CC BY
68
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНА
УДК 617.741-004.1-089.8:615.472
© Б.М. Азнабаев, А.Т. Бикмеев, Т.И. Дибаев, Т.Р. Мухамадеев, О.В. Иванова, 2015
Б.М. Азнабаев1, А.Т. Бикмеев2, Т.И. Дибаев3, Т.Р. Мухамадеев1, О.В. Иванова2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИНСТРУМЕНТА ФАКОЭМУЛЬСИФИКАТОРА
'ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа 2ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа
3ЗАО «Оптимедсервис», г. Уфа
В статье рассматриваются возможности метода компьютерного моделирования для изучения характеристик ультразвукового инструмента факоэмульсификатора. Выявлено, что полученные путем анализа компьютерной модели, созданной с использованием программы ANSYS Mechanical, характеристики ультразвукового инструмента факоэмульсификатора «Оп-тимед» соответствуют реальным экспериментальным данным. Метод может использоваться для изучения характеристик различных типов волноводов ультразвукового инструмента, а также для моделирования результатов конструкционных изменений ультразвуковых инструментов, направленных на получение новых видов колебаний (крутильных, изгибных, трехмерных).
Ключевые слова: факоэмульсификация, ультразвуковой инструмент, математическое моделирование.
B.M. Aznabaev, A.T. Bikmeev, T.I. Dibaev, T.R. Mukhamadeev, O.V. Ivanova MATHEMATICAL MODELING OF THE ULTRASONIC TOOL PHACOEMULSIFICATION
This article describes the possibilities of computer modeling method to study characteristics of ultrasonic handpiece for phacoemulsification. It was found that characteristics of ultrasonic handpiece "Optimed" obtained by computer model created in ANSYS Mechanical program correspond to real experimental data. This method can be used for studying characteristics of different types of horns of ultrasonic handpieces as well as modeling effects of structural changes of ultrasonic handpieces directed to creation of new types of ultrasonic vibrations (torsional, flexural and three-dimensional).
Key words: phacoemulsification, ultrasonic handpiece, mathematical modeling.
С 1960-х годов в России успешно развивается направление научных исследований, возникшее на стыке акустики и медицины, -ультразвуковая хирургия. Изначально ультразвуковые медицинские инструменты (УЗМИ) использовались для работ по костным тканям [5], а в дальнейшем стали весьма эффективно применяться и для работ с мягкими тканями [4].
За два последних десятилетия достигнуты большие успехи в разработке устройств для ультразвуковой факоэмульсификации катаракты [6,10]. На сегодняшний день эта операция является ведущим методом восстановления зрения при катаракте и по праву считается «золотым стандартом» катарактальной хирургии [1,2,3,7,8,9].
ЗАО «Оптимедсервис» с 1998 года разрабатывает и внедряет отечественное оборудование и расходные материалы для ультразвуковой факоэмульсификации. Микрохирургические системы «Оптимед», «Оптимед Мастер» и «Оптимед Профи» с успехом применяются более чем в 100 клиниках Российской Федерации и стран ближнего зарубежья. Одной из важных и наиболее высокотехнологичных составляющих системы для хирургии катаракты является ультразвуковой инструмент факоэмульсификатор. Необходимость
разработки новых типов ультразвуковых инструментов, обладающих улучшенными характеристиками, требует внедрения в научно-исследовательские работы методик, позволяющих оценивать те или иные конструкционные изменения с точки зрения прогнозирования возможных эффектов и моделирования изменений характеристик инструмента.
Цель исследования - разработать и верифицировать компьютерную модель ультразвукового инструмента факоэмульсификатора.
Материал и методы
Объектом исследования являлся ультразвуковой инструмент волновод, разработанный ЗАО «Оптимедсервис» (рис.1), который состоит из концентратора, передающего колебания на иглу, пьезоэлемента, возбуждающего колебания в волноводе, муфты, используемой в качестве отражателя, и гайки, обеспечивающей усилие зажатия (преднатяг) 5 кПа. Волновод крепится к корпусу за башмак шпильки при помощи цилиндрического штифта.
Компьютерная модель создана в ANSYS Mechanical с использованием скриптов на встроенном языке APDL. В модели представлена расчетная сетка двух видов: ортогонального (игла, концентратор, пьезоэлемент, муфта, шпилька) и тетрагонального (гайка, башмак
шпильки). Это связано с тем, что сложная геометрия башмака шпильки и гайки не позволяет аппроксимировать их форму при помощи ортогональных элементов с удовлетворительной точностью. Расчетная сетка насчитывает около 42000 элементов с характерным размером ребра не более 0,8 мм. Основным расчетным элементом является 8-узловой 80ЬГО185.
В качестве базовой использовалась следующая комбинация материалов:
• игла, концентратор и шпилька - титановый сплав ВТ6;
• пьезоэлемент - ПКР-78;
• муфта - вольфрам ВЧ;
Свойства материалов приведены в табл. 1. Для исследований выбран диапазон частот от 15 до 65 кГц, незначительно превосходящий
разрешенный для медицинских хирургических инструментов диапазон от 20 до 60 кГц.
Рис. 1. Модель волновода с расчетной сеткой в ANSYS Mechanical APDL: цвета соответствуют различным используемым материалам
Таблица
Свойства материалов, использованных в расчетах
Показатель Концентратор Пьезоэлемент Муфта
ВТ6 ВТ-3-1 ПКР-78 ПКР-880 ПКР-884 вольфрам ВЧ Х18Н10Т 40Х13
Плотность, р, кг/м3 4420 4500 7600 7600 7500 19250 7920 7680
Модуль Юнга, E, 1011 Па 1,17 1,15 0,7 0,76 0,58 4,15 0,21 0,21
Коэффициент Пуассона 0,31 0,31 0,3 0,3 0,3 0,29 0,28 0,28
Результаты и обсуждение
В рабочем режиме волновод должен обеспечивать продольные колебания иглы с частотами в разрешенном для медицинских приборов диапазоне. В результате экспериментов по определению рабочих частот волновода установлены следующие значения: 25 кГц, 42 кГц и 57 кГц.
Для оценки применимости созданной компьютерной модели был проведен модальный анализ с целью выявления частот собственных колебаний волновода. Результаты анализа приведены на рис. 2. В заданном диапазоне установлено 25 частот собственных колебаний, из которых только 3 являются продольными: 26143 Гц, 40722 Гц и 59963 Гц.
..... INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE
SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP OUNULATWE
1 15636. 1 1 1
г 1653?. 1 2 2
3 13301. 1 3 3
4 13932. 1 4 4
5 22055. 1 5 5
6 26143. 1 6 S
Г 26665. 1 7 7
3 26913. 1 3 3
9 28353. 1 3 Э
10 2948?. I to to
11 31040. I 11 11
12 31 70S. I 12 12
13 32970. 1 13 13
14 30160 1 14 T4
15 40?22. I 15 T5
10 42118 I 10 10
1 7 42033. 1 17 17
18 47020. 1 18 13
19 48333. 1 13 13
20 4872?. 1 20 20
21 50990. 1 21 21
22 51072. 1 22 22
23 57055. 1 23 23
24 59963. 1 24 24
25 01 701. 1 25 25
Рис.2. Результаты модального анализа с использованием компьютерной модели: выделены частоты продольных колебаний
Колебания с частотой 26,143 кГц находятся в опасной близости к поперечным соб-
ственным колебаниям иглы (частота 26,665кГц) и «объемным» колебаниям иглы и концентратора. При этом наряду с продольным колебанием на данной частоте наблюдаются небольшие поперечные отклонения иглы и хвоста шпильки (рис. 3). То есть изменения внешних условий эксплуатации ультразвукового инструмента могут привести к смене режима колебаний иглы, что в свою очередь чревато серьезными повреждениями глаза в процессе операции.
Основная рабочая частота (40,722 кГц) является довольно-таки изолированной, а максимальные перемещения приходятся на иглу при практически неподвижном концентраторе (рис. 3). Таким образом, данная частота действительно является оптимальной с точки зрения использования в конечном продукте.
Поперечные колебания, частота = 22055 Гц
П04»Р«Ч№» ОТКЛОНЕНА ИГЛЫ
Поперечное птта 1 ес: шпильки
Продольные колебания, частота = 26143 Гц
Объемные колебания, частота = 26919 Гц
Продольные колебания, частота = 40722 Гц ^^^ Рис.3. Наблюдаемые типы колебаний волновода. Степень яркости говорит о величине смещения - чем ближе к белому, тем больше величина смещения в процессе колебаний
Несмотря на то, что продольные колебания с частотой 59,963 кГц также «изолированы», они не могут быть рекомендованы к использованию в конечном продукте, потому что в колебания на этой частоте вовлекается практически весь волновод - от иглы до башмака шпильки. Эти колебания могут передаваться через корпус на руку хирурга и мешать работе.
Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показывает, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных данных не превышает 5%.
С целью определения чувствительности модели к геометрии волновода было также проведено экспериментальное и теоретическое определение частот собственных колебаний волновода другой конструкции, созданного специалистами зарубежной компании. В ре-
зультате численного эксперимента были получены продольные колебания на частотах 30,9 кГц и 41,1 кГц. В натурном эксперименте были определены следующие частоты продольных колебаний: 29 кГц и 43 кГц. Максимальное отклонение результатов расчета от экспериментальных данных также не превышает 5%.
Выводы
Разработанная компьютерная модель ультразвукового инструмента факоэмульси-фикатора адекватно отражает реально наблюдаемые явления и может быть использована для изучения характеристик различных типов волноводов, а также для моделирования результатов конструкционных изменений ультразвуковых инструментов, направленных на получение новых видов колебаний (крутильных, изгибных, трехмерных).
Сведения об авторах статьи: Азнабаев Булат Маратович - д.м.н., профессор, зав. кафедрой офтальмологии с курсом ИПО ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347) 275-97-65.
Бикмеев Александр Тимерзянович - к.ф.-м.н., доцент кафедры ВВТиС ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел./факс: 8(347) 273-36-22.
Дибаев Тагир Ильдарович - младший научный сотрудник ЗАО «Оптимедсервис». Адрес: г. Уфа, ул. 50 лет СССР, 8. Тел./факс: 8(347) 277-60-60.
Мухамадеев Тимур Рафаэльевич - к.м.н., доцент кафедры офтальмологии с курсом ИПО ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел./факс: 8(347) 275-97-65. E-mail: photobgmu@gmail.com. Иванова Оксана Владимировна - студентка 4 курса специальности ПМ ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел./факс: 8(347) 273-36-22.
ЛИТЕРАТУРА
1. Азнабаев, Б.М. Ультразвуковая хирургия катаракты - факоэмульсификация / Б.М. Азнабаев. - М.: Август Борг, 2005. - 136 с.
2. Иошин, И.Э. Факоэмульсификация / И.Э. Иошин - М.: Апрель, 2012. - 104 с.
3. Малюгин, Б.Э. Медико-технологическая система хирургической реабилитации пациентов с катарактой на основе ультразвуковой факоэмульсификации с имплантацией интраокулярной линзы: дисс. ... д-ра мед. наук. - М., 2002. - 298 с.
4. Николаев, Г.А. Ультразвуковая технология в хирургии / Г.А. Николаев, В.И. Лощилов. - М: «Медицина», 1980. - 272 с.
5. Фридман, Ф.Е. Ультразвук в офтальмологии / Ф.Е. Фридман. - М: «Медицина», 1973. - 150 с.
6. Comparison of Two Different Ultrasound Methods of Phacoemulsification / Helvacioglu F. [et al] // Am. J. Ophthalmol. - 2014. - Vol. 158. -P. 221-226.
7. Fishkind, W.J. Standart Coaxial Towards the Minimal Incision Possible in Cataract surgery // Minimizing incisions maximizing outcomes. / Eds.: Alio J.L., Fine I.H., 2010. - P. 37.
8. Phacoemulsification Principes and Techniques / L. Buratto [et al.]. - Milano: Fabiano, 2003. - 768 p.
9. Seibel B. Phacodynamics: mastering the tools and techniques of phacoemulsification surgery. 4th ed. / B. Seibel. - NJ.: SLACK Incorporated. - 2005. - 377 p.
10. The physics of phaco: A review / M. Packer [et al] // J. Cataract Refract. Surg. - 2005. - Vol. 31. - P. 424-431.
УДК 612.111.3:612.41:577.122.36:616-005.1-036.111-092.9 © Ю.М. Захаров, Ф.Х. Камилов, 2015
Ю.М. Захаров1, Ф.Х. Камилов2 ХАРАКТЕР ПУЛА СВОБОДНЫХ АМИНОКИСЛОТ В ТКАНЯХ КОСТНОГО МОЗГА, ПОЧЕК И ПЕЧЕНИ КРОЛИКОВ ПРИ УГНЕТЕНИИ ЭРИТРОПОЭЗА
'ГБОУ ВПО « Южно-Уральский государственный медицинский университет»
Минздрава России, г. Челябинск 2 ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет»
Минздрава России, г. Уфа
Исследованы особенности пула свободных аминокислот в тканях костного мозга, почек, печени кроликов в период торможения эритропоэтической функции этих органов, вызванного введением им ядер клеток костного мозга. Введение ядер интактным кроликам повышает содержание лизина, аспартата, метионина, валина, фенилаланина, а также цистеина, аргинина, триптофана и суммы свободных аминокислот в костном мозге, цистеина, аргинина в почках, цистеина, гистиди-на, аргинина, метионина в печени в сравнении с их содержанием у интактных животных. Кровопотеря, произведенная на
