Одним из главных компонентов системы подготовки студентов лечебных факультетов и врачей-хирургов высокого класса является разработка тренажерных средств и методики их применения, обеспечивающих диагностику, контроль и развитие необходимых сторон подготовленности занимающихся. В настоящее время разработано множество приложений различных медицинских тренажеров, позволяющих имитировать хирургические операции с высокой степенью достоверности, при этом области применения тренажерных технологий постоянно расширяются [3].
В современных тренажерах и программах обучения студентов закладываются принципы развития практических навыков с одновременной теоретической подготовкой. Следует отметить, что реализация такого подхода стала возможна в связи с прогрессивным развитием электронно-вычислительной техники, систем визуализации и 3D-моделирования органов [2].
Метод моделирования имеет ряд преимуществ перед обучением непосредственно в процессе клинической практики:
- можно создавать ситуации с заданными параметрами и ставить перед обучающимся структурированные, поэтапно выполняемые задачи;
- при совершении ошибок отсутствует опасность для пациента и для персонала;
- возможны полное «погружение» обучаемого в выполнение задания, осмысление собственных действий [1].
За последние годы на рынке медицинской техники появилось достаточное количество тренажеров зарубежного производства, цены на подобные симуляторы довольно высоки.
С 2012 г. на кафедре оперативной хирургии и топографической анатомии СГМУ ведется работа по созданию деталей эндоскопического тренажера, который можно использовать для обучения и отработки малоинвазивных манипуляций врачами-хирургами. Тренажер представляет собой модель брюшной полости с внутренними органами, которые предполагается многократно использовать и заменять в процессе освоения мануальных навыков.
Первый этап работы состоял в поиске материалов для создания искусственного кожного покрова, близкого по тактильным характеристикам к человеческой коже, также была поставлена цель: найти форму, которая бы повторяла изгибы человеческого тела и могла бы использоваться в качестве фантома, имитирующего брюшную полость.
При поиске материалов для создания искусственной кожи были выбраны силиконовые составы различных классификаций и композитных характеристик, затем была проведена серия экспериментов по проверке и сравнению упруго прочностных характеристик искусственной кожи и нативных кожных покровов (трупного материала).
Для оценки упруго-прочностных характеристик биологического материала нами были использованы образцы кожи толщиной 1 мм, шириной 1,5 см и длиной 5 см., которые выполняли роль контроля для сравнения с искусственными аналогами.
С целью имитации кожных покровов нами использована силиконовая резина марки «МОЛД 2100ПА». Упруго-прочностные характеристики силиконовой резины «МОЛД 2100 ПА» представлены в таблице 1.
Экспериментальное растяжение контрольных и опытных образцов производили на разрывной машине в лаборатории по изучению механических свойств материалов.
Таблица 1
Характеристика силиконовой резины «МОЛД 2100ПА»
|
Характеристика |
Номинальное значение |
|
Время отверждения,ч |
24 |
|
Условная прочность при растяжении до разрыва,МПа |
1,8 – 2,2 |
|
Относительное удлинение при разрыве,% |
80 |
|
Вязкость,СТ |
25000 |
|
Твердость по Шору |
30 |
|
Линейная усадка,% |
0,6 – 0,8 |
|
Термостойкость при продолжительном нагреве, °С |
200 |
Разрывная машина состоит из зажимов, в которых фиксируется исследуемый объект и тензометрического датчика, состоящего из пружины и масштабной линейки, которая регистрирует нагрузку в зависимости от степени удлинения образца (рис. 1).
На начальной стадии растяжения зависимость между нагрузкой и удлинением линейная и подчиняется закону Гука, при этом образец испытывает упругую деформацию (рис. 2).
Рис. 1. Схема разрывной машины для испытания биологических образцов на линейное растяжение
Примечание: 1 – пружина; 2 – масштабные линейки; 3 – зажимы, 4 – образец
Рис. 2. Динамика упруго-прочностных характеристик образцов искусственной кожи
Затем рассматриваемая зависимость приобретает нелинейный характер, т.е. рост деформации происходит без заметного роста нагрузки. Наблюдаемое явление получило название текучести. На диаграмме этому явлению соответствует горизонтальный участок.
При дальнейшем увеличении нагрузки биологический материал вновь начинает ей сопротивляться (стадия упрочнения). До момента достижения точки С на диаграмме, которой соответствует максимальная нагрузка Рmax, деформация как продольная, так и поперечная, нарастают равномерно. При этом полная деформация в каждый момент времени складывается из упругой и остаточной, что может быть обнаружено при разгрузке образца, например, в точке S. Отрезок LМ соответствует упругой исчезающей деформации, ОL – остаточной деформации. Линия разгрузки SL параллельна первоначальному участку ОА диаграммы.
При достижении максимальной нагрузки Рmax, деформация локализуется в одном месте образца (ослабленном сечении) и образуется местное сужение поперечного сечения (шейка).
В случае испытания контрольного образца нативной кожи, разрыва не произошло, исходя из того, что исследуемый образец был по упруго прочностным характеристикам гораздо выше той нагрузки, которую можно было приложить с помощью аппарата.
Таким образом, в результате эксперимента было установлено, что силиконовая резина «МОЛД 2100ПА» применима для создания модели кожного покрова брюшной полости.
Для создания фантома, имитирующего брюшную полость, был взят пластмассовый манекен верхней части туловища молодого мужчины, на поверхность которого наносился композит выбранного материала, который повторяя контуры тела, давал эффект кожного покрова. Данный эффект был достигнут за счёт особой технологии: на пищевую плёнку тонким слоем наливали композит, при застывании которого на 40% (в течение 10 часов), плёнку с силиконовой резиной перемещали на манекен таким образом, чтобы материал оказался посредине между плёнкой и торсом. Далее плёнку фиксировали на манекене путём наложения жгута в области ключиц и в паховой области. После полного застывания материала (24 часа), плёнку снимали, оставляя на манекене слой застывшего полимера, который при сцеплении с пластмассой даёт эффект цельного покрытия. Полученный экспериментальный образец фантома представлен на рисунке 3.
Следует отметить, что область передней брюшной стенки манекена от уровня реберной дуги по передней подмышечной линии до подвздошных остей аккуратно выпиливали ножовкой для создания эффекта эластичности кожных покровов. Для приближения условий выполнения эндоскопических операций к реальным (наложение пневмоперитонеума) нами предусмотрена система подачи воздуха в имитируемую брюшную полость.
Отработка эндохирургических манипуляций на нашем тренажере осуществляется с помощью эндоскопических инструментов, введение которых в его корпус производится через систему клапанов, расположенных на передней стенке. С помощью этих клапанов производят различные манипуляции, контролируя свои действия через видеомонитор. Для передачи изображения из корпуса тренажера на видеомонитор в нем предусмотрено наличие видеокамеры, в которую вмонтирован светодиод, позволяющий освещать осматриваемую поверхность.
Рис. 3. Экспериментальная модель фантома
Далее в полость фантома предполагается поместить пенополиуретановый герметик, имитирующий позвоночный столб, затем на него соответственно будет уложена поролоновая прокладка, имитирующая заднюю брюшную стенку, далее на неё будут прикрепляться органы брюшной полости.
Внешний вид полученных моделей органов и их расположение в корпусе разработанного медицинского механического тренажера представлен на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид моделей органов брюшной полости человека
На следующем этапом предполагается разработать модели искусственных внутренних органов на основе выбранных материалов с применением красителей, имитирующих цвет органов брюшной полости.