Введение к работе
Актуальность работы, Среди хирургических методов лечения в настоящее время предпочтение отдается методам, приносящим организму наименьший травматизм, минимальные кровопотери и побочные явления. Предпочтение все чаще отдают малотравматичішм эндоскопическим методам хіфурпгческого вмешательства.
Разработка и применение для хирургического воздействия ультразвуковой низкочастотной аппаратуры является одним из интенсивно развивающихся направлений. Значительный вклад в развитие этого направления внесла научная школа МГТУ им. Н.Э. Баумана во главе с академиком Ґ.А. Николаевым и профессором В.И. Лощиловым. Совместные работы которых с учеными медиками академиками М.В. Волковым, Б.В. Петровским, В.И. Петровым и другими позволили создать новые высокоэффективные методы и аппаратуру для ультразвукового воздействия на биологические ткани. Впервые в міфе были разработаны методы ультразвуковой резки, расслоения, сварки, наплавки и обработки биологических тканей для хирургии, травматолопш и др. областей медицины.
Однако, нельзя не отметить, что несмотря на достигнутые успехи в области ультразвуковых медицинских технологий, последние могли бы развиваться значительно интенсивней, если бы не недостаточная эффективность существующей хіфургической ультразвуковой аппаратуры и отсутствие современных эффективных средств и методов математического моделирования проектируемых ультразвуковых колебательных систем (УЗКС).
Причин невысокой эффективности можно назвать несколько. Во-перпых это недостаточная стабильность амплитуд колебаний из-за постояшго меняющейся нагрузки со стороны биотканей, во-вторых - низкая динамическая устойчивость ультразвуковых волноводов-инструментов и, как следствие, резкое падение амплитуд продольных колебаний с одновременным быстрым увеличением амплитуд изгибных колебаний, приводящих иногда к разрушениям волновода-инструмента. В третьих, - быстрый нагрев электроакустических преобразователей (ЭАП), существенно ограничивающий время непрерывной работы. Применяемые приемы борьбы с нагревом обычно направлены не на снижеіше мощности паразитных тепловых источников (т.е. не на увеличение к.п.д.), а па уменьшение температуры корпуса ЭАП. Последнее достигается либо введением дорогостоящей системы пршг/дительного охлаждения, либо - за счет увеличения теплоемкости деталей ЭАП (что приводит к увеличению габаритов ЭЛП и снижению маневренности при работе в ограниченном операционном поле). Иногда для увеличения времени непрерывной работы аппараты комплектуются несколькими однотипными УЗКС, которые по мере нагрева циклически заменяются на остывшие. Это приводит не только к удорожанию аппаратуры, но и усложняет и без того напряженную работу хирурга.
Поэтому центральной проблемой при создании новой хирургической ультразв}-ковой аппаратуры является проблема повышали ее эффективности,
1 р'лцШЙисАя " I
особенно важная ддя эндоскопических УЗКС, которые предсгавляїот собой слалшые солноводные системы продольных, изгибных и крутильных колебаний, и подверженные разнообразным внешним воздействиям со стороны бногканей. Таким образом, разработка современных методов проектирования, адек-вапшх математических моделей широкого класса УЗКС н их оптимизация, исследования динамики систем при взаимодействии с различного рода бнонагруз-ками являегся безусловно актуальной задачей.
Делу рзбоги Разработка принципов построешія и научных основ проекти-рования ультразвуковых колебательных систем для хирургии и терапии с пьезо-а магшітострцкциошшші преобразователями.
-
Разработка методов иросктирошишя и универсальных математических моделей хирургических и терапевтических УЗКС с пьезо- и магнитострнкцнон-ными преобразователями при продольных, изгибішх и смешанных модах колебании для прямолинейных и криволинейных волноводов с произвольной формой изменения поперечного сечения н внутренней диссипацией механической энергии.
-
Разработка универсального программного обеспечения для анализа и синтеза сгерасневых прямолинейных и криволинейных УЗКС с пьезо- и магнн-тострньдиониьши преобразователями для различных видов распределешгых и точечных взаимодействий с биолошческиші тканями при продольных, изгнб-ных и смешанных модах колебаний.
-
Разработка методов проектировшшя ультразвуковых колебательных систем вращения для хирургических вмешательств.
-
Исследование внутренних потерь в УЗКС при ультразвуковом нагру-жеиии в сильных полях и минимизация этих потерь.
-
Разработка универсального метода проектирования УЗКС с параллельными распределенными элементами (ПРЭ) при продольных, изгибных, изгибно-пролольних и крушльных колебаїишх.
-
Повишешіе эффективносга ультразвуковой медицинской аппаратуры, решение задач оптимизации УЗКС.
-
Разработка ультразвуковых хирургические аппаратов, УЗКС, сгержне-вых волноводов, ннсгрумемтов-концентраторов, ЭАП для конкретных медицинских задач.
1, Разработаны методы математического моделирования жестких прямолинейных и гибких криволинейных эндоскопических УЗКС с внутренней диссипацией энергии, пьезо- и мапппострикционными преобразователями при продольных, крушльных, изгибных, а также смешанных формах колебаний как при ючечном, так и при распределенном взаимодействии с биологическими тк<ш>ыи. Выявлены условия минимизации внуїреншіх потерь, вносимых высшими гармониками сні ішла и парам стоическим возбуждеїшсм УЗКС, предло-2 .
жены новые типы электроакустических преобразователей и составных волноводов-инструментов, доказана целесообразность их применения в хирургип.
2. Впервые, в общем виде, с учетом радиальных колебаний, инерции вра
щения и сдвиговых деформаций решена задача стационарных колебании УЗКС
с произвольным числом многократно-вложенных открытых и замыкающих па
раллельных распределенных элементов при продольных, крутильных, изгибных
и ігзгнбно-продольньїх колебаниях с учетом внутрешіей диссипации механиче
ской энергии как в основной УЗКС так и в распределенных параллельных эле
ментах. Определены общие закономерности влияния акустических характери^
стик и геометрических параметров открытых и замыкающих ПРЭ на частотный
спектр УЗКС.
-
Впервые исследована динамика ультразвуковых вибродрелей с общим источником вращательного и ультразвукового возвратно-поступательного движения, которым является электроакустический преобразователь продольных или продольно-крутильных колебаний. Получены зависимости мощностп, оборотов вращения и козффициеігга детонации от момента сопротивления со стороны биологических тканей для различных коэффициентов динамичности толкателей, определены оптимальные параметры для основных режимов ультразвуковой обработки биологических тканей.
-
В результате теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия УЗКС с биологическими тканями предложены и обоснованы новые принципы синтеза УЗКС в зависимости от целей и характера вмешательства. Показано, что применение УЗКС с мягкими характеристиками при обработке близкорасположенных биотканей с существенно различными акустическими импедансами может снизить травматнчность таких вмешательств и вероятность нежелателыгых побочных эффектов.
-
В в результате исследований динамики движения ультразвуковых режущих волноводов-инструментов предложены и теоретически обоснованы новые методы синтеза геометріпі инструментов, позволившие увеличить в 1,2-1,4 раза эффективность резания за счет такого изменения формы рабочего окончания, при котором в последнем помимо продольных мод колебаний возбуждаются гагибные моды в плоскости резания, причем четной моде продольных колебаний соответствует нечетная мода изгибных колебаний и наоборот. Показано, что максимальная эффективность резания достигается в случае, когда вектор смещения направлен по касательной к режущей кромке по всей ее длине, а амплитуда колебаний в плоскости, перпендикулярной к плоскости резания - минимальна.
Практическая ценность и внедрение результатов работу, 1. Разработан не имеющий аналогов комплекс программного обеспечения для автоматизированного проектирования ультразвуковых колебательных систем, сменных стержневых инструмеїггов-концеїгфаторов, согласующих волноводов, различного вида пьезо- и маппггостршащонных преобразователей и УЗКС в целом при продольных, крутильных, изгибных и смешанных модах ко-
лебашій для прямолинейных и криволинейных колебательных систем при различных видах воздействия на биологические ткани. Разработанное программное обеспечение позволило: существенно (в 5-10 раз) сократить сроки проектирована УЗКС, повысить к.п.д. разрабатываемых систем, в несколько раз (от 2 до 20) увеличить время неігрерьіьноГі работы УЗКС без применения систем принудительного охлаждения. Уменьшить габариты УЗКС без ухудшения их эксплуатационных характеристик. Программное обеспечение внедрено в практику проектирования в МЭИ (ТУ), ТОО "Техносоник", МГТУ им. Н.Э.Баумана, ЗАО «Конструкций», ТОО "Медитех'', ЗАО «Геософт-Про», Технического университета г. Кемшггц (Германия).
-
С использованием разработанных методов расчета и проектирования разработаны и серийно выпускаются Ульяновским приборостроительным объединением УЗКС с наборами сменных волноводов-инструментов, входящие в codas аппаратов УРСК-7Н-18 н УРСК-7Н-22. Созданы и внедрены в клиническую практику: наборы волноводов-инструментов (ВИ) для эндоскопических операций на бронхах (РНЦХ РАМН), наборы для онкологических операций (62-я онкологическая больница г. Москвы), УЗКС для стоматологии (163 поликлиника СРЗО г. Москвы, Самарский государственный медицинский университет), наборы для сосудистой хирургии (БелГИУВ, Минск), свыше 400 различных сменных волноьодов-ннсфументов для общей, сосудистой и нейрохирургии, травматологии, чслюстно-лнцевой хирургии, косметологии, стоматологии, гинекологии, офтальмологии, проктологии, гнойной хирургии.
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедр "Биомеднцин-ские технические системы и устройства" и "Медико-технические и информационные технологии" МГТУ им. Н.Э. Баумана, используются при проведении учебного процесса по специальностям 19.05 и 19.06 Вузов страны.
-
Разрабоганы экспериментальные образцы нового поколения ультразвуковых вибродрелей для травматологии, в которых источником обоих видов движения (вращательного и ультразвукового возвратно-поступательного) является одіш электроакустический преобразователь продольных колебаний.
Апробация работы проведена на базе кафедр «Биомедицинские технические системы и устройства», «Медико-технические и информационные техноло-і ни», «Валеологая» и отделов кафедр МГГУ им. Н.Э. Баумана.
Основные положения диссертации докладывались на конференциях, симпозиумах, сессиях и семинарах:
Всесоюзной конференции "Проблемы техники в медицине" (Томск, 1983 год). Республиканской и.-т. конференции 'Электромеханика и элекгроника" (Тбилиси, 1985 год), Всесоюзном совещшши "Новые ультразвуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине" (Великий Устюг, 1986 год), IV-oii Всесоюзной н.-т. конференции "Проблемы техники в медицине" (Тбилиси, 1986 год), 2-ой Всесоюзной конференции "Реализация математических методов с использованием ЭВМ в клинической и экспериментальной медицине" (Моїква, 1986 год), Международной конференцій! "Достижения биомеханики в
мелиціпіе" (Рип», 1986 год), Всесоюзной н.-т. конференции "Актуальные гг,-блемы информатики, упр&влеїтя я вычислительной тсхішкя" (Москва, 198. год), Всесоюзной н.-т. конферентвга "Актуальные вопросы применетія радно злектрошікн в медицине" (Куйбышев, 1988 год), Всесоюзной конференции "А к туалтые проблемы информатики, радиоэлектроники и лазерной техішкн" (Москва, 1989 год), Всесоюзной конференции с международным участием "Ультразвук в хирургии" (Суздаль, 1990 год), Ш Сессии Российского Акустического общества "Акуспгка и медицина" (Москва, 1994 года), Сессии отделения Академии медіпсо-техіпгческих наук РФ (Москва, 1996 год), эаседатпш Отделения "Биотехнические системы и образование" Академии Медико-Тсхтгческнх Наук РФ МГТУ им.Н.Э.Баумана, посвященного памяти академика ГАНнколаем (Москва, 1996 г.),VI Сессии Российского ахуслгческого общества (Москва, 199'/ год), Всероссийской конференции "Ультразвуковые Технологические процессы-98" (Москва, 1998 год).
Публикации:
По теме диссертации опубликовало 57 работ, включая учебные пособия и авторские свидетельства.
Шьем И структура, ра&дц,
Диссертационная работа состоит из введегпм, восьми глав, общих гт іго-доп, списка литературы m 271 наименования и приложений. Содсртэттт 340 страпиц текста, 160 рисунков и 15 таблиц.
