Искусственная десна для имитации воздействия на биологическую ткань лазерного излучения

Изобретение относится к медицинским моделям и может найти широкое применение, преимущественно, в хирургической стоматологии, как для обучения медицинского персонала, так и для тестирования хирургического оборудования, например роботизированного мультифункционального лазерного хирургического комплекса для малоинвазивной терапии онкологической патологии органов и тканей головы, шеи и челюстно-лицевой области.

Для моделирования различных стоматологических патологий используют различные диагностические модули в виде фантомов, содержащих жесткий базис, на котором выполнены сегменты верхней и нижней челюсти с искусственной десной и зубными рядами. Жесткий базис изготавливают из твердой пластмассы, обладающей лучшими физико-механическими свойствами. Искусственную десну изготавливают из эластомеров. Например, на основе отверждаемой жидкой резины (патент РФ №2349966), силиконовой резины (US 5120229), эластичной пластмассы (SU 1337910).

Применяемые эластичные пластмассы для изготовления искусственной десны должны удовлетворять следующим требованиям: быть безвредными для организма; обладать способностью прочно соединяться с базисом протеза; сохранять эластические свойства и постоянство объема; иметь хорошую смачиваемость. Материал для искусственной десны под базисы съемных протезов должен иметь показатель упругости, близкий к упругости слизистой оболочки полости рта, покрывающей ткани протезного ложа.

Используемые в стоматологических фантомах материалы искусственной десны обладают схожими с биологической тканью механическими характеристиками, что допускает их эффективное использование для тестирования хирургического оборудования для обучения медицинского персонала только в случае, если такое оборудование является традиционным, т.е. механическим.

Однако аналоги не пригодны для применения с использованием малоинвазивного лазерного хирургического оборудования, применяемого все более широко как в качестве единственной технологической основы проводимых операций, так и в комбинации с механическим оборудованием.

Применение в стоматологии лазерных установок с компьютерным управлением во многом обусловило существенный прогресс в лечении таких распространенных стоматологических заболеваний, как болезни пародонта и слизистой оболочки полости рта, одонтогенные, воспалительные процессы, доброкачественные и злокачественные опухоли полости рта. С их появлением стало возможным наряду с непрерывным режимом генерации лазерного излучения работать в импульсном и импульсно-периодическом режимах, отличающихся высокой эффективностью рассечения тканей, коагуляции и абляции. Кроме того, компьютерное управление позволяет одновременно регулировать соотношения (корреляции) основных энергетических параметров лазерного излучения - мощность, длительность, частоту следования импульсов и пауз между ними.

Из патентно-информационной литературы авторами не найдены материалы искусственной десны, пригодной для использования малоинвазивного лазерного хирургического оборудования, применяемого все более широко как в качестве единственной технологической основы проводимых операций, например, для имитации разрезов десны, так и в комбинации с механическим оборудованием.

Задача предлагаемого технического решения - формирование искусственной десны, пригодной для применения как малоинвазивного оптического (лазерного) хирургического оборудования, так и традиционного инвазивного механического, для симуляции патологии зубочелюстной системы с моделированием возможных комбинаций патологических состояний.

Технический результат - расширение технологических возможностей изготовления искусственной десны из доступного материала для использования стоматологического фантома в малоинвазивном лазерном хирургическом оборудовании.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что искусственная десна для имитации воздействия на биологическую ткань лазерного излучения в малоинвазивном оптическом хирургическом оборудовании состоит из затвердевшего 5-25% водного раствора желатина с добавлением аминоуксусной кислоты или пролина, взятых в количестве 8-10 масс. % к общему количеству раствора.

Техническое решение основано на создании искусственной десны для имитации операций малоинвазивным медицинским инструментом на основе диодного лазера, выполняющего функцию очень точного скальпеля, способного к абляции и выпариванию биологической ткани. Такое воздействие обусловлено тем, что излучение диодного лазера, обладающего рабочим диапазоном длин волн 1250-1270 нм, для которых характерно малоинвазивное разрушающее/деструктивное воздействие на биологические мягкие ткани человека, при этом важно учитывать, что максимум поглощения кислорода находится в данном диапазоне.

В результате проведенных испытаний авторами был отобран материал для искусственной десны заявляемого состава, наиболее полно подходящий к заданным условиям. За пределами указанного диапазона материал искусственной десны не удовлетворяет механическим характеристикам биологической ткани (при концентрации раствора менее 5% искусственная слизистая чрезмерно мягкая, а при концентрации более 25% она чрезмерно жесткая). Искусственная десна сохраняла эластические свойства и постоянство объема и при этом обладала хорошей смачиваемостью.

Применение искусственной десны было использовано в ходе работ по экспериментальному обоснованию модели роботизированного мультифункционального хирургического комплекса для стоматологии и челюстно-лицевой хирургии с тренажерной функцией. В качестве технологического оборудования использовался хирургический лазер EMPD-1260-2P, установленный на робот-манипулятор Leichtbauroboter 4+, программно управляемый стандартным персональным IBM компьютером PC.

Для экспериментального стенда была выбрана стандартная челюсть с установленной на жестком базисе искусственной десны (см. фиг. 1, 2, 3). В качестве сравнительного образца использовали искусственную десну из силикона при воздействии на нее малоинвазивного оптического хирургического инструмента диодного лазера, генерирующего наносекундное импульсное излучение в диапазоне длин волн 1250-1270 нм. Аналогично были проведены испытания с использованием искусственной десны, изготовленной из затвердевшего желатинового раствора заявленного состава.

Авторами были проведены исследования типовых траекторий перемещения лазерного рабочего органа роботом и оценка качества получаемого разреза, при этом необходимо, чтобы материал модели челюсти поглощал большую часть энергии лазерного излучения. Искусственную десну из силикона использовать нельзя, т.к. коэффициента пропускания излучения составлял 60%, что значительно меньше коэффициента пропускания излучения биологической ткани на данной длине волны. При использовании искусственной десны из затвердевшего раствора желатина коэффициент пропускания составил 98-100%.

Пример 1 изготовление искусственной десны

Сначала готовили базовую желатиновую основу 5-25% водного раствора желатина путем смешения при температуре 35°С в течение 10 мин. Затем добавляли аминоуксусную кислоту в качестве селективного осадителя, взятую в количестве 8-10 масс. % к общему количеству раствора.

Затем приготовленную смесь заливали в литейную форму на основе полимерного компаунда, которая отражала геометрию искусственной десны. Смесь подвергали вакуумированию для удаления пузырьков растворенного воздуха и улучшения качества отливки. Через 8 часов затвердевшая форма удалялась из литьевой формы. Механические и оптические свойства полученной искусственной десны соответствовали основным характеристикам для дальнейшего использования эластичного материала и указаны в таблице 1.

Аналогичные результаты были получены с использованием в качестве осадителя пролина.

Пример 2. Воздействие лазерного излучения (см. фиг. 3)

Полученная искусственная десна по примеру 1 подвергалась низко интенсивному лазерному излучению с длиной волны 630-1300 нм. При этом происходила фотохимическая реакция, в ходе которой выделялся активный (синглетный кислород), который запускает каскад окислительных процессов, приводящих к гибели патогенных микроорганизмов и разрушению патологически измененных тканей пародонта, что возможно использовать как при имитации разрезов, так и при создании модели лечения пародонтита. Прямое определение синглетного кислорода определялось по его люминесценции при 1270 нм. Синглетный кислород способствовал усилению разрушения искусственной десны, являющейся имитатором биологической ткани.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле изобретения признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата. Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость».