Исследовать изменения проницаемости клеточных мембран под влиянием ультразвукового инструмента, в зависимости от параметров ультразвукового воздействия.

Московский Государственный технический университет

Им. Н.Э. Баумана

 

Лабораторная работа  по курсу «Основы медицинской акустики»

«Влияние хирургического инструмента на рассекаемую ткань»

 Москва, 2017

 

Цель работы: экспериментально определить амплитуду колебания рабочей части ультразвукового хирургического инструмента и исследовать влияние хирургического ультразвукового инструмента на рассекаемую ткань на модели ткани клюбня картофеля.

Задачи работы: 1) изучить теоретические предпосылки применеия ультразвука в хирургической практике; 2) ознакомиться с методом измеренич амплитуды колебания рабочей части ультразвукового хирургического инструмента; 3) провести измерения амплитуды колебания рабочей части ультразвукового хирургического инструмента; 4) ознакомиться с методом визуализацииультразвукового поля с использованием ткани клубня картофеля; 5) провести измерения влияния хирургического инструмента на проницаемость расекаемой ткани по отношению к ионам йода; 6) проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы.

Теоретическая часть

(Материал теоретической части построен на материалах литературных источников [1-5], рекомендуемых для изучения по программе Медицинская акустика»).

Инструментальная ультразвуковая хирургия, одна из основных областей использования ультразвука в оперативной хирургии.  Низкочастотные ультразвуковые колебания, наложенные на рабочую часть скальпелей, пил, трепанов и других хирургических инструментов, придают им ряд новых положительных свойств.  

Рабочая часть ультразвукового хирургического ножа имеет традиционную форму лезвия скальпеля, соединенного волноводом с магнитострикционным или пьезокерамическим преобразователем. Рабочая часть может иметь и другую форму в соответствии с требованиями выполняемой операции (Рис. 1). Амплитуда колебаний режущей кромки, в зависимости от поставленной задачи, может быть от 1 до 350 мкм, а частота выбирается в диапазоне от 20 до 100 кГц. Поскольку сила трения между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них совершает колебательные движения, то работа с ультразвуковыми инструментами требует от хирурга меньших усилий.

Характер разрушения тканей под действием ультразвукового хирургического инструмента зависит от строения его рабочей части, амплитуды и направления колебаний. Зависит он и от вязко-упругих свойств и однородности ткани. При рассечении мягких тканей ультразвуковым ножом, лезвие которого совершает продольные колебания, взаимодействует с тканью лишь кромка лезвия, обеспечивая процесс микрорезания, существенно усиливающего режущие свойства инструмента. Кроме того, у кромки лезвия колеблющегося инструмента выделяется тепло, обуславливающее гемостатическнй эффект за счет термокаогуляции крови. Так, например, применение ультразвукового скальпеля, амплитуда колебаний кромки которого лежит в интервале 15 - 20 мкм при частоте 44 кГц в 6 - 8 раз уменьшает кровотечение из мелких и средних сосудов, в 4 - 6 раз снижает усилие резания, а также существенно облегчает строго послойное разделение кожи, подкожной жировой клетчатки и рубцовоизмененного хряща. Очевидно, что если на инструмент наложены лишь продольные колебания, то его воздействие на стенки раневого канала минимально.

Для разрушения некоторых патологических образований используют специальные волноводы – дезинтеграторы рабочий конец которых, кроме продольных, совершает и поперечные колебания. Такие инструменты оказывают существенное  разрушающее влияние на ткани.

Ультразвуковые инструменты обладают явными преимуществами перед электро- или криохирургическими, так как не прилипают к поверхности раневого канала. Ультразвуковой скальпель не уступает в ряде случаев и лазерному хирургическому инструменту, так как, ощущая сопротивление ткани при операции, хирург лучше контролирует процесс ее рассечения.

В зависимости от поставленной задачи ультразвуковые инструменты могут иметь различные размеры и форму: для офталъмохирургии разработаны микрохирургические инструменты; для операций на сосудах, в дыхательных путях и пищеводе используют длинные (до полуметра длиной) и тонкие (2 - 4 мм. в диаметре) волноводы; для удаления холестериновых бляшек с внутренней поверхности крупных кровеносных сосудов используют длинный тонкий волновод с плоским кольцом на конце, который вводят в сосуд сквозь небольшой разрез и медленно продвигают вдоль сосуда, удаляя заостренным краем кольца все отложения со стенки сосуда; в костной хирургии применяют ультразвуковые пилы, зубцы которых выкрашивают микроскопические частицы костной ткани, облегчая и ускоряя процесс резания; для резки хрящей, упругость и твердость которых  занимают промежуточное значение между соответствующими свойствами костной и мягкой ткани, используют ультразвуковой инструмент, имеющий волнообразное лезвие и сочетающей в себе положительные качества  и пилы и скальпеля.

Низкочастотные колебания ультразвукового хирургического инструмента даже при амплитудах, измеряемых единицами мкм, вызывают увеличение проницаемости клеточных мембран тканей, соприкасающихся с инструментом. В этом легко убедиться в модельных опытах на ткани клубня картофеля. Производя ультразвуковым скальпелем, надрезы на пластинках из ткани клубня картофеля при различных температурах, можно видеть, что толщина слоя ткани с повышенной по отношению к ионам йода проницаемостью клеточных мембран, увеличивается с возрастанием амплитуды колебания инструмента. Аналогично увеличивается также и скорость диффузии антибиотиков, цианакрилата и других веществ в костную и мягкие ткани.

      Использование ткани клубня картофеля позволяет изучить особенности процессов фонофореза, найти зависимость наблюдаемых при фонофорезе явлений (например, глубины проникновения ионов йода в ткань клубня картофеля) от условий воздействия (времени, температуры) и параметров используемого ультразвукового инструмента  (амплитуды колебаний режущей кромки, частоты).

ЗАДАНИЕ:

Исследовать изменения проницаемости клеточных мембран под влиянием ультразвукового инструмента, в зависимости от параметров ультразвукового воздействия.

Проведение исследований

1. планировать эксперимент с целью нахождение условий проведения и количества опытов, при которых удастся получить надежную и достоверную информацию об исследуемом процессе при минимальном количестве измерений, а также представить эту информацию в удобной форме с количественной оценкой погрешности измерений. При планировании эксперимента учесть возможности источника ультразвука (частота, интервал амплитуд колебаний рабочей кромки

Рис. 1. Ультразвуковой хирургический

 аппарат с набором инструментов.

инструмента, длительность воздействия), требований к построению зависимостей, количеству измерений для оценки погрешностей.

2. ознакомиться с инструкцией стандартного аппарата, для ультразвуковой хирургии, например, аппарата «Тонзилор» или другого, представленного преподавателем;

3. ознакомиться с простейшими приемами работы с оптическим лабораторным микроскопом;

 Рис.2. Микроскоп оптический.

 

Рис.3. Окуляр микрометр. Вешний вид и вид микрометрической шкалы

в окуляре

Рис.4. Микрометр (См. Приложение 1)

4. представить результаты подготовки (включая теоретическую часть) преподавателю и получить разрешение на выполнение исследования.

5. определить цену деления окуляр-микрометрической сетки микроскопа. Для этого, измерить микрометром толщину волоса, поместить его под микроскоп и определить цену деления по известной толщине волоса;

6. поместить левие ультразвукового скальпеля в поле зрения микроскопа и определить амплитуду колебаний его рабочей части в оптимальном режиме работы генератора;

Рис. Вид рабочей части ультразвукового ножа под микроскопом

 

7. подготовить 100 мл. раствора йодистого калия (KJ) с концентрацией 0,5М.

8. подготовить 100 мл. раствора, содержащего (2÷4)% перекиси водорода (Н₂О₂), растворяя в воде либо концентрированную перекись водорода, либо таблетки гидроперита (Hydroperitum — клатрат пероксида водорода с карбамидом. Содержание перекиси водорода в соединении 35 %);

9. подготовить (промыть, но не ошкуривать) 1-2 клубня картофеля для опытов;

10.   нарезать клубень картофеля на образцы - плпстины толщиной в 10-15 мм и промыть срезы проточной водой;

11.  воздействовать на ткань клубня картофеля ультразвуковым хирургическим инструментом;

12.  разрезать острым ножем поперек сечений, произведенных ультразвуковым хирургическим инструментом и промыть срезы проточной водой;

13.  поместить образцы после воздействия  ультразвуковым инструментом в раствор йодистого калия (KJ) на 2-4 минуты;

14.  промыть образцы в проточной воде;

15.  поместить образцы в раствор перекиси водорода на 30-40 секунд;

16.  измерить толщину прокрашенного слоя, пользуясь микрометрической лупой или линейкой;

17.  сфотографировать полученные образцы с прокрашенным слоем.

18.  построить по полученным данным кривые зависимостей полученных результатов от амплитуды колебаний рабочей кромки ультразвукового инструмента и времени воздействия.

19.  оценить погрешности измерений.

Статистическую обработку полученных результатов осуществляют рассчитывая относительную дисперсию воспроизводимости и доверительный интервал среднего значения.

     ,        

где N – количество экспериментов,

  γ – количество повторностей в каждом эксперименте

y_ij – значение, полученное в эксперименте;

– среднее значение определяемой в эксперименте величины;

 – число степеней свободы.

Доверительный интервал:

                             ,                                   

где t – критерий Стьюдента, определенный по числу степеней свободы f для общего массива данных при надежности 95%. Для определения доверительного интервала, накрывающего математическое ожидание, находим по таблице квантилей распределение Стьюдента по заданной доверительной вероятности и числу степеней свободы квантиль t = 2,78:

Результат статистической обработки записывают в виде:

                         ,        

20.  описать полученные зависимости математически

21.  пользуясь данными, из литературных источников, ссылки на которые приведены в списке литературы, объяснить полученные результаты и сформулировать выводы.