Principio di funzionamento dell’elettrobisturi (applicazione effetto Joule)

L’effetto Joule è un effetto di dissipazione della potenza in un circuito in corrente alternata.
La quantità di calore Q sviluppata per effetto Joule nel tempo Δt è: Q=Ri²Δt dove R è la resistenza elettrica del conduttore ed i è la corrente che lo attraversa.
Considerando un corpo resistente cilindrico, dalla II legge di Ohm: 

(dove ρ è la resistività, S la sezione e l la lunghezza del corpo resistente) e dalla definizione di densità di corrente J:

allora la quantità di calore Q sviluppata per effetto Joule diventa:

Volendo calcolare l’aumento di temperatura ΔT, in seguito al passaggio della corrente i nella direzione di l, se m è la massa del corpo resistente, partendo dalla definizione di calore Q = mcΔT (dove c è il calore specifico a volume costante), dobbiamo applicare la seguente formula:

Sostituendo m con δ S l (dove δ è la densità del corpo resistente ed S l il suo volume) e Q con l’equazione individuata precedentemente abbiamo:

L’effetto termico della corrente è sfruttato dall’elettrobisturi che permette di tagliare i tessuti e coagulare il sangue durante gli interventi chirurgici.
Nel caso dell’utilizzo di elettro bisturi, il corpo resistente è costituito dal tessuto biologico che si vuole sezionare.
Inoltre, in elettrochirurgia si usano correnti alternate tra 10 kHz e 1 MHz, per cui al posto della densità di corrente continua J, si deve considerare il valore efficace J_eff della corrente alternata:

dove J₀ è il valore di picco della corrente alternata e corrisponde a J della formula individuata prima che quindi diventa:

La corrente fluisce grazie alla differenza di potenziale alternata tra l’elettrodo operante o “elettrodo attivo” e “l’elettrodo neutro” (piastra) che ha una grande superficie di contatto col corpo del paziente (dell’ordine di 10² cm²).
Si usano correnti con frequenza tra 10 kHz e 1 MHz, perché frequenze inferiori a 1 kHz stimolano muscoli e nervi e possono causare shock elettrici a causa delle correnti elevate usate; invece frequenze maggiori di 1 MHz provocano ustioni cutanee.

Per ottenere rialzi termici ΔT sufficienti per la rapida coagulazione del sangue, si devono avere valori di J_eff elevati (infatti ΔT è proporzionale a J²_eff) e ciò si ottiene con punte del bisturi di piccola sezione S (1 mm²), con il vantaggio di eseguire tagli molto sottili.
Invece, all’elettrodo neutro la J è molto bassa perché la superficie di contatto è molto grande e ciò comporta una ΔT molto piccola.
L’elettrochirurgia ha due modi di applicazione.

Elettrocoagulazione

In questo caso si usa un piccolo elettrodo a forma di sfera o di lama, a seconda del tipo di intervento.
La corrente pulsante è prodotta da impulsi di alta tensione con frequenza superiore a 250 kHz.
A causa del riscaldamento, si ha disidratazione e necrosi dei tessuti. La loro resistenza elettrica R aumenta e la corrente circola anche oltre l’area necrotizzata a causa della loro minore resistenza elettrica.
Ciò origina l’emostasi (elettrocoagulazione), mediante trombosi dei vasi.

Elettroresezione

In questo caso si ha passaggio di corrente alternata (prodotta da un’alta tensione alternata) tra elettrodo attivo e tessuto con frequenza compresa tra i 100 kHz e 1MHz.
Il riscaldamento locale dei tessuti a contatto con l’elettrodo, causa l’evaporazione istantanea dell’acqua contenuta nelle cellule e la formazione di vapore acqueo al loro interno che le fa gonfiare e poi esplodere. Di conseguenza, la corrente elettrica decresce rapidamente a causa dell’aumento della R elettrica dovuta alla disidratazione delle cellule. In questo modo, l’emorragia è minima e si ottiene la resezione dei tessuti con tagli a bordi netti e dimensioni che dipendono dalla forma dell’elettrodo attivo.

Alcuni elettrobisturi uniscono i due modi di operare, permettendo l’elettroresezione con effetto coagulante fisso oppure variabile.
Per evitare ustioni, il paziente non deve indossare oggetti metallici (es. anelli o bracciali) che potrebbero toccare conduttori collegati con la presa di terra.
In tal caso, la piccola sezione e piccola R elettrica degli oggetti metallici presenta percorsi alternativi verso la presa di terra, per le correnti introdotte nel corpo dall’elettrobisturi, con alta densità di corrente e conseguenti ustioni al contatto non voluto.

Fonte: Fisica biomedica.