АППАРАТ ДЛЯ ТЕРАПИИ УЛЬТРАЗВУКОМ

Патентуемая полезная модель относится к медицине, а именно к физиотерапии. Разработанный аппарат для ультразвуковой терапии найдет эффективное применение при лечении широкого спектра заболеваний в условиях специализированных медицинских учреждений.
Известны различные по своей конструктивной реализации аппараты для ультразвуковой терапии.
Известен аппарат для ультразвуковой терапии УЗТ-1.01 Φ (см. ТУ 9444-014-11487910-2001, паспорт тА3.836.011 ПС, Комарова Л.А., Благовидова Л.А. Руководство по физическим методам лечения. - Л.: Медицина, 1983 г. - 264 с), содержащий блок питания, задающий генератор, усилитель мощности, два ультразвуковых излучателя и элементы управления.
Существенными недостатками приведенного аппарата являются:
- возможность работы только на одной частоте 0,88 мГц;
- использование ультразвуковых излучателей, у которых излучающая поверхность покрыта тонким защитным слоем, не выдерживающем механических нагрузок при эксплуатации и воздействия лекарственных средств при проведении процедуры фонофореза;
- отсутствие контроля состояния цепи ультразвукового излучателя;
- отсутствие взаимозаменяемости ультразвуковых излучателей, т.е. при замене излучателя требуется регулировка электронного блока;
- отсутствие регулировки интенсивности ультразвука в процессе проведения процедуры лечения;
- использование механического таймера и механических органов управления, что затрудняет проведения процедуры санобработки;
- значительные вес, габариты и потребляемая мощность.
Известен также аппарат УЗТ-13.01Ф МедТеко (см. ТУ 9444-009-56812193-2003, официальный сайт производителя www.medteco.ru), в котором реализован двухчастотный режим работы - на частоте 0,88 мГц и 2,64 мГц, введена функция контроля цепи излучателя, снижены габаритные размеры, вес и потребляемая мощность.
Существенными недостатками аппарата УЗТ-13.01Ф МедТеко являются отсутствие защиты излучающей поверхности ультразвукового излучателя, отсутствие возможности регулировки интенсивности ультразвука в процессе процедуры, что снижает эффективность применения настоящего аппарата в терапевтической практике. Кроме этого в аппарате отсутствует возможность проведения сочетанного воздействия ультразвука и электрического тока.
Из уровня техники известен ультразвуковой терапевтический аппарат (патент РФ №2086178; A61B 8/00), содержащий пьезоэлектрический фокусирующий излучатель ультразвука, выполненный в виде чаши и соединенный с генератором, выполненным с возможностью регулирования характеристик напряжения во время возбуждения, и установленный на контейнере с контактной жидкостью, поверхность аппликации которого выполнена в виде гибкой мембраны, размещенной на поверхности объекта воздействия. Пьезоэлемент фокусирующего излучателя ультразвука выполнен с постоянным фокусным расстоянием при переменной толщине. Отношение максимальной толщины пьезоэлемента к минимальной равно 1,01-1,15, а генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты выполнен с возможностью регулирования по частоте с отношением максимальной частоты к минимальной в диапазоне 1,01-1,15.
Существенным недостатком ультразвукового аппарата (патент №2086178) является отсутствие блока для контроля за акустическим контактом между излучателем и озвучиваемой частью тела, что не позволяет с требуемой точностью установить дозу ультразвукового воздействия.
Известен аппарат для ультразвуковой терапии (Авторское свидетельство №1149975; A61H 23/00), содержащий блок питания и подключенные к нему последовательно соединенные задающий генератор, модулятор, регулятор мощности, усилитель мощности, излучатель. Устройство управления соединено выходами с ультразвуковым задающим генератором и модулятором. Контроль акустического контакта возможен при изменении интенсивности.
Недостатком данного аппарата являются невысокая точность контроля контакта и сложность регулировки при серийном производстве аппаратуры или ее ремонте.
Известен также ультразвуковой терапевтический аппарат с контролем акустического контакта излучателя со средой (патент РФ №2139746; A61N 7/00).
Ультразвуковой терапевтический аппарат (патент РФ №2139746) содержит блок питания и подключенные к нему последовательно соединенные ультразвуковой задающий генератор, модулятор, усилитель мощности, излучатель, а также устройство управления, выходы которого соединены с ультразвуковым задающим генератором и модулятором. В прибор включены также последовательно соединенные генератор линейно возрастающего напряжения, компаратор, устройство выборки-хранения опорного сигнала, пороговое устройство и сигнализатор. Последовательно с излучателем включен измерительный резистор. Компаратор, устройство выборки-хранения и пороговое устройство вторыми входами подключены к делителю, образованному излучателем и измерительным резистором. Вход устройства управления соединен со вторым выходом порогового устройства.
Патентуемая схема аппарата позволяет осуществлять автоматический контроль акустического контакта излучателя со средой при любом уровне терапевтической выходной мощности, обеспечить правильную оценку дозы ультразвукового воздействия, а также предотвратить перегрев пластины пьезоизлучателя.
Анализ медицинской практики использования настоящего аппарата позволяет констатировать, что недостатком данного аппарата являются невысокая точность контроля акустического контакта со средой, что не позволяет с требуемой точностью установить дозу ультразвукового воздействия на пациента.
Известен аппарат для ультразвуковой терапии SONOPULSE III (официальный сайт производителя www.ibramed.com.br), наиболее близкий по технической сущности и конструктивной реализации к патентуемой полезной модели, и который принят в качестве прототипа.
Аппарат для ультразвуковой терапии SONOPULSE III содержит (фиг. 7 - структура блок-схемы получена путем анализа и изучения реального образца аппарата СОНОПУЛЬС III), импульсный блок питания 1, блок управления 2, блок визуализации и клавиатуры 3, блок задающего генератора 4, блок усилителя мощности 5 и ультразвуковой излучатель 6 с защитным металлическим кожухом 7.
Блок ультразвукового излучателя 6 содержит две излучающие пьезокерамические пластины. На лицевой панели расположен дисплей для индикации параметров воздействия и клавиши выбора режима работы и регулировки ультразвуковой мощности.
Аппарат позволяет проводить ультразвуковое воздействие на двух частотах - 1 мГц и 3,0 мГц. В аппарате предусмотрена возможность проведения процедуры сочетанного воздействия ультразвуком и электрическим током. Все параметры задаются на дисплее, в процессе проведения процедуры возможна регулировка интенсивности ультразвука. Аппарат имеет малый вес и габариты.
Проведенный заявителем анализ работоспособности терапевтического аппарата SONOPULSE III свидетельствует, что данный аппарат имеет ряд конструктивных недостатков, которые снижают эффективность его использования в медицинской практике и качество лечения.
В частности, в аппарате отсутствует система контроля акустического контакта рабочей части ультразвукового излучателя и поверхности тела пациента.
Практика использования ультразвуковых аппаратов для терапии показывает, что наличие такого контроля значительно повышает эффективность лечения и позволяет врачу контролировать ход процедуры.
В аппарате SONOPULSE III используется ультразвуковой излучатель, в котором пьезокерамический элемент закрыт алюминиевым защитным кожухом и имеющем малое акустическое сопротивлении. Однако, практика использования аппаратов для терапии ультразвуком предусматривает длительное нахождение излучателей в воде, а также воздействие лекарственных сред при проведении процедур фонофореза. Все это приводит к коррозии алюминиевого защитного кожуха и потере эксплуатационных и эргономических качеств.
Кроме того, в аппарате SONOPULSE III при необходимости изменить частоту воздействующего ультразвука требуется проведение определенной последовательности действий, в частности, медицинский работник должен на дисплее найти меню, выбрать в меню нужный параметр, подвести курсор, нажать клавишу. Использование подобного аппарата в медицинской практике позволяет констатировать, что необходимость проведения таких последовательных действий при изменении частоты воздействующего ультразвука может привести к непреднамеренным ошибкам медицинского персонала и в конечном итоге к снижению эффективности лечения, т.к. от выбранной частоты ультразвука зависит глубина его проникновения в ткани.
Техническая задача, на решение которой направлена патентуемая полезная модель, заключается в проведении процедуры терапии ультразвуком и обеспечения:
- возможности контроля акустического контакта ультразвукового излучателя с телом пациента и правильной оценки дозы ультразвукового воздействия;
- защиту ультразвукового излучателя от механических повреждений и от воздействия лекарственных сред;
- возможности автоматической установки частоты ультразвука в зависимости от типа, подключенного к электронному блоку ультразвукового излучателя и, соответственно, от методики лечения.
Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Аппарат для терапии ультразвуком, аналогичный аппарату SONOPULSE III, содержащий блок управления, который первой двунаправленной многоразрядной шиной подключен к многоразрядному входу блока питания, а своей второй двунаправленной многоразрядной шиной подключен к многоразрядному входу блока задающего генератора, первый и второй входы которого соединены соответственно со вторым и третьим выходом блока питания, первый выход которого соединен с третьим входом блока усилителя мощности, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом блока задающего генератора, при этом второй выход блока усилителя мощности соединен со вторым входом блока ультразвукового излучателя, который размещен в защитном металлическом корпусе, и который своим первым, вторым и третьим выходом соединен соответственно с первым, вторым и третьим входом блока управления, согласно патентуемой полезной модели, аппарат содержит блок контроля акустического контакта, первый выход которого, соединен с четвертым входом блока управления, второй выход соединен с первым входом блока ультразвукового излучателя, а вход соединен с первым выходом блока усилителя мощности.
Патентуемая полезная модель предусматривает, что защитный металлический корпус блока ультразвукового излучателя выполнен из листового титана, толщиной от 0,1 мм до 2,0 мм.
Согласно полезной модели, блок ультразвукового излучателя содержит блок кодирования, первый, второй и третий выходы которого являются соответственно первым, вторым и третьим выходом блока ультразвукового излучателя и пьезокерамический излучатель, первый и второй вход которого являются соответственно первым и вторым входом блока ультразвукового излучателя.
2
2
Полезная модель предусматривает, что пьезокерамический излучатель выполнен в виде дискового излучателя, площадь эффективной поверхности которого составляет от 0,1 см до 10 см.
Совокупность новых эффективных схемотехнических и конструктивных решений, реализованных в патентуемой полезной модели, позволяет получить следующий технический результат:
- обеспечить контроль акустического контакта ультразвукового излучателя с телом пациента, тем самым обеспечить правильную оценку дозы ультразвукового воздействия, что, соответственно, позволяет повысить качество и сократить сроки лечения пациентов;
- обеспечить защиту ультразвукового излучателя от механических повреждений и от воздействия лекарственных сред, тем самым существенно увеличить ресурс работы ультразвуковых излучателей;
- осуществить автоматическую установку и автоматический выбор частоты ультразвука в зависимости от типа подключенного к электронному блоку ультразвукового излучателя и, соответственно, от методики лечения, что позволяет исключить ошибки медицинского персонала при установке, или перемене заданных режимов работы аппарата;
- обеспечить надежность работы и высокую безопасность ультразвукового излучения и предотвращение возможности аллергических реакций за счет использования ультразвуковых излучателей с биосовместимой титановой контактной поверхностью.
Сущность патентуемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием и графическими материалами, на которых приведены:
Фиг. 1 - Блок-схема патентуемого аппарата для терапии ультразвуком;
Фиг. 2 - Блок управления 2;
Фиг. 3 - Блок задающего генератора 3;
Фиг. 4 - Блок контроля акустического контакта 4;
Фиг. 5 - Блок ультразвукового излучателя 6;
Фиг. 6 - Укрупненная блок-схема алгоритма работы аппарата.
Фиг. 7 - Блок-схема прототипа-аппарата SONOPULSE III.
Патентуемый аппарат для терапии ультразвуком (фиг. 1) содержит блок управления 2, который первой двунаправленной многоразрядной шиной подключен к многоразрядному входу блока питания 1, а своей второй двунаправленной многоразрядной шиной подключен к многоразрядному входу блока задающего генератора 3.
Первый и второй входы блока задающего генератора 3 соединены соответственно со вторым и третьим выходом блока питания 1. Первый выход блока питания 1 соединен с третьим входом блока усилителя мощности 5, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходом блока задающего генератора 3.
Второй выход блока усилителя мощности 5 соединен со вторым входом блока ультразвукового излучателя 6, который размещен в защитном металлическом корпусе 7. Полезная модель предусматривает, что защитный металлический корпус 7 блока ультразвукового излучателя 6 выполнен из титана.
Блок ультразвукового излучателя 6 своим первым, вторым и третьим выходом соединен соответственно с первым, вторым и третьим входом блока управления 2
Кардинальным отличием патентуемого терапевтического аппарата от известного прототипа является наличие блока контроля акустического контакта 4.
Первый выход блока контроля акустического контакта 4 соединен с четвертым входом блока управления 2, второй выход соединен с первым входом блока ультразвукового излучателя 6, а вход соединен с первым выходом блока усилителя мощности 5.
Блок питания 1 обеспечивает формирование напряжения питания требуемых номиналов. Блок питания 1 может быть выполнен на базе серийно выпускаемых импульсных высокочастотных преобразователей (см. Источники питания для электронной аппаратуры. Каталог ММП-ИРБИС, Изд. "ВаланГ", М., 1996 г.) и на базе импульсных регуляторов напряжения LM117/LM317 по схеме, представленной в руководстве по эксплуатации на сайте фирмы-изготовителя National Semiconductor Corporation www.national.com.
Блок управления 2 предназначен для задания всех управляющих сигналов, индикации уровня интенсивности ультразвука, режимов работы и содержит (фиг. 2) микроконтроллер 8, который первой двунаправленной многоразрядной шиной связан с блоком питания 1, второй двунаправленной многоразрядной шиной связан блоком задающего генератора 3, третьей двунаправленной многоразрядной шиной связан с блоком индикации и клавиатуры 9.
Первый, второй и третий входы микроконтроллера 8 связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока ультразвукового излучателя 6, а четвертый вход связан с первым выходом блока контроля акустического контакта 4.
Блок индикации и клавиатуры управления 9 предназначен для ввода управляющих сигналов, индикации режимов работы и индикации уровня выходной мощности аппарата.
Блок индикации и клавиатуры управления 9 может быть выполнен на индикаторах HDSP-5621G и АЛ307 или других аналогичных элементах по известной схеме (Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додека-XX», 2007, 528 с, ил.).
Микроконтроллер 8 обеспечивает реализацию алгоритма работы аппарата и может быть реализован на базе микроконтроллера ATmega128 (А.В. Евстифеев. Микроконтроллеры AVR семейства Mega, Руководство пользователя. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2007 г. - 592 с, а также руководство по эксплуатации фирмы - производителя Atmel www.atmel.com).
Полный программный продукт, содержащий алгоритм работы патентуемого аппарата и все необходимые логические и математические операции представлен в технической документации на данный аппарат. Укрупненная схема алгоритма работы представлена на фиг. 6
Блок задающего генератора 3 обеспечивает формирование высокочастотного напряжения синусоидальной формы и заданной формы и содержит (фиг. 3):
- задающий генератор 10 на частоту 0,88 мГц, вход которого, является вторым входом блока задающего генератора 3 и соединен со вторым выходом блока питания 1, а выход соединен с первым входом блока коммутации 12 и двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления 2;
- задающий генератор 11 на частоту 2,64 мГц, вход которого является первым входом блока задающего генератора 3 и соединен с третьим выходом блока питания 1, а выход соединен со вторым входом блока коммутации 12 и двунаправленной многоразрядной шиной соединен с блоком управления 2.
Блок коммутации 12 двунаправленной многразрядной шиной соединен с блоком управления 2, а первым и вторым выходами подключен соответственно к первому и второму входам усилителя мощности 5.
Задающие генераторы 10 и 11 обеспечивают формирование двух высокочастотных напряжений частотой соответственно 0,88 мГц и 2,54 мГц и могут быть реализованы на базе интегральных микросхем типа ТТЛШ и высокочастотных транзисторах типа BU406. («Полупроводниковая схемотехника», У. Титце, К. Шенк, - Москва, «МИР», 1983 г., с. 293-311. Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додека-XX», 2007, 528 с, ил.).
Блок коммутации 12 может быть выполнен на базе герконовых реле типа EDR101A0500 или электромеханических реле типа TRS5VD (см. Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додека-XX», 2007, 528 с, ил.).
Блок контроля акустического контакта 4 предназначен для съема информации о величине тока в цепи блока ультразвукового излучателя 6, его фильтрации, формировании и буферизации с последующей передачей сформированного сигнала на блок управления 2 для математической обработки и выделения признаков отсутствия акустического контакта с телом пациента.
Блок контроля акустического контакта 4 содержит (фиг. 4) блок анализа и формирования тока 13, выход которого является первым выходом блока контроля акустического контакта 4, а вход, которого соединен с первым выходом датчика тока 14, второй выход которого является вторым выходом блока контроля акустического контакта 4 и соединен с первым входом блока ультразвукового излучателя 6.
Вход датчика тока 14 является входом блока контроля акустического контакта 4 и соединен с первым выходом блока усилителя мощности 5.
В качестве датчика тока 14 может использоваться трансформатор тока или резистивный датчик. Варианты исполнения датчиков тока широко известны и описаны в литературе, (см. Б.З. Михлин «Высокочастотные емкостные и индуктивные датчики», Изд.: Госэнергоиздат, 1960 г., 75 с, Г.И. Волович «Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств», 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додека-XX», 2007, 528 с, ил.).
Блок анализа и формирования тока 13 может быть выполнен на элементах ТТЛШ-логики и LC-фильтрах. (см. «Полупроводниковая схемотехника», У. Титце, К. Шенк, - Москва, «МИР», 1983 г., с. 185-223, с. 276-288, а также «Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике». - Под. ред. Б.Н. Файзулаева, - М.: Радио и Связь, 1986 г., с. 69-150).
Блок усилителя мощности 5 предназначен для получения высокочастотного напряжения заданной формы, частоты и амплитуды для возбуждения ультразвукового излучателя и представляет собой генератор, выполненный на базе транзисторов типа BU406. по известной схемотехнике, описанной в книге «Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме» под. ред. проф. И.А. Попова, М., - Радио и связь, 1985 г., с. 31-64, с. 76-106.
Блок ультразвукового излучателя 6 предназначен для генерации ультразвуковых колебаний заданной частоты.
Блок ультразвукового излучателя 6 содержит (фиг. 5):
- блок кодирования 15, первый, второй и третий выходы которого являются соответственно первым, вторым и третьим выходом блока ультразвукового излучателя 6;
- пьезокерамический излучатель 16, первый и второй вход которого являются соответственно первым и вторым входом блока ультразвукового излучателя 6.
В качестве пьезокерамического излучателя 16 может использоваться дисковый излучатель, например, из керамики ЦТС-23 ОСТ 110444-87.
2
2
Согласно патентуемой полезной модели, площадь эффективной поверхности пьезокерамического излучателя составляет от 0,1 см до 10 см.
В качестве блока кодирования 15 может быть использован набор перемычек, включенных в заданной последовательности в зависимости от частоты блока ультразвукового излучателя 6.
В частности, блок кодирования 15 может быть реализован в виде двух перемычек, каждая из которых выполнена, например, в виде серийно выпускаемых джамперов типа MJ2C5 или в виде впаянного проводника между контактами. Все перемычки имеют один общий контакт.
Защитный металлический кожух 7 предназначен для защиты блока ультразвукового излучателя 6 от механических повреждений и от среды лекарственных препаратов. Представляет собой металлическую пластину из листового титана, толщиной от 0,1 мм до 2,0 мм, закрепленную всей плоскостью на излучающей поверхности пьезокерамического излучателя 16.
Следует отметить, что толщина пластины из листового титана более 2 мм требует значительного увеличения напряжения возбуждения пьезокерамического излучателя для получения требуемой мощности ультразвука, т.к. чем толще защитный кожух 7, тем больше его акустическое сопротивление, что обуславливает существенное снижение коэффициента полезного действия (кпд) и становится нецелесообразным.
Толщина пластины листового титана менее 0,1 мм обуславливает значительные технологические трудности при изготовлении.
Патентуемый аппарат для терапии ультразвуком работает следующим образом.
Перед началом работы выбирают необходимый ультразвуковой излучатель 6 и подключают к аппарату. При включении устройства в сеть на выходе блока питания 1 формируются все необходимые для питания аппарата напряжения. Блок управления 2 анализирует какой тип ультразвукового излучателя 6 подключен к аппарату и выдает команду на блок задающего генератора 3 для формирования соответствующей частоты возбуждения блока ультразвукового излучателя 6.
При поступлении с блока индикации и клавиатуры 9 команды о начале процедуры, блок питания 1 подает на блок усилителя мощности 5 и на блок задающего генератора 3 соответствующие уровни питания. Высокочастотное напряжение с блока усилителя мощности 5 поступает через блок контроля акустического контакта 4 на блок ультразвукового излучателя 6, при этом уровень напряжения регулируется блоком управления 2 в зависимости от команд, поступающих с блока индикации и клавиатуры 9.
В процессе работы аппарата блок контроля акустического контакта 4 постоянно выдает на блок управления 2 сигнал о форме и уровне тока в цепи возбуждения блока ультразвукового излучателя 6. При этом блок управления 2 проводит математическую обработку полученного сигнала и при обнаружении признаков нарушения акустического контакта выдает команду на отключение генерации и формирование предупреждающего сигнала на блоке индикации и клавиатуры 9.
Значительным достоинством патентуемого ультразвукового аппарата является реализованная возможность работы блока ультразвукового излучателя 6 в любых лекарственных средах и в воде, благодаря химической инертности титана, из которого выполнен защитный кожух, и его высокой механической прочности.
Проведенные тестовые испытания опытного образца разработанного аппарата для терапии ультразвуком, выполненного по патентуемой схемотехнике, подтвердили, его несомненные технические и эксплуатационные преимущества, по сравнению с известными аппаратами аналогичного назначения. Так, патентуемый аппарат:
- обеспечивает контроль акустического контакта ультразвукового излучателя с телом пациента, что позволяет обеспечить правильную оценку дозы ультразвукового воздействия, и, соответственно, позволяет повысить качество и сократить сроки лечения пациентов;
- обеспечивает защиту ультразвукового излучателя от механических повреждений и от воздействия лекарственных сред, что позволяет существенно увеличить ресурс работы ультразвуковых излучателей;
- обеспечивает автоматическую установку и автоматический выбор частоты ультразвукового излучателя в зависимости от типа подключенного к электронному блоку ультразвукового излучателя и, соответственно, от методики лечения, что позволяет исключить возможные ошибки медицинского персонала при установке, или перемене заданных режимов работы аппарата;
- обеспечить надежность работы и высокую безопасность ультразвукового излучения и предотвращение возможности аллергических реакций за счет использования ультразвуковых излучателей с биосовместимой титановой контактной поверхностью.