CC BY
55
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНСТРУМЕНТ Б.В. Дюдин, Г.Б. Тарасова
Ультразвуковые хирургические инструменты состоят обычно из полуволнового магнитострикционного или пьезокерамического преобразователя, связанного с волноводом, имеющим рабочий наконечник, форма которого соответствует выполняемым операциям. Амплитуда колебания наконечника может составлять от 15 до 150 мкм, а рабочая частота выбирается из диапазона до 40 кГ ц.
Поскольку трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из ,
требует меньших усилий по сравнению с традиционными скальпелями. Высокая , , сосуд до 2 мм в диаметре. Это уменьшает кровотечение в операционной зоне и, та, .
Активное воздействие ультразвука на вещество приводит к необратимым изменениям в нем либо воздействие ультразвука на физические процессы, влияющие на их ход, обусловлено нелинейными эффектами в звуковом поле. Колебания частиц среды в волне вызывают своеобразный микромассаж тканей, поглощение УЗ - локальное нагревание их; одновременно под действием УЗ происходят физикохимические превращения в биологических средах. Для хирургических операций целесообразно использовать фокусированный ультразвук, который позволяет производить локальные разрушения в глубинных структурах, без повреждения окружающих тканей. В ультразвуковой хирургии используются инструменты, рабочий конец которых имеет вид скальпеля, пилки, иглы, трубки и др. Наложение ультразвуковых колебаний на такие волноводы придает им новые качества. Контактное воздействие тупым УЗ - инструментом применяется для разрушения новообразований либо камней в почках или мочеточниках, используя частоты 20 - 50 кГц с амплитудой колебаний рабочего конца 10 - 50 мкм.
Инструмент начинает работать только при нажимании ногой педали запуска, , , . поступать в инструмент биологически активная жидкость. При отпускании педали, жидкость отсасывается из инструмента вместе с камнем, в отдельную ванночку через штуцер инструмента.
Так как инструмент имеет специфическую для него форму, он ведет всю энергию к концу волновода, периодически усиливая ее на отдельных частях инстру-.
Экспоненциальная часть инструмента концентрирует энергию на конец волновода, который совершает направленные колебательно-ударные движения. За счет точечного направленного удара на камень и нагрева волновода камень разрушается и отсасывается через волноводную полость вместе с биологически активной жидкостью (рис.1).
Нагрев волновода вызывается высокочастотными колебаниями. Биологически активная жидкость в инструменте служит для охлаждения инструмента, а также промывочной жидкостью, которая вымывает частицы разрушенного камня. На данном инструменте рабочая поверхность - это алмазное напыление на волноводе, которое и выполняет основную функцию.
Ультразвуковые концентраторы представляют собой различные комбинации , , ,
. .
Инструменты с большим коэффициентом усиления отдельных звеньев неустойчивы в работе и обычно не дают ожидаемого результата. При небольших коэффи-
циентах усиления звена (ку=4) практическое усиление может оказаться большим. Однако все эти инструменты оказываются довольно громоздкими и неудобными в работе, особенно с длинным волноводом. Оригинальная методика расчета представлена в работе с использованием чисел Фибоначчи. На основании этой методики раз, .
Ультразвуковой инструмент состоит из собственно пьезоэлектрического преобразователя (включающего в себя две накладки и пьезокерамический блок, состоящий из 2 или 4 шайб, включенных по поляризации встречно), а также концентра,
(рис.2) [3]. _
Здесь 1 - длина преобразователя от нерабочей поверхности тыльной накладки до узловой линии преобразова-
,
пьезоблока. Метод «золотого сечения» позволяет с помощью чисел Фибоначчи значительно сократить размеры экспоненциальной части преобразователя [2, 4].
Площадь выходного сечения определится как д = д0 . у(N -У4), а длина экспоненциальной части (которая
Твердое тело
Раздробленные частицы
Канал откачки частиц
.лмазное напыление
Рис.1
обычно больше полуволновой длины стержня) будет равна /, =^1, где N - целое
’ пФ
число в пределах от 2 до 8; п - число ряда Фибоначчи (каждое число этого ряда равно сумме двух предыдущих); Ф=1,618 - коэффициент «золотого сечения». Тогда диаметр конической части будет равен Бти = у[&~1/л . При расчете накладки по мето-« » -чей накладки и инструмент становится чисто полуволновым.
с с I , йп/4
дС=до---------- /э =------
N ■ М4 п ■ Ф
Ф=1,618
N=2...8
Ряд Фибоначчи п = 1,12,3,5,8.
1 - тыльная накладка; 2 - пьезокерамический блок; 3 - излучающая накладка; 4 - экспоненциальная часть; 5 - коническая часть
.2
Требования к пьезокерамике определяются режимом работы инструмента. Поскольку требуется высокая амплитуда смещения при непрерывном режиме работы до 3 - 5
минут без дополнительного охлаждения, пьезокерамика должна обладать высокой
динамической прочностью, высокой добротностью и достаточно большой точкой Кюри.
Для тыльной накладки, назначение которой только обеспечить заданную частоту, необходимо выбрать материал с высокой плотностью и невысоким коэффициентом линейного расширения. При необходимости минимизировать размеры, следует обратить внимание на материалы с меньшей скоростью звука.
Для обеспечения теплового режима в слое склейки желательно между тыльной накладкой и пьезокерамикой иметь термокомпенсирующую шайбу из титанового сплава. К тому же форма шайбы может обеспечить центровку пьезоблока и накладки при склей.
Несоосность очень сильно влияет на качество инструмента (особенно его добротность). Излучающая накладка обычно выполняется вместе с концентратором как одна деталь. Поэтому материал должен выбираться сразу для всей правой части инструмента Материал должен быть легким, коррозийно-стойким, хорошо обрабатываться, быть механически прочным к высоким уровням вибрации, обеспечивать высокую добротность конструкции; иметь низкий коэффициент линейного расширения.
Эквивалентная схема такого инструмента приведена на рис.3 [1].
На эквивалентной схеме показаны следующие элементы. На электрической стороне имеем: С0 - емкость заторможенного пьезоблока; Я0 - сопротивление электрических потерь в пьезоблоке; п - коэффициент электромеханической трансформации; и, I - напряжение, подведенное к пьезоблоку, и ток, протекающий через него.
На механической стороне расположены элементы, относящиеся
- :
в(Л) 0 •
(2п (/))і = ли)п к
)п
(?П (/))2 = -{Ри)п
в(/) I
- тыльной накладке: 2Т (/) = ](рШ)т - (в(/)1 )т,
-
(г" (/))і = Лри (в(/)і) п;
(2" (/)) 2 =■
- лих, в(/) I 2
Здесь р - плотность и стержневая скорость звука, і - площадь поперечного
сечения и длина, Р=2ж/1 - волновое число, Л = ь/ / - длина волны соответствующего элемента.
к
2
2
II
Параметры соответствуют выбранным материалам и геометрическим размерам каждого элемента. При этом для пьезокерамики выбирается скорость У3Е. В точках а, б подключается концентратор. Так как относительно узловой линии элементы несимметричны, все три сопротивления различны и зависят от показателя кривизны.
Для экспоненциальной составляющей концентратора (51 = 50е_аимее м: при
у < Р; у'
= -\1у2 - в2 ; %0Э = рУБ0. N = В0/- отношение диаметра излучающей накладки к диаметру конической части
у\/ )(1 - Ы-сИ(У(/) I) /(/)
0(/){ N - зИ(у1)
--У (/) :
N -в- эк(у' (/) I)
7(/))з = ]1аэ -^--г
/(/) 1 (N - сЬ(у'(/)1) у
в(/) N^ зЫ/(/) I) у'(/)
Для конической части
(7к (/))і = о
в(/) Л Nк-1
1 —
в(/) I $іп(в(/) 1)
(2к (/))2 =
- /70
^в(/>іп(в(/) 1)
2
^ I. £(вС/) I)
Данные расчета преобразователя для выбора конструкции инструмента сведем в
. 1.
Таблица 1
Сводная таблица размеров и параметров элементов конструкции преобразователя для
частоты f = 35 кГц
У
2
№ Элемент Размер, мм 2о=(ри8)ср 8, см2 1, см X, см Р, 1/м
1 Пьезоблок ЦТБС-3 0 20, 0 10 И=5 5 858 (р=7 200 кг/м3 и=3 360 м/с) 2,35- 1к2=2 9,6 65,4
2 Тыльная накладка Ст.35 0 29 0™ 9 23 690 (р=7 800 кг/м3, и=5 050 м/с) 6 1^=0,7 3 14,4 43,5
3 Излучающая накладка 3-1 0 32 0ВН 4 18 300 (р=4 500 кг/м3 и=5100м/с) 7,91 102, Ы=0,9 14,6 43
Результаты расчета инструмента в разных сочетаниях накладок и размеров пьезоблока приведены в табл. 2
Таблица 2
Размеры рабочего инструмента для частоты f = 35 кГц
1т 1 ^(N=2) ^(N=5) ^(N=8) Д
0,036 0,023 0,018 1=1 1Т+0,51К1= =0,035 1т+ 0,51К2 = =0,028 п=1 0,031 п=3 0,0103 п=5 0,0062 3,95-10-4 2,77-10-4 1,42-10-4 1,5ша4 1,1110-4 0,57-10-4 0,99-10-4 0,69-10-4 0,35-10-4 Д 12=2,24-10"2 Д 15=1,42-10"2 Д 18=1,12-10"2 Д 12=188-10"2 Д 15=1,19-10"2 Д 18=0,93-10-2 Д 12=1,34-10"2 Д15=0,85-10'2 Д18=0,67-10"2
Примечание:
1.Тыльная накладка - 029 мм, Ст.35;
2.Форма образующей экспоненты определяется как у/2=| [(1И-Дш) / Д0] / 1Э|, откуда Д2=Д0-ехр[- (у-х)/2], где х изменяется от 0 до 1Э.
По эквивалентной схеме можно оценить энергетические характеристики преобразователя при разной компоновке элементов. Результаты экспериментальной проверки макета хорошо согласуются с расчетом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гальперина ИМ. Расчет сложных ультразвуковых колебательных систем с по-
мощью эквивалентных схем // Акустический журнал, 1977. Т.25. №5. С.710-715.
2. Кривцова ГБ. Акустический преобразователь. Патент РФ №2020846 6 Н 04.
3. Дюдин Б.В. Дюдин В.Б. Ультразвуковая обработка хрупких и твердых материа-
лов в приборостроении: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2002.
4. Кривцова ГБ. Ультразвуковой хирургический аппарат «СУЗА»// Тезисы докла-
дов НТК «Физика и техника ультразвука». 1997. С 204 - 207.
УМЕНЬШЕНИЕ ПЫЛЕВЫДЕЛЕИИЯ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ МЕТАЛЛИЗОВАННОГО СЫРЬЯ
А.С. Тимофеева , Т.В. Никитченко, Л.Н. Крахт
В перспективе распределение установок прямого получения железа в мире представляется существенно неравномерным. Очевидно, что значительная их часть будет располагаться в странах Азии, Африки и Латинской Америки, не имеющих развитой металлургической и машиностроительной промышленности [1]. Следствием этого явится необходимость транспортировки больших количеств металлизован-ного сырья на далекие расстояния, в том числе и морским путем. В известной мере эта проблема возникает и в нашей стране, так как производство металлизованного продукта организовано в нескольких удобных для его получения районах, а потребляться он будет гораздо большим числом металлургических заводов. Также наша страна является поставщиком этого сырья другим странам, как железнодорожным
