Einfluss der Hochfrequenz-Nichtidealität des Nennlastwiderstands und der Strahlungskopplung auf die Genauigkeit der Ausgangsleistungsmessung von 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten

DENG Sha¹, ZHANG Chao², WU Shaohai¹ Korrespondierender Autor: FAN Xiang¹

1. Institut für Qualitätsüberwachung und Inspektion von Medizinprodukten Guangdong, Nr. 1 Guangpu West Road, Huangpu District, Guangzhou, Guangdong 510663, China
2. KingPo Technology Development Limited, Nr. 9 University Road, Songshan Lake, Dongguan, Guangdong 523869, China

Zusammenfassung: Bei der Messung von Ausgangsleistung, Spannung und Stromstärke von 4-MHz-Hochfrequenz-Elektrochirurgiegeräten mit herkömmlichen Elektrochirurgie-Analysatoren treten häufig Probleme wie unzureichende Datenreproduzierbarkeit, große Abweichungen zwischen den Messgeräten und eine instabile Bestimmung der Nennausgangsleistung auf. Konventionelle Analysen führen diese Probleme üblicherweise auf eine unzureichende Abtastbandbreite, Fehler im RMS-Algorithmus oder eine Fehlanpassung der Kalibrierfrequenz des Analysators zurück. Bei 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten liegt die Ursache des Messfehlers jedoch nicht allein im Messgerät selbst. Sie hängt auch eng mit den nicht-idealen elektromagnetischen Eigenschaften des Nennlastwiderstands unter hochfrequenter und leistungsstarker Anregung zusammen. Diese Arbeit analysiert den Verzerrungsmechanismus des Nennlastwiderstands bei 4-MHz-Tests aus drei Perspektiven: Skin-Effekt des Widerstands, Widerstandsstruktur und Strahlungskopplung im Testkreis unter starker elektrochirurgischer Anregung. Die Studie zeigt, dass die herkömmliche Annahme, der Nennlastwiderstand sei ein idealer, reiner Widerstand, bei 4 MHz nicht ausreichend gültig ist. Beeinflusst durch den Skin-Effekt kann der Wechselstrom-Ersatzwiderstand vom Gleichstrom-Nennwert abweichen. Die Last kann, beeinflusst durch Widerstandsgeometrie, Anschlussstruktur, Montageart und Wärmeableitung, parasitäre Induktivität und Kapazität aufweisen. Bei Hochspannung, hohem Strom, nicht-sinusförmiger oder pulsmodulierter Ausgangsanregung kann die Prüfschleife zudem signifikante elektromagnetische Strahlung, Nahfeldkopplung und zusätzliche Leistungsverluste erzeugen. IEC 60601-2-2 ist die Norm für die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Hochfrequenz-Chirurgiegeräten und -Zubehör. Die Ausgangsleistungsprüfung von elektrochirurgischen Geräten erfolgt üblicherweise unter spezifizierten Lastbedingungen oder unter der vom Hersteller angegebenen Nennlast. Daher beeinflussen die Authentizität und Reproduzierbarkeit der Lastbedingungen die Zuverlässigkeit der Prüfergebnisse unmittelbar. In diesem Beitrag wird vorgeschlagen, den Nennlastwiderstand für die Prüfung von 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten von einem herkömmlichen Gleichstrom-Nennwiderstandsmodell in ein Hochfrequenz-Kompositlastmodell umzuwandeln, das Skin-Effekt, parasitäre Parameter, thermische Drift und Strahlungskopplung umfassend berücksichtigt. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit werden induktionsarme, nicht-induktive Lasten oder koaxiale HF-Lasten, eine 4-MHz-Impedanzkalibrierung der Nennlast, eine kontrollierte Testschleifenfläche und Strahlungskopplung, eine synchrone Spannungs-Strom-Abtastung sowie eine momentane Leistungsintegration zur Wirkleistungsberechnung empfohlen.

Schlüsselwörter: 4-MHz-Elektrochirurgiegerät; Nennlastwiderstand; Skin-Effekt; Widerstandsform; Strahlungskopplung; IEC 60601-2-2; Elektrochirurgie-Analysator; Ausgangsleistungsprüfung

Chinesische Bibliotheksklassifikationsnummer: R318.6 Dokumentcode: A DOI: wird von der Redaktion vervollständigt
Manuskript eingegangen: wird von der Redaktion vervollständigt. Autorenbiografie: DENG Sha, E-Mail: ; Korrespondierender Autor: FAN Xiang, E-Mail: .

1 Beidhändige Rückhand: Einleitung

Die Ausgangsleistung eines Hochfrequenz-Elektrochirurgiegeräts steht in direktem Zusammenhang mit der Schneidleistung, der Koagulationswirkung und der Patientensicherheit [1]. Im Vergleich zu herkömmlichen Elektrochirurgiegeräten reagieren 4-MHz-Geräte empfindlicher auf Lastimpedanz, Anschlusskabel und die Konstruktion der Vorrichtung. Frühere Studien haben gezeigt, dass Lastimpedanz im MHz-Bereich, dynamische Kompensation und Signalformerfassung die Leistungsmessung beeinflussen können [2–4]. Sowohl IEC 60601-2-2 als auch JJF 1217-2025 betonen die Bedeutung von Nennlast und Betriebsfrequenz [5,7]. Diese Arbeit analysiert den Einfluss des Skin-Effekts, parasitärer Parameter und der Strahlungskopplung auf die Genauigkeit der Ausgangsleistungsmessung bei 4 MHz. Die Vorgehensweise ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Schematischer Ablauf der Fehlerentstehung bei der Ausgangsleistungsmessung eines 4-MHz-Elektrochirurgiegeräts

2 Probleme bei der Nennlastprüfung unter IEC 60601-2-2

IEC 60601-2-2 ist eine Norm für die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Hochfrequenz-Chirurgiegeräten und -Zubehör. Gemäß dieser Norm müssen Leistungsprüfungen von elektrochirurgischen Geräten üblicherweise unter festgelegten Lasten oder unter der vom Hersteller angegebenen Nennlast durchgeführt werden. Der von JJF 1217-2025 abgedeckte Betriebsfrequenzbereich von 0.3–5.0 MHz zeigt zudem, dass die Prüfung der Ausgangsleistung bei 4 MHz bereits im Kernfrequenzbereich der Hochfrequenzkalibrierung liegt [7].

Bei einem Hochfrequenz-Elektrochirurgiegerät ist die Nennlast nicht nur ein Prüfparameter, sondern eine wesentliche Voraussetzung für den Ausgangszustand des Geräts. Gibt ein Gerät beispielsweise eine Ausgangsleistung von 100 W bei einer Last von 500 Ω an, so ist diese Last nicht einfach nur ein Nenner in der Leistungsberechnungsformel. Sie ist Bestandteil des Nennbetriebspunktes des Elektrochirurgiegeräts. Verhält sich die sogenannte 500-Ω-Last bei 4 MHz tatsächlich wie 500 Ω + jX oder ändern sich ihre Impedanz und ihr Phasenwinkel mit steigender Temperatur und der Verdrahtungsmethode, so arbeitet das Prüfgerät nicht mehr unter idealen Nennlastbedingungen.

Das traditionelle Testmodell geht üblicherweise davon aus, dass der Lastwiderstand ein idealer, reiner Widerstand ist, dass Spannung und Strom phasengleich sind und dass die gesamte Ausgangsleistung von der Last aufgenommen wird. Das Modell lässt sich wie folgt formulieren:

P = U² / R oder P = I²R

Hierbei wird R als idealer reiner Widerstand betrachtet. Für ein 4-MHz-Elektrochirurgiegerät setzt dieses Modell jedoch implizit voraus, dass der Lastwiderstand bei 4 MHz seinem Nennwert im Gleichstrombereich entspricht, dass die Last keine signifikante parasitäre Induktivität oder Kapazität aufweist, dass die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom vernachlässigt werden kann, dass die Testschleife keine signifikante elektromagnetische Strahlung erzeugt und dass die Ausgangsleistung nahezu vollständig im Lastwiderstand dissipiert wird.

In der Praxis lassen sich diese Annahmen oft nur schwer vollständig erfüllen. Daher sollte der Ausgangsleistungstest eines 4-MHz-Elektrochirurgiegeräts von einem „idealen Lasttest“ in einen „Hochfrequenz-Verbundlasttest“ umgewandelt werden, wie in Abb. 2 dargestellt.

3. Einfluss des Skin-Effekts des Widerstands auf die Nennlast

3.1 Grundlegender Mechanismus des Hauteffekts

Der Skin-Effekt beschreibt das Phänomen, dass sich der Wechselstrom in einem Leiter mit steigender Frequenz zunehmend an der Leiteroberfläche konzentriert und dadurch die Stromdichte im Inneren abnimmt. Infolgedessen verringert sich die effektive Leiterquerschnittsfläche, und der Wechselstromwiderstand ist höher als der Gleichstromwiderstand. Die Eindringtiefe lässt sich wie folgt ausdrücken:

δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]

Dabei ist δ die Eindringtiefe, ρ der spezifische Widerstand des Materials, ω die Kreisfrequenz, μ die Permeabilität des Materials und ω = 2πf. Bei einer Frequenz von 4 MHz weicht die Stromverteilung bereits deutlich vom Gleichstromzustand ab. Bei Metallanschlüssen, Anschlussplatten, Widerstandsschichten, Zuleitungen und leitfähigen Strukturen in Hochleistungslastwiderständen verändert der Skin-Effekt die Stromverteilung und damit den äquivalenten Wechselstromwiderstand. Wird für die Leistungsberechnung ausschließlich der Nennwiderstand im Gleichstrombereich verwendet, wird der Einfluss des frequenzabhängigen Widerstands auf die Leistungsaufnahme der Last vernachlässigt.

3.2 Unterschied zwischen Gleichstrom-Nennwiderstand und Hochfrequenz-Wechselstromwiderstand

Unter Gleichstrombedingungen lässt sich der Nennlastwiderstand als R = Rdc ausdrücken, wobei Rdc der Nennwiderstand im Gleichstrombetrieb ist. Bei einer Hochfrequenz von 4 MHz muss die Nennlast jedoch als R = Rac(f) ausgedrückt werden, wobei Rac(f) der frequenzabhängige Wechselstrom-Ersatzwiderstand ist. Aufgrund des Skin-Effekts, des Proximity-Effekts und der Leiterstruktur ist Rac häufig nicht gleich Rdc.

Nach weiterer Berücksichtigung parasitärer Parameter sollte die Last wie folgt ausgedrückt werden:

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

Dabei ist Rskin(f) der durch den Skin-Effekt beeinflusste äquivalente Widerstandsanteil und X(f) der Reaktanzanteil, der sich aus parasitärer Induktivität und parasitärer Kapazität zusammensetzt. Das bedeutet, dass eine nominelle Last von 500 Ω bei 4 MHz nicht unbedingt einem idealen Widerstand von 500 Ω entspricht. Berechnet ein Elektrochirurgie-Analysator die Leistung weiterhin anhand einer idealen 500-Ω-Last, entstehen systematische Fehler.

Daher sollte das Lastkennzeichen nicht nur einen Gleichstrom-Nennwert wie „500 Ω“ angeben. Es sollte auch die Impedanz bei 4 MHz, den Phasenwinkel, die Temperaturdrift bei Nennleistung und die empfohlene Anschlussmethode enthalten. Bei Lastmodulen, die für Typprüfungen oder Fremdinspektionen verwendet werden, sollten zudem Frequenzgangmessungen durchgeführt werden, um die Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse zu gewährleisten.

3.3 Einfluss des Hauteffekts auf die Leistungsprüfung

Unter idealen Bedingungen gilt P = U² / Rdc. Unter Hochfrequenzbedingungen gilt P = U² / Rac. Ist Rac > Rdc, so ist die tatsächlich von der Last aufgenommene Leistung bei gleicher Spannung geringer als die mit Rdc berechnete Leistung. Kann der Analysator diese Änderung nicht erkennen, kann die angezeigte Leistung höher als die tatsächliche Wirkleistung sein. Gleichzeitig ist ein Hochfrequenz-Elektrochirurgiegerät selbst keine ideale Spannungsquelle. Änderungen des Lastwiderstands wirken sich auf den Arbeitspunkt der Ausgangsstufe aus und führen zu Änderungen von Ausgangsspannung, -strom und -leistung. Daher beeinflusst der Skin-Effekt nicht nur die Leistungsberechnung, sondern auch den tatsächlichen Ausgangszustand des Prüflings.

4. Einfluss der Widerstandsform auf parasitäre Parameter

4.1 Entscheidende Rolle der Widerstandsform bei den Hochfrequenzeigenschaften

Bei Niederfrequenz- oder Gleichstromprüfungen können Widerstände unterschiedlicher Bauform in der Regel als funktional ähnlich betrachtet werden, solange ihre Nennwiderstandswerte übereinstimmen. Bei Hochfrequenzprüfungen im 4-MHz-Bereich bestimmt die Bauform eines Widerstands jedoch direkt sein Hochfrequenzverhalten. Drahtwiderstände, Zementwiderstände, Metallfilmwiderstände, Dickschichtwiderstände ohne Induktion und koaxiale HF-Lasten mit demselben Nennwiderstand können bei 4 MHz völlig unterschiedliche Impedanzwerte, Phasenwinkel und Stabilitäten aufweisen.

Tabelle 1 Vergleich der Hochfrequenzeigenschaften verschiedener Widerstandsformen bei 4 MHz

4.2 Quellen und Einfluss der parasitären Induktivität

Die parasitäre Induktivität resultiert hauptsächlich aus der Spulenstruktur von Drahtwiderständen, den Widerstandsanschlüssen, den Lastanschlussleitungen, den Befestigungselementen und Klemmen, den Leiterbahnen auf Leiterplatten, dem Lastschleifenbereich sowie den Strompfaden in Kühlkörpern und Montagevorrichtungen. Die induktive Reaktanz beträgt:

XL = 2πfL

Bei 4 MHz kann selbst eine geringe parasitäre Induktivität das Messergebnis erheblich beeinflussen. Beispielsweise verhält sich die Last bei zusätzlicher Induktivität im Lastkreis nicht mehr wie ein reiner Widerstand, sondern zeigt induktive Eigenschaften. Dadurch entsteht eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Berechnet der Analysator die Leistung weiterhin nach dem reinen Widerstandsmodell, wird der Einfluss der Blindleistung auf den Messwert vernachlässigt.

4.3 Quellen und Einfluss der parasitären Kapazität

Parasitäre Kapazität entsteht hauptsächlich zwischen dem Widerstandskörper und dem Kühlkörper, zwischen den Widerstandsanschlüssen, zwischen dem Widerstand und dem Metallgehäuse, zwischen dem Ausgangsanschluss und Masse, zwischen den Kupferfolien der Leiterplatte sowie zwischen Kabeln und umgebenden Metallstrukturen. Die kapazitive Reaktanz beträgt:

XC = 1 / (2πfC)

Bei 4 MHz kann die parasitäre Kapazität einen Nebenschlusspfad für hochfrequenten Strom bilden, sodass ein Teil des Stroms nicht mehr vollständig durch den idealen Lastwiderstand fließt. Dies führt zu einer Laststromverteilung, die nicht mit dem theoretischen Modell übereinstimmt, und bewirkt außerdem, dass die vom Elektrochirurgie-Analysator erfassten Spannungs- und Stromsignale die vom Lastwiderstand aufgenommene Wirkleistung nicht mehr präzise wiedergeben.

4.4 Umwandlung der Nennlast in ein RLC-Netzwerk aufgrund der Widerstandsform

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unter Hochfrequenzbedingungen von 4 MHz die Nennlast nicht mehr einfach als Z_Last = R ausgedrückt werden sollte. Sie sollte wie folgt ausgedrückt werden:

Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)

wobei Rskin den durch den Skin-Effekt beeinflussten Wechselstromwiderstand darstellt, Lparasitic die durch die Struktur und die Verbindungen hervorgerufene parasitäre Induktivität und Cparasitic die durch den Widerstand, die Wärmeableitungsstruktur, die Kabel und die Umgebung gebildete parasitäre Kapazität darstellt.

5 Strahlungskopplung unter starker hochfrequenter elektrochirurgischer Anregung

5.1 Elektrochirurgische Prüfungen sind keine Kleinsignal-Impedanzmessungen.

Bei der Messung der Hochfrequenzeigenschaften eines Widerstands mit einem Impedanzanalysator oder Vektornetzwerkanalysator wird üblicherweise eine Kleinsignalanregung verwendet. In der realen elektrochirurgischen Prüfung arbeitet die Last jedoch unter Hochspannung, hohem Strom, hoher Leistung und nicht-sinusförmiger Anregung. Insbesondere im Koagulations- und Sprühkoagulationsmodus kann das Ausgangssignal Pulsmodulation, hohe Spitzenspannungen und große transiente Schwankungen aufweisen. Daher unterscheidet sich der Betriebszustand der Last in der realen elektrochirurgischen Prüfung erheblich von dem unter Kleinsignal-Impedanzmessbedingungen.

5.2 Entstehungsmechanismus der Testschleifenstrahlung

Wenn der Ausgang des elektrochirurgischen Geräts an eine Last angeschlossen ist, bilden Ausgangsleitung, Rückleitung, Lastwiderstand, Messvorrichtung und Analysator gemeinsam eine Hochfrequenz-Stromschleife. Bei großer Schleifenfläche, asymmetrischem Strompfad oder langen Anschlussleitungen kann die Schleife ein antennenähnliches Strahlungsverhalten aufweisen. Die Strahlungskopplung entsteht hauptsächlich durch eine zu große Hochfrequenz-Stromschleifenfläche, einen zu großen Abstand zwischen Ausgangs- und Rückleitung, lange Lastleitungen, offene Leiterstrukturen, ungeschirmte Lasten, Nahfeldkopplung in die Messleitungen und Änderungen der elektromagnetischen Feldverteilung durch umgebende Metallstrukturen. Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit erhöht diese Art von offener Hochfrequenzschleife die Nahfeldkopplung und die Strahlungsempfindlichkeit [9].

5.3 Einfluss der Strahlungskopplung auf die Leistungsbilanz

Im Idealfall wird die gesamte Ausgangsleistung des elektrochirurgischen Geräts im Lastwiderstand abgeführt:

Pout = Pload

Wenn im Testkreislauf offensichtliche Strahlung und Kopplung auftreten, sollte die Leistungsbilanz wie folgt ausgedrückt werden:

Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss

wobei Pload die tatsächliche vom Lastwiderstand aufgenommene Leistung ist, Pradiation der Strahlungsverlust der Testschleife, Pcoupling die in das Analysatorgehäuse, das Probenahmekabel, die Erdungsstruktur oder nahegelegene Metallkörper eingekoppelte Leistung und Ploss der zusätzliche Verlust von Kabeln, Steckverbindern, Klemmen und anderen Strukturen ist.

5.4 Einfluss der Strahlungskopplung auf die Wiederholbarkeit der Tests

Die Strahlungskopplung führt dazu, dass Testergebnisse stark von Umgebungs- und Betriebsbedingungen abhängen. Bei gleichem elektrochirurgischem Gerät, gleicher Leistungseinstellung und gleicher Nennlast können unterschiedliche Ergebnisse auftreten, wenn die Länge des Ausgangskabels, die Kabelbiegung, der Abstand zwischen Last und Analysator, die Lastposition, die Erdungsmethode, die Nähe der Bedienerhand, die Position des Metalltisches in der Nähe oder das Vorhandensein bzw. Fehlen von Abschirmungsstrukturen verändert werden.

6. Einfluss der Hochfrequenzverzerrung bei Nennlast auf den Arbeitspunkt des Prüflings

Ein Hochfrequenz-Elektrochirurgiegerät ist weder eine ideale Spannungsquelle noch eine ideale Stromquelle. Seine Ausgangsleistung unterliegt einer Anpassung und Regelung in Abhängigkeit von der Lastimpedanz. Ändert sich die Nennlastimpedanz, ändert sich der tatsächliche Ausgangszustand des Prüflings entsprechend.

Bei einer Nennleistung von 100 W / 500 Ω / 4 MHz ist die ideale Testbedingung Z_Last = 500 Ω. Im realen Testbetrieb kann sich die Last aufgrund des Skin-Effekts, parasitärer Parameter und der Strahlungskopplung wie folgt verhalten:

Zactual = 520 Ω + j40 Ω

An diesem Punkt entspricht die Last, die das Prüfgerät sieht, nicht mehr einem reinen 500-Ω-Widerstand. Dies kann zu einer Erhöhung oder Verringerung der Ausgangsspannung des elektrochirurgischen Geräts, einer Änderung des Ausgangsstroms, einer Verschiebung des Anpassungszustands der Ausgangsstufe, einer Abweichung der tatsächlichen Wirkleistung von der Leistung unter Nennlastbedingungen und einer Diskrepanz zwischen der vom Analysator angezeigten Leistung und der tatsächlich aufgenommenen Leistung führen. Letztendlich beeinträchtigt dies die Grundlage für die Beurteilung der Nennausgangsleistung gemäß IEC 60601-2-2.

Es ist zu beachten, dass der durch Lastverschiebung verursachte Fehler zweifacher Natur ist. Zum einen weichen die Messwerte der Spannungs- und Strommesskette von der tatsächlichen Wirkleistung ab. Zum anderen ändert sich der Leistungsregelungs- bzw. Anpassungszustand des Prüflings. Daher sollte die nachfolgende Fehleranalyse nicht nur den angezeigten Wert des Analysators korrigieren, sondern auch bestätigen, ob sich das Prüfobjekt weiterhin im angegebenen Nennlastbetriebspunkt befindet.

7 Umfassendes Äquivalenzmodell

Um das 4-MHz-Elektrochirurgie-Testsystem genauer zu beschreiben, kann der Nennlastwiderstand mithilfe des in der Hochfrequenztechnik üblichen Modellierungsansatzes für komplexe Impedanzen modelliert werden. Die Nennlast kann als zusammengesetzte elektromagnetische Last betrachtet werden, die von Frequenz, Leistung, Temperatur und Geometrie gemeinsam beeinflusst wird [10].

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

Dabei ist f die Betriebsfrequenz, P die Ausgangsleistung, T die Lasttemperatur und G die Geometrie des Widerstands und der Testschleifenaufbau. Rdc ist der Nennwiderstand im Gleichstrombereich; ΔRskin(f) ist die durch den Skin-Effekt verursachte Änderung des Wechselstromwiderstands; ΔRthermal(P,T) ist die durch Leistungs- und Temperaturanstieg verursachte Widerstandsdrift; Lparasitic(G) ist die durch Struktur und Verschaltung bedingte parasitäre Induktivität; Cparasitic(G) ist die durch Struktur und Umgebung bedingte parasitäre Kapazität; und Zradiation(f,G) ist der äquivalente Term für die Strahlungskopplung.

Die tatsächliche Wirkleistung sollte mittels Momentanleistungsintegration berechnet werden:

Paktiv = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

Bei nicht-sinusförmigen, modulierten und gepulsten Signalformen ist diese Methode sinnvoller als eine einfache U²/R-Berechnung, da sie sowohl Spannungs- und Stromverläufe als auch die Phasenbeziehung berücksichtigt. Das umfassende Ersatzmodell ist in Abb. 7 dargestellt.

In der praktischen Anwendung kann ein Hochfrequenz-LCR-Meter oder ein Vektornetzwerkanalysator verwendet werden, um die Impedanz bei 1, 2, 3, 4 und 5 MHz zu messen, Parameter wie R, Lp und Cp zu extrahieren und eine Lastdatenbank zu erstellen. Bei Leistungsmessungen mit 4 MHz kann diese Datenbank anschließend mit den Ergebnissen synchroner Spannungs-Strom-Messungen kombiniert werden, um die Auswirkungen komplexer Impedanzen und Phasenverschiebungen auf die Wirkleistungsberechnung zu korrigieren [3]. Gleichzeitig zeigen Untersuchungen von oszilloskopbasierten Elektrochirurgie-Analysatoren, dass die Erfassung von Wellenformen mit hoher Bandbreite genutzt werden kann, um Ausgangswellenform, Frequenz und Leistungsparameter synchron zu beobachten und somit die Leistungsbewertung für nicht-sinusförmige oder pulsmodulierte Ausgänge zu unterstützen [4].

8 Experimentelles Verifizierungsschema

8.1 4-MHz-Impedanzmessung verschiedener Widerstandsformen

Ziel dieses Experiments ist es, zu überprüfen, ob verschiedene Widerstandsformen mit gleichem Nennwiderstand Impedanzunterschiede bei 4 MHz aufweisen. Zu den Testobjekten gehören drahtgewickelte Leistungswiderstände, Zementwiderstände, allgemeine Hochleistungswiderstände, Metallfilm-Widerstandsarrays, Dickschicht-Widerstände ohne Induktion und koaxiale HF-Lasten. Die Testparameter umfassen den Gleichstromwiderstand Rdc, den Betrag der Impedanz |Z| bei 4 MHz, den Phasenwinkel θ bei 4 MHz, den äquivalenten Serienwiderstand ESR, die äquivalente Serieninduktivität ESL, die äquivalente Parallelkapazität EPC sowie die Impedanzänderungen vor und nach der Erwärmung.

8.2 Lastdriftprüfung unter starker hochfrequenter elektrochirurgischer Anregung

Ziel dieses Experiments ist es, zu überprüfen, ob sich die Last unter starker Anregung durch ein 4-MHz-Elektrochirurgiegerät dynamisch verändert. Die vorgeschlagene Methode besteht darin, das Elektrochirurgiegerät auf typische Ausgangsmodi einzustellen, verschiedene Lasten mit 500 Ω oder die vom Hersteller angegebene Nennlast anzuschließen, die Temperatur- und Impedanzänderungen der Last vor dem Einschalten sowie nach 10 s, 30 s und 60 s zu erfassen und die Abweichung der Leistungsanzeige bei den verschiedenen Lastkonfigurationen zu vergleichen.

8.3 Testschleifen-Strahlungskopplungsexperiment

Ziel dieses Experiments ist die Überprüfung des Einflusses von Strahlung und Kopplung im Testkreis auf die Leistungsmessung. Zu den Variablen gehören die Länge des Ausgangskabels, der Abstand zwischen Ausgangs- und Rückleiter, die Art des Kabels (normales Kabel/verdrilltes Adernpaar/Koaxialkabel), die Art der Last (offen/geschirmt), der Abstand zwischen Last und Analysator, die Erdungsmethode und die Überwachungsbedingungen der Nahfeldsonde. Zu den aufgezeichneten Parametern zählen die vom Analysator angezeigte Leistung, der Spannungsverlauf, der Stromverlauf, die Phasendifferenz, die Nahfeldstrahlungsintensität, der Wiederholfehler und das Ergebnis der momentanen Leistungsintegration.

8.4 Verifizierungsexperiment für die optimierte Laststruktur

Ziel dieses Experiments ist es, zu überprüfen, ob eine induktivitätsarme, koaxiale und geschirmte Konstruktion die Messgenauigkeit verbessern kann. Vier Varianten werden verglichen: herkömmlicher Draht plus herkömmlicher Widerstand, kurzer Draht plus induktionsfreier Widerstand, koaxiale Verbindung plus induktionsfreie Last und koaxiale HF-Last plus Schirmung. Zu den Bewertungskriterien gehören Leistungsfehler, Wiederholgenauigkeit, Phasenwinkel, Lasttemperaturanstieg und Nahfeldstrahlungsintensität.

8.5 Überprüfung der Impedanzabtastung und der dynamischen Kompensation

Ziel dieses Experiments ist es, zu überprüfen, ob die Impedanzcharakterisierung im Hochfrequenzbereich und die dynamische Kompensation die Genauigkeit von Leistungsmessungen verbessern. Für Impedanz-, Phasenwinkel- und Temperaturdriftmessungen im Frequenzband von 1–5 MHz können eine 500-Ω-Präzisionsreferenzlast sowie verschiedene Strukturlasten ausgewählt werden. Anschließend erfolgt eine synchrone Spannungs-Strom-Abtastung bei 4 MHz unter typischen Ausgangsleistungsbedingungen, um die Messwerte, den Phasenfehler und die Wiederholgenauigkeit vor und nach der Kompensation zu vergleichen. Die synchrone Abtastung kann mit dem Konzept eines Oszilloskop-Analysators kombiniert werden, um nicht-sinusförmige, pulsmodulierte und hochfrequente Signalverläufe auf Signalformebene aufzuzeichnen. Das Experiment sollte nicht nur einen einzelnen Leistungsmesswert als alleiniges Kriterium verwenden; auch die Lastplatzierung, der Kabelverlauf, die Erdungsmethode und die Schirmungsbedingungen sollten dokumentiert werden.

9 Optimierungsempfehlungen für das Testsystem

9.1 Die Nennlasten sollten bei 4 MHz kalibriert werden.

Für ein 4-MHz-Hochfrequenz-Elektrochirurgiegerät sollte der Nennlastwiderstand nicht nur Ergebnisse der Gleichstromwiderstandskalibrierung liefern. Er sollte auch Hochfrequenzparameter bei der Betriebsfrequenz liefern, darunter Impedanzbetrag und Phasenwinkel bei 4 MHz, äquivalenter Serienwiderstand, äquivalente Serieninduktivität, äquivalente Parallelkapazität, Temperaturdrift bei Nennleistung, Messunsicherheit und empfohlene Verdrahtungsmethode.

Empfohlene Kennzeichnung: 500 Ω, |Z| bei 4 MHz = xxx Ω, Phasenwinkel = xx°, Nennleistung = xxx W, Temperaturanstiegsdrift = xx%, Unsicherheit = xx%.

9.2 Induktivitätsarme, nicht-induktive oder koaxiale Lasten sind bevorzugt.

Für elektrochirurgische Tests mit 4 MHz sollten Drahtwiderstände und Hochleistungswiderstände mit unklarer Struktur vermieden werden. Empfohlene Alternativen sind Dickschichtwiderstände ohne Induktion, Metallfilm-Widerstandsarrays mit niedriger Induktivität, koaxiale HF-Lasten, öl- oder wassergekühlte Lasten ohne Induktion, Laststrukturen mit geringer Schleifenfläche und abgeschirmte Lastmodule.

9.3 Die Strahlungskopplung im Testkreislauf sollte kontrolliert werden

Es wird empfohlen, die Ausgangs- und Rückleiter so nah wie möglich beieinander zu verlegen, eine Koaxialverbindung zu bevorzugen, die Kabellänge zu reduzieren, großflächige offene Schleifen zu vermeiden, das Lastmodul in einem metallgeschirmten Gehäuse zu verwenden, die Messleitungen von den Stromleitungen zu trennen oder abzuschirmen, die Erdung zu standardisieren, die Kabelpositionen festzulegen und bei Bedarf Nahfeldsonden zur Überwachung der Testschleifenstrahlung einzusetzen. Die optimierte Systemstruktur ist in Abb. 11 dargestellt.

9.4 Für die Leistungsberechnung sollte die Momentanleistungsintegration verwendet werden.

Für ein 4-MHz-Elektrochirurgiegerät, insbesondere im Modulations- und Pulsbetrieb, ist es nicht empfehlenswert, sich allein auf die Formel P = U²/R zu verlassen. Sinnvoller ist es, Spannungs- und Stromverläufe synchron zu erfassen und P_aktiv = (1/T)∫u(t)i(t)dt zu berechnen. Diese Methode berücksichtigt Phasenverschiebungen, nicht-sinusförmige Verläufe und transiente Schwankungen und eignet sich besser zur Bestimmung der tatsächlichen Ausgangsleistung eines Hochfrequenz-Elektrochirurgiegeräts.

9.5 Zusammenfassung der Testfehlerquellen und Anwendbarkeit der Last

Tabelle 2: Zusammenfassung der Fehlerquellen bei der Ausgangsleistungsprüfung von 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten

9.6 In den Prüfberichten sollten äquivalente Lastbedingungen dokumentiert werden.

Es wird empfohlen, im Prüfbericht zusätzlich den Gleichstromwiderstand der Nennlast, die Impedanz bei 4 MHz, den Phasenwinkel, die Anschlussdrahtlänge, die Schirmungsmethode, den Temperaturanstieg der Last und das Kalibrierdatum zu dokumentieren. Bei modulierten oder gepulsten Ausgangsmodi sollte der Bericht außerdem angeben, ob die Leistungsberechnung auf einem Effektivwertmodell, einem U²/R-Modell oder einem Modell mit synchroner Spannungs-Strom-Integration basiert. Diese Angaben erleichtern den Vergleich von Ergebnissen verschiedener Labore, verschiedener Elektrochirurgie-Analysegeräte und unterschiedlicher Laststrukturen.

10 Diskussion

Die zentrale These dieser Arbeit ist, dass Messfehler bei 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten nicht allein auf eine unzureichende Genauigkeit des Elektrochirurgie-Analysators zurückgeführt werden können. Unter hochfrequenter und leistungsstarker Anregung ist der Nennlastwiderstand im Testsystem zu einem Schlüsselfaktor für die Testergebnisse geworden. Im Vergleich zu bestehenden Studien zur dynamischen Kompensation und zu oszilloskopbasierten Analysatoren legt diese Arbeit größeren Wert auf die Wechselwirkung zwischen der Last selbst, dem Testkreis und dem Arbeitspunkt des Prüflings und betrachtet die Lastäquivalenz als Voraussetzung für präzise Leistungsmessungen.

Erstens führt der Skin-Effekt dazu, dass der Wechselstrom-Ersatzwiderstand des Widerstands von seinem Gleichstrom-Nennwert abweicht. Bei einer Ausgangsfrequenz von 4 MHz ist die Stromverteilung nicht mehr gleichmäßig, und Widerstandsanschlüsse, Anschlussplatten und Widerstandsschichten können Wechselstromwiderstandsänderungen verursachen. Zweitens bestimmt die Bauform des Widerstands die parasitären Parameter. Drahtwiderstände, Zementwiderstände, Dickschichtwiderstände und Koaxiallasten können zwar denselben Gleichstromwiderstand aufweisen, ihre Phasenwinkel, Impedanzbeträge und Strahlungseigenschaften bei 4 MHz unterscheiden sich jedoch deutlich. Daher bedeutet ein identischer Nennwiderstand nicht zwangsläufig eine identische Hochfrequenz-Ersatzlast.

Drittens stellt das Hochfrequenz-Elektrochirurgiegerät selbst eine starke Hochfrequenz-Anregungsquelle dar. Im praktischen Testbetrieb ist die Last nicht nur Hochfrequenzsignalen, sondern auch hohen Spannungen, hohen Strömen, Pulsmodulation und thermischer Belastung ausgesetzt. Die Testschleife kann Strahlung und Nahfeldkopplung erzeugen, wodurch ein Teil der Energie nicht mehr vollständig im Lastwiderstand abgeführt wird. Schließlich beeinflusst die Nennlastverzerrung nicht nur die Messwerte des Analysators, sondern auch den tatsächlichen Arbeitspunkt des zu prüfenden Elektrochirurgiegeräts. Gibt der Hersteller eine Nennausgangsleistung von 500 Ω an, die 500 Ω im Testsystem werden jedoch zu einer frequenzabhängigen komplexen Impedanz, befindet sich das Prüfgerät nicht mehr im Nennlastzustand im Sinne der Norm. Die daraus resultierende Beurteilung der Ausgangsleistung kann daher systematische Abweichungen aufweisen.

Folglich sollte die Prüfung von 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten von der „Genauigkeit der Messwerte des Instruments“ auf eine umfassende Bewertung der Lastäquivalenz, der elektromagnetischen Verträglichkeit der Schleife und der Leistungsmessmethode ausgeweitet werden.

11 Schlussfolgerungen

In diesem Artikel werden systematisch Datengenauigkeitsprobleme bei der Prüfung der Ausgangsleistung von 4 MHz elektrochirurgischen Geräten aus drei Perspektiven analysiert: Skin-Effekt des Widerstands, Strukturform des Widerstands und Strahlungskopplung in der Testschleife unter starker hochfrequenter elektrochirurgischer Anregung.

Die Studie zeigt, dass der Nennlastwiderstand unter Hochfrequenzbedingungen von 4 MHz nicht mehr als idealer, reiner Widerstand betrachtet werden sollte. Beeinflusst durch den Skin-Effekt kann der Wechselstrom-Ersatzwiderstand vom Gleichstrom-Nennwert abweichen. Abhängig von der Widerstandsform und der Montageart entstehen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten in der Last. Unter dem Einfluss starker hochfrequenter elektrochirurgischer Anregung kann die Testschleife signifikante Strahlung, Kopplung und zusätzliche Verluste erzeugen. Diese Faktoren führen gemeinsam dazu, dass die Nennlast von einem einfachen Widerstandsmodell in ein komplexes, hochfrequentes elektromagnetisches Lastmodell umgewandelt wird.

Dieses Problem betrifft nicht nur die Leistungsmessung des Elektrochirurgie-Analysators, sondern auch die tatsächliche Last des Prüflings und führt zu Abweichungen vom Nennlastzustand gemäß IEC 60601-2-2. Der Fehler bei der 4-MHz-Elektrochirurgieprüfung ist daher kein reiner Gerätefehler, sondern ein systematischer Fehler, der durch den Lastwiderstand, die Prüfschleife und den Prüfling bedingt ist.

Zur Verbesserung der Genauigkeit und Wiederholbarkeit von Leistungsmessungen an 4-MHz-Elektrochirurgiegeräten wird empfohlen, den Nennlastwiderstand auf die 4-MHz-Hochfrequenzimpedanz zu kalibrieren, niederinduktive, nicht-induktive Widerstände oder koaxiale HF-Lasten zu verwenden, die Testschleifenfläche zu kontrollieren, offene Kabel und Strahlungskopplung zu reduzieren, den Temperaturanstieg der Last und die Impedanzdrift zu überwachen und eine Datenbank mit Lastparametern mithilfe eines Hochfrequenz-LCR-Meters oder Vektornetzwerkanalysators anzulegen. Im Prüfbericht sollten Lastimpedanz, Phasenwinkel, Verdrahtungsmethode und Strahlungsschutzbedingungen dokumentiert und die Wirkleistung mittels synchroner Spannungs-Strom-Abtastung und Momentanleistungsintegration berechnet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nur durch die Bewertung des Nennlastwiderstands als „komposite elektromagnetische Last bei der Betriebsfrequenz von 4 MHz“ und nicht lediglich als „Gleichstrom-Nennwert“ die tatsächliche Ausgangsleistung eines 4-MHz-Elektrochirurgiegeräts genauer abgebildet und die Zuverlässigkeit und Vergleichbarkeit der Prüfergebnisse nach IEC 60601-2-2 verbessert werden kann.

Anmerkung: Die Nichtidealität von 4-MHz-Hochfrequenzlasten und die Strahlungskopplung, die auf hochfrequenten elektromagnetischen Feldern, Materialeigenschaften und der Kopplung des Prüfsystems beruhen, erfordern weitere Forschung. Diese Arbeit basiert auf der Problemidentifizierung und der technischen Verifizierung im Rahmen realer Prüfarbeiten und zielt darauf ab, praktikable analytische Ansätze und Verbesserungsmaßnahmen vorzuschlagen. Aufgrund begrenzter Forschungsbedingungen und eines eingeschränkten Verständnisses sind etwaige Mängel offen für Kritik und Korrektur durch Experten und Fachkollegen.

Referenzen

[1] CHEN Cong. Ausgangsleistungsprüfung von Hochfrequenz-Chirurgiegeräten [J]. China Medical Devices, 2016, 31(3): 139-141.

[2] LI Ming, GUO Zhigang, QU Yuanyuan. Leistungsprüfung und Verbesserung der Lastfestigkeit von Hochfrequenz-Elektrochirurgiegeräten [J]. China Medical Equipment, 2025, 22(11).

[3] LIU Falin, QIANG Xiaolong, DENG Xiangwen, CHEN Changyan, ZHANG Chao. Dynamisches Kompensationsverfahren für Hochfrequenz-Elektrochirurgie-Gerätetester basierend auf einem Hochfrequenz-LCR-Meter oder Netzwerkanalysator [J/OL]. China Medical Device Information, 2025, 31(17): 37-40.

[4] SHAN Chao, QIANG Xiaolong, LIU Jiming, ZHANG Chao. Forschung zu Hochfrequenz- Elektrochirurgie-Analysatoren auf Oszilloskopbasis [J/OL]. Standard Science, 2025(13).

[5] IEC. IEC 60601-2-2:2017 Medizinische elektrische Geräte – Teil 2-2: Besondere Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Hochfrequenz-Chirurgiegeräten und Hochfrequenz-Chirurgiezubehör [S]. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2017.

[6] Nationale Gesundheitskommission der Volksrepublik China. WS/T 602-2018 Sicherheitsmanagement von Hochfrequenz-Elektrochirurgiegeräten [S]. Peking: China Standards Press, 2018.

[7] Staatliche Marktregulierungsbehörde. JJF 1217-2025 Kalibrierungsspezifikation für Hochfrequenz-Chirurgiegeräte [S]. Peking: China Standards Press, 2025.

[8] Nationale Arzneimittelbehörde. Öffentliche Standardinformationen zur Übernahme der IEC 60601-2-2:2017 für Hochfrequenz-Chirurgiegeräte und Hochfrequenz-Chirurgiezubehör [EB/OL].

[9] PAUL C R. Einführung in die elektromagnetische Verträglichkeit [M]. 2. Aufl. Hoboken: Wiley, 2006.

[10] POZAR D M. Mikrowellentechnik [M]. 4. Aufl. Hoboken: Wiley, 2011.