Исследование закономерностей деформации хирургических скобок и разработка сшивающих инструментов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Колядин, Сергей Владимирович

• Колядин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колядин, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Хирургические сшивающие аппараты. История развития

1.2. Предшествующие исследования

1.2.1. Исследования влияния продольного профиля лунок на формообразование скобок

1.2.2. Исследования усилий деформации скобок

1.3. Использование новых скобочных материалов

1.4. Задачи собственных исследований

2. МОДЕЛЬ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СКОБОК НА ОСНОВЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОДОЛЬНОГО ИЗГИБА

2.1. Исходные положения

2.2. Технические исследования шовных материалов

2.3. Концепция математической модели

2.4. Численное моделирование расчетных ситуаций

2.4.1. Моделирование влияния диаметра шовного материала

2.4.2. Моделирование влияния толщины сшиваемой ткани

2.4.3. Моделирование влияния модуля упругости Е 36 Заключение

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЕФОРМАЦИИ

НОЖЕК СКОБКИ

3.1. Концепция модели

3.1.1. Математические закономерности при упругой и упругопластической деформациях балки

3.1.2. Силы, действующие на произвольно искривленную балку

3.1.3. Задание профиля лунки

3.1.4. Определение непосредственно перемещений в балке

3.2. Блок-схема и программа расчета

3.3. Результаты моделирования 56 3.3.1. Моделирование величины максимальной силы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование закономерностей деформации хирургических скобок и разработка сшивающих инструментов»

Актуальность темы. Инструменты для сшивания биологических тканей - одно из важных и сложных направлений медицинской механики.

Эти устройства на всем протяжении их существования зарекомендовали себя как прогрессивное, эффективное и необходимое техническое оснащение в хирургии. Механический шов обладает рядом преимуществ перед ручным швом. Соединение тканей с их помощью осуществляется П-образными металлическими скобками, деформируемыми механизмами инструментов в процессе сшивания в В-образные и удерживающими ткани в правильно сопоставленном виде весь период заживления.

Разработка и производство инструментов - или как их называют в медицине - сшивающих аппаратов - тонкая и специфичная область машиностроения и приборостроения. Она осуществляется на стыке техники и медицины и суммирует в себе достижения из этих областей знаний. Одним словом это особая область техники, требующая специфических и обширных знаний и опыта. Важнейшая ее часть - проблемы механики этих устройств.

Современные методики проведения хирургических операций требуют современного высокоэффективного оборудования и инструментария. Разнообразие разделов хирургии и ее методик породили и порождают разнообразную сшивающую аппаратуру, дающую возможность накладывать на сшиваемые ткани адекватные условиям швы. К сегодняшнему дню повсеместное развитие, применение и уровень использования сшивающих инструментов в клинической практике в значительной степени характеризует общий уровень развития хирургии в каждой данной стране. При этом уместно констатировать, что несмотря на известные более ранние попытки создания устройств для соединения тканей, радикальным творческим толчком к современному распространению сшивающих аппаратов в мире стало создание в СССР в пятидесятых годах первых сосудосшивающих аппаратов и последующее распространение этих и подобных аппаратов в США и других странах на основе приобретения советской лицензии.

Интерес в мире к созданию и развитию инструментов и аппаратов для сшивания органических тканей продолжает быть высоким, что связано с рядом объективных потребностей хирургии. Это в частности необходимость в специальных инструментах для развивающейся эндоскопической хирургии, а отсюда требования к миниатюризации их рабочих частей, это потребность в применении новых шовных материалов, а также зарождающаяся у нас в настоящее время весьма важная тенденция, имеющая как большое лечебное так и коммерческое значение - использование скобок с лекарственными покрытиями, эффективных для всех сшивающих аппаратов. Всё это, естественно, наряду с сохраняющимся интересом к разработкам аппаратов традиционного вида. Тем не менее главными производителями сшивающей аппаратуры в мире сейчас являются США. Две фирмы - ИББС и Е1Ысоп -практически заняли в настоящее время американский, европейский и отечественный рынки.

Вместе с тем для последующего развития этой техники у нас в стране и в целом требуется более развитая теоретическая база, в частности более развернутое представление о механике этих инструментов, в том числе о действующих силах, закономерностях формообразования шьющих элементов

- скобок, значении и влиянии входящих технических параметров. Для получения работоспособных качественных и надежных аппаратов требуется прочностной, жесткостной и силовой компьютерный расчет элементов их конструкции с учетом существующего и перспективного разнообразия шовного материала. В отечественной практике это до настоящего времени не осуществлялось.

Отсутствие методик, появление новых материалов, применяемых в качестве шовных элементов, и способствовало возникновению идеи создания теории и положений, описывающих в количественной форме механику процесса сшивания скобками, которые могут быть положены в основу расчетных методов проектирования шьющей части инструментов.

Цель работы: разработка оборудования для механического соединения биологических тканей.

По мнению автора для достижения поставленной цели необходимо установить важнейшие физико-механические параметры металлических скобок, используемых в сшивающих инструментах, и на базе этих характеристик предложить новые типы оборудования, инструментов и устройств для механического соединения биологических тканей.

Методы исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось комплексным решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна выполненной работы состоит в:

- Экспериментальной оценке механических характеристик материалов, используемых при создании хирургического скобочного шва;

- Математических моделях деформации скобок хирургических швов, учитывающих комбинированную схему нагружения продольным и поперечным изгибом и взаимодействие с лункой;

- Результатах моделирования численными экспериментами закономерностей деформации скобок, учитывающих физико-механические параметры шовных материалов, диаметры, толщины сшиваемых тканей, несоосность положения лунок и скобок;

- Аналитической и экспериментальной проверке прочности механического шва.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика 2000" (Москва, МГТУ "СТАНКИН", 2000 г.), а также на заседаниях кафедры "Инструментальная техника и технологии формообразования" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 2 статьи и 7 патентов.

1. Колядин C.B. Моделирование процессов формообразования для хирургических сшивающих аппаратов. Труды IV конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., т.1, с. 283285.

2. Султанов Т.А., Колядин C.B. Хирургические сшивающие аппараты и моделирование процессов формообразования скобок. Проектирование технологических машин. Вып. 22, МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., с. 59-66.

Получены патенты на сшивающие аппараты: №№ 2066128, 2106816, 2088159, 2110221, 2103925, 2063710, 2152756 (подробнее см. в материалах главы 5).

На патентование поданы еще 2 заявки, получившие положительную оценку экспертизы: №№ 2000102279/20(002092), 99114678/20(015249).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложена на 161 странице машинописного текста и содержит 69 рисунков, 18 таблиц, 7 приложений, а также список литературы, включающий 65 наименований. В автореферате сохранена нумерация формул, таблиц и рисунков, принятая в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Колядин, Сергей Владимирович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ показал, что сложные сшивающие инструменты, называемые в медицинской среде также аппаратами для соединения биологических тканей механическим швом металлическими скобками к сегодняшнему дню получили широкое и повсеместное развитие и применение. Показано, что медицинские исследования скобочных швов выполнялись и осуществляются до настоящего времени весьма интенсивно. Технические же исследования представлены в литературе достаточно скромно и по существу ограничились двумя областями знаний -экспериментальным изучением физических свойств соединяемых тканей (работы Астафьева Г.В.) и экспериментальные исследования сил деформации конкретных типов скобок (работы Акопова Э.М.).

2. Проведенные эксперименты позволили установить важнейшие физико-механические параметры - ств, ат, 8 - основных шовных материалов -сплава 40КХНМ, тантала, циркония и титана. Построены диаграммы растяжения с использованием разрывной машины НескеЛ БР 100/1.

3. Обоснованы и разработаны математические модели формообразования скобок сшивающих инструментов на основе схем нагружения продольным и поперечным изгибом, связывающих величину деформирующей скобку силы в функции размерных параметров скобок, физико-механических свойств шовного материала, условий прошивания.

Неадекватность моделей, как показали экспериментальные данные, составляет не более 15%.

4. Разработанные математические модели позволили получить закономерности влияния диаметра шовного материала, модуля Юнга, толщины сшиваемой ткани и несоосности положения скобки и лунки на силу деформирования (рис. и зависимости 2.8-2.11 и 3.15-3.19).

5. Установлены на основе теоретических положений Максвелла-Мора для тонких стержневых колец с разрезом условия прочности механического шва по разгибу отдельной скобки и комплекта скобок из тантала, сплава 40КХНМ, циркония и титана.

6. Доказано экспериментальным моделированием практическое совпадение теоретических и экспериментальных данных по прочности шва. Расхождение по всем материалам составило порядка 9 -10%, за исключением скобок из циркония, которое в практически вероятном диапазоне было порядка 33%.

7. Научно-практическое значение проведенных исследований состоит в следующем:

7.1. Материалы исследований рекомендовано использовать при разработке сшивающих аппаратов в части расчетов на прочность и жесткость рабочих элементов аппаратов, обеспечения условий миниатюризации их рабочих частей, нагрузки на руку хирурга.

Материалы диссертации переданы для использования в ОАО "НПО "Экран".

7.2. Результаты и методики исследований прочности шва могут быть полезны при экспериментальной проработке клинических методик.

7.3. Разработаны, запатентованы или патентуются следующие новые инструменты:

- Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций. Патент РФ №2110221.

- Хирургический сшивающий аппарат и скобка. Патент РФ №2066128.

- Хирургический сшивающий аппарат для наложения механического обвивного шва. Патент РФ №2106816.

- Хирургический сшивающий аппарат для наложения линейных швов на полые органы. Патент РФ №2088159.

- Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций и скобка. Патент РФ №2063710.

- Матрица к хирургическому сшивающему аппарату для перевязки полых органов. Патент РФ №2103925.

- Хирургическая скобка для соединения тканей. Патент РФ №2152756.

- Скобка с лекарственным покрытием к хирургическим сшивающим аппаратам. Заявка №2000102279/20(002092).

- Скобки с кольцевыми рифлениями к хирургическим сшивающим аппаратам и устройство для формообразования рифлений. Заявка №99114678/20(015249).

Заключение

Необходимо констатировать, что если российский и международный рынок заняты американскими фирмами ШБС и ЕЙисоп, то найти свою нишу в этом ряду очень трудно, особенно путем создания отдельных, даже очень хороших инструментов и аппаратов. Поэтому особенно важно и ценно, с нашей точки зрения, создание таких изделий, которые применимы в любых аппаратах американских и российских. Из выполненных в рамках диссертации разработок такими можно считать скобки с рифлениями п. 5.9 и скобки с лекарственными покрытиями п. 5.8. Эти разработки способны занять свою нишу и представляют не только научно-технический, но и коммерческий интерес.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колядин, Сергей Владимирович, 2000 год

1. Андросов П.И. Новые хирургические аппараты и их клиническое применение. -М.: В/О "Медэкспорт", 149 с.

2. Арзамасов, Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. Материаловедение. Учебник. -М.: Машиностроение, 1986 г., 384 с.

3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. -М.: Наука, 1988 г., 639 с.

4. Астафьев Г.В. Исследования процессов сжатия и резания тканей пищеварительного тракта и разработка новых конструкций сшивающих хирургических аппаратов. Дис. канд. -М., ВНИИЭХАИ, 1966 г.

5. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968 г., 512 с.

6. Бокштейн Б.С., Векслер Ю.Г., Глезер A.M. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник в 2-х кн., -М.: Металлургия, 1991 г., 142 с.

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. -М.: Наука, 1986 г., 544 с.

8. Буянов В.М., Егиев В.Н., Удотов O.A. Хирургический шов. -М.: Предприятие "Первая образцовая типография" Министерства печати и информации Российской федерации, 1993 г., 103 с.

9. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. -М.: Металлургия, 1983 г., 527 с.

10. ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки.

11. ГОСТ 14118-85. Проволока из прецизионных сплавов для упругих элементов. Технические условия.

12. Грицман Ю.Я. Хирургические сшивающие аппараты и их клиническое применение. Каталог. -М.: Внешторгиздат, 1976 г., 215 с.

13. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. -М.: "Наука", 1970 г., 432 с.

14. Ильиченко A.B., Юликов М.И. Численные методы проектирования режущих инструментов с использованием ЭВМ // Вопросы теории и практики конструирования, производства, эксплуатации инструмента: Сб. ст. -М.:ВНИИ, 1976г.,с.14.

15. Исследование влияния элементов шьющей части на качество сшивающих аппаратов. Отчет по теме №134. Рук. темы Потемкина В. С., исполнители Акопов Э.М., Ковтуненко Т.М. -М.: ВНИИЭХАИ, 1963 г., 148 с.

16. Каценеленбоген И.В., Попов A.A., Столбин Г.Б., Яковлев H.A. Техническая механика и детали машин, -М.: Машгиз, 1949 г., 675 с.

17. Колядин С.В. Моделирование процессов формообразования для хирургических сшивающих аппаратов. // Труды IV конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". в 2-х томах. -М.: МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., т.1, с. 283-285.

18. Колядин C.B. и др. Матрица к хирургическому сшивающему аппарату для перевязки полых органов. Патент РФ №2103925 зарегистрирован 10.02.1995 г.

19. Колядин C.B. и др. Скобка с лекарственным покрытием к хирургическим сшивающим аппаратам. Заявка №2000102279/20(002092) от 7.02.2000 г.

20. Колядин C.B. и др. Скобки с кольцевыми рифлениями к хирургическим сшивающим аппаратам и устройство для формообразования рифлений. Заявка №99114678/20(015249) от 05.07.1999 г.

21. Колядин СВ. и др. Хирургическая скобка для соединения тканей. Патент РФ №2152756 зарегистрирован 20.07.2000 г.

22. Колядин C.B. и др. Хирургический сшивающий аппарат для наложения линейных швов на полые органы. Патент РФ №2088159 зарегистрирован2708.1997 г.

23. Колядин C.B. и др. Хирургический сшивающий аппарат для наложения механического обвивного шва. Патент РФ №2106816 зарегистрирован2003.1998 г.

24. Колядин C.B. и др. Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций. Патент РФ №2110221 зарегистрирован 10.05.1998 г.

25. Колядин C.B. и др. Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций и скобка. Патент РФ №2063710 зарегистрирован 20.07.1996 г.

26. Колядин C.B. и др. Хирургический сшивающий аппарат и скобка. Патент РФ № 2066128 зарегистрирован 10.09.1996 г.

27. Корн Г. и Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1977 г., 832 с.

28. Кример Б.И., Панченко Е.В., Шшпко JI.A., Николаев В.Н., Авраамов Ю.С. Лабораторный практикум по металлографии и физическим свойствам металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1966 г., 274 с.

29. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. -М.: Машиностроение, 1975 г., 391 с.

30. Лукомский Г.И., Березов Ю.Е. Эндоскопическая техника в хирургии. -М.: Медицина, 1967 г., 399 с.

31. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. -М.: Машиностроение, 1975 г., 399 с.

32. Математическое моделирование. Редакторы Эндрюс, Мак-Лоун, перевод с английского под ред. Гупало Ю.П., -М.: Мир, 1979 г., 276 с.

33. Материаловедение. Учебник под общей ред Б.Н. Арзамасова, -М.: Машиностроение, 1986 г. 383 с.

34. Машиностроение. Энциклопедический справочник, т.1, Кн.2, Главн. редактор Чудаков Е.А., Отв. редактор Саверин М.А. -М.: Государственное

35. Научно-Техническое издательство Машиностроительной литературы, 1947 г., 456 с.

36. Новые процессы деформации металлов и сплавов / Коликов А.П., Полухин П.И., Крупин A.B. и др. М.: Высшая школа, 1986 г., 351 с.

37. Новые хирургические аппараты и инструменты. Под ред. Геселевича A.M. -М.: Медицина, 1964 г., 254 с.

38. Новые хирургические аппараты и инструменты и опыт их применения. Выпуск II. Отв. редактор Ананьев М.Г. -М.: Типография изд-ва "Советский композитор", 1958 г., 162 с.

39. Опыт клинического применения новых хирургических аппаратов и инструментов. Отв. редактор Ананьев М.Г. -М.: "Медицина", 1964 г.

40. ОСТ 64-1-140-83. Скобки к сшивателям и ушивателям. Технические условия.

41. Полевой С.Н. Упрочнение машиностроительных сплавов. Справочник. -М.: Машиностроение, 1994 г., 496 с.

42. Полухин П.И. и др. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. Справочник. -М.: Металлургия, 1976 г., 188 с.

43. Попов Е.П. Теория и расчет гибких упругих стержней. -М.: Наука, 1986 г., 294 с.

44. Родин П.Р. Основы формообразования поверхностей резанием. -Киев: Высшая школа, 1977 г., 192 с.

45. Сабитов В.Х. Медицинские инструменты. -М.: Медицина, 1985 г., 174 с.

46. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1979 г., 392 с.

47. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. -М.: Машгиз, 1962 г., 952 с.

48. Скобников K.M., Глазов Г.А., Петраш Л.В., Технология металлов и других конструкционных материалов. -М.: Машиностроение, 1972 г., 520 с.

49. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. -М.: Машиностроение, 1977 г., 463 с.

50. Современная техника в хирургии. Материалы VI научной сессии научно-исследовательского института экспериментальной хирургической аппаратуры и инструментов., под ред. Ананьева М.Г., Геселевича A.M., ГрицманаЮ.Я. -М.: Типография Метроснаба, 1965 г. 168 с.

51. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. изд. 4-е перераб. -М.: Машиностроение, 1977 г., 423 с.

52. Султанов Т.А. Кинетопластика. // Конструкторско-технологическая информатика 2000. Труды конгресса в 2-х томах. -М.: МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., т.2, с. 177-180.

53. Султанов Т.А. Медицинская механика. // Труды IV конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". в 2-х томах. -М.: МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., т.2, с. 180-182.

54. Султанов Т.А, Колядин C.B. Хирургические сшивающие аппараты и моделирование процессов формообразования скобок. // Проектирование технологических машин. Вып. 22, -М.: МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., с.

55. Терегулов И.Г. Сопротивление материалов и основы теории упругости и пластичности. Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 1984 г., 472 с.

56. Третьяков A.B., Торфимов Г.К., Гурьянова М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании // Справочник. -М.: Машиностроение, 1971 г., 63 с.

57. Шнейдер Ю.Г. Холодная бесштамповая обработка металлов давлением. -JI.: Машиностроение, 1967 г., 152 с.

58. Томленов А.Д. Механика процессов обработки металлов давлением. -М.: Машгиз, 1963 г., 235 с.

59. Третьяков A.B., Трофимов Г.К., Гурьянова М.К. Механические свойства сталей и сплавов при пластическом деформировании // Справочник. -М.: Машиностроение, 1971 г., 63 с.

60. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. -М.: Наука, 1972 г., 544 с.

61. Фёппль А., Фёппль JI. Сила и деформация. В 2- т. -M.-JI.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1933 г., 420 с. и 408 с.

62. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, тт. 1-3, -М.: Наука, 1969 г.

63. Хирургические аппараты, инструменты, новые материалы и сплавы. Под ред. Утямышева Р.И. -М.: Московская правда, 1976 г., 257 с.

64. Эйдус Е.С. Технология производства медицинских инструментов и деталей приборов. -JL: Медгиз, 1958 г., 320 с.65. "Martin". Chirurgie-Katalog 24., Germany, Tuttlingen, 1978 г., 882 с.