CC BY
30
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
%
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.9.048.6 : 66.021.3 Д. Д. НОВИКОВ
Д. Д. ЛЕБЕДЕВД М. Д. ХДЗДНОВ
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ АЦЕТОБУЛЯРНОГО КОМПОНЕНТА ЭНДОПРОТЕЗА______________________________
В результате проведенных исследований показано, что использование высокоамплитудного низкочастотного ультразвука для извлечения ацетобулярного компонента при операциях ревизионного эндопротезирования перспективно. Использование волновода-инструмента типа тройная «елочка»—позволяет в зависимости от условий свободы доступа к операционному полю применять либо один элемент, либо два, либо три, причем эффективность закрепления инструмента в полимерной чашке эндопротеза зависит от глубины погружения «елочки», при этом величина требуемого статического давления на волновод-инструмент относительно не велика и не превышает 5 кг, что является приемлемой величиной как для врача, так и для пациента.
Ключевые слова: высокоамплитудный низкочастотный ультразвук, ревизионное эндопротезирование, ацетобулярный компонент, волновод-инструмент.
На сегодняшний день эндопротезирование суставов стало рутинной операцией. Во всем мире миллионы людей живут с искусственными суставами. По мере того, как увеличивается количество имплантированных эндопротезов, а также продолжительность их эксплуатации, часть искусственных суста-
вов начинает изнашиваться или приходить в негодность. При этом необходима операция по замене эндопротеза, которая носит название ревизионного эндопротезирования. В то время как техника первичного эндопротезирования уже давно стандартизирована во всем мире, ревизионное эндопротезирование явля-
Рис. 1. Ацетабулярный компонент (чашка эндопротеза)
ется достаточно непредсказуемой операцией, требующей от хирурга творческого подхода и большого профессионализма [1].
Наиболее частыми причинами показаний к ревизионному эндопротезированию являются [2]:
— нестабильность соединения эндопротеза с бедренной и тазовой костями
— инфекция эндопротеза
— перелом кости, к которой фиксирован компонент эндопротеза
— механическая поломка эндопротеза
— изнашивание деталей эндопротеза
Все эндопротезы состоят из двух основных частей. Бедренный компонент эндопротеза предназначен для замещения головки и шейки бедренной кости и состоит из ножки и головки эндопротеза. Ацетабулярный компонент (чашка эндопротеза) (рис. 1), устанавливается в замен суставной впадины тазобедренного сустава. Эта часть эндопротеза выполняется из металла с вкладышем из биосовместимой пластмассы, который предназначен для улучшения скольжения деталей и дополнительной амортизации. Для ревизионного эндопротезирования может быть использована специальная чашка. Такой выбор необходим при разрушении костей около установленной чашки эндопротеза, а также при выраженном локальном остеопорозе. Дизайн такой чашки разработан так, что вес пациента распределяется по большей площади металлической поверхности, что способствует более надежному креплению и снижению риска последующего расшатывания укрепленной чашки эндопротеза. Компоненты цементных эндопротезов фиксируются к костям при помощи специального метил-метакрилатного цемента.
Техника ревизионного эндопротезирования сильно отличается от первичной установки эндопротеза. Одна из причин этого — значительная потеря костной ткани вокруг первично установленного эндопротеза, который должен быть удален. Кроме того, перед установкой нового искусственного сустава, остатки цемента в бедренном канале и ацетабулярной впадине также должны быть удалены. После подготовки костных поверхностей суставной впадины и бедренного канала устанавливаются компоненты нового эндопротеза.
Одной из проблем ревизионного эндопротезирования, требующей индивидуального подхода, является удаление ацетабулярного компонента (чашки) эндопротеза. Сложность доступа к этому компоненту, связанная с ограниченностью операционного поля
и отсутствием удобных для захвата участков чашки, приводит к необходимости принятия радикальных мер по удалению, связанных с разрезанием, распиливанием и фактически выламыванием этого компонента по частям. Такие действия неизбежно приводят к значительным потерям костной массы, вокруг первично установленного ацетабулярного компонента эндопротеза. Поскольку обязательной частью чашки эндопротеза является полимерный вкладыш из биосовместимой пластмассы, было предложено для упрощения процедуры изъятия старого ацетабулярного компонента при проведении ревизионного эндопротезирования использовать возможности контактного низкочастотного ультразвука. Как известно [3], под действием ультразвуковых колебаний термопластичные полимерные материалы размягчаются и плавятся, а после прекращения действия ультразвука вновь застывают. На основании этих свойств очевидным представляется вариант введения специального инструмента в полимерный вкладыш извлекаемого ацетабулярного компонента эндопротеза с наложением ультразвуковых колебаний, и после застывания места введения, последующего использования полученной конструкции для облегчения извлечения чашки эндопротеза.
Для реализации предложенного способа извлечения ацетабулярного компонента эндопротеза был разработан, рассчитан и изготовлен соответствующий ультразвуковой инструмент [4, 5]. Он рассчитан на применение в составе ультразвукового травматологического аппарата «Ярус». С целью определения возможной эффективности его применения, были проведены исследования по оценке влияния формы инструмента и глубины его погружения в полимерный вкладыш на усилие разрыва при извлечении волновода-инструмента.
Очень перспективным в данном приложении является использование в качестве рабочего участка волновода-инструмента конических компонентов типа «елочка», вводимых в полимерный материал. При их применении благодаря большому количеству острых граней увеличивается площадь контакта (рис. 2). Коническая форма обеспечивает вклинивание при нагрузке, хотя это и может вести к оседанию ацетабулярного компонента [6]. Массивная основная часть инструмента обеспечивает ему повышенную нагрузочную способность, с одной стороны, и позволяет за счет правильного выбора диаметров вводимых частей обеспечить необходимую амплитуду колебаний «елочки».
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012
Рис. 2. Волновод - инструмент и рабочая часть типа «елочка»
Для проведения исследований была разработана и изготовлена испытательная установка (рис. 3б).
В качестве генератора ультразвуковых колебаний использована одна из модификаций аппарата «Ярус», у которой цепи управления и силовой части разнесены по питанию. Силовая часть запитана через ЛАТР, а управляющие схемы напрямую от сети, что позволило в значительных пределах менять мощность ультразвуковых колебаний и поддерживать ее относительно стабильной. Излучатель использовался типовой от аппарата «Ярус» со специально разработанным и изготовленным волноводом — инструментом типа «тройная елочка».
Для обеспечения надлежащих условий ввода ультразвуковых колебаний и создания тесного контакта поверхностей прикладывается давление между волноводом и полимерной чашкой эндопротеза. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего окончания волновода на эндопротез. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне вхождения. Динамическое усилие Б, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагреву материала, а действие статического давления Рст. обеспечивает проникновение рабочего окончания инструмента типа «елочка» вглубь полимерной чашки.
Основными параметрами ультразвукового воздействия, характеризующими выделение энергии в зоне соединения, является: амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм); частота колебаний f (кГц); продолжительность ультразвукового воздействия 1 (с);
статическое давление Рст. /Па/ или усилие прижатия Б /н/ волновода к материалу.
Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необходимое для соединения, зависит от амплитуды колебаний и давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства соединений могут быть достигнуты при меньшем времени, и наоборот. Определяющим параметром режима ультразвукового воздействия является амплитуда колебаний рабочего торца волновода, которая выбирается в пределах 30 — 50 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество соединения. Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественного соединения, связана с величиной давления и, кроме того, зависит от формы и геометрических размеров как волновода-инструмента (в части формы и размеров рабочего окончания) так и формы, размеров, и типа извлекаемого ацетабулярного компонента эндопротеза. Оптимальные параметры режима ультразвукового воздействия также зависят от свойств материала чашки эндопротеза и возможностей доступа к ней в операционном поле [3].
В качестве образца для испытаний была выбраны ацетабулярные компоненты в виде чашек из высокопрочного полиэтилена (рис. 1). Методика проведения экспериментов достаточна проста. На испытательной установке (рис. 3) жестко закреплен пъезокера-мический излучатель от аппарата «Ярус». На испытательном столике установлена чашка эндопротеза из высокопрочного полиэтилена. Испытательный сто-
Уровень вклинивания 1 — «елочка» 2 — «елочки» 3 — «елочки»
Глубина вклинивания 1 конус 2 конуса 3 конуса 1 2 3 1 2 3
Усилие разрыва, Н 100 400 600 250 690 750 400 900 1100
■
—♦—1 конус
2 конуса
со конуса
Уровень вклинивания
Рис. 4. График экспериментальных данных
лик через установленную на нем чашку прижимается к рабочим окончаниям установленного на излучатель волновода-инструмента типа тройная «елочка». Усилие поджатия задается весовым механизмом установки и не меняется при вводе волновода-инструмента в материал чашки эндопротеза.
Поскольку в зависимости от возможностей доступа к операционному полю волновод-инструмент может быть сориентирован либо на ввод одной «елочки», либо на ввод двух «елочек», либо на ввод всех трех «елочек» (уровень вклинивания), особый интерес для исследования представляет оценка влияния количества вводимых «елочек» на величину усилия разрыва. Другим важным моментом является глубина введения инструмента (глубина вклинивания) на величину усилия разрыва. Для определения величины усилия разрыва использовалась стандартная разрывная машина тип Р-05.
Все полученные данные занесены в табл. 1. По данным из таблицы построены графики, приведенные на рис. 4.
Полученные кривые указывают на перспективность использования предложенного метода извлечения ацетобулярного компонента при операциях ревизионного эндопротезирования. Предложенная методика позволяет извлекать чашку этдопротеза после предварительного «раскачивания» с небольшими костными потерями и сократить время извлечения.
Поскольку использование инструмента типа «елочка» формирует в теле полимерной чашки цилиндрические отверстия, куда затекает плавящаяся пластмасса, фиксирующая после застывания инструмент в ацетабулярном компоненте, представляется перспективным выполнить окончание инструмента в виде сужающейся спирали, а не в виде «елочки», что должно обеспечить более эффективное затекание поли-
мера в спиральный желоб инструмента и более жесткое удержание его в чашке эндопротеза.
Выводы.
1. Результаты проведенных исследований указывают на перспективность использования высоко амплитудного низкочастотного ультразвука для извлечения ацетобулярного компонента при операциях ревизионного эндопротезирования.
2. Использование волновода-инструмента типа тройная «елочка» позволяет в зависимости от условий свободы доступа к операционному полю применять либо один элемент, либо два, либо три, причем эффективность закрепления инструмента в полимерной чашке эндопротеза зависит от глубины погружения «елочки» на один, два или три фрагмента соответственно.
3. Величина требуемого статического давления на волновод-инструмент относительно не велика и не превышает 5кг, что является приемлемой величиной как для врача, так и для пациента.
Библиографический список
1. Haydon, C.M. Revision total hip arthroplasty with use of a cemented femoral component. Results at a mean of ten years / C.M. Haydon [et al.] // J. Bone Joint Surg. — 2004. — Vol. 86-A, N 6. - P. 1179-1185.
2. Неверов, В. А. Ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава / В. А. Неверов, С. М. Закари. — СПб. : Образование, 1997. — 112 с.
3. Мозговой, И. В. Основы технологии ультразвуковой сварки полимеров / И. В. Мозговой. — Красноярск : Изд. Красноярского университета, 1991. — 278 с.
4. Новиков, А. А. Новая технология эндопротезирования с применением высокоамплитудного низкочастотного ультразвука / А. А. Новиков, Л. Б. Резник / Биомедицинская техника и технологии : матер. первой Всерос. науч.-техн. конф. — Вологда, 2006. — С. 67 — 68.
5. Новиков, А. А. Разработка ультразвукового инструмента с повышенной частотной устойчивостью / А. А. Новиков, Д. А. Негров, Шустер Я. Б. // Динамика систем, механизмов и машин : матер. III Межд. науч.-техн. конф. — Омск, 1999. — С. 81—82.
6. Николаев, А.П. Оценка результатов эндопротезирования тазобедренного сустава / А .П. Николаев, А. Ф. Лазарев, А. О. Рагозин // Эндопротезирование крупных суставов : матер. симп. — М., 2000. — С. 78 — 79.
НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
ЛЕБЕДЕВА Дарья Александровна, магистрант группы ИМ-620 кафедры «Информационно-измерительная техника».
ХАЗАНОВ Максим Александрович, аспирант кафедры «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Адрес для переписки: yaris952@mail.ru
Статья поступила в редакцию 06.12.2011 г.
©А. А. Новиков, Д. А. Лебедева, М. А. Хазанов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №1 (107) 2012 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
