Способ и устройство для оценки повышения температуры мягких тканей тела человека при воздействии на них ультразвукового поля Российский патент 2025 года по МПК G01K13/00 A61H23/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерениям повышения температуры в объеме тест-объекта, имитирующего мягкие ткани человеческого организма, при его озвучивании ультразвуком частотой 0,8-3,0 МГц. Такие измерения необходимы для оценки безопасности пациента при его лечении методами ультразвуковой физиотерапии с помощью специальных аппаратов с прикладыванием к поверхности тела ультразвукового преобразователя (лечебной головки), генерирующего ультразвуковые колебания, проникающие в тело пациента на различную глубину (в зависимости от частоты излучения) и вызывающие его нагрев, степень которого зависит от поглощающих свойств ткани, частоты, интенсивности ультразвукового воздействия и его продолжительности. Допустимый лечебный эффект, вызванный нагревом, ограничен сверху повышением температуры до 43°С, установленной стандартами по безопасному применению аппаратов ультразвуковой терапии [1, 2]. Нагрев ткани происходит под влиянием двух механизмов: в результате контактной передачи тепла от лечебной головки, нагревающейся из-за неэффективного преобразования электрической энергии ее возбуждения в механическую энергию ультразвуковых колебаний, и в результате поглощения ультразвука самой тканью по всей глубине проникновения ультразвука в тело пациента. Стандарты [1, 2] сориентированы только на первый механизм - на контактную передачу тепла от лечебной головки к поверхности человеческого тела, и никак не учитывают повышения температуры за счет внутреннего поглощения ультразвука.

Известны способы и тест-объекты, основанные на калориметрическом измерении повышения температуры лечебной головки (по повышению температуры малого объема воды, озвучиваемой лечебной головкой аппарата ультразвуковой терапии, или поглощающего ультразвук материала, в который вставлен ртутный термометр [3]). Эти устройства позволяют только качественно оценить эффективность работы лечебной головки (ее мощность излучения), не определяя никаких иных параметров ультразвукового поля, например, максимальной интенсивности в ультразвуковом пучке, эффективной площади излучения, пространственной неравномерности ультразвукового пучка.

Известны также способ и устройства (тест-объекты) для оценки повышения температуры в полях приборов ультразвуковой диагностики [4]. Этот способ измерения реализован на основе применения тканеимитирующего материала с внедренным в него термоэлементом и различными конфигурациями звукопоглощающих прокладок, специально подбираемых в зависимости от параметров исследуемого ультразвукового поля. Однако этим устройствам присущи следующие недостатки:

- они позволяют оценивать повышение температуры только в фокальной области ультразвукового преобразователя, а не по всему озвучиваемому пространству;

- для преобразователей с различным фокусным расстоянием необходимо применять звукопоглощающие прокладки различной толщины;

- применение устройств требует использования специальных трехкоординатных позиционеров для юстировки фокуса преобразователя на термоэлемент с погрешностью, не превышающей доли миллиметра.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению являются способ и устройство для измерения температуры поверхности излучающей лечебной головки [1], принятое за прототип. Устройство состоит из куска материала, имитирующего акустические свойства мягкой ткани (тканеимитирующего материала - ТИМ), покрытого пластиной из силиконовой резины, имитирующей кожу, на которую помещена термопара, а сам кусок ТИМ помещается на лист материала, поглощающий всю акустическую энергию (акустический поглотитель). Высота устройства такова, что тепло, развиваемое за счет поглощения ультразвука в акустическом поглотителе в донной части устройства, не влияет на температуру поверхности.

Однако способу и устройству для оценки повышения температуры облучаемой ультразвуком ткани, принятому за прототип, присущи следующие недостатки:

1) В основу способа положен только механизм нагрева ткани посредством контакта с ней излучающей поверхности лечебной головки, нагреваемой из-за рассеивания в ней электрической энергии возбуждения. И хотя нагрев головки из-за неэффективного преобразования ею электрической энергии возбуждения и характеризует ее качество, определяющее в какой-то мере нежелательный (а иногда и опасный) перегрев облучаемой ткани, все же он исключает оценку повышения ее температуры из-за поглощения ультразвука в самой ткани.

2) Описанный в прототипе [1] способ оценки повышения температуры ткани исключает измерения температуры в ее объеме, а именно в точке, соответствующей максимальной интенсивности ультразвукового поля и наиболее опасной с точки зрения локального перегрева ткани. Неоднородность ультразвукового пучка оценивают коэффициентом неоднородности пучка R_BN, представляющим собой отношение наивысшей интенсивности в поле к эффективной интенсивности, показываемой на индикаторе физиотерапевтического аппарата, но такой оценки прототип не предусматривает.

3) Расположение термопреобразователя между излучающей поверхностью лечебной головки и слоем силиконовой резины, имитирующей кожу пациента и отличающейся низкой теплопроводностью, усиливает эффект термоизоляции лечебной головки, повышая температуру ее излучающей поверхности за счет отражения тепла от этого слоя резины.

4) Прототип не предусматривает неконтактную передачу лечебного ультразвукового воздействия, когда, например, ультразвук воздействует на облучаемые ткани не путем непосредственного контакта лечебной головки с кожей, а через воду. При этом способе лечения также происходит нагрев внутри ткани, но это прототип не учитывает.

5) Отсутствие термопреобразователя в объеме излучающей ткани не дает возможности оценить пространственную структуру ультразвукового поля, излучаемого лечебной головкой, в том числе: тип ультразвукового пучка (сходящийся, расходящийся или коллимированный), глубину расположения точки с максимальной интенсивностью («горячей» точки), зависящую от частоты излучения, а также поперечных размеров излучающей поверхности и конструкции лечебной головки, что затрудняет установление безопасных и эффективных режимов ультразвукового воздействия.

Техническим эффектом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение возможности проведения измерений температуры ткани по всему ее озвучиваемому объему, что дает возможность найти местоположение наиболее «горячей» точки (с максимальной интенсивностью ультразвукового поля), температуры излучающей поверхности лечебной головки, а также оценки пространственной конфигурации ультразвукового пучка, т.е. исключить необходимость проведения трудоемких измерений методами пространственного сканирования ультразвукового поля с помощью высокочастотного гидрофона [5].

Данный технический результат достигают за счет того, что вместо одного термопреобразователя, расположенного на верхней поверхности прототипа используют набор термопреобразователей, размещаемых в объеме тест-объекта из тканеимитирующего материала по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с его вертикальной осью, а расположенный на этой оси самый верхний термопреобразователь размещен на верхней поверхности тест-объекта.

Устройство, реализующее способ оценки повышения температуры, выполнен в виде единой системы измерения и состоит из корпуса в виде параллелепипеда с закрепленным на нем 2-координатным позиционером. Позиционер имеет возможность отсчета вертикального перемещения. На вертикальной оси позиционера закреплен кронштейн, на который установлен универсальный зажим для установки испытуемого УЗ преобразователя. Зажим установлен на поворотном устройстве, обладающим возможностью отсчета угла поворота. Внутри корпуса расположен образец из ТИМ, сверху покрытый водой. ТИМ содержит линейки термопреобразователей размещенные по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с вертикальной осью корпуса.

Термопреобразователи в линейках отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии.

Изобретение поясняется Фиг. 1.

Устройство представляет собой корпус 1 в виде параллелепипеда, на котором закреплен 2-координатный позиционер 2 с возможностью отсчета вертикального перемещения. На позиционер установлен кронштейн, имеющий универсальный зажим 3 для установки испытуемого УЗ преобразователя с поворотным устройством, обладающим возможностью отсчета угла поворота. Внутри корпуса расположен массив из тканеимитирующего материала ТИМ (тест-объект), выполненный в форме куба 4, верхняя плоскость которого покрыта слоем (толщиной около 2 мм) силиконовой резины 5, а в основании расположен слой (толщиной около 15 мм) акустического поглотителя 6. В ТИМ внедрены точечные термопреобразователи (термопары или термосопротивления малого размера), часть которых 7 расположена в горизонтальной плоскости по линии, соединяющей ось кубического ТИМ и одну из боковых стенок тест-объекта, а другая часть 8 - по линии, совпадающей с вертикальной осью тест-объекта по всей его высоте. Расстояние между термопреобразователями в линиях должно быть одинаковым и не должно превышать 10-20 мм. Верхний термопреобразователь в линии 8 должен располагаться на слое из силиконовой резины 5. Для обеспечения возможности измерения температуры термопреобразователями на боковой стенке корпуса расположены колодки с разъемами 9 с выводами проводов от термопреобразователей 7 и 8. Тест-объект в корпусе несколько утоплен и залит сверху водой, для обеспечения возможности бесконтактной (через воду) передачи ультразвукового поля в ТИМ, таким образом исключая тепловой контакт излучающей поверхности ультразвукового преобразователя с ТИМ.

Технический результат достигается за счет того, что в способе оценки повышения температуры мягких тканей тела человека при воздействии на них ультразвукового (УЗ) поля, создаваемого круглым поршневым или фокусирующим преобразователем, заключающимся в измерении повышения температуры облучаемого через воду тканеиметирующего материала (ТИМ). Повышение температур определяют как разницу температур внедренных в ТИМ горизонтальных и вертикальных линеек термопреобразователей измеренных до начала УЗ воздействия и после него. Изменяя положение излучающего элемента УЗ преобразователя, установленного на одной оси с вертикальной линейкой термопреобразователей, путем его вращения вокруг своей оси, производят усреднение результатов измерения повышения температуры каждого термопреобразователя. По термопреобразователю в вертикальной линейке с максимальным повышением температуры определяют глубину залегания области с максимальным повышением температуры. Изменяя положение УЗ преобразователя так, чтобы глубина с максимальным повышением температуры совпадала с глубиной залегания горизонтальной линейки термопреобразователей и измеряя ими повышение температуры производят пространственную оценку повышения температуры в установленной плоскости.

Предложенный способ реализуется следующим образом:

1) в зажим 3 устанавливают испытуемую лечебную головку так, чтобы ее излучающая поверхность была перпендикулярной вертикальной оси тест-объекта и опиралась на силиконовую прокладку 5;

2) измеряют и записывают температуру от всех термопреобразователей;

3) включают напряжение возбуждения головки в заданном режиме (установленная интенсивность, показатели непрерывного или импульсного режимов);

4) спустя 20 мин. Измеряют и записывают температуру от всех термопреобразователей;

5) поворачивают держатель с лечебной головкой на 90° вокруг вертикальной оси, вновь измеряют и записывают температуру от всех термопреобразователей;

6) поворачивают держатель с лечебной головкой на 90° вокруг вертикальной оси, вновь измеряют и записывают температуру от всех термопреобразователей;

7) поворачивают держатель с лечебной головкой на 90° вокруг вертикальной оси, вновь измеряют и записывают температуру от всех термопреобразователей;

8) усредняют результат четырех измерений для каждого термопреобразователя, вычисляют разность температур каждого термопреобразователя в процессе возбуждения лечебной головки и при его отсутствии;

9) находят термопреобразователь в вертикальной линейке 8 с максимальным повышением температуры и по нему определяют глубину области с максимальным повышением температуры;

10) поднимают держатель с лечебной головкой на 20-30 мм так, чтобы излучающая поверхность лечебной головки оставалась в воде;

11) повторяют операции п. 9 и убеждаются, что отстояние области с максимальным повышением температуры от поверхности излучателя найдено правильно (т.е. расстояние от этой области до лечебной головки не изменилось);

12) перемещают излучатель так, чтобы глубина области с максимальным повышением температуры оказалась на глубине залегания горизонтальной линейки термопреобразователей 7;

13) измеряют температуру ТИМ термопреобразователями горизонтальной линейки 7, определяют повышение температуры как разницу температур измеренных до начала УЗ воздействия и после него каждым термопреобразователем;

14) осуществляя поворот лечебной головки и записывая данные о температуре в ТИМ, оценивают пространственное распределение интенсивности ультразвука (большее повышение температуры свидетельствует о большей интенсивности) в заданной плоскости;

15) перемещая лечебную головку по вертикали и повторяя действия по п. 14, можно оценить пространственное распределение интенсивности ультразвука в любой требуемой плоскости, перпендикулярной направлению ультразвукового пучка.

Литература:

1. IEC 60601-2-5:2009 «Medical electrical equipment - Part 2-5: Particular requirements for the basic safety and essential performance of ultrasonic physiotherapy equipment.

2. ГОСТ P МЭК 60601-2-5-2020 Изделия медицинские электрические. Часть 2-5 Частные требования безопасности с учетом основных функциональных характеристик к аппаратам для ультразвуковой терапии.

3. IEC TS 62462:2017 Ultrasonics - Output test - Guide for the maintenance of ultrasonic physiotherapy systems.

4. ГОСТ P 54479-2011. Оборудование медицинское ультразвуковое диагностическое. Общие требования к тест-объектам для оценки повышения температуры в полях приборов ультразвуковой диагностики.

5. ГОСТ Р МЭК 62127-1-2009 ГСИ. Параметры полей ультразвуковых. Общие требования к методам измерений и способам описания полей в частотном диапазоне от 0,5 до 40 МГц.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерениям повышения температуры в объеме тест-объекта, имитирующего мягкие ткани человеческого организма, при его озвучивании ультразвуком частотой 0,8-3,0 МГц. Такие измерения необходимы для оценки безопасности пациента при его лечении методами ультразвуковой физиотерапии с помощью специальных аппаратов с прикладыванием к поверхности тела ультразвукового преобразователя (лечебной головки), генерирующего ультразвуковые колебания, проникающие в тело пациента на различную глубину (в зависимости от частоты излучения) и вызывающие его нагрев, степень которого зависит от поглощающих свойств ткани, частоты, интенсивности ультразвукового воздействия и его продолжительности. Допустимый лечебный эффект, вызванный нагревом, ограничен сверху повышением температуры до 43°С, установленной стандартами по безопасному применению аппаратов ультразвуковой терапии. Нагрев ткани происходит под влиянием двух механизмов: в результате контактной передачи тепла от лечебной головки, нагревающейся из-за неэффективного преобразования электрической энергии ее возбуждения в механическую энергию ультразвуковых колебаний, и в результате поглощения ультразвука самой тканью по всей глубине проникновения ультразвука в тело пациента. Технический результат - обеспечение возможности проведения измерений температуры ткани по всему ее озвучиваемому объему, что дает возможность найти местоположение наиболее «горячей» точки (с максимальной интенсивностью ультразвукового поля) внутри объема ткани, а также обеспечение возможности получения оценки пространственной конфигурации ультразвукового пучка. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки повышения температуры мягких тканей тела человека при воздействии на них ультразвукового (УЗ) поля, создаваемого круглым поршневым или фокусирующим преобразователем, включающий размещение в корпусе в виде параллелепипеда, содержащего воду, тканеиметирующего материала (ТИМ), который покрыт сверху водой, измерение повышения температуры облучаемого через воду тканеиметирующего материала (ТИМ) до начала УЗ воздействия и после него, причем измерение повышения температуры ТИМ производят внедренными в ТИМ горизонтальными и вертикальными линейками термопреобразователей, размещенными по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с вертикальной осью корпуса, причем изменяя положение излучающего элемента УЗ преобразователя посредством закрепленного на корпусе 2-координатного позиционера с зажимом для УЗ преобразователя, установленного на одной оси с вертикальной линейкой термопреобразователей, путем его вращения вокруг своей оси поворотным устройством с отсчетом угла поворота, производят усреднение результатов измерения повышения температуры каждого термопреобразователя, при этом по термопреобразователю в вертикальной линейке с максимальным повышением температуры определяют глубину залегания области с максимальным повышением температуры, причем изменяя положение УЗ преобразователя так, чтобы глубина с максимальным повышением температуры совпадала с глубиной залегания горизонтальной линейки термопреобразователей, измеряют ими повышение температуры и производят пространственную оценку повышения температуры в установленной плоскости.

2. Устройство для оценки повышения температуры мягких тканей тела человека при воздействии на них ультразвукового (УЗ) поля, создаваемого круглым поршневым или фокусирующим преобразователем, реализующее способ по п. 1, включающее корпус в виде параллелепипеда, выполненный с возможностью наполнения его водой для размещения в ней тканеиметирующего материала (ТИМ), сверху покрытого водой, горизонтальные и вертикальные линейки термопреобразователей, выполненные с возможностью внедрения в ТИМ и размещенные в ТИМ по двум ортогональным осям, одна из которых совпадает с вертикальной осью корпуса, закрепленный на корпусе 2-координатный позиционер для отсчета вертикального перемещения, на котором закреплен кронштейн с зажимом, в котором размещен УЗ преобразователь с поворотным устройством для отсчета угла поворота, выполненный с возможностью изменения своего положения для усреднения результатов измерения повышения температуры каждого термопреобразователя, причем термопреобразователи в линейках отстоят друг от друга на одинаковом расстоянии, при этом по термопреобразователю в вертикальной линейке с максимальным повышением температуры определяют глубину залегания области с максимальным повышением температуры, причем изменяя положение УЗ преобразователя так, чтобы глубина с максимальным повышением температуры совпадала с глубиной залегания горизонтальной линейки термопреобразователей, измеряют ими повышение температуры и производят пространственную оценку повышения температуры в установленной плоскости.