Физиотерапевтическое устройство на основе применения упругих волн

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Анализ современных способов и устройств для лечебного и терапевтического воздействия акустическими колебаниями

2. Анализ технического задания и выбор направления проектирования

3. Разработка электрической схемы устройства

3.1 Разработка стуктурной схемы

3.2 Расчет питающего трансформатора

3.3 Расчет задающего генератора и таймера

3.4 Расчет ГУНа

3.5 Расчет усилителя мощности

4. Выбор функциональных элементов и материалов конструкции

4.1 Выбор функциональных элементов

4.2 Выбор материалов конструкции

5. Обоснование конструкторского исполнения, расчет компоновочных характеристик

5.1 Обоснование конструкторского исполнения

5.2 Расчет компоновочных характеристик

6. Расчет показателей надежности и восстанавливаемости

7. Разработка печатной платы с использованием САПР

7.1 Разработка печатной платы

7.1 Создание и редактирование ПП с помощью применяемого пакета САПР

8. Анализ технологичности конструкции устройства

9. Разработка технологического процесса сборки устройства

10. Технико-экономическое обоснование

11. Охрана труда и экологическая безопасность

Заключение

Список использованных источников

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. Научные основы медицинского приборостроения охватывают обширный комплекс междисциплинарных знаний и методов от микро-нано-механики до рекордно тонких аналитических методов, средств восприятия и компьютерной математической обработки биологических сигналов на предельном энергетическом уровне.

Тенденции развития медицинского приборостроения наиболее полно проявляются в следующих группах приборов и аппаратов, обеспечивающих реализацию наиболее эффективных лечебных и диагностических медицинских методик с использованием современных достижений в различных областях технических наук и технологий:

- системы и аппаратура топической диагностики;

- автоматизированные системы и приборы функциональной диагностики и многопараметрического мониторинга;

- технические средства жизнеобеспечения организма и замещения

внутренних органов, хирургическая аппаратура;

- аппараты и комплексы для терапии;

- приборы и системы лабораторной диагностики.

Обширную группу составляют аппараты и комплексы для терапии. Различают следующие виды терапии: УЗ; СВЧ; УВЧ; индуктотермия; магнитотерапия; СМВ- и ДМВ-терапия; электроаэрозольтерапия; фототерапия ( лечение светом ); аэроионотерапия .

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 следующих параметров: интенсивности, места, площади воздействия, продолжительности, методических приемов проведения процедуры (лабильного или стабильного, контактного или через воду), режима работы (непрерывного или импульсного). 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.

В данном дипломном проекте будет разработано физиотерапевтическое устройство на основе применения упругих волн, предназначенное для уменьшения ревматических болей, болей в суставах, позвоночнике, при мигрени и других ощущениях; а также для профилактики и лечения таких заболеваний как простатит, трофическая язва, переломы, отеки ушибов, гайморит, бессонница и некоторых других.

1. Анализ современных способов и устройств для лечебного и терапевтического воздействия акустическими колебаниями

С конца 40-х годов ультразвук стал интенсивно использоваться в лечебной практике. Однако вскоре стали поступать сведения о некоторых осложнениях, связанных, как выяснилось, с передозировкой высокочастотного ультразвукового влияния. Нарушения были отмечены со стороны центральной нервной системы, сердечной деятельности и других функций организма. Это обусловило необходимость более глубокого изучения ультразвука во всех аспектах - биологическом, терапевтическом, физико-химическом и других [1].

Звуковые волны принято разделять на следующие диапазоны: 1) инфразвук - до 16 Гц; 2) слышимый звук - 16-20000 Гц; 3) ультразвук - 20 кГц - 1000 МГц; 4) гиперзвук - выше 10⁹ Гц. В физиотерапии обычно применяются ультразвуковые волны частотой 0,8-3 МГц. Большинство серийных ультразвуковых терапевтических аппаратов работают на одной из фиксированных частот этого диапазона, чаще всего - на 0,88 МГц.

Важными физическими характеристиками звуковых колебаний является амплитуда волны, колебательная скорость. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания, логарифмический декремент и добротность.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление тканей выражается отношением звукового давления к объемной скорости ультразвуковых волн [2].

Механизм терапевтического действия ультразвука сложен и многогранен. Он складывается из местных и общих, нейро-рефлекторных и нейрогуморальных реакций, которые проявляются фазно и отличаются длительным последействием. При адекватно подобранных дозировках ультразвук оказывает болеутоляющее, рассасывающее, противовоспалительное, спазмолитическое, фибролитическое действие. Он ускоряет регенеративные и репаративные процессы, активирует крово- и лимфообращение. нормализует процессы обмена, улучшает функциональное состояние нервной и эндокринной систем. Из перечисленного видно, что диапазон влияний ультразвука на организм широк и это определяет возможность использования его для лечения многих заболеваний [3].

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 ).

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 (10см² ).

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 (контрактура Дюпюитрена, шпоры пяточных костей и др.).

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.

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.).

Чаще используют контактный способ проведения процедуры, применяя лабильную методику. Ультразвуковой излучатель должен плотно прилегать к поверхности кожи, смазанной вазелиновым маслом, передвижение его совершается медленным круговым движением, скорость передвижения 1 см/с. Перемещение излучателя с одного поля на другое, когда требуется отрыв его от поверхности кожи, производится только при отключении интенсивности. Особенно нежелательно передвигать излучатель по коже, покрывающей подлежащие костные образования. Если контактный способ использовать нельзя (обычно при поражениях конечностей), следует прибегать к воздействию ультразвуком через воду. Для этого в фаянсовую или фарфоровую ванночку наливается вода температуры 30 - 32 ⁰ С, и в нее погружают конечность пациента и помещают ультразвуковой излучатель. Этот излучатель можно закрепить у одной из стенок ванночки, и тогда пациент сам делает вращательные движения конечностью перед излучателем или его перемещает вокруг фиксированной конечности медицинская сестра. Расстояние излучателя от поверхности кожи - 1 - 2 см.

В практике ультразвуковой терапии применяются специальные методики, в которых контактная среда (вода или масло) наливается в приспособления определенной формы (глазные ванночки, пластмассовые тубусы для методик ультрафонофореза).

5. Режим воздействия ультразвуком может быть 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.

Механизм терапевтического действия УЗ изображен на рисунке 1.1.

Терапевтический эффект от применения механической энергии ультразвуковых колебаний достигается двумя путями. Первый основан на непосредственном воздействии ультразвуковой волны, проходящей через биологическую ткань, и связан, помимо теплового эффекта, с интенсификацией метаболизма клетки за счет способствования осмотическим процессам в ее мембране, а также ускорения биологических реакций. Второй путь связан с химиотерапией и заключается в переводе жидких лекарственных препаратов в легко усваиваемое пациентом состояние аэрозоля под воздействием энергии ультразвуковых колебаний активного элемента. Т.е. эффект заключается в выходе параметров внутренней среды организма, органа, ткани или клетки из состояния физиологического равновесия .

Примерами реализации первого пути терапевтического воздействия являются аппараты серии УЗТ, второго – ультразвуковые ингаляторы. Воздействуют ультразвуком обычно методом контактного массажа через вазелиновое масло локально на очаг поражения, на соответствующие рефлексогенные зоны или по ходу болевого симптома направляется непосредственное ультразвуковое воздействие. При торпидных формах боли применяются непрерывные, при острых – импульсные режимы воздействия [4].

Важным свойством ультразвука является его неионизирующая способность, т.е. используемой энергии ультразвука недостаточно для отрыва электронов у атомов.

В медицине с лечебными целями применяется ультразвук небольшой интенсивности, но относительно высокой частоты (800-30000 Гц). Получение такого ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Некоторые вещества (кварц, тибар и др.) способны под воздействием электрического тока изменять свои линейные размеры. При приложении к такому кристаллу переменного электрического поля он начинает периодически изменять свои размеры. В области непосредственно прилегающей к кристаллу возникают, то разряжение, то сжатие окружающей среды. Это приводит к возникновению ультразвука.

Рисунок 1.1- Механизм терапевтического действия ультразвука

Технические характеристики некоторых приборов для ультразвуковой терапии приведены в таблице 1.1 и 1.2.

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

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

- УЗТ-1 (УЗТ-3-01; УЗТ-3-02; УЗТ-3-03) –рабочая частота 2640 кГц;

- УЗТ-13 или ‘Гамма’ (УЗТ-13-01; УЗТ-13-02) – генерируют ультразвук на двух частотах 880 и 2640 кГц.

Таблица 1.1

Техническая характеристика УЗ терапевтических аппаратов

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.

Отечественные аппараты питаются от сети переменного напряжения в 127 или 220 В. В них предусмотрена возможность работы в непрерывном и импульсном режимах [5]. В отечественных аппаратах частота следования импульса равна 50 Гц, а длительность периода (импульс+пауза) всегда составляет 20 мс. Форма импульса максимально приближена к прямоугольной (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2- Схематическое изображение ультразвуковых непрерывного (а) и импульсного сигналов со скважностью 2(б), 5(в) и 10(г)

Работу ультразвукового терапевтического аппарата можно представить в виде функциональной схемы приведенной на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3- Блок-схема ультразвукового терапевтического аппарата

Генератор высокочастотный создает немодулированные электрические колебания. Усиление мощности этих колебаний происходит в выходном усилителе. К выходному усилителю подключен излучатель ультразвука, в котором электрические колебания преобразуются в механические. Модулятор необходим для создания импульсного режима [6].

Терапевтические аппараты могут комплектоваться различным набором специализированных ультразвуковых излучателей (типа ИУТ) [2]. Излучатели под маркой ИУТ выпускаются трех форм: карандашеобразный, изогнутый и с боковой излучающей поверхностью.

Таблица 1.2

Основные технические данные аппаратов типа УЗТ

В таблице 1.3 приведены основные технические характеристики излучателей ИУТ.

Таблица 1.3

Технические характеристики излучателей ИУТ

В последнее время в физиотерапии стали применять низкочастотный ультразвук. Воздействие проводят на двух частотах 22 и 44 кГц. Ультразвук указанных частот обладает высокой биологической активностью, обусловленной механическим, тепловым и физико-химическим действующим фактором.

Озвучивание низкочастотным ультразвуком повышает проницаемость клеточных мембран и гистогематических барьеров, устранению отеков и застойных явлений. Он стимулирует региональное кровообращение и микроциркуляцию, обладает иммуностимулирующим действием. Озвучивание низкочастотным ультразвуком способствует подавлению микробной флоры ран, ускоряет регенераторные процессы, усиливает активность антибиотиков и повышает проникновение лекарственных веществ в поврежденные ткани. Низкочастотному ультразвуку присуще обезболивающее, гемостатическое, спазмолитическое и противовоспалительное действие.

По сравнению с высокочастотным низкочастотные ультразвуковые колебания более глубоко проникает в ткани, обладает более выраженным бактерицидным, противоотечным, разрыхляющим и деполимеризующим действием, сильно изменяет сосудистую и эпителиальную проницаемость, проявляет большую форетическую активность, способен вызывать ковитацию и выраженный противовоспалительный эффект [7].

Для низкочастотной терапии серийно выпускаются аппараты типа ‘Барвинок’:

1) ‘Барвинок’ – Г УЗТН 22/44.02Г – предназначен для лечения гинекологических заболеваний;

2) ‘Барвинок’- У УЗТН 22/44.01У – рекомендуется для лечения заболеваний урологии.

Эти аппараты работают в повторно-кратковременном режиме с регулируемой амплитудой (2 и 5 мкм) вибрации. Каждый аппарат комплектуется двумя ультразвуковыми излучателями с набором специальных волноводов.

Аппарат ‘Ультразвук-Т5’ снабжен десяти ступенчатым клавишным регулятором мощности, что позволяет непосредственно без дополнительных измерений устанавливать необходимую дозу ультразвука для каждого больного. Возможность работы, как в непрерывном, так и в импульсном режиме позволяет выбрать в зависимости от индивидуальности пациента и характера заболевания наиболее эффективную процедуру. Процедурные часы встроенные в аппарат, автоматически выключает его по истечении заданного времени и выдают звуковые сигналы об окончании процедуры. К аппарату прилагается измеритель мощности для проверки калибровки регулятора мощности [8].

Ультразвуковой настольный терапевтический аппарат TUR US6-1 (ФРГ) по применению и назначению аналогичен терапевтическому аппарату ‘Ультразвук-Т5’. Он может работать в двух режимах: непрерывном и импульсном. За последние годы создан ряд новых медицинских ультразвуковых приборов и аппаратов. Среди них физиотерапевтический аппарат УЗТ-101 для лечения периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата и других заболеваний. Физиотерапевтический аппарат УЗТ-102 предназначен для лечения стоматологических заболеваний (парадонтоза, глассалгии, ортрозоартритов, височно-нижнечелюстных суставов, коллоидных и послеоперационных рубцов лица и шеи и т.д.). Аппарат ЛОР-3 предназначен для лечения хронических тонзиллитов, гайморитов, ринитов. ‘Стержень-1’ – для лечения урологических и проктологических заболеваний (простатитов, циститов и т.п.). ‘Байкал’ – для разрушения камней при мочекаменной болезни. Семейство ‘Гамма’ – для терапевтического воздействия.

Ультразвуковые аппараты выпускаются под маркой УЗТ с различным индексом:

-УЗТ-31 - для лечения гинекологических заболеваний;

-УЗТ-101 - для лечения нервных и внутренних болезней.

Из западных производителей УЗ терапевтической аппаратуры следует выделить Нидерланды и Германию. Голландская фирма “Энраф Нониус” благодаря своим аппаратам серии “Сонопульс” моделей 434, 463, 464 прочно завоевала мировой рынок. Все аппараты снабжены индикатором акустического контакта, имеют плавный регулятор интенсивности, цифровой таймер, допускают внешнюю или внутреннюю модуляцию [2].

В настоящее время в Германии выпускаются такие терапевтические приборы как - Sonotor 410, Stimutor 200, которые являются портативными. Эти модели обладают преимуществами как традиционного низкочастотного, так и среднечастотного терапевтического воздействия. Данные приборы работают в двух режимах: низкочастотная модуляция и волновая модуляция. Сочетание двух режимов обеспечивает двойной эффект - глубокое проникновение и приятные ощущения.

Биологический эффект при применении ультразвука проявляется, если интенсивность его выше 100 мВт/см² . Действие ультразвука в зависимости от интенсивности можно поделить на повреждающее, угнетающее, стимулирующее и фоновое [9].

Использование воздействия ультразвука малых интенсивностей на внутренние органы при патологических состояниях обусловлено нормализующим или стимулирующе-активизирующим влиянием на функциональное состояние внутренних органов, обмен веществ в них.

Положительный эффект от применения ультразвука получен при лечении таких заболеваний, как бронхиальная астма, хронические неспецифические заболевания легких, силикоз, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, гепатита, холецистита, дискинезия желчных путей, хронический колит, хронический пиелонефрит, панкреатит, простатит.

Широкое применение ультразвуковая терапия нашла в лечении кожных заболеваний, офтальмологии, оториноларингологии и стоматологии [11].

Методы лечения можно разделить на два основных типа: внеполостные, представляющие собой наружное воздействие на участке кожного покрова; внутриполостные, при которой излучатель вводится в полость органа и осуществляется непосредственное озвучивание его слизистой оболочки.

В настоящее время терапевтические аппараты имеют интенсивность в пределах 0,05-1,2 Вт/см² . Устройство ультразвукового терапевтического аппарата применяемого в акушерско-гинекологической практике УЗТ-31.Частота ультразвуковых колебаний 2,64 МГц. Интенсивность ультразвука меняется ступенчато: 0,05; 0,2; 0.5; 1.0 Вт/см² , предусмотрены импульсные режимы с длительностью импульсов 2,4 и 10 мс и частотой следования 50 Гц.

В ультразвуковой физиотерапии


8-09-2015, 23:13