СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

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-

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

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?