ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ SOLIDWORKS ПРИ МОДЕЛЮВАННІ ЗВАРКИ ЖИВИХ ТКАНИН Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

1X1:10.608Vrr9.figshana13337873

LCC - №RD32-33.9

ОСОБЛИВОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ SOLIDWORKS ПРИ МОДЕЛЮВАНН1 ЗВАРКИ

ЖИВИХ ТКАНИН Сивець Анастас1я Юрнвна 1, Лебедев Олекс1й Володимирович 1

1 Нацюнальний технiчний ушверситет Украши «Кшвський полiтехнiчний iнститут iMern 1горя Окорського»

Corresponding author: Сивець Анастаая Юрпвна, MaricTp. Нацiональний техшчний унiверситет Украши «Кшвський полiтехнiчний шститут iMeHi 1горя Сшорського», 03506, м. Ки1в, проспект Перемоги, 37

Email: anastasiya.sivets1@gmail .com

Abstract. The method of welding biological tissues is widely used today in surgery. It reduces the negative consequences and speeds up recovery from surgery and provides timely assistance in cases where action is required quickly enough. The process of testing the tensile strength is one of the agreed indicators for comparative physical characteristics. It is still not established how exactly the physical processes occur during the stretching of the electrowelded interstitial anastomosis. Therefore, the most convenient is to use computer simulation. The SolidWorks environment fully meets the requirements, because it can be used to simulate various physical processes and it is possible to see the distribution of stress and other physical quantities within a given structure. In SolidWorks, 3-D models of the electrowelded

Анотащя. Метод електрозварювання бюлопчних тканин широко застосовуеться на даний час в хiрурrii. Вш дозволяе зменшити негативш наслщки та пришвидшити вiдновлення вiд проведеного хiрургiчного втручання та вчасно надати допомогу у випадках, коли дiяти необхщно досить швидко. Процес перевiрки мщносп на розрив е одним з узгоджених показниюв для порiвняльноi фiзичноi характеристики. Досi не е встановленим як саме вщбуваються фiзичнi процеси при розтягу електрозварного анастомозу. Тому найбшьш зручним е використання комп'ютерного моделювання. Середовище SolidWorks повнiстю задовольняе необхщним вимогам, тому що в ньому можна проводити моделювання рiзних фiзичних процесiв та е змога побачити

Dateof Fteview 06.12.2020 09:50

ISSN 2311-1100

anastomosis section and the gut section with welding electrodes were created. The created areas of the small intestine had dimensions of 22x10x0.2 mm and they were given the properties of the serous layer of the small intestine, which were obtained as a result of practical experiments performed earlier. In the SolidWorks environment, the processes occurring during welding of biological tissues were simulated and it was obtained that during the action on the tissue with a pressure of 0.5714 MPa the thickness of the welded anastomosis is 0.23 mm, during the action with a pressure of 0.7142 MPa the thickness is 0.19 mm, during action with a pressure of 1 MPa, the thickness of the anastomosis is 0.1 mm. During the deformations to which the area of the small intestine with the welded anastomosis was subjected, the tissue was not destroyed and when the pressure on the biological tissue increased, the thickness of the suture decreased. When stretching the samples, you can see that the stress is not distributed evenly and the greatest value of the stress has a welded anastomosis, ie the destruction during stretching occurs in this place.

CC-BY-NC

розподш напруження та шших фiзичних величин всередин певно! структури. В середовищi SolidWorks було створено 3-D моделi дшянки електрозварного анастомозу та дшянки кишки з електродами для зварювання. Створет дшянки тонкого кишечнику мали розмiри 22х10х0,2 мм та !м було задано властивосп шару тонкого кишечнику, яю були отримано в результат! практичних експерименпв виконаних рашше. В середовищi SolidWorks вщбувалось моделювання процеав, що вщбуваються тд час зварювання бюлопчних тканин та було отримано, що тд час дп на тканину з тиском 0,5714 МПа товщина зварного анастомозу складае 0,23 мм, тд час дп з тиском 0,7142 МПа товщина складае 0,19 мм, тд час дп з тиском 1 МПа товщина анастомозу складае 0,1 мм. При деформатях, яким була тддана дшянка тонкого кишечнику з зварним анастомозом тканина не зазнала руйнувань та при збшьшент тиску на бюлопчну тканину вщбуваеться зменшення товщини шва. При розтяганн зразюв можна побачити, що напруга розподшяеться не рiвномiрно та найбiльше значення напруги мае зварний анастомоз, тобто руйнування при розтягненш вщбуваються саме в цьому мющ. Keywords: зварювання бюлопчних тканин, електрозварний анастомоз, комп'ютерне моделювання, SolidWorks.

Section: Physiological Systems Modeling

Introduction. Електрична зварка для з'еднання розрiзiв живо! тканини та оргашв при хiгургiчних втручаннях вперше була здiйснена колективом дослiдникiв 1нститута

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

електрозварювання iM. С. О. Патона НАН Украши спшьно з вченими та спецiалiстами

експерементального вщдшу 1нститута xipyprii' та трансплантологи АМНУ [1].

Процес з'едання оргашв та тканин нагадуе контактну зварку опором та мае з нею багато спшьного [1]. Найчаспше зварка виконуеться спецiалiзованим пiнцетом (див. рис. 1-2) або одномоментно (див. рис. 3).

Рис. 3 - Одномоментна зварка кишечнику

Електрозварш анастомозу втрачають герметичшсть при бiльшому внутрiшньому тиску, шж створеш CK06K0Bi або однорядовi шовнi анастомози (рис. 4) [2, 3].

^ 60.00 £ 50.00 1 40.00

5 зо.оо

£ 20.00

I 10.00

1 0.00 О.

сг

I

Автоматично створений скобковий анастомоз

I I

Однорядний Електрозварний

шовнии анастомоз

анастомоз

Рис. 4 - Порiвняння значень гiдравлiчного тиску при якому вiдбуваеться потеря герметичности

анастомоза [2]

В робот [4] було проведено експерементальш дослiдження мiцностi лiнiйних та циркулярних електрозварних анастомозiв. В робот [5] виконано компютерне моделювання одномоментно! зварки кишечника.

Objective. Метою роботи е створення комп'ютерних моделей в середовищi SolidWorks, моделювання процесiв та дослщження лiнiйних електрозварних анастомозiв тонкого кишечнику та порiвняння з даними отриманими в [4].

Materials and methods. В середовищi SolidWorks було створено 3-D модель дшянки тонкого кишечнику для порiвняння даних отриманих в результатi моделювання розтягу кишки з даними, що було отримано експерементально в [4]. На рисунку 5 можна побачити порiвняння даних.

Рис. 5 -Порiвняння експеремнтальних даних та даних отриманих в результат моделювання в

SolidWorks

В cеpедoвищi SolidWorks було створено 3-D модель електpoдiв та тонко! кишки мiж ними ( Рис. 6).

Електродам було надано властивосп матерiалу з якого вони виготовлеш. В даному випадку, це мщь. Аналогiчно було зроблено й з дшянкою тонкого кишечника.

Для моделювання було використано двi дiлянки тонкого кишечника (розмiрами 22х10х0,2 мм), яю необхiдно пiддати зварцi бюлопчно'1' тканини.

Було змодельовано процеси, що вщбуваються з тканиною та електродом при стисненш електродiв з тиском в 0,5714 МПа, 0,7142 МПа та 1 МПа [4].

-

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

Ha pucyHKax 7-9 306pa:®:eH0 enropu Hanpyr npu CTHCHeHHi e.neKTpogiB 3 thckom b 0,5714 Mna,

0,7142 Mna Ta 1 Mna, BignoBigHO Ta po3pi3 enrop no cepegHHi, g^a Kpa^oi geMOHcrpam'i gaHHx Hanpyru b cepegHHi TKaHHHH.

ill 41 iUli

a)

Phc. 7 - Po3nogmeHHa Hanpyru npu CTHCHeHHi eneKTpogiB 3 thckom b 0,5714 Mna: a) enropa

Hanpyru; 6) po3pi3 enropu HaBnm

a)

6)

Mises (N/mA2)

f1.171e+OD6 1.074e+006 . 9,766e+005 . 8.792e+C05 . 7.817e+005 6,843 e+005 5.868e+005 4.894e+005

Phc. 8 - Po3nogmeHHfl Hanpyru npu CTHCHeHHi eneKTpogiB 3 thckom b 0,7142 Mna: a) enropa

Hanpyru, 6) po3pi3 enropu HaBnm

ниш

J

von Mises (N/mA2]

I1.MOe+OOi 1.504e+00i . 1.367e+OOi . 1,231e+COf

-O.Cß95,-0.0111,0 mm ,248e+CD5 N/mA2

■ > WWW 11

а) б)

Рис. 9 - Розподiлення напруги при стисненш електродiв з тиском в 1 МПа: а) епюра напруги, б) po3pi3 епюри навпiл

Як можна побачити з рисунюв 7-9 максимальна напруга дie на один з електродiв. Оскiльки границя мщносп для мiдi дорiвнюe 200 МПа, то можна зробити висновок, що електроди не зазнають руйнування тд час стиснення електродiв з тиском до 1 МПа.

Також з рисунюв можна побачити, що для дшянки тонкого кишечника напруга не перевищуе границю мiцностi даного матерiалу (границя мiцностi при розтягу для дано'1 кишки складае 3 МПа). А це означав, що в результат стиснення електродiв тонкий кишечник не зазнае механiчних пошкоджень. Максимальне навантаження в кишщ е лшшно пропорцiйним до значення тиску на бюлопчну тканину.

На рисунках 10-12 можна побачити епюру перемiщення при стисненш електродiв з тиском в 0,5714 МПа, 0,7142 МПа та 1 МПа, вщповщно.

Як можна побачити з рисунюв 10-12 найбшьшого перемщення зазнають електроди. При збшьшенш тиску на електроди зменшуеться товщина електрозварного анастомозу.

Phc. 10 - Enropa nepeMi^eHHfl npu CTHCHeHHi eneKTpogiB 3 thckom b 0,5714Mna

Phc. 11 - Enropa nepeMi^eHHa npu CTHCHeHHi eneKTpogiB 3 thckom b 0,7142Mna

Phc. 12 - Enropa nepeMi^eHHA npu CTHCHeHHi eneKTpogiB 3 thckom b 1 Mna

Buxoganu 3 pucyHKiB 10-12 BugHo, ^o tob^hm e^eKTpo3BapHoro aHacToMo3y CKnagae 0,23 mm, 0,19 mm Ta 0,1 mm npu CTHCHeHHi 3 thckom 0,5714 Mna, 0,7142 Mna Ta 1 Mna, BignoBigHo. Toöto

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

товщина електрозварного анастомозу е оберенено пропорцшна до значення тиску на бюлопчну

тканину.

Виходячи з отриманих даних було побудовано спрощену модель дшянки тонкого кишечнику з електрозварним анастомозом. На рисунку 13 зображено одну з трьох побудованих моделей. Вони вiдрiзняються товщиною шва, який було отримано попередньо.

Було змодельовано процеси, що вщбуваються з тонким кишечником та зварним анастомозом товщиною 0,23 мм, 0,19 мм та 0,1 мм тд час дослщженння на мщшсть. Моделювання вщбувалось так само як i при реальних дослiдженнях, тобто вщбувалось розтягнення тканини.

В середовищi SolidWorks е можливiсть вiдобразити навантаження на тканину встановлюючи мiнiмальне значення для вщображення. Дана властивiсть мае назву ISO. На рисунку 14-19 зображено епюри напруг при розтягненш дшянки тонкого кишечника з зварним анастомозом (навантаженням 1 МПа) та ISO дшянки для кращо'1 демонстрацп даних напруги в середиш тканини.

Рис. 14 - Епюра напруги при розтягненш електрозварного анастомозу товщиною 0,23 мм

PHC. 15 -ISO gmAHKH e.eKTpo3BapHoro aHacT0M03y TOB^HHOW 0,23MM

PHC. 16 - Enwpa HanpyrH npu po3TarHeHHÏ e.eKTpo3BapHoro aHacT0M03y TOB^HHOW 0,19MM

von Mises (N/mmA2 (MPa))

PHC. 17 -ISO gm^HKH e.eKTpo3BapHoro aHacT0M03y TOB^HHOW 0,19MM

Рис. 18 - Епюра напруги при розтягненш електрозварного анастомозу товщиною 0,1мм

Як можна побачити з рисунюв 14-19 максимальна напруга дiе на мюце зварного анастомозу (а саме на його краях) Саме в цьому мющ вщбуваеться руйнування тканини при експериментах. Видно, що на краях анастомозу навантаження в 1,5 рази бшьше навантаження, яке прикладено для розтягу тканини. Тому можна рахувати, що реальна прочшсть матерiалу анастомозу в 1,5 рази бшьше тиску при розтягу при якому вщбуваеться розрив електрозварного анастомозу.

З рисунку 20 можна побачити, що максимальне навантаження, яке здатна витримати тканина при розтягу не залежить вщ товщини анастомозу.

а

е н ь л а ам и

о

1,2 1

I 0,6

Jg 0,4

^ I 0,2 ан 0

0,23 0,19 0,1

Товщина анастомозу, мм

Рис. 20 - Графш залежностi максимального навантаження вщ товщини анастомозу

На рисунках 21-23 можна побачити епюри перемщення при розтягненнi дiлянки тонкого кишечнику з зварним анастомозом.

URES (mm)

1 .ОООе-ОЗО

Рис. 21 - Епюра перемiщення при розтягненш електрозварного анастомозу 0,23мм

ISSN 2311-1100 CC-BY-NC

Рис. 22 - Епюра перемщення при розтягненш електрозварного анастомозу 0,19мм

З рисункiв 21-23 видно що, оскiльки було прикладено однакове навантаження, то й перемщення е однаковим та складае 3,5 см.

Conclusions. При розтягу зразюв можна побачити, що напруга розподшяеться не piBHOMipHO та найбiльше значення напруги мае зварний анастомоз (а саме його крш), тобто руйнування при розтягненш починаеться з крав анастомозу. Розривне зусилля та перемщення не залежить вщ товщини зварного анастомозу.

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.

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. Подпрятов С.С. Фiзичнi особливосп електрозварного мiжкишкового анастомозу. Хiрургiя дитячого вшу. 2018.

3. Подпрятов С.С. Створення мiжкишвоих анастомозiв з використанням електрозварювання живих тканин. Дисертащя доктора медичних наук. Кшв. 2020.

4. Т.А. Фесюк. Зварювання бюлопчних тканин. Маг. робота. НТУУ «Кшвський полпехшчний шститут»; 2011.

5. Берестюк К., Лебедев О. Модель мщносп зварного анастомозу тонкого кишечника при радшаьному навантаженнi у середовищi SolidWorks. Биомедецинская инженерия и электроника. 2020, №2.

ISSN 2311-1100

PLAGIARISM REPORT: