Исследование термоэлектрических характеристик биоткани при

УДК 615.84
Исследование термоэлектрических характеристик биоткани при
радиочастотной электрокоагуляции
Замятина В.А., студент
Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
кафедра «Биомедицинские технические системы»
Научный руководитель: Карпухин В.А., к.т.н, доцент
Россия, 105005, г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана
кафедра «Биомедицинские технические системы»
vak@bmstu.ru
В
настоящее
время
электрохирургия
принадлежит
к
тем
медицинским
технологиям, без которых невозможно выполнение хирургических вмешательств в
эндохирургии, онкологии, урологии и других областях медицины. Это объясняется рядом
положительных
особенностей
электрохирургического
воздействия,
основными
из
которых являются сокращение времени операции и послеоперационного восстановления,
уменьшение кровопотерь.
Методы элекрохирургии в нейрохирургии позволяют рассекать ткани и удалять
патологические образования, расположенные в труднодоступных участках головного
мозга. Применение электроножа в онкологии обосновано тем, что в результате
электрокоагуляции
кровеносных
и
лимфатических
сосудов
предупреждается
распространение опухолевых клеток.
Преимущества радиохирургии по сравнению с высокочастотной электрохирургией
основываются на том, что на частотах свыше нескольких мегагерц в процесс
проводимости включается суммарная емкость клеточных мембран, что означает снижение
влияния гетерогенности структуры ткани и неоднородности ее состава в несколько раз.
Таким образом, при рассечении тканей процесс локальных тепловыделений мало зависит
от вида ткани (мышца, соединительная ткань, мозговая ткань, эпидермис и др.). Это
выражается в том, что различные виды ткани одним и тем же электродом одинаково
рассекаются при установленном уровне выходной мощности. Более того, одинаковый
хирургический эффект достигается при более низкой выходной мощности генератора.
Согласно исследованиям процесса термического воздействия на биологическую
ткань были установлены определенные изменения в структуре ткани в зависимости от
http://sntbul.bmstu.ru/doc/735549.html
температуры нагрева, вследствие чего, для обеспечения режима коагуляции необходимо ,
чтобы температура нагреваемой ткани находилась в диапазоне от 60 °С до 80 °С.
Для
радиочастотной
электрокоагуляции
характерным
видом
выходного
воздействия является амплитудно-модулированный высокочастотный ток. Благодаря
модуляции высокочастотного тока параметры свертывания преобладают над параметрами
резания за счет увеличения латерального тепла в ране.
Поэтому целью настоящей работы является исследование термоэлектрических
характеристик биологических тканей при амплитудно-импульсной модуляции.
Для исследования распределений электрического и температурного полей
биологической ткани в процессе биполярной коагуляции была предложена физическая
модель ткани, с воздействующим на нее электродом-иглой. Математическая модель
биологической ткани представляет собой цилиндр, а электрод-игла представлен в виде
эллипса с параметрами a=9,5 мм, b=1 мм, погруженного в биологическую ткань на
перифокусное расстояние. Исследование проводилось в среде Comsol Multiphysics. Для
расчета распределения электрического и температурного полей в биологической ткани
использовались совместные решения уравнений теплопроводности и электростатики:
ρCp
∂T
+∇ (-k∇T)=Q ,
∂t
J=(σ+jωε ε )E ,
E=-∇U,
∇J=0,
где ρ – плотность ткани, Ср – теплоемкость ткани, T – температура ткани, k –
теплопроводность ткани, Q – тепловыделение в ткани, J – вектор объемной плотности
тока, σ = σ(x, y, z)- электропроводность биологической ткани, ε – электрическая
Ф
постоянная (ε = 8,8542 ∗ 10 м ), ω – частота электрического поля, = (, , ) –
диэлектрическая проницаемость биологической ткани.
Граничные условия при расчете модели были следующие:
−
плотность тока на наружных (внешних) границах ткани моделируемого образца
равна нулю;
−
потенциал на границе контакта инструмента с тканью аппроксимируется в виде
гауссова распределения с максимумом в точке электрического пробоя между
инструментом и тканью (точке контакта);
−
потенциал на нижней грани V = 0 В;
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038, ISSN 2307-0609
−
потенциал на электроде изменяется по синусоидальному закону с амплитудой 100 В,
150 В или 200 В;
−
на границах исследуемого образца теплоперенос отсутствует;
−
частота воздействующего сигнала f = 4 МГц.
Электрические параметры мышечной ткани
Параметры биологической
ткани
Обозначение
Теплопроводность ткани
k
Плотность ткани
ρ
Теплоемкость ткани
Ср
Единица измерения
Вт
К∙м
кг
м
Дж
кг ∙ К
Значение
0,6
1040
4220
Воздействующий сигнал для радиочастотной электрокоагуляции имеет следующий
вид (рис. 1).
Рис. 1. Сигнал воздействия радиочастотного электрохирургического аппарата для
обеспечения коагуляции тканей ( – время нагрева ткани до 80 °С, – время охлаждения
ткани с 80 °С до 60 °С, – время нагрева с 60 °С до 80 °С
Для определения характеристик воздействующего сигнала (см. рис. 1) на
начальном этапе происходил нагрев биоткани до температуры 80 °С и определялся
параметр (начальная температура биоткани равна 40 °С). Далее происходил расчет
времени охлаждения биоткани до 60 °С при отсутствии воздействия , что соответствует
параметру воздействующего сигнала. И заключительном этапом было определение
http://sntbul.bmstu.ru/doc/735549.html
времени в результате нагрева биоткани до температуры 80 °С. Расчет характеристик
воздействующего сигнала производился при различных амплитудах: 100 В, 150 В и 200 В.
В
результате
исследования
были
получены
следующие
характеристики
воздействующего сигнала (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость характеристик воздействующего сигнала , , от амплитуды
воздействующего сигнала
Также была получена зависимость температуры от времени воздействия
модулированным сигналом с различными амплитудами (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость температуры биологической ткани при воздействии модулированным
сигналом с амплитудой 100 В, 150 В или 200 В
Молодежный научно-технический вестник ФС77-51038, ISSN 2307-0609
Зависимость модуля импеданса биологической ткани от температуры для
различных амплитуд сигнала
сигнал воздействия имеет следующий вид (рис.
рис. 4).
4
Рис. 4. Зависимость импеданса биологической ткани от температуры при различных
амплитудах воздействия
Зависимость фазового сдвига импеданса биологической ткани от температуры для
различных амплитуд сигнала воздействия имеет следующий вид (рис.
рис. 5).
5
Рис. 5. Зависимость фазового сдвига импеданса биологической ткани от температуры при
различных амплитудах воздействия
http://sntbul.bmstu.ru/doc/735549.html
Зависимость частоты релаксации от температуры для различных амплитуд сигнала
воздействия имеет следующий вид (рис. 6).
Рис. 6. Зависимость частоты релаксации биологической ткани от температуры при
различных амплитудах воздействия
В результате исследования было установлено:
−
с
увеличением
характеристики
амплитуды
воздействующего
воздействующего
сигнала
сигнала
изменяются
со
100 В
следующим
до
200 В
образом:
τ1 уменьшается с 0,12с до 0,01 с , τ0 уменьшается с 0,07 с до 0,01 с, τ2 уменьшается с
0,12 с до 0,01 с;
−
при увеличении амплитуды
итуды воздействующего сигнала со 100 В до 200 В импеданс
биологической ткани уменьшается;
уменьшается
−
при амплитуде воздействующего сигнала 100 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С модуль импеданса биологической ткани уменьшается с 404 Ом до 397 Ом;
−
при амплитуде воздействующего сигнала 150 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С модуль импеданса биологической ткани уменьшается с 406 Ом до 401 Ом;
−
при амплитуде воздействующего сигнала 200 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С модуль импеданса биологической ткани уменьшается с 407 Ом до 403 Ом;
−
при амплитуде воздействующего сигнала 100 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С фазовый сдвиг импеданса биологической ткани изменяется от -60,6° до 59,2°;
Молодежный научно-технический
технический вестник ФС77-51038, ISSN 2307-0609
0609
−
при амплитуде воздействующего сигнала 150 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С модуль импеданса биологической ткани изменяется от -60,7° до -60°;
−
при амплитуде воздействующего сигнала 200 В с увеличением температуры от 40 °С
до 80 °С модуль импеданса биологической ткани изменяется от -60.8° до -60.3°;
−
с увеличением температуры от 40 °С до 80 °С частота релаксации биологической
ткани увеличивается в пределах 4 %.
Список литературы
1.
Абалмасов К.Г., Морозов K.M. Радиочастотная абляция ретикулярных вен нижних
конечностей // Международный конгресс «Радиоволновая хирургия на современном
этапе» (Москва, 27-28 мая 2004 г.). М., 2004. С. 74-78.
2.
Белов С.В. Влияние параметров ВЧ-тока на коагуляцию ткани // Медицинская
техника. 1978. № 4. С. 44-47.
3.
Белов С.В. Линейная модель биполярной коагуляции // Новости медицинской
техники. 1977. № 3. С. 26-29.
4.
Morris, ML. Electrosurgery in the Gastroenterology Suite: Principles, Practice, and Safety
// Gastroenterology Nursing. 2006. № 29 (2). P. 126-134.
http://sntbul.bmstu.ru/doc/735549.html