Исследование и разработка автоматизированного комплекса для изготовления трансплантатов в офтальмологии

Развитие современных методов обработки материалов невозможно без использования последних достижений науки и техники: лазерных, плазменных и других новейших технологий.

В ряду этих технологий стоит и гидроструйная обработка материалов высоконапорной тонкой струей жидкости-гидрорезание материалов.

Применение энергии движущегося потока жидкости в технике достаточно изучено. Например, гидромеханизация земляных, горных и др. работ, очистка поверхности изделий.

Подобная технология, которую принято называть струйной обработкой материалов или гидрорезанием, в трансформированном виде более уверенно проникает и в область машиностроения.

Она позволяет вырезать детали заданных геометрических размеров со сложными конфигурациями в плане без дополнительной обработки поверхностей реза и с достаточно высокой производительностью.

В процессе гидрорезания разделение материала достигается за счет концентрации высокого уровня энергии в струе жидкости, исходящей под большим давлением (до 500 и более МПа) с высокой скоростью истечения, сравнимой со скоростью звука. При этом расстояние от среза сопла до поверхности разрезаемого материала составляет несколько миллиметров и энергия исходящей струи жидкости превышает прочность разрезаемого материала.

Гидрорезание имеет тенденцию к проникновению в другие отрасли, где требуется разделение или рассечение материалов. Так, например, это техническое достижение в видоизмененной форме начинает применяться и в медицине для рассечения биологических тканей. Появились некоторые публикации о применении гидрорезания в качестве хирургического скальпеля и инструмента для изготовления трансплантатов.

Освоение такого инструмента в медицине на сегодняшний день произ6 водится на базе различных и разнотипных специализированных установок, конструктивные возможности которых ограничены. Они олицетворяют субъективные взгляды пионеров этого дела, основанные на интуитивном подходе к выбору параметров режущей струи.

Все эти работы производятся разрозненно и на уровне опытов. Идет процесс накопления знаний и информации в области использования гидрорезания биологических тканей в медицинской практике. При решении проблем освоения гидрорезания в медицинской практике требуется научная разработка принципов и области применения гидроинструмента, а также проверка временем полученных результатов.

Дальнейшее развитие и совершенствование гидроинструмента, применяемого в медицинской практике, прежде всего будет связано с наличием технически более совершенных гидроустановок, формирующих струю необходимых параметров, разработкой оптимальных значений режимов реза, углублением понимания механизма воздействия гидроножа на различные биологические ткани и определение областей его эффективного использования. Одной из таких наметившихся областей является изготовление трансплантатов из биологических тканей для операций по склеропластике.

Актуальность этой темы объясняется тем, что характер рассечения биологических тканей и образований металлическими скальпелями и иными медицинскими инструментами, являющимися ручными, зависит от субъективных навыков исполнителя и остроты режущей части инструмента. Подобные инструменты при применении изнашиваются и тупятся, что сказывается на качестве реза и степени деформации тканей.

В связи с этим становится понятным стремление поиска инструментов, лишенных указанных недостатков.

Для достижения этой цели в разные годы использовались различные способы: ультразвуковой, плазменный, лазерный и др.

Среди них наиболее успешное применение нашли лазерные хирургические скальпели, основанные на термическом воздействии, приводящем к 7 ожогам зоны реза ткани.

Указанное несовершенство лазерной технологии дало толчок для поиска других методов рассечения биологических тканей, позволяющих производить их рез при благоприятных внешних воздействиях.

Оказалось, что в качестве не затупляемого инструмента, производящего рассечение тканей без ожогов в более щадящих режимах, можно использовать высоконапорную струю жидкости.

Подтверждением могут служить сравнительные результаты сращивания тканей после их рассечения металлическим скальпелем, лазерным лучом и высоконапорной тонкой струей жидкости. Так, наблюдения хирургов позволяют констатировать, что послеоперационные швы, образующиеся при сращивании тканей, наибольшие — при применении металлических скальпелей и наименьшие — при использовании высоконапорной тонкой струи жидкости. Сказанное служит косвенным доказательством степени разрушения клеток ткани в определенных участках, прилегающих к линии реза.

В этой связи развитие работ в области применения тонкой высоконапорной струи жидкости для рассечения биологических тканей является достаточно актуальной задачей.

Так, в Оренбургском филиале МНТК «Микрохирургия глаза» впервые в медицинской практике начали применять ткань аорты человека в качестве оперативного материала при проведении операций — склеропластике. Для этих целей предварительно из названной ткани для каждого пациента изготавливают комплект трансплантатов, имеющих своеобразные формы в плане и определенные требования к их качеству.

В настоящее время эта работа ведется вручную ножницами, что приводит к значительным деформациям ткани в зоне реза и соответственному разрушению клеток. Кроме того, это очень кропотливый, утомительный и малопроизводительный труд.

При этом проблематично получение трансплантатов требуемого качества и геометрии. 8.

Естественно, устаревший метод изготовления трансплантатов не удовлетворяет «принципам непрерывности» означенного процесса и требует своего решения на уровне современных новейших технологий.

Очевидно, что необходима разработка современной технологии индустриального изготовления трансплантатов из биологических тканей, базирующихся на принципе щадящего физического воздействия и дающая надежное и качественное воспроизводство их формы и размеров.

Она должна заполнить пробел в непрерывном ряде процессов между автоматической диагностической линией и всемирно известным конвейером С. Н. Федорова.

Практическая потребность в системах изготовления качественных трансплантатов из аорты человека, имеющих достаточно сложную конфигурацию, на мобильных устройствах в микрохирургии глаза назрела.

Можно утверждать, что решение проблемы заключается в создании автоматизированной технологии обработки материалов, в том числе биологических тканей, высоконапорной струей жидкости.

Поэтому возникает надобность создания научно обоснованных рекомендаций для проектирования соответствующих устройств и разработке режимов реза ткани аорты человека. Объединение же их с современной САПР/САП (CAD/CAM) системой позволит решить поставленную задачу на должном уровне.

Создание подобной системы на ряду с решением вопросов автоматизации требует глубоких исследований и поиска оптимальных условий резки биологических тканей со специфической структурой, прочностные характеристики которых мало изучены, исследование параметров их обработки и разработка гибкого принципа управления процессом, обеспечивающим заданное качество поверхности реза, является необходимым делом.

Гидрорезание материалов производится двумя способами, которые отличаются отсутствием (жидкостное) или наличием абразива в среде рабочей жидкости (абразивно-жидкостное). Ввод абразива в струю увеличивает ее 9 технологические возможности за счет увеличения режущей способности жидкостно-абразивной суспензии.

Кроме того, режущие свойства высоконапорной струи при жидкостном резании могут быть повышены путем подвода к струйной головке хладагента, способствующего образованию в струе льдинок, придающих ей абразивные свойства.

При абразивно-жидкостном резании материалов подвод хладагента также усиливает режущие свойства струи.

Увеличение режущих свойств высоконапорной струи тоже возможно за счет применения импульсных, пульсирующих и кавитационных струй без использования абразива.

Важнейшие преимущества рассматриваемой технологии перед другими видами обработки следующие: отсутствие нагрева разрезаемых заготовок, что исключает термические напряжения, деформации структуры разрезаемого материала, не появляются вредные испарения и газы, присущие другим видам резания при обработке пластмасс, композиционных материалов и т. п., нет запыленности.

К недостаткам гидрорезания относят: конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, невысокая стойкость сопла и сложность его изготовления.

Преимущества гидрорезания, по сравнению с другими процессами разделения материалов, позволяют рассматривать гидрорезание как перспективную технологию будущего не только в промышленности, но и для других областей человеческой деятельности.

Указанные обстоятельства послужили основой для включения означенной работы в план НИР и ОКР Оренбургского филиала МНТК «Микрохирургия глаза».

Актуальность ведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в рассматриваемой области также подтверждается повышенным интересом к этой теме медицинских кругов как в нашей стране,.

10 так и за рубежом (Франция, США, Англия, Израиль и др.)[3,47,51], а также Государственной научно-технической программой «Наукоемкая техника и технология для машиностроения Республики Башкортостан» .

Целью настоящей работы является изыскание оптимальных условий гидрорезки биологической ткани аорты человека, исследование параметров ее обработки и разработка гибкого принципа управления процессом, обеспечивающим заданное качество поверхности реза, а также создание научно обоснованных рекомендаций для проектирования соответствующих устройств.

Научная новизна работы заключается в том, что:

— впервые исследовано воздействие тонкой высоконапорной струи жидкости на ткань аорты человека при изготовлении трансплантатов для операций по склеропластике в офтальмологии в Оренбургском филиале МНТК «Микрохирургия глаза»;

— установлены критерии качества зоны реза;

— определены пределы режима реза, обеспечивающие функционально-морфологическую сохранность ткани в зоне обработки, требуемую шероховатость (разлохмаченность) поверхности;

— предложена принципиальная схема автоматического управления технологическим процессом изготовления изделий из биологических тканей (CAD/CAM система);

— разработаны первичные рекомендации по проектированию установок для изготовления трансплантатов.

Новизна их подтверждается патентами Российской Федерации № 2 127 558 и № 2 124 323. На основании плана совместных работ Оренбурского филиала Государственного учреждения МНТК «Микрохирургия глаза» и Центра прогрессивных технологий Кумертауского отделения Инженерной Академии Республики Башкортостан № 010/105 от 19 октября 1995 г. в лабораториях Оренбургского филиала МНТК «Микрохирургия глаза» и Института механики Уфимского научного центра РАН и была проведена настоящая работа.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

В первой главе дан обзор литературных данных по рассматриваемому вопросу и на базе основных выводов означены цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям режущих характеристик высоконапорной тонкой струи, ее взаимодействию с преградой и формированию качества поверхности реза материалов.

Рассмотрены вопросы формирования качества поверхности при гидрорезке биологических тканей и его обеспечение за счет применения автоматизированного комплекса, предназначенного для изготовления трансплантатов из аорты человека.

В третьей главе даны сведения о методике проведения экспериментовоб объекте исследования, применяемом оборудовании и вспомогательных устройствах, а также принципах математического планирования эксперимента.

В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований, на базе обработки которых получено выражение для определения влияния различных технологических факторов на качество поверхности реза и определены диапазоны давлений в тылу струи и величины подач относительно струи, пригодных для резки мягких биологических тканей.

В пятой главе приведены рекомендации по проектированию установок для гидрорассечения биологических тканей.

Основные выводы.

1. Использование тонкой высоконапорной режущей струи жидкости в качестве скальпеля в практической медицине является перспективным направлением и существенно повышает технологию операций. Однако, в настоящее время в научной литературе отсутствует полноценная информация о выборе оптимальных режимов резания биологических тканей.

2. Одним из перспективных направлений применения гидравлического способа реза в офтальмологии наиболее актуальным является процесс приготовления трансплантатов, в том числе из аорты кадавера. Эта операция в настоящее время выполняется вручную и является тормозом развития индустриальных методов проведения офтальмологических операций, поскольку, практически все остальные процессы в ведущих клиниках России и других высокоразвитых странах в достаточной степени автоматизированы.

3. Важнейшей проблемой при изготовлении трансплантатов считается их качество, которое определяется геометрией индивидуально для каждого пациента, а также состоянием поверхности реза. Это возможно достичь только при создании автоматизированных комплексов с широким использованием современных информационных технологий.

4. Современная теория гидрорезания, в основном базирующаяся на закономерностях рассеченных небиологических материалов струей жидкости, не обеспечивает решения инженерных задач по проектированию комплексов для приготовления трансплантатов.

5. Разработанная математическая модель формирования качества реза, позволила выбирать оптимальные режимы резания ткани аорты при изготовлении трансплантатов. Полученные результаты позволили разработать технические требования к автоматизированной опытно-промышленной установке.

6. Выбранный оптимальный набор программно-технических средств с использованием идеологии CAD/CAM позволил обеспечить высокое качество соблюдения геометрии трансплантатов с учетом индивидуальных особенностей анатомии органа.

7. Выбранные режимы гидрорезания позволяют обеспечить высокопроизводительное и качественное изготовление трансплантатов, и разработанная установка вписывается в современную индустриальную линию диагностики зрения и проведения офтальмологических операций.