• Аннотация курса
• Вопросы к экзамену
• Порядок выполнения курсовой работы
• Литература

Объем курса:

• 55 часов лекций
• 24 часа упражнений
• 24 лабораторных работ
• 72 часа курсовая работа
• 106 часов курсовое проектирование

  Ультразвуковые волноводные системы для энергии в зону воздействия. Продольные, крутильные и поперечные колебания волноводов с произвольно изменяющимися размерами поперечных сечений. Изгибно-продольные колебания стержневых волноводов-концентраторов. Граничные условия. Фактор формы. Критерий Хунта как параметр, определяющий оптимальности формы волновода-концентратора и свойства материала волновода.

  Оптимизация формы волноводов-концентраторов с ограничениями на фазовые переменные и управление. Сведение задачи оптимизации формы концентраторов к решению задачи нелинейного программирования для выпуклой области для допустимых значений фазовых переменных.

  Диссипация механической энергии в материалах волноводов. Зависимости диссипации от частоты и амплитуды колебаний. Методы Релея, Ритца, Б.Г.Галеркина для определения низших собственных частот и форм колебаний ЭАП и волноводов.

  Решение задач о вынужденных стационарных колебаниях ЭАП и волноводов. Колебания ЭАП и волноводных систем с учетом внутреннего и внешнего трения и потерь в ЭАП с применением вариационных методов. Решение задач о вынужденных нестационарных колебаниях ЭАП и волноводов. Импульсное возбуждение ЭАП в эхоимпульсной диагностике.

  Электроакустические преобразователи для медицины. Пьезо- и магнитострикционные эффекты. Материалы. Общие уравнения, описывающие прямой и обратный пьезоэффект в анизотропных материалах. Типы симметрий. Вынужденные колебания ЭАП с пьезо- и магнитострикционными преобразователями.

  Потери в ЭАП. Конструкционное демпфирование преобразователях. Механический, магнитный и электрический гистерезис. Потери на джоулев нагрев и вихревые токи. Особенности работы ЭАП в непрерывном и импульсном режимах.

  Особенности взаимодействия ультразвуковых ЭАП и волноводов с биологическими средами. Ультразвуковые низкочастотные системы для разделения биологических тканей. Низкочастотные ультразвуковые системы для обработки биологических тканей при высоких интенсивностях. Присоединенная масса поршневого излучателя. Мощность излучения. Оптимальные диаметры излучателей. Особенности взаимодействия ЭАП с биотканями на средних и высоких ультразвуковых частотах. Схемы согласования импедансов. Оптимальное демпфирование ЭАП.

  Ультразвуковые терапевтические аппараты. Частоты и интенсивности применяемые в аппаратах для ультразвуковой терапии. Особенности проектирования ЭАП и акустического согласования с биообъектом. Системы контроля согласования ЭАП с биообъектом. Марки и основные характеристики отечественных и импортных ультразвуковых терапевтических аппаратов и излучателей.

  Динимическая устойчивость волноводов-концентраторов для стоматологии, сосудистой, торакальной хирургии. Аппараты для нейрохирургии, офтальмологии, оторинолярингологии, урологии, стоматологии и др.

  Применение ультразвука в диагностике заболеваний Эхо-импульсный, теневой и импедансный методы ультразвуковой диагностики заболеваний. Преимущества и недостатки методов. Сравнение эхо-импульсного метода диагностики с другими методами получения изображений внутренних органов человека. Требования к ультразвуковым системам по разрешающей способности, глубине зондирования, частоте кадров, размерности изображения. Классификация систем с дискретизацией звуковых изображений.Сравнение приборов А- и В-типов. Сканирование вручную. Датчики для двухмерного механического сканирования и М-режимов. Сканирование группой преобразователей. Системы с линейной решеткой. Электронное сканирование Системы фокусировки ультразвуковых пучков. Акустическая электронная и голографическая фокусировки. Динамическая фокусиров ка в системах с линейной решеткой. Технические характеристики и марки ультразвуковых диагностических приборов и аппаратов.

  Приборы для определения скорости кровотока. Эффект Доплера. Лианеризация основных соотношений для малых чисел Маха. Схемы реализации метода доплеровской локации. Непрерывная и импульсная доплеровская локация. Рассеяние ультразвука на эритроцитах и его зависимость от частоты сигнала. Основные погрешности метода. Распределение скоростей движения эритроцитов по сечению сосуда в зависимости от диаметра сосуда. Выделение направления движения крови. Движение крови по венам и артериям и особенности регистрации. Основные характеристики и марки приборов для ультразвукового измерения скорости кровотока. Приборы для получения двухмерного доплеровского изображения.

  Перспективы развития приборов доплеровской диагностики. Аппараты использующий режим "Энергетический Доплер". Поперечный доплеровский эффект. 

1. Дифференциальные принципы механики. Принцип Даламбера. Примеры на составление уравнений.
2. Колебания систем с одной степенью свободы. Свободные колебания. Фазовый портрет системы. Свободные колебания при наличии сил сопротивления (вязкое трение, сухое трение).
3. Фазовый портрет системы совершающей свободные колебания при наличии сухого трения.
4. Вынужденные колебания системы с одной степенью свободы: а/ без учета сил сопротивления; б/ с учетом вязкого трения; амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики. Коэффициент динамичности.
5. Вынужденные колебания системы с одной степенью свободы при произвольной периодической возмущающей силе.
6. Колебания системы с одной степенью свободы при произвольной непериодической возмущающей силе.
7. Свободные колебания систем с двумя степенями свободы.
8. Колебания ультразвуковых медицинских волноводов-концентраторов
9. Продольные свободные колебания волноводов. Вывод уравнения продольных колебаний. Граничные условия (вывод и примеры их использования при взаимодействии УЗКС с биотканями и др.)
10. Решение задачи о свободных продольных колебаниях ультразвуковых волноводов-инструментов. Примеры частотных уравнений (с выводом).
11. Продольные колебания волноводов с учетом внутреннего трения. Вывод волнового уравнения.
12. Продольные колебания волноводов-инструментов при наличии внешнего распределенного по длине трения. Волноводы-инструменты для липоскульптуры. Метод проф. Дзоки.
13. Особенности расчета ультразвуковых аспираторов для нейрохирургии и офтальмологии.
14. Крутильные свободные колебания волноводов. Вывод уравнения крутильных колебаний. Граничные условия (вывод и примеры их использования при взаимодействии УЗКС с биотканями и др.)
15. Решение задачи о свободных крутильных колебаниях. Примеры частотных уравнений (с выводом).
16. Изгибные свободные колебания волноводов. Вывод уравнения изгибных колебаний. Граничные условия (вывод и примеры их использования при взаимодействии УЗКС с биотканями и др.)
17. Решение задачи о свободных изгибных колебаниях. Функции Крылова и их свойства. Примеры частотных уравнений (с выводом).
18. Матричный метод расчета ультразвуковых колебательных систем.
19. Вывод матриц перехода для цилиндрических, экспоненциальных, катеноидальных и конических концентраторов продольных и крутильных колебаний.
20. Вывод матрицы перехода для волновода постоянного поперечного сечения, совершающего изгибные колебания.
21. Динамическая устойчивость ультразвуковых волноводов. Особенности проектирования ультразвуковых эндоскопических волноводов-инструментов.
22. Изгибно-продольные колебания ультразвуковых колебательных систем. Волновые уравнения (вывод). Ультразвуковые оптоволоконные системы. Стоматологические волноводы-инструменты. Особенности проектирования пульпоэкстракторов. Возможные повреждения каналов зуба.
23. Ортогональность собственных функций.
24. Сравнение эффективности применения волноводов продольных и крутильных колебаний. Возможность возникновения параметрических колебаний.
25. Проектирование ультразвуковых виброприводов. Ультразвуковые дрели для травматологии.
26. Ультразвуковые низкочастотные аппараты. Основные технические характеристики. Аппараты для травматологии, нейрохирургии, офтальмологии, стоматологии и др.

1. Основные понятия и определения. Расширение, уплотнение, соотношение между давлением и расширением. звуковое давление.
2. Распространение плоских волн. Волновое уравнение. Решение Соотношение между скоростью и давлением. Акустический импеданс. Удельный акустический импеданс. Волновое сопротивление среды.
3. Акустические характеристики некоторых веществ и биотканей.
4. Интенсивность акустической волны. Децибел.
5. Отражение и прохождение плоских волн при наклонном падении.
6. Отражение и прохождение плоских волн при нормальном падении. Коэффициенты отражения и прохождения по колебательной скорости, давлению и интенсивности.
7. Лапласова и Ньютонова скорости звука.
8. Ультразвуковые терапевтические преобразователи, используемые частоты, марки советских аппаратов, интенсивности, медицинское применение.

1. Магнитострикция. Магнитострикционный преобразователь. Уравнения прямой и обратной магнитострикции.
2. Продольные вынужденные колебания магнитострикционного стержня. (вывод).
3. Прямой и обратный пьезоэффект. Решение задачи о вынужденных продольных колебаниях ланжевеновых преобразователей.
4. Электрические и механические характеристики основных пьезо- и магнитострикционных материалов.

1. Место ультразвуковых методов среди прочих методов диагностики в медицине, достоинства и ограничения этих методов.
2. Введение в терминологию, основные физические параметры и технические характеристики современных диагностических систем.
3. Особенности распространения ультразвуковых колебаний в биологических тканях, скорость звука, затухание (поглощение и рассеяние), отражение, преломление, зависимость от частоты колебаний.
4. Принципы получения ультразвуковых изображений, структура диагностического прибора, физические особенности получения эхо-изображений, артефакты.
5. Виды эхограмм: А, М (ТМ), В (2-D), 3-D и способы их получения. Способы сканирования и типы датчиков для различных областей медицинского применения. Частота излучения и связь ее с продольной разрешающей способностью.
6. Форма ультразвукового луча; фокус, дальняя и ближняя зоны, ширина луча и поперечная разрешающая способность.
7. Методы фокусировки луча, влияние на изображение. Динамическая фокусировка в различных типах датчиков.
8. Прием эхо-сигналов, динамический диапазон и его сжатие. TGG. Интерполяция и дополнительная обработка эхо-сигналов.
9. Запоминание и отображение изображения, режимы cine-loop, корреляции и др. Методы повышения качества изображений и расширения информационных возможностей.
10. Регистрация изображений: термопринтеры, диски, видеомагнитофоны, память на кадры.
11. Физические основы получения измерения параметров кровотока на основе эффекта Доплера. Основные соотношения между доплеровской частотой эхо-сигналов и спектром скоростей кровотока.
12. Непрерывный доплер(CW); карандашные датчики. Пульсовая кривая, спектральное распределение скоростей и его изменение во времени. Ограничения при работе в режиме CW.
13. Импульсный доплер (PW); дуплексные датчики. Достоинства и недостатки метода. Неоднозначность измерения скорости и глубины.
14. Цветное доплеровское картирование (CFM). Особенности получения и отображения информации о параметрах кровотока. Достоинства и ограничения метода.
15. Особенности применения теневого метода в УЗ диагностике.
16. Требования к ультразвуковым диагностическим системам.
17. Классификация систем с дискретизацией звуковых изображений для УЗД.
18. Рассеяние звука на точечной упругой мишени.

  Курсовая работа посвящена расчету и проектированию типовых ультразвуковых медицинских колебательных систем (УЗКС) для диагностики, хирургии и терапии. Работа выполняется студентами в 9-м семестре и защищается перед комиссией, состоящей из преподавателей кафедры, в зачетную сессию.

  В курсовой работе студентами выполняются проектировочные расчеты УЗКС, состоящей из электроакустического преобразователя (ЭАП), согласующего элемента, сменного волновода-инструмента и рабочего окончания, форма которого определяется видом работ на биологических тканях.

  Характеристики нагрузки, вид УЗКС, применяемые материалы, метод расчета, вид колебаний УЗКС - задаются преподавателем в задании на курсовую работу.

Записка должна быть аккуратно оформлена и иметь:

• титульный лист, на котором указывается: Ф.И.О. студента, группа, название и номер варианта, Ф.И.О. руководителя и консультанта, дата завершения работы;
• индивидуальное задание, подписанное руководителем курсовой работы и консультантом;
• оглавление;
• введение;
• основную часть;
• чертеж спроектированнной УЗКС со схемой фиксации в корпусе;
• заключение;
• список литературы;
• приложение (текст отлаженной программы и распечатки результатов)

  В основной части приводятся:

1. расчеты электрической стороны электроакустического преобразователя, оптимальные параметры электрической схемы ЭАП;
2. таблица всех ївходных+ данных, используемых при расчетах и проектировании УЗКС;
3. расчеты и уравнения всех элементов колебательной системы (ЭАП, согласующего элемента, инструмента-концентратора);
4. алгоритм определения собственных значений и/или блок-схема программы для ЭВМ, на которой производился расчет (листинг программы с результатами тестирования представляется в приложении к пояснительной записке);
5. собственные формы колебаний, функции усилий, механических напряжений и зависимость площади поперечного сечения УЗКС - в виде графиков.
6. значения максимальных напряжений для всех элементов УЗКС и абсциссы соответствующих сечений; положение узловых точек; значения коэффициентов усиления всех элементов УЗМИ в отдельности; масса УЗКС и его элементов; два первых корня всех частотных уравнений и соответствующие значения собственных частот для каждого из элементов УЗКС;
7. чертеж УЗКС в сборе и каждого из элементов УЗКС в отдельности в соответствии с требованием стандартов.

1. Ознакомиться с литературой по расчету элементов УЗКС и специфике медицинского применения разрабатываемой УЗКС. Подготовить краткий литературный обзор по применению УЗКС для заданного в задании вида работ на биологических тканях. В обзоре обязательно указать используемые для данного вида воздействий на ткани частоты и амплитуды колебаний рабочего окончания, а также физико-механические и акустические свойства биотканей, с которыми взаимодействует рабочее окончание разрабатываемой УЗКС.
2. Выполнить проектировочные расчеты отдельных элементов УЗКС для режима холостого хода, определив резонансные длины отдельных полуволновых элементов и их коэффициенты усиления. Для определенной в п.1 амплитуды смещения рабочего окончания определить максимальные механические напряжения в каждом из элементов УЗКС, сравнив полученные значения напряжений с допустимыми по усталостной прочности.
3. Для геометрии УЗКС, определенной в п. 2 построить графики собственной формы колебаний (амплитуды смещений, усилий и механических напряжений), соответствующие рабочей резонансной частоте и определенной в п.1 амплитуде смещения рабочего окончания.
4. Вывести систему дифференциальных уравнений для ЭАП и остальных элементов УЗКС с учетом внутреннего трения. Вывести граничные условия для УЗКС в целом как для случая холостого хода так и для случая взаимодействия УЗКС с биотканью. Провести обезразмеривание системы уравнений. Составить программу расчета частотных характеристик УЗКС для холостого хода и работы под нагрузкой (Зависимости: амплитуды колебаний рабочего окончания, коэффициента усиления, модуля входного механического импеданса, модуля и фазы электрического импеданса ЭАП, потребляемой электрической мощности - от частоты).
5. Оттестировать разработанную программу и отдельные ее подпрограммы. Результаты тестирования включить в расчетно-пояснительную записку.
6. Получить с использованием разработанной и оттестированной программы требуемые в задании амплитудно- и фазочастотные характеристики УЗКС на холостом ходу и под нагрузкой в диапазоне частот - ?1 кГц и ?6 кГц по отношению к частоте рабочего резонанса УЗКС на холостом ходу.
7. Вычислить значение амплитуды колебательной скорости на свободном торце ЭАП на рабочем резонансе. Откорректировать результаты, полученные в п. 2 и п. 3, в соответствии с вычисленным значением амплитуды колебательной скорости на свободном торце ЭАП.
8. Выполнить расчет электрической стороны ЭАП.
1. Определить для магнитстрикционых преобразователей:
• количество витков обмотки возбуждения и подмагничивания;
• сечение проводов обмотки;
• токи, протекающие через обмотку;
• потери на магнитный гистерезис, вихревые токи и джоулев нагрев,
• изменить в случае необходимости геометрические размеры ЭАП и вновь выполнить расчет механической стороны ЭАП (в соответствии с п. 2).
2. Определить для пьезокерамических преобразователей напряжение на обкладках пьезопреобразователя на рабочей резонансной частоте. Сравнить с пробивным напряжением и в случае необходимости изменить толщину пьезокерамических пластин, после чего повторить расчет в соответствии с п.2.
9. Проанализировать полученные результаты.
10. Оформить пояснительную записку.

1. Максимальный поперечный размер УЗКС, как правило, не должен превышать 1/5  длины продольной волны на данной частоте).
2. Не рекомендуется использовать концентраторы, у которых угол наклона образующей к его продольной оси более 60 градусов.
3. Высоту накладки магнитострикционного преобразователя рекомендуется выбирать из условия постоянства магнитного сопротивления магнитопровода.
4. Согласующие элементы и сменные инструменты-концентраторы выполняются в виде тел вращения.
5. Отношение входного к выходному диаметру для сменных волноводов-концентраторов выбирается из интервала от  2 до 8, так, чтобы коэффициент усиления не превышал 12, для согласующих волноводов отношение диаметров выбирается таким, чтобы коэффициент усиления  лежал в интервале 2-4.

Основная

1. Квашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов.- М.: МГТУ, 1989.
2. Квашнин С.Е. Ультразвуковые электроакустические преобразователи и волноводы-инструменты для медицины.- М.: МГТУ, 1999.
3. Квашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование медицинской техники: Методическое указания. - М.:МВТУ, 1987.
4. Валишвили Н.В. Методы расчета оболочек вращения на ЭЦВМ.- М.: Машиностроение, 1976,- 280с.
5. Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник в 3-х томах /Под ред. И.А.Биргера, Я.Г.Пановко, т.3. - М.:Машиностроение, 1968. - С. 342-369.
6. Вибрации в технике : Справочник в 6-ти т.// т.1 Колебания линейных систем.// п/р. Болотина В.В.- М.: Машиностроение, 1978.- 352с.
7. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. - М.: Высшая школа, 1977. - 416 с.
8. Николаев Г.А., Лощилов В.И. Ультразвуковая технология в хирургии. - М.:Медицина, 1980. - 272 с.
9. Ультразвуковые преобразователи /под ред. Е.Кикучи: Пер.с англ. - М.:Мир. 1972. - 424 с.
10. Ультразвук: Маленькая энциклопедия. М.:Советская энциклопедия, 1979. - 400 с.
11. Фаронов В.В. Программирование на персональных ЭВМ в среде Турбо-Паскаль, М.: МГТУ, 1990.

Дополнительная

1. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Вибропоглощающие свойства конструкционных матеоиалов: Справочник. Киев: Наукова-Думка, 1971.
2. Квашнин С.Е. Особенности проектирования ультразвуковых медицинских инструментов.- Ультразвук и другие виды энергии в хирургии //Тр.МВТУ N 517, с.19-34.
3. Березовский В.А. и др. Биофизические характеристики тканей человека: Справочник, Киев, 1990.
4. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем.- М.: Физматгиз, 1960,- 193с.
5. Биргер И.А. Стержни, пластины, оболочки.- М.: Физматлит, 1992,- 392с.
6. Кажис Р.И. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. - Вильнюс: Мокслас, 1986. - 216 с.
7. Квашнин С.Е. К вопросу проектирования акустических узлов на пьезокерамике для общей хирургии /Проблемы инженерной медицины. - М.; 1986. - с.144-153.
8. Форсайт Дж., Малькольм, Моулер К. Машинные методы математических вычислений /перев. С англ., М.: Мир, 1980.
9. Библиотека алгоритмов: Справочное пособие. Вып.1,2,3,4 /Под ред. М.И. Агеева.- М.: Радио и связь, 1981. - 184 с.
10. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. С англ. / Под ред. К.Хилла.- М.: Мир, 1989.