Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Принципи побудови і робота установок ультразвукової діагностики. Ехотомоскоп: регламент наладки та обслуговування
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний технічний університет України Київський політехнічний інститут
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Лабораторна робота
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2
з дисципліни «Акустичні медичні прилади »
Принципи побудови і робота установок ультразвукової діагностики. Ехотомоскоп: регламент наладки та обслуговування
Група _____
Студент____________
Викладач_______________.
Київ-2009
Розробка та розрахунок схеми акустичного тракту
1.1. Фізична модель та еквівалентна схема
Акустичний тракт – це шлях ультразвукової (УЗ) хвилі від випромінюючого перетворювача до перетворювача-приймача. У цей тракт включаються і власні перетворювачі – їх механічна сторона.
При дослідженні м’язів у схемі слід врахувати такі шари (середовища, в яких відбувається заломлення УЗ коливань):
- шкіра;
- жировий прошарок;
- м’язова тканина;
Рис.1. Фізична модель
При цьому ми знехтуємо заломленнями, обумовленими проходженням ультразвуку через контактний провід, безпосередньо приєднаний до п’єзоелемента , протектор, нижню частину корпусу, оскільки товщина вище перелічених елементів дуже мала і заломлення незначне. Також у розрахунку не враховується заломлення УЗ хвиль при проходженні їх через контактне середовище. Це пов’язане з тим, що контактна рідина відбирається з міркувань якнайменшого заломлення ультразвуку в ній.
Еквівалентна схема акустичного тракту має такий вигляд:
Рис.2. Схема акустичного тракту
На рисунку:
hi – товщини шарів;
zi – імпеданси шарів;
TIi – коефіцієнти проходження по інтенсивності;
RPi – коефіцієнти відбиття по тиску.
1.2. Вибір і обґрунтування робочої частоти
Вибір робочої частоти перетворювача визначається фундаментальними фізичними чинниками. Кінцеве значення діаметру перетворювача обумовлює наявність дифракційного розподілу інтенсивності ультразвукової хвилі по аналогії з апертурною дифракцією в оптиці. В області ближнього поля пучок має практично циліндричну форму, відповідну геометрії випромінювача, і його розширення мале. Проте розподіл інтенсивності в пучку неоднорідний, оскільки тут виникають численні інтерференційні максимуми і мінімуми. В області дальнього поля пучок розходиться, причому інтенсивність УЗ хвилі в пучку змінюється обернено пропорційно до квадрата відстані від перетворювача. Ефект розбігу пучка погіршує просторову роздільну здатність, тому область дальнього поля використовувати не рекомендується.
Як відомо, для контролю на невеликій глибині застосовуються високочастотні п’єзоперетворювачі. Це забезпечує більш високу роздільну здатність перетворювача. Роздільна здатність характеризується мінімальною відстанню між об’єктами, коли їх може бути розрізнено розділити. Це означає, що при застосування більш високої частоти можливе розрізнення найдрібніших структур та відбиття ультразвуку від них. Однак одночасно з цим знижується проникаюча здатність УЗ коливань.
Для даного дослідження доцільно використовувати п’єзоперетворювач з частотою 4МГц.
Глибина дослідження 5 см.
1.3. Розрахунок кутів падіння при проходженні ультразвуку через різні біологічні шари
Еквівалентна схема акустичного тракту не враховує заломлень УЗ хвиль на межі розподілу двох середовищ.
За законом Снеліуса розраховуємо кути Ө, під якими УЗ хвилі вводяться у кожний з шарів схеми акустичного тракту.
Для розрахунку буде використано наступні дані:
Таблиця 1
Значення швидкості ультразвуку в залежності від біологічного середовища
Середовище
Значення швидкості ультразвуку, м/с
Шкіра
1638
Жировий шар (підшкірна клітчата)
1484
М’язи
1585
Стінки судин
1638
Кров
1650
Таким чином, оскільки місце контакту з біологічною тканиною та поширення ультразвуку здійснюється приблизно під кутом 45°, кут падіння на межу розподілу поверхні перетворювача і шкіри (без врахування контактної рідини) складає Ө1 = 45°.
В даному прикладі проводимо розрахунки для трьох меж, з можливістю прогнозування ще на четвертий та п’ятий прошарки ( судини та кров), а саме:
Межа перетворювач – шкіра
Кут падіння на межу: Ө1 = 45°.
При переході УЗ коливань з перетворювача до шару шкіри не відбувається його заломлення.
Тобто : Өшкіри=45°.
Межа шкіра – жировий прошарок
Кут падіння на межу: Өшкіри=45°.
де Сшкіри – швидкість ультразвуку у шкірі, Сжир.прошар. – швидкість ультразвуку у жировому прошарку; Өшкіри і Өжир.прошар. – умовне позначення кутів відхилення ультразвуку від уявної осі перетворювача до заломлення (у шкірі) і після заломлення (у жировому прошарку) відповідно.
Ө2 = 39,8°.
Межа жировий прошарок – м’язовий прошарок
Кут падіння на межу:
Өжир.прошар.=39,8°.
Аналогічно до попередніх розрахунків визначаємо кут Ө4 (або Өм’язов.прошар.) – кут, під яким хвиля виходить із шару підшкірної клітчатки, падає на наступну межу:
Ө3 = 43,17°.
Таким чином, ми отримали наступні значення кутів падіння на межі розподілу двох середовищ:
Межа
Кут падіння ультразвуку
Первинний перетворювач – шкіра
Ө1 = 45°
Шкіра – жировий прошарок
Ө2 = 39,8°
Жировий прошарок – м’язовий прошарок
Ө3 = 43,17°
1.4. Розрахунок імпедансу
ультразвукового перетворювача та складових біологічної тканини
ZЦТС = ρс = 3,5*103*7,45*103 = 26,08*106 кг/м2с;
Zводи = ρс = 1,5*103*103 = 1,5*106 кг/м2с;
Zшкіри = ρс =1,85 кг/м2с;
Zжир.прошар. = ρс = 1,4 кг/м2с;
Zм’язов.прошар. = ρс = 1,7 кг/м2с.
1.5. Розрахунок коефіцієнту проходження по інтенсивності
1.6. Конструкція первинного перетворювача
П’єзоелектричний елемент вибраного профілю (плоский круглий п’єзоелемент) виготовляється з п’єзоелектричної кераміки – ЦТС-19 (цирконат-титанат свинцю у відповідному відсотковому співвідношенні). На передню і задню поверхні елемента наносяться провідні електроди із срібла, після чого він поляризується по товщині у постійному електричному полі. Поляризований п’єзоелектричний елемент набуває здатності змінювати свою товщину пропорційно електричній напрузі , що подається на його електроди. Та навпаки, при механічній деформації п’єзоелемента по товщині на електродах виникає відповідна різниця потенціалів. Швидкість звуку у ЦТС складає приблизно 3600 м/с; при цьому товщина п’єзоелемента, що відповідає його резонансу на частоті f, визначається як 2/f. Для підвищення механічної стійкості та поглинання випромінюючого елемента застосовується так званий акустичний демпфер. Акустична енергія, що випромінюється у демпфер, повинна повністю поглинатись, і акустичні хвилі від торця демпфера не повинні відбиватись у зворотньому напрямку до випромінюючого елемента. Для виконання таких вимог використовують пластифіковану епоксидну смолу з наповнювачем із вольфрамового порошку. В такому випадку хвильовий опір (імпеданс) демпфера буде приблизно у 2 рази менше опору випромінюючого елемента:
;
Корпус перетворювача має бути екранований по електромагнітному випромінюванні і акустично розв'язаний від випромінюючого елемента. Інакше динамічний діапазон перетворювача буде знижуватись під впливом електричних завад або виникненню ефекту так званого акустичного "дзвону". Для цієї мети можна використати пластмасовий корпус з екрануючим шаром або металевий корпус з акустичною ізоляцією від випромінюючого елемента.
Потім отриману суцільну конструкцію, розміщену у корпусі, заливають демпферуючою речовиною.
1.7. Розрахунок геометричних розмірів п’єзоелемента
У даному випадку розрахунок розмірів п'єзоелементу виконаємо для форми циліндра. Для розрахунків використані наступні довідникові дані:
швидкість розповсюдження ультразвуку у п'єзоелементі: Спэ= Сцтс=3600 м/с,
товщини шарів, що проходять УЗ коливання:
hшкіри=0,28*10-2 м;
hжир.прошар. = 0,65*10-2 м;
hм’язов.прошар. =1,42*10-2 м;
hстін.судин=0,06*10-2 м;
hкрові=0,53*10-2 м(внутрішній діаметр судини);
Визначимо товщину для дискового п'єзоелемента.
Для досягнення резонансу на частоті f, f - робоча частота перетворювача, товщина п'езоелемента має бути:
; (1.1)
Робоча частота перетворювача у даному випадку дорівнює 4 МГц. Тому товщина п'єзопластини, що використовується для контролю, має бути:
=0,4*10-3 (м).
Розрахуємо диаметр d п'езоелемента, виходячи із значення rбл радіусу ближньої зони, у якій проводиться контроль
, (1.2)
де λсер - середнє значення довжин хвилі у шкірі (λшкіри), жировому прошарку (λжир.прошар.), м’язовий прошарок (λм’язов.прошар), стінках судин (λстін.судин), крові (λкрові),
, (1.3)
Щоб обчислити λсер, визначимо значення вказаних довжин хвиль за таким співвідношенням:
, (1.4)
де сі - швидкість ультразвуку в і-тому середовищі;
f - робоча частота,
=409,5*10-6(м);
=371*10-6(м);
=396*10-6(м);
=409,5*10-6(м);
=412,5*10-6(м);
Тоді: =399,7*10-6 (м).
Радіус ближньої зони має бути таким, щоб зона вимірювань не виходила за його межі.
Обчислимо максимальну глибину проведення контролю:
hmax =hшкіри +hжир.прошар. +hмязов.прошар. +hстін.судин +hкрові = =(0,2+0,65+1,42+0,06+0,53)*10-2=2,94*10-2 (м)
Обираючи rбл - 5 см (5*10-2 м), ми забезпечуємо проведення контрольних вимірювань у ближній зоні, тобто таке значення радіуса ближньої зони є достатнім.
Таким чином, знаючи rбл і λсер ми можемо визначити діаметр пластини перетворювача:
d= = =4,47*10-3 (м). (1.5)
Розрахуємо площу п'єзоелемента S0:
S0== 15,696*10-6 (м2)
1.8. Розрахунок коефіцієнту послаблення акустичного тракту
Формула розрахунку має вигляд
ew=,
де
Scep=0,01 мм2- площа еритроцита;
hi-товщина шарів;
αі-коефіцієнт згасання;
z=ρi*ci
RРос.суд-кров== -0,04,
RРос.суд-кров- коефіцієнт відбиття по тиску.
1.9 Розрахунок товщини шарів, де проходить ультразвук
Загальна формула для знаходження товщини шару
hi=h’i/cosαi , де
h’i - товщина і-ої кулі;
αi- кут, під яким падає ультразвук в і-тому шарі;
h1 = 0.28 см - шкіра;
h2 = 0.65 см — жирова тканина;
h3 = 1.42 см—м'язова тканина;
h4 = 0.06 см - стінка судина:
h5 = 0.53 см -внутрішній діаметр судини;
hсум = h1+h2+h3+h4+h5;
hсум =0.28 + 0.65+ 1.42+ 0.06+0.53= 2.94*10-2 (м);
Візьмемо коефіцієнти згасання з таблиці;
αр1= 400*10-3 Нп/м ;
αр2= 69*10-3 Нп/м;
αр3= 90і*10-3 Нп/м ;
αр4=322.6*10-3 Нп/м ;
αр5=8,3*10-3 Нп/м;
Визначимо коефіцієнт проходження по інтенсивності:
Т1 = Т11 * Т12 *Т13 *Т14 = 0,248 * 0,968 * 0,985 * 0, 998 = 0,235
Ка.т. = (0,001* 15,696 * 0,235 * 0,04)/ (3,99*2,94) * еw
ew= e-2* 0.001 * ( 0.06 * 322.60 + 0.53 * 8.3 + 0.28 * 400 + 0.65 * 69+ 1.42 * 90) =
= e-0.61681= 0.540
Ка.т.=6.77*10-5.
1. 10. Залежність коефіцієнту акустичного тракту від глибини проникнення Ка.т.(h)
Ка.т. =(Sср*S перетв *T11* T12 * T13*T14* Rp ) / λсер *(h1 + h2 + h3 +h4 +h5) *ew
>>h = 0.5::0.001:3;
>> k = (0.000000307/(2.41+h))* exp(-2*0.001*(303.356+8.3*h));
>> plot (h, k, ‘k’);
Рис. 3. Залежність коефіцієнту згасання акустичного тракту від глибини проникнення
1.11. Розрахунок просвітлюючого шару
В якості просвітлюючого шару в конструкції датчика буде використано протектор, який водночас захищає пластину п’єзоперетворювача від стирання.
Zводи = 1,5*106 ( кг/м2*с))
ZЦТС = 23,76 * 106 ( кг/м2*с))
ZПП=√ ZЦТС + Zводи = 6,25*106 кг/м2*с;
Такий імпеданс має магній тягнутий відпалений. Тому просвітлюючий шар вибираємо з цього матеріалу. Товщина шару:
λшару = Сшару/f = 1,44*10-3(м).
Hшару = λшару/4 = 0,36*10-3 (м).
1.12. Розрахунок демпфера
Розрахунок геометричних розмірів демпфера проводиться за наступної формули:
e-2αph <0.01 (1.6)
hmax =(ln(0.01))/ (-2αp) (1.7)
h = (ln(0.01)/(-2*0.22) = 10,46 (мм)
Задамо максимальну висоту для демпфера рівною 11мм, тоді мінімальна висота його буде дорівнювати 11/2=5,5 (мм).
1.13. Розрахунок напруги випромінювача
Значення напруги датчика розраховується з урахуванням сигналів випромінювання та сприйняття відбитих ехосигналів
Uп =Uв *Кат * Кппв
Uп – приймальна напруга;
Uв - напруга випромінювання;
Кат – коефіцієнт акустичного тракту;
Кппв (для ЦТС) – 0,2-0,4;
Uп/ Uш >5;
Uп = 500*10-6В;
Uш = 5*10-6В;
Кат = 6,77*10-5
Uв = (Uп)/( Кат* Кппв) = (500*10-6)/(6,77*10-5 *0,4)=18,5В
Таким чином розрахункове значення напруги випромінювання ультразвукового перетворювача складає 18,5 В.
17.03.2013 15:03-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора