Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке
Высокочастотная сварка мягких биологических тканей биполярным электрохирургическим инструментом концептуально подобна контактной точечной сварке металлов. Физико-биологические процессы, происходящие в тканях при сварке, в основном являются следствием их нагрева и приложенного давления. Поэтому знан...
Saved in:
| Date: | 2014 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Series: | Автоматическая сварка |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102738 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке / Ю.Н. Ланкин, Л.Ф. Суший, Е.Н. Байштрук // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 35-38. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102738 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1027382016-06-13T03:05:19Z Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке Ланкин, Ю.Н. Суший, Л.Ф. Байштрук, Е.Н. Научно-технический раздел Высокочастотная сварка мягких биологических тканей биполярным электрохирургическим инструментом концептуально подобна контактной точечной сварке металлов. Физико-биологические процессы, происходящие в тканях при сварке, в основном являются следствием их нагрева и приложенного давления. Поэтому знание температуры в свариваемом контакте тканей имеет важное значение. Публикации по оборудованию и измерению температуры при сварке биологических тканей практически отсутствуют. В качестве датчиков температуры выбраны стандартные термопары с малым (70 мкм) диаметром проволок как наиболее миниатюрные. Тепловыделение в термопаре проходящим через нее сварочным током по сравнению с тепловыделением в ткани практически отсутствует. Искажением электрического и температурного поля вблизи термопары можно пренебречь. Тепловая постоянная времени выбранной термопары по литературным данным порядка 8 мс. Измерительная система состоит из хромель-алюмель термопары с диаметром проволок 70 мкм, усилителя термоЭДС, аналогового фильтра нижних частот, АЦП и ноутбука. Экспериментально показано, что термопара может быть представлена инерционным звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Термическая постоянная времени термопары 4,3 мс, время запаздывания около 1 мс. Аналоговый фильтр нижних частот полностью подавляет помехи от сварочного тока и определяет общую полосу системы измерения температуры шириной 25 Гц. Разработанная система позволяет измерять температуру контакта биологических тканей при высокочастотной сварке биполярным электрохирургическим инструментом без динамических погрешностей и не внося искажений в температурное поле ткани. 2014 Article Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке / Ю.Н. Ланкин, Л.Ф. Суший, Е.Н. Байштрук // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 35-38. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102738 621.791.61 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ланкин, Ю.Н. Суший, Л.Ф. Байштрук, Е.Н. Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке Автоматическая сварка |
| description |
Высокочастотная сварка мягких биологических тканей биполярным электрохирургическим инструментом концептуально подобна контактной точечной сварке металлов. Физико-биологические процессы, происходящие в тканях при
сварке, в основном являются следствием их нагрева и приложенного давления. Поэтому знание температуры в свариваемом контакте тканей имеет важное значение. Публикации по оборудованию и измерению температуры при сварке
биологических тканей практически отсутствуют. В качестве датчиков температуры выбраны стандартные термопары
с малым (70 мкм) диаметром проволок как наиболее миниатюрные. Тепловыделение в термопаре проходящим через
нее сварочным током по сравнению с тепловыделением в ткани практически отсутствует. Искажением электрического
и температурного поля вблизи термопары можно пренебречь. Тепловая постоянная времени выбранной термопары по
литературным данным порядка 8 мс. Измерительная система состоит из хромель-алюмель термопары с диаметром проволок 70 мкм, усилителя термоЭДС, аналогового фильтра нижних частот, АЦП и ноутбука. Экспериментально показано,
что термопара может быть представлена инерционным звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Термическая
постоянная времени термопары 4,3 мс, время запаздывания около 1 мс. Аналоговый фильтр нижних частот полностью
подавляет помехи от сварочного тока и определяет общую полосу системы измерения температуры шириной 25 Гц.
Разработанная система позволяет измерять температуру контакта биологических тканей при высокочастотной сварке
биполярным электрохирургическим инструментом без динамических погрешностей и не внося искажений в температурное поле ткани. |
| format |
Article |
| author |
Ланкин, Ю.Н. Суший, Л.Ф. Байштрук, Е.Н. |
| author_facet |
Ланкин, Ю.Н. Суший, Л.Ф. Байштрук, Е.Н. |
| author_sort |
Ланкин, Ю.Н. |
| title |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| title_short |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| title_full |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| title_fullStr |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| title_full_unstemmed |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| title_sort |
система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102738 |
| citation_txt |
Система измерения температуры биологических тканей при биполярной высокочастотной сварке / Ю.Н. Ланкин, Л.Ф. Суший, Е.Н. Байштрук // Автоматическая сварка. — 2014. — № 11 (737). — С. 35-38. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT lankinûn sistemaizmereniâtemperaturybiologičeskihtkanejpribipolârnojvysokočastotnojsvarke AT sušijlf sistemaizmereniâtemperaturybiologičeskihtkanejpribipolârnojvysokočastotnojsvarke AT bajštruken sistemaizmereniâtemperaturybiologičeskihtkanejpribipolârnojvysokočastotnojsvarke |
| first_indexed |
2025-07-07T12:47:04Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:47:04Z |
| _version_ |
1836992352491667456 |
| fulltext |
3511/2014
УДК 621.791.61
система иЗмерения температУры биолоГичесКих
тКаней при биполярной ВысоКочастотной сВарКе
Ю. Н. ЛАНКИН, Л. Ф. СУШИЙ, Е. Н. БАЙШТРУК
иэс им. е. о. патона нанУ. 03680, г. Киев, ул. боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Высокочастотная сварка мягких биологических тканей биполярным электрохирургическим инструментом концепту-
ально подобна контактной точечной сварке металлов. физико-биологические процессы, происходящие в тканях при
сварке, в основном являются следствием их нагрева и приложенного давления. поэтому знание температуры в свари-
ваемом контакте тканей имеет важное значение. публикации по оборудованию и измерению температуры при сварке
биологических тканей практически отсутствуют. В качестве датчиков температуры выбраны стандартные термопары
с малым (70 мкм) диаметром проволок как наиболее миниатюрные. тепловыделение в термопаре проходящим через
нее сварочным током по сравнению с тепловыделением в ткани практически отсутствует. искажением электрического
и температурного поля вблизи термопары можно пренебречь. тепловая постоянная времени выбранной термопары по
литературным данным порядка 8 мс. измерительная система состоит из хромель-алюмель термопары с диаметром про-
волок 70 мкм, усилителя термоэДс, аналогового фильтра нижних частот, ацп и ноутбука. экспериментально показано,
что термопара может быть представлена инерционным звеном первого порядка с чистым запаздыванием. термическая
постоянная времени термопары 4,3 мс, время запаздывания около 1 мс. аналоговый фильтр нижних частот полностью
подавляет помехи от сварочного тока и определяет общую полосу системы измерения температуры шириной 25 Гц.
разработанная система позволяет измерять температуру контакта биологических тканей при высокочастотной сварке
биполярным электрохирургическим инструментом без динамических погрешностей и не внося искажений в темпера-
турное поле ткани. бибилиогр. 9, рис. 6.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка биологических тканей, измерение температуры, термопара, тепловая постоянная
времени, фильтрация помех от сварочного тока
Концептуально биполярная высокочастотная
сварка биологических тканей полностью подобна
контактной точечной сварке металлов. Две части
ткани сжимаются двумя электродами с некоторым
усилием с последующим нагревом протекающим
через ткань током. В результате совместного дей-
ствия тепла и приложенного давления ткань су-
щественно изменяется: она денатурирована, пол-
ностью деструктурирована и представляет собой
гомогенную массу коллагена, эластина и основных
субстанций ткани с существенно уменьшенными
границами между ними, образуя сварное соедине-
ние двух первоначально раздельных участков тка-
ни. таким образом, при высокочастотной сварке
биологических тканей определяющим является их
нагрев. поэтому знание температуры ткани в фор-
мируемом сварном соединении при исследовании
всех аспектов сварки чрезвычайно важно. однако
трудности измерения температуры сварного со-
единения в процессе сварки привели к тому, что
этот вопрос практически не изучен.
нам известна лишь одна публикация, где при-
ведены экспериментальные кривые изменения
температуры альбумина и стенки артерии во вре-
мя нагрева высокочастотным электрическим то-
ком с помощью биполярного хирургического ин-
струмента [1] (рис. 1).
Кривые рис. 1 явно сильно ретушированы и
приведены лишь для иллюстрации закономерно-
стей хода кривых.
В самом первом отчете иэс по сварке биоло-
гических тканей [2] также приведено несколько
© ю. н. ланкин, л. ф. суший, е. н. байштрук, 2014
рис. 1. изменение температуры T и импеданса Z артерии при
нагреве высокочастотным током [1]
36 11/2014
осциллограмм изменения температуры ткани в
сварочном контакте (рис. 2). К сожалению, в от-
чете не приведена методика измерения температу-
ры. лишь указано, что температура измерялась в
«зоне сварки».
В дальнейшем измеряли только температуру
поверхности свариваемой ткани вблизи электрода
с помощью пирометра. опыт контактной точеч-
ной сварки металлов не подтверждает достаточно
высокой корреляции этой температуры с параме-
трами сварочного ядра. интегральная темпера-
тура поверхности ткани вблизи электрода харак-
теризует ширину зоны термического влияния и в
гораздо меньшей степени собственно сварное сое-
динение. следует отметить, что ширина зоны тер-
мического влияния оказывает решающее влияние
на последующую регенерацию тканей в сварном
соединении.
известно несколько патентов на сварочный ин-
струмент с измерением температуры электродов с
помощью термопар с целью контроля и автомати-
ческого регулирования процесса сварки [3–7]. Как
и при точечной контактной сварке металлов этот
способ не получил практического применения
ввиду сложности и ненадежности инструмента, а
в основном из-за низкой корреляции температуры
контактной поверхности электрода с температу-
рой сварочного контакта.
Датчик температуры. толщина ткани в свар-
ном соединении может быть менее миллиметра,
что приводит к необходимости применения как
можно более миниатюрных датчиков температу-
ры. оптимальным решением является использо-
вание термопар малого диаметра. промышлен-
ностью выпускаются термопары с диаметром
проволок до 4,5 мкм [8]. Диаметр бусинки спая
такой термопары равен приблизительно трем ди-
аметрам ее проволок, т. е. 15 мкм. Для имеющего
место при сварке биологических тканей диапазона
температур 40…200 °с вполне подходят широко
распространенные термопары типа J (железо–кон-
стантан) или K (хромель–алюмель). нами были
выбраны термопары K-типа диаметром 70 мкм
(0,0031΄΄).
Как и при точечной контактной сварке металлов
сварка биологических тканей проводится внахлест-
ку или по отбортовке. термопара помещается меж-
ду свариваемыми тканями по оси электродов. В ре-
зультате через нее проходит часть сварочного тока.
оценим нагрев термопары проходящим через нее
током. тепло, выделяющееся в термопаре, пропор-
ционально удельному сопротивлению материала
термопары ρ. Удельные сопротивления материала
проволок применяемой термопары типа K (хромель
и алюмель) равны 0,66 и 0,33 мком·м соответ-
ственно. Удельное сопротивление наиболее элек-
тропроводного вещества тела человека — плаз-
мы крови — 0,66 ом·м, т. е. на 6 порядков больше
удельного сопротивления материалов термопары.
поэтому сварочный ток, проходящий через спай
термопары, никак не может вызвать ее дополни-
тельный нагрев и тем самым исказить результаты
измерения.
Вследствие высокой электропроводности мате-
риала термопары она искажает электрическое поле
вблизи измерительного спая. представим термопару
в виде цилиндра. Для проводящего цилиндра срав-
нительно малого диаметра во внешнем электроста-
тическом поле напряженность поля на поверхности
пропорциональна косинусу угла между вектором
рис. 2. осциллограммы тока и напряжения сварки, температуры сварочного контакта при вариациях параметров режима свар-
ки [2]
3711/2014
напряженности поля и соответствующим радиу-
сом-вектором цилиндра [9]. соответственно в этой
области изменяется плотность тока и выделяюще-
еся тепло. однако среднее по поверхности цилин-
дра тепловыделение изменяется мало и составляет
всего 0,785 часть от невозмущенного электроста-
тического поля. поскольку теплопроводность
материала термопары около 90 Вт/(м·К), а воды,
определяющей теплопроводность биологических
тканей, около 0,68 Вт/(м·К), т. е. на два порядка
меньше, температура термопары во всем объеме
одинакова и выравнивает неравномерность темпе-
ратуры в прилегающей к термопаре ткани. таким
образом, в первом приближении можно пренеб-
речь влиянием сравнительно малой термопары на
температуру ткани при сварке.
Динамическая погрешность термопары зави-
сит от диаметра ее проволок. экспериментальная
тепловая постоянная времени железо-константа-
новой термопары с диаметром проволок 0,005'',
измеренная при выдержке в спокойной воде с тем-
пературой 93 и 38 °с, равна 0,04 с [8]. согласно
теории подобия постоянная времени нагрева про-
порциональна квадрату диаметра проволок термо-
пар. следовательно, для термопары 0,0031'' посто-
янная времени будет 0,015 с.
экстраполируем данные термопар типа J на тер-
мопары типа К. согласно критерию гомохронности
постоянная времени обратно пропорциональна коэф-
фициенту температуропроводности материала. при-
мем температуропроводность термопары типа J как
среднюю для железа (1,626·10-5 м2/с ) и константана
(0,612·10-5 м2/с) 1,119·10-5 м2/с. материал термопар
типа K на 90 % состоит из никеля. Коэффициент
температуропроводности никеля 2,29·10-5 м2/с. та-
ким образом, можно ожидать, что постоянная вре-
мени применяемой хромель-алюмелиевой термо-
пары будет вдвое ниже, чем у термопары типа J,
т. е. порядка 8 мс.
Система измерения температуры. экспе-
риментальная система измерения температу-
ры при сварке биологических тканей приведена
на рис. 3. система состоит из термопа-
ры 1, усилителя термо эДс 2, внешне-
го модуля ацп е14-440 «л-Кард» 3,
ноутбука с программным обеспечени-
ем «PowerGraph» 4. при измерениях
использовали биполярный электрохи-
рургический зажим 5 и Вч-электроко-
агулятор еК-300м1 6 (серийно выпу-
скается международной ассоциацией
«сварка»).
Усилитель термоэДс термопары вы-
полнен на специализированной микро-
схеме AD595 Analog Device (рис. 4).
микросхема преобразует термоэДс тер-
мопары в нормализованное напряжение с коэф-
фициентом преобразования 10 мВ/°с. микросхе-
ма реализует встроенную компенсацию холодного
спая и линеаризацию передаточной характеристи-
ки для термопар типа K, в результате чего обеспе-
чивается точность измерения 1 °с во всем диапа-
зоне измеряемых температур.
Для аппаратной фильтрации помех от напряже-
ния сети и сварочного источника применены вход-
ной С1, R1, R2, C2 и выходной R3, C3 фильтры
нижних частот.
основные помехи в канале измерения темпера-
туры появляются при пропускании тока через сва-
риваемую ткань (рис. 5, а). Как видно из рис. 5,
уровень помех в выходном сигнале температуры
при отсутствии фильтрации весьма высок. приме-
ненный многозвенный фильтр практически пол-
ностью устраняет помехи и в то же время обеспе-
чивает приемлемую полосу пропускания системы
измерения 25 Гц.
Для экспериментальной оценки инерционно-
сти термопары с нормирующим усилителем рис. 3
проведены следующие эксперименты. с помощью
специально сконструированного устройства типа
пружинного спускового механизма термопара бы-
стро помещалась в горячую воду и фиксировалась
кривая изменения ее температуры — кривая раз-
рис. 3. общий вид системы измерения температуры при би-
полярной высокочастотной сварке мягких биологических
тканей (описание 1–6 см. в тексте)
рис. 4. принципиальная схема усилителя термоэДс хромель-алюмелие-
вой термопары
38 11/2014
гона. Для измерения только тепловой постоянной
времени термопары фильтры помех из схемы уси-
лителя рис. 4 были исключены. на рис. 6 приведе-
на одна из полученных кривых разгона. она имеет
вид, типичный для кривых нагрева реальных фи-
зических тел, и обычно описывается экспонентой
с постоянной времени Т и временем чистого за-
паздывания τ. из рис. 6 находим Т = 4,3 мс и τ =
= 1,2 мс. реально значение τ несколько меньше,
так как в него вошло время нагрева термопары па-
рами при ее движении к поверхности воды.
считается, что теплофизические свойства сва-
риваемых биологических тканей близки к свой-
ствам воды. Коэффициент температуропрово-
дности воды в диапазоне температур 40…90 °с
приблизительно равен 16·10-8 м2/с, что на два по-
рядка ниже коэффициента температуропроводно-
сти материала термопар. следовательно, тепловая
постоянная времени биологической ткани в сто
раз выше постоянной времени термопары. поэто-
му можно предполагать, что инерционность тер-
мопары не вносит значительных динамических
погрешностей измерения температуры при сварке
биологических тканей даже при модуляции сва-
рочного тока. основная инерционность системы
измерения температуры в нашем случае определя-
ется полосой пропускания электрического филь-
тра помех от сварочного тока, проходящего через
ткань в области горячего спая термопары, и помех
питающей сети.
В заключение следует отметить, что разра-
ботанная система позволяет измерять истинную
температуру контакта биологических тканей при
высокочастотной сварке биполярным электрохи-
рургическим инструментом без динамических по-
грешностей и не внося значительных искажений в
температурное поле ткани.
1. Bergdahl B., Vällfors B., Neurosurg J. Studies on coagulation
and development of an automatic computerized bipolar
coagulator // J. Neurosurg. – 1991. – Vol. 75, N 8. – P. 148–
151.
2. Разработка способов сварки кровеносных сосудов (от-
чет) / иэс им. е. о. патона нан Украины; руководитель
темы б. е. патон. – № UA01009046P; инв. № 492. – тема
1/34. – Киев, 1994.
3. Pat. 4,938,761 U.S. Ensslin F. H. Bipolar electrosurgical
Forseps. – MDT Corporatio. – опубл. 07.1990.
4. Pat. 5,496,312 U.S. Klicek M. S. Impedance and temperature
generator for control. – Valleylab Inc. – опубл. 03.1996.
5. Pat. 5,540,681 U.S. Strub B., Alto P. Method and system for
radiofrequency ablation of tissue. – Medtronic Cordiorhythm.
– опубл. 07.1996.
6. Pat. 5,540,684 US. Hassler W. L. Method and apparatus for
electrosurgically treating tissue. – опубл. 07.1996.
7. Pat. 6,083,223 US. Baker J. A. Method and apparatus for
welding blood vessels. – опубл. 07.2000.
8. Omega complete temperature measurement handbook and
encyclopedia. – Engineering INC. – 1992. – Vol. 28.
9. Говорков В. А. электрические и магнитные поля. – м.:
энергия, 1968. – 488 с.
поступила в редакцию 30.04.2014
рис. 6. Кривая нагрева термопары в воде
рис. 5. Запись температуры при сварке свиной кишки: а —
без фильтрации; б — при наличии аппаратных фильтров
нижних частот по рис. 4
|