МОДЕЛЬ МіЦНОСТі ЗВАРНОГО АНАСТОМОЗУ ТОНКОГО КИШЕЧНИКА ПРИ РАДіАЛЬНОМУ НАВАНТАЖЕННЯ У СЕРЕДОВИЩі SOLIDWORKS Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

1X1:10.60aVrr9.figshara1329871k

LCC - № RD32-33.9

МОДЕЛЬ МЩНОСТ1 ЗВАРНОГО АНАСТОМОЗУ ТОНКОГО КИШЕЧНИКА ПРИ РАДАЛЬНОМУ НАВАНТАЖЕННЯ У СЕРЕДОВИЩ1 SOLIDWORKS

Берестюк Катерина Руслашвна1, Лебедев Олексiй Володимирович1

1 Нацюнальний технiчний унiверситет Украши "Кшвський полiтехнiчний iнститут iMeHi 1горя Окорського»

Corresponding author: Берестюк Катерина Руслашвна, бакалавр. Нацюнальний техшчний ушверситет Украши "Кшвський полггехшчний шститут 1меш 1горя Окорського», 03056, м. Кш'в, вул. Янгеля, 16/2

Email: katusha.vredina@gmail.com

Abstract. Experience in the use of welding of living tissues in clinical settings indicates the possibility of preventing the development of such serious consequences of the use of sutures, staples, glue, as the development of inflammatory reactions in response to the presence of foreign materials in the wound, the risk of infection of hollow organs tissues in the remote postoperative period. In the postoperative period, the welds are under heavy load from the human body. That is why it is important to assess the margin of safety that an electrowelded joint may have under load, and to characterize the allowable non-uniformity of morphological transformations to provide clinically necessary indicators of strength and tightness of the welded anastomosis. When studying the process of formation of a welded anastomosis and its further

розвитку таких серйозних наслщюв використання шовних матер1ал1в, скоб, клею, як розвиток запально! реакци у вщповщь на наявшсть стороншх матер1ал1в у раш, загроза розповсюдження шфекцш порожнистих оргашв чи загроза стенозування анастомоз1в внаслщок розвитку грубих рубцевих тканин у вщдаленому тсляоперацшному перюдь У

зварювання живих тканин у кл1н1чних

умовах вказуе на можлив1сть попередження

може мати електрозварне

при навантаженнях, та характеристика

тсляоперацшний перюд на зварш шви вщбувасться сильне навантаження з боку оргашзму людини. Саме тому важливою е оцшка запасу мщносп, який

Анотащя. Досвщ використання

з'еднання

який

Dateof Fteview 26.11.2010:59

ISSN 2311-1100

functioning, it is necessary to know the exact geometric characteristics of the seam, mechanical stresses, displacements, deformations, tissues. These values are difficult or impossible to determine experimentally due to the small volume of tissue. Therefore, the best way is computer simulation. One of the important factors in the analysis of the strength of the gut with a weld is its thickness. To determine it, the simulation of the pressure on the intestinal tissue was performed, as in welding. To simulate welding, two identical gut elements were selected, 50 mm long each, 25 mm in diameter, and 0.2 mm thick. These elements were modeled as in real circular one-step welding, with two round electrodes 3 mm thick. The wall material of the small intestine was assumed to be linear, homogeneous, isotropic and perfectly elastic (Young's modulus for wall tissues E = 3.27 MPA, tensile strength Om = 0.9 MPa, Poisson's ratio v = 0.405 and density p = 1036 kg / m3). Next, deformed bodies were imported from the performed welding simulations, and the geometrical characteristics of the deformed seam were measured. For models with the specified geometrical characteristics of a seam, the pressure of radial tension from 0 to 100 mm Hg with step 10. In the study of the strength of anastomoses in radial tension, it was noted that the change in the diameter of the intestine directly depends on the value of the pressure acting on it, and does not depend on the thickness of the weld.

СС-БУ^С

припустимо! нерiвномiрностi

морфолопчних перетворень для забезпечення клшчно необхщних покажчиюв мщносп та герметичносп зварного анастомозу. При вивченш процесу утворення зварного анастомозу та його подальшого функщонування необхщно знати точш геометричш характеристики шва, мехашчш напруження, перемщення, деформацп, тканини. Експериментально визначити щ величини складно або неможливо через надто малий об'ем тканини. Тому найкращим шляхом е саме комп'ютерне моделювання. Одним iз важливих факторiв аналiзу мщносп кишки зi зварним швом е його товщина. Для п визначення було проведено моделювання тиску на тканину кишки, як при зварюваш. Для моделювання зварювання було обрано два однакових елемента кишки, довжиною по 50 мм кожен, дiаметром 25 мм, та товщиною стшки 0,2 мм. Ц елементи були змодельоваш, як при реальнiй циркулярнш одномоментнiй зварцi, з двома круглими електродами товщиною 3 мм. Матерiал стшки тонко! кишки передбачався лшшним, однорiдним, iзотропним i iдеально пружним (модуль Юнга для тканин стшки Е = 3,27 МПа, границя мщносп Ом= 0,9 МПа, коефщент Пуассона V = 0,405 i густина р = 1036 кг/м3). Далi з проведених симуляцiй зварювання було iмпортовано деформованi тiла, та вимiряно геометричнi характеристики деформованого шва. Для моделей з заданими

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

геометричними характеристиками

шва задано тиск радiального розтягу вщ 0 до 100 мм рт. ст. з кроком 10. При дослщженш мщносп анастомозiв при радiальному розтягу було вiдмiчено, що змша дiаметру кишки прямо залежить вщ значення тиску, що дie на не!, i не залежить вщ товщини зварного шва.

Keywords: SolidWorks, моделювання, зварка живих тканин, радiальний розтяг, циркулярна зварка, тонка кишка.

Section: Physiological Systems Modeling

Introduction. На сьогодш доведено, що використання зварювання живих тканин дозволяе попередити такi серйознi наслщки використання шовних матерiалiв, скоб, клею, як розвиток запально! реакцп у вщповщь на наявнiсть стороннiх матерiалiв у ранi, загроза розповсюдження шфекцш порожнистих органiв чи загроза стенозування анастомозiв [1].

Високочастотна зварка живих тканин, розроблена 1ЕЗ iм. С.О. Патона НАН Укра!ни в тюнш спiвпрацi з провiдними медичними оргашзащями Укра!ни, показала свою ефективнiсть i успiшно використовуеться в хiрургiчнiй практищ починаючи з 2002 року (рис. 1-2). За цей час освоено понад 150 рiзних хiрургiчних методик i успiшно виконано понад 100 тисяч хiрургiчних операцiй в таких областях як загальна i абдомшальна хiрургiя, травматологiя, пульмонологiя, проктологiя, уролопя, гiнекологiя, офтальмологiя та iн.

а) б)

Рис. 2. Мюце зварного з'еднання при високочастотному кишковому aHacTaM03i: а) тсля

зварки, б) при гiдрaвлiчних випробуваннях

Метод високочастотно'1 зварки м'яких живих тканин забезпечуе:

• надiйнiсть з'еднання тканин без застосування шовних матерiалiв, дужок, кле'1'в та iн.;

• вщсутнють некрозу тканин i стороншх тiл в ранi;

• герметичнють з'еднань;

• зниження втрати кров^ а також зменшення тривалостi операцш;

• вiдсутнiсть нагноень;

• скорочення перюду реабштацп в пiсляоперацiйний перюд;

• акуратнiсть i точнiсть розтину тканин;

• надшний гемостаз;

• швидке, зручне та надiйне проведення хiрурriчних втручань;

• спрощення проведення операцш;

• вщсутнють диму пщ час проведення операцiй, а також шших факторiв, що шкiдливо впливають на здоров'я хiрурга.

Також в лiтературi вiдзначають важливiсть оцiнки запасу мшносп, який може мати електрозварне з'еднання при навантаженнях [2-3].

При чому саме дослщження зварних анастомозiв кишечника з допомогою комп'ютерного моделювання вiдкривае широкi перспективи аналiзу даних, завдяки вщсутносп необхiдностi у спещальнш матерiально-технiчнiй базi, економп ресурсiв та часу.

Говорячи про наукову новизну, можна сказати, що у робот розкрито можливють дослщження мшносп зварних анастомозiв за допомогою комп'ютерного моделювання, виявлено доцшьнють замiни живого матерiалу в дослiдженнях на комп'ютерну модель, дослщжено

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

перспективи використання 3D-моделей для визначення точних характеристик po3MipiB швiв та

мiцностi, ашмацп процеав, що вiдбуваються в органiзмi людини.

Objective. Метою роботи було моделювання 3D-моделi тонко'! кишки 3i зварним анастомозом, моделювання навантаження на шов при одномоментному зварюванш тонкого кишечника та досшдження реакцп зварних анастомозiв на радiальний розтяг.

Materials and methods. При вивченш процесу утворення зварного анастомозу та його подальшого функщонування необхiдно знати точнi геометричш характеристики шва, механiчнi напруження, перемщення, деформацп, тканини. Експериментально визначити щ величини складно або неможливо через надто малий об'ем тканини. Тому найкращим шляхом е саме комп'ютерне моделювання.

Так, першим етапом у робоп е побудова об'екта дослiдження. Одним iз важливих факторiв аналiзу мщносп кишки зi зварним швом е його товщина. Для того, щоб визначити цю товщину необхiдно провести моделювання тиску на тканину кишки, як при зварюваш. Для моделювання зварювання було обрано два однакових елемента кишки, довжиною по 50 мм кожен, дiаметром 25 мм, та товщиною спнки 0,2 мм. Ц елементи були змодельованi, як при реальнш циркулярнiй одномоментнiй зварщ, з двома круглими електродами товщиною 3 мм (рис. 3).

Рис. 3. Спрощена 3D-модель тонко'!' кишки з мщними електродами всерединi

Матерiал стiнки тонко! кишки передбачався лшшним, однорiдним, iзотропним i iдеально пружним з мехашчними характеристиками: модуль Юнга для тканин спнки Е = 3,27 МПа, границя мщносп Ом= 0,9 МПа, коефщент Пуассона V = 0,405 i густина р = 1036 кг/м3 [4-5]. Матерiал для мщних електродiв був заданий з допомогою бази даних матерiалiв, наявно! у середовищi SolidWorks. Для шва було створено окремий матерiал, з використанням iншого модуля пружносп, оскiльки внаслiдок зварювання у тканинах шва вщбулася втрата рiдини.

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

Таким чином було отримано 3D-модель тонко! кишки з мщними електродами всередиш,

повшстю готово! до моделювання процесу циркулярно! одномоментно! зварки (рис. 3).

Дaлi з допомогою SolidWorks Simulation було проведення моделювання зварки при нaпрузi U = 65 B, i частот f = 66 кГц з використанням трьох режимiв тиску на бiологiчну тканину: 5,714-105 Па, 7Д42405 Па та 10-105 Па. Так було створено два фшсоват крiплення на крайшх гранях моделi (рис. 4, позначено зеленими стршками), та створено тиск на мщш електроди (рис. 4, позначено червоними стршками).

Рис. 4. - Налаштування кршлень та навантажень для моделювання зварки

Так, можемо бачити, що при моделюванш найбшьшого тиску в 1 МПа, найбшьше напруження спостерiгaeться саме на електродах, тодi як тканини кишки залишаються у вiдносному спокою (рис. 5). При чому це значення е бшьшим вiд грaницi мiцностi тканин, що дозволяе кишцi та шву лишатись герметичними.

1

Рис. 5. Епюра напруження при моделювaннi тиску електродiв в 1 МПа

-

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC Щ

Значно! деформацп зазнае лише тканина мiж електродами. При чому, як видно з епюри

перемiщень (рис. 6), шов не тшьки зминаеться тд дiею електродiв, а й починае виступати вверх над кишкою, хоч це перемщення е незначним.

UMS (mml

Рис. 6. Епюра перемщення при моделюванш тиску електродiв в 1 МПа

Дaлi з проведених симуляцш зварювання було iмпортовaно деформоваш тiлa, то з допомогою шструменту «Вимiряти/з точки в точку» було вимiряно геометричнi характеристики деформованого шва (рис. 7), результати представлеш у таблиц 1.

Рис. 7. - Приклад визначення товщини шва (dZ)

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

Табл. 1. Геометричш характеристики деформованих швiв

Тиск на бюлопчну тканину, Па Товщина шва (dZ), мм Висота шва (dY), мм Глибина шва (dX), мм

5,714-105 0,38 0,01 2,98

7Д42-105 0,35 0,03 2,93

10405 0,31 0,03 2,93

Так, за результатами моделювання зварки можемо бачити, що розмiр шва напряму залежить вщ параметрiв зварки.

З допомогою отриманих характеристик було побудовано три моделi тонко! кишки зi зварними анастомозами рiзноi товщини для подальшого проведення дослiдження на радiальний розтяг. Було проведено моделювання радiального розтягу кишки з тиском вщ 5 мм рт. ст. до 100 мм рт. ст. Також розраховаш граничш значення тиску для кожно! з моделей, при яких напруження е бшьшим вщ межi мщносп та вiдбуваеться розгерметизацiя кишки. Для цього спочатку у SolidWorks Simulation було задано фшсоване крiплення крайшх граней моделi, а також задано напрям дп тиску для радiального розтягнення (рис. 8).

Рис. 8. Налаштування крiплень та навантажень для моделювання радiального розтягу

Пiсля проведення моделювання було отримано деформований результат, а також епюри напруження, перемщення та деформацп. Так, на рисунку 9 зображено графш з обмеженим розподшом напруження, на якому можна бачити, що найбшьше напруження при радiальному розтягненнi припадае саме на стшки кишки, тодi як зварний анастомоз мае значно меншi напруження.

Рис. 9. - Епюра обмеження розподшу напруження в кишщ

Так з отриманих результатв видно, що змiна дiаметру кишки прямо залежить вщ величини тиску при радiальному розтягуваннi (рис. 10), при чому зварний анастомоз, е мщшшим внаслiдок сво!х геометричних та мехашчних властивостей. Також можна спостер^ати, що змiна дiаметру кишки при заданому тиску не залежить вщ товщини зварного шва. Максимальне збшьшення дiаметру кишки до 11 розгерметизаци становить 6 мм (збiльшення дiаметру до 31 мм. А от граничний тиск, при якому i вiдбуваеться розгерметизацiя вiдрiзняеться у моделей з рiзною товщиною шва.

Змша диметру тонко! кишки взалежносл вЩ тиску на радтльний розтяг

0 S 10 15 20 30 40 50 60 70 SO 90 100 104 lob

Тиск, нм рт. ст.

Тиск на бюлопчну тканину 5,714-ЮБПа.тт>вщннэ ир.пГ.ТС. мм —Тиск набюлсгЬнутнаннну 7,142-105 Па, товцинатива 0,35 мм — 'иск на (тлопчну тканину ТО' 105 Па.татцнна шза 0,31мм

Рис. 10. Залежнiсть дiаметру тонко! кишки вщ тиску при радiальному розтягу

Також видно, що кишка витримуе значш радiальнi навантаження. Так, для тонко! кишки з товщиною зварного шва 0,38 мм граничним значенням тиску е 105 мм рт. ст. або ж 0,14 МПа, при якому вщбуваеться розгерметизащя кишки (рис. 11, червоним кольором позначена розгерметизащя кишки).

von Möej (N/mA2)

Phc. 11. Enropa Hanpy^eHb npu rpaHHHHOMy THCKy 105 mm pT. ct., TOB^HHa mBa 0,38 mm.

KHmKH 3 T0B^HH0ro 3BapHoro mBa 0,35 mm rpaHHHHHM 3HaneHHAM THCKy e 104 mm pT. ct. aöo ^ 0,138 Mna, a npu tob^hm mBa 0,31 mm rpaHHHHHM 3HaneHHAM THCKy e 100 mm pT. ct. aöo ^ 0,13 Mna (raö.n. 2).

Taön. 2. 3HaneHHa Be^HHHHH giaMeTpy i 3agaHoro THCKy npu pagia.nbHOMy po3Tary Mogem

THCK Ha öio.noriHHy TKaHHHy THCK Ha öio^orinHy TKaHHHy THCK Ha öio^orinHy TKaHHHy

Thck, 5,714-105 na, TOB^HHa mBa 0,38 mm 7,142-105 na, TOB^HHa mBa 0,35 mm 10-105 na, TOB^HHa mBa 0,31 mm

MM pT. ct. MaKCHMa^bHe ^iaMeTp MaKCHMa^bHe ^iaMeTp MaKCHMa^bHe ^iaMeTp

nepeMi^eHHa, KHmKH, nepeMi^eHHA, KHmKH, nepeMi^eHHA, KHmKH,

MM MM MM MM MM MM

5 0,1545 25,709 0,1507 25,7014 0,1531 25,7062

10 0,3062 26,0124 0,2998 25,9996 0,3078 26,0156

15 0,4702 26,3404 0,4499 26,2998 0,46 26,32

20 0,6269 26,6538 0,603 26,606 0,6096 26,6192

30 0,9389 27,2778 0,9002 27,2004 0,9201 27,2402

40 1,254 27,908 1,206 27,812 1,219 27,838

50 1,516 28,432 1,516 28,432 1,532 28,464

60 1,878 29,156 1,8 29 1,838 29,076

70 2,217 29,834 2,102 29,604 2,136 29,672

80 2,431 30,262 2,4 30,2 2,447 30,294

90 2,788 30,976 2,701 30,802 2,753 30,906

100 3,032 31,464 3,031 31,462 3,063 31,526

104 3,156 31,712 3,134 31,668

105 3,288 31,976

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

Можемо спостер^ати, що при бiльшiй товщинi шва граничний тиск до розгерметизацп кишки

також е бiльшим, тобто спостерiгаeться лшшна залежнiсть. Це може пояснюватись таким ^6i стримуючим ефектом, що чинить зварний шов при надуванш кишки.

Значення граничного тиску розгерметизацп кишки е значно бшьшими вiд тиску, який природньо розтягуе кишку в органiзмi людини. Так тиск, що вщповщае середнiй амплiтудi найбiльш частих скорочень кишок за цикл становить близько 7 кПа. Тошчне напруження в верхньому i нижньому стравохщних сфiнктерах, «замикаючих» стравохiд з обох сторш становить 20-30 см вод. ст. (близько 2-3 кПа) А первинна хвиля перестальтики, що виникае при ковтанш створюе тиск приблизно 70-90 см вод. ст. (близько 7-9 кПа) i може сягати 14 кПа [4]. Тодi як граничний тиск, при якому вщбуваеться розгерметизацiя кишки становить 13-14 кПа,. При чому навiть за такого тиску шов лишаеться герметичним.

При порiвняннi отриманих даних з даними, що були отримаш при проведенш практичного дослiдження [5], можна бачити певш вiдмiнностi (рис. 12). Таке вщхилення ймовiрно пов'язане з неточшстю вимiрювання товщини кишки при проведенш експерименту на практищ.

Пор1вняння отриманих результат рад1ального навантаження з результатами експериментального досшдження

0 5 10 15 20 30 10 50 60 70 80 90 100 104 105 пдравлячнийтиск, мм рт ст.

■Результат комп'ютерного моделювання -сзул-~йти експериментального доел ¡дження

Рис. 12. Графiк порiвняння отриманих результатiв з практичними

Також з отриманого графшу видно, що для при експериментальному дослiдження не е можливим вимiряти змiну дiаметру кишки з точнiстю бiльш як 1 мм, що в результат дае результати, що потребують апроксимацп, тодi як результати комп'ютерного моделювання вказують на точнi змiни дiаметру (табл. 2), внаслiдок чого можна спостер^ати плавний процес надування кишки на

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

графшу. Це в свою чергу, знову ж таки, тдкреслюе доцшьшсть проведення комп'ютерних

дослщжень, що дозволяють вимiрювати i будувати моделi з точнiстю то мiкрометрiв.

Conclusions. Моделювання зварки у середовищi SolidWorks дозволяе визначити точнi геометричш характеристики зварного шва, а також мехашчш напруження, перемiщення та деформацп, що вiдбуваються при зварцi. Ц ж величини можна визначити при моделюванш радiального навантаження на кишку зi зварним анастомозом. При дослщженш мiцностi анастомозiв при радiальному розтягу було вiдмiчено, що змiна дiаметру кишки прямо залежить вiд значення тиску, що дiе на не!, i не залежить вiд товщини зварного шва. Максимальш напруження в тканиш анастомозу iстотно меншi напруги в самш кишцi.

Disclaimers: The author declares that they have no financial or personal relationships that may have inappropriately influenced them in writing this article.

Conflict of interest statement: The authors state that there are no conflicts of interest regarding the publication of this article.

ORCID 0000-0002-8692-6677 Alexei V. Lebedev

ISSN 2311-1100

REFERENCES:

1. Патон Б. Е. Электрическая сварка мягких тканей в хирургии / Б. Е. Патон. // Автоматическая сварка. - 2004. - №9. - С. 1-11.

2. Взгляд на механическую прочность анастомоза / Ф. Ш.Алиев, С. Б. Азизов, П. И. Лейманченко, А. Г. Крутских. // Тюменский медицинский 52 журнал. - 2014. - С. 52-55.

3. Подпрятов С. С. Вплив перетворень у стшщ тонко! кишки при створенш електрозварних анастомозiв рiзного типу на розривну мщшсть зеднання / С. С. Подпрятов, С. С. Подпрятов, С. Г. Гичка, В. Г. Гетьман, А. В. Макаров, Г. С. Маринський, В. А. Ткаченко, С. В. Ткаченко, О. В. Чернець, Д. В. Тарнавський // Хiрургiя Укра!ни. - 2018. - № 3. - С. 57-62. [cited 05 September 2020]. Available from: http://nbuv.gov.ua/UJRN/KhU_2018_3_12

4. Хайдарова Л. Р. Биомеханический анализ анастомозов толстого кишечника / Л. Р. Хайдарова, Л. Ю. Коссович, А. А. Голядкина, А. В. Полиенко. // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2014 : материалы Всерос. школы-семинара. / под ред. проф. Д. А. Усанова. - Саратов: Изд-во Саратовский источник, 2014. - С. 134-136.

5. Фесюк Т. А. Зварювання бюлопчних тканин: маг. Робота / Фесюк Т. А. - Ки!в, 2011.

ISSN 2311-1100

PLAGIARISM REPORT: