МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АППЛИКАТОР ДЛЯ АППАРАТОВ УДАРНО-ВОЛНОВОЙ ТЕРАПИИ

Полезная модель относится к области медицинской техники, а точнее к аппаратам ударно-волновой терапии (АУВТ) на основе пьезоэлектрического аппликатора с изменяемой пространственной геометрией пятна фокусировки.
В некоторых случаях клинической практики необходимо применение ультразвука или одиночных ударных волн высокой интенсивности. При этом энергия ударной волны должна быть доставлена к объекту воздействия без повреждения тканей, находящихся на пути распространения волны, что требует применения средств фокусирования ударной волны в целевой области воздействия.
Аппликаторы АУВТ, построенные на основе линз, рефлекторов и формирующие фокусированные ударные волны, широко применяются в медицине и обладают достаточно высокими характеристиками, но имеют существенные недостатки, главный из которых - отсутствие возможности оперативного управления характеристиками ударной волны. Обычно изменение формы и расположения фокуса требует замены конструктивных элементов или применения достаточно сложных механических устройств, управляющих геометрией конструктивных элементов аппликатора, обеспечивающих формирование фокуса.
Способ расположения пьезоэлементов влияет на диапазон изменения положения фокуса без неприемлемого уменьшения амплитуды в нем и без образования побочных фокусов. Возможны квазислучайные и детерминированные варианты расположения. Использование решетки со спиральной конфигурацией позволяет получить существенный выигрыш по максимальной интенсивности в фокусе, но при этом размер области сканирования меньше, чем у решеток со случайным расположением круглых элементов.
АУВТ, применяемые в клинической практике, построены на использовании электромагнитного, электрогидравлического, пьезоэлектрического, пневматического и других принципов работы. Из перечисленных принципов формирования ударной волны поставленной задаче соответствует только пьезоэлектрический, т.к. другие варианты не обеспечивают возможность электрического управления размером, формой и расположением фокуса ударной волны. В качестве типовых применяются конструктивные решения аппаратов Piezowave компании Richard Wolf [https://octomed.ru/details/piezowave-richard-wolf/], Duolith SD-1 компании Storz Medical [https://longway-med.ru/katalog_tovarovl/dispatch_wave_therapy/duolith_sdl/], orthogold100 компании MTS [https://www.mts-medical.com/en_US/produkte/orthopaedie/orthogold100/], Dolorclast компании Swiss [https://www.tiaramed.ru/catalog/udarno-volnovaya-terapiya/swiss-dolorclast-classic/].
Наиболее близким к полезной модели аналогом является аппарат ударно-волновой терапии Piezowave компании Richard Wolf [https://mttechnica.ru/960-richardwolf_piezowave.html]. В конструкции аппликатора указанного АУВТ пьезоэлементы припаяны к внутренней стороне общего основания. Основание имеет малую толщину, поэтому при одновременной подаче управляющего электрического импульса оно работает как единый формирователь ударной волны. Преимущества такой конструкции заключаются в том, что она удобна для изготовления, позволяет разместить пьезоэлементы с приемлемой плотностью, имеет достаточную механическую прочность, пьезоэлементы хорошо защищены от воздействия среды распространения внутри аппликатора (если подобная конструкция будет использована с водой и силиконовой мембраной, а не сплошным силиконом). При этом указанная конструкция имеет существенные недостатки, которые могут стать решающими при выборе подхода к конструированию аппликатора АУВТ для применения в условиях клиники. Проблемы аппликатора этого АУВТ перечислены ниже:
недостаточная ремонтопригодность - крайне затруднено продление ресурса аппликатора путем замены поврежденных или выработавших свой ресурс пьезоэлементов, т.к. сложно выполнить замену поврежденного пьезоэлемента без смещения соседних,
пьезоэлементы не имеют жесткого основания со стороны подключения проводников, что приводит к значительной потере энергии при формировании ударной волны,
практически отсутствует возможность управления геометрическими характеристиками области фокуса - излучающей поверхностью является основание, на котором смонтированы пьезоэлементы, поэтому изменение параметров управляющих электрических импульсов для элементов или групп элементов не позволяет управлять положением в пространстве фокуса пьезоизлучателя в целом.
Задача, которую решает заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении возможности управления геометрическими параметрами области фокуса аппликатора без механического перемещения элементов конструкции или их замены.
Технический результат заключается в продлении ресурса аппликатора АУВТ путем обеспечения достаточного уровня ремонтопригодности, повышении отдачи аппликатора АУВТ путем размещения пьезоэлементов на лицевой стороне общего жесткого основания и улучшении пользовательских характеристик путем обеспечения возможности управления геометрическими параметрами области фокуса.
Задача решается и технический результат достигается многоэлементным пьезоэлектрическим аппликатором для аппаратов ударно-волновой терапии, который содержит корпус аппликатора, мембрану, основание, выполненное в виде сферического сегмента с размещенными на нем пьезоэлементами, образующими фазированную решетку, и притянутое к корпусу аппликатора винтами с шайбами через силиконовую прокладку, диаметр которого с областью крепления превышает диаметр пьезоизлучателя аппликатора, образованного пьезоэлементами, являющимися также элементарными излучателями фазированной решетки, имеющими прямоугольную форму, располагающимися на основании радиально, с несколькими осями симметрии и с боковым расположением контактных площадок, при этом каждый пьезоэлемент через изоляционную прокладку (изолятор) прикреплен к латунной пластине с хвостовиком, проходящим через отверстие, выполненное в основании, и притянут к основанию цилиндрической гайкой, причем минимальная величина изолирующих зазоров между отдельными пьезоэлементами выбирается с учетом электрической прочности пьезоэлементов, где для ослабления взаимовлияния пьезоэлементов друг на друга через основание между латунной пластиной и основанием предусмотрен демпфер, выполненный из силикона и состоящий из трех частей: прямоугольной прокладки с отверстием под латунной пластиной, трубчатой вставки в отверстии основания и круглой шайбы демпфера под металлической шайбой, при этом подключение пьезоэлементов осуществляется изолированными проводами, присоединенными к контактным площадкам пьезоэлементов, расположенным на боковых поверхностях пьезоэлементов, провода проходят через пазы латунной пластины и отверстие, выполненное в хвостовике, причем проходы проводов через пазы латунной пластины герметизированы, между внешней поверхностью основания с размещенными на нем пьезоэлементами и мембраной аппликатора, обеспечивающей контакт с телом пациента, находится среда распространения волны в пределах аппликатора, за задней поверхностью основания со стороны подключения пьезоэлементов расположены узлы формирования управляющих импульсов, разделение внутренних объемов аппликатора обеспечено герметизированной установкой пьезоэлементов на силиконовых прокладках, использованием резьбовой заглушки с прокладкой для центрального отверстия и прокладки между основанием и корпусом аппликатора.
В одном из вариантов осуществления полезной модели в качестве основной среды распространения волны в пределах аппликатора используется вода.
В еще одном варианте осуществления полезной модели в качестве основной среды распространения волны в пределах аппликатора используется силиконовая вставка.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - схема размещения элементов;
фиг. 2 - принцип крепления пьезоэлементов на основании;
фиг. 3 - схема подключение пьезоэлемента;
фиг. 4 - схема герметизации аппликатора;
фиг. 5 - схема предварительного фокусирования;
фиг. 6 - конструкция пьезоизлучателя аппликатора с внутренней стороны;
фиг. 7 - конструкция пьезоизлучателя аппликатора со стороны пьезоэлементов.
Апликатор АУВТ состоит из корпуса аппликатора (7), основания (2), мембраны (3) и пьезоизлучателя (4), состоящего из пьезоэлементов (5).
Аппликатор АУВТ построен по принципу фазированной решетки, элементы которой расположены на общем основании (2), имеющем форму сферического сегмента. Сферическая форма основания (2) выбрана как обеспечивающая лучшую, по сравнению с плоской пластиной, энергетику и удобство предварительной фокусировки, а также упрощающую, по сравнению с параболическим основанием, получение близкой к сферической форме области фокуса.
Диаметр основания (2) с областью крепления выбран большим, чем диаметр, собственно, пьезоизлучателя (4). Это сделано из соображений удобства крепления основания в корпусе аппликатора (1) и герметизации рабочего объема аппликатора.
В аппликаторе использованы прямоугольные пьезоэлементы (5). Расположение контактных площадок пьезоэлементов (5) - боковое. Пьезоэлементы (5) имеют малые, по сравнению с общим размером пьезоизлучателя (4), размеры, что позволило разместить на основании (2) большое количество пьезоэлементов (5). Коэффициент заполнения пьезоизлучателя (4) (отношение суммы площадей рабочих поверхностей пьезоэлементов (5) к площади пьезоизлучателя (4), минимальная величина изолирующих зазоров между соседними пьезоэлементами (5) выбрана из соображений электрической прочности.
В качестве основной среды распространения волны в пределах аппликатора выбрана вода, что позволяет управлять площадью пятна контакта мембраны (3) аппликатора с телом пациента путем изменения давления воды в аппликаторе. При этом возможно использование силиконовой вставки вместо воды без изменения конструкции аппликатора.
Ремонтопригодность пьезоэлектрического аппликатора обеспечена конструкцией индивидуальных креплений пьезоэлементов, обеспечивающих электрическую изоляцию пьезоэлементов (5) и гидроизоляцию объема аппликатора, не заполненного водой. Конструкция аппликатора предусматривает возможность индивидуальной диагностики технического состояния каждого пьезоэлемента (5) и их замены по мере старения.
Пьезоэлементы (5) размещены радиально, с несколькими осями симметрии, что позволяет упростить систему управления путем объединения элементов в группы.
Пьезоэлемент (5) через изоляционную прокладку (изолятор) (9) прикреплен к латунной пластине (8) с хвостовиком (7). Хвостовик (7) этой сборки проходит через отверстие в основании (2), и притянут к основанию цилиндрической гайкой (10) с плоской металлической шайбой (11). Гайка (10) имеет шлиц для фигурной отвертки. Для ослабления взаимовлияния пьезоэлементов (5) через основание (2) между латунной пластиной (8) и основанием (2) предусмотрен демпфер (6), который состоит из трех частей: прямоугольной прокладки с отверстием под латунной пластиной (8), трубчатой вставки в отверстии основания и круглой шайбы демпфера (6) под металлической шайбой (11). Все части демпфера выполнены из силикона.
Электрическое подключение пьезоэлементов (5) выполнено изолированными проводами (12), присоединенными к контактным площадкам, расположенным на боковых поверхностях пьезоэлементов (5). Провода (12) проходят через пазы латунной пластины (8) и отверстие в хвостовике (7) как показано на фиг. 3.
Проходы проводов через пазы латунной пластины (8) герметизированы (фиг. 2).
Между внешней поверхностью основания (2) с размещенными на нем пьезоэлементами (5) и мембраной (3) аппликатора, обеспечивающей контакт с телом пациента, находится вода. Давление воды зависит от условий применения АУВТ и может заметно превышать атмосферное. За задней поверхностью основания (2) (со стороны подключения пьезоэлементов (5) расположены узлы формирования управляющих импульсов (печатные платы и силовые компоненты), на которые не должна попадать вода. Принцип разделения внутренних объемов аппликатора приведен на фиг. 4. Разделение объемов достигнуто герметизированной установкой пьезоэлементов (5) (фиг. 3 и фиг. 4), использованием резьбовой заглушки (15) с прокладкой (16) для центрального отверстия и прокладки основания (11). Основание (2) притянуто к корпусу аппликатора (7) винтами (14) с шайбами (11) через прокладку основания (11). Мембрана (3) прижата к корпусу аппликатора (7) гайкой мембраны (13) с усилием, исключающем протечки воды из аппликатора.
В качестве среды распространения ударной волны внутри корпуса аппликатора (7) может быть использована силиконовая вставка вместо мембраны и воды. При этом гидросистема АУВТ не используется.
Решение с силиконом позволяет снизить цену и упростить конструкцию АУВТ в случае отсутствия необходимости плавной регулировки размеров пятна контакта.
Основные характеристики пьезоизлучателя (4) с указанием расположения точки предварительного фокусирования приведены на фиг. 5. В процессе работы точка фокуса может быть смещена относительно исходного положения выбором задержек управляющих импульсов.
Общее основание в виде сферического сегмента с плоскими площадками для размещения пьезоэлементов (5) выполнено из металла фрезерованием заготовки, полученной литьем.
Использование основания (2) в виде сферического сегмента позволяет обеспечить предварительное фокусирование пьезоизлучателя (4) аппликатора АУВТ, т.е. при отсутствии управления фазами (задержками) управляющих импульсов центр области фокуса находится в среднем положении, что обеспечивается сферической формой основания (2).
Управление геометрическими параметрами области фокуса аппликатора осуществляется выбором относительных задержек (фаз) управляющих электрических импульсов для каждого пьезоэлемента (5). Узел управления обеспечивает возможность независимого управления каждым пьезоэлементом (5) для получения максимально возможной гибкости управления и обеспечения индивидуальной диагностики состояния каждого пьезоэлемента (5).
Для повышения отдачи пьезоэлементов (5) они работают с использованием преднапряженного состояния, т.е. напряжение на их электродах в промежутках между импульсами напряжения не нулевое, а равно амплитуде управляющего электрического импульса, подаваемого при формировании ударной волны, но имеет противоположную полярность.
Пьезоэлектрический аппликатор работает следующим образом.
При кратковременной смене полярности на пьезоэлементах (5) происходит изменение геометрических размеров пьезоэлемента (5), что приводит к формированию ударной волны в среде распространения. Волны от отдельных пьезоэлементов (5) складываются в общую ударную волну, которая сходится в области фокуса. Положение фокуса в пространстве, его форма и размеры зависят от диаграммы направленности пьезоэлементов (5), их ориентации в пространстве и относительного сдвига по времени управляющего электрического импульса на электродах каждого пьезоэлемента (5) относительно импульсов на других пьезоэлементах (5). Управление геометрическими параметрами области фокуса ударной волны пьезоэлектрического аппликатора осуществляется путем управления относительными задержками электрических импульсов на электродах пьезоэлементов (5).