Стендовые исследования высокочастотной электросварки биологических тканей

Внедрение: 2016 г.

Модуль E20‑10 был применён киевскими исследователями в универсальном лабораторном комплексе (рисунок 1) для изучения поведения биологических тканей при воздействии на них токов высокой частоты в условиях, соответствующих сварке живых тканей по различным алгоритмам [1]. Данный комплекс позволяет изучать влияние на поведение и изменение структуры биологических тканей различных конструктивных особенностей инструмента и технологических параметров процесса сварки. На данном оборудовании оптимально проводить отработку новых технологических схем, параметров и программных продуктов, ориентированных на конкретные хирургические методики. В качестве примера представлены результаты экспериментов по сварке стенок желудка и тонкой кишки свиньи при импульсной и непрерывной подаче напряжения частотой 440 кГц.

Рисунок 1. Функциональная блок-схема исследовательского комплекса.

Базовым элементом данного комплекса служит универсальный лабораторный стенд (рисунок 2), куда помещается объект исследований (образцы биологической ткани). 

Рисунок 2. Внешний вид универсального лабораторного стенда (УЛС) при работе с плоскими и кольцевыми электродами.

Особенностью УЛС является наличие сменных электродов (рисунок 3), что обеспечивает чрезвычайную гибкость при проведении экспериментов по выбору конструкции, геометрии, материалов и покрытий при проектировании и изготовлении электрохирургического инструментария. Как известно, давление на ткань является одним из важнейших технологических параметров в процессе сварки живых тканей. В данном исследовательском комплексе регулируемое, заранее заданное и повторяющееся от эксперимента к эксперименту давление электродов на ткань обеспечивается системой рычагов и стандартных грузов в пределах 0…160 Н.

Рисунок 3. Электроды различной конструкции и геометрии, применяемые на универсальном лабораторном стенде.

Источником питания служит адаптированный к условиям экспериментов аппарат для сварки живых тканей ЕКВЗ‑300, конструкция которого позволяет выдавать сигналы по самым различным алгоритмам. Ток от источника питания проходит через модуль измерителей-преобразователей.

Модуль E20‑10 обеспечивает динамическую регистрацию значений тока и напряжения в процессе воздействия ВЧ на живые ткани. С помощью дискретного вывода E20‑10 формируются служебные сигналы управления коагулятора, сигналы на реле переключения источников и т.д. Функционал дискретного ввода E20‑10 позволяет при необходимости запускать процесс в ручном режиме. 

Программная часть состоит из двух независимых частей: программы регистрации и программы обработки полученных в результате данных. Программы написаны на языке графического программирования LabVIEW. За основу программ взяты виртуальные приборы, поставляемые L‑Card вместе с библиотекой для работы с АЦП E20‑10 и аналогичными модулями.

Рисунок 4. Внешний вид экрана программы регистрации и управления (слева) и внешний вид экрана программы обработки информации (справа).

С помощью данного комплекса было проведено более 2500 исследований на тканях различного типа, в которых определяли оптимальные параметры и алгоритмы работы в ручном и автоматическом режимах, фиксировали температуру электродов и ткани в зоне воздействия электрического тока, изменения толщины ткани различного строения на всех этапах процесса. Результаты этих исследований были в дальнейшем использованы при подготовке рекомендаций и выполнении реальных хирургических операций с применением технологии сварки живых тканей как в лабораторных, так и в клинических условиях. В качестве иллюстрации ниже представлены результаты экспериментов по сварке стенок желудка и тонкой кишки свиньи.

Рисунок 5. Структура мышечной оболочки стенок желудка в зоне воздействия двух (а); девяти (б); двадцати (в); тридцати пяти (г) ВЧ импульсов: а, б – ×100; в – ×400; г – ×40.

Проведенные исследования подтвердили, что под действием серии импульсов напряжения высокой частоты, имеющих определенный алгоритм, образуется плотное соединение биологических тканей, их электросварной шов. В толще шва отсутствуют участки некроза. Такой шов является новой структурой, которая возникает под действием электрического тока при оптимальных условиях, что, собственно, и является целью электросварки.

Выводы:

1. Предлагаемый универсальный исследовательский комплекс позволяет оперативно и с минимальными затратами проводить в лабораторных условиях исследования поведения биологических тканей различного типа при воздействии на них электрического тока высокой частоты на всех этапах процесса сварки.
2. Описываемый исследовательский комплекс позволяет изучать влияние на изменение структуры и процесс сварки биологических тканей таких конструктивных и технологических параметров, как конструкция и материал электродов, силы их сжатия, алгоритмы и режимы подачи напряжения на ткань. Этот комплекс позволяет определять оптимальные режимы и алгоритмы сварки различных тканей как в ручном, так и в автоматическом режимах.
3. Результаты проведенных исследований могут быть рекомендованы в качестве базовых при выборе технологических параметров при выполнении хирургических операций с применением технологии сварки живых тканей как в лабораторных, так и в клинических условиях.

В данном исследовании принимали участие специалисты нескольких учреждений - Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, киевского городского центра электросварочной хирургии и киевской городской клинической больницы № 1.

Источник:
Маринский Г.С., Чернец А.В., Ткаченко В.А., Грабовский Д.А., Подпрятов С.Е., Лопаткина Е.Г., Подпрятов С.С., Ткаченко С.В., Гичка С.Г. Стендовые исследования высокочастотной электросварки биологических тканей // Автоматическая сварка. – № 12 (759). – 2016. – С. 41‑45.

Разработчик: Маринский Г.С., Чернец А.В., Ткаченко В.А., Грабовский Д.А., Подпрятов С.Е., Лопаткина Е.Г., Ткаченко С.В. (ИЭС им. Е.О. Патона)