RU2159645C2

RU2159645C2 - Ultrasonic therapy apparatus

Info

Publication number: RU2159645C2
Application number: RU99104609A
Authority: RU
Inventors: Н.П. Корнев; В.А. Несов; В.Н. Соломаха; В.А. Юдин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "МЕДЭЛ"
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: medical engineering. SUBSTANCE: apparatus has master oscillator connected to modulator, modulating oscillator, power amplifier, radiator, controlled signal sensor, voltage regulator incorporating error signal amplifier with reference-voltage supply and adjusting member, and feedback signal shaper. The latter has rectifier connected to noninverting amplifier, capacitor, and resistor forming RC circuit through storage capacitor and to isolating diode. EFFECT: improved effectiveness of treatment in continuous and intermittent modes of ultrasonic radiation. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ультразвуковой терапии. The invention relates to medical equipment and can be used in ultrasound therapy.

Известно устройство для ультразвуковой терапии, содержащее задающий генератор, соединенный с усилителем мощности, электроакустический преобразователь (излучатель), датчик регулируемого сигнала, соединенный через демодулятор с первым компаратором и дифференциатором, выход которого подключен ко входу второго компаратора, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, электронно-механический ключ и запоминающую ячейку, выход которой подключен к задающему генератору; при этом датчик регулируемого сигнала включен между усилителем мощности и электроакустическим преобразователем, а выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к первому и второму входам электронно-механического ключа (SU 1393409, A, 1988). A device for ultrasonic therapy is known, which contains a master oscillator connected to a power amplifier, an electro-acoustic transducer (emitter), an adjustable signal sensor connected through a demodulator to the first comparator and differentiator, the output of which is connected to the input of the second comparator, the sawtooth voltage generator, electronically connected in series a mechanical key and a storage cell, the output of which is connected to a master oscillator; the adjustable signal sensor is connected between the power amplifier and the electro-acoustic transducer, and the outputs of the first and second comparators are connected respectively to the first and second inputs of the electronic-mechanical key (SU 1393409, A, 1988).

Устройство осуществляет стабилизацию механических колебаний электроакустического преобразователя за счет поиска и поддержания резонансной частоты при воздействии таких дестабилизирующих факторов как технологический разброс параметров электроакустических преобразователей, изменение напряжения питания, температуры и характера нагрузки. The device stabilizes the mechanical vibrations of the electro-acoustic transducer by searching and maintaining the resonant frequency under the influence of such destabilizing factors as the technological spread of the parameters of the electro-acoustic transducers, changing the supply voltage, temperature and the nature of the load.

Недостатком известного устройства является неравномерность ультразвуковых колебаний как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы излучателя, обусловленная наличием временного интервала поиска резонансной частоты. Неравномерность ультразвуковых колебаний проявляется в изменении их параметров (амплитуда, частота, мощность) и приводит либо к недопустимым уровням их интенсивностей, превышающим граничные значения в ультразвуковой терапии (1,5 - 2 Вт/см), либо к недостаточной эффективности лечения, когда доза облучения оказывается меньше или больше заданной. A disadvantage of the known device is the unevenness of ultrasonic vibrations in both continuous and pulsed modes of the emitter, due to the presence of a time interval for the search of the resonant frequency. The unevenness of ultrasonic vibrations manifests itself in a change in their parameters (amplitude, frequency, power) and leads either to unacceptable levels of their intensities that exceed the boundary values in ultrasound therapy (1.5 - 2 W / cm), or to insufficient treatment efficiency when the radiation dose It turns out less or more than the given.

Ближайшим техническим решением к заявляемому является устройство для ультразвуковой терапии, содержащее задающий генератор, подсоединенный к первому входу модулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующих колебаний, усилитель мощности, вход которого подсоединен к выходу модулятора, а выход соединен с излучателем, и регулятор, стабилизирующий напряжение питания усилителя мощности (Медицинская техника, N3, 1980, с. 29-32). The closest technical solution to the claimed is a device for ultrasonic therapy, containing a master oscillator connected to the first input of the modulator, the second input of which is connected to the output of the modulating oscillator, a power amplifier, the input of which is connected to the output of the modulator, and the output is connected to the emitter, and a regulator, stabilizing the voltage of the power amplifier (Medical equipment, N3, 1980, S. 29-32).

Регулятор содержит усилитель сигнала рассогласования, на входы которого поступают сигналы с датчика регулируемого сигнала и источника опорного напряжения, и регулирующий элемент, вход которого соединен с выходом усилителя сигнала рассогласования. Известное устройство работает следующим образом. Высокочастотные колебания с выхода задающего генератора и низкочастотные импульсы с выхода генератора модулирующих колебаний поступают соответственно на первый и второй входы модулятора, на выходе которого формируются пачки импульсов ультразвуковой частоты. Эти пачки импульсов усиливаются усилителем мощности и поступают на вход излучателя. Напряжение питания усилителя мощности стабилизируется путем воздействия на регулирующий элемент усиленного сигнала рассогласования напряжений, поступающих на входы усилителя сигнала рассогласования с датчика регулируемого сигнала и источника опорного напряжения. The controller contains a mismatch signal amplifier, the inputs of which receive signals from an adjustable signal sensor and a reference voltage source, and a control element, the input of which is connected to the output of the mismatch signal amplifier. The known device operates as follows. High-frequency oscillations from the output of the master oscillator and low-frequency pulses from the output of the modulating-oscillator generator are respectively supplied to the first and second inputs of the modulator, at the output of which pulse packets of ultrasonic frequency are formed. These bursts of pulses are amplified by a power amplifier and fed to the input of the emitter. The supply voltage of the power amplifier is stabilized by exposing the regulating element to an amplified error signal of voltages supplied to the inputs of the amplifier of the error signal from the adjustable signal sensor and the reference voltage source.

Недостатком известного устройства является неравномерность ультразвуковых колебаний как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы излучателя, обусловленная тем, что регулятор реагирует только на изменения питающего напряжения и нечувствителен к воздействию таких дестабилизирующих факторов, как технологический разброс параметров электроакустических преобразователей, изменение температуры и характера нагрузки. A disadvantage of the known device is the unevenness of ultrasonic vibrations both in continuous and in pulsed operation modes of the emitter, due to the fact that the regulator responds only to changes in the supply voltage and is insensitive to the influence of such destabilizing factors as the technological variation of the parameters of electro-acoustic transducers, temperature and the nature of the load .

Задача, решаемая изобретением - повышение равномерности ультразвуковых колебаний в непрерывном и импульсном режимах работы излучателя за счет соответствующей организации цепи обратной связи регулятора напряжения питания усилителя мощности. The problem solved by the invention is to increase the uniformity of ultrasonic vibrations in continuous and pulsed modes of the emitter due to the appropriate organization of the feedback circuit of the voltage regulator of the power amplifier.

Указанная задача решается тем, что устройство для ультразвуковой терапии, содержащее задающий генератор, соединенный выходом с первым входом модулятора, второй вход которого подключен к выходу генератора модулирующих колебаний, а выход связан с первым входом усилителя мощности, излучатель, регулятор напряжения, включающий усилитель сигнала рассогласования, первый вход которого связан с источником опорного напряжения, а выход подсоединен к входу регулирующего элемента, выходом соединенного со вторым входом усилителя мощности, и датчик регулируемого сигнала, снабжено формирователем сигнала обратной связи, включающим выпрямитель, выход которого подключен к первому выводу запоминающего конденсатора, входу неинвертирующего усилителя и аноду разделительного диода, и электронный ключ, первый вход которого связан с катодом разделительного диода, второй вход - с выходом неинвертирующего усилителя, вход управления соединен с выходом генератора модулирующих колебаний, а выход соединен с первым выводом RC-цепочки и вторым входом усилителя сигнала рассогласования, при этом датчик регулируемого сигнала соединен входом с выходом усилителя мощности, первым выходом - с излучателем и вторым выходом - с входом выпрямителя, а вторые выводы запоминающего конденсатора и RC-цепочки подсоединены к общей шине. This problem is solved in that the device for ultrasonic therapy, containing a master oscillator connected by an output to the first input of the modulator, the second input of which is connected to the output of the modulating oscillator, and the output is connected to the first input of the power amplifier, emitter, voltage regulator, including a mismatch signal amplifier , the first input of which is connected to the reference voltage source, and the output is connected to the input of the regulatory element, the output connected to the second input of the power amplifier, and sensors the adjustable signal, is equipped with a feedback signal shaper, including a rectifier, the output of which is connected to the first output of the storage capacitor, the input of the non-inverting amplifier and the anode of the separation diode, and an electronic key, the first input of which is connected to the cathode of the separation diode, the second input - with the output of the non-inverting amplifier, the control input is connected to the output of the modulating oscillation generator, and the output is connected to the first output of the RC circuit and the second input of the error signal amplifier, while tchik controlled input signal is connected with output of the power amplifier, the first output - with an emitter and the second output - to an input of the rectifier, and second terminals of the storage capacitor and RC-chain connected to a common bus.

Сущность заявляемого изобретения заключается в стабилизации электрического сигнала на входе излучателя путем регулирования напряжения питания усилителя мощности при непрерывном и импульсном характере сигнала обратной связи. The essence of the claimed invention is to stabilize the electrical signal at the input of the emitter by regulating the supply voltage of the power amplifier with a continuous and pulsed nature of the feedback signal.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом и эпюрами сигналов на входе излучателя. The invention is illustrated in the drawing and diagrams of the signals at the input of the emitter.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для ультразвуковой терапии, на фиг.2 - эпюры сигналов на входе излучателя в различных режимах работы формирователя сигнала обратной связи. In FIG. 1 shows a functional diagram of a device for ultrasonic therapy, figure 2 - plot signals at the input of the emitter in various modes of operation of the shaper feedback signal.

Устройство для ультразвуковой терапии включает задающий генератор ультразвуковой частоты 1, соединенный с первым входом модулятора 2, генератор модулирующих колебаний 3, соединенный со вторым входом модулятора 2, усилитель мощности 4, вход которого соединен с выходом модулятора 2, излучатель 5, вход которого через датчик регулируемого сигнала 6 подключен к выходу усилителя мощности 4, регулятор напряжения питания усилителя мощности 7, содержащий усилитель сигнала рассогласования 8, первый вход которого подсоединен к выходу источника опорного напряжения 9, регулирующий элемент 10, и управляемый генератором модулирующих колебаний 3 формирователь сигнала обратной связи 11, выход которого соединен со вторым входом усилителя сигнала рассогласования 8. The device for ultrasonic therapy includes a master oscillator of ultrasonic frequency 1 connected to the first input of modulator 2, a modulating oscillator 3 connected to the second input of modulator 2, a power amplifier 4, the input of which is connected to the output of modulator 2, the emitter 5, the input of which is through an adjustable sensor signal 6 is connected to the output of the power amplifier 4, the voltage regulator of the power amplifier 7, containing the amplifier of the error signal 8, the first input of which is connected to the output of the reference source voltage 9, the regulating element 10, and controlled by the generator of modulating oscillations 3, the driver of the feedback signal 11, the output of which is connected to the second input of the amplifier of the error signal 8.

Формирователь сигнала обратной связи 11 содержит выпрямитель 12 сигнала обратной связи, выход которого соединен со входом неинвертирующего усилителя 13, запоминающим конденсатором 14 и разделительным диодом 15, и электронный аналоговый ключ 16, на входы которого поступают сигналы с выходов неинвертирующего усилителя 13 и разделительного диода 15, а выход, являющийся выходом формирователя обратной связи 11, соединен с конденсатором 18 и разрядным резистором 17. Ключ 16 управляется сигналом с выхода генератора модулирующих колебаний 3. The feedback signal generator 11 comprises a feedback signal rectifier 12, the output of which is connected to the input of the non-inverting amplifier 13, the storage capacitor 14 and the isolation diode 15, and an electronic analog switch 16, the inputs of which receive signals from the outputs of the non-inverting amplifier 13 and the isolation diode 15, and the output, which is the output of the feedback former 11, is connected to the capacitor 18 and the discharge resistor 17. The key 16 is controlled by the signal from the output of the modulating oscillation generator 3.

Устройство для ультразвуковой терапии работает следующим образом. Высокочастотные колебания с выхода задающего генератора 1 и импульсы низкой частоты с выхода генератора модулирующих колебаний 3 поступают на первый и второй входы модулятора 2 соответственно. На выходе модулятора 2 формируются пачки импульсов ультразвуковой частоты. Эти сигналы усиливаются в усилителе мощности 4 до необходимого уровня, определяемого напряжением задания U_зад, вырабатываемым источником опорного напряжения 9, и через датчик регулируемого сигнала 6 поступают на вход излучателя 5. С выхода датчика регулируемого сигнала 6 напряжение обратной связи через формирователь сигнала обратной связи 11 поступает на второй вход усилителя сигнала рассогласования 8 регулятора напряжения 7. Работой формирователя сигнала обратной связи 11 управляет генератор модулирующих колебаний 3. В зависимости от уровней сигналов обратной связи U_ос и задания U_зад, которое подается на первый вход усилителя сигнала рассогласования 8, регулирующий элемент 10 изменяет напряжение питания усилителя мощности 4 таким образом, чтобы величина сигнала U_и на входе излучателя 5 оставалась постоянной.A device for ultrasound therapy works as follows. High-frequency oscillations from the output of the master oscillator 1 and low-frequency pulses from the output of the modulating oscillator 3 are supplied to the first and second inputs of modulator 2, respectively. At the output of modulator 2, pulses of ultrasonic frequency pulses are formed. These signals are amplified in the power amplifier 4 to the required level determined by the reference voltage U _back generated by the reference voltage source 9, and through the adjustable signal sensor 6 are fed to the input of the emitter 5. From the output of the adjustable signal sensor 6, the feedback voltage through the feedback signal shaper 11 goes to the second input of the amplifier of the error signal 8 of the voltage regulator 7. The operation of the driver of the feedback signal 11 is controlled by a generator of modulating oscillations 3. Depending on ur vney feedback signal U _a and U _bottom job that is provided to a first input of the amplifier error signal 8, the control element 10 changes the supply voltage of power amplifier 4 so that the magnitude of the signal U _and the radiator at the inlet 5 remains constant.

При непрерывном и импульсном сигналах, снимаемых с датчика регулируемого сигнала (при непрерывном и импульсном режимах озвучивания соответственно), формирователь сигнала обратной связи работает следующим образом. With continuous and pulsed signals taken from the adjustable signal sensor (with continuous and pulsed sound modes, respectively), the feedback signal shaper operates as follows.

В непрерывном режиме работы ключ 16 находится в положении 1. При этом сигнал с датчика регулируемого сигнала 6 выпрямляется выпрямителем 12, сглаживается конденсаторами 14, 16 и через открытый разделительный диод 15 и контакты ключа 16 поступает на второй вход усилителя сигнала рассогласования 8. Параметры элементов 14, 18, 17 выбираются из условия обеспечения необходимого быстродействия. При увеличении (уменьшении) сигнала U_и на входе излучателя 5 величина U_ос увеличивается (уменьшается) и регулятор 7 уменьшает (увеличивает) напряжение питания усилителя мощности 4 так, чтобы сигнал U_и остался без изменения.In continuous operation, the key 16 is in position 1. At the same time, the signal from the adjustable signal sensor 6 is rectified by a rectifier 12, smoothed by capacitors 14, 16 and through the open diode 15 and the contacts of the key 16 are fed to the second input of the error signal amplifier 8. Elements 14 , 18, 17 are selected from the conditions for ensuring the necessary speed. By increasing (decreasing) the signal U _and the inlet of the radiator 5 U _oc value increases (decreases) and the controller 7 reduces (increases) the power supply voltage of power amplifier 4 so that the signal U _and remained unchanged.

При импульсном режиме работы и том же положении ключа 16 (положение 1) в нерабочем интервале времени t₁ - t₂ (см. фиг. 2,а) сигнал обратной связи U_ос на втором входе усилителя сигнала рассогласования 8 будет равен нулю и регулятор 7 поднимает напряжение питания усилителя мощности 4 до максимально возможной величины. Таким образом, в начале рабочего периода времени t₂ сигнал U_и на входе излучателя 5 будет иметь максимальное значение. Это приведет к резкому возрастанию интенсивности ультразвуковых колебаний излучателя 5, которая может в несколько раз превысить граничную (2 Вт/см²), что в ультразвуковой терапии недопустимо.When the pulse mode of operation and the same position of the key 16 (position 1) in a non-working time interval t ₁ - t ₂ (see Fig. 2, a) feedback signal U _OS at the second input of the amplifier of the error signal 8 will be zero and the regulator 7 raises the supply voltage of the power amplifier 4 to the maximum possible value. Thus, at the beginning of the working period of time t _{2 the} signal U _and at the input of the emitter 5 will have a maximum value. This will lead to a sharp increase in the intensity of ultrasonic vibrations of the emitter 5, which can several times exceed the boundary (2 W / cm ² ), which is unacceptable in ultrasound therapy.

Для устранения нежелательных всплесков сигнала U_и при импульсном режиме работы в момент времени t₁ окончания рабочего периода по сигналу генератора модулирующих колебаний 3 ключ 16 переходит в положение 2 и сигнал U_ос снимается с выхода неинвертирующего усилителя 13. При этом величина сигнала U_с на конденсаторе 14 сохраняет свое предыдущее значение, так как он отключается от всех разрядных цепей, а входное сопротивление неинвертирующего усилителя 13 велико. Таким образом, при единичном коэффициенте усиления усилителя 13 напряжение питания усилителя мощности 4 в нерабочем периоде времени t₁ - t₂ также будет сохранять свое предыдущее значение. В момент времени t₂ начала рабочего периода по сигналу генератора модулирующих колебаний 3 ключ 16 возвращается в положение 1. При этом возможны только небольшие всплески сигнала U_и, вызванные инерционностью регулятора. Эти небольшие всплески сигнала U_и можно убрать, если коэффициент усиления усилителя 13 сделать больше единицы.To eliminate unwanted bursts of the signal U _and in a pulsed mode of operation at time t _{1 of the} end of the working period, the signal 16 switches to position 2 by the signal of the modulating oscillation generator 3 and the signal U _OS is removed from the output of the non-inverting amplifier 13. The signal U _c on the capacitor 14 retains its previous value, since it is disconnected from all discharge circuits, and the input resistance of the non-inverting amplifier 13 is large. Thus, at a unit gain of the amplifier 13, the supply voltage of the power amplifier 4 during the non-working period of time t ₁ - t ₂ will also retain its previous value. At time t _{2 of the} beginning of the working period, according to the signal of the modulating oscillation generator 3, the key 16 returns to position 1. In this case, only small bursts of the signal U _and caused by the inertia of the controller are possible. These little bursts of signal U _and can be removed, if the gain of the amplifier 13 to make more than one.

На нерабочем интервале времени t₁ - t₂ сигнал U_ос будет больше сигнала U_зад и напряжение питания усилителя мощности 4 будет меньше, чем в конце предыдущего рабочего периода времени t₁. В момент времени t₂ начала рабочего периода по сигналу генератора модулирующих колебаний 3 ключ 16 возвращается в положение 1, разделительный диод 15 запирается и будет находиться в этом состоянии до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 18, равное напряжению U_ос, не уменьшится в результате его разряда через резистор 17 до величины напряжения U_с на запоминающем конденсаторе 14. При этом напряжение U_ос плавно уменьшается, а напряжение питания усилителя мощности 4 и соответственно сигнал U_и на входе излучателя 5 плавно увеличиваются до заданного значения, после чего разделительный диод 15 открывается. В результате при коэффициенте усиления усилителя 13 больше единицы осуществляется "мягкий пуск" рабочего периода импульсного режима работы излучателя. Форма сигнала U_и на входе излучателя 5 представлена на фиг. 2,б.On a non-working time interval t ₁ - t _{2 the} signal U _OS will be greater than the signal U _back and the supply voltage of the power amplifier 4 will be less than at the end of the previous working period of time t ₁ . At time t _{2 of the} beginning of the working period, by the signal of the modulating oscillation generator 3, the key 16 returns to position 1, the isolation diode 15 is locked and will remain in this state until the voltage across the capacitor 18, equal to the voltage U _oc , decreases as a result its discharge through the resistor 17 to the voltage value U _s at the storage capacitor 14. In this case, the voltage U _oc decreases smoothly, and the supply voltage of the power amplifier 4 and, accordingly, the signal U _and at the input of the emitter 5 smoothly increase to a predetermined value, after which the isolation diode 15 opens. As a result, when the gain of the amplifier 13 is greater than unity, a soft start of the working period of the pulse mode of the emitter is carried out. The waveform of U _and at the input of the emitter 5 is shown in FIG. 2, b.

Таким образом, регулирование (а не стабилизация, как в прототипе) питающего напряжения усилителя мощности по сигналу датчика, расположенного непосредственно на входе излучателя, позволяет устранить влияние дестабилизирующих факторов на параметры ультразвуковых колебаний в непрерывном режиме работы излучателя, а с внедрением формирователя сигнала обратной связи и в импульсном режиме. Thus, the regulation (and not stabilization, as in the prototype) of the supply voltage of the power amplifier by the signal of the sensor located directly at the input of the emitter, eliminates the influence of destabilizing factors on the parameters of ultrasonic vibrations in the continuous mode of operation of the emitter, and with the introduction of a shaper of the feedback signal and in pulse mode.

Медицинский результат, который может быть получен при использовании изобретения - повышение эффективности лечения в режимах как непрерывного, так и импульсного облучения ультразвуком. The medical result that can be obtained by using the invention is to increase the effectiveness of treatment in both continuous and pulsed ultrasound modes.

Claims

A device for ultrasonic therapy, comprising a master oscillator connected by an output to the first input of the modulator, the second input of which is connected to the output of the modulating oscillator, and the output is connected to the first input of the power amplifier, emitter, voltage regulator, including an error signal amplifier, the first input of which is connected to the reference voltage source, and the output is connected to the input of the regulatory element, the output connected to the second input of the amplifier, power and an adjustable signal sensor, characterized the fact that it is equipped with a feedback shaper, including a rectifier, the output of which is connected to the first output of the storage capacitor, the input of a non-inverting amplifier and the anode of the separation diode, and an electronic key, the first input of which is connected to the cathode of the separation diode, the second input - with the output of the non-inverting amplifier, the control input is connected to the output of the modulating oscillation generator, and the output is connected to the first output of the RC circuit and the second input of the error signal amplifier, while the liruemogo signal input coupled to the output of the power amplifier, the first output - with an emitter and the second output - to an input of the rectifier, and second terminals of the storage capacitor and RC-chain connected to a common bus.