автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование закономерностей деформации хирургических скобок и разработка сшивающих инструментов

Министерство общего и профессионального образования Российской

Федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Колядин Сергей Владимирович? Г & ОД

2 цк пи

УДК 621.992.7.02.001.5

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ХИРУРГИЧЕСКИХ СКОБОК И РАЗРАБОТКА СШИВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Специальность 05.03.01-

Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени

Государственном технологическом университете "СТАНКИН" и Всероссийском научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники.

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Султанов Т. А.

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Кирдеев Ю.П. Кандидат технических наук Песецкий Г.М.

Ведущее предприятие ЗАО ВНИИМП-Вита Всероссийский

научно-исследовательский институт медицинского приборостроения.

Защита диссертации состоится 21 декабря 2000 г. в _ часов на

заседании Диссертационного совета К 063.42.05 Московского Государственного технологического университета "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К 55,Вадковский пер., д.3а

Автореферат разослан уУ" 2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета к-т.н. доцент /¿¿¿^

Поляков Ю.П

ИС1-/

I ^

-о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инструмента 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. Ери 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. Вей 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 - ШБС и Ейисоп -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.

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 работа доложены и обсуждены на международном конгрессе "Конструкторско-технологическая информатика 2000" (Москва, МГТУ "СТАНКИН", 2000 г.), на заседаниях кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано: 2 статьи и 6 патентов.

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

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

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

На патентование поданы еще 3 заявки, получившие положительную оценку экспертизы: №№ 2000102279/20(002092), 99114678/20(015249), 99121368/14(022587).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложена на 125 страницах машинописного текста и содержит 67 рисунков, 18 таблиц, 6 приложений, а также список литературы, включающий 66 наименований. В автореферате сохранена нумерация формул, таблиц и рисунков, принятая в диссертации.

Диссертация заслушана и рекомендована к защите кафедрой "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" Московского государственного технологического университета "СТАНКИН".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены проблемы, касающиеся современных подходов к проектированию хирургических сшивающих инструментов. Отмечено, что традиционное проектирование в отечественной практике лишено процедуры предварительных расчетов в отношении прогнозирования прочности создаваемых конструкций, их жесткости, отсутствует практика и математическая основа для моделирования процессов прошивания, взаимодействия рабочих частей инструментов.

В современных условиях к конструкциям сшивающих аппаратов предъявляются довольно жесткие требования в отношении габаритов их рабочих частей, жесткости, надежности. Правильно установленная прочность

позволяет минимизировать размеры шьющей части. Правильно определенная жесткость шьющей части обеспечивает точное и одинаковое В-образное формообразование каждого металлического стежка. Минимизация сил деформирования позволяет минимизировать прилагаемую хирургом силу, что важно для оператора, особенно женщины. Это связано также с требованиями к минимизации габаритов рабочих частей аппаратов в связи с развитием эндоскопической хирургии, заменой некоторых рабочих частей из металла на пластмассу, и т.д.

Сегодня отсутствует возможность выбора материалов для производства скобок, которые обладали бы широким диапазоном физико-механических свойств.

Поставленная в работе цель и анализ современного состояния проблемы определяют основные направления исследования:

1. Исследование физико-механических свойств используемых и перспективных скобочных материалов.

2. Разработка и исследование возможных вариантов математического моделирования усилий формообразования скобок.

3. Исследование степени пригодности по механическим свойствам перспективных материалов для производства из них скобок к сшивающим инструментам и рекомендации по их выбору.

4. Разработка новых конструкций сшивающих аппаратов и скобок, способных занять определенную нишу на отечественном и зарубежном рынках.

Во второй главе проведены исследования физико-механических свойств используемых и перспективных скобочных материалов. Исследования проводились на оборудовании ЦНИИ черной металлургии им. И. П. Бардина. Были получены диаграммы растяжения (рис. 2.2) на разрывной машине РР 100/1 фирмы НескеЛ. Полученные экспериментальные данные, а также данные, полученные в АО "Чепецкий механический завод", материалы исследований ВНИИЭХАИ, и данные по ОСТ на скобки сведены в таблицу 2.2.

Совокупные данные основных физико-механических свойств - ап ст„ 5 -существующих и перспективных шовных материалов позволяют поставить проектные процедуры на современную расчетную основу, в том числе компьютерную.

В главе предложена математическая модель формообразования скобок. Модель охватывает весь цикл формообразования. В основу ее положены теоретические положения продольного изгиба, предложенные и описанные Леонардом Эйлером. Принципиальной особенностью деформации хирургической скобки является выбор картины нагружения. В нашем случае

картина комбинированного нагружения представляет собой сочетание концентрично приложенной продольной силы и поперечноизгибающего момента Это сочетание адекватно отражает действующие нагрузки на скошенном торце ножки скобки Таким образом определяется максимальная сила После определения сипы, необходимой для образования завитка в конце формообразования, вся закономерность аппроксимируется прямой линией. Такая математическая и геометрическая интерпретация процесса формообразования позволяет моделировать важнейшие проектные ситуации для оценки ряда общих закономерностей формообразования.

Рис. 2.2.

Еще одной особенностью разработанной модели, отличающей ее от прямых классических решений, является исключение из системы расчетов так называемых коэффициентов устойчивости и запаса текучести. Они принимаются равными единице, так как рассматривается упругогагастическая область, где не требуется запасов, обеспечивающих работу в упругой зоне.

В общем виде формула Эйлера записывается следующим образом:

р=2 для варианта консольной заделки стержня.

Так называемая гибкость стержня "Л." выражается и приобретает значение через выражение

р.

где г2 - радиус инерции, вычисляемый по минимальному моменту инерции сечения

J,

Г'=\

при площади сечения Б.

Таблица 2.2

Млте-рВЛЛ Знвченш параметров по ЦНИИ черной металлургия ЯНИН Бардина Значения парвммров по ОСТ 64-1-140-83 дш скобок Значенжж параметров по ■селедо ваннам ВНИИЭХАИ 1957 г. Значения по испытании Чепедкого механического завода 1999 г.

Предел прочности с„ МПв (гг/им2) Предел текучести с„ МПа (кг/им2) Относительное удлинение в,% О» (кг/ыи2) 8,% сг„ (кг/мм2) 8,% (гг/им2) 8,%

Спш 40КХНМ 1310 (133) 830 (84) 40 100-140 20+35 - - 122-130 IV- 19,5

Тантвл 1320 (134) 1150 (117) 1,0 отечественный 110-128 1.0

аиерв-канскнй 63-69 14-16

Сшш циркониевый 100 Ш (87) 810 (82) 1,1 Цврко-ннй 36-62 2-3 87-93 1,7-0,5

Сплав ита-вовый 3/0 отечеств веяный шовный 420 (43) 260 (26,5) 16,7

Титан амерн- идлгай шовный ВТ1-1 спра- вочво (56) (42) 30

При продольном изгибе допускаемая нагрузка на стержень определяется из

р -Ркр

гп ~~ »

где п„=1,7+3,5 запас устойчивости. В рассматриваемом случае, как указывалось выше, п„ принимается равным 1, поэтому допускаемое напряжение принимается равным критическому

р ~ X1 '

В расчетах также используется т.н. коэффициент понижения допускаемых напряжений при продольном изгибе

Я п,Я Я '

если допускаемое напряжение Л=— из а,=1,5+3, являющийся так

"г

называемым запасом прочности. Однако исходя из необходимости преодоления прочности стержня у скобки и, таким образом, исключения запаса прочности при формообразовании, принимаем пт=1. Тогда, при 11=стх

9,-

Я

Заключительная часть модели расчета позволяет определить возникающие напряжения от изгибающего момента

М

Р

"" ЯГ~2-0Д-<*5 0,2 Комбинированное нагружение дает закономерность

где ст0=сттг.

Рп = (К + о„)- ф„-Р,

2,8 2,4

2,0 1,6 1,2 0,3 0,4

Р_ 40КХНН

Перемещение спинки мм.

■л—I—г—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—I—1—I—I—I—I—I—I—

0,2 0,4 0,В 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8

Рис. 2.6

На рис.2.6 для сопоставления рассмотрен частый случай деформации скобки 0,3x4x4,8 мм из сплава 40КХНМ. Описанная модель (линия (1)) аппроксимирует экспериментальную кривую деформации (2), показанную здесь по литературному источнику.

С помощью модели моделировались различные проектные ситуации, связанные с изменением различных параметров скобок. Смоделированные кривые описаны в форме интерполяционных многочленов.

Рис.2.8. Моделирование влияния диаметра ножки. Р„„= 62,6715 <1* -18,6096 (1 +1,3296.

2 2,5 3 3,5 4 4,8

Рис. 2.9. Моделирование влияния длины ножки. Рт.х= -1,0185 Ь+ 6,2656.

Р. (кг)

Е 10*, (МПа)

1,2 1,4 1,6 1,& 2,0 Рис. 2.10. Моделирование влияния модуля упругости Е.

Интерполяционная кривая - прямая линия - совпадает с графиком расчетных значений.

Рю» = 0,8088 Е- 0,2865.

Моделированием проектных ситуаций установлено достаточно ощутимое влияние на максимальное усилие деформации скобки изменение диаметра ножки (рис. 2.8), изменение ее длины (рис. 2.9), меньшее влияние оказывает рост величины модуля упругости Е шовного материала.

В третьей главе предложена и обоснована другая математическая модель формообразования ножки скобки, основанная на закономерностях поперечного изгиба в функции формы, размеров и положения деформирующей лунки матрицы.

С криволинейной поверхностью лунки балка может контактировать в одной точке, в которой возникает сила Бь Угол наклона этой силы по отношению к положительному направлению оси ОХ определяется по углу наклона профиля в точке контакта балки с ним. Так как сила перпендикулярна касательной к профилю в точке контакта, то

«,,=«;+90°, (3.15)

Балка разбивается на N участков с N+1 узловыми точками. Каждый участок при каждом новом расчете перемещения и поворота его конца принимается прямолинейным. В расчетах учитываются упругие и упругопластические деформации стержня. Круглое сечение заменяется на квадратное равной площади. Проверка перехода от упругих к

упругопластическим деформациям происходит по рассчитываемому максимальному допустимому упругому моменту

Мупр = OтWyчв

Рис. 3.5

Высота упругого слоя в прямоугольном сечении:

ус

предельный упругий момент:

12М Ьат '

Ыг2

предельный пластическим момент:

И2

(3.9)

Мг = атУГт -ат-

Для квадратного сечения Ь и Ь = <1 Высота упругого слоя сечения равна 2уа. Если по длине бруса изгибающий момент изменяется (случай поперечного изгиба), то согласно выражению (3.9) изменяется и высота упругого слоя балки.

Задача расчета прогиба оси балки при упругопласгаческом поперечном изгибе сводится к интегрированию дифференциального уравнения изогнутой оси балки, которое для участков балки, где изгибающий момент меньше предельного упругого, т. е.

М<Мупр

имеет обычный вид

(3.11)

а для упругопластических участков, используя выражение (3.9) получаем

(3.12)

4 *

Уравнению (3.12) можно придать внешний вид обычного уравнения "упругой оси" (3.11), если ввести понятие о приведенном моменте инерции.

м

J"t " 2 Мг-\

НйГ* (313)

причем 1пр<Г. Таким образом для участков балки, где средний момент превышает Мущ, рассчитывается приведенный момент инерции. И перемещения и повороты конца участка рассчитываются с учетом этого момента

Предельный изгибающий момент, при котором еще будет происходить деформация ножки скобки должен быть таким, при котором достигается

радиус кривизны р, где В - длина спинки скобки. Ножки скобки

изгибаются таким образом, что их концы касаются спинки скобки в ее середине, то есть диаметр образованного ножкой полукольца равен приблизительно половине длины спинки.

1 4 2МГ

р ~ В ~ г- I м

в результате получаем предельный момент деформации

О^МйМ,.

подставляя формулу (3.14) в формулу (3.13), получаем

Б I

минимальный предельный приведенный момент инерции сечения. Таким образом получается:

•^пред^пр^'

В локальных системах координат определяются координаты конца деформированного участка и угол поворота его конца - точки п+1. По правилу

Верещагина, считая линейное изменение величины момента от начала до конца участка

АУы = :

«У.,

мер=---

Если Мср^Мущ,, то 1вр=1 - обычный момент инерции. Если МуПр<МСр^Мпред, то

Затем определяются полные повороты каждой узловой точки с учетом поворотов всех узловых точек, находящихся слева от нее, после чего определяются координаты точек концов участков в основной системе координат ХОУ. Получаем их новые координаты хМю и уЫшя.

+ЛхмсозД -АумзшД Ум*,. = Ум + ^ + Лум созД' Полные новые координаты узловых точек с учетом разницы между старыми координатами Хь у* и полученными хМяя и уЫног будут

Д*. = *>«»-х< Ау, =У1шя-У,

Полные новые координаты узловых точек определяются из

УГ=У;Н0. + £АУ1-

Осуществляется проверка по направлению и величине перемещения конца балки. Конец балки должен перемещаться вверх и влево (при ее расположении как на рис. 3.5). Максимальное перемещение ее конца ограничивается. Для чего определяется величина ^(х^ ~хх)г + (>*_ -у„)2. Она

не должна превышать величины, принимаемой в программе перед расчетом. Например не более 0,1 мм. Если величина превышает допустимую, то сила ^ уменьшается, и расчет производится заново от исходных первоначальных координат узловых точек.

После того как все условия будут выполнены, фиксируются все полученные значения: величины силы Бь ее новый угол наклона аЛ по

формуле (3.15), координаты узловых точек принимаются как исходные для нового расчета, рассчитываются новые моменты М« сопротивления в узловых точках, равные полученному моменту при расчете (предел - предельный упругий момент Мупр).

Для каждой новой итерации задается ¿V - величина приращения силы Бь соответственно новая Силар1=р1+Ар, и производится новый расчет.

С помощью этой компьютерной модели, были промоделированы различные проектные ситуации, связанные с изменением продольного профиля лунки, физико-механических свойств скобочного материала и геометрических параметров ножки скобки. Промоделированные зависимости представлены в форме интерполяционных многочленов.

Я тох (кг)

1

Предел текучести (МПа)

200 400 600 800 1000 1200

Рис. 3.14. Моделирование влияния предела текучестио,. Рш„ = 0,0087 от + 0,6968.

Р так, (иг)

Интерполяционная кри&ая

2

модуль упругости Е (Ю'мПо)

1,6 1,8 1,9 2.0

Рис. 3.15. Моделирование влияния модуля упругости Е. Рт„= 0,5653 Е +0,369.

Р так, (кг)

Интерполяционной >/ кривая

V,"

диаметр ножки скобки, (мм)

0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 (0,09) (0,13) (0,18) (0,22) (0,26) (0,31)

Рис. 3.16. Моделирование влияния диаметра ножек скобки. Ршк= 59,2716 <1* -16,5556 с! +1,1582.

Ртах, (кг)

Интерполяционная

крибая \ ...

Радиус лунки на биходе, (мы)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Рис. 3.17. Моделирование влияния радиуса продольного профиля лунки на выходе

Рш« = -0,3371 И + 1,5958.

0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Рис. 3.18. Моделирование влияния смещения ножки относительнс продольного профиля лунки (величины захода).

Р = 2,583 Ь1 +1,2298 Ь +1,447.

Неадекватность модели и интерполяционных многочленов не превышает

25%.

Также как и в первой модели обнаружено, что существенное влияние Н1 изменение максимальной силы оказывает диаметр ножки скобки (рис.3.16). Е меньшей степени на силу влияет изменение физико-механических свойсп скобочного материала (рис.3.13, 3.14, 3.15,). Очень важное значение имее-закономерность 3.19, свидетельствующая о достаточных резервах ш несоосности положения лунки и скобки, что может быть использовано пр! разработке инструментов с взаимозаменяемыми деталями.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследованш прочности скобочного шва, а также предложены математически! закономерности, позволяющие прогнозировать жесткость формообразованныз скобок.

Скобки должны обеспечивать герметичность шва после снятии сшивающего аппарата с прошитого органа Это зависит от способности отформованной скобки сопротивляться разгибающим усилиям, которьи воздействуют на ее ножки со стороны сжатой ткани. Это в свою очеред зависит от физико-механических свойств скобочного материала при данжи форме завитка

Были проведены на базе известных положений Максвелла-Мор! теоретическое изучение упругого деформирования стержневого полукольца I

на этой методической базе получены соответствующие количественные значения.

В работе проведены экспериментальные исследования влияния физико-механических свойств скобочного материала на прочность образуемого скобкой шва Исследовались скобки размером 0,3x4x4,8 мм из тантала, сплава 40КХНМ и циркониевого сплава марки 100, а также скобки размером 0,2x3x3,5 мм из титана из американского аппарата Endo GIA 30. По результатам эксперимента по разгибу скобок получены интерполяционные многочлены, отображающие интенсивность разгиба

Ь„»г1Л«юшмп<ш. =1,46403 Р'-0,43329 Р + 0,04339. (4.1)

hp«ri.i ioazi-пшш = 2,1762 Р2 + 0,0282 Р. (4.2)

Ьрюг t,6 п тин = 3,48791 Р2 - 0,04305 Р. (4.3)

Ьр^плт.пм» = 0,65873 Р1 + 0,05567 Р. (4.4)

Максимальные усилия, полностью разгибающие скобки, приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Материал скобки Скобка 0,3x4x4,8 мм. Рраэгтах, КГ.

Сплав 40 КХНМ 1,0

Тантал 1,1

Циркониевый сплав 100 0,75

Титан американский. Скобка 0,2x3x3,5 мм. 0,4

С помощью полученных интерполяционных многочленов (4.1, 4.2, 4.3, 4.4) вычислены максимальные разгибы скобок, предшествующие полному их разгибу при максимальных усилиях. Для скобки из сплава 40КХНМ при определенном из опыта максимальном усилии 1,0 кг он составляет «1,06 мм. Для скобки из циркониевого сплава 100 при максимальном усилии 0,75 кг он составляет »1,2 мм. Для тантала при максимальном усилии 1,1 кг максимальный разгиб составляет «0,86 мм. Для тагана при максимальном усилии 0,4 кг максимальный разгиб составляет»0,54 мм. Если учесть то, что изначальный зазор прошивания составлял 1,5 мм, то скобки из сплава 40КХНМ перестают удерживать прошитую ими ткань при зазоре 1,5+1,06=2,56 мм, а скобки из циркониевого сплава 100 при зазоре 1,5+1,2=2,7 мм, скобки из тантала при зазоре 1,5+0,86=2,36 мм, скобки из титана при зазоре 1,5+0,54=2,04 мм.

Эта величины практически одинаковы (кроме скобки из титана). Это говорит о том, что скобка перестает удерживать прошитую ткань при

возрастании разгибающего усилия не только из-за физико-механических свойств материала, но и из-за геометрии скобки. При зазоре прошивания больше вычисленных нами, ножки скобки уже не образуют крюков, загнутых вовнутрь стежка, и скобка просто сама по себе не может удерживать прошитую ткань. Также это косвенно подтверждает, что максимально допустимый зазор прошивания для скобок размером 0,3x4x4,8 мм составляет не более 2,3 мм (кроме скобок из титана, другого размера и работающих в американском аппарате на одном фиксированном зазоре прошивания.

Скобки должны иметь такие геометрические и физико-механические параметры, которые будут позволять сопротивляться разгибающим их усилиям с напряжениями, не переходящими в область пластических деформаций. Поэтому были выведены интерполяционные многочлены, интерполирующие области экспериментальных данных по разгибу скобок, гае происходит только упругий разгиб скобок.

Для сплава 40КХНМ на зазорах прошивания 1,5 мм и 2,3 мм:

h,.5 40KXHM ЛФ = 0,07613 Р2 + 0,18265 Р, «кхнм л* = 0,73678 Р1 + 0,16507 Р,

для циркониевого сплава 100 на зазорах прошивания 1,5 мм и 2,3 мм:

hi.s юо &упр = 0,65376 Р2 +0,40632 Р, Ь2,з ,оо&Jnp -1,11484 Р2 + 0,44939 Р,

для тантала на зазорах прошивания 1,5 мм и 2,3 мм:

Ьит. упр = 0,22 Р2 + 0,27 Р, Ь2,з т. упр = 0,35^ + 0,393 Р,

и для титана на зазоре прошивания 1,6 мм:

Чб п яф = 1,1329 Р2 + 0,35252 Р.

Графики этих функций до области начала пластических деформаций (справа от пунктирных линий) для соответствующего материала изображены на рис.4.11 и 4.12.

Рис. 4.11. Разгиб скобок размером 0,3x4x4,8 при начальном зазоре прошивания 1,5 мм.

■ 0.1

Л (мм)

^2.3 100 2г упр

■ 0.05 1 1

1 1 -Л/ П 2.3 40КХНМ упр .

II 1 Р (кг) .11 1 .

Г;

О С) о>

Рис. 4.12. Разгиб скобок размером 0,3x4x4,8 при начальном зазоре прошивания 2,3 мм.

Максимальные разгибы ножек скобок при максимальных допустимых усилиях, вызывающих только упругую деформацию, приведены в таблице 4.2. Для теоретического расчета величины разгиба деформированной ножки скобки были использованы положения Максвелла-Мора для расчета

расхождения концов кольца при приложении нагрузки, показанном на Рис. 4.13 (а).

Таблица 4.2

Материал Максимальное Разгиб при зазоре Разгиб при

Скобка допустимое 1,5 мм. зазоре 2,3 мм

0,3x4x4,8 упругое разгибающее усилие Р, кг.

Тантал 0,139 0,042 0,061

Сплав 40КХНМ 0,118 0,023 0,030

Циркониевый 0,107 0,051 0,061

сплав 100

Титан 0,180 0,100

Скобка (при зазоре 1,6 мм)

0,2x3x3,5

а) б)

Рис. 4.13

В нашем случае, когда деформированную ножку скобки можно считать полукольцом, разгиб конца ножки - где будет наибольшее перемещение - при такой же схеме приложения силы Р как на Рис. 4.13 (а), считается по формуле

А Ра>(, "Л /Л сч

Y="ä7"\ Т/' <4-5>

где а - радиус кольца, Р - сила (кг).

Сопоставление величин разгиба скобок из разных материалов (сплава 40КХНМ, тантала, циркониевого сплава 100 и титана) приведены в таблице 4.3. Размеры скобок для сплава 40КХНМ, тантала, циркониевого сплава 100 0,3x4x4,8. Радиус кольца а=1 мм. Для титана размер скобки 0,2x3x3,5 (скобка из американского аппарата Endo GIA 30). Радиус кольца а=0,75 мм. Модуль

упругости Е= 1,9-105 МПа Величины разгиба (перемещения конца ножки скобки) рассчитаны при усилиях 0,05 кг и 0,1 кг, так как нас интересует область упругих деформаций.

Таблица 4.3

Материал скобки Скобка 0,3x4x4,8 Величина разгиба А, мм.

Расчетная (по формуле 4.5) Экспериментальная (средние арифметические значения)

при 0,05 кг. при 0,1 кг. при 0,05 кг. при 0,1 кг.

Сплав 40КХНМ 0,012 0,024 0,0102 0,018

Тантал 0,013 0,029

Циркониевый сплав 100 0,022 0,049

Титан Скобка 0,2x3x3,5 0,025 0,050 0,022 0,047

Теоретический расчет дает практически точное совпадение результатов с результатами проведенных экспериментов. Некоторые расхождения могут быть устранены после уточнения Е - модуля упругости материала скобки.

Полученная формула (4.5), позволяющая промоделировать величину разгиба скобок, позволяет варьировать различные значения длины спинки скобки (то есть величины а - примерно составляющей 1/4 длины спинки), диаметра ножки скобки, и физико-механических свойств материала в виде модуля упругости Е.

0,05

А, (мм)

Интерполяционная крибая

1.2

1.4

1.6

Е Ю5. (МПа)

Те ' То

Рис. 4.14. Моделирование влияния модуля упругости Е на разгиб. А =-0,0181 Е +0,0579.

0,5 Л, (чм)

0,15 0,2 0.25 0.3 0.35

Рис. 4.15. Моделирование влияния диаметра«! ножки скобки на разгиб. Д = 15,4275 д2 -9,3657 й +1,4169.

Установлено, что существенное влияние на разгиб формообразованной скобки оказывает диаметр ножки скобки (рис.4.15). В меньшей степени на силу влияет изменение физико-механических свойств скобочного материала (рис.4.14). Очень важное значение имеют закономерности 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, доказывающие правильность выбора для скобок размером 0,3x4x4,8 максимального зазора прошивания. Не менее важное значение имеет впервые предложенная для расчета величины разгиба закономерность 4.5, позволяющая производил» жесткостной расчет скобок, выбор их физико-механических характеристик и геометрии при проектировании новых скобок и сшивающих аппаратов.

Л, (мм)

0,05

а, (мм)

0.5 0,75 1.0 1,25

Рис. 4.15. Моделирование влияния радиуса полукольца на разгиб. Д = 0,03 а2 -0,0473 а + 0,012.

В пятой главе описываются новые разработки конструкций хирургических сшивающих инструментов и аппаратов или их функциональных элементов. Все разработки отличаются патентной чистотой. По некоторым из них цикл патентования завершен, а некоторые находятся в стадии патентования. Те изобретения, которые находятся в стадии патентования, имеют положительное решение экспертизы. Приведенные в автореферате и диссертации краткие тексты описания изобретений для создания большего соответствия содержания патенту, в ряде случаев сохраняют специфическое для патента изложение.

5.1 Хирургический сшивающий аппарат и скобка. (Патент РФ № 2066128 от 10 сентября 1996 г.)

Аппарат по своей конструкции отличается тем, что каждая скобочная лунка выполнена с выходными поверхностями, неординарно ориентированными в противоположные стороны, и расположена вдоль продольной оси аппарата, перпендикулярно которой ориентированы скобочные пазы, выполненные в скобочном корпусе.

Скобка, содержащая размещенные в одной плоскости ножки с заостренными скошенными поверхностями на противоположных сторонах и соединенную с ножками арочную спинку, расположенную в плоскости ножек, отличающаяся тем, что спинка выполнена дугообразной, а скошенные поверхности расположены в плоскостях, линия пересечения которых совпадает с плоскостью ножек

5.2 Хирургический сшивающий аппарат для наложения линейных швов на полые органы. (Патент РФ №2088159 от 27 августа 1997 г.)

Хирургический сшивающий аппарат отличается тем, что его толкатель установлен с возможностью последовательного взаимодействия с основными и одним дополнительным скобочными пазами и снабжен позициониром, при этом последний выполнен в виде соединенного с упорным корпусом подвижного клина, установленного с возможностью взаимодействия с выполненным в толкателе наклонным пазом и снабженного фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с размещенным на толкателе гнездом, или в виде шарнирно соединенного со стержнем и подпружиненного возвратной пружиной рычага с выступом и концевой пружинящей плоской консолью, размещенной с возможностью взаимодействия противоположными сторонами с закрепленной на упорном корпусе опорой, расстояние от рабочего торца которой до противолежащей корпусной поверхности превышает ход позиционирования толкателя, выполненного подпружиненным и

размещенного с возможностью взаимодействия с выступом боковой поверхностью.

53 Хирургический сшивающий аппарат для наложения механического обвивного шва. (Патент РФ №2106816 от 20 марта 1998 г.)

Хирургический сшивающий аппарат отличается тем, что в него введены сжимающие губки с механизмом сведения, имеющие неполные винтообразные направляющие канавки, причем аппарат снабжен как минимум одним шьющим элементом, выполненным в виде металлической цилиндрической винтовой пружины, расположенной с механизмом прошивания в как минимум одной винтовой канавке, нарезанной в отверстии корпуса

Аппарат может быть снабжен ручным или автоматическим механизмом деформации винтового шьющего элемента Ручной механизм деформации винтового шьющего элемента выполнен в виде установленной на механизме сведения губок с возможностью качания рукоятки привода, подпружиненного к ней клина с возможностью продольного перемещения и деформирующей пластины, подпружиненной к клину, установленных в корпусе аппарата Автоматический механизм деформации винтового шьющего элемента связан с механизмом прошивания и выполнен в виде установленной на корпусе с возможностью качания собачки с передней и задней косыми площадками с возможностью взаимодействия с винтом механизма прошивания при его продольном перемещении и установленных в корпусе клина с вилкообразным хвостовиком, связанным с механизмом прошивания, деформирующей пластины, подпружиненной к клину.

5.4 Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций и скобка (Патент РФ №¡2063710 от 20.07.1996 г.)

Аппарат отличается тем, что скобочные пазы выполнены в виде размещенных в скобочном корпусе парных желобков под скобочные ножки с прямыми или криволинейными поперечными сечениями, причем стенки желобков ориентированы к боковым поверхностям скобочного корпуса под прямым или тупым или острым углом, а клин-толкатель выполнен, как минимум с одной рабочей боковой продольной канавкой под скобочные спинки, имеющий как минимум один наклонный участок, открытый на поверхности клина-толкателя, ориентированной к лункам. Еще отличительной чертой различных вариантов исполнения подобных аппаратов может быть то, что желобки ориентированы к матрице под углом или отличным от угла наклона наклонного участка продольной канавки на клине-толкателе, фигурные скобочные лунки выполнены с неодинаковым продольным профилем, а упорный корпус соединен со скобочным корпусом с

возможностью одновременного поперечного и продольного перемещения, причем один из соединительных фигурных пазов в скобочном корпусе, выполненный под закрепленную на упорном корпусе ось, ориентирован к продольной оси корпуса под углом равным углу наклона желобков к матрице.

Скобка, содержащая соединенные спинкой две ножки с параллельными заостренными концами, отличается тем, что ножки выполнены с одинаковыми изгибами, ориентированными к плоскости заостренных концов под прямым или острым или тупым углом, а спинка ориентирована к ножкам под прямым или косым углом и выполнена в виде перемычки с прямой или криволинейной продольной осью, при этом изогнутые участки ножек ориентированы параллельно или под углом друг к другу и выполнены прямыми или криволинейными.

5.5 Хирургический сшивающий аппарат для эндоскопических операций. (Патент РФ №2110221 от 10.05.1998 г.)

Аппарат отличается тем, что снабжен дополнительным приводом позиционирования шьющей рабочей части, выполненным в виде как минимум двух шаровых шарниров одинаковых или разных диаметров, расположенных по концам неподвижного корпуса, к которым присоединяются с одной стороны управляемая шьющая рабочая часть, а с другой - привод управления, причем подвижные части шарниров соединены между собой тягами, расположенными вдоль оси аппарата, и подвижная часть одного из шарниров снабжена механизмом фиксации своего положения. Тяги, соединяющие подвижные части шарниров, могут быть расположены параллельно оси аппарата, а могут занимать винтовое положение относительно его оси. Это позволяет корректировать взаимное направление поворота управляющего шарнира и рабочей части.

Механизм фиксации положения привода управления позиционирования может иметь гладкий шарнир и как минимум одну подпружиненную к нему губку с фрикционным покрытием на рабочей части. А также механизм фиксации положения привода управления позиционирования может иметь шарнир с различными канавками на шаровой поверхности и как минимум один подпружиненный фиксатор с одной или несколькими ответными канавками или с зубцом на рабочей части.

5.6 Матрица к хирургическому сшивающему аппарату для перевязки полых органов. (Патент РФ №2103925 от 10.02.1995)

Матрица к хирургическому сшивающему аппарату для перевязки полых органов отличается тем, что каждой лунке для загиба ножек скобки соответствует канавка для направления ножек скобки, имеющая постоянную

или переменную по длине глубину, конец канавки для направления ножек скобки направлен во входную часть лунки для загиба ножек скобки, канавки для направления ножек скобки образуют с поверхностями, на которых расположены лунки для загиба ножек скобки в плане прямой или какой-либо другой угол, лунки для загиба ножек скобки расположены в противоположных направлениях на противолежащих поверхностях таким образом, что вогнутая поверхность одной лунки противолежит вогнутой поверхности другой лунки в паре для ножек одной П-образной скобки, в проекции на плоскость одной из лунок для загиба ножек скобки оси лунок образуют между собой угол а острый, или прямой, или тупой. Также канавки для направления ножек скобки для облегчения загиба ножек могут иметь на конце расширение в сторону направления противолежащих им лунок для загиба ножек скобки.

5.7 Хирургическая скобка для соединения тканей. (Заявка №99121368/14(022587) от 11.10.1999 г.)

Хирургическая скобка для соединения тканей отличается тем, что выполнена в виде симметричной или несимметричной фигуры из биологически инертного материала, или из материала, способствующего заживлению раны, например, из циркония или его сплавов, при этом ее спинка имеет возможность деформации для щадящего сдавливания тканей, или имеет некоторую форму для щадящего сдавливания тканей, при этом, как минимум, одна ножка снабжена стопором для фиксации в тканях и/или имеет возможность деформации для щадящего сдавливания тканей. Модификации скобки могут содержать, как минимум, одну заостренную ножку. Также они могут содержать фигурную, например дугообразную спинку, ориентированную выпуклостью в сторону, как минимум, одной ножки или в противоположную сторону. Перечисленные варианты скобок могут использоваться в хирургических сшивающих аппаратах.

5.8 Скобки с лекарственным покрытием к хирургическим сшивающим аппаратам. (Заявка№2000102279/20(002092) от 7.02.2000 г.)

Металлические скобки к хирургическим сшивающим аппаратам и инструментам для соединения биологических тканей отличающиеся тем, что на их поверхности имеется лекарственное покрытие. Сама скобка может иметь гладкую или более развитую шероховатую поверхность различного рисунка Также лекарственное покрытие может быть многослойным, гае каждый слой может нести различные медикаментозные средства

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

Скобки П-образной формы к хирургическим сшивающим аппаратам с заостренными концами, отличаются тем, что на ножках имеются кольцевые рифления пилообразной формы в виде ряда усеченных конусов, обращенных малыми диаметрами к острию.

Устройство для формообразования с двумя роликами разных диаметров и параллельными осями, отличается от своего прототипа тем, что один из роликов выполнен диаметром меньшим, чем просвет скобки, которая при формообразовании поворачивается вокруг одной ножки, находящейся между роликами, а вторая ножка при этом поворачивается в воздухе вокруг ролика малого диаметра Формообразование рифлений осуществляется за долю оборота роликами с кольцевыми витками, один из которых приводится в движение вручную рукояткой.

Необходимо констатировать, что если российский и международный рынок заняты американскими фирмами USSC и Ethicon, 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 а 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.

Общие выводы.

1. Проведенный анализ показал, что сложные сшивающие инструменты, называемые 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 - сг„ ап S - основных шовных материалов -сплава 40КХНМ, тантала, циркония и титана Построены диаграммы растяжения с использованием разрывной мапшныНескеЛ FP 100/1.

3. Обоснованы и разработаны математические модели деформации 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 используются в ОАО "НПО "Экран".

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

7.3. Разработаны и запатентованы ряд новых инструментов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Колядин C.B. Моделирование процессов формообразования для хирургических сшивающих аппаратов. // Труды IV конгресса "Конструкгорско-технологическая информатика 2000". -М.: МГТУ "СТАНКИН", 2000 г., т.1, с. 283-285.

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

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

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

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

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

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

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

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Колядин Сергей Владимирович

Исследование закономерностей деформации хирургических скобок и разработка сшивающих инструментов

Сдано в набор Подписано в печать 21.11.2000г.

Формат 60x90 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура "Times"

Объем 2 уч.-изд-.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1541

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковский пер., 3-

ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

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

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.

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.

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.