 -6 cm. Maximă Accelerația este atinsă la aceasta este de 90 · 10 6 cm / s 2. care depășește accelerarea caderii libere a corpurilor cu aproape 100 de mii de ori.
Cantități semnificative de presiune variabilă (acustică) acționează asupra particulelor vibratoare ale substanței. Astfel, de exemplu, în aplicarea terapeutică a ultrasunetelor cu parametrii de mai sus, amplitudinea presiunii variabile atinge 2,7 atm.
Accelerațiile enorme și presiunile semnificative cu care se confruntă particulele mediului cu vibrații ultrasonice determină în mare măsură efectul ultrasunetelor (inclusiv terapeutice) asupra țesuturilor corporale.
Când se propagă valul ultrasonic, apar pierderi de energie pentru a încălzi particulele mediului. Intensitatea ultrasunetelor scade în acest caz, conform unei legi exponențiale. Pentru a caracteriza acest proces, se utilizează termenul "adâncime de penetrare". Adâncimea de penetrare este distanța față de suprafața pe care intensitatea undei ultrasonice este redusă cu un factor e (e ≈ 2,7 - baza logaritmilor naturali). Absorbția energiei crește cu frecvența oscilațiilor, respectiv, adâncimea penetrării scade. La o frecvență de 880 kHz, adâncimea de penetrare a energiei de ultrasunete în țesutul muscular este de aproximativ 5 cm in tesutul adipos - aproximativ 10 cm în os - aproximativ 0,3 cm Pierderi mici de energie în straturi de țesut adipos și, prin urmare, de căldură neglijabilă o penetrare suficientă. energia din mușchi oferă condiții bune pentru aplicarea terapeutică a ultrasunetelor.
În același timp, distribuția energiei cu ultrasunete între straturile de țesuturi ale corpului are o caracteristică caracteristică, care constă în încălzirea intensă a țesuturilor osoase. Aceasta distinge efectul ultrasunetelor de acțiunea unui val electromagnetic și trebuie luat în considerare la efectuarea procedurilor de terapie cu ultrasunete.
Implementarea hardware a dispozitivelor de terapie cu ultrasunete
Sursa undelor ultrasonice este orice corp, care este în mișcare oscilantă cu frecvența corespunzătoare. Pentru o frecvență cu ultrasunete a mai multor zeci de fenomen kilohertzilor magnetostricțiunea este frecvent utilizat, care constă în aceea că, sub acțiunea câmpului magnetic alternativ variază oarecum de-a lungul câmpului de lungime situată tija din material feromagnetic. Această alungire și scurtare periodică a tijei determină particula de mediu adiacentă la capetele tijei să oscileze în care se formează un val ultrasonic. În medicină, în scopuri de terapie cu ultrasunete se aplică frecvență relativ mare de ordinul a 800-3000 kHz, care se obține prin așa-numitul efect piezoelectric invers. efect piezoelectric inversă este că multe cristale (cuarț, sare Rochelle, titanat de bariu, etc.), sub acțiunea unui câmp electric determină o deplasare relativă a grupurilor de atom polare care constituie structura de bază a unei substanțe care provoacă o modificare corespunzătoare a dimensiunii cristalului.
Dacă se aplică o tensiune alternativă electrică pe fețele finale ale unei plăci decupate într-un anumit mod dintr-un cristal de cuarț, atunci grosimea plăcii va scădea și crește alternativ cu frecvența tensiunii aplicate.
Cu o scădere a grosimii plăcii în straturile adiacente ale mediului înconjurător, se formează o rărire și, pe măsură ce grosimea plăcii scade, particulele medii sunt îngroșate.
Astfel, ca urmare a unei modificări periodice a grosimii plăcii, numită traductor piezoelectric, apare un mediu ultrasonic care se propagă într-o direcție perpendiculară pe suprafața plăcii în mediu (figura 1).
Figura 1 - Schema de formare a undelor ultrasonice
Undele ultrasonice respectă aceleași legi ca și undele sonore. În legătură cu o frecvență mai mare și o lungime de undă corespunzătoare mai scurtă, undele ultrasunete sunt mai ușor de focalizat, ele sunt mai mult absorbite de mediu decât undele sonore.
Aparatul pentru tratamentul cu ultrasunete constă dintr-un generator de oscilații electrice, la circuitul oscilator din care este conectat un traductor piezoelectric. Convertorul este plasat într-un cap separat (emițător), conectat prin cablu la dispozitiv.
Capul ilustrat schematic în secțiune transversală în figura 2, este format dintr-un corp cilindric metalic 4, pe baza unuia dintre care este un traductor piezoelectric - o placă 6. Placa este susținută de un suport arc 3 și suportul 7. Prin întotdeauna un strat subțire de aer, astfel încât în direcția mânerului ultrasunetele nu sunt emise. Amplitudinea oscilațiilor plăcii și, în consecință, intensitatea undei răsadurile de ultrasunete pe suprafața frontală a traductorului, va fi maximizat în coincidență cu frecvența de rezonanță naturală plăcii frecvențe de oscilator. Această condiție este îndeplinită atunci când grosimea plăcii este egală cu un număr impar de lungimi de undă și jumătate (la o frecvență de 880 kHz grosime placă de cuarț egală cu o jumătate de undă este de aproximativ 3,26 mm).
Figura 2 - Diagrama capului aparatului pentru terapia cu ultrasunete
Baza 1 este fixat pe corpul capului cu piulița 5. Pentru ca unda cu ultrasunete trece prin (rezonator) baza, fără a slăbi grosimea acestuia ar trebui să fie un număr întreg de jumătăți de valuri (de obicei, una sau două).
Corpul capului este fixat în mânerul 2, prin intermediul căruia este ținut în timpul procedurii. În interiorul mânerului trece conductorul de alimentare de la generator. Sârma prin manșonul 8 este conectată la suportul 3, care are contact electric cu convertorul. Cel de-al doilea electrod este carcasa capului, la care este conectată prăjina de protecție a cablului de alimentare.
În ultimii ani, convertoarele piezoelectrice din ceramica de titanat de bariu au fost utilizate pe scară largă în dispozitive terapeutice cu ultrasunete. Ceramica titanatului de bariu sunt mici cristale sinterizate la temperaturi ridicate, adică are o structură policristalină. Un avantaj al comparat cu cuarț este costul redus și mai mici tensiunea necesară pentru a excita vibrația ultrasonică (tensiunea pe o placă de cuarț la o frecvență de 880 kHz și o intensitate de 2 W / cm2 mai mare de 1500 V, tensiunea este pe placa de bariu ceramic titanatului la aceeași intensitate nu mai mult de 100 V). Acest lucru face posibilă simplificarea designului și a dispunerii dispozitivului, în special pentru aplicarea unui cablu flexibil de joasă tensiune pentru alimentarea capului.
Efectul ultrasunetelor asupra țesuturilor corporale se efectuează de obicei direct prin aplicarea suprafeței finale a capului în zona afectată. se aplică această metodă atunci când este expus la o suprafață relativ plană și țesuturilor moi ale corpului poate fi fie staționar (stabilă) și mobilă (labil) în care capul cu ultrasunete lin, mișcare masaj este deplasat peste suprafața zonei de expunere.
La efectuarea procedurilor de terapie cu ultrasunete, trebuie acordată o atenție deosebită asigurării unui bun contact acustic între cap și corpul pacientului. Din cauza diferenței semnificative de densități de aer și solide, precum și diferențele în ratele de propagare a ultrasunetelor în aceste medii la limita, cu un aer corp solid este reflecție aproape completă a undei de ultrasunete. Prin urmare, nu trebuie să existe spații de aer între cap și corpul pacientului. Pentru aceasta, suprafața zonei iradiate a corpului acoperit cu mediul intermediar, în mod tipic uleiul vaselina umple toate golurile de aer posibile între cap și corp.
Pe suprafața unui corp complex, de exemplu, un picior, ultrasunete se produce prin apa din baie.
Un membru și un radiator sunt plasate într-o baie de apă caldă. Emițătorul este amplasat fie nemișcat la o distanță mică de suprafața corpului, fie este mutat lent și ușor în zona de expunere. Dacă este necesar să se efectueze acțiunea dinspre partea inferioară, atunci pe fundul băii se montează un reflector plat, direcționând valul radiatorului pe suprafața iradiată.
Efectul vibrațiilor cu ultrasunete asupra țesuturilor corpului are un mecanism complex în care se pot distinge trei componente de bază: mecanice, termice și chimice.
Efectul mecanic al ultrasunetelor datorat vibrațiilor particulelor de țesut reprezintă un fel de "micromasaj" de țesuturi. Schimbările în aranjamentul spațial reciproc al structurilor celulare care au loc în timpul acestui proces conduc la rearanjarea lor, la schimbări în starea lor funcțională. Acțiunea termică asociată cu absorbția energiei valului ultrasonic, datorată frecării reciproce a particulelor, duce la o încălzire predominantă a țesuturilor musculare și în special a celor osos.
Efectul chimic al ultrasunetelor este o consecință a acestor efecte mecanice și termice. Principalele schimbări biochimice cauzate de ultrasunete sunt schimbările în intensitatea proceselor de oxidare, intensificarea proceselor de difuzare etc.
Dosimetria cu terapia cu ultrasunete constă în stabilirea unei intensități presetate a ultrasunetelor și a duratei expunerii. Intensitatea în W / cm2 este indicată, de regulă, pe scara regulatorului de putere de ieșire al aparatului; valorile uzuale ale intensităților utilizate pentru tehnica mobilă sunt de 0,5-1,5 W / cm, tehnica fixă fiind de 0,05-0,3 W / cm2.
În plus față de acțiunea continuă, un mod de acțiune puls (intermitent) este utilizat pe scară largă în terapia cu ultrasunete. În acest caz, durata impulsului este reglată în 4-10 ms. la o rată de repetare de 50 Hz. Intensitatea medie a oscilațiilor în acest caz este mai mică decât cea indicată pe scală de câte ori durata impulsurilor este mai mică decât perioada în care acestea urmează.
În timpul funcționării ar trebui efectuată o calibrare periodică a scalei regulatorului de intensitate. Pentru a face acest lucru, puterea de ieșire cu ultrasunete a dispozitivului este măsurată cu ajutorul unui dispozitiv special. Intensitatea vibrațiilor cu ultrasunete poate fi determinată din valorile cunoscute ale puterii și zonei de lucru a radiatorului.
Măsurătorile de putere se bazează pe faptul că undele ultrasonice propagatoare exercită o presiune constantă asupra suprafeței corpului, împiedicând răspândirea acestuia. Mărimea acestei presiuni, atunci când este reflectată complet de obstacol, este direct proporțională cu intensitatea și invers proporțională cu viteza de propagare a ultrasunetelor. În ciuda faptului că unda de presiune exercitate este foarte mică (la intensități terapeutice maxime în apă sau țesuturi ale corpului - zece miime unei atmosfere), este posibil să se măsoare dispozitivele sensibile, care sunt gradate în ceea ce privește sursa de alimentare cu ultrasunete radiată.
Tehnica terapeutică ultrasonică
Fazele de ieșire ale dispozitivelor UZT:
- circuit unic-tranzistor
- circuit în cascadă în două etape
Etapele de ieșire ale dispozitivelor UZT
Aparate terapeutice acoustoelectronice
Dispozitivele terapeutice acoustoelectronice afectează corpul cu unde mecanice în domeniul acustic. Fiecare moleculă a țesutului dobândește o mică amplitudine de oscilații, dar în același timp o mare accelerație. Pentru a realiza un vas cu un diametru mai mare, este necesară o frecvență mai mică decât atunci când vasul este expus la un diametru mai mic. În acest sens, se sugerează o metodă și un aparat în care frecvența acțiunii variază în funcție de timp. Sunt utilizate transmițătoare piezoceramice ca emițătoare.
Figura 3 - Graficul oscilației frecvenței audio pe țesut
Figura 4 - Aparat terapeutic acoustoelectronic
Mai mult din secțiunea Comunicații și comunicare:
Trimiteți-le prietenilor: