RU28605U1

RU28605U1 - Нейрохирургическое ультразвуковое устройство

Info

Publication number: RU28605U1
Application number: RU2002117145/20U
Authority: RU
Inventors: А.В. Верещако
Original assignee: ГУН "Российский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена"
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Нейрохирургическое ультразвуковое устройство содержит последовательно электрически соединенные ультразвуковой генератор и генератор модулирующих импульсов, отличающееся тем, что в него введены последовательно механически соединенные стержневой электроакустический преобразователь с возможностью работы на частотах ультразвуковой релаксации тканей головного мозга f, на которых наблюдается наиболее интенсивное поглощение ультразвуковой энергии, вход которого последовательно электрически соединен с выходом генератора модулирующих импульсов, с ультразвуковым концентратором, площади входного и выходного концов которого выбраны так, чтобы обеспечивать интенсивность ультразвука от долей единиц до тысяч Ватт на квадратный сантиметр и гибкий металлический или керамический звукопровод, длина Lкоторого выбрана для обеспечения резонанса на n-й гармонике колебаний относительно основной резонансной частоты звукопроводагде К - радиус инерции;Е - модуль Юнга материала;Р - плотность материала;α - коэффициент, зависящий от нагрузки на конце звукопровода, вводимого в область пораженного участка мозга, значение n выбирается, исходя из удобства доступа к патологическому участку мозга.

Description

НЕЙРОХИРУРГИЧЕСКОЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области меди1 ны, а более конкретно, к нейрохирургии.

При опухолевых заболеваниях головного мозга требуется специальнсхх} лечения. Предлагаемое нейрохирургическое ультразвуковое устройство предназначено для соверш ютвования лечения и разрушения опухолей мозга и поврехаденной мозговой ткани вызванной черепномозговыми травмами.

Известны хирургические инсфументы и способы для удаления опухолей и повреэкдбнного мозгового вещества: 1-механические с помощью микрохирурп ческого инструментария(но}|шицы, конхотом, пинцеты), так и аспирации, отмывая водой; 2-элекфические - электродиатермокоагуляция; 3-лазерная хирургия; 4н риодеструкция. Однако, эти методы связаны с нарущением близлежащих здоровых участков головного мозга.

Известна аппаратура для ультразвуковой терапии (А.Р.Ливенсон. Электро-медицинская аппаратура.-М.:Медицина, 1981.ч:.255-273). Эта аппаратура содержит последовательно соединённые генератор и электроакустический преобразователь. Однако, она не может бьпъ применена в нейрохирургической практике.

Наиболее близким аналогом, выбранным за устройство-прототип, является фокусирующая ультразвуковая аппаратура для создания локальных ра ушений в глубинных структурах головного мозга (Л.Р.Гаврилов. Применение фокусированного ультразвука высокой интенсивности для локального воздействия на ткани организма. Акустический журнал, 1971, т.15, вып. 3; Б.В.Петровский, В.И.Петров, А.И.ЛОЩИЛОВ. Ультразвуковая резка и сварка биологических тканей (в торокальной хирургии). - М.,1972; Л.В.Гаврилов. Хирургия ультразвуковая. В кн.: Ультразву. Маленькая энциклопедия.-М.: Сов. энциклопедия, 1979. с.375-376). Фокуафующая ультразвуковая аппаратура для создания локальных разрушений в глубинных структурах головного мозга содержит последоваггельно соединенные ультразв иовой генератор, генератор

А 61 М5/00 А 61 В 8/00

модулирующих импульсюв, фокусирующий электроакустический преобразователь с вогнутой пьезокерамической пластиной и мешок из тонкой звукопрозрачной плёнки с дегазированной водой.

Недостатками устройства прототипа является неточность фокусировки, что приводит к поражению участков здоровых тканей, а также сложность аппаратуры с недостаточно эффективным воздействием на подлежащие разрушению ткани.

Задачей предложенного нейрохирургического ультразвуковогое устройства является повышение локализации воздействия на пораженные участки головного мозга.

Устройство, также как и устройство - прототип содержит последовательно соединённые ультразвуковой генератор и генератор модулирующих импульсов. В него введены последовательно механически соединённые стержневой электроакустический преобразователь с возможностью работы на частотах 30 40 кГц ультразвуковой релаксации тканей головного мозга (/р), на которых наблюдается наиболее интенсивное поглощение ультразвуковой энергии, вход которого последовательно электрически соединён с выходом генератора модулирующих импульсов, ультразвуковой концентратор, площади входного и выходного концов которого выбраны так, чтобы обеспечить интенсивность ультразвука от долей единиц до тысяч вт/см и гибкий металлический или керамический звукопровод, длина(1зв) которого выбрана для обеспечения резонанса на п-й гармонике колебаний относительно основной резонансной частоты звукопровода

где К - радиус инерции,

Е - модуль Юнга,

Р - плотность материала,

а - коэффициент, зависящий от нафузки на конце звукопровода, вводимого в область патологической ткани или пораженного участка мозга.

t

Из-за малого диаметра звукопровода низкочастотный ультразвук по пути его распространения по звуководу в посторонних направлениях не излучается, что обеспечивает возможность не облучать здоровые участки головного мозга.

На фиг. 1 проведена блок-схема предлагаемого нейрохирургического устройства.

На фиг. 2 проведено схематическое изображение вновь введенных блоков.

Нейрохирургическое устройство (фиг.1) содержит последовательно соединенные ультразвуковой генератор 1, генератор модулирующих импульсов 2 и электроакустический преобразователь с ультразвуковым концентратором и звукопроводом 3.

Работа нейрохирургического устройства осуществляется следующим образом.

После выполнения отверстия в черепе рабочий конец звукопровода вводят в поврежденную область головного мозга. На выходе ультразвукового генератора 1 устанавливается заданное напряжение. Генератором модулирующих импульсов 2 устанавливают либо непрерывный, либо импульсный режим работы. Электроакустический преобразователь с ультразвуковым концентратором и звукопроводом 3 канализируют ультразвуковую энергию к патологическому участку мозга, разрушая его и способствуя удалению.

Ультразвук оказывает физиотерапевтическое воздействие при лечении повреждений мягких тканей, для ускорения заживления ран, для рассасывания отеков, для размягчения рубцов и во многих других случаях (под ред. К. Хильса. Применение ультразвука в медицине. Физические основы. Пер. с англ.-М.: Мир, 1989. -568 с.). Наибольшая скорость заживления наблюдается при облучении импульсным ультразвуком интенсивностью 0,5 Вт/см . Ультразвук терапевтических интенсивностей может вызвать изменения в лизосомальных мембранах, тем самым ускоряя прохождения этой фазы. Ультразвук значительно ускоряет синтез коллагена фибробластами, влияет на расположение новообразующего коллагена и помогает процессу восстановления. Рубцовая ткань.

формулирующаяся под воздействием ультразвука, прочнее и эластичнее по сравнению с нормальной рубцовой тканью.

При больших интенсивностях ультразвук оказывает разрушающее действие в первую очередь на больные ткани. Разрушение тканей под действием фокусированного ультразвука связаны с двумя фаюгорами: теплом, которое выделяется при поглощении ультразвука тканями, и явлением кавитации. В зависимости от выбранной интенсивности ультразвука тот или иной фактор оказывает преобладающее действие. При сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до нескольких сотен Вт/см ) и продо.пжительном воздействии (до единиц и десятков секунд) основную роль ифает тепловой фактор. При очень больших интенсивностях (несколько тысяч Вт/см ) и при малых длительностях облучения (единицы - десятки миллисекунд) решающее значение обретает кавитационные эффекты. Существуют ультразвуковые дозы, при которых оба фактора проявляются совместно. Разрушающее воздействие применяют на опухоли, в том числе и внемозговых, а также при травматическом поражении мозгового вещества.

Генератор ультразвука выполнен с возможностью работать на частотах от 30 кГц до 40 кГц. Мсщулятор позволяет работать в непрерывноми импульсном режимах. Электроакустический

преобразователь выполнен стержневого секционированного типа с использованием продольного пьезоэффекта, пьезокерамики.

Размер стержня 1 в направлении колебаний выбирается для средней частоты /р 35 кГц по формуле (Б.С.Аронов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.-279с.):

Cfgc

где С - скоростьзвука в пьезокерамике,

Кзз - коэффициент элеюромеханической связи для продольного пьезоэффею-а.

В случае использования нами пьезокерамики ЦТБС-3 размер стержня 1 4,6 см.

Излучающая поверхность стержня выбрана диаметром d 3см, т.е. её площадь:

S -iGN

Стержневой преобразователь выполнен, так называемой силовой конструкции со стяжкой внутри (В.В.Гонопольский и др. Пьезокерамические преобразователи. Справочник. -Л.: Судостроение, 1984. - 256 с). Он развивает удельную мощность, соответствующую его механической прочности Вт/см и, следовательно, общая акустическая мощность Wax, имп. 70 Вт в неприрывном режиме монохроматического излучателя или при сканировании частоты в диаметре от 30 кГц до 40 кГц. В импульсном режиме при длительности импульса 6 миллисекунд Wan, имп. 700 Вт.

С электроакустическим преобразователем механически соединён стержневой ультразвуковой концентратор, предназначенный для увеличения амплитуды колебательного смещения частиц. Он имеет переменное сечение и присоединяется к электроакустическому преобразователю широким концом. Узкий конец соединяется со звуководом. Выбран ультразвуковой концентратор экспоненциальной формы, площадь поперечного сечения которого изменяется вдоль оси X, проходящей через ось стержня по закону:

где S - сечение широкого конца (в нашем случае s 7 ,

а - показатель сужения. Коэффициент усиления по интенсивности:

к S

где So - сечение узкого конца.

q с т-ах Ох - о 1 , о 7 Видно, что К Длина полуволнового выбрана по формуле

гдеС - скорость звука в материале концентратора (нами

выбрана нержавеющая сталь с Ск 5,14 10 мс ). В нашем случае LJ.

9,1 см.

Длина звукопровода выбрана исходя из основной резонансной частоты звуковода

Звукопровод своим рабочим концом пофужается в вязкую среду тканей головного мозга. Поэтому он нафужен праетически на чисто активное сопротивление (Л.Ф.Лепендин. Акустика. -М.: Высшая школа, 1978. - С. 11-124.). При выборе Lgeno приведенной формуле сопротивление звукопровода

и имеется режим чисто бегущих волн, так как на погруженном конце нет отражений волн.

Для использования нейрохирургического устройства в черепе делается отверстие (или трепанация), через которое вставляется Звукопровод в поврежденный участок головного мозга. Далее в зависимости от желаемого эффекта, регулируя напряжение на выходе ультразвука генератора, выбирают необходимую интенсивность излучаемого ультразвука: либо малую - для терапевтического воздействия, либо большую, как в нашем случае, если необходимо локальное разрушение в глубинных структурах головного мозга.

Построение блоков, входящих в устройство известно из ультразвуковой медицинской литературы (смотри, например, А. Р. Ливенсон.-Электро-медицинская аппаратура.-М.:Медицина, -1961.-c.250277).

L. - f f (,

ZBX pCSo 100. экспоненциального звукового концентратора

Claims

Нейрохирургическое ультразвуковое устройство содержит последовательно электрически соединенные ультразвуковой генератор и генератор модулирующих импульсов, отличающееся тем, что в него введены последовательно механически соединенные стержневой электроакустический преобразователь с возможностью работы на частотах ультразвуковой релаксации тканей головного мозга f_p, на которых наблюдается наиболее интенсивное поглощение ультразвуковой энергии, вход которого последовательно электрически соединен с выходом генератора модулирующих импульсов, с ультразвуковым концентратором, площади входного и выходного концов которого выбраны так, чтобы обеспечивать интенсивность ультразвука от долей единиц до тысяч Ватт на квадратный сантиметр и гибкий металлический или керамический звукопровод, длина L_зв которого выбрана для обеспечения резонанса на n-й гармонике колебаний относительно основной резонансной частоты звукопровода

где К - радиус инерции;

Е - модуль Юнга материала;

Р - плотность материала;

α - коэффициент, зависящий от нагрузки на конце звукопровода, вводимого в область пораженного участка мозга, значение n выбирается, исходя из удобства доступа к патологическому участку мозга.