Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕДИЦИНСКОГО АППАРАТА ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ И ИНВАЗИВНОЙ САНАЦИИ УРОЛОГИЧЕСКИХ КАТЕТЕРОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ГЛАВА. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Применение ультразвуковых аппаратов в урологи, типы урологических
катетеров и методы их санации 10
1.2 Физические методы санации урологических катетеров 15
1.3 Применение ультразвукового воздействия при санации урологических
катетеров 19
1.4 Выводы 24
2 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ИНВАЗИВНОГО И НЕИНВАЗИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА УРОЛОГИЧЕСКИЕ КАТЕТЕРЫ И МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ 25
2.1.1 Определение характера загрязнений 25
2.1.2 Факторы, способствующие удалению поверхностных пленок в
ультразвуковом поле 25
2.1.3 Определение параметров ультразвукового воздействия для неинвазивной и
инвазивной санации 27
2.2 Физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в
слоистой структуре биологических сред при неинвазивном воздействии 31
2.3 Физико-математическая модель распространения ультразвуковых волн в
малом диаметре нефростомического катетера при инвазивном воздействии 36
2.4 Методика оценки эффективности ультразвукового воздействия 39
2.5 Выводы 40
3 ГЛАВА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНВАЗИВНОГО И
НЕИНВАЗИВНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
УРОЛОГИЧЕСКИЕ КАТЕТЕРЫ 41
3.1 Разработка стенда для исследования эффективности влияния инвазивного
ультразвукового воздействия на санацию нефростомических катетеров 41
3.2 Разработка методики проведения экспериментов. Проведение экспериментов и
обработка полученных результатов 43
3.3 Разработка стенда для исследования эффективности влияния неинвазивного
ультразвукового воздействия на санацию стента мочеточника 52
3.4 Разработка методики проведения экспериментов. Проведение экспериментов и
обработка полученных результатов 53
3.5 Выводы 57
4 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО АППАРАТА ДЛЯ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА САНАЦИЮ УРОЛОГИЧЕСКИХ СТЕНТОВ 58
4.1.1 Разработка ультразвукового генератора 58
4.1.2 Разработка генератора для амплитудно-модулированного ультразвукового
воздействия 67
4.1.3 Разработка генератора для импульсного ультразвукового воздействия 68
4.2 Разработка ультразвукового излучателя 72
4.2.1 Расчет ультразвукового пьезокерамического преобразователя 72
4.3 Разработка ультразвуковых инструментов для инвазивной и неинвазивной
санации 80
4.3.1 Инструмент для инвазивной санации 81
4.3.2 Инструмент для неинвазивной санации 89
4.4 Выводы 90
5 ГЛАВА. КЛИНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО АППАРАТА . 91
5.1 Оценка прохождения УЗ воздействия на лабораторных животных 91
5.2 Выводы 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ А (Принципиальные схемы устройств) 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (Патенты) 118
ПРИЛОЖЕНИЕ В (Акты внедрения) 121
1 ГЛАВА. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1 Применение ультразвуковых аппаратов в урологи, типы урологических
катетеров и методы их санации 10
1.2 Физические методы санации урологических катетеров 15
1.3 Применение ультразвукового воздействия при санации урологических
катетеров 19
1.4 Выводы 24
2 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ИНВАЗИВНОГО И НЕИНВАЗИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА УРОЛОГИЧЕСКИЕ КАТЕТЕРЫ И МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УРОВНЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ 25
2.1.1 Определение характера загрязнений 25
2.1.2 Факторы, способствующие удалению поверхностных пленок в
ультразвуковом поле 25
2.1.3 Определение параметров ультразвукового воздействия для неинвазивной и
инвазивной санации 27
2.2 Физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в
слоистой структуре биологических сред при неинвазивном воздействии 31
2.3 Физико-математическая модель распространения ультразвуковых волн в
малом диаметре нефростомического катетера при инвазивном воздействии 36
2.4 Методика оценки эффективности ультразвукового воздействия 39
2.5 Выводы 40
3 ГЛАВА. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНВАЗИВНОГО И
НЕИНВАЗИВНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА
УРОЛОГИЧЕСКИЕ КАТЕТЕРЫ 41
3.1 Разработка стенда для исследования эффективности влияния инвазивного
ультразвукового воздействия на санацию нефростомических катетеров 41
3.2 Разработка методики проведения экспериментов. Проведение экспериментов и
обработка полученных результатов 43
3.3 Разработка стенда для исследования эффективности влияния неинвазивного
ультразвукового воздействия на санацию стента мочеточника 52
3.4 Разработка методики проведения экспериментов. Проведение экспериментов и
обработка полученных результатов 53
3.5 Выводы 57
4 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО АППАРАТА ДЛЯ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА САНАЦИЮ УРОЛОГИЧЕСКИХ СТЕНТОВ 58
4.1.1 Разработка ультразвукового генератора 58
4.1.2 Разработка генератора для амплитудно-модулированного ультразвукового
воздействия 67
4.1.3 Разработка генератора для импульсного ультразвукового воздействия 68
4.2 Разработка ультразвукового излучателя 72
4.2.1 Расчет ультразвукового пьезокерамического преобразователя 72
4.3 Разработка ультразвуковых инструментов для инвазивной и неинвазивной
санации 80
4.3.1 Инструмент для инвазивной санации 81
4.3.2 Инструмент для неинвазивной санации 89
4.4 Выводы 90
5 ГЛАВА. КЛИНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОГО АППАРАТА . 91
5.1 Оценка прохождения УЗ воздействия на лабораторных животных 91
5.2 Выводы 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 99
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ А (Принципиальные схемы устройств) 115
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (Патенты) 118
ПРИЛОЖЕНИЕ В (Акты внедрения) 121
Актуальность темы исследования.
На сегодняшний день ультразвук широко применяется в медицинской практике, а арсенал физиотерапевтических методов с применением ультразвука существенно обогащается. Использование ультразвука позволяет не только успешно бороться с некоторыми заболеваниями, но и повысить жизнеспособность и сопротивляемость здорового организма неблагоприятным внешним условиям.
Однако большой рост заболеваний, связанных с мочеполовой системой и зачастую несвоевременное обращение пациентов приводят к экстренному вмешательству - установке внутреннего стента мочеточника либо наружного нефростомического катетера для отвода мочи в специальный моченакопитель.
Установкой дренажного катетера заканчиваются до 60 % вмешательств по устранению конкрементов в мочеточнике и до 80 % вмешательств по элиминации конкрементов почки.
Урологические катетеры, являясь чужеродными объектами, становятся потенциальными очагами инфекции. Инфекция может различаться от субклинического носительства до септических осложнений с последующим летальным исходом. Более 65 % бактериальных инфекций, явившихся поводом для длительной госпитализации пациента в стационаре, вызваны биопленками, которые сформировались на медицинском инструментарии, катетерах, дренажах.
Имеющийся в настоящее время в арсенале урологов аппаратный комплекс позволяет провести лечение лишь на ранних стадиях заболеваний органов мочеполовой системы, таких как пиелонефрит, мочекаменная болезнь, воспаление предстательной железы и др. [1 - 3].
Поэтому развитие аппаратного комплекса, обеспечивающего эффективную санацию урологических катетеров, является актуальной задачей.
Степень разработанности исследования.
На сегодняшний день ведется ряд исследований по поиску эффективного способа профилактики развития осложнений, связанных с обструкцией
урологических катетеров. Основными направлениями исследований в этой области стали: разработка новых биоинертных полимеров, нанесение
различных покрытий на поверхность катетера, создание биоразлагаемых дренажей. Наряду с этими методами борьбы с обструкцией, в последнее время больший интерес вызывают физические методы очистки урологических катетеров. Так, например, Michael Gabi и соавторы исследовали возможность препятствования энергии электрических микротоков образованию биопленки на внутренней поверхности урологического катетера путем применения электродов различной плотности в качестве внутреннего покрытия. Zadik Hazan и соавторы показали, что низкоэнергетические поверхностные акустические волны эффективно предотвращают образование биопленки в урологических катетерах на начальных стадиях формирования обструкции. В похожем исследовании Moran Kopel и соавторы показали, что поверхностные акустические волны способны уменьшить количество бактерий, содержащихся в биопленках.
Сложность применения в медицинской практике перечисленных способов заключается в том, что основная масса исследований такого типа воздействия реализуется контактно. Это сдерживает их применение в отношении внутренних дренажей. Отечественные авторы также активно занимаются исследованием физических методов санации, в частности, П. И. Шустер и соавторы исследовали изменения ультраструктуры биопленок при неинвазивной ультразвуковой санации мочеточниковых стентов благодаря адаптации ультразвукового хирургического аппарата.
Таким образом, вопрос борьбы с обструкцией катетеров достаточно глубоко исследован, однако все еще нуждается в поиске эффективного решения.
Целью данной работы является разработка и исследование низкочастотного ультразвукового аппарата для урологии.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Разработать физико-математическую модель распространения ультразвуковых колебаний в протяженном нефростомическом катетере при инвазивном воздействии.
2. Разработать физико-математическую модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистых биологических средах с различной акустической добротностью при неинвазивном воздействии.
3. Разработать методику оценки эффективности ультразвукового воздействия.
4. Разработать экспериментальные стенды и провести исследования эффективности инвазивного и неинвазивного ультразвукового воздействия при санации урологических катетеров.
5. Провести сравнение теоретических и экспериментальных данных.
6. Разработать ультразвуковой аппаратный комплекс для санации урологических катетеров, включающий генератор, излучатель и волноводы- инструменты.
7. Провести предварительные медицинские исследования разработанного аппарата на лабораторных животных.
Объект исследования - обструкция в урологических катетерах.
Предмет исследования - ультразвуковая аппаратура для санации урологических катетеров, параметры ультразвукового воздействия, анализ результатов исследований на лабораторных животных.
Методология и методы исследования.
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории электротехники и радиотехники, основах акустики, прикладной и вычислительной математики, прикладных программах для персонального компьютера, теории погрешностей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена использованием стандартных методов расчета и исследования, а также использованием приборов, прошедших проверку в Омском центре стандартизации и метрологии, и подтверждена путем экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
1. Предложена и исследована математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в протяженном нефростомическом катетере при инвазивном воздействии.
2. Предложена и исследована физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистых биологических средах с различной акустической добротностью при неинвазивном воздействии.
3. Разработана методика ультразвукового воздействия на биологические пленки и инкрустацию солей на внутренних поверхностях катетера.
4. Предложен способ оценки продолжительности работы ультразвуковых инструментов в зависимости от предельных режимов работы (параметров амплитуды и частоты), выбранного материала и способа упрочнения.
5. По результатам предварительных медицинских исследований показана эффективность ультразвуковой чистки при выбранных режимах воздействия.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработано и предложено устройство для санации урологических катетеров, обеспечивающее ультразвуковое воздействие в глубине гетерогенной среды. Показано, что предложенное техническое решение обеспечивает продление срока службы урологических катетеров.
2. Предложены новые схемные решения ультразвукового аппарата для урологии, обеспечивающего санацию.
3. Спроектирован пьезокерамический излучатель для преобразователя с усиливающим концентратором.
4. Разработаны новые ультразвуковые волноводы-инструменты для неинвазивного и инвазивного воздействия.
5. Проведены испытания аппаратно-программного комплекса и предварительные медицинские исследования, подтверждающие эффективность предложенных решений для ультразвуковой чистки урологических катеров.
6. Результаты работы использованы в учебном процессе в ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» в учебных дисциплинах «Ультразвуковая обработка материалов», «Биофизика и биоматериалы» по направлениям подготовки 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов».
7. Результаты работы использованы аспирантами и ординаторами ФГБОУ ВО ОмГМУ Минздрава России кафедры «Хирургических болезней и урологии ДПО», проведены предварительные испытания разработанного аппарата на лабораторных животных.
Личный вклад автора.
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования, макетирование выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель распространения ультразвуковых
колебаний при инвазивном воздействии.
2. Физико-математическая модель распространения ультразвуковых
колебаний при неинвазивном воздействии.
3. Методика рационального выбора параметров ультразвукового воздействия, обеспечивающих эффективную санацию в глубине гетерогенной среды и в протяженных катетерах при условии снижения теплового эффекта воздействия на поверхность, подверженную ультразвуковому воздействию.
4. Специфика воздействия амплитудно-модулированным сигналом, приближенным к импульсному режиму работы, который за счет низкочастотной составляющей обеспечивает глубокое проникновение ультразвука в неоднородную гетерогенную среду с незначительным отражением и затуханием на границах сред, а за счет высокочастотной составляющей разрушает биопленки и соли на поверхностях катетера.
5. Повышение эффективности контактного акустического ударно-волнового воздействия на биологические ткани за счет увеличения скоростей нарастания фронта и спада формируемых выходных импульсов.
6. Способ оценки продолжительности работы ультразвуковых технологических инструментов.
Апробация работы.
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- IV Региональная научно-техническая конференция «Ученые Омска - региону», г. Омск, 2019 г.
- IX международная научная конференция «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство», г. Омск, 2019 г.
- Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Россия и мировые тенденции развития», г. Омск, 2019 г.
- Всероссийская научно-практическая конференция «Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденции», г. Омск, 2019 г.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ. Из них 2 публикации в зарубежных изданиях, входящих в базу Scopus, 7 статей в научных журналах и изданий ВАК, 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем страниц - 123, в том числе рисунков - 68, таблиц - 20, библиография содержит 90 наименования, приложений - 6.
На сегодняшний день ультразвук широко применяется в медицинской практике, а арсенал физиотерапевтических методов с применением ультразвука существенно обогащается. Использование ультразвука позволяет не только успешно бороться с некоторыми заболеваниями, но и повысить жизнеспособность и сопротивляемость здорового организма неблагоприятным внешним условиям.
Однако большой рост заболеваний, связанных с мочеполовой системой и зачастую несвоевременное обращение пациентов приводят к экстренному вмешательству - установке внутреннего стента мочеточника либо наружного нефростомического катетера для отвода мочи в специальный моченакопитель.
Установкой дренажного катетера заканчиваются до 60 % вмешательств по устранению конкрементов в мочеточнике и до 80 % вмешательств по элиминации конкрементов почки.
Урологические катетеры, являясь чужеродными объектами, становятся потенциальными очагами инфекции. Инфекция может различаться от субклинического носительства до септических осложнений с последующим летальным исходом. Более 65 % бактериальных инфекций, явившихся поводом для длительной госпитализации пациента в стационаре, вызваны биопленками, которые сформировались на медицинском инструментарии, катетерах, дренажах.
Имеющийся в настоящее время в арсенале урологов аппаратный комплекс позволяет провести лечение лишь на ранних стадиях заболеваний органов мочеполовой системы, таких как пиелонефрит, мочекаменная болезнь, воспаление предстательной железы и др. [1 - 3].
Поэтому развитие аппаратного комплекса, обеспечивающего эффективную санацию урологических катетеров, является актуальной задачей.
Степень разработанности исследования.
На сегодняшний день ведется ряд исследований по поиску эффективного способа профилактики развития осложнений, связанных с обструкцией
урологических катетеров. Основными направлениями исследований в этой области стали: разработка новых биоинертных полимеров, нанесение
различных покрытий на поверхность катетера, создание биоразлагаемых дренажей. Наряду с этими методами борьбы с обструкцией, в последнее время больший интерес вызывают физические методы очистки урологических катетеров. Так, например, Michael Gabi и соавторы исследовали возможность препятствования энергии электрических микротоков образованию биопленки на внутренней поверхности урологического катетера путем применения электродов различной плотности в качестве внутреннего покрытия. Zadik Hazan и соавторы показали, что низкоэнергетические поверхностные акустические волны эффективно предотвращают образование биопленки в урологических катетерах на начальных стадиях формирования обструкции. В похожем исследовании Moran Kopel и соавторы показали, что поверхностные акустические волны способны уменьшить количество бактерий, содержащихся в биопленках.
Сложность применения в медицинской практике перечисленных способов заключается в том, что основная масса исследований такого типа воздействия реализуется контактно. Это сдерживает их применение в отношении внутренних дренажей. Отечественные авторы также активно занимаются исследованием физических методов санации, в частности, П. И. Шустер и соавторы исследовали изменения ультраструктуры биопленок при неинвазивной ультразвуковой санации мочеточниковых стентов благодаря адаптации ультразвукового хирургического аппарата.
Таким образом, вопрос борьбы с обструкцией катетеров достаточно глубоко исследован, однако все еще нуждается в поиске эффективного решения.
Целью данной работы является разработка и исследование низкочастотного ультразвукового аппарата для урологии.
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:
1. Разработать физико-математическую модель распространения ультразвуковых колебаний в протяженном нефростомическом катетере при инвазивном воздействии.
2. Разработать физико-математическую модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистых биологических средах с различной акустической добротностью при неинвазивном воздействии.
3. Разработать методику оценки эффективности ультразвукового воздействия.
4. Разработать экспериментальные стенды и провести исследования эффективности инвазивного и неинвазивного ультразвукового воздействия при санации урологических катетеров.
5. Провести сравнение теоретических и экспериментальных данных.
6. Разработать ультразвуковой аппаратный комплекс для санации урологических катетеров, включающий генератор, излучатель и волноводы- инструменты.
7. Провести предварительные медицинские исследования разработанного аппарата на лабораторных животных.
Объект исследования - обструкция в урологических катетерах.
Предмет исследования - ультразвуковая аппаратура для санации урологических катетеров, параметры ультразвукового воздействия, анализ результатов исследований на лабораторных животных.
Методология и методы исследования.
Теоретические и экспериментальные, основанные на теории электротехники и радиотехники, основах акустики, прикладной и вычислительной математики, прикладных программах для персонального компьютера, теории погрешностей.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена использованием стандартных методов расчета и исследования, а также использованием приборов, прошедших проверку в Омском центре стандартизации и метрологии, и подтверждена путем экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
1. Предложена и исследована математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в протяженном нефростомическом катетере при инвазивном воздействии.
2. Предложена и исследована физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистых биологических средах с различной акустической добротностью при неинвазивном воздействии.
3. Разработана методика ультразвукового воздействия на биологические пленки и инкрустацию солей на внутренних поверхностях катетера.
4. Предложен способ оценки продолжительности работы ультразвуковых инструментов в зависимости от предельных режимов работы (параметров амплитуды и частоты), выбранного материала и способа упрочнения.
5. По результатам предварительных медицинских исследований показана эффективность ультразвуковой чистки при выбранных режимах воздействия.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработано и предложено устройство для санации урологических катетеров, обеспечивающее ультразвуковое воздействие в глубине гетерогенной среды. Показано, что предложенное техническое решение обеспечивает продление срока службы урологических катетеров.
2. Предложены новые схемные решения ультразвукового аппарата для урологии, обеспечивающего санацию.
3. Спроектирован пьезокерамический излучатель для преобразователя с усиливающим концентратором.
4. Разработаны новые ультразвуковые волноводы-инструменты для неинвазивного и инвазивного воздействия.
5. Проведены испытания аппаратно-программного комплекса и предварительные медицинские исследования, подтверждающие эффективность предложенных решений для ультразвуковой чистки урологических катеров.
6. Результаты работы использованы в учебном процессе в ФГАОУ ВО «Омский государственный технический университет» в учебных дисциплинах «Ультразвуковая обработка материалов», «Биофизика и биоматериалы» по направлениям подготовки 22.03.01 и 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов».
7. Результаты работы использованы аспирантами и ординаторами ФГБОУ ВО ОмГМУ Минздрава России кафедры «Хирургических болезней и урологии ДПО», проведены предварительные испытания разработанного аппарата на лабораторных животных.
Личный вклад автора.
Основные научные теоретические и экспериментальные исследования, макетирование выполнены автором самостоятельно либо при его непосредственном участии.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Физико-математическая модель распространения ультразвуковых
колебаний при инвазивном воздействии.
2. Физико-математическая модель распространения ультразвуковых
колебаний при неинвазивном воздействии.
3. Методика рационального выбора параметров ультразвукового воздействия, обеспечивающих эффективную санацию в глубине гетерогенной среды и в протяженных катетерах при условии снижения теплового эффекта воздействия на поверхность, подверженную ультразвуковому воздействию.
4. Специфика воздействия амплитудно-модулированным сигналом, приближенным к импульсному режиму работы, который за счет низкочастотной составляющей обеспечивает глубокое проникновение ультразвука в неоднородную гетерогенную среду с незначительным отражением и затуханием на границах сред, а за счет высокочастотной составляющей разрушает биопленки и соли на поверхностях катетера.
5. Повышение эффективности контактного акустического ударно-волнового воздействия на биологические ткани за счет увеличения скоростей нарастания фронта и спада формируемых выходных импульсов.
6. Способ оценки продолжительности работы ультразвуковых технологических инструментов.
Апробация работы.
Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- IV Региональная научно-техническая конференция «Ученые Омска - региону», г. Омск, 2019 г.
- IX международная научная конференция «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство», г. Омск, 2019 г.
- Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Россия и мировые тенденции развития», г. Омск, 2019 г.
- Всероссийская научно-практическая конференция «Современные научные исследования: актуальные проблемы и тенденции», г. Омск, 2019 г.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ. Из них 2 публикации в зарубежных изданиях, входящих в базу Scopus, 7 статей в научных журналах и изданий ВАК, 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем страниц - 123, в том числе рисунков - 68, таблиц - 20, библиография содержит 90 наименования, приложений - 6.
1. Определено влияние параметров ультразвукового воздействия на санацию урологических катетеров, исходя из особенностей технологического процесса. Предложены новые технические решения возбуждения излучателей для неинвазивной и инвазивной санации урологических катетеров, позволяющие повысить пиковую амплитуду и снизить тепловой эффект при санации.
2. Разработана физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистой структуре биотканей при неинвазивном воздействии, позволяющая рассчитать интенсивность ультразвука в любой точке среды на заданной глубине, зная количество слоев, толщину, плотность, акустический импеданс и коэффициент затухания каждого из них. Модель позволяет выбрать «топографические» ориентиры на теле пациента для проведения наиболее эффективного ультразвукового воздействия.
3. Разработана физико-математическая модель распространения ультразвуковых волн в катетерах с малыми внутренними диаметрами при инвазивном воздействии. Показано, что при развитой кавитации, скорость звука в среде внутри катетера уменьшается на 40 %.
4. Показано, что при инвазивном воздействии непродолжительное УЗ воздействие (60 секунд) на жидкую среду в инкрустированном катетере позволяет удалять до 50 % загрязнений.
5. Сравнение экспериментальных данных и расчетных значений, проведенное с учетом идентичности и последовательности биологических слоев (кожа, жир, мышцы), показало, что предложенная математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистой структуре биотканей при неинвазивном воздействии выполняется наиболее точно в точках по задней аксиллярной линии. Значения интенсивности УЗ колебаний, полученные в результате эксперимента, отличаются от теоретического расчета в пределах 3,5 - 7,6 %.
6. Разработаны, изготовлены и испытаны в условиях медицинского учреждения аппараты для ультразвуковой неинвазивной и инвазивной санации урологических катетеров, при амплитудно-модулированном и импульсном УЗ воздействии.
7. Разработана конструкция и рассчитаны основные параметры пьезокерамического ультразвукового излучателя продольного типа, обеспечивающего получение требуемых выходных параметров (амплитуда - 10 мкм, частота - 26 кГц, мощность - от 30 до 50 Вт)
8. В соответствии с медико-техническими требованиями разработаны, рассчитаны и изготовлены волноводы-инструменты для двух видов санации: инструмент-волновод для инвазивной санации представляет собой тонкий двухполуволновый излучатель, а инструмент-волновод для неинвазивной санации - пассивную насадку.
9. Предложен способ оценки продолжительности работы ультразвуковых технологических инструментов в зависимости от предельных режимов работы (параметров амплитуды и частоты), выбранного материала и способа упрочнения.
10. Установлено, что эффективность неинвазивной ультразвуковой санации подтверждается большей массой интактных стентов по сравнению с теми образцами, которые подвергались акустическому воздействию. Стенты, подвергнутые акустическому воздействию амплитудно-модулированным сигналом, на своей поверхности содержали меньшее количество солевых отложений. Кроме того, по результатам сканирующей зондовой микроскопии их высота была ниже, чем высота солевых отложений на поверхности интактных стентов. В результате чистки удается удалить до 41,13 % обструкции.
2. Разработана физико-математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистой структуре биотканей при неинвазивном воздействии, позволяющая рассчитать интенсивность ультразвука в любой точке среды на заданной глубине, зная количество слоев, толщину, плотность, акустический импеданс и коэффициент затухания каждого из них. Модель позволяет выбрать «топографические» ориентиры на теле пациента для проведения наиболее эффективного ультразвукового воздействия.
3. Разработана физико-математическая модель распространения ультразвуковых волн в катетерах с малыми внутренними диаметрами при инвазивном воздействии. Показано, что при развитой кавитации, скорость звука в среде внутри катетера уменьшается на 40 %.
4. Показано, что при инвазивном воздействии непродолжительное УЗ воздействие (60 секунд) на жидкую среду в инкрустированном катетере позволяет удалять до 50 % загрязнений.
5. Сравнение экспериментальных данных и расчетных значений, проведенное с учетом идентичности и последовательности биологических слоев (кожа, жир, мышцы), показало, что предложенная математическая модель распространения ультразвуковых колебаний в слоистой структуре биотканей при неинвазивном воздействии выполняется наиболее точно в точках по задней аксиллярной линии. Значения интенсивности УЗ колебаний, полученные в результате эксперимента, отличаются от теоретического расчета в пределах 3,5 - 7,6 %.
6. Разработаны, изготовлены и испытаны в условиях медицинского учреждения аппараты для ультразвуковой неинвазивной и инвазивной санации урологических катетеров, при амплитудно-модулированном и импульсном УЗ воздействии.
7. Разработана конструкция и рассчитаны основные параметры пьезокерамического ультразвукового излучателя продольного типа, обеспечивающего получение требуемых выходных параметров (амплитуда - 10 мкм, частота - 26 кГц, мощность - от 30 до 50 Вт)
8. В соответствии с медико-техническими требованиями разработаны, рассчитаны и изготовлены волноводы-инструменты для двух видов санации: инструмент-волновод для инвазивной санации представляет собой тонкий двухполуволновый излучатель, а инструмент-волновод для неинвазивной санации - пассивную насадку.
9. Предложен способ оценки продолжительности работы ультразвуковых технологических инструментов в зависимости от предельных режимов работы (параметров амплитуды и частоты), выбранного материала и способа упрочнения.
10. Установлено, что эффективность неинвазивной ультразвуковой санации подтверждается большей массой интактных стентов по сравнению с теми образцами, которые подвергались акустическому воздействию. Стенты, подвергнутые акустическому воздействию амплитудно-модулированным сигналом, на своей поверхности содержали меньшее количество солевых отложений. Кроме того, по результатам сканирующей зондовой микроскопии их высота была ниже, чем высота солевых отложений на поверхности интактных стентов. В результате чистки удается удалить до 41,13 % обструкции.
