Разработка диагностического линейного датчика для узи

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические основы проектирования медицинских ультразвуковых преобразователей

1.1. Физика ультразвуковых колебаний и принципы формирования линейного кадра сканирования

1.2. Характеристика пьезоэлектрических материалов и современные технологии их производства в России

1.3. Нормативное регулирование разработки биотехнических систем в рамках стандартов ГОСТ Р и приказов Минздрава России

Глава 2. Структура, принцип функционирования и области применения линейных датчиков

2.1. Расчет конструктивных параметров пьезоэлемента и акустического импеданса согласующих слоев

2.2. Анализ электроакустических характеристик и схемотехнических решений интерфейса подключения

2.3. Оценка метрологической надежности и безопасности эксплуатации датчика в клинической практике

Глава 3. Описание технологии изготовления датчика

Глава 4. Трехмерные фантомы в соответствии ГОСТ Р 55717-2013

Заключение

Список использованной литературы

РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ДАТЧИКА ДЛЯ УЗИ

Введение

Ультразвуковая диагностика остается одним из наиболее востребованных методов медицинской визуализации в современной клинической практике, обеспечивая неинвазивность, безопасность и высокую информативность исследований. В условиях реализации государственной программы импортозамещения медицинских изделий и необходимости технологического суверенитета России актуальность разработки отечественных ультразвуковых преобразователей приобретает стратегическое значение для здравоохранения.

Линейные датчики составляют основу диагностических исследований поверхностно расположенных структур и являются базовыми инструментами в акушерстве, ангиологии, хирургии и педиатрии. Современные требования к биотехническим системам предполагают высокую разрешающую способность, широкий динамический диапазон и надежность в условиях интенсивной эксплуатации.

Степень разработанности проблемы в отечественной технической литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований в области пьезоэлектрических преобразователей, однако практические разработки отечественных линейных датчиков представлены ограниченно, что определяет научно-практическую значимость настоящей работы.

Цель курсовой работы: разработка конструкции и обоснование технических решений диагностического линейного датчика для ультразвуковой визуализации с характеристиками, соответствующими требованиям современных клинических протоколов.

Задачи исследования:

• изучить физические основы ультразвукового сканирования и принципы формирования линейного кадра;
• проанализировать характеристики пьезоэлектрических материалов и нормативное регулирование разработки биотехнических систем;
• провести расчет конструктивных параметров пьезоэлемента и акустического импеданса согласующих слоев;
• разработать технологию изготовления датчика;
• описать методику оценки метрологических характеристик с применением трехмерных фантомов.

Объект исследования: линейный ультразвуковой преобразователь для медицинской диагностики.

Предмет исследования: конструктивные, электроакустические и технологические параметры линейного датчика.

Методологическая база включает теоретические основы пьезоэлектрического эффекта и распространения ультразвуковых волн, расчетные методы определения параметров многослойных акустических систем, нормативно-техническую базу ГОСТ Р МЭК 60601-1-2020, ГОСТ Р 55717-2013, ТР ТС 017/2011.

Научная новизна заключается в обосновании оптимальных конструктивных решений для линейного датчика с рабочей частотой 5-12 МГц и детализации технологического процесса изготовления.

Теоретическая значимость определяется систематизацией данных о пьезокерамических материалах отечественного производства и методах расчета акустических параметров. Практическая значимость состоит в разработке технической документации для производства линейного датчика.

Структура работы включает введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы.

Глава 1. Теоретические основы проектирования медицинских ультразвуковых преобразователей

1.1. Физика ультразвуковых колебаний и принципы формирования линейного кадра сканирования

Ультразвуковые колебания представляют собой механические волны с частотой выше порога слышимости человеческого уха, в диапазоне от 20 кГц до нескольких гигагерц. В медицинской диагностике применяются частоты от 1 до 20 МГц, обеспечивающие оптимальное соотношение глубины проникновения и пространственного разрешения. Распространение ультразвука в биологических тканях подчиняется законам акустики и определяется акустическим импедансом среды, который характеризует сопротивление среды прохождению звуковой волны.

Акустический импеданс Z представляет собой произведение плотности среды на скорость распространения звука в ней и измеряется в райлах. Для мягких тканей человеческого организма характерны значения импеданса в диапазоне 1,3-1,7 МРайл, что близко к импедансу воды. При переходе волны из одной среды в другую на границе раздела возникают отражение и преломление, интенсивность которых определяется коэффициентом отражения, зависящим от разности акустических импедансов сред [1, c. 45].

Формирование ультразвукового изображения основано на регистрации отраженных сигналов от границ раздела тканей с различными акустическими свойствами. Линейный датчик содержит решетку пьезоэлементов, расположенных в линейную конфигурацию, каждый из которых способен генерировать и принимать ультразвуковые импульсы. Принцип формирования линейного кадра заключается в последовательной активации групп элементов с формированием множества параллельных линий сканирования, совокупность которых образует прямоугольное изображение исследуемой области [3, c. 78].

Пространственное разрешение ультразвукового изображения определяется аксиальным и латеральным разрешением. Аксиальное разрешение зависит от длительности импульса и частоты ультразвука, составляя приблизительно половину длины волны. Для частоты 7,5 МГц при скорости звука в мягких тканях 1540 м/с длина волны составляет около 0,2 мм, что обеспечивает аксиальное разрешение порядка 0,1 мм. Латеральное разрешение определяется шириной ультразвукового луча и зависит от апертуры датчика, частоты и фокусировки.

Линейный формат сканирования обеспечивает постоянную ширину изображения на всей глубине и прямое соответствие между положением элементов решетки и точками на экране, что делает его предпочтительным для исследования поверхностно расположенных структур. Глубина проникновения ультразвука ограничивается затуханием, которое нарастает экспоненциально с увеличением расстояния и частоты. Для мягких тканей коэффициент затухания составляет приблизительно 0,5-1 дБ/см/МГц [5, c. 112].

Современные линейные датчики используют технологию электронного фокусирования, при которой задержки в возбуждении и приеме сигналов отдельных элементов решетки создают эффект динамической фокусировки луча на заданной глубине. Это позволяет о

…