Publication: Desarrollo de un sistema de control de potencia para electrocirugía basado en modelos de bioimpedancia y equipos comerciales: descripción y caso práctico
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Motivación, objetivos y contextualización. Los electrobisturíes son dispositivos esenciales en la medicina moderna que aparecen en diversas especialidades quirúrgicas. El estudio minucioso y la modelización de la bioimpedancia de los tejidos pueden servir para conocer sus propiedades eléctricas y ayudar a mejorar las tecnologías actuales de electrocirugía. Los dos objetivos principales del presente trabajo son, por un lado, la caracterización de esta bioimpedancia en forma de circuitos eléctricos y, por otro lado, el diseño y simulación de un sistema de control de potencia. Este trabajo se enmarca en la necesidad de mejorar las características de los electrobisturíes comerciales actuales, aportando una solución novedosa y eficaz. Las pruebas y mediciones de la última parte del trabajo se han realizado durante un período de prácticas en la empresa gestora de dispositivos electromédicos del Servicio de Electromedicina del Hospital Universitario de Navarra. Introducción. Se presenta una revisión histórica y tecnológica de los electrobisturíes, conociendo sus avances más importantes desde su invención hasta la actualidad, y sus principales riesgos y defectos a mejorar. Además, se describen las diferentes variantes y modos de operación que existen, centrándose únicamente en la electrocirugía por radiofrecuencia. Se explican en qué consisten la electrocirugía convencional, la electrocirugía por ultrasonidos o la electrocirugía de sellado de vasos; para posteriormente describir los principios básicos de funcionamiento del electrobisturí en modo monopolar. Metodología. La estructura de la metodología contiene tres partes. Primero, se estudian las propiedades eléctricas de los tejidos, con conceptos como la conductividad, la permitividad o la electrólisis, y se caracteriza la bioimpedancia mediante los modelos específicos de Cole-Cole y de FrickeMorse. Segundo, para ilustrar todo lo anterior, se utiliza un electrobisturí Olympus SonoSurg UES-40, al que se le realizan varias pruebas de funcionamiento y del que se registran señales de corte, coagulación y corte mixto. Tercero, en la parte más importante del trabajo, se diseñan y simulan diferentes configuraciones de un sistema de control de potencia en la extensión Simulink de MATLAB, desarrollando los modelos de bioimpedancia propuestos y un método comparativo propio. Resultados. Utilizando el sistema de control implementado, se describen las gráficas de potencia obtenidas para diferentes parámetros de entrada al sistema y se explica por qué se han escogido esos valores, aportando una justificación razonable basada en datos experimentales y una discusión. Conclusiones. Como demuestran los resultados, el funcionamiento del sistema de control diseñado es el deseado, y la potencia de salida del electrobisturí se adapta a la bioimpedancia variable con éxito. Se concluye así que el control de potencia basado en bioimpedancia tisular, simulada mediante circuitos equivalentes, es una aproximación apropiada para el diseño de futuros equipos, dentro o incluso fuera del campo de la electrocirugía.
Motivation, goals and context. Electrosurgical scalpels (most commonly called Bovies) are essential devices in modern medical practice, showing up in various surgical specialties. The detailed study and modeling of tissue bioimpedance can be used in to understand their electrical properties and help to improve current electrosurgical technologies. The two main goals of the present work are, on the one hand, this bioimpedance characterization in the form of electrical equivalent circuits, and in the other hand, the design and simulation of a power control system. This work is framed within the need to optimize the characteristics of current commercial electrosurgical scalpels, providing a novel and efficient solution. The tests and measurements of the last part of the work have been carried out during a period of practices in the company that manages the electromedical devices of the Electromedicine Service of the Hospital Universitario de Navarra. Introduction. A historical and technological review of electrosurgical scalpels is presented, including their most important advance from their invention to the present day, as well as their main risks and flaws to be sophisticated. In addition, the different variants and operational modes that exist are described, focusing just on radiofrequency electrosurgery. We explain what conventional electrosurgery is, as well as ultrasound and vessel sealing technologies, and we end up describing the basic functioning principles of the device in monopolar mode. Methods. The structure of methods contains three parts. Tissue electrical properties are studied, laying out concepts such as conductivity, permittivity or electrolysis, and bioimpedance is characterized by means of the specific Cole-Cole’s and Fricke-Morse’s models. In addition, other complementary approaches to the power control problem are suggested. Subsequently, to illustrate all the information, an Olympus SonoSurg UES-40 electrosurgical unit has been used, which undergoes several performance tests and from which cut, coagulation and blended-cut signals are recorded. Finally, in the most important part of the work, different configurations of a power control system are designed and simulated in the Simulink extension from MATLAB, developing the proposed bioimpedance models and an own comparative method. Results. Using the implemented power control system, power plots obtained for different system input parameters are described and an explanatory framework of these chosen values is given, providing a reasonable justification based on experimental data and a discussion. Conclusions. As it is shown in the results, the designed control system performance match with expected, and the electrosurgical unit output power is successfully adapted to variable bioimpedance. It is this concluded that power control based on tissue bioimpedance, simulated by means of equivalent circuits, is an appropriate approach to the design of future equipment, within or even outside electrosurgery’s scientific field.
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