Разработка низкочастотной ультразвуковой аппаратуры для терапии и хирургии

На правах рукописи

НОВИКОВ Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА НИЗКОЧАСТОТНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТЕРАПИИ И ХИРУРГИИ

Специальность:

05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук.

Томск, 2008

Работа выполнена на кафедре «Материаловедение и технология конструкционных материалов Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Квашнин С.Е.
доктор технических наук, профессор Бурьян Ю.А.

доктор технических наук, профессор Градобоев А.В.

Ведущая организация: Омская государственная медицинская академия

(ОГМА), г. Омск.

Защита состоится 11ноября 2008 года в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.09 при Томском политехническом университете

По адресу: 634050, г.Томск, пр.Ленина 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО ТПУ

Автореферат разослан «______» октября 2008 года.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций

Д212.269.09, кандидат технических наук _________________Б.Б.Винокуров

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Разработка и применение для хирургического воздействия ультразвуковой низкочастотной аппаратуры является одним из интенсивно развивающихся направлений. Значительный вклад в развитие этого направления внесла научная школа МГТУ им. Н.Э.Баумана во главе с академиком Г.А.Николаевым и профессором В.И.Лощиловым, совместные работы которых с учеными медиками Поляковым В.А., Чемяновым Г.Г., Волковым М.В., Петровским Б.В., Петровым В.И. и другими позволили создать новые высокоэффективные методы и аппаратуру для ультразвукового воздействия на биологические ткани.

Однако, несмотря на достигнутые успехи в области ультразвуковых медицинских технологий, последние могли бы развиваться значительно интенсивнее, если бы не недостаточная эффективность существующей медицинской ультразвуковой аппаратуры и отсутствие современных эффективных средств и методов математического моделирования проектируемых ультразвуковых медицинских аппаратов. В настоящее время нет целостной концепции проектирования ультразвуковых аппаратов медицинского назначения, которая объединяла бы весь комплекс взаимосвязанных параметров, начиная от технологической нагрузки – конкретных параметров вводимых в ткань колебаний непосредственно, либо через жидкую фазу, и, заканчивая оптимизированными по тому, либо иному критерию, характеристиками ультразвукового генератора, что препятствует созданию высокоэффективного оборудования. Это, вместе с отсутствием разработанных методов контроля акустических параметров при введении колебаний в нагрузку тормозит дальнейшее развитие и более широкое внедрение ультразвуковых технологий в медицинскую практику.

Поэтому центральной проблемой при создании новой терапевтической и хирургической ультразвуковой аппаратуры является проблема повышения эффективности ее работы и, таким образом, разработка современных методов проектирования, адекватных математических моделей широкого класса ультразвуковой медицинской аппаратуры, ее оптимизация и исследование систем при взаимодействии с различного рода бионагрузками является безусловно актуальной задачей.

Цель работы

Разработка эффективных низкочастотных высокоамплитудных ультразвуковых аппаратов для терапии и хирургии, широкодиапазонных по параметрам нагрузки и новых медицинских технологий на их основе.

Основные задачи исследований:

1. Структурный анализ ультразвуковых медицинских аппаратов для терапии и хирургии.
2. Развитие теории электроакустического изоморфизма путем расширения области изоморфных электроакустических преобразований на различные элементы аппаратного комплекса, как базы для комплексной оценки эффективности ультразвукового медицинского аппарата и последующего аппаратного синтеза.
3. Разработка электроакустических моделей (эквивалентных схем) основных функциональных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов для различных типов колебаний и различных видов нагрузки.
4. Анализ влияния параметров электроакустического тракта на его основные частотные характеристики.
5. Определение влияния технологических факторов на основные параметры нагрузки и разработка способов повышения нагрузочной способности ультразвуковых медицинских аппаратов.
6. Разработка способов адаптации энергонасыщенных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов к требованиям технологии и использование адаптивных систем для повышения эффективности работы аппарата.
7. Разработка и исследование новых схемных решений УЗ генераторов и систем их регулирования и управления на базе новых технологий микросхемотехники полупроводников (MOSFET и IGBT).
8. Разработка и внедрение в медицинскую практику серии новых высокоэффективных ультразвуковых аппаратов для терапии и хирургии и новых медицинских технологий на их основе.

Научная новизна:

1. Разработан метод моделирования УЗМА путем объединения структурно-разнородных элементов комплекса на базе сведения пространственно-временных волновых уравнений, описывающих колебательные процессы в акустических, и электроакустических элементах комплекса к выражениям для системы параллельно включенных резонансных контуров с различными модами, описывающим входную проводимость элемента комплекса. Показано, что эти системы становятся базовыми узлами эквивалентных схем отдельных частей комплекса и не меняются при изменении характера колебаний.
2. Разработан и теоретически и экспериментально обоснован критерий оценки технологической эффективности вводимой в среду ультразвуковой энергии непосредственно в процессе работы аппарата. Сформулированы допущения и определены границы применимости в качестве этого критерия амплитуды тока возбуждения излучателя.
3. Впервые, в общем виде, с учетом реактивных составляющих разработана, теоретически и экспериментально обоснована эквивалентная схема акустической нагрузки волновода-инструмента для жидких и жидкоподобных сред. Определены выражения для упругой и массовой составляющих реактивной компоненты нагрузки.
4. Предложена новая модель взаимодействия жидкой среды с рабочей поверхностью волновода-инструмента. Показано, что предельная величина напряженности акустического поля в среде, при которой сохраняется линейность процессов растяжения-сжатия, определяется величиной внешнего давления на среду, и при превышении напряженности этой величины при растяжении образуются разрывы, а при сжатии – искажения пространственного объема среды.
5. В результате исследований влияния жидких сред на нагрузочные характеристики волноводов-инструментов, определены соотношения между радиальной и осевой составляющими колебаний. Теоретически рассчитана и экспериментально подтверждена зависимость эквивалентной нагрузки от глубины погружения волновода-инструмента в среду. Показано, что при глубинах погружения, превышающих четверть длины волны колебаний в материале волновода-инструмента, влияние боковой поверхности на величину эквивалентной нагрузки становится определяющим.
6. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований впервые предложены и обоснованы общие электрические эквивалентные (изоморфные) схемы, объединяющие излучатель, волновод-инструмент и нагрузку, для разных типов колебаний и видов нагрузки.
7. Впервые предложен теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный метод симметрирования частотных характеристик ультразвуковых пьезокерамических излучателей, обеспечивающий сохранение возможности устойчивого фазочастотного регулирования при значительных (20-кратных) изменениях нагрузки. Разработана методика определения допустимого диапазона изменения симметрирующего параметра.

8. Разработан метод повышения нагрузочной способности пьезокерамического излучателя. Показано, что введение дополнительной индуктивности в цепь возбуждения излучателя оправдано и эффективно лишь при работе излучателя в диапазоне больших нагрузок: .

9. Разработана и запатентована система фазовой автоподстройки частоты, осуществляемая путем прямого преобразования фазового сдвига в частотное изменение, что позволило минимизировать длительность переходных процессов, с одной стороны, и обеспечить повышенный диапазон удержания резонансного режима при воздействии различных дестабилизирующих факторов.
10. В результате проведенных экспериментальных разработок и их сравнительного анализа показано, что, для весогабаритной, частотной и мощностной гаммы УЗМА, наиболее эффективными решениями являются: - для генератора – транзисторные полумостовые инверторы с независимым возбуждением; для регулятора частоты – системы фазового управления с прямым преобразованием частоты; для регуляторов выходного (технологического) параметра – системы ШИР, изменяющие величину питающего полумостовой транзисторный инвертор напряжения.
11. В результате теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия ультразвукового инструмента с биологическими тканями предложены и обоснованы новые методы высокоэффективной обработки пористых костных поверхностей. Показано, что достижение необходимого технологического эффекта обеспечивается лишь при определенной нагрузочной способности аппарата.
12. Впервые проведены исследования по эффективности применения ультразвуковых аппаратов для разрушения костного клея при ревизионном эндопротезировании. Установлено, что при ультразвуковом воздействии меняются механические прочностные характеристики полиметилметакрилата, но тепловыделение при этом недостаточно для повреждения здоровых тканей.
13. В результате проведенных исследований установлено, что эффективный гемостаз при применении низкочастотных высокоамплитудных ультразвуковых аппаратов с повышенной нагрузочной способностью обеспечивается при частотах выше 40 кГц и амплитудах не менее 40 мкм.

14. Предложен новый способ ультразвукового эндопротезирования крупных суставов.

Практическая значимость работы:

6. Предложен новый способ ультразвукового эндопротезирования крупных суставов.

7. Предложен новый конструктив исполнения аппаратного комплекса, для технологических нагрузок повышенной мощности, обеспечивающий долговременную работу УЗ излучателя в штатном режиме.

8. Разработаны, прошли технические и клинические испытания и серийно выпускаются на Омском заводе «Автоматика» низкочастотные ультразвуковые терапевтические аппаратные комплексы повышенной эффективности для ларингологии «Тонзиллор-М», для гинекологии «Гинетон-М»; готовятся к серийному производству комплексы для стоматологии «Стоматон-М» и для проктологии «Проктон-М».

9. Прошел технические и клинические испытания и серийно выпускается на Омском заводе «Автоматика» мощный ультразвуковой низкочастотный хирургический и травматологический аппаратный комплекс «Ярус».

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием стандартных методов расчета и исследования, апробированных медицинских методов исследования, а так же подтверждается лабораторными и клиническими верификационными испытаниями.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика последовательно связанного проектирования низкочастотных ультразвуковых аппаратных комплексов для хирургии и терапии, учитывающая закономерности энергообмена комплекса с технологической средой и взаимосвязи их параметров, как в целом, так и на уровне составляющих аппаратный комплекс элементов.
2. Критерий оценки технологической эффективности вводимой в среду ультразвуковой энергии непосредственно в процессе работы аппарата.
3. Развитие теории электроакустического изоморфизма, на базе которой разработаны электроакустические модели основных функциональных узлов ультразвуковых медицинских аппаратов.
4. Результаты исследований по взаимодействию ультразвукового инструмента с биологическими тканями: новые методы обработки пористых костных поверхностей и разрушения костного клея при ревизионном эндопротезировании.

5. Способ автоподстройки частоты ультразвукового генератора, нагруженного на пьезокерамический ультразвуковой излучатель, обеспечивающий устойчивое поддержание резонансного режима его работы при значительных колебаниях внешних и технологических возмущающих факторов.

6. Новый конструктив исполнения аппаратного комплекса, для технологических нагрузок повышенной мощности, обеспечивающий эффективную долговременную работу УЗ излучателя в штатном режиме за счет использования систем, обеспечивающие адаптацию основных параметров хирургического аппарата к изменяющимся условиям его функционирования.

Апробации работы.

Приведенные в диссертации результаты представлялись автором на:

0. IV Всесоюзной научно–технической конференции “Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов–79”, Москва, 18-20 апреля 1979 года;
1. V Всесоюзной научно–технической конференции “Ультразвуковые методы интенсификации технологических процессов–83”, Москва, 18-20 апреля 1983 года;
2. Всесоюзной научно–технической конференции “Проблемы преобразовательной техники”, Киев, 1983 года;
3. Всесоюзной научно–технической конференции “Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках”, Тольятти, 1984 года;
4. II Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 22-24 ноября 1997г.
5. III Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 18-20 ноября 1999г.
6. V Международной научно-технической конференции «Динамика систем механизмов и машин», Омск, 16-18 ноября 2004г.
7. III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», Омск, 7-10 июня 2005г.
8. Международной конференции «Образование через науку», Москва, МГТУ им. Баумана, 17-19 мая 2005г.
9. Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт – Петербург, 07-09 февраля 2006г.
10. Первой всероссийской научно-технической конференции «Биомедицинская техника и технологии», Вологда, 31мая – 2 июня 2006г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 74 работы, в том числе 31 статья, из них 12 – в изданиях по списку ВАК и 38 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 222 наименования. Общий объем работы составляет 346 страниц, в том числе 166 рисунков и 14 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследований, излагаются основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе приводится литературный обзор по теме диссертации. Анализируются особенности применения ультразвука в различных областях медицины, особенности построения отдельных классов ультразвуковой аппаратуры, взаимодействия с биообъектами. Показано, что основные направления применения ультразвука в хирургии и терапии связаны с физическими и химическими эффектами воздействия ультразвука на среду.

Специфика проектирования УЗМА в целом заключается в разнородности составляющих его систем: электронный блок, обеспечивающий формирование возбуждающего излучатель напряжения и описываемый временными электромагнитными уравнениями, электроакустический тракт, обеспечивающий преобразование и передачу акустических колебаний и описываемый пространственно-временными уравнениями колебаний механических систем и нагрузка, определяющая вид технологического воздействия.

В то же время, для формирования прогнозных оценок при проектировании и комплексном синтезе УЗМА, необходима теоретическая база для такой оценки и синтеза с целью достижения требуемой практическим врачом эффективности его работы. В частности, кроме правильного и где-то оптимального расчета и проектирования отдельных элементов комплекса (генератора, излучателя и волновода), необходимо решение и комплексных проблем проектирования, таких, как:

- аппаратными средствами обеспечивать компенсацию влияния нагрузки, как активной, так и реактивной, на параметры излучателя;

- достигать значительного динамического диапазона функционирования пьезокерамического излучателя по параметрам нагрузки;