Обоснование и применение сверхэластичных литоэкстракторов в комплексном лечении холангиолитиаза

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОСНОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХЭЛАСТИЧНЫХ ЛИТОЭКСТРАКТОРОВ В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ ХОЛАНГИОЛИТИАЗА

14.00.16 - патологическая физиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Муслов Сергей Александрович

Москва 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования “Московский государственный медико-стоматологический университет” Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию Российской Федерации

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РАМН, доктор медицинских наук, профессор ЯРЕМА Иван Васильевич

Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, профессор ЧЕРНЫШ Александр Михайлович

Доктор биологических наук профессор ТАТАРЕНКО-КОЗМИНА Татьяна Юрьевна

Член диссертационного совета, доктор биологических наук ЗАРЖЕЦКИЙ Юрий Витальевич

Ведущее учреждение: Научно-исследовательский институт физико-химической медицины Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию Российской Федерации

Защита диссертации состоится “_____” _________________ 2008 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 001.051.01 при ГУ НИИ общей реаниматологии РАМН по адресу: 103031, г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ Научно-исследовательский институт общей реаниматологии РАМН по адресу: г. Москва, ул. Петровка, д. 25, стр. 2

Автореферат разослан “_____”____________________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор медицинских наук, профессор Решетняк В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Подходы к лечению холангиолитиаза, как одного из осложнений желчнокаменной болезни (ЖКБ), в настоящее время многовариантны (Д.Л. Пиковский и соавт., 1996; Г.А. Клименко, 2000; С.А. Дадвани и соавт., 2002). Однако наиболее распространенным является хирургическое лечение, осуществляемое интраоперационным вмешательством через общий желчный проток после холедохолитомии с последующим дренированием, транспузырно или через культю удаленного пузырного протока (Ю.В. Богданов, 1992); лапароскопическая холецистэктомия и холедохолитомия (С.И Емельянов и соавт., 1996; И.В. Федоров и соавт., 2003); бескровное удаление первичных, резидуальных и рецидивных камней чрезфистульно, чрездренажно (А.И. Нечай и соавт., 1987; В.А. Козлов, 1987; Э.В. Луцевич, 1998), а также эндоскопически с применением папиллодилатации или папиллосфинктеротомии в сочетании с литоэкстракцией (Ю.И. Галлингер, 1979; M. Staritz et al., 1983).

Более безопасные неоперативные методы удаления камней становятся все более предпочтительными (Н.А. Майстренко и соавт., 2000), а при наличии абсолютных противопоказаний к открытой операции - едва ли не единственно возможными способами лечения. При резидуальном и рецидивном холангиолитиазе их применение позволяет избежать повторной травматичной операции, чреватой осложнениями и высокой летальностью (Р.Х. Васильев, 1989). На сегодняшний день ключевые вопросы показаний и техники бескровных методов в основном решены и достаточно полно освящены в литературе, а клиницисты располагают определёнными теоретическими знаниями, оснащением и практическим опытом. Однако возросшие требования к качеству лечения и жизни показали, что и эти процедуры не могут рассматриваться как совершенно безопасный и безболезненный способ избавления больных от камней и не всегда гарантируют отсутствие осложнений. Поэтому на сегодняшний день ещё нельзя считать решённой проблему неоперативного удаления камней из желчного русла. Одной из основных причин, создающих предпосылки для риска, опасностей и осложнений является несовершенство используемого инструментария.

В 1969 г. G. Lagrav et al. первыми сообщили о применении петли Дормиа при экстракции желчных камней. С тех пор она стала наиболее используемым инструментом для неоперативного удаления камней (S. Magatey, 1969; H. Mahorher et al., 1971; R. Mazzariello, 1978). Об успешном удалении камней из общего желчного протока с помощью корзинки Дормиа неоднократно сообщалось в отечественной литературе (Д.Ф. Благовидов и соавт., 1975; Б.В. Петровский и соавт., 1980). Наибольшее распространение для литоэкстракции получили относительно доступные улавливатели Дормиа из медицинских сталей. Их основными недостатками являются небольшая “уловистость” и достаточно высокий уровень осложнений (В.И. Ярема, 1999; Н.А. Майстренко и соавт., 2000). Наиболее грозными являются нарушения целостности слизистой оболочки, ранения и перфорации стенки гепатикохоледоха и фистульного хода вплоть до желче- и кровоистечений (Ю.А. Пытель и соавт., 1983; В.И. Малярчук и соавт., 2002), зоны большого дуоденального сосочка (БДС), устья главного панкреатического протока (В.И. Малярчук и соавт., 2004) и т.д. Наблюдали вклинение корзины в интрапанкреатическую часть и терминальный отдел холедоха с невозможностью избежать экстренных оперативных вмешательств (А.А. Карпачев и соавт., 2005). Несовершенство технического уровня литоэкстракторов вместе со сложной топологией органов билиарной зоны являются предпосылками, затрудняющими выполнение результативной и одновременно деликатной литоэкстракции. Известная вариантность и геометрическая неоднородность желчевыводящей системы служат факторами риска, способствующими возникновению болевых ощущений (Э.И. Гальперин и соавт., 1982). Вероятность и объем травмы достаточно жесткими зондами Дормиа возрастают из-за повторных попыток захвата камней после их выпадения из корзинки при тракции (А.И. Курбангалеев и соавт., 2001). Наихудшие результаты дают вмешательства на стриктурах протоков, что часто приводит к стойким последствиям, образованию более обширных стриктур и необходимости повторных вмешательств. Трудности технического характера могут возникнуть при механическом изнашивании корзинки-ловушки, быстро теряющей свои функциональные свойства. Она срабатывается из-за усталости металла до такой степени, что полностью не раскрывается. В литературе описаны реальные случаи поломки корзинки Дормиа внутри гепатикохоледоха или свищевого хода при попытке удаления камней неоперативным путем, когда ее части остаются в наиболее суженных местах (Р.Х. Васильев, 1989).

В связи с вышесказанным клиницистами многих стран проводится усовершенствование существующих бескровных методов и соответствующего инструментального оснащения для лечения холангиолитиаза. На мировой рынок промышленностью поставляется множество вариантов металлических корзинок Дормиа, преимущества и недостатки которых связаны как с материалом, из которого они изготовлены, так и с их конструкцией. Признавая существенные успехи в усовершенствовании дизайна и в целом достаточно высокий технологический уровень изделий, нужно отметить, что часть из них все равно имеет упрощенную и агрессивную конструкцию. До настоящего времени нет обобщающих базовых исследований - изготовители, как правило, обходят стороной этот вопрос. Насколько можно судить по публикациям совсем не обсуждался вопрос механической совместимости инструментария с тканями органов билиарной зоны и его химической совместимости с желчью. Несмотря на многообразие фирм-производителей, предложенные модели экстракторов, их модификации, которые могут значительно отличаться по техническим параметрам, в литературе отсутствуют данные по мониторингу этих изделий и результатах доклинического и клинического использования.

В результате литоэкстракция как бескровный метод лечения при большинстве видов доступа в настоящее время не использует всех своих возможностей и требует повышения безопасности и выполнимости за счет применения новых материалов и модернизации применяемого инструментария. Научно-практическая значимость описанных выше вопросов диктует необходимость уточнения основных положений, определяющих успешность бескровного лечения холангиолитиаза, изучения патогенных факторов билиарной боли и осложнений, дальнейшего улучшения материальных и геометрических параметров используемого в клинике технического оснащения, что является крайне актуальным и послужило основанием для выполнения данной работы.

Цель исследования

Повысить эффективность и безопасность, уменьшить агрессивность лечебных манипуляций и вероятность развития различных осложнений при вмешательствах на желчевыводящих путях по поводу холангиолитиаза путем обоснования биологической совместимости и применения сверхэластичных литоэкстракторов с памятью формы из никелида титана (нитинола).

Задачи исследования

1. Исследовать и обосновать возможность использования сверхэластичных материалов с памятью формы для изготовления литоэкстракторов, определить их точный химический состав.

2. Исследовать химическую совместимость Ti-50,8% Ni с жидкостями, моделирующими желчь человека, и коррозионную устойчивость в агрессивных средах.

3. Изучить пассивные механические свойства желчных протоков и определить их упругие характеристики.

4. Выполнить с помощью компьютерного моделирования численный анализ напряженно-деформированного состояния желчных путей при внутрипросветных вмешательствах на них, определить вероятность развития болевого синдрома и выявить преимущества материала и геометрии рабочей части TiNi-сверхэластичных литоэкстракторов по сравнению с механическими прототипами Дормиа из медицинских сталей.

5. Сравнить эффективность и безопасность лечения холангиолитиаза с помощью биосовместимых нитиноловых литоэкстракторов и традиционных петель Дормиа из медицинских сталей по результатам клинического применения.

6. Определить роль механического воздействия на билиарную систему в развитии болевого синдрома и осложнений при холангиолитиазе.

Научная новизна работы

Совокупность понятий “билиарная система - механический инструмент” впервые рассмотрена с позиций взаимодействия биологической среды и абиотической части. Сформулированы механические и химические критерии биологической совместимости инструментария с живыми тканями при вмешательствах на органах желчевыводящего тракта. При изучении патогенных факторов билиарной боли и осложнений, анализе основных положений, определяющих успешность бескровного лечения холангиолитиаза и качество жизни больных после операций, рассмотрены вопросы механического воздействия инструментария на желчевыводящую систему. Установлено, что степень механического воздействия на стенки желчного протока во время удаления конкрементов определяется упругими свойствами литоэкстракторов и играет важную роль в развитии болевого синдрома, интра- и послеоперационных осложнений, оказывает влияние на качество жизни больных холангиолитиазом после вмешательств.

На компьютерных моделях методом конечных элементов выполнен сравнительный расчёт напряженно-деформированного состояния органов желчевыводящей системы при внутрипросветных вмешательствах на них литоэкстракторами из TiNi-сплавов с памятью формы и медицинских сталей с различными геометрическими параметрами рабочей части, определены поля напряжений и деформаций, их величина по отношению к болевому порогу и зоны концентрации наибольших значений.

Исследована клиническая эффективность и безопасность и выявлены преимущества применения биосовместимого сверхэластичного инструментария из материала с обратимым формоизменением при неоперативном удалении желчных резидуальных и рецидивных камней (чрезфистульно, чрездренажно, эндоскопически ретроградно после папиллодилатации и папиллосфинктеротомии), а также при интраоперационном удалении камней из желчных путей (чрезпузырно и посредством открытой холедохолитотомии) по сравнению с традиционными петлями Дормиа из медицинских сталей.

Изучена коррозионная стойкость сверхэластичного сплава (нитинола) Ti-50,8% Ni в агрессивных и модельных биологических средах - 1% водном растворе HCl и медицинской консервированной желчи.

Определены дифференциальные упругие модули стенки желчных протоков в кольцевом и продольном направлении. Выявлены нелинейный характер и анизотропия упругих свойств стенки протоков, обусловленные их внутренней структурной организацией и сложной архитектоникой соединительнотканного каркаса стенки желчных путей из коллагеновых и эластиновых волокон.

Практическая значимость

Разработан и выпускается промышленно комплекс многофункционального сверхэластичного (СЭ) инструментария из биоинертного материала никелида титана (нитинола) с обратимым формоизменением для неоперативного удаления камней различных размеров, формы и локализации, микролитов и сладжей с минимальным травматизмом - литоэкстракторы с симметричной и асимметричной рабочей частью, различным количеством и геометрией бранш на дистальном и проксимальном отделах корзиночек-улавливателей.

Использование сверхэластичных литоэкстракторов с памятью формы при удалении желчнокаменных конкрементов обладает большими техническими возможностями, сводит к минимуму необходимость повторных операций и сокращает среднее время пребывания больных в стационаре. холангиолитиаз сверхэластичный литоэкстрактор болевой

Сверхэластичный инструментарий идеально сохраняет первоначальную форму после использования и может быть применен многократно без потери механических свойств и потребительских качеств при условии его стерилизации. Применение в качестве материала сверхэластичных износостойких сплавов увеличивает срок службы литоэкстракторов в 8-10 раз, что позволяет снизить себестоимость их использования.

Сверхэластичные литоэкстракторы из TiNi-сплавов неоднократно отмечены дипломами и медалями на российских и международных выставках и рекомендованы к широкому использованию для удаления инородных тел из различных полых органов, например из дыхательных и мочевыводящих путей, а также из пищевода.

Установленная анизотропия упругих свойств стенки желчевыводящего русла может быть использована при решении дальнейших задач по биомеханике и моделированию билиарного тракта, исследований общей гидродинамики желчеоттока, а также может быть применена для анализа процессов деформирования различных биологических систем, которые могут быть представлены полыми органами и мягкими оболочками.

Предложена методика подсчета связанного со здоровьем гастроинтестинального индекса качества жизни (КЖ), основанная на введении весовых коэффициентов, присвоенных различным категориям КЖ: физическое состояние (1,0), психоэмоциональное состояние (0,9) и социальная адаптация (0,8).

Создана электронная полнотекстовая база данных “Применение сверхэластичных материалов с памятью формы в науке, технике и медицине (гепатологии)”, отвечающая международным требованиям, предъявляемым к подобного рода системам. База данных имеет беспрецедентный размер 10 Гб, свободный интернет-доступ для студентов и научных работников, зарегистрирована в Российском реестре проектов электронных библиотек и включена в каталог образовательных ресурсов федерального портала “Российское образование”.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Полученное в численном эксперименте и клиническое обоснование механической совместимости сверхэластичного никелида титана (нитинола) Ti-50,8% Ni и билиарной системы, его химической стойкости в желчи и агрессивных средах (даже в условиях деформации) позволяет считать никелид титана материалом биологически инертным, целесообразным и оптимальным для комплексного применения в билиарной хирургии и гепатологии.

2. Применение сверхэластичных литоэкстракторов на основе никелида титана с памятью формы снижает интенсивность болевого синдрома, частоту и тяжесть различных осложнений в послеоперационном периоде, повышает эффективность и безопасность неоперативного и интраоперационного удаления желчных камней, улучшает ближайшие и отдаленные результаты комплексного лечения холангиолитиаза.

3. Факторы механического воздействия на органы желчевыводящей системы при вмешательствах, определяемые степенью биомеханической совместимости литоэкстракторов, играют существенную роль в развитии болевого синдрома и осложнений, влияют на параметры качества жизни больных холангиолитиазом.

Внедрение результатов работы

Результаты исследования внедрены в практическую деятельность хирургических отделений Городских клинических больниц № 33 им. проф. А.А. Остроумова, № 40 департамента здравоохранения города Москвы, клинической больницы Центросоюза РФ и эндоскопического отделения Центральной городской больницы города Ноябрьска и подтверждены актами внедрения. Основные положения диссертации используются при чтении лекций и проведении практических занятий для студентов 4-6 курсов на кафедре госпитальной хирургии лечебного факультета ГОУ ВПО МГМСУ.

Апробация работы

Результаты исследования и основные положения диссертации доложены на XXVIII-XXXII совместных заседаниях кафедр медицинской и биологической физики ММА им. И.М. Сеченова, РГМУ, МГМСУ, РУДН и МГАВМиБ им. К.И. Скрябина (Москва, 2003-2007 гг.); IX Всероссийском съезде по эндоскопической хирургии (Москва, НИИ Хирургии им А.В.Вишневского РАМН, 15-17 февраля 2006 г.); Научно-практической конференции кафедры госпитальной хирургии МГМСУ “Клиническая медицина Центросоюза (к 175-летию со дня основания)” (Москва, март 2006 г.); Пленуме Общества эндоскопических хирургов России “Актуальные вопросы миниинвазивной хирургии”, посвященном 50-летию кафедры общей хирургии Алтайского медицинского университета (Барнаул, 8 июня 2006 г.); World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2006 (WC 2006 Seoul) “Imaging the Future Medicine” (Korea, COEX Seoul, August 27-September 1, 2006); 11-12 апреля 2006 г.); II Троицкой конференции (ТКМФ-2) “Медицинская физика и инновации в медицине” (Троицк, Институт спектроскопии РАН, 16-19 мая 2006 г.); VIII-ой Всероссийской конференции по биомеханике “Биомеханика-2006” (Нижний Новгород, Институт прикладной физики РАН, 22-26 мая 2006 г.); VI Международной конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 20-21 апреля 2006 г.); VII Международной медицинской научно-практической конференции “Здоровье и образование в XXI веке” (Москва, Российский университет дружбы народов, 23-26 ноября 2006 г.); IV Успенских чтениях, посвященных 70-летию Тверской государственной медицинской академии (Тверь, 20-21 декабря 2006 г.); 3-я Международной научно-практической конференции “Качество науки - качество жизни. Quality of a science - quality of a life” (Тамбов, 26-27 февраля 2007 г.); VII съезде Научного общества гастроэнтерологов России, посвященный 40-летию Всероссийского научно-исследовательского института гастроэнтерологии - Центрального научно-исследовательского института гастроэнтерологии, (Москва, 20-23 марта 2007 г.); 9-ом Международном Славяно-Балтийском научно-медицинском форуме “Санкт-Петербург-Гастро-2007” (Санкт-Петербург, 16-18 мая 2007 г.); III Международной школе-конференции “Наноматериалы технического и медицинского назначения”, Тольятти, 24-28 сентября; VIII Международном конгрессе “Здоровье и образование в XXI веке: концепции болезней цивилизации” (Москва, РУДН, 14-17 ноября 2007 г.); International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies. December 3-5, 2007 Tsukuba City, Japan; IX-ой Всероссийской конференции по биомеханике “Биомеханика-2008” (Нижний Новгород, Институт прикладной физики РАН, 20-24 мая 2008 г.).

Апробация работы проведена на совместной научно-практической конференции кафедр госпитальной хирургии лечебного факультета, оперативной хирургии и топографической анатомии, анестезиологии и реаниматологии, медицины катастроф, патологической анатомии, патологической физиологии, медицинской и биологической физики МГМСУ, лаборатории оперативной хирургии и клинической лимфологии РМАПО, лаборатории клинической и экспериментальной хирургии НИМСИ МГМСУ, сотрудников ГКБ № 33 им. проф. А.А. Остроумова и ГКБ № 40, кафедры “Биомедицинские технические системы и устройства” МГТУ им. Н.Э. Баумана (ГКБ № 33 им. проф. А.А. Остроумова, 19 января 2008 г.).

Публикации по теме диссертации

По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 35 в центральной печати, 13 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ для опубликования при соискании ученой степени доктора наук, 4 в зарубежной печати, 1 монография и получено 2 авторских свидетельств на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка использованной литературы, содержащего 211 отечественных и 175 иностранных работ. Текст диссертации изложен на 285 страницах машинописного текста. В диссертации 105 рисунков и 13 таблиц.

Работа выполнена на кафедре госпитальной хирургии (заведующий кафедрой заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент РАМН, доктор медицинских наук, профессор И.В. Ярема) ГОУ ВПО “Московский государственный медико-стоматологический университет” Росздрава (ректор - Заслуженный врач РФ, доктор медицинских наук, профессор О.О. Янушевич) на базе ГКБ № 33 им. проф. А.А. Остроумова, ГКБ № 40 и клинической больницы Центросоюза РФ.

Гистологические наблюдения были произведены в Московском городском центре патологоанатомических исследований совместно с заведующим патологоанатомическим отделением к.м.н. А.В. Добряковым.

ХАРАКТЕРИСТИКА БОЛЬНЫХ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Общая характеристика исследований

Исследование проводилось с 1987 по 2007 г. На первом этапе выполнен анализ клинических проблем и сложностей при неоперативном лечении холелитиаза с помощью традиционного технического оснащения и зондов Дормиа. Сделан вывод о необходимости кардинального улучшения материальных и геометрических параметров инструментария. При изыскании материала с заданными механическими и химическими свойствами сформулированы содержащие базовые критерии и медико-технические требования к нему и создана электронная база данных по применению новых материалов в медицине, в том числе гепатологии и билиарной хирургии. База данных состоит из полных текстов и создана на основе системы автоматизации библиотек с быстрым поиском по элементам описаний, а также их сочетаниям и по объему не имеет аналога. На основании информационного поиска предварительно была выбрана перспективных группа материалов. В качестве потенциальных к применению материалов наибольший интерес вызвали интерметаллиды на основе никелида титана (нитинола) с так называемыми “программируемыми” и управляемыми механическими свойствами, обусловленные эффектами памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности (СЭ). С целью уточнения состава были изучены физико-механические свойства сверхэластичных сплавов на основе никелида титана. В качестве материала рабочей части литоэкстракторов выбран бинарный сплав с химическим составом Ti-50,8% Ni.

На втором этапе работы изучена коррозионная стойкость никелида титана Ti-50,8% Ni в агрессивных средах и желчи, в том числе после пластической деформации. Исследованы эффективные упругие свойства общего желчного протока на аутопсийном материале. Выполнен структурный биомеханический анализ полученных данных. Разработаны компьютерные модели внутрипросветных вмешательств на билиарной системе литоэкстракторами с различными материальными и геометрическими характеристиками рабочей части и определены параметры интрамуральных напряжений и деформаций при вмешательствах, в том числе их значения по отношению к порогу болевой чувствительности.

На третьей стадии исследований разработан комплекс атравматичных литоэкстракторов из никелида титана (нитинола) Ti-50,8% Ni с заданными свойствами (повышенной эластичностью, надежностью захвата и удержания) для комплексного лечения холангиолитиаза (в составе коллектива ООО СМЕТ под руководством лауреата премии Ленинского комсомола, д.ф.-м.н. профессора В.Н. Хачина).

Наконец, на четвертом этапе выполнен анализ клинического применения сверхэластичных литоэкстракторов в сравнении с петлями Дормиа из медицинских сталей при комплексном лечении холангиолитиаза неоперативными методами и интраоперационно, исследована интенсивность болевого синдрома и частота осложнений, проведен мониторинг качества жизни до и после вмешательств. Определена патофизиологическая роль экзогенного механического воздействия на билиарную систему в развитии болевого синдрома и осложнений, его влияние на качество жизни пациентов в послеоперационном периоде.

Экспериментальная часть работы основана на:

- исследованиях механических свойств и упругих постоянных c_ij 8 бинарных и трехкомпонентных сплавов (TiNi, Fe) и (TiNi, Cu) на выращенных монокристаллах;

- испытаниях коррозионной устойчивости никелида титана Ti-50,8% Ni на 5 образцах в водном растворе 1% HCl и 5 образцах в аптекарской желчи;

- исследовании биомеханических свойств 5 препаратов гепатикохоледоха на аутопсийном материале;

- гистологических исследованиях 65 препаратов стенок желчного пузыря, желчного и общего желчного протока;

- результатах расчета 128 компьютерных моделей напряженно-деформированного состояния (НДС) желчных путей при внутрипросветных вмешательствах на них литоэкстракторами различной формы рабочей части и количеством бранш из сверхэластичного никелида титана Ti-50,8% Ni и медицинских сталей.

Характеристика больных

Клиническая часть диссертации основана на анализе результатов комплексного неоперативного и интраоперационного удаления конкрементов, микролитов и сладжей у 103 больных хроническим калькулезным холециститом и холедохолитиазом за период с 2000 по 2007 гг., находившихся на лечении в клинике госпитальной хирургии лечебного факультета МГМСУ и в эндоскопическом отделении Центральной городской больницы города Ноябрьска РФ. Больные были разделены на 2 группы, сопоставимые по полу и возрасту (табл. 1, 2).

Таблица 1

Распределение больных основной и группы сравнения по полу

Из представленной таблицы следует, что в основной и группе сравнения преобладают женщины (соотношение заболевших женщин и мужчин 2,96:1), что в целом подтверждает данные мировой литературы о распространенности заболевания ЖКБ.

Возраст пациентов составил от 24 до 84 лет (50,514,7). Распределение больных основной группы и группы сравнения по возрасту представлено в таблице 2. Как видно из таблицы, в основной и группе сравнения преобладали пациенты в возрасте от 41 до 60 лет - лица трудоспособного возраста.

Таблица 2

Распределение больных основной и группы сравнения по возрасту

В основную группу включены пациенты после удаления конкрементов с помощью сверхэластичных петель с памятью формы из никелида титана (нитинола), витых и со сгущением браншей на дистальном конце рабочей части (n=67), группу сравнения составили больные, перенесшие удаление камней из желчных путей классическими корзинками Дормиа из медицинских сталей с равномерной браншевой сеткой (n=36). Для достоверности результатов работы в анализируемые группы, по возможности, были включены больные с минимумом сопутствующих заболеваний.

Экспериментальные методы исследования

Экспериментальные исследования проведены с применением методов современной информатики, новых технологий получения материалов, методов изучения физико-механических свойств твердых тел и биологических тканей, коррозионных испытаний материалов, гистологических исследований и компьютерного моделирования.

При создании базы данных “Применение сверхэластичных материалов с памятью формы в науке, технике и медицине (гепатологии)” применена система автоматизации библиотек IRBIS.

Деформационные свойства потенциальных для изготовления рабочих частей литоэкстракторов сверхэластичных материалов исследовали известными механическими методами, упругие характеристики определяли ультразвуковым способом на выращенных монокристаллах.

При изучении коррозионных свойств, важнейших показателей химической совместимости материалов, применяли наиболее простой и информативный - весовой метод расчёта коррозионных потерь и скорости коррозии . Способ основан на измерении убыли массы за время испытаний . Фиксировали относительные потери веса пластинками. Для определения скорости коррозии использовали соотношение

(1)

где и - масса металла до и после испытаний, соответственно, - площадь поверхности до испытаний. Испытания проводили в сравнении с чистым титаном (V.I. Itin et al., 1999) в водных растворах соляной кислоты, традиционно моделирующих некоторые физиологические жидкости. Оценку коррозионной стойкости производили в условиях до и после пластической деформации. Степень деформации изменяли ступенчато до 20% с шагом 5%. Исследования проводили также в эмульсии аптекарской желчи при больших временах экспозиции. Медицинская консервированная желчь (chole coservata medicata) является препаратом, содержащем натуральную желчь свиней, пищеварительная система которых во многом подобна аналогичной у человека. Долговременные испытания проводили в защищенном от света месте при полном погружении навесок в исследуемую коррозивную среду с последующим визуальным осмотром поверхности и периодическим взвешиванием. Один раз в две недели испытуемые образцы вынимали из желчи, тщательно промывали, высушивали и взвешивали.

Изучение механических свойств желчных протоков было проведено инфузионным методом. Такой тип испытаний дал больше достоверной информации, чем одноосное растяжение материалов и другие методы. Исследование желчных протоков производилось при внутреннем давлении в условиях, близких к физиологическим. Измерения проводились в пластиковом контейнере (рис. 1, 1) в среде буферного раствора Кребса-Рингера с pH = 7, моделирующем физиологические жидкости организма при температуре 37 ⁰С. В этом же растворе образцы хранились до испытаний. Эксперименты были проведены на трупных органах человека, что позволило, с одной стороны избежать вынужденной экстраполяции результатов, полученных в опытах на животных. Смерть всех пациентов не была связана с патологией печени или желчных путей, а образцы, отобранные для испытаний, не имели внешних признаков патологических процессов. Трупные органы изучались не позже, чем через 24 часа после смерти пациентов. Механическим испытаниям был подвергнут преимущественно проксимальный отдела гепатикохоледоха, но по данным литературы они могут быть распространены на дистальный отдел и даже печёночный проток билиарной системы. Взятие и подготовку органов проводили по методике: резецированный участок холедоха отмывали струей проточной воды и освобождали от слоя жировой клетчатки, проксимальный конец фрагмента протока соединялся с канюлей - полой трубкой системы, другой конец, ближайший к сфинктеру Одди, как можно дистальнее перевязывался. Нагнетание давления осуществлялось с помощью колонны гидростатического давления. Величина трансмурального давления определялась по высоте столба жидкости и изменялась ступенчато от 0 до 10 кПа (1 кПа = 10 см H₂O) с шагом 1 кПа. Изображение протока под избыточным давлением записывалось на видеокамеру Nikon CoolPix 5600, и подавалось на персональный компьютер. Далее захваченное изображение преобразовывалось в оттенки серого и обрабатывалось графическим пакетом SigmaScan Pro 5.0.

1 2

Рис. 1 Экспериментальная установка для испытаний механических свойств желчных протоков (1). Сегмент протока, - среднекольцевой радиус (2)

Расчет деформаций был основан на следующих предположениях: форма общего желчного протока цилиндрическая; многослойная стенка желчных протоков представлялась как единое целое; материал стенки протока несжимаем; отношение толщины стенки протока к его радиусу мало; толщину стенки при 0 кПа можно было измерить. В связи с тем, что стенка протока считалась тонкой, радиальная компонента деформаций не рассматривалась. Объём стенки , таким образом, считался постоянной величиной, равной объёму при давлении 0 кПа:

, (2)

где и - внешний радиус, толщина и длина сегмента протока, измеренные при давлении 0 кПа, и - внешний радиус, толщина и длина, измеренные при избыточном давлении (рис. 1, 2). При определении продольных и кольцевых (интрамуральных) напряжений использовали канонические формулы Лапласа (Y.C. Fung, 1993). Далее определялись эффективные упругие модули.

При гистологических исследованиях аутопсийный материал фиксировали в 5% р-ре формалина, готовили парафиновые блоки, из которых делались срезы толщиной 5 мкм на роторном микротоме фирмы “Leica RM 2135M”. Срезы окрашивались гематоксилином и эозином, использовалась также окраска коллагеновых волокон по Ван-Гизон. Готовые гистологические препараты изучались методом световой микроскопии на бинокулярном микроскопе “Leica BIOMED” с применением цифровой микросъемки.

В численном эксперименте расчёт напряжений и деформаций желчных протоков, рисков превышения болевого порога и показателя эффективности вмешательств выполнен методом конечных элементов при помощи программного комплекса ANSYS и методов доказательной медицины. Компьютерное моделирование при анализе НДС на основе программных комплексов находят всё большее распространение, при этом ANSYS является сегодня самым распространённым комплексом. Основные этапы практической реализации численного исследования традиционно состояли из построения физической и математической моделей, их исследования и анализа полученных результатов. Построение моделей включало в себя идеализацию свойств конструкции и внешних воздействий. Мы заменяли реальные тела и органы (литоэкстракторы, желчные протоки, окружающую протоки соединительную ткань и жировую клетчатку) идеализированными объектами. В результате расчет состоял из следующих этапов: а) создание геометрических моделей корзинки, желчных протоков и околопротоковых тканей, чертежа и приложения нагрузок; б) разбиение моделей на сетку конечных элементов достаточно простой формы; в) задание граничных условий; г) численное решение (автоматически); д) анализ результатов, в том числе с помощью программных средств визуализации (построение графиков и диаграмм).

Клинические методы исследования

Обследование и предоперационная подготовка пациентов проводились по стандартной схеме, которая включала традиционные клинические, лабораторные и инструментальные методы. Основными инструментальными методами обследования больных холангиолитиазом были: ультразвуковое исследование, компьютерная томография, эндоскопическая ретроградная холангиопанкреатография, фистулохолангиография и методы визуального контроля (фиброгастродуоденоскопия и холангиоскопия).

Мониторинг интенсивности болевых ощущений и показателей качества жизни больных до и после лечения производили с использованием вербальной пятибалльной описательной шкалы VDS - Verbal Descriptor Scale (О.В. Военнов, 2002) и опросника GIQLI - Gastrointestinal Index Quality Life Index. По мнению И.В. Яремы (2006) параметры КЖ являются наиболее достоверными критериями проведенного лечения. Методика подсчета индекса качества жизни включала оценку физического, социального и психоэмоционального благополучия пациентов, основанного на субъективном восприятии здоровья. Процедура подсчета был модернизирована путем введения оптимальных, на наш взгляд, весовых коэффициентов, присвоенных различным категориям качества жизни: физическое состояние (наиболее значимая категория ответов опросника) - 1,0; психоэмоциональное состояние - 0,9; социальная адаптация - 0,8. С учетом удельного веса компонент индекс рассчитывался по формуле:

, (3)

где - баллы ответов респондентов на вопросы физической, психоэмоциональной и социальной сферы, соответственно, которые могут принимать любые целые значения от 0 до 4. Сбор сведений и анкетирование больных проводили в динамике в 4-х точках: до вмешательства и через 1, 6 и 12 месяцев.

Статистические методы обработки результатов

При статистической обработке результатов испытаний коррозионной стойкости Ti-50,8% Ni использовали метод доверительных интервалов при заданном уровне значимости.

Анализ погрешностей при исследовании упругих свойств желчных протоков выполнялся в среде MATHCAD 13.0. При численном описании деформационных кривых желчных протоков применяли функцию нелинейной регрессии общего вида genfit пакета. Рассчитывали коэффициент достоверности регрессии (С.И. Ковалев, 2002).

Абсолютные (AR) и относительные (RR) риски превышения болевого порога при компьютерном моделировании и возникновения болевого синдрома в клинике, их изменение ARR (показатель эффективности вмешательств) и RRR, доверительные интервалы, показатель NNT (number needed to treat) рассчитывали на основании формул, применяемых в статистическом анализе при сравнении групп по качественному бинарному признаку (О.Ю. Реброва, 2006). Использовали терминологию и обозначения, принятые в доказательной медицине (Р. Флетчер и соавт., 2004).

Для проверки гипотезы о различии средних значений интенсивности болевого синдрома и индекса качества жизни GIQLI в основной и группе сравнения использовали параметрический t-критерий Стьюдента для неравночисленных независимых выборок. При проверке гипотезы о равенстве дисперсий выборок применяли критерий Фишера. Соответствие вида распределения данных нормальному закону оценивали по критерию Колмогорова-Смирнова с помощью пакета прикладных программ STATISTICA 6.0.

Статистическую значимость различий частоты осложнений в основной группе и группе сравнения рассчитывали с помощью непараметрического точного метода Фишера (Е.В. Губер, 1978).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Динамика продвижения идей и новых материалов для медицины имеет ряд особенностей, связанных с прохождением ими дополнительных тестов на предмет их дальнейшего использования. В силу этого обстоятельства лишь немногие из перспективных рассматриваемых материалов “кандидатов” могут считаться практически ценными и рекомендованными к последующему медико-биологическому применению. Гистерезисное поведение тканей организма предъявляет определённые физико-механические требования и технические условия к небиологическим материалам для медицины: по своим деформационным свойствам они должны иметь соответствующие определённые характеристики. Биомеханическая совместимость предполагает отсутствие в зонах воздействия и областях с напряжённо-деформированными состояниями перегрузок и макродеформаций на поверхности раздела конструкция-ткань организма (В.Э. Гюнтер, 1998). Оптимальные материалы и медицинские инструменты из них по своим механическим свойствам должны быть подобны живой ткани (в идеале абсолютно сходны), иметь близкие к ней диаграмму напряжение-деформация и присущую тканям величину гистерезиса на диаграмме нагрузка-разгрузка. Отсутствие при нагрузке-разгрузке большой обратимой деформации, соответствующей по величине живым тканям, и наличие значительной пластической деформации могут быть одной из основных причин нанесения травматизма биологическим тканям при операции с одной стороны и повреждения конструкции и её разрушения, с другой, что в принципе и наблюдалось на практике при неудачных попытках удаления желчных камней (H. Burhenne, 1978; В.В. Стукалов, 1989; А.И. Курбангалеев и соавт., 2001).

На основании созданной библиотеки материалов, данных литературы и собственных исследований было установлено, что изложенному комплексу требований биомеханической совместимости в полной мере отвечает группа сверхэластичных сплавов с памятью формы. Их механическое поведение приближается к поведению тканей организма человека, другими словами им присущи те же законы деформирования, что и биологическим тканям (рис. 2).

Рис. 2 Деформационные кривые медицинских сталей, сверхэластичных сплавов с памятью формы (нитинола) и биологических тканей

Деформационное поведение сталей принципиально другое. Обратимая при разгрузке деформация наблюдается только на начальной стадии нагружения (что соответствует всего лишь менее 0,5% относительной деформации). При дальнейшем нагружении нержавеющая сталь пластически “течёт” и при разгрузке демонстрирует значительную величину необратимой остаточной деформации. Кроме того, высокий уровень упругих свойств сталей и их жёсткость могут, в свою очередь, травмировать окружающие их ткани при механическом воздействии - модуль упругости большинства конструкционных сплавов (до 220 ГПа) значительно выше, чем у кости (15-25 ГПа), хрящевых структур (0,2-1 ГПа) и, тем более, мягких тканей (рис. 5, 1).

При выборе материала для рабочих частей литоэкстракторов мы стремились добиться, прежде всего, деликатного и благоприятного взаимодействия между материалом и биологической средой, в которой он будет функционировать, и которая бы не оказывала обратного отрицательного влияния на сам материал. Выбор оптимальных материалов для атравматичных литоэкстракторов был выполнен среди сверхэластичных сплавов с памятью формы квазибинарных разрезов TiNi-TiFe и TiNi-TiCu. Эти интерметаллические соединения испытывают весь спектр полиморфных фазовых превращений в B2 соединениях на основе титана, обеспечивающих им проявление уникальных эффектов памяти формы и сверхэластичности.

Были исследованы упругие свойства c_ij бинарных и трехкомпонентных сплавов (TiNi, Fe) и (TiNi, Cu) в широком температурно-концентрационном интервале накануне превращений. Для большей информативности исследование выполнялось на монокристаллах. Заметим, что выращивание однофазных кристаллов сплавов на основе титана и никелида титана всегда являлась и является сложной технической задачей. Нам удалось впервые в мире вырастить монокристаллы и измерить температурно-концентрационные зависимости упругих постоянных B2 титановых сплавов стабильных к структурным переходам и постепенно теряющих устойчивость первоначально к одному , а затем и к двум и фазовым превращениям, собственно обеспечивающим сплавам уникальные свойства механической памяти формы и сверхэластичности. Кристаллографическая ориентация кристаллов была предварительно выявлена по линиям травления, которые, как было установлено, соответствовали плоскостям , ось роста наблюдалась вблизи (рис. 3).

Рис. 3 Внешний вид и ось роста уникальных монокристаллов TiNi-сплавов

Главный вывод, который нами был сделан из анализа упругих свойств материалов - их уровень у сплавов с фазовыми превращениями, эффектами памяти формы и сверхэластичности аномально низок и продолжает снижаться по мере приближения к точке превращения, как по температуре, так и по составу, что, в конечном счёте, дает TiNi-сплавам первоначально элинварное, а затем реологическое поведение, подобное биологическим тканям. Установленные “размягчение” упругих свойств сплавов на основе никелида титана и возможность управления его механическими свойствами (А.с. на изобретения № 1475957 и № 1433997) делают их чрезвычайно привлекательными материалами с “программируемыми” свойствами при изготовлении медицинского инструментария для малоинвазивной билиарной хирургии.

Далее в связи с тем, что химический состав никель-титановых сплавов принципиально влияет на температуру начала мартенситных превращений и проявления эффектов памяти формы и сверхэластичности (рис. 4), выбор химического состава Ti-50,8 атомных % Ni ( и ) был адаптирован под узкий интервал температур органов и тканей человека в норме и патологии.

Рис. 4 Различные проявления неупругости нитинола Ti-50,8% Ni в зависимости от температуры: 1 - эффект памяти формы, 2 - сверхэластичное поведение: - характерные температуры проявлений ЭПФ и СЭ

Таким образом, на основании исследования деформационных и упругих свойств материалов с памятью формы в качестве материала-кандидата для рабочей части атравматичных литоэкстракторов нами был выделен сверхэластичный бинарный интерметаллид (нитинол) Ti-50,8% Ni. Зависимость усилий от деформации никелида титана Ti-50,8% Ni практически аналогично механическому поведению живых тканей организма: костей, связок, мышечных волокон и т.д., а соответствующая ей величина обратимой деформации может достигать необыкновенно высокой для металлов величины в 10-12%. Железо Fe - основа специальных легированных сталей 12Х18Н10Т, 4Х13, 300, 304, 316L и других, широко использующихся для изготовления медицинских инструментов, в том числе литоэкстракторов, обладает схожей с никелидом титана анизотропией упругих свойств, но уровень упругих свойств элементного железа вдоль всех кристаллографических направлений значительно выше (рис. 5, 2, 3). Соответственно следует ожидать, что медицинский инструментарий для внутриорганных вмешательств, изготовленный из никелида титана, будет менее травматичным и “агрессивным”, чем из сталей, что должно уменьшить риск ятрогенных повреждений органов.

Однако данное предположение может рассматриваться только в качестве начальной гипотезы относительно выбора нитинола Ti-50,8% Ni среди других медицинских материалов и его окончательного утверждения для изготовления нетравматического инструментария при вмешательствах на желчных путях. Окончательный ответ на этот вопрос могут дать результаты модельного эксперимента (анализ напряженно-деформированного состояния органов билиарной системы при внутрипросветных вмешательствах) и данные клинического применения.

1

2 3

Рис. 5 Модули упругости Юнга железа Fe (--), основы медицинских сталей, сверхэластичного никелида титана Ti-50,8% Ni (--) и область упругих свойств биологических тканей (==) в полярных логарифмических координатах (1). Модули упругости Юнга железа Fe (2) и никелида титана Ti-50,8% Ni (3) в декартовых координатах

Использование никелида титана в качестве материала инструментов для медицины и билиарной хирургии налагает специальные требования к его коррозионной стойкости в агрессивных средах и химической совместимости с желчью. С учётом требований этой группы Ti-50,8% Ni как потенциальный медицинский материал для хирургической гепатологии не должен вступать в химические реакции с желчью, особенно в условиях деформации. Кроме того, хирургические инструменты в процессе химической дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации подвергаются коррозии и покрываются оксидной пленкой, что отрицательно сказывается на функциональных свойствах инструментов и затрудняет в дальнейшем их очистку и стерилизацию.

Исследования коррозионной стойкости (потеря веса в мг в час на см²) у 5 образцов никелида титана Ti-50,8% Ni были проведены в сравнении с чистым титаном в 1%-ном растворе соляной кислоты, моделирующем некоторые биологические среды. Как известно, по своей стойкости к агрессивным жидкостям титан, не подверженный пластической деформации, превосходит все металлы (за исключением благородных) и большинство видов нержавеющих сталей (И.И. Корнилов, 1975). В исходном состоянии скорость коррозии никелида титана составила =(3,3±0,4) мг/см^2.час (p?0,05). С ростом степени пластической деформации скорость коррозии у сплава Ti-50,8% Ni (в отличие от Ti) остаётся примерно на одном и том же уровне и лишь после деформации в 10-15% отмечается её резкий рост (от 5 до 15% на 5% деформации). При уровне пластической деформации в 15% весовые потери Ti-50,8% Ni составили всего 5,1±1,6 мг/см^2.час (p?0,05), в то время как при той же деформации у титана по данным литературы (V.I. Itin et al., 1999) около 13,5 мг/см^2.час. Результаты этих испытаний прямо свидетельствуют о том, что в условиях значительной пластической деформации никелид титана Ti-50,8% Ni обладает большей коррозионной стойкостью, чем чистый титан Ti.

Изучали также долговременно скорость коррозии нитинола Ti-50,8% Ni в консервированной аптекарской желчи, моделирующей желчь человека. Потери веса в этой среде составили лишь примерно 0,1% за все время наблюдений, независимо от степени деформации образцов (рис. 6). Полученные результаты коррозионных тестов сплава Ti-50,8% Ni, примененного в дальнейшем при изготовлении сверхэластичных литоэкстракторов имеют принципиальное значение. С одной стороны, они демонстрируют хорошее сопротивление поверхностной плёнки никелида титана Ti-50,8% Ni разрушительным напряжениям и деформациям и, в конце концов, коррозионному растрескиванию и нарушению целостности и, с другой - способность TiNi-сплавов, как потенциального материала для билиарной хирургии, выдерживать большие напряжения и пластические деформации в физиологических средах (желчи) без деградации. Кроме того, отсутствие весовых потерь никелида титана в этих средах в ходе долговременных испытаний дает основания считать сплавы на его основе материалом биохимически совместимым и пригодным для медицинского применения даже в условиях длительного использования: билиарные стенты, шовный материал и т.д.