Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.
Номер 02-010-05 |
||||||
Наименование проекта Ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии |
||||||
Назначение Для интенсификации процесса удаления подкожно-жировых отложений. |
||||||
Рекомендуемая область применения Медицинская техника |
||||||
Описание Результат выполнения конструкторской разработки. Изобретение относится к области медицинской техники, связанной с разработкой и применением ультразвуковых (УЗ) аппаратов для пластических хирургических операций, а именно к устройствам ультразвуковых колебательных систем, предназначенных для интенсификации процесса удаления подкожных жировых отложений, и может быть использовано для создания современной материально-технической базы пластической хирургии. Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе для пластической хирургии, содержащей закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый и второй цилиндрические участки, с расположенным между ними участком плавного перехода, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде полого стержня, включающего первый и второй цилиндрические участки и участок плавного перехода между ними. На конце стержня имеется рабочее окончание, выполненное полым, со скругленными краями, пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки, в стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а со второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя, длину второго цилиндрического участка хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента равной 0,55, или 1,1, или 1,65, или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода, а рабочее окончание выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублением, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси. Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1а, б. На фиг.1а представлена ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии, содержащая закрепленный в корпусе 1 пьезоэлектрический преобразователь 2, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне 3 и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки 4, кольцевых пьезоэлектрических элементов 5 и частотно-понижающей концентрирующей накладки 6, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый 7 и второй цилиндрические участки 8 с расположенным между ними участком плавного перехода 9, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал 10, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент 11, выполненный в виде полого стержня, включающего первый 12 и второй цилиндрические участки 13 и участок 14 плавного перехода между ними, на конце стержня имеется рабочее окончание 15, выполненное полым, со скругленными краями, пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки, в стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала 16 для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком 17, а со второй - имеющие выход 18 на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя. Длину второго цилиндрического участка 13 хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента, равной 0,55, или 1,15, или 1,65, или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода, а рабочее окончание (см. фиг.1б) выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным 19 или сферическим углублением 20, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси. Преобразователь электрических колебаний в упругие механические колебания ультразвуковой частоты выполнен по полуволновой схеме в виде тела вращения и объединяет собственно пьезопреобразователь и ступенчато-экспоненциальный концентратор. Наличие протяженного участка плавного перехода приводит к тому, что коэффициент усиления системы снижается не более чем на 20% по сравнению с коэффициентом усиления ступенчатого концентратора. Однако при таком выполнении преобразователя зависимость собственной частоты колебательной системы от изменяющейся акустической нагрузки (сопротивления излучения) становится минимальной, приближающейся к зависимости, характерной для классического экспоненциального концентратора [5]. С пьезоэлектрическим преобразователем, посредством резьбового соединения, соединяется ультразвуковой хирургический инструмент. Пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной амплитуды на тыльной стороне резонансной накладки 4. Такое размещение пьезоэлектрических элементов обеспечивает уменьшение действующих на пьезокерамические элементы разрывных напряжений, по сравнению с прототипом, не менее чем на 30%, что существенно облегчает режим их работы. Известно [см., например: Ю.В.Холопов. Оборудование для ультразвуковой сварки. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1985, с.58-64], что в многослойных преобразователях с частотно-понижающими накладками, толщины которых неодинаковы, удельная излучаемая механическая мощность ультразвуковых колебаний зависит от соотношения размеров накладок и пьезоэлементов, их акустических характеристик (скорости ультразвука и плотности) и площади излучающей поверхности. При этом максимальная удельная излучаемая мощность достигается при различающихся продольных размерах частотно-понижающих накладок. Предлагаемая колебательная система обеспечивает наилучшее согласование преобразователя с жировой эмульсией за счет оптимизации коэффициента усиления всей колебательной системы равным 15…17 [7] и максимизации излучаемой мощности. Это достигается выбором диаметров цилиндрических участков накладок и диаметра пьезоэлементов. Выбор этих поперечных размеров (в частности, площади излучающей поверхности и длины участка плавного перехода) определяет продольные размеры частотно-понижающих накладок и, соответственно, место размещения пьезоэлектрических элементов. Экспериментальные исследования пьезоэлектрического преобразователя предложенной колебательной системы показали, что выбрана оптимальная область размещения пьезоэлектрических элементов, поскольку такое размещение пьезоэлементов обеспечило не только снижение механических напряжений в области их размещения, но и позволило увеличить коэффициент электромеханического преобразования до 70% (в прототипе был не более 50%). Таким образом, требуемая амплитуда колебаний рабочего окончания (150 мкм) достигается при снижении энергопотребления генератором с 500 до 50 Вт (в 10 раз). Уменьшение электрического напряжения, подаваемого от генератора на электроды пьезоэлементов, позволило повысить надежность защиты от поражения электрическим током, снизило потери в материале пьезоэлементов. В соединительном стержне и частотно-понижающей концентрирующей накладке выполнены три сквозных канала. Центральный канал предназначен для удаления получаемой жировой эмульсии. Симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а со второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода в зоне минимальной амплитуды механических колебаний. Это способствует улучшению условий охлаждения преобразователя и уменьшению габаритов корпуса. Кроме того, такое выполнение каналов подачи ирригационной жидкости позволяет исключить движение физиологического солевого раствора над поверхностью электродов пьезоэлементов, где присутствуют большие напряжения. Для согласования пьезоэлектрического преобразователя и рабочих инструментов различной длины использованы известные теоретические и экспериментальные результаты [11] по оптимальному согласованию преобразователя с рабочим инструментом. В этих исследованиях показано, что наибольшая эффективность колебательной системы обеспечивается в случае, когда частота преобразователя на несколько килогерц выше частоты инструмента, а не при условии равенства частот. Наличие такой зависимости обусловлено потерями энергии в материалах преобразователя и инструмента (от их соотношения). Эти зависимости качественно подтверждены в экспериментальных исследованиях с полуволновыми магнитострикционными преобразователями и полуволновыми инструментами. Проведенные исследования позволили установить, что оптимальное согласование пьезоэлектрического преобразователя с хирургическими инструментами различной длины в предложенной колебательной системе (обеспечение максимальной амплитуды колебаний рабочего окончания) обеспечивается в случаях, когда общая длина хирургического инструмента составляет 0,55, или 1,1, или 1,65, или 2,2 длины волны УЗ-колебаний на участке плавного перехода [12]. Полученные экспериментальные результаты позволили выбрать длины хирургических инструментов для комплектации предложенной колебательной системы равными 115, 240, 350, 470 мм. Изготовление ультразвуковых хирургических инструментов различной длины позволило подтвердить правильность полученной методики выбора размеров инструментов и создать комплект инструментов для предлагаемой колебательной системы. Ультразвуковые хирургические инструменты представлены на фото фиг.2а. Предложенное конструктивное решение позволило оптимально согласовать преобразователь с ультразвуковыми хирургическими инструментами. Это привело к увеличению амплитуды механических колебаний не менее чем на 20% по сравнению с колебательной системой, принятой за прототип, где собственные резонансные частоты самого преобразователя и инструментов совпадают. Рабочие окончания сменных инструментов выполнены в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублениями. Такие рабочие окончания ультразвукового хирургического инструмента обеспечивают поверхность излучения УЗ-колебаний более 1,5 см 2. Сложная форма поверхности рабочего окончания хирургического инструмента позволила обеспечить высокую эффективность ультразвукового воздействия на жировую эмульсию. Это объясняется тем, что внутренняя поверхность рабочего окончания обеспечивает направленное излучение ультразвуковых колебаний вдоль акустической оси. Основная зона кавитационного разрушения подкожно-жировой клетчатки отделена от излучающей поверхности рабочего окончания инструмента. При этом создаются интенсивные гидродинамические потоки, обеспечивая интенсивный массообмен в среде. Внешняя поверхность усеченного конуса рабочего окончания инструмента обеспечивает излучение ультразвуковых колебаний в обратном направлении в обрабатываемую среду, под углом к акустической оси. Форма поверхности рабочего окончания и формируемые гидродинамические потоки от поверхности за счет изгибных высокочастотных колебаний поверхности исключают задерживание кавитационных пузырьков на поверхности рабочего окончания. Это обеспечивает стабильность сопротивления излучения и сводит к минимуму кавитационные разрушения материала рабочего окончания хирургического инструмента. Поэтому ультразвуковой хирургический инструмент становится более долговечным. Дополнительная особенность усеченного конусного окончания с внутренним конусным или сферическим углублениями заключается в том, что создается избыточное давление в эмульсии перед конусным окончанием и происходит движение эмульсии в центральный сквозной канал, без дополнительного вакуумирования (эффект ультразвукового насоса). Это ускоряет процесс удаления жировой эмульсии. Наличие эффекта насоса в конусном окончании и дополнительное эмульгирование поступающего в канал жира позволило уменьшить диаметр канала до 2 мм (вместо 2,5 у прототипа) без потери производительности отбора эмульсии. Уменьшение внутреннего диаметра повысило прочность хирургического инструмента и позволило увеличить амплитуду колебаний до 250 мкм (вместо 150 у прототипа) без снижения надежности и долговечности инструментов. Коэффициент трансформации скорости механических колебаний (коэффициент усиления), равный 15…17, достигнут за счет увеличения диаметра пьезоэлементов до 30 мм, обеспечившего коэффициент усиления преобразователя не менее 6 и коэффициент усиления ультразвукового хирургического инструмента не менее 2,5. Оптимальное согласование колебательной системы с обрабатываемой средой позволило увеличить выход энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемую среду не менее чем в 10 раз. Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности ультразвукового воздействия на подкожно-жировую клетчатку за счет увеличения амплитуды колебаний рабочего окончания хирургического инструмента, увеличения энергии УЗ-колебаний, вводимых в обрабатываемую среду, снижения энергозатрат, уменьшения нагрева колебательной системы и улучшения условий согласования колебательной системы с электронным генератором при изменениях акустической нагрузки. В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована конструкция колебательной системы для пластической хирургии с точки зрения обеспечения максимальной эффективности преобразования энергии электрических колебаний в ультразвуковые, оптимального согласования с жидкой средой, увеличения площади излучающей поверхности для обеспечения вывода максимально возможной энергии без изменения поперечного размера рабочего окончания инструмента, уменьшения нагрева преобразователя и сменных хирургических инструментов. Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии (см. фиг.2б) прошла лабораторные и медико-технические испытания. Максимальная амплитуда колебаний составила 250 мкм, время одной процедуры липосакции на максимальной мощности не более 40 минут (вместо 2 часов), при этом корпус колебательной системы не нагревался свыше 40-45°С. |
||||||
Преимущества перед известными аналогами Обеспечивает эффективное преобразование энергии электрических колебаний в ультразвуковые (КПД более 80%), оптимальное согласование преобразователя с ультразвуковым хирургическим инструментом и жировой эмульсией, искл. нагрев преобразователя |
||||||
Стадия освоения Внедрено в производство |
||||||
Результаты испытаний Соответствует технической характеристике изделия (устройства) |
||||||
Технико-экономический эффект Ускорение процесса удаления подкожно-жировых отложений в 5-10 раз |
||||||
Возможность передачи за рубеж Возможна передача за рубеж |
||||||
Дата поступления материала 30.05.2005 |
У павильонов Уральской выставки «ИННОВАЦИИ 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.)
Мероприятия на выставке "Инновации и инвестиции - 2008" (Югра, 2008 г.)
Открытие выставки "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)
Демонстрация разработок на выставке "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)