DENG Sha¹, ZHANG Chao², WU Shaohai¹ Autore corrispondente: FAN Xiang¹
- Istituto di supervisione e ispezione della qualità dei dispositivi medici del Guangdong, n. 1 Guangpu West Road, distretto di Huangpu, Guangzhou, Guangdong 510663, Cina
- KingPo Technology Development Limited, n. 9 University Road, lago Songshan, Dongguan, Guangdong 523869, Cina
Abstract: Quando si utilizzano analizzatori per elettrochirurgia per misurare la potenza, la tensione e la corrente di uscita di unità elettrochirurgiche ad alta frequenza da 4 MHz, si riscontrano spesso problemi quali insufficiente ripetibilità dei dati, grandi differenze tra gli strumenti di prova e valutazione instabile della potenza nominale di uscita. L'analisi convenzionale attribuisce solitamente questi problemi a una larghezza di banda di campionamento insufficiente, a un errore RMS dell'algoritmo o a una mancata corrispondenza tra la frequenza di calibrazione e quella dell'analizzatore. Tuttavia, per le unità elettrochirurgiche da 4 MHz, la causa principale dell'errore di misurazione non risiede solo nello strumento di misura stesso. È anche strettamente correlata alle caratteristiche elettromagnetiche non ideali della resistenza di carico nominale sotto eccitazione ad alta frequenza e alta potenza. Questo articolo analizza il meccanismo di distorsione della resistenza di carico nominale nei test a 4 MHz da tre prospettive: effetto pelle del resistore, forma strutturale del resistore e accoppiamento radiativo nel circuito di prova sotto forte eccitazione elettrochirurgica. Lo studio indica che l'ipotesi convenzionale secondo cui la resistenza di carico nominale è una resistenza pura ideale non è sufficientemente valida a 4 MHz. Influenzata dall'effetto pelle, la resistenza equivalente in corrente alternata può discostarsi dal valore nominale in corrente continua. Influenzato dalla geometria del resistore, dalla struttura dei terminali, dal metodo di montaggio e dalla struttura di dissipazione del calore, il carico può introdurre induttanza e capacità parassite. In presenza di eccitazione in uscita ad alta tensione, alta corrente, non sinusoidale o modulata a impulsi, il circuito di prova può anche generare significative radiazioni elettromagnetiche, accoppiamento in campo vicino e ulteriori perdite di potenza. La norma IEC 60601-2-2 è lo standard specifico per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali delle apparecchiature chirurgiche ad alta frequenza e dei relativi accessori. Il test della potenza di uscita delle unità elettrochirurgiche viene generalmente eseguito in condizioni di carico specificate o al carico nominale dichiarato dal produttore. Pertanto, l'autenticità e la ripetibilità delle condizioni di carico influenzano direttamente l'affidabilità dei risultati del test. Questo articolo propone di trasformare la resistenza di carico nominale utilizzata nei test delle unità elettrochirurgiche a 4 MHz da un modello convenzionale di resistenza nominale in corrente continua a un modello composito di carico elettromagnetico ad alta frequenza che tenga conto in modo completo dell'effetto pelle, dei parametri parassiti, della deriva termica e dell'accoppiamento radiativo. Per migliorare la precisione della misurazione, si raccomanda l'utilizzo di carichi non induttivi a bassa induttanza o carichi RF coassiali, la calibrazione dell'impedenza a 4 MHz del carico nominale, un'area del circuito di prova controllata e l'accoppiamento di radiazione, il campionamento sincrono tensione-corrente e l'integrazione istantanea della potenza per il calcolo della potenza attiva.
Parole chiave: unità elettrochirurgica a 4 MHz; resistenza di carico nominale; effetto pelle; forma del resistore; accoppiamento di radiazione; IEC 60601-2-2; analizzatore di elettrochirurgia; test di potenza di uscita
Numero di classificazione della Biblioteca cinese: R318.6 Codice del documento: A DOI: da completare a cura della redazione
Manoscritto ricevuto: da completare dalla redazione. Biografia dell'autore: DENG Sha, email: ; Autore corrispondente: FAN Xiang, email: .
1 Introduzione
La potenza di uscita di un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza è direttamente correlata alle prestazioni di taglio, all'effetto di coagulazione e alla sicurezza del paziente [1]. Rispetto alle unità elettrochirurgiche convenzionali, i dispositivi a 4 MHz sono più facilmente influenzati dall'impedenza di carico, dai cavi di collegamento e dalle strutture del dispositivo. Studi precedenti hanno dimostrato che l'impedenza di carico a livello di MHz, la compensazione dinamica e l'acquisizione della forma d'onda possono influenzare la misurazione della potenza [2-4]. Sia la norma IEC 60601-2-2 che la JJF 1217-2025 sottolineano le condizioni di carico nominale e di frequenza operativa [5,7]. Questo articolo analizza l'influenza dell'effetto pelle, dei parametri parassiti e dell'accoppiamento di radiazione sull'accuratezza del test della potenza di uscita a 4 MHz. La logica della ricerca è mostrata in Fig. 1.
Figura 1. Schema del percorso di formazione dell'errore di test della potenza di uscita in un'unità elettrochirurgica da 4 MHz.
2 Problemi relativi ai test a carico nominale IEC 60601-2-2
La norma IEC 60601-2-2 è uno standard particolare per la sicurezza di base e le prestazioni essenziali delle apparecchiature chirurgiche ad alta frequenza e degli accessori chirurgici ad alta frequenza. In base a questo quadro normativo, i test delle prestazioni di uscita delle unità elettrochirurgiche devono generalmente essere completati sotto carichi specificati o sotto il carico nominale dichiarato dal produttore. L'intervallo di frequenza operativa 0.3-5.0 MHz coperto dalla norma JJF 1217-2025 indica inoltre che il test della potenza di uscita a 4 MHz rientra già nella banda di frequenza principale della pratica di calibrazione ad alta frequenza [7].
Per un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza, il carico nominale non è un semplice accessorio di prova, bensì una condizione essenziale che definisce lo stato di uscita dell'apparecchiatura. Ad esempio, se un dispositivo dichiara una potenza di uscita di 100 W con un carico di 500 Ω, quest'ultimo non è semplicemente un denominatore in una formula di calcolo della potenza, ma fa parte del punto di funzionamento a potenza nominale dell'unità elettrochirurgica. Se il cosiddetto carico di 500 Ω si comporta effettivamente come 500 Ω + jX a 4 MHz, o se la sua impedenza e il suo angolo di fase variano con l'aumento della temperatura e il metodo di cablaggio, il dispositivo in prova non funziona più nelle condizioni ideali di carico nominale.
Il modello di prova tradizionale presuppone in genere che la resistenza di carico sia una resistenza ideale pura, che tensione e corrente siano in fase e che tutta la potenza di uscita venga assorbita dal carico. Il modello può essere scritto come:
P = U^2 / R oppure P = I^2R
dove R è considerata una resistenza pura ideale. Per un'unità elettrochirurgica da 4 MHz, tuttavia, questo modello presuppone implicitamente che la resistenza di carico a 4 MHz rimanga uguale al suo valore nominale in corrente continua, che il carico non abbia induttanza o capacità parassite significative, che la differenza di fase tensione-corrente possa essere ignorata, che il circuito di prova non generi radiazioni elettromagnetiche significative e che la potenza di uscita sia quasi interamente dissipata nella resistenza di carico.
Nei test reali, questi presupposti sono spesso difficili da soddisfare completamente. Pertanto, il test di potenza in uscita di un'unità elettrochirurgica a 4 MHz dovrebbe essere trasformato da un "test di carico ideale" in un "test di carico composito ad alta frequenza", come mostrato in Figura 2.
3. Influenza dell'effetto pelle del resistore sul carico nominale
3.1 Meccanismo di base dell'effetto sulla pelle
L'effetto pelle si riferisce al fenomeno per cui, quando una corrente alternata attraversa un conduttore, la corrente si concentra gradualmente vicino alla superficie del conduttore all'aumentare della frequenza, riducendo la densità di corrente all'interno del conduttore. Di conseguenza, l'area della sezione trasversale conduttiva effettiva diminuisce e la resistenza in corrente alternata diventa maggiore della resistenza in corrente continua. La profondità di penetrazione può essere espressa come:
δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]
dove δ è la profondità di penetrazione, ρ è la resistività del materiale, ω è la frequenza angolare, μ è la permeabilità del materiale e ω = 2πf. Quando la frequenza sale a 4 MHz, la distribuzione di corrente è già significativamente diversa dalla condizione in corrente continua. Per i terminali metallici, le piastre di collegamento, gli strati di film resistivo, i conduttori e le strutture conduttive nei resistori di carico ad alta potenza, l'effetto pelle modifica la distribuzione di corrente e quindi modifica la resistenza equivalente in corrente alternata. Se si utilizza solo la resistenza nominale in corrente continua come base per il calcolo della potenza, l'influenza della resistenza dipendente dalla frequenza sull'assorbimento di potenza del carico verrà ignorata.
3.2 Differenza tra resistenza nominale in corrente continua e resistenza in corrente alternata ad alta frequenza
In condizioni di corrente continua (CC), la resistenza di carico nominale può essere espressa come R = Rdc, dove Rdc è la resistenza nominale in CC. In condizioni di alta frequenza a 4 MHz, tuttavia, la resistenza di carico nominale deve essere espressa come R = Rac(f), dove Rac(f) è la resistenza equivalente in CA dipendente dalla frequenza. A causa dell'effetto pelle, dell'effetto di prossimità e della struttura del conduttore, Rac spesso non è uguale a Rdc.
Dopo aver ulteriormente considerato i parametri parassiti, il carico dovrebbe essere espresso come:
Zload(f) = Rskin(f) + jX(f)
dove Rskin(f) è la componente di resistenza equivalente influenzata dall'effetto pelle e X(f) è la componente di reattanza formata congiuntamente da induttanza parassita e capacità parassita. Ciò significa che un carico nominale di 500 Ω potrebbe non essere ancora equivalente a una pura resistenza di 500 Ω a 4 MHz. Se un analizzatore di elettrochirurgia calcola ancora la potenza in base a un carico ideale di 500 Ω, si verificherà un errore sistematico.
Pertanto, l'etichetta del carico nominale non dovrebbe fornire solo un valore nominale in corrente continua, come ad esempio "500 Ω". Dovrebbe anche indicare il modulo dell'impedenza a 4 MHz, l'angolo di fase, la deriva dell'aumento di temperatura alla potenza nominale e il metodo di connessione raccomandato. Per i moduli di carico utilizzati nei test di tipo o nelle ispezioni di terzi, è inoltre necessario conservare le registrazioni delle scansioni di frequenza per garantire la tracciabilità e la ripetibilità dei risultati dei test.
3.3 Influenza dell'effetto pelle sui test di potenza
In condizioni ideali, P = U^2 / Rdc. In condizioni di alta frequenza, P = U^2 / Rac. Se Rac > Rdc, a parità di tensione, la potenza effettivamente assorbita dal carico sarà inferiore alla potenza calcolata utilizzando Rdc. Se l'analizzatore non è in grado di rilevare questa variazione, la potenza visualizzata potrebbe essere superiore alla potenza attiva effettiva. Allo stesso tempo, un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza non è di per sé una sorgente di tensione ideale. Le variazioni della resistenza di carico si ripercuotono sul punto di funzionamento dello stadio di uscita, causando variazioni di tensione, corrente e potenza in uscita. Pertanto, l'effetto pelle influenza non solo il calcolo della potenza, ma anche lo stato di uscita effettivo del campione in esame.
4. Influenza della forma del resistore sui parametri parassiti
4.1 Ruolo decisivo della forma del resistore nelle caratteristiche ad alta frequenza
Nei test a bassa frequenza o in corrente continua, i resistori di diverse forme strutturali possono generalmente essere considerati funzionalmente simili purché abbiano lo stesso valore di resistenza nominale. Nei test ad alta frequenza a 4 MHz, tuttavia, la forma del resistore determina direttamente il comportamento ad alta frequenza. Resistori a filo avvolto, resistori in cemento, resistori a film metallico, resistori non induttivi a film spesso e carichi RF coassiali con la stessa resistenza nominale possono mostrare valori di impedenza, angoli di fase e stabilità completamente diversi a 4 MHz.
Tabella 1 Confronto delle caratteristiche ad alta frequenza di diverse forme di resistori a 4 MHz
| Forma del resistore | Problema grave ad alta frequenza | Influenza sui test delle unità elettrochirurgiche | Consigli |
| Resistore a filo avvolto | Induttanza parassita significativa | Il carico diventa induttivo e la differenza di fase tra tensione e corrente aumenta. | Non raccomandato |
| Resistenza in cemento | Lunghi tempi di attesa e un notevole aumento della temperatura | Si verifica una deriva della resistenza e la ripetibilità diminuisce. | Usare con cautela |
| resistore di potenza generico | Struttura complessa e parametri parassiti incerti | Lotti diversi e metodi di montaggio differenti possono causare differenze significative. | Usare con cautela |
| Matrice di resistori a film metallico | Buone prestazioni alle alte frequenze, ma capacità di potenza limitata. | Adatto per test a bassa potenza o per la progettazione in parallelo di più resistori. | Opzionale |
| Resistore non induttivo a film spesso | Bassa induttanza e struttura compatta | Più adatto come carico di prova ad alta frequenza. | Consigliato |
| Carico RF coassiale | Percorso di ritorno definito e bassa radiazione | Adatto come carico di riferimento ad alta frequenza. | Preferito |
4.2 Fonti e influenza dell'induttanza parassita
L'induttanza parassita deriva principalmente dalla struttura a spirale delle resistenze a filo avvolto, dai terminali delle resistenze, dai fili di collegamento del carico, dai dispositivi di fissaggio e dai terminali, dalle tracce dei circuiti stampati, dall'area del circuito di carico e dai percorsi di corrente nei dissipatori di calore e nelle strutture di montaggio. La reattanza induttiva è:
XL = 2πfL
A 4 MHz, anche una piccola induttanza parassita può influenzare significativamente il risultato del test. Ad esempio, quando è presente un'induttanza aggiuntiva nel circuito di carico, il carico non si comporta più come una pura resistenza, ma presenta caratteristiche induttive. Si genera una differenza di fase tra tensione e corrente. Se l'analizzatore continua a calcolare la potenza utilizzando il modello di pura resistenza, l'influenza della potenza reattiva sulla lettura verrà ignorata.
4.3 Fonti e influenza della capacità parassita
La capacità parassita si genera principalmente tra il corpo del resistore e il dissipatore di calore, tra i terminali del resistore, tra il resistore e l'involucro metallico, tra il terminale di uscita e la massa, tra le lamine di rame del PCB e tra i cavi e le strutture metalliche circostanti. La reattanza capacitiva è:
XC = 1 / (2πfC)
A 4 MHz, la capacità parassita può fornire un percorso di bypass per la corrente ad alta frequenza, in modo che parte della corrente non fluisca più completamente attraverso la resistenza di carico ideale. Ciò si traduce in una distribuzione della corrente di carico non coerente con il modello teorico e fa sì che i segnali di tensione e corrente acquisiti dall'analizzatore di elettrochirurgia non rappresentino accuratamente la potenza attiva assorbita dalla resistenza di carico.
4.4 Trasformazione del carico nominale in una rete RLC a causa della forma del resistore
In sintesi, in condizioni di alta frequenza a 4 MHz, il carico nominale non dovrebbe più essere semplicemente espresso come Zload = R. Dovrebbe essere espresso come:
Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)
dove Rskin rappresenta la resistenza in corrente alternata influenzata dall'effetto pelle, Lparasitic rappresenta l'induttanza parassita introdotta dalla struttura e dalle connessioni, e Cparasitic rappresenta la capacità parassita formata dal resistore, dalla struttura di dissipazione del calore, dai cavi e dall'ambiente circostante.
5. Accoppiamento delle radiazioni sotto forte eccitazione elettrochirurgica ad alta frequenza
5.1 Il test elettrochirurgico non è un test di impedenza a piccolo segnale
Quando un analizzatore di impedenza o un analizzatore di rete vettoriale misura le caratteristiche ad alta frequenza di un resistore, utilizza solitamente un'eccitazione a piccolo segnale. Tuttavia, nei test elettrochirurgici reali, il carico opera sotto eccitazione ad alta tensione, alta corrente, alta potenza e con forma d'onda non sinusoidale. In particolare, nelle modalità di coagulazione e spray-coagulazione, l'uscita può includere modulazione a impulsi, alta tensione di picco e ampie variazioni transitorie. Pertanto, lo stato operativo del carico nei test elettrochirurgici reali differisce significativamente da quello nelle condizioni di test di impedenza a piccolo segnale.
5.2 Meccanismo di formazione della radiazione del circuito di prova
Quando l'uscita dell'unità elettrochirurgica è collegata a un carico, il filo di uscita, il filo di ritorno, la resistenza di carico, il dispositivo di fissaggio e l'analizzatore formano insieme un anello di corrente ad alta frequenza. Se l'area dell'anello è ampia, il percorso è asimmetrico o i fili di collegamento sono lunghi, l'anello può mostrare un comportamento di radiazione simile a quello di un'antenna. L'accoppiamento di radiazione deriva principalmente da un'area eccessiva dell'anello di corrente ad alta frequenza, da un'eccessiva separazione tra i conduttori di uscita e di ritorno, da fili di carico lunghi, da strutture di conduttori aperte, da carichi non schermati, dall'accoppiamento di campo vicino nei fili di campionamento e da cambiamenti nella distribuzione del campo elettromagnetico causati dalle strutture metalliche circostanti. Dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, questo tipo di anello aperto ad alta frequenza aumenta l'accoppiamento di campo vicino e la suscettibilità alle radiazioni [9].
5.3 Influenza dell'accoppiamento radiativo sul bilancio di potenza
Idealmente, tutta la potenza in uscita dall'unità elettrochirurgica viene dissipata nella resistenza di carico:
Pout = Pload
Quando nel circuito di prova sono presenti radiazioni e accoppiamento evidenti, il bilancio di potenza deve essere espresso come:
Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss
dove Pload è la potenza effettivamente assorbita dalla resistenza di carico, Pradiation è la perdita per irraggiamento del circuito di prova, Pcoupling è la potenza accoppiata all'involucro dell'analizzatore, al cavo di campionamento, alla struttura di messa a terra o ai corpi metallici vicini e Ploss è la perdita aggiuntiva di cavi, connettori, terminali e altre strutture.
5.4 Influenza dell'accoppiamento radiativo sulla ripetibilità del test
L'accoppiamento radiativo rende i risultati dei test altamente sensibili alle condizioni ambientali e operative. Per la stessa unità elettrochirurgica, la stessa impostazione di potenza e lo stesso carico nominale, possono verificarsi risultati diversi a seconda della lunghezza del cavo di uscita, della modalità di piegatura del cavo, della distanza tra carico e analizzatore, del posizionamento del carico, del metodo di messa a terra, della vicinanza della mano dell'operatore, della posizione del tavolo metallico nelle vicinanze e della presenza o assenza di strutture di schermatura.
6. Influenza della distorsione ad alta frequenza a carico nominale sul punto di funzionamento del dispositivo in prova
Un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza non è né una sorgente di tensione ideale né una sorgente di corrente ideale. La sua potenza di uscita presenta relazioni di adattamento e regolazione con l'impedenza di carico. Quando l'impedenza di carico nominale cambia, lo stato di uscita effettivo del dispositivo in prova cambia di conseguenza.
Per una potenza nominale dichiarata di 100 W / 500 Ω / 4 MHz, la condizione di prova ideale è Zload = 500 Ω. Nei test reali, a causa dell'effetto pelle, dei parametri parassiti e dell'accoppiamento radiativo, il carico può comportarsi come:
Zactual = 520 Ω + j40 Ω
A questo punto, il carico visto dal dispositivo in prova non è più una pura resistenza di 500 Ω. Ciò può causare un aumento o una diminuzione della tensione di uscita dell'unità elettrochirurgica, una variazione della corrente di uscita, uno spostamento dello stato di adattamento dello stadio di uscita, una differenza tra la potenza attiva effettiva e la potenza in condizioni di carico nominale, e una discrepanza tra la potenza visualizzata dall'analizzatore e la potenza reale assorbita dal carico. In definitiva, ciò influisce sulla base per la valutazione della potenza di uscita nominale secondo la norma IEC 60601-2-2.
È opportuno sottolineare che l'errore causato dalla variazione di carico ha una duplice natura. Da un lato, le letture ottenute dalla catena di campionamento di tensione e corrente si discostano dalla potenza attiva reale. Dall'altro, cambia lo stato di regolazione o di adattamento della potenza del dispositivo in prova. Pertanto, la successiva analisi degli errori non deve limitarsi a correggere il valore visualizzato dall'analizzatore, ma deve anche verificare che il campione in prova rimanga al punto di funzionamento a carico nominale dichiarato.
7 Modello equivalente completo
Per descrivere più accuratamente il sistema di test elettrochirurgico a 4 MHz, la resistenza di carico nominale può essere modellata facendo riferimento all'approccio di modellazione dell'impedenza complessa utilizzato nell'ingegneria ad alta frequenza. Il carico nominale può essere trattato come un carico elettromagnetico composito influenzato congiuntamente da frequenza, potenza, temperatura e geometria [10]:
Zactual(f, P, T, G) = Rdc + ΔRskin(f) + ΔRthermal(P,T) + jωLparasitic(G) + 1/(jωCparasitic(G)) + Zradiation(f,G)
dove f è la frequenza operativa, P è la potenza di uscita, T è la temperatura di carico e G è la geometria del resistore e la struttura del circuito di prova. Rdc è la resistenza nominale in corrente continua; ΔRskin(f) è la variazione di resistenza in corrente alternata causata dall'effetto pelle; ΔRthermal(P,T) è la deriva di resistenza causata dall'aumento di potenza e temperatura; Lparasitic(G) è l'induttanza parassita causata dalla struttura e dalla connessione; Cparasitic(G) è la capacità parassita causata dalla struttura e dall'ambiente; e Zradiation(f,G) è il termine equivalente per l'accoppiamento radiativo.
La potenza attiva effettiva deve essere calcolata mediante l'integrazione della potenza istantanea:
Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt
Per forme d'onda non sinusoidali, modulate e pulsate, questo metodo è più ragionevole di un semplice calcolo U^2/R perché considera le forme d'onda di tensione e corrente, nonché la relazione di fase. Il modello equivalente completo è mostrato in Fig. 7.
Nell'implementazione ingegneristica, un misuratore LCR ad alta frequenza o un analizzatore di rete vettoriale possono essere utilizzati per scansionare l'impedenza a 1, 2, 3, 4 e 5 MHz, estrarre parametri come R, Lp e Cp e stabilire un database di carico. Nei test di potenza a 4 MHz, questo database può quindi essere combinato con i risultati del campionamento sincrono tensione-corrente per correggere gli effetti dell'impedenza complessa e della differenza di fase sul calcolo della potenza attiva [3]. Allo stesso tempo, studi sugli analizzatori di elettrochirurgia basati su oscilloscopio mostrano che l'acquisizione di forme d'onda ad alta larghezza di banda può essere utilizzata per osservare la forma d'onda di uscita, la frequenza e i parametri di potenza in modo sincrono, supportando così la valutazione della potenza per uscite non sinusoidali o modulate a impulsi [4].
8 Schema di verifica sperimentale
8.1 Test di impedenza a 4 MHz di diverse forme di resistori
Lo scopo di questo esperimento è verificare se diverse forme di resistori con la stessa resistenza nominale presentano differenze di impedenza a 4 MHz. Gli oggetti di prova includono resistori di potenza a filo avvolto, resistori in cemento, resistori di potenza ad alta resistenza, array di resistori a film metallico, resistori non induttivi a film spesso e carichi RF coassiali. I parametri di prova includono la resistenza in corrente continua Rdc, il modulo dell'impedenza a 4 MHz |Z|, l'angolo di fase a 4 MHz θ, la resistenza serie equivalente ESR, l'induttanza serie equivalente ESL, la capacità parallela equivalente EPC e le variazioni di impedenza prima e dopo il riscaldamento.
8.2 Test di deriva del carico sotto forte eccitazione elettrochirurgica ad alta frequenza
Lo scopo di questo esperimento è verificare se il carico varia dinamicamente sotto l'effetto di una forte eccitazione proveniente da un'unità elettrochirurgica a 4 MHz. Il metodo proposto consiste nell'impostare l'unità elettrochirurgica su modalità di uscita tipiche, collegare diverse tipologie di carico da 500 Ω o il carico nominale dichiarato dal produttore, registrare le variazioni di temperatura e impedenza del carico prima dell'erogazione e dopo 10 s, 30 s e 60 s di erogazione, e confrontare la deriva della lettura di potenza tra le diverse configurazioni di carico.
8.3 Esperimento di accoppiamento radiativo del circuito di prova
Lo scopo di questo esperimento è verificare l'influenza della radiazione del circuito di prova e dell'accoppiamento sulle letture di potenza. Le variabili includono la lunghezza del filo di uscita, la distanza tra i conduttori di uscita e di ritorno, il tipo di cavo (cavo normale/coppia intrecciata/cavo coassiale), il carico aperto/carico schermato, la distanza tra il carico e l'analizzatore, il metodo di messa a terra e le condizioni di monitoraggio della sonda di campo vicino. I parametri registrati includono la potenza visualizzata dall'analizzatore, la forma d'onda della tensione, la forma d'onda della corrente, la differenza di fase, l'intensità della radiazione di campo vicino, l'errore di ripetibilità e il risultato istantaneo dell'integrazione di potenza.
8.4 Esperimento di verifica per la struttura di carico ottimizzata
Lo scopo di questo esperimento è verificare se una configurazione coassiale a bassa induttanza e schermata possa migliorare la precisione del test. Sono possibili quattro configurazioni: filo ordinario più resistenza ordinaria, filo corto più resistenza non induttiva, connessione coassiale più carico non induttivo e carico RF coassiale più struttura di schermatura. Gli indicatori di valutazione includono errore di potenza, ripetibilità, angolo di fase, aumento della temperatura del carico e intensità della radiazione in campo vicino.
8.5 Verifica della scansione di impedenza e della compensazione dinamica
Lo scopo di questo esperimento è verificare se la caratterizzazione dell'impedenza ad alta frequenza e la compensazione dinamica migliorino la precisione dei test di potenza. È possibile selezionare un carico di riferimento di precisione da 500 Ω e diversi carichi strutturali per i test di ampiezza dell'impedenza, angolo di fase e deriva termica nella banda 1-5 MHz. Successivamente, è possibile eseguire un campionamento sincrono tensione-corrente a 4 MHz in condizioni tipiche di potenza di uscita per confrontare le letture di potenza, l'errore di fase e la ripetibilità prima e dopo la compensazione. La parte di campionamento sincrono può essere combinata con il concetto di oscilloscopio-analizzatore per registrare forme d'onda non sinusoidali, forme d'onda modulate a impulsi e forme d'onda ad alto fattore di cresta a livello di forma d'onda. L'esperimento non dovrebbe utilizzare una singola lettura di potenza come unico criterio; dovrebbero essere registrati anche il posizionamento del carico, il percorso del cavo, il metodo di messa a terra e le condizioni di schermatura.
9 Raccomandazioni di ottimizzazione per il sistema di test
9.1 I carichi nominali devono essere calibrati a 4 MHz
Per un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza da 4 MHz, la resistenza di carico nominale non deve fornire solo i risultati della calibrazione della resistenza in corrente continua. Deve anche fornire i parametri ad alta frequenza alla frequenza operativa, tra cui l'ampiezza dell'impedenza a 4 MHz, l'angolo di fase a 4 MHz, la resistenza equivalente in serie, l'induttanza equivalente in serie, la capacità equivalente in parallelo, la deriva dell'aumento di temperatura alla potenza nominale, l'incertezza di misura e il metodo di cablaggio raccomandato.
Etichettatura consigliata: 500 Ω, |Z| a 4 MHz = xxx Ω, angolo di fase = xx°, potenza nominale = xxx W, deriva dell'aumento di temperatura = xx%, incertezza = xx%.
9.2 Si preferiscono carichi non induttivi o coassiali a bassa induttanza.
Per i test elettrochirurgici a 4 MHz, è opportuno evitare resistori a filo avvolto e resistori ad alta potenza con struttura poco chiara. Le opzioni consigliate includono resistori non induttivi a film spesso, array di resistori a bassa induttanza a film metallico, carichi RF coassiali, carichi non induttivi raffreddati ad olio o ad acqua, strutture di carico a bassa area di spira e moduli di carico schermati.
9.3 L'accoppiamento radiativo nel circuito di prova deve essere controllato
Si raccomanda di mantenere i conduttori di uscita e di ritorno il più vicini possibile, di preferire la connessione coassiale, di ridurre la lunghezza dei cavi, di evitare circuiti aperti di grandi dimensioni, di utilizzare un involucro schermato in metallo per il modulo di carico, di separare o schermare i fili di campionamento dalle linee di alimentazione, di standardizzare la messa a terra, di fissare la posizione dei cavi e di utilizzare sonde di campo vicino, se necessario, per monitorare le radiazioni del circuito di prova. La struttura ottimizzata del sistema è mostrata in Figura 11.
9.4 Per il calcolo della potenza è necessario utilizzare l'integrazione istantanea della potenza.
Per un'unità elettrochirurgica a 4 MHz, soprattutto in modalità di uscita modulata e pulsata, non è consigliabile affidarsi esclusivamente alla formula P = U^2/R. Un metodo più appropriato consiste nell'acquisire simultaneamente le forme d'onda di tensione e corrente e calcolare Pattiva = (1/T)∫u(t)i(t)dt. Questo metodo tiene conto della differenza di fase, delle forme d'onda non sinusoidali e delle variazioni transitorie, ed è più adatto per valutare la potenza di uscita effettiva di un'unità elettrochirurgica ad alta frequenza.
9.5 Riepilogo delle fonti di errore del test e dell'applicabilità del carico
Tabella 2 Riepilogo delle fonti di errore nei test di potenza di uscita delle unità elettrochirurgiche a 4 MHz
| fonte dell'errore | Manifestazione specifica | Influenza sul risultato |
| Effetto pelle | Rac si discosta da Rdc | deviazione del calcolo della potenza |
| Induttanza parassita | Ritardi di corrente e aumenti di reattanza | Errore di fase e deviazione di potenza |
| Capacità parassita | Corrente di bypass ad alta frequenza | Distribuzione corrente modificata |
| Deriva termica | La resistenza cambia nel tempo | Ripetibilità ridotta |
| Accoppiamento delle radiazioni | L'energia si accoppia nello spazio o negli involucri | Fluttuazione dei dati e sensibilità ambientale |
| Non linearità da forte eccitazione | Le misurazioni a piccolo segnale non possono rappresentare le effettive condizioni operative | Distorsione della condizione di carico nominale |
| Algoritmo di analisi | Semplificazione del modello RMS o U^2/R | Aumento dell'errore in presenza di forme d'onda non sinusoidali |
9.6 I rapporti di prova devono registrare le condizioni di carico equivalenti
Si raccomanda che il rapporto di prova includa anche la resistenza in corrente continua del carico nominale, l'impedenza a 4 MHz, l'angolo di fase, la lunghezza del cavo di collegamento, il metodo di schermatura, l'aumento di temperatura del carico e la data di calibrazione. Per le modalità di uscita modulate o pulsate, il rapporto dovrebbe inoltre specificare se il calcolo della potenza utilizza un modello RMS reale, un modello U²/R o un modello di integrazione tensione-corrente sincrona. Queste informazioni aiutano a confrontare i risultati ottenuti in diversi laboratori, con diversi analizzatori di elettrochirurgia e diverse strutture di carico.
10 Discussione
Il punto centrale di questo articolo è che l'errore di test nelle unità elettrochirurgiche a 4 MHz non può essere semplicemente attribuito all'insufficiente precisione dell'analizzatore di elettrochirurgia. In presenza di eccitazione ad alta frequenza e alta potenza, la resistenza di carico nominale nel sistema di test diventa un fattore chiave che influenza i risultati del test. Rispetto agli studi esistenti sulla compensazione dinamica e agli studi sugli analizzatori basati su oscilloscopio, questo articolo pone maggiore enfasi sulla relazione di accoppiamento tra il carico stesso, il circuito di test e il punto di funzionamento del dispositivo in esame, e considera l'equivalenza del carico come un prerequisito per test di potenza accurati.
Innanzitutto, l'effetto pelle fa sì che la resistenza equivalente in corrente alternata del resistore si discosti dal suo valore nominale in corrente continua. Per un'uscita ad alta frequenza di 4 MHz, la distribuzione della corrente non è più uniforme e i terminali del resistore, le piastre di collegamento e gli strati di film resistivo possono tutti generare variazioni di resistenza in corrente alternata. In secondo luogo, la forma del resistore determina i parametri parassiti. Resistori a filo avvolto, resistori in cemento, resistori a film spesso e carichi coassiali possono avere la stessa resistenza in corrente continua, ma i loro angoli di fase, le ampiezze di impedenza e le caratteristiche di radiazione a 4 MHz differiscono in modo significativo. Pertanto, una resistenza nominale identica non significa un'equivalenza di carico ad alta frequenza identica.
In terzo luogo, l'unità elettrochirurgica ad alta frequenza stessa costituisce una forte sorgente di eccitazione ad alta frequenza. Durante i test effettivi, il carico è soggetto non solo a segnali ad alta frequenza, ma anche ad alta tensione, alta corrente, modulazione a impulsi e stress termico. Il circuito di prova può generare radiazioni e accoppiamento di campo vicino, causando la mancata completa dissipazione di parte dell'energia nella resistenza di carico. Infine, la distorsione del carico nominale influisce non solo sulle letture dell'analizzatore, ma anche sul punto di funzionamento effettivo dell'unità elettrochirurgica in esame. Se il produttore dichiara una potenza nominale di uscita di 500 Ω, ma i 500 Ω nel sistema di prova diventano effettivamente un'impedenza complessa dipendente dalla frequenza, il dispositivo in esame non si trova più nello stato di carico nominale nel senso richiesto dalla norma. La conseguente valutazione della potenza di uscita potrebbe quindi contenere un errore sistematico.
Di conseguenza, i test delle unità elettrochirurgiche a 4 MHz dovrebbero essere estesi dalla semplice "accuratezza delle letture dello strumento" a una valutazione completa dell'equivalenza del carico, della compatibilità elettromagnetica del circuito e del metodo di misurazione della potenza.
Conclusioni 11
Questo articolo analizza sistematicamente i problemi di accuratezza dei dati nei test di potenza di uscita elettrochirurgica a 4 MHz da tre prospettive: l'effetto pelle del resistore, la forma strutturale del resistore e l'accoppiamento di radiazione nel circuito di prova sotto forte eccitazione elettrochirurgica ad alta frequenza.
Lo studio dimostra che, in condizioni di alta frequenza a 4 MHz, la resistenza di carico nominale non dovrebbe più essere considerata una resistenza pura ideale. Influenzata dall'effetto pelle, la resistenza equivalente in corrente alternata può discostarsi dal valore nominale in corrente continua. Influenzato dalla forma del resistore e dalla struttura di montaggio, il carico introduce induttanza e capacità parassite. Influenzato da una forte eccitazione elettrochirurgica ad alta frequenza, il circuito di prova può generare radiazioni, accoppiamento e perdite aggiuntive significative. Questi fattori, nel loro insieme, trasformano il carico nominale da un semplice modello R in un complesso modello di carico elettromagnetico composito ad alta frequenza.
Questo problema influisce non solo sulla lettura della potenza dell'analizzatore di elettrochirurgia, ma anche sulle effettive condizioni di carico a cui è sottoposta l'unità elettrochirurgica in prova, causando una deviazione dallo stato di carico nominale previsto dalla norma IEC 60601-2-2. Pertanto, l'essenza dell'errore di prova elettrochirurgica a 4 MHz non risiede in un semplice errore dello strumento, bensì in un errore sistematico dovuto congiuntamente alla resistenza di carico, al circuito di prova e al campione in esame.
Per migliorare la precisione e la ripetibilità dei test di potenza di uscita elettrochirurgica a 4 MHz, si raccomanda di calibrare la resistenza di carico nominale per l'impedenza ad alta frequenza di 4 MHz, di utilizzare resistori non induttivi a bassa induttanza o carichi RF coassiali, di controllare l'area del circuito di prova, di ridurre i cavi aperti e l'accoppiamento radiativo, di monitorare l'aumento della temperatura del carico e la deriva di impedenza e di creare un database dei parametri di carico utilizzando un misuratore LCR ad alta frequenza o un analizzatore di rete vettoriale. Nel rapporto di prova, è necessario registrare l'impedenza di carico, l'angolo di fase, il metodo di cablaggio e le condizioni di controllo delle radiazioni, e la potenza attiva deve essere calcolata utilizzando il campionamento sincrono tensione-corrente e l'integrazione istantanea della potenza.
In sintesi, solo valutando la resistenza di carico nominale come un "carico elettromagnetico composito alla frequenza operativa di 4 MHz" anziché semplicemente come un "valore nominale in corrente continua" è possibile riflettere in modo più accurato le reali prestazioni di un'unità elettrochirurgica a 4 MHz e migliorare l'affidabilità e la comparabilità dei risultati dei test IEC 60601-2-2.
Nota: la non idealità dei carichi ad alta frequenza a 4 MHz e l'accoppiamento radiativo coinvolgono campi elettromagnetici ad alta frequenza, caratteristiche dei materiali e accoppiamento del sistema di prova, e pertanto richiedono ulteriori ricerche. Questo articolo si basa sull'identificazione del problema e sulla verifica ingegneristica in attività di ispezione reali e mira a proporre idee analitiche fattibili e misure di miglioramento. A causa delle limitazioni nelle condizioni di ricerca e nella comprensione, eventuali lacune sono aperte alla critica e alla correzione da parte di esperti e colleghi.
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