RU2547793C1

RU2547793C1 - Ultrasonic waveguide for surgical applications

Info

Publication number: RU2547793C1
Application number: RU2013147143/14A
Authority: RU
Inventors: Алексей Алексеевич Новиков; Дарья Александровна Лебедева
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-10
Also published as: RU2013147143A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, and can be used as a surgical instrument for removing endoprosthesis components as a part of large joint replacement. The ultrasonic waveguide represents a structure comprising half-wave cylindrical and exponential elements, wherein the exponential elements having a base diameter d are arranged at a working end face of the cylindrical element having a diameter D and provided with a central blind hole at a depth of one-fourth of wave length and diameter D1=D-2d; the base centres of the exponential element are arranged around the circumference a diameter of which is two radiuses of the exponential element less than that of the cylindrical element, while the elements are fastened with screws at 120 degrees.

EFFECT: using the invention enables removing the endoprosthesis cup during revision prosthetic replacement with low bone loss and reducing the time of removal.

3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к медицине и в частности может быть использовано как хирургический инструмент для удаления компонентов эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов.The present invention relates to medicine and, in particular, can be used as a surgical tool to remove components of the endoprosthesis during revision replacement of large joints.

Большинство ультразвуковых медицинских аппаратов (УЗМА) многофункционального назначения снабжены сменными волноводами - инструментами. Как правило, УЗКС выполняются с магнитострикционными или пьезокерамическими преобразователями энергии, причем ввиду малых амплитуд механических колебаний преобразователей (до 3-4 мкм), за исключением преобразователей с гигантской магнитострикцией, обычно применяются дополнительные усилители механических колебаний, в качестве которых используются стержневые волноводы-концентраторы ультразвука, называемые просто концентраторами или волноводами.Most ultrasound medical devices (UZMA) multifunctional equipped with interchangeable waveguides - instruments. As a rule, ultrasonic vibrating systems are performed with magnetostrictive or piezoceramic energy transducers, and due to the small amplitudes of the mechanical vibrations of the transducers (up to 3-4 μm), with the exception of transducers with giant magnetostriction, additional amplifiers of mechanical vibrations are usually used, which are used as waveguide ultrasound concentrators simply called hubs or waveguides.

В зависимости от вида обрабатываемой биологической ткани (мягкая, костная, хрящевая) и рода работы с этой тканью (соединение, разделение, обработка) концентраторы выполняются с соответствующими рабочими окончаниями (пилки, ножи, лопатки, долота), которые принято называть насадками, вне зависимости от того, выполнены ли они как одна монолитная деталь вместе с концентратором или же представляют собой самостоятельные детали, прикрепленные к концентратору.Depending on the type of biological tissue being processed (soft, bone, cartilage) and the type of work with this tissue (connection, separation, processing), concentrators are performed with the corresponding working endings (files, knives, shoulder blades, chisels), which are usually called nozzles, regardless whether they are made as one monolithic part together with a concentrator or whether they are independent parts attached to a concentrator.

Известны волноводы инструменты для травматологии [Новиков, А.А. Разработка низкочастотной ультразвуковой аппаратуры для терапии и хирургии: дис. … докт. техн. наук: 05.11.17 / А.А. Новиков. - Москва, 2008. - 293 с.], которые предназначены для передачи УЗ колебаний непосредственно в зону технологического воздействия при осуществлении процесса лечения. Волноводы - инструменты выполнены в соответствии с резонансным режимом всей акустической системы, а их торцевые части имеют размеры и форму согласно лечебному предназначению. Основной их недостаток - торцевые части при применении в ревизионном эндопротезировании крупных суставов не удобны для удаления компонентов эндопротеза, а также удаление компонента эндопротеза происходит с большими костными потерями и при большом времени извлечения.Known waveguides tools for traumatology [Novikov, A.A. Development of low-frequency ultrasound equipment for therapy and surgery: dis. ... doctor. tech. Sciences: 05.11.17 / A.A. Novikov. - Moscow, 2008. - 293 p.], Which are designed to transmit ultrasonic vibrations directly to the technological impact zone during the treatment process. Waveguides - instruments are made in accordance with the resonant mode of the entire speaker system, and their end parts are sized and shaped according to their medical purpose. Their main drawback is that the end parts, when used in revision endoprosthetics of large joints, are not convenient for removing the components of the endoprosthesis, and the removal of the component of the endoprosthesis occurs with large bone losses and with a long extraction time.

Также известен ступенчатый цилиндрический волновод инструмент [Попилов, Л.Я. Справочник по электрическим и ультразвуковым методам обработки материалов: справочник / Л.Я. Попилов. - Л., «Машиностроение», 1971. - 499 с. (прототип)], взятый в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому. Он представляет из себя собой конструкцию из полуволновых цилиндрического и экспоненциального элементов.Also known is a stepped cylindrical waveguide tool [Popilov, L.Ya. Handbook of electrical and ultrasonic methods of material processing: reference book / L.Ya. Popilov. - L., "Engineering", 1971. - 499 p. (prototype)], taken as a prototype, as the closest in technical essence to the proposed one. It is a construction of half-wave cylindrical and exponential elements.

Описанный прототип близок по технической сущности, но нецелесообразен в применении при ревизионном эндопротезировании, поскольку его применение приводит к большим костным потерям.The described prototype is close in technical essence, but impractical to use during revision endoprosthetics, since its use leads to large bone loss.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности проведения операций ревизионного эндопротезирования при использовании высокоамплитудного низкочастотного ультразвука для извлечения компонентов эндопротеза и к значительному уменьшению потери костной массы, вокруг первично установленного компонента эндопротеза.The technical result of the invention is to increase the efficiency of revision endoprosthetics when using high-amplitude low-frequency ultrasound to extract the components of the implant and to significantly reduce bone loss around the initially installed component of the implant.

Указанный технический результат достигается тем, что ультразвуковой волновод инструмент для травматологии, представляющий собой конструкцию из полуволновых цилиндрического и экспоненциальных элементов, дополнительно содержит экспоненциальные элементы с диаметром основания d, которые расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром D, выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром D1=D-2d, причем центры оснований экспоненциальных элементов расположены на окружности, диаметр которой меньше диаметра цилиндрического элемента на два радиуса экспоненциального элемента, а сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град.The specified technical result is achieved in that the ultrasonic waveguide instrument for traumatology, which is a structure of half-wave cylindrical and exponential elements, further comprises exponential elements with a base diameter d, which are located on the working end of the cylindrical element with a diameter D made with a central blind hole with a depth of a quarter of the wavelength and diameter D1 = D-2d, with the centers of the bases of the exponential elements located on a circle, the diameter k it is smaller than the diameter of the cylindrical element by two radii of the exponential element, and the elements themselves are secured with screw joints after 120 degrees.

Окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» обшей длиной l≤0,2 λ, где λ - длина волны, причем первый элемент «елочки» выполнен в виде конуса под углом при вершине 60 град, а второй и третий элемент в виде усеченного конуса под углом при вершине 35 град или в виде трехвитковой, сужающейся под углом 60 град спирали общей длиной l<0,2λ.The ends of the exponential elements are made in the form of a conical three-element “Christmas tree” with a total length l≤0,2 λ, where λ is the wavelength, the first element of the “Christmas tree” made in the form of a cone at an angle of 60 degrees at the apex, and the second and third elements in the form a truncated cone at an angle at the apex of 35 degrees or in the form of a three-turn, tapering at an angle of 60 degrees spiral with a total length l <0.2λ.

Предлагаемый хирургический инструмент (см. фиг.1) состоит из полуволновых цилиндрического 1 и экспоненциальных элементов 2, окончания экспоненциальных элементов выполнены в виде конической трехэлементной «елочки» 3 или (см. фиг.3) тройной спирали 3. Экспоненциальные элементы (см. фиг.2) с диаметром основания d расположены на рабочем торце цилиндрического элемента с диаметром D, выполненного с центральным глухим отверстием глубиной в четверть длины волны и диаметром D1=D-2d, a сами элементы закреплены винтовыми соединениями через 120 град.The proposed surgical instrument (see Fig. 1) consists of half-wave cylindrical 1 and exponential elements 2, the ends of the exponential elements are made in the form of a conical three-element "Christmas tree" 3 or (see Fig. 3) a triple spiral 3. Exponential elements (see Fig. .2) with a base diameter d located on the working end of a cylindrical element with a diameter D made with a central blind hole a quarter wavelength deep and with a diameter D1 = D-2d, and the elements themselves are secured with screw joints after 120 degrees.

Аппарат состоит из ультразвукового генератора, акустического узла, волновода - инструмента типа тройная «елочка» или тройная спираль.The device consists of an ultrasonic generator, an acoustic unit, a waveguide - a tool such as a triple "herringbone" or a triple helix.

Для обеспечения надлежащих условий ввода ультразвуковых колебаний и создания тесного контакта поверхностей прикладывается давление между волноводом и полимерной чашкой эндопротеза. Такой контакт обеспечивается статическим давлением Рст. рабочего окончания волновода на эндопротез. Это давление способствует также концентрации энергии в зоне вхождения. Динамическое усилие F, возникающее в результате колеблющегося волновода, приводит к нагреву материала, а действие статического давления Рст. обеспечивает проникновение рабочего окончания инструмента типа «елочка» или спираль вглубь полимерной чашки.To ensure proper conditions for introducing ultrasonic vibrations and creating close contact of surfaces, pressure is applied between the waveguide and the polymer cup of the endoprosthesis. Such contact is provided by static pressure Pct. the working end of the waveguide to the endoprosthesis. This pressure also contributes to the concentration of energy in the entry zone. The dynamic force F arising as a result of an oscillating waveguide leads to heating of the material, and the action of static pressure Pst. provides the penetration of the working end of the tool type "herringbone" or a spiral deep into the polymer cup.

Основными параметрами ультразвукового воздействия, характеризующими выделение энергии в зоне соединения, являются: амплитуда колебаний рабочего торца волновода А (мкм); частота колебаний f (кГц); продолжительность ультразвукового воздействия t (с); статическое давление Рст.(Па) или усилие прижатия F (н) волновода к материалу.The main parameters of ultrasonic exposure, characterizing the release of energy in the connection zone, are: the amplitude of the oscillations of the working end of the waveguide A (μm); oscillation frequency f (kHz); duration of ultrasonic exposure t (s); static pressure Pst. (Pa) or the force of pressing F (n) of the waveguide to the material.

Основные параметры режима взаимосвязаны. Время, необходимое для соединения, зависит от амплитуды колебаний и давления. При более высоких амплитудах необходимые свойства соединений могут быть достигнуты при меньшем времени, и наоборот. Определяющим параметром режима ультразвукового воздействия является амплитуда колебаний рабочего торца волновода, которая выбирается в пределах 30-50 мкм. Оптимальному значению амплитуды соответствует максимальная прочность и наилучшее качество соединения. Амплитуда колебаний, необходимая для обеспечения качественного соединения, связана с величиной давления и, кроме того, зависит от формы и геометрических размеров как волновода - инструмента (в части формы и размеров рабочего окончания) так и формы, размеров, и типа извлекаемого компонента эндопротеза. Оптимальные параметры режима ультразвукового воздействия также зависят от свойств материала чашки эндопротеза и возможностей доступа к ней в операционном поле.The main parameters of the mode are interconnected. The time required for the connection depends on the amplitude of the oscillations and pressure. At higher amplitudes, the necessary properties of the compounds can be achieved with less time, and vice versa. The determining parameter of the regime of ultrasonic exposure is the amplitude of the oscillations of the working end of the waveguide, which is selected in the range of 30-50 microns. The optimum value of the amplitude corresponds to the maximum strength and the best quality of the connection. The amplitude of the vibrations necessary to ensure a high-quality connection is related to the pressure and, in addition, depends on the shape and geometric dimensions of both the waveguide - the tool (in terms of the shape and dimensions of the working end) and the shape, dimensions, and type of the extracted endoprosthesis component. The optimal parameters of the ultrasonic treatment mode also depend on the properties of the material of the endoprosthesis cup and the possibilities of access to it in the surgical field.

Использование волновода - инструмента типа тройная «елочка» или тройная спираль позволяет в зависимости от условий свободы доступа к операционному полю применять либо один элемент, либо два, либо три, причем эффективность закрепления инструмента в полимерной чашке эндопротеза зависит от глубины погружения «елочки» или спирали на один, два или три фрагмента соответственно.The use of a waveguide — a triple herringbone or triple helix instrument — allows depending on the conditions of freedom of access to the surgical field to use either one element, two, or three, and the effectiveness of fixing the instrument in the polymer cup of the endoprosthesis depends on the immersion depth of the herringbone or spiral one, two or three fragments, respectively.

Эти стержни относительно небольшого диаметра расположены на внешнем кольце торцевой поверхности первой части излучателя и обеспечивают дополнительное усиление акустической волны. Общий коэффициент усиления волновода - инструмента достигает 5-5,5 при общей высокой нагрузочной способности акустического излучателя.These rods of relatively small diameter are located on the outer ring of the end surface of the first part of the emitter and provide additional amplification of the acoustic wave. The total gain of the waveguide - instrument reaches 5-5.5 with an overall high load capacity of the acoustic emitter.

Длина «елочки» или спирали не должна превышать 0,2 λ, поскольку такая длина практически не сказывается на работе инструмента и учитывается как дополнительная масса. Выбранный угол входа «елочки» или спирали в полимер обеспечивает наименьшее сопротивление материала при относительно большом усилии возврата.The length of the Christmas tree or spiral should not exceed 0.2 λ, since such a length practically does not affect the operation of the tool and is taken into account as an additional mass. The selected angle of entry of the Christmas tree or spiral into the polymer provides the smallest resistance of the material with a relatively high return force.

Трехвитковая спираль позволяет обеспечить более глубокое проникновение с большим усилием разрыва.A three-turn spiral allows for deeper penetration with greater tensile strength.

Таким образом, предлагаемое изобретение ультразвукового хирургического инструмента для удаления компонента эндопротеза при ревизионном эндопротезировании крупных суставов позволяет извлекать чашку эндопротеза после предварительного «раскачивания» с небольшими костными потерями и сократить время извлечения.Thus, the proposed invention is an ultrasonic surgical instrument for removing the component of the endoprosthesis during revision replacement of large joints allows you to remove the cup of the endoprosthesis after preliminary "swinging" with small bone loss and reduce the time of extraction.

Claims

1. Ultrasonic waveguide is an instrument for surgery, which is a structure of half-wave cylindrical and exponential elements, characterized in that the exponential elements with a base diameter d are located on the working end of a cylindrical element with a diameter D made with a central blind hole a quarter of a wavelength and a diameter D1 = D-2d, and the centers of the bases of the exponential elements are located on a circle whose diameter is two radii less than the diameter of the cylindrical element potential element, and the elements themselves are secured with screw connections through 120 degrees.

2. The ultrasonic waveguide according to claim 1, characterized in that the ends of the exponential elements are made in the form of a conical three-element “Christmas tree” with a total length l≤0,2λ, where λ is the wavelength, the first element of the “Christmas tree” made in the form of a cone at an angle at the peak of 60 degrees, and the second and third element - in the form of a truncated cone at an angle at the peak of 35 degrees.

3. The ultrasonic waveguide according to claim 1, characterized in that the ends of the exponential elements are made in the form of a three-turn, tapering at an angle of 60 degrees spiral spiral with a total length l≤0,2λ, where λ is the wavelength.