УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ


RU (11) 2239383 (13) C2

(51) 7 A61B18/00, A61B17/32 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 09.07.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 2004.11.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 2002135760/14 
(22) Дата подачи заявки: 2002.12.30 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.12.30 
(45) Опубликовано: 2004.11.10 
(56) Аналоги изобретения: US 6013048 А, 11.01.2000. US 4920954 А, 01.05.1990. SU 1331496 А1, 23.08.1987. US 5419761 А, 30.05.1995. RU 2092120 С1, 10.10.1997. 
(72) Имя изобретателя: Хмелев В.Н. (RU); Барсуков Р.В. (RU); Цыганок С.Н. (RU); Сливин А.Н. (RU); Шалунов А.В. (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова" (RU) 
(98) Адрес для переписки: 659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27, БТИ ГОУ ВПО Алт ГТУ, пат. отд. 

(54) УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ХИРУРГИИ
Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам ультразвуковых колебательных систем, предназначенных для интенсификации процесса удаления подкожно-жировых отложений. Ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии содержит закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый и второй цилиндрические участки с расположенным между ними участком плавного перехода, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде полого стержня, включающего первый и второй цилиндрические участки и участок плавного перехода между ними. На конце стержня имеется рабочее окончание, выполненное полым, со скругленными краями. Пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки. В стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично относительно центрального канала выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а со второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя, длину второго цилиндрического участка хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента, равной 0,55, или 1,1, или 1,65, или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода. Рабочее окончание выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублением, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси. Использование изобретения обеспечивает эффективное преобразование энергии электрических колебаний в ультразвуковые, оптимальное согласование преобразователя с ультразвуковым хирургическим инструментом и жировой эмульсией, увеличение площади излучающей поверхности для обеспечения вывода максимально возможной энергии без изменения поперечного размера рабочего окончания хирургического инструмента, уменьшения нагрева преобразователя и сменных инструментов. 2 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области медицинской техники, связанной с разработкой и применением ультразвуковых (УЗ) аппаратов для пластических хирургических операций, а именно к устройствам ультразвуковых колебательных систем, предназначенных для интенсификации процесса удаления подкожных жировых отложений, и может быть использовано для создания современной материально-технической базы пластической хирургии.

Пластическая хирургия, уже около 40 лет, использует метод липосакции через проколы в коже. В настоящее время методом липосакции выполняется более половины всех пластических операций, проводимых хирургами в мире.

Метод липосакции постоянно совершенствуется и кульминацией его развития стало применение для удаления подкожно-жировой клетчатки ультразвуковых колебаний высокой интенсивности [1].

Применение ультразвуковых колебаний для удаления подкожно-жировой клетчатки позволило не только интенсифицировать процесс, но и сделать липосакцию доступной и безопасной операцией. 

Для создания и введения УЗ-колебаний высокой интенсивности в области человеческого тела, где необходимо удалить излишки подкожно-жировой клетчатки, применяются специальные ультразвуковые колебательные системы для пластической хирургии, содержащие закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь и сменный ультразвуковой хирургический инструмент, соединенный и акустически связанный с преобразователем. Пьезоэлектрический преобразователь обеспечивает преобразование электрических колебаний в ультразвуковые. Сменный ультразвуковой хирургический инструмент вводится в тело пациента на необходимую глубину и обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний от пьезоэлектрического преобразователя в подкожно-жировую клетчатку [2].

Сменный ультразвуковой хирургический инструмент выполняется в виде полого стержня переменного сечения, на конце которого имеется рабочее окончание [3]. Центральный сквозной канал в колебательной системе обеспечивает откачивание получаемой жировой эмульсии при помощи вакуумного насоса в процессе проведения операции.

Для эффективного эмульгирования жировых клеток ультразвуковая колебательная система обеспечивает введение в подкожно-жировую клетчатку ультразвуковых колебаний с амплитудой до 90…150 мкм (в зависимости от участка проводимой операции). 

В современной пластической хирургии наибольшее распространение получила ультразвуковая колебательная система фирмы "MENTOR", принятая за прототип [4]. Ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии [4] содержит закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый и второй цилиндрические участки с расположенным между ними участком плавного перехода, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде полого стержня, включающего первый и второй цилиндрические участки и участок плавного перехода между ними, на конце стержня имеется рабочее окончание, выполненное полым со скругленными краями.

Для преобразования электрических колебаний, поступающих от электронного генератора, в механические колебания ультразвуковой частоты применяются две пары кольцевых пьезоэлектрических элементов диаметром 18 мм, размещенные симметрично между тыльной частотно-понижающей накладкой и частотно-понижающей концентрирующей накладкой. Диаметр второго цилиндрического участка преобразователя и диаметр первого цилиндрического участка ультразвукового хирургического инструмента равен 12 мм. Колебательная система имеет максимальный размер в поперечном сечении, равный 44 мм, что, с точки зрения эргономических требований (удобство работы хирурга), считается наиболее приемлемым.

Анализ конструктивных особенностей и функциональных возможностей ультразвуковой колебательной системы позволил выявить следующие существенные недостатки:

1. Низкую эффективность ультразвуковой колебательной системы, обусловленную симметричным размещением кольцевых пьезоэлектрических элементов между тыльной частотно-понижающей резонансной накладкой и частотно-понижающей концентрирующей накладкой. В этом случае на пьезоэлектрические элементы действуют максимальные механические разрывные напряжения [5]. Поскольку пьезокерамические материалы имеют ограниченную механическую прочность [6], при определенном напряжении питания они разрушаются.

Таким образом, ограниченная механическая прочность пьезокерамики (не превышающая при растяжении 20...30 МПа [7]), ограничивает удельную излучаемую механическую мощность ультразвуковых колебаний.

2. Низкое качество операции и возможность ожогов пациента, обусловленные тем, что пьезоэлектрический преобразователь колебательной системы для пластической хирургии в области размещения пьезоэлектрических элементов и тыльной накладки не охлаждается (поскольку физиологический раствор подается только на концентрирующую накладку).

В процессе длительной работы (при проведении многочасовой операции) температура ультразвуковой колебательной системы постоянно увеличивается. Увеличение температуры приводит к снижению коэффициента преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, увеличению диэлектрических потерь в пьезокерамических элементах и, соответственно, к дополнительному повышению их температуры, а также к изменению собственной электрической емкости пьезокерамических элементов [8].

В результате разогрева колебательной системы ограничивается удельная излучаемая мощность ультразвуковых колебаний и снижается эффективность эмульгирования жира, ухудшаются условия согласования колебательной системы с электронным генератором, что также приводит к снижению излучаемой мощности и делает возможными ожоги пациента.

3. Колебательная система, принятая за прототип, обеспечивает низкую производительность операции липосакции. Обусловлено это малым выходом энергии ультразвуковых колебаний, поскольку рабочие окончания сменных инструментов имеют цилиндрическую форму, выполнены диаметром 5 мм с внутренним отверстием диаметром 2,5 мм. Вывод ультразвуковой энергии в подкожно-жировую клетчатку происходит через малую излучающую поверхность рабочего окончания (0,15 см2), поэтому для обеспечения необходимой для эмульгирования энергии увеличивают подводимую к пьезопреобразователю дополнительную энергию от электронного генератора (500 Вт и более). Увеличение подводимой к преобразователю энергии увеличивает тепловые потери как в преобразователе, так и в сменном ультразвуковом хирургическом инструменте. Таким образом, даже в случае использования специальных методов охлаждения хирургического инструмента (металлические чехлы и ирригационная жидкость) происходят ожоги тканей пациента. 

4. Низкая эффективность колебательной системы и ультразвукового воздействия обусловлена также тем, что основная зона кавитационного разрушения подкожно-жировой клетчатки расположена в непосредственной близости от излучающей поверхности торцевого окончания инструмента. При этом кавитационные пузыри формируются на излучающей поверхности, что приводит к ее кавитационному разрушению. Кроме того, существование вблизи малой поверхности излучения двух противоположных потоков (кавитационного и потока отсасываемой эмульсии с кусочками подкожно-жировой клетчатки) не позволяет обеспечить стабильность сопротивления излучения колебательной системы. При этом режим согласования электронного генератора с колебательной системой становится неоптимальным (не совпадают резонансная частота колебательной системы с рабочей частотой генератора). Автоматическая подстройка рабочей частоты генератора не позволяет полностью исключить влияние изменяющегося сопротивления излучения.

5. Ограниченная производительность операции липосакции обусловлена, также, неоптимальным соотношением размеров ультразвуковых хирургических инструментов в сравнении с преобразователем. Для согласования пьезоэлектрического преобразователя и хирургических инструментов различной длины, в прототипе, общая длина ультразвуковых хирургических инструментов выбрана равной 0,5, или 1,0, или 1,5, или 2,0 длинам волн УЗ-колебаний на участке плавного перехода, в зависимости от глубины введения инструментов. Опыт эксплуатации колебательных систем для пластической хирургии свидетельствует о том, что эффективность колебательной системы не является максимальной в случае, когда частота преобразователя соответствует частоте инструмента, причем, при увеличении длины инструмента - эффективность падает. Наличие такой зависимости обусловлено различными потерями энергии в материалах преобразователя и инструментов.

6. Кроме основных недостатков, ультразвуковая колебательная система, принятая за прототип, имеет еще несколько недостатков:

- Подача физиологического солевого раствора осуществляется по специальной трубке над поверхностью пьезоэлементов. Кроме того, что это исключает возможность использования физиологического раствора для охлаждения преобразователя, такая подача представляет реальную угрозу воздействия электрического тока на пациента, при нарушении герметичности трубки, проходящей над поверхностью электродов пьезоэлементов.

- Кроме того, такое конструктивное исполнение канала подачи физиологического раствора обуславливает увеличение габаритных размеров всего инструмента. Поскольку этот размер не должен превышать 44 мм, то использование внешнего канала подачи раствора в рассматриваемой конструкции приводит к необходимости уменьшения диаметра используемых пьезоэлектрических элементов (до 18 мм) и снижению мощности излучения.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность ультразвуковой колебательной системы, принятой за прототип, обуславливают снижение производительности операции ультразвуковой липосакции, а в некоторых случаях делают ее опасной для жизни пациентов.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующих ультразвуковых колебательных систем для пластической хирургии, создание ультразвуковой колебательной системы для пластической хирургии, способной обеспечить повышение эффективности ультразвукового воздействия, повышение качества и производительности операций липосакции, исключить опасность ожогов для пациентов. Кроме того, разработанная и практически реализованная ультразвуковая колебательная система способна обеспечить повышение привлекательности операции и снижение ее стоимости. 

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известной ультразвуковой колебательной системе для пластической хирургии, содержащей закрепленный в корпусе пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый и второй цилиндрические участки, с расположенным между ними участком плавного перехода, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде полого стержня, включающего первый и второй цилиндрические участки и участок плавного перехода между ними. На конце стержня имеется рабочее окончание, выполненное полым, со скругленными краями, пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки, в стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а со второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя, длину второго цилиндрического участка хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента равной 0,55, или 1,1, или 1,65, или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода, а рабочее окончание выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублением, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси. 

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1а, б. 

На фиг.1а представлена ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии, содержащая закрепленный в корпусе 1 пьезоэлектрический преобразователь 2, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне 3 и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки 4, кольцевых пьезоэлектрических элементов 5 и частотно-понижающей концентрирующей накладки 6, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый 7 и второй цилиндрические участки 8 с расположенным между ними участком плавного перехода 9, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал 10, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент 11, выполненный в виде полого стержня, включающего первый 12 и второй цилиндрические участки 13 и участок 14 плавного перехода между ними, на конце стержня имеется рабочее окончание 15, выполненное полым, со скругленными краями, пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки, в стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала 16 для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком 17, а со второй - имеющие выход 18 на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя. Длину второго цилиндрического участка 13 хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента, равной 0,55, или 1,15, или 1,65, или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода, а рабочее окончание (см. фиг.1б) выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным 19 или сферическим углублением 20, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси.

Преобразователь электрических колебаний в упругие механические колебания ультразвуковой частоты выполнен по полуволновой схеме в виде тела вращения и объединяет собственно пьезопреобразователь и ступенчато-экспоненциальный концентратор. Наличие протяженного участка плавного перехода приводит к тому, что коэффициент усиления системы снижается не более чем на 20% по сравнению с коэффициентом усиления ступенчатого концентратора. Однако при таком выполнении преобразователя зависимость собственной частоты колебательной системы от изменяющейся акустической нагрузки (сопротивления излучения) становится минимальной, приближающейся к зависимости, характерной для классического экспоненциального концентратора [5]. С пьезоэлектрическим преобразователем, посредством резьбового соединения, соединяется ультразвуковой хирургический инструмент.

Пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной амплитуды на тыльной стороне резонансной накладки 4. Такое размещение пьезоэлектрических элементов обеспечивает уменьшение действующих на пьезокерамические элементы разрывных напряжений, по сравнению с прототипом, не менее чем на 30%, что существенно облегчает режим их работы.

Известно [см., например: Ю.В.Холопов. Оборудование для ультразвуковой сварки. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1985, с.58-64], что в многослойных преобразователях с частотно-понижающими накладками, толщины которых неодинаковы, удельная излучаемая механическая мощность ультразвуковых колебаний зависит от соотношения размеров накладок и пьезоэлементов, их акустических характеристик (скорости ультразвука и плотности) и площади излучающей поверхности. При этом максимальная удельная излучаемая мощность достигается при различающихся продольных размерах частотно-понижающих накладок. 

Предлагаемая колебательная система обеспечивает наилучшее согласование преобразователя с жировой эмульсией за счет оптимизации коэффициента усиления всей колебательной системы равным 15…17 [7] и максимизации излучаемой мощности. Это достигается выбором диаметров цилиндрических участков накладок и диаметра пьезоэлементов. Выбор этих поперечных размеров (в частности, площади излучающей поверхности и длины участка плавного перехода) определяет продольные размеры частотно-понижающих накладок и, соответственно, место размещения пьезоэлектрических элементов.

Экспериментальные исследования пьезоэлектрического преобразователя предложенной колебательной системы показали, что выбрана оптимальная область размещения пьезоэлектрических элементов, поскольку такое размещение пьезоэлементов обеспечило не только снижение механических напряжений в области их размещения, но и позволило увеличить коэффициент электромеханического преобразования до 70% (в прототипе был не более 50%).

Таким образом, требуемая амплитуда колебаний рабочего окончания (150 мкм) достигается при снижении энергопотребления генератором с 500 до 50 Вт (в 10 раз). Уменьшение электрического напряжения, подаваемого от генератора на электроды пьезоэлементов, позволило повысить надежность защиты от поражения электрическим током, снизило потери в материале пьезоэлементов.

В соединительном стержне и частотно-понижающей концентрирующей накладке выполнены три сквозных канала. Центральный канал предназначен для удаления получаемой жировой эмульсии. Симметрично, относительно центрального канала, выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а со второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода в зоне минимальной амплитуды механических колебаний. Это способствует улучшению условий охлаждения преобразователя и уменьшению габаритов корпуса. Кроме того, такое выполнение каналов подачи ирригационной жидкости позволяет исключить движение физиологического солевого раствора над поверхностью электродов пьезоэлементов, где присутствуют большие напряжения.

Для согласования пьезоэлектрического преобразователя и рабочих инструментов различной длины использованы известные теоретические и экспериментальные результаты [11] по оптимальному согласованию преобразователя с рабочим инструментом. В этих исследованиях показано, что наибольшая эффективность колебательной системы обеспечивается в случае, когда частота преобразователя на несколько килогерц выше частоты инструмента, а не при условии равенства частот. Наличие такой зависимости обусловлено потерями энергии в материалах преобразователя и инструмента (от их соотношения). Эти зависимости качественно подтверждены в экспериментальных исследованиях с полуволновыми магнитострикционными преобразователями и полуволновыми инструментами. 

Проведенные исследования позволили установить, что оптимальное согласование пьезоэлектрического преобразователя с хирургическими инструментами различной длины в предложенной колебательной системе (обеспечение максимальной амплитуды колебаний рабочего окончания) обеспечивается в случаях, когда общая длина хирургического инструмента составляет 0,55, или 1,1, или 1,65, или 2,2 длины волны УЗ-колебаний на участке плавного перехода [12].

Полученные экспериментальные результаты позволили выбрать длины хирургических инструментов для комплектации предложенной колебательной системы равными 115, 240, 350, 470 мм.

Изготовление ультразвуковых хирургических инструментов различной длины позволило подтвердить правильность полученной методики выбора размеров инструментов и создать комплект инструментов для предлагаемой колебательной системы. Ультразвуковые хирургические инструменты представлены на фото фиг.2а.

Предложенное конструктивное решение позволило оптимально согласовать преобразователь с ультразвуковыми хирургическими инструментами. Это привело к увеличению амплитуды механических колебаний не менее чем на 20% по сравнению с колебательной системой, принятой за прототип, где собственные резонансные частоты самого преобразователя и инструментов совпадают.

Рабочие окончания сменных инструментов выполнены в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублениями. Такие рабочие окончания ультразвукового хирургического инструмента обеспечивают поверхность излучения УЗ-колебаний более 1,5 см2.

Сложная форма поверхности рабочего окончания хирургического инструмента позволила обеспечить высокую эффективность ультразвукового воздействия на жировую эмульсию. Это объясняется тем, что внутренняя поверхность рабочего окончания обеспечивает направленное излучение ультразвуковых колебаний вдоль акустической оси. Основная зона кавитационного разрушения подкожно-жировой клетчатки отделена от излучающей поверхности рабочего окончания инструмента. При этом создаются интенсивные гидродинамические потоки, обеспечивая интенсивный массообмен в среде.

Внешняя поверхность усеченного конуса рабочего окончания инструмента обеспечивает излучение ультразвуковых колебаний в обратном направлении в обрабатываемую среду, под углом к акустической оси. Форма поверхности рабочего окончания и формируемые гидродинамические потоки от поверхности за счет изгибных высокочастотных колебаний поверхности исключают задерживание кавитационных пузырьков на поверхности рабочего окончания. Это обеспечивает стабильность сопротивления излучения и сводит к минимуму кавитационные разрушения материала рабочего окончания хирургического инструмента. Поэтому ультразвуковой хирургический инструмент становится более долговечным.

Дополнительная особенность усеченного конусного окончания с внутренним конусным или сферическим углублениями заключается в том, что создается избыточное давление в эмульсии перед конусным окончанием и происходит движение эмульсии в центральный сквозной канал, без дополнительного вакуумирования (эффект ультразвукового насоса). Это ускоряет процесс удаления жировой эмульсии.

Наличие эффекта насоса в конусном окончании и дополнительное эмульгирование поступающего в канал жира позволило уменьшить диаметр канала до 2 мм (вместо 2,5 у прототипа) без потери производительности отбора эмульсии. Уменьшение внутреннего диаметра повысило прочность хирургического инструмента и позволило увеличить амплитуду колебаний до 250 мкм (вместо 150 у прототипа) без снижения надежности и долговечности инструментов.

Коэффициент трансформации скорости механических колебаний (коэффициент усиления), равный 15…17, достигнут за счет увеличения диаметра пьезоэлементов до 30 мм, обеспечившего коэффициент усиления преобразователя не менее 6 и коэффициент усиления ультразвукового хирургического инструмента не менее 2,5. Оптимальное согласование колебательной системы с обрабатываемой средой позволило увеличить выход энергии ультразвуковых колебаний в обрабатываемую среду не менее чем в 10 раз.

Технический результат изобретения выражается в повышении эффективности ультразвукового воздействия на подкожно-жировую клетчатку за счет увеличения амплитуды колебаний рабочего окончания хирургического инструмента, увеличения энергии УЗ-колебаний, вводимых в обрабатываемую среду, снижения энергозатрат, уменьшения нагрева колебательной системы и улучшения условий согласования колебательной системы с электронным генератором при изменениях акустической нагрузки.

В результате реализации предлагаемого технического решения оптимизирована конструкция колебательной системы для пластической хирургии с точки зрения обеспечения максимальной эффективности преобразования энергии электрических колебаний в ультразвуковые, оптимального согласования с жидкой средой, увеличения площади излучающей поверхности для обеспечения вывода максимально возможной энергии без изменения поперечного размера рабочего окончания инструмента, уменьшения нагрева преобразователя и сменных хирургических инструментов. 

Разработанная в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии (см. фиг.2б) прошла лабораторные и медико-технические испытания. Максимальная амплитуда колебаний составила 250 мкм, время одной процедуры липосакции на максимальной мощности не более 40 минут (вместо 2 часов), при этом корпус колебательной системы не нагревался свыше 40-45°С.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведется подготовка к серийному производству предложенных ультразвуковых колебательных систем. Они будут использоваться в составе аппаратов для ультразвуковой липосакции. Мелкосерийное производство начато в 2003 году.

Источники информации

1. Technische Weiterentwicklung und klinische Evaluierung. Michele L., Zocchi, MD, PhD, CLINICS IN PLASTIC SURGERY JAHRGANG 23, NUMMER 4, OKTOBER 1996.

2. Ronald R. Manna, Vaclav Podany. Ultrasonic lipectomy probe and metod for manufacture. Patent US №5527273.

3. Henry Nita. Ultrasound transmission member having improved longitudinal transmission properties. Patent US №5380274.

4. Vaclav О., Bollinger; Stephen A. Ultrasonic assisted liposuction system. Patent US №6013048 (прототип).

5. Казанцев В.Ф. расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. - М.: Машиностроение, 1980.

6. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. - М.: ГНТИ машиностроительной литературы, 1959.

7. Агранат Б.А., Башкиров В.И., Китайгородский Ю.И., Хавский Н.Н. Ультразвуковая технология. М., 1974.

8. Хмелев В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Монография/ Алт. гос. техн. ун-т им И.И.Ползунова - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. - 168 с.

9. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Цыганок С.Н. Ультразвуковая размерная обработка материалов: Монография/ Алт. гос. техн. ун-т им И.И.Ползунова - Барнаул: изд. АлтГТУ, 1999. - 120 с.

10. Барсуков Р.В., Хмелев В.Н., Цыганок С.Н. Ультразвуковая колебательная система. Патент РФ №2141386.

11. Купенко И.Н., Макаревич А.Б., Рыжкин Ю.А. Об условиях оптимального согласования магнитострикционного преобразователя и волновода. Труды Акустического института, Изд. АКИН АН СССР, выпуск VIII, 1969, с.104-109.

12. Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Шалунов А.В. Аппарат для ультразвуковой липосакции. Межвузовский сборник “Измерения, автоматизация и моделирование в промышленных и научных исследованиях”. - Бийск, АлтГТУ, 2002. - С.196-202.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Ультразвуковая колебательная система для пластической хирургии, содержащая закрепленный в корпус пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде последовательно размещенных на соединительном стержне и акустически связанных между собой тыльной частотно-понижающей резонансной накладки, кольцевых пьезоэлектрических элементов и частотно-понижающей концентрирующей накладки, при этом образующая тела вращения пьезоэлектрического преобразователя выполнена в виде непрерывной кусочно-гладкой кривой, тело вращения включает первый и второй цилиндрические участки с расположенным между ними участком плавного перехода, а в соединительном стержне и концентрирующей накладке выполнен центральный сквозной канал, соединенный и акустически связанный с пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковой хирургический инструмент, выполненный в виде полого стержня, включающего первый и второй цилиндрические участки и участок плавного перехода между ними, на конце стержня имеется рабочее окончание, выполненное полым со скругленными краями, отличающаяся тем, что пьезоэлектрические элементы расположены на первом цилиндрическом участке в области, где амплитуда колебаний составляет не менее 30% от максимальной на тыльной стороне резонансной накладки, в стягивающем стержне и концентрирующей накладке симметрично относительно центрального канала выполнены два канала для подачи ирригационной жидкости, соединенные одной стороной с подводящим патрубком, а второй - имеющие выход на поверхность концентрирующей накладки на участке плавного перехода пьезоэлектрического преобразователя, длину второго цилиндрического участка хирургического инструмента выбирают с возможностью получения общей длины хирургического инструмента равной 0,55 или 1,1 или 1,65 или 2,2 длины волны ультразвуковых колебаний на участке плавного перехода, а рабочее окончание выполнено в виде усеченного конуса с внутренним конусным или сферическим углублением, раскрыв которого выбран с возможностью направления ультразвукового излучения вдоль акустической оси.