Ảnh hưởng của sự không lý tưởng ở tần số cao của điện trở tải định mức và ghép nối bức xạ đến độ chính xác của phép thử công suất đầu ra của các thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz

DENG Sha¹, ZHANG Chao², WU Shaohai¹ Tác giả tương ứng: FAN Xiang¹

1. Viện Giám sát và Kiểm định Chất lượng Thiết bị Y tế Quảng Đông, Số 1 Đường Quảng Phủ Tây, Quận Hoàng Phủ, Quảng Châu, Quảng Đông 510663, Trung Quốc
2. Vua Po Công ty TNHH Phát triển Công nghệ, số 9 đường Đại học, Hồ Songshan, Đông Quan, Quảng Đông 523869, Trung Quốc

Tóm tắt: Khi sử dụng các máy phân tích điện phẫu thuật hiện có để đo công suất đầu ra, điện áp và dòng điện của các thiết bị điện phẫu thuật tần số cao 4 MHz, thường gặp các vấn đề như độ lặp lại dữ liệu không đủ, sự khác biệt lớn giữa các thiết bị đo và đánh giá không ổn định công suất đầu ra định mức. Phân tích thông thường thường quy các vấn đề này cho băng thông lấy mẫu không đủ, lỗi thuật toán RMS hoặc sự không khớp tần số hiệu chuẩn của máy phân tích. Tuy nhiên, đối với các thiết bị điện phẫu thuật 4 MHz, nguyên nhân gốc rễ của lỗi thử nghiệm không chỉ nằm ở bản thân thiết bị đo. Nó còn liên quan chặt chẽ đến đặc tính điện từ không lý tưởng của điện trở tải định mức dưới kích thích tần số cao, công suất cao. Bài báo này phân tích cơ chế biến dạng của điện trở tải định mức trong thử nghiệm 4 MHz từ ba khía cạnh: hiệu ứng bề mặt điện trở, hình dạng cấu trúc điện trở và ghép nối bức xạ trong vòng thử nghiệm dưới kích thích điện phẫu thuật mạnh. Nghiên cứu chỉ ra rằng giả định thông thường rằng điện trở tải định mức là một điện trở thuần lý tưởng không đủ chính xác ở tần số 4 MHz. Bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bề mặt, điện trở tương đương AC có thể lệch khỏi giá trị danh nghĩa DC. Bị ảnh hưởng bởi hình dạng điện trở, cấu trúc dây dẫn, phương pháp lắp đặt và cấu trúc tản nhiệt, tải có thể tạo ra điện cảm ký sinh và điện dung ký sinh. Dưới kích thích đầu ra điện áp cao, dòng điện cao, không hình sin hoặc điều chế xung, mạch thử nghiệm cũng có thể tạo ra bức xạ điện từ đáng kể, ghép nối trường gần và tổn thất công suất bổ sung. Tiêu chuẩn IEC 60601-2-2 là tiêu chuẩn đặc biệt về an toàn cơ bản và hiệu suất thiết yếu của thiết bị phẫu thuật tần số cao và phụ kiện phẫu thuật tần số cao. Thử nghiệm công suất đầu ra của các thiết bị phẫu thuật điện thường được thực hiện trong điều kiện tải được chỉ định hoặc dưới tải định mức do nhà sản xuất công bố. Do đó, tính xác thực và khả năng lặp lại của điều kiện tải ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của kết luận thử nghiệm. Bài báo này đề xuất rằng điện trở tải định mức được sử dụng trong thử nghiệm thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz nên được chuyển đổi từ mô hình điện trở danh nghĩa DC thông thường thành mô hình tải điện từ tổng hợp tần số cao, xem xét toàn diện hiệu ứng bề mặt, các thông số ký sinh, sự trôi nhiệt và ghép nối bức xạ. Để nâng cao độ chính xác đo lường, nên sử dụng tải phi cảm có độ tự cảm thấp hoặc tải RF đồng trục, hiệu chuẩn trở kháng 4 MHz của tải định mức, kiểm soát diện tích vòng thử nghiệm và ghép nối bức xạ, lấy mẫu điện áp-dòng điện đồng bộ và tích hợp công suất tức thời để tính toán công suất tác dụng.

Từ khóa: thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz; điện trở tải định mức; hiệu ứng da; dạng điện trở; ghép nối bức xạ; IEC 60601-2-2; máy phân tích phẫu thuật điện; kiểm tra công suất đầu ra

Mã phân loại thư viện Trung Quốc: R318.6 Mã tài liệu: A DOI: sẽ được tòa soạn hoàn thiện
Bản thảo đã nhận: cần được ban biên tập hoàn thiện. Tiểu sử tác giả: DENG Sha, email: ; Tác giả liên hệ: FAN Xiang, email: .

1 Giới thiệu

Công suất đầu ra của thiết bị phẫu thuật điện tần số cao có liên quan trực tiếp đến hiệu suất cắt, hiệu quả đông máu và sự an toàn của bệnh nhân [1]. So với các thiết bị phẫu thuật điện thông thường, các thiết bị 4 MHz dễ bị ảnh hưởng hơn bởi trở kháng tải, cáp kết nối và cấu trúc cố định. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng trở kháng tải ở mức MHz, bù động và thu thập dạng sóng có thể ảnh hưởng đến phép đo công suất [2-4]. IEC 60601-2-2 và JJF 1217-2025 đều nhấn mạnh các điều kiện tải định mức và tần số hoạt động [5,7]. Bài báo này phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng da, các thông số ký sinh và ghép nối bức xạ đến độ chính xác của thử nghiệm công suất đầu ra 4 MHz. Logic nghiên cứu được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ quá trình hình thành lỗi kiểm tra công suất đầu ra trong thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz.

2 Vấn đề thử nghiệm tải định mức IEC 60601-2-2

IEC 60601-2-2 là một tiêu chuẩn cụ thể về an toàn cơ bản và hiệu suất thiết yếu của thiết bị phẫu thuật tần số cao và phụ kiện phẫu thuật tần số cao. Theo khuôn khổ tiêu chuẩn này, việc kiểm tra hiệu suất đầu ra của các thiết bị phẫu thuật điện thường cần được hoàn thành dưới tải trọng quy định hoặc dưới tải trọng định mức do nhà sản xuất công bố. Phạm vi tần số hoạt động 0.3-5.0 MHz được đề cập trong JJF 1217-2025 cũng chỉ ra rằng việc kiểm tra công suất đầu ra 4 MHz đã nằm trong dải tần số cốt lõi của thực hành hiệu chuẩn tần số cao [7].

Đối với thiết bị phẫu thuật điện tần số cao, tải định mức không chỉ đơn thuần là một phụ kiện thử nghiệm; nó là một điều kiện thiết yếu xác định trạng thái đầu ra của thiết bị. Ví dụ, nếu một thiết bị công bố công suất đầu ra là 100 W dưới tải 500 Ω, thì tải 500 Ω không chỉ đơn giản là mẫu số trong công thức tính toán công suất. Nó là một phần của điểm hoạt động đầu ra định mức của thiết bị phẫu thuật điện đó. Nếu cái gọi là tải 500 Ω thực tế hoạt động như 500 Ω + jX ở tần số 4 MHz, hoặc nếu độ lớn trở kháng và góc pha của nó thay đổi theo sự tăng nhiệt độ và phương pháp đấu dây, thì thiết bị đang thử nghiệm không còn hoạt động trong điều kiện tải định mức lý tưởng nữa.

Mô hình thử nghiệm truyền thống thường giả định rằng điện trở tải là một điện trở thuần lý tưởng, điện áp và dòng điện cùng pha, và toàn bộ công suất đầu ra được tải hấp thụ. Mô hình có thể được viết như sau:

P = U^2 / R hoặc P = I^2R

trong đó R được coi là một điện trở thuần lý tưởng. Tuy nhiên, đối với một thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz, mô hình này ngầm giả định rằng điện trở tải ở 4 MHz vẫn bằng giá trị danh nghĩa DC của nó, rằng tải không có điện cảm ký sinh hoặc điện dung ký sinh đáng kể, rằng sự khác biệt pha điện áp-dòng điện có thể bỏ qua, rằng vòng thử nghiệm không tạo ra bức xạ điện từ đáng kể và rằng công suất đầu ra gần như hoàn toàn bị tiêu tán trong điện trở tải.

Trong quá trình thử nghiệm thực tế, những giả định này thường khó đáp ứng hoàn toàn. Do đó, thử nghiệm công suất đầu ra của thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz cần được chuyển đổi từ “thử nghiệm tải lý tưởng” thành “thử nghiệm tải hỗn hợp tần số cao”, như thể hiện trong Hình 2.

3. Ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt điện trở lên tải định mức

3.1 Cơ chế cơ bản của tác dụng trên da

Hiệu ứng bề mặt (skin effect) đề cập đến hiện tượng khi dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn, dòng điện dần tập trung gần bề mặt dây dẫn khi tần số tăng, làm giảm mật độ dòng điện bên trong dây dẫn. Kết quả là, diện tích mặt cắt ngang dẫn điện hiệu dụng giảm và điện trở xoay chiều trở nên cao hơn điện trở một chiều. Độ sâu xuyên thấu (skin depth) có thể được biểu thị như sau:

δ = sqrt[2ρ / (ωμ)]

Trong đó δ là độ sâu xuyên thấu của da, ρ là điện trở suất của vật liệu, ω là tần số góc, μ là độ thẩm thấu của vật liệu, và ω = 2πf. Khi tần số tăng lên đến 4 MHz, sự phân bố dòng điện đã khác biệt đáng kể so với điều kiện DC. Đối với các đầu nối kim loại, tấm nối, lớp màng điện trở, dây dẫn và các cấu trúc dẫn điện trong điện trở tải công suất cao, hiệu ứng xuyên thấu làm thay đổi sự phân bố dòng điện và do đó làm thay đổi điện trở tương đương AC. Nếu chỉ sử dụng điện trở danh nghĩa DC làm cơ sở để tính toán công suất, ảnh hưởng của điện trở phụ thuộc tần số đến sự hấp thụ công suất tải sẽ bị bỏ qua.

3.2 Sự khác biệt giữa điện trở định mức DC và điện trở AC tần số cao

Trong điều kiện dòng điện một chiều (DC), điện trở tải định mức có thể được biểu thị là R = Rdc, trong đó Rdc là điện trở danh nghĩa DC. Tuy nhiên, trong điều kiện tần số cao 4 MHz, điện trở tải định mức phải được biểu thị là R = Rac(f), trong đó Rac(f) là điện trở tương đương AC phụ thuộc tần số. Do hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng lân cận và cấu trúc dây dẫn, Rac thường không bằng Rdc.

Sau khi xem xét thêm các thông số ký sinh, tải trọng nên được biểu thị như sau:

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

trong đó Rskin(f) là thành phần điện trở tương đương bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bề mặt, và X(f) là thành phần điện kháng được hình thành chung bởi điện cảm ký sinh và điện dung ký sinh. Điều này có nghĩa là tải danh nghĩa 500 Ω có thể không còn tương đương với điện trở 500 Ω thuần túy ở tần số 4 MHz. Nếu máy phân tích phẫu thuật điện vẫn tính toán công suất theo tải 500 Ω lý tưởng, thì sẽ xảy ra sai số hệ thống.

Do đó, nhãn tải định mức không chỉ nên cung cấp giá trị danh nghĩa DC như “500 Ω”. Nó cũng cần cung cấp độ lớn trở kháng ở tần số 4 MHz, góc pha, độ trôi do tăng nhiệt độ ở công suất định mức và phương pháp kết nối được khuyến nghị. Đối với các mô-đun tải được sử dụng trong thử nghiệm kiểu loại hoặc kiểm tra của bên thứ ba, cần lưu giữ hồ sơ quét tần số để hỗ trợ khả năng truy xuất nguồn gốc và tính lặp lại của kết quả thử nghiệm.

3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng da lên thử nghiệm công suất

Trong điều kiện lý tưởng, P = U^2 / Rdc. Trong điều kiện tần số cao, P = U^2 / Rac. Nếu Rac > Rdc, thì dưới cùng một điện áp, công suất thực tế mà tải tiêu thụ sẽ nhỏ hơn công suất được tính toán bằng Rdc. Nếu máy phân tích không thể nhận biết sự thay đổi này, công suất hiển thị có thể cao hơn công suất hoạt động thực tế. Đồng thời, bản thân thiết bị phẫu thuật điện tần số cao không phải là nguồn điện áp lý tưởng. Sự thay đổi điện trở tải tác động ngược trở lại điểm hoạt động của tầng đầu ra, làm thay đổi điện áp, dòng điện và công suất đầu ra. Do đó, hiệu ứng bề mặt không chỉ ảnh hưởng đến việc tính toán công suất mà còn ảnh hưởng đến trạng thái đầu ra thực tế của mẫu thử.

4. Ảnh hưởng của dạng điện trở đến các thông số ký sinh

4.1 Vai trò quyết định của dạng điện trở trong đặc tính tần số cao

Trong thử nghiệm tần số thấp hoặc DC, các điện trở có cấu trúc khác nhau thường có thể được coi là tương tự nhau về chức năng miễn là giá trị điện trở danh nghĩa của chúng giống nhau. Tuy nhiên, trong thử nghiệm tần số cao 4 MHz, hình dạng điện trở quyết định trực tiếp hành vi ở tần số cao. Điện trở dây quấn, điện trở xi măng, điện trở màng kim loại, điện trở màng dày không cảm ứng và tải RF đồng trục có cùng điện trở danh nghĩa có thể cho thấy độ lớn trở kháng, góc pha và độ ổn định hoàn toàn khác nhau ở tần số 4 MHz.

Bảng 1 So sánh đặc tính tần số cao của các dạng điện trở khác nhau ở tần số 4 MHz

4.2 Nguồn gốc và ảnh hưởng của điện cảm ký sinh

Điện cảm ký sinh chủ yếu đến từ cấu trúc cuộn dây của điện trở dây quấn, dây dẫn điện trở, dây nối tải, các phụ kiện và đầu nối, đường mạch in PCB, vùng vòng tải và đường dẫn dòng điện trong tản nhiệt và cấu trúc lắp đặt. Điện kháng cảm ứng là:

XL = 2πfL

Ở tần số 4 MHz, ngay cả một điện cảm ký sinh nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo. Ví dụ, khi có thêm điện cảm trong mạch tải, tải không còn hoạt động như một điện trở thuần túy mà thể hiện đặc tính cảm kháng. Một sự chênh lệch pha được tạo ra giữa điện áp và dòng điện. Nếu máy phân tích vẫn tính toán công suất bằng mô hình điện trở thuần túy, ảnh hưởng của công suất phản kháng đến kết quả đo sẽ bị bỏ qua.

4.3 Nguồn gốc và ảnh hưởng của điện dung ký sinh

Điện dung ký sinh chủ yếu phát sinh giữa thân điện trở và tản nhiệt, giữa các cực điện trở, giữa điện trở và vỏ kim loại, giữa cực đầu ra và đất, giữa các lá đồng trên mạch in, và giữa các dây cáp và các cấu trúc kim loại xung quanh. Điện kháng dung là:

XC = 1 / (2πfC)

Ở tần số 4 MHz, điện dung ký sinh có thể tạo ra đường dẫn tắt cho dòng điện tần số cao, khiến một phần dòng điện không còn chảy hoàn toàn qua điện trở tải lý tưởng. Điều này dẫn đến sự phân bố dòng điện tải không phù hợp với mô hình lý thuyết, đồng thời khiến các tín hiệu điện áp và dòng điện thu được từ máy phân tích điện phẫu thuật không thể hiện chính xác công suất hoạt động được hấp thụ bởi điện trở tải.

4.4 Chuyển đổi tải định mức thành mạng RLC do dạng điện trở

Tóm lại, trong điều kiện tần số cao 4 MHz, tải định mức không nên được biểu thị đơn giản là Zload = R nữa. Nó nên được biểu thị như sau:

Zload = Rskin + jωLparasitic + 1/(jωCparasitic)

Trong đó, Rskin biểu thị điện trở AC bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bề mặt, Lparasitic biểu thị điện cảm ký sinh do cấu trúc và các kết nối gây ra, và Cparasitic biểu thị điện dung ký sinh được hình thành bởi điện trở, cấu trúc tản nhiệt, dây dẫn và môi trường xung quanh.

5. Sự ghép nối bức xạ dưới kích thích điện phẫu thuật tần số cao mạnh

5.1 Thử nghiệm điện phẫu thuật không phải là thử nghiệm trở kháng tín hiệu nhỏ

Khi máy phân tích trở kháng hoặc máy phân tích mạng vectơ đo đặc tính tần số cao của điện trở, nó thường sử dụng kích thích tín hiệu nhỏ. Tuy nhiên, trong thử nghiệm điện phẫu thuật thực tế, tải hoạt động dưới kích thích điện áp cao, dòng điện cao, công suất cao và dạng sóng không hình sin. Đặc biệt trong chế độ đông máu và đông máu phun, đầu ra có thể bao gồm điều chế xung, điện áp đỉnh cao và biến thiên quá độ lớn. Do đó, trạng thái hoạt động của tải trong thử nghiệm điện phẫu thuật thực tế khác biệt đáng kể so với điều kiện thử nghiệm trở kháng tín hiệu nhỏ.

5.2 Cơ chế hình thành bức xạ vòng thử nghiệm

Khi đầu ra của thiết bị phẫu thuật điện được kết nối với tải, dây đầu ra, dây hồi tiếp, điện trở tải, giá đỡ và máy phân tích cùng nhau tạo thành một vòng dòng điện tần số cao. Nếu diện tích vòng lớn, đường dẫn không đối xứng hoặc dây kết nối dài, vòng có thể thể hiện hành vi bức xạ tương tự như một ăng-ten. Sự ghép nối bức xạ chủ yếu bắt nguồn từ diện tích vòng dòng điện tần số cao quá mức, khoảng cách quá lớn giữa dây dẫn đầu ra và dây dẫn hồi tiếp, dây tải dài, cấu trúc dây dẫn hở, tải không được che chắn, ghép nối trường gần vào dây lấy mẫu và những thay đổi trong phân bố trường điện từ do các cấu trúc kim loại xung quanh gây ra. Từ góc độ tương thích điện từ, loại vòng tần số cao hở này làm tăng sự ghép nối trường gần và khả năng dễ bị bức xạ [9].

5.3 Ảnh hưởng của sự ghép nối bức xạ đến cân bằng công suất

Về lý tưởng, toàn bộ công suất đầu ra từ thiết bị phẫu thuật điện được tiêu tán trong điện trở tải:

Pout = Pload

Khi có hiện tượng bức xạ và ghép nối rõ rệt trong mạch thử nghiệm, sự cân bằng công suất nên được biểu thị như sau:

Pout = Pload + Pradiation + Pcoupling + Ploss

Trong đó, Pload là công suất thực tế được điện trở tải hấp thụ, Pradiation là tổn thất bức xạ của mạch thử nghiệm, Pcoupling là công suất truyền vào vỏ máy phân tích, cáp lấy mẫu, cấu trúc nối đất hoặc các vật thể kim loại gần đó, và Ploss là tổn thất bổ sung của cáp, đầu nối, cực và các cấu trúc khác.

5.4 Ảnh hưởng của sự ghép nối bức xạ đến khả năng lặp lại của phép thử

Hiện tượng ghép nối bức xạ khiến kết quả thử nghiệm rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường và vận hành. Với cùng một thiết bị phẫu thuật điện, cùng một mức công suất và cùng một tải định mức, kết quả khác nhau có thể xuất hiện khi chiều dài cáp đầu ra, kiểu uốn cáp, khoảng cách giữa tải và máy phân tích, vị trí đặt tải, phương pháp nối đất, khoảng cách tay người vận hành, vị trí bàn kim loại gần đó và sự có mặt hoặc không có cấu trúc che chắn bị thay đổi.

6. Ảnh hưởng của méo dạng tần số cao ở tải định mức đến điểm hoạt động của thiết bị đang thử nghiệm.

Thiết bị phẫu thuật điện tần số cao không phải là nguồn điện áp lý tưởng cũng không phải là nguồn dòng điện lý tưởng. Công suất đầu ra của nó có mối quan hệ phù hợp và điều chỉnh với trở kháng tải. Khi trở kháng tải định mức thay đổi, trạng thái đầu ra thực tế của thiết bị đang thử nghiệm cũng thay đổi tương ứng.

Với công suất định mức 100 W / 500 Ω / 4 MHz, điều kiện thử nghiệm lý tưởng là Zload = 500 Ω. Trong thử nghiệm thực tế, do hiệu ứng bề mặt, các thông số ký sinh và ghép nối bức xạ, tải có thể hoạt động như sau:

Zactual = 520 Ω + j40 Ω

Tại thời điểm này, tải mà thiết bị đang thử nghiệm nhận thấy không còn là điện trở 500 Ω thuần túy nữa. Điều này có thể khiến điện áp đầu ra của thiết bị phẫu thuật điện tăng hoặc giảm, dòng điện đầu ra thay đổi, trạng thái phù hợp của tầng đầu ra bị dịch chuyển, công suất hoạt động thực tế khác với công suất trong điều kiện tải định mức danh nghĩa, và công suất hiển thị trên máy phân tích không nhất quán với công suất thực tế mà tải hấp thụ. Cuối cùng, điều này ảnh hưởng đến cơ sở để đánh giá công suất đầu ra định mức theo tiêu chuẩn IEC 60601-2-2.

Cần lưu ý rằng sai số do thay đổi tải có tính chất kép. Một mặt, các giá trị thu được từ chuỗi lấy mẫu điện áp và dòng điện bị lệch so với công suất tác dụng thực. Mặt khác, trạng thái điều chỉnh công suất hoặc trạng thái phù hợp của thiết bị đang thử nghiệm thay đổi. Do đó, việc phân tích lỗi tiếp theo không chỉ cần hiệu chỉnh giá trị hiển thị của máy phân tích mà còn phải xác nhận xem mẫu đang thử nghiệm có duy trì ở điểm hoạt động tải định mức đã công bố hay không.

7 Mô hình tương đương toàn diện

Để mô tả chính xác hơn hệ thống thử nghiệm phẫu thuật điện 4 MHz, điện trở tải định mức có thể được mô hình hóa bằng cách tham khảo phương pháp mô hình hóa trở kháng phức tạp được sử dụng trong kỹ thuật tần số cao. Tải định mức có thể được coi là tải điện từ tổng hợp bị ảnh hưởng đồng thời bởi tần số, công suất, nhiệt độ và hình học [10]:

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

Trong đó, f là tần số hoạt động, P là công suất đầu ra, T là nhiệt độ tải và G là hình dạng điện trở và cấu trúc vòng thử nghiệm. Rdc là điện trở danh nghĩa DC; ΔRskin(f) là sự thay đổi điện trở AC do hiệu ứng bề mặt; ΔRthermal(P,T) là sự trôi điện trở do công suất và nhiệt độ tăng; Lparasitic(G) là điện cảm ký sinh do cấu trúc và kết nối; Cparasitic(G) là điện dung ký sinh do cấu trúc và môi trường; và Zradiation(f,G) là thuật ngữ tương đương cho sự ghép nối bức xạ.

Công suất tác dụng thực tế nên được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp tích phân công suất tức thời:

Pactive = (1/T) ∫0^T u(t)i(t)dt

Đối với các dạng sóng không hình sin, điều biến và xung, phương pháp này hợp lý hơn so với phép tính U^2/R đơn giản vì nó xem xét cả dạng sóng điện áp và dòng điện cũng như mối quan hệ pha. Mô hình tương đương toàn diện được thể hiện trong Hình 7.

Trong quá trình triển khai kỹ thuật, máy đo LCR tần số cao hoặc máy phân tích mạng vectơ có thể được sử dụng để quét trở kháng ở 1, 2, 3, 4 và 5 MHz, trích xuất các tham số như R, Lp và Cp, và thiết lập cơ sở dữ liệu tải. Trong thử nghiệm công suất 4 MHz, cơ sở dữ liệu này sau đó có thể được kết hợp với kết quả lấy mẫu điện áp-dòng điện đồng bộ để hiệu chỉnh ảnh hưởng của trở kháng phức tạp và độ lệch pha đối với tính toán công suất tác dụng [3]. Đồng thời, các nghiên cứu về máy phân tích phẫu thuật điện dựa trên dao động ký cho thấy rằng việc thu thập dạng sóng băng thông cao có thể được sử dụng để quan sát đồng thời dạng sóng đầu ra, tần số và các tham số công suất, do đó hỗ trợ đánh giá công suất cho các đầu ra không hình sin hoặc điều chế xung [4].

8. Sơ đồ kiểm chứng thực nghiệm

8.1 Kiểm tra trở kháng 4 MHz của các dạng điện trở khác nhau

Mục đích của thí nghiệm này là để kiểm chứng xem các dạng điện trở khác nhau có cùng điện trở danh nghĩa có thể hiện sự khác biệt về trở kháng ở tần số 4 MHz hay không. Các đối tượng thử nghiệm bao gồm điện trở công suất dây quấn, điện trở xi măng, điện trở công suất cao thông thường, mảng điện trở màng kim loại, điện trở màng dày không cảm ứng và tải RF đồng trục. Các thông số thử nghiệm bao gồm điện trở DC Rdc, độ lớn trở kháng 4 MHz |Z|, góc pha 4 MHz θ, điện trở nối tiếp tương đương ESR, điện cảm nối tiếp tương đương ESL, điện dung song song tương đương EPC và sự thay đổi trở kháng trước và sau khi gia nhiệt.

8.2 Thử nghiệm độ trôi tải dưới kích thích điện phẫu thuật tần số cao mạnh

Mục đích của thí nghiệm này là để kiểm chứng xem tải có thay đổi động học dưới tác động kích thích mạnh thực tế từ thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz hay không. Phương pháp đề xuất là thiết lập thiết bị phẫu thuật điện ở các chế độ đầu ra thông thường, kết nối các dạng tải 500 Ω khác nhau hoặc tải định mức do nhà sản xuất công bố, ghi lại sự thay đổi nhiệt độ và trở kháng của tải trước khi xuất tín hiệu và sau 10 giây, 30 giây và 60 giây xuất tín hiệu, và so sánh sự trôi lệch của giá trị công suất giữa các cấu trúc tải khác nhau.

8.3 Thí nghiệm ghép nối bức xạ vòng thử nghiệm

Mục đích của thí nghiệm này là để kiểm chứng ảnh hưởng của bức xạ và ghép nối trong mạch thử nghiệm đến các giá trị công suất đo được. Các biến số bao gồm chiều dài dây dẫn đầu ra, khoảng cách giữa dây dẫn đầu ra và dây dẫn hồi tiếp, loại dây dẫn (dây thường/dây xoắn đôi/cáp đồng trục), tải hở/tải có chắn, khoảng cách giữa tải và máy phân tích, phương pháp nối đất và điều kiện giám sát bằng đầu dò trường gần. Các thông số được ghi lại bao gồm công suất hiển thị trên máy phân tích, dạng sóng điện áp, dạng sóng dòng điện, độ lệch pha, cường độ bức xạ trường gần, sai số lặp lại và kết quả tích phân công suất tức thời.

8.4 Thí nghiệm kiểm chứng cấu trúc tải tối ưu

Mục đích của thí nghiệm này là để kiểm chứng xem thiết kế có độ tự cảm thấp, đồng trục và có lớp chắn có thể cải thiện độ chính xác của phép thử hay không. Có thể so sánh bốn phương án: dây dẫn thông thường cộng với điện trở thông thường, dây dẫn ngắn cộng với điện trở không có cảm ứng, kết nối đồng trục cộng với tải không có cảm ứng, và tải RF đồng trục cộng với cấu trúc chắn. Các chỉ số đánh giá bao gồm sai số công suất, độ lặp lại, góc pha, độ tăng nhiệt độ tải và cường độ bức xạ trường gần.

8.5 Kiểm tra quá trình quét trở kháng và bù động

Mục đích của thí nghiệm này là để kiểm chứng xem việc đặc trưng hóa trở kháng tần số cao và bù động có cải thiện độ chính xác của phép thử công suất hay không. Có thể chọn tải tham chiếu chính xác 500 Ω và các tải kết cấu khác nhau để kiểm tra biên độ trở kháng, góc pha và độ trôi nhiệt độ trong dải tần 1-5 MHz. Sau đó, có thể thực hiện lấy mẫu điện áp-dòng điện đồng bộ ở tần số 4 MHz trong điều kiện công suất đầu ra điển hình để so sánh các giá trị công suất, sai số pha và độ lặp lại trước và sau khi bù. Phần lấy mẫu đồng bộ có thể được kết hợp với khái niệm máy hiện sóng-phân tích để ghi lại các dạng sóng không hình sin, dạng sóng điều chế xung và dạng sóng có hệ số đỉnh cao ở mức độ dạng sóng. Thí nghiệm không nên chỉ sử dụng một giá trị công suất duy nhất làm tiêu chí; vị trí đặt tải, đường dẫn cáp, phương pháp nối đất và điều kiện che chắn cũng cần được ghi lại.

9 Khuyến nghị tối ưu hóa cho hệ thống thử nghiệm

9.1 Tải định mức nên được hiệu chuẩn ở tần số 4 MHz

Đối với thiết bị phẫu thuật điện tần số cao 4 MHz, điện trở tải định mức không chỉ cần cung cấp kết quả hiệu chuẩn điện trở DC mà còn phải cung cấp các thông số tần số cao ở tần số hoạt động, bao gồm biên độ trở kháng 4 MHz, góc pha 4 MHz, điện trở nối tiếp tương đương, điện cảm nối tiếp tương đương, điện dung song song tương đương, độ trôi do tăng nhiệt độ ở công suất định mức, độ không chắc chắn của phép đo và phương pháp đấu dây được khuyến nghị.

Thông số ghi nhãn được khuyến nghị: 500 Ω, |Z| ở 4 MHz = xxx Ω, góc pha = xx°, công suất định mức = xxx W, độ trôi do tăng nhiệt độ = xx%, độ không chắc chắn = xx%.

9.2 Nên ưu tiên các tải không cảm ứng hoặc tải đồng trục có độ tự cảm thấp.

Nên tránh sử dụng điện trở quấn dây và điện trở công suất cao có cấu trúc không rõ ràng cho thử nghiệm điện phẫu thuật ở tần số 4 MHz. Các lựa chọn được khuyến nghị bao gồm điện trở không cảm ứng màng dày, mảng điện trở màng kim loại có độ tự cảm thấp, tải RF đồng trục, tải không cảm ứng làm mát bằng dầu hoặc nước, cấu trúc tải có diện tích vòng lặp nhỏ và mô-đun tải được che chắn.

9.3 Cần kiểm soát sự ghép nối bức xạ trong vòng thử nghiệm

Nên bố trí các dây dẫn đầu ra và đầu vào càng gần nhau càng tốt, ưu tiên kết nối đồng trục, giảm chiều dài cáp, tránh các vòng hở diện tích lớn, sử dụng vỏ bọc bằng kim loại cho mô-đun tải, tách biệt hoặc che chắn dây lấy mẫu khỏi đường dây điện, tiêu chuẩn hóa nối đất, cố định vị trí cáp và sử dụng đầu dò trường gần khi cần thiết để theo dõi bức xạ vòng thử nghiệm. Cấu trúc hệ thống tối ưu được thể hiện trong Hình 11.

9.4 Nên sử dụng phương pháp tích phân công suất tức thời để tính toán công suất

Đối với thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz, đặc biệt là ở chế độ đầu ra điều biến và đầu ra xung, không nên chỉ dựa vào công thức P = U^2/R. Một phương pháp hợp lý hơn là thu thập đồng thời dạng sóng điện áp và dòng điện rồi tính toán Pactive = (1/T)∫u(t)i(t)dt. Phương pháp này có thể tính đến sự khác biệt pha, dạng sóng không hình sin và các biến đổi thoáng qua, và phù hợp hơn để đánh giá công suất đầu ra thực tế của thiết bị phẫu thuật điện tần số cao.

9.5 Tóm tắt các nguồn lỗi kiểm thử và khả năng áp dụng tải

Bảng 2 Tóm tắt các nguồn lỗi trong quá trình kiểm tra công suất đầu ra của các thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz

9.6 Báo cáo thử nghiệm cần ghi lại các điều kiện tải tương đương

Nên bổ sung vào báo cáo thử nghiệm các thông số sau: điện trở DC của tải định mức, biên độ trở kháng 4 MHz, góc pha, chiều dài dây dẫn, phương pháp che chắn, độ tăng nhiệt độ tải và ngày hiệu chuẩn. Đối với các chế độ đầu ra điều biến hoặc xung, báo cáo cũng cần nêu rõ liệu phép tính công suất có sử dụng mô hình RMS thực, mô hình U^2/R hay mô hình tích phân điện áp-dòng điện đồng bộ hay không. Những thông tin này giúp so sánh kết quả giữa các phòng thí nghiệm khác nhau, các máy phân tích điện phẫu thuật khác nhau và các cấu trúc tải khác nhau.

10. Thảo luận

Quan điểm cốt lõi của bài báo này là sai số thử nghiệm trong các thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz không thể chỉ đơn giản được quy cho độ chính xác không đủ của máy phân tích phẫu thuật điện. Dưới kích thích tần số cao, công suất cao, điện trở tải định mức trong hệ thống thử nghiệm đã trở thành yếu tố then chốt ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm. So với các nghiên cứu bù động và nghiên cứu máy phân tích dựa trên dao động ký hiện có, bài báo này chú trọng hơn đến mối quan hệ ghép nối giữa bản thân tải, vòng thử nghiệm và điểm hoạt động của thiết bị cần thử nghiệm, và coi sự tương đương tải là điều kiện tiên quyết để thử nghiệm công suất chính xác.

Thứ nhất, hiệu ứng bề mặt (skin effect) làm cho điện trở tương đương xoay chiều của điện trở lệch khỏi giá trị danh nghĩa một chiều của nó. Đối với đầu ra tần số cao 4 MHz, sự phân bố dòng điện không còn đồng đều, và các đầu cực của điện trở, các tấm nối và các lớp màng điện trở đều có thể tạo ra sự thay đổi điện trở xoay chiều. Thứ hai, hình dạng của điện trở quyết định các thông số ký sinh. Điện trở dây quấn, điện trở xi măng, điện trở màng dày và tải đồng trục có thể có cùng điện trở một chiều, nhưng góc pha, độ lớn trở kháng và đặc tính bức xạ của chúng ở tần số 4 MHz lại khác nhau đáng kể. Do đó, điện trở danh nghĩa giống nhau không có nghĩa là điện trở tương đương tần số cao giống nhau.

Thứ ba, bản thân thiết bị phẫu thuật điện tần số cao là một nguồn kích thích tần số cao mạnh. Trong quá trình thử nghiệm thực tế, tải không chỉ chịu được tín hiệu tần số cao mà còn chịu được điện áp cao, dòng điện cao, điều chế xung và ứng suất nhiệt. Vòng thử nghiệm có thể tạo ra bức xạ và ghép nối trường gần, khiến một phần năng lượng không còn được tiêu tán hoàn toàn trong điện trở tải. Cuối cùng, sự biến dạng tải định mức ảnh hưởng không chỉ đến các chỉ số của máy phân tích mà còn ảnh hưởng đến điểm hoạt động thực tế của thiết bị phẫu thuật điện đang được thử nghiệm. Nếu nhà sản xuất công bố công suất đầu ra định mức ở mức 500 Ω, nhưng 500 Ω trong hệ thống thử nghiệm thực tế trở thành trở kháng phức tạp phụ thuộc vào tần số, thì thiết bị đang được thử nghiệm không còn ở trạng thái tải định mức theo nghĩa được yêu cầu bởi tiêu chuẩn. Do đó, đánh giá công suất đầu ra có thể chứa sai lệch hệ thống.

Do đó, việc kiểm tra thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz cần được mở rộng từ "độ chính xác của các chỉ số đo" sang đánh giá toàn diện về sự tương đương tải, khả năng tương thích điện từ vòng lặp và phương pháp đo công suất.

11 Kết luận

Bài báo này phân tích một cách hệ thống các vấn đề về độ chính xác dữ liệu trong thử nghiệm công suất đầu ra phẫu thuật điện 4 MHz từ ba khía cạnh: hiệu ứng bề mặt điện trở, hình dạng cấu trúc điện trở và ghép nối bức xạ trong vòng thử nghiệm dưới kích thích phẫu thuật điện tần số cao mạnh.

Nghiên cứu cho thấy rằng trong điều kiện tần số cao 4 MHz, điện trở tải định mức không còn được coi là điện trở thuần lý tưởng nữa. Bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bề mặt, điện trở tương đương AC có thể lệch khỏi giá trị danh nghĩa DC. Bị ảnh hưởng bởi hình dạng và cấu trúc lắp đặt của điện trở, tải tạo ra điện cảm ký sinh và điện dung ký sinh. Bị ảnh hưởng bởi kích thích điện phẫu thuật tần số cao mạnh, mạch thử nghiệm có thể tạo ra bức xạ, ghép nối và tổn hao bổ sung đáng kể. Những yếu tố này cùng nhau biến đổi tải định mức từ mô hình R đơn giản thành mô hình tải điện từ phức hợp tần số cao phức tạp.

Vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến chỉ số công suất của máy phân tích điện phẫu thuật mà còn ảnh hưởng đến điều kiện tải thực tế mà thiết bị điện phẫu thuật đang thử nghiệm phải chịu, khiến nó sai lệch so với trạng thái tải định mức dựa vào thử nghiệm IEC 60601-2-2. Do đó, bản chất của sai số thử nghiệm điện phẫu thuật 4 MHz không phải là sai số thiết bị đơn giản mà là sai số hệ thống được hình thành đồng thời bởi điện trở tải, mạch thử nghiệm và mẫu thử nghiệm.

Để nâng cao độ chính xác và khả năng lặp lại của phép thử công suất đầu ra điện phẫu thuật 4 MHz, nên hiệu chuẩn điện trở tải định mức cho trở kháng tần số cao 4 MHz, sử dụng điện trở không cảm ứng có độ tự cảm thấp hoặc tải RF đồng trục, kiểm soát diện tích vòng thử nghiệm, giảm thiểu cáp hở và ghép nối bức xạ, theo dõi sự tăng nhiệt độ tải và sự thay đổi trở kháng, và thiết lập cơ sở dữ liệu thông số tải bằng cách sử dụng máy đo LCR tần số cao hoặc máy phân tích mạng vector. Trong báo cáo thử nghiệm, cần ghi lại trở kháng tải, góc pha, phương pháp đấu dây và điều kiện kiểm soát bức xạ, và tính toán công suất tác dụng bằng cách lấy mẫu điện áp-dòng điện đồng bộ và tích phân công suất tức thời.

Tóm lại, chỉ khi đánh giá điện trở tải định mức như một “tải điện từ tổng hợp ở tần số hoạt động 4 MHz” thay vì chỉ là “giá trị danh nghĩa DC” thì hiệu suất đầu ra thực tế của thiết bị phẫu thuật điện 4 MHz mới được phản ánh chính xác hơn và độ tin cậy cũng như khả năng so sánh của kết quả thử nghiệm IEC 60601-2-2 mới được cải thiện.

Lưu ý: Tính không lý tưởng của tải tần số cao 4 MHz và sự ghép nối bức xạ liên quan đến trường điện từ tần số cao, đặc tính vật liệu và sự ghép nối hệ thống thử nghiệm, do đó vẫn cần nghiên cứu thêm. Bài báo này dựa trên việc xác định vấn đề và kiểm chứng kỹ thuật trong công việc kiểm tra thực tế, và nhằm mục đích đề xuất các ý tưởng phân tích khả thi và các biện pháp cải tiến. Do những hạn chế về điều kiện nghiên cứu và hiểu biết, mọi thiếu sót đều được hoan nghênh góp ý và chỉnh sửa từ các chuyên gia và đồng nghiệp.

dự án

[1] CHEN Cong. Thử nghiệm công suất đầu ra của thiết bị phẫu thuật tần số cao [J]. Thiết bị y tế Trung Quốc, 2016, 31(3): 139-141.

[2] LI Ming, GUO Zhigang, QU Yuanyuan. Thử nghiệm công suất và cải thiện khả năng chịu tải của các thiết bị phẫu thuật điện tần số cao [J]. Thiết bị y tế Trung Quốc, 2025, 22(11).

[3] LIU Falin, QIANG Xiaolong, DENG Xiangwen, CHEN Changyan, ZHANG Chao. Phương pháp bù động cho máy kiểm tra thiết bị phẫu thuật điện tần số cao dựa trên máy đo LCR tần số cao hoặc máy phân tích mạng [J/OL]. Thông tin thiết bị y tế Trung Quốc, 2025, 31(17): 37-40.

[4] SHAN Chao, QIANG Xiaolong, LIU Jiming, ZHANG Chao. Nghiên cứu về máy phân tích phẫu thuật điện tần số cao dựa trên máy hiện sóng [J/OL]. Khoa học tiêu chuẩn, 2025(13).

[5] IEC. IEC 60601-2-2:2017 Thiết bị điện y tế – Phần 2-2: Các yêu cầu cụ thể về an toàn cơ bản và hiệu suất thiết yếu của thiết bị phẫu thuật tần số cao và phụ kiện phẫu thuật tần số cao [S]. Geneva: Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế, 2017.

[6] Ủy ban Y tế Quốc gia Cộng hòa Nhân dân Trung Quốc. WS/T 602-2018 Quản lý an toàn các thiết bị phẫu thuật điện tần số cao [S]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn Trung Quốc, 2018.

[7] Cục Quản lý Thị trường Nhà nước. JJF 1217-2025 Quy cách hiệu chuẩn cho các thiết bị phẫu thuật tần số cao [S]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn Trung Quốc, 2025.

[8] Cục Quản lý Sản phẩm Y tế Quốc gia. Thông tin tiêu chuẩn công khai liên quan đến việc áp dụng IEC 60601-2-2:2017 cho thiết bị phẫu thuật tần số cao và phụ kiện phẫu thuật tần số cao [EB/OL].

[9] PAUL C R. Giới thiệu về Khả năng tương thích điện từ [M]. Ấn bản thứ 2. Hoboken: Wiley, 2006.

[10] POZAR D M. Kỹ thuật vi sóng [M]. Ấn bản thứ 4. Hoboken: Wiley, 2011.