Изучение принципиальной электрической схемы измерительного преобразователя, её расчет и выбор элементов

Министерство образования  и науки РФ

ГОУ ВПО «Тульский государственный  университет»

Кафедра» Приборы и  биотехнические системы»

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

СХЕМОТЕХНИКА МЕДИЦИНСКИХ  ПРИБОРОВ И АППАРАТОВ

на тему

Изучение  принципиальной электрической схемы измерительного преобразователя, её расчет и выбор  элементов

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2012

Содержание

Введение

1. Основы ультразвуковой терапии
2. Разработка  электрической схемы
3. Расчет генератора
4. Расчет усилителя

      Заключение

      Библиографический список

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Хотя  о существовании ультразвука  ученым было известно давно,  практическое использование его  в науке, технике и промышленности  началось сравнительно недавно.  Сейчас ультразвук широко применяется  в различных медицинских, физических  и технологических методах.

       Ультразвуковая терапия – метод, основанный на действии на ткани высокочастотных звуковых колебаний происходящие с частотой, лежащей выше предела слышимости уха человека. В терапевтической практике используют ультразвук в диапазоне частот 800-3000 кГц. Под влиянием ультразвука происходит активизация клеточного обмена. Применяют воздействие ультразвуковых колебаний в непрерывном или импульсном режиме.

 В настоящее время ультразвуковая терапия широко применяется в медицине – в хирургии (высокоинтенсивный), УЗИ-диагностики и физиотерапии (низкой интенсивности и стабильной частоты).

Целью данного курсового проекта является изучение методики постановки задачи при проектировании электрических  принципиальных схем на полупроводниковых  приборах, составления технического задания на проектируемое устройство, получение навыков поэтапного комплексного схемотехнического проектирования электрических узлов, приобретение опыта использования современных  информационных технологий.

 

 

 

 

1. Основы ультразвуковой терапии

В тканях организма, так же, как и в любом твердом, жидком или газообразном веществе, могут возникать упругие механические колебания и волны Механические колебания и волны при частоте ниже 16 Гц называются инфразвуковыми. Механические колебания и волны с частотой выше 20 кГц ухом человека не воспринимаются и называются ультразвуковыми. Верхний предел ультразвуковых (УЗ) колебаний не установлен.

В звуковых и УЗ волнах колебания  частиц происходят в том же направлении, что и распространение волны. Такие волны называются продольными, представляют собой чередующиеся участки сгущений и разряжения вещества, перемещающиеся в направлении распространения волны. В твердых веществах могут образовываться кроме продольных, также и поперечные звуковые и УЗ волны.

Между частотой колебаний f (Гц) и длиной волны (м) существует зависимость:                          ,         (1)

где V - скорость распространения волны в данной среде, м/с.

Скорость распространения  волны V зависит от модуля упругости Е и плотности среды ρ                                ,     (2)

где Е - модуль упругости среды, а ρ - плотность, (в жидкостях она выше чем в газах, в твердых телах выше чем в жидкостях). В воздухе УЗ волны распространяются со скоростью 330 м/с. Скорость распространения ультразвука в различных мягких тканях организма человека находится в пределах 1446 - 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. Таким образом, при наиболее часто используемой УЗ - терапии на частоте 880 кГц длина волны в воде и мягких тканях организма порядка 1,6 - 1,8 мм.

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

Количество энергии, переносимое  за 1 с через площадку 1 см² перпендикулярную направлению распространения волны, называют интенсивностью УЗ колебаний, приходящихся на 1 см².

Происходящие в УЗ волне  колебательные движения частиц вещества характеризуются очень малым  смещением (амплитудой) и чрезвычайно  большими ускорениями. Так например, при частоте 880 кГц частицы тканей тела, в которых распространяется волна с максимально допустимой для терапии интенсивностью 2 Вт/см², колеблются с амплитудой 3,5*10^-5 см. Максимальные ускорения достигают при этом 9*10⁴ м/с², что превышает ускорение свободного падения в сто тысяч раз, на колеблющиеся частицы вещества действуют значительные величины переменного (акустического давления, которые в вышеприведенном примере могут достигать 2,7 атм. Огромные ускорения и значительные давления, испытываемые частицами среды при УЗ колебаниях, определяют действие ультразвука (в том числе лечебное) на ткани организма.

При распространении УЗ волны  происходят потери энергии на нагрев частиц среды.  Интенсивность УЗ уменьшается при этом по экспоненциальному  закону. Для характеристики этого  процесса используют понятие "глубина  проникновения", которая определяется как расстояние до поверхности, на которой  интенсивность УВ волны уменьшается  в "е" раз. Поглощение увеличивается  с частотой колебаний, соответственно уменьшается и глубина проникновения. На частоте 880 кГц глубина проникновения  УЗ 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. Распределение УЗ энергии между слоями тканей тела имеет характерную особенность, заключающуюся в интенсивном нагреве костных тканей. Это отличает действие ультразвука от действия электромагнитных волн.

Аппаратура  для ультразвуковой терапии

Источником УЗ волн частотой в несколько десятков килогерц является магнитострикционные ферромагнитные сердечники, которые нашли применение в УЗ хирургии.

Для целей терапии применяется  ультразвук относительно высокой частоты  порядка 800 - 3000 кГц, который получают с помощью обратного пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект состоит в  том, что во многих кристаллах (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) под действием электрического поля происходит смещение полярных групп атомов, что вызывает изменение размеров кристаллов.                                 

Если к торцевым поверхностям пластинки, вырезанной определенным образом  из кристалла пьезоэлектрика, с помощью  электродов приложить переменное напряжение, то толщина пластинки будет изменяться с частотой приложенного напряжения. При уменьшении толщины пластинки в прилегающих слоях окружающей среды образуется разряжение, а при увеличении - сжатие. Таким образом, в среде возникают УЗ волны, распространяющиеся в направлении перпендикулярном поверхности пластинки в виде слабо расходящегося луча.                                                                                       

УЗ волны как более  короткие, лучше фокусируются и сильнее  поглощаются средой, чем звуковые.

Аппарат для лечения  ультразвуком (рис. 1) состоит из генератора электрических колебаний 1, к колебательному контуру которого подключен пьезоэлектрический преобразователь 2, который выносится в отдельную головку 3, снабженную ручкой 4 и соединенную кабелем 5 с электронным блоком. Ручка 4 служит для наложения головки излучателя во время процедуры.

Головка, схематически показанная на рис.2. состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, на основании 2 которого расположен пьезоэлектрический преобразователь - пластина 3. Пластина из пьезокерамики удерживается с помощью держателя 4 и пружины 5. Под держателем всегда имеется тонкая прослойка воздуха, поэтому в сторону ручки ультразвук не излучается из-за большого акустического сопротивления воздушной прослойки. Амплитуда колебаний пластины, а следовательно, интенсивность излучения от передней поверхности в основание 2 будет максимальной при совпадений собственной резонансной частоты пластинки с частотой генератора. Это условие выполняется, если толщина пластинки равна нечетному числу полуволн (при частоте 880 кГц толщина пьезоэлемента, равная одной полуволне, составляет 3,26 мм). Основание 2 крепится к корпусу головки с помощью накидной гайки 6.

Корпус головки укреплен в ручке 4 (рис. 1), .внутри которой  проходит провод 7 (рис. 2) от генератора 1 (рис. 1), соединенный с держателем 4, который находится в контакте с пьезопрео6разователем. Вторым электродом служит корпус головки, к которому присоединяется экранирующая оплетка соединительного кабеля.              

                          Рис. 2

В УЗ аппаратах широкое применение получили преобразователи из керамики титаната бария и других подобных керамик. Керамика титаната бария представляет собой спеченные при высокой температуре мелкие кристаллы, т.е. имеет поликристаллическую структуру. Преимуществом ее по сравнению с кварцем является дешевизна и малая величина напряжения необходимого для возбуждения УЗ колебаний (напряжение на кварцевой пластинке при частоте 860 кГц и интенсивности излучения 2 Вт/см² превышает 1600В, а на пластинке из керамики титаната бария при тех же параметрах колебаний - не более 100 В). Это позволяет упростить конструкцию и схему аппарата, в частности, применить для питания головки гибкий низковольтный кабель.

Методика проведения процедур ультразвуковой терапии

Воздействие ультразвуком на ткани организма осуществляется путем приложения торцовой поверхности  головки к области, подлежащей воздействию (см. рис. 1). Такой способ применяется при воздействии на относительно плоские поверхности мягких тканей тела и может быть как неподвижным (стабильным), так и подвижным (лабильным), при котором УЭ головку плавно, массажирующим движением перемещают по всей поверхности области воздействия.

При проведении процедур УЗ терапии особенно большое внимание уделяется обеспечению хорошего акустического контакта между головкой и телом больного. Из-за значительного различия плотностей воздуха и твердых тел, а также разницы в скоростях распространения ультразвука в этих средах на границе твердого тела и воздуха происходит практически полное отражение УЗ волны. Поэтому между головкой и телом больного не должно быть воздушных прослоек. Для этого поверхность облучаемого  участка тела покрывают слоем промежуточной среды (вазелиновое масло, гель и т.п.)

На поверхности тела сложной  формы, например, стопу воздействие  ультразвуком производят через воду в специальной ванне.

 Действие УЗ колебаний  на ткани организма имеет сложный  механизм, в котором можно различить три основных составляющих: механическую, тепловую и химическую.

Механическое  воздействие обусловлено колебаниями частиц ткани, оно представляет собой микромассаж, тканей. Происходящие при этом изменения расположения в клеточных структурах приводят к их перестройке и сдвигам в их функциональном состоянии.

Тепловое действие связано с поглощением энергии УЗ волны вследствие взаимного трения частиц, оно приводит к преимущественному нагреву мышечных и, особенно костных тканей.

Химическое действие ультразвука является следствием указанных механических и тепловых эффектов. Определяющими здесь являются изменение интенсивности окислительных процессов, усиление процессов диффузии и прочее. Дозиметрия при УЗ терапии заключается в установке заданной величины интенсивности ультразвука и длительности воздействия. Интенсивность (Вт/см²) указывается, как правило, на шкале регулятора выходной мощности аппарата; обычно применяются величины интенсивностей:

• при стабильной методике 0,06 - 0,3 Вт/см²,  
• при лабильной методике 0,6 - 1,6 Вт/см².

Помимо непрерывного действия в  УЗ терапии широко используется также  импульсный режим воздействия при  частоте следования 50 Гц. Средняя интенсивность колебаний в этом случае меньше указанной на шкале пропорционально скважности.

 

Устройство и  принцип работы

Аппарат содержит электронный  блок (рис.3) и два сменных излучателя. Электронный блок снабжен ручкой 1 для переноски и установки  в рабочее положение. Корпус выполнен из алюминиевого сплава. Внутри корпуса  на направляющих шасси снизу четырьмя винтами.

На лицевой панели электронного блока расположены: разъем "ВЫХОД" 2 (разъем для подключения кабеля излучателя); индикатор выводящего напряжения 3; переключатель "СЕТЬ" 4; индикатор включения сети 6; переключатели "ИЗЛУЧАТЕЛИ" 6; "ИНТЕНСИВНОСТЬ, ВТ/см²" 7; переключатели режима работы 8 и процедурные часы  9.

На задней стенке блока (рис.4) установлены ножки 10, служащие для  предохранения провода сети 11 от перегиба и крепления провода  и сетевой вилки 12 во время транспортировки.