ДЭН Ша¹, ЧЖАН Чао², У Шаохай¹ Автор, ответственный за переписку: ФАН Сян¹
- Гуандунский институт надзора и инспекции качества медицинских изделий, ул. Гуанпу Западная, 1, район Хуанпу, город Гуанчжоу, провинция Гуандун 510663, Китай.
- КингПо Компания Technology Development Limited, ул. Университетская, 9, озеро Суншань, Дунгуань, провинция Гуандун 523869, Китай.
Аннотация: При использовании существующих электрохирургических анализаторов для измерения выходной мощности, напряжения и тока высокочастотных электрохирургических аппаратов с частотой 4 МГц часто наблюдаются такие проблемы, как недостаточная воспроизводимость данных, большие различия между измерительными приборами и нестабильная оценка номинальной выходной мощности. Традиционный анализ обычно связывает эти проблемы с недостаточной полосой пропускания, ошибкой алгоритма RMS или несоответствием частоты калибровки анализатора. Однако для электрохирургических аппаратов с частотой 4 МГц основная причина ошибки измерения кроется не только в самом измерительном приборе. Она также тесно связана с неидеальными электромагнитными характеристиками номинального сопротивления нагрузки при высокочастотном и мощном возбуждении. В данной статье анализируется механизм искажения номинального сопротивления нагрузки при тестировании на частоте 4 МГц с трех точек зрения: скин-эффект резистора, структурная форма резистора и связь излучения в испытательном контуре при сильном электрохирургическом возбуждении. Исследование показывает, что традиционное предположение о том, что номинальное сопротивление нагрузки является идеальным чистым сопротивлением, недостаточно справедливо на частоте 4 МГц. Под влиянием скин-эффекта эквивалентное сопротивление переменного тока может отклоняться от номинального значения постоянного тока. Нагрузка, зависящая от геометрии резистора, структуры выводов, способа монтажа и конструкции теплоотвода, может вносить паразитные индуктивность и емкость. При высоковольтном, сильноточном, несинусоидальном или импульсно-модулированном выходном возбуждении испытательный контур также может генерировать значительное электромагнитное излучение, ближнеполевую связь и дополнительные потери мощности. IEC 60601-2-2 — это особый стандарт, регулирующий базовую безопасность и основные характеристики высокочастотного хирургического оборудования и высокочастотных хирургических принадлежностей. Испытания выходной мощности электрохирургических аппаратов обычно проводятся при заданных условиях нагрузки или при номинальной нагрузке, заявленной производителем. Поэтому достоверность и воспроизводимость условий нагрузки напрямую влияют на надежность результатов испытаний. В данной статье предлагается преобразовать номинальное сопротивление нагрузки, используемое при тестировании электрохирургических аппаратов на частоте 4 МГц, из обычной модели номинального сопротивления постоянного тока в высокочастотную комбинированную модель электромагнитной нагрузки, которая всесторонне учитывает скин-эффект, паразитные параметры, тепловой дрейф и связь излучения. Для повышения точности измерений рекомендуется использовать низкоиндуктивные неиндуктивные нагрузки или коаксиальные ВЧ-нагрузки, калибровку импеданса номинальной нагрузки на частоте 4 МГц, контролировать площадь испытательного контура и связь с излучением, синхронную выборку напряжения и тока, а также мгновенное интегрирование мощности для расчета активной мощности.
Ключевые слова: электрохирургический аппарат 4 МГц; номинальное сопротивление нагрузки; скин-эффект; форма резистора; радиационная связь; IEC 60601-2-2; электрохирургический анализатор; тестирование выходной мощности
Классификационный номер китайской библиотеки: R318.6 Код документа: A DOI: будет заполнено редакцией
Рукопись получена: будет доработана редакцией. Биография автора: Дэн Ша, электронная почта: ; Ответственный автор: Фань Сян, электронная почта: .
Введение 1
Выходная мощность высокочастотного электрохирургического аппарата напрямую связана с эффективностью резки, эффектом коагуляции и безопасностью пациента [1]. По сравнению с обычными электрохирургическими аппаратами, на устройства с частотой 4 МГц легче влияют импеданс нагрузки, соединительные кабели и конструкции крепления. Предыдущие исследования показали, что импеданс нагрузки на уровне МГц, динамическая компенсация и получение формы сигнала могут влиять на измерение мощности [2-4]. В стандартах IEC 60601-2-2 и JJF 1217-2025 особое внимание уделяется условиям номинальной нагрузки и рабочей частоты [5,7]. В данной работе анализируется влияние скин-эффекта, паразитных параметров и связи излучения на точность измерения выходной мощности на частоте 4 МГц. Логика исследования показана на рис. 1.
Рис. 1. Схематическое изображение пути формирования ошибки измерения выходной мощности в электрохирургическом аппарате с частотой 4 МГц.
2. Проблемы испытаний на номинальную нагрузку в рамках IEC 60601-2-2
IEC 60601-2-2 — это особый стандарт, регулирующий базовую безопасность и основные характеристики высокочастотного хирургического оборудования и высокочастотных хирургических принадлежностей. В рамках этого стандарта тестирование выходных характеристик электрохирургических устройств обычно должно проводиться при заданных нагрузках или при номинальной нагрузке, заявленной производителем. Диапазон рабочих частот 0.3–5.0 МГц, охватываемый JJF 1217-2025, также указывает на то, что тестирование выходной мощности на частоте 4 МГц уже находится в пределах основного частотного диапазона практики высокочастотной калибровки [7].
Для высокочастотного электрохирургического аппарата номинальная нагрузка — это не просто испытательный прибор, а необходимое условие, определяющее выходное состояние оборудования. Например, если устройство заявляет выходную мощность 100 Вт при нагрузке 500 Ом, то нагрузка 500 Ом — это не просто знаменатель в формуле расчета мощности. Она является частью номинальной рабочей точки выходной мощности этого электрохирургического аппарата. Если так называемая нагрузка 500 Ом фактически ведет себя как 500 Ом + jX на частоте 4 МГц, или если величина ее импеданса и фазовый угол изменяются с повышением температуры и способом подключения, то испытываемое устройство перестает работать в идеальных условиях номинальной нагрузки.
Традиционная модель тестирования обычно предполагает, что нагрузочный резистор представляет собой идеальное чистое сопротивление, что напряжение и ток находятся в фазе и что вся выходная мощность поглощается нагрузкой. Модель можно записать следующим образом:
P = U² / R или P = I²R
где R рассматривается как идеальное чистое сопротивление. Однако для электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц эта модель неявно предполагает, что сопротивление нагрузки на частоте 4 МГц остается равным своему номинальному значению постоянного тока, что нагрузка не имеет значительной паразитной индуктивности или паразитной емкости, что разностью фаз напряжения и тока можно пренебречь, что испытательный контур не генерирует значительного электромагнитного излучения и что выходная мощность почти полностью рассеивается в резисторе нагрузки.
В ходе реальных испытаний эти предположения зачастую трудно полностью выполнить. Поэтому испытание выходной мощности электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц следует преобразовать из «испытания с идеальной нагрузкой» в «испытание с высокочастотной комбинированной нагрузкой», как показано на рис. 2.
3. Влияние скин-эффекта резистора на номинальную нагрузку
3.1 Основной механизм действия на кожу
Скин-эффект — это явление, при котором при прохождении переменного тока через проводник ток постепенно концентрируется вблизи поверхности проводника по мере увеличения частоты, уменьшая плотность тока внутри проводника. В результате эффективная площадь поперечного сечения проводника уменьшается, и сопротивление переменному току становится выше, чем сопротивление постоянному току. Глубину скин-эффекта можно выразить следующим образом:
δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]
где δ — глубина проникновения тока, ρ — удельное сопротивление материала, ω — угловая частота, μ — магнитная проницаемость материала, и ω = 2πf. При повышении частоты до 4 МГц распределение тока уже значительно отличается от условий постоянного тока. Для металлических выводов, соединительных пластин, резистивных пленочных слоев, проводников и проводящих структур в резисторах высокой мощности скин-эффект изменяет распределение тока и, следовательно, изменяет эквивалентное сопротивление переменного тока. Если в качестве основы для расчета мощности используется только номинальное сопротивление постоянного тока, то влияние частотно-зависимого сопротивления на поглощение мощности нагрузкой будет игнорироваться.
3.2 Разница между номинальным сопротивлением постоянного тока и сопротивлением переменного тока высокой частоты
В условиях постоянного тока номинальное сопротивление нагрузки можно выразить как R = Rdc, где Rdc — номинальное сопротивление постоянного тока. Однако в условиях высокой частоты 4 МГц номинальная нагрузка должна быть выражена как R = Rac(f), где Rac(f) — зависящее от частоты эквивалентное сопротивление переменного тока. Из-за скин-эффекта, эффекта близости и структуры проводника Rac часто не равен Rdc.
После дальнейшего рассмотрения паразитных параметров нагрузку следует выразить следующим образом:
Zload(f) = Rskin(f) + jX(f)
где Rskin(f) — эквивалентная составляющая сопротивления, подверженная влиянию скин-эффекта, а X(f) — реактивная составляющая, совместно образуемая паразитной индуктивностью и паразитной емкостью. Это означает, что номинальная нагрузка 500 Ом может быть не эквивалентна чистому сопротивлению 500 Ом на частоте 4 МГц. Если электрохирургический анализатор по-прежнему рассчитывает мощность, исходя из идеальной нагрузки 500 Ом, возникнет систематическая ошибка.
Следовательно, на маркировке номинальной нагрузки следует указывать не только номинальное значение постоянного тока, например, «500 Ом». Также необходимо указывать величину импеданса на частоте 4 МГц, фазовый угол, дрейф повышения температуры при номинальной мощности и рекомендуемый способ подключения. Для нагрузочных модулей, используемых при типовых испытаниях или независимой инспекции, следует также сохранять записи частотной развертки для обеспечения прослеживаемости и воспроизводимости результатов испытаний.
3.3 Влияние кожно-гальванического эффекта на результаты испытаний мощности
В идеальных условиях P = U² / Rdc. В условиях высокой частоты P = U² / Rac. Если Rac > Rdc, то при том же напряжении фактическая мощность, поглощаемая нагрузкой, будет меньше мощности, рассчитанной с использованием Rdc. Если анализатор не может обнаружить это изменение, отображаемая мощность может быть выше фактической активной мощности. В то же время высокочастотный электрохирургический аппарат сам по себе не является идеальным источником напряжения. Изменения сопротивления нагрузки возвращаются в рабочую точку выходного каскада, вызывая изменение выходного напряжения, тока и мощности. Поэтому скин-эффект влияет не только на расчет мощности, но и на фактическое выходное состояние исследуемого образца.
4. Влияние формы резистора на паразитные параметры
4.1 Решающая роль формы резистора в высокочастотных характеристиках
При низкочастотных или постоянных испытаниях резисторы различной конструкции обычно можно считать функционально схожими, если их номинальные значения сопротивления одинаковы. Однако при высокочастотных испытаниях на частоте 4 МГц форма резистора напрямую определяет его поведение на высоких частотах. Проволочные резисторы, цементные резисторы, металлопленочные резисторы, толстопленочные неиндуктивные резисторы и коаксиальные ВЧ-нагрузки с одинаковым номинальным сопротивлением могут демонстрировать совершенно разные значения импеданса, фазовые углы и стабильность на частоте 4 МГц.
Таблица 1. Сравнение высокочастотных характеристик резисторов различной формы на частоте 4 МГц.
| Форма резистора | Серьезная высокочастотная проблема | Влияние на тестирование электрохирургических установок | Рекомендация |
| проволочный резистор | Значительная паразитная индукция | Нагрузка становится индуктивной, и разность фаз напряжения и тока увеличивается. | Не рекомендуется |
| Цементный резистор | Длинные провода и значительное повышение температуры | Происходит дрейф сопротивления, и повторяемость снижается. | Используйте с осторожностью |
| Универсальный мощный резистор | Сложная структура и неопределенные паразитные параметры | Различные партии и методы монтажа могут вызывать существенные различия. | Используйте с осторожностью |
| Массив металлопленочных резисторов | Хорошие характеристики на высоких частотах, но ограниченная мощность. | Подходит для тестирования с низким энергопотреблением или параллельного подключения нескольких резисторов. | По желанию |
| Толстопленочный неиндуктивный резистор | Низкая индуктивность и компактная конструкция | Более подходит в качестве высокочастотной испытательной нагрузки. | Рекомендованные |
| Коаксиальная ВЧ нагрузка | Четко определенный путь возврата и низкий уровень излучения | Подходит в качестве высокочастотной опорной нагрузки. | Привилегированный |
4.2 Источники и влияние паразитной индуктивности
Паразитная индуктивность в основном обусловлена структурой обмотки проволочных резисторов, выводами резисторов, проводами подключения нагрузки, креплениями и клеммами, дорожками печатной платы, площадью контура нагрузки и путями протекания тока в радиаторах и монтажных конструкциях. Индуктивное сопротивление равно:
XL = 2πfL
На частоте 4 МГц даже небольшая паразитная индуктивность может существенно повлиять на результат измерения. Например, при наличии дополнительной индуктивности в контуре нагрузки, нагрузка перестает вести себя как чистое сопротивление и начинает проявлять индуктивные характеристики. Между напряжением и током возникает разность фаз. Если анализатор по-прежнему рассчитывает мощность, используя модель чистого сопротивления, влияние реактивной мощности на показания будет игнорироваться.
4.3 Источники и влияние паразитной емкости
Паразитная емкость в основном возникает между корпусом резистора и радиатором, между выводами резистора, между резистором и металлическим корпусом, между выходным выводом и землей, между медной фольгой печатной платы, а также между кабелями и окружающими металлическими конструкциями. Емкостное реактивное сопротивление равно:
ХС = 1/(2πfC)
На частоте 4 МГц паразитная емкость может обеспечивать обходной путь для высокочастотного тока, так что часть тока перестает протекать полностью через идеальный нагрузочный резистор. Это приводит к распределению тока нагрузки, несовместимому с теоретической моделью, а также к тому, что сигналы напряжения и тока, получаемые электрохирургическим анализатором, неточно отражают активную мощность, поглощаемую нагрузочным резистором.
4.4 Преобразование номинальной нагрузки в RLC-цепь за счет резисторной формы
Таким образом, в условиях высокочастотного диапазона 4 МГц номинальная нагрузка больше не должна выражаться просто как Zload = R. Она должна выражаться следующим образом:
Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)
где Rskin представляет собой сопротивление переменного тока, зависящее от скин-эффекта, Lparasitic представляет собой паразитную индуктивность, вносимую конструкцией и соединениями, а Cparasitic представляет собой паразитную емкость, образуемую резистором, теплоотводящей конструкцией, кабелями и окружающей средой.
5. Связь излучения при сильном высокочастотном электрохирургическом возбуждении
5.1 Электрохирургическое тестирование не является тестированием импеданса малых сигналов.
При измерении высокочастотных характеристик резистора с помощью анализатора импеданса или векторного анализатора цепей обычно используется возбуждение малым сигналом. Однако в реальных электрохирургических испытаниях нагрузка работает при высоком напряжении, высоком токе, высокой мощности и несинусоидальной форме сигнала. Особенно в режимах коагуляции и распылительной коагуляции выходной сигнал может включать импульсную модуляцию, высокое пиковое напряжение и большие переходные изменения. Поэтому рабочее состояние нагрузки в реальных электрохирургических испытаниях значительно отличается от состояния в условиях испытаний импеданса малым сигналом.
5.2 Механизм формирования излучения в испытательном контуре
Когда выход электрохирургического аппарата подключается к нагрузке, выходной провод, обратный провод, резистор нагрузки, крепление и анализатор совместно образуют высокочастотную токовую петлю. Если площадь петли велика, путь асимметричен или соединительные провода длинные, петля может проявлять излучательное поведение, подобное антенне. Излучательная связь в основном возникает из-за чрезмерной площади высокочастотной токовой петли, чрезмерного расстояния между выходным и обратным проводниками, длинных проводников нагрузки, открытых проводниковых структур, неэкранированных нагрузок, ближнеполевой связи с измерительными проводниками и изменений в распределении электромагнитного поля, вызванных окружающими металлическими конструкциями. С точки зрения электромагнитной совместимости, такой тип открытой высокочастотной петли увеличивает ближнеполевую связь и восприимчивость к излучению [9].
5.3 Влияние радиационной связи на энергетический баланс
В идеале вся выходная мощность электрохирургического аппарата рассеивается в нагрузочном резисторе:
Pout = Pload
При наличии явного излучения и связи в испытательном контуре баланс мощности следует выражать следующим образом:
Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss
где Pload — фактическая мощность, поглощаемая нагрузочным резистором, Pradiation — потери излучения в измерительном контуре, Pcoupling — мощность, передаваемая в корпус анализатора, кабель отбора проб, заземляющую конструкцию или близлежащие металлические объекты, а Ploss — дополнительные потери в кабелях, разъемах, клеммах и других конструкциях.
5.4 Влияние радиационного воздействия на повторяемость измерений
Из-за радиационного воздействия результаты испытаний сильно зависят от условий окружающей среды и эксплуатации. Для одного и того же электрохирургического аппарата, при одинаковых настройках мощности и номинальной нагрузке, могут наблюдаться различные результаты при изменении длины выходного кабеля, способа изгиба кабеля, расстояния между нагрузкой и анализатором, расположения нагрузки, метода заземления, близости рук оператора, положения металлического стола и наличия или отсутствия экранирующих конструкций.
6. Влияние высокочастотных искажений номинальной нагрузки на рабочую точку испытываемого устройства.
Высокочастотный электрохирургический аппарат не является ни идеальным источником напряжения, ни идеальным источником тока. Его выходная мощность имеет зависимость от импеданса нагрузки, обеспечивающую согласование и регулирование. При изменении номинального импеданса нагрузки фактическое выходное состояние тестируемого устройства изменяется соответствующим образом.
Для заявленной мощности 100 Вт / 500 Ом / 4 МГц идеальным условием испытаний является Zload = 500 Ом. В реальных условиях испытаний, из-за скин-эффекта, паразитных параметров и связи с излучением, нагрузка может вести себя следующим образом:
Zactual = 520 Ом + j40 Ом
В этот момент нагрузка, воспринимаемая тестируемым устройством, перестаёт быть чистым сопротивлением 500 Ом. Это может привести к увеличению или уменьшению выходного напряжения электрохирургического аппарата, изменению выходного тока, смещению согласования выходного каскада, расхождению фактической активной мощности с мощностью при номинальной нагрузке, а также к несоответствию отображаемой анализатором мощности истинной потребляемой мощности. В конечном итоге это влияет на основу для оценки номинальной выходной мощности в соответствии со стандартом IEC 60601-2-2.
Следует отметить, что ошибка, вызванная смещением нагрузки, имеет двойственную природу. С одной стороны, показания, полученные с помощью цепи измерения напряжения и тока, отклоняются от истинной активной мощности. С другой стороны, изменяется состояние регулирования мощности или согласования тестируемого устройства. Поэтому последующий анализ ошибок должен не только корректировать отображаемое значение анализатора, но и подтверждать, что тестируемый образец остается в пределах заявленной рабочей точки номинальной нагрузки.
7. Комплексная эквивалентная модель
Для более точного описания электрохирургической испытательной системы на частоте 4 МГц номинальное сопротивление нагрузки можно смоделировать, используя подход моделирования комплексного импеданса, применяемый в высокочастотной технике. Номинальную нагрузку можно рассматривать как составную электромагнитную нагрузку, на которую совместно влияют частота, мощность, температура и геометрия [10]:
Zactual(f, P, T, G) = Rdc + ΔRskin(f) + ΔRthermal(P,T) + jωLparasitic(G) + 1/(jωCparasitic(G)) + Zradiation(f,G)
где f — рабочая частота, P — выходная мощность, T — температура нагрузки, а G — геометрия резистора и структура тестового контура. Rdc — номинальное сопротивление постоянного тока; ΔRskin(f) — изменение сопротивления переменного тока, вызванное скин-эффектом; ΔRthermal(P,T) — дрейф сопротивления, вызванный повышением мощности и температуры; Lparasitic(G) — паразитная индуктивность, обусловленная конструкцией и соединением; Cparasitic(G) — паразитная емкость, обусловленная конструкцией и окружающей средой; и Zradiation(f,G) — эквивалентный член для связи излучения.
Фактическую активную мощность следует рассчитывать с использованием метода интегрирования мгновенной мощности:
Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt
Для несинусоидальных, модулированных и импульсных сигналов этот метод более обоснован, чем простой расчет U²/R, поскольку он учитывает как формы напряжения и тока, так и фазовое соотношение. Полная эквивалентная модель показана на рис. 7.
В инженерной реализации для сканирования импеданса на частотах 1, 2, 3, 4 и 5 МГц можно использовать высокочастотный LCR-метр или векторный анализатор цепей, извлекать такие параметры, как R, Lp и Cp, и создавать базу данных нагрузок. При тестировании мощности на частоте 4 МГц эту базу данных затем можно объединить с результатами синхронной выборки напряжения-тока для коррекции влияния комплексного импеданса и разности фаз на расчет активной мощности [3]. В то же время исследования осциллографических анализаторов электрохирургии показывают, что высокоскоростное получение сигналов может использоваться для синхронного наблюдения выходного сигнала, частоты и параметров мощности, тем самым поддерживая оценку мощности для несинусоидальных или импульсно-модулированных выходов [4].
8. Схема экспериментальной проверки
8.1 4 МГц. Измерение импеданса резисторов различных типов.
Цель данного эксперимента — проверить, проявляют ли различные формы резисторов с одинаковым номинальным сопротивлением различия в импедансе на частоте 4 МГц. В качестве объектов тестирования используются проволочные силовые резисторы, цементные резисторы, резисторы большой мощности общего назначения, массивы металлопленочных резисторов, толстопленочные неиндуктивные резисторы и коаксиальные ВЧ-нагрузки. Параметры тестирования включают сопротивление постоянному току Rdc, величину импеданса на частоте 4 МГц |Z|, фазовый угол θ на частоте 4 МГц, эквивалентное последовательное сопротивление ESR, эквивалентную последовательную индуктивность ESL, эквивалентную параллельную емкость EPC и изменения импеданса до и после нагрева.
8.2 Испытание на дрейф нагрузки при сильном высокочастотном электрохирургическом возбуждении
Цель данного эксперимента — проверить, изменяется ли нагрузка динамически при реальном сильном возбуждении от электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц. Предложенный метод заключается в настройке электрохирургического аппарата на типичные режимы работы, подключении различных типов нагрузки 500 Ом или заявленной производителем номинальной нагрузки, регистрации изменений температуры и импеданса нагрузки до начала работы и через 10, 30 и 60 секунд после начала работы, а также сравнении дрейфа показаний мощности при различных структурах нагрузки.
8.3 Эксперимент по радиационному взаимодействию в испытательном контуре
Цель данного эксперимента — проверить влияние излучения и связи в тестовой петле на показания мощности. В качестве переменных использовались длина выходного провода, расстояние между выходным и обратным проводниками, тип кабеля (обычный провод/витая пара/коаксиальный кабель), разомкнутая нагрузка/экранированная нагрузка, расстояние между нагрузкой и анализатором, способ заземления и условия мониторинга с помощью ближнеполевого зонда. Зарегистрированные параметры включали отображаемую на анализаторе мощность, форму напряжения, форму тока, разность фаз, интенсивность ближнеполевого излучения, погрешность повторения и результат мгновенного интегрирования мощности.
8.4 Эксперимент по проверке оптимизированной конструкции нагрузки
Цель данного эксперимента — проверить, может ли конструкция с низкой индуктивностью, коаксиальным кабелем и экранированием повысить точность измерений. Можно сравнить четыре схемы: обычный провод плюс обычный резистор, короткий провод плюс неиндуктивный резистор, коаксиальное соединение плюс неиндуктивная нагрузка и коаксиальная ВЧ нагрузка плюс экранирующая структура. Показатели оценки включают погрешность мощности, повторяемость, фазовый угол, повышение температуры нагрузки и интенсивность излучения в ближнем поле.
8.5 Проверка сканирования импеданса и динамической компенсации
Цель данного эксперимента — проверить, улучшают ли высокочастотная характеристика импеданса и динамическая компенсация точность измерения мощности. Для измерения амплитуды импеданса, фазового угла и температурного дрейфа в диапазоне 1-5 МГц можно выбрать прецизионную эталонную нагрузку 500 Ом и различные структурные нагрузки. Затем можно выполнить синхронную выборку напряжения и тока на частоте 4 МГц при типичных условиях выходной мощности для сравнения показаний мощности, фазовой ошибки и повторяемости до и после компенсации. Часть, отвечающая за синхронную выборку, может быть объединена с концепцией осциллографа-анализатора для записи несинусоидальных сигналов, импульсно-модулированных сигналов и сигналов с высоким коэффициентом амплитуды на уровне сигналов. В эксперименте не следует использовать только одно показание мощности в качестве критерия; также следует регистрировать размещение нагрузки, траекторию кабеля, метод заземления и условия экранирования.
9 рекомендаций по оптимизации тестовой системы
9.1 Номинальные нагрузки следует калибровать на частоте 4 МГц.
Для высокочастотного электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц номинальный нагрузочный резистор должен не только обеспечивать результаты калибровки сопротивления постоянному току, но и предоставлять высокочастотные параметры на рабочей частоте, включая величину импеданса на частоте 4 МГц, фазовый угол на частоте 4 МГц, эквивалентное последовательное сопротивление, эквивалентную последовательную индуктивность, эквивалентную параллельную емкость, дрейф повышения температуры при номинальной мощности, неопределенность измерений и рекомендуемый способ подключения.
Рекомендуемая маркировка: 500 Ом, |Z| при 4 МГц = xxx Ом, фазовый угол = xx°, номинальная мощность = xxx Вт, дрейф при повышении температуры = xx%, неопределенность = xx%.
9.2 Предпочтительны нагрузки с низкой индуктивностью, неиндуктивные или коаксиальные.
Для электрохирургических испытаний на частоте 4 МГц следует избегать проволочных резисторов и мощных резисторов с неясной структурой. Рекомендуемые варианты включают толстопленочные неиндуктивные резисторы, массивы низкоиндуктивных резисторов на основе металлических пленок, коаксиальные ВЧ-нагрузки, неиндуктивные нагрузки с масляным или водяным охлаждением, нагрузочные структуры с малой площадью петли и экранированные нагрузочные модули.
9.3. Необходимо контролировать связь излучения с испытательным контуром.
Рекомендуется располагать выходные и обратные проводники как можно ближе друг к другу, отдавать предпочтение коаксиальному соединению, уменьшать длину кабеля, избегать больших площадей разомкнутых контуров, использовать экранированный металлическим корпусом нагрузочный модуль, отделять или экранировать от линий электропередачи провода отбора проб, стандартизировать заземление, фиксировать положение кабелей и при необходимости использовать ближнеполевые зонды для контроля излучения в испытательном контуре. Оптимизированная структура системы показана на рис. 11.
9.4 Для расчета мощности следует использовать метод мгновенного интегрирования мощности.
Для электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц, особенно в режимах модулированного и импульсного выходного сигнала, не рекомендуется полагаться исключительно на формулу P = U²/R. Более разумным методом является синхронное получение сигналов напряжения и тока и вычисление Pactive = (1/T)∫u(t)i(t)dt. Этот метод позволяет учитывать разность фаз, несинусоидальные формы сигналов и переходные процессы, и лучше подходит для оценки фактической выходной мощности высокочастотного электрохирургического аппарата.
9.5 Краткий обзор источников ошибок тестирования и применимости нагрузки
Таблица 2. Сводка источников ошибок при тестировании выходной мощности электрохирургических аппаратов с частотой 4 МГц.
| Источник ошибки | Конкретное проявление | Влияние на результат |
| Эффект кожи | Rac отклоняется от Rdc | Отклонение в расчете мощности |
| Паразитная индуктивность | Запаздывание тока и увеличение реактивного сопротивления | Фазовая ошибка и отклонение мощности |
| Паразитная емкость | Высокочастотный шунтирующий ток | Изменено текущее распределение |
| Температурный дрейф | Сопротивление меняется со временем | Сниженная повторяемость |
| Радиационная связь | Энергия передается в пространство или замкнутые пространства. | Колебания данных и чувствительность к окружающей среде |
| Нелинейность сильного возбуждения | Измерения малых сигналов не могут отражать реальные условия эксплуатации. | Искажение условий номинальной нагрузки |
| Алгоритм анализатора | Упрощение модели RMS или U^2/R | Увеличение погрешности при несинусоидальных формах сигналов. |
9.6 В протоколах испытаний следует указывать эквивалентные условия нагрузки.
Рекомендуется дополнительно указывать в протоколе испытаний сопротивление постоянному току номинальной нагрузки, величину импеданса на частоте 4 МГц, фазовый угол, длину соединительного провода, метод экранирования, повышение температуры нагрузки и дату калибровки. Для модулированных или импульсных режимов выходного сигнала в протоколе также следует указать, используется ли при расчете мощности модель истинного среднеквадратичного значения, модель U²/R или модель синхронного интегрирования напряжения и тока. Эти данные помогут сравнить результаты, полученные в разных лабораториях, с использованием разных электрохирургических анализаторов и при разных структурах нагрузки.
10 Обсуждение
Основная точка зрения данной работы заключается в том, что погрешность тестирования электрохирургических устройств с частотой 4 МГц нельзя объяснять исключительно недостаточной точностью анализатора электрохирургических устройств. При высокочастотном и мощном возбуждении номинальный нагрузочный резистор в тестовой системе становится ключевым фактором, влияющим на результаты тестирования. По сравнению с существующими исследованиями динамической компенсации и исследованиями с использованием осциллографического анализатора, в данной работе больше внимания уделяется взаимосвязи между самой нагрузкой, тестовым контуром и рабочей точкой тестируемого устройства, а также рассматривается эквивалентность нагрузки как необходимое условие для точного измерения мощности.
Во-первых, скин-эффект приводит к тому, что эквивалентное сопротивление резистора по переменному току отклоняется от его номинального значения по постоянному току. При высокочастотном выходе на частоте 4 МГц распределение тока перестает быть равномерным, и выводы резистора, соединительные пластины и слои резистивной пленки могут вызывать изменения сопротивления по переменному току. Во-вторых, форма резистора определяет паразитные параметры. Проволочные резисторы, цементные резисторы, толстопленочные резисторы и коаксиальные нагрузки могут иметь одинаковое сопротивление по постоянному току, но их фазовые углы, величины импеданса и характеристики излучения на частоте 4 МГц значительно различаются. Следовательно, одинаковое номинальное сопротивление не означает идентичную эквивалентность высокочастотной нагрузки.
Во-третьих, сам высокочастотный электрохирургический аппарат является мощным источником высокочастотного возбуждения. Во время реальных испытаний нагрузка выдерживает не только высокочастотные сигналы, но и высокое напряжение, высокий ток, импульсную модуляцию и тепловые нагрузки. Испытательный контур может создавать излучение и ближнеполевые связи, в результате чего часть энергии перестает полностью рассеиваться в резисторе нагрузки. Наконец, искажения, вызванные номинальной нагрузкой, влияют не только на показания анализатора, но и на фактическую рабочую точку испытываемого электрохирургического аппарата. Если производитель заявляет номинальную выходную мощность при 500 Ом, но 500 Ом в испытательной системе фактически становится частотно-зависимым комплексным импедансом, то испытываемое устройство перестает находиться в состоянии номинальной нагрузки в том смысле, в каком это требуется стандартом. Следовательно, результирующая оценка выходной мощности может содержать систематическую погрешность.
Следовательно, тестирование электрохирургических устройств на частоте 4 МГц следует расширить от «точности показаний прибора» до всесторонней оценки эквивалентности нагрузки, электромагнитной совместимости контура и метода измерения мощности.
11 Выводы
В данной статье систематически анализируются проблемы точности данных при тестировании выходной мощности электрохирургического аппарата на частоте 4 МГц с трех точек зрения: скин-эффект резистора, структурная форма резистора и связь излучения в тестовом контуре при сильном высокочастотном электрохирургическом возбуждении.
Исследование показывает, что в условиях высокочастотного излучения частотой 4 МГц номинальное сопротивление нагрузки больше не следует рассматривать как идеальное чистое сопротивление. Под воздействием скин-эффекта эквивалентное сопротивление переменного тока может отклоняться от номинального значения постоянного тока. Под влиянием формы резистора и конструкции крепления нагрузка вносит паразитную индуктивность и паразитную емкость. Под воздействием сильного высокочастотного электрохирургического возбуждения испытательный контур может генерировать значительное излучение, связь и дополнительные потери. Эти факторы в совокупности превращают номинальную нагрузку из простой R-модели в сложную высокочастотную составную электромагнитную модель нагрузки.
Эта проблема влияет не только на показания мощности анализатора электрохирургического оборудования, но и на фактическое состояние нагрузки, наблюдаемое в испытываемом электрохирургическом аппарате, вызывая отклонение от номинальной нагрузки, используемой в испытаниях по стандарту IEC 60601-2-2. Таким образом, суть ошибки при испытаниях электрохирургического аппарата на частоте 4 МГц заключается не просто в инструментальной ошибке, а в систематической ошибке, обусловленной сопротивлением нагрузки, тестовой петлей и испытываемым образцом.
Для повышения точности и воспроизводимости испытаний выходной мощности электрохирургического оборудования на частоте 4 МГц рекомендуется калибровать номинальный нагрузочный резистор под высокочастотное сопротивление 4 МГц, использовать низкоиндуктивные неиндуктивные резисторы или коаксиальные ВЧ-нагрузки, контролировать площадь испытательного контура, уменьшить количество обрывов кабелей и радиационную связь, контролировать повышение температуры нагрузки и дрейф импеданса, а также создать базу данных параметров нагрузки с помощью высокочастотного LCR-метра или векторного анализатора цепей. В протоколе испытаний следует указывать импеданс нагрузки, фазовый угол, способ подключения и условия контроля излучения, а активную мощность следует рассчитывать с использованием синхронной выборки напряжения и тока и интегрирования мгновенной мощности.
Таким образом, только оценивая номинальное сопротивление нагрузки как «комплексную электромагнитную нагрузку на рабочей частоте 4 МГц», а не просто как «номинальное значение постоянного тока», можно более точно отразить реальные выходные характеристики электрохирургического аппарата с частотой 4 МГц и повысить надежность и сопоставимость результатов испытаний по стандарту IEC 60601-2-2.
Примечание: Неидеальность высокочастотных нагрузок 4 МГц и связь излучения обусловлены высокочастотными электромагнитными полями, характеристиками материалов и взаимодействием с испытательной системой, поэтому требуют дальнейших исследований. Данная работа основана на выявлении проблем и инженерной проверке в ходе реальных инспекционных работ и направлена на предложение осуществимых аналитических идей и мер по улучшению. В связи с ограничениями в условиях исследования и понимании, любые недостатки могут быть подвергнуты критике и исправлению со стороны экспертов и коллег.
Референсы
[1] ЧЕН Конг. Тестирование выходной мощности высокочастотного хирургического оборудования [J]. Китайские медицинские устройства, 2016, 31(3): 139-141.
[2] Ли Мин, Го Чжиганг, Цюй Юаньюань. Тестирование мощности и улучшение сопротивления нагрузки высокочастотных электрохирургических аппаратов [J]. Китайское медицинское оборудование, 2025, 22(11).
[3] ЛЮ Фалин, ЦЯН Сяолун, ДЭН Сянвэнь, ЧЭНЬ Чанъянь, ЧЖАН Чао. Метод динамической компенсации для высокочастотных электрохирургических тестеров на основе высокочастотного LCR-метра или сетевого анализатора [J/OL]. Китайская информация о медицинских устройствах, 2025, 31(17): 37-40.
[4] ШАН Чао, ЦЯН Сяолун, ЛЮ Цзимин, ЧЖАН Чао. Исследование высокочастотных анализаторов электрохирургии на основе осциллографов [J/OL]. Стандартная наука, 2025(13).
[5] МЭК. МЭК 60601-2-2:2017 Медицинское электрическое оборудование – Часть 2-2: Особые требования к базовой безопасности и основным характеристикам высокочастотного хирургического оборудования и высокочастотных хирургических принадлежностей [S]. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
[6] Национальная комиссия здравоохранения Китайской Народной Республики. WS/T 602-2018 Управление безопасностью высокочастотных электрохирургических аппаратов [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2018.
[7] Государственное управление по регулированию рынка. JJF 1217-2025 Спецификация калибровки высокочастотных хирургических установок [S]. Пекин: Китайское издательство стандартов, 2025.
[8] Национальное управление по медицинским изделиям. Общедоступная стандартная информация о принятии IEC 60601-2-2:2017 для высокочастотного хирургического оборудования и высокочастотных хирургических принадлежностей [EB/OL].
[9] Пол К. Р. Введение в электромагнитную совместимость [М]. 2-е изд. Хобокен: Wiley, 2006.
[10] ПОЗАР Д. М. Микроволновая техника [М]. 4-е изд. Хобокен: Wiley, 2011.
