УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНОВОД ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ХИРУРГИИ
ULTRASONIC WAVEGUIDE FOR SURGICAL APPLICATIONS

Предлагаемое изобретение относится к медицине и в частности может быть использовано как хирургический инструмент для удаления компонентов эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов.
Большинство ультразвуковых медицинских аппаратов (УЗМА) многофункционального назначения снабжены сменными волноводами - инструментами. Как правило, УЗКС выполняются с магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями энергии, причем ввиду малых амплитуд механических колебаний преобразователей (до 3-4 мкм), за исключением преобразователей с гигантской магнитострикцией, обычно применяются дополнительные усилители механических колебаний, в качестве которых используются стержневые волноводы-концентраторы ультразвука, называемые просто концентраторами или волноводами.
В зависимости от вида обрабатываемой биологической ткани (мягкая, костная, хрящевая) и рода работы с этой тканью (соединение, разделение, обработка) концентраторы выполняются с соответствующими рабочими окончаниями (пилки, ножи, лопатки, долота), которые принято называть насадками, вне зависимости от того, выполнены ли они как одна монолитная деталь вместе с концентратором или же представляют собой самостоятельные детали, прикрепленные к концентратору.
Известны волноводы инструменты для травматологии [Новиков, А.А. Разработка низкочастотной ультразвуковой аппаратуры для терапии и хирургии: дис. … докт. техн. наук: 05.11.17 / А.А. Новиков. - Москва, 2008. - 293 с.], которые предназначены для передачи УЗ колебаний непосредственно в зону технологического воздействия при осуществлении процесса лечения. Волноводы - инструменты выполнены в соответствии с резонансным режимом всей акустической системы, а их торцевые части имеют размеры и форму согласно лечебному предназначению. Основной их недостаток - торцевые части при применении в ревизионном эндопротезировании крупных суставов не удобны для удаления компонентов эндопротеза, а также удаление компонента эндопротеза происходит с большими костными потерями и при большом времени извлечения.
Также известен ступенчатый цилиндрический волновод инструмент [Попилов, Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов: справочник / Л.Я. Попилов. - Л., «Машиностроение», 1971. - 499 с. (прототип)], взятый в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому. Он представляет из себя собой конструкцию из полуволновых цилиндрического и экспоненциального элементов.
Описанный прототип близок по технической сущности, но нецелесообразен в применении при ревизионном эндопротезировании, поскольку его применение приводит к большим костным потерям.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности проведения операций ревизионного эндопротезирования при использовании высокоамплитудного низкочастотного ультразвука для извлечения компонентов эндопротеза и к значительному уменьшению потери костной массы, вокруг первично установленного компонента эндопротеза.
Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой волновод инструмент для травматологии, представляющий собой конструкцию из полуволновых цилиндрического и экспоненциальных элементов, дополнительно содержит экспоненциальные элементы с диаметром основания d, которые расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром D, выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром D1=D-2d, причем центры оснований экспоненциальных элементов расположены на окружности, диаметр которой меньше диаметра цилиндрического элемента на два радиуса экспоненциального элемента, а сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град.
Окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» обшей длиной l≤0,2 λ, где λ - длина волны, причем первый элемент «елочки» выполнен в виде конуса под углом при вершине 60 град, а второй и третий элемент в виде усеченного конуса под углом при вершине 35 град или в виде трехвитковой, сужающейся под углом 60 град спирали общей длиной l<0,2λ.
Предлагаемый хирургический инструмент (см. фиг.1) состоит из полуволновых цилиндрического 1 и экспоненциальных элементов 2, окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» 3 или (см. фиг.3) тройной спирали 3. Экспоненциальные элементы (см. фиг.2) с диаметром основания d расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром D, выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром D1=D-2d, a сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град.
Аппарат состоит из ультразвукового генератора, акустического узла, волновода - инструмента типа тройная «елочка» или тройная спираль.
Для обеспечения надлежащих условий ввода ультразвуковых колебаний и создания тесного контакта поверхностей прикладывается давление между волноводом и полимерной чашкой эндопротеза. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего окончания волновода на эндопротез. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне вхождения. Динамическое усилие F, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагреву материала, а действие статического давления Рст. обеспечивает проникновение рабочего окончания инструмента типа «елочка» или спираль вглубь полимерной чашки.
Основными параметрами ультразвукового воздействия, характеризующими выделение энергии в зоне соединения, являются: амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм); частота колебаний f (кГц); продолжительность ультразвукового воздействия t (с); статическое давление Рст.(Па) или усилие прижатия F (н) волновода к материалу.
Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необходимое для соединения, зависит от амплитуды колебаний и давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства соединений могут быть достигнуты при меньшем времени, и наоборот. Определяющим параметром режима ультразвукового воздействия является амплитуда колебаний рабочего торца волновода, которая выбирается в пределах 30-50 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество соединения. Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественного соединения, связана с величиной давления и, кроме того, зависит от формы и геометрических размеров как волновода - инструмента (в части формы и размеров рабочего окончания) так и формы, размеров, и типа извлекаемого компонента эндопротеза. Оптимальные параметры режима ультразвукового воздействия также зависят от свойств материала чашки эндопротеза и возможностей доступа к ней в операционном поле.
Использование волновода - инструмента типа тройная «елочка» или тройная спираль позволяет в зависимости от условий свободы доступа к операционному полю применять либо один элемент, либо два, либо три, причем эффективность закрепления инструмента в полимерной чашке эндопротеза зависит от глубины погружения «елочки» или спирали на один, два или три фрагмента соответственно.
Эти стержни относительно небольшого диаметра расположены на внешнем кольце торцевой поверхности первой части излучателя и обеспечивают дополнительное усиление акустической волны. Общий коэффициент усиления волновода - инструмента достигает 5-5,5 при общей высокой нагрузочной способности акустического излучателя.
Длина «елочки» или спирали не должна превышать 0,2 λ, поскольку такая длина практически не сказывается на работе инструмента и учитывается как дополнительная масса. Выбранный угол входа «елочки» или спирали в полимер обеспечивает наименьшее сопротивление материала при относительно большом усилии возврата.
Трехвитковая спираль позволяет обеспечить более глубокое проникновение с большим усилием разрыва.
Таким образом, предлагаемое изобретение ультразвукового хирургического инструмента для удаления компонента эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов позволяет извлекать чашку эндопротеза после предварительного «раскачивания» с небольшими костными потерями и сократить время извлечения.