Mathematical modeling of current density distribution in electrodes of electrosurgical instruments with rectangular working surfaces

Андрій Дубко; Олександр Романенко; Сергій Римар

doi:10.15222/TKEA2026.1.70

Андрій Дубко Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0001-6070-3945
Олександр Романенко Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0009-0005-7426-0635
Сергій Римар Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-0490-4608

DOI: https://doi.org/10.15222/TKEA2026.1.70

Ключові слова: математичне моделювання, електромагнітні процеси, прямокутні електрохірургічні електроди, частота струму, скін-ефект, розподіл густини струму

Анотація

Досліджено вплив скін-ефекту на електромагнітні процеси, що відбуваються в прямокутних електродах електрохірургічних інструментів під час протікання через них змінного струму. Математичне моделювання виконувалось за допомогою диференційних рівнянь в частинних похідних чисельним методом скінчених елементів. Показано, що густина струму нерівномірно розподілена по периметру електрода: струм сконцентровано в кутах прямокутного перетину, а в центрі він відсутній. Аналіз опору мідного прямокутного електрода в частотному діапазоні від 22 до 880 кГц показав, що зі збільшенням частоти збільшуються втрати на нагрівання електродів через зменшення ефективної площі його робочої поверхні. Вирівняти густину струму та зменшити опір електрода дозволяє скруглення кутів прямокутного перетину.

Посилання

V. M. Sydorets and A. G. Dubko, “Current distribution in the electrodes of electrosurgical instruments during welding of biological tissues (in Ukrainian),” East Eur. J. Adv. Technol., no. 3, pp. 24–28, 2015. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2015.43372.

J. A. Pearce, “FEM numerical model study of electrosurgical dispersive electrode design parameters,” in Proc. 37th Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. (EMBC), 2015, pp. 2559–2562. https://doi.org/10.1109/EMBC.2015.7318914.

N. H. Nessler and W. Reischer, “Mesuring device for neutral electrodes in electrosurgery,” Measurement, vol. 33, no. 2, pp. 197–203, 2003. https://doi.org/10.1016/S0263-2241(02)00063-5.

D. Messenger, F. Carter, E. Noble, and N. Francis, “Electrosurgery and energized dissection,” Surgery (Oxford), vol. 38, no. 3, pp. 133–138, 2020. https://doi.org/10.1016/j.mpsur.2020.01.006.

M. Zareba, T. Szczegielniak, and P. Jabłonski, “Influence of the Skin and Proximity Effects on the Thermal Field in a System of Two Parallel Round Conductors,” Energies, vol. 16, no. 17, art. no. 6341, pp. 1–20, 2023. https://doi.org/10.3390/en16176341.

V. T. Morgan, “The current distribution, resistance and internal inductance of linear power system conductors—A review of explicit equations,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 28, no. 3, pp. 1252–1262, Jul. 2013. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2013.2250314.

O. N. Voitsekhovskyi, N. L. Don, and O. O. Demchenko, “Investigation of the surface effect and proximity effect of a two-wire line,” Bull. KhNTU (in Ukrainian), no. 4 (67), pp. 31–35, 2018. Available: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Vkhntu_2018_4_7.

J. R. Gonzalez-Teodoro, V. Kindl, E. Romero-Cadaval, and R. Asensi, “Analysis of Skin Effect in Single Wire Resistance by Finite Element Methods,” in Proc. IEEE 14th Int. Conf. Compatibility, Power Electron. Power Eng. (CPE-POWERENG), 2020, pp. 19–23. https://doi.org/10.1109/CPE-POWERENG48600.2020.9161540.

B. Tabei, A. M. Gole, and B. Kordi, “Skin and Proximity Effect Calculation of a System of Rectangular Conductors Using the Proper Generalized Decomposition Technique,” Energies, vol. 17, no. 12, art. no. 2828, pp. 1–22, 2024. https://doi.org/10.3390/en17122828.

O. P. Yanenko, S. M. Peregudov, and K. L. Shevchenko, Radiometric Microwave Methods and Means of Measuring Physical Quantities (in Ukrainian). Kyiv, Ukraine: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2021. Available: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/41470.

G. S. Marinsky et al., “High-frequency equipment for welding living tissues (Review) (in Ukrainian),” Autom. Welding, no. 1, pp. 29–37, 2023. https://doi.org/10.37434/as2023.01.05.

O. Linchevskyy, A. Makarov, and V. Getman, “Lung sealing using the tissue-welding technology in spontaneous pneumothorax,” Eur. J. Cardiothorac. Surg., vol. 37, no. 5, pp. 1126–1128, 2010.

N. Umanets, N. V. Pasyechnikova, V. A. Naumenko, P. B. Henrich, and A. Cuschieri, “High-frequency electric welding: A novel method for improved immediate chorioretinal adhesion in vitreoretinal surgery,” Graefe's Arch. Clin. Exp. Ophthalmol., vol. 252, no. 10, pp. 1697–1703, 2014.

V. Y. Molotkovets et al., “Restoration of the Integrity of a Transected Peripheral Nerve with the Use of an Electric Welding Technology,” Neurophysiology, vol. 52, no. 1, pp. 31–42, 2020.

M. Y. Bolgov et al., Atlas of Ligature-Free Operations on the Thyroid Gland (in Ukrainian). Kyiv, Ukraine: KIM, 2024.

S. V. Tkachenko, O. V. Romanenko, N. A. Chvertko, and A. G. Dubko, “Current state and prospects for development in welding of biological tissues,” in Welding and Related Technologies: Proceedings of the VIIth International Conference on Welding and Related Technologies (WRT 2024), I. Krivtsun et al., Eds. London, UK: CRC Press, 2025, pp. 143–148. https://doi.org/10.1201/9781003518518143-148.

B. E. Paton and O. N. Ivanova, Tissue-Protecting High-Frequency Electric Welding Surgery (in Russian). Kyiv, Ukraine: Naukova Dumka, 2009.

V. O. Moskalyuk and T. A. Saurova, Field Theory (in Ukrainian). Kyiv, Ukraine: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2018.

Z. Popovic and B. Popovic, Introductory Engineering Electromagnetics. Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall, 1999.

Математичне моделювання розподілу густини струму в електродах електрохірургічних інструментів з прямокутною робочою поверхнею

Анотація

Посилання