Применение ультразвука в хирургии. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стерлитамакский филиал ФГБОУ ВО

"Башкирский государственный университет"

Естественнонаучный факультет

Кафедра общей и теоретической физики

Реферат по дисциплине

"Ультразвук в медицине"

Применение ультразвука в хирургии. Хирургия с помощью фокусированного ультразвука

Выполнил: Шарипова З.Д.

Принял: к.т.н., доцент Орлов А.В.

Стерлитамак - 2020

Содержание

Введение

1. Применение ультразвука в хирургии

2. Использование фокусированного УЗ: методы фокусировки

3. Применение фокусированного ультразвука в медицине

Заключение

Литература

Введение

В хирургии всегда существовал ряд вопросов и задач, которые нужно было решить. Это снижение травматичности операций, уменьшение кровопотерь, ускорение заживление, разработка новых, более прогрессивных методов и др. Во многом решить эти задачи помог ультразвуковой метод.

Существует две основные области использования ультразвука в хирургии:

1. Инструментальная хирургия. Наложение ультразвука на операционные инструменты (пилы, лезвия и др.)

2. Локальные разрушения. Фокусированный ультразвук способен проникать глубоко в ткани, уничтожая различные образования.

Цель исследования: обосновать применение ультразвука в хирургии и использование фокусированного ультразвука.

1. Применение ультразвука в хирургии

Первое направление связано с использованием традиционных хирургических инструментов. Акустическое излучение подается на режущую часть инструмента. В качестве генератора излучения используется магнитострикционный или пьезокерамический преобразователь. Под акустическим воздействие лезвие совершает микроколебания с амплитудой 1-350 мкм. Частота генераторов выбирается обычно 20-100 кГц. В зависимости от задач, для которых используется инструмент, направление колебаний может быть как продольным, так и поперечным. Таким образом, хирургический прибор, совершая колебания, обеспечивает микроразрезание ткани. Так же, для решения некоторых задач на конец инструмента помещают волновод - дезинтегратор, который позволяет осуществлять разрушение материи при помощи ультразвукового воздействия. В целом же, использование ультразвукового излучения в хирургических инструментах упрощает работу хирурга, благодаря микроразрезанию тканей.

Рис.1 Хирургические ножи

Механизм воздействия инструмента на разрезаемую ткань следующий. При взаимодействии инструмента с тканью возникают продольные и поверхностно-сдвиговые волны. Причем длина продольных волн, возникающих при частотах, используемых в УЗ хирургических инструментах, составляет порядка 2-7,5 см. Градиенты давления, возникающие при таких волнах, достаточно малы, поэтому мембраны клеток с размерами 103-104 не разрушаются при взаимодействии с акустическим полем. Гораздо большее влияние оказывают поверхностные сдвиговые волны, но они затухают в тонком слове вблизи рассекаемой области.

Неразрушающее воздействие акустического излучения на мембрану клетки выражается в том, что ее проницательная способность возрастает. Данный факт подтверждается экспериментально на модельных опытах с использованием картофеля. Клубень картошки надрезался скальпелем с УЗ воздействием различной интенсивности. Далее на надрезы помещалось вещество - индикатор. Результаты опыта показали, что проницаемость индикатора в клетку растет с увеличением интенсивности акустического воздействия.

Градиент давлений, возникающий в тканях, находящихся под действием ультразвука, способствует ускорению процесса диффузии различных веществ в клеточную ткань. В качестве "различных веществ" обычно выступают антибиотики и антисептики.

Использование ультразвука позволяет упростить процесс санации хирургических разрезов за счет следующего эффекта. На границе разреза клеточной ткани и жидкости (воды, физ. раствора или раствора антибиотиков) под действие ультразвука возникают интенсивные потоки с большими градиентами скоростей. Эти потоки осуществляют смыв отмерших частиц тканей и микроорганизмов. При этом болезнетворные микроорганизмы и частицы тканей разрушаются в кавитирующей жидкости.

Последним полезным эффектом, возникающим при использовании ультразвука, является ускорение полимеризации биологических клеев. Биологические клеи используются для склеивания резаных ран и сломанных костей. При этом врачи сталкиваются со следующей проблемой: между пленкой клея и тканью начинают размножаться болезнетворные микроорганизмы. Использование УЗ позволяет осуществить стерилизацию соединения и ускорить процесс засыхания клея. Данный метод называется методом ультразвуковой сварки.

Выделим теперь основные преимущества использования УЗ в хирургических инструментах. Первым преимуществом можно назвать облегченное рассечение тканей. При этом повышается точность наносимых разрезов, и, в тоже время, ощущается сопротивление ткани, поэтому хирург может внимательно контролировать процесс рассечения. Благодаря последнему факту, УЗ инструменты могут конкурировать с существующими лазерными инструментами.

Другим преимуществом использования таких инструментов является гемостатический (кровоостанавливающий) эффект. Эффект достигается благодаря локальному выделению теплоты на границе ткани и режущей кромки инструмента, находящегося под действием акустического воздействия. При повышении температуры происходит термокоагуляция (сворачивание) крови.

Третьим преимуществом использования УЗ инструментов является анальгетический эффект, который связан со следующим свойством УЗ. При малых интенсивностях УЗ происходит угнетение способности к генерации потенциалов действия нервных клеток. Это приводит к тому, что информация о болевом ощущении не передается по нервной системе.

Экспериментальное исследование бактерицидных свойств УЗ хирургических инструментов показывает, что число колоний бактерий возникающих в месте контакта УЗ инструмента и ткани обратно пропорционально интенсивности акустического излучения, подаваемого на лезвие инструмента. Более того, для стерилизации таких инструментов достаточно поместить их в раствор дезинфектора и включить их.

Последним преимуществом можно назвать способность к ускорению передачи лекарственных средств в ткань.

Благодаря данным свойствам применение ультразвуковых инструментов позволяет существенно облегчить проведение операций. Сейчас ультразвуковые инструменты нашли свое применение в стоматологии и косметической хирурги

2. Использование фокусированного УЗ: методы фокусировки

Второе направление применения УЗ в хирургии связанно с использованием фокусированного ультразвука. В отличии от методов, представленных в предыдущем разделе, этот подход является качественно новым способом, применяемым для рассечения тканей. Идея метода заключается в фокусировке акустических волн в фокальной области, внутри которой интенсивность акустического возмущения будет максимальной. Привлекательность этого метода заключается в том, что он позволяет получить достаточно сильное разрушающее воздействие в глубине ткани без нанесения вреда верхним слоям кожи.

Наиболее простым способом получения фокусированного ультразвука является использование собирающих акустических линз (рис.2).

Рис.2 Собирающие акустические линзы

Для этого чаще всего используется керамический излучатель в форме фрагмента эллипсоида вращения. В соответствии с теорией дифракции, фокальная область такой линзы будет иметь форму эллипсоида вращения. Но на самом деле, в зависимости от свойств облучаемой материи, форма будет достаточно сильно изменяться. Более того, осуществить точный расчет положения фокальной области тоже нетривиально, поскольку акустические свойства материй, из которых состоит человеческое тело, достаточно сильно изменяются. По этой причине, для осуществления точного воздействия на какую либо точку головного мозга, нередко требуется производить трепанацию черепа. Также следует отметить, что теоретический расчет показывает, что в случае использования сферического трансдьюссера в не поглощающей среде, в фокальную область будет попадать лишь 84% излученной энергии. Основной проблемой использования сферического отражателя является то, что изменение фокусного расстояния системы затруднено. хирургия ультразвук фокусированный

Эта проблема разрешима, если в качестве фокусирующей системы использовать решетку акустических излучателей, фаза которых рассчитывается исходя из желаемой глубины поражения. Такие системы более удобны и практичны для использования фокусированного ультразвука (рис.3).

Рис. 3 Решетка акустических излучателей

С точки зрения таких систем, важным представляется вопрос эффективности этих систем. Теоретическая оценка интенсивности акустического излучения в фокальной области показывает, что интенсивность в фокальной области может несколько сот раз превосходить излучаемую интенсивность. Исходя из этого, можно выбрать такую начальную интенсивность, чтобы внешняя материя, через которую ультразвук распространяется к фокальной области, осталась неповрежденной.

Разделяют два способа воздействия фокусированного ультразвука на ткань. Первый способ воздействия - механический. Используется при коротком импульсном воздействии акустическими сигналами высокой интенсивности. При этом под действием ультразвука в межклеточной жидкости происходит образование и активизация газовых пузырьков, которые приводят к возникновению акустических микропотоков и высоким сдвиговым напряжениям. Под действием этих напряжений пузырьки схлопываются и образуют большие давления, приводящие к разрыву ткани. При этом клетка разрушается и уменьшается в размерах.

Другой способ воздействия - термический. Данный тип воздействия используется при длительном облучении ультразвуком с относительно низкой интенсивностью. При этом акустическая энергия поглощается крупными молекулами, что в последствии приводит к их нагреванию. Наиболее ярко тепловой эффект проявляется в коллагенсодержащих тканях. Известно, что интенсивное термическое воздействие приводит к разрушению клеток, на этом принципе и основан термический метод разрушения тканей. С точки зрения клетки, можно выделить три градации воздействия фокусированного ультразвука.

При интенсивностях меньше 300 Вт/см 2, активизируются клетки, обладающие способностью к генерации потенциалов действия (например, нервные клетки) и начинают их (потенциалы действия) генерировать. Большие интенсивности будут приводить к временному угнетению этой способности. Данный диапазон является очень важным для проведения экспериментальных нейрофизиологических исследований. Это свойство решает основную проблему изучения мозга, которая заключается в том, что воздействие на внутренние области без нарушения структуры органа в целом невозможно при использовании классического хирургического подхода.

При больших интенсивностях становится возможным разрушение клеток благодаря термическому воздействию на протяжении определенных промежутков времени. Причем, следует отметить, что большинство клеток злокачественных опухолей и болезнетворных организмов, более чувствительны к гипотермии. Поэтому прогрев злокачественных образование может приводить к избирательному уничтожению клеток.

Как говорилось ранее, при интенсивностях больших 2000 Вт/см 2 начинается механическое воздействие ультразвука на клетки, в результате которого происходит их разрушение. Использование фокусированного УЗ в качестве инструмента, разрушающего живые клетки, является достаточно спорным, поскольку умершие клетки остаются внутри организма, что может привести к токсикации под действием продуктов разложения клеток. Гораздо более привлекательно выглядит применение фокусированного ультразвукового пучка для разрушения таких объектов как камни в почках, псевдоартриты и.т.д. При этом заболевание лечится действительно без оперативным способом, а остатки разрушенного объекта не причиняют организму особенного вреда.

3. Применение фокусированного ультразвука в медицине

Лечение злокачественных опухолей

Фокусированный ультразвук также применяется для уничтожения раковых опухолей. В сочетании механического и термического воздействия можно добиться полного уничтожения злокачественной опухоли. Более того, возможность точного позиционирования позволяет не наносить вреда здоровым тканям в процессе операции. Но, к сожалению, проблема удаления мертвых клеток из организма не решена окончательно и потому данный метод хирургического воздействия надо сочетать с электрофорезом и прочими методами, направленными на избежание отравления организма продуктами разложения мертвых клеток. В настоящее время наиболее распространено использование данного метода для лечения рака простаты, из-за относительно простой доступности этого органа.

Липосакция

Наиболее широкое распространенное направление применения УЗ хирургических инструментов - это липосакция, процедура, применяемая в пластической хирургии. Смысл процедуры заключается в удалении жирового слоя с некоторых частей тела. Традиционно для удаления используют систему с вакуумным отсосом, для использования которой требуется прорезать широкие отверстия в кожном покрове. Операция требует наркоза и последующего прохождения реабилитационного периода. Если же перед откачкой жировой массы произвести ее облучение интенсивным ультразвуком, то мембраны жировых клеток разрушатся, что приводит к уменьшению размера клеток в несколько раз. После этого существенно упрощается процесс откачки жира. Для уничтожения жировых отложений используются как дезинтеграторы (волноводы, погружаемые в жир через небольшие отверстия), так и фокусированный ультразвук. Практика показывает, что жировые отложения можно и не откачивать из под кожи, поскольку они успевают выводиться из организма естественным путем достаточно быстро. Также преимущество использования УЗ для этой операции заключается в том, что кожа после контакта с ультразвуковым излучением сама подтягивается и приобретает гибкость и эластичность.

Литотрипсия

Литотрипсия - раздробление камней желчного или мочевого пузыря с помощью фокусированного ультразвука, что позволяет проводить без оперативное лечение пациента

В настоящее время активно развивается направление, связанное с использованием фокусированного УЗ для уничтожения камней в желчном и мочевом пузыре. Более того, сейчас данный метод также активно применятся для уничтожения других нежелательных жестких образований внутри человеческого организма, например, для дезинтеграции соленых отложений. Операция проводится без оперативным путем, и не требует от пациента длительного пребывания в стационаре.

При литотрипсии ударными волнами на камень передаются силы, превышающие пределы эластичности материала камня, что приводит к дроблению камня на мелкие фрагменты в виде песчинок. В зависимости от консистенции и типа камня, который должен быть раздроблен, могут потребоваться значительные силы для его гарантированной фрагментации. Экстракорпоральная литотрипсия, как правило, не имеет каких-либо серьезных побочных эффектов, однако невозможно полностью избежать нагрузки на ткани в фокусной зоне. Чтобы воздействие на ткани в области фокусной зоны было минимальным, фокусная зона должна быть по возможности ограничена самим камнем. Тем не менее, энергия ударной волны в фокусе должна оставаться достаточно высокой для эффективного дробления даже твёрдых камней. Имея в наличии маленькую фокусную зону с узкой областью давления можно обеспечить решение этой задачи. С точки зрения физики для получения маленького фокуса необходима большая апертура источника ударных волн (диаметр 30 см).

Однако в медицинской практике зачастую необходимо обеспечить позиционирование дробимого камня точно в терапевтическом фокусе. В отличие от камней в мочеточнике, движение почки, вызванное процессом дыхания, вызывает периодический уход камня из фокусной зоны. Отбитые конкременты, таким образом, могут отделиться от камня и попасть в почечную лоханку или в почечные чашки, так что их далее невозможно локализовать вместе с главным целевым конкрементом при помощи маленького фокуса. Кроме того, почечная паренхима, которая неминуемо располагается пути ударных волн, является намного более чувствительной к ударным волнам высокой интенсивности по сравнению с мочеточником, поэтому неизбежно незначительное повреждение сосудов. В зависимости от специфических анатомических особенностей пациента лучшим вариантом может быть использование большого фокуса с более низкими давлениями ударной волны соответственно (рис 4).

Рис.4

Рис.5 Современный стационарный литотриптер фирмы Шторц Медикал - Модулит SLX - F2 со встроенной рентгеновской системой.

При позиционировании неподвижных пациентов от врачей и медицинского персонала требуются повышенная осторожность и внимание. Также зачастую сложно контролировать ситуацию, когда нужно помочь пациентам, находящимся под воздействием седативных препаратов, залезать или слезать со стола, поэтому стол для пациентов оборудован наклоняющим механизмом с 30 углом поворота, для того чтобы помогать пациентам садиться на столе или ложиться горизонтально для лечения, таким образом, позволяя чувствовать себя комфортнее и облегчить работу медперсонала.

Терапевтический источник (рис.6) - это основной компонент любого литотриптера. Он определяет не только эффективность дробления, но и возможности интеграции в литотриптер различных систем локализации. Ударные волны - это очень короткие импульсы давления с пиковыми давлениями приблизительно от 10 до более чем 100 МПа. Это соответствует 100-1000 кратному атмосферному давлению (от 100 до более чем 1000 бар). Используются высокоэнергичные разряды в воде, которые приводят к взрывообразному испарению воды и таким образом генерируют короткие интенсивные всплески давления в окружающей водной среде (электрогидравлический принцип). Сгенерированная таким образом энергия фокусируется, передается в тело пациента и используется для дробления камня.

Рис.6 Типичный терапевтический источник литотриптера

Также локализация камня может быть выполнена с помощью ультразвука всякий раз, когда специфические анатомические особенности пациента позволяют провести надежное визуальное распознавание камня. Как правило, так бывает в случае почечных камней. При использовании ультразвуковых волн для локализации и контроля лечения можно непрерывно наблюдать за положением камня без облучения радиацией. Это может быть полезно при сильных дыхательных движениях камня или для беспокойных пациентов.

Заключение

Данная работа посвящена рассмотрению использования ультразвука в хирургии. Перед ее выполнением была поставлена цель: обосновать применение ультразвука в хирургии и использование фокусированного ультразвука. В ходе выполнения работы поставленная цель, а также вытекающие из нее задачи были достигнуты.

В настоящее время медицину невозможно представить без традиционных хирургических инструментов.

Обобщая итоги можно сделать вывод о том, что использование ультразвука стала неотъемлемой частью нашей жизни, сферы медицины.

Литература

1. Электронный учебник по курсу лекций "Акустические методы исследований в биологии и медицине" Демин И.Ю. Прончатов-Рубцов Н.В.

Размещено на Allbest.ru