Wysokiej częstotliwości elektrokirurgiczny tester wykorzystuje wysokiej częstotliwości LCR lub siatki powyżej MHz Dynamiczne wdrożenie kompensacji n

W przypadku urządzeń elektrochirurgicznych o wysokiej częstotliwości (ESU) działających powyżej 1 MHz, parazytowa pojemność i indukcyjność komponentów oporowych powodują złożone właściwości wysokiej częstotliwości,wpływające na dokładność badańW niniejszym artykule proponuje się metodę dynamicznej kompensacji opartą na wysokofrekwencyjnych licznikach LCR lub analizatorach sieciowych dla wysokofrekwencyjnych testerów jednostek elektrochirurgicznych.Zastosowanie pomiaru impedancji w czasie rzeczywistym, modelowania dynamicznego i algorytmów kompensacyjnych, metoda rozwiązuje błędy pomiarowe spowodowane przez efekty pasożytnicze.System integruje wysokiej precyzji instrumenty i moduły przetwarzania w czasie rzeczywistym w celu osiągnięcia dokładnej charakterystyki wydajności ESUWyniki eksperymentalne pokazują, że w zakresie od 1 MHz do 5 MHz błąd impedancji zmniejsza się z 14,8% do 1,8%, a błąd fazowy z 9,8 do 0,8 stopnia,weryfikacja skuteczności i solidności metodyRozszerzone badania dotyczą optymalizacji algorytmu, dostosowania go do instrumentów o niskich kosztach oraz zastosowań w szerszym zakresie częstotliwości.

Jednostka elektrochirurgiczna (ESU) jest niezastąpionym urządzeniem w nowoczesnej chirurgii, wykorzystującym wysokiej częstotliwości energię elektryczną do cięcia tkanek, krzepnięcia i ablacji.Jego częstotliwość działania wynosi zazwyczaj od 1 MHz do 5 MHz w celu zmniejszenia pobudzenia nerwowo-mięśniowego i poprawy efektywności transferu energiiJednakże przy wysokich częstotliwościach działanie pasożytnicze komponentów oporowych (takich jak pojemność i indukcyjność) znacząco wpływa na właściwości impedancji,utrudniające tradycyjnym metodom badawczym dokładne charakterystyki działania ESUTe skutki pasożytnicze nie tylko wpływają na stabilność mocy wyjściowej, ale mogą również prowadzić do niepewności w dostarczaniu energii podczas operacji, zwiększając ryzyko kliniczne.

Tradycyjne metody testowania ESU są zazwyczaj oparte na kalibracji statycznej, przy użyciu stałych obciążeń do pomiaru.pojemność pasożytnicza i indukcyjność zmieniają się w zależności od częstotliwościStatyczna kalibracja nie może dostosować się do tych zmian, a błędy pomiarowe mogą wynosić nawet 15%[2].W niniejszym artykule proponuje się metodę dynamicznej kompensacji opartą na wysokofrekwencyjnym liczniku LCR lub analizatorze sieciowymMetoda ta kompensuje skutki pasożytnicze poprzez pomiar w czasie rzeczywistym i algorytm adaptacyjny zapewniający dokładność badań.

Wkłady tego artykułu obejmują:

• Proponuje się dynamiczne ramy kompensacyjne oparte na wysokofrekwencyjnym liczniku LCR lub analizatorze sieciowym.
• Opracowano algorytm modelowania i kompensacji impedancji w czasie rzeczywistym dla częstotliwości powyżej 1 MHz.
• Skuteczność metody została zweryfikowana poprzez eksperymenty, a jej potencjał zastosowania w przypadku instrumentów o niskich kosztach został zbadany.

W kolejnych sekcjach szczegółowo przedstawione zostaną podstawy teoretyczne, wdrożenie metody, weryfikacja eksperymentalna i przyszłe kierunki badań.

W środowiskach o wysokiej częstotliwości idealny model komponentów rezystora nie ma już zastosowania.Cp) i indukcji pasożytniczej (Lp), o równoważnej impedancji:

Gdzie?Zjest impedancją złożoną,Rjest rezystancją nominalną, ω jest częstotliwością kątową, orazjjest wyobrażoną jednostką. Indukcja pasożytniczaLpi pojemność pasożytniczaCppowyżej 1 MHz, ωLpa także

Wkład jest znaczący, co powoduje nieliniowe zmiany wielkości i fazy impedancji.

Na przykład dla nominalnego rezystora 500 Ω przy częstotliwości 5 MHz, przy założeniu, żeLp= 10 nH iCp= 5 pF, wyobrażona część impedancji wynosi:

Zastępując wartość numeryczną, ω = 2π × 5 × 106rad/s, możemy uzyskać:

Ta wyimaginowana część wskazuje, że działania pasożytnicze znacząco wpływają na impedancję, powodując odchylenia pomiarowe.

Celem kompensacji dynamicznej jest wyodrębnienie parametrów pasożytniczych poprzez pomiar w czasie rzeczywistym i odliczenie ich skutków od zmierzonej impedancji.LCR oblicza impedancję poprzez zastosowanie sygnału prądu zmiennego o znanej częstotliwości i pomiar amplitudy i fazy sygnału odpowiedziAnalizator sieci analizuje charakterystykę odbicia lub transmisji za pomocą parametrów S (parametry rozpraszania), zapewniając dokładniejsze dane o impedancji.Algorytmy dynamicznej kompensacji wykorzystują te dane pomiarowe do konstruowania modelu impedancji w czasie rzeczywistym i korygowania efektów pasożytniczych.

Impedancja po kompensacji wynosi:

Metoda ta wymaga dokładnego pozyskiwania danych i szybkiego przetwarzania algorytmicznego w celu dostosowania do dynamicznych warunków pracy ESU.Połączenie technologii filtrowania Kalmana może jeszcze bardziej poprawić solidność szacowania parametrów i dostosować się do zmian hałasu i obciążenia [3].

Projekt systemu obejmuje następujące podstawowe elementy:

• Wysokiej częstotliwościLCRmiernik lub analizator sieciowy: takie jak Keysight E4980A (licznik LCR, dokładność 0,05%) lub Keysight E5061B (analizator sieci, obsługuje pomiary parametrów S) do wysokoprecyzyjnych pomiarów impedancji.
• Jednostka pozyskiwania sygnału: zbiera dane o impedancji w zakresie od 1 MHz do 5 MHz, przy częstotliwości pobierania próbek 100 Hz.
• Jednostka przetwórcza: wykorzystuje mikrokontroler STM32F4 (działający w częstotliwości 168 MHz) do uruchamiania algorytmu kompensacji w czasie rzeczywistym.
• Moduł rekompensaty: Dostosowuje wartość pomiarową w oparciu o model dynamiczny i zawiera cyfrowy procesor sygnału (DSP) oraz dedykowane oprogramowanie stałe.

System komunikuje się z licznikiem LCR/analizatorem sieciowym za pośrednictwem interfejsów USB lub GPIB, zapewniając niezawodną transmisję danych i niską opóźnienie.Projekt sprzętu zawiera osłonę i uziemienie sygnałów wysokiej częstotliwości w celu zmniejszenia zakłóceń zewnętrznychAby zwiększyć stabilność systemu, dodano moduł kompensacji temperatury w celu skorygowania wpływu temperatury otoczenia na przyrząd pomiarowy.

Algorytm kompensacji ruchu jest podzielony na następujące etapy:

1. Wstępna kalibracja: Zmierzyć impedancję obciążenia odniesienia (500 Ω) na znanych częstotliwościach (1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz i 5 MHz) w celu ustalenia modelu bazowego.
2. Ekstrakcja parametrów pasożytniczych: Dane pomiarowe są dostosowywane przy użyciu metody najmniejszych kwadratów w celu wyodrębnieniaR,Lp, orazCpModel montażu opiera się na:

3. Kompensacja w czasie rzeczywistym: Obliczyć skorygowaną impedancję na podstawie wyodrębnionych parametrów pasożytniczych:

Gdzie?^kjest stanem szacunkowym (R,Lp,Cp),Kkjest zyskiem Kalmana,zkjest wartością pomiaru; orazHjest matrycą pomiarową.

Aby poprawić wydajność algorytmu, szybka transformacja Fouriera (FFT) jest używana do wstępnego przetwarzania danych pomiarowych i zmniejszenia złożoności obliczeniowej.Algorytm obsługuje przetwarzanie wielouniowe do równoległego wykonywania obliczeń pozyskiwania danych i rekompensaty.

Algorytm został prototypowany w Pythonie, a następnie zoptymalizowany i przeniesiony na język C, aby działał na STM32F4.podczas gdy analizator sieci obsługuje większą rozdzielczość częstotliwości (do 10 MHz)Optymalizacje oprogramowania stacjonarnego obejmują:

• Efektywne wykorzystanie jednostki z płynnym przecinkiem (FPU).
• Zarządzanie buforem danych zoptymalizowane w pamięci, obsługujące 512 KB pamięci podręcznej.
• Przetwarzanie przerw w czasie rzeczywistym zapewnia synchronizację danych i niską opóźnienie.

Aby uwzględnić różne modele ESU, system obsługuje skanowanie wielokrotne i automatyczne regulacje parametrów na podstawie wstępnie ustawionej bazy danych charakterystyk obciążenia.dodano mechanizm wykrywania usterek. Gdy dane pomiarowe są nieprawidłowe (np. parametry pasożytnicze znajdujące się poza zakresem oczekiwanym), system uruchamia alarm i ponownie kalibruje.

Eksperymenty przeprowadzono w środowisku laboratoryjnym przy użyciu następującego sprzętu:

• Wysokiej częstotliwościESU: częstotliwość operacyjna od 1 MHz do 5 MHz, moc wyjściowa 100 W.
• LCRtabela/Keysight E4980A, dokładność 0,05%.
• Analizator sieci: Keysight E5061B, obsługuje pomiary parametrów S.
• Obciążenie odniesienia: 500 Ω ± 0,1% rezystor precyzyjny, moc nominalna 200 W.
• MikrokontrolerSTM32F4, działający na częstotliwości 168 MHz.

Ciśnienie eksperymentalne składało się z rezystorów foliowych z ceramiki i metalu w celu symulacji różnych warunków obciążenia występujących podczas rzeczywistej operacji.i 5 MHzTemperatura otoczenia była kontrolowana na 25°C ± 2°C, a wilgotność wynosiła 50% ± 10% w celu zminimalizowania zakłóceń zewnętrznych.

Pomiary niekompensowane pokazują, że wpływ efektów pasożytniczych znacząco wzrasta z częstotliwością.Po zastosowaniu kompensacji dynamicznej, odchylenie impedancji zmniejsza się do 1,8%, a błąd fazowy do 0,8 stopnia.

Eksperyment sprawdził również stabilność algorytmu pod obciążeniami nieidealnymi (w tym wysoką pojemnością pasożytną,CpPo zrekompensowaniu błąd utrzymywano w granicach 2,4%. Ponadto wielokrotne eksperymenty (średnio 10 pomiarów) potwierdziły powtarzalność systemu.z odchyleniem standardowym mniejszym niż 0.1%.

Tabela 1: Dokładność pomiarów przed i po zrekompensowaniu

Algorytm kompensacyjny ma złożoność obliczeniową O ((n), gdzie n jest liczbą częstotliwości pomiarów.szczególnie w środowiskach hałaśliwych (SNR = 20 dB)W porównaniu z tradycyjną kalibracją statyczną, czas reakcji systemu wynosi 8,5 ms, spełniając wymagania testowania w czasie rzeczywistym.metoda dynamicznej kompensacji skraca czas pomiaru o około 30%Zwiększenie efektywności badań.

Metoda dynamicznej kompensacji znacząco poprawia dokładność badań elektrochirurgicznych o wysokiej częstotliwości poprzez przetwarzanie efektów pasożytniczych w czasie rzeczywistym.W porównaniu z tradycyjną kalibracją statyczną, ta metoda może dostosować się do dynamicznych zmian obciążenia i jest szczególnie odpowiednia do złożonych charakterystyk impedancji w środowiskach o wysokiej częstotliwości.Połączenie liczników LCR i analizatorów sieciowych zapewnia uzupełniające możliwości pomiarowe: LCR są odpowiednie do szybkich pomiarów impedancji, a analizatory sieci dobrze działają w analizie parametrów S o wysokiej częstotliwości.zastosowanie filtracji Kalmana poprawia wytrzymałość algorytmu na zmiany hałasu i obciążenia [4].

Chociaż metoda ta jest skuteczna, ma następujące ograniczenia:

• Koszt instrumentu: Wysokiej precyzji liczniki LCR i analizatory sieciowe są drogie, co ogranicza popularność tej metody.
• Wymagania kalibracyjne: System musi być regularnie kalibrowany w celu dostosowania go do starzenia się przyrządów i zmian środowiska.
• Zakres częstotliwości: Obecny eksperyment ogranicza się do częstotliwości poniżej 5 MHz i należy zweryfikować możliwość zastosowania częstotliwości wyższych (np. 10 MHz).

W przyszłości można dokonać poprawy w następujący sposób:

• Przystosowanie instrumentów o niskich kosztach: Opracowanie uproszczonego algorytmu opartego na tanich licznikach LCR w celu zmniejszenia kosztów systemu.
• Wsparcie szerokopasmowe: Algorytm został rozszerzony o częstotliwości powyżej 10 MHz w celu zaspokojenia potrzeb nowych ESU.
• Integracja sztucznej inteligencji: Wprowadzenie modeli uczenia maszynowego (takich jak sieci neuronowe) w celu optymalizacji oszacowania parametrów pasożytniczych i poprawy poziomu automatyzacji.

W niniejszym artykule proponuje się metodę dynamicznej kompensacji opartą na wysokofrekwencyjnym liczniku LCR lub analizatorze sieciowym do dokładnych pomiarów powyżej 1 MHz dla wysokofrekwencyjnych testerów elektrochirurgicznych.Poprzez modelowanie impedancji w czasie rzeczywistym i algorytm kompensacji adaptacyjnej, system skutecznie łagodzi błędy pomiarowe spowodowane przez pasożytniczą pojemność i indukcję.błąd impedancji zmniejsza się z 140,8% do 1,8%, a błąd fazowy zmniejszony z 9,8 do 0,8 stopnia, co potwierdza skuteczność i solidność metody.

W przyszłości badania będą koncentrować się na optymalizacji algorytmu, przystosowaniu instrumentów o niskim koszcie i zastosowaniu w szerszym zakresie częstotliwości.Integracja technologii sztucznej inteligencji (takich jak modele uczenia maszynowego) może jeszcze bardziej poprawić dokładność szacunków parametrów i automatyzację systemówMetoda ta zapewnia niezawodne rozwiązanie do testowania jednostek elektrochirurgicznych o wysokiej częstotliwości i ma ważne zastosowania kliniczne i przemysłowe.