У магістерській дисертації розроблена та досліджена автоматизована ультразвукова система регенерації шкіри на базі цифрової генерації ультразвукового сигналу форми Sinc. Робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі створення компактного, енергоефективного та доступного медичного обладнання для дерматології та естетичної медицини.
Актуальність теми магістерської дисертації обумовлена стрімким розвитком методів неінвазивної терапії, серед яких ультразвукова дія займає провідне місце завдяки своїй безпеці та доведеній ефективності стимуляції регенеративних процесів. Існуючі на ринку апарати для ультразвукової терапії переважно будуються на основі традиційної аналогової схемотехніки, що призводить до значних габаритів, високого енергоспоживання через низький коефіцієнт корисної дії вихідних каскадів та високої собівартості. Крім того, аналогові генератори мають обмежені можливості щодо гнучкого керування формою та спектральним складом сигналу, що знижує селективність терапевтичного впливу.
Запропонований у роботі підхід базується на концепції програмно-визначуваного ультразвуку та використанні сучасних мікроконтролерів для прямого цифрового синтезу сигналів. Використання ступінчастої апроксимації ідеального сигналу Sinc дозволяє сформувати випромінювання з чітко обмеженим прямокутним спектром, що забезпечує концентрацію енергії виключно у терапевтичному діапазоні частот. Такий метод дозволяє відмовитися від громіздких аналогових фільтрів та складних систем охолодження, замінивши їх програмними алгоритмами та простою цифровою логікою. Це відкриває шлях до створення портативних пристроїв, здатних конкурувати зі стаціонарним клінічним обладнанням.
Об'єктом дослідження є процес формування та спектрального перетворення ультразвукових сигналів складної форми в цифрових генераторах медичного призначення. Предметом дослідження є методи оптимізації параметрів ступінчастої апроксимації сигналу Sinc для забезпечення необхідної спектральної чистоти в умовах апаратних обмежень мікроконтролера.
Метою роботи є розробка та обґрунтування структури автоматизованої системи регенерації шкіри, яка забезпечує генерацію терапевтичного ультразвукового сигналу з заданими спектральними характеристиками при мінімізації апаратних витрат. Для досягнення мети вирішуються задачі математичного моделювання сигналів, аналізу впливу дискретизації на спектр, розробки схемотехнічних рішень та програмного забезпечення.
Методи дослідження базуються на теорії цифрової обробки сигналів, спектральному аналізі з використанням швидкого перетворення Фур'є та комп'ютерному моделюванні в середовищі MATLAB. У роботі проведено детальне дослідження впливу часової дискретизації та квантування за рівнем на спектральні характеристики вихідного сигналу. Зокрема, проаналізовано вплив асиметрії рівнів напруги вихідного драйвера та часових параметрів імпульсів на пригнічення позасмугових гармонік.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в обґрунтуванні можливості використання ступінчастої апроксимації сигналу Sinc з низькою розрядністю для формування високоякісного терапевтичного випромінювання. Доведено, що при використанні частоти оновлення цифро-аналогового перетворювача, яка значно перевищує верхню межу терапевтичної смуги, основна енергія сигналу зосереджується в робочій області, а паразитні спектральні складові зміщуються у високочастотну область, де вони ефективно пригнічуються природними властивостями вихідного тракту та простими фільтрами. Запропоновано оптимальні параметри триімпульсної послідовності, що враховують обмеження дискретності часу сучасних мікроконтролерів.
Практичне значення роботи полягає у створенні макету та функціональної схеми пристрою, який може бути впроваджений у серійне виробництво. Розроблене рішення дозволяє знизити вартість компонентної бази, зменшити вагу та габарити приладу, а також забезпечити високу гнучкість налаштувань завдяки програмному керуванню параметрами генерації. Результати досліджень можуть бути використані при проектуванні новітніх зразків медичної техніки для косметології та дерматології.
Керівник: к.т.н., доц. Баженов В.Г.
