Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет «Приборостроительный»
Кафедра «Приборы и методы контроля качества»
РЕФЕРАТ
СИЛОВОЙ УЛЬТРАЗВУК В МЕДИЦИНЕ
Направление 200100 Приборостроение
| Выполнила | Студентка гр.Б01-091 Сулейманова А.Р. |
| Проверил | К.Т.Н., доцент Стрижак В.А. |
|
Оглавление
1. Перечень иллюстраций. 3
2. Введение. 4
3. Литотрипсия. 6
3.1. Основа методики. 6
3.2. Дистанционная литотрипсия. 7
4. Кавитационный ультразвуковой хирургический аспиратор. 10
4.1. Принцип действия CUSA. 10
4.2. История использования аппарата CUSA. 12
4.3. Область применения аппарата CUSA. 13
5. Использование кавитации в эстетической косметологии. Ультразвуковая липосакция. 14
5.1. Физические основы ультразвуковой липосакции. 15
5.2. Инструментарий, ультразвуковые инструменты. 17
6. Заключение. 18
7. Список литературы. 19
1. Перечень иллюстраций.
Рисунок 1 Современный литотриптор. 6
Рисунок 2 Схема проведения сеанса литотрипсии. 7
Рисунок 3 Эллипсоидный рефлектор. 8
Рисунок 4 Пьезоэлектрический литотриптор в поперечном сечении. 9
Рисунок 5 Электромагнитный ударно-волновой излучатель. 9
Рисунок 6 Вид современного аппарата CUSA.. 10
Рисунок 7 Рукоятка-фрагментатор CUSA.. 10
Рисунок 8 Принципы деструкции тканей ультразвуковым кавитационным фрагментатором CUSA.. 12
2. Введение.
Кавитация (от лат. Cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк захлопывается, излучая при этом ударную волну.
Согласно определению Кристофера Бреннена: «Когда жидкость подвергается давлению ниже порогового (напряжению растяжения), тогда целостность ее потока нарушается, и образуются парообразные полости. Это явление называется кавитацией. Когда местное давление жидкости в некоторой точке падает ниже величины, соответствующей давлению насыщения при данной окружающей температуре, тогда жидкость переходит в другое состояние, образуя, в основном, фазовые пустоты, которые называются кавитационными пузырями. Возможно и другое образование кавитационных пузырей путем местной подачи энергии. Это может быть достигнуто фокусировкой интенсивного лазерного импульса (оптическая кавитация) или искрой электрического разряда».
Во многих источниках физика этого явления объясняется следующим образом. Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.
Однако более поздние исследования показали, что ведущую роль в образовании пузырьков при кавитации играют газы, выделяющиеся внутрь образовывающихся пузырьков. Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутрь указанных пузырьков.
Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 15000С. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.
Кавитация играет важную роль для уничтожения камней в почках посредством ударной волны литотрипсии.
Литотриптор — прибор, предназначенный для разрушения камней в желчном и мочевом пузырях без хирургического вмешательства. Был разработан В.Ю. Вероманом и Г.А. Денисовым.
В настоящее время исследованиями показано, что кавитация также может быть использована для перемещения макромолекул внутрь биологических клеток. Кавитация, создаваемая прохождением ультразвука в жидкостной среде, используется в работе хирургических инструментов для бескровного иссечения тканей плотных органов (CUSA). Кавитация также применяется в косметологии.
3. Литотрипсия.
Название этого метода означает следующее: "экстракорпоральный" буквально означает "вне тела"; "литотрипсия" буквально означает "растирание камня". В современном представлении это можно расшифровать как "дробление камней с помощью энергии ударных волн, генерируемых вне тела".
Впервые в клинической практике этот метод лечения был применен в 1986 году, в Мюнхене. И по настоящее время его используют преимущественно отдельные германские специалисты. В других странах этот метод применяется гораздо реже.
3.1. Основа методики.
Дробление происходит вследствие воздействия на камень ударной волны. Ударная волна формируется путем искрового разряда или возбуждения пьезокристаллов, после чего с помощью параболического рефлектора она фокусируется на камень. В точке фокусировки энергия волны достигает максимума. При этом в камне происходит деформация, которая превышает прочность камня. Ударных волн на камень поступает не одна, а очень много - от 1500 до 3500 в зависимости от состава камня. Такие множественные ударные волны, сфокусированные на камне, разрушают его на мелкие фрагменты. На рисунке 1 показан современный литотриптор, а на рисунке 2 схема проведения сеанса литотрипсии.
|
Рисунок 2 Схема проведения сеанса литотрипсии
Что происходит с осколками камня? Мелкие осколки, размер которых не превышает диаметр пузырного протока, выходят из желчного пузыря через пузырный проток. Далее через общий желчный проток они выходят в кишечник и выводятся из организма. Более крупные фрагменты, которые не могут пройти через пузырный проток, остаются в желчном пузыре. Поэтому для повышения эффективности лечения целесообразно к экстракорпоральной литотрипсии добавлять препараты желчных кислот.
3.2. Дистанционная литотрипсия.
Существует ряд методов дробления камней в организме. Все аппараты для разрушения камней, или литотриптеры, состоят из следующих компонентов:
1) Генератор ударных волн;
2) Система фокусировки;
3) Механизм сопряжения;
4) Система локализации
В настоящее время существуют четыре типа литотриптеров, которые производят более 20 фирм по всему миру. Экспериментальный литотриптер на гранулах азида свинца был создан в Японии в 1980-х годах. Ударные волны генерировались подводными взрывами и фокусировались эллипсоидом. Пациент
сидел, погруженный в ванну. Хотя этот метод генерирования ударных волн был крайне эффективен, он не нашел коммерческого применения.
Электрогидравлические литотриптеры создают высоковольтный подводный электрический разряд, котрый фокусируется эллипсоидным рефлектором (рисунок 3). Фокусное давление может меняться за счет изменения вольтажа искрового разряда.
Рисунок 3 Эллипсоидный рефлектор.
Элипсоидный рефлектор используется в электрогидравлических литотриптерах в поперечном сечении. F1, источник ударной волны (межэлектродный зазор); F2, второй фокус на камне.
Пьезоэлектрические литотриптеры вызывают одновременную активацию массива пьезокерамических кристаллов, расположенных на сфероидальной чаше. Применяется высоковольный электрический ток, который приводит к деформации кристаллов и к образованию вогнутой ударной волны. Она сходится к центру сфероидальной поверхности, на которой расположены кристаллы (рисунок 4). F1 первый фокус на камне.
Рисунок 4 Пьезоэлектрический литотриптор в поперечном сечении.
В электромагнитных литотриптерах ток направляется на электромагнитную спираль, которая индуцирует противоположные магнитные поля между спиралью и прилежащей металлической мембраной. Мембрана откланяется от спирали, что генерирует ударный импульс, который идет через воду и фокусируется двояковогнутой акустической линзой (рисунок 5).
Рисунок 5 Электромагнитный ударно-волновой излучатель.
4. Кавитационный ультразвуковой хирургический аспиратор.
Название является аббревиатурой и происходит от первых букв термина Cavitation Ultrasound Surgical Aspirator (кавитационный ультразвуковой хирургический аспиратор). Обозначает класс хирургических аппаратов для так называемой ультразвуковой хирургии. Является одновременно названием ультразвукового деструктора CUSA, до 2006 года производимого компанией ValleyLab, США, а с 2006 года — компанией Integra LifeSciences, США. Новый производитель заменил часть названия aspirator на ablator, назвав аппарат Системой Ультразвуковой Абляции тканей, что по сути более точно отражает содержание данного хирургического метода.
|
Рисунок 6 Вид современного аппарата CUSA |
|
4.1. Принцип действия CUSA.
Принцип действия аппаратов CUSA основан на кавитационном разрушении/фрагментации живых клеток различных тканей, содержащих большое количество жидкости, с помощью ультразвукового воздействия частотой свыше 20 000 Гц, осуществляемого путём прямого механического контакта вибрирующего металлического стержня с поверхностью живой ткани. При соприкосновении с колеблющимся стержнем в цитоплазме клетки возникают кавитационные полости, которые заставляют клетку лопаться с разрывом клеточной мембраны. При этом неизменными остаются лишь клетки, защищённые коллагеновыми и эластиновыми волокнами, эффективно поглощающими ультразвуковые волны вследствие деформаций. Такое свойство кавитационного разрушения клеток имеет несомненную выгоду: появляется возможность удаления мягких биологических тканей без повреждения их соединительно-тканного скелета, а именно кровеносных сосудов и протоков. Данный метод деструкции позволяет проводить хирургические операции практически без кровотечения по границе плотности двух разных типов тканей.
Механический стержень (сонотрод) для разрушения клеток аппаратов CUSA является продолжением сердечника миниатюрного соленоида, по которому течёт переменный ток с заданной частотой, в частности на уровне ~20 кГц. Колебания сердечника происходят по хорошо известному принципу магнитной индукции. Сам соленоид упаковывается в компактный пластиковый корпус и надёжно изолируется от внешней среды. Такой соленоид в сборе называемый рукояткой-фрагментатором.
Для удаления вещества лопнувших клеток необходимо одновременно использовать вакуумную аспирацию. В деструкторах CUSA эти два метода совмещены в одно аппаратное решение. Аспирация в аппаратах CUSA выполняет две важные задачи:
1) Притягивает ткань к вибрирующему наконечнику и создаёт эффект взаимодействия между наконечником и тканью.
2) Удаляет ирригационную жидкость и фрагментированную ткань с операционного поля.
Если бы аспирация не использовалась вовсе или была очень слабой, то такого взаимодействия не происходило бы. Это привело бы к минимальной фрагментации ткани и повышению её температуры за счёт воздействия ультразвуковой волны. Сочетание кавитационного разрушения клеток с последующей их аспирацией обусловило появление названия CUSA, смысл которого есть «кавитация и аспирация».
Рисунок 8 Принципы деструкции тканей ультразвуковым кавитационным фрагментатором CUSA
4.2. История использования аппарата CUSA.
Первая промышленная версия аппарата, использующего ультразвуковые колебания для разрушения биологических тканей была запатентована компанией Cavitron Corporation Inc (Long Island City, NY, США) в 1971 году под номером 3’589’363. В коммерческую продажу аппарат поступил в 1977 году и носил название CUSA System NS100. Производился он тогда компанией Cooper LaserSonics Inc. (дочерняя фирма компании Cooper Laboratories Inc., штат Коннектикут, США). Начиная с 1989 года аппараты для ультразвуковой деструкции биологических тканей стали обобщённо называться CUSA. Впоследствии после ряда усовершенствований, обладателем патента и производителем семейства аппаратов CUSA стала коммпания ValleyLab, США.
Первые аппараты CUSA использовали непрерывные ультразвуковые колебания лишь на уровне 23-24 кГц. Необходимость повышения селективности резекции по границе плотности различных тканей вынудила привнести в работу CUSA изменения. Так, непрерывный режим ультразвуковых колебаний был дополнен несколькими пульсовыми режимами с различными длинами импульсов и пауз между ними. Применение пульсовых режимов колебаний в середине 80х годов позволило существенно повысить селективность ультразвуковой деструкции биологических тканей за счёт более точного управления энергией ультразвуковой волны. Первоначально технология импульсных режимов называлась CaviPuls. Начиная с 1999 года для микрохирургических операций стали использовать также режимы колебаний в 36 кГц. С этого момента режим CaviPuls, был переименован в TissueSelect, поскольку CaviPuls относился главным образом к колебаниям в 23 кГц.
В России аппараты CUSA были впервые опробованы при резекции печени в 1996 году хирургом профессором Ерамишанцевым Александром Константиновичем, заведующим отделения экстренной хирургии РНЦХ им. Б.В. Петровского.
Первоначально аппараты CUSA создавались для снижения кровопотери при резекции печени. Со временем акценты использования аппарата сместились в область хирургии опухолей головного мозга. Использование CUSA в нейрохирургии позволяет удалять опухоли строго по границе двух тканей (опухолевой и здоровой) без риска неожиданного кровотечения.
4.3. Область применения аппарата CUSA.
Аппараты класса CUSA сегодня широко применяются в хирургии печени, трансплантологии, при операциях на сердце (пластика сердечных клапанов при приобретённых пороках сердца), в различных направлениях онкохирургии — нейроонкологии (лечение опухолей головного и спинного мозга), онкогинекологии (циторедуктивные операции). CUSA используется также в хирургии поджелудочной железы (некротический панкреатит).
Современные аппараты CUSA оснащаются наконечниками-сонотродами для работы на костях, кальцификатах и фиброзных тканях, что делает его универсальным и в то же время мощным инструментом в руках хирурга.
На сегодняшний день класс ультразвуковых деструкторов CUSA представлен моделями CUSA EXcel, CUSA NXT и CUSA Dissectron производства Integra LifeSciences, США.
5. Использование кавитации в эстетической косметологии. Ультразвуковая липосакция.
Как известно, ультразвук является акустической волной, а клетки организма содержат большое количество жидкости. Таким образом, возникла идея, что в жировых клетках также возможно возникновение кавитационных эффектов и эта идея оказалась верной.
После многочисленных экспериментов было выявлено, под действием низкочастотного ультразвука с параметрами 25-70 КГц и давлением 0,3- 0,8 кПа и определенной плотности потока в жировых клетках возникает эффект кавитации т.е. образуются микропузырьки. Чем выше частота, тем пузырьки меньше в размере, чем частота ниже, тем пузырьки больше. Оптимальной для жировой ткани оказалась частота 30 КГц. При этой частоте образуется максимальное количество пузырьков необходимого размера. Они увеличиваются в размерах, разжижают жир и вытесняют его из адипоцитов. В жировой ткани также происходит схлопывание пузырьков с высвобождением большого количества энергии до 100 Кг на см2. При схлопывании пузырьков внутри жировой клетки происходит гидродинамический толчок, своего рода микровзрыв. Эти микровзрывы повреждают клеточные мембраны адипоцитов. Повреждаются в первую очередь мембраны наиболее наполненных жиром клеток, вследствие их наибольшего напряжения. Высвободившиеся триглицериды, из которых состоят жировые клетки, выводятся из межклеточного пространства посредством естественных метаболических процессов. 90% продуктов распада выводится через лимфатическую систему и 10% абсорбируется в кровеносное русло, где в результате биохимических реакций триглицериды преобразуются в молекулы глюкозы.
В тоже время, другие клетки и ткани (мышечные фибриллы, клетки эпидермиса, эндотелия сосудов и т.д.) под действием кавитации не повреждаются, т.к. являются относительно прочными и имеют достаточный коэффициент эластичности. Было проведено множество научных исследований, которые доказали эффективность и безопасность кавитации.
5.1. Физические основы ультразвуковой липосакции.
При ультразвуковой липосакции пьезокерамические кристаллы, находящиеся в наконечнике преобразуют энергию ультразвуковых колебаний в механические колебания ультразвукового зонда (волновода или сонотрода) с определенной частотой. Частота зависит от выбранных кристаллов и поэтому не может меняться.
Механизмы действия ультразвука:
1) Прямое воздействие;
2) Термические эффекты (зависят от характеристики ультразвука, времени воздействия, абсорбции энергии в пространстве;
3) Кавитация. Происходит только при наличии жидкости. При наличии достаточной энергии механических колебаний, передающейся посредством волновода в ткань в внутри-и межклеточной жидкости (и в инфильтрационном растворе) происходит трансформация растворенных и адсорбированных в ядре газов в нестабильные микропузырьки под действием отрицательной составляющей звуковой волны. При дальнейшей подаче энергии микропузырьки взрываются, разрывая при этом клеточные мембраны и десмосомы.
4) Передача энергии в ткань.
Жировые клетки содержат значительно больше жидкости, чем соединительная ткань, сосуды и нервные структуры, поэтому именно здесь происходят усиленные кавитационные процессы.
Звуковая волна харктеризуется амплитудой, интенсивностью, длиной волны и скоростью распространения (в человеческой ткани около 1450м/с). В медицине применяются частоты свыше 20кГц.
В аппаратах Sonoca употребляется частота 25 кГц, которая при амплитуде 140-150 мкм на волноводе с площадью 15 кв. мм достигает ускорения 1000* g и интенсивности 200 – 1000 мВт/кв.мм. На первом плане стоит не абсорбция энергии в ткани, а запуск кавитационных процессов, вызывающих микропотоки, силы сдвига, обладающих способностью разрывать клеточные структуры. Гистологические исследования показывают, что никакие другие структуры кроме жировой ткани не повреждаются.
Ткани способные накапливать жидкость (паренхиматозные органы и жировая ткань) подвергаются селективному действию ультразвука, в то время как миелиновые оболочки нервов, стенки сосудов и соединительная ткань могут повреждаться только при повторном или непосредственном, длительном воздействии (речь идет о прямом контакте с тканью).
Операция происходит в условиях локальной инфильтрации, повышающей к началу разрушения клеток гидростатическое давление в ткани. Именно в это время необходимо большое кол-во движений волновода, чтобы разрушить одинаковое число адипоцитов. При константном отсосе в это время снижается эффективность ультразвука и уменьшается число кавитаций. Клинически это проявляется в уменьшении сопротивления ткани. При снижении эффективности ультразвука необходим переход к традиционной липосакции. В высохшей ткани могут возникнуть ожоги с последующим образованием рубцов и стягиванием кожи.
В противоположность ультразвуковой диссекции, современные конструкции позволяют контролировать эффективность отсоса, сигнализируют о кровотечении, охлаждают волновод и ускоряют операцию. Заключительная мелкотуннельная липосакция под сниженным давлением проводится до получения желаемого косметического эффекта. Значительное преимущество ультразвука состоит в том, что эффект подтяжки кожи выражен сильнее, чем при традиционных методиках. Кроме того ультразвук обладает селективным свойством и липосакция является щадящей операционной методикой. Основываясь на этом необходимо использовать возможности ультразвука в физически допустимых границах. Одновременно производимый отсос жиро – водной эмульсии является значительным преимуществом. При пониженном сопротивлении ткани возможно проведение отсоса со значительно сниженным давлением (0,4-0,6 бар). Совокупность этих факторов снижают риск травматизации тканей.
5.2. Инструментарий, ультразвуковые инструменты.
Липосакция проводится во влажной среде, поэтому необходимо ввести инфильтрационный раствор в ткань. Для этого используются канюли с затупленным концом и рукояткой снабженной LUER-LOCK подключением. Стандартная ручка инфильтрационной канюли снабжена вентилем. Так как инфильтрация при помощи насоса происходит быстрее, проще и равномернее. Без вышеназванного вентиля тумесцентный раствор разбрызгивался бы на операционное поле в случае, если канюля выходила бы из разреза. Благодаря вентилю операционное поле останется всегда сухим.
Вторая ручка находящаяся в стандартном оснащении снабжена «Стоп-отсосом». Все детали изготовлены из хирургической стали. Поставляемые канюли имеют LUER-LOCK подключение, что позволяет использовать собственные привычные канюли. Это подключение позволяет устанавливать отверстие на наконечнике в удобное положение. Для инфильтрации и отсоса не нужны дорогостоящие шланги, в комплект поставки входят шланги большого диаметра. Многоразовые иглы для сосудов с жидкостью, с отверстием и без входят также в комплект поставки. Инфильтрационные емкости имеют кран с Luer-Lock подключением.
Для коррекции рубцов или выраженного целлюлита до сих пор использовались канюли-диссекторы (Toledo-диссектор и Aiache-диссектор), которые необходимо было периодически затачивать. Поставляемые с SONOCA-LIPO канюли-диссекторы со сменными одноразовыми лезвиями прослужат значительно дольше. Благодаря этому хирургическому инструменту можно отказаться от отсоса во время рассечения рубца. Между двумя этапами операции(ультразвуковой липосакцией и аспирацией остатка жидкости) рекомендуется употребление скалки-валика, при помощи которого из ткани выкатываются остатки раствора. Кроме того им хорошо определяются уплотнения в ткани.
Для удобства хирурга необходимо иметь 2 ультразвуковых наконечника, чтобы использовать короткий инструмент в целях точной коррекции контуров (щека, подбородок, молочная железа).
6. Заключение.
Рассмотрев данную тему была сделана работа, в ходе работы было обработано большое количество информации из разных источников. После чего я пришла к выводу, что данный физическое явление «Силовой ультразвук» широко используется в различных направлениях медицины.
Существует огромный рынок оборудования для проведения различных медицинских процедур, в основе которых лежит это явление. Лечение данным методом является очень эффективным и безопасным.
Использование литотрипсии можно отнести к ноу-хау в лечении мочекаменной болезни, так как процедура занимает мало времени, но при этом является действенным и практически безболезненным методом лечения.
7. Список литературы.
1) Кавитация / Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэммит Ф.. М.: Мир, 1974. 678 с
2) ОСНОВЫ МЕДИЦИНСКИХ ЗНАНИЙ /Под ред. Ю.С.Тарасова.-В 2-х томах. - Том 1. - Самара, 1996. - 175 с.
3) Основы звукохимии / М.А. Маргулис :М., 1984. – 272с.
4) Основы физики ультразвука / В.А. Шутилов: изд. Ленинградского Университета, 1980.
(zip - application/zip)
Статистика файлового архива
