Полная версия

Главная arrow Техника arrow БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Принципы проектирования БТС для ультразвукового соединения костных тканей

Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС. Цель проектирования - разработка аппаратуры для ультразвукового соединения костных тканей.

Применение ультразвука в хирургии основано на двух принципах. В настоящее время наиболее широко используют принцип воздействия на биообъект специальным хирургическим инструментом, которому сообщен низкочастотный ультразвук (22...60 кГц). Форма рабочей части ультразвукового инструмента зависит от его назначения.

Гораздо реже применяют принцип фокусированного ультразвука. При значительной интенсивности ультразвук оказывает разрушающее воздействие на локализованные облучаемые участки при одновременном проникновении в глубину живых тканей без их повреждения. Концентрация колебательной энергии интенсивностью в сотни Вт/см2 достигается путем фокусирования ультразвукового пучка на малом участке (доли кубического миллиметра). В зоне наибольшей концентрации колебательной энергии ткани разрушаются, при этом окружающие ткани остаются неповрежденными.

В ряде случаев принцип фокусированного ультразвука может быть незаменим, позволяя избежать сложных хирургических операций.

Вместе с тем широкое внедрение этого метода сдерживается отсутствием простой, надежной аппаратуры, гарантирующей высокую точность фокусирования ультразвукового пучка. Существующее оборудование очень сложное и дорогостоящее.

Создание базы данных о свойствах биообъекта. В хирургии применяют ультразвуковые пилы, зубья которых выкрашивают микроскопические частицы костной ткани, облегчая и ускоряя процесс резания. Достаточно быстрый и атравматичный распил, имеющий гладкие края без трещин и следов ожога, достигается при амплитуде режущего инструмента 20...30 мкм. При таких условиях ультразвуковое рассечение кости практически не влияет на течение процессов регенерации, и срастание происходит в обычные сроки. При более высоких значениях амплитуды колебаний инструмента увеличивается тепловыделение в области контакта режущих поверхностей и кости, что приводит к ожогам рассекаемой ткани и замедлению процесса регенерации.

Для резки хрящевой ткани, физические свойства (упругость и твердость) которой занимают промежуточное значение между соответствующими свойствами твердой и мягкой тканей, используют ультразвуковой инструмент с волнообразным лезвием, сочетающий в себе положительные качества пилы и скальпеля.

Хрящевая ткань состоит из хрящевых клеток (хондроцитов), располагающихся группами по две-три клетки, и гелеобразного основного вещества.

Гиалиновый хрящ (рис. 14.14) полупрозрачный, снаружи покрыт надхрящницей, которая продуцирует молодые хрящевые клетки. Из гиалинового хряща построены суставные хрящи, хрящи ребер, эпифизарные хрящи.

Фиброзный (волокнистый коллагеновый) хрящ отличается тем, что в его основном веществе содержится большое количество коллагеновых волокон, которые придают хрящу повышенную прочность. Из волокнистого хряща построены фиброзные кольца межпозвоночных дисков, внутрисуставные диски и мениски. Он покрывает суставные поверхности височно-нижнечелюстного и грудино-ключичного суставов.

Эластичный хрящ имеет желтоватый цвет, в его основное вещество входит много сложно переплетающихся эластичных волокон. Этот хрящ отличается упругостью. Из него образованы клиновидные и рожковидные хрящи гортани, голосовой отросток черпаловидных хрящей, надгортанник, ушная раковина, хрящевая часть слуховой трубы и наружного слухового прохода.

Гиалиновый хрящ

Рис. 14.14. Гиалиновый хрящ:

1 - псрихондрий (надхрящница); 2 - зона хряща с молодыми хрящевыми клетками (хондрогенный слой); 3 - основное вещество; 4 - группы хондроцитов (зрелые хрящевые клетки)

Костная ткань, отличающаяся особыми механическими свойствами, включает в себя костные клетки (остеоциты), замурованные в обызвествленное межклеточное вещество, которое содержит коллагеновые волокна и неорганические соли (рис. 14.15).

Кость имеет сложные строение и химический состав. В живом организме кость содержит 50 % воды, 28,15 % органических веществ, в том числе 15,75 % жира, и 21,85 % неорганических веществ, представленных соединениями кальция, фосфора, магния и др. Обезжиренная, отбеленная и высушенная кость (мацерирован- ная) на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название оссеин, и на 2/3 из неорганических веществ.

Прочность кости (механические свойства) обеспечивается физико-химическим единством органических и неорганических веществ, а также конструкцией костной ткани. По прочности кость можно сравнить с некоторыми металлами (медью, железом). Преобладание в кости органических веществ (у детей) придает ей большую упругость и эластичность. При преобладании неорганических веществ кость становится ломкой и хрупкой (у пожилых людей).

Шлиф кости (малое увеличение) (а) и костная клетка (большое увеличение) (б)

Рис. 14.15. Шлиф кости (малое увеличение) (а) и костная клетка (большое увеличение) (б):

1 - надкостница; 2 - пластинки остеона; 3 - центральные каналы (каналы остео- нов); 4 - остеоциты

Наружный слой кости представлен толстой (в диафизах трубчатых костей) или тонкой (в эпифизах трубчатых костей, в губчатых и плоских костях) пластинкой компактного вещества (substantia compacta). Под компактным веществом расположено губчатое (трабекулярное), пористое (substantia spongiosa (trabe- cularis)) вещество, построенное из костных балок с ячейками между ними, по виду напоминающих губку. Строение кости хорошо видно на срезах (шлифах) костей (рис. 14.16). Внутри диа- физа трубчатых костей находится костномозговая полость (cavi- tas rn.ed.ularis) с костным мозгом. Компактное вещество состоит из пластинчатой костной ткани и пронизано системой тонких питательных каналов. Одни из них ориентированы параллельно поверхности кости, а в трубчатых костях - вдоль длинного размера (центральный, или гаверсов, канал), другие (прободающие (или каналы Фолькмана) - перпендикулярно поверхности. Эти костные каналы служат продолжением более крупных питательных каналов (canales nutrlcii (nutriensii)), открывающихся на поверхности кости в виде отверстий, один-два из которых бывают довольно крупными. Через питательные отверстия в кость (в систему ее костных каналов) проникают артерия, нерв и выходит вена.

Строение кости

Рис. 14.16. Строение кости:

1 - губчатое вещество; 2 - компактное вещество; 3 - наружный слой кости; 4 - питательный канал

Строение остеона

Рис. 14.17. Строение остеона:

1 - пластинки остеона; 2 - остеоциты (костные клетки); 3 - центральный канал (канал остеона)

Стенки центральных каналов представляют собой концентрически расположенные костные пластинки в виде тонких трубочек, вставленных одна в другую. Центральный канал с системой концентрических пластинок, являющийся структурной единицей кости, получил название остеома (рис. 14.17), или гаверсовой системы.

Пространства между остеонами заполнены вставочными (промежуточными, интерстициальными) пластинками. Наружный слой компактного вещества кости образован наружными окружающими пластинками. Внутренний слой кости, ограничивающий костномозговую полость и покрытый эндостом, представлен внутренними окружающими пластинками. Остеоны и вставочные пластинки формируют компактное корковое вещество кости.

Кроме суставных поверхностей, покрытых хрящом, снаружи кость выстлана надкостницей (periosteum). Надкостница - тонкая прочная соединительнотканная пластинка, которая богата кровеносными и лимфатическими сосудами, нервами. В ней можно выделить два слоя. Наружный слой надкостницы волокнистый, внутренний - ростковый, камбиальный (остеогенный, костеобразующий), принадлежит непосредственно костной ткани. За счет внутреннего слоя надкостницы образуются молодые костные клетки (остеобласты), откладывающиеся на поверхности кости.

Таким образом, вследствие костеобразующих свойств надкостницы кость растет в толщину. С костью надкостница прочно сращена с помощью прободающих волокон, уходящих в глубь кости.

Внутри кости, в костномозговой полости и ячейках губчатого вещества, находится костный мозг. Во внутриутробном периоде и у новорожденных во всех костях содержится красный костный мозг (medulla ossium rubra), выполняющий кроветворную и защитную функции. Он представлен сетью ретикулярных волокон и клеток, в петлях которой присутствуют молодые и зрелые клетки крови и лимфоидные элементы. В костном мозге разветвляются нервные волокна и сосуды. У взрослого человека красный костный мозг есть только в ячейках губчатого вещества плоских костей (кости черепа, грудина, крылья подвздошных костей), в губчатых (коротких) костях и эпифизах трубчатых костей. В костномозговой полости диафизов трубчатых костей находится желтый костный мозг (medulla ossium fidua), представляющий собой перерожденную ретикулярную строму с жировыми включениями. Масса костного мозга составляет 4...5 % массы тела, причем одна половина - это красный костный мозг, другая - желтый.

Компактное костное вещество, состоящее из концентрически расположенных костных пластинок, хорошо развито в костях

(трубчатых), выполняющих опорную функцию и роль рычагов. Кости, имеющие значительный объем и испытывающие нагрузку по многим направлениям, преимущественно образованы из губчатого вещества. Снаружи они имеют лишь тонкую пластинку компактного костного вещества (эпифизы трубчатых костей, губчатые (короткие) кости).

Губчатое вещество между двумя пластинками компактного вещества в костях свода черепа называют промежуточным - дип- лоэ (diploe). Наружная пластинка компактного вещества у костей свода черепа довольно толстая, прочная, а внутренняя - тонкая,

при ударе легко ломается, образуя острые обломки, поэтому ее называют стеклянной пластинкой (lamina vitrea). Костные балки (перекладины) губчатого вещества расположены не беспорядочно, а в определенных направлениях, по которым кость испытывает нагрузки в виде сжатия и растяжения (рис. 14.18).

Линии, соответствующие ориентации костных балок и получившие название линий сжатия и растяжения, могут быть общими для нескольких смежных костей. Такое расположение костных балок под углом друг к другу обес- Рис 14.18. Расположение кост- псчиваст рав0МСр„ую передачу ных балок в губчатом веществе r v J v J

(распил проксимального конца на кость давления или силы тяги бедра во фронтальной плоско- мышц. Трубчатое и арочное сти: строение кости обусловливает

/ - надкостница; 2 - губчатое ве- максимальную прочность при щество; 3 - пила наибольшей легкости и наименьшей затрате костного материала. Строение каждой кости соответствует ее месту в организме и назначению, направлению силы тяги действующих на нее мышц. Чем больше нагружена кость, чем больше деятельность окружающих ее мышц, тем кость прочнее. При уменьшении

силы действующих на кость мышц кость становится тоньше, слабее.

Кость отличается очень большой пластичностью. При изменяющихся условиях действия на кость различных сил происходит перестройка кости: увеличивается или уменьшается число остёонов, изменяется их расположение. Таким образом, тренировки, спортивные упражнения, физическая нагрузка оказывают на кость формообразующее воздействие, укрепляют кости скелета.

При постоянной физической нагрузке на кость развивается ее рабочая гипертрофия: компактное вещество утолщается, костномозговая полость суживается. Сидячий образ жизни, длительный постельный режим во время болезни, когда действие мышц на скелет заметно уменьшается, приводят к истончению и ослаблению кости. Перестраиваются и компактное, и губчатое вещество. Последнее приобретает крупноячеистое строение. Отмечены особенности строения костей в соответствии с профессиональной принадлежностью. Тяга сухожилий, прикрепляющихся к костям в определенных местах, ведет к образованию выступов, бугров. Соединение мышцы с костью без сухожилия, когда мышечные пучки непосредственно вплетаются в надкостницу, образует на кости плоскую поверхность или даже ямку.

Влияние действия мышц обусловливает характерный для каждой кости рельеф ее поверхности и соответствующее внутреннее строение.

Перестройка костной ткани возможна благодаря одновременному протеканию двух процессов: разрушение старой, ранее образовавшейся костной ткани (резорбции) и создание новых костных клеток и межклеточного вещества (костеобразование). Кость разрушают особые крупные многоядерные клетки - остеокласты (костеразрушители). На ее месте формируются новые остеоны, новые костные балки. В результате одновременно протекающих резорбции и костеобразования изменяются внутреннее строение, форма и величина кости. Таким образом, не только биологическое начало (наследственность), но и условия окружающей среды, а также социальные факторы влияют на конструкцию кости. Кость меняется в соответствии с изменением степени физической нагрузки; на строение костей действует характер выполняемой работы.

Физико-механические и акустические свойства костной ткани. Состав костной ткани зависит от возраста и типа кости. Как показывает химический анализ, компактное вещество кости состоит по массе в среднем на 70...72 % из неорганических веществ, на 20 % - из органических и на 8... 10 % - из воды; в губчатой кости содержание неорганических веществ составляет лишь

35...40 %, органических - 50...55 %, воды - 5...15 %.

Неорганические вещества кости представлены главным образом солями кальция, которые образуют соединения, включающие в себя субмикроскопические кристаллы типа гидрооксиапатита.

Органическое вещество кости примерно на 90 % состоит из коллагена, который в качестве скрепляющей субстанции располагается между кристаллитами.

Коллаген - фибриллярный белок нитевидной структуры; длина его макромолекул - около 200 нм, диаметр - 1,4 нм при относительной молекулярной массе около 300 000.

В первичную структуру коллагена входят аминокислоты, соединенные в определенной последовательности.

Предел прочности коллагенового волокна при растяжении около 0,15 МПа, относительное удлинение при разрыве 20...25 %, модуль упругости коллагеновых волокон кожи человека составляет всего 100 МПа. При нагреве коллагеновые волокна не удлиняются, как все тела, а укорачиваются, что объясняется диссоциацией фибрилл и молекул. Расположенные первоначально параллельно друг другу фибриллы ориентируются при нагреве по всем направлениям.

Сочетание органических и неорганических веществ дает прочную и легкую ткань, которая по некоторым физическо-механи- ческим свойствам близка к свойствам легких металлов (алюминий и магний). Физико-механические (и акустические) свойства костной ткани приведены ниже:

Предел прочности, МПа:

при растяжении................................................ 0,91... 13,4

сжатии............................................................... 15...25

изгибе................................................................ 0,8... 12

Модуль упругости при растяжении ..................... 16...25

Скорость звука, м/с ................................................ 3260...3400

Плотность, г/см3 ..................................................... 1,87

Костная ткань, как и любое тело, способна передавать ультразвуковые колебания. По данным И.Е. Эльпинера, скорость звука в ткани у человека колеблется в пределах 3260...3400 м/с. При распространении колебаний интенсивность звука определяется соотношением

где /0 - интенсивность звука у излучателя; Iх - интенсивность звука на расстоянии х. Величина 1 /а называется глубиной проникновения.

Коэффициент поглощения ультразвука в костных тканях очень мал. Скорость звука в костных тканях много выше, чем в воздухе и в других средах, но она непостоянна, зависит от индивидуума и его состояния.

Создание вербальной, физической и математической модели биообъекта. Для проведения операций на костях разработан ряд специализированных инструментов для разделения отдельных видов костей: стернотом (разделение грудины), кусачки Люэра, гибкие проволочные электрофрезы. Широко используют такие традиционные инструменты, как долото (остеотом), кусачки, различные хирургические пилы.

Перечисленные инструменты довольно просты в обращении и обладают достаточно высокой производительностью. Однако работа с ними требует от хирурга значительных физических усилий в процессе операции, вследствие которых разделяемой ткани наносится дополнительная механическая травма, что может отрицательно сказаться на процессах регенерации ткани. При обработке костных тканей нередки случаи разрушения кости, как это часто бывает при остеотомии.

Попытки уменьшить механическое воздействие на костную ткань при разделительных операциях привели к созданию механизированных инструментов с использованием электропривода - электрофрез, электродрелей. Применение подобных инструментов значительно облегчило труд хирурга, а также повысило производительность процесса резания. Однако интенсивный нагрев режущего инструмента во время операции приводит к коагуляции белка в костной ткани и, как следствие, к некрозу (отмиранию) клеток по краям костной раны.

Идея разрезания костных тканей инструментами с помощью ультразвука зародилась на основе его применения при сверлении металлических изделий.

Были проведены опыты по наложению ультразвука на пилообразные окончания ультразвуковых концентраторов.

Сущность способа заключается в том, что на режущий инструмент, представляющий собой пластину, геометрические параметры которой определяются плотностью разделяемой ткани, накладываются упругие механические колебания ультразвуковой частоты.

Непосредственно режущий инструмент состоит из узкой тонкой пластины в концевой части концентратора. На ее узкую грань наносят насечку, форму зуба и шаг устанавливают из условия обеспечения оптимальных технологических параметров процесса.

Зубья насечки инструмента при резании совершают продольные колебания частотами 20000...30 000 Гц и амплитудами

20...60 мкм. Физический процесс резания костных тканей включает в себя два этапа.

На первом этапе в результате действия ультразвука происходит снятие микростружки, зубья пилы внедряются в костную ткань. На втором этапе осуществляют срезание ткани между зубьями насечки за счет сдвигающей (горизонтальной) силы Рг и силы хирурга Р, прикладываемой к инструменту в процессе его движения. Физические и технологические параметры процесса резания, а также форма инструмента определяют температуру в зоне разреза и производительность процесса.

При резании меняются размеры зоны контакта ткани и режущей части инструмента.

Следует учитывать тот факт, что для кости отсутствует линейная взаимосвязь между напряжениями и деформациями (рис. 14.19). Разрушение кости определяется энергией, сообщенной при нагружении.

При резании одновременно происходят два процесса: внедрение зубьев пилы в костную ткань; сдвиг зубьев, при котором срезается слой костной ткани между зубьями пилы и образуется стружка.

Существует несколько моделей разрушения материала при пилении, развитых в основном в машиностроении применительно к однородным конструкционным материалам.

Рис. 14.19. Зависимость напряжения от относительного удлинения:

1,2- кривые нагружения и разгрузки

По упрощенной схеме И.А. Тиме (рис. 14.20) при образовании стружки происходит скалывание отдельных участков материала по единственной плоскости скалывания т-т, наклоненной к поверхности резания под углом pi. При этом не рассматриваются процессы в поверхностном слое и условия контакта.

Упрощенная схема образования стружки по И.А. Тиме (а); схема сил, действующих на кромку режущего инструмента (5); деформации, возникающие при образовании стружки (в); типы стружек (г)

Рис. 14.20. Упрощенная схема образования стружки по И.А. Тиме (а); схема сил, действующих на кромку режущего инструмента (5); деформации, возникающие при образовании стружки (в); типы стружек (г):

1 - сливная; 2 - суставчатая; 3 - элементная; 4 - надлома; 1-5 - отдельные участки скола; т-т, р - плоскость и угол скалывания

Схема сил, действующих на кромку инструмента, приведена на рис. 14.20, б; геометрия инструмента определяется набором углов и длин.

При наложении продольного ультразвука на рабочую часть инструмента наблюдается следующее:

  • • происходит уменьшение силы трения. При обычном резании ша пилу действуют силы сухого трения (о стенки), а при наложении колебаний сила трения снижается; сухое трение переходит в полусухое и гидродинамическое (жидкостное);
  • • сила, действующая на кость со стороны пилы, и скорость резания становятся переменными величинами (wz = ^©(cosco/ + v0).

При этом максимальная скорость резания может в сотни раз превышать постоянную скорость движения пилы, что изменяет характеристики процесса образования стружки и уменьшает требуемую силу Рг. Кроме того, амплитуда колебаний - фактор, определяющий объем стружки и скорость резания;

  • • сила резания Ру представляет собой нагрузку для акустического инструмента, как бы зафиксированного рукой хирурга, что несколько увеличивает требуемые от хирурга силы и одновременно повышает скорость резания;
  • • наличие максимума производительности соответствует определенной силе резания Рг;
  • • хирург чувствует сопротивление костной ткани при разрезе, поэтому разрушение контролируется лучше, чем при лазерной хирургии;
  • • поверхность разреза шероховатее, чем поверхность, выполненная обычной пилой; однако она не содержит видимых микротрещин вследствие плавности работы, с ее помощью легче осуществлять точную остеотомию;
  • • в значительной степени облегчается работа, совершаемая рукой хирурга и энергией ультразвука.

Таким образом, применение для разделения костей ультразвуковых инструментов - еще один шаг в механизации хирургических разделительных процессов.

Наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент существенно влияет на процесс резания костной ткани. Скорость резания ультразвуком (рис. 14.21) значительно превосходит скорость процесса обычного резания механическим инструментом, в то время как силы резания Р2 в направлении главного движения отличаются не более, чем в 2 раза.

Зависимости скорости резания и силы P от силы Р (а) без (У)

Рис. 14.21. Зависимости скорости резания и силы Pz от силы Ру (а) без (У)

и с ультразвуком (2), влияние амплитуды колебаний и шага насечки инструмента на производительность процесса Js и силы резания Р2, Ру (б)

Кривая скорости резания с ультразвуком имеет четко выраженный максимум, соответствующий определенному значению Ру - силы, действующей от режущего инструмента на обрабатываемую поверхность. Дальнейшее увеличение этой силы снижает производительность процесса при заданных технологических параметрах.

Производительность резания костных тканей зависит от амплитуды колебаний, их частоты, геометрии режущий кромки инструмента, силы Ру, действующей на инструмент, скорости движения инструмента по обрабатываемой поверхности.

Повысить производительность процесса можно за счет увеличения энергии ультразвука, распространяющегося в инструменте, а именно, за счет увеличения амплитуды и частоты колебаний.

Как уже было отмечено, амплитуда вынужденных механических колебаний инструмента при ультразвуковом резании - один из важнейших параметров процесса. С увеличением амплитуды колебаний возрастает и скорость vm микроперемещения режущей кромки вдоль обрабатываемой поверхности: v = - vm cos со t.

Известно, что с изменением скорости резания силы резания также меняются. При распространении в режущем инструменте ультразвуковых колебаний скорость микроперемещений режущей кромки достигает наибольших значений. При изменении амплитуды колебаний от 10 до 60 мкм при частоте 26 кГц скорость микроперемещений режущей кромки повышается с 96 до 565 м/мин.

Как показали эксперименты, подобное изменение скорости резания снижает силы Ру более чем в 3 раза, причем производительность процесса увеличивается в 10 раз.

Амплитуда колебаний инструмента - параметр, определяющий объем стружки в процессе микрорезания. С помощью исследований было установлено, что увеличение амплитуды колебаний способствует росту производительности процесса при одновременном уменьшении значений Р

Силы резания в направлении главного движения с увеличением амплитуды колебаний инструмента возрастают. Также повышается производительность процесса микрорезания, т. е. объем стружки, снятой за счет микроперемещений режущей кромки, в связи с увеличением длины снимаемого слоя при малых значениях силы Ру. Возрастание силы, действующей на инструмент, способствует более глубокому внедрению режущей кромки в костную ткань, тем самым увеличивает толщину срезаемого слоя, следовательно, и площадь сдвига, что вызывает пропорциональный рост силы резания в направлении главного движения. Влияние частоты колебаний инструмента не столь существенно. При изменении частоты колебаний от 20 до 30 кГц производительность повышается на 15...20 %.

Производительность также зависит от шага насечки: изменение шага от 0,4 до 1,1 мм увеличивает производительность в несколько раз (см. рис. 14.21, б), при этом ухудшается шероховатость обработанной поверхности.

Существенное влияние на производительность оказывает передний угол резания у: при возрастании угла от -45 до +20° повышаются производительность в 1,8 раза, а также силы резания в направлении главного движения (рис. 14.22).

Угол резания влияет на физикомеханические процессы. При отрицательных углах резания имеет место явление, напоминающее соскабливание, при положительных - выражено скалывание материала. Эти явления подтверждаются изменением грануляции стружки. При значениях переднего угла у > О

размер частиц костной стружки на

15...20 % больше, чем при у<0. Рис. 14.22. Зависимости про- .. изводительности процесса

Увеличение переднего угла умень- (/) и силы резания (2) с

шает силы Ру . ультразвуком от переднего

л ' угла резания

Определение зависимости доза

воздействия - эффект. За эффект можно принять площадь сделанного инструментом разреза (рис. 14.23)

где ар(/) - скорость движения пилы в направлении резания.

К определению зависимости доза воздействия - эффект

Рис. 14.23. К определению зависимости доза воздействия - эффект

За дозу воздействия можно принять подведенную непосредственно к рабочей части инструмента энергию ультразвука. Эта энергия может быть косвенно оценена по подводимой к скальпелю электрической мощности и известным (рассчитанным) потерям мощности на тепловое излучение (инструмента). Кроме того, акустическая мощность связана с амплитудой и частотой колебаний ультразвукового инструмента:

Величина переднего угла резания у влияет на температуру нагрева. При изменениях угла от -45 до +15° температура снижается на 20 °С. Это можно объяснить повышением производительности

и большим расходом энергии на разрушение ткани. Кроме того, при у > 0 тепловой поток направляется в основном в стружку, нежели при отрицательных значениях угла. Следует помнить, что рост температуры связан с повышением значения Ру. Последнее

увеличивает силы и работу трения, что, естественно, сопровождается возрастанием температуры, которая снижается при повышении скорости резания.

Качественное изменение процесса резания происходит вместе с изменением скорости движения инструмента. С увеличением скорости процесс резания приобретает прерывистый, ударный характер, это может сопровождаться образованием трещин в корне стружки, что уменьшает энергию деформации.

На рис. 14.24, а и б приведены зависимости температуры от амплитуды колебаний, частоты, скорости движения инструмента и силы Ру.

Зависимости температуры нагрева от частоты/ амплитуды А (а), скорости движения инструмента v и силы резания Р (б)

Рис. 14.24. Зависимости температуры нагрева от частоты/ амплитуды А (а), скорости движения инструмента vp и силы резания Ру (б)

Из построенных кривых ясно, что избежать повышения температуры более 60 °С возможно при значении Ру, не превышающем 2,5...2,6 Н. Установлено, что существенным условием, обеспечивающим производительность процесса резекции костных тканей пилами, является рациональный профиль зубьев, определяющий хорошие условия отвода стружки. Увеличение угла развода зубьев до 20...25° повышает производительность более чем в 2 раза. Увеличение пространства между зубьями обеспечивает более глубокое внедрение в кость и улучшает условия отвода стружки. При разводе костная стружка выводится через полость, образованную за счет уменьшения площади передней поверхности зубьев насечки.

Дальнейшее увеличение угла развода относительно указанных значений нерационально, так как снижает производительность.

При наличии развода зубьев увеличение силы Ру на инструмент повышает силу в направлении движения при резании. Это обусловлено существенным уменьшением контакта поверхности пилы с костью. Таким образом, при одинаковом давлении разведенные зубья пил внедряются более глубоко в костную ткань, чем неразведенные.

Критерий, подтверждающий сделанные выше выводы, - грануляция стружки. Установлено, что при у > 0 с увеличением амплитуды ультразвука от 10 до 60 мкм грануляция стружки возрастает. Для обычной пилы грануляция стружки меняется от 150 до 350 мкм, для разведенной - от 200 до 400 мкм. При у < 0 указанные цифры уменьшаются на 15...20 %.

Повышение силы на пилу до 2,0 Н увеличивает грануляцию стружки до 350 мкм. Дальнейшее возрастание силы способствует снижению грануляции приблизительно на 20 % (грануляция лишь незначительно повышается с увеличением давления). Следует отметить, что при резекции разведенными ультразвуковыми пилами температура в зоне разреза уменьшается на 15...20 °С по сравнению с температурой при использовании неразведенных пил.

Понижение температуры происходит вследствие улучшения теплообмена в результате образования ультразвукового потока через пространство, сформированное разводом зубьев. Возможно, что понижение температуры происходит вследствие интенсивного отведения стружки между зубьями.

При ультразвуковом резании костных тканей зона разреза представляет не только источник теплоты, но и источник упругих механических колебаний, которые могут сказаться на жизнедеятельности биологического материала. Однако результаты проведенных экспериментов (рис. 14.25) показывают, что амплитуда колебаний и зона их распространения весьма незначительны и вряд ли могут оказывать на костную ткань существенное влияние.

Амплитуда колебаний, распространяющихся в кости животного при ультразвуковом резании

Рис. 14.25. Амплитуда колебаний, распространяющихся в кости животного при ультразвуковом резании:

1 - при неподвижном инструменте; 2 - резание вдоль образующей кости; 3 - резание поперек образующей кости

Гистологический анализ разрезаемых костных тканей показывает, что остеотомия ультразвуковыми инструментами позволяет получить ровные поверхности без растрескивания и образования мелких костных фрагментов. Зазор между фрагментами составляет 0,1. ..0,3 мм, края опилов ровные. Ядра костных клеток (остеоцитов) не окрашены, что имеет место при обычных переломах. Кровоизлияния между костными балками выражены слабо. Гистологические исследования подтвердили следующее: ультразвуковое резание травмирует костные ткани в меньшей степени, чем при применении других хирургических инструментов.

При резке пилой Джигли зазор между фрагментами достигал 1 мм, в костной ране обнаруживалось большое количество мелких костных фрагментов, отмечались заметные кровоизлияния, имели место растрескивания краев раны.

Ультразвуковое резание улучшает процесс мозолеобразования.

Наиболее положительное обстоятельство при ультразвуковом резании - незначительная зона некробиоза (около 20 мкм), что обеспечивает хорошие условия процесса регенерации тканей.

При резании ультразвуковыми инструментами в костной мозоли раньше появляются костные клетки, чем при резке пилой Джигли.

Ультразвуковые режущие инструменты применялись при резекции плечевой, лучевой, локтевой костей; опухолей костей таза при удалении разбитых головок лучевой кости; при резекции участков берцовой и других костей; при выпиливании трансплантатов и ложа для них; при поперечных, угловых остеотомиях.

Для удаления костных новообразований разработан инструмент, режущая кромка которого выполнена по замкнутому контуру, что позволяет обрабатывать поверхности практически любой конфигурации. Этот инструмент нашел широкое применение в клинике детской хирургии и ортопедии.

Ультразвуковые методы рассечения костей хорошо зарекомендовали себя в клинической практике, так как требуют малых сил, прикладываемых хирургом на инструмент, обеспечивают возможность резания по любым контурам, обладают малой травматично- стью, также выявляется обезболивающий эффект, который особенно эффективен в первые один-два дня после операции. Ультразвуковое резание открыло новую страницу в хирургической обработке костных и других биотканей.

Конструирование целевой функции. При конструировании целевой функции необходимо учитывать:

• производительность процесса резания - функция силы хирурга, параметров подводимой акустической энергии, геометрии инструмента и свойств разрезаемой ткани; для каждого конкретного типа геометрии инструмента следует записать эмпирическую зависимость

  • • параметры, количественно описывающие качество обработанной поверхности (шероховатость и т. п.), при этом необходимо иметь в виду влияние качества поверхности на дальнейшую регенерацию костной ткани, для чего требуется проведение соответствующих экспериментов;
  • • побочные эффекты - нагрев ткани, происходящий в основном за счет действия сил трения и зависящий от амплитуды и частоты колебаний.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>