CC BY
105
ПЕННЕР Виктор Андреевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Метрология и приборостроение».
Адрес для переписки: реппег1102@шаі1.т
АНДРЕЕВА Кюннэй Егоровна, студентка гр. П-519 кафедры «Метрология и приборостроение».
Адрес для переписки: kunnewke @шаі1.ги
Статья поступила в редакцию 26.03.2014 г.
© В. А. Пеннер, К. Е. Андреева
УДК 621.9.048.6 Д. д. ЛЕБЕДЕВА
А. А. НОВИКОВ Д. А. НЕГРОВ
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА НОВОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЛНОВОДА-ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ РЕВИЗИОННОГО ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЯ______________________________________
В результате исследования был разработан, рассчитан и изготовлен ультразвуковой хирургический волновод-инструмент, который обеспечивает необходимую амплитуду колебаний рабочего окончания при высокой нагрузочной способности при удалении ацетабулярного компонента эндопротеза. Использование волновода-инструмента позволяет извлекать чашку эндопротеза после предварительного «раскачивания» с небольшими костными потерями, а также сократить время извлечения.
Ключевые слова: высокая нагрузочная способность, ревизионное эндопротезирование, ацетобулярный компонент, волновод-инструмент.
На сегодняшний день эндопротезирование является наиболее эффективным методом при лечении тяжелых травм и заболеваний тазобедренного сустава. Количество первичных эндопротезирований год от года неуклонно возрастает. Это обусловлено как увеличением уровня заболеваемости тазобедренного сустава, в частности шаровидной головки, шейки бедренной кости и вогнутой округлой вертлужной впадины, так и их травм, приводящих к эндопротезированию. Пропорционально количеству первично установленных эндопротезов растет и число ревизионных эндопротезирований. Основной трудностью в ревизионном эндопротезировании является замена тазобедренного ацетобулярного компонента эндопротеза.
Данный эндопротез состоит 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), устанавливается в замен вертлужной впадины тазобедренного сустава. Так как обязательной частью чашки эндопротеза является полимерный вкладыш из биосовместимой пластмассы, то использование пластмассы требует и соответствующих возможностей по ее обработке, как на предварительных стадиях, так и интраоперационно.
Одним из эффективных способов внешнего воздействия на пластмассы является воздействие энергии ультразвуковых колебаний [1]. Волноводы-инструменты в известных ультразвуковых аппаратах для травматологии и хирургии выполнены в соответствии с требованием обеспечения резонансного режима
всей акустической системы, а их торцевые части имеют размеры и форму согласно лечебному предписанию и не предназначены для удаления отдельных элементов эндопротеза при ревизионном эндопротезировании [2]. Для обеспечения выполнения этой функции основная задача — разработка волновода-инструмента, обеспечивающего необходимую амплитуду колебаний рабочего окончания (выбор формы которого тоже является одной из задач разработки) при высокой нагрузочной способности.
В качестве базового варианта был выбран конструктив составного волновода-инструмента типа «тройная елочка на основании» [3]. Данный ультразвуковой волновод представляет собой комбинированную конструкцию, состоящую из одного цилиндрического и трех съемных экспоненциальных элементов.
Волновод-инструмент состоит из полуволновых цилиндрического 1 и экспоненциальных элементов 2, окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» 3 (рис. 1а). Экспоненциальные элементы с диаметром основания й расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром Д выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром Б1 = Б — 2й, а сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град (рис. 1б).
Окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» обшей длиной 1 <0,21, где 1 — длина волны, причем первый элемент «елочки» выполнен в виде конуса под углом при вершине 60 град, а второй и третий
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
Рис. 1. Чертеж ультразвукового волновода-инструмента типа «Тройная елочка»
Рис. 2. Волновод-инструмент «Тройная елочка»
элемент — в виде усеченного конуса под углом при вершине 35 град (рис. 2).
Для повышения эффективности проникновения волновода-инструмента в ацетабулярный компонент эндопротеза необходимо выполнение следующих требований к волноводной системе:
1) ультразвуковой инструмент должен обеспечивать требуемую амплитуду колебаний при заданной выходной площади инструмента;
2) динамические напряжения не должны превышать предела выносливости материала ультразвукового инструмента;
3) ультразвуковой инструмент должен работать в режиме устойчивого резонанса при изменении, в процессе проникновения в эндопротез, действующей на него технологической нагрузки.
При проектировании ультразвукового волновода-инструмента заданная выходная площадь инструмента (определяемая размерами ацетабулярного компонента эндопротеза) накладывает ограничения по коэффициенту усиления К:
Ч-
(2)
Ку=Авх /
(1)
где атах — максимальное напряжение в волноводе.
Условие, сформулированное в третьем пункте, можно оценить устойчивостью собственной частоты колебаний волновода к изменению технологической нагрузки:
П=А^\
М
-1
(3)
где Авх и Авых — входная и выходная амплитуда колебаний волновода. Необходимо учитывать, что чем больше коэффициент усиления, тем больше динамические напряжения, возникающие в волноводе, выше потери энергии в волноводной системе и ниже устойчивость акустической системы к нагрузке. Таким образом, амплитуда на рабочем торце волновода-инструмента должна быть достаточной для обеспечения беспрепятственного проникновения его в материал эндопротеза.
Соответствие рассчитанного волновода второму пункту требований может быть оценено как:
где А^ — изменение технологической нагрузки, приводящее к рассогласованию системы;
А/ — изменение резонансной частоты системы под действием технологической нагрузки.
Очевидно, что чем больше показатель частотной устойчивости (О), тем более целесообразно применение волновода в ревизионном протезировании с изменяющейся нагрузкой.
Расчет такого волновода-инструмента является комплексной задачей, решаемой относительно двух противоположных вариантов: максимальной частотной устойчивости при заданном коэффициенте усиления и максимального коэффициента усиления при заданной частотной устойчивости.
В процессе проникновения в ацетабулярный компонент эндопротеза, изготовленного из биосовмес-тимой пластмассы, амплитуда выходных колебаний непосредственно зависит от коэффициента усиления волновода и определяется технологическими задачами. Вследствие недостаточной частотной устойчивости амплитуда колебаний уменьшается, что приводит к резкому снижению эффективности работы волновода во время операции. Поэтому первый вариант является более предпочтительным. Он может быть реализован при рациональной геометрии
б
а
Рис. 3. Расчет ультразвукового волновода-инструмента «Тройная елочка»
волновода, из условия обеспечения максимальной частотной устойчивости при амплитуде необходимой для проникновения в ацетабулярный компонент эндопротеза.
Показатель устойчивости собственной частоты колебаний к изменению нагрузки определяли по формуле [4]:
Используя существующие методы расчета ультразвуковых инструментов [2], был сконструирован ультразвуковой волновод-инструмент типа «Тройная елочка», размеры которого представлены на рис. 3.
В результате исследования был разработан, рассчитан и изготовлен соответствующий ультразвуковой хирургический инструмент для удаления компонента эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов, который позволяет извлекать чашку эндопротеза после предварительного «раскачивания» с небольшими костными потерями, а также сократить время извлечения [5].
Библиографический список
1. Мозговой, И. В. Основы технологии ультразвуковой сварки полимеров / И. В. Мозговой. — Красноярск : Изд. Красноярского ун-та, 1991. — 278 с.
2. Новиков, А. А., Резник Л.Б. Новая технология эндопротезирования с применением высокоамплитудного низкочастотного ультразвука / А. А. Новиков, Л. Б. Резник // Биомедицинская техника и технологии : материалы первой Всерос. науч.-техн. конф. — Вологда, 2006. — С. 67 — 68.
3. Новиков, А. А. Оценка применимости низкочастотного ультразвука для удаления ацетобулярного компонента эндопротеза / А. А. Новиков, Д. А. Лебедева, М. А. Хазанов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 1 (107). - С. 262-265.
4. Негров, Д. А. Ультразвуковые колебательные системы
для синтеза полимерных композиционных материалов : моногр. / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин, А. А. Новиков, Л. А. Шестель. -
Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 132 с.
5. Заявка 073278 Российская Федерация, МПК7 А 61 В 17/32. Ультразвуковой волновод инструмент для хирургии / Новиков А. А., Лебедева Д. А. ; заявитель Омский гос. тех. ун-т. -№ 2013147143/20 ; заявл. 22.10.13. - 7 с.
ЕГ-1 Ач^ +а _ ЕГ _ +1 -(а/ -р^дР/Ц)
1-А Р/ Еі-1Г/-1 / 1 / 1Ч , +а; ё В/Г/ /-1 ' ] їдР/Х/
—, (4)
А/
где Х=2ж//с, р; =^| 1—— , Е — модуль Юнга, — пло-
щадь поперечного сечения волновода, а — показатель экспоненты, Ь — длина участка, I — номер участка [4].
ЛЕБЕДЕВА Дарья Александровна, аспирантка кафедры «Машиностроение и материаловедение». НОВИКОВ Алексей Алексеевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение».
НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
Адрес для переписки: lebedevada@mail.ru
Статья поступила в редакцию 18.03.2014 г.
© Д. А. Лебедева, А. А. Новиков, Д. А. Негров
2
Книжная полка
Захаренко, В. А. Методы и средства бесконтактной термометрии для задач теплового контроля в промышленности : моногр. / В. А. Захаренко ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. - 146 с. -ISBN 978-5-8149-1687-7.
Монография посвящена авторским разработкам методов и средств бесконтактного измерения температуры для задач теплового контроля в промышленности. Представлен анализ научно-технической проблемы теплового контроля приборами, регистрации в инфракрасном и световом спектральных диапазонах электромагнитных излучений. Представлены результаты технических решений в новых разработках пирометрических средств и систем термографии, их применения в промышленности. Может быть полезной для студентов и магистрантов, обучающихся по направлениям 210100 «Электроника и наноэлектроника» и 200100 «Приборостроение», аспирантов и разработчиков в области пирометрии, а также для эксплуатационного персонала, специализирующегося в области теплового неразрушающего контроля.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014 ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
