2_POSa (Раздаточные материалы)

Глава2.НИЗКОЧАСТОТНЫХИНСТРУМЕНТОВ.ТЕОРИЯ,РАСЧЕТИУЛЬТРАЗВУКОВЫХПРОЕКТИРОВАНИЕМЕДИЦИНСКИХ2.1. ВведениеС 1960-х годов в России успешно развивается новое направление научныхисследований, возникшее на стыке фундаментальных наук (акустики и медицины)- ультразвуковая хирургия.Большой вклад в развитие этого направления внесли ученые России:академик Г.А. Николаев [2], профессор В.И. Лощилов, академик АМН РФ В.И.Петров и многие другие исследователи и разработчики.

С 1970-х годовзарубежные фирмы начали разрабатывать ультразвуковую медицинскую технику,работающую в области низкочастотного ультразвука (обычно это диапазон от 20до 80 кГц).Ультразвуковые инструменты первоначально использовались дляразделения и соединения костных тканей, затем для работ и на мягких тканях.Были созданы ультразвуковые устройства для сверления костей и фрезерованиягрудины. Несколько позднее ультразвуковые медицинские инструменты (УЗМИ)стали применяться для обработки инфицированных ран.

Обнаруженныйбактерицидный фактор ультразвука позволил в дальнейшем применять его и вдругих областях медицины, например в стоматологии, где с помощью ультразвукавыполняется очистка кариозной полости, обработка десневых карманов, удалениепульпы. В результате чего достигнуто значительное улучшение качества лечения,существенно снижено количество повторных обращений к врачу-стоматологу.Очень эффективны ультразвуковые инструменты при расслоениибиологических тканей, особенно если их акустические характеристики различныли зона соединения двух тканей обладает пониженной прочностью. В этихслучаях ультразвуковые колебания способствуют распространению трещины внаправлении между слоями тканей и их расслоению. Этот эффект широкоиспользуется в сосудистой хирургии, когда с помощью ультразвуковыхинструментов удается отделить внутренний сосудистый слой — интиму,пораженную атеросклеротическими отложениями, от медии и адвентиции [2].Применение полых ультразвуковых инструментов позволяет эффективноразрушатьпатологически измененную биологическую ткань, если ееакустические характеристики несколько отличаются от характеристикокружающих тканей, при этом разрушенная ткань, попадая в центральноеотверстие УЗМИ, отсасывается хирургическим отсосом.

Такие инструменты,называемые ультразвуковыми аспираторами, впервые были разработаны в АКИНРФ и применялись в офтальмологии, например для удаления хрусталиков приКвашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов, М.: Изд-во МГТУ, 19891катаракте. Впоследствии подобные инструменты сталинейрохирургии, а затем при операциях на печени, селезенке.применятьв2.2. Ультразвуковые инструменты и преобразователи, принципыпостроенияУльтразвуковыеинструментыснабженыэлектроакустическимипреобразователями (ЭАП), в которых используется один из двух способовпреобразованияэнергииэлектрическихколебанийвмеханические:магнитострикция, пьезоэффект. Амплитуды механических смещений, получаемыена однополуволновых ЭАП, обычно не превышают 4-6 мкм и, как правило,недостаточны для эффективной работы на биологических тканях, в связи с чемприменяют дополнительные, так называемые стержневые концентраторы (режеих называют волноводами), способные усилить амплитуду колебаний ЭАП в несколько десятков раз.

Причем различные элементы УЗМИ: ЭАП, согласующиеэлементы, концентраторы и собственно рабочие окончания - могут совершатьпродольные, крутильные, изгибные колебания, а иногда и более сложные формыколебаний.Обычно для передачи ультразвуковой энергии от ЭАП к рабочей зоне (т.е.биообъекту) выбирают такой вид колебаний, при использовании которогонаиболее просто реализуется рабочий процесс, и во многих случаяхруководствуются конструктивными соображениями. Однако необходимоучитывать и специфические особенности, связанные с распространением ииспользованием того или иного вида колебаний.

Так, скорости распространенияпродольных (c1 ) , крутильных (c2 ) и изгибных (cизг ) колебаний в концентраторахразличны и равныС1 = E ρ , C2 = G ρ , CИЗГ = С1 rx ω ,где E,G - соответственно модули упругости 1-го и 2-го рода,ω - круговая частота, rx - радиус инерции поперечного сеченияконцентратора.Следствие различий скоростей звука - различие в резонансных длинаходнополуволновых концентраторов различных видов колебаний.

Например,волноводы-концентраторы продольных колебаний в 1,5-1,7 раза длиннееаналогичных волноводов крутильных колебаний.Квашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов, М.: Изд-во МГТУ, 19892123456789101819AРис.1111 12 13 14 16 179АРис.2В зависимости от вида биологической ткани (мягкая, костная, хрящевая) и отрода работы с этой тканью (соединение, разделение, обработка) концентраторывыполняются с соответствующими рабочими окончаниями (пилки, скальпели,ножи, лопатки, бужи и др.).

Эти окончания принято называть насадками, внезависимости от того, изготовлены ли они как одна монолитная деталь вместе сконцентратором или же представляют собой самостоятельные детали, прикрепляемые к концентратору.Для расширения возможностей УЗМИ концентраторы, содержащиерабочую часть (насадку), выполняют сменными и присоединяют к частиультразвукового инструмента, содержащей ЭАП (иногда называемойультразвуковым акустическим узлом), с помощью резьбового соединения 9 (рис.2), которое, с целью снижения нагрузки на резьбу, обычно располагается впучности механических смещений.Для создания дополнительного усиления промежуточные однополуволновые резонансные концентраторы 7 продольных колебаний,коэффициент усиления M которых выбирается небольшим (M=2-3).

Самиконцентраторы называют согласующими.Магнитострикционные преобразователи соединяют с согласующимиэлементами посредством паянного, сварного или клеевого соединения, котороедолжно выдерживать как высокие динамические нагрузки, так и температуры доКвашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов, М.: Изд-во МГТУ, 1989380-120°С, а также противостоять коррозии. Из клеев часто применяютсяэпоксидные клеи ВК-3, ВК-36. Крепление ЭАП в корпусе должно быть таким,чтобы снизить передачу вибраций на корпус акустического узла.Для большинства УЗМИ область наиболее рациональных частот,определенная как с учетом воздействия на биологическую среду, так и с позицийсоздания эффективных УЗМИ, лежит в интервале 18-70 кГц.

Причем снижениерабочих частот приводит к увеличению продольных габаритов инструментов, аповышение частот более 50 кГц к существенному росту рассеиваемой мощности.Для ультразвуковых установок в СНГ выделены частоты: 22кГц±7%, 44кГц±7%,66кГц±7% и дополнительная частота 26,5кГц±7%.Один из вариантов конструкции УЗМИ с магнитострикционнымпреобразователем представлен на рис. 2а. В УЗМИ к магнитостриктору 6 соосноэпоксидным клеем ВК-36 приклеен согласующий элемент 7, на правом рабочемторце которого расположена шпилька 9, на которую может наворачиватьсясменный инструмент-концентратор 10, с рабочим окончанием А.

Акустическийузел крепится в корпусе 4 с крышкой 2 через промежуточные резиновыепрокладки 3 и 8, одна из которых расположена в узле смещения. Сигнал с ультразвукового генератора поступает через шнур 1 на обмотку возбуждения 5.Типовая конструкция УЗМИ с пьезокерамическим преобразователемпредставлена на рис. 2б, она имеет много общего с конструкциеймагнитострикционного УЗМИ, однако имеются и некоторые отличия.

Так,колебательная система крепится к корпусу 11 с помощью жестяногометаллического кольца 16, располагаемого в узле продольных смещений. ЭАПсостоит из двух пьезокерамических колец 14, зажатых с помощью шпильки 13между излучающей 17 и отражающей 12 накладками. Для обеспеченияэлектрической изоляции электрода между пьезопластинами и шпилькойустановлена электроизоляционная втулка 15. Через отверстие в волноводе-аспираторе 19 по трубке 18 удаляется разрушаемая биоткань.Некоторые основные марки отечественной и зарубежной ультразвуковойнизкочастотной медицинской техники представлены в табл.1.В особый класс можно выделить достаточно сложные ультразвуковыеаспираторы, выпускаемые фирмами "Кавитрон", "Алока", имеющие системужидкостного охлаждения акустических узлов, набор сменных полых волноводовконцентраторов, промежуточные сменные прямые и криволинейные волноводы.Эти аппараты снабжаются также системами подачи жидкости в зонуультразвуковой обработки и, как уже отмечалось, аспирационными отсосами,создающими разрежение до 700 мм рт.ст.

Характерная особенность аппаратов большие амплитуды колебаний рабочих окончаний (до 150 мкм). Получениетаких амплитуд требует высокой тщательности проектирования ультразвуковойколебательной системы (см. рис. 2б), использования высокопрочных материалов вКвашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов, М.: Изд-во МГТУ, 19894высокоамплитудных частях волноводов (например, титановыевысокоточного изготовления этих волноводов-инструментов.сплавы),2.3. Методы проектирования и расчета ультразвуковых медицинскихинструментов.Типовой УЗМИ состоит из ЭАП (пьезо- или магнитострикционного),согласующего волновода-концентратора и набора, как правило, сменныхинструментов-концентраторов. Эти элементы УЗМИ, как отмечалось, могутсовершать различные виды колебаний.Для грамотного проектирования УЗМИ и его элементов требуется расчет:электроакустического преобразователя (т.е.

решение задачи овынужденных незатухающих колебаниях ЭАП с учетом внутреннего трения);- согласующих элементов и сменных волноводов-концентраторов (т.е.решение задачи о вынужденных колебаниях с учетом внутреннего трения,которая, однако, часто сводится к решению задачи о свободных незатухающихколебаниях этого же элемента);- рабочих окончаний (рассчитываемых в зависимости от конфигурации либокак пассивные, либо как активные элементы);- УЗМИ в целом (с определением механической и электрическойдобротности УЗМИ, амплитудно- и фазочастотных характеристик, положенияузлов и пучности колебаний, максимальных механических напряжений иамплитуд колебаний в заранее заданных точках).Кроме того, при любом проектировании необходимо решение задачоптимизации параметров проектируемой системы, что особенно важно, так как отразмеров, массы, эргономических характеристик УЗМИ, находящегося в рукахврача (чаще хирурга), во многом зависит и качество, и успех медицинскоговмешательства или операции.При выполнении поверочных расчетов приходится сталкиваться с задачами,требующими определения резонансных частот и форм колебаний УЗМИ призаданной геометрии инструмента.

Рассмотрим подробнее решение наиболее частовстречающихся задач расчета и проектирования УЗМИ на примере УЗМИпродольных колебаний.2.3.1. Определение собственных частот и форм колебаний УЗМИЛюбой элемент УЗМИ, да и УЗМИ в целом, можно рассматривать как бруспеременного сечения F(z) (рис.3). Известно, что свободные колебания такогобруса описываются системой уравнений~~∂N∂2U= ρF ( z ) 2 ,(1)∂z∂tКвашнин С.Е. Теория, расчет и проектирование низкочастотных ультразвуковых медицинских инструментов, М.: Изд-во МГТУ, 19895~∂U~N ( z , t ) = EF ( z ),∂zкоторая легко может быть трансформирована в одно уравнение второгопорядка [1]~~∂ ⎡∂U ⎤∂2U(2)EF ( z )= ρF ( z ) 2∂ z ⎢⎣∂ z ⎥⎦∂tгде Е - модуль упругости первого рода;ρ - плотность;z - продольная координата УЗМИ;t - время;U(z,t) - продольное смещение z-ого поперечного сечения в момент времени t;~N ( z , t ) - осевое усилие.И система (1), иволновоеуравнение(2)справедливылишьдляэлементов УЗМИ, выполненных из изотропных материалов,подчиняющихсязакону Гука /второе уравнение в системе (1)/.

Длярешения волнового уравнения (2) воспользуемсяРис. 3методом Фурье, при котором решение ищется в виде~U ( z , t ) = u( z )T (t ) ,(3)где u(z) - амплитуда продольного смещения; T(t) - некоторая функция времени.Тогда уравнение (2) можно записать так:′[ EF (z)u′] T (t ) = ρF ( z)T (t )u(z) ,где штрих означает дифференцирование по z ; точка - дифференцирование повремени t . Разделим левые и правые части последнего уравнения наT ( t ) u( z ) ⋅ ρ ⋅ F ( z ) :′[ EF (z)u′] = T (t )(4)ρF ( z )u( z ) T (t )В полученном уравнении левая часть зависит только от z , а правая - толькоот t . Ввиду независимости аргументов z и t друг от друга остается предположить,что левые и правые части этого уравнения порознь равны некоторой константе ω2 .