تأثير عدم مثالية المقاومة المقدرة للحمل عند الترددات العالية واقتران الإشعاع على دقة اختبار قدرة الخرج لوحدات الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز

DENG Sha¹، ZHANG Chao²، WU Shaohai¹ المؤلف المراسل: FAN Xiang¹

1. معهد قوانغدونغ للإشراف على جودة الأجهزة الطبية وفحصها، رقم 1 طريق قوانغبو الغربي، حي هوانغبو، قوانغتشو، قوانغدونغ 510663، الصين
2. كينغبو شركة تطوير التكنولوجيا المحدودة، رقم 9 طريق الجامعة، بحيرة سونغشان، دونغقوان، قوانغدونغ 523869، الصين

الملخص: عند استخدام أجهزة تحليل الجراحة الكهربائية الحالية لقياس القدرة الخارجة والجهد والتيار لوحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد بتردد 4 ميجاهرتز، تُلاحظ غالبًا مشكلات مثل عدم كفاية تكرارية البيانات، والاختلافات الكبيرة بين أجهزة الاختبار، وعدم استقرار تقدير القدرة الخارجة المقدرة. عادةً ما تُعزى هذه المشكلات، وفقًا للتحليلات التقليدية، إلى عدم كفاية عرض نطاق أخذ العينات، أو خطأ خوارزمية RMS، أو عدم تطابق تردد المعايرة لجهاز التحليل. مع ذلك، بالنسبة لوحدات الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز، لا يكمن السبب الجذري لخطأ الاختبار في جهاز القياس نفسه فحسب، بل يرتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالخصائص الكهرومغناطيسية غير المثالية لمقاومة الحمل المقدرة تحت تأثير الإثارة عالية التردد والطاقة. تُحلل هذه الورقة آلية تشوه مقاومة الحمل المقدرة في اختبار 4 ميجاهرتز من ثلاثة جوانب: تأثير سطح المقاومة، والشكل الهيكلي للمقاومة، والاقتران الإشعاعي في حلقة الاختبار تحت تأثير الإثارة القوية للجراحة الكهربائية. تشير الدراسة إلى أن الافتراض التقليدي بأن مقاومة الحمل المقدرة هي مقاومة مثالية خالصة غير دقيق عند تردد 4 ميجاهرتز. فبسبب تأثير الجلد، قد تنحرف المقاومة المكافئة للتيار المتردد عن القيمة الاسمية للتيار المستمر. كما قد يُدخل الحمل محاثة طفيلية وسعة طفيلية، وذلك تبعًا لهندسة المقاوم، وبنية التوصيل، وطريقة التركيب، وبنية تبديد الحرارة. وفي ظل جهد عالٍ، وتيار عالٍ، وإثارة خرج غير جيبية أو مُعدَّلة نبضيًا، قد تُولِّد حلقة الاختبار إشعاعًا كهرومغناطيسيًا كبيرًا، واقترانًا في المجال القريب، وفقدًا إضافيًا للطاقة. يُعدّ معيار IEC 60601-2-2 المعيار الخاص بالسلامة الأساسية والأداء الجوهري لمعدات الجراحة عالية التردد وملحقاتها. ويُجرى اختبار قدرة خرج وحدات الجراحة الكهربائية عادةً في ظل ظروف حمل محددة أو في ظل الحمل المقدر المُعلن عنه من قِبل الشركة المصنعة. ولذلك، فإن صحة ظروف الحمل وقابليتها للتكرار تؤثر بشكل مباشر على موثوقية نتائج الاختبار. تقترح هذه الورقة البحثية تحويل مقاومة الحمل المقننة المستخدمة في اختبار وحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز من نموذج المقاومة الاسمية للتيار المستمر التقليدي إلى نموذج حمل كهرومغناطيسي مركب عالي التردد، يأخذ في الاعتبار بشكل شامل تأثير الجلد، والمعاملات الطفيلية، والانحراف الحراري، والاقتران الإشعاعي. ولتحسين دقة القياس، يُوصى باستخدام أحمال غير حثية منخفضة الحث أو أحمال ترددات لاسلكية محورية، ومعايرة معاوقة الحمل المقنن بتردد 4 ميجاهرتز، والتحكم في مساحة حلقة الاختبار والاقتران الإشعاعي، وأخذ عينات متزامنة من الجهد والتيار، وتكامل القدرة اللحظي لحساب القدرة الفعالة.

الكلمات المفتاحية: وحدة جراحة كهربائية بتردد 4 ميجاهرتز؛ مقاومة الحمل المقدرة؛ تأثير الجلد؛ شكل المقاومة؛ اقتران الإشعاع؛ IEC 60601-2-2؛ محلل الجراحة الكهربائية؛ اختبار قدرة الخرج

رقم تصنيف المكتبة الصينية: R318.6، رمز الوثيقة: A، المعرف الرقمي للكائن (DOI): يُملأ من قبل هيئة التحرير
تم استلام المخطوطة: سيتم استكمالها من قبل هيئة التحرير. نبذة عن المؤلف: دينغ شا، البريد الإلكتروني: ؛ المؤلف المسؤول عن المراسلات: فان شيانغ، البريد الإلكتروني: .

مقدمة 1

ترتبط قدرة خرج وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد ارتباطًا مباشرًا بأداء القطع، وتأثير التخثير، وسلامة المريض [1]. وبالمقارنة مع وحدات الجراحة الكهربائية التقليدية، تتأثر الأجهزة التي تعمل بتردد 4 ميجاهرتز بسهولة أكبر بمقاومة الحمل، وكابلات التوصيل، وهياكل التثبيت. وقد أظهرت دراسات سابقة أن مقاومة الحمل على مستوى الميجاهرتز، والتعويض الديناميكي، واكتساب شكل الموجة، يمكن أن تؤثر على قياس القدرة [2-4]. ويؤكد كل من معيار IEC 60601-2-2 ومعيار JJF 1217-2025 على ظروف الحمل المقنن وتردد التشغيل [5، 7]. تحلل هذه الورقة البحثية تأثير ظاهرة التلامس السطحي، والمعلمات الطفيلية، والاقتران الإشعاعي على دقة اختبار قدرة الخرج عند تردد 4 ميجاهرتز. ويُبين الشكل 1 منطق البحث.

الشكل 1: مسار تخطيطي لتكوين خطأ اختبار قدرة الخرج في وحدة جراحة كهربائية بتردد 4 ميجاهرتز

مشكلتان في اختبار الحمل المقدر إيك شنومكس-شنومكس-شنومكس

يُعدّ معيار IEC 60601-2-2 معيارًا خاصًا بالسلامة الأساسية والأداء الجوهري للأجهزة الجراحية عالية التردد وملحقاتها. وبموجب هذا الإطار المعياري، يُشترط عادةً إجراء اختبار أداء خرج وحدات الجراحة الكهربائية تحت أحمال محددة أو تحت الحمل المقنن المُعلن عنه من قِبل الشركة المصنعة. كما يُشير نطاق تردد التشغيل 0.3-5.0 ميجاهرتز الذي يغطيه معيار JJF 1217-2025 إلى أن اختبار قدرة الخرج عند 4 ميجاهرتز يقع ضمن نطاق التردد الأساسي لممارسات معايرة الترددات العالية [7].

بالنسبة لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد، لا يُعد الحمل المقنن مجرد ملحق اختبار، بل هو شرط أساسي يُحدد حالة خرج الجهاز. على سبيل المثال، إذا أعلن جهاز ما عن خرج طاقة قدره 100 واط تحت حمل 500 أوم، فإن حمل 500 أوم ليس مجرد مقام في معادلة حساب الطاقة، بل هو جزء من نقطة تشغيل خرج الطاقة المقنن لتلك الوحدة. إذا كان ما يُسمى بحمل 500 أوم يتصرف فعليًا على أنه 500 أوم + jX عند تردد 4 ميجاهرتز، أو إذا تغيرت قيمة معاوقته وزاوية طوره مع ارتفاع درجة الحرارة وطريقة التوصيل، فإن الجهاز قيد الاختبار لم يعد يعمل في ظل ظروف الحمل المقنن المثالية.

يفترض نموذج الاختبار التقليدي عادةً أن مقاومة الحمل مقاومة مثالية، وأن الجهد والتيار متوافقان في الطور، وأن الحمل يمتص كامل طاقة الخرج. ويمكن كتابة النموذج على النحو التالي:

P = U^2 / R أو P = I^2R

حيث تُعتبر R مقاومة مثالية خالصة. ومع ذلك، بالنسبة لوحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز، يفترض هذا النموذج ضمنيًا أن مقاومة الحمل عند 4 ميجاهرتز تظل مساوية لقيمتها الاسمية للتيار المستمر، وأن الحمل لا يحتوي على حث أو سعة طفيلية كبيرة، وأنه يمكن تجاهل فرق طور الجهد والتيار، وأن حلقة الاختبار لا تولد إشعاعًا كهرومغناطيسيًا كبيرًا، وأن طاقة الخرج تُبدد بالكامل تقريبًا في مقاومة الحمل.

في الاختبارات الفعلية، يصعب في كثير من الأحيان تحقيق هذه الافتراضات بشكل كامل. لذلك، يجب تحويل اختبار قدرة الخرج لوحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز من "اختبار الحمل المثالي" إلى "اختبار الحمل المركب عالي التردد"، كما هو موضح في الشكل 2.

3- تأثير تأثير الجلد المقاوم على الحمل المقنن

3.1 الآلية الأساسية لتأثير الجلد

يشير تأثير السطح إلى ظاهرة تركز التيار تدريجيًا بالقرب من سطح الموصل عند مرور تيار متردد فيه مع ازدياد التردد، مما يقلل كثافة التيار داخل الموصل. ونتيجة لذلك، تقل مساحة المقطع العرضي الموصل الفعال، وتصبح مقاومة التيار المتردد أعلى من مقاومة التيار المستمر. ويمكن التعبير عن عمق السطح كما يلي:

δ = جذر[2ρ / (ωμ)]

حيث δ هي عمق الاختراق، وρ هي مقاومة المادة، وω هي التردد الزاوي، وμ هي نفاذية المادة، وω = 2πf. عندما يرتفع التردد إلى 4 ميجاهرتز، يصبح توزيع التيار مختلفًا بشكل ملحوظ عن حالة التيار المستمر. بالنسبة للأطراف المعدنية، وألواح التوصيل، وطبقات الأغشية المقاومة، والأسلاك، والهياكل الموصلة في مقاومات الأحمال عالية القدرة، يُغير تأثير الاختراق توزيع التيار، وبالتالي يُغير المقاومة المكافئة للتيار المتردد. إذا استُخدمت المقاومة الاسمية للتيار المستمر وحدها كأساس لحساب القدرة، فسيتم تجاهل تأثير المقاومة المعتمدة على التردد على امتصاص قدرة الحمل.

3.2 الفرق بين المقاومة الاسمية للتيار المستمر ومقاومة التيار المتردد عالي التردد

في ظروف التيار المستمر، يمكن التعبير عن مقاومة الحمل المقننة بالمعادلة R = Rdc، حيث Rdc هي المقاومة الاسمية للتيار المستمر. أما في ظروف التردد العالي 4 ميجاهرتز، فيجب التعبير عن مقاومة الحمل المقننة بالمعادلة R = Rac(f)، حيث Rac(f) هي المقاومة المكافئة للتيار المتردد التي تعتمد على التردد. ونظرًا لتأثيرات السطح والتقارب وبنية الموصل، فإن Rac غالبًا لا تساوي Rdc.

بعد دراسة المعايير الطفيلية بشكل أعمق، ينبغي التعبير عن الحمل على النحو التالي:

Zload(f) = Rskin(f) + jX(f)

حيث تمثل Rskin(f) مُكوّن المقاومة المكافئ المتأثر بظاهرة الجلد، بينما تمثل X(f) مُكوّن المفاعلة الناتج عن الحث والسعة الطفيليين. هذا يعني أن حملاً اسمياً بقيمة 500 أوم قد لا يُعادل مقاومة 500 أوم خالصة عند تردد 4 ميجاهرتز. إذا استمر محلل الجراحة الكهربائية في حساب القدرة بناءً على حمل مثالي بقيمة 500 أوم، فسيحدث خطأ منهجي.

لذا، لا ينبغي أن يقتصر ملصق الحمل المقنن على ذكر القيمة الاسمية للتيار المستمر، مثل "500 أوم"، بل يجب أن يتضمن أيضًا مقدار المعاوقة عند تردد 4 ميجاهرتز، وزاوية الطور، وانحراف ارتفاع درجة الحرارة عند القدرة المقننة، وطريقة التوصيل الموصى بها. بالنسبة لوحدات الحمل المستخدمة في اختبارات النوع أو عمليات الفحص من قبل جهات خارجية، يجب أيضًا الاحتفاظ بسجلات مسح التردد لدعم إمكانية تتبع نتائج الاختبار وتكرارها.

3.3 تأثير الجلد على اختبار القدرة

في الظروف المثالية، تكون القدرة P = U² / Rdc. أما في ظروف الترددات العالية، فتكون P = U² / Rac. إذا كانت Rac > Rdc، فإن القدرة الفعلية التي يمتصها الحمل عند نفس الجهد ستكون أقل من القدرة المحسوبة باستخدام Rdc. إذا لم يتمكن المحلل من رصد هذا التغيير، فقد تكون القدرة المعروضة أعلى من القدرة الفعالة الفعلية. في الوقت نفسه، لا تُعد وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد مصدر جهد مثاليًا بحد ذاتها. إذ تؤثر تغيرات مقاومة الحمل على نقطة تشغيل مرحلة الإخراج، مما يؤدي إلى تغير جهد الخرج والتيار والقدرة. لذلك، لا يؤثر تأثير السطح على حساب القدرة فحسب، بل يؤثر أيضًا على حالة الخرج الفعلية للعينة قيد الاختبار.

4- تأثير شكل المقاومة على المعاملات الطفيلية

4.1 الدور الحاسم لشكل المقاومة في خصائص الترددات العالية

في اختبارات الترددات المنخفضة أو التيار المستمر، يمكن عادةً اعتبار المقاومات ذات الأشكال الهيكلية المختلفة متشابهة وظيفيًا طالما أن قيم مقاومتها الاسمية متطابقة. أما في اختبارات الترددات العالية عند 4 ميجاهرتز، فإن شكل المقاومة هو الذي يحدد سلوكها عند الترددات العالية. فقد تُظهر المقاومات السلكية، والمقاومات الأسمنتية، والمقاومات ذات الأغشية المعدنية، والمقاومات غير الحثية ذات الأغشية السميكة، وأحمال الترددات الراديوية المحورية ذات المقاومة الاسمية نفسها، قيمًا مختلفة تمامًا للممانعة، وزوايا الطور، والاستقرار عند 4 ميجاهرتز.

الجدول 1: مقارنة خصائص الترددات العالية لأشكال المقاومات المختلفة عند 4 ميجاهرتز

4.2 مصادر وتأثير الحث الطفيلي

ينشأ الحث الطفيلي بشكل رئيسي من بنية ملفات المقاومات السلكية، وأطراف المقاومات، وأسلاك توصيل الأحمال، والتجهيزات والمحطات الطرفية، ومسارات لوحة الدوائر المطبوعة، ومنطقة حلقة الحمل، ومسارات التيار في مشتتات الحرارة وهياكل التثبيت. أما المفاعلة الحثية فهي:

XL = 2πfL

عند تردد 4 ميجاهرتز، حتى الحث الطفيلي الصغير قد يؤثر بشكل كبير على نتيجة الاختبار. على سبيل المثال، عند وجود حث إضافي في حلقة الحمل، لا يعود الحمل يتصرف كمقاومة خالصة، بل يُظهر خصائص حثية. وينتج عن ذلك فرق في الطور بين الجهد والتيار. إذا استمر المحلل في حساب القدرة باستخدام نموذج المقاومة الخالصة، فسيتم تجاهل تأثير القدرة التفاعلية على القراءة.

4.3 مصادر وتأثير السعة الطفيلية

تنشأ السعة الطفيلية بشكل رئيسي بين جسم المقاوم ومشتت الحرارة، وبين أطراف المقاوم، وبين المقاوم والهيكل المعدني، وبين طرف الإخراج والأرضي، وبين رقائق النحاس في لوحة الدوائر المطبوعة، وبين الكابلات والهياكل المعدنية المحيطة. أما المفاعلة السعوية فهي:

XC = 1 / (2πfC)

عند تردد 4 ميجاهرتز، قد توفر السعة الطفيلية مسارًا جانبيًا للتيار عالي التردد، مما يؤدي إلى عدم مرور جزء من التيار بالكامل عبر مقاومة الحمل المثالية. ينتج عن ذلك توزيع لتيار الحمل لا يتوافق مع النموذج النظري، كما يتسبب في عدم قدرة إشارات الجهد والتيار التي يلتقطها محلل الجراحة الكهربائية على تمثيل الطاقة الفعالة التي تمتصها مقاومة الحمل بدقة.

4.4 تحويل الحمل المقنن إلى شبكة RLC بسبب شكل المقاومة

باختصار، في ظل ظروف التردد العالي 4 ميجاهرتز، لا ينبغي التعبير عن الحمل المقنن ببساطة على أنه Zload = R. بل ينبغي التعبير عنه على النحو التالي:

Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)

حيث يمثل Rskin مقاومة التيار المتردد المتأثرة بتأثير الجلد، ويمثل Lparasitic الحث الطفيلي الناتج عن الهيكل والوصلات، ويمثل Cparasitic السعة الطفيلية المتكونة من المقاوم وهيكل تبديد الحرارة والكابلات والبيئة المحيطة.

5- اقتران الإشعاع تحت تأثير الإثارة الجراحية الكهربائية القوية عالية التردد

5.1 اختبار الجراحة الكهربائية ليس اختبار معاوقة الإشارة الصغيرة

عندما يقيس محلل المعاوقة أو محلل الشبكة الاتجاهية خصائص التردد العالي للمقاوم، فإنه يستخدم عادةً إشارة صغيرة للتحفيز. أما في الاختبارات الجراحية الكهربائية الفعلية، فيعمل الحمل تحت تأثير جهد عالٍ، وتيار عالٍ، وقدرة عالية، وإشارة غير جيبية. خاصةً في وضعيتي التخثير والتخثير بالرش، قد يتضمن الخرج تعديلًا نبضيًا، وجهد ذروة عالٍ، وتغيرات عابرة كبيرة. لذلك، تختلف حالة تشغيل الحمل في الاختبارات الجراحية الكهربائية الفعلية اختلافًا كبيرًا عن حالته في ظروف اختبار المعاوقة بإشارة صغيرة.

5.2 آلية تكوين إشعاع حلقة الاختبار

عند توصيل خرج وحدة الجراحة الكهربائية بحمل، يشكل سلك الخرج وسلك العودة ومقاومة الحمل والتركيب والمحلل معًا حلقة تيار عالية التردد. إذا كانت مساحة الحلقة كبيرة، أو كان المسار غير متماثل، أو كانت أسلاك التوصيل طويلة، فقد تُظهر الحلقة سلوكًا إشعاعيًا مشابهًا للهوائي. ينشأ اقتران الإشعاع بشكل رئيسي من زيادة مساحة حلقة التيار عالية التردد، والمسافة الكبيرة بين موصلات الخرج والعودة، وطول أسلاك الحمل، وهياكل الموصلات المكشوفة، والأحمال غير المحمية، واقتران المجال القريب بأسلاك أخذ العينات، والتغيرات في توزيع المجال الكهرومغناطيسي الناتجة عن الهياكل المعدنية المحيطة. من منظور التوافق الكهرومغناطيسي، يزيد هذا النوع من حلقات التيار عالية التردد المفتوحة من اقتران المجال القريب وقابلية الإشعاع [9].

5.3 تأثير اقتران الإشعاع على توازن الطاقة

من الناحية المثالية، يتم تبديد كل الطاقة الخارجة من وحدة الجراحة الكهربائية في مقاومة الحمل:

عبوس = تحميل

عند وجود إشعاع واقتران واضحين في حلقة الاختبار، يجب التعبير عن توازن الطاقة على النحو التالي:

Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss

حيث Pload هي الطاقة الفعلية التي يمتصها مقاوم الحمل، وPradiation هي فقدان الإشعاع لحلقة الاختبار، وPcoupling هي الطاقة المقترنة في غلاف المحلل، أو كابل أخذ العينات، أو هيكل التأريض، أو الأجسام المعدنية القريبة، وPloss هي الفقد الإضافي للكابلات والموصلات والمحطات الطرفية والهياكل الأخرى.

5.4 تأثير اقتران الإشعاع على قابلية تكرار الاختبار

يؤدي اقتران الإشعاع إلى جعل نتائج الاختبار شديدة الحساسية للظروف البيئية وظروف التشغيل. بالنسبة لنفس وحدة الجراحة الكهربائية، ونفس إعداد الطاقة، ونفس الحمل الاسمي، قد تظهر نتائج مختلفة عند تغيير طول كابل الإخراج، وطريقة انحناء الكابل، والمسافة بين الحمل والمحلل، وموضع الحمل، وطريقة التأريض، وقرب يد المشغل، وموضع الطاولة المعدنية المجاورة، ووجود أو عدم وجود هياكل الحماية.

6- تأثير التشوه عالي التردد عند الحمل المقنن على نقطة تشغيل الجهاز قيد الاختبار

لا يُعدّ جهاز الجراحة الكهربائية عالي التردد مصدرًا مثاليًا للجهد أو التيار. وترتبط قدرة خرجه بعلاقة توافق وتنظيم مع مقاومة الحمل. فعندما تتغير مقاومة الحمل المقدرة، تتغير حالة الخرج الفعلية للجهاز قيد الاختبار تبعًا لذلك.

بالنسبة لتصنيف مُعلن قدره 100 واط / 500 أوم / 4 ميجاهرتز، فإن حالة الاختبار المثالية هي مقاومة الحمل (Zload) = 500 أوم. في الاختبار الفعلي، وبسبب تأثير الجلد، والمعاملات الطفيلية، والاقتران الإشعاعي، قد يتصرف الحمل على النحو التالي:

Zactual = 520 Ω + j40 Ω

عند هذه النقطة، لم يعد الحمل الذي يراه الجهاز قيد الاختبار مقاومةً صافيةً قدرها 500 أوم. قد يؤدي ذلك إلى زيادة أو نقصان جهد خرج وحدة الجراحة الكهربائية، وتغير تيار الخرج، وتحول حالة مطابقة مرحلة الخرج، واختلاف القدرة الفعالة الفعلية عن القدرة في ظل ظروف الحمل المقنن الاسمي، وعدم اتساق القدرة المعروضة على المحلل مع القدرة الحقيقية الممتصة من الحمل. في نهاية المطاف، يؤثر ذلك على أساس الحكم على قدرة الخرج المقننة وفقًا للمعيار IEC 60601-2-2.

تجدر الإشارة إلى أن الخطأ الناتج عن تغير الحمل ذو طبيعة مزدوجة. فمن جهة، تنحرف القراءات التي يتم الحصول عليها من سلسلة أخذ عينات الجهد والتيار عن القدرة الفعالة الحقيقية. ومن جهة أخرى، يتغير تنظيم القدرة أو حالة مطابقة الجهاز قيد الاختبار. لذا، يجب أن لا يقتصر تحليل الخطأ اللاحق على تصحيح قيمة العرض على جهاز التحليل فحسب، بل يجب أن يتأكد أيضًا من بقاء العينة قيد الاختبار عند نقطة التشغيل المحددة للحمل المقنن.

7. نموذج مكافئ شامل

لوصف نظام اختبار الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز بدقة أكبر، يمكن نمذجة مقاومة الحمل المقنن بالرجوع إلى منهجية نمذجة المعاوقة المركبة المستخدمة في هندسة الترددات العالية. ويمكن اعتبار الحمل المقنن حملاً كهرومغناطيسياً مركباً يتأثر بشكل مشترك بالتردد والطاقة ودرجة الحرارة والهندسة [10].

Zactual(f, P, T, G) = Rdc + ΔRskin(f) + ΔRthermal(P,T) + jωLparasitic(G) + 1/(jωCparasitic(G)) + Zradiation(f,G)

حيث f هي تردد التشغيل، وP هي قدرة الخرج، وT هي درجة حرارة الحمل، وG هي هندسة المقاومة وبنية حلقة الاختبار. Rdc هي المقاومة الاسمية للتيار المستمر؛ ΔRskin(f) هو تغير مقاومة التيار المتردد الناتج عن تأثير الجلد؛ ΔRthermal(P,T) هو انحراف المقاومة الناتج عن ارتفاع القدرة ودرجة الحرارة؛ Lparasitic(G) هو الحث الطفيلي الناتج عن البنية والتوصيل؛ Cparasitic(G) هو السعة الطفيلية الناتجة عن البنية والبيئة؛ وZradiation(f,G) هو المصطلح المكافئ للاقتران الإشعاعي.

ينبغي حساب القدرة الفعالة الفعلية باستخدام تكامل القدرة اللحظية:

Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

بالنسبة للموجات غير الجيبية والمعدلة والنبضية، تُعد هذه الطريقة أكثر منطقية من حساب U²/R البسيط لأنها تأخذ في الاعتبار موجات الجهد والتيار بالإضافة إلى علاقة الطور. يوضح الشكل 7 النموذج المكافئ الشامل.

في التطبيقات الهندسية، يمكن استخدام مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة الاتجاهي لمسح المعاوقة عند ترددات 1 و2 و3 و4 و5 ميجاهرتز، واستخراج معلمات مثل R وLp وCp، وإنشاء قاعدة بيانات للأحمال. في اختبار القدرة عند تردد 4 ميجاهرتز، يمكن دمج قاعدة البيانات هذه مع نتائج أخذ عينات الجهد والتيار المتزامنة لتصحيح تأثيرات المعاوقة المركبة وفرق الطور على حساب القدرة الفعالة [3]. في الوقت نفسه، تُظهر دراسات محللات الجراحة الكهربائية القائمة على راسم الإشارة أن الحصول على شكل الموجة بنطاق ترددي عالٍ يمكن استخدامه لمراقبة شكل موجة الخرج والتردد ومعلمات القدرة بشكل متزامن، مما يدعم تقييم القدرة للمخرجات غير الجيبية أو المعدلة نبضيًا [4].

8- مخطط التحقق التجريبي

8.1 اختبار معاوقة 4 ميجاهرتز لأشكال مختلفة من المقاومات

تهدف هذه التجربة إلى التحقق مما إذا كانت أشكال المقاومات المختلفة ذات المقاومة الاسمية نفسها تُظهر اختلافات في المعاوقة عند تردد 4 ميجاهرتز. تشمل عناصر الاختبار مقاومات الطاقة السلكية، ومقاومات الأسمنت، ومقاومات الطاقة العالية العامة، ومصفوفات المقاومات ذات الأغشية المعدنية، ومقاومات الأغشية السميكة غير الحثية، وأحمال الترددات الراديوية المحورية. تشمل معايير الاختبار مقاومة التيار المستمر (Rdc)، وقيمة المعاوقة عند تردد 4 ميجاهرتز (|Z|)، وزاوية الطور عند تردد 4 ميجاهرتز (θ)، والمقاومة التسلسلية المكافئة (ESR)، والحث التسلسلي المكافئ (ESL)، والسعة المتوازية المكافئة (EPC)، وتغيرات المعاوقة قبل التسخين وبعده.

8.2 اختبار انحراف الحمل تحت تأثير الإثارة الجراحية الكهربائية عالية التردد

تهدف هذه التجربة إلى التحقق مما إذا كان الحمل يتغير ديناميكيًا تحت تأثير إثارة قوية فعلية من وحدة جراحة كهربائية بتردد 4 ميجاهرتز. وتتمثل الطريقة المقترحة في ضبط وحدة الجراحة الكهربائية على أوضاع الإخراج النموذجية، وتوصيل أنواع مختلفة من أحمال 500 أوم أو الحمل المقنن المعلن عنه من قبل الشركة المصنعة، وتسجيل تغيرات درجة حرارة الحمل ومقاومته قبل الإخراج وبعد 10 ثوانٍ و30 ثانية و60 ثانية من الإخراج، ومقارنة انحراف قراءة الطاقة بين هياكل الأحمال المختلفة.

8.3 تجربة اقتران الإشعاع في حلقة الاختبار

تهدف هذه التجربة إلى التحقق من تأثير إشعاع حلقة الاختبار والاقتران على قراءات الطاقة. تشمل المتغيرات طول سلك الإخراج، والمسافة بين موصلات الإخراج والعودة، ونوع السلك (سلك عادي/زوج ملتوي/كابل محوري)، ونوع الحمل (حمل مفتوح/حمل محمي)، والمسافة بين الحمل والمحلل، وطريقة التأريض، وظروف مراقبة المجال القريب. تشمل المعلمات المسجلة الطاقة المعروضة على المحلل، وشكل موجة الجهد، وشكل موجة التيار، وفرق الطور، وشدة إشعاع المجال القريب، وخطأ التكرارية، ونتيجة تكامل الطاقة اللحظية.

8.4 تجربة التحقق من بنية التحميل المُحسَّنة

تهدف هذه التجربة إلى التحقق مما إذا كان التصميم ذو الحث المنخفض، والمحوري، والمحمي يُحسّن دقة الاختبار. ويمكن مقارنة أربعة مخططات: سلك عادي مع مقاومة عادية، وسلك قصير مع مقاومة غير حثية، ووصلة محورية مع حمل غير حثي، وحمل ترددات لاسلكية محوري مع بنية حماية. وتشمل مؤشرات التقييم خطأ القدرة، والتكرارية، وزاوية الطور، وارتفاع درجة حرارة الحمل، وشدة الإشعاع في المجال القريب.

8.5 التحقق من مسح المعاوقة والتعويض الديناميكي

تهدف هذه التجربة إلى التحقق مما إذا كان توصيف المعاوقة عالي التردد والتعويض الديناميكي يُحسّنان دقة اختبار القدرة. يمكن اختيار حمل مرجعي دقيق بقيمة 500 أوم وأحمال هيكلية مختلفة لاختبار مقدار المعاوقة وزاوية الطور وانحراف درجة الحرارة في نطاق 1-5 ميجاهرتز. بعد ذلك، يمكن إجراء أخذ عينات متزامنة للجهد والتيار عند 4 ميجاهرتز في ظل ظروف قدرة خرج نموذجية لمقارنة قراءات القدرة وخطأ الطور وقابلية التكرار قبل التعويض وبعده. يمكن دمج جزء أخذ العينات المتزامن مع مفهوم محلل راسم الإشارة لتسجيل أشكال الموجات غير الجيبية، وأشكال الموجات المُعدّلة نبضيًا، وأشكال الموجات ذات عامل الذروة العالي على مستوى شكل الموجة. يجب ألا تعتمد التجربة على قراءة قدرة واحدة كمعيار وحيد؛ بل يجب أيضًا تسجيل موضع الحمل ومسار الكابل وطريقة التأريض وظروف الحماية.

9 توصيات لتحسين نظام الاختبار

9.1 يجب معايرة الأحمال المقدرة عند 4 ميجاهرتز

بالنسبة لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد بتردد 4 ميجاهرتز، يجب ألا يقتصر دور مقاومة الحمل المقدرة على توفير نتائج معايرة مقاومة التيار المستمر فحسب، بل يجب أن توفر أيضًا معلمات التردد العالي عند تردد التشغيل، بما في ذلك مقدار المعاوقة عند 4 ميجاهرتز، وزاوية الطور عند 4 ميجاهرتز، والمقاومة التسلسلية المكافئة، والحث التسلسلي المكافئ، والسعة المتوازية المكافئة، وانحراف ارتفاع درجة الحرارة عند القدرة المقدرة، وعدم اليقين في القياس، وطريقة التوصيل الموصى بها.

البيانات الموصى بها: 500 أوم، |Z| عند 4 ميجاهرتز = xxx أوم، زاوية الطور = xx°، القدرة المقدرة = xxx واط، انحراف ارتفاع درجة الحرارة = xx%، عدم اليقين = xx%.

9.2 يُفضل استخدام الأحمال غير الحثية أو المحورية ذات الحث المنخفض

ينبغي تجنب استخدام المقاومات السلكية الملفوفة والمقاومات عالية القدرة ذات البنية غير الواضحة في اختبارات الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز. تشمل الخيارات الموصى بها المقاومات غير الحثية ذات الأغشية السميكة، ومصفوفات المقاومات المعدنية ذات الحث المنخفض، وأحمال الترددات الراديوية المحورية، والأحمال غير الحثية المبردة بالزيت أو الماء، وهياكل الأحمال ذات مساحة الحلقة الصغيرة، ووحدات الأحمال المحمية.

9.3 يجب التحكم في اقتران الإشعاع في حلقة الاختبار

يُوصى بتقريب موصلات الإخراج والعودة قدر الإمكان، وتفضيل التوصيل المحوري، وتقليل طول الكابل، وتجنب الحلقات المفتوحة واسعة المساحة، واستخدام غلاف معدني محمي لوحدة التحميل، وفصل أسلاك أخذ العينات عن خطوط الطاقة أو حمايتها منها، وتوحيد التأريض، وتثبيت مواقع الكابلات، واستخدام مجسات المجال القريب عند الضرورة لمراقبة إشعاع حلقة الاختبار. يوضح الشكل 11 بنية النظام المُحسَّنة.

9.4 ينبغي استخدام التكامل اللحظي للطاقة لحساب الطاقة

بالنسبة لوحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز، وخاصةً في وضعَي الإخراج المُعدَّل والإخراج النبضي، لا يُنصح بالاعتماد فقط على المعادلة P = U²/R. الطريقة الأنسب هي الحصول على أشكال موجات الجهد والتيار بشكل متزامن وحساب Pactive = (1/T)∫u(t)i(t)dt. تأخذ هذه الطريقة في الحسبان فرق الطور، وأشكال الموجات غير الجيبية، والتغيرات العابرة، وهي أكثر ملاءمة لتقييم قدرة الخرج الفعلية لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد.

9.5 ملخص مصادر أخطاء الاختبار ومدى انطباقها

الجدول 2: ملخص مصادر الخطأ في اختبار قدرة الخرج لوحدات الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز

9.6 يجب أن تسجل تقارير الاختبار ظروف التحميل المكافئة

يُوصى بأن يتضمن تقرير الاختبار أيضًا تسجيل مقاومة التيار المستمر للحمل المقنن، وقيمة المعاوقة عند تردد 4 ميجاهرتز، وزاوية الطور، وطول سلك التوصيل، وطريقة الحماية، وارتفاع درجة حرارة الحمل، وتاريخ المعايرة. بالنسبة لأنماط الإخراج المُعدَّلة أو النبضية، يجب أن يُحدد التقرير أيضًا ما إذا كان حساب الطاقة يستخدم نموذج القيمة الفعالة الحقيقية، أو نموذج U²/R، أو نموذج تكامل الجهد والتيار المتزامن. تُساعد هذه السجلات في مقارنة النتائج بين مختلف المختبرات، وأجهزة تحليل الجراحة الكهربائية المختلفة، وهياكل الأحمال المختلفة.

10 مناقشة

تتمحور الفكرة الأساسية لهذه الورقة البحثية حول أن خطأ الاختبار في وحدات الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز لا يُعزى ببساطة إلى عدم دقة محلل الجراحة الكهربائية. ففي ظل الإثارة عالية التردد والطاقة، أصبحت مقاومة الحمل المقدرة في نظام الاختبار عاملاً رئيسياً يؤثر على نتائج الاختبار. وبالمقارنة مع الدراسات الحالية التي تعتمد على التعويض الديناميكي ودراسات المحللات القائمة على راسم الإشارة، تُركز هذه الورقة بشكل أكبر على علاقة الترابط بين الحمل نفسه، وحلقة الاختبار، ونقطة تشغيل الجهاز قيد الاختبار، وتعتبر تكافؤ الحمل شرطاً أساسياً لاختبار الطاقة بدقة.

أولًا، يؤدي تأثير الجلد إلى انحراف المقاومة المكافئة للتيار المتردد للمقاوم عن قيمتها الاسمية للتيار المستمر. عند خرج عالي التردد يبلغ 4 ميجاهرتز، يصبح توزيع التيار غير منتظم، وقد تُحدث أطراف المقاوم وألواح التوصيل وطبقات الفيلم المقاوم تغيرات في مقاومة التيار المتردد. ثانيًا، يُحدد شكل المقاوم المعاملات الطفيلية. قد تمتلك المقاومات السلكية الملفوفة، والمقاومات الأسمنتية، والمقاومات ذات الأغشية السميكة، والأحمال المحورية نفس مقاومة التيار المستمر، لكن زوايا الطور، وقيم المعاوقة، وخصائص الإشعاع عند 4 ميجاهرتز تختلف اختلافًا كبيرًا. لذلك، لا تعني المقاومة الاسمية المتطابقة تطابقًا في تكافؤ الحمل عالي التردد.

ثالثًا، تُعدّ وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد مصدرًا قويًا للإثارة عالية التردد. أثناء الاختبار الفعلي، لا يتحمل الحمل إشارات عالية التردد فحسب، بل يتحمل أيضًا جهدًا عاليًا، وتيارًا عاليًا، وتعديلًا نبضيًا، وإجهادًا حراريًا. قد تُنتج حلقة الاختبار إشعاعًا واقترانًا في المجال القريب، مما يؤدي إلى عدم تبديد جزء من الطاقة بالكامل في مقاومة الحمل. أخيرًا، لا يؤثر تشوه الحمل المقنن على قراءات المحلل فحسب، بل يؤثر أيضًا على نقطة التشغيل الفعلية لوحدة الجراحة الكهربائية قيد الاختبار. إذا أعلن المُصنِّع عن خرج طاقة مقنن عند 500 أوم، ولكن 500 أوم في نظام الاختبار تُصبح في الواقع مُعاوقة مُركبة تعتمد على التردد، فإن الجهاز قيد الاختبار لم يعد في حالة الحمل المقنن بالمعنى المطلوب في المعيار. لذلك، قد يحتوي حكم طاقة الخرج الناتج على انحياز منهجي.

وبالتالي، ينبغي توسيع نطاق اختبار وحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز من "دقة قراءات الجهاز" إلى تقييم شامل لتكافؤ الحمل، والتوافق الكهرومغناطيسي للحلقة، وطريقة قياس الطاقة.

الاستنتاجات 11

تقوم هذه الورقة بتحليل مشاكل دقة البيانات بشكل منهجي في اختبار طاقة خرج الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز من ثلاثة منظورات: تأثير الجلد المقاوم، والشكل الهيكلي المقاوم، والاقتران الإشعاعي في حلقة الاختبار تحت تأثير الإثارة الجراحية الكهربائية عالية التردد.

تُظهر الدراسة أنه في ظل ظروف التردد العالي 4 ميجاهرتز، لا ينبغي اعتبار مقاومة الحمل المقننة مقاومةً مثاليةً خالصة. فبسبب تأثير الجلد، قد تنحرف المقاومة المكافئة للتيار المتردد عن القيمة الاسمية للتيار المستمر. كما يُدخل الحمل، بتأثير شكل المقاومة وبنية التركيب، حثًا طفيليًا وسعةً طفيلية. وعند تعرضه لإثارة جراحية كهربائية قوية عالية التردد، قد تُولّد حلقة الاختبار إشعاعًا كبيرًا، واقترانًا، وفقدًا إضافيًا. تُحوّل هذه العوامل مجتمعةً الحمل المقنن من نموذج R بسيط إلى نموذج حمل كهرومغناطيسي مُركّب عالي التردد.

لا تؤثر هذه المشكلة على قراءة الطاقة لجهاز تحليل الجراحة الكهربائية فحسب، بل تؤثر أيضًا على حالة الحمل الفعلية التي تتعرض لها وحدة الجراحة الكهربائية قيد الاختبار، مما يؤدي إلى انحرافها عن حالة الحمل المقننة المعتمدة في اختبار IEC 60601-2-2. لذا، فإن جوهر خطأ اختبار الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز ليس مجرد خطأ في الجهاز، بل هو خطأ منهجي يتشكل بشكل مشترك من مقاومة الحمل، وحلقة الاختبار، والعينة قيد الاختبار.

لتحسين دقة وقابلية تكرار اختبار قدرة خرج الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز، يُوصى بمعايرة مقاومة الحمل المقدرة لممانعة عالية التردد بتردد 4 ميجاهرتز، واستخدام مقاومات غير حثية منخفضة الحث أو أحمال ترددات لاسلكية محورية، والتحكم في مساحة حلقة الاختبار، وتقليل الكابلات المكشوفة والاقتران الإشعاعي، ومراقبة ارتفاع درجة حرارة الحمل وانحراف الممانعة، وإنشاء قاعدة بيانات لمعلمات الحمل باستخدام مقياس LCR عالي التردد أو محلل شبكة متجهي. في تقرير الاختبار، يجب تسجيل ممانعة الحمل، وزاوية الطور، وطريقة التوصيل، وشروط التحكم في الإشعاع، وحساب القدرة الفعالة باستخدام أخذ عينات متزامنة للجهد والتيار وتكامل القدرة اللحظي.

باختصار، فقط من خلال تقييم مقاومة الحمل المقدرة على أنها "حمل كهرومغناطيسي مركب عند تردد التشغيل 4 ميجاهرتز" بدلاً من مجرد "قيمة اسمية للتيار المستمر" يمكن أن ينعكس أداء الإخراج الحقيقي لوحدة الجراحة الكهربائية بتردد 4 ميجاهرتز بشكل أكثر دقة، ويمكن تحسين موثوقية وقابلية مقارنة نتائج اختبار IEC 60601-2-2.

ملاحظة: إنّ عدم مثالية الأحمال عالية التردد بتردد 4 ميجاهرتز والاقتران الإشعاعي ينطوي على مجالات كهرومغناطيسية عالية التردد، وخصائص المواد، واقتران نظام الاختبار، ولذلك لا يزال يتطلب مزيدًا من البحث. تستند هذه الورقة إلى تحديد المشكلة والتحقق الهندسي في أعمال الفحص الفعلية، وتهدف إلى اقتراح أفكار تحليلية قابلة للتطبيق وتدابير تحسينية. نظرًا للقيود في ظروف البحث والفهم، فإن أي قصور قابل للنقد والتصحيح من قبل الخبراء والأقران.

مراجع حسابات

[1] تشين كونغ. اختبار قدرة الخرج لمعدات الجراحة عالية التردد [J]. الأجهزة الطبية الصينية، 2016، 31(3): 139-141.

[2] لي مينغ، غو تشيغانغ، تشو يوانيوان. اختبار القدرة وتحسين مقاومة الحمل لوحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد [J]. المعدات الطبية الصينية، 2025، 22(11).

[3] ليو فالين، تشيانغ شياولونغ، دينغ شيانغوين، تشن تشانغيان، تشانغ تشاو. طريقة التعويض الديناميكي لأجهزة اختبار وحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد بناءً على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة [J/OL]. معلومات الأجهزة الطبية الصينية، 2025، 31(17): 37-40.

[4] شان تشاو، تشيانغ شياولونغ، ليو جيمينغ، تشانغ تشاو. بحث حول أجهزة تحليل الجراحة الكهربائية عالية التردد القائمة على راسمات الذبذبات [J/OL]. العلوم القياسية، 2025(13).

[5] اللجنة الكهروتقنية الدولية. IEC 60601-2-2:2017 المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-2: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمعدات الجراحة عالية التردد وملحقاتها [S]. جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.

[6] اللجنة الوطنية للصحة في جمهورية الصين الشعبية. WS/T 602-2018 إدارة السلامة لوحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد [S]. بكين: دار النشر الصينية للمعايير، 2018.

[7] الهيئة الحكومية لتنظيم السوق. JJF 1217-2025 مواصفات معايرة وحدات الجراحة عالية التردد [S]. بكين: دار النشر الصينية للمعايير، 2025.

[8] الإدارة الوطنية للمنتجات الطبية. معلومات معيارية عامة تتعلق باعتماد IEC 60601-2-2:2017 للمعدات الجراحية عالية التردد والملحقات الجراحية عالية التردد [EB/OL].

[9] بول سي آر. مقدمة في التوافق الكهرومغناطيسي [M]. الطبعة الثانية. هوبوكين: وايلي، 2006.

[10] بوزار د م. هندسة الميكروويف [M]. الطبعة الرابعة. هوبوكين: وايلي، 2011.