ผลกระทบของความไม่สมบูรณ์แบบความถี่สูงของความต้านทานโหลดที่กำหนดและการเหนี่ยวนำการแผ่รังสีต่อความแม่นยำในการทดสอบกำลังเอาต์พุตของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้า 4 เมกะเฮิร์ตซ์

DENG Sha¹, ZHANG Chao², WU Shaohai¹ ผู้เขียนที่สอดคล้องกัน: FAN Xiang¹

1. สถาบันกำกับดูแลและตรวจสอบคุณภาพอุปกรณ์การแพทย์มณฑลกวางตุ้ง เลขที่ 1 ถนนกวงปู่ตะวันตก เขตหวงปู่ เมืองกวางโจว มณฑลกวางตุ้ง 510663 ประเทศจีน
2. คิงโป บริษัท เทคโนโลยี ดีเวลลอปเมนต์ จำกัด เลขที่ 9 ถนนมหาวิทยาลัย ทะเลสาบซงซาน เมืองตงกวน มณฑลกวางตุ้ง 523869 ประเทศจีน

บทคัดย่อ:เมื่อใช้เครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่มีอยู่เพื่อวัดกำลังไฟฟ้า แรงดัน และกระแสเอาต์พุตของเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูง 4 MHz มักพบปัญหาต่างๆ เช่น ความสามารถในการทำซ้ำของข้อมูลไม่เพียงพอ ความแตกต่างอย่างมากระหว่างเครื่องมือทดสอบ และการตัดสินกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตที่กำหนดไม่เสถียร การวิเคราะห์แบบเดิมมักจะระบุสาเหตุของปัญหาเหล่านี้ว่าเป็นเพราะแบนด์วิดท์การสุ่มตัวอย่างไม่เพียงพอ ข้อผิดพลาดของอัลกอริทึม RMS หรือความไม่ตรงกันของความถี่ในการสอบเทียบของเครื่องวิเคราะห์ อย่างไรก็ตาม สำหรับเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้า 4 MHz สาเหตุหลักของข้อผิดพลาดในการทดสอบไม่ได้อยู่ที่เครื่องมือวัดเพียงอย่างเดียว แต่ยังเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่เป็นอุดมคติของความต้านทานโหลดที่กำหนดภายใต้การกระตุ้นด้วยความถี่สูงและกำลังสูง บทความนี้วิเคราะห์กลไกการบิดเบือนของความต้านทานโหลดที่กำหนดในการทดสอบ 4 MHz จากสามมุมมอง ได้แก่ ผลกระทบของผิวตัวต้านทาน รูปแบบโครงสร้างของตัวต้านทาน และการเชื่อมต่อการแผ่รังสีในวงจรทดสอบภายใต้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าที่รุนแรง การศึกษาชี้ให้เห็นว่าสมมติฐานแบบเดิมที่ว่าความต้านทานโหลดที่กำหนดเป็นความต้านทานบริสุทธิ์ในอุดมคติไม่ถูกต้องเพียงพอที่ 4 MHz เนื่องจากผลกระทบจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ ค่าความต้านทานเทียบเท่ากระแสสลับอาจเบี่ยงเบนจากค่าความต้านทานกระแสตรงที่กำหนดไว้ นอกจากนี้ รูปทรงของตัวต้านทาน โครงสร้างของสายไฟ วิธีการติดตั้ง และโครงสร้างการระบายความร้อน อาจทำให้เกิดค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุแฝงขึ้นได้ ภายใต้การกระตุ้นด้วยแรงดันสูง กระแสสูง แบบไม่เป็นรูปคลื่นไซน์ หรือแบบพัลส์ วงจรทดสอบอาจก่อให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า การเชื่อมต่อในระยะใกล้ และการสูญเสียพลังงานเพิ่มเติมอย่างมีนัยสำคัญ มาตรฐาน IEC 60601-2-2 เป็นมาตรฐานเฉพาะสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็นของอุปกรณ์ผ่าตัดความถี่สูงและอุปกรณ์เสริมผ่าตัดความถี่สูง โดยทั่วไป การทดสอบกำลังไฟฟ้าขาออกของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าจะดำเนินการภายใต้สภาวะโหลดที่กำหนดหรือภายใต้โหลดที่ผู้ผลิตประกาศไว้ ดังนั้น ความถูกต้องและความสามารถในการทำซ้ำของสภาวะโหลดจึงส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของผลการทดสอบ บทความนี้เสนอว่า ค่าความต้านทานโหลดที่ใช้ในการทดสอบเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz ควรเปลี่ยนจากแบบจำลองความต้านทานกระแสตรงแบบดั้งเดิมไปเป็นแบบจำลองโหลดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบผสมความถี่สูง ซึ่งพิจารณาถึงผลกระทบของผิวโลหะ พารามิเตอร์ปรสิต การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และการแผ่รังสีอย่างครอบคลุม เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัด ขอแนะนำให้ใช้โหลดที่ไม่เหนี่ยวนำที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำหรือโหลด RF แบบโคแอกเซียล การสอบเทียบอิมพีแดนซ์ 4 MHz ของโหลดที่กำหนด พื้นที่วงจรทดสอบที่ควบคุมได้ และการแผ่รังสี การสุ่มตัวอย่างแรงดันและกระแสแบบซิงโครนัส และการรวมกำลังไฟฟ้าทันทีสำหรับการคำนวณกำลังไฟฟ้าแอคทีฟ

คำสำคัญ:เครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้า 4 MHz; ความต้านทานโหลดที่กำหนด; ผลกระทบต่อผิวหนัง; รูปแบบตัวต้านทาน; การเชื่อมต่อการแผ่รังสี; IEC 60601-2-2; เครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้า; การทดสอบกำลังเอาต์พุต

หมายเลขการจัดหมวดหมู่ของห้องสมุดจีน: R318.6 รหัสเอกสาร: A DOI: ฝ่ายบรรณาธิการจะกรอกข้อมูลให้ครบถ้วน
ได้รับต้นฉบับแล้ว: กองบรรณาธิการจะดำเนินการให้เสร็จสมบูรณ์ ประวัติผู้เขียน: DENG Sha, อีเมล: ; ผู้เขียนที่ติดต่อได้: FAN Xiang, อีเมล: .

ฮิต: ความรู้เบื้องต้น

กำลังเอาต์พุตของเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูงมีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพการตัด ผลการแข็งตัวของเลือด และความปลอดภัยของผู้ป่วย [1] เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าทั่วไป อุปกรณ์ 4 MHz ได้รับผลกระทบจากอิมพีแดนซ์โหลด สายเชื่อมต่อ และโครงสร้างอุปกรณ์ได้ง่ายกว่า งานวิจัยก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าอิมพีแดนซ์โหลดระดับ MHz การชดเชยแบบไดนามิก และการได้มาซึ่งรูปคลื่นสามารถส่งผลต่อการวัดกำลังได้ [2-4] ทั้ง IEC 60601-2-2 และ JJF 1217-2025 ต่างเน้นย้ำถึงเงื่อนไขโหลดที่กำหนดและความถี่ในการทำงาน [5,7] บทความนี้วิเคราะห์อิทธิพลของเอฟเฟกต์ผิว พารามิเตอร์ปรสิต และการเชื่อมต่อการแผ่รังสีต่อความแม่นยำของการทดสอบกำลังเอาต์พุต 4 MHz ตรรกะการวิจัยแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แผนผังแสดงขั้นตอนการเกิดข้อผิดพลาดในการทดสอบกำลังเอาต์พุตในเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์

2 ประเด็นเกี่ยวกับการทดสอบการรับน้ำหนักตามพิกัด IEC 60601-2-2

IEC 60601-2-2 เป็นมาตรฐานเฉพาะสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็นของอุปกรณ์ผ่าตัดความถี่สูงและอุปกรณ์เสริมผ่าตัดความถี่สูง ภายใต้กรอบมาตรฐานนี้ การทดสอบประสิทธิภาพเอาต์พุตของหน่วยผ่าตัดด้วยไฟฟ้ามักจะต้องดำเนินการภายใต้โหลดที่กำหนดหรือภายใต้โหลดที่ผู้ผลิตประกาศ ช่วงความถี่ในการทำงาน 0.3-5.0 MHz ที่ครอบคลุมโดย JJF 1217-2025 ยังระบุด้วยว่าการทดสอบกำลังเอาต์พุต 4 MHz อยู่ภายในแถบความถี่หลักของการสอบเทียบความถี่สูงแล้ว [7]

สำหรับเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูง โหลดที่กำหนดไว้ไม่ได้เป็นเพียงอุปกรณ์ทดสอบเท่านั้น แต่เป็นเงื่อนไขสำคัญที่กำหนดสถานะการทำงานของอุปกรณ์ ตัวอย่างเช่น หากอุปกรณ์ระบุว่าให้กำลังไฟฟ้า 100 วัตต์ภายใต้โหลด 500 โอห์ม โหลด 500 โอห์มนั้นไม่ได้เป็นเพียงตัวหารในสูตรคำนวณกำลังไฟฟ้า แต่เป็นส่วนหนึ่งของจุดการทำงานที่กำหนดของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้านั้น หากโหลด 500 โอห์มที่ว่านั้น แท้จริงแล้วมีพฤติกรรมเป็น 500 โอห์ม + jX ที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ หรือหากขนาดของอิมพีแดนซ์และมุมเฟสเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิที่สูงขึ้นและวิธีการเดินสายไฟ อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบนั้นจะไม่ทำงานภายใต้สภาวะโหลดที่กำหนดไว้ในอุดมคติอีกต่อไป

แบบจำลองการทดสอบแบบดั้งเดิมมักจะถือว่าตัวต้านทานโหลดเป็นตัวต้านทานบริสุทธิ์ในอุดมคติ แรงดันและกระแสอยู่ในเฟสเดียวกัน และกำลังไฟฟ้าขาออกทั้งหมดถูกดูดซับโดยโหลด แบบจำลองนี้สามารถเขียนได้ดังนี้:

P = U^2 / R หรือ P = I^2R

โดยที่ R ถือเป็นความต้านทานบริสุทธิ์ในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม สำหรับเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz แบบจำลองนี้ตั้งสมมติฐานโดยปริยายว่าความต้านทานโหลดที่ความถี่ 4 MHz ยังคงเท่ากับค่าความต้านทานกระแสตรงที่กำหนดไว้ โหลดไม่มีค่าความเหนี่ยวนำหรือความจุไฟฟ้าแฝงที่มีนัยสำคัญ ความแตกต่างของเฟสระหว่างแรงดันและกระแสสามารถละเลยได้ วงจรทดสอบไม่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีนัยสำคัญ และกำลังไฟฟ้าขาออกเกือบทั้งหมดถูกใช้ไปในตัวต้านทานโหลด

ในการทดสอบจริง มักเป็นเรื่องยากที่จะปฏิบัติตามข้อสมมติเหล่านี้ได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น การทดสอบกำลังเอาต์พุตของเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz จึงควรเปลี่ยนจาก “การทดสอบโหลดในอุดมคติ” ไปเป็น “การทดสอบโหลดแบบผสมความถี่สูง” ดังแสดงในรูปที่ 2

3. อิทธิพลของปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ของตัวต้านทานต่อโหลดพิกัด

3.1 กลไกพื้นฐานของผลกระทบต่อผิวหนัง

ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ หมายถึงปรากฏการณ์ที่เมื่อกระแสสลับไหลผ่านตัวนำ กระแสจะค่อยๆ กระจุกตัวอยู่ใกล้ผิวตัวนำมากขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น ทำให้ความหนาแน่นของกระแสภายในตัวนำลดลง ส่งผลให้พื้นที่หน้าตัดนำไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพลดลง และความต้านทานกระแสสลับจะสูงกว่าความต้านทานกระแสตรง ความลึกของสกินสามารถแสดงได้ดังนี้:

δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]

โดยที่ δ คือความลึกของผิววัสดุ, ρ คือความต้านทานจำเพาะของวัสดุ, ω คือความถี่เชิงมุม, μ คือสภาพซึมผ่านได้ของวัสดุ และ ω = 2πf เมื่อความถี่เพิ่มขึ้นเป็น 4 MHz การกระจายกระแสจะแตกต่างจากสภาวะกระแสตรงอย่างมาก สำหรับขั้วโลหะ แผ่นเชื่อมต่อ ชั้นฟิล์มต้านทาน ตัวนำ และโครงสร้างนำไฟฟ้าในตัวต้านทานโหลดกำลังสูง ผลกระทบของผิววัสดุจะเปลี่ยนการกระจายกระแสและทำให้ความต้านทานเทียบเท่ากระแสสลับเปลี่ยนแปลงไปด้วย หากใช้ความต้านทานระบุค่ากระแสตรงเพียงอย่างเดียวเป็นพื้นฐานในการคำนวณกำลังไฟฟ้า อิทธิพลของความต้านทานที่ขึ้นอยู่กับความถี่ต่อการดูดซับกำลังไฟฟ้าของโหลดจะถูกละเลย

3.2 ความแตกต่างระหว่างค่าความต้านทานกระแสตรงที่ระบุและค่าความต้านทานกระแสสลับความถี่สูง

ภายใต้สภาวะกระแสตรง (DC) ความต้านทานโหลดที่กำหนดสามารถแสดงได้เป็น R = Rdc โดยที่ Rdc คือความต้านทานระบุค่ากระแสตรง อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะความถี่สูง 4 MHz ความต้านทานโหลดที่กำหนดควรแสดงเป็น R = Rac(f) โดยที่ Rac(f) คือความต้านทานเทียบเท่ากระแสสลับ (AC) ที่ขึ้นอยู่กับความถี่ เนื่องจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ โพรซิมิตีเอฟเฟกต์ และโครงสร้างของตัวนำ ทำให้ Rac มักจะไม่เท่ากับ Rdc

หลังจากพิจารณาพารามิเตอร์ปรสิตเพิ่มเติมแล้ว โหลดควรแสดงได้ดังนี้:

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

โดยที่ Rskin(f) คือส่วนประกอบความต้านทานเทียบเท่าที่ได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ และ X(f) คือส่วนประกอบรีแอกแทนซ์ที่เกิดจากความเหนี่ยวนำปรสิตและความจุปรสิตร่วมกัน ซึ่งหมายความว่าโหลด 500 Ω ที่ระบุ อาจไม่เทียบเท่ากับความต้านทาน 500 Ω บริสุทธิ์ที่ความถี่ 4 MHz หากเครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้ายังคงคำนวณกำลังไฟฟ้าตามโหลด 500 Ω ในอุดมคติ จะเกิดข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบ

ดังนั้น ฉลากแสดงพิกัดโหลดจึงไม่ควรระบุเพียงค่าความต้านทานกระแสตรง เช่น “500 โอห์ม” เท่านั้น แต่ควรระบุค่าความต้านทานที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ มุมเฟส การเปลี่ยนแปลงความต้านทานตามอุณหภูมิขณะใช้งานที่กำลังไฟฟ้าพิกัด และวิธีการเชื่อมต่อที่แนะนำด้วย สำหรับโมดูลโหลดที่ใช้ในการทดสอบประเภทหรือการตรวจสอบโดยบุคคลที่สาม ควรเก็บรักษาบันทึกการกวาดความถี่ไว้เพื่อสนับสนุนการตรวจสอบย้อนกลับและความสามารถในการทำซ้ำของผลการทดสอบ

3.3 อิทธิพลของปรากฏการณ์ผิวต่อการทดสอบกำลัง

ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม P = U^2 / Rdc ภายใต้สภาวะความถี่สูง P = U^2 / Rac ถ้า Rac > Rdc ภายใต้แรงดันไฟฟ้าเดียวกัน กำลังไฟฟ้าที่โหลดดูดซับจริงจะน้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่คำนวณโดยใช้ Rdc หากเครื่องวิเคราะห์ไม่สามารถระบุการเปลี่ยนแปลงนี้ได้ กำลังไฟฟ้าที่แสดงอาจสูงกว่ากำลังไฟฟ้าที่ใช้งานจริง ในขณะเดียวกัน เครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูงเองก็ไม่ใช่แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าในอุดมคติ การเปลี่ยนแปลงในความต้านทานของโหลดจะส่งผลย้อนกลับไปยังจุดการทำงานของวงจรเอาต์พุต ทำให้แรงดันไฟฟ้า กระแส และกำลังไฟฟ้าขาออกเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ผลกระทบของสกินเอฟเฟกต์จึงไม่เพียงส่งผลต่อการคำนวณกำลังไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อสถานะเอาต์พุตจริงของตัวอย่างที่กำลังทดสอบด้วย

4. อิทธิพลของรูปแบบตัวต้านทานต่อพารามิเตอร์ปรสิต

4.1 บทบาทสำคัญของรูปทรงตัวต้านทานต่อคุณลักษณะความถี่สูง

ในการทดสอบความถี่ต่ำหรือกระแสตรง ตัวต้านทานที่มีโครงสร้างแตกต่างกันมักจะถือว่ามีฟังก์ชันการทำงานคล้ายกัน ตราบใดที่ค่าความต้านทานที่ระบุไว้เท่ากัน อย่างไรก็ตาม ในการทดสอบความถี่สูง 4 เมกะเฮิร์ตซ์ รูปทรงของตัวต้านทานจะเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมความถี่สูงโดยตรง ตัวต้านทานแบบพันลวด ตัวต้านทานแบบซีเมนต์ ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนาที่ไม่เหนี่ยวนำ และโหลด RF แบบโคแอกเซียลที่มีค่าความต้านทานที่ระบุไว้เท่ากัน อาจแสดงค่าอิมพีแดนซ์ มุมเฟส และความเสถียรที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบคุณลักษณะความถี่สูงของตัวต้านทานรูปแบบต่างๆ ที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์

4.2 แหล่งที่มาและอิทธิพลของค่าเหนี่ยวนำปรสิต

ค่าความเหนี่ยวนำปรสิตส่วนใหญ่มาจากโครงสร้างขดลวดของตัวต้านทานแบบพันลวด ขั้วต่อตัวต้านทาน สายเชื่อมต่อโหลด อุปกรณ์ยึดและขั้วต่อ ลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ บริเวณวงจรโหลด และเส้นทางกระแสไฟฟ้าในแผ่นระบายความร้อนและโครงสร้างการติดตั้ง ค่าความต้านทานเชิงเหนี่ยวนำคือ:

XL = 2πfL

ที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ แม้แต่ค่าความเหนี่ยวนำแฝงเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลกระทบต่อผลการทดสอบอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อมีค่าความเหนี่ยวนำเพิ่มเติมอยู่ในวงจรโหลด โหลดจะไม่ทำงานเหมือนความต้านทานบริสุทธิ์อีกต่อไป แต่จะแสดงลักษณะความเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดความแตกต่างของเฟสระหว่างแรงดันและกระแส หากเครื่องวิเคราะห์ยังคงคำนวณกำลังโดยใช้แบบจำลองความต้านทานบริสุทธิ์ ผลกระทบของกำลังปฏิกิริยาต่อค่าที่อ่านได้จะถูกละเลย

4.3 แหล่งที่มาและอิทธิพลของความจุปรสิต

ค่าความจุปรสิตส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างตัวต้านทานกับแผ่นระบายความร้อน ระหว่างขั้วต่อตัวต้านทาน ระหว่างตัวต้านทานกับตัวเรือนโลหะ ระหว่างขั้วต่อเอาต์พุตกับกราวด์ ระหว่างแผ่นทองแดงของแผงวงจรพิมพ์ และระหว่างสายเคเบิลกับโครงสร้างโลหะโดยรอบ ค่าความต้านทานเชิงความจุคือ:

XC = 1 / (2πfC)

ที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ ความจุไฟฟ้าแฝงอาจเป็นเส้นทางลัดสำหรับกระแสความถี่สูง ทำให้กระแสบางส่วนไม่ไหลผ่านตัวต้านทานโหลดในอุดมคติอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้การกระจายกระแสโหลดไม่สอดคล้องกับแบบจำลองทางทฤษฎี และยังทำให้สัญญาณแรงดันและกระแสที่ได้จากเครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าไม่สามารถแสดงถึงกำลังไฟฟ้าที่ตัวต้านทานโหลดดูดซับได้อย่างแม่นยำ

4.4 การแปลงโหลดพิกัดเป็นวงจร RLC เนื่องมาจากรูปแบบของตัวต้านทาน

โดยสรุป ภายใต้สภาวะความถี่สูง 4 MHz โหลดที่กำหนดไม่ควรแสดงแบบง่ายๆ ว่า Zload = R อีกต่อไป แต่ควรแสดงในรูปแบบต่อไปนี้:

Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)

โดยที่ Rskin แทนความต้านทานกระแสสลับที่ได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ Lparasitic แทนความเหนี่ยวนำปรสิตที่เกิดจากโครงสร้างและการเชื่อมต่อ และ Cparasitic แทนความจุปรสิตที่เกิดจากตัวต้านทาน โครงสร้างระบายความร้อน สายเคเบิล และสภาพแวดล้อมโดยรอบ

5. การเชื่อมต่อรังสีภายใต้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าความถี่สูงที่รุนแรงในการผ่าตัด

5.1 การทดสอบด้วยไฟฟ้าผ่าตัดไม่ใช่การทดสอบความต้านทานสัญญาณขนาดเล็ก

เมื่อเครื่องวิเคราะห์อิมพีแดนซ์หรือเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์วัดคุณลักษณะความถี่สูงของตัวต้านทาน มักจะใช้การกระตุ้นด้วยสัญญาณขนาดเล็ก อย่างไรก็ตาม ในการทดสอบการผ่าตัดด้วยไฟฟ้าจริง โหลดจะทำงานภายใต้แรงดันสูง กระแสสูง กำลังสูง และรูปคลื่นที่ไม่เป็นไซน์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโหมดการแข็งตัวของเลือดและการแข็งตัวของเลือดแบบพ่น อาจมีการปรับพัลส์ แรงดันสูงสุดสูง และการเปลี่ยนแปลงชั่วขณะขนาดใหญ่ ดังนั้น สภาวะการทำงานของโหลดในการทดสอบการผ่าตัดด้วยไฟฟ้าจริงจึงแตกต่างอย่างมากจากสภาวะภายใต้การทดสอบอิมพีแดนซ์ด้วยสัญญาณขนาดเล็ก

5.2 กลไกการเกิดรังสีในวงจรทดสอบ

เมื่อเอาต์พุตของหน่วยผ่าตัดด้วยไฟฟ้าเชื่อมต่อกับโหลด สายเอาต์พุต สายส่งกลับ ตัวต้านทานโหลด อุปกรณ์ยึด และเครื่องวิเคราะห์จะร่วมกันสร้างวงจรกระแสความถี่สูง หากพื้นที่ของวงจรมีขนาดใหญ่ เส้นทางไม่สมมาตร หรือสายเชื่อมต่อยาว วงจรอาจแสดงพฤติกรรมการแผ่รังสีคล้ายกับเสาอากาศ การเชื่อมต่อการแผ่รังสีส่วนใหญ่เกิดจากพื้นที่ของวงจรกระแสความถี่สูงที่มากเกินไป การแยกตัวระหว่างตัวนำเอาต์พุตและตัวนำส่งกลับที่มากเกินไป สายโหลดที่ยาว โครงสร้างตัวนำแบบเปิด โหลดที่ไม่มีฉนวนหุ้ม การเชื่อมต่อสนามใกล้เข้าสู่สายสุ่มตัวอย่าง และการเปลี่ยนแปลงในการกระจายสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากโครงสร้างโลหะโดยรอบ จากมุมมองของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า วงจรความถี่สูงแบบเปิดประเภทนี้จะเพิ่มการเชื่อมต่อสนามใกล้และความไวต่อการแผ่รังสี [9]

5.3 อิทธิพลของการเชื่อมต่อการแผ่รังสีต่อสมดุลพลังงาน

ตามหลักการแล้ว พลังงานทั้งหมดที่ส่งออกมาจากเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าควรถูกกระจายไปที่ตัวต้านทานโหลด:

Pout = Pload

เมื่อมีการแผ่รังสีและการเชื่อมต่อที่ชัดเจนในวงจรทดสอบ สมดุลพลังงานควรแสดงได้ดังนี้:

Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss

โดยที่ Pload คือกำลังไฟฟ้าจริงที่ถูกดูดซับโดยตัวต้านทานโหลด, Pradiation คือการสูญเสียจากการแผ่รังสีของวงจรทดสอบ, Pcoupling คือกำลังไฟฟ้าที่ส่งผ่านเข้าไปในตัวเครื่องวิเคราะห์ สายเคเบิลสุ่มตัวอย่าง โครงสร้างต่อลงดิน หรือวัตถุโลหะที่อยู่ใกล้เคียง และ Ploss คือการสูญเสียเพิ่มเติมของสายเคเบิล ตัวเชื่อมต่อ ขั้วต่อ และโครงสร้างอื่นๆ

5.4 อิทธิพลของการเชื่อมต่อรังสีต่อความสามารถในการทำซ้ำของการทดสอบ

การแผ่รังสีทำให้ผลการทดสอบมีความไวสูงต่อสภาพแวดล้อมและเงื่อนไขการใช้งาน สำหรับเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าแบบเดียวกัน การตั้งค่ากำลังไฟเดียวกัน และโหลดที่กำหนดเดียวกัน ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอาจปรากฏขึ้นเมื่อความยาวสายเคเบิลขาออก รูปแบบการดัดสายเคเบิล ระยะห่างระหว่างโหลดและเครื่องวิเคราะห์ การจัดวางโหลด วิธีการต่อสายดิน ระยะห่างของมือผู้ใช้งาน ตำแหน่งของโต๊ะโลหะที่อยู่ใกล้เคียง และการมีหรือไม่มีโครงสร้างป้องกันรังสีเปลี่ยนแปลงไป

6. อิทธิพลของความผิดเพี้ยนความถี่สูงขณะรับโหลดพิกัดต่อจุดการทำงานของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ

เครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูงไม่ใช่แหล่งจ่ายแรงดันหรือแหล่งจ่ายกระแสในอุดมคติ กำลังไฟฟ้าขาออกมีความสัมพันธ์แบบจับคู่และควบคุมกับอิมพีแดนซ์ของโหลด เมื่ออิมพีแดนซ์ของโหลดที่กำหนดเปลี่ยนแปลง สถานะขาออกที่แท้จริงของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามนั้น

สำหรับค่ากำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้ 100 W / 500 Ω / 4 MHz สภาวะการทดสอบที่เหมาะสมที่สุดคือ Zload = 500 Ω แต่ในการทดสอบจริง เนื่องจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ พารามิเตอร์ปรสิต และการแผ่รังสี โหลดอาจมีพฤติกรรมดังนี้:

Zactual = 520 Ω + j40 Ω

ณ จุดนี้ โหลดที่อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบมองเห็นจะไม่ใช่ความต้านทาน 500 โอห์มบริสุทธิ์อีกต่อไป ซึ่งอาจทำให้แรงดันเอาต์พุตของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าเพิ่มขึ้นหรือลดลง กระแสเอาต์พุตเปลี่ยนแปลง สถานะการจับคู่ของวงจรเอาต์พุตเปลี่ยนไป กำลังไฟฟ้าที่ใช้งานจริงแตกต่างจากกำลังไฟฟ้าภายใต้สภาวะโหลดที่กำหนด และกำลังไฟฟ้าที่แสดงบนเครื่องวิเคราะห์ไม่สอดคล้องกับกำลังไฟฟ้าที่ดูดซับโดยโหลดจริง ในที่สุดแล้ว จะส่งผลต่อหลักเกณฑ์ในการตัดสินกำลังไฟฟ้าเอาต์พุตที่กำหนดภายใต้มาตรฐาน IEC 60601-2-2

ควรสังเกตว่าข้อผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโหลดมีลักษณะสองด้าน ด้านหนึ่ง ค่าที่อ่านได้จากวงจรการสุ่มตัวอย่างแรงดันและกระแสไฟฟ้าเบี่ยงเบนจากกำลังไฟฟ้าจริง อีกด้านหนึ่ง สถานะการควบคุมกำลังไฟฟ้าหรือการจับคู่ของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบเปลี่ยนแปลงไป ดังนั้น การวิเคราะห์ข้อผิดพลาดในภายหลังจึงไม่เพียงแต่แก้ไขค่าที่แสดงบนเครื่องวิเคราะห์เท่านั้น แต่ยังต้องตรวจสอบด้วยว่าตัวอย่างที่กำลังทดสอบยังคงอยู่ที่จุดการทำงานตามพิกัดโหลดที่ระบุไว้หรือไม่

7. แบบจำลองเทียบเท่าที่ครอบคลุม

เพื่ออธิบายระบบทดสอบการผ่าตัดด้วยไฟฟ้า 4 MHz ให้แม่นยำยิ่งขึ้น ความต้านทานโหลดที่กำหนดสามารถจำลองได้โดยอ้างอิงถึงแนวทางการจำลองอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนที่ใช้ในวิศวกรรมความถี่สูง โหลดที่กำหนดสามารถถือได้ว่าเป็นโหลดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบผสมที่ได้รับผลกระทบร่วมกันจากความถี่ กำลัง อุณหภูมิ และรูปทรงเรขาคณิต [10]:

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

โดยที่ f คือความถี่ในการทำงาน, P คือกำลังเอาต์พุต, T คืออุณหภูมิของโหลด และ G คือรูปทรงเรขาคณิตของตัวต้านทานและโครงสร้างวงจรทดสอบ Rdc คือความต้านทานกระแสตรงที่กำหนด ΔRskin(f) คือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานกระแสสลับที่เกิดจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ ΔRthermal(P,T) คือการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เกิดจากกำลังและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น Lparasitic(G) คือค่าความเหนี่ยวนำปรสิตที่เกิดจากโครงสร้างและการเชื่อมต่อ Cparasitic(G) คือค่าความจุปรสิตที่เกิดจากโครงสร้างและสภาพแวดล้อม และ Zradiation(f,G) คือค่าเทียบเท่าสำหรับการแผ่รังสี

กำลังไฟฟ้าจริงควรคำนวณโดยใช้การอินทิเกรตกำลังไฟฟ้าทันที:

Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

สำหรับรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ รูปคลื่นแบบมอดูเลต และรูปคลื่นแบบพัลส์ วิธีนี้เหมาะสมกว่าการคำนวณ U²/R แบบง่ายๆ เนื่องจากพิจารณาทั้งรูปคลื่นแรงดันและกระแส รวมถึงความสัมพันธ์ของเฟสด้วย แบบจำลองเทียบเท่าแบบครอบคลุมแสดงในรูปที่ 7

ในการนำไปใช้งานทางวิศวกรรม สามารถใช้มิเตอร์ LCR ความถี่สูงหรือเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์เพื่อสแกนอิมพีแดนซ์ที่ 1, 2, 3, 4 และ 5 MHz สกัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น R, Lp และ Cp และสร้างฐานข้อมูลโหลดได้ ในการทดสอบกำลังไฟฟ้าที่ 4 MHz ฐานข้อมูลนี้สามารถนำมารวมกับผลลัพธ์การสุ่มตัวอย่างแรงดัน-กระแสแบบซิงโครนัสเพื่อแก้ไขผลกระทบของอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนและความแตกต่างของเฟสต่อการคำนวณกำลังไฟฟ้าแอคทีฟ [3] ในขณะเดียวกัน การศึกษาเกี่ยวกับเครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าแบบออสซิลโลสโคปแสดงให้เห็นว่าการได้มาซึ่งรูปคลื่นที่มีแบนด์วิดท์สูงสามารถใช้เพื่อสังเกตรูปคลื่นเอาต์พุต ความถี่ และพารามิเตอร์กำลังไฟฟ้าแบบซิงโครนัส ซึ่งสนับสนุนการประเมินกำลังไฟฟ้าสำหรับเอาต์พุตที่ไม่ใช่ไซน์หรือแบบมอดูเลตพัลส์ [4]

8. แผนการตรวจสอบเชิงทดลอง

8.1 การทดสอบอิมพีแดนซ์ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ของตัวต้านทานรูปแบบต่างๆ

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อตรวจสอบว่าตัวต้านทานรูปทรงต่าง ๆ ที่มีค่าความต้านทานระบุเท่ากัน จะแสดงความแตกต่างของอิมพีแดนซ์ที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์หรือไม่ อุปกรณ์ทดสอบได้แก่ ตัวต้านทานกำลังสูงแบบขดลวด ตัวต้านทานซีเมนต์ ตัวต้านทานกำลังสูงทั่วไป แผงตัวต้านทานฟิล์มโลหะ ตัวต้านทานแบบไม่เหนี่ยวนำชนิดฟิล์มหนา และโหลด RF แบบโคแอกเซียล พารามิเตอร์การทดสอบได้แก่ ความต้านทานกระแสตรง Rdc ขนาดอิมพีแดนซ์ที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ |Z| มุมเฟสที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ θ ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า ESR ความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่า ESL ความจุขนานเทียบเท่า EPC และการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ก่อนและหลังการให้ความร้อน

8.2 การทดสอบการเคลื่อนตัวของโหลดภายใต้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าความถี่สูงที่รุนแรงในการผ่าตัด

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อตรวจสอบว่าโหลดมีการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกภายใต้การกระตุ้นที่รุนแรงจากเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz หรือไม่ วิธีการที่เสนอคือการตั้งค่าเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าให้อยู่ในโหมดเอาต์พุตปกติ ต่อโหลด 500 Ω ในรูปแบบต่างๆ หรือโหลดที่ผู้ผลิตระบุไว้ บันทึกอุณหภูมิของโหลดและการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ก่อนและหลังการทำงาน 10 วินาที 30 วินาที และ 60 วินาที แล้วเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงของค่ากำลังไฟฟ้าที่อ่านได้ในโครงสร้างโหลดที่แตกต่างกัน

8.3 การทดลองการเชื่อมต่อการแผ่รังสีของวงจรทดสอบ

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อตรวจสอบอิทธิพลของการแผ่รังสีและการเหนี่ยวนำของวงจรทดสอบต่อค่ากำลังไฟฟ้าที่วัดได้ ตัวแปรต่างๆ ได้แก่ ความยาวของสายไฟขาออก ระยะห่างระหว่างตัวนำขาออกและตัวนำขาเข้า สายไฟธรรมดา/สายคู่บิดเกลียว/สายโคแอกเซียล โหลดเปิด/โหลดหุ้มฉนวน ระยะห่างระหว่างโหลดและเครื่องวิเคราะห์ วิธีการต่อสายดิน และสภาวะการตรวจสอบด้วยโพรบสนามใกล้ พารามิเตอร์ที่บันทึกไว้ ได้แก่ กำลังไฟฟ้าที่แสดงบนเครื่องวิเคราะห์ รูปคลื่นแรงดัน รูปคลื่นกระแส ความแตกต่างของเฟส ความเข้มของการแผ่รังสีสนามใกล้ ข้อผิดพลาดในการทำซ้ำ และผลการอินทิเกรตกำลังไฟฟ้าทันที

8.4 การทดลองตรวจสอบโครงสร้างรับน้ำหนักที่เหมาะสมที่สุด

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อตรวจสอบว่าการออกแบบที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำ แบบโคแอกเซียล และแบบมีฉนวนหุ้ม สามารถปรับปรุงความแม่นยำในการทดสอบได้หรือไม่ สามารถเปรียบเทียบได้สี่แบบ ได้แก่ สายไฟธรรมดาบวกตัวต้านทานธรรมดา สายไฟสั้นบวกตัวต้านทานแบบไม่เหนี่ยวนำ การเชื่อมต่อแบบโคแอกเซียลบวกโหลดแบบไม่เหนี่ยวนำ และโหลด RF แบบโคแอกเซียลบวกโครงสร้างฉนวนหุ้ม ตัวชี้วัดการประเมิน ได้แก่ ข้อผิดพลาดของกำลังไฟฟ้า ความสามารถในการทำซ้ำ มุมเฟส การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโหลด และความเข้มของการแผ่รังสีในบริเวณใกล้เคียง

8.5 การตรวจสอบการสแกนอิมพีแดนซ์และการชดเชยแบบไดนามิก

จุดประสงค์ของการทดลองนี้คือเพื่อตรวจสอบว่าการหาค่าอิมพีแดนซ์ความถี่สูงและการชดเชยแบบไดนามิกช่วยปรับปรุงความแม่นยำในการทดสอบกำลังไฟฟ้าหรือไม่ สามารถเลือกโหลดอ้างอิงความแม่นยำ 500 โอห์มและโหลดโครงสร้างต่างๆ เพื่อทดสอบค่าอิมพีแดนซ์ ขนาด มุมเฟส และการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิในช่วงความถี่ 1-5 เมกะเฮิร์ตซ์ จากนั้นสามารถทำการสุ่มตัวอย่างแรงดันและกระแสแบบซิงโครนัสที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ภายใต้สภาวะกำลังไฟฟ้าขาออกทั่วไป เพื่อเปรียบเทียบค่ากำลังไฟฟ้า ข้อผิดพลาดของเฟส และความสามารถในการทำซ้ำก่อนและหลังการชดเชย ส่วนการสุ่มตัวอย่างแบบซิงโครนัสสามารถรวมเข้ากับแนวคิดของเครื่องวิเคราะห์ออสซิลโลสโคปเพื่อบันทึกรูปคลื่นที่ไม่ใช่ไซน์ รูปคลื่นแบบพัลส์มอดูเลต และรูปคลื่นที่มีค่าพีคแฟคเตอร์สูงในระดับรูปคลื่น การทดลองไม่ควรใช้ค่ากำลังไฟฟ้าเพียงค่าเดียวเป็นเกณฑ์เพียงอย่างเดียว ควรบันทึกตำแหน่งโหลด เส้นทางของสายเคเบิล วิธีการต่อลงดิน และสภาวะการป้องกันด้วย

9 ข้อเสนอแนะในการปรับปรุงระบบทดสอบให้เหมาะสมที่สุด

9.1 โหลดที่กำหนดควรได้รับการสอบเทียบที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์

สำหรับเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูง 4 MHz ตัวต้านทานโหลดที่กำหนดควรให้ผลการสอบเทียบความต้านทาน DC เท่านั้น แต่ควรให้พารามิเตอร์ความถี่สูงที่ความถี่ใช้งานด้วย เช่น ขนาดอิมพีแดนซ์ 4 MHz มุมเฟส 4 MHz ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า ความเหนี่ยวนำอนุกรมเทียบเท่า ความจุขนานเทียบเท่า การเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิที่กำลังไฟที่กำหนด ความไม่แน่นอนในการวัด และวิธีการเดินสายที่แนะนำ

คำแนะนำในการติดฉลาก: 500 Ω, |Z| ที่ 4 MHz = xxx Ω, มุมเฟส = xx°, กำลังไฟที่กำหนด = xxx W, การเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ = xx%, ความไม่แน่นอน = xx%

9.2 ควรเลือกใช้โหลดแบบไม่เหนี่ยวนำหรือแบบโคแอกเซียลที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำ

ควรหลีกเลี่ยงตัวต้านทานแบบพันลวดและตัวต้านทานกำลังสูงที่มีโครงสร้างไม่ชัดเจนสำหรับการทดสอบผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่ความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ ตัวเลือกที่แนะนำ ได้แก่ ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนาที่ไม่เหนี่ยวนำ ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะที่มีค่าเหนี่ยวนำต่ำ โหลด RF แบบโคแอกเซียล โหลดที่ไม่เหนี่ยวนำแบบระบายความร้อนด้วยน้ำมันหรือน้ำ โครงสร้างโหลดที่มีพื้นที่วงจรต่ำ และโมดูลโหลดแบบมีฉนวนหุ้ม

9.3 ควรควบคุมการแผ่รังสีในวงจรทดสอบ

ขอแนะนำให้วางตัวนำขาออกและขาเข้าให้ใกล้กันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ควรเลือกใช้การเชื่อมต่อแบบโคแอกเซียล ลดความยาวสายเคเบิล หลีกเลี่ยงวงจรเปิดขนาดใหญ่ โมดูลโหลดควรใช้กล่องหุ้มโลหะ สายเก็บตัวอย่างควรแยกออกจากหรือหุ้มด้วยฉนวนจากสายไฟ การต่อสายดินควรเป็นมาตรฐาน ตำแหน่งสายเคเบิลควรคงที่ และควรใช้โพรบสนามใกล้เมื่อจำเป็นเพื่อตรวจสอบการแผ่รังสีของวงจรทดสอบ โครงสร้างระบบที่เหมาะสมที่สุดแสดงในรูปที่ 11

9.4 ควรใช้การอินทิเกรตกำลังไฟฟ้าทันทีในการคำนวณกำลังไฟฟ้า

สำหรับเครื่องจี้ไฟฟ้าความถี่ 4 MHz โดยเฉพาะในโหมดเอาต์พุตแบบมอดูเลตและแบบพัลส์ ไม่แนะนำให้พึ่งพาเฉพาะสูตร P = U^2/R เพียงอย่างเดียว วิธีที่เหมาะสมกว่าคือการบันทึกรูปคลื่นแรงดันและกระแสพร้อมกัน แล้วคำนวณ Pactive = (1/T)∫u(t)i(t)dt วิธีนี้สามารถคำนึงถึงความแตกต่างของเฟส รูปคลื่นที่ไม่เป็นไซน์ และการเปลี่ยนแปลงชั่วคราว และเหมาะสมกว่าสำหรับการประเมินกำลังเอาต์พุตจริงของเครื่องจี้ไฟฟ้าความถี่สูง

9.5 สรุปแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดในการทดสอบและความเหมาะสมของโหลด

ตารางที่ 2 สรุปแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดในการทดสอบกำลังเอาต์พุตของเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์

9.6 รายงานการทดสอบควรบันทึกสภาวะโหลดเทียบเท่า

ขอแนะนำให้รายงานการทดสอบบันทึกข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับความต้านทานกระแสตรงของโหลดที่กำหนด ค่าอิมพีแดนซ์ที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์ มุมเฟส ความยาวสายเชื่อมต่อ วิธีการป้องกัน การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโหลด และวันที่สอบเทียบ สำหรับโหมดเอาต์พุตแบบมอดูเลตหรือแบบพัลส์ รายงานควรระบุด้วยว่าการคำนวณกำลังไฟฟ้าใช้แบบจำลอง True-RMS แบบจำลอง U²/R หรือแบบจำลองการรวมแรงดัน-กระแสแบบซิงโครนัส ข้อมูลเหล่านี้ช่วยในการเปรียบเทียบผลลัพธ์ระหว่างห้องปฏิบัติการต่างๆ เครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าต่างๆ และโครงสร้างโหลดที่แตกต่างกัน

10 การอภิปราย

ประเด็นหลักของบทความนี้คือ ข้อผิดพลาดในการทดสอบในเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz ไม่สามารถอธิบายได้ง่ายๆ ด้วยความแม่นยำที่ไม่เพียงพอของเครื่องวิเคราะห์เครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้า ภายใต้การกระตุ้นด้วยความถี่สูงและกำลังสูง ตัวต้านทานโหลดที่กำหนดในระบบทดสอบได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อผลการทดสอบ เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาเกี่ยวกับการชดเชยแบบไดนามิกและการศึกษาเกี่ยวกับเครื่องวิเคราะห์ที่ใช้เครื่องวัดสัญญาณออสซิลโลสโคปที่มีอยู่ บทความนี้ให้ความสำคัญมากขึ้นกับความสัมพันธ์ระหว่างโหลดเอง วงจรทดสอบ และจุดการทำงานของอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ และถือว่าความเท่าเทียมกันของโหลดเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับการทดสอบกำลังไฟฟ้าที่แม่นยำ

ประการแรก ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ทำให้ค่าความต้านทานเทียบเท่ากระแสสลับของตัวต้านทานเบี่ยงเบนไปจากค่าความต้านทานกระแสตรงที่ระบุไว้ สำหรับเอาต์พุตความถี่สูง 4 เมกะเฮิร์ตซ์ การกระจายกระแสจะไม่สม่ำเสมออีกต่อไป และขั้วต่อตัวต้านทาน แผ่นเชื่อมต่อ และชั้นฟิล์มต้านทานอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานกระแสสลับได้ ประการที่สอง รูปทรงของตัวต้านทานกำหนดพารามิเตอร์ปรสิต ตัวต้านทานแบบพันลวด ตัวต้านทานแบบซีเมนต์ ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนา และโหลดแบบโคแอกเซียลอาจมีความต้านทานกระแสตรงเท่ากัน แต่ค่ามุมเฟส ขนาดอิมพีแดนซ์ และลักษณะการแผ่รังสีที่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์จะแตกต่างกันอย่างมาก ดังนั้น ความต้านทานที่ระบุไว้เท่ากันไม่ได้หมายความว่าค่าเทียบเท่าโหลดความถี่สูงจะเท่ากันด้วย

ประการที่สาม ตัวเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูงนั้นเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณความถี่สูงที่รุนแรง ในระหว่างการทดสอบจริง โหลดจะต้องทนต่อสัญญาณความถี่สูง แรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟฟ้าสูง การมอดูเลตแบบพัลส์ และความเครียดจากความร้อน วงจรทดสอบอาจก่อให้เกิดการแผ่รังสีและการเชื่อมต่อแบบใกล้สนาม ทำให้พลังงานบางส่วนไม่ถูกกระจายไปในตัวต้านทานโหลดอย่างสมบูรณ์ ประการสุดท้าย ความผิดเพี้ยนของโหลดที่กำหนดไม่เพียงแต่ส่งผลต่อค่าที่อ่านได้จากเครื่องวิเคราะห์เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อจุดการทำงานจริงของเครื่องผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่กำลังทดสอบด้วย หากผู้ผลิตประกาศกำลังเอาต์พุตที่กำหนดที่ 500 โอห์ม แต่ 500 โอห์มในระบบทดสอบกลายเป็นอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนที่ขึ้นอยู่กับความถี่ อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบจะไม่ทำงานที่โหลดที่กำหนดตามที่มาตรฐานกำหนด การตัดสินกำลังเอาต์พุตที่ได้จึงอาจมีความคลาดเคลื่อนอย่างเป็นระบบ

ด้วยเหตุนี้ การทดสอบเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 MHz จึงควรขยายขอบเขตจาก “ความแม่นยำของการอ่านค่าเครื่องมือ” ไปสู่การประเมินอย่างครอบคลุมในเรื่องความสมดุลของโหลด ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวงจร และวิธีการวัดกำลังไฟฟ้า

ข้อสรุป 11

บทความนี้วิเคราะห์ปัญหาความแม่นยำของข้อมูลในการทดสอบกำลังเอาต์พุตของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่ 4 เมกะเฮิร์ตซ์อย่างเป็นระบบจากสามมุมมอง ได้แก่ ปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ของตัวต้านทาน รูปแบบโครงสร้างของตัวต้านทาน และการแผ่รังสีในวงจรทดสอบภายใต้การกระตุ้นด้วยไฟฟ้าความถี่สูงที่รุนแรง

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะความถี่สูง 4 เมกะเฮิร์ตซ์ ความต้านทานโหลดที่กำหนดไม่ควรถูกมองว่าเป็นความต้านทานบริสุทธิ์ในอุดมคติอีกต่อไป เนื่องจากผลกระทบจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ ความต้านทานเทียบเท่ากระแสสลับอาจเบี่ยงเบนจากค่าที่กำหนดในกระแสตรง นอกจากนี้ รูปทรงและโครงสร้างการติดตั้งของตัวต้านทานยังทำให้เกิดความเหนี่ยวนำและความจุแฝง และเนื่องจากการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าความถี่สูงที่รุนแรง วงจรทดสอบอาจสร้างการแผ่รังสี การเชื่อมต่อ และการสูญเสียเพิ่มเติมอย่างมีนัยสำคัญ ปัจจัยเหล่านี้ร่วมกันเปลี่ยนความต้านทานโหลดที่กำหนดจากแบบจำลอง R แบบง่ายไปเป็นแบบจำลองโหลดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบผสมความถี่สูงที่ซับซ้อน

ปัญหานี้ไม่เพียงส่งผลกระทบต่อการอ่านค่ากำลังไฟฟ้าของเครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อสภาวะโหลดจริงที่หน่วยผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่กำลังทดสอบได้รับ ทำให้เบี่ยงเบนจากสภาวะโหลดที่กำหนดไว้ซึ่งอ้างอิงในการทดสอบ IEC 60601-2-2 ดังนั้น สาระสำคัญของข้อผิดพลาดในการทดสอบการผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่ 4 MHz จึงไม่ใช่เพียงข้อผิดพลาดของเครื่องมือ แต่เป็นข้อผิดพลาดที่เป็นระบบซึ่งเกิดขึ้นร่วมกันจากตัวต้านทานโหลด วงจรทดสอบ และตัวอย่างที่กำลังทดสอบ

เพื่อปรับปรุงความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำของการทดสอบกำลังเอาต์พุตของการผ่าตัดด้วยไฟฟ้าที่ความถี่ 4 MHz ขอแนะนำให้ทำการสอบเทียบตัวต้านทานโหลดที่กำหนดสำหรับอิมพีแดนซ์ความถี่สูง 4 MHz ให้ใช้ตัวต้านทานแบบไม่เหนี่ยวนำที่มีค่าความเหนี่ยวนำต่ำหรือโหลด RF แบบโคแอกเซียล ควบคุมพื้นที่ของวงจรทดสอบ ลดสายเคเบิลที่เปิดโล่งและการเหนี่ยวนำรังสี ตรวจสอบการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโหลดและการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์ และสร้างฐานข้อมูลพารามิเตอร์โหลดโดยใช้มิเตอร์ LCR ความถี่สูงหรือเครื่องวิเคราะห์เครือข่ายเวกเตอร์ ในรายงานการทดสอบ ควรบันทึกอิมพีแดนซ์โหลด มุมเฟส วิธีการเดินสาย และเงื่อนไขการควบคุมรังสี และควรคำนวณกำลังไฟฟ้าโดยใช้การสุ่มตัวอย่างแรงดัน-กระแสแบบซิงโครนัสและการรวมกำลังไฟฟ้าทันที

โดยสรุป การประเมินค่าความต้านทานโหลดที่กำหนดเป็น “โหลดแม่เหล็กไฟฟ้าแบบผสมที่ความถี่ใช้งาน 4 MHz” แทนที่จะเป็นเพียง “ค่าระบุ DC” เท่านั้น จะทำให้สามารถสะท้อนประสิทธิภาพการทำงานจริงของเครื่องมือผ่าตัดด้วยไฟฟ้า 4 MHz ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น และปรับปรุงความน่าเชื่อถือและความสามารถในการเปรียบเทียบผลการทดสอบ IEC 60601-2-2 ได้

หมายเหตุ: ความไม่สมบูรณ์แบบของโหลดความถี่สูง 4 MHz และการแผ่รังสีนั้นเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูง คุณลักษณะของวัสดุ และการเชื่อมต่อของระบบทดสอบ ดังนั้นจึงยังคงต้องการการวิจัยเพิ่มเติม บทความนี้มีพื้นฐานมาจากการระบุปัญหาและการตรวจสอบทางวิศวกรรมในงานตรวจสอบจริง และมีจุดมุ่งหมายเพื่อเสนอแนวคิดการวิเคราะห์ที่เป็นไปได้และมาตรการปรับปรุง เนื่องจากข้อจำกัดในเงื่อนไขการวิจัยและความเข้าใจ ข้อบกพร่องใด ๆ จึงเปิดรับคำวิจารณ์และการแก้ไขจากผู้เชี่ยวชาญและผู้ทรงคุณวุฒิ

อ้างอิง

[1] CHEN Cong. การทดสอบกำลังเอาต์พุตของอุปกรณ์ผ่าตัดความถี่สูง [J]. อุปกรณ์การแพทย์ของจีน, 2016, 31(3): 139-141.

[2] LI Ming, GUO Zhigang, QU Yuanyuan การทดสอบพลังงานและการปรับปรุงความต้านทานโหลดของหน่วยผ่าตัดไฟฟ้าความถี่สูง [J]. อุปกรณ์การแพทย์จีน, 2025, 22(11)

[3] LIU Falin, QIANG Xiaolong, DENG Xiangwen, CHEN Changyan, ZHANG Chao. วิธีการชดเชยแบบไดนามิกสำหรับเครื่องทดสอบหน่วยผ่าตัดไฟฟ้าความถี่สูงโดยใช้มิเตอร์ LCR ความถี่สูงหรือเครื่องวิเคราะห์เครือข่าย [J/OL]. ข้อมูลอุปกรณ์ทางการแพทย์ของจีน, 2025, 31(17): 37-40.

[4] SHAN Chao, QIANG Xiaolong, LIU Jiming, ZHANG Chao. การวิจัยเกี่ยวกับ เครื่องวิเคราะห์การผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูงโดยใช้ออสซิลโลสโคป [J/OL]. วิทยาศาสตร์มาตรฐาน, 2025(13).

[5] IEC. IEC 60601-2-2:2017 อุปกรณ์ไฟฟ้าทางการแพทย์ – ส่วนที่ 2-2: ข้อกำหนดเฉพาะสำหรับความปลอดภัยขั้นพื้นฐานและประสิทธิภาพที่จำเป็นของอุปกรณ์ผ่าตัดความถี่สูงและอุปกรณ์เสริมผ่าตัดความถี่สูง [S]. เจนีวา: คณะกรรมการเทคนิคไฟฟ้าสากล, 2017.

[6] คณะกรรมการสุขภาพแห่งชาติแห่งสาธารณรัฐประชาชนจีน WS/T 602-2018 การจัดการความปลอดภัยของหน่วยผ่าตัดด้วยไฟฟ้าความถี่สูง [S] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์มาตรฐานจีน, 2018

[7] สำนักงานบริหารตลาดแห่งรัฐ JJF 1217-2025 ข้อกำหนดการสอบเทียบสำหรับหน่วยผ่าตัดความถี่สูง [S] ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์มาตรฐานจีน, 2025

[8] สำนักงานบริหารผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์แห่งชาติ ข้อมูลมาตรฐานสาธารณะเกี่ยวกับการนำ IEC 60601-2-2:2017 มาใช้สำหรับอุปกรณ์ผ่าตัดความถี่สูงและอุปกรณ์เสริมผ่าตัดความถี่สูง [EB/OL]

[9] PAUL C R. บทนำสู่ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า [M]. ฉบับที่ 2. โฮโบเคน: ไวลีย์, 2006.

[10] POZAR D M. วิศวกรรมไมโครเวฟ [M]. ฉบับที่ 4. โฮโบเคน: ไวลีย์, 2011.