Высокочастотный электрохирургический тестер использует высокочастотный LCR или сетку выше МГц.

При работе высокочастотных электрохирургических блоков (ESU) выше 1 МГц паразитарная емкость и индуктивность сопротивляющих компонентов приводят к сложным высокочастотным характеристикам,влияние на точность испытанийВ данной работе предлагается метод динамической компенсации, основанный на высокочастотных LCR-измерителях или сетевых анализаторах для высокочастотных электрохирургических блок-тестеров.Используя измерение импеданса в реальном времени, динамическое моделирование и адаптивные алгоритмы компенсации, метод устраняет ошибки измерений, вызванные паразитическими эффектами.Система интегрирует высокоточные приборы и модули обработки в реальном времени для достижения точной характеристики производительности ESUЭкспериментальные результаты показывают, что в диапазоне от 1 до 5 МГц погрешность импеданса уменьшается с 14,8% до 1,8%, а фазовая погрешность уменьшается с 9,8 до 0,8 градусов.подтверждение эффективности и надежности методаРасширенные исследования исследуют оптимизацию алгоритма, адаптацию для недорогих инструментов и применения в более широком диапазоне частот.

Электрохирургическое отделение (ЭГУ) - это незаменимое устройство в современной хирургии, использующее высокочастотную электрическую энергию для резки тканей, свертывания и абляции.Его частота работы обычно колеблется от 1 до 5 МГц для уменьшения нервно-мышечной стимуляции и повышения эффективности передачи энергии.Однако при высоких частотах паразитические эффекты сопротивляющих компонентов (таких как емкость и индуктивность) значительно влияют на характеристики импеданса,что традиционные методы испытаний не способны точно характеризовать производительность ESUЭти паразитические эффекты не только влияют на стабильность выходной мощности, но также могут привести к неопределенности в доставке энергии во время операции, увеличивая клинический риск.

Традиционные методы испытаний ESU, как правило, основаны на статической калибровке с использованием фиксированных нагрузок для измерения.паразитарная емкость и индуктивность варьируются с частотойСтатическая калибровка не может адаптироваться к этим изменениям, а погрешности измерений могут достигать 15%[2].В данной работе предлагается метод динамической компенсации на основе высокочастотного LCR-измерителя или сетевого анализатора.Этот метод компенсирует паразитарные эффекты с помощью измерения в режиме реального времени и адаптивного алгоритма для обеспечения точности испытаний.

Вклад данной статьи включает:

• Предлагается динамическая система компенсации, основанная на высокочастотном LCR-измерителе или сетевом анализаторе.
• Для частот выше 1 МГц был разработан алгоритм моделирования и компенсации импеданса в реальном времени.
• Эффективность метода была проверена с помощью экспериментов, а его потенциал применения на недорогих приборах был изучен.

В последующих разделах будут подробно представлены теоретические основы, внедрение методов, экспериментальная проверка и будущие направления исследований.

В условиях высокой частоты идеальная модель компонентов резистора больше не применяется.Cp) и паразитарной индуктивности (Lp), с эквивалентной импеданцией:

Где?Zявляется комплексным импедансом,Rэто номинальное сопротивление, ω - угловая частота иjявляется воображаемой единицей.Lpи паразитарная емкостьCpопределяются соответственно материалом компонента, геометрией и способом соединения.Lpи

Вклад является значительным, что приводит к нелинейным изменениям величины импеданса и фазы.

Например, для номинального 500 Ω резистора на частоте 5 МГц, предполагаяLp= 10 nH иCp= 5 pF, воображаемая часть импеданса равна:

Заменив числовое значение ω = 2π × 5 × 106rad/s, мы можем получить:

Эта воображаемая часть указывает на то, что паразитические эффекты существенно влияют на импеданс, вызывая отклонения измерения.

Целью динамической компенсации является извлечение паразитарных параметров посредством измерения в реальном времени и вычитание их эффектов из измеренного импеданса.LCR-счетчики рассчитывают импеданс путем применения сигнала переменного тока известной частоты и измерения амплитуды и фазы сигнала ответаСетевые анализаторы анализируют характеристики отражения или передачи с использованием S-параметров (параметров рассеяния), обеспечивая более точные данные об импедансе.Алгоритмы динамической компенсации используют эти данные измерения для построения модели импеданса в реальном времени и коррекции паразитических эффектов.

Импеданс после компенсации:

Этот метод требует высокоточного сбора данных и быстрой алгоритмической обработки, чтобы адаптироваться к динамическим условиям работы ESU.Сочетание технологии фильтрации Kalman может еще больше улучшить надежность оценки параметров и адаптироваться к изменениям шума и нагрузки [3].

Проектирование системы включает следующие основные компоненты:

• ВысокочастотныеЛКРсчетчик или сетевой анализатор: такие как Keysight E4980A (LCR-метр, точность 0,05%) или Keysight E5061B (сетевой анализатор, поддерживающий измерения S-параметров) для высокоточных измерений импеданса.
• Подразделение захвата сигнала: собирает данные по импедантам в диапазоне от 1 до 5 МГц с частотой отбора проб 100 Гц.
• Объект обработки: использует микроконтроллер STM32F4 (работающий на частоте 168 МГц) для запуска алгоритма компенсации в реальном времени.
• Модуль компенсации: регулирует измеренное значение на основе динамической модели и содержит цифровой процессор сигнала (DSP) и специальное прошивку.

Система взаимодействует с LCR-измерителем/сетевым анализатором через интерфейсы USB или GPIB, обеспечивая надежную передачу данных и низкую задержку.Дизайн оборудования включает в себя защиту и заземление для высокочастотных сигналов для уменьшения внешних помехДля повышения стабильности системы был добавлен модуль компенсации температуры для коррекции влияния температуры окружающей среды на измерительный прибор.

Алгоритм компенсации движения делится на следующие этапы:

1. Первоначальная калибровка: Измерение импеданса эталонной нагрузки (500 Ω) на известных частотах (1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz и 5 MHz) для установления базовой модели.
2. Экстракция параметров паразитов: Измеренные данные устанавливаются с использованием метода наименьших квадратов для извлеченияR,Lp, иCp. Модель приспособления основана на:

3. Компенсация в реальном времени: Вычислить исправленную импеданс на основе извлеченных паразитарных параметров:

Где?^kявляется предполагаемым состоянием (R,Lp,Cp),Ккэто прибыль Калмана,zkявляется значением измерения, иHявляется матрицей измерения.

Для повышения эффективности алгоритма для предварительной обработки данных измерений и снижения вычислительной сложности используется быстрая трансформация Фурье (FFT).алгоритм поддерживает многопроводную обработку для выполнения параллельных вычислений сбора данных и компенсации;.

Алгоритм был прототипирован в Python, а затем оптимизирован и перенесен на C, чтобы работать на STM32F4.в то время как сетевой анализатор поддерживает более высокое частотное разрешение (до 10 МГц). Процессорная задержка компенсационного модуля сохраняется ниже 8,5 мс, обеспечивая производительность в режиме реального времени.

• Эффективное использование единиц плавающей запятой (FPU).
• Управление буфером данных с оптимизированной памятью, поддержка кэша 512 КБ.
• Обработка прерываний в режиме реального времени обеспечивает синхронизацию данных и низкую задержку.

Для размещения различных моделей ESU система поддерживает многочастотное сканирование и автоматическую регулировку параметров на основе заранее установленной базы данных характеристик нагрузки.был добавлен механизм обнаружения неисправностей. Когда данные измерения являются ненормальными (например, паразитарные параметры за пределами ожидаемого диапазона), система запускает сигнализацию и перекалибровывает.

Эксперименты проводились в лабораторной среде с использованием следующего оборудования:

• ВысокочастотныеESU: частота работы от 1 до 5 МГц, выходная мощность 100 Вт.
• ЛКРтаблицаКлючевой прицел E4980A, точность 0,05%.
• Сетевой анализатор: Keysight E5061B, поддерживает измерения S-параметров.
• Референтная нагрузка: 500 Ω ± 0,1% точного сопротивления, номинальная мощность 200 Вт.
• Микроконтроллер: STM32F4, работает на частоте 168 МГц.

Экспериментальная нагрузка состояла из керамических и металлических пленочных резисторов для моделирования различных условий нагрузки, встречающихся во время фактической операции.и 5 МГцТемпература окружающей среды контролировалась при 25°C ± 2°C, а влажность была 50% ± 10% для минимизации внешних помех.

Некомпенсированные измерения показывают, что влияние паразитарных эффектов значительно увеличивается с частотой.После применения динамической компенсации, отклонение импеданса уменьшается до 1,8%, а фазовая ошибка уменьшается до 0,8°. Подробные результаты представлены в таблице 1.

Эксперимент также проверил стабильность алгоритма при неидеальных нагрузках (включая высокую паразитарную емкость,CpПосле компенсации ошибка сохранялась в пределах 2,4%. Кроме того, повторные эксперименты (в среднем 10 измерений) подтвердили повторяемость системы.с стандартным отклонением менее 00,1%

Таблица 1: Точность измерений до и после компенсации

Компенсационный алгоритм имеет вычислительную сложность O ((n), где n - количество частот измерений.особенно в шумной среде (SNR = 20 дБ)Общее время отклика системы составляет 8,5 мс, что соответствует требованиям испытаний в реальном времени.метод динамической компенсации сокращает время измерения примерно на 30%, повышая эффективность испытаний.

Динамический метод компенсации значительно повышает точность высокочастотных электрохирургических испытаний путем обработки паразитарных эффектов в режиме реального времени.По сравнению с традиционной статической калибровкой, этот метод может адаптироваться к динамическим изменениям нагрузки и особенно подходит для сложных характеристик импеданса в условиях высокой частоты.Сочетание LCR-измерителей и сетевых анализаторов обеспечивает дополнительные возможности измерений: LCR-измерители подходят для быстрых измерений импеданса, а сетевые анализаторы хорошо работают в высокочастотном анализе S-параметров.применение фильтрации Калмана улучшает надежность алгоритма на изменения шума и нагрузки [4].

Хотя этот метод эффективен, он имеет следующие ограничения:

• Стоимость инструмента: высокоточные LCR-измерители и сетевые анализаторы дорогостоящие, что ограничивает популярность этого метода.
• Потребности калибровки: Система должна регулярно калибровываться для адаптации к старению прибора и изменениям окружающей среды.
• Диапазон частот: Текущий эксперимент ограничен до 5 МГц, и необходимо проверить применимость более высоких частот (например, 10 МГц).

Будущие улучшения могут быть сделаны следующими способами:

• Низкозатратная адаптация: Разработка упрощенного алгоритма, основанного на недорогом счетчике LCR для снижения затрат на систему.
• Поддержка широкополосной связи: алгоритм расширен для поддержки частот выше 10 МГц для удовлетворения потребностей новых ESU.
• Интеграция искусственного интеллекту: внедрение моделей машинного обучения (таких как нейронные сети) для оптимизации оценки параметров паразитов и повышения уровня автоматизации.

В данной работе предлагается метод динамической компенсации, основанный на высокочастотном LCR-измерителе или сетевом анализаторе для точных измерений выше 1 МГц для высокочастотных электрохирургических испытателей.С помощью моделирования импеданса в реальном времени и адаптивного алгоритма компенсацииЭкспериментальные результаты показывают, что в диапазоне 1-5 МГцошибка импеданса уменьшается с 140,8% до 1,8%, а фазовая ошибка уменьшается с 9,8 до 0,8 градусов, подтверждая эффективность и надежность метода.

Будущие исследования будут сосредоточены на оптимизации алгоритма, недорогой адаптации инструмента и применении в более широком диапазоне частот.Интеграция технологий искусственного интеллекта (таких как модели машинного обучения) может еще больше улучшить точность оценки параметров и автоматизацию системыЭтот метод обеспечивает надежное решение для высокочастотных электрохирургических испытаний и имеет важное клиническое и промышленное применение.