Моделирование двух частотного акустического тракта для прибора диагностики гайморита

В данной ВКР проводилось изучение методов диагностики гайморита, применения ультразвука в медицине, метода конечных элементов, двухчастотного метода для компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора. Кроме того, построены многослойные модели в программной пакете COMSOL, проведены предварительные расчеты распространения упругой волны в различных средах, имеющих различную геометрическую форму на разработанной модели, обработаны принятые сигналы для определения начала прихода эхо-сигнала, разработана структурная схема прибора, а также рассчитаны необходимые элементы для его реализации.

Реферат …………………………………………………………………………………………….. 10
Оглавление ……………………………………………………………………………………….. 12
Введение…………………………………………………………………………………………… 15
1 Обзор литературы ………………………………………………………………………….. 16
1.1 Описание о гайморите …………………………………………………………………. 16
1.2 Ультразвук в медицине ……………………………………………………………….. 17
1.3 Анализ производства медицинской ультразвуковой аппараты …… 19
2 Объект исследования ……………………………………………………………………… 21
2.1 Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния …………….. 21
2.2 Анализ существующих видов ультразвуковой диагностики …………. 21
2.2.1 Ультразвуковое исследование А-типа ……………………………………….. 22
2.2.2 Ультразвуковое исследование В-типа ……………………………………….. 22
2.2.3 Ультразвуковое исследование С-типа и V-типа …………………………. 23
2.2.4 Ультразвуковое исследование D-типа ……………………………………….. 24
2.3 Методы получения изображения …………………………………………………. 25
2.4 Методы исследования …………………………………………………………………. 27
2.5 Построение модель для симуляции ……………………………………………… 27
3 Расчеты и аналитика ………………………………………………………………………. 31
3.1 Граничные условия ……………………………………………………………………… 31
3.2 Сигнал возбуждения ……………………………………………………………………. 33
3.3 Добавление помехи в модель для симуляции ……………………………….. 34
3.4 Отражение ультразвука и модели других фигур …………………………… 35
4 Результаты проведенного исследования …………………………………………. 39
4.1 Анализ при различных частотах…………………………………………………… 39
4.2 Разрешающая способность ………………………………………………………….. 40
4.3 Обработка эхо-сигналов усреднением ………………………………………….. 41
4.4 Обработка эхо-сигналов автоматической регулировкой усиления … 44
4.5 Метод двухчастотного акустического тракта для компенсации
погрешности измерения ………………………………………………………………………………. 45
5 Разработка схемы прибора ……………………………………………………………… 49
5.1 Выбор и обоснование структурной схемы ……………………………………. 49
5.2 Разработка структурной схемы ……………………………………………………. 51
5.2.1 Выбор ВИП ………………………………………………………………………………. 51
5.2.2 Выбор усилителя ………………………………………………………………………. 52
5.2.3 Выбор микроконтроллера …………………………………………………………. 52
5.2.4 Выбор ультразвукового датчика ……………………………………………….. 53
5.2.5 Выбор генератора……………………………………………………………………… 55
5.2.6 Драйвер ……………………………………………………………………………………. 55
5.2.7 Интерфейсный адаптер …………………………………………………………….. 56
5.3 Расчет принципиальной схемы…………………………………………………….. 57
5.3.1 ВИП …………………………………………………………………………………………. 57
5.3.2. Микроконтроллер ……………………………………………………………………. 58
5.3.3 Усилитель ………………………………………………………………………………… 59
5.3.4. Генератор ………………………………………………………………………………… 60
5.3.5 Драйвер ……………………………………………………………………………………. 62
5.4 Алгоритм работы микроконтроллера …………………………………………… 62
6 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение………………………………………………………………………………………. 65
6.1 Потенциальные потребители результатов исследования ………………. 65
6.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………….. 66
6.1.2 SWOT–анализ …………………………………………………………………………… 69
6.1.3 Технология QuaD ……………………………………………………………………… 71
6.2 Планирование научно–исследовательской работы. ………………………. 73
6.2.1 Структура работ в рамках научного исследования …………………….. 73
6.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ………………………….. 75
6.2.3 Разработка графика проведения научного исследования ……………. 76
6.3 Бюджет научно–технического исследования (НТИ) …………………….. 79
6.3.1 Расчет материальных затрат на создание прототипа. …………………. 79
6.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ. ………………………………………………………………………… 80
6.3.2 Заработная плата исполнителей темы ……………………………………….. 81
6.3.3 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ….. 83
6.3.4 Формирование бюджета затрат научно–исследовательского
проекта………………………………………………………………………………………………………… 84
7 Социальная ответственность ………………………………………………………….. 86
7.1 Производственная безопасность ………………………………………………….. 86
7.1.1 Отклонение показателей микроклимата в помещении ……………….. 86
7.1.2 Превышение уровней шума ………………………………………………………. 88
7.1.3 Повышенный уровень электромагнитных излучений ………………… 89
7.1.4 Недостаточная Освещенность …………………………………………………… 90
7.1.5 Поражение электрическим током ……………………………………………… 94
7.1.6 Пожарная опасность …………………………………………………………………. 96
7.2 Экологическая безопасность ……………………………………………………….. 99
7.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………… 103
Заключение …………………………………………………………………………………….. 105
Список использованных литераторов ………………………………………………. 106
Приложение А ………………………………………………………………………………… 111
Приложение Б …………………………………………………………………………………. 125
Приложение В ………………………………………………………………………………… 127

В процессе исследования проводилось изучение методов диагностики
гайморита, применения ультразвука в медицине, моделирование метода
конечных элементов, двухчастотного метода для компенсации погрешности
измерения локатора. Кроме того, построены многослойные модели в
программной пакете COMSOL, проведены предварительные расчеты
распространения упругой волны в различных средах, имеющих различную
геометрическую форму на разработанной модели, обработаны принятые сигналы
для определения начала прихода эхо-сигнала.
В будущем планируется реализовать прибор для ультразвуковой
диагностики гайморита в соответствии с результатом моделирования.

1. Мезенцева, О. Ю. Связь гайморита с болезнями зубов / О. Ю.
Мезенцева // Региональный вестник. – 2019. – № 9(24). – С. 7-8.
2. Нестерова К.И. беспункционное лечение гнойных риносинуситов с
использованием низкочастотной ультразвуковой технологии. Современные
проблемы науки и образования. – 2016. – № 6.
3. Катрич, А. Н. Ультразвуковое исследование с контрастным усилением
в дифференциальной диагностике очаговых новообразований печени / А. Н.
Катрич, В. А. Порханов // Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. – 2019. – № 6. –
С. 49-59.
4. Атьков О.Ю. Основные тенденции развития УЗ методов диагностики.
Визуализация в клинике. 2002, 20, С. 4-8.
5. Боголюбов В.М., Пономаренко Г.Н. – «Общая физиотерапия», 1999 г.
Большой толковый медицинский словарь «Oxford», М. «Вече», «АСТ».
6. Российский рынок УЗИ аппаратов [Электронный ресурс] URL:
http://xn—-8sbaa5ag5cakvb0i.xn--p1ai/articles/rossiiskiirinok-uzi-apparatov.html
(Дата обращения 01.04.2021)
7. Баженова, Ю. В. Современные аспекты деятельности службы лучевой
диагностики в Российской Федерации / Ю. В. Баженова // Сибирский
медицинский журнал (Иркутск). – 2019. – Т. 134. – № 3. – С. 78-81.
8. Лыюров, Д. А. Лучевая диагностика в Республике коми сегодня и
перспективы развития / Д. А. Лыюров // Лучевая диагностика и терапия. – 2018.
– № 3(9). – С. 102-104.
9. Диомидова, В. Н. Диагностическое изображение (diagnostic imaging)
желудкаидвенадцатиперстнойкишкипримультипараметрическом
ультразвуковом исследовании / В. Н. Диомидова, С. Х. Сайфиева // Acta Medica
Eurasica. – 2016. – № 2. – С. 5-11.
10. Сваровская, Н. А. Влияние уровня жидкости и давления в затрубном
пространстве скважины на скорость звуковой волны при эхолокации / Н. А.
Сваровская, С. Г. Перминов // Наука и технология углеводородов. – 2003. – № 4.
– С. 71-73.
11. Медикаментозная полипотомия полости носа и околоносовых пазух с
использованиемямик-процедур.АгеенкоИ.В.,АгеенкоЛ.И.Folia
Otorhinolaryngologiae et Pathologiae Respiratoriae. – 2015. – Т. 21, № 2. – С. 10-13.
12. The physical foundations of ultrasound medicine（Физические основы
ультразвуковой медицины）. Chen Siping Ph.D.. Chin j Med Ulyrasound (Elextronic
Edition), February 2009, Vol 6, No.1
13. Авдеев Д. А., Римлянд В. И. Моделирование распространения
ультразвука в твердых телах различной формы // Информатика и системы
управления. 2015. № 2 (44). С. 15-22.
14. Драчёв К. А., Римлянд В. И. Моделирование распространения
ультразвука в модели металлической трубы // Физика: фундаментальные и
прикладные исследования, образование: Материалы региональной научной
конференции, Благовещенск, 26-30 сентября 2017 г. Благовещенск: Изд-во АмГУ,
2017. С. 136-139.
15.Молоканов,Б.М.Конечно-элементноемоделирование
распространения ультразвука в COMSOL Multiphysics / Б. М. Молоканов, К. А.
Драчев, В. И. Римлянд // Физика: фундаментальные и прикладные исследования,
образование : Материалы XVI региональной научной конференции, Хабаровск,
01–04 сентября 2018 года / Под редакцией А. И. Мазура. – Хабаровск:
Тихоокеанский государственный университет, 2018. – С. 137-140.
16.Получениекерамикибарий-цирконат-титанатсвинцас
использованием высокоэнергетического ультразвукового воздействия / В. В.
Клубович, В. В. Рубаник, А. Д. Шилин [и др.] // Инновационные технологии в
машиностроении : материалы международной научно-технической конференции,
посвященной100-летиюакадемикаП.И.Ящерицынаи40-летию
машиностроительного факультета ПГУ, 2015. – С. 124-126.
17. Дядова, А. В. Моделирование распространения электрических
сигналов в сердечной мышце человека с использованием программного пакета
COMSOL / А. В. Дядова, А. С. Огородников // Бюллетень сибирской медицины.
– 2014. – Т. 13. – № 4. – С. 43-46.
18. Липовко, П. О. Некоторые теоретические аспекты отражения
ультразвука от неоднородных сред в задачах диагностики / П. О. Липовко //
Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики : Материалы VI
Международной научно-практической конференции, Новочеркасск, 30 сентября
2005 года / Федеральное агенство по образованию; Южно-Российский
государственный технический университет (Новочеркасский политехнический
институт). – Новочеркасск: ООО НПО “ТЕМП”, 2005. – С. 26-31.
19. Поздняков, А. Д. Восстановление тестового сигнала при когерентной
дискретизации в условиях стационарного шума / А. Д. Поздняков, В. А.
Поздняков, А. А. Калюжный // Радиотехнические и телекоммуникационные
системы. – 2019. – № 3(35). – С. 37-43.
20. COMSOL Multiphysics User Guide [Электронный ресурс] // URL:
http://cn.comsol.com/ (Дата обращения 01.05.2021)
21. Zhang, H., Wang, G., Lu, M. Analysis and Implementation of Digital
Automatic Gain Control for DAB Baseband Decoder / Zhang, H., Wang, G., Lu, M. //
IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2011. Vol. 57. Iss. 2. Pp. 327–334.
22. Li Cheng,. Two-Stage Digital AGC Scheme with Diversity Selection for
FrameBased OFDM Systems / Li Cheng // IEEE International Symposium on Circuits
and Systems. 2016. Pp. 3533.
23. Kim, C., Im, S. Digital Automatic Gain Control for Software Radio W-
CDMA Base Stations / Kim, C., Im, S. // Electronics Letters. 2013. Vol. 39. Iss. 3. Pp.
318–320.
24. Choe K C, Pak H Y, Ri Chol Y and Ming C. Ultrasonic Wind Speed
Measurement Using a Polygon Approximation for the Signal Envelope / Choe K C,
Pak H Y, Ri Chol Y and Ming C. // IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2015
Pp. 585–588.
25. Солдатов А. И., Шульгина Ю. В., Солдатов А. А., Сорокин П. В.,
Солдатова М. А. Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового
локатора // Российский патент 2016 года по МПК G01N29/36, 2016
26. LM2596S-ADJ Datasheet / Texas Instruments. URLhttps://pdf1.alldatashe
et.com/datasheet-pdf/view/526514/TI/LM2596S-ADJ.html (Дата обращения
02.04.2021)
27. NCV272DMR2G ON Semiconductor / Authorized Distributor. URL
https://www.mouser.cn/datasheet/2/308/1/TLV271_D-2320102.pdf (Дата обращения
01.04.2021)
28. STM32F407VG Datasheet / STMicroelectronics URL https://www.all
datasheet.com/datasheetpdf/pdf/435290/STMICROELECTRONICS/STM32F407VG
.html (Дата обращения 04.04.2021)
29. Karl Deutsch URL https://lucon.pro/uzk/pep/ (Дата обращения
03.04.2021).
30.TLC555Datasheet/TexasInstruments.URL
https://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Tlc555&gclid=CjwKCAjwn6G
GBhADEiwAruUcKrpsR7qIj-M4-vcHH D0-3UhB_Fl0nh-wkPMp7YqrkpNPlKb6Mg
2HbBoCe80QAvD_BwE (Дата обращения 03.04.2021)
31. FT232RL Datasheet / Future Technology Devices International. URL
https://html.alldatasheet.com/html-pdf/603504/ETC2/FT232RL/96/1/FT232RL.html
(Дата обращения 05.04.2021)
32. Кадры. Зарплата. Отпуска / Ананьева Л. В. и др. ; под ред. А. В.
Соколовой. – Москва : Эксмо, 2018. – C. 240-241
33. Швайковский, Е. В. ГОСТ на параметры микроклимата жилых и
общественных зданий / Е. В. Швайковский // Вестник магистратуры. – 2020. – №
2-1(101). – С. 53-57.
34. ГОСТ 12.1.019-2017 – Электробезопасность. Общие требования и
номенклатура видов защиты. – М.: Изд-во стандартов, 2017. – 18 с.
35. ГОСТ 23337-2014 – ШУМ Методы измерения шума на селитебной
территории и в помещениях жилых и общественных зданий – М.: Изд-во
стандартов, 2014. – 26 с.
36. ГОСТ 12.1.010-76 – Cистема стандартов безопасности труда
взрывобезопасность общие требования– М.: Изд-во стандартов, 2018. – 40 – 43 с.
37. ГОСТ Р 58698-2019 – Защита от поражения электрическим током общие
положения для электроустановок и электрооборудования– М.: Изд-во стандартов,
2019. – 13-16 с.