CS270513B1

CS270513B1 - Ultrasonic head especially for physical therapy

Info

Publication number: CS270513B1
Application number: CS879625A
Authority: CS
Inventors: Ivan Ing Markuss
Original assignee: Ivan Ing Markuss
Priority date: 1987-12-22
Filing date: 1987-12-22
Publication date: 1990-07-12
Also published as: CS962587A1

Abstract

Podetata riešenia spočívá v tom, že duralová membrána (3) je spojená pevne s ultrazvukovým meničom fl) prostredníctvom vrstvy (2) vytvrdenej živice, ktorej hrúbka je daná vztahom: 7 = Χ·η/23, kde n ■» 2,3, o je rýchlost šírenia vln v daných materiáloch a f je frekvencia v Hz.The solution consists in the fact that the duralumin membrane (3) is firmly connected to the ultrasonic transducer (1) by means of a layer (2) of hardened resin, the thickness of which is given by the relation: 7 = Χ·η/23, where n ■» 2.3, o is the speed of wave propagation in the given materials and f is the frequency in Hz.

Description

CS 270513 B1 1CS 270513 B1 1

Vynález sa týká ultrazvukové) hlavice najma pre fyzikálnu terapiu. Základným požladavkom pre ultrazvuková hlavicu pre fyzikálnu terapiu v aúčasnostije, aby ohrievala telesné tkanivo v jeho hlbke a minimálně na povrchu. Ultrazvuková hla-vice neamle byt zdrojom len povrchového ohřevu pokožky v dSsledku oteplenia niektorejkonstrukčněj čaati stratovýra teplou vznikájúcim při premene elektrickej budiacej energiena vlbračnú a pri přenose cez vlnovod ku pokožke. Vyžarovacia, alebo elektroakustickéúčinnost premeny elektrickej budiacej energie hlavice na energiu ultrazvukového lúčav telesnom tkanive závisí odj - mechanického a elektrického atratového koeficiente elektromechanického menlča, v sú-časnosti výhradně piezokeramlckého, - sposobu mechanického pripojenia menlča, alebo k němu upevněných vlnovodových časti kukrytu ultrazvukové) hlavice, - stratových koeficlentov a hrábky materiálov vytváraJúcich vlnovod v smere Sireniavlny, - kvality mechanickoakustického prisposobenia vlnového odporu ultrazvukového menlčak vlnovému odporu tělesného tkaniva.The invention relates to an ultrasonic head, especially for physical therapy. An essential ultrasonic head for physical therapy and now is to heat body tissue at its depth and at least on the surface. The ultrasonic head can only be the source of skin surface heating due to the warming of some structural stratum heat generated by the conversion of the electric excitation energy to the wavelet and the transmission through the waveguide to the skin. The radiating or electroacoustic efficiency of the conversion of the electric excitation energy of the head to the energy of the ultrasonic beam to the body tissue depends on the mechanical and electrical attrition coefficient of the electromechanical malfunction, currently solely piezoceramic, the method of mechanically attaching the indent or the waveguide portion of the ultrasonic head of the saccharide attached thereto, - loss of coefficients and rakes of materials forming the waveguide in the direction of the Sirenavaline, - the quality of the mechanical-acoustic adaptation of the wavelength resistance of the ultrasound to the wave resistance of the body tissue.

Piezokeramické neniče, sú zváčSa vo formě diskov, ktorých priemer je asio rádváčSí, ako polvlnová hrúbka určujúca základná mechanická frekvenciu hrúbkového mSdu kmi-tov. Sú z kvalitných materiálov na báze Pb Zr Ti 03 zabezpečujúcich stabilitu elektro-mechanických parametrov pri vysokých budenlach a najmS vysoká potenciálnu účinnost Τ’to je maximálně dosiahnutelnú vyžarovaoiu účinnost (eax^ presahujúcu vysoko cez90 % určená nízkými elektrický*! e mechanickými stratovýml činltelmi. Tieto potom urču-jú vSeobecne známým spSsobom vypočítaný takzvaný potenolálny vstupný elektrický odpormenlča RTpCnJudávájúci vlastně priemer impedančného 'kruhového* diagramu potenciálněmechanicky zataženého piezoelektrického menlča. SalSie dSležlté parametre sú tieto:Piezoceramic non-wipe, in the form of discs, the diameter of which is asio, as the half-wavelength determining the basic mechanical frequency of the thickness of the wires. They are made of high-quality materials based on Pb Zr Ti 03 ensuring the stability of electro-mechanical parameters at high voltages and in particular the high potential efficiency is maximally achievable radiating efficiency (eax ^ exceeding high over 90% determined by low electrical mechanical loss agents). then, the so-called potential input electrical resistor of the RTpCn coefficient is determined by the generally known impedance circular diagram of the potentially mechanically retracted piezoelectric resistor.

Elektrická kapacita zabrzděného menlča co (tak zvaná statická) ke9 CQ c’3 ZF/Electrical capacity of the braked malfunction co (so-called static) ke9 CQ c'3 ZF /

Antirezonančný, respektive tiež paralelný kruhový kmitočet. íii"p * 2 JI· [s j Hz J (Λ Q '* /1Anti-resonance or parallel circular frequency, respectively. jii "p * 2 JI · [s j Hz J (Λ Q '* / 1

Elektromechanický transformačný činitel [ » »·*./& ke9 JLa Je piezoelektrická konstanta /t.m“^/ Sj t - vyžarovacia. plocha /m^/ a hrúbka mě-niče /m/ Z takýchto meničov je známe vytverovanie ultrazvukových hlavic tým, že sa ku měni-čů přilepí disk s rovnakou plochou a s hrúbkou rovnou polovičke vlnovej dlžky λ/ζ,pričom se vo vzdialenosti ΛΜ vytvoří membránové medzlkružie pre pripojenle k nosnémupuzdru hlavice. Takéto rieSenie sice obmedzí straty energie prlenikom do púzdra a držia-ku, ale nezaručuje prlspdsobenie vlnovýoh odporov a obmedzenie mechanických etrát, pro-tože hrúbka A/2 je pre běžné materiály prillS absorbujúoa. □e známe prlspdsobenie pomocou jednej vrstvy A/ý alebo dvoch 'tenkých* vrstievtenSich ako A'/<f0 , ktorých materiály sa volia a hrůbky vypočltavajú s ohladom na mini-málny Činitel odrazu, ale přitom sa neuvažujú potenciálně parametre menlča, ale len jehomateriálový vlnový odpor kě3 - hustota /kg.m"'y i _2 - modul pružnosti /Fj.m v Ú/ jí CS 270513 B1Electromechanical Transforming Factor [»» · *. / &Amp; ke9 JLa Is piezoelectric constant /t.m"^/ Sj t - radiating. area / m 2 / and the thickness of the transducer / m / Such transducers are known to form ultrasonic heads by sticking to the transducers a disk with the same surface and a thickness equal to half the wavelength pričom, forming a diaphragm ring for attachment to the head support sleeve. Although such a solution will limit the energy loss through the enclosure and the holder, it does not guarantee that the wave resistances are compromised and the mechanical slats are limited, since the thickness A / 2 is absorbed by conventional materials. There is known to be a single layer A / ý or two 'thin * layers like A' / <f0, the materials of which are chosen and the ridges computed with respect to the minimum reflection factor, but the potential parameters of the menlc are not considered. wavelength k3 - density /kg.m"'yi _2 - modulus of elasticity / Fj.mv CS / CS 270513 B1

Takto rieSené hlavice majú sice velkú Sirku frekvenčného pásma a možu vyhovietaplikóciam ultrazvukové) meracej techniky s impulznou prevádzkou, ale vo výkonovou)přenose nie je ich účinnost v každom ohlade uspokojivá, podstatné klesá pod hodnotu po-tenciálně) účinnosti piezokeramického meniča.Although these heads have a large frequency bandwidth and can accommodate the ultrasonic measuring devices with pulsed operation, but their performance is not satisfactory in every respect, they are substantially reduced below the potential value of the piezoceramic transducer efficiency.

VySSie uvedené nevýhody odstraňuje ultrazvuková hlavice najma pre fyzikálnu tera-piu podlá vynálezu, kterého podstatou je, že na čele nosného puzdra je pevne uchytenáduralová membrána s pevne připojeným ultrazvukovým meničom prostredníctvom vrstvy vy-tvrdenej živice. Ultrazvukový měnič je vodivo spojený prostredníctvom kontaktného med-zikružia s nosným puzdrom. Hrúbka duralovej membrány a vrstvy vytvrdenej živice je danévztahom: L -- kde n - 2,3 c3 je rýchlost Sírenia vln v durale c2 je rýchlost Sírenia vln vo vytvrdenej živici f je frekvencia /Rz/ Výhodou ultrazvukové) hlavice podlá vynálezu, ktoré využívá v principe známu mož-nost bezodrazového prispdsobenia meniča ku odporu prostredia R = 1,5 . 1O6 kg.m-1 .s"1pomocou dvoch vrstiev rozličných materiálov s tým rozdielom, že pri určovaní ich hrúbokneberie do úvahy , ale zohledňuje potencionálně parametre meniča zahrnuté najma do výstupného vlnového odporu Rj /kg.m“2.s“^/ s útlumovým číslom meniča ufy Co · , čo sa prakticky přejav! v podstatné zmenšenej hrúbke a tým aj strát vlnovodu.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the ultrasonic head especially for the physical therapy according to the invention, the essence of which is to firmly adhere a silicone membrane with a firmly connected ultrasonic transducer through the hardened resin layer on the support sleeve face. The ultrasonic transducer is conductively coupled via a contact honeycomb to the support sleeve. The thickness of the dural membrane and the cured resin layer is given by: L - where n - 2,3 c3 is the velocity of the wave propagation in durale c2 is the velocity of the wave propagation in the cured resin f is the frequency (Rz) of the ultrasonic head of the invention used in the principle of the possibility of an anechoic adaptation of the converter to the ambient resistance R = 1.5 is known. 1O6 kg.m-1 .s "1 by means of two layers of different materials except that it is not taken into account in determining their thickness but takes into account the potential parameters of the converter included in particular in the output wave resistance Rj /kg.m"2.s"^/ s the attenuation number of the ufa converter Co ·, which is practically passed in a substantial reduced thickness and thus the waveguide loss.

Vynález využívá sice známu kombináciu materiálov tenkých vrstiev a to dural v sty-ku s pokožkou tělesného tkaniva spolu s vytvrdenou živicou, ktorá sprostredkuje stykmedzi meničom a duralom, ale naviac stanovuje pře túto kombináciu výpočtem charakteris-tické útlmové číslo meniča ďptCo· Rr/>»/,8urču júce, že pre dosiahnutie vysokej účinnostihlavice je potřebné vtedy zachovat a pri tifjo ·βθ·7?τρ nepřekročit hrůbky vrstievpodlá vynálezu. V případe, že meniče budú matuTp-Cj& vtedy stanovuje napriek stúpajúcej hod-notě hrůbky 12 dodržet X2 /23 a hrůbku lg upravit podlá závislosti. ZvačSenie hrůbkyživice by teoreticky zlepšilo prispdsobenie a účinnost, ale v dosledku veíkého strato-vého koeficientu tohto materiálu bola by táto úprava prakticky neefektívna. V případe, že meniče budú mat Ufy-Co >Ί,8 vtedy stanovuje napriek stúpajúcejhodnotě hrůbky lg dodržet TUj/ži a hrůbku 12 zmenSit podlá závislosti. ZvačSeniehrůbky duralu by málo teoreticky zlepSit prisposobenie, ale v dosledku priameho stykutohto materiálu s nosným puzdrom by nastal zvačšený prienik energie do konštrukcie a praktické eliminovanie želaného efektu.Although the present invention utilizes a known combination of thin film materials, namely duralumin in contact with the skin of the body tissue, along with a cured resin which mediates between the transducer and dural, it furthermore specifies the combination of the characteristic attenuation number of the transducer dptCo · Rr>>. (8) Despite the fact that, in order to achieve a high efficacy of the head, it is necessary to keep the ridge of the layers according to the invention at tifjo · βθ · 7? Τρ. If the drives are mattp-Cj & at that time, despite the rising ridge value 12, X2 / 23 is set and the ridge lg is adjusted according to dependence. The resurgence of rhinoceros would theoretically improve the adaptation and efficiency, but in the wake of the large loss coefficient of this material, this treatment would be virtually inefficient. If the converters have a Ufy-Co> 8, then at the same time, despite the rising value of the ridge lg, it determines TUj / g and the ridge 12 to change according to dependence. The duralumin scaling would not theoretically improve the adaptation, but due to the direct contact of this material with the support sleeve, there would be an increased penetration of energy into the structure and practical elimination of the desired effect.

Na připojených výkresoch Je znázorněné příkladné riešenie ultrazvukové) hlavicepodlá vynálezu, kde na obr, l je nakreslená v osovom řeze, na obr. 2 je nakreslenýzvačšený detail Ά’ z obr. 1 a na obr. 3 sú nakreslené priebehy vlnových hrúbok vrstvyvytvrdenej živice a duralovej membrány v závislosti od útlmového čísla meniča.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In the accompanying drawings, an exemplary ultrasonic head according to the invention is shown, wherein FIG. 1 shows an axial section, FIG. 2 shows an enlarged detail of FIG. 1, and FIG. 3 shows waveforms of a layer of hardened resin and duralumin the diaphragm depending on the attenuator number.

Ultrazvuková hlavice pre fyzikálnu terapiu pozostáva z ultrazvukového meniča 1^ ktorý je přilepený prostredníctvom vrstvy 2 vytvrdenej živice hrůbky 12 -λα/23 ku duralovej membráně 3 hrůbky 23'- Duralová membrána 3 je svojim okrajem pri- CS 270513 B1 3 lepené na nosné puzdro 4. Vodivé prepojenie hornej elektrody ultrazvukového neniče 1_s nosným puzdrom 4 je prostredníctvom kontaktného medzikružia 5. Nosné puzdro 4 jeprostrednictvom závitu 6 pevne uložené na držiaku 7, pričom medzi nosným puzdron 4a drž lakom 7 je uložený tesnlaci krúžok 8. Vodivé spojenle tlenenia privodného kábla9 a hornej elektrody ultrazvukového meniča l Je vytvořené okrajom plošného spoja iopřitlačeného k nosnému puzdru 4. Vodivé spojenle žily privodného kébla 9 a dolnejelektrody ultrazvukového meniča _1 Je cez pružný kontakt 11» · priebehy vlnových hrúbok (obr. 3) vrstvy 2 vytvrdenej živice a duralovej membrá-ny 3 v závislosti od útlmového čísla ultrazvukového meniča 1 vypočítané pre bezodrazovéprispSsobenie výstupného odporu meniča R* ku odporu prostredla 1,5 . 10® kg.m“2 . s“1.pri rozmedzl útlmového čísla íďp>Co- Rrp od o,5 do 3 sú hrůbky λζ od0,l6 do . 1,8 . 10"2 a hrůbky v rozmedzl od 8.10“3 do 5,2 , io"2 ke8 } Au *; c2 a c3 sú rýchlostl šlrenia pozdlžných vln v daných materiálech /m.s"1/ a f Je pra-covná frekvencla /R</J pričom obvykle f« £ f JÉ fp Účelnost a základný princip prispfisobovania bol ověřovaný na skupině 25 kusov piezo keramických diskov 20 x 2 z materiálu PKM 15A s parametrem!: fp » 1,139 MHz rozsah < 1,09, 1,197> MHZ e33- 14,6 C.m“2 rozsah <12,8 , 16,2 > C.m‘ CQ - 960 pF rozsah <7,65, 1200 > PF - 98,3 % rozsah <97,7 , 98,9 > % tJj. · Ca · 7$t/3 »2,5 rozsah <1,14, 5,7 > Lůp -Ca ·7ϊτρ « 1,47 rozsah .. <°'46' 2,45 > s - meraný pro vyšších budeniechThe ultrasonic head for physical therapy consists of an ultrasonic transducer 1, which is glued through layer 2 of cured bitumen 12 -λα / 23 to dural membrane 3 ridges 23'- Dural membrane 3 is glued to the support sleeve 4 with its edge at CS 270513 B1 3 The conductive interconnection of the upper electrode of the ultrasonic non-scavenger 1 with the support sleeve 4 is via a contact ring 5. The support sleeve 4 through the thread 6 is fixedly mounted on the holder 7, wherein a sealing ring 8 is supported between the support sleeve 4a and the lacquer 7. The ultrasonic transducer electrode 1 is formed by the edge of the printed circuit board pressed against the support sleeve 4. The conductive connective veins of the feeder sleeve 9 and the lower electrode of the ultrasonic transducer 1 are through the elastic contact 11 'of wave thicknesses (FIG. 3) of the cured resin layer 2 and the dural membrane. 3 depending on the attenuation number and an ultrasonic transducer 1 calculated for the non-reflective match of the output resistance of the R * to the resistor of 1.5. 10® kg.m “2. with “1.p of the attenuation range of íp> Co- Rrp from o, 5 to 3 the ridges are λζ from0,16 to. 1.8. 10 "2 and ridges ranging from 8.10" 3 to 5.2, i "2 ke8} Au *; c2 and c3 are the velocity of the longitudinal wave propagation in the given materials / ms " 1 / f < / RTI > x 2 of PKM 15A with parameter !: fp »1,139 MHz range <1,09, 1,197> MHZ e33- 14,6 Cm“ 2 range <12,8, 16,2> Cm 'CQ - 960 pF range <7 , 65, 1200> PF - 98.3% range <97.7, 98.9>% Jj · Ca · 7 $ t / 3 »2.5 range <1.14, 5.7> Base -Ca · 7ϊτρ «1.47 range .. <° '46 '2.45> s - measured for higher wakeups

Tleto meniča bolí v přípravku zatažované do prostredla len bez prispSsobovacíchvrstiev a merané bole ich vyžarovacla účinnost , ktoré sa zletilá v rozsahu od 94 %do 97,5 %. Hlavné vSak je, že bola zistená zřejmá koreláoia daná závislostou změnyúčinnosti í/¼ -''fy) Ι 'Ρρ na odchylko odporov - 1,5.106) / R1# čo potvrdilo principi-ólnu opodstatněnost rlešenla účinnej hlavice. Odchylky Á R.lOO / R^ 70% spdsobovallpokles účinnosti len - 4,5% avšak i to by málo v praktickej výkonovej prevédzke svojvýznam. Vyžarovacla účinnost ultrazvukových hlavic sa pohybovala od 92% do 94%, pričompokles voči potenciálnej účinnosti meničov možno pripisat prieniku energie do nosnéhopuzdra 4. V lekérskej praxi sa vyskytujú případy, že ultrazvukové hlavice pre fyzikálnu te-rapiu pracujú v náročných podmlenkach teplého prostredla v ktorom má každé percentoušetřené na vlastnýoh stratách energie svoj význam. Ako pri priamokontaktnom maséžnom,tak i při ponornom spSsobe ožarovanla tělesného tkaniva mSže dochádzat k odrazom lúčanapříklad od kosti, stien vanl a podobné smerom k povrchu sondy a tým aj k mlernemu zvý-šeniu teploty, ktoré meni tiež parametre ultrazvukového meniča. Slm vSčšl ohřev hlavicesa v praxi předpokládá, tým vSčile nároky sa potom kladů na riešenie teplotnej stabili-zácie frekvencie a prisp8sobovania zátaže v generátore.The transducer hurts in the formulation drawn into the medium only without adjusting the layers and measured the radiating efficiency thereof, which ranges from 94% to 97.5%. However, the main correlation has been found to be due to the variation in efficacy of / / ¼ - '' fy) Ρ 'Ρr to the deviation of the resistances - 1.5.106) / R1 #, which confirmed the principle of justification of the efficacy of the active head. Deviations of R.R100 / R ^70%, however, only a 4.5% decrease in efficiency, but this would be of little importance in practical performance. The radiating efficiency of the ultrasonic heads ranged from 92% to 94%, while the power efficiency of the transducer housing can be attributed to the potential efficiency of the transducers. In practice, there are instances where ultrasonic heads for physical therapy work in the demanding conditions of the warm environment in which every percentage of the energy losses it owns. In both direct contact and immersion methods, radiation of the body tissue may result in reflections of the beam, such as from the bone, walls and the like, towards the surface of the probe, and thereby a misty increase in temperature, which also changes the parameters of the ultrasonic transducer. In practice, the heating of the head assumes, in practice, the need to solve the temperature stabilization of the frequency and the adjustment of the load in the generator.

Zhotovenie prispSsobených fyzikálno-terapeutických hlavic, podlá vynálezu, pretopředpokládá tThe production of adapted physico-therapeutic heads according to the invention assumes t

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Ultrasonic head, especially for physical therapy, consisting of a holder on which a support housing and an ultrasonic transducer are fixedly detachably mounted, characterized in that a duralumin membrane (3) with a permanently connected ultrasonic transducer (1) is fixedly attached to the front of the support housing (4) by means layer (2) of cured resin, the ultrasonic transducer (1) being conductively connected via a contact intermediate ring (5) to the support housing (4), while the thickness of the duralumin membrane (3) and the layer (2) of cured resin is given by: