Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 28 НА ПОЗВОНОЧНИК В ВЫТЯНУТОМ СОСТОЯНИИ Кандидаты техн. наук, доценты ЕСЬМАН Г. А., МИНЧЕНЯ Н. Т., магистранты БОБРОВСКАЯ А. И., МОНИЧ С. Г. Белорусский национальный технический университет Существует ряд заболеваний позвоночника, в основе которых лежат нарушение обмена ве- ществ и дегенеративные процессы в тканях (остеохондроз, сколиоз, спондилез, протрузия межпозвоночных дисков и др.). При их лечении используют консервативные и оперативные методы, которые не всегда эффективны и, кро- ме того, занимают много времени. Предлагаемый метод лечения данных забо- леваний сочетает воздействие ударно-волно- выми импульсами и механотерапией на позво- ночник. Ударно-волновая терапия – малотравматич- ный, не занимающий много времени метод фи- зиотерапии, заключающийся в кратковремен- ном приложении к области заболевания высо- коэнергетической вибрации, генерируемой удар- ными волнами. Под воздействием ударной волны на участ- ке, подвергшемся воздействию, стимулируется ангиогенез (рост новых микрососудов), расши- ряются кровеносные сосуды, увеличивается проницаемость клеточных мембран, что приво- дит к улучшению питания ткани, активации обмена веществ, восстановлению клеточного ионного обмена, интенсификации выведения конечных продуктов метаболизма и стимуля- ции восстановительных процессов тканей [1]. Применение биологически эффективной часто- ты следования импульсов (5–10 Гц) также сти- мулирует кровообращение и ускоряет восста- новление нормального клеточного обмена. Кроме того, ударная волна дробит отложения солей кальция на мелкие частички, которые затем выводятся из организма через венозную и лимфатическую системы, что также ускоряет процесс выздоровления. Больной ощущает по- следствия такого воздействия в виде уменьше- ния болей и увеличения объема движений. Методика лечения заболеваний позвоноч- ника с применением ударно-волновой терапии имеет следующие особенности. Во-первых, должна быть ограничена глубина проникнове- ния ударных импульсов в биообъект во избе- жание повреждения спинного мозга. Во-вто- рых, необходимо ограничить плотность энерге- тического потока (не более 0,280 мДж/мм2) и максимальное давление в фокусе (рFmax = = 0,040 МПа) [2], чтобы не травмировать ткани Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 29 позвоночника, а только стимулировать в них кровообращение и обменные процессы. В комплексе с ударно-волновой терапией применяют и механотерапию, заключающуюся в том, что в продольном направлении на позво- ночник создается вытягивающая сила, величина которой обычно составляет от 50 до 500 Н [3]. Следует отметить, что вытяжение позво- ночника при его дегенеративно-дистрофиче- ских поражениях давно зарекомендовало себя как средство, активно способствующее раз- грузке нервных, мышечных и сосудистых об- разований, находящихся в тесном контакте с патологически измененным диском, меж- позвонковым суставом и позвоночником в це- лом [3]. Разгрузка позвоночника приводит к восста- новлению анатомо-физиологических взаимоот- ношений и устранению защемления нервных и мышечных волокон и сосудов. Это способ- ствует устранению болей, улучшению трофики прилегающих к позвоночнику тканей, восста- новлению в них обменных процессов и улуч- шению иннервации всего организма. В конеч- ном итоге приводит к репарации поражен- ных тканей и компенсации патологического процесса. При этом ударная волна вызывает усиление кровотока в зоне патологии, активизирует об- мен веществ и восстанавливает клеточный ионный обмена, что приводит к интенсифика- ции восстановительных процессов в тканях и ускорению реабилитации пациента. Кроме то- го, положительная полуволна ударного им- пульса может воздействовать на грыжу диска и ускорять ее выправление. Механотерапия в сочетании с ударно-волно- вой терапией позволит избежать применения сильных вытягивающих усилий, что делает предлагаемую методику еще более безопасной, по сравнению с обычным вытягиванием. Однако для того чтобы воздействие было безопасным, необходимо произвести расчет основных величин, действующих на позвоноч- ник в зоне действия ударно-волновых импуль- сов. Схема генерации ударного импульса пред- ставлена на рис. 1. Импульс тока, сформиро- ванный блоком управления, протекает по катушке индуктивности 1 и создает магнитное поле, которое притягивает к себе излучающую мембрану 2. В силу того что излучающая мем- брана 2 упругая, по прекращении действия магнитного поля она будет стремиться занять первоначальное положение, при этом произой- дет резкое сжатие жидкости в надлинзовой по- лости 3, в результате чего возникнет ударная волна, фокусируемая линзой 4 в ударно-вол- новой пучок. Рис. 1. Схема генерации ударного импульса При протекании тока I через проводник, с помощью которого сформирована форма электромагнитной катушки индуктивности, (рис. 2) создается магнитное поле, величина магнитной индукции B которого согласно принципу суперпозиции составляет [4]: , 2 ... 222 0 3 0 2 0 1 0 iR I R I R I R IB µµ++µµ+µµ+µµ= (1) где µ – магнитная проницаемость среды, µ = 52; µ0 – магнитная постоянная, µ0 = 7104 −⋅π Гн/м; I – сила тока, протекающего по проводнику, I = = 0,65 А; iR – радиус i-го витка; i – количество витков, i = 25. Рис. 2. Схема взаимодействия проводника с током и мембраны I F Б ио об ъе кт 25 витков ∅ 2 R3 R2 R1 Ri Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 30 Вынесем за скобку общие множители и под- ставим численные значения физических вели- чин в (1), в результате получим: 7 0 1 2 1 1 1 52 4 10 0,65 ... 2 2i IB R R R −µµ ⋅ π ⋅ ⋅  = + + + = ×    4 4 4 1 1 1 ... 0,03 30 10 60 10 750 10− − −  × + + + = ⋅ ⋅ ⋅  Тл. Сила, притягивающая излучающую мем- брану к электромагнитной катушке индуктив- ности: 45,6 1042 018,003,0 2 7 2 0 2 = ⋅π⋅ ⋅ = µ = − SBF Н, (2) где S – площадь излучающей мембраны, S = = 0,018 мм2. Давление, передаваемое излучающей мем- браной водяной «подушке»: 6,45 360 0,018 Fp S = = = Па. (3) Энергия, переданная мембране, собирается в фокусе акустической линзой, выполненной из полиметилметакрилата Л-1. Скорость звука в линзе 6 л 3 л л 6500 10 2,6 10 940 Ec ⋅= = = ⋅ ρ м/с, (4) где лE – модуль упругости акустической лин- зы, Ел = 6500 МПа; лρ – плотность акустиче- ской линзы, лρ = 940 кг/м3. Фокусное расстояние акустической линзы ак 4 0,160 0,190 1500 2 12 1 2600 bF c c = = =    ⋅ −⋅ −       м, (5) где b = 0,160 м – показатель параболы; с = = 1500 м/с – скорость звука в воде и биотканях. Интенсивность ударно-волнового импульса, созданного мембраной, определяется первой (основной) гармоникой ударной волны [4] 2 2 0 360 0,04 2 2 1000 1500 pI c = = = ρ ⋅ ⋅ Вт/м2, (6) где ρ – плотность воды, ρ = 1000 кг/м3. Интенсивность ультразвука в фокусе 2 1 0 sin 2 АКFI I  ω = =  λ    2 3 0,190 0,64 0,04 sin 20 23 10−   = ⋅ ⋅ =  ⋅    Вт/м2, (7) где λ – длина волны первой (основной) гармо- ники ударной волны, 36 1031021500 −− ⋅=⋅⋅==λ cT м; (8) ω – угол раскрытия волнового фронта. Из гео- метрии (рис. 3) ( ) 4 22 4 2arcsin АК r r F a    ω = =  + −  ( )22 0,040 2arcsin 0,64 0,040 0,190 0,064    = =  + −  рад, (9) где а – высота проймы линзы на оси, а = 0,064 м; r4 – радиус входной апертуры, r4 = 0,040 м. FA K a w r4 Рис. 3. Геометрические размеры акустической линзы Давление в фокусе 3 12 с 2 20 1000 1500 8 10Fp I= ρ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ Па. (10) Мощность акустической энергии ударно- волнового генератора 2 2 3 1 0 20 0,008 4 10АКN I r −= π = π ⋅ = ⋅ Вт, (11) где радиус фокального пятна 3 3 4 0 108040,0 190,0103 61,0 − − ⋅= ⋅⋅ ⋅= λ β= r Fr AK м. (12) Здесь β – коэффициент для сферической волны, β = 0,61. Таким образом, давление pF, действующее на межпозвонковый диск, меньше максималь- но допустимого pFmax: w r4 a F A K Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 6, 2011 31 Fp < max ;Fp 3108 ⋅ Па < 31040 ⋅ Па. Следовательно, рассчитанное давление удар- ной волны безопасно для вправления грыжи межпозвонковых дисков и при этом не вызыва- ет повреждения окружающих тканей. В Ы В О Д В результате проведенных исследований был обоснован новый высокоэффективный ме- тод лечения дегенеративно-дистрофических за- болеваний (сочетанным воздействием ударных волн и тракции) и проведен расчет давления, действующего на межпозвоночный диск во вре- мя процедуры. Рассчитанное давление ударной волны достаточно для вправления грыжи и при этом не вызывает повреждения межпозвонко- вого диска и окружающих тканей. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Ассоциация специалистов восстановительной ме- дицины [Электронный ресурс]. – Минск, 2010. – Pежим доступа: http://www.asvomed.ru/php/content.php?id=1063 2. Биоэффективные частоты и их связь с собст- венными частотами живых организмов [Электронный ресурс]. – Минск, 2009. – Режим доступа: http://helios.iz- miran.rssi.ru/helioecology/titles/freq/freq.html 3. Киселев, В. Б. Новый вариант подводного вытяже- ния позвоночника // Вопросы курортологии, физиотера- пии и лечебной физкультуры. – 1968. – Т. 33, № 5. 4. Определение предельных параметров электронных генераторов ультразвуковых технологических аппаратов / В. Н. Хмелев [и др.] // Ползуновский вестник. – 2007. – № 3. – С. 167–171. Поступила 06.01.2011 УДК 621.814.002 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ МАЛОГО ДИАМЕТРА ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ ЛУГОВОЙ И. В. Белорусский национальный технический университет Отверстия относятся к замкнутым поверх- ностям, получаемым в материалах различными способами, которые можно классифицировать по ряду факторов: по виду обрабатываемого материала, форме отверстия в продольном и по- перечном сечениях, точности размеров (рис. 1). Они могут быть сквозными или глухими. Отдельную группу в деталях машин и при- боров занимают отверстия, которые необходи- мо получить с высокой точностью формы и размерами с глубиной до 10 мм и диаметром до 1 мм [1]. Другую группу составляют отвер- стия, получаемые в труднообрабатываемых ма- териалах. К ним относятся отверстия, получае- мые традиционными способами в материалах с высокой твердостью и в хрупких материалах: вольфрамсодержащие и титанокарбидные спла- вы, алмаз, рубин, лейкосапфир, закаленные ста- ли, магнитные сплавы из редкоземельных эле- ментов, термокорунд и другие, а также герма- ний, кремний, ферриты, керамика, стекло, кварц, полудрагоценные и поделочные минера- лы и материалы, в которых могут образовы- ваться сколы и микротрещины при обработке. Среди них особую группу составляют отвер- стия с криволинейным профилем в продольном направлении, некруглые в поперечном сечении, а также отверстия и каналы в биологических материалах (кости и ткани), обработка которых представляет большую трудность. Существуют различные методы обработки отверстий в материалах, каждый из которых обладает определенными достоинствами, недо- статками и ограничениями по применению (рис. 2). По виду материалов Классификация обрабатываемых отверстий По форме Металлы Хрупкие Биологиче- ские В продольном сечении В поперечном сечении По точности ли те т ал ит ет ал ит ет