CC BY
32
DOI: 10.6084/m9.figshare.5480386
УДК 57.089.001.66
МЕТОД ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ
ТКАНЕЙ В ОФТАЛЬМОЛОГИИ
Драгомирецкий Никита Ярославович 1, Лебедев Алексей Владимирович 1
1 Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт" им. Сикорского
Адрес для переписки: Драгомирецкий Никита Ярославович, магистрант
Место работы: Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт" им. Сикорского, 03056, м.Киев-56, проспект Победы, 37
Email: ndrago@ukr.net
Аннотация. Высокочастотная электросварка биологических тканей является эффективным методом лечения в офтальмологии. Это метод электрохирургического воздействия, который минимизирует возможность разрушающего воздействия электрического тока на соединении или рассоединении мягких живых тканей. Метод широко используется в общей хирургии для соединения тканей. Установлено, что сварной шов возникает при прохождении электрического тока высокой частоты через ткань. С помощью этого метода можно проводить серьезные операции, такие как сварка сетчатки, резекция опухолевой ткани и многие другие операции.
Для операций в хирургической офтальмологии стало важным знание оптимальных параметров сварки, таких как температура сварки, механическая нагрузка на ткани, время сварки и напряжение. Для определения этих параметров было проведено моделирование сваривания и резекции биологических тканей в специальном программном обеспечении. В результате были получены модели зависимостей, которые могут определять оптимальные параметры сварки.
Высокочастотная электросварка биологических тканей - бескровный и надежный метод в офтальмологии. Восстановительный период намного быстрее, чем при терапии другими методами.
Ключевые слова: сварка биологических тканей, офтальмологическая хирургия, моделирование и инструмент
Введение. На сегодняшний день отслоение сетчатки является одним из распространенных заболеваний в хирургической офтальмологии, а меланомы, которые образовываются в середине глаза, составляют 75 - 80 % внутриглазных опухолей. Существует много методов лечения, но не все
ISSN 2311-1100 CC-BY-NC
из них эффективны. Для того что бы операция прошла успешно и в дальнейшем исключить
возможность рецидива, врачи занимаются поисками новых методов лечения.
ИГБиЛТ им,. ELFI Филатова. АМН Украины.
А
Рисунок 1. А - Сварка сетчатки под микроскопом; Б - Резекция меланомы под микроскопом
Электрический ток определенной частоты, который проходит сквозь биологические ткани, создает прочное соединение за счет коагуляции белка. Благодаря высокочастотной сварке, в отличии от других методов, становиться возможным проведение без кровопотерь и менее длительных микрохирургических операций в офтальмологии.
Цель и задачи исследования. Моделирование процесса электросварки биологических тканей элкетромикрохирургическим инструментом при отслоении сетчатке и резекции меланомы в программном обеспечении Abaqus. Проведение исследований для нахождения оптимальных условий для соединения сетчатки к склере и резекции меланомы с помощью построения графиков зависимостей температуры и механической нагрузки от электрического напряжения и времени сварки.
Материалы и методы. Для операций в хирургической офтальмологии важно знать оптимальные параметры сварки, такие как температура сварки, механическая нагрузка на ткани, время сварки и напряжение. Для определения этих параметров было проведено моделирование сваривания биологических тканей в специальном программном обеспечении. Моделирование проводилось методом конечных элементов в программе Abaqus.
Рисунок 2. Метод конечных элементов в программе Abaqus: 1 - электрод, 2 - сетчатка, 3 - склера
Рисунок 3. Метод конечных элементов в программе Abaqus: 1 - электрод, 2 - меланома
Для моделирования использовались реальные значения биологических тканей (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) и характеристики электрода (материал, электрическая и теплопроводность). После подбора материалов были проведены исследования.
Экспериментальные данные и их обработка. В результате первых исследований была доработана форма электродов, а именно углы изгиба, которые существенно влияют на функциональность инструмента (рис. 4).
В модели при отслоении сетчатки электрический ток передавался через биологическую ткань при взаимодействии электрода с тканью. На электрод подавалось определенное усилие нажатия. Чтобы найти оптимальные параметры сварки в ходе эксперимента, были изменены значения приложения силы к электроду, время сварки и электрическое напряжение. Безопасная температура сварки составляет 60 - 70 градусов. Чтобы найти оптимальную температуру, была проведена выборка параметров исследования. В результате были получены модели зависимости, которые могут определять оптимальные параметры сварки.
Рисунок 4. Диаграмма зависимости температуры в зоне сварки от электрического напряжения и
длительности сварки
Рисунок 5. Распространение температуры по модели при электрическом напряжении 20 Вольт и
длительности сварки 1.5 секунды
ISSN 2311-1100
CC-BY-NC
IT Mises
(Avg: 75%)
+1.352е+03
+1,243е+03
+1.134е+03
+1.025е+03
+9,153е+02
+8,061е+02
— +6.969е+02
- +5.877е+02
- +4.785е+02
+3.693е+02
+2.601е+02
+1.509е+02
_ +4,168е+01
ODB: 36.odb Abaqus/Standard Student Edition 6.13-2 Tue Jun 07 12:39:18 GMT+03:00 2016
Step: stress-electric Increment 21: Step Time = 1.500 Primary Var: S, Mises
Deformed Var: U Deformation Scale Factor: +1.592e+01
Рисунок 6. Распространение механической нагрузки по модели при электрическом напряжении 20
Вольт и длительности сварки 1.5 секунды
В среде Abaqus так же была построена модель сварки в случае образования меланомы внутри глаза. Для резекции опухоли электрическое напряжение должно быть выше, чем напряжение в случае сварки при отслоении сетчатки. Что бы найти безопасные условия сварки была проведена выборка параметров.
Рисунок 7. Диаграмма зависимости температуры в зоне контакта электрода с тканью от электрического напряжения в длительности сварки.
Рисунок 8. Распределение температуры по модели при напряжении 70 Вольт и длительности
сварки 1.5 секунды
s, Mises
(Avg: 75%)
+2.793е+03
■ +2.565е+03
■ +2.337е+03
- • +2.109е+03
- ■ +1.881е+03
■ +1.652е+03
■ +1.424е+03
■ +1.196е+03
■ +9.681е+02
- +7.400е+02
- +5.119е+02
• +2.838е+02
_ +5.572е+01
m
If Я
40
ODB: mel.odb Abaqus/Standard Student Edition 6.13-2 Tue Jun 07 12:47:04 GMT+03:00 2016
Рисунок 10. Распределение механической нагрузки по модели при напряжении 70 Вольт и
длительности сварки 1.5 секунды
Результаты исследования.
1. По результатам выборки и моделирования были найдены оптимальные параметры, которые позволят проводить безопасную сварку биологических тканей.
2. Благодаря программному обеспечению Abaqus появилась возможность проведения экспериментов без использования подопытных животных.
J
ISSN 2311-1100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Анша С. I. Офтальмолопчна допомога населенню Украши / С. I. Анша, В. I. Левтюх // Хiрургiчне та медикаментозне вщновлення зору. XII офтальмол. симпозiум. тез. доп. -Чершвщ, 2001. - С. 8.
2. Бирич Т., Марченко Л., Чекина А. Врожденные патологии органа зрения - Одесса 2014 г.
3. Бшоусова 1нна. 1нструмент i технология для високочастотного електрозварювання сiткiвки ока // Бакалаврська дипломна робота 2014 р.
4. ВолковВ.В. Актуальные и, по-видимому, наиболее перспективные направления в изучении биомеханики функционирования органа зрения в нормальном и патологическом состояниях / В.В. Волков // Сборниктрудов II семинара «Биомеханика глаза». - М.,2001, С. 3-6.
5. Драгомирецький Н.Я. Моделi впливу мехашчного навантаження та температури мiкроелектрохiрургiчного шструмента на тканини ока // Бакалаврська дипломна робота 2016 р.
6. Иомдина Е.Н. Биомеханические свойства склеры и возможности ее укрепления при миопии./ Е.Н. Иомдина // Дис.канд. биол. наук, 1984, - С.169.
7. Панова И.Е. Транспупиллярная термотерапия в органосохранном лечении увеальной меланомы / И.Е. Панова, Н.В. Бухтиярова, И.Н. Ефименко // Офтальмохирургия и терапия. 2004. - Т.4. — С. 32-36.
8. Пасечникова Н.В. Применение высокочастотной электросварки для ретинопексии в эксперименте / Н.В. Пасечникова, В.А. Науменко, С.С. Родин, [и др.] // Тез. XII съезда офтальмологов Украины, 26-28 мая, Одесса. - 2010. - С.201-202.
9. Уманец Н. Эндовитреальная резекция меланомы хориоидеи с использованием высокочастотной электросварки // ГУ «Институт глазных болезней и тканевой терапии им. В.П. Филатова АМН Украины»
10. Пат. US7025764 B2, US 10/310,203. BONDING OF SOFT BIOLOGICAL TISSUES BY PASSING HIGH FREQUENCY ELECTRIC CURRENT THERETHROUGH / Boris E. PATON, Vladimir K. LEBEDEV, David S. VORONA, и др. - Опубл. 11.04.2006
11. Пат. US6562037 B2, US 09/022,869. Bonding of soft biological tissues by passing high frequency electric current therethrough / Boris E. PATON, Vladimir K. LEBEDEV, David S. VORONA, и др. - Опубл. 13.05.2003
