Кандидат физико-математических наук, доктор биологических наук Владимир РОЗАНОВ, заместитель директора Научного и информационно-методического центра "Базис" Министерства образования и науки РФ, заместитель директора Научного центра гидрофизических исследований физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова;

доктор биологических наук Игорь МАТВЕЙЧУК, руководитель научно-исследовательского и учебно-методического центра биомедицинских технологий ГНУ ВИЛАР "Всероссийский Научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений" РАСХН (Москва);

академик РАМН и РАСХН Валерий БЫКОВ;

доктор физико-математических наук Николай СЫСОЕВ, декан физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Воздействие струи воды на организм людей врачи давно и успешно используют в своей медицинской практике. Некоторые исследователи считают: в Европу технику водолечения привез из Египта философ Древней Греции Пифагор Самосский (570 - 490 гг. до н.э.). Позднее знаменитый врач Гиппократ (ок. 460 г. до н.э. - между 377 и 356 гг. до н.э.) развил это учение и подробно изложил его суть в своем широко известном в медицинских научных кругах трактате (V в. до н.э.) "О воздухах, водах и местностях" ("De aere, aquis et locis"), приводя при этом подробное обоснование методов физиотерапевтического водного воздействия на человека. А в II - I вв. до н.э. римский врач Асклепиад (Эскулап) выступил как последователь и продолжатель данной теории, широко применяя водные процедуры (в частности, обтирания и души) при лечении своих пациентов.

СТРУЙНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ В ФИЗИОТЕРАПИИ

Сама же техника физиотерапевтических процедур в виде струйного воздействия на организм человека берет начало от первых итальянских душей XIV в. В современной физиотерапии существует множество различных по технологии и назначению душей: струйный (широко известный "душ Шарко"), пылевой, игольчатый, восходящий или промежностный, дождевой, циркулярный (или мантель-душ)*, шотландский, подводный душ-массаж и др., объединяемых в четыре основные классификационные группы - нисходящие, восходящие, струевые и циркулярные. При этом какой бы конкретный вид ни использовали, на организм человека он всегда оказывает одновременно механическое и термическое воздействие. Причем первое определяется статическим и динамическим давлением струи (струй) на поверхность тела. А величина статического давления водяной струи в зависимости от вида самого душа меняется в широких пределах - от 0,5 до 4 атм.

В общем же случае локальное механическое воздействие водных струй в начальный момент приводит к кратковременному сужению просвета кровеносных сосудов в тканях, а затем - к сильному продолжительному их расширению. Под действием изменяющихся локальных напряжений повышается тонус сосудов и мышечных тканей, возрастает сила мышц, их электрическая и механическая возбудимость, существенно меняется газовый состав крови. В результате такого струйного массажа повышается артериальное давление, заметно усиливается усвоение кислорода за счет установления не частого, но более глубокого дыхания. Существует обширный перечень показаний к применению душей, но есть и противопоказания, о которых не следует забывать гипертоникам, пациентам с пороками сердца, а также страдающим атерокардиосклерозом (один из видов изменения сердечной мышцы) и стенокардией.

Другая сфера медицинского применения струйных течений жидкости - это внутримышечные, внутривенные, чрезкожные инъекции лекарственных препаратов под давлением, создаваемым с помощью шприцев различной конструкции или безыгольных инжекторов.

Еще одна область использования струйных воздействий - обработка гнойных ран струей при небольших давлениях. Благодаря этому микробное обсеменение в ране может быть снижено до 10' на 1 г ткани. Такой эффект достигается благодаря действию пульсирующей струи (частота пульсаций - от 60 до 1000 в мин) под давлением около 3 атм. Расход жидкости может достигать 700 мл /мин.

Не следует забывать и о таком важном применении струи воды, как необходимые ежедневные гигиенические процедуры - в быту, в условиях стационара (например, при подготовке хирурга и пациента к операции).

ВОДЯНАЯ СТРУЯ КАК "РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ"

Подчеркнем: во всех вышеназванных случаях специалисты используют струйные воздействия под дав-

* Душ циркулярный (мантель-душ) - одна из разновидностей душей среднего давления. Для его получения используют специальную установку, состоящую из системы вертикальных труб, расположенных по кругу и замыкающихся вверху и внизу неполным кольцом. На внутренней поверхности первых сделаны мелкие отверстия, через которые подают воду на больного. Принимая такой душ, человек подвергается воздействию большого количества горизонтальных струек, направленных на его тело под давлением. Последние оказывают возбуждающее действие на периферические рецепторы и тонизируют центральную нервную систему (прим. ред.).

лением, не превышающим нескольких атмосфер. Но если его увеличить до нескольких сотен или тысяч атмосфер, то жидкостная струя становится эффективным режущим инструментом - "водяным ножом или скальпелем", причем у такого "ножа" лезвие никогда не затупится. То есть он способен резать практически любой материал - сталь и гранит, титан и бетон, резину и бумагу, стекло и текстолит*! Первые разработки, посвященные вопросам гидродинамической резки различных материалов, относящиеся к 1956 г., принадлежат советским ученым, хотя изначально патенты на гидрорезное оборудование были выданы американским фирмам.

Однако следует отметить, возможности промышленного применения гидродинамических технологий весьма разнообразны: раскрой листовых металлических и неметаллических материалов для судостроения, авиационной, автомобильной и атомной промышленности; утилизация боеприпасов и военной техники, очистка корпусов судов, фигурная резка разноцветного мрамора для создания мозаичных полов, изготовление деталей сложной формы из материалов, механическая обработка которых представляет значительные сложности (кевлар, паронит)**, а также из различных сотовых конструкций, осуществление ремонтных работ на продуктопроводах, разделка рыбы на филе, фигурная резка пирожных и т.д.

Спектр уникальных технологических особенностей - отсутствие открытого огня и искрообразования, малые механические напряжения в зоне воздействия и, как следствие, слабый нагрев, незначительные структурные изменения обрабатываемого материала, локальность воздействия и небольшие потери, возможность варьирования составом струи, экологическая чистота процесса, перспектива дистанционной работы, а также резки по любой траектории, в том числе с малыми радиусами кривизны, - открывает широкие пути использования струйных методов в биомедицинских технологиях. Об этом убедительно свидетельствуют результаты научно-практических разработок последних 30 лет, в частности, создание гидроскальпеля.

ГИДРОСКАЛЬПЕЛЬ

Особенностью последнего как режущего инструмента является то, что разделение тканей происходит высокоэнергетической жидкостной или абразивно-жидкостной (т.е. с микрочастицами высокой твердости) струей. На сегодняшний день найдены оригинальные конструктивные решения гидроскальпеля, позволяющие эффективно его применять в офтальмологии, нейро- и абдоминальной хирургии***, при операциях на паренхиматозных (не полых) органах и при разделении костной ткани.

Использование гидроструйных воздействий востео-артрологии (учение о костях и их соединениях) представляет особый интерес, так как существуют уникальные возможности для внедрения в медицинскую практику атравматичных (т.е. нетравмоопасных, безопасных) физико-механических методов по сравнению с используемыми механическими, основанными на применении пил, ножниц, сверл и долот (последние инструменты применяют для выдалбливания отверстий). Это создает основы для развития нового направления в практической медицине - гидродинамической хирургии и служит базой для разработки и внедрения в практику инновационных биомедицинских технологий.

Накопленный опыт развития и применения медицинских гидродинамических технологий позволил выработать ряд необходимых требований, предъявляемых к свойствам используемых жидкостей, материалам и абразивным (высокопрочным) добавкам. Способы формирования режущей струи также зависят от особенностей решаемой задачи - вида выполняемых операций и характеристик биологических тканей, подлежащих физико-механическому воздействию.

Проведенные исследования показывают: различные биологические ткани имеют существенные отличия по механическим свойствам, и для их гидродинамического разделения необходимы разные по величине энергетические усилия. Так, эффективная гидродинамическая инцизия (разрез или надрез) мягких биологических тканей достигается благодаря использованию жидкостной струи без применения абразивных добавок. Эти особенности учитываются при разработке требований и отражаются на конструктивных особенностях создаваемых гидрохирургических аппаратов.

Кстати, в литературе бытует мнение: пионерами внедрения рассматриваемого нами метода являются американские исследователи Димитрос Н. Папахристоу и Ричард Бартере (Dimitrios N. Papachristou and Richard Barters), которые в 1982 г. опубликовали работу, посвященную резекции (удалению органа или части органа) печени водяной струей. Однако мало кто знает: работы нашего соотечественника видного современного офтальмолога (офтальмохирурга), доктора медицинских наук Николая Темирова по "гидромониторной микрохирургии глаза" опередили труды этих авторов по крайней мере на два года!

Между тем поисковые труды в области гидродинамической хирургии отличала совершенная непритязательность в выборе средств создания необходимого давления рабочей жидкости и формирования режущей жидкостной струи. Например, тот же Темиров в своих первых опытах по "гидромониторной" микрохирургии глаза использовал для создания давления в жидкости сосуд, состоящий из двух полусфер с вну-

* Текстолит - электроизоляционный конструкционный материал, применяемый для производства подшипников скольжения, шестерен и других деталей, а также в электро- и радиотехнике (прим. ред.).

** Кевлар (от англ. Kevlar) обладает высокой прочностью (в пять раз прочнее стали, предел прочности σ = 3620 МПа). Впервые получен группой Стефани Кволек в 1964 г., технологию производства разработали в 1965 г.; паронит - стойкий материал (резиновая смесь, в которую введено асбестовое волокно), не теряющий эластичности при низких температурах (прим. ред.).

*** Абдоминальная хирургия - область медицинских знаний, целью которой является хирургическое лечение заболеваний и травм органов и стенок брюшной полости (прим. ред.).

тренней мембраной, с одной стороны которой находилась жидкость, а с другой подавался газ под давлением. Небольших значений достигавшегося давления при минимальном расходе жидкости хватало для работы с тканями глаза, изучения особенностей процесса и отработки рабочих режимов. Отметим, с учетом специфики операций был разработан и набор сменных наконечников.

Не самым сложным путем (в плане разработки специальной техники и оборудования) пошли и основатели использования струйных методов в хирургии печени - Папахристоу и Бартере. Для создания рабочего давления в своем гидроскальпеле они использовали насос садового типа. Но им удалось главное: впервые показать, что применение жидкостной струи приводит к локальному "размыванию" паренхимы, эффективному выделению кровеносных сосудов и желчных протоков с их визуализацией и хорошим доступом для последующего пересечения с использованием обычных методик. Кровопотери при этом минимальны и определяются лишь кровотечением из разрушаемых струей капилляров. А для защиты от возможных брызг они применяли прозрачные экраны. Рабочую жидкость и микрочастицы вымываемой паренхимы удаляли отсосом по завершении операции. Впоследствии такой отсос стал обязательной частью оборудования для гидродинамической хирургии.

Новый метод апробировали в эксперименте при проведении 45 лобэктомий (от лат. lobectomia: lobus - доля; ektomia - удаление - удаление доли какого-либо органа. - Прим. ред.) печени у собак и затем внедрили в клинике (4 резекции). Во всех случаях кровопотери были минимальны при атравматичном (безопасном) выделении и идентификации основных сосудистых структур и желчных протоков. Специальное исследование было предпринято с целью показать: струя действительно не наносит вреда выделяемым из паренхимы важнейшим внутрипеченочным структурам. У 6 собак осуществили частичные пересечения печени таким образом, что каждая отделенная доля присоединялась к другим частям органа только через основные сосуды и протоки. Проведенная через 3 месяца лапаротомия* показала: изолированная

* Лапаротомия - хирургический маневр, разрез брюшной стенки для получения доступа к органам брюшной полости, разрезание тела в области живота (прим. ред.).

Поверхность среза головки (эпифиза) бедренной кости быка. Губчатая костная ткань. Сканирующая электронная микрофотография (увеличение x35).

таким образом доля не повреждена, в то время как пролиферация* печеночных клеток привела к полному исчезновению созданного ранее струей коридора.

ПЕРСПЕКТИВЫ НОВЫХ МЕТОДИК

Дальнейшие многочисленные разработки в разных странах Европы, Азии и Америки подтвердили перспективность использования новых методик хирургического воздействия режущей гидроструи не только в офтальмологии и абдоминальной хирургии, но и в травматологии, гнойной и пластической хирургии, урологии и др.

Гидроскальпель оказался эффективен и в оториноларингологии (при проведении радикальных операций на носовых пазухах, в ходе которых достигалась высокая степень очистки от гнойных масс без повреждения надкостницы и последующих рецидивов). Описан также положительный опыт его применения при обработке гнойных ран и трофических язв, что сопровождалось существенным сокращением сроков лечения - на 3 - 4 недели по сравнению со средними показателями. При этом воздействие режущей струи оказывалось настолько щадящим, что во многих случаях проведение операций не требовало даже местной анестезии, а образование рубцовой ткани медики отмечали в меньшей степени.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ РЕЗКА КОСТНОЙ ТКАНИ

Наши исследования показали: гидродинамический метод эффективен и для разделения такого твердого материала, каким является костная ткань! Мы установили, что при соответствующем формировании струи можно резать кость в различных направлениях и изготавливать необходимые по форме и размерам фрагменты, поверхность которых ровная, гладкая, без сколов и микротрещин. Это можно наблюдать не только визуально, но и благодаря использованию методов объективной регистрации (таких как оптическая, акустическая и электронная микроскопия, профилометрия**).

В частности, при гистологических исследованиях костных и хрящевых препаратов при взятии проб материала из соответствующих фрагментов после гидродинамической резки установили: на поверхности реза клеточные структуры кости и хряща практически сохраняют свои морфологические особенности. В костных клетках отчетливо видны неразрушенные ядра; неповрежденными остаются хрящевые клетки, сохраняющие свое местоположение в продолговатых клеточных капсулах.

Необходимо подчеркнуть: это существенно отличает гидродинамическую технологию от других методов разделения твердых биологических тканей, воздействие которых зачастую приводит к значительным механическим и термическим повреждениям поверхностных слоев. Обычно на них заметны сколы, наличие стружки, что часто имеет место при использовании пил со значительным разводом зубцов. Формируемая поверхность распила при этом неровная. При гистологическом исследовании краевых отделов кости, как и сколов, исследователи отмечают повреждения клеточных элементов кости. При разделении хрящевых фрагментов их клеточные элементы разрушаются, а характерная структура не определяется. В случае же гидродинамического разделения костной ткани даже при исследовании поверхности разреза с помощью электронного микроскопа ученые не наблюдают выраженных дефектов структуры ткани.

Важно и то, что, изменяя давление струи, а также скорость ее перемещения относительно разрезаемого

* Пролиферация (от лат. "proles" - отпрыск, потомство и "fero" - несу) - разрастание ткани организма путем размножения клеток делением. В медицину термин в конце XIX в. впервые ввел немецкий ученый, врач Рудольф Вирхов, для обозначения новообразования клеток путем их размножения делением, дабы отличать этот механизм от других изменением объема клеток, например, отека или апоптоза (прим. ред.).

** Профилометрия - метод диагностики с использованием полупроводникового инфракрасного лазера, длина волны которого составляет менее одного микрометра. Он дает возможность модулировать интенсивность самого лазерного луча. Пульсацию частоты можно легко изменить. На сегодняшний день его широко применяют в стоматологии. Он не только удобен и прост в использовании, но и помогает врачу-стоматологу сэкономить время, необходимое для проведения лечения. С помощью подобной диагностики можно не только выявить заболевание и назначить самый правильный и эффективный курс лечения, но и в дальнейшем проследить за ситуацией (прим. ред.).

Поверхность гидродинамического среза суставного хряща. Сканирующая электронная микрофотография (увеличение x15000).

костного фрагмента, можно регулировать глубину реза. Однако степень эффективности гидродинамической резки прямо зависит и от собственных механических свойств костных или хрящевых тканей, подвергающихся струйному воздействию. Это можно непосредственно использовать в биоматериаловедческих исследованиях, а также при проведении судебно-медицинских экспертиз. Последнее направление вызывает особый интерес у специалистов в связи со все более широким распространением гидрорезных технологий в самых различных промышленных и даже бытовых применениях, что иногда сопровождается появлением случаев производственного травматизма.

Струйная резка может представлять несомненный интерес и для палеонтологов - при изучении ископаемых костных фрагментов, которые часто имеют повышенную хрупкость. Гидроструя уверенно и аккуратно разделяет этот уникальный материал и тем самым способствует детальному исследованию его внутренней структуры.

И еще. В условиях тканевого банка* гидродинамические технологии позволяют сделать качественно новый шаг в изготовлении костных имплантатов. Вырезаемым фрагментам можно сразу придавать необходимую форму с обеспечением нужного качества поверхностей, не прибегая к дополнительной обработке. К сегодняшнему дню соответствующие технологии уже разработаны и запатентованы. В их основе лежат результаты многолетних комплексных исследований, осуществляемых в рамках направления "Перспективные биомедицинские технологии гидродинамической обработки тканей".

Ныне соответствующие работы проводят в ходе научной программы, подготовленной в 2013 г. физическим факультетом МГУ им. М. В. Ломоносова, "Всероссийским научно-исследовательским институтом лекарственных и ароматических растений" (НИЦ БМТ ГНУ ВИЛАР) РАСХН и НИМЦ "Базис" Минобрнауки РФ в Москве и реализуемой в их совместной научной лаборатории Биомедицинских технологий, созданной на базе НИЦ БМТ ГНУ ВИЛАР. Магистральное направление этих исследований - развитие, становление и внедрение в практику работы тканевых банков прогрессивных биомедицинских технологий гидродинамической обработки костных тканей, разработка специализированного оборудования для изготовления высококачественных костных имплантатов.

* Тканевой банк - высокотехнологичное производство, основной целью которого является заготовка, консервация и хранение биологических тканей (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: