RU2493673C1

RU2493673C1 - Ultrasonic transducer for physiotherapy equipment

Info

Publication number: RU2493673C1
Application number: RU2012107810/28A
Authority: RU
Inventors: Елена Анатольевна Алюшникова; Елена Юрьевна Бабушкина; Марат Гусманович Ризаев
Original assignee: Елена Анатольевна Алюшникова; Елена Юрьевна Бабушкина; Марат Гусманович Ризаев
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: ultrasonic transducer for physiotherapy equipment includes a piezoelectric element protective layer made from wear-resistant silicate enamel.

EFFECT: high wear-resistance of the matching layer of the ultrasonic scanning transducer while providing allowable acoustic mismatch of the ultrasonic transducer with the tissue of the patient, which does not require upgrading of the electronic unit of the therapeutic equipment.

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Ультразвуковой преобразователь для физиотерапевтических аппаратов.Ultrasonic transducer for physiotherapy apparatus.

Изобретение может быть использовано для ультразвуковых физиотерапевтических аппаратов, применяемых в медицине и косметологии.The invention can be used for ultrasound physiotherapeutic devices used in medicine and cosmetology.

В существующих ультразвуковых преобразователях пьезоэлемент имеет с внешней стороны покрытие, выполняющее две функции:In existing ultrasonic transducers, the piezoelectric element has a coating on the outside that performs two functions:

1 - согласующего слоя, необходимого из-за значительной разницы акустических импедансов пьезокерамики и ткани пациента,1 - matching layer, necessary due to the significant difference in acoustic impedances of piezoceramics and patient tissue,

2 - защитного слоя, предохраняющего серебряный электрод пьезоэлемента от быстрого истирания.2 - a protective layer that protects the silver electrode of the piezoelectric element from rapid abrasion.

Поскольку износоустойчивость покрытия внешней стороны пьезоэлемента из-за требований акустического согласования выполняется из материалов с невысокой износоустойчивостью, возникает задача повышения износоустойчивости этого покрытия для увеличения срока службы ультразвукового преобразователя в целом.Since the wear resistance of the coating on the outside of the piezoelectric element due to the requirements of acoustic matching is made of materials with low wear resistance, the problem arises of increasing the wear resistance of this coating to increase the service life of the ultrasonic transducer as a whole.

Известные меры повышения износоустойчивости покрытия, например, в три раза, приведенные в патенте «RU 2436257 С1», МПК H04R, не являются радикальными, поскольку из-за более медленного истирания слоя через некоторое время обязательно происходит уменьшение толщины покрытия, что нарушает акустическое согласование преобразователя с тканью пациента, в результате чего покрытие фактически начинает выполнять только защитную функцию для серебряного электрода.Known measures to increase the wear resistance of a coating, for example, by a factor of three, described in the patent “RU 2436257 C1”, IPC H04R, are not radical, since due to a slower abrasion of the layer, a decrease in the coating thickness necessarily takes place, which violates the acoustic matching of the transducer with the patient’s tissue, as a result of which the coating actually begins to fulfill only the protective function for the silver electrode.

Если поставить на первое место защитную функцию покрытия, нанося на внешнюю сторону пьезоэлемента покрытие из материала, например, силикатной эмали с весьма высокой износоустойчивостью, пожертвовав качеством акустического согласования, то срок службы ультразвукового преобразователя повышается в несколько десятков раз.If the protective function of the coating is put first, applying a coating of a material, for example, silicate enamel with a very high wear resistance to the outer side of the piezoelectric element, sacrificing the quality of acoustic matching, then the service life of the ultrasonic transducer increases by several tens of times.

Уровень техникиState of the art

Существует большое разнообразие конструкций ультразвуковых преобразователей. Общим для всех их является:There is a wide variety of designs for ultrasonic transducers. Common to all of them is:

- корпус преобразователя,- converter housing,

- пьезоэлемент,- piezoelectric element

- разъем для кабеля, соединяющего преобразователь с электронным блоком прибора или кабель в случае, когда соединение кабеля с пьезоэлементом непосредственно или через согласующее электрическое устройство предусмотрено внутри ультразвукового преобразователя,- a connector for a cable connecting the transducer to the electronic unit of the device or a cable in the case when the connection of the cable with the piezoelectric element directly or through a matching electrical device is provided inside the ultrasonic transducer,

- находящаяся внутри корпуса конструкция, состоящая из движущихся или неподвижных механических и электрических деталей,- a structure located inside the housing, consisting of moving or stationary mechanical and electrical parts,

- находящееся на внешней стороне пьезоэлемента покрытие, выполняющее функции четвертьволнового согласующего слоя, необходимого из-за значительной разницы величин акустического импеданса пьезокерамики и ткани пациента.- a coating on the outside of the piezoelectric element, which functions as a quarter-wave matching layer, which is necessary due to the significant difference in the acoustic impedance of the piezoceramic and the patient’s tissue.

Но из-за истирания толщина согласующего слоя уменьшается, ухудшая степень акустического согласования, и тогда у покрытия реально остается только одна функция защиты серебряного электрода пьезоэлемента от истирания.But due to abrasion, the thickness of the matching layer decreases, worsening the degree of acoustic matching, and then the coating really only has one function of protecting the silver electrode of the piezoelectric element from abrasion.

Ультразвуковой преобразователь представляет собой достаточно сложную систему для его расчета и конструирования, поскольку требует не только согласование с электрической стороны (выходной импеданс генератора, волновое сопротивление соединительного кабеля и электрический импеданс пьезоэлемента), но и с акустической стороны (акустический импеданс пьезоэлемента и акустических импеданс ткани пациента).The ultrasonic transducer is a rather complicated system for its calculation and design, since it requires not only coordination on the electrical side (output impedance of the generator, wave resistance of the connecting cable and electrical impedance of the piezoelectric element), but also on the acoustic side (acoustic impedance of the piezoelectric element and acoustic impedance of the patient’s tissue )

Для согласования акустического импеданса пьезоэлемента со значительно более низким акустическим импедансом ткани пациента существуют различные материалы с необходимым акустическим импедансом, но они практически все имеют низкую износоустойчивость.To match the acoustic impedance of the piezoelectric element with a significantly lower acoustic impedance of the patient’s tissue, there are various materials with the necessary acoustic impedance, but almost all of them have low wear resistance.

Техническая задача повышения в три раза износоустойчивости согласующего слоя ультразвукового сканирующего преобразователя для медицинских диагностических приборов решена при напылении согласующего слоя в "RU 2436257 С1", МПК H04R 17/00. Но трехкратное повышение износоустойчивости в физиотерапии является недостаточным.The technical problem of increasing three times the wear resistance of the matching layer of an ultrasonic scanning transducer for medical diagnostic devices was solved by spraying the matching layer in "RU 2436257 C1", IPC H04R 17/00. But a three-fold increase in durability in physiotherapy is insufficient.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Необходимо более значительное повышение износоустойчивости, даже за счет ухудшения акустического согласования преобразователя с тканью пациента. Поскольку в физиотерапевтическом аппарате генератор электрического тока может иметь достаточную мощность, а учесть потери из-за ухудшения акустического согласования можно с помощью измерения излучаемой акустической мощности с помощью прибора ИМУ-3, то защитный слой может быть нанесен из значительно более износоустойчивого материала, удовлетворяющего всем санитарно-гигиеническим и медицинским требованиям. Износоустойчивость такой материала, испытанного по ГОСТ 20811-75, может оказаться в десятки и более раз выше износоустойчивости существующих покрытий ультразвуковых преобразователей аппаратов физиотерапии.A more significant increase in wear resistance is required, even due to a deterioration in the acoustic matching of the transducer with the patient’s tissue. Since the electric current generator in the physiotherapeutic apparatus can have sufficient power, and losses due to deterioration of acoustic matching can be taken into account by measuring the emitted acoustic power using the IMU-3 device, the protective layer can be applied from a much more wear-resistant material that satisfies all sanitary requirements. -hygienic and medical requirements. The wear resistance of such a material, tested according to GOST 20811-75, can be tens or more times higher than the wear resistance of existing coatings of ultrasonic transducers of physiotherapy apparatuses.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Был проведен поиск нового покрытия, износоустойчивость которого была бы во много раз выше износоустойчивости давно применяемых покрытий. Итогом поиска стало покрытие из силикатной эмали по ГОСТ Р 51755-2001. Эта эмаль удовлетворяет всем современным санитарно-гигиеническим и медицинским требованиям. Поэтому следующим этапом стало выяснение влияния толщины слоя эмали на акустическое согласование пьезоэлемента с тканью пациента.A search was made for a new coating, the wear resistance of which would be many times higher than the wear resistance of long-used coatings. The search resulted in a coating of silicate enamel according to GOST R 51755-2001. This enamel meets all modern sanitary-hygienic and medical requirements. Therefore, the next step was to clarify the effect of the thickness of the enamel layer on the acoustic matching of the piezoelectric element with the patient’s tissue.

Для выяснения влияния толщины эмалевого покрытия на акустическое согласование была применена методика, позволяющая интегрально оценить качество согласований всего электрического и акустического тракта путем измерения напряжения, подаваемого на пьезоэлемент ультразвукового преобразователя, при заданной излучаемой акустической мощности. Излучаемая мощность была измерена с помощью измерителя акустической мощности ИМУ-3, в котором в качестве акустической нагрузки используется вода, являющаяся о эквивалентом биологической ткани по акустическому импедансу. Для испытаний были применены ультразвуковые излучатели типа ИУТ 0,88-4,04Ф, серийно выпускаемые по Техническим условиям ТУ 9444-015-11487910-2002 «Излучатели ультразвуковых терапевтических аппаратов». Испытаны 5 излучателей с традиционным внешним покрытием пьезоэлемента и 5 ультразвуковых излучателей с покрытием из силикатной эмали по ГОСТ Р 51755-2001 при различной толщине покрытия. В следующей таблице приведены величины электрического напряжения на пьезоэлементе ультразвукового преобразователя для достижения излучаемой акустической мощности 5 Вт:To clarify the effect of the thickness of the enamel coating on the acoustic matching, a technique was applied that made it possible to integrally evaluate the quality of matching of the entire electric and acoustic path by measuring the voltage applied to the piezoelectric element of the ultrasonic transducer for a given radiated acoustic power. The radiated power was measured using an IMU-3 acoustic power meter, in which water is used as the acoustic load, which is the equivalent of biological tissue by acoustic impedance. For testing, ultrasonic emitters of the type IUT 0.88-4.04F, commercially available according to the Technical Specifications TU 9444-015-11487910-2002 "Emitters of Ultrasound Therapeutic Apparatuses" were used. 5 emitters with a traditional external coating of a piezoelectric element and 5 ultrasonic emitters with a coating of silicate enamel according to GOST R 51755-2001 with different coating thicknesses were tested. The following table shows the voltage values on the piezoelectric element of the ultrasonic transducer to achieve a radiated acoustic power of 5 W:

преобразовательconverter тип покрытияtype of coating толщина покрытияcoating thickness напряжениеvoltage 1. (№33)1. (No. 33) традиционноеtraditional -- 20,0 В20.0 V 2. (№26)2. (No. 26) традиционноеtraditional -- 24,0 В24.0 V 3. (№27)3. (No. 27) традиционноеtraditional -- 30,0 В30.0 V 4. (№78)4. (No. 78) традиционноеtraditional -- 24,0 В24.0 V 5. (№108)5. (No. 108) традиционноеtraditional -- 26,0 В26.0 V 6. (№88)6. (No. 88) эмальenamel 0,09 мм0.09 mm 24,0 В24.0 V 7. (№107)7. (No. 107) эмальenamel 0,09 мм0.09 mm 28,0 В28.0 V 8. (74)8. (74) эмальenamel 0,10 мм0.10 mm 25,0 В25.0 V 9. (85)9. (85) эмальenamel 0,11 мм0.11 mm 30,0 В30.0 V 10.(83)10. (83) эмальenamel 0,12 мм0.12 mm 30,0 В30.0 V В скобках приведены заводские номера преобразователейIn parentheses are the serial numbers of the converters

По технических условиям на преобразователи типа ПУТ 0,88-4,04 Ф с площадью излучающей поверхности 4,04 кв. см необходимо подавать напряжение на пьезоэлемент не более 35 В. Из таблицы видно, что на преобразователи с традиционным покрытием может быть подано более низкое напряжение, чем на преобразователи с эмалевым покрытием, что говорит о некотором ухудшении акустического согласования при эмалевом покрытии. Однако все преобразователи удовлетворяют требованию Технических Условий по подаваемому напряжению, которое должно быть не более 35 В.According to the technical conditions for converters of the type ПУТ 0,88-4,04 Ф with the area of the radiating surface 4,04 sq. cm, it is necessary to apply a voltage to the piezoelectric element of not more than 35 V. From the table it can be seen that lower voltage can be applied to transducers with a traditional coating than to transducers with an enamel coating, which indicates a slight deterioration in acoustic matching during enamel coating. However, all converters satisfy the requirements of the Technical Conditions for the supplied voltage, which should be no more than 35 V.

Это значит, что при новом покрытии из износоустойчивой эмали по ГОСТ 20811-75 обеспечивается допустимое акустическое рассогласование ультразвукового преобразователя с тканью пациента, которое не требует модернизации электронного блока терапевтического аппарата.This means that with a new coating of wear-resistant enamel according to GOST 20811-75, an acceptable acoustic mismatch of the ultrasonic transducer with the patient’s tissue is provided, which does not require modernization of the electronic unit of the therapeutic apparatus.

Заявленное решение заключается в следующем.The claimed solution is as follows.

Ультразвуковой преобразователь для физиотерапевтических аппаратов, отличающийся тем, что защитный слой пьезоэлемента выполнен из износоустойчивой и удовлетворяющей всем санитарно-гигиеническим и медицинским требованиям силикатной эмали.Ultrasonic transducer for physiotherapeutic apparatuses, characterized in that the protective layer of the piezoelectric element is made of wear-resistant and satisfies all sanitary-hygienic and medical requirements of silicate enamel.

Claims

Ultrasonic transducer for physiotherapeutic apparatuses, characterized in that the protective layer of the piezoelectric element is made of wear-resistant and satisfies all sanitary-hygienic and medical requirements of silicate enamel.