Разработка рабочих инструментов и исследование закономерностей электроразрядной дезинтеграции урологических и кардиологических органоминеральных конкрементов
На правах рукописи
Иванова Людмила Юрьевна РАЗРАБОТКА РАБОЧИХ ИНСТРУМЕНТОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ УРОЛОГИЧЕСКИХ И КАРДИОЛОГИЧЕСКИХ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ КОНКРЕМЕНТОВ Специальность 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Научный консультант: Лернер Марат Израильевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Тюльков Геннадий Иванович доктор технических наук профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории современных материалов и перспективных технологий СФТИ Нацио нального исследовательского Томского государственного университета.
Новиков Алексей Алексеевич доктор технических наук профессор кафедры материаловедения и машиностроения Омского государственно го технического университета
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государ ственный технический университет»
Защита диссертации состоится «08» октября 2013 г. в 15:00 часов на засе дании диссертационного совета Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, Россия, г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд.215.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.
Автореферат разослан «_» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Е.А. Васендина кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Патологические органоминеральные конкремен ты (ОМК), образующиеся при нарушении функционирования организма, встре чаются практически во всех органах и тканях человека. Образование конкре ментов приводит, в частности, к закупорке кровеносных сосудов (атеросклеро зу) и мочекаменной болезни (уролитиазу). Заболевания кровеносной системы занимают 13,5 % среди всех болезней, регистрируемых в мире ежегодно, и яв ляются причиной самой высокой смертности (около 30%). Мочекаменной бо лезнью страдают 2-3 % людей, при этом уролитиаз может стать причиной серь езных осложнений и летального исхода.
Для решения данной проблемы интенсивно развиваются и внедряются в клиническую практику малоивазивные хирургические методы с использовани ем эндоскопических устройств, благодаря которым стало возможным сократить число открытых операций и уменьшить риск возникновения послеоперацион ных осложнений. В частности, для дезинтеграции (разрушения) ОМК в уроло гии и кардиологии, активно применяются контактные методы, заключающиеся в сдавливании, дроблении и испарении патогенных образований.
Среди малоинвазивных контактных методов, имеющих возможность точной дозировки энергии, гибкие рабочие инструменты (зонды) малого диа метра, относительно низкую стоимость и высокую эффективность, обращают на себя внимание методы, основанные на разрушении конкрементов с помо щью энергии искрового электрического разряда. В медицине способы разруше ния ОМК посредством электрического разряда реализованы в электрогидрав лическом и электроимпульсном методах литотрипсии. Однако, несмотря на до стоинства электроразрядных методов, они не нашли широкого применения в урологии по причине отсутствия надежного и безопасного рабочего инструмен та для проведения литотрипсии мочевых камней и не используются в кардиоло гии по причине отсутствия исследований возможности применения этих мето дов для разрушения тотальных окклюзий.
Таким образом, разработка рабочих инструментов (зондов) для электро разрядного разрушения ОМК мочевыделительной и кровеносной систем и про ведение исследований по выявлению закономерностей процесса дезинтеграции конкрементов имеют как научную, так и практическую ценность. Полученные результаты позволят увеличить эффективность и безопасность процедуры элек троимпульсной литотрипсии в урологии и создать научные основы для приме нения электроразрядных методов в кардиологии.
Цель работы – разработка рабочих инструментов и исследование зако номерностей электроразрядной дезинтеграции органоминеральных конкремен тов, образующихся в мочевыделительной и кровеносной системах человека.
Для реализации поставленной цели определены основные задачи иссле дования:
1. Разработка методик для проведения исследований по разрушению модельных и реальных ОМК и определению параметров безопасного воздействия электрического разряда на живую ткань.
2. Разработка конструкции зондов для проведения литотрипсии в мочевыделительной и кровеносной системах и исследование особенностей их работы (ресурс, надежность, дефекты, возникающие в процессе эксплуатации).
3. Выявление закономерностей эффективного и безопасного разрушения мочевых камней и коронарных окклюзий в зависимости от энергии и частоты следования электрических импульсов, особенностей конструктивного исполнения зондов.
4. Разработка рекомендаций по выбору режимов работы контактного электроразрядного прибора (энергии и частоты следования импульсов) и конструкций зондов для проведения литотрипсии мочевых камней и коронарных окклюзий.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы теоретической электротехники, техники высоких напряжений, методы, основанные на теории разработки биотехнических систем и методы математи ческой статистики.
Объектом исследования является процесс дезинтеграции органомине ральных конкрементов мочевыделительной и кровеносной систем при воздей ствии энергии электрических разрядов посредством зондов, разработанных при выполнении работы.
Предметом исследования является конструкция, ресурс, показатели надежности работы зондов, эффективности и безопасности разрушения ОМК мочевыделительной и кровеносной систем при воздействии энергии электриче ских разрядов.
Научная новизна работы:
1. Предложено оригинальное конструктивное исполнение зондов для про ведения электрогидравлической дезинтеграции коронарных окклюзий, позволя ющее решить проблему реканализации тромбированных сосудов, и конструк тивное исполнение зондов для электроимпульсной дезинтеграции мочевых кам ней, позволяющее осуществлять литотрипсию совместно с экстракцией фраг ментов камней.
2. Установлены параметры эффективности и безопасности разрушения модельных и реальных ОМК в мочевыделительной системе в зависимости от конструктивных особенностей зондов, энергии и частоты следования электрических импульсов.
3. Впервые получены данные, на основе испытаний модельных и ауто псийных объектов, демонстрирующие возможность использования электрогидравлического метода для эффективного и безопасного разрушения тотальных окклюзий кровеносных сосудов.
Практическая значимость:
1. Разработаны конструкции зондов, совместимые с современными эндоскопическими инструментами (литоэкстракторами), что позволяет использовать их для проведения процедуры литоэкстрактотрипсии (разрушения камней и извлечения их осколков с помощью экстракторов).
2. Предложена методика подсчета остаточного ресурса зонда, позволя ющая врачу своевременно оценивать работоспособность инструмента и оперативно заменять зонды в момент подготовки к процедуре литотрипсии, а не во время её.
3. Даны рекомендации по выбору значений энергии и частоты электрических импульсов для разработанных типов зондов, позволяющие обес печить эффективность и безопасность проведения электроимпульсной литотрипсии в клинической практике.
4. Результаты исследования, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, легли в основу разработки технологии производства электроимпульсных зондов в ООО «МедЛайн» (г. Томск). Зонды успешно применяются в клинической практике для лечения мочекаменной болезни в госпитальных клиниках им. А.Г.Савиных СибГМУ, МЛПУ «Медико санитарная часть № 2» (г.Томск), МУЗ «Городская клиническая больница № 11» (г. Новосибирск), ЗАО «Медицинский центр «Авиценна»» (г. Новосибирск) и МБУ «Центральная городская больница» (г. Железнодорожный).
5. Полученные результаты исследований электрогидравлической дезинтеграции тотальных коронарных окклюзий позволяют приступить к созданию нового медицинского аппарата для разрушения ОМК в кровеносной системе.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим объе мом экспериментальных данных, воспроизводимостью и повторяемостью ре зультатов, а так же использованием современных методов исследования.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Конструкции зондов для электроимпульсной литотрипсии мочевых камней и электрогидравлического разрушения тотальных окклюзий, позволяющие проводить процедуру совместно с современным эндоскопическим оборудованием.
2. Методика подсчета остаточного ресурса работы электроимпульсных зондов.
3. Закономерности дезинтеграции ОМК в зависимости от величины энергии в импульсе, конструктивных особенностей зондов (диаметра разрядной головки, величины заглубления центрального электрода) и физико-химических свойств конкрементов.
4. Результаты испытаний по безопасности и эффективности разрушения реальных ОМК мочевыделительной и кровеносной систем.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы до кладывались и обсуждались на 16-ой, 17-ой и 18-ой Международный научно практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Совре менные техника и технологии» (Томск, 2012, 2011,2012), 1-ой и 3-ей Междуна родных научно-практических конференциях «Высокие технологии, фундамен тальные и прикладные исследования в физиологии и медицине» (Санкт Петербург, 2010, 2012), 16-ом Международном симпозиуме «High Current Electronics» (Томск, 2010), 1-ой Всероссийской научно-практической конфе ренции студентов, аспирантов и молодых ученых «Электронные приборы, си стемы и технологии» (Томск, 2012), 1-ом конгрессе урологов Сибири (Кемеро во, 2012), 25-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологиче ские системы и комплексы» (Рязань, 2012).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель, 1 методические рекомендации для врачей и 8 тезисов докладов.
Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспери ментов, анализе и интерпретации полученных результатов. Основные результа ты, научные положения и выводы получены на основе исследований, прове денных при непосредственном участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы из 128 наименований и шести приложений. Основное содержание работы
изложено на 136 страницах, вклю чая 43 рисунка и 21 таблицу.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен литературный обзор работ, посвященных спо собам разрушения и выведения ОМК из организма человека. Представлены ос новные малоинвазивные методы разрушения ОМК, описаны принцип работы малоинвазивных устройств и конструктивное исполнение их рабочих инстру ментов;
рассмотрены их достоинства и недостатки.
Анализ литературных данных показал, что среди малоинвазивных мето дов разрушения ОМК мочевыделительной системы, наиболее перспективным является метод электроимпульсной литотрипсии. Однако, электроимпульсная литотрипсия не имеет широкого применения в урологии по причине низкой надежности рабочих инструментов (зондов).
Для дезинтеграции кровеносных окклюзий, в силу особенностей прове дения кардиологических операций (применение дополнительных инструмен тов, более жесткие меры безопасности и пр.), использование электроимпульс ной литотрипсии с имеющимися конструкциями зондов недопустимо. Более предпочтительны конструкции зондов электрогидравлического действия, по скольку при соответствующей конструкции зонда, в силу отсутствия прямого контакта электродов зонда с ОМК, кратковременности импульсов наносекунд ной длительности и быстрого перемещения жидкости гидравлическими пото ками, термическое воздействие на ткани будет минимально.
В главе описаны особенности электроразрядного разрушения твердых объектов в жидких средах. На основании проведенного литературного обзора, сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе приведено описание прибора для электроимпульсной литотрипсии, обоснован выбор модельных объектов и среды для проведения исследований, разработан экспериментальный стенд и методики для проведе ния исследований по оценке эффективности и безопасности метода.
Для исследования выходных электрических параметров прибора, эффек тивности и безопасности разрушения ОМК использовался экспериментальный стенд на базе электроимпульсного литотриптора «Уролит», цифрового осцил лографа Tektronix TPS 2024B, подключенного к прибору через токовый шунт, либо резистивный делитель напряжения и кюветы, с погруженным в жидкость модельным, а на последней стадии экспериментов, реальным объектом.
Основные технические параметры прибора «Уролит» следующие:
регулируемая амплитуда импульса, кВ от 3 до длительность фронта импульса, нс не более энергия в импульсе, Дж от 0,025 до 1, Исследования эффективности и безопасности разрушения ОМК проводи ли согласно разработанным методикам. В качестве моделей урологический камней использовали модельные камни, изготовленные из смеси песка и белого цемента марки ПЦБ 1-500-Д0 (в соотношении 1:1) и смеси цинк-фосфатного стоматологического цемента (материал BegoStone). Модели атеросклеротиче ских отложений, с учетом сложности и неоднородности их структуры, изготав ливали из смеси скорлупы куриного яйца, рубленного сырого мяса и желатина, поскольку данные компоненты максимально сближают модельную ситуацию с реальностью. Смесь помещалась в прозрачные силиконовые трубки, имитируя тотальную окклюзию в кровеносном сосуде.
В качестве жидкой среды, обладающей свойствами, близкими к свой ствам естественных биологических сред, использовался физиологический рас твор натрия хлорида (NaCl) 0,9%, поскольку он широко применяется в меди цине, в том числе и для изучения деятельности тканей вне органов.
В третьей главе рассмотрены основные требования, предъявляемые к исходным материалам и конструкциям зондов;
разработаны и проведены ис следования зондов разного назначения;
проведены сравнительные испытания различных методов контактной литотрипсии;
разработана методика подсчета остаточного ресурса зондов.
Рабочим инструментом в приборе для дезинтеграции ОМК является зонд, позволяющий передавать к конкременту энергию электрического импульса.
Основные требования, предъявляемые к материалам и конструкции зондов, бы ли сформулированы исходя из параметров передаваемых импульсов, способно сти прохождения через анатомические отверстия организма, биологической безопасности материалов зондов:
1. Внешний диаметр вводимой в организм части зонда ограничен величиной рабочего канала эндоскопического оборудования (в урологии – не более 1,8 мм, в кардиологии – не более 1,2 мм).
2. Дистальный конец зонда должен иметь гибкость и упругость для совместной работы с эндоскопическими устройствами (радиус загиба дистального конца современных эндоскопических устройств составляет 25 мм).
3. Все материалы, контактирующие с организмом человека, должны отвечать требованиям биологической безопасности и быть нетоксичными.
4. Изоляционные материалы, расположенные в межэлектродном промежутке, должны выдерживать импульсное напряжение амплитудой не менее 12 кВ с длительностью фронта до 50 нс.
5. Токопроводящие материалы должны обеспечить передачу импульсов тока в пределах от 200 до 950 А длительностью менее 10-6с.
Поскольку зонд выполняет функцию передачи энергии от генератора импульсов к конкременту посредством передающего кабеля, электрическая связь зонда с передающим кабелем осуществляется с помощью электрического разъема. Кроме того, для преобразования электрической энергии, накопленной в генераторе, в энергию расширения искрового канала, зонд должен иметь на дистальном конце систему электродов. Таким образом, зонд условно можно разделить на три части: высоковольтный разъем, передающую часть, головку зонда, представляющую собой систему электродов (рисунок 1).
В качестве передающей ча сти использован коаксиаль ный кабель двух модифика ций и полиимидный катетер, Рисунок 1 – Зонд электроимпульсного прибора: разрешенные к применению 1 – высоковольтный разъем, 2 – передающая в медицинских целях. Исхо часть, 3 – головка дя из ограничений внешнего диаметра передающей части и головки зонда, были выбраны коаксиальные кабели с волновым сопротивле нием 50 Ом со следующими геометрическими параметрами: внешний диаметр 0,7 и 0,9 мм, диаметр токопроводящей жилы 0,16 и 0,20 мм и толщина изоляции 0,15 и 0,20 мм, соответственно. Электрическая прочность изоляции коаксиаль ных кабелей выдерживает импульсное и переменное напряжение до 12 кВ (со гласно результатам проведенных испытаний), что вполне достаточно для экс плуатации в нормальных условиях. Полиимидный катетер использовался в ка честве элемента жесткости и упругости и служил дополнительной электриче ской изоляцией зонда.
При разработке принципиальной конструкций головки зондов для разру шения ОМК в кардиологии и урологии было выбрано коаксиальное расположе ние цилиндрических электродов. Разработанные варианты конструкции голов ки электроимпульсных зондов были испытаны на надежность. Исследования различных конструкций зондов показали, что наиболее удачными являются ва рианты с комбинированной изоляцией, состоящей из фторопластовой изоляции жилы коаксиального кабеля 3 и полиимидного катетера 7, склеенных между со бой эпоксидным клеем M-31CL Hysol 8 (рисунок 2).
1 2 4 1 2 6 5 5 Конструкция 1 Конструкция Рисунок 2 – Конструкции готовки зондов для электроимпульсной литотрип сии мочевых камней:1 и 3 – изоляция коаксиального кабеля;
2 – оплетка ка беля;
4 – жила кабеля (центральный электрод);
5 – внешняя изоляционная трубка;
6 – внешний электрод;
7 – изоляционная вставка между электродами;
8 – клей;
9 – металлическая втулка для механического усиления внешнего электрода Это связано с тем, что в данных конструкциях часть изоляции, за счет «ради ального паза», выведена из зоны разряда, что увеличивает стойкость изоляции в целом. Результаты испытания клея 8 различного состава (медицинского клея БФ-6, эпоксидного и цианакрилатного клеев) показали, что целесообразнее ис пользовать эпоксидный клей, поскольку он приводит к увеличению надежности и ресурса работы зонда по сравнению с БФ-6 и цианакрилатным клеями (рису нок 3). Такой результат может быть связан с тем, что эпоксидный клей имеет большую адгезию к материалам и широкие пределы рабочих температур, что увеличивает эрозионную стойкость склеенных материалов. Из результатов ис пытаний головки зонда с разными материалами электродов следует, что в каче стве центрального потенциального электрода целесообразнее использовать лу женую медную жилу коаксиального кабеля 4, а в качестве внешнего электрода – металлические втулки из нержавеющей стали 12Х18Н10 – 6 и 9. Оптимальная длина электродов, позволяющая головке зонда проходить через изгибы анато мических отверстий, должна составлять не более 10 мм.
Выбранные конструкции зондов были изготовлены и ис пытаны на работоспособность.
В испытаниях использовались зонды с разным внешним диа метром и модельные камни из смеси цинк-фосфатного стома тологического цемента разме ром 8х8х5 мм, твердостью HV. Режим работы прибора – Рисунок 3 – Результаты испытания зондов с энергия в импульсе 1,0 Дж, ча разными клеями: 1 – медицинский клей БФ стота следования импульсов 6, 2 – цианакрилатный, 3 – эпоксидный клей Гц в пачке по 5-10 импульсов.
Результаты испытаний и основные параметры зондов представлены в таблицах 1 и 2.
Под эффективными импульсами мы понимали импульсы напряжения, сгенерированные зондом и способные разрушить объект, используя минималь ную суммарную энергию. Ресурс работы зонда – это количество сгенерирован ных импульсов на дистальном конце зонда, до выхода его из строя по причине полного разрушения электрической изоляции между электродами, либо воз никновения таких дефектов как: короткое замыкание в головке зонда (А), про бой зонда на проксимальном конце головки (В), развальцовка и разрыв внешне го электрода (С).
Таблица 1 – Результаты испытания зондов Параметры зондов Результаты испытания Мини мальная Эффек Номер Внешний Толщина Диаметр энергия тивных Дефекты, зонда диаметр, изоляции, жилы, разруше- импульсов, А/В/С, % мм мм мм ния камня, % Дж 1 0,90 0,20 0,16 300 28,2±2,5 0/43/ 21,9±3,5 12,5/62,5/ 2 0,90 0,225 0,16 3 0,99 0,265 0,16 265 24,6±3,1 0/90/ 4 1,08 0,275 0,16 187 26,7±3,8 8/38/ 5 1,27 0,315 0,16 110 20,8±3,8 12,5/87,5/ 6 1,49 0,535 0,20 52 20,1±3 10/80/ Таблица 2 – Ресурс зондов Показатель Среднее кв. Стандартная Коэффи Номер точности Ресурс, имп. отклонение ошибка (sx), циент ва зонда среднего, (s), имп. имп. риации, % % 839,00±181, 1 293,24 92,73 11, 34, 1263,13±260, 2 376,34 133,06 10, 29, 1269,00±158, 3 255,28 80,73 6, 20, 1362,50±273, 4 483,02 139,44 10, 35, 1437,78±193, 5 295,96 98,65 6, 20, 2295,42±223, 6 395,72 114,24 4, 17, Результаты испытаний зондов для электроимпульсной литотрипсии мо чевых камней показали, что при увеличении диаметра разрядной головки зонда, при неизменных параметрах энергии в импульсе, увеличивается эффективность дезинтеграции камней (уменьшается количество импульсов, требуемых на раз рушение камня). Наиболее частые причины выхода зондов из строя связаны с деформацией внешнего электрода и возникновением пробоя зонда на прокси мальном конце головки (рисунок 4). Зонды электроимпульсного литотриптора диаметром 0,90 мм способны разрушить как минимум один модельный камень, а зонды диаметром 1,49 мм – до трёх модельных камней, прочностные свойства которых превосходят свойства реальных мочевых камней. Этот результат гово рит о том, что ресурса работы одного зонда минимального диаметра вполне до статочно для проведения как минимум одной операции в реальных условиях, а зонды максимального диаметра могут быть использованы при проведении опе раций для разрушения нескольких камней.
Разработанная конструкция элек троимпульсных зон Рисунок 4 – Дефекты головки зонда: а – пробой зонда на дов позволяет при проксимальном конце головки;
б – развальцовка и в – менять их совместно разрыв внешнего электрода с экстракторами.
Для удобства сов местного использования зондов и экстракторов нами была дополнительно раз работана ручка-манипулятор.
В ходе проведения исследований, было установлено, что ресурс зонда для проведения электроимпульсной литотрипсии мочевых камней зависит от его диаметра, конструктивного исполнения и режима работы прибора (ампли туды импульсов напряжения и частоты следования импульсов) (рисунок 5). Для обеспечения безопасности пациента и медицинского персонала и объективной оценки ресурса зондов были систематизированы данные о работоспособности зондов и разработана методика подсчета остаточного ресурса их работы.
а) б) Рисунок 5 – Зависимость ресурса работы зондов: а – от энергии при частоте следования импульсов 5 Гц;
б – от частоты следования импульсов при энер гии в импульсе 1 Дж Имея информацию о диаметре зонда и режиме его работы можно рассчи тать ресурс работы электроимпульсного зонда в процессе работы литотриптора.
Для конкретного установленного сочетания энергии и частоты, ресурс зонда может быть определен по формуле: NWf = N x kWf, где NWf – ресурс зонда для конкретного сочетания «энергия – частота»;
N – ресурс зонда при максималь ном значении энергии 1,0 Дж и максимальной частоте следования импульсов Гц (для каждого типоразмера зонда значение N индивидуально, приведено в таблице 2);
kWf – эмпирически установленный коэффициент, зависящий от уровня энергии (W) и частоты (f).
Реализация функции контроля остаточного ресурса зонда может осу ществляться путем введения в схему прибора и зонд средств мониторинга ре сурса работы зонда, сигнализирующих об оставшемся ресурсе работы и блоки рующих работу прибора при выработке ресурса. Такими средствами могут быть микроконтроллер, рассчитывающий оставшийся ресурс работы после каждого импульса, и микросхема памяти, встроенная в зонд, в которую записы вается информация об оставшемся ресурсе. При этом, информация о зонде мо жет отображаться на индикаторе прибора.
Разработка зондов для электроимпульсной литотрипсии мочевых камней также сопровождалась сравнительными исследования с другими методами ли тотрипсии: электрогидравлическим и пневматическим. Основной задачей явля лось сравнение эффективности работы литотрипторов различного принципа воздействия исходя из суммарной энергии разрушения модельного камня и ве личине смещения (отскока) модельных камней относительно начального поло жения при воздействии на них импульсами с заданной энергией. Результаты испытаний показали, что электроимпульсная литотрипсия позволяет разрушать объекты более эффективно, в сравнении с электрогидравлической и имеет меньшую величину отскока в сравнении с электрогидравлическим и пневмати ческим методами, (рисунок 6), что свидетельствует о меньшем риске миграции камня в труднодоступные отделы мочевыделительной системы.
а) б) Рисунок 6 – Результаты разрушения (а) и смещения (б) модельных камней электроимпульсным (ЭИ), электрогидравлическим (ЭГ) и пневматическим (ПН) способами литотрипсии (энергия в импульсе для ЭИ и ЭГ литотрипсии 1,0 Дж, для ПН – максимальная, равная 0,085 Дж) Разработка конструкции зондов для дезинтеграции тотальных коронар ных окклюзий осуществлялась с учетом дополнительных требований, обеспе чивающих возможность и безопасность проведения операции в сердечно сосудистой системе:
1. Смещение центрального электрода внутрь относительно дистального конца головки зонда для предотвращения ожога тканей.
2. Наличие полого канала в теле зонда для перемещения по нему дополнительного инструмента – проволочного проводника (гайда).
Разработанная конструкция головки зонда для электрогидравлического разрушения тотальных окклюзий приведена на рисунке 7. Внешний электрод электрически связан с жилой коаксиального кабеля 3 и изолирован от цен трального электрода 7 рабочей изоляцией 4. Поскольку зонд должен обладать упругостью и гибкостью, для прохождения изгибов кровеносных сосудов, то центральный электрод 7 выполнен из гибкой металлической спиралевидной трубки из нержавеющей стали. Электрод 7 соединен с оплеткой коаксиального кабеля 2. Оптимальная длина внешнего электрода 5, по экспе 4 2 риментальным данным (рисунок 8), должна составлять около d мм. Величина заглубления цен трального электрода относитель но внешнего – 0,1;
0,4 и 0,7 мм 6 7 (была выбрана исходя из оценки Рисунок 7 – Конструкция головки зонда риска термического повреждения для разрушения тотальных коронарных ок- сосуда и оптимальной эффектив клюзий: 1 – изоляция жилы коаксиального ности разрушения ОМК;
резуль кабеля, 2 – оплетка коаксиального кабеля, таты экспериментов представле – жила кабеля, 4 – межэлектродная изоля ция зонда, 5 – внешний электрод, 6 – ны в диссертации). Для дополни внешний армированный катетер, 7 – внут- тельной гибкости и защиты от ренний электрод, 8 – термоусаживаемая механических повреждений в трубка конструкции зондов использует ся внешний армированный катетер 6 и термоусаживаемая трубка 8.
Разработанные зонды для разрушения тотальных окклюзий были испыта ны на эффективность и ресурс работы. Исследования проводились при генера ции одиночных импульсов с энергией от 0,04 до 0,08 Дж. Все исследования бы ли проведены на зондах, имеющих величину заглубления центрального элек трода (d) равную 0,1;
0,4 и 0,7 мм. Результаты испытаний показали, что зонды позволяют надежно передавать импульсное напряжение до 10 кВ в течение импульсов. Для прохождения модельной окклюзии протяженностью 70 мм, суммарно необходимо затратить зондом с d = 0,4 мм 3,86±0,37 Дж, зондом d = 0,7 мм 3,14±0,79 Дж (таблица 3).
а) б) Рисунок 8 – Результаты исследований зондов с разными длинами внешнего электрода: а - сравнение количества импульсов до повреждения внешнего элек трода зондов (при энергии в импульсе 0,33 Дж);
б - внешний вид поврежденно го внешнего электрода длиной 1,0 мм Таблица 3 – Результаты разрушения модельных окклюзий Статистические показатели энергии разрушения модель Суммарная ной окклюзии Вели энергия чина Энергия Среднее кв. Стандартная Коэффи- Показатель разруше d, мм разруше- отклонение ошибка (sx), циент ва- точности ния, Дж ния, Дж (s), Дж Дж риации, % среднего, % 3,86±0, 0,4 3,6 0,23 0,13 5,99 3, 3, 3,14±0, 0,7 2,7 0,49 0,28 15,59 9, 3, Таким образом, зонды конструктивного исполнения, приведенного на рисунке 7, пригодны для работы с ОМК кровеносных сосудов. В среднем зонды способны разрушить модельную окклюзию за 45 импульсов при энергии в им пульсе 0,08 Дж.
Четвертая глава посвящена исследованиям эффективности и безопасно сти электроразрядной дезинтеграции ОМК, используя разработанные зонды.
Исследования были проведены на базе Томского военно-медицинского инсти тута, ГОУ ВПО СибГМУ и МЛПУ «Медико-санитарная часть № 2».
Эффективность дезинтеграции оценивалась по результатам разрушения ОМК разного размера и локализации с последующим анализом оптимального режима воздействия на объект. В клиническое исследование по разрушению мочевых камней было включено 879 больных, подписавших информированное согласие на исследование. Исследования эффективности разрушения коронар ных окклюзий проводились на аутопсийном (трупном) материале – 6 фрагмен тах кальцинированного сосуда и 4 сосудах с тотальной окклюзией.
Безопасность дезинтеграции оценивалась по результатам гистологиче ского анализа последствий прямого электроразрядного воздействия на живую ткань и аутопсийный материал стенки мочевых путей и кровеносных сосудов.
Исследования безопасности электроимпульсного метода дезинтеграции моче вых камней проводили на 23-х половозрелых собаках и 78 фрагментах ауто псийного материала мочевых путей. Исследования безопасности электрогид равлического воздействия при дезинтеграции коронарных окклюзий проводили на 93 фрагментах аутопсийного материала кровеносных сосудов.
Результаты разрушения мочевых камней разного состава показали, что самыми прочными и, следовательно, трудно разрушаемыми являются уратные и смешанные камни – уратно-фосфатные и оксалатно-уратные, а самыми хруп кими – камни фосфатно-кислых солей. Средняя продолжительность операции литотрипсии (включая анестезию и подготовительные процедуры) составила от 38 до 45 минут. Наименьшее количество суммарной энергии требовалось для разрушения конкрементов почки и мочеточника. Это обусловлено, прежде все го, тем, что конкременты мочевого пузыря имели более крупные размеры.
Определены оптимальные параметры воздействия на конкременты раз ной локализации, представленные в таблице 4.
Таблица 4 – Параметры электроимпульсной литотрипсии для разрушения мо чевых камней разной локализации Параметры Почка Мочеточник (II группа, n=799) Мочевой ЭИЛ /ЛМС верхняя/3 средняя/3 нижняя/3 Мочеточ- пузырь (I груп- (n=164) (III груп (n=568) ник (n=67) па, n=54) па, n=26) (n=799) Энергия в 0,740,07 0,860,06 0,780,11 0,820,12 0,830,1 0,90, импульсе, Дж Частота одиноч следования ные, 5 Гц 5 Гц 5 Гц 5 Гц 5 Гц импульсов 5Гц Количество импульсов в 2 2 2 2 2 3- пачке Количество импульсов 6023 6148 4217 2915 3531 для разруше ния камня ЭИЛ – электроимпульсная литотрипсия, ЛМС – лоханочно-мочеточниковый сегмент, n – количество камней в выборке.
По результатам оценки эффективности разрушения камней разной лока лизации, были выявлены наиболее предпочтительные комбинации использова ния зондов и режимов работы генератора для проведения литотрипсии в разных отделах мочевыделительной системы (таблица 5).
Таблица 5 – Рекомендованные конструкции зондов и режимы работы прибора для проведения литотрипсии Отделы Конструкция Диаметр Энергия в Следование мочевыделительной зонда зонда, мм импульсе, Дж импульсов системы одиночные, с Почка/ ЛМС 2 0,9 0,7-0, частотой 1 Гц с частотой 3- Мочеточник 2 1,27 0, Гц с частотой 3- Мочевой пузырь 1 1,49 0, Гц По результатам гистологического анализа, после прямого воздействия на здоровую живую ткань стенки мочевых путей собак, были определены пара метры безопасного воздействия. Оптимальное значение величины энергии в импульсе, которое через 1 месяц после прямого электроимпульсного воздей ствия на живую ткань обеспечивало полное восстановление целостности слизи стой мочевого пузыря и частичное восстановление ее структуры, составило, для мочеточника 0,1 – 0,7 Дж, для мочевого пузыря – 0,1 – 1,0 Дж. Однако, в отли чие от собак, прямое электроимпульсное воздействие, наносимое на слизистую оболочку изолированных фрагментов лоханки, мочеточника и мочевого пузыря человека электрическими импульсами с энергией от 0,8 до 1,0 Дж в количестве от 1 до 20 не приводило к тотальному повреждению стенки органов мочевыде лительной системы и ее перфорации. Таким образом, обобщая результаты ги стологического анализа, воздействие на слизистую мочевых путей при энергии в импульсе 0,1-0,7 Дж можно считать морфологически безопасным, а при энер гии в импульсе 0,1-1,0 Дж – условно безопасным.
Результаты проведения литотрипсии ОМК кровеносных сосудов (на аутопсийном материале) показали, что для разрушения атеросклеротических окклюзий с выраженным кальцинозом размером от 40х50 мм до 60х60 мм тре буется затратить энергии в среднем 65,12±9,87 Дж, а для разрушения тотальной окклюзии протяженностью до 35 мм требуется затратить энергии в среднем 16,31±10,17 Дж.
Исследования безопасности метода показали, что на результаты безопас ности воздействия электрических импульсов на кровеносный сосуд влияет ве личина заглубления центрального электрода d. Полученные значения величины допустимой суммарной энергии, не вызывающей необратимых последствий при воздействии на сосуд зондами с разной величиной d, представлены в таб лице 6.
Наиболее стабильные и систематические результаты получены по зондам с заглублением d = 0,7 мм, с помощью которого на стенку сосуда передавалась максимальная энергия (3,75 Дж) при минимальном уровне повреждений, зонд с d = 0,1 мм оказался наиболее травмоопасен.
Таблица 6 – Значения параметров воздействия на сосуды Величина заглубления центрального электрода Показатель (d), мм 0,1 0,4 0, Допустимая суммарная энергия не вызывающая не 1,48 4,31 8, обратимых процессов, Дж Минимальная суммарная энергия, приводящая к 0,97 0,97 3, незначительным повреждениям сосуда, Дж Границы безопасного воздействия на сосуд при использовании энергий в диапазоне до 0,24 Дж, приведены на рисунке 9.
Безопасные уровни 0, энергии, соответ 0, d = 0,1 мм ствующие началу Энергия в импульсе, Дж d = 0,4 мм d = 0,7 мм сильных повре 0, ждений: для зонда 0, с d = 0,1 мм при 200 импульсах без 0, опасная энергия 0, импульса равна 0,007 Дж для (W=1,48/N), зонда d = 0,4 мм – Количество импульсов Рисунок 9 – Границы безопасного воздействия на сосуд, 0,022 Дж где d - величина смещения центрального электрода отно- (W=4,31/N), для сительно внешнего зонда d = 0,7 мм – 0,04 Дж (W=8,14/N). Использование зондов с d = 0,7 мм наиболее предпочти тельно, поскольку данные зонды имеют самую широкую область безопасного воздействия и являются эффективными для разрушения тотальных окклюзий протяженностью до 35 мм.
Полученные результаты говорят о том, что электроимпульсный метод разрушения конкрементов мочевыделительной системы эффективен и безопа сен для разрушения мочевых камней, а электрогидравлический метод разруше ния тотальных окклюзий может быть применим для разрушения реальных ОМК кровеносных сосудов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработанная конструкция головки зонда для электроимпульсной литотрипсии представляет собой два коаксиально расположенных цилиндрических электрода длиной до 10 мм, разделенных комбинированной изоляцией, с внешним диаметром головки зонда не более 1,6 мм. Такая конструкция позволяет надежно передавать импульсное напряжение с амплитудой до 10 кВ, длительностью импульсов до 5000 нс и фронтом импульса менее 50 нс от 893 до 2295 импульсов (для зондов с диаметром 0,90 и 1,49 мм, соответственно) с энергией в импульсе 1,0 Дж.
2. Разработанная конструкция разрядной головки зонда для электрогидравлической дезинтеграции ОМК кровеносных сосудов представляет собой два коаксиально расположенных цилиндрических электрода длиной до 2 мм, разделенных комбинированной изоляцией, с внешним диаметром головки зонда не более 1,1 мм. При этом, центральный электрод полый и смещен внутрь относительно дистального конца внешнего электрода на 0,7 мм. Такая конструкция позволяет надежно передавать импульсное напряжение с амплитудой до 10 кВ и фронтом импульса менее нс в течении 200 импульсов с энергией в импульсе 0,1 Дж.
3. Эмпирически установлено, что ресурс работы зондов зависит от конструктивных особенностей зондов и режима работы прибора, и может быть определен по формуле: NWf =N x kWf, где NWf – ресурс зонда для конкретного сочетания «энергия – частота»;
N – ресурс зонда при максимальном значении энергии 1,0 Дж и максимальной частоте следования импульсов 5 Гц (для каждого типоразмера зонда значение N индивидуально);
kWf – эмпирически установленный коэффициент, зависящий от уровня энергии (W) и частоты (f).
Зонды диаметром 0,90;
1,27 и 1,49 мм имеют ресурс работы N – и (2295,42±223,90) импульсов, (893,00±181,75), (1437,78±193,36) соответственно.
4. Суммарная энергия, требуемая для разрушения мочевых камней электроимпульсным методом, в среднем составляет от 30,0 до 173,7 Дж, коронарных окклюзий электрогидравлическим методом – от 12,0 до 25,8 Дж, и зависит от физико-химических свойств и размеров конкремента. При этом, безопасная энергия одиночного импульса при воздействии на стенку мочеточника составляет не более 0,7 Дж, мочевого пузыря не более 1,0 Дж, суммарная энергия, не приводящая к перфорации кровеносного сосуда – не бо лее 1,48 Дж.
5. Для снижения суммарной энергии дезинтеграции ОМК и, как следствие, риска повреждения тканей организма, необходимо использовать: для камней почек зонды с диаметрами 0,9 мм, для камней мочеточника – с диаметром 1,27 мм и мочевого пузыря – 1,49 мм. Для разрушения коронарных окклюзий, предпочтительно использовать зонды с диаметром 1,1 мм со смещенным центральным электродом внутрь относительно дистального конца внешнего на 0,7 мм.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Иванова Л. Ю. Влияние технических параметров электроимпульсной контактной литотрипсии на эффективность дробления и ресурс работы зондов / Л. Ю. Иванова, В. С. Бощенко, В. П. Черненко, М. И. Лернер // Бюллетень сибирской медицины. – 2012. – Т. 11, №2. – С. 13-18.
2. Иванова Л. Ю. Научно-технические аспекты электроимпульсной дезинтеграции биологических органоминеральных конкрементов / Л. Ю.
Иванова, М. И. Лернер, В. П. Черненко, С. В. Редькин // Биотехносфера. - 2012.
– №5-6. – С. 27-33.
3. Иванова Л. Ю. Исследование электрогидравлического и электроим пульсного методов контактной литотрипсии / Л. Ю. Иванова, В. П. Черненко, В. С. Бощенко // Медицинская техника. – 2013. – №2. – С. 9-11.
4. Иванова Л. Ю. Методика ретроградной контактной наноэлектроим пульсной литотрипсии / А. В. Гудков, В. С. Бощенко, В. П. Черненко, Л. Ю.
Иванова // Вестник новых медицинских технологий. – 2013. – Т.ХХ., №2. – С.
427-433.
5. Патент РФ № 113648. МПК A61B17/221 (2006.01).
Литоэкстрактотриптор / В. П. Черненко, М. И. Лернер, А. В. Дутов, Л. Ю.
Иванова [и др.]. Заявл. 21.03.2011. Опубл. 27.02.2012.
6. Patent ЕР 2359764 (В1). Int. Cl. A61B 18/14;
EP Cl. A61B 18/14V. Probe with electrodes for disrupting an occlusion / V. Diamant, V. Chernenko, M. Lerner, L. Ivanova [et al.]. Date of filed 11.01.2011. Date of pub. 05.12.2012.
7. Иванова Л. Ю. Прибор для разрушения камней в организме человека / М. И. Лернер, Л. Ю. Иванова, О. С. Титова //Современные техника и технологии: сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск: Изд-во ТПУ.
– 2010. – Т.2. – С. 84-87.
8. Иванова Л. Ю. Особенности применения электроимпульсного контактного литотриптора / М. И. Лернер, В. П. Черненко, Л. Ю. Иванова // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине: сборник трудов Первой международной научно практической конференции. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та. – Т. 2. – 2010. – С.
186-191.
9. Иванова Л. Ю. Электроимпульсный прибор для разрушения органоминеральных конкрементов мочевыделительной системы / Л. А.
Хохлова, Л. Ю. Иванова // Электронные приборы, системы и технологии:
сборник научных трудов I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск: Изд-во ТПУ. – 2011. – С.
177-179.
10. Ivanova L. Yu. Device For The Destruction Of Concrements In The Human Body / L. A. Khokhlova, L. Yu. Ivanova // The seventeeth International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists “Modern Techniques and Technologies”. – Tomsk: TPU Press. – 2011. – p. 48-50.
11. Иванова Л. Ю. Сравнительный анализ электроразрядных методов литотрипсии // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии и медицине: сборник трудов Третьей международной научно-практической конференции. – СПб. : Изд-во Политехн.
Ун-та. – Т. 2. – 2012. – С. 202-206.
12. Иванова Л. Ю. Исследование эффективности электроимпульсной литотрипсии / Л. А. Хохлова, Л. Ю. Иванова // Современные техника и технологии: сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во ТПУ. – Т. 2. – 2012. – С. 95-97.
13. Иванова Л.Ю. Зависимость эффективности работы контактного литотриптора «УРОЛИТ» от его технических параметров / Л. Ю. Иванова, В. П.
Черненко, В. С. Бощенко // 1-й конгресс урологов Сибири: материалы конгресса. – Кемерово: – 2012. – С. 104-106.
14. Иванова Л.Ю. Малоинвазивное устройство для разрушения тотальных коронарных окклюзий // Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы: сборник трудов XXV Всероссийской научно технической конференции. – Рязань: ООО «НПЦ «Информационные технологии». – 2012. – С. 194-197.
15. Иванова Л. Ю. Ретроградная контактная электроимпульсная литот рипсия аппаратом «Уролит»: Медицинские рекомендации для врачей / Гудков А. В., Бощенко В. С., Черненко В. П., Иванова Л. Ю. – Томск. – 2013. – 16с.