Разработка низкочастотной ультразвуковой аппаратуры для терапии и хирургии

05.11.17 -- Приборы, системы и изделия медицинского назначения

Томск, 2008

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология конструкционных материалов Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Квашнин С.Е.

доктор технических наук, профессор Бурьян Ю.А.

доктор технических наук, профессор Градобоев А.В.

Ведущая организация: Омская государственная медицинская академия (ОГМА), г. Омск.

Защита состоится 11ноября 2008 года в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.09 при Томском политехническом университете

По адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТПУ

Автореферат разослан «______» октября 2008 года.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.09, кандидат технических наук Б.Б.Винокуров.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Разработка и применение для хирургического воздействия ультразвуковой низкочастотной аппаратуры является одним из интенсивно развивающихся направлений. Значительный вклад в развитие этого направления внесла научная школа МГТУ им. Н.Э.Баумана во главе с академиком Г.А.Николаевым и профессором В.И.Лощиловым, совместные работы которых с учеными медиками Поляковым В.А., Чемяновым Г.Г., Волковым М.В., Петровским Б.В., Петровым В.И. и другими позволили создать новые высокоэффективные методы и аппаратуру для ультразвукового воздействия на биологические ткани.

Однако, несмотря на достигнутые успехи в области ультразвуковых медицинских технологий, последние могли бы развиваться значительно интенсивнее, если бы не недостаточная эффективность существующей медицинской ультразвуковой аппаратуры и отсутствие современных эффективных средств и методов математического моделирования проектируемых ультразвуковых медицинских аппаратов. В настоящее время нет целостной концепции проектирования ультразвуковых аппаратов медицинского назначения, которая объединяла бы весь комплекс взаимосвязанных параметров, начиная от технологической нагрузки - конкретных параметров вводимых в ткань колебаний непосредственно, либо через жидкую фазу, и, заканчивая оптимизированными по тому, либо иному критерию, характеристиками ультразвукового генератора, что препятствует созданию высокоэффективного оборудования. Это, вместе с отсутствием разработанных методов контроля акустических параметров при введении колебаний в нагрузку тормозит дальнейшее развитие и более широкое внедрение ультразвуковых технологий в медицинскую практику.

Поэтому центральной проблемой при создании новой терапевтической и хирургической ультразвуковой аппаратуры является проблема повышения эффективности ее работы и, таким образом, разработка современных методов проектирования, адекватных математических моделей широкого класса ультразвуковой медицинской аппаратуры, ее оптимизация и исследование систем при взаимодействии с различного рода бионагрузками является безусловно актуальной задачей.

Цель работы.

Разработка эффективных низкочастотных высокоамплитудных ультразвуковых аппаратов для терапии и хирургии, широкодиапазонных по параметрам нагрузки и новых медицинских технологий на их основе.

Основные задачи исследований:

1. Структурный анализ ультразвуковых медицинских аппаратов для терапии и хирургии.

2. Развитие теории электроакустического изоморфизма путем расширения области изоморфных электроакустических преобразований на различные элементы аппаратного комплекса, как базы для комплексной оценки эффективности ультразвукового медицинского аппарата и последующего аппаратного синтеза.

3. Разработка электроакустических моделей (эквивалентных схем) основных функциональных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов для различных типов колебаний и различных видов нагрузки.

4. Анализ влияния параметров электроакустического тракта на его основные частотные характеристики.

5. Определение влияния технологических факторов на основные параметры нагрузки и разработка способов повышения нагрузочной способности ультразвуковых медицинских аппаратов.

6. Разработка способов адаптации энергонасыщенных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов к требованиям технологии и использование адаптивных систем для повышения эффективности работы аппарата.

7. Разработка и исследование новых схемных решений УЗ генераторов и систем их регулирования и управления на базе новых технологий микросхемотехники полупроводников (MOSFET и IGBT).

8. Разработка и внедрение в медицинскую практику серии новых высокоэффективных ультразвуковых аппаратов для терапии и хирургии и новых медицинских технологий на их основе.

Научная новизна:

1. Разработан метод моделирования УЗМА путем объединения структурно-разнородных элементов комплекса на базе сведения пространственно-временных волновых уравнений, описывающих колебательные процессы в акустических, и электроакустических элементах комплекса к выражениям для системы параллельно включенных резонансных контуров с различными модами, описывающим входную проводимость элемента комплекса. Показано, что эти системы становятся базовыми узлами эквивалентных схем отдельных частей комплекса и не меняются при изменении характера колебаний.

2. Разработан и теоретически и экспериментально обоснован критерий оценки технологической эффективности вводимой в среду ультразвуковой энергии непосредственно в процессе работы аппарата. Сформулированы допущения и определены границы применимости в качестве этого критерия амплитуды тока возбуждения излучателя.

3. Впервые, в общем виде, с учетом реактивных составляющих разработана, теоретически и экспериментально обоснована эквивалентная схема акустической нагрузки волновода-инструмента для жидких и жидкоподобных сред. Определены выражения для упругой и массовой составляющих реактивной компоненты нагрузки.

4. Предложена новая модель взаимодействия жидкой среды с рабочей поверхностью волновода-инструмента. Показано, что предельная величина напряженности акустического поля в среде, при которой сохраняется линейность процессов растяжения-сжатия, определяется величиной внешнего давления на среду, и при превышении напряженности этой величины при растяжении образуются разрывы, а при сжатии - искажения пространственного объема среды.

5. В результате исследований влияния жидких сред на нагрузочные характеристики волноводов-инструментов, определены соотношения между радиальной и осевой составляющими колебаний. Теоретически рассчитана и экспериментально подтверждена зависимость эквивалентной нагрузки от глубины погружения волновода-инструмента в среду. Показано, что при глубинах погружения, превышающих четверть длины волны колебаний в материале волновода-инструмента, влияние боковой поверхности на величину эквивалентной нагрузки становится определяющим.

6. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований впервые предложены и обоснованы общие электрические эквивалентные (изоморфные) схемы, объединяющие излучатель, волновод-инструмент и нагрузку, для разных типов колебаний и видов нагрузки.

7. Впервые предложен теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный метод симметрирования частотных характеристик ультразвуковых пьезокерамических излучателей, обеспечивающий сохранение возможности устойчивого фазочастотного регулирования при значительных (20-кратных) изменениях нагрузки. Разработана методика определения допустимого диапазона изменения симметрирующего параметра.

8. Разработан метод повышения нагрузочной способности пьезокерамического излучателя. Показано, что введение дополнительной индуктивности в цепь возбуждения излучателя оправдано и эффективно лишь при работе излучателя в диапазоне больших нагрузок: .

9. Разработана и запатентована система фазовой автоподстройки частоты, осуществляемая путем прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение, что позволило минимизировать длительность переходных процессов, с одной стороны, и обеспечить повышенный диапазон удержания резонансного режима при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

10. В результате проведенных экспериментальных разработок и их сравнительного анализа показано, что, для весогабаритной, частотной и мощностной гаммы УЗМА, наиболее эффективными решениями являются: - для генератора - транзисторные полумостовые инверторы с независимым возбуждением; для регулятора частоты - системы фазового управления с прямым преобразованием частоты; для регуляторов выходного (технологического) параметра - системы ШИР, изменяющие величину питающего полумостовой транзисторный инвертор напряжения.

11. В результате теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия ультразвукового инструмента с биологическими тканями предложены и обоснованы новые методы высокоэффективной обработки пористых костных поверхностей. Показано, что достижение необходимого технологического эффекта обеспечивается лишь при определенной нагрузочной способности аппарата.

12. Впервые проведены исследования по эффективности применения ультразвуковых аппаратов для разрушения костного клея при ревизионном эндопротезировании. Установлено, что при ультразвуковом воздействии меняются механические прочностные характеристики полиметилметакрилата, но тепловыделение при этом недостаточно для повреждения здоровых тканей.

13. В результате проведенных исследований установлено, что эффективный гемостаз при применении низкочастотных высокоамплитудных ультразвуковых аппаратов с повышенной нагрузочной способностью обеспечивается при частотах выше 40 кГц и амплитудах не менее 40 мкм.

14. Предложен новый способ ультразвукового эндопротезирования крупных суставов.

Практическая значимость работы:

1. Разработана и запатентована система фазовой автоподстройки частоты, осуществляемая путем прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение, обеспечивающая повышенный диапазон удержания резонансного режима при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

2. Установлено, что, для весогабаритной, частотной и мощностной гаммы УЗМА, наиболее эффективными решениями являются: - для генератора - транзисторные полумостовые инверторы с независимым возбуждением; для регулятора частоты - системы фазового управления с прямым преобразованием частоты; для регуляторов выходного (технологического) параметра - системы ШИР, изменяющие величину питающего полумостовой транзисторный инвертор напряжения.

3. Разработаны новые широкодиапазонные по параметрам частоты и нагрузки УЗ генераторы на базе полумостовых транзисторных инверторов с управляющими драйверами, выполненными по современным MOSFET и IGBT технологиям, обеспечивающие использование единого унифицированного генераторного блока в аппаратном комплексе при работе на различные медицинские технологии.

4. Предложены новые технологии применения высокоамплитудного низкочастотного ультразвука для высокоэффективной обработки пористых костных поверхностей и разрушения костного клея при ревизионном эндопротезировании. Установлено, что при ультразвуковом воздействии меняются механические прочностные характеристики полиметилметакрилата, но тепловыделение при этом недостаточно для повреждения здоровых тканей.

5. Установлено, что эффективный гемостаз при применении низкочастотных высокоамплитудных ультразвуковых аппаратов с повышенной нагрузочной способностью обеспечивается при частотах выше 40 кГц и амплитудах не менее 40 мкм.

6. Предложен новый способ ультразвукового эндопротезирования крупных суставов.

7. Предложен новый конструктив исполнения аппаратного комплекса, для технологических нагрузок повышенной мощности, обеспечивающий долговременную работу УЗ излучателя в штатном режиме.

8. Разработаны, прошли технические и клинические испытания и серийно выпускаются на Омском заводе «Автоматика» низкочастотные ультразвуковые терапевтические аппаратные комплексы повышенной эффективности для ларингологии «Тонзиллор-М», для гинекологии «Гинетон-М»; готовятся к серийному производству комплексы для стоматологии «Стоматон-М» и для проктологии «Проктон-М».

9. Прошел технические и клинические испытания и серийно выпускается на Омском заводе «Автоматика» мощный ультразвуковой низкочастотный хирургический и травматологический аппаратный комплекс «Ярус».

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием стандартных методов расчета и исследования, апробированных медицинских методов исследования, а так же подтверждается лабораторными и клиническими верификационными испытаниями.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика последовательно связанного проектирования низкочастотных ультразвуковых аппаратных комплексов для хирургии и терапии, учитывающая закономерности энергообмена комплекса с технологической средой и взаимосвязи их параметров, как в целом, так и на уровне составляющих аппаратный комплекс элементов.

2. Критерий оценки технологической эффективности вводимой в среду ультразвуковой энергии непосредственно в процессе работы аппарата.

3. Развитие теории электроакустического изоморфизма, на базе которой разработаны электроакустические модели основных функциональных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов.

4. Результаты исследований по взаимодействию ультразвукового инструмента с биологическими тканями: новые методы обработки пористых костных поверхностей и разрушения костного клея при ревизионном эндопротезировании.

5. Способ автоподстройки частоты ультразвукового генератора, нагруженного на пьезокерамический ультразвуковой излучатель, обеспечивающий устойчивое поддержание резонансного режима его работы при значительных колебаниях внешних и технологических возмущающих факторов.

6. Новый конструктив исполнения аппаратного комплекса, для технологических нагрузок повышенной мощности, обеспечивающий эффективную долговременную работу УЗ излучателя в штатном режиме за счет использования систем, обеспечивающие адаптацию основных параметров хирургического аппарата к изменяющимся условиям его функционирования.

Апробации работы.

Приведенные в диссертации результаты представлялись автором на:

IV Всесоюзной научно-технической конференции “Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов-79”, Москва, 18-20 апреля 1979 года;

V Всесоюзной научно-технической конференции “Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов-83”, Москва, 18-20 апреля 1983 года;

Всесоюзной научно-технической конференции “Проблемы преобразовательной техники”, Киев, 1983 года;

Всесоюзной научно-технической конференции “Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках”, Тольятти, 1984 года;

II Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 22-24 ноября 1997г.

III Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 18-20 ноября 1999г.

V Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 16-18 ноября 2004г.

III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», Омск, 7-10 июня 2005г.

Международной конференции «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Баумана, 17-19 мая 2005г.

Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт - Петербург, 07-09 февраля 2006г.

Первой всероссийской научно-технической конференции «Биомедицинская техника и технологии», Вологда, 31мая - 2 июня 2006г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 31 статья, из них 12 - в изданиях по списку ВАК и 38 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 222 наименования. Общий объем работы составляет 346 страниц, в том числе 166 рисунков и 14 таблиц.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследований, излагаются основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приводится литературный обзор по теме диссертации. Анализируются особенности применения ультразвука в различных областях медицины, особенности построения отдельных классов ультразвуковой аппаратуры, взаимодействия с биообъектами. Показано, что основные направления применения ультразвука в хирургии и терапии связаны с физическими и химическими эффектами воздействия ультразвука на среду.

Специфика проектирования УЗМА в целом заключается в разнородности составляющих его систем: электронный блок, обеспечивающий формирование возбуждающего излучатель напряжения и описываемый временными электромагнитными уравнениями, электроакустический тракт, обеспечивающий преобразование и передачу акустических колебаний и описываемый пространственно-временными уравнениями колебаний механических систем и нагрузка, определяющая вид технологического воздействия.

В то же время, для формирования прогнозных оценок при проектировании и комплексном синтезе УЗМА, необходима теоретическая база для такой оценки и синтеза с целью достижения требуемой практическим врачом эффективности его работы. В частности, кроме правильного и где-то оптимального расчета и проектирования отдельных элементов комплекса (генератора, излучателя и волновода), необходимо решение и комплексных проблем проектирования, таких, как:

- аппаратными средствами обеспечивать компенсацию влияния нагрузки, как активной, так и реактивной, на параметры излучателя;

- достигать значительного динамического диапазона функционирования пьезокерамического излучателя по параметрам нагрузки;

- изменить подход к определению оптимальных параметров волноводов-инструментов в связи с высокими начальными амплитудами на выходе пьезокерамических преобразователей;

- обеспечить возможность оперативного управления видом выходной вольт-амперной характеристики генератора и максимально расширить его функциональные возможности;

- обеспечить наиболее эффективное охлаждение работающего излучателя для достижения необходимой продолжительности непрерывной работы медицинского аппарата.

Показано, что при всем многообразии существующих решений и методов проектирования отдельных частей ультразвукового аппаратного комплекса (электрических, электроакустических и акустических), нет единой теории, определяющей комплексный подход к аппарату, как целому, а, следовательно, нет базы для комплексной оценки качества взаимодействия всех систем и выбора наиболее информативного и адекватного параметра оценки, как технологического воздействия, так и условий функционирования аппарата в целом.

На основании вышеизложенного формулируются цель и основные задачи диссертации.

Вторая глава посвящена вопросам методологических и теоретических основ проектирования УЗМА, использующих пьезокерамические излучатели.

В результате анализа методологических основ проектирования сложных объектов медицинской техники показано, что при отсутствии готовых технических решений содержание и процесс разработки ТЗ на новое изделие должны несколько отличаться от общепринятых, и будут включать элементы НИОКР (см. рис.1)

Рис.1. Этапы разработки ТЗ на новое изделие

При анализе схемы становится очевидным, что процесс разработки ТЗ должен осуществляться в соответствии с циклической стратегией, когда полученные результаты на одной из стадий заставляют вернуться к более ранней. Следует обратить внимание на обязательность в данном случае выполнения этапов 14Т и 15Т. Первый из них необходим для объективной оценки готовности технического решения, второй - для обоснования прогноза параметров объекта. В случае использования для расчетов математических моделей, очевидно, что это будут модели разных уровней: если модель на уровне 14Т должна давать ответы ни частные вопросы, то модель на уровне 15Т предназначена для получения рекомендаций, необходимых для конструирования объекта в целом.

Для формирования теоретической базы комплексной оценки и аппаратного синтеза УЗМА предложено использовать теорию электроакустического изоморфизма в приложении к методу входного иммитанса при формировании эквивалентных схем и физико-математических моделей электроакустических и акустических структурных составляющих комплекса.

При сравнении волновых уравнений, описывающих акустические процессы в стержне и электрические процессы в длинной линии, установлено, что:

- пространственные части волновых уравнений рассматриваемых процессов (электрических и акустических) идентичны по форме, следовательно, процессы, описываемые ими - аналогичны;

- поставленные в однозначное соответствие параметры этих уравнений (т.е. выраженные одни через другие) позволяют говорить об электроакустической изоморфности процессов, описываемых этими уравнениями, что позволяет в дальнейшем использовать для исследования , анализа и синтеза акустических и электроакустических систем электрические эквивалентные схемы;

- электрический аналог входного иммитанса бесконечного ряда параллельно включенных резонансных контуров выражается в виде:

очевидны следующие соответствия между параметрами акустических и электрических волновых уравнений:

можно поставить в соответствие ;

можно поставить в соответствие ;

можно поставить в соответствие ;

На основании всего вышеизложенного сформирована электрическая схема, изоморфная по протекающим в ней волновым процессам акустической колебательной системе волновода - инструмента продольных колебаний.

С другой стороны, из уравнения

следует, что коэффициент усиления (передачи) волновода, определяемый соотношением

площадей сечений в начале и в конце волновода соответствует коэффициенту передачи трансформатора в эквивалентной электрической схеме, определяемому соотношением волновых сопротивлений на входе и выходе длинной линии.

Тогда эквивалентная электрическая схема волновода - инструмента, учитывающая и коэффициент усиления, будет выглядеть следующим образом (см. рис. 2).

терапевтический генераторный хирургический ультразвуковой

Рис.2. Эквивалентная электрическая схема волновода

Получено математически строгое выражение для иммитанса волновода-инструмента, позволившее на основе изоморфности электрических и акустических процессов в распределенных системах предложить эквивалентную электрическую схему замещения волновода инструмента (Таблица 1). Доказано, что изменение характера колебаний (продольные, изгибные, крутильные или их комбинации) не приводят к изменению эквивалентной электрической схемы замещения, изменяются лишь коэффициенты при определении соответствий параметров изоморфных преобразований.

Таблица 1

Установлено, что эквивалентную схему пьезопреобразователя можно представить в виде четырехполюсника, показанного на рис.3, а элемент, связывающий электрические и механические параметры представляет собой идеальный трансформатор с коэффициентом передачи 1/K.

Рис.3. Эквивалентная схема пьезоизлучателя, как четырехполюсника

Для оценки механического импеданса излучателя продольного типа с частотопонижающими накладками и упрощения получаемых выражений, были рассмотрены волновые процессы на четвертьволновом участке полуволнового симметричного вибратора (рис.4).

Поместим начало координат на конце накладки и рассмотрим случай, когда на механической стороне действует переменная возбуждающая сила (приложенная к концу накладки), а электроды замкнуты накоротко (т.е ). Введем следующие обозначения: - площадь поперечного сечения, - длина, - плотность материала, - модуль Юнга материала накладки, - скорость распространения звука в материале, - смещение, - масса пьезоэлемента.

Рис.4. Вибратор продольного типа с дополнительной частотопонижающей накладкой

Для определения механического импеданса излучателя в случае, когда конец накладки свободен ( т.е. излучатель свободен с механической стороны), необходимо вычислить колебательную скорость на механическом выходе с помощью выражения:

и, отсюда:

Для получения эквивалентной схемы механического импеданса используем теорему Миттага-Лефлера:

,

откуда:

;

где и - эквивалентные масса и упругость соответственно, которые определяются как:

;

.

Таким образом, эквивалентная схема механического импеданса () ультразвукового преобразователя продольного типа может быть представлена параллельным соединением простых последовательных резонансных контуров, каждый из которых соответствует своей моде колебаний.

В соответствии со схемой, приведенной на рис.3 и представляющей пьезоизлучатель как четырехполюсник, она преобразована автором с учетом полученных выражений для механического импеданса излучателя (рис.5-а) и вторичная (механическая) цепь приведена к первичной (электрической), рис.5-б.

а) б)

Рис. 5. Развернутая схема приведения вторичной цепи трансформатора четырехполюсника к первичной по Zm

При приведении элементов вторичной цепи трансформатора (механические аналоги) к первичной цепи (электрические аналоги) получены следующие зависимости, связывающие между собой первичную и вторичную цепь трансформатора (вход и выход четырехполюсника):

, отсюда: или , .

, отсюда: , или ,

Таким образом, параметр - и является фактором электроакустического изоморфизма (ФЭИ) пьезопреобразователя (или, в частном случае, ультразвукового излучателя), поскольку устанавливает строгое соответствие между кинетическими (акустическими) параметрами объекта и параметрами его эквивалентной электрической схемы.

Полученное для фактора электроакустического изоморфизма (ФЭИ) пьезоэлектрического излучателя продольного типа выражение позволяет поставить в однозначное соответствие акустические и механические параметры их электрическим аналогам не только самого излучателя, но и всех остальных структурных составляющих акустического тракта, используемого с данным излучателем.

В режиме излучения для ультразвукового пьезокерамического вибратора, из основных уравнений электроакустического преобразования следует, что:

Для заданного пьезокерамического ультразвукового излучателя продольного типа - ФЭИ - величина постоянная в пределах линейности процессов пьезопреобразования, определяемых параметрами используемой керамики и геометрическими размерами излучателя. Следовательно, из вышеприведенного выражения следует, что в режиме излучения, при ряде допущений и ограничений, ток, протекающий по входным цепям излучателя, может служить надежным информационным показателем о величине выходного технологического параметра - колебательной скорости или амплитуды колебаний рабочего торца излучателя.

Сформулированы допущения и определены границы применимости этого критерия. Проведен анализ технологических нагрузок УЗМА наиболее часто встречающихся в использовании ультразвука в терапии и хирургии.

Именно в хирургической и травматологической практике используется максимальное количество различных технологических сред, определяющих и формирующих нагрузочные режимы работы УЗМА.

Чтобы чётко разграничить результаты ультразвукового воздействия, его режимы были разбиты на три основные группы.

Предложенная классификация предусматривает:

1. Контактное разрушающее ультразвуковое воздействие:

- деполимеризация и реполимеризация костного цемента;

резка костей;

размельчение губчатой кости.

2. Контактное неразрушающее ультразвуковое воздействие:

очистка костной поверхности перед цементированием;

контактный ультразвуковой гемостаз;

дренаж кости;

насыщение кости лекарственными веществами из раствора;

сушка поверхности губчатой кости перед цементированием;

ультразвуковое воздействие через специальные прокладки между волноводом и костью;

3. Бесконтактное ультразвуковое воздействие через раствор с целью:

насыщения губчатой кости растворами антисептиков;

антисептической кавитационной обработки поверхности.

В соответствии с данной классификацией режимов ультразвукового воздействия предложены соответствующие им модели технологических нагрузок: нагрузка на твердые среды, нагрузка на жидкие и жидкоподобные среды, нагрузка иммерсионного режима и нагрузка тонкого слоя.

Для определения величин динамических напряжений и времени контакта волновода-инструмента с твердой технологической средой в течение периода колебаний, использована модель взаимодействия двух упругих стержней одинакового сечения, изготовленных из различных материалов, при сжатии их статическим напряжением , когда в одном из них возбуждается продольная ультразвуковая волна.

Получены выражения:

и

которые устанавливают зависимость времени контакта и максимального упругого динамического контактного напряжения в момент соударения от приложенного статического напряжения, амплитуды и периода колебаний, а также модулей упругости взаимодействующих тел. При этом нагрузка содержит как активную компоненту, определяемую на начальном этапе условиями распространения ультразвука в материале, так и упругую составляющую, величина которой, на основании вышерассмотренной модели, может быть оценена, как:

В свою очередь, активная составляющая нагрузки будет определяться в соответствии со временем акустического контакта волновода инструмента с технологической средой

Таким образом, эквивалентная схема нагрузки технологического процесса воздействия ультразвукового волновода-инструмента на твердую среду, может быть представлена следующим образом в двух возможных вариантах (рис. 6).

Рис. 6. Варианты эквивалентной схемы нагрузки при работе УЗ волновода-инструмента на твердые среды

Предложена новая модель жидкостной нагрузки и протекания волновых процессов в жидкой среде, которая основана на «поршневой» модели излучения ультразвуковых колебаний в среду, где в соответствии с выражением для направленности излучения одностороннего диска радиуса в бесконечном экране, область излучения будет представлять из себя усеченный конус с радиусом в основании , причем угол при вершине будет при заданной частоте (или длине волны ) тем больше, чем меньше (см. рис.7).

Рис.7. Область излучения ультразвука в среду в соответствии с «поршневой» моделью

При используемой «поршневой» модели излучения, отношение не зависит от .

Тогда для упругой составляющей нагрузки:

.

С другой стороны, считая, что жидкость, удерживаемая у поверхности волновода-инструмента за счет сил поверхностного натяжения, и добавляет к волноводу-инструменту свою массу, получим массовую составляющую для данной нагрузки ультразвукового волновода-инструмента на жидкость:

где: - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, - диаметр используемого волновода-инструмента, - ускорение свободного падения.

При известном коэффициенте сжимаемости технологической среды и параметре , существует предельная величина акустического давления , при которой еще сохраняется линейность процессов сжатия - растяжения в виртуальном объеме жидкой технологической среды. При превышении этой величины при растяжении образуются разрывы в жидкости, а при сжатии - возникают искажения в протекании волновых процессов (аналогично пластическим деформациям в твердом теле), приводящие искажениям формы виртуального пространственного объема и снижению локального акустического давления.

Тогда, как показано на рис.8 линейность волновых процессов в жидкой среде сохраняется лишь в пределах за половину периода выходной частоты. Тогда, для зоны II, в остальное время полупериода формируется разрыв в жидкости, при котором нагрузка на рабочий торец волновода-инструмента приближается к нулю, то очевидно, что эквивалентная нагрузка для полуволны с зоной II будет определяться соотношением длительностей и .

Рис. 8. Искажения волновых процессов в жидкости

Эквивалентная нагрузка для полуволны с зоной II:

эквивалентная нагрузка для полуволны с зоной I:

Когда процесс выходит за пределы линейности, с учетом всего вышеизложенного, мы приходим к выражению для эквивалентной активной механической нагрузки:

Или в относительном виде:

Полученная зависимость приведена на рис.9 , где также показана экспериментально полученная кривая.

Рис.9.Относительная эквивалентная активная нагрузка

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены варианты общей эквивалентной схемы нагрузки для жидких или жидкоподобных сред (рис.7).

а) б) в) г)

Рис.10. Варианты эквивалентной схемы нагрузки при работе на жидкие и жидкоподобные среды

Особенность иммерсионной схемы заключается в сильной зависимости интенсивности кавитации от расстояния между излучающей поверхностью волновода-инструмента и очищаемой технологической поверхностью. Исследования показали, что ультразвуковая обработка протекает успешно при правильном выборе зазоров между обрабатываемой поверхностью и волноводом - инструментом. На рис.11 представлены зависимости механического напряжения, возникающие в образце под действием кавитации от величины зазора при различных амплитудах смещения рабочей поверхности волновода-инструмента. Очевидно, что оптимальная величина зазора составляет около 0,5 мм.

Рис. 11. Влияние величины зазора между волноводом и поверхностью на возбуждение колебаний в обрабатываемом материале при различных амплитудах колебаний волновода

Наиболее рациональным представляется способ, обеспечивающий возбуждение ультразвуковых колебаний в зоне контакта поверхности с жидким раствором. Боковая поверхность волновода-инструмента работает в рамках варианта нагрузки на жидкие среды, а торцевая поверхность в условиях тонкого слоя. Для жидкости в объеме между торцом инструмента и поверхностью кости следует учитывать не только массу, но и упругость, так как расширение этого объема в боковые стороны затруднено из-за сопротивления окружающих слоев жидкости. Тогда для упругой составляющей нагрузки:

При оценке активной составляющей нагрузки при работе в тонком слое необходимо учитывать, что процессы идут в пространстве, ограниченном толщиной слоя, т.е. с одной стороны излучающей поверхностью ультразвукового волновода-инструмента, а с другой технологической поверхностью обрабатываемой костной ткани.

Полученные зависимости от величины зазора (толщины слоя -) приведены на рис.12.

Рис. 12. Изменение относительной активной нагрузки в зависимости от амплитуды колебаний при различных величинах рабочих зазоров при иммерсионном режиме работы

Кроме различия в волновых размерах и граничных условиях реализаций иммерсионного варианта и схемы тонкого слоя, между ними существует принципиальное различие в природе волновых полей.

Рис. 13 Модельное представление ультразвуковой обработки по схеме тонкого слоя: 1 - волновод, 2 - капля жидкости, 3 - обрабатываемая поверхность

Волновая обстановка в исследуемой схеме рис.13 описывается полем вязких волн в плоском жидком слое. Волны распространяются перпендикулярно боковой поверхности ультразвукового инструмента и обрабатываемой поверхности. При построении электроакустической модели нагрузки для ультразвукового воздействия, осуществляемого по схеме тонкого слоя, учитывались следующие факты:

- под действием ультразвука происходит развитие обрабатываемой поверхности;

- в зоне контакта жидкость - обрабатываемая поверхность протекают процессы физико-химического взаимодействия, включающие смачивание поверхности жидкостью, диффузионные процессы, а также химическое взаимодействие фаз.

Рассмотрены в общем виде составляющие импеданса нагрузки. От торца колеблющегося инструмента в каплю жидкости передается колебательная энергия, уменьшенная на величину энергии, излученной инструментом в воздух и израсходованной на образование поверхностно-капиллярных волн на поверхности капли. Импеданс преобразования ( рис. 14-а ). За вычетом указанных потерь колебательная энергия перейдет в каплю. Импеданс, характеризующий эти процессы, . Энергия в капле расходуется на раскачку частиц жидкости, создание кавитации, акустических течений, на поглощение, приводящее к повышению температуры жидкости в капле. Часть энергии поступит в материал обрабатываемой поверхности.

Импеданс потерь (потери на раскачку приповерхностных слоев материала, генерацию поверхностной продольно-поперечной волны) на границе жидкость - обрабатываемая поверхность - . Часть энергии излучается в толщу материала (импеданс ).

а) б)

Рис.14. Эквивалентная схема нагрузки при работе в тонком слое

В результате проведенного синтеза получены общие эквивалентные схемы электроакустического тракта УЗМА для различных типов колебаний, используемых рабочими окончаниями волноводов-инструментов, а также для их возможных комбинаций (рис.15).

Рис.15. Излучатель, волновод и технологическая нагрузка для продольных колебаний при работе на жидкие и твердые нагрузки

Таким образом, вопрос синтеза аппарата в целом предполагает стыковку найденных структурных составляющих в единую систему, обеспечивающую возможность полноценного анализа процессов, происходящих в ней, при соответствующей адекватности перевода основных режимов системы в электроакустические параметры реального и изоморфного ей УЗМА.

В третьей главе рассмотрены вопросы теоретико-экспериментальных исследований эффективности функционирования аппарата на базе полученных эквивалентных схем.

Исследованы параметры, определяющие специфику работы УЗМА: динамический диапазон нагрузки, соотношения между амплитудой, нагрузкой и мощностью, влияние нагрузки на фазо-частотные и амплитудно-частотные характеристики.

Автором проведены исследования по определению влияния боковой поверхности волновода-инструмента на полный импеданс нагрузки ультразвукового излучателя и эффективность работы аппарата на значительных глубинах погружения волноводов в жидкую среду. Показано, что радиальная составляющая амплитуд колебаний сдвинута относительно осевой на четверть длины волны:

В соответствии с эквивалентной схемой волновода, для импеданса полной нагрузки волновода инструмента (с учетом как торцевой, так и боковой поверхности) она примет вид (рис.16.)

Рис.16.

И тогда приведенная к входному торцу волновода-инструмента активная составляющая импеданса боковой поверхности будет определяться как:

.

Полученные зависимости активной составляющей импеданса боковой поверхности волновода - инструмента приведены на рис.17.

Рис.17. Кривые изменения эквивалентного сопротивления нагрузки от глубины погружения волновода - инструмента

Автором, для исследования влияния параметров излучателя на его основные частотные характеристики использован комплексный метод расчета установившихся режимов в линейной электрической цепи. С позиции повышения эффективности работы аппарата проанализированы полученные выражения для фазового угла, активной и реактивной проводимостей продольного излучателя ланжевеновского типа.

;

;

Для этого, через использование предложенных формул электроакустического соответствия и использование фактора электроакустического изоморфизма, определены соотношения параметров эквивалентной схемы излучателя в зависимости от его конструктивных и акустических параметров

.

Не менее важно оценить уровень реактивных составляющих нагрузки. Для случая жидких и жидкоподобных нагрузок, они могут оцениваться в соответствии с выражениями, полученными во второй главе.

Для анализа общих свойств ультразвукового пъезокерамического излучателя продольного типа и тенденций их изменения предложено использовать относительные (или нормированные) параметры, а не их абсолютные величины, для чего определена система базовых единиц:

- относительная частота -, или параметр ухода относительной частоты от резонансной в процентах - ;

- относительная проводимость, нормированная к максимальному параметру холостого хода излучателя - ;

- относительное сопротивление нагрузки, приведенное к потерям в излучателе -;

Анализ частотных характеристик ультразвукового излучателя в режиме холостого хода, полученных при расчете по вышеприведенным формулам и приведенных на рис.18 в сравнении с экспериментальной кривой (рис.18-г) показывает их хорошее соответствие и в то же время:

а) б)

в) г)

Рис.18. Частотные характеристики продольного УЗ излучателя в режиме холостого хода.

- их очевидную несимметричность относительно резонансной частоты (исключая характеристику активной проводимости);

- наличие критической точки при уходе частоты от резонансной (вторая точка перехода кривой реактивной проводимости через 0), которая определяет частотную границу повторной смены типа проводимости у излучателя. Ее наличие меняет фазовую характеристику излучателя и связано с наличием в рассматриваемой схеме собственной емкости используемого пьезоматериала;

- очень высокую добротность системы, описываемую данными кривыми. По оценке кривой активной проводимости добротность составляет около 600, что практически исключает возможность применения схем возбуждения подобной системы в ручном режиме и, безусловно, требует наличия высокоточных систем автоматической подстройки частоты.

Установлено, что для исследования свойств, как отдельных элементов, так и всего электроакустического тракта, необходимо оценивать не импеданс, а иммитанс (т.е. входную проводимость) системы, как наиболее информативный и адекватный условиям протекания технологического процесса параметр.

Впервые проведена оценка влияния реактивных составляющих нагрузки на фазо-частотные и амплитудно-частотные характеристики электроакустического тракта (рис. 19-в,г). Установлено снижение добротности системы с постепенным вырождением резонансных свойств по мере увеличения сопротивления нагрузки. Как видно из фазо-частотной характеристики излучателя (рис.19-б) уже при десятикратном превышении сопротивлением нагрузки величины собственного сопротивления потерь излучателя, даже теоретически фазовое регулирование частоты становится невозможным.

а) б)

в) г)

Рис.19. Частотные характеристики излучателя при разных значениях относительного сопротивления активной и реактивной нагрузки

С целью исключения указанных проблем, автором предложен метод симметрирования частотных и нагрузочных характеристик, который заключается в правильном выборе и подключении дополнительной симметрирующей индуктивности параллельно конденсатору ( рис.20).

Рис.20

При правильном выборе симметрирующей индуктивности, ее оптимальное значение лежит в области величин, соответствующих частоте основного резонанса пьезокерамического излучателя для параллельного контура, образованного конденсатором и индуктивностью .

На рис. 21 показано влияние неправильно (а,б) и правильно (в,г) выбранной величины симметрирующей индуктивности на характер частотной зависимости реактивной проводимости системы и на ее фазовую характеристику .

а) б)

в) г)

Рис.21. Влияние симметрирующей индуктивности на частотные характеристики излучателя

Анализ влияния относительной величины симметрирующей индуктивности на величину относительного частотного сдвига критической точки второго фазового перехода (рис.22) позволяет сделать следующие выводы:

- полученная кривая имеет явно выраженный максимум, при величине симметрирующей индуктивности, соответствующей совпадению резонансной частоты контура - основной резонансной частоте системы ;

Рис.22. Влияние относительной величины симметрирующей индуктивности на величину относительного частотного сдвига критической точки второго фазового перехода

- для устойчивого фазочастотного регулирования акустической системы достаточно иметь характеристики, сохраняющиеся при частотном рассогласовании в 6% от резонанса, что для данной кривой соответствует возможности изменения величины симметрирующей индуктивности не менее чем на 15%;

- изменение величины активного сопротивления нагрузки, в диапазоне от 1 до 20, не влияет на характер кривой, что позволяет говорить об эффективности предложенного способа симметрирования фазочастотных характеристик пьезокерамического излучателя при его работе на широкодиапазонную нагрузку.

На основании анализа общих эквивалентных схем электроакустического тракта и особенностей построения генераторных схем для УЗМА, автором предложен метод повышения нагрузочной способности пьезокерамического излучателя без изменения его весогабаритных и конструктивных показателей. При рассмотрении и анализе общей изоморфной схемы излучателя, было установлено, что необходимый эффект «кажущегося» увеличения его индуктивной (массовой) составляющей может быть достигнут за счет включения в схему дополнительной индуктивности (см. рис.23).

Рис.23. Эквивалентная схема излучателя с дополнительной индуктивностью

Оценивая полученные результаты (рис.24), следует отметить, что:

- введение дополнительной индуктивности приводит к пропорциональному уменьшению влияния активной нагрузки на колебательные свойства излучателя за счет увеличения его эффективной полной проводимости ;

- помимо увеличения полной проводимости излучателя, введение приводит к частотному сдвигу резонансной частоты системы в целом, пропорционально величине ;

Рис.24. Эффективность использования дополнительной индуктивности в зависимости от величины нагрузки для различных значений

- сдвиг резонансной частоты системы приводит к снижению амплитуды колебаний рабочего торца ультразвукового пьезокерамического излучателя продольного типа (при постоянстве возбуждающего напряжения), что объясняется возникающей разницей между частотами механического (при ) и электрического (при ) резонансов акустической системы в целом;

- применение дополнительной индуктивности оправдано и эффективно лишь для больших нагрузок (когда ), либо для акустических систем с малой добротностью (с большими значениями ).

Использование полученных результатов позволило вдвое повысить нагрузочную способность излучателя и в три раза увеличить частотный диапазон устойчивого фазового регулирования.

В четвертой главе рассмотрены вопросы повышения эффективности использования ультразвуковых медицинских аппаратов за счет новых схемотехнических решений генераторных систем и придания им адаптивных свойств.

На основании проведенного анализа, установлены критические параметры, наиболее полно отражающие требования практикующего врача к ультразвуковым медицинским аппаратам. Это: надежность, безопасность, простота в обращении и обслуживании, широкий диапазон регулирования и устойчивого удержания основного технологического параметра, сохранение эффекта воздействия при регулировании, возможность долговременной работы, хорошие сервисные функции (необходимая индикация и информация о качестве технологического процесса). Очевидно, что большая часть этих требований касается конструктивных и схемотехнических решений, определяющих процесс проектирования ультразвукового медицинского аппарата. Центральным энергоформирующим звеном аппарата является ультразвуковой генератор. Автором проведен сравнительный анализ различных ультразвуковых генераторов (тиристорных и транзисторных, автогенераторных и с независимым возбуждением). Показано, что для весогабаритной, частотной и мощностной гаммы медицинских аппаратов для терапии и хирургии, наиболее подходящими являются транзисторные полумостовые генераторы с независимым возбуждением.

Одна из основных тенденций современной микроэлектроники - увеличение степени интеграции, объединение на одном кристалле или в одном корпусе максимального количества компонентов для полного решения какой либо задачи. В области силовой электроники эта тенденция привела к разработке силовых модулей мостовых и полумостовых конфигураций (см.рис.25).

Рис.25. Силовые модули различных конфигураций

Появление технологий MOSFET и IGBT - создания силовых модулей полупроводниковых структур, а также разработка и совершенствование микросхем управления этими структурами (так называемыми драйверами) привело к созданию силовых электронных ключей, которые, заменив собою традиционные транзисторы, открыли новые возможности в вопросах проектирования эффективных, малогабаритных и мощных генераторов для УЗМА (рис.26).

Рис. 26. Силовая электронная система переключения

Для генераторов УЗМА наиболее подходят транзисторы средней мощности (токи до десятков ампер и напряжения до 1000 В), предпочтительнее выполненные по технологии MOSFET (как более высокочастотные). Их основные достоинства - это и минимальные затраты энергии по цепи управления и высокие значения предельно допустимых параметров по прямому току и напряжению в закрытом состоянии, малые потери при высоких частотах переключения (до 1МГц) и широкая область предельных режимов работы.

Для реализации этих преимуществ были разработаны специальные управляющие системы - драйверы. Имеется много вариантов аппаратной реализации MOSFET/IGBT драйверов. Микросхемы драйверов наиболее привлекательны для разработчиков. Это проявляется в их компактности, коротких временах задержки распространения сигналов в драйвере, коротком времени нарастания и спада сигнала при переключении, в предсказуемости и серийной воспроизводимости их технических характеристик, а также экономии времени и средств разработчика при проектировании УЗМА. В большинстве случаев современные драйверы представляют собой монолитные микросхемы, которые могут предназначаться для одинарных, полумостовых и мостовых драйверов разной конфигурации.

Наивысшим достижением интегральной техники на сегодня является создание интеллектуальных силовых модулей IPM (Intelligent Power Module) - мощных импульсных высоковольтных усилителей, управляемых логическими сигналами. Автором, в результате проведенных исследований и разработок, предложен в качестве эффективного решения ультразвукового генератора гибридный модуль, содержащий IGBT или NOSFET транзисторы, соединенные в определенной конфигурации (полумост), схему управления и драйвер, оптимизированный по характеристикам управления затвора силовых транзисторов со схемой защиты от перегрузок (Патент РФ № 2260899 «Транзисторный генератор для резонансных нагрузок).

Пятая глава посвящена вопросам проектирования систем авторегулирования и управления генератором для обеспечения устойчивой работы его на пьезокерамический излучатель.

Эффективная работа излучателя возможна лишь в случае точного совпадения частоты генератора и собственной частоты волноводно-акустической системы. В этом плане возникающее рассогласование между рабочей частотой генератора и резонансной частотой колебательной системы определяется влиянием внешних воздействий на эти два узла. Автором проведена классификация этих факторов на рис.27.

Рис.27. Факторы, влияющие на стабильность амплитуды механических колебаний излучающей поверхности колебательной системы посредством частотного рассогласования

Для поддержания постоянной точности настройки генератора в резонанс с акустической системой разработаны различные варианты схем, основанные на автоматической подстройке частоты посредством акустической обратной связи (АОС) колебательной системы с генератором. Наличие автоподстройки частоты исключает необходимость подстройки ее во время работы, что, как правило, осуществить практически невозможно. Обычно, в этих схемах с помощью какого-либо датчика замеряется собственная частота преобразователя в рабочем режиме, и сигнал датчика поступает на вход генерирующего устройства или мощного усилителя. Применяются также различные виды обратной связи по току или напряжению, в цепи питания преобразователя. На рис.28 приведена классификация устройств управления частотой ультразвукового генератора для УЗМА.