Основы проектирования хирургических бтс

Хирургия (греч. cheirurgia, от cheir — рука и ergon — работа) — раздел медицины и ветеринарии, занимающийся болезнями, основной метод лечения которых — операции (кровавые, т. е. связанные с рассечением и иссечением тканей, и бескровные — вправление вывиха, катетеризация). Наряду с терапией и акушерством хирургия — древнейшая медицинская специальность.

Решающую роль в развитии хирургии сыграло введение наркоза, асептики, антисептики. В XIX—XX вв. происходит нарастающая дифференциация хирургии с образованием многих самостоятельных научнопрактических дисциплин. Особенно больших успехов хирургия достигла с внедрением в операционные процедуры различных технических средств. В настоящее время в хирургии применяют физические методы воздействия на ткани с использованием электрокоагуляционной, лазерной, криогенной и ультразвуковой техники.

Принципы проектирования БТС для ультразвуковой хирургии мягких биотканей

Определение целевого назначения и класса проектируемой БТС. Цель проектирования аппаратуры для ультразвуковой хирургии — поиск и разработка методов снижения травматичности, кровопотерь и болевых ощущений при хирургических операциях, а также методов, позволяющих ускорить заживление послеоперационных ран и рассасывание рубцов.

Применение ультразвука в хирургии основано на принципе воздействия на объект специальным хирургическим инструментом, которому сообщены низкочастотные колебания (22…60 кГц) разной амплитуды и интенсивности.

В диагностических исследованиях медицинская техника использует высокочастотные колебания (до 20 МГц) небольших интенсивностей (0,01…0,08 Вт/см²), обеспечивающих практическое отсутствие вредного влияния на изучаемые объекты.

Уникальное сочетание качеств ультразвуковых инструментов значительно расширяет показания к их применению в хирургии, особенно при срочных вмешательствах, требующих быстроты выполнения, гемостатического и бактерицидного эффектов.

Можно выделить две основные области использования ультразвука в оперативной хирургии: инструментальная ультразвуковая хирургия и локальные разрушения в глубине тканей с помощью фокусированного ультразвука.

Низкочастотный ультразвук, наложенный на рабочую часть скальпелей, пил, трепанов и других хирургических инструментов, придает им новые положительные свойства.

Концентрирование акустической энергии в ограниченном объеме в глубине тканей путем фокусирования высокочастотного ультразвука позволяет создавать локальные разрушения, не нарушая целостности покровных и окружающих тканей.

Этим, однако, не ограничивается применение ультразвука в хирургии. Его также успешно используют для повышения эффективности лечения хирургических заболеваний, их диагностики и контроля за ходом операции, санации ран и полостей, ускорения заживления ран, эффективной очистки обычных хирургических инструментов, обеззараживания рук хирурга перед операцией и в ряде других случаев.

Разработка новых ультразвуковых методик в хирургии продолжается. Цель таких разработок — внедрение в практику ультразвуковых методов хирургического воздействия в сочетании с физическими, т. е. с применением электрокоагуляционной, лазерной и криогенной техники.

Форма рабочей части ультразвукового инструмента зависит от его назначения. При этом хирург совместно с традиционными приемами механического воздействия на ткани широко использует воздействие ультразвукового поля. Следовательно, рассматриваемые БТС относятся к классу хирургической техники, основанной на физико-механических методах исследования биообъектов (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Классификация хирургической БТС.

Необходимо отметить, что при использования ультразвукового инструмента наряду с гемостатическим эффектом имеют место также аналгетический, бактерицидный или бактериостатический эффект.

Бактерицидный эффект дает возможность использовать простую и оригинальную методику самостерилизации хирургического инструмента. Рабочую часть инструмента опускают в раствор дезинфицирующего вещества и включают генератор. Ультразвук вызывает интенсивное микротечение жидкости вблизи инструмента, очищающее его поверхность. Кроме того, увеличивая проницаемость клеточных мембран болезнетворных бактерий по отношению к дезинфицирующему веществу, ультразвук повышает эффективность его действия, что снижает концентрацию этого вещества в растворе в 10−100 раз.

Например, лезвие ультразвукового скальпеля погружают в бульон со стандартной культурой гемолитического плазмокоагулирующего стафилококка, подвергают двухминутной самостерилизации в разбавленном 0,025…0,5%-ном растворе диоцида. Затем скальпель приводят в соприкосновение с поверхностью кровяного агара в чашках Петри. Чем выше амплитуда колебаний инструмента, тем меньше число микробных колоний после такой процедуры.

Низкочастотные колебания ультразвукового хирургического инструмента даже при амплитудах, измеряемых в микрометрах, вызывают увеличение проницаемости клеточных мембран тканей, соприкасающихся с инструментом. Это способствует не только ускоренному введению лекарственных веществ в ткани, но и их депонированию.

Увеличение проницаемости цитоплазматической оболочки — одно из начальных звеньев цепочки реакций, возникающих в клетках, тканях, органах и организме в целом. Очевидно, что отдельными звеньями этой цепочки являются обнаруженные в тканях, окружающих операционное поле, изменения активности ряда ферментов. К ним относятся кислая фосфатаза гистиоцитов, щелочная фосфатаза и цитохромоксидаза лейкоцитов, цитохрома-С макрофагов, НАД-Н фибробластов, щелочная фосфатаза и АТФ эндотелия капилляров, ацетилхолинэстераза нервных волокон и окончаний. Кроме того, происходят изменения в структуре и свойствах клеточных органелл, расширение кровеносных сосудов, увеличение кровоснабжения и, как следствие, ускорение репаративных и регенеративных процессов, а также обезболивание, повышение резистентности организма к болезнетворным микробам, заживление ран без грубых рубцов, нормализация функций организма в целом.

Под влиянием ультразвукового хирургического инструмента также возрастает скорость диффузии антибиотиков, цианакрилата и других веществ в костную и мягкие ткани.

Цианакрилат и некоторые другие клеи используют в хирургии для склеивания резаных ран, герметизации швов и т. п. Однако между пленкой клея и тканью начинают размножаться болезнетворные бактерии, вызывая раздражение, нагноение и другие патологические изменения. Воздействие низкочастотным ультразвуком на клей способствует его внедрению в ткань и подавлению микрофлоры. При этом ультразвук ускоряет полимеризацию клея, в результате чего соединение получается прочным.

Метод склеивания мягких и костных тканей с помощью ультразвука получил название ультразвуковой сварки. Использование этого метода значительно снижает вероятность послеоперационных осложнений.

Способности ультразвука при достаточно высокой плотности энергии разрушать клетки тканей, эмульгировать жир, снижать эффективную вязкость веществ нашли применение в липосакции — вакуумном удалении подкожного жира после его ультразвуковой дезинтеграции. В настоящее время этот метод считается самым популярным способом хирургической коррекции фигуры. Последние исследования показали, что дезинтегрированный ультразвуком подкожный жир вовсе не обязательно удалять искусственно. В течение нескольких дней жир всасывается в кровь без каких-либо дополнительных процедур или применения лекарственных веществ и выводится естественным путем. Ультразвуковой метод одновременно подтягивает кожу, делает ее гладкой и эластичной.

Если твердое тело или ткань граничат с жидкой средой (водой, физиологическим раствором, раствором антибиотиков или других лекарственных веществ), то ультразвук на границе раздела жидкость — ткань вызывает появление интенсивных потоков с большими градиентами скоростей. В результате поверхность очищается, а вещество из раствора быстро диффундирует в ткань. Этот эффект широко используют в хирургии для дезинфекции медицинских инструментов и рук хирурга.

Для санации полостей в организме или глубоких ран их заполняют раствором антибиотика и погружают в него ультразвуковой инструмент — дезинтегратор, рабочая часть которого представляет собой цилиндрический волновод диаметром в 3…5 мм. Чтобы предотвратить травмирование инструментом слизистой оболочки в закрытых полостях, где визуальный контроль затруднен или невозможен, рабочий конец волновода ограждают устройством из крупноячеистой защитной сетки.

При необходимости санирования поверхностных ран вокруг них выкладывают стенку из размягченного пчелиного воска, или прижимают к коже, окружающей рану, полый цилиндр, в который и наливают раствор антибиотика.

Иногда обработку раны проводят постоянно, подавая раствор лекарственного вещества так, чтобы слой раствора оказывался между волноводом и поверхностью раны.

Под влиянием колебаний ультразвукового инструмента, введенного в раствор, в нем возникают неустойчивые кавитационные полости. Пульсации и схлопывание этих полостей вызывают появление энергичных микротечений, а также ударных волн. Совокупность таких кавитационных эффектов обеспечивает смыв с поверхностей полостей и ран отмерших частиц тканей, фибринозных и других отложений, клеток болезнетворных бактерий. Часть микроорганизмов разрушается в кавитирующей жидкости, часть гибнет под действием растворенного антибиотика.

Следует отметить, что после воздействия ультразвуком снижаются жизнестойкость оставшихся бактерий, их способность размножаться и образовывать колонии после высева на поверхность кровяного агара, в 2−4 раза увеличивается чувствительность к действию большинства антибактериальных препаратов.

Санация гнойных и инфицированных ран ультразвуком через антибактериальные препараты в 90…95% стерилизует раны, а в остальных случаях значительно уменьшает микробную инвазию. Весьма обнадеживающими оказались результаты применения ультразвуковых ванн при лечении открытых повреждений конечностей, осложненных раневой инфекцией.

Обработка низкочастотным ультразвуком поверхностей ран и слизистых оболочек через растворы фармакологических препаратов не только очищает и обеззараживает поверхности, но и приводит к фонофорезу и депонированию лекарственных веществ в тканях. Кроме того, за счет сосудорасширяющего действия ультразвука улучшается снабжение тканей кровью, ускоряются обменные процессы, активируются микрофаги, сокращаются сроки заживления ран и вероятность осложнений.

Так, при кишечнополостных операциях ультразвуковая санация полости более чем в 2 раза снижает гибель от перитонитов, при санации инфицированной плевральной полости значительно сокращается объем медикаментозной терапии и в 2 раза — сроки выздоровления. Ультразвуковая санация гнойных и инфицированных ран на несколько дней уменьшает сроки полного заживления, а противовоспалительное и анальгезирующее действие ультразвука заметно улучшает общее состояние организма, предотвращая потерю массы.

Влияние низкочастотного ультразвука при хирургических операциях не ограничивается местными эффектами, которые инициируют цепь взаимосвязанных реакций и приводят к появлению изменений в функционировании всего организма. Реакция биосистемы на низкочастотный ультразвук, как на неспецифический раздражитель, выражается в повышении ее иммунного статуса.

Совокупность эффектов, обусловливающих полезные свойства ультразвуковых инструментов, стала основой их применения в стоматологической практике.

Впервые ультразвук использовали для удаления зубных камней в 1955 г. В дальнейшем его стали применять для очистки, санации и шлифовки поверхности зубов, для ее доводки под протезирование, для механической и асептической обработок корневых каналов зуба и их подготовки к пломбированию, для эффективного заполнения зубных каналов пломбировочным материалом и его уплотнения, для качественного пломбирования кариозных полостей, для удаления коронок без разрушения зуба, для лечения болезней слизистой рта, зубов и десен (стоматитов, герпетических высыпаний, артритов и артрозов височно-нижнечелюстного сустава, невритов тройничного нерва, для обработки гнойных ран, удаления новообразований). Разработаны специфические, стоматологические методы фонофореза и электрофонофореза, существенно повышающие концентрацию лекарственных веществ в тканях, окружающих корень зуба.

Традиционные ультразвуковые инструменты весьма полезны и удобны при челюстных операциях. Их кровоостанавливающее и анальгезирующее действие ярко проявляется при операциях на пронизанной кровеносными сосудами и богатой болевыми рецепторами слизистой рта. Новые методы диагностики с применением акустического микроскопа позволяют визуализировать внутреннюю структуру зуба, выявлять кариес на самых ранних стадиях и назначать оптимальную стратегию лечения.

Ультразвуковые ванны широко используют для санитарной очистки стоматологических инструментов, изделий зубных техников и т. д. Следует также отметить появление ультразвуковых зубных щеток, легко очищающих даже стойкий налет с поверхности зуба.

Применение низкочастотного ультразвука весьма перспективно и в ветеринарной хирургии. Наряду с использованием хирургического инструмента для оперативных вмешательств, санации ран и полостей, ускорения полимеризации биологических клеев для бесшовного соединения краев ран, представляют интерес специальные ультразвуковые ванны для лечения болезней копыт и копытец, наносящих ощутимый урон промышленному животноводству.

Фокусированный ультразвук нашел применение в медицинской хирургической практике при решении специфических задач. В практической ветеринарии фокусированный ультразвук пока не используют, поскольку он требует стационарных условий и специальной техники. В то же время методы воздействия фокусированным ультразвуком на живые системы широко применяют в практической медицине для разрушения небольших областей в глубине организма без травмирования окружающих тканей и нарушения целостности кожных покровов, а также в экспериментальной биологии для получения информации, необходимой при разработке новых методов диагностики и лечения.

Создание базы данных о свойствах биообъекта. Вербальная модель биообъекта. Ткань — эволюционно сложившаяся общность клеток и внеклеточного вещества, объединенных единством происхождения, строения и функций. В организме человека выделяют два типа тканей: мягкие и твердые. К мягким относят эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную ткани, к твердым — костные.

Таким образом, биообъект представляет собой совокупность мягких тканей.

Эпителиальные ткани (эпителий) покрывают поверхность тела (кожа), выстилают слизистые оболочки полых органов пищеварительной и дыхательной систем и мочеполового аппарата, образуют рабочую (железистую) паренхиму желез внешней и внутренней секреции. Эпителий выполняет защитную функцию.

Различают поверхностный и железистый эпителии. Поверхностный эпителий находится на базальной мембране, под которой расположена рыхлая волокнистая соединительная ткань.

Поверхностный эпителий подразделяют на многослойный (ороговевающий, неороговевающий и переходный) и однослойный (столбчатый, кубический, плоский). Кожа покрыта многослойным чешуйчатым (плоским) ороговевающим эпителием, слизистые оболочки в зависимости от строения и функций органа — однослойным столбчатым (желудок, трахея, бронхи) (рис. 14.2) или многослойным неороговевающим (полости рта, глотки, пищевод, конечный отдел прямой кишки) эпителием (рис. 14.3).

Рис. 14.2. Столбчатый (я), куби ческий (б) и плоский (в) однослойный эпителий:

1 — эпителий; 2 — соединительная ткань Рис. 14.3. Многослойный неороговевающий эпителий:

/ - поверхностный слой; 2 — базальный слой; 3 — собственная пластинка слизистой оболочки Слизистая оболочка мочевыводящих путей выстлана переходным эпителием, серозные оболочки (брюшина, плевра) — однослойным плоским эпителием (мезотелием). Из железистого эпителия состоят различные железы (сальные, потовые, слизистые, поджелудочная, щитовидная и др.), выполняющие секреторную и защитную функции, участвующие в обменных процессах, в пищеварении.

Соединительная ткань разнообразна по строению и функциям. Для нее характерно наличие клеток и межклеточного вещества, состоящего из коллагеновых, эластичных, ретикулярных волокон и основного вещества. Различают собственно соединительную, хрящевую и костную ткани. Собственно соединительная ткань представлена рыхлой и плотной волокнистой соединительной тканью. Соединительная ткань выполняет опорную и защитную (механическую) функции. В трофической (питательной) функции участвуют рыхлая волокнистая и ретикулярная соединительные ткани, а также кровь и лимфа.

В рыхлой волокнистой соединительной ткани находятся различные клеточные элементы (фибробласты, макрофаги, плазматические и тучные клетки и др.) и волокна, по-разному ориентированные в основном веществе в зависимости от строения и функции органа. Эта ткань преимущественно расположена по ходу кровеносных сосудов (рис. 14.4, а).

Рис. 14.4. Соединительные ткани:

а — рыхлая волокнистая (/ - фибробласт; 2 — эластичное волокно; 3 — лимфоцит;

4 — гистоциты; 5 — коллагеновое волокно); б — плотная неоформленная волокнистая соединительная (/ - пучки коллагеновых волокон; 2 — ядра фибробластов) Разновидность соединительной ткани, состоящей из ретикулярных клеток и ретикулярных волокон, — ретикулярная соединительная ткань. Эта ткань образует остов кроветворных органов и органов иммунной системы (костный мозг, тимус, селезенка, лимфатические узлы, групповые и одиночные лимфоидные узелки). В петлях, сформированных ретикулярной тканью, находятся кровообразующие и иммунокомпетентные клетки.

Жировая ткань образуется под кожей, особенно развита под брюшиной, и в сальнике. Эта ткань формируется при накоплении липидных (жировых) включений в цитоплазме фибробластов — молодых клеток рыхлой волокнистой соединительной ткани.

Плотная волокнистая соединительная ткань может быть неоформленной: многочисленные соединительные тканые волокна густо переплетаются, а между ними содержится небольшое количество клеточных элементов (например, сетчатый слой кожи) (рис. 14.4, б). Плотная оформленная соединительная ткань отличается упорядоченным расположением пучков волокон, а также определенным их направлением (связки, сухожилия).

Особое место в организме человека занимают кровь и лимфа, выполняющие трофическую и защитную функции. Кровь и лимфа — ткани, составляющие внутреннюю среду организма, обеспечивающую наилучшие условия для его жизнедеятельности.

Мышечная ткань осуществляет двигательные процессы в организме животных и человека. Она обладает специальными сократительными структурами — миофибриллами. Различают два вида мышечной ткани: неисчерченную — гладкую и исчерченную — скелетную и сердечную.

Гладкая мышечная ткань (рис. 14.5) состоит из веретенообразных клеток (неисчерченных миоцитов) длиной 15…500 мкм и диаметром около 8 мкм. Эти клетки образуют мышечные слои в стенках кровеносных и лимфатических сосудов, а также в стенках полых органов (желудок, кишечник, мочевыводящие пути, матка). Сокращение гладкой мышечной ткани происходит непроизвольно (иннервируется вегетативной нервной системой).

Рис. 14.5. Гладкая мышечная ткань (миоциты).

Скелетная поперечно-полосатая мышечная ткань образует скелетные мышцы, приводящие в движение кости скелета («костные рычаги»), а также входит в состав некоторых внутренних органов (языка, глотки, верхнего отдела пищевода и др.). Эта ткань включает в себя многоядерные исчерченные мышечные волокна сложного строения, в которых чередуются темные и светлые участки (полоски, диски) с различными светопреломляющими свойствами (рис. 14.6). Длина исчерченных волокон составляет 1000…40 000 мкм, диаметр — около 100 мкм. Сокращение скелетных мышц контролируется сознанием.

Рис. 14.6. Скелетная поперечно-полосатая мышечная ткань:

/ - мышечные волокна; 2 — миофибрилла Сердечная поперечно-полосатая мышечная ткань, состоящая из сердечных миоцитов, образует мускулатуру сердца. По своему микроскопическому строению сердечная мышечная ткань похожа на скелетную, однако сокращения сердечной мышцы непроизвольны.

В нервную ткань входят нервные клетки, отличающиеся особыми строением и функцией, и нейроглия, которая выполняет опорную, трофическую, защитную и разграничительную функции. Нервные клетки и нейроглия образуют морфологическую и функциональную единую нервную систему. Нервная система устанавливает взаимосвязь организма с окружающей средой и участвует в координации функций органов внутри организма, обеспечивая его целостность (вместе с гуморальной системой — кровью, лимфой).

Морфологическая и функциональная единица нервной системы — нервная клетка (нсйроцит, нейрон), имеющая тело и различной длины отростки. По количеству отростков выделяют униполярные (с одним отростком), биполярные (с двумя отростками) и мультиполярные (с несколькими отростками) нейроциты (рис. 14.7).

Рис. 14.7. Виды нервных клеток:

1,2,3 — биполярные, псевдоуниполярный и мультиполярный нейроциты соответственно Использование ультразвука в медицине основано на различных физико-химических явлениях, происходящих в биологических тканях. К ним относятся поглощение ультразвука тканями, отличающимися внутренним строением, отражение ультразвуковых волн при переходе сред разной плотности, образование под действием ультразвука теплоты в тканях, возбуждение в них колебаний, развитие потоков в биологических жидкостях, кавитация и образование радикалов.

Мягкие ткани значительно отличаются друг от друга по своим акустическим и физико-механическим свойствам (табл. 14.1).

Параметр, определяющий биологический эффект, — интенсивность колебаний, Вт/м². Пороговая интенсивность воздействия ультразвука считается низкой, если она меньше 1 Вт/см², и высокой, если больше 5 Вт/см².

Прочность кожи зависит от направления коллагеновых волокон, возраста и пола человека. Средние значения пределов прочности кожных тканей составляют 1,2…3,0 МПа при весьма больших удлинениях в процессе разрыва, достигающих 65… 130%. Прочность сухожилий в большой степени определяется возрастом человека и колеблется в пределах 2…6 МПа. Коллагеновые волокна мягких тканей имеют модуль упругости 6… 10 МПа, что значительно меньше, чем модуль упругости коллагеновых волокон костных тканей.

Таблица 14.1. Акустические и физико-химические свойства мягких тканей при частоте 10⁶ Гц.

Механизмы взаимодействия ультразвуковых инструментов с тканями. Описательная модель взаимодействия ультразвуковых инструментов с тканями приведена на рис. 14.8.

Сравнение данных по пороговым интенсивностям, при которых происходит разрушение тканей, показало, что при интенсивностях звука менее 210³ Вт/см² и времени экспозиции 4*10″ ² с работает кавитационный механизм. В случае, когда время экспозиции превышает 1 с, а интенсивность звука меньше чем 200 Вт/см², функционирует механизм теплового разрушения. В промежуточной области механизм разрушения не ясен.

Под акустической кавитацией понимают образование и активацию газовых или паровых полостей (пузырьков) в среде, подвергаемой ультразвуковому воздействию. По общепринятой терминологии существует два типа активности пузырьков: стабильная и коллапсирующая (нестационарная) кавитации, хотя граница между ними не всегда четко очерчена.

Рис. 14.8. Описательная модель взаимодействия ультразвуковых инструментов с биообъектом:

фасция плеча (вид спереди верхней трети плеча, например, при рассечении мягких тканей во время ампутации руки) Стабильные полости пульсируют под воздействием давления ультразвукового поля. Радиус пузырька колеблется около равновесного значения, полость существует в течение значительного числа периодов ультразвукового поля. Активность такой стабильной кавитации может быть связана с возникновением акустических микропотоков и высоких сдвиговых напряжений.

При коллапсирующей кавитации полости осциллируют неустойчиво около своих равновесных размеров, вырастают в несколько раз и энергично схлопываются. Охлопыванием таких пузырьков могут быть обусловлены высокие температуры и давления, а также преобразование энергии ультразвука в излучение света или химические реакции.

На пылинках и примесных частицах, содержащихся в жидкостях, возможно существование микротрещин. Избыточное давление внутри частичек, задаваемое как отношение s/R (s — коэффициент поверхностного натяжения; R — радиус частичек), мало, но под действием звука достаточно высокой интенсивности газ может накачиваться в них, а полости увеличиваться. Было показано, что интенсивность звука, необходимая для получения кавитации, заметно повышается при увеличении чистоты жидкости.

Малые пузырьки могут расти вследствие процесса, называемого выпрямленной, или направленной, диффузией. Это явление заключается в том, что за период акустического поля газ поочередно диффундирует в пузырек во время фазы разрежения и из пузырька во время фазы сжатия. Поскольку поверхность пузырька в фазе разрежения максимальна, суммарный поток газа направлен внутрь пузырька, в связи. с чем пузырек растет. Чтобы пузырек увеличивался за счет выпрямленной диффузии, амплитуда акустического давления должна превысить пороговое значение. Порог выпрямленной диффузии и определяет порог кавитации.

Создание физической и математической моделей. Физической моделью мягких тканей может служить слоистая структура (рис. 14.9), в которой каждый слой имеет свои физикомеханические и акустические свойства (см. табл. 14.1).

Рис. 14.9. Физическая модель взаимодействия скальпеля и ткани:

1 — скальпель; 2 — кожа; 3 — жировая ткань; 4 — мышечная ткань При повышении амплитуды колебаний возрастает и амплитуда поверхностных сдвиговых колебаний, соответственно увеличиваются потери энергии на границах раздела сред, отличающихся по своим сдвиговым характеристикам. Чем больше различия в этих характеристиках, тем выше потери акустической энергии и больше теплоты выделится на границе раздела сред. Например, при практически равных объемно-упругих свойствах, модули сдвига здоровых и патологических тканей могут отличаться в несколько раз. Это позволяет с использованием специальных инструментов — дезинтеграторов — проводить селективную дезинтеграцию папиллом, ангиом, гемангиом и других новообразований до состояния аэрозоля, не нарушая целостности здоровых тканей.

Селективность ультразвуковой дезинтеграции можно экспериментально исследовать на модели, состоящей из двух соприкасающихся слоев, например желатинового и агарового геля. Чем больше отличаются эти слои по содержанию воды, тем больше различие в их сдвиговых характеристиках.

Результаты экспериментов с двухслойными гелями качественно совпадают с результатами разрушения новообразований, граничащих со здоровой тканью.

Механизм селективной ультразвуковой дезинтеграции новообразований может быть представлен в виде цепочки событий: появление интенсивных сдвиговых волн на границе между слоями, отличающимися по величине модуля сдвига, —> возникновение в зоне раздела сред разрывов, заполняемых выделившимися из среды газовыми микропузырьками, —" рост и раскачка газовых пузырьков, приводящие к возникновению дополнительных разрывающих усилий, —* появление газовой среды между слоями, локализующее ультразвуковое воздействие в пределах одного слоя, —? селективная дезинтеграция.

Очевидно, что эффективность ультразвуковой дезинтеграции слоев двухслойной полужидкой структуры и селективность разрушения слоя, в который введен волновод, зависят от различий в модулях сдвига этих слоев.

Для резания мягких тканей при операциях применяют скальпели и ножи. Скальпель (от лат. scalpellum — ножичек) — небольшой заостренный хирургический нож, используемый во время выполнения операций для разрезания тканей. Скальпель имеет прямую рукоятку и может быть снабжен сменными лезвиями различной формы, которые можно устанавливать на рукоятку в удобном для хирурга положении.

История оперативной хирургии, судя по находкам археологов, насчитывает, по крайней мере, несколько тысячелетий. Все это время совершенствовались и хирургические инструменты. В частности, главный инструмент хирурга — скальпель — приобрел в поперечном сечении форму узкого клина. Лезвие такой формы достаточно легко рассекает и при этом меньше травмирует ткани. Лезвие скальпеля тщательно полируют, что снижает коэффициент трения и уменьшает силу резания.

Рабочая часть ультразвукового хирургического ножа имеет традиционную форму лезвия скальпеля, соединенного волноводом с магнитострикционным или пьезокерамическим преобразователем. Рабочая часть может обладать и другой формой в соответствии с требованиями выполняемой операции.

Скальпель (см. рис. 14.8), внедряемый в разрезаемые слои под действием давления р, имеет острое лезвие и малые углы заострения do (~ 10°).

В зависимости от поставленной задачи амплитуда колебаний режущей кромки может быть изменена от 1 до 350 мкм, а частота выбирается в диапазоне значений 20… 100 кГц. Известно, что трение покоя больше, чем трение скольжения, поэтому трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них совершает колебательные движения. В связи с этим работа с ультразвуковыми инструментами требует от хирурга меньших усилий.

Характер разрушения тканей под действием ультразвукового хирургического инструмента зависит от строения его рабочей части, амплитуды и направления колебаний, а также от вязкоупругих свойств и однородности ткани.

При рассечении мягких тканей ультразвуковым инструментом, лезвие которого совершает продольные ультразвуковые колебания, с тканью взаимодействует лишь его кромка. Это обеспечивает процесс микрорезания, существенно усиливающего режущие свойства инструмента. Кроме того, у кромки лезвия колеблющегося инструмента выделяется теплота, локально повышающая температуру ткани и обусловливающая гемостатический эффект за счет термокоагуляции крови. Так, например, применение ультразвукового скальпеля, амплитуда колебаний кромки которого составляет 15…20 мкм при частоте 44 кГц, в 6 — 8 раз уменьшает кровотечение из мелких и средних сосудов, в 4 — 6 раз снижает силу резания, а также существенно облегчает строго послойное разделение кожи, подкожной жировой клетчатки и рубцовоизмененного хряща. Очевидно, что если на инструмент наложены лишь продольные колебания, то его воздействие на стенки раневого канала минимально.

Для разрушения некоторых патологических образований используют специальные волноводы — дезинтеграторы, рабочий конец которых, кроме продольных, совершает и поперечные колебания. Такие инструменты существенно влияют на окружающие ткани и по мере введения инструмента разрушают их.

Ультразвуковые инструменты обладают явными преимуществами перед электроили криохирургическими, так как не прилипают к ткани, а поверхности раневого канала не испытывают дополнительных травм. В ряде случаев ультразвуковой скальпель не уступает лазерному хирургическому инструменту, поскольку, ощущая сопротивление ткани при операции, хирург лучше контролирует процесс ее рассечения.

В зависимости от назначения ультразвуковые инструменты могут иметь самые различные размеры и форму. Так, для офтальмохирургии разработаны микрохирургические инструменты: брюшистые микроскальпели, круглые ножи, иглы, пилы и распаторы. Для операций на сосудах, в дыхательных путях и пищеводе используют длинные (~ 0,5 м) и тонкие (диаметр 2…4 мм) волноводы. Во многих случаях эти инструменты (прямые и изогнутые, простые и сложные) существенно упрощают хирургические операции. Например, для удаления холестериновых бляшек с внутренней поверхности крупных кровеносных сосудов используют длинный тонкий волновод с плоским кольцом на конце. Его вводят в сосуд сквозь небольшой разрез и медленно продвигают вдоль сосуда. Кольцо вибрирует с частотой ультразвука и очищает заостренным краем все отложения на стенках сосуда.

Длины продольных акустических волн в мягких тканях и в жидких средах в диапазоне значений частот ультразвука, используемых в хирургии, составляют 2,0…7,5 см. Следовательно, градиенты давлений, смещений, колебательных скоростей и ускорений в биотканях невелики, и клетки размерами 10^-3… 1 см не испытывают в поле низкочастотного ультразвука практически никакого воздействия. Значительно большее влияние на ткани могут оказывать поверхностные сдвиговые волны, возникающие в рассекаемых тканях под действием хирургического инструмента и быстро затухающие в тонком слое, граничащем с ультразвуковым инструментом, или на границах тканей с различающимися сдвиговыми характеристиками.

Зависимость глубины вдавливания от сил, возникающих при резании биотканей, изображена на рис. 14.10. Угол резания лежит в плоскости движения инструмента, нормальной к разрезаемой грани.

Рис. 14.10. Зависимость глубины вдавливания Л_вл скальпелем мышечной ткани от нормального давления:

1 — без ультразвука; 2 — с ультразвуком Скальпель углубляется в мягкую ткань и вдавливает слои коллагеновых волокон (рис. 14.11). Если вдавливание не доходит до критической величины, то с удалением скальпеля ткань возвращается в исходное состояние. При вдавливании волокна изгибаются и при некотором критическом значении имеет место их разрыв. Силы трения F_Tp, действующие по бокам скальпеля, тормозят его передвижение, в связи с чем их следует уменьшать. При р > ркрит процесс резания продолжается при вдавливании нижележащих зон.

Рис. 14.11. Глубина вдавливания скальпелем мышечной ткани при р = 0(я), р, (б)ир₂ (в).

Значения величины р и критического давления /?_крит определяют по следующим соотношениям:

р = Ф (А,/ ф_нак, В_ск, Р) — величина воздействия на среду скальпелем;

Ркрит = Ф (a_max pact, Е, геометрия разрезаемой среды) — - сопротивление среды воздействию скальпелем.

Эффект резания оценивают площадью сделанного разреза

Скальпель вдавливается в разрезаемую ткань на глубину /г_вл под действием давления р:

где N_p — нормальное давление острой грани скальпеля на ткань с учетом реального затупления; N — нормальное давление грани скальпеля на ткань; р — коэффициент трения скальпеля о грань.

Следует учитывать, что величины N_p и N являются функциями механических характеристик и геометрии среды. Поэтому распределение сил между величинами N_p и N в общем, случае не может быть определено, так как упругие свойства мягкой ткани, в которую погружается скальпель, в каждом конкретном случае неизвестны.

Как уже было отмечено, силу трения можно уменьшить полировкой скальпеля, что и рекомендуется выполнять. Это способствует росту давления N_p . При поступательном движении скальпеля силы Р_у уменьшаются за счет вертикальной составляющей силы трения F_Ipy.

Под действием ультразвука сухое трение переходит в полусухое и даже в жидкостное (гидродинамическое).

Скорость резания под воздействием ультразвука становится величиной переменной. Следовательно, переменным будет и процесс выделения теплоты.

При возбуждении колебаний вдоль продольной оси скальпеля скорость резания описывается соотношением.

где А — амплитуда колебаний инструмента; со — круговая частота колебаний, со = 2тс/; /- частота колебаний (число колебаний в секунду); t — время; ср — начальная фаза.

Максимальную скорость находят как v_{: гаах} = А со.

Характерные величины — параметры K_v=v₂/v" и Л/_тах = = Аа>/v_n, где v₂ — переменная скорость резания; v_n — постоянная скорость, не зависящая от ультразвука.

Полная скорость резания v_p = o_n(l + X_B)coscp.

В процессе резания периодически меняется и глубина вдавливания /г_вд скальпеля в ткань:

где /i_CTau — стационарная глубина внедрения скальпеля; Ah — величина, зависящая от амплитуды ультразвука.

Пусть /= 22 000 Гц, v" = 30 мм/с; <�р = 30°. Тогда АГ_0ПИХ =.

= Лсо/о_п=206 v_p =o_n(l + //,)coscp = 5300 мм/с.

Максимальная скорость пересечения коллагеновых волокон К_{кол в} = 30? (1 + 206) • cos30° =3100 мм/с.

Таким образом, скорость резания при ультразвуке в 180 раз превышает постоянную скорость движения скальпеля.

При наложении ультразвука на скальпель сила резания существенно уменьшается (см. рис. 14.10). Другой важный параметр при резании мягких тканей — амплитуда колебаний.

Сила резания мягких тканей зависит от амплитуды ультразвука (рис. 14.12). Увеличение амплитуды монотонно снижает значения величин Р₂ и Р

Сила резания мышечной ткани также зависит от угла наклона резания ср_нак. При угле ср_нак, близком к 45°, сила Р₂ имеет наименьшую величину (см. рис. 14.12). Эти данные получены при параметрах процесса, указанных на рис. 14.12.

Факт уменьшения значения Р₂ с увеличением угла <�р_нак при резании мягких тканей объясняется заклиниванием режущей части инструмента с учетом глубины внедрения и последующего рассогласования ультразвуковой акустической системы, т. е. выхода ее из резонанса. Это приводит к уменьшению амплитуды.

Рис. 14.12. Зависимости изменения усилий резания от амплитуды колебаний концентратора и угла наклона режущей грани:

/-для Р_г=/(Л), 2-для Р_у = f (A) 3 — для Р_г =(ф"_ак).

Уменьшение угла ф_нак (ф_нак < 45°) увеличивает площадь резания. Возрастание силы P_z при ф_нак > 45° объяснения пока не нашло. Заметное влияние на силу P_z оказывает угол заточки скальпеля Ос_К. Увеличение угла ои способствует росту силы Р_г в пределах 10…30°.

Физически процесс ультразвукового резания мышечных тканей существенно отличается от резания фасций, хрящей и сухожилий.

Наложение ультразвука на режущий инструмент приводит к возникновению следующих эффектов:

• • уменьшение силы трения, при обычном резании на скальпель действуют силы сухого трения, а при наложении колебаний сила трения снижается в момент начала резания, сухое трение переходит в полусухое и даже гидродинамическое (жидкостное);
• • скорость резания, как и сила, действующая на ткани со стороны скальпеля, становится величиной переменной: v_z =Лсо (со5Сй/ + ф). При этом максимальная скорость резания может в сотни раз превышать постоянную скорость движения скальпеля, что увеличивает эффективность процесса;
• • глубина вдавливания скальпеля в ткань также становится переменной величиной: А_вд = h_mn + ДА;
• • высокая температура, достигаемая на конце ультразвукового скальпеля, может прижигать сосуд диаметром до 2 мм, что уменьшает кровотечение в операционной зоне и облегчает проведение операции;
• • отсутствует прилипание кончика скальпеля к ткани, в связи с чем поверхности разреза не испытывают дополнительных травм;
• • хирург чувствует сопротивление ткани при ее резании, поэтому лучше контролируется разрушение ткани.

Процесс резания жировых тканей отличается от описанного выше. При резании жировой ткани скальпелем без наложения ультразвука наблюдаются ее разрывы. Напротив, при резании скальпелем с наложением ультразвука имеет место выдавливание жировых консистенций из зоны разреза. Эффект производительности повышается при увеличении поступательной скорости инструмента.

Определение зависимости доза воздействия — эффект. При резании мягких тканей происходит повышение температуры в результате работы сил трения, частичного поглощения акустических колебаний, выделения энергии при вдавливании.

Одним из критериев процесса резания мягких тканей является температура. Во избежание некроза максимально допустимая температура не должна превышать 55…60 °С. Температура определяется энергией акустических колебаний, подводимых к тканям.

Соответственно под дозой воздействия при хирургических операциях можно понимать энергию Е_ас акустических колебаний, подводимых к тканям. Подводимая энергия колебаний может быть оценена по подводимой к скальпелю электрической мощности Р_е/ и известным (рассчитанным) потерям мощности Р, на тепловое излучение (скальпеля) Р_е/ = Р_ас + Р,. Акустическая мощность Р_ас связана с амплитудой и частотой колебаний ультразвукового инструмента. Связь подводимой энергии и мощности за время At можно описать выражением вида.

Температура ткани зависит от амплитуды ультразвука, но также является и функцией скорости перемещения полуавтомата v. На рис. 14.13 приведены зависимости температуры от амплитуды А при v = 10 и 30 мм/с. С ростом перемещения полуавтомата степень нагрева мягкой ткани понижается.

Рис. 14.13. Зависимость температуры мышечной ткани при резании от амплитуды колебаний при скорости движения инструмента 10 (/) и 20 (2) мм/с и расстояния до линии разреза х (3).

Как следует из экспериментальных данных (см. рис. 14.13), максимальная температура нагрева мягкой ткани быстро падает с расстоянием от места разреза и на расстоянии 3 мм от зоны разреза понижается в несколько раз.

Мягкие ткани обладают различными количеством жидкости и вязкостью, поэтому при резании температура имеет разное значение. Вода и кровь более чувствительны к воздействию ультразвука; жировая и мышечная ткани, сухожилия — менее.

Следует отметить, что при увеличении амплитуды колебаний и времени воздействия ультразвука облучаемая кровь начинает терять свои качества. Наступает гемолиз. Это явление не должно допускаться хирургом.

Основываясь на изложенном выше и принимая за основной критерий допустимости резания биотканей ультразвуковым инструментом температуру нагрева 42…55 °С, можно рекомендовать к применению амплитуды ультразвука, меньшие или равные 45 мкм, и скорость движения инструмента 15…55 мм/с. Угол наклона ф_нак = 35°, сила хирурга Р_у =0,3…0,9Н.

Применение ультразвука обеспечивает ускорение свертываемости крови в 1,5−2 раза, повышение производительности резания в 8−12 раз, снижение силы резания в 3−9 раз по сравнению с обычными механическими способами резания.