Ультразвуковая сварка биологических тканей

Начиная с 1970 г. получило развитие весьма важное направле­ние в применении УЗС. Исследованиями, проведенными в МВТУ им. Н. Э.Баумана под руководством Г. А.Николаева совместно с Центральным институтом травматологии и ортопедии и институ­том усовершенствования врачей, установлена возможность УЗС биологических ткайей.

Для соединения костей при операциях используют металли­ческие штифты, пластинки, спецболты. Металлические конструк­ции, введенные в кости и мягкие ткани, небезразличны для орга­низма, небезвредны для тканей, соприкасающихся с ними. Кро­ме того, требуется последующая вторичная операция — извлече­ние скрепляющих конструкций.

Не менее важна и другая проблема — заполнение различных дефектов в костях и восстановление сегментов костей и их сустав­ных концов. Эта проблема является одной из важнейших в травма­тологии и ортопедии. Не меньшее значение она имеет в хирургии костных заболеваний и опухолей, когда возникает необходимость восполнить разрушенный участок кости после удаления новооб­разований, при лечении ложных суставов и несросшихся перело­мов.

Известно, что различные хирургические операции на костях предусматривают механические способы разделения с помощью различных долот, фрез, ножовок. Все они требуют повышенных физических усилий хирургов, затрат времени и нередко приводят к образованию трещин, обломков, сколов в костных тканях. Не
менее важной проблемой в хирургии является соединение мягких биологических тканей (кровеносные сосуды малого диаметра).

Схема процесса ультразвуковой сварки и наплавки костных тканей представлена на рис. 10.8. Ультразвуковые колебания, вво­димые в жидкий этил-а-цианакрилат, смешанный с костной стружкой и другими компонентами, предварительно нанесенны­ми на костные поверхности, создают условия для интенсивного протекания гетерогенных, химических, диффузионных, осмоти­ческих и других процессов. Весь этот комплекс явлений ускоряет процессы полимеризации циакрина на границе раздела твердой (костная ткань) и жидкой (смесь циакрина и костной стружки) фаз, а также в костной ткани, находящейся в зоне соединения, с образованием твердого сварного шва.

Кавитационные процессы, происходящие в циакрине вблизи торца концентратора-волновода, приводят к разрыву связей в его молекулах и образованию свободных радикалов и ионов. Это об­стоятельство обеспечивает ускорение процесса полимеризации циакрина и химического взаимодействия с компонентом костной ткани — коллагеном. Акустические потоки, возникающие в циак­рине, изменяют физические характеристики на границе раздела фаз и способствуют его проникновению в костную ткань.

В медицинской практике встречаются самые разнообразные характеры переломов: прямые, косые, винтообразные, оскольча — тые. Все виды обломков костей при таких переломах соединяют либо при помощи костных трансплантатов, либо за счет наложе­ния коротких валиков шва по линии разрушения. Принятая схема наложения швов обеспечивает первоначальную регенерацию кост-

1

Ультразвуковая сварка биологических тканей

Рис. 10.8. Схема процесса ультразвуковой сварки и наплавки костных тка­ней (а) и распределение амплитуд колебаний А по длине / акустического

узла (б):

I — ультразвуковой генератор; 2— акустический узел; 3 — подача циакрина; 4 —

подача костной стружки

а

ной ткани на участках, не затронутых сваркой, а затем по мере рассасывания сварного шва — на участке непосредственно свар­ного соединения.

В качестве присадочного материала при наплавке использовали мономер этил-а-цианакрилат, который в композиции либо с ко­стной стружкой, либо с костной стружкой и порошкообразной глюкозой отверждается в конгломерат заданной плотности и фи­зико-химического состава, способный замещаться вновь образо­ванной костной тканью за 20… 30 сут.

Экспериментально установлены следующие усредненные па­раметры режима ультразвуковой сварки и наплавки:

• частота колебаний инструмента 26,6 кГц;

• амплитуда колебаний инструмента 50…55 мкм;

• контактное давление 5 Н;

• температура сварки, не превышающая физиологического пре­дела 70 °С.

Ультразвуковая резка биологических тканей. Способ ультразву­ковой резки биологических тканей основан на наложении на ре­жущий инструмент механических колебаний с частотой 20…30 кГц. Форма и размеры режущей части инструмента зависят от механи­ческих свойств разделяемых тканей. При разделении костных тка­ней, плотность которых не превышает (1,5… 2) -10_6 г/м3, на уз­кую грань режущего инструмента наносят специальную насечку в форме треугольного зуба. Для разделения мягких тканей (сухожи­лия, мышцы, рубцы) инструмент — волновод выполнен в виде скальпеля. В резонансном режиме инструмент совершает продоль­ные возвратно-поступательные перемещения при частоте ультра­звуковых колебаний 20…30 кГц и амплитуде 30…60 мкм.

Разновидностью процесса ультразвуковой резки костных тка­ней являются процессы ультразвуковой трепанации и сверления. Для выполнения этих процессов волновод-трепан 3 выполняют полым, на торцах него нанесены зубья (рис. 10.9). При ультразву­ковом сверлении волновод по конфигурации представляет собой сверло.

При вращательном движении с частотой 200…300 мин-1 и при давлении 5 Н выполняют отверстия в костной ткани. Разработан­ные способы нашли применение в нейрохирургии при операции на черепе и в травматологии и ортопедии.

Сварка мягких биологических тканей. Существующим спосо­бам воссоединения мягких тканей, проводимых хирургами, при­сущи недостатки: трудность наложения шва, применение в каче­стве шовного материала инородных тел, которые остаются в орга­низме и часто вызывают воспалительный процесс, негерметич — ность.

Образование соединения при УЗС мягких биологических тка­ней (кровеносных сосудов), происходит вследствие действия уль-

б

Ультразвуковая сварка биологических тканей

Рис. 10.9. Устройство инструмента (а) и схема процесса (б) ультразвуко­вой трепанации костной ткани:

1 — ультразвуковой генератор; 2 — аку­стический узел; 3 — волновод-трепан; 4 — костная ткань; Р — усилие поджа­тая головки

тразвуковой энергии на биологическую ткань, в которой проис­ходит комплекс физико-химических процессов. Вследствие удар­ного многократного механического воздействия выделившаяся в месте контакта вода частично испаряется за счет теплоты и час­тично выдавливается волноводом, обезвоживая ткань. Оставший­ся белковый коллаген при температуре 60 °С преобразуется в по — лукоагуляционное соединение, способное к последующей реге­нерации в живую ткань в течение 14— Ц сут.

Оборудование для ультразвуковой обработки биологических объектов. При проектировании специализированного оборудова­ния для ультразвуковой обработки биологических объектов учи­тывалась специфика эксплуатации в клинических условиях. Лег­кость, удобство работы, маневренность, наличие быстросменных инструментов-волноводов позволяют безопасно выполнять необ­ходимые технологические операции сварки и резки. Инструменты можно многократно стерилизовать. С учетом требования клиники
в МВТУ им. Н. Э. Баумана разработан и изготовлен целый ряд аку­стических узлов.

Для обеспечения стабильности работы ультразвуковой установки в генератор встроен блок автоматической подстройки частоты. Сигналом управления служит изменение напряжения пульсаций цепи питания оконечного каскада генератора.

В МВТУ им. Н. Э.Баумана разработаны установки УСКР-5М, УРСК-7Н, УРСК-74-18, УРСК-8Н, УЗС-100-4, которые прошли клиническую апробацию в ряде медицинских учреждений. С 1971 г. Ульяновским приборостроительным заводом освоен серийный выпуск установок УРСК-7Н.

Установка УРСК-7Н-18 предназначена для проведения различ­ных хирургических операций (резка, сварка, наплавка и антибак­териальная обработка биологических тканей) в больницах и по­ликлиниках. Установка может работать как в режиме автоматичес­кого поиска резонансной частоты (АПЧ) и поддержания ее в про­цессе работы, так и без автоматического поиска. Резонанс систе­мы в любом случае поддерживается автоматически. Установка кон­структивно выполнена в виде отдельных блоков и состоит из ге­нератора и трех акустических узлов, волноводов и стерилизатора. Охлаждение генератора воздушное.

Акустический узел состоит из защитного кожуха, магнитност — рикционного пакета, выполненного из отожженного никеля, ко- ническо-цилиндрического трансформатора упругих колебаний, сменных волноводов — инструментов. Трансформатор приклеен к пакету эпоксидным клеем. Волноводы экспоненциальной формы и скальпели изготовлены из титановых сплавов. Охлаждение акус­тического узла воздушное. Акустическая головка компактна: ее масса не превышает 0,6 кг при длине 320 мм и диаметре 38 мм. Мощность генератора 0,16 кВт, частота колебаний инструмента 26,5 кГц, амплитуда колебаний до 50 мкм, допустимая продолжи­тельность непрерывной работы 5 мин, масса генератора 10 кг.

Контрольные вопросы

1. В чем различие между звуком и ультразвуком?

2. В чем состоит сущность ультразвуковой сварки?

3. Как производят фокусирование и концентрацию ультразвуковых волн?

4. Что является источником ультразвука?

5. Как преобразуется электроэнергия в ультразвук?

6. Из каких узлов состоит оборудование для УЗС?

7. Что можно считать основными параметрами режима УЗС металлов?

8. Какова сущность УЗС биологических тканей?

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить комментарий

plazmorez.com