Основная идея применения ультразвука в хирургии заключается в сообщении хирургическим инструментам ультразвуковых колебаний, что существенно увеличивает их эффективность, облегчает проведение операций и уменьшает травматические повреждения окружающих тканей. При этом выделяется несколько направлений: ультразвуковое резание мягких ткачей; ультразвуковая резка, сверление, трепанация, сварка и наплавка костной ткани: ультразвуковая эндартерэктомия (проведение восстановительных операций на пораженных атеросклерозом крупных сосудах).
Метод ультразвуковой резки мягких тканей основан на том, что на лезвие режущего инструмента, которому хирургом сообщается поступательное движение, накладываются продольные ультразвуковые колебания с частотой, лежащей в пределах 22 - 44кГц. с амплитудой не более 45мкм. Под действием УЗ-колебаннй. налагаемых на инструмент, скорость относительных продольных перемещении увеличивается, относительно поступательного перемещения лезвия, в несколько раз. При этом, за счет разрушении под воздействием кавитации клеточной структуры прилегающих к лезвия слоев ткани, сухое трение переходит в полусухое или даже жидкостное. Это приводит к существенному уменьшению как нормального, так и тангенциального усилия резания. Ультразвуковые колебания возбуждаются магнитострикторрм и с помощью концентратора передаются к режущему инструменту. Магнитостриктор изготовляют либо из ферритового броневого цилиндрического магнптопровода, в полость которого закладывается обмотка, либо набирается из Ш - образных пластин из никелевого сплава, на центральный стержень которых наматывается обмотка. При перемагннчивании материала возникает явление магнитострикции, вследствие которого продольные размеры стержней колеблются с частотой перемагничивающего тока. Чтобы избежать удвоения частоты механических колебаний сердечник магнитостриктора подмагничивается постоянным током практически до насыщения.
К магнитостриктору приклеивается конически-цилиндрический концентратор. Длина концентратора выбирается равной половине длины волны ультразвука на рабочей частоте. К концентратору, с помощью резьбы, присоединяют сменный инструмент, также имеющий форму полуволнового концентратора, у которого сечение сужается к инструменту по экспоненте. Благодаря уменьшению сечения конической части концентратора и инструмента, и работе их в резонансном режиме происходит усиление амплитуды УЗ-колебаний в несколько раз, при их прохождении от магнитостриктора до режущей части инструмента.
Конструкция акустического узла приведена на рисунке 5. Магнитостриктор 1 с приклеенным к нему концентратором 2 образует акустическую головку, которая с помощью демпфирующих резиновых колец 6 закрепляется в цилиндрическом кожухе 4.
Рисунок 5 - Конструкция акустического узла для резки мягких тканей.
Наличие сменных инструментов - насадок 4 различной конфигурации приводит к тому, что их резонансные частоты отличаются друг от друга. Чтобы обеспечить резонансные эффекты используют генератор с подстройкой частоты в диапазоне +-2% от номинальной.
Ручная подстройка осуществляется при смене насадок, для чего с ответствующие приборы снабжаются индикаторами резонанса, которые фиксируют максимум тока нагрузки выходного каскада усилителя мощности генератора. При работе с инструментом, при изменении нагрузки, резонансная частота поддерживается автоматически, схемой автоматической подстройки частоты. На рисунке 6 приведена структурная схема хирургического УЗ-аппарата.
Рисунок 6 - Схема УЗ-аппарата с автоматической подстройкой частоты
При операциях ил внутренних органа для удлинения инструмента используют составные многозвеньевые концентраторы, свинчивающиеся между собой.
УЗ-аппараты со структурой рисунка 6 могут использоваться не только для резки мягких тканей, но и для их сварки, а также для резки сварки и наплавки костных тканей.
В качестве примера универсальных хирургических УЗ-аппаратов можно назвать аппараты УСКР-7Н УРСК-2Н. УРСК-18.
На основе использования универсальных аппаратов для ультразвуковой хирургии разработаны методики ультразвуковом обработки поверхности ран, включающих раны послеоперационные, обеспечивающие очистку поверхности ран от некротической и поврежденной ткани, быструю диффузию дезинфинирующих и лекарственных веществ, растворяемых в жидкостях и активизацию защитных регенерационных возможностей организма.
В таблице 2 приведены основные технические характеристики ряда отечественных ультразвуковых хирургических аппаратов.
Таблица 2 Характеристика отечественных УЗ хирургических аппаратов
|
Назначение аппарата |
Раб. частота |
Макс, мощность |
акуст, головки. |
Кол-во смен. Инстру-ментов |
|
|
Универсальный |
|||||
|
Ондатерэктомия |
|||||
|
Универсальный |
|||||
|
Универсальный |
12 ручн.,А ПИ |
||||
|
Сверление и фрезерование костн. ткани |
|||||
|
Трепанация |
Для разрушения тканей в УЗ-хирургии существуют два метода. Первый из них основан на действии самого ультразвука, второй – на приведении в ультразвуковые колебания хирургического инструмента. Ультразвуком можно рассекать ткани, для чего хирургические инструменты соединяют с магнитострикционными преобразователями. Преимущества этого метода: снижение усилия резания, уменьшение болевого ощущения при операции, кровоостанавливающий и стерилизующий эффект ультразвука.
Ультразвуковой скальпель применяют для рассечения любых мягких тканей, позволяет проводить операции без вскрытия грудной клетки в дыхательных органах, пищеводе, на кровеносных сосудах. УЗ используют для удаления опухолей в мозговой ткани без вскрытия черепной коробки. Вводя ультразвуковой инструмент в вену, можно разрушать холестериновые утолщения. В урологии ультразвук используется для дробления камней в почках и мочевом пузыре.
Ультразвук позволяет не только разрезать, но и сваривать мягкие ткани, поврежденные или трансплантируемые костные ткани (ультразвуковой остеосинтез). Область перелома заполняют костной щебенкой, смешанной и жидкими пластмассами (например, с циакрином), которые под действием ультразвука быстро полимеризуются, создавая прочный шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной мозолью.
В фармацевтической промышленности используется способность ультразвука дробить твердые тела в жидкой среде – для получения различных препаратов в виде порошков, суспензий, аэрозолей и т.п. При стерилизации используется способность ультразвука губительно влиять на жизнедеятельность микроорганизмов. Портативные звуковые локаторы способны существенно облегчить слепым ориентирование в пространстве.
5.5.3. Новые направления лечебного использования ультразвука.
В настоящее время в практической медицине расширяется область применения фокусированного ультразвука с целью создания в глубине тканей высокой интенсивности. Медико-биологические аспекты использования фокусированного УЗ состоят в разрушении биологических тканей (нейрохирургия, офтальмология, нефрология, урология); раздражении нервных структур (неврология, аудиологическая диагностика и слухопротезирование), воздействии на биологически активные точки (акупунктура), получении аэрозолей (ультразвуковая аэрозольтерапия), непосредственном воздействии на внутренние органы (внутриорганная УЗ-терапия).
Среди путей оптимизации воздействия УЗ наиболее перспективным представляется путь биоуправления, основанный на использовании обратной связи в системе «пациент - физический фактор». Биосинхронизация - наиболее простой вариант биоуправляемой физиотерапии. В настоящее время проводятся исследования и разработка устройств, позволяющих перестраивать параметры (частоту, интенсивность, скважность) ультразвуковой терапии в соответствии с характером реакции организма и изменением деятельности его систем на лечебное воздействие.
Дальнейшие перспективы расширения медицинских применений ультразвука связано с внедрением новых технологий – таких как ультразвуковая голография, позволяющая получать трехмерные изображения биообъектов в процессе их жизнедеятельности.
В хирургии всегда существовал ряд вопросов и задач, которые нужно было решить. Это снижение травматичности операций, уменьшение кровопотерь, ускорение заживление, разработка новых, более прогрессивных методов и др. Во многом решить эти задачи помог ультразвуковой метод.
Существует две основные области использования ультразвука в хирургии:
- Инструментальная хирургия. Наложение ультразвука на операционные инструменты (пилы, лезвия и др.)
- Локальные разрушения. Фокусированный ультразвук способен проникать глубоко в ткани, уничтожая различные образования.
Инструментальная хирургия
На рабочую поверхность инструмента (например, скальпель), которая соединена с преобразователем волноводом, накладывается ультразвук . Амплитуда колебаний волн на режущей части инструмента может составлять от 1 до 365 мкм (в зависимости от конкретного назначения инструмента и потребностей операции), частота - от 20 до 100 кГц. Ультразвуковые колебания уменьшают трение между тканями и лезвием, благодаря чему специалист-хирург затрачивает меньше усилий, а операция проходит более быстро и гладко.
Как правило, при рассечении мягких тканей с ними взаимодействует только кромка режущей части - происходит, так называемое, микрорезание. Также от кромки выделяется тепло, создающее гемостатический эффект. Это все способно во многом облегчить процесс оперирования, что и обуславливает распространение ультразвуковых инструментов в хирургии.
Ультразвуковые инструменты отличаются по своему назначению, амплитуде колебаний волн и другим характеристикам. Основными считаются:
- Скальпель (хирургический нож)
. Он помогает расслаивать мягкие ткани, отделяя патологические образования и структуры от нормальных. Как правило, это инструмент применяется при:
- Пластических операциях
- Удалении различных опухолей
- Иссечении рубцов
- Вскрытии очагов воспаления
Это очень эффективный инструмент, позволяющий осуществлять вышеперечисленные действия с минимальным стрессом для пациента и с применение минимальных усилий со стороны врача.
- Пила
. Этот инструмент имеет режущую кромку, на которой располагаются зубья (шаг - 1 мм). Пила используется для:
- Рассечения костей, особенно расположенных в труднодоступных для хирурга местах, рядом с кровеносными сосудами и нервами
- Трепанации черепа
- Ламинэктомии
- Рассечения костей ребер, грудины, ключиц, стоп кистей, лицевого отдела черепа
Ультразвуковая пила не повреждает оставшиеся части тканей, не нагревает, не прижигает и не разминает их. После использования этого инструмента перестройка костных трансплантатов и образование костной мозоли осуществляются в разы быстрее, чем после использования обычных приборов. Использование ультразвуковых пил обеспечивает очень высокую точность моделирования трансплантатов.
- Ультразвуковой аппарат для "сварки" костей
. Этот аппарат позволяет:
- Очень быстро и точно соединять стромы фрагментов
- Осуществлять процессы "сваривания" коллагеновых волокон различных фрагментов
- В очень короткие сроки полимеризировать мономеры
- Осуществлять практически мгновенную диффузию мономеров
Аппарат, с наложенным на него ультразвуком, позволяет хирургам осуществлять все вышеперечисленные процессы во много раз быстрее, что сокращает расходы на операции, минимизирует труд медиков, уменьшает сроки выздоровления пациентов.
Помимо этих трех инструментов существуют целые хирургические комплексы. Они позволяют воздействовать только на твердые ткани, оставляя мягкие нетронутыми и, соответственно, не нанося им никаких повреждений.
Также с помощью аппаратов, с наложенным на них ультразвуком, можно "склеивать" сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие оперативные действия.
Вызов локальных разрушений
Открытие этого способа применения ультразвука в хирургии позволило проводить некоторые операции без единого нарушения целостности живых тканей. Волны фокусируются в одном месте (например, на опухоли), постепенно уничтожая патологическое образование. Процесс удаления выводится на изображение томографа, что позволяет врачу полностью следить за операцией.
Такие операции полностью исключают повреждение живых тканей, образование костных сколов/обломков, уничтожение кровеносных сосудов и повреждение нервов. Ультразвук позволяет в разы снижать травматичность хирургических процедур. При этом время, затраченное на операцию и восстановление, сокращается.
Сегодня ультразвук применяется не только в диагностике. Открытие возможности применение этого явления в других областях медицины позволило существенно продвинуть вперед хирургию и решить многие ее вопросы.
Сегодня использование ультразвука (УЗК) в медицине получило прочное научное обоснование и позволяет наилучшим образом решать многие вопросы диагностики и терапии.
В МВТУ имени Н. Э. Баумана и на кафедре травматологии ЦОЛИУврачей Г. А. Николаевым, В. И. Лошиловым, В. А. Поляковым и Г. Г. Чемяновым впервые в 1964 г. была начата разработка метода ультразвуковой резки костных и мягких тканей, а затем и сварка костных тканей. После экспериментальных исследований (более 500 опытов) В. А. Поляков в 1967 г. успешно применил в клинике ультразвуковую резку мягких и костных тканей, а также произвел несколько успешных операций остеосинтеза.
К настоящему времени ультразвуковой метод нашел широкое применение в ортопедии и травматологии при различных костно-пластических операциях. Советские специалисты используют ультразвук в торакальной хирургии при рассечении рубцово-склеротической ткани, декортикации и пневмолизе, а также при распиливании костной ткани. Хирургический ультразвук используется также при лечении инфицированных ран.
Представляют особый интерес экспериментальные исследования по ультразвуковой сварке культи бронха после резекции легкого, а также внедрение в арсенал хирургов гибких и длинных волноводов для интраторакальных манипуляций на трахее и бронхах (Г. А. Николаев, В. П. Борисов и др.). Ранее такие работы не проводились ни в СССР, ни за рубежом. Значительный интерес и для науки, и для практики представляют исследования по ультразвуковому соединению легочной ткани.
Заслуживают внимания и перспективные исследования по изучению местного воздействия низкочастотных ультразвуковых волн на микробактерии туберкулеза непосредственно в каверне (ультразвуковое «орошение» и санация легочных каверн).
Ультразвук и болезни легких... Лет десять назад эти физические и медицинские понятия никак не соприкасались. Сейчас ультразвук становится незаменимым диагностом и целителем большинства легочных заболеваний.
Ультразвук. Краткая характеристика . Ультразвук - упругие механические колебания среды, частота которых превышает верхний предел слышимости уха человека (около 18 кГц). Они находятся в диапазоне частот от 18 кГц до 15 МГц. Колебания эти распространяются в виде волн, которые представляют собой периодически чередующиеся области растяжения и сжатия. Скорость распространения упругой волны определяется свойствами среды и не зависит ни от частоты, ни от интенсивности ультразвука. Особенности ультразвуковых колебаний - их направленность и возможность фокусирования энергии на небольшой площади рабочего инструмента.
Основную характеристику распространяющейся упругой волны представляет расстояние, которое она проходит за один период. Эта величина - длина волны, зависящая от скорости распространения звука в материале, а также от частоты.
Звуковая волна, распространяясь в среде, несет определенную энергию, которая периодически переходит из потенциальной в кинетическую и обратно.
Для оценки энергии звукового поля определена величина, называемая интенсивностью звука. Интенсивность - количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через площадку 1 см 2 , перпендикулярно к направлению распространения.
При распространении плоских ультразвуковых волн в среде часть энергии затрачивается на преодоление необратимых потерь: (например, вязкости материала). Такой процесс носит название «поглощение ультразвука», когда энергия переходит в тепло, нагревая среду.
Если распространяющаяся волна попадает на границу раздела между двумя средами, то часть ультразвуковой энергии проходит во вторую среду, а другая - отражается обратно. Распределение энергии между прошедшей и отраженной энергией зависит от соотношения акустических сопротивлений двух сред.
Специфические свойства ультразвуковых колебаний для воздействия на биологические ткани заключаются в следующем:
- отмечается высокая интенсивность энергии с максимальными амплитудами колебаний;
- звуковое радиационное давление появляется в поле продольных звуковых волн с конечными амплитудами смещения. Давление всегда направлено от среды с большей плотностью к среде с наименьшей;
- возникает кавитация: процесс разрыва жидкости под действием растягивающихся напряжений с образованием газовых полостей;
- наблюдается нагрев тканей под действием ультразвука.
Основной параметр ультразвуковых колебаний, определяющий биологическое воздействие, - интенсивность ультразвука. Величина интенсивности определяет степень разрушения биологических структур.
Время воздействия ультразвука тоже играет немаловажную роль.
С увеличением времени воздействия свыше 10 минут при средней интенсивности ультразвук может вызвать необратимые изменения в клетках и разрушение живых тканей. Импульсивный режим действия источника колебаний позволяет удлинить время воздействия (до 20 мин) без существенных морфологических изменений в биологических тканях.
Величина поглощения ультразвуковой энергии зависит от гистологического строения тканей. Поглощение в жировых тканях, например, меньше, чем в обычных. Значительное поглощение отмечается в ателектазированных легких, а хрящи и мышцы обладают более высокими значениями коэффициента затухания, чем паренхиматозные ткани. Коэффициент поглощения ультразвуковой энергии зависит и от направления введения ультразвука по отношению к направлению коллагеновых волокон. Кость имеет максимальный коэффициент поглощения, а следовательно, при ультразвуковом распиливании в ней выделяется наибольшее количество тепла.
При высокой частоте ультразвуковых волн больше образуется тепла на поверхности раздела мягкая ткань - кость. При этом примерно 40% ультразвуковой энергии отражается в тканях.
Кавитация в мягких тканях крайне затруднена из-за большой вязкости тканевых жидкостей и большей концентрации клеток в них. Кавитация в кровеносных сосудах возникает легче, нежели в других тканях.
Для объяснения механизма действия ультразвуковых волн в последнее время появились новые гипотезы, теоретические основы которых связаны с акустическими течениями. Для врачей и биологов представляет интерес возникновение акустических течений в слое жидкости, граничащей с колеблющимся ультразвуковым инструментом. Цитологические и функциональные изменения клеток, вызываемые ультразвуковыми волнами, обусловлены возникновением микроскопических течений на границе клетка - жидкость и внутри клеток. Характер и форма микроскопических течений зависят не только от интенсивности ультразвука, но и от вязкости цитоплазмы и ряда других физических параметров такой сложной системы, как живая клетка.
При использовании ультразвуковых колебаний для воздействия на мягкие ткани и осуществления процесса их рассечения необходимо учитывать как биологические свойства самой ткани, так и физические параметры ультразвука.
