Επίδραση της μη ιδανικής υψηλής συχνότητας της ονομαστικής αντίστασης φορτίου και της σύζευξης ακτινοβολίας στην ακρίβεια δοκιμής ισχύος εξόδου ηλεκτροχειρουργικών μονάδων 4 MHz

DENG Sha¹, ZHANG Chao², WU Shaohai¹ Αντίστοιχος συγγραφέας: FAN Xiang¹

1. Ινστιτούτο Εποπτείας και Επιθεώρησης Ποιότητας Ιατρικών Συσκευών Γκουανγκντόνγκ, Νο. 1 Guangpu West Road, Huangpu District, Guangzhou, Guangdong 510663, Κίνα
2. ΚινγκΠο Technology Development Limited, Νο. 9 University Road, Songshan Lake, Dongguan, Guangdong 523869, Κίνα

Περίληψη: Όταν χρησιμοποιούνται υπάρχοντες ηλεκτροχειρουργικοί αναλυτές για τη μέτρηση της ισχύος εξόδου, της τάσης και του ρεύματος ηλεκτροχειρουργικών μονάδων υψηλής συχνότητας 4 MHz, παρατηρούνται συχνά προβλήματα όπως η ανεπαρκής επαναληψιμότητα δεδομένων, οι μεγάλες διαφορές μεταξύ των οργάνων δοκιμής και η ασταθής κρίση της ονομαστικής ισχύος εξόδου. Η συμβατική ανάλυση συνήθως αποδίδει αυτά τα προβλήματα σε ανεπαρκές εύρος ζώνης δειγματοληψίας, σφάλμα αλγορίθμου RMS ή αναντιστοιχία συχνότητας βαθμονόμησης του αναλυτή. Για τις ηλεκτροχειρουργικές μονάδες 4 MHz, ωστόσο, η βασική αιτία του σφάλματος δοκιμής δεν έγκειται μόνο στο ίδιο το όργανο μέτρησης. Είναι επίσης στενά συνδεδεμένη με τα μη ιδανικά ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά της ονομαστικής αντίστασης φορτίου υπό διέγερση υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος. Αυτή η εργασία αναλύει τον μηχανισμό παραμόρφωσης της ονομαστικής αντίστασης φορτίου σε δοκιμές 4 MHz από τρεις οπτικές γωνίες: φαινόμενο δέρματος αντίστασης, δομική μορφή αντίστασης και σύζευξη ακτινοβολίας στον βρόχο δοκιμής υπό ισχυρή ηλεκτροχειρουργική διέγερση. Η μελέτη δείχνει ότι η συμβατική υπόθεση ότι η ονομαστική αντίσταση φορτίου είναι μια ιδανική καθαρή αντίσταση δεν είναι επαρκώς έγκυρη στα 4 MHz. Επηρεασμένη από το φαινόμενο δέρματος, η ισοδύναμη αντίσταση AC μπορεί να αποκλίνει από την ονομαστική τιμή DC. Επηρεαζόμενο από τη γεωμετρία της αντίστασης, τη δομή του αγωγού, τη μέθοδο τοποθέτησης και τη δομή απαγωγής θερμότητας, το φορτίο μπορεί να εισαγάγει παρασιτική επαγωγή και παρασιτική χωρητικότητα. Υπό διέγερση εξόδου υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος, μη ημιτονοειδούς ή παλμικά διαμορφωμένης διέγερσης, ο βρόχος δοκιμής μπορεί επίσης να παράγει σημαντική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, σύζευξη εγγύς πεδίου και πρόσθετη απώλεια ισχύος. Το IEC 60601-2-2 είναι το συγκεκριμένο πρότυπο για τη βασική ασφάλεια και την ουσιώδη απόδοση του χειρουργικού εξοπλισμού υψηλής συχνότητας και των χειρουργικών αξεσουάρ υψηλής συχνότητας. Η δοκιμή ισχύος εξόδου των ηλεκτροχειρουργικών μονάδων εκτελείται γενικά υπό καθορισμένες συνθήκες φορτίου ή υπό το δηλωμένο από τον κατασκευαστή ονομαστικό φορτίο. Επομένως, η αυθεντικότητα και η επαναληψιμότητα της κατάστασης φορτίου επηρεάζουν άμεσα την αξιοπιστία του συμπεράσματος της δοκιμής. Αυτή η εργασία προτείνει ότι η ονομαστική αντίσταση φορτίου που χρησιμοποιείται στις δοκιμές ηλεκτροχειρουργικών μονάδων 4 MHz θα πρέπει να μετασχηματιστεί από ένα συμβατικό μοντέλο ονομαστικής αντίστασης DC σε ένα σύνθετο μοντέλο ηλεκτρομαγνητικού φορτίου υψηλής συχνότητας που λαμβάνει πλήρως υπόψη την επίδραση του δέρματος, τις παρασιτικές παραμέτρους, τη θερμική μετατόπιση και τη σύζευξη ακτινοβολίας. Για τη βελτίωση της ακρίβειας των μετρήσεων, συνιστώνται μη επαγωγικά φορτία χαμηλής επαγωγής ή ομοαξονικά φορτία RF, βαθμονόμηση σύνθετης αντίστασης 4 MHz του ονομαστικού φορτίου, ελεγχόμενη περιοχή βρόχου δοκιμής και σύζευξη ακτινοβολίας, σύγχρονη δειγματοληψία τάσης-ρεύματος και στιγμιαία ολοκλήρωση ισχύος για τον υπολογισμό της ενεργού ισχύος.

Λέξεις-κλειδιά: ηλεκτροχειρουργική μονάδα 4 MHz, ονομαστική αντίσταση φορτίου, φαινόμενο δέρματος, μορφή αντίστασης, σύζευξη ακτινοβολίας, IEC 60601-2-2, αναλυτής ηλεκτροχειρουργικής, δοκιμή ισχύος εξόδου

Αριθμός ταξινόμησης κινεζικής βιβλιοθήκης: R318.6 Κωδικός εγγράφου: A DOI: συμπληρώνεται από το γραφείο σύνταξης
Χειρόγραφο που παραλήφθηκε: θα συμπληρωθεί από το γραφείο σύνταξης. Βιογραφία συγγραφέα: DENG Sha, email: ; Αντίστοιχος συγγραφέας: FAN Xiang, email: .

1 Εισαγωγή

Η ισχύς εξόδου μιας ηλεκτροχειρουργικής μονάδας υψηλής συχνότητας σχετίζεται άμεσα με την απόδοση κοπής, το φαινόμενο πήξης και την ασφάλεια του ασθενούς [1]. Σε σύγκριση με τις συμβατικές ηλεκτροχειρουργικές μονάδες, οι συσκευές 4 MHz επηρεάζονται πιο εύκολα από την αντίσταση φορτίου, τα καλώδια σύνδεσης και τις δομές εξαρτημάτων. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η αντίσταση φορτίου σε επίπεδο MHz, η δυναμική αντιστάθμιση και η λήψη κυματομορφής μπορούν να επηρεάσουν τη μέτρηση ισχύος [2-4]. Τα πρότυπα IEC 60601-2-2 και JJF 1217-2025 δίνουν έμφαση στις συνθήκες ονομαστικού φορτίου και συχνότητας λειτουργίας [5,7]. Αυτή η εργασία αναλύει την επίδραση του φαινομένου του δέρματος, των παρασιτικών παραμέτρων και της σύζευξης ακτινοβολίας στην ακρίβεια της δοκιμής ισχύος εξόδου 4 MHz. Η λογική της έρευνας φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1 Σχηματική διαδρομή σχηματισμού σφάλματος δοκιμής ισχύος εξόδου σε ηλεκτροχειρουργική μονάδα 4 MHz

2 Προβλήματα Δοκιμών Ονομαστικού Φορτίου στο IEC 60601-2-2

Το IEC 60601-2-2 είναι ένα συγκεκριμένο πρότυπο για τη βασική ασφάλεια και την απαραίτητη απόδοση του χειρουργικού εξοπλισμού υψηλής συχνότητας και των χειρουργικών αξεσουάρ υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με αυτό το πλαίσιο προτύπων, οι δοκιμές απόδοσης εξόδου των ηλεκτροχειρουργικών μονάδων συνήθως πρέπει να ολοκληρώνονται υπό καθορισμένα φορτία ή υπό το ονομαστικό φορτίο που δηλώνει ο κατασκευαστής. Το εύρος συχνότητας λειτουργίας 0.3-5.0 MHz που καλύπτεται από το JJF 1217-2025 υποδεικνύει επίσης ότι η δοκιμή ισχύος εξόδου 4 MHz βρίσκεται ήδη εντός της ζώνης συχνοτήτων πυρήνα της πρακτικής βαθμονόμησης υψηλής συχνότητας [7].

Για μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα υψηλής συχνότητας, το ονομαστικό φορτίο δεν είναι απλώς ένα εξάρτημα δοκιμής. Είναι μια βασική συνθήκη που καθορίζει την κατάσταση εξόδου του εξοπλισμού. Για παράδειγμα, εάν μια συσκευή δηλώνει έξοδο 100 W υπό φορτίο 500 Ω, το φορτίο 500 Ω δεν είναι απλώς ένας παρονομαστής σε έναν τύπο υπολογισμού ισχύος. Αποτελεί μέρος του σημείου λειτουργίας ονομαστικής εξόδου αυτής της ηλεκτροχειρουργικής μονάδας. Εάν το λεγόμενο φορτίο 500 Ω συμπεριφέρεται στην πραγματικότητα ως 500 Ω + jX στα 4 MHz ή εάν το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης και η γωνία φάσης του αλλάξουν με την αύξηση της θερμοκρασίας και τη μέθοδο καλωδίωσης, η υπό δοκιμή συσκευή δεν λειτουργεί πλέον υπό τις ιδανικές συνθήκες ονομαστικού φορτίου.

Το παραδοσιακό μοντέλο δοκιμής συνήθως υποθέτει ότι η αντίσταση φορτίου είναι μια ιδανική καθαρή αντίσταση, ότι η τάση και το ρεύμα είναι σε φάση και ότι όλη η ισχύς εξόδου απορροφάται από το φορτίο. Το μοντέλο μπορεί να γραφτεί ως:

P = U^2 / R ή P = I^2R

όπου το R θεωρείται ως η ιδανική καθαρή αντίσταση. Για μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα 4 MHz, ωστόσο, αυτό το μοντέλο υποθέτει έμμεσα ότι η αντίσταση φορτίου στα 4 MHz παραμένει ίση με την ονομαστική τιμή DC, ότι το φορτίο δεν έχει σημαντική παρασιτική επαγωγή ή παρασιτική χωρητικότητα, ότι η διαφορά φάσης τάσης-ρεύματος μπορεί να αγνοηθεί, ότι ο βρόχος δοκιμής δεν παράγει σημαντική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και ότι η ισχύς εξόδου διαχέεται σχεδόν εξ ολοκλήρου στην αντίσταση φορτίου.

Σε πραγματικές δοκιμές, αυτές οι υποθέσεις είναι συχνά δύσκολο να ικανοποιηθούν πλήρως. Επομένως, η δοκιμή ισχύος εξόδου μιας ηλεκτροχειρουργικής μονάδας 4 MHz θα πρέπει να μετατραπεί από μια «δοκιμή ιδανικού φορτίου» σε μια «δοκιμή σύνθετου φορτίου υψηλής συχνότητας», όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.

3 Επίδραση της επίδρασης του δέρματος της αντίστασης στο ονομαστικό φορτίο

3.1 Βασικός μηχανισμός της επίδρασης στο δέρμα

Το φαινόμενο του δέρματος αναφέρεται στο φαινόμενο κατά το οποίο, όταν εναλλασσόμενο ρεύμα διέρχεται από έναν αγωγό, το ρεύμα συγκεντρώνεται σταδιακά κοντά στην επιφάνεια του αγωγού καθώς αυξάνεται η συχνότητα, μειώνοντας την πυκνότητα ρεύματος στο εσωτερικό του αγωγού. Ως αποτέλεσμα, η ενεργός αγώγιμη διατομή μειώνεται και η αντίσταση AC γίνεται υψηλότερη από την αντίσταση DC. Το βάθος του δέρματος μπορεί να εκφραστεί ως:

δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]

όπου δ είναι το βάθος του δέρματος, ρ είναι η ειδική αντίσταση του υλικού, ω είναι η γωνιακή συχνότητα, μ είναι η διαπερατότητα του υλικού και ω = 2πf. Όταν η συχνότητα αυξάνεται στα 4 MHz, η κατανομή ρεύματος είναι ήδη σημαντικά διαφορετική από την κατάσταση DC. Για μεταλλικούς ακροδέκτες, πλάκες σύνδεσης, στρώματα μεμβράνης αντίστασης, αγωγούς και αγώγιμες δομές σε αντιστάσεις φορτίου υψηλής ισχύος, το φαινόμενο του δέρματος αλλάζει την κατανομή ρεύματος και επομένως αλλάζει την ισοδύναμη αντίσταση AC. Εάν η ονομαστική αντίσταση DC χρησιμοποιηθεί μόνο ως βάση για τον υπολογισμό της ισχύος, η επίδραση της αντίστασης που εξαρτάται από τη συχνότητα στην απορρόφηση ισχύος φορτίου θα αγνοηθεί.

3.2 Διαφορά μεταξύ ονομαστικής αντίστασης DC και αντίστασης AC υψηλής συχνότητας

Υπό συνθήκες συνεχούς ρεύματος, η ονομαστική αντίσταση φορτίου μπορεί να εκφραστεί ως R = Rdc, όπου Rdc είναι η ονομαστική αντίσταση συνεχούς ρεύματος. Υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας 4 MHz, ωστόσο, το ονομαστικό φορτίο θα πρέπει να εκφράζεται ως R = Rac(f), όπου Rac(f) είναι η ισοδύναμη αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος που εξαρτάται από τη συχνότητα. Λόγω του φαινομένου του δέρματος, του φαινομένου εγγύτητας και της δομής του αγωγού, το Rac συχνά δεν είναι ίσο με το Rdc.

Αφού λάβουμε περαιτέρω υπόψη τις παρασιτικές παραμέτρους, το φορτίο θα πρέπει να εκφράζεται ως εξής:

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

όπου Rskin(f) είναι η ισοδύναμη συνιστώσα αντίστασης που επηρεάζεται από το φαινόμενο του δέρματος, και X(f) είναι η συνιστώσα άεργης αντίστασης που σχηματίζεται από κοινού από την παρασιτική επαγωγή και την παρασιτική χωρητικότητα. Αυτό σημαίνει ότι ένα ονομαστικό φορτίο 500 Ω μπορεί να μην είναι ισοδύναμο με μια καθαρή αντίσταση 500 Ω στα 4 MHz. Εάν ένας αναλυτής ηλεκτροχειρουργικής εξακολουθεί να υπολογίζει την ισχύ σύμφωνα με ένα ιδανικό φορτίο 500 Ω, θα προκύψει συστηματικό σφάλμα.

Συνεπώς, η ετικέτα ονομαστικού φορτίου δεν θα πρέπει να παρέχει μόνο μια ονομαστική τιμή DC, όπως "500 Ω". Θα πρέπει επίσης να παρέχει το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης στα 4 MHz, τη γωνία φάσης, την απόκλιση αύξησης θερμοκρασίας στην ονομαστική ισχύ και τη συνιστώμενη μέθοδο σύνδεσης. Για τις μονάδες φορτίου που χρησιμοποιούνται σε δοκιμές τύπου ή σε επιθεώρηση από τρίτους, θα πρέπει επίσης να διατηρούνται αρχεία σάρωσης συχνότητας για την υποστήριξη της ιχνηλασιμότητας και της επαναληψιμότητας των αποτελεσμάτων των δοκιμών.

3.3 Επίδραση της επίδρασης του δέρματος στη δοκιμή ισχύος

Υπό ιδανικές συνθήκες, P = U^2 / Rdc. Υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας, P = U^2 / Rac. Εάν Rac > Rdc, τότε υπό την ίδια τάση, η πραγματική ισχύς που απορροφάται από το φορτίο θα είναι μικρότερη από την ισχύ που υπολογίζεται χρησιμοποιώντας το Rdc. Εάν ο αναλυτής δεν μπορεί να εντοπίσει αυτήν την αλλαγή, η εμφανιζόμενη ισχύς μπορεί να είναι υψηλότερη από την πραγματική ενεργό ισχύ. Ταυτόχρονα, μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα υψηλής συχνότητας δεν αποτελεί από μόνη της μια ιδανική πηγή τάσης. Οι αλλαγές στην αντίσταση φορτίου ανατροφοδοτούν το σημείο λειτουργίας του σταδίου εξόδου, προκαλώντας αλλαγή στην τάση εξόδου, το ρεύμα και την ισχύ. Επομένως, το φαινόμενο του δέρματος επηρεάζει όχι μόνο τον υπολογισμό της ισχύος, αλλά και την πραγματική κατάσταση εξόδου του υπό δοκιμή δείγματος.

4 Επίδραση της μορφής της αντίστασης στις παρασιτικές παραμέτρους

4.1 Καθοριστικός ρόλος της μορφής της αντίστασης στα χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας

Σε δοκιμές χαμηλής συχνότητας ή συνεχούς ρεύματος, οι αντιστάσεις διαφορετικών δομικών μορφών μπορούν συνήθως να θεωρηθούν λειτουργικά παρόμοιες, εφόσον οι ονομαστικές τιμές αντίστασής τους είναι οι ίδιες. Ωστόσο, σε δοκιμές υψηλής συχνότητας 4 MHz, η μορφή της αντίστασης καθορίζει άμεσα τη συμπεριφορά υψηλής συχνότητας. Οι αντιστάσεις από σύρμα, οι αντιστάσεις από τσιμέντο, οι αντιστάσεις από μεταλλική μεμβράνη, οι μη επαγωγικές αντιστάσεις παχιάς μεμβράνης και τα ομοαξονικά φορτία RF με την ίδια ονομαστική αντίσταση μπορεί να εμφανίζουν εντελώς διαφορετικά μεγέθη σύνθετης αντίστασης, γωνίες φάσης και σταθερότητα στα 4 MHz.

Πίνακας 1 Σύγκριση χαρακτηριστικών υψηλής συχνότητας διαφορετικών μορφών αντιστάσεων στα 4 MHz

4.2 Πηγές και επίδραση της παρασιτικής επαγωγής

Η παρασιτική επαγωγή προέρχεται κυρίως από τη δομή του πηνίου των συρματόσχοινων αντιστάσεων, των αγωγών αντίστασης, των καλωδίων σύνδεσης φορτίου, των εξαρτημάτων και των ακροδεκτών, των ιχνών της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB), της περιοχής βρόχου φορτίου και των διαδρομών ρεύματος σε ψύκτρες και δομές στήριξης. Η επαγωγική άεργος αντίσταση είναι:

XL = 2πfL

Στα 4 MHz, ακόμη και μια μικρή παρασιτική επαγωγή μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το αποτέλεσμα της δοκιμής. Για παράδειγμα, όταν υπάρχει πρόσθετη επαγωγή στον βρόχο φορτίου, το φορτίο δεν συμπεριφέρεται πλέον ως καθαρή αντίσταση αλλά εμφανίζει επαγωγικά χαρακτηριστικά. Δημιουργείται μια διαφορά φάσης μεταξύ τάσης και ρεύματος. Εάν ο αναλυτής εξακολουθεί να υπολογίζει την ισχύ χρησιμοποιώντας το μοντέλο καθαρής αντίστασης, η επίδραση της άεργου ισχύος στην ένδειξη θα αγνοηθεί.

4.3 Πηγές και επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας

Η παρασιτική χωρητικότητα προκύπτει κυρίως μεταξύ του σώματος της αντίστασης και της ψύκτρας, μεταξύ των ακροδεκτών της αντίστασης, μεταξύ της αντίστασης και του μεταλλικού περιβλήματος, μεταξύ του ακροδέκτη εξόδου και της γείωσης, μεταξύ των φύλλων χαλκού της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) και μεταξύ των καλωδίων και των περιβαλλόντων μεταλλικών δομών. Η χωρητική άεργη αντίσταση είναι:

XC = 1 / (2πfC)

Στα 4 MHz, η παρασιτική χωρητικότητα μπορεί να παρέχει μια διαδρομή παράκαμψης για ρεύμα υψηλής συχνότητας, έτσι ώστε ένα μέρος του ρεύματος να μην ρέει πλέον πλήρως μέσω της ιδανικής αντίστασης φορτίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια κατανομή φορτίου-ρεύματος ασύμβατη με το θεωρητικό μοντέλο και επίσης προκαλεί την αδυναμία των σημάτων τάσης και ρεύματος που λαμβάνονται από τον αναλυτή ηλεκτροχειρουργικής να αναπαραστήσουν με ακρίβεια την ενεργό ισχύ που απορροφάται από την αντίσταση φορτίου.

4.4 Μετασχηματισμός του Ονομαστικού Φορτίου σε Δίκτυο RLC Λόγω της Μορφής της Αντίστασης

Συνοπτικά, υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας 4 MHz, το ονομαστικό φορτίο δεν θα πρέπει πλέον να εκφράζεται απλώς ως Zload = R. Θα πρέπει να εκφράζεται ως:

Zload = Rskin + jωLπαρασιτικό + 1/(jωCπαρασιτικό)

όπου το Rskin αντιπροσωπεύει την αντίσταση AC που επηρεάζεται από το φαινόμενο δέρματος, το Lparasitic αντιπροσωπεύει την παρασιτική επαγωγή που εισάγεται από τη δομή και τις συνδέσεις και το Cparasitic αντιπροσωπεύει την παρασιτική χωρητικότητα που σχηματίζεται από την αντίσταση, τη δομή απαγωγής θερμότητας, τα καλώδια και το περιβάλλον περιβάλλον.

5 Σύζευξη ακτινοβολίας υπό ισχυρή ηλεκτροχειρουργική διέγερση υψηλής συχνότητας

5.1 Η ηλεκτροχειρουργική δοκιμή δεν είναι δοκιμή σύνθετης αντίστασης μικρού σήματος

Όταν ένας αναλυτής σύνθετης αντίστασης ή ένας αναλυτής διανυσματικού δικτύου μετρά τα χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας μιας αντίστασης, συνήθως χρησιμοποιεί διέγερση μικρού σήματος. Ωστόσο, στις πραγματικές ηλεκτροχειρουργικές δοκιμές, το φορτίο λειτουργεί υπό διέγερση υψηλής τάσης, υψηλού ρεύματος, υψηλής ισχύος και μη ημιτονοειδούς κυματομορφής. Ειδικά στις λειτουργίες πήξης και πήξης με ψεκασμό, η έξοδος μπορεί να περιλαμβάνει διαμόρφωση παλμών, υψηλή μέγιστη τάση και μεγάλες παροδικές διακυμάνσεις. Επομένως, η κατάσταση λειτουργίας του φορτίου στις πραγματικές ηλεκτροχειρουργικές δοκιμές διαφέρει σημαντικά από αυτήν υπό συνθήκες δοκιμής σύνθετης αντίστασης μικρού σήματος.

5.2 Μηχανισμός Σχηματισμού Ακτινοβολίας Δοκιμαστικού Βρόχου

Όταν η έξοδος της ηλεκτροχειρουργικής μονάδας συνδέεται σε ένα φορτίο, το καλώδιο εξόδου, το καλώδιο επιστροφής, η αντίσταση φορτίου, το εξάρτημα και ο αναλυτής σχηματίζουν από κοινού έναν βρόχο ρεύματος υψηλής συχνότητας. Εάν η περιοχή του βρόχου είναι μεγάλη, η διαδρομή είναι ασύμμετρη ή τα καλώδια σύνδεσης είναι μακριά, ο βρόχος μπορεί να εμφανίσει συμπεριφορά ακτινοβολίας παρόμοια με μια κεραία. Η σύζευξη ακτινοβολίας προέρχεται κυρίως από την υπερβολική περιοχή βρόχου ρεύματος υψηλής συχνότητας, τον υπερβολικό διαχωρισμό μεταξύ των αγωγών εξόδου και επιστροφής, τα μακριά καλώδια φορτίου, τις ανοιχτές δομές αγωγών, τα μη θωρακισμένα φορτία, τη σύζευξη εγγύς πεδίου σε καλώδια δειγματοληψίας και τις αλλαγές στην κατανομή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκαλούνται από τις γύρω μεταλλικές κατασκευές. Από την άποψη της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας, αυτός ο τύπος ανοιχτού βρόχου υψηλής συχνότητας αυξάνει τη σύζευξη εγγύς πεδίου και την ευαισθησία στην ακτινοβολία [9].

5.3 Επίδραση της σύζευξης ακτινοβολίας στην ισορροπία ισχύος

Ιδανικά, όλη η ισχύς εξόδου από την ηλεκτροχειρουργική μονάδα διαχέεται στην αντίσταση φορτίου:

Μούτρο = Φόρτωση

Όταν υπάρχει εμφανής ακτινοβολία και σύζευξη στον βρόχο δοκιμής, το ισοζύγιο ισχύος θα πρέπει να εκφράζεται ως:

Μύτη = Φόρτωση + Αγάπη + Σύζευξη + Φόρτωση

όπου Pload είναι η πραγματική ισχύς που απορροφάται από την αντίσταση φορτίου, Pradiation είναι η απώλεια ακτινοβολίας του βρόχου δοκιμής, Pcoupling είναι η ισχύς που συνδέεται στο περίβλημα του αναλυτή, το καλώδιο δειγματοληψίας, τη δομή γείωσης ή κοντινά μεταλλικά σώματα και Ploss είναι η πρόσθετη απώλεια καλωδίων, συνδετήρων, ακροδεκτών και άλλων δομών.

5.4 Επίδραση της σύζευξης ακτινοβολίας στην επαναληψιμότητα της δοκιμής

Η σύζευξη ακτινοβολίας καθιστά τα αποτελέσματα των δοκιμών εξαιρετικά ευαίσθητα στις περιβαλλοντικές και λειτουργικές συνθήκες. Για την ίδια ηλεκτροχειρουργική μονάδα, την ίδια ρύθμιση ισχύος και το ίδιο ονομαστικό φορτίο, ενδέχεται να εμφανιστούν διαφορετικά αποτελέσματα όταν αλλάξει το μήκος του καλωδίου εξόδου, ο τρόπος κάμψης του καλωδίου, η απόσταση μεταξύ φορτίου και αναλυτή, η τοποθέτηση φορτίου, η μέθοδος γείωσης, η εγγύτητα του χεριού του χειριστή, η θέση του κοντινού μεταλλικού τραπεζιού και η παρουσία ή απουσία δομών θωράκισης.

6 Επίδραση της παραμόρφωσης υψηλής συχνότητας ονομαστικού φορτίου στο σημείο λειτουργίας της υπό δοκιμή συσκευής

Μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα υψηλής συχνότητας δεν είναι ούτε ιδανική πηγή τάσης ούτε ιδανική πηγή ρεύματος. Η ισχύς εξόδου της έχει σχέσεις αντιστοίχισης και ρύθμισης με την αντίσταση φορτίου. Όταν η ονομαστική αντίσταση φορτίου αλλάζει, η πραγματική κατάσταση εξόδου της υπό δοκιμή συσκευής αλλάζει ανάλογα.

Για δηλωμένη ονομαστική ισχύ 100 W / 500 Ω / 4 MHz, η ιδανική συνθήκη δοκιμής είναι Zload = 500 Ω. Σε πραγματικές δοκιμές, λόγω της επίδρασης του δέρματος, των παρασιτικών παραμέτρων και της σύζευξης ακτινοβολίας, το φορτίο μπορεί να συμπεριφέρεται ως εξής:

Πραγματική = 520 Ω + j40 Ω

Σε αυτό το σημείο, το φορτίο που παρατηρείται από τη συσκευή υπό δοκιμή δεν είναι πλέον μια καθαρή αντίσταση 500 Ω. Αυτό μπορεί να προκαλέσει αύξηση ή μείωση της τάσης εξόδου της ηλεκτροχειρουργικής μονάδας, αλλαγή του ρεύματος εξόδου, μετατόπιση της αντίστοιχης κατάστασης του σταδίου εξόδου, διαφορά της πραγματικής ενεργού ισχύος από την ισχύ υπό ονομαστικές συνθήκες ονομαστικού φορτίου και ασυμφωνία της εμφανιζόμενης ισχύος από τον αναλυτή με την πραγματική ισχύ που απορροφάται από το φορτίο. Τελικά, επηρεάζει τη βάση για την αξιολόγηση της ονομαστικής ισχύος εξόδου σύμφωνα με το IEC 60601-2-2.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το σφάλμα που προκαλείται από τη μετατόπιση φορτίου έχει διττή φύση. Αφενός, οι μετρήσεις που λαμβάνονται από την αλυσίδα δειγματοληψίας τάσης και ρεύματος αποκλίνουν από την πραγματική ενεργό ισχύ. Αφετέρου, η ρύθμιση ισχύος ή η κατάσταση αντιστοίχισης της υπό δοκιμή συσκευής αλλάζει. Επομένως, η επακόλουθη ανάλυση σφάλματος θα πρέπει όχι μόνο να διορθώνει την τιμή εμφάνισης του αναλυτή, αλλά και να επιβεβαιώνει εάν το υπό δοκιμή δείγμα παραμένει στο δηλωμένο σημείο λειτουργίας ονομαστικού φορτίου.

7 Ολοκληρωμένο Ισοδύναμο Μοντέλο

Για να περιγραφεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το σύστημα ηλεκτροχειρουργικής δοκιμής 4 MHz, η ονομαστική αντίσταση φορτίου μπορεί να μοντελοποιηθεί με αναφορά στην προσέγγιση μοντελοποίησης σύνθετης σύνθετης αντίστασης που χρησιμοποιείται στη μηχανική υψηλών συχνοτήτων. Το ονομαστικό φορτίο μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένα σύνθετο ηλεκτρομαγνητικό φορτίο που επηρεάζεται από κοινού από τη συχνότητα, την ισχύ, τη θερμοκρασία και τη γεωμετρία [10]:

Zactual(f, P, T, G) = Rdc + ΔRskin(f) + ΔRthermal(P,T) + jωLπαρασιτική(G) + 1/(jωCπαρασιτική(G)) + Zακτινοβολία(f,G)

όπου f είναι η συχνότητα λειτουργίας, P είναι η ισχύς εξόδου, T είναι η θερμοκρασία φορτίου και G είναι η γεωμετρία της αντίστασης και η δομή του βρόχου δοκιμής. Rdc είναι η ονομαστική αντίσταση DC. ΔRskin(f) είναι η αλλαγή στην αντίσταση AC που προκαλείται από το φαινόμενο skin. ΔRthermal(P,T) είναι η μετατόπιση αντίστασης που προκαλείται από την αύξηση της ισχύος και της θερμοκρασίας. Lparasitic(G) είναι η παρασιτική επαγωγή που προκαλείται από τη δομή και τη σύνδεση. Cparasitic(G) είναι η παρασιτική χωρητικότητα που προκαλείται από τη δομή και το περιβάλλον. και Zradiation(f,G) είναι ο ισοδύναμος όρος για τη σύζευξη ακτινοβολίας.

Η πραγματική ενεργός ισχύς θα πρέπει να υπολογίζεται χρησιμοποιώντας στιγμιαία ολοκλήρωση ισχύος:

Συμβατική = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

Για μη ημιτονοειδείς, διαμορφωμένες και παλμικές κυματομορφές, αυτή η μέθοδος είναι πιο λογική από έναν απλό υπολογισμό U^2/R, επειδή λαμβάνει υπόψη τις κυματομορφές τάσης και ρεύματος καθώς και τη σχέση φάσης. Το ολοκληρωμένο ισοδύναμο μοντέλο φαίνεται στο Σχήμα 7.

Στην εφαρμογή της μηχανικής, ένας μετρητής LCR υψηλής συχνότητας ή ένας αναλυτής διανυσματικού δικτύου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σάρωση της σύνθετης αντίστασης στα 1, 2, 3, 4 και 5 MHz, την εξαγωγή παραμέτρων όπως R, Lp και Cp, και τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων φορτίου. Σε δοκιμές ισχύος 4 MHz, αυτή η βάση δεδομένων μπορεί στη συνέχεια να συνδυαστεί με αποτελέσματα σύγχρονης δειγματοληψίας τάσης-ρεύματος για τη διόρθωση των επιπτώσεων της σύνθετης σύνθετης αντίστασης και της διαφοράς φάσης στον υπολογισμό της ενεργού ισχύος [3]. Ταυτόχρονα, μελέτες αναλυτών ηλεκτροχειρουργικής που βασίζονται σε παλμογράφο δείχνουν ότι η απόκτηση κυματομορφής υψηλού εύρους ζώνης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταυτόχρονη παρατήρηση παραμέτρων κυματομορφής εξόδου, συχνότητας και ισχύος, υποστηρίζοντας έτσι την αξιολόγηση ισχύος για μη ημιτονοειδείς ή παλμικά διαμορφωμένες εξόδους [4].

8 Πειραματικό Σχέδιο Επαλήθευσης

8.1 Δοκιμή σύνθετης αντίστασης 4 MHz διαφορετικών μορφών αντιστάσεων

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι να επαληθευτεί εάν διαφορετικές μορφές αντιστάσεων με την ίδια ονομαστική αντίσταση παρουσιάζουν διαφορές σύνθετης αντίστασης στα 4 MHz. Τα αντικείμενα δοκιμής περιλαμβάνουν αντιστάσεις ισχύος με περιέλιξη σύρματος, αντιστάσεις τσιμέντου, γενικές αντιστάσεις υψηλής ισχύος, συστοιχίες αντιστάσεων μεταλλικής μεμβράνης, μη επαγωγικές αντιστάσεις παχιάς μεμβράνης και ομοαξονικά φορτία RF. Οι παράμετροι δοκιμής περιλαμβάνουν την αντίσταση DC Rdc, το μέγεθος σύνθετης αντίστασης 4 MHz |Z|, τη γωνία φάσης θ 4 MHz, την ισοδύναμη αντίσταση σειράς ESR, την ισοδύναμη επαγωγή σειράς ESL, την ισοδύναμη παράλληλη χωρητικότητα EPC και τις αλλαγές σύνθετης αντίστασης πριν και μετά τη θέρμανση.

8.2 Δοκιμή μετατόπισης φορτίου υπό ισχυρή ηλεκτροχειρουργική διέγερση υψηλής συχνότητας

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι να επαληθευτεί εάν το φορτίο αλλάζει δυναμικά υπό πραγματική ισχυρή διέγερση από μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα 4 MHz. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι να ρυθμιστεί η ηλεκτροχειρουργική μονάδα σε τυπικές λειτουργίες εξόδου, να συνδεθούν διαφορετικές μορφές φορτίου 500 Ω ή το ονομαστικό φορτίο που δηλώνεται από τον κατασκευαστή, να καταγραφούν οι αλλαγές στη θερμοκρασία και την αντίσταση του φορτίου πριν από την έξοδο και μετά από 10 s, 30 s και 60 s εξόδου, και να συγκριθεί η μετατόπιση της ένδειξης ισχύος μεταξύ διαφορετικών δομών φορτίου.

8.3 Πείραμα σύζευξης ακτινοβολίας με βρόχο δοκιμής

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι η επαλήθευση της επίδρασης της ακτινοβολίας και της σύζευξης του βρόχου δοκιμής στις μετρήσεις ισχύος. Οι μεταβλητές περιλαμβάνουν το μήκος του καλωδίου εξόδου, την απόσταση μεταξύ των αγωγών εξόδου και επιστροφής, το συνηθισμένο καλώδιο/συνεστραμμένο ζεύγος/ομοαξονικό καλώδιο, το ανοιχτό φορτίο/θωρακισμένο φορτίο, την απόσταση μεταξύ φορτίου και αναλυτή, τη μέθοδο γείωσης και τις συνθήκες παρακολούθησης του αισθητήρα κοντινού πεδίου. Οι καταγεγραμμένες παράμετροι περιλαμβάνουν την ισχύ που εμφανίζεται στον αναλυτή, την κυματομορφή τάσης, την κυματομορφή ρεύματος, τη διαφορά φάσης, την ένταση της ακτινοβολίας κοντινού πεδίου, το σφάλμα επαναληψιμότητας και το στιγμιαίο αποτέλεσμα ολοκλήρωσης ισχύος.

8.4 Πείραμα επαλήθευσης για βελτιστοποιημένη δομή φορτίου

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι να επαληθευτεί εάν ο σχεδιασμός χαμηλής επαγωγής, ομοαξονικού και θωρακισμένου ρεύματος μπορεί να βελτιώσει την ακρίβεια της δοκιμής. Μπορούν να συγκριθούν τέσσερα σχήματα: συνηθισμένο καλώδιο συν συνηθισμένη αντίσταση, κοντό καλώδιο συν μη επαγωγική αντίσταση, ομοαξονική σύνδεση συν μη επαγωγικό φορτίο και ομοαξονικό φορτίο RF συν δομή θωράκισης. Οι δείκτες αξιολόγησης περιλαμβάνουν το σφάλμα ισχύος, την επαναληψιμότητα, τη γωνία φάσης, την αύξηση της θερμοκρασίας φορτίου και την ένταση της ακτινοβολίας εγγύς πεδίου.

8.5 Επαλήθευση Σάρωσης Σύνθετης Αντίστασης και Δυναμικής Αντιστάθμισης

Σκοπός αυτού του πειράματος είναι να επαληθευτεί εάν ο χαρακτηρισμός της σύνθετης αντίστασης υψηλής συχνότητας και η δυναμική αντιστάθμιση βελτιώνουν την ακρίβεια της δοκιμής ισχύος. Ένα φορτίο αναφοράς ακριβείας 500 Ω και διαφορετικά δομικά φορτία μπορούν να επιλεγούν για δοκιμές μεγέθους σύνθετης αντίστασης, γωνίας φάσης και μετατόπισης θερμοκρασίας στη ζώνη 1-5 MHz. Στη συνέχεια, η σύγχρονη δειγματοληψία τάσης-ρεύματος μπορεί να πραγματοποιηθεί στα 4 MHz υπό τυπικές συνθήκες ισχύος εξόδου για τη σύγκριση των μετρήσεων ισχύος, του σφάλματος φάσης και της επαναληψιμότητας πριν και μετά την αντιστάθμιση. Το τμήμα της σύγχρονης δειγματοληψίας μπορεί να συνδυαστεί με την ιδέα του παλμογράφου-αναλυτή για την καταγραφή μη ημιτονοειδών κυματομορφών, κυματομορφών με διαμόρφωση παλμών και κυματομορφών υψηλού συντελεστή κορυφής σε επίπεδο κυματομορφής. Το πείραμα δεν πρέπει να χρησιμοποιεί μία μόνο ένδειξη ισχύος ως μοναδικό κριτήριο. Θα πρέπει επίσης να καταγράφονται η τοποθέτηση του φορτίου, η διαδρομή του καλωδίου, η μέθοδος γείωσης και οι συνθήκες θωράκισης.

9 Συστάσεις Βελτιστοποίησης για το Σύστημα Δοκιμών

9.1 Τα ονομαστικά φορτία πρέπει να βαθμονομούνται στα 4 MHz

Για μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα υψηλής συχνότητας 4 MHz, η ονομαστική αντίσταση φορτίου δεν θα πρέπει μόνο να παρέχει αποτελέσματα βαθμονόμησης αντίστασης DC. Θα πρέπει επίσης να παρέχει παραμέτρους υψηλής συχνότητας στη συχνότητα λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους σύνθετης αντίστασης 4 MHz, της γωνίας φάσης 4 MHz, της ισοδύναμης σειριακής αντίστασης, της ισοδύναμης σειριακής επαγωγής, της ισοδύναμης παράλληλης χωρητικότητας, της μετατόπισης αύξησης θερμοκρασίας στην ονομαστική ισχύ, της αβεβαιότητας μέτρησης και της συνιστώμενης μεθόδου καλωδίωσης.

Συνιστώμενη επισήμανση: 500 Ω, |Z| στα 4 MHz = xxx Ω, γωνία φάσης = xx°, ονομαστική ισχύς = xxx W, μετατόπιση αύξησης θερμοκρασίας = xx%, αβεβαιότητα = xx%.

9.2 Προτιμώνται μη επαγωγικά ή ομοαξονικά φορτία χαμηλής επαγωγής

Οι αντιστάσεις από σύρμα και οι αντιστάσεις υψηλής ισχύος με ασαφή δομή θα πρέπει να αποφεύγονται για ηλεκτροχειρουργικές δοκιμές 4 MHz. Οι συνιστώμενες επιλογές περιλαμβάνουν μη επαγωγικές αντιστάσεις παχιάς μεμβράνης, συστοιχίες αντιστάσεων χαμηλής επαγωγής μεταλλικής μεμβράνης, ομοαξονικά φορτία RF, μη επαγωγικά φορτία ψύχονται με λάδι ή νερό, δομές φορτίου χαμηλής περιοχής βρόχου και θωρακισμένες μονάδες φορτίου.

9.3 Η σύζευξη ακτινοβολίας στον βρόχο δοκιμής πρέπει να ελέγχεται

Συνιστάται οι αγωγοί εξόδου και επιστροφής να διατηρούνται όσο το δυνατόν πιο κοντά, να προτιμάται η ομοαξονική σύνδεση, να μειώνεται το μήκος του καλωδίου, να αποφεύγονται οι ανοιχτοί βρόχοι μεγάλης επιφάνειας, η μονάδα φορτίου να χρησιμοποιεί μεταλλικό θωρακισμένο περίβλημα, τα καλώδια δειγματοληψίας να διαχωρίζονται ή να προστατεύονται από τις γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, να τυποποιείται η γείωση, να σταθεροποιούνται οι θέσεις των καλωδίων και να χρησιμοποιούνται αισθητήρες κοντινού πεδίου όταν είναι απαραίτητο για την παρακολούθηση της ακτινοβολίας του βρόχου δοκιμής. Η βελτιστοποιημένη δομή του συστήματος φαίνεται στο Σχήμα 11.

9.4 Η στιγμιαία ολοκλήρωση ισχύος θα πρέπει να χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό ισχύος

Για μια ηλεκτροχειρουργική μονάδα 4 MHz, ειδικά σε λειτουργίες διαμορφωμένης εξόδου και παλμικής εξόδου, δεν συνιστάται να βασίζεστε αποκλειστικά στο P = U^2/R. Μια πιο λογική μέθοδος είναι η σύγχρονη λήψη κυματομορφών τάσης και ρεύματος και ο υπολογισμός του P ενεργού = (1/T)∫u(t)i(t)dt. Αυτή η μέθοδος μπορεί να λάβει υπόψη τη διαφορά φάσης, τις μη ημιτονοειδείς κυματομορφές και τις παροδικές διακυμάνσεις και είναι πιο κατάλληλη για την αξιολόγηση της πραγματικής ισχύος εξόδου μιας ηλεκτροχειρουργικής μονάδας υψηλής συχνότητας.

9.5 Σύνοψη των πηγών σφάλματος δοκιμής και της εφαρμογής φόρτωσης

Πίνακας 2 Σύνοψη πηγών σφαλμάτων στις δοκιμές ισχύος εξόδου ηλεκτροχειρουργικών μονάδων 4 MHz

9.6 Οι αναφορές δοκιμών θα πρέπει να καταγράφουν ισοδύναμες συνθήκες φορτίου

Συνιστάται η αναφορά δοκιμής να καταγράφει επιπλέον την αντίσταση DC του ονομαστικού φορτίου, το μέγεθος της σύνθετης αντίστασης 4 MHz, τη γωνία φάσης, το μήκος του καλωδίου σύνδεσης, τη μέθοδο θωράκισης, την αύξηση της θερμοκρασίας φορτίου και την ημερομηνία βαθμονόμησης. Για διαμορφωμένες ή παλμικές λειτουργίες εξόδου, η αναφορά θα πρέπει επίσης να προσδιορίζει εάν ο υπολογισμός ισχύος χρησιμοποιεί ένα μοντέλο true-RMS, ένα μοντέλο U^2/R ή ένα σύγχρονο μοντέλο ολοκλήρωσης τάσης-ρεύματος. Αυτά τα αρχεία βοηθούν στη σύγκριση αποτελεσμάτων μεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων, διαφορετικών αναλυτών ηλεκτροχειρουργικής και διαφορετικών δομών φορτίου.

10 Συζήτηση

Η βασική άποψη αυτής της εργασίας είναι ότι το σφάλμα δοκιμής σε ηλεκτροχειρουργικές μονάδες 4 MHz δεν μπορεί να αποδοθεί απλώς στην ανεπαρκή ακρίβεια του αναλυτή ηλεκτροχειρουργικής. Υπό διέγερση υψηλής συχνότητας και υψηλής ισχύος, η ονομαστική αντίσταση φορτίου στο σύστημα δοκιμής έχει γίνει βασικός παράγοντας που επηρεάζει τα αποτελέσματα των δοκιμών. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μελέτες δυναμικής αντιστάθμισης και τις μελέτες αναλυτών που βασίζονται σε παλμογράφο, η παρούσα εργασία δίνει μεγαλύτερη έμφαση στη σχέση σύζευξης μεταξύ του ίδιου του φορτίου, του βρόχου δοκιμής και του σημείου λειτουργίας της υπό δοκιμή συσκευής και αντιμετωπίζει την ισοδυναμία φορτίου ως προϋπόθεση για ακριβή δοκιμή ισχύος.

Πρώτον, το φαινόμενο του δέρματος προκαλεί απόκλιση της ισοδύναμης αντίστασης AC της αντίστασης από την ονομαστική τιμή DC. Για έξοδο υψηλής συχνότητας 4 MHz, η κατανομή ρεύματος δεν είναι πλέον ομοιόμορφη και οι ακροδέκτες της αντίστασης, οι πλάκες σύνδεσης και τα στρώματα αντιστατικής μεμβράνης μπορούν να δημιουργήσουν αλλαγές στην αντίσταση AC. Δεύτερον, η μορφή της αντίστασης καθορίζει παρασιτικές παραμέτρους. Οι αντιστάσεις από σύρμα, οι αντιστάσεις από τσιμέντο, οι αντιστάσεις παχιάς μεμβράνης και τα ομοαξονικά φορτία μπορεί να έχουν την ίδια αντίσταση DC, αλλά οι γωνίες φάσης, τα μεγέθη σύνθετης αντίστασης και τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας στα 4 MHz διαφέρουν σημαντικά. Επομένως, η ίδια ονομαστική αντίσταση δεν σημαίνει ίδια ισοδυναμία φορτίου υψηλής συχνότητας.

Τρίτον, η ίδια η ηλεκτροχειρουργική μονάδα υψηλής συχνότητας είναι μια ισχυρή πηγή διέγερσης υψηλής συχνότητας. Κατά τη διάρκεια των πραγματικών δοκιμών, το φορτίο αντέχει όχι μόνο σε σήματα υψηλής συχνότητας, αλλά και σε υψηλή τάση, υψηλό ρεύμα, διαμόρφωση παλμών και θερμική καταπόνηση. Ο βρόχος δοκιμής μπορεί να παράγει ακτινοβολία και σύζευξη κοντινού πεδίου, με αποτέλεσμα μέρος της ενέργειας να μην διαχέεται πλέον πλήρως στην αντίσταση φορτίου. Τέλος, η παραμόρφωση ονομαστικού φορτίου επηρεάζει όχι μόνο τις μετρήσεις του αναλυτή αλλά και το πραγματικό σημείο λειτουργίας της υπό δοκιμή ηλεκτροχειρουργικής μονάδας. Εάν ο κατασκευαστής δηλώσει ονομαστική ισχύ εξόδου στα 500 Ω, αλλά τα 500 Ω στο σύστημα δοκιμής στην πραγματικότητα γίνουν μια σύνθετη αντίσταση εξαρτώμενη από τη συχνότητα, η υπό δοκιμή συσκευή δεν βρίσκεται πλέον στην κατάσταση ονομαστικού φορτίου με την έννοια που απαιτείται από το πρότυπο. Η προκύπτουσα κρίση ισχύος εξόδου μπορεί επομένως να περιέχει συστηματική μεροληψία.

Συνεπώς, οι δοκιμές ηλεκτροχειρουργικών μονάδων 4 MHz θα πρέπει να επεκταθούν από την «ακρίβεια των μετρήσεων του οργάνου» σε μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση της ισοδυναμίας φορτίου, της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας βρόχου και της μεθόδου μέτρησης ισχύος.

Συμπεράσματα 11

Αυτή η εργασία αναλύει συστηματικά προβλήματα ακρίβειας δεδομένων σε δοκιμές ισχύος εξόδου ηλεκτροχειρουργικής στα 4 MHz από τρεις οπτικές γωνίες: το φαινόμενο του δέρματος της αντίστασης, τη δομική μορφή της αντίστασης και τη σύζευξη ακτινοβολίας στον βρόχο δοκιμής υπό ισχυρή ηλεκτροχειρουργική διέγερση υψηλής συχνότητας.

Η μελέτη δείχνει ότι υπό συνθήκες υψηλής συχνότητας 4 MHz, η ονομαστική αντίσταση φορτίου δεν θα πρέπει πλέον να θεωρείται ως ιδανική καθαρή αντίσταση. Επηρεαζόμενη από το φαινόμενο του δέρματος, η ισοδύναμη αντίσταση AC μπορεί να αποκλίνει από την ονομαστική τιμή DC. Επηρεαζόμενη από τη μορφή της αντίστασης και τη δομή στήριξης, το φορτίο εισάγει παρασιτική επαγωγή και παρασιτική χωρητικότητα. Επηρεαζόμενη από ισχυρή ηλεκτροχειρουργική διέγερση υψηλής συχνότητας, ο βρόχος δοκιμής μπορεί να παράγει σημαντική ακτινοβολία, σύζευξη και πρόσθετες απώλειες. Αυτοί οι παράγοντες μετασχηματίζουν από κοινού το ονομαστικό φορτίο από ένα απλό μοντέλο R σε ένα σύνθετο σύνθετο μοντέλο ηλεκτρομαγνητικού φορτίου υψηλής συχνότητας.

Αυτό το πρόβλημα επηρεάζει όχι μόνο την ένδειξη ισχύος του ηλεκτροχειρουργικού αναλυτή, αλλά και την πραγματική κατάσταση φορτίου που παρατηρείται από την υπό δοκιμή ηλεκτροχειρουργική μονάδα, με αποτέλεσμα να αποκλίνει από την κατάσταση ονομαστικού φορτίου στην οποία βασίζεται η δοκιμή IEC 60601-2-2. Επομένως, η ουσία του σφάλματος ηλεκτροχειρουργικής δοκιμής 4 MHz δεν είναι ένα απλό σφάλμα οργάνου, αλλά ένα συστηματικό σφάλμα που σχηματίζεται από κοινού από την αντίσταση φορτίου, τον βρόχο δοκιμής και το υπό δοκιμή δείγμα.

Για τη βελτίωση της ακρίβειας και της επαναληψιμότητας των δοκιμών ισχύος εξόδου ηλεκτροχειρουργικής στα 4 MHz, συνιστάται η βαθμονόμηση της ονομαστικής αντίστασης φορτίου για σύνθετη αντίσταση υψηλής συχνότητας 4 MHz, η χρήση μη επαγωγικών αντιστάσεων χαμηλής επαγωγής ή ομοαξονικών φορτίων RF, ο έλεγχος της περιοχής του βρόχου δοκιμής, η μείωση των ανοιχτών καλωδίων και της σύζευξης ακτινοβολίας, η παρακολούθηση της αύξησης της θερμοκρασίας φορτίου και της μετατόπισης της σύνθετης αντίστασης και η δημιουργία μιας βάσης δεδομένων παραμέτρων φορτίου χρησιμοποιώντας μετρητή LCR υψηλής συχνότητας ή αναλυτή διανυσματικού δικτύου. Στην έκθεση δοκιμής, θα πρέπει να καταγράφονται η σύνθετη αντίσταση φορτίου, η γωνία φάσης, η μέθοδος καλωδίωσης και οι συνθήκες ελέγχου ακτινοβολίας και η υπολογισμός της ενεργού ισχύος χρησιμοποιώντας σύγχρονη δειγματοληψία τάσης-ρεύματος και στιγμιαία ολοκλήρωση ισχύος.

Συνοπτικά, μόνο αξιολογώντας την ονομαστική αντίσταση φορτίου ως «σύνθετο ηλεκτρομαγνητικό φορτίο στη συχνότητα λειτουργίας των 4 MHz» και όχι απλώς ως «ονομαστική τιμή DC», μπορεί η πραγματική απόδοση εξόδου μιας ηλεκτροχειρουργικής μονάδας 4 MHz να αντικατοπτρίζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια και να βελτιωθεί η αξιοπιστία και η συγκρισιμότητα των αποτελεσμάτων των δοκιμών IEC 60601-2-2.

Σημείωση: Η μη ιδανική σύζευξη φορτίων υψηλής συχνότητας 4 MHz και ακτινοβολίας περιλαμβάνει ηλεκτρομαγνητικά πεδία υψηλής συχνότητας, χαρακτηριστικά υλικών και σύζευξη συστήματος δοκιμής και, ως εκ τούτου, απαιτεί περαιτέρω έρευνα. Η παρούσα εργασία βασίζεται στον εντοπισμό προβλημάτων και στην επαλήθευση μηχανικής σε πραγματικές εργασίες επιθεώρησης και στοχεύει να προτείνει εφικτές αναλυτικές ιδέες και μέτρα βελτίωσης. Λόγω περιορισμών στις συνθήκες έρευνας και στην κατανόηση, τυχόν ελλείψεις είναι ανοιχτές σε κριτική και διόρθωση από ειδικούς και ομοτίμους.

Αναφορές

[1] CHEN Cong. Δοκιμή ισχύος εξόδου χειρουργικού εξοπλισμού υψηλής συχνότητας [J]. China Medical Devices, 2016, 31(3): 139-141.

[2] LI Ming, GUO Zhigang, QU Yuanyuan. Δοκιμή ισχύος και βελτίωση της αντίστασης φορτίου ηλεκτροχειρουργικών μονάδων υψηλής συχνότητας [J]. China Medical Equipment, 2025, 22(11).

[3] LIU Falin, QIANG Xiaolong, DENG Xiangwen, CHEN Changyan, ZHANG Chao. Μέθοδος δυναμικής αντιστάθμισης για συσκευές ελέγχου ηλεκτροχειρουργικών μονάδων υψηλής συχνότητας με βάση μετρητή LCR υψηλής συχνότητας ή αναλυτή δικτύου [J/OL]. China Medical Device Information, 2025, 31(17): 37-40.

[4] SHAN Chao, QIANG Xiaolong, LIU Jiming, ZHANG Chao. Έρευνα σε αναλυτές ηλεκτροχειρουργικής υψηλής συχνότητας που βασίζονται σε παλμογράφους [J/OL]. Standard Science, 2025(13).

[5] IEC. IEC 60601-2-2:2017 Ιατρικός ηλεκτρικός εξοπλισμός – Μέρος 2-2: Ειδικές απαιτήσεις για τη βασική ασφάλεια και την ουσιώδη απόδοση χειρουργικού εξοπλισμού υψηλής συχνότητας και χειρουργικών εξαρτημάτων υψηλής συχνότητας [S]. Γενεύη: Διεθνής Ηλεκτροτεχνική Επιτροπή, 2017.

[6] Εθνική Επιτροπή Υγείας της Λαϊκής Δημοκρατίας της Κίνας. WS/T 602-2018 Διαχείριση ασφάλειας ηλεκτροχειρουργικών μονάδων υψηλής συχνότητας [S]. Πεκίνο: China Standards Press, 2018.

[7] Κρατική Διοίκηση Ρύθμισης Αγοράς. JJF 1217-2025 Προδιαγραφή βαθμονόμησης για χειρουργικές μονάδες υψηλής συχνότητας [S]. Πεκίνο: China Standards Press, 2025.

[8] Εθνική Υπηρεσία Ιατρικών Προϊόντων. Δημόσιες τυποποιημένες πληροφορίες σχετικά με την υιοθέτηση του IEC 60601-2-2:2017 για χειρουργικό εξοπλισμό υψηλής συχνότητας και χειρουργικά αξεσουάρ υψηλής συχνότητας [EB/OL].

[9] PAUL C R. Εισαγωγή στην Ηλεκτρομαγνητική Συμβατότητα [M]. 2η έκδοση. Χόμποκεν: Wiley, 2006.

[10] POZAR D M. Μηχανική Μικροκυμάτων [M]. 4η έκδοση. Χόμποκεν: Wiley, 2011.