hrvatski

Vrednovanje točkastog izvora ultrazvuka velike snage za minimalno invazivnu kirurgiju

U uvodnom dijelu izložen je pregled primjene i uporabe ultrazvuka u raznim medicinskim aplikacijama. Posebno su analizirane primjene ultrazvuka u terapeutske svrhe, izvantjelesnoj litotripsiji udarnim valovima, fokusirajućim ultrazvučnim sustavima kao i za intersticijsku termalnu koagulaciju. Analiziran je povijesni razvoj i stupanj razvoja današnje tehnologije kontaknih ultrazvučnih kirurških sustava kao i moguće primjene u pojedinim granama kirurgije. U okviru ovih razmatranja, analizirani su uvjeti pod kojima se pristupilo primjeni točkastog izvora ultrazvuka velike snage u neurokirurškim minimalno invazivnim postupcima. U trećem poglavlju dan je teorijski osvrt na oba moguća tipa ultrazvučnih pretvarača, koji se koriste u kontaktnim ultrazvučnim kirurškim sustavima. Kroz analizu magnetostrikcijskih i piezoelektričnih pretvarača u obliku nadomjesnih elektromehaničkih šesteropola i svođenjem na nadomjesne električne sheme, predočen je model koji je pogodan za optimizaciju sprežne mreže između ultrazvučne sonde i generatora snage. Na osnovi elektroakustičkih značajki i tehnoloških uvjeta primjene, složeni piezoelektrični pretvarač je izabran kao tehnički superiornije rješenje. Predložen je teorijski model piezoelektričnog ultrazvučnog pretvarača koji omogućava raznovrsnija tehnička rješenja uz mogućnost poboljšanja pojedinih karakteristika kroz modeliranje bitnih značajki pretvarača. Na temelju elektromehaničkih analogija kroz optimizaciju nadomjesnih električnih parametara predložen je način optimizacije ultrazvučnog pretvarača. U četvrtom poglavlju definirani su uvjeti prijenosa i usmjeravanja akustičke energije pomoću mehaničkih koncentratora. Za pet osnovnih vrsti koncentratora predočen je cjelovit teorijski pristup modeliranju i analizi koncentratora. U rad su uvedeni nomogrami i priručni dijagrami iz kojih se brzo može zaključiti dužina određene vrste koncentratora za određenu radnu frekvenciju i željeni faktor pojačanja. Na osnovi provedene teorijske analize predložen je općeniti nadomjesni model ultrazvučnog mehaničkog koncentratora prikazanog kao T-četveropol. Na temelju usporedne analize svih promatranih tipova koncentratora, s naglaskom na rezonantnu duljinu, faktor pojačanja i položaj čvorne ravnine zaključeno je na optimalni izbor za ultrazvučni kontakni kirurški sustav (NECUP-2). Provedena teorijska istraživanja "ponašanja" mehaničkih koncentratora akustičke energije potvrđena su parametarskom optimizacijom utemeljenoj na metodi modeliranjem konačnim elementima, a provedenoj pomoću računalnog programa ANSYS v7.0. U okviru optimizacije provedeno je vrednovanje svih značajnih parametara, na osnovi kojih je izabrano optimalno tehničko rješenje. U petom poglavlju provedena su teorijska istraživanja o uvjetima učinkovitog prijenosa mehaničke energije duž endoskopskog nastavka. U okviru teorijskih istraživanja predstavljeni su mogući modovi titranja endoskopskog nastavka. Također je predstavljena ekvivalentna nadomjesna shema u obliku T-četveropola. Valorizacija predloženog modela točkastog izvora ultrazvuka velike snage u minimalno invazivnoj neurokirurgiji, provedena je pomoću endoskopskog nastavka izvedenog u obliku žičanog valovoda koji koristi longitudinalni mod titranja. U šestom poglavlju, točkasti izvor ultrazvuka velike snage je nadomješten akustičkim modelom "pulsirajuće kugle". Na temelju teorijskih razmatranja postavljeni su uvjeti rada ovih sustava u blizini "meke" akustičke granice (tkivo/zrak, odnosno voda/zrak), odnosno u neposrednoj blizini "krute" akustičke granice (tkivo/kost), pri čemu je korišten model akustičkog dipola. Teorijskom analizom predočenog modela, uveden je pojam volumne brzine, koji je osobito bitan pri razmatranju isijane akustičke snage. Nedvosmisleno je pokazano da akustička snaga svakog ultrazvučnog pretvarača za kontaktne kirurške sustave ne ovisi o obliku izvršnog dijela sonde, nego ovisi o amplitudi volumne brzine pri zadanoj frekvenciji u mediju karakteristične akustičke impedancije. Ukazano je na značajne razlike u isijanoj akustičkoj snazi kontaktne ultrazvučne kirurške opreme u slučajevima rada u blizini “ meke” , odnosno “ krute” akustičke granice. U sedmom poglavlju predočen je općeniti model ultrazvučne sonde za kontaktnu minimalno invazivnu kirurgiju na temelju kojeg je proveden eksperimentalni dio disertacije. Slijedom teorijske analize i zahtjeva za maksimalnim prijenosom mehaničke energije utvrđena je nužnost za konačnim ugađanjem dužine koncentratora i endoskopskog nastavka eksperimentalnim putem. U primijenjenim eksperimentalnim istraživanjima nizom mjerenja ultrazvučne sonde prošireno je područje karakterizacije elektroakustičkih značajki sonde. Mjerenjem karakteristike usmjerenosti potvrđena je pretpostavka o modelu akustičkog dipola, uz potvrdu postajanja stabilne kavitacije pri kojoj dolazi do snižavanja razine zvučnog tlaka. Predočeno je postojanje kavitacijskih pragova koji omogućavaju definiranje dinamičkog pojasa rada ultrazvučnih kontaktnih kirurških sustava. U posljednjem dijelu eksperimentalnih istraživanja, mjerenjem parametara rada kontaktnih ultrazvučnih kirurških sustava, isijana akustička snaga i stupanj elektroakustičkog iskorištenja su izmjereni s dvije neovisne metode. Na temelju izmjerenih podatka pokazano je da je pri maksimalnoj snazi pobude ultrazvučne sonde, akustički intenzitet na vrhu endoskopskog nastavka gotovo 3000 puta veći od npr. preporučenog maksimuma za ultrazvučnu dijagnostiku. U zaključku su navedeni rezultati dobiveni istraživanjima i uspoređeni s teorijskim postavkama. Na osnovu toga može se utvrditi da predloženi način optimizacije značajki ultrazvučne sonde, a poglavito koncentratora mehaničke energije i endoskopskog nastavka predstavljenih u ovoj disertaciji omogućuje istovjetan način primjene u svim ostalim područjima kirurgije.

ultrazvuk velike snage; minimalno invazivna kirurgija; endoskopski nastavak; modliranje konačnim elementima; akustičko mjerenje

nije evidentirano