Применение в хирургии склеивающих веществ ультразвука лазера. Физические основы применения ультразвука в хирургии

В хирургии всегда существовал ряд вопросов и задач, которые нужно было решить. Это снижение травматичности операций, уменьшение кровопотерь, ускорение заживление, разработка новых, более прогрессивных методов и др. Во многом решить эти задачи помог ультразвуковой метод.

Существует две основные области использования ультразвука в хирургии:

• Инструментальная хирургия. Наложение ультразвука на операционные инструменты (пилы, лезвия и др.)
• Локальные разрушения. Фокусированный ультразвук способен проникать глубоко в ткани, уничтожая различные образования.

Инструментальная хирургия

На рабочую поверхность инструмента (например, скальпель), которая соединена с преобразователем волноводом, накладывается ультразвук . Амплитуда колебаний волн на режущей части инструмента может составлять от 1 до 365 мкм (в зависимости от конкретного назначения инструмента и потребностей операции), частота - от 20 до 100 кГц. Ультразвуковые колебания уменьшают трение между тканями и лезвием, благодаря чему специалист-хирург затрачивает меньше усилий, а операция проходит более быстро и гладко.

Как правило, при рассечении мягких тканей с ними взаимодействует только кромка режущей части - происходит, так называемое, микрорезание. Также от кромки выделяется тепло, создающее гемостатический эффект. Это все способно во многом облегчить процесс оперирования, что и обуславливает распространение ультразвуковых инструментов в хирургии.

Ультразвуковые инструменты отличаются по своему назначению, амплитуде колебаний волн и другим характеристикам. Основными считаются:

1. Скальпель (хирургический нож) . Он помогает расслаивать мягкие ткани, отделяя патологические образования и структуры от нормальных. Как правило, это инструмент применяется при:
   • Пластических операциях
   • Удалении различных опухолей
   • Иссечении рубцов
   • Вскрытии очагов воспаления

     Это очень эффективный инструмент, позволяющий осуществлять вышеперечисленные действия с минимальным стрессом для пациента и с применение минимальных усилий со стороны врача.

2. Пила . Этот инструмент имеет режущую кромку, на которой располагаются зубья (шаг - 1 мм). Пила используется для:
   • Рассечения костей, особенно расположенных в труднодоступных для хирурга местах, рядом с кровеносными сосудами и нервами
   • Трепанации черепа
   • Ламинэктомии
   • Рассечения костей ребер, грудины, ключиц, стоп кистей, лицевого отдела черепа

     Ультразвуковая пила не повреждает оставшиеся части тканей, не нагревает, не прижигает и не разминает их. После использования этого инструмента перестройка костных трансплантатов и образование костной мозоли осуществляются в разы быстрее, чем после использования обычных приборов. Использование ультразвуковых пил обеспечивает очень высокую точность моделирования трансплантатов.

3. Ультразвуковой аппарат для "сварки" костей . Этот аппарат позволяет:
   • Очень быстро и точно соединять стромы фрагментов
   • Осуществлять процессы "сваривания" коллагеновых волокон различных фрагментов
   • В очень короткие сроки полимеризировать мономеры
   • Осуществлять практически мгновенную диффузию мономеров

     Аппарат, с наложенным на него ультразвуком, позволяет хирургам осуществлять все вышеперечисленные процессы во много раз быстрее, что сокращает расходы на операции, минимизирует труд медиков, уменьшает сроки выздоровления пациентов.

Помимо этих трех инструментов существуют целые хирургические комплексы. Они позволяют воздействовать только на твердые ткани, оставляя мягкие нетронутыми и, соответственно, не нанося им никаких повреждений.

Также с помощью аппаратов, с наложенным на них ультразвуком, можно "склеивать" сосуды, удалять тромбы, удалять катаракту глаза и производить другие оперативные действия.

Вызов локальных разрушений

Открытие этого способа применения ультразвука в хирургии позволило проводить некоторые операции без единого нарушения целостности живых тканей. Волны фокусируются в одном месте (например, на опухоли), постепенно уничтожая патологическое образование. Процесс удаления выводится на изображение томографа, что позволяет врачу полностью следить за операцией.

Такие операции полностью исключают повреждение живых тканей, образование костных сколов/обломков, уничтожение кровеносных сосудов и повреждение нервов. Ультразвук позволяет в разы снижать травматичность хирургических процедур. При этом время, затраченное на операцию и восстановление, сокращается.

Сегодня ультразвук применяется не только в диагностике. Открытие возможности применение этого явления в других областях медицины позволило существенно продвинуть вперед хирургию и решить многие ее вопросы.

Давно известно, что ультразвук, действуя на ткани, вызывает в них биологические изменения . Интерес к изучению этой проблемы обусловлен, с одной стороны, естественным опасением, связанным с возможным риском применения ультразвуковых диагностических систем для визуализации, а с другой - возможностью вызвать изменения в тканях для достижения терапевтического эффекта.

По ультразвуковой терапии существует обширная литература, хотя, к сожалению, большинство работ не отличается высоким качеством и содержит мало строгой научной информации. В этой главе обсуждение ограничено работами, имеющими прочную научную основу.

Терапевтический ультразвук может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях.

Первое направление включает в себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе - ультразвуковую хирургию.

Ультразвук, применяемый в медицине, может быть условно разделен на ультразвук низких и высоких интенсивностей. Основная задача применения ультразвука низких интенсивностей (0,125 - 3,0 Вт/см2) - неповреждающий нагрев или какие-либо нетепловые эффекты, а также стимуляция и ускорение нормальных физиологических реакций при лечении повреждений. При более высоких интенсивностях (> 5 Вт/см2) основная цель - вызвать управляемое избирательное разрушение в тканях. Первое направление включает в себя большинство применений ультразвука в физиотерапии и некоторые виды терапии рака, второе - ультразвуковую хирургию.

Применение ультразвука в хирургии.

Существуют две основные области применения ультразвука в хирургии. В первой из них используется способность сильно фокусированного пучка ультразвука вызывать локальные разрушения в тканях, а во второй механические колебания ультразвуковой частоты накладываются на хирургические инструменты типа лезвий, пил, механических наконечников.

Хирургия с помощью фокусированного ультразвука.

Хирургическая техника должна обеспечивать управляемость разрушения тканей, воздействовать только на четко ограниченную область, быть быстродействующей, вызывать минимальные потери крови. Мощный фокусированный ультразвук обладает большинством из этих качеств. Возможность использования фокусированного ультразвука для создания зон поражения в глубине органа без разрушения вышележащих тканей изучено в основном в операциях на мозге. Позже операции проводились на печени, спинном мозге, почках и глазе.

Применение ультразвука в физиотерапии

Ускорение регенерации тканей.

Одно из наиболее распространенных применений ультразвука в физиотерапии - это ускорение регенерации тканей и заживления ран. Восстановление тканей можно описать с помощью трех перекрывающихся фаз. В течение воспалительной фазы фагоцитарная активность макрофагов и полиморфнонуклеарных лейкоцитов ведет к удалению клеточных фрагментов и патогенных частиц. Переработка этого материала происходит главным образом при помощи лизосомальных ферментов макрофагов. Известно, что ультразвук терапевтических интенсивностей может вызвать изменения в лизосомальных мембранах, тем самым ускоряя прохождение этой фазы. Вторая фаза в залечивании ран - пролиферация или фаза разрастания. Клетки мигрируют в область поражения и начинают делиться. Фибробласты начинают синтезировать коллаген. Интенсивность заживления начинает увеличиваться, и специальные клетки, миофибробласты, заставляют рану стягиваться. Показано, что ультразвук значительно ускоряет синтез коллагена фибробластами как in vitro, так и in vivo. Если диплоидные фибробласты человека облучить ультразвуком частотой 3 МГц и интенсивностью 0,5 Вт/см2 in vitro, то количество синтезированного белка увеличится. Исследование таких клеток в электронном микроскопе показало, что по сравнению с контрольными клетками в них содержится больше свободных рибосом, шероховатой эндоплазматической сети. Третья фаза - восстановление. Эластичность нормальной соединительной ткани обусловлена упорядоченной структурой коллагеновой сетки, позволяющей ткани напрягаться и расслабляться без особых деформаций. В рубцовой ткани волокна часто располагаются нерегулярно и запутанно, что не позволяет ей растягиваться без разрывов. Рубцовая ткань, формировавшаяся при воздействии ультразвука, прочнее и эластичнее по сравнению с "нормальной" рубцовой тканью.

Лечение трофических язв.

При облучении хронических варикозных язв на ногах ультразвуком частотой 3 МГц и интенсивностью 1 Вт/см2 в импульсном режиме 2 мс: 8 мс были получены следующие результаты: после 12 сеансов лечения средняя площадь язв составляла примерно 66,4% от их первоначальной площади, в то время как площадь контрольных язв уменьшилась всего до 91,6%. Ультразвук может также способствовать приживлению пересаженных лоскутов кожи на края трофических язв.

Ускорение рассасывания отеков.

Ультразвук может ускорить рассасывание отеков, вызванных повреждениями мягких тканей, что скорее всего обусловлено увеличением кровотока или местными изменениями в тканях под действием акустических микропотоков.

Заживление переломов.

При экспериментальном исследовании переломов малой берцовой кости у крыс было обнаружено, что ультразвуковое облучение во время воспалительной и ранней пролиферативной фаз ускоряет и улучшает выздоровление. Костная мозоль у таких животных содержала больше костной ткани и меньше хрящей. Однако в поздней пролиферативной фазе приводило к негативным эффектам - усиливался рост хрящей и задерживалось образование костной ткани.

Светолечение

Светолечение - это метод физиотерапии, заключающийся в дозированном воздействии на организм больного инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения.

Инфракрасное излучение

Механизм действия :

1. местная гипертермия;
2. спазм сосудов, сменяющийся их расширением, усиление кровотока;
3. увеличение проницаемости стенок капилляров;
4. усиление тканевого обмена, активация окислительно-восстановительных процессов;
5. высвобождение биологически-активных веществ, в том числе гистаминоподобных, что также приводит к увеличению проницаемости капилляров;
6. противовоспалительный эффект;
7. ускорение обратного развития воспалительных процессов;
8. ускорение тканевой регенерации;
9. увеличение местной сопротивляемости тканей к инфекции;
10. рефлекторное снижение тонуса поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры - уменьшение болей, связанных с их спазмом.

Показания :

1. не гнойные хронические и подострые местные воспалительные процессы;
2. ожоги;
3. обморожения;
4. плохо заживающие раны и язвы;
5. спаечный процесс в брюшной полости;
6. миозиты;
7. невралгии;
8. последствия травм опорно-двигательного аппарата.

Противопоказания :

1. злокачественные новообразования;
2. тенденция к кровотечениям;
3. острые гнойно-воспалительные заболевания.

Ультрафиолетовое излучение

Механизм действия :

1. нервно-рефлекторный: лучистая энергия как раздражитель действует через кожу с ее мощным рецепторным аппаратом на центральную нервную систему, а через нее на все органы и ткани организма человека;
2. часть поглощенной лучистой энергии превращается в теплоту, под ее влияние в тканях происходит ускорение физико-химических процессов, что сказывается на повышении тканевого и общего обмена;
3. фотоэлектрический эффект - отщепленные при этом электроны и появившиеся положительно заряженные ионы влекут за собой изменения "ионной конъюнктуры" в клетках и тканях, а следовательно и изменение электрических свойств коллоидов; в результате этого увеличивается проницаемость клеточных мембран и увеличивается обмен между клеткой и окружающей средой;
4. возникновение вторичного электромагнитного излучения в тканях;
5. бактерицидное действие света, зависящее от спектрального состава, интенсивности излучения; бактерицидное действие складывается из непосредственного действия лучистой энергии на бактерий и повышение реактивности организма (образование БАВ, повышение иммунологических свойств крови);
6. прямое разрушение токсинов: дифтерийного и столбнячного;
7. при воздействии ультрафиолетового излучения появляется пигментация кожи, повышающая устойчивость кожи к повторным облучениям;
8. изменение физико-химических свойств кожи (снижение рН за счет снижения уровня катионов и повышения уровня анионов).

Основная идея применения ультразвука в хирургии заключается в сообщении хирургическим инструментам ультразвуковых колебаний, что существенно увеличивает их эффективность, облегчает проведение операций и уменьшает травматические повреждения окружающих тканей. При этом выделяется несколько направлений: ультразвуковое резание мягких ткачей; ультразвуковая резка, сверление, трепанация, сварка и наплавка костной ткани: ультразвуковая эндартерэктомия (проведение восстановительных операций на пораженных атеросклерозом крупных сосудах).

Можно выделить две основные области использования ультразвука в оперативной хирургии. Это инструментальная ультразвуковая хирургия и локальные разрушения в глубине тканей с помощью фокусированного ультразвука.

За последние годы в практику стали широко внедряться физические методы хирургического воздействия с применением электрокоагуляционной, лазерной, криогенной и ультразвуковой техники.

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. Амплитуда колебаний режущей кромки в зависимости от поставленной задачи может быть изменена от 1 до 350 мкм, а частота выбирается в диапазоне от 20 до 100 кГц. Как известно, трение покоя больше, чем трение скольжения, поэтому трение между двумя поверхностями уменьшается, если одна из них совершает колебательные движения. Именно поэтому 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 колебании. Зависит он и от вязкоупругих свойств и однородности ткани. ультразвук хирургия диагностика техника

При рассечении мягких тканей ультразвуковым ножом, лезвие которого совершает продольные ультразвуковые колебания, взаимодействует с тканью лишь кромка лезвия, обеспечивая процесс микрорезания, существенно усиливающего режущие свойства инструмента. Кроме того, у кромки лезвия колеблющегося инструмента выделяется теплота, локально повышающая температуру ткани и обусловливающая гемостатический эффект в результате термокоагуляции крови.

Так, 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, помимо продольных, совершает и поперечные колебания. Такие инструменты оказывают существенное влияние па окружающие ткани и по мере введения инструмента разрушают их.

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

Для разрушения тканей в ультразвуковой хирургии существуют два метода. Первый из них основан на действии самого-ультразвука, а второй – на приведении в ультразвуковые колебания хирургического инструмента.

С 1954 г. проводятся операции по удалению опухолей в мозговой ткани без вскрытия черепной коробки. Несколько излучателей, укрепленных на голове пациента, испускают пучки ультразвука, фокусирующиеся на опухоли. Интенсивность каждого пучка такова, что он не приводит к повреждению здоровой ткани, но в том месте, где все пучки сходятся, интенсивность возрастает и опухоль разрушается под действием кавитации и выделяющегося тепла. Излучателями служат вогнутые пьезокерамические пластинки, резонансные частоты которых выбирают в диапазоне от 0,5 до 4 МГц при интенсивности порядка 0,1·10 4 Вт/м 2 . Фокусированный ультразвук применяют также для изучения роли отдельных областей головного мозга. Разрушая у подопытных животных некоторые области мозга, можно выяснить, как они влияют на жизнедеятельность животного.

Ультразвуком можно также рассекать ткани, для чего хирургические инструменты (скальпели, пилки, иглы) соединяют с магнитострикционными преобразователями. Амплитуда колебаний режущего инструмента при частоте от 20 до 50 кГц обычно составляет 10–50 мкм. Преимущества этого метода: снижение усилия резания, уменьшение болевого ощущения при операции, кровоостанавливающий и стерилизующий эффекты ультразвука. Ультразвуковую резку применяют для рассечения любых мягких тканей. Ультразвуковые скальпели различной формы позволяют проводить операции без вскрытия грудной клетки в дыхательных органах, пищеводе, на кровеносных сосудах. Вводя длинный и тонкий ультразвуковой инструмент в вену, можно разрушать холестериновые утолщения в этих сосудах. Ультразвук позволяет не только разрезать, но и «сваривать» мягкие ткани. Если сложить два разрезанных кровеносных сосуда и прижать их друг к другу, то после облучения образуется сварной шов, который не уступает по прочности шву, сделанному нитками.

Ультразвук используют в костной хирургии для сварки костей. Область перелома заполняют костной щебенкой, смешанной с жидкими пластмассами (например, с циакрином), которые под действием ультразвука быстро полимеризуются, создавая прочный сварной шов, который постепенно рассасывается и заменяется костной мозолью.

Первые успешные операции с ультразвуком были проведены в 60-х годах. Ультразвуком можно рассекать и соединять почти все живые ткани, причем с большим удобством, стерильностью и с меньшими болевыми ощущениями, чем при обычной хирургии.

Стерилизация. Губительное действие УЗ на микроорганизмы используется для стерилизации.