RU2647373C1

RU2647373C1 - Artificial gum to simulate the effect of laser radiation on biological tissue

Info

Publication number: RU2647373C1
Application number: RU2017109202A
Authority: RU
Inventors: Эрнест Арамович Базикян; Андрей Анатольевич Чунихин; Олег Олегович Янушевич; Максим Александрович Буйнов; Даниил Дмитриевич Климов; Юрий Викторович Подураев
Original assignee: Эрнест Арамович Базикян; Андрей Анатольевич Чунихин
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-03-15

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medical models and can find wide application, mainly in surgical dentistry, both for training medical personnel, and for testing surgical equipment, for example, robotic multifunctional laser surgical complex for minimally invasive therapy of oncological pathology of organs and tissues of the head, neck and maxillofacial area. Proposed artificial gum for simulating the effect on the biological tissue of laser radiation consists of a solidified 5–25 % aqueous solution of gelatin with the addition of aminoacetic acid or proline, taken in an amount of 8–10 % by weight of the total solution.

EFFECT: expansion of technological possibilities for making artificial gums of available material for use of dental phantom in minimally invasive laser surgical equipment.

1 cl, 1 tbl, 2 ex, 3 dwg

Description

Изобретение относится к медицинским моделям и может найти широкое применение, преимущественно, в хирургической стоматологии, как для обучения медицинского персонала, так и для тестирования хирургического оборудования, например роботизированного мультифункционального лазерного хирургического комплекса для малоинвазивной терапии онкологической патологии органов и тканей головы, шеи и челюстно-лицевой области.The invention relates to medical models and can be widely used, mainly in surgical dentistry, both for training medical personnel and for testing surgical equipment, for example, a robotic multifunctional laser surgical complex for minimally invasive therapy of oncological pathology of organs and tissues of the head, neck and maxillary facial area.

Для моделирования различных стоматологических патологий используют различные диагностические модули в виде фантомов, содержащих жесткий базис, на котором выполнены сегменты верхней и нижней челюсти с искусственной десной и зубными рядами. Жесткий базис изготавливают из твердой пластмассы, обладающей лучшими физико-механическими свойствами. Искусственную десну изготавливают из эластомеров. Например, на основе отверждаемой жидкой резины (патент РФ №2349966), силиконовой резины (US 5120229), эластичной пластмассы (SU 1337910).To simulate various dental pathologies, various diagnostic modules are used in the form of phantoms containing a rigid base on which segments of the upper and lower jaw with artificial gums and dentitions are made. The rigid base is made of hard plastic with the best physical and mechanical properties. Artificial gums are made from elastomers. For example, based on curable liquid rubber (RF patent No. 2349966), silicone rubber (US 5120229), flexible plastic (SU 1337910).

Применяемые эластичные пластмассы для изготовления искусственной десны должны удовлетворять следующим требованиям: быть безвредными для организма; обладать способностью прочно соединяться с базисом протеза; сохранять эластические свойства и постоянство объема; иметь хорошую смачиваемость. Материал для искусственной десны под базисы съемных протезов должен иметь показатель упругости, близкий к упругости слизистой оболочки полости рта, покрывающей ткани протезного ложа.The elastic plastics used for the manufacture of artificial gums must meet the following requirements: be harmless to the body; have the ability to firmly connect with the basis of the prosthesis; keep elastic properties and volume constancy; have good wettability. The material for artificial gums under the bases of removable prostheses should have an elasticity index close to the elasticity of the oral mucosa covering the tissues of the prosthetic bed.

Используемые в стоматологических фантомах материалы искусственной десны обладают схожими с биологической тканью механическими характеристиками, что допускает их эффективное использование для тестирования хирургического оборудования для обучения медицинского персонала только в случае, если такое оборудование является традиционным, т.е. механическим.The artificial gum materials used in dental phantoms have mechanical characteristics similar to biological tissue, which allows their effective use for testing surgical equipment for training medical personnel only if such equipment is traditional, i.e. mechanical.

Однако аналоги не пригодны для применения с использованием малоинвазивного лазерного хирургического оборудования, применяемого все более широко как в качестве единственной технологической основы проводимых операций, так и в комбинации с механическим оборудованием.However, analogues are not suitable for use with minimally invasive laser surgical equipment, which is used more and more widely both as the only technological basis for operations and in combination with mechanical equipment.

Применение в стоматологии лазерных установок с компьютерным управлением во многом обусловило существенный прогресс в лечении таких распространенных стоматологических заболеваний, как болезни пародонта и слизистой оболочки полости рта, одонтогенные, воспалительные процессы, доброкачественные и злокачественные опухоли полости рта. С их появлением стало возможным наряду с непрерывным режимом генерации лазерного излучения работать в импульсном и импульсно-периодическом режимах, отличающихся высокой эффективностью рассечения тканей, коагуляции и абляции. Кроме того, компьютерное управление позволяет одновременно регулировать соотношения (корреляции) основных энергетических параметров лазерного излучения - мощность, длительность, частоту следования импульсов и пауз между ними.The use of computer-controlled laser systems in dentistry has largely led to significant progress in the treatment of such common dental diseases as periodontal and oral mucosa diseases, odontogenic, inflammatory processes, and benign and malignant tumors of the oral cavity. With their appearance, it became possible, along with the continuous mode of laser radiation generation, to work in pulsed and pulsed-periodic modes, characterized by high efficiency of tissue dissection, coagulation and ablation. In addition, computer control allows you to simultaneously adjust the ratio (correlation) of the main energy parameters of laser radiation - power, duration, pulse repetition rate and pauses between them.

Из патентно-информационной литературы авторами не найдены материалы искусственной десны, пригодной для использования малоинвазивного лазерного хирургического оборудования, применяемого все более широко как в качестве единственной технологической основы проводимых операций, например, для имитации разрезов десны, так и в комбинации с механическим оборудованием.From the patent information literature, the authors did not find materials of artificial gums suitable for using minimally invasive laser surgical equipment, which is used more and more widely both as the only technological basis for operations, for example, to simulate gum sections, and in combination with mechanical equipment.

Задача предлагаемого технического решения - формирование искусственной десны, пригодной для применения как малоинвазивного оптического (лазерного) хирургического оборудования, так и традиционного инвазивного механического, для симуляции патологии зубочелюстной системы с моделированием возможных комбинаций патологических состояний.The objective of the proposed technical solution is the formation of an artificial gum suitable for the use of both minimally invasive optical (laser) surgical equipment and traditional invasive mechanical equipment, to simulate the pathology of the dentofacial system with modeling possible combinations of pathological conditions.

Технический результат - расширение технологических возможностей изготовления искусственной десны из доступного материала для использования стоматологического фантома в малоинвазивном лазерном хирургическом оборудовании.The technical result is the expansion of technological capabilities for the manufacture of artificial gums from accessible material for the use of a dental phantom in minimally invasive laser surgical equipment.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что искусственная десна для имитации воздействия на биологическую ткань лазерного излучения в малоинвазивном оптическом хирургическом оборудовании состоит из затвердевшего 5-25% водного раствора желатина с добавлением аминоуксусной кислоты или пролина, взятых в количестве 8-10 масс. % к общему количеству раствора.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that the artificial gum to simulate the effect of laser radiation on biological tissue in minimally invasive optical surgical equipment consists of a hardened 5-25% aqueous gelatin solution with the addition of aminoacetic acid or proline taken in an amount of 8-10 mass % of the total amount of solution.

Техническое решение основано на создании искусственной десны для имитации операций малоинвазивным медицинским инструментом на основе диодного лазера, выполняющего функцию очень точного скальпеля, способного к абляции и выпариванию биологической ткани. Такое воздействие обусловлено тем, что излучение диодного лазера, обладающего рабочим диапазоном длин волн 1250-1270 нм, для которых характерно малоинвазивное разрушающее/деструктивное воздействие на биологические мягкие ткани человека, при этом важно учитывать, что максимум поглощения кислорода находится в данном диапазоне.The technical solution is based on the creation of an artificial gum to simulate operations with a minimally invasive medical instrument based on a diode laser that functions as a very accurate scalpel capable of ablation and evaporation of biological tissue. This effect is due to the fact that the radiation of a diode laser having a working wavelength range of 1250-1270 nm, which is characterized by a minimally invasive destructive / destructive effect on human biological soft tissues, is important to consider that the maximum oxygen absorption is in this range.

В результате проведенных испытаний авторами был отобран материал для искусственной десны заявляемого состава, наиболее полно подходящий к заданным условиям. За пределами указанного диапазона материал искусственной десны не удовлетворяет механическим характеристикам биологической ткани (при концентрации раствора менее 5% искусственная слизистая чрезмерно мягкая, а при концентрации более 25% она чрезмерно жесткая). Искусственная десна сохраняла эластические свойства и постоянство объема и при этом обладала хорошей смачиваемостью.As a result of the tests, the authors selected material for the artificial gums of the claimed composition, most fully suited to the given conditions. Outside the specified range, the material of the artificial gum does not satisfy the mechanical characteristics of the biological tissue (at a solution concentration of less than 5%, the artificial mucosa is excessively soft, and at a concentration of more than 25% it is excessively hard). Artificial gums retained elastic properties and constant volume, and at the same time had good wettability.

Применение искусственной десны было использовано в ходе работ по экспериментальному обоснованию модели роботизированного мультифункционального хирургического комплекса для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии с тренажерной функцией. В качестве технологического оборудования использовался хирургический лазер EMPD-1260-2P, установленный на робот-манипулятор Leichtbauroboter 4+, программно управляемый стандартным персональным IBM компьютером PC.The use of artificial gums was used during the experimental study of the model of a robotic multifunctional surgical complex for dentistry and maxillofacial surgery with a training function. As the technological equipment, the surgical laser EMPD-1260-2P was used, mounted on a Leichtbauroboter 4+ robotic arm, programmatically controlled by a standard IBM personal computer PC.

Для экспериментального стенда была выбрана стандартная челюсть с установленной на жестком базисе искусственной десны (см. фиг. 1, 2, 3). В качестве сравнительного образца использовали искусственную десну из силикона при воздействии на нее малоинвазивного оптического хирургического инструмента диодного лазера, генерирующего наносекундное импульсное излучение в диапазоне длин волн 1250-1270 нм. Аналогично были проведены испытания с использованием искусственной десны, изготовленной из затвердевшего желатинового раствора заявленного состава.For the experimental stand, a standard jaw with an artificial gum mounted on a rigid base was chosen (see Figs. 1, 2, 3). An artificial gum made of silicone was used as a comparative sample when exposed to a minimally invasive optical surgical instrument diode laser generating nanosecond pulsed radiation in the wavelength range of 1250-1270 nm. Similarly, tests were carried out using artificial gums made from a hardened gelatin solution of the claimed composition.

Авторами были проведены исследования типовых траекторий перемещения лазерного рабочего органа роботом и оценка качества получаемого разреза, при этом необходимо, чтобы материал модели челюсти поглощал большую часть энергии лазерного излучения. Искусственную десну из силикона использовать нельзя, т.к. коэффициента пропускания излучения составлял 60%, что значительно меньше коэффициента пропускания излучения биологической ткани на данной длине волны. При использовании искусственной десны из затвердевшего раствора желатина коэффициент пропускания составил 98-100%.The authors carried out studies of typical trajectories of the laser working organ moving by a robot and assessing the quality of the resulting section, it is necessary that the material of the jaw model absorb most of the laser radiation energy. An artificial gum made of silicone cannot be used because the transmittance of radiation was 60%, which is significantly less than the transmittance of radiation of biological tissue at a given wavelength. When using artificial gums from the hardened gelatin solution, the transmittance was 98-100%.

Пример 1 изготовление искусственной десныExample 1 manufacturing of artificial gums

Сначала готовили базовую желатиновую основу 5-25% водного раствора желатина путем смешения при температуре 35°С в течение 10 мин. Затем добавляли аминоуксусную кислоту в качестве селективного осадителя, взятую в количестве 8-10 масс. % к общему количеству раствора.First, a base gelatin base of a 5-25% aqueous gelatin solution was prepared by mixing at a temperature of 35 ° C for 10 minutes. Then, aminoacetic acid was added as a selective precipitant, taken in an amount of 8-10 mass. % of the total amount of solution.

Затем приготовленную смесь заливали в литейную форму на основе полимерного компаунда, которая отражала геометрию искусственной десны. Смесь подвергали вакуумированию для удаления пузырьков растворенного воздуха и улучшения качества отливки. Через 8 часов затвердевшая форма удалялась из литьевой формы. Механические и оптические свойства полученной искусственной десны соответствовали основным характеристикам для дальнейшего использования эластичного материала и указаны в таблице 1.Then, the prepared mixture was poured into a mold based on a polymer compound, which reflected the geometry of the artificial gum. The mixture was evacuated to remove bubbles of dissolved air and improve casting quality. After 8 hours, the hardened form was removed from the mold. The mechanical and optical properties of the obtained artificial gums corresponded to the main characteristics for further use of the elastic material and are shown in table 1.

Аналогичные результаты были получены с использованием в качестве осадителя пролина.Similar results were obtained using proline as a precipitant.

Пример 2. Воздействие лазерного излучения (см. фиг. 3)Example 2. The impact of laser radiation (see Fig. 3)

Полученная искусственная десна по примеру 1 подвергалась низко интенсивному лазерному излучению с длиной волны 630-1300 нм. При этом происходила фотохимическая реакция, в ходе которой выделялся активный (синглетный кислород), который запускает каскад окислительных процессов, приводящих к гибели патогенных микроорганизмов и разрушению патологически измененных тканей пародонта, что возможно использовать как при имитации разрезов, так и при создании модели лечения пародонтита. Прямое определение синглетного кислорода определялось по его люминесценции при 1270 нм. Синглетный кислород способствовал усилению разрушения искусственной десны, являющейся имитатором биологической ткани.The obtained artificial gum according to example 1 was subjected to low-intensity laser radiation with a wavelength of 630-1300 nm. In this case, a photochemical reaction occurred during which an active (singlet oxygen) was released, which triggers a cascade of oxidative processes that lead to the death of pathogenic microorganisms and the destruction of pathologically changed periodontal tissues, which can be used both to simulate incisions and to create a model for the treatment of periodontitis. A direct determination of singlet oxygen was determined by its luminescence at 1270 nm. Singlet oxygen contributed to the destruction of artificial gums, which imitates biological tissue.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата. Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость».Analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the claims are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the claimed technical result. Therefore, the claimed object meets the criteria of patentability "novelty" and "industrial applicability".

Claims

An artificial gum to simulate the effect of laser radiation on biological tissue, characterized in that the gum is made from a hardened 5-25% aqueous gelatin solution with the addition of aminoacetic acid or proline taken in an amount of 8-10 wt.% Of the total amount of the solution.