ПЬЕЗОЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ФОКУСИРУЮЩЕГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к ингаляторам, к медицинской диагностике и т.д.

Известно применение пьезоэлектрического фокусирующего излучателя ультразвука, выполненного в виде чаши, соединенного с генератором переменного напряжения ультразвуковой частоты, в устройстве для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека (патент Ru №2086178, МПК А61В 8/00, А61В 17/225). При этом фокусирующий излучатель ультразвука выполнен с постоянным фокусным расстоянием при переменной толщине пьезоэлемента, причем отношение его максимальной толщины к минимальной равно 1,01-1,15, а генератор переменного напряжения ультразвуковой частоты выполнен с возможностью регулирования по частоте с соотношением максимальной частоты к минимальной в диапазоне 0,01-1,15. Технический результат: расширение возможности повышения дозы ультразвуковой энергии в пределах онкологически пораженных участков биологической ткани. Недостатком данного изобретения является жесткое требование к соотношению толщин пьезоэлемента, которые невозможно обеспечить при высокотемпературных обработках керамики.

В ультразвуковом устройстве для визуализации и исследования состояния структур (заявка Ru №96112975, МПК А61В 8/14 приоритет от 27.06.1996 г.) для фокусировки акустического излучения используется фокусирующая линза, выполненная из материалов с равными акустическими импедансами. Недостатком данного решения является применение дополнительных устройств в виде акустических линз, которые сильно удорожают и усложняют устройство фокусировки акустического излучения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является пат. RU №2139745, МПК А61N 7/00.

Устройство для воздействия ультразвуком на внутренние участки организма человека, содержащее фокусирующий пьезоэлектрический излучатель ультразвука, выполненный в виде чаши, толщина и радиус кривизны которой изменяются в зависимости от угла раскрытия, причем максимальное отношение радиуса кривизны к минимальному равно 2, а отношение максимальной толщины пьезоэлемента к минимальной равно 1,01-1,2.

Недостатком данного устройства является сложная форма пьезоэлемента, которую сложно воспроизвести и сохранить в технологическом процессе его изготовления во время высокотемпературных обработок. Если пьезоэлемент изготавливать с помощью механической обработки, он получится очень дорогим. Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в эффективной фокусировке акустического излучения в зоне геометрического фокуса пьезоэлемента, имеющего форму сферической оболочки, и в увеличении акустической энергии в фокальном пятне. Поставленная задача решается с помощью пьезоэлемента для фокусирующего ультразвукового излучателя, выполненного из пьезокерамики в виде части сферической оболочки с углом раскрытия до 180°, характеризующегося тем, что в вершине части сферической оболочки пьезоэлемента выполнен плоский участок, толщина которого совпадает с толщиной части сферической оболочки, а соотношение диаметра плоского участка и диаметра части сферической оболочки составляет 15-25% для обеспечения максимального акустического давления в фокальном пятне на резонансной частоте.

Достижение технического результата проводилось за счет оптимизации геометрической формы пьезоэлемента с помощью математического моделирования с использованием программы ANSYS. Для работы была создана программа Men Water lien. txt, которая применяется для расчета характеристик ультразвукового излучения в жидкости и определения параметров фокального пятна.

Рассмотрены и рассчитаны математические модели пьезокерамических фокусирующих излучателей и зависимость акустического давления в фокальной области от формы пьезоэлемента.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что в вершине части сферической оболочки пьезоэлемента выполнен плоский участок, толщина которого совпадает с толщиной части сферической оболочки, а соотношение диаметра плоского участка и диаметра части чферической оболочки составляет 15-25% для обеспечения максимального акустического давления в фокальном пятне на резонансной частоте.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в эффективной фокусировке акустического излучения в зоне геометрического фокуса пьезоэлемента, имеющего форму сферической оболочки, и в увеличении акустической энергии в фокальном пятне. Таким образом, появляется новое техническое средство для достижения технического результата.

Изобретение поясняется фиг.1-7, полученными при математическом моделировании пьезоэлемента с различными размерами плоского участка в вершине сферического пьезоэлемента. Расчет показывает, что максимальное акустическое давление в фокальном пятне на резонансной частоте наблюдается при соотношении диаметра плоской части и диаметра сферической части пьезоэлемента 15-25%. При увеличении диаметра плоской части до 60% и более пьезоэлемент излучает параллельный акустический пучок с малой расходимостью.

На фиг.1 показан результат математического моделирования акустического излучения на резонансной частоте сферическим пьезоэлементом. Акустическое давление в фокальной зоне 12,5 МПа.

На фиг.2 показан результат математического моделирования модуля давления акустического излучения на резонансной частоте сферическим пьезоэлементом с плоской частью в вершине, диаметр которой равен 1 мм или ≈5% от диаметра его сферической части. Акустическое давление в фокальной зоне 40,2 МПа.

На фиг.3 показан результат математического моделирования модуля давления акустического излучения на резонансной частоте сферическим пьезоэлементом с плоской частью, размер которой равен 3 мм или ≈16% от радиуса кривизны его сферической части. Акустическое давление в фокальной зоне - 47,2 МПа.

На фиг.4 показан результат математического моделирования модуля давления акустического излучения на резонансной частоте сферическим пьезоэлементом с плоской частью, размер которой равен 11 мм или ≈61% от диаметра его сферической части. Акустическое давление в фокальной зоне - 11,9 МПа.

На фиг.5 показана зависимость уровня акустического давления в фокальной зоне сферического пьезоэлемента на резонансной частоте f_r=2,64 МГц в зависимости от диаметра плоского участка.

Параметры фокального пятна: акустическое давление, интенсивность звуковых колебаний и их энергия зависят от частоты приложенного к пьезоэлементу переменного напряжения и соотношения размеров плоского участка и радиуса кривизны сферической части пьезоэлемента.

Анализ фиг.1-6 показывает, что наибольшее акустическое давление в фокальной зоне сферического пьезоэлемента достигается при наличии в вершине пьезоэлемента плоского участка, размер которой составляет 15-25% от диаметра сферической части.

Пример функционирования пьезоэлемента.

Внешний вид пьезоэлемента с плоской частью изображен на фиг.6. На фиг.7 показан разрез пьезоэлемента, где 1 - сферическая часть пьезоэлемента диаметром ⊘, 2 - плоский участок, d - диаметр плоского участка, R_1,2 - радиусы кривизны сферической части пьезоэлемента.

Функционирование пьезоэлемента с соотношением d/⊘˜22% подтверждается при его возбуждении переменным напряжением от генератора в составе медицинского ингалятора.

Скорость испарения жидкости (воды) таким пьезоэлементом превосходит скорость испарения жидкости сферическим пьезоэлементом без плоской части в 1,3 раза. Это свидетельствует о более эффективной фокусировке акустического излучения пьезоэлементом с плоской частью и обеспечивает технический результат.