Акустические датчики для эхотахогемофона Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МИС-98

III. Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике

///.СЕКЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ И АКУСТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ

УДК 631.

АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ ЭХОТАХОГЕМОФОНА

Е.И. Ситало, Ю.А. Лабанцев, Е.С. Цихоцкий, П.В. Иванов, Л.А. Резниченко

НИИ физики Ростовского государственного университета, 344090, г.Ростов-на-Дону, пр.Стачки, 194, Тел: +7-8632-285122 факс: +7-8632-285044, Е - mail: [email protected]

В настоящее время одними из основных областей применения ультразвуковых (УЗ) преобразователей являются неразрушающий контроль материалов и медицинская диагностика. Тенденции их развития проявляются в повышении рабочих частот УЗ-преобразователей, миниатюризации устройств и создании многоэлементных конструкций. В медицинской диагностической аппаратуре это необходимо, прежде всего, для идентификации мелких объектов:

И в офтальмологии - УЗ измерение толщины роговицы, анализ мелких структур глаза;

И в остеометрии - исследование состояния костей пациентов: трещины, переломы, вымывание кальция;

И в кардиологии - контроль состояния стенок сосудов и клапанов сердца.

В качестве основного материала УЗ преобразователей медицинских приборов в настоящий момент используется пьезокерамика на основе цирконата-титаната свинца (ЦТС). В частности, для работы пьезопреобразователей в эхо-режиме и режиме приема используются чувствительные материалы марки ЦТС-19 и ПКР-1.

Такая керамика используется в раздельных акустических датчиках (АДР-2, АДР-4, АДР-8), предназначенных для применения в составе эхотахогемофона -доплеровского индикатора скорости кровотока, работающего в режиме непрерывного излучения. В настоящий момент НИИ физики РГУ имеет возможность производить такие датчики в количествах, согласованных с заказчиком. Выпущен комплект соответствующей рабочей документации.

Основные электроакустические параметры датчиков типа АДР приведены в

таблице.

Таблица

Наименование параметра Величина

1. Рабочая частота, 1р ,МГц 2; 4; 8

2. Коэффициент приема-передачи, не менее 0,3

3. Площадь излучателя, не менее, см2 1,2

4. Активное сопротивление на рабочей частоте: Ш приемника, ЯП, Ом Ш излучателя, ЯИ, Ом от 50 до 500 от 50 до 500

5. Акустическая развязка приемника и излучателя датчика - отношение напряжения возбуждения излучателя к напряжению приемника на рабочей частоте, Ь, дБ, не менее 40

Условия эксплуатации :

Ш температура окружающего воздуха, °С

от 10 до 35

Ш относительная влажность окружающего воздуха при 25 °С, % 80

Ш атмосферное давление, кПа

100 ± 4

По условиям транспортирования датчик устойчив к температурным воздействиям в пределах от минус 50 до +60 С, а также к воздействиям вибрации с частотой 55 Гц и виброускорением 30 м/с2.

Габаритные размеры датчика АДР-2 приведены на рисунке.

Описанные выше датчики используются в составе индикатора скорости кровотока с выделением направления (ИСКН). При применении акустических датчиков АРД непосредственно в приборах типа ИСКН они должны удовлетворять следующим основным требованиям.

1. Рабочая частота ультразвуковых колебаний 1р должна быть в пределах

Необходимо отметить, однако, что при определенных режимах работы датчиков медицинской аппаратуры свойства применяемой в них пьезокерамики ЦТС не являются оптимальными, что требует поиска альтернативных материалов. К таким материалам относятся титанат и метаниобат свинца, различные пьезокомпозиты керамика-полимер и сегнетопьезоматериалы на основе ниобатов щелочных металлов.

5,28 МГц ± 0,5 МГц.

2. Интенсивность более 50 мВт/см .

колебаний - не менее 3 мВт/см2 и не

Датчик акустический раздельный. АДР-2. Габаритные размеры. . <¿2# і

*4

■ч

1 - корпус датчика;

2 - кабель;

3 - бирка маркированная;

4 - разъем.

Рис. Чертеж датчика АДР-2

МИС-98

III. Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике Преимуществами последних являются:

Ш высокая скорость звука ( для толщинной моды колебаний частотная постоянная N = 3000 кГц»мм, т.е. У3В = 6000 м/с ), определяющая высокочастотный диапазон эксплуатации УЗ-преобразователя и позволяющая получать заданную частоту на менее тонких пластинах, что в свою очередь приводит к уменьшению емкости преобразователя;

Ш низкая плотность ( р = 4,5 г/см3 ), приводящая, с одной стороны, к значительному снижению веса изделий, а с другой - к уменьшению акустического импеданса (

= рУ3° < 27»106 кг/(м2с) ), что необходимо для хорошего согласования с акустической нагрузкой;

Ш достаточно низкая диэлектрическая проницаемость ( е°33/е0 < 100 ), что важно для электрического согласования с нагрузкой генератора;

Ш повышенный толщинный коэффициент электромеханической связи ( К = 0,480,51 ), характеризующий эффективность работы преобразователя в эхо-режиме и режиме приема;

Ш достаточная анизотропия пьезосвойств ( Кр = 0,25-0,30; К(/Кр > 2 ), что позволяет улучшить отношение сигнал/шум и упростить технологию, исключив операцию резки материала на субэлементы;

Ш низкие диэлектрические - tg 5 и умеренные механические -( рм < 100-150 на толщинной моде ) потери, что важно для получения коротких импульсов и равномерных амплитудно-частотных характеристик.

Кроме того, воспроизводимость свойств ниобатной сегнетопьезокерамики не уступает пьезокерамикам на основе ЦТС и значительно превосходит воспроизводимость параметров материалов на основе титаната и метаниобата свинца. И, наконец, главное достоинство ниобатной сегнетокерамики, которое в будущем может стать решающим при выборе пьезоматериалов для медицинских датчиков, - керамика не содержит в своем составе токсичный свинец, технология ее производства, элементов и изделий из нее - экологически чистая.

В НИИ физики разработана ниобатная сегнетопьезокерамика состава ХЫХ№03 (х=0,125) с избытком №2С03. Прежде всего, эта сегнетокерамика относится к высокочувствительным материалам, т.е. отличается повышенной чувствительностью к механическому напряжению, что обеспечивается высоким значением пьезопостоянной g3l = 19,2 мВ»м/Н. Диэлектрическая проницаемость е°33/е0 = 90. Скорость звука Уя = 5,4 км/с. Таким образом, при плотности р=4,5г/см3, акустический импеданс = 24 кг/(м2»с). Именно такие материалы используются в дефектоскопии и приборах медицинской диагностики для эффективной работы пьезопреобразователей в эхо-режиме и режиме приема.

Данная пьезокерамика была опробована в датчиках типа АДР для эхотахогемофона. Испытания показали, что по полученным значениям электроакустических параметров ниобатная сегнетокерамика не уступает пьезокерамикам типа ЦТС и может быть рекомендована для применения в акустических датчиках.