Bei Hochfrequenz-elektrokirurgischen Einheiten (ESU), die über 1 MHz arbeiten, führen die parasitäre Kapazität und Induktivität von Widerstandskomponenten zu komplexen Hochfrequenz-Eigenschaften.Auswirkungen auf die PrüfgenauigkeitIn diesem Papier wird eine dynamische Kompensationsmethode vorgeschlagen, die auf Hochfrequenz-LCR-Messern oder Netzwerk-Analysatoren für Hochfrequenz-elektrokirurgische Einheitstester basiert.Durch Einsatz von Echtzeit-Impedanzmessungen, dynamische Modellierung und adaptive Kompensationsalgorithmen, die Methode befasst sich mit Messfehlern, die durch parasitäre Effekte verursacht werden.Das System integriert hochpräzise Instrumente und Echtzeitverarbeitungsmodule, um eine genaue Charakterisierung der ESU-Leistung zu erreichenExperimentelle Ergebnisse zeigen, daß im Bereich von 1 MHz bis 5 MHz der Impedanzfehler von 14,8% auf 1,8% und der Phasenfehler von 9,8 Grad auf 0,8 Grad verringert wird.Validierung der Wirksamkeit und Robustheit der MethodeErweiterte Studien untersuchen die Optimierung von Algorithmen, die Anpassung an kostengünstige Instrumente und Anwendungen in einem breiteren Frequenzbereich.
Die Elektrochirurgische Einheit (ESU) ist ein unentbehrliches Gerät in der modernen Chirurgie, das hochfrequente elektrische Energie verwendet, um Gewebe zu schneiden, zu gerinnen und zu ablieren.Seine Betriebsfrequenz liegt typischerweise zwischen 1 MHz und 5 MHz, um die neuromuskuläre Stimulation zu reduzieren und die Effizienz der Energieübertragung zu verbessernBei hohen Frequenzen beeinflussen jedoch parasitäre Wirkungen von Widerstandskomponenten (wie Kapazität und Induktivität) die Impedanzmerkmale erheblich.die herkömmlichen Prüfmethoden unfähig machen, die Leistung der ESU genau zu charakterisierenDiese parasitäre Wirkung beeinträchtigt nicht nur die Leistungsstabilität, sondern kann auch zu Unsicherheiten bei der Energiezufuhr während der Operation führen, was das klinische Risiko erhöht.
Die traditionellen Prüfmethoden der ESU basieren typischerweise auf statischer Kalibrierung, bei der für die Messung feste Belastungen verwendet werden.Parasitische Kapazität und Induktivität variieren je nach HäufigkeitStatische Kalibrierung kann sich nicht an diese Veränderungen anpassen, und Messfehler können bis zu 15% betragen.[2]Dieses Papier schlägt eine dynamische Kompensationsmethode vor, die auf einem Hochfrequenz-LCR-Meter oder Netzwerk-Analysator basiert.Diese Methode kompensiert parasitäre Effekte durch Echtzeitmessungen und einen anpassungsfähigen Algorithmus, um die Genauigkeit des Tests zu gewährleisten.
Zu den Beiträgen dieses Papiers gehören:
In den folgenden Abschnitten werden die theoretischen Grundlagen, die Anwendung der Methode, die experimentelle Überprüfung und die künftigen Forschungsrichtungen eingehend vorgestellt.
In Hochfrequenzumgebungen ist das ideale Modell der Widerstandskomponenten nicht mehr anwendbar.Cp) und parasitäre Induktivität (Lp), mit einer gleichwertigen Impedanz von:
WoZist die komplexe Impedanz,Rist der Nennwiderstand, ω die Winkelfrequenz undjist die imaginäre Einheit.Lpund parasitäre KapazitätCpÜber 1 MHz werden ωLpund
Der Beitrag von ist signifikant, was zu nichtlinearen Veränderungen der Impedanzgröße und Phase führt.
Zum Beispiel für einen Nominalwiderstand von 500 Ω bei 5 MHz, wennLp= 10 nH undCp= 5 pF, der imaginäre Teil der Impedanz beträgt:
Wenn wir den numerischen Wert ω = 2π × 5 × 106rad/s ersetzen, erhalten wir:
Dieser imaginäre Teil zeigt an, dass parasitäre Effekte die Impedanz erheblich beeinflussen und Messweichungen verursachen.
Das Ziel der dynamischen Kompensation ist es, parasitäre Parameter durch Echtzeitmessungen zu extrahieren und ihre Auswirkungen aus der gemessenen Impedanz abzuziehen.LCR-Messgeräte berechnen die Impedanz, indem sie ein Wechselstromsignal bekannter Frequenz anwenden und die Amplitude und Phase des Ansprechsignals messenNetzwerkanalysatoren analysieren Reflexions- oder Übertragungsmerkmale mit S-Parametern (Scatteringparametern), wodurch genauere Impedanzdaten bereitgestellt werden.Dynamische Kompensationsalgorithmen verwenden diese Messdaten, um ein Echtzeit-Impedanzmodell zu konstruieren und für parasitäre Effekte zu korrigieren.
Die Impedanz nach Kompensation beträgt:
Diese Methode erfordert eine hochpräzise Datenerfassung und eine schnelle algorithmische Verarbeitung, um sich an die dynamischen Arbeitsbedingungen der ESU anzupassen.Die Kombination der Kalman-Filtertechnologie kann die Robustheit der Parameterschätzung weiter verbessern und sich an Lärm- und Laständerungen anpassen [3].
Die Systemkonstruktion umfasst folgende Kernkomponenten:
Das System kommuniziert mit dem LCR-Meter/Netzwerk-Analysator über USB- oder GPIB-Schnittstellen und gewährleistet eine zuverlässige Datenübertragung und eine geringe Latenzzeit.Das Hardware-Design beinhaltet Abschirmung und Erdung für Hochfrequenzsignale zur Verringerung externer StörungenZur Verbesserung der Systemstabilität wurde ein Temperaturkompensationsmodul hinzugefügt, um die Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf das Messgerät zu korrigieren.
Der Bewegungskompensationsalgorithmus ist in folgende Schritte unterteilt:
Wo^kist der geschätzte Zustand (R,Lp,Cp),Kkist der Kalman-Gewinn,Zkist der Messwert undHist die Messmatrix.
Um die Effizienz des Algorithmus zu verbessern, wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet, um die Messdaten vorzubereiten und die Rechenkomplexität zu reduzieren.Der Algorithmus unterstützt die mehrstufige Verarbeitung zur parallelen Ausführung von Datenerfassung und Kompensationsberechnungen.
Der Algorithmus wurde in Python prototypiert und dann optimiert und auf C portiert, um auf einem STM32F4 zu laufen.während der Netzwerkanalysator eine höhere Frequenzlösung (bis zu 10 MHz) unterstützt. Die Verarbeitungslatenz des Kompensationsmoduls wird auf unter 8,5 ms gehalten, um eine Echtzeitleistung zu gewährleisten.
Um unterschiedliche ESU-Modelle aufnehmen zu können, unterstützt das System das Multi-Frequenz-Scannen und die automatische Parameteranpassung auf der Grundlage einer vorgegebenen Datenbank mit Lastmerkmalen.Ein Fehlererkennungsmechanismus wurde hinzugefügt.Wenn die Messdaten abnormal sind (z. B. parasitäre Parameter außerhalb des erwarteten Bereichs), wird das System einen Alarm auslösen und neu kalibrieren.
Die Versuche wurden in einem Labor unter Verwendung folgender Geräte durchgeführt:
Die Versuchsbelastung bestand aus Keramik- und Metallfolienwiderständen, um die unterschiedlichen Belastungsbedingungen während der eigentlichen Operation zu simulieren.und 5 MHzDie Umgebungstemperatur wurde bei 25 °C ± 2 °C und die Luftfeuchtigkeit bei 50% ± 10% gesteuert, um äußere Störungen zu minimieren.
Unkompensierte Messungen zeigen, dass die Wirkung von parasitären Effekten mit der Frequenz signifikant zunimmt. Bei 5 MHz erreicht die Impedanz-Abweichung 14,8% und der Phasenfehler 9,8 Grad.Nach Anwendung der dynamischen Kompensation, wird die Impedanzdifferenz auf 1,8% und der Phasenfehler auf 0,8° reduziert.
Das Experiment testete auch die Stabilität des Algorithmus unter nicht idealen Belastungen (einschließlich hoher parasitärer Kapazität,CpNach der Kompensation wurde der Fehler innerhalb von 2,4% gehalten. Weiterhin wurde durch wiederholte Versuche (durchschnittlich 10 Messungen) die Wiederholbarkeit des Systems überprüft.mit einer Standardabweichung von weniger als 0.1%.
Tabelle 1: Messgenauigkeit vor und nach dem Ausgleich
| Frequenz (MHz) | Unkompensierter Impedanzfehler (%) | Impedanzfehler nach Kompensation (%) | Phasenfehler (Ausgabe) |
|---|---|---|---|
| 1 | 4.9 | 0.7 | 0.4 |
| 2 | 7.5 | 0.9 | 0.5 |
| 3 | 9.8 | 1.2 | 0.6 |
| 4 | 12.2 | 1.5 | 0.7 |
| 5 | 14.8 | 1.8 | 0.8 |
Der Kompensationsalgorithmus hat eine Rechenkomplexität von O ((n), wobei n die Anzahl der Messfrequenzen ist.vor allem in lauten Umgebungen (SNR = 20 dB)Im Vergleich zur herkömmlichen statischen Kalibrierung ist die Gesamtreaktionszeit des Systems 8,5 ms, was den Anforderungen der Echtzeitprüfung entspricht.Die dynamische Kompensationsmethode verkürzt die Messzeit um etwa 30%, was die Effizienz der Prüfungen verbessert.
Die dynamische Kompensationsmethode verbessert die Genauigkeit von Hochfrequenz-elektrokirurgischen Prüfungen erheblich, indem sie parasitäre Effekte in Echtzeit verarbeitet.Im Vergleich zur herkömmlichen statischen KalibrierungDiese Methode kann sich an dynamische Änderungen der Last anpassen und eignet sich besonders für komplexe Impedanzmerkmale in Hochfrequenzumgebungen.Die Kombination von LCR-Messgeräten und Netzwerk-Analysatoren bietet komplementäre Messmöglichkeiten: LCR-Messgeräte eignen sich für schnelle Impedanzmessungen und Netzwerk-Analysatoren leisten eine gute Leistung bei der Hochfrequenz-S-Parameteranalyse.Die Anwendung des Kalman-Filters verbessert die Robustheit des Algorithmus gegenüber Lärm- und Laständerungen [4].
Obwohl die Methode wirksam ist, hat sie folgende Einschränkungen:
Die künftigen Verbesserungen können folgendermaßen vorgenommen werden:
In diesem Papier wird eine dynamische Kompensationsmethode vorgeschlagen, die auf einem Hochfrequenz-LCR-Meter oder Netzwerk-Analysator für genaue Messungen über 1 MHz für Hochfrequenz-elektrokirurgische Tester basiert.Durch Echtzeit-Impedanzmodellierung und einen adaptiven KompensationsalgorithmusDas System verringert effektiv Messfehler, die durch parasitäre Kapazität und Induktivität verursacht werden.Der Impedanzfehler wird von 14 reduziert.Der Phasenfehler wird von 9,8 Grad auf 0,8 Grad reduziert, was die Wirksamkeit und Robustheit der Methode bestätigt.
Zukünftige Forschungen werden sich auf die Optimierung von Algorithmen, die kostengünstige Anpassung von Instrumenten und die Anwendung in einem breiteren Frequenzbereich konzentrieren.Die Integration von Technologien der künstlichen Intelligenz (wie z. B. Modelle für maschinelles Lernen) kann die Parameterschätzungsgenauigkeit und die Systemautomation weiter verbessernDiese Methode bietet eine zuverlässige Lösung für Hochfrequenz-elektrokirurgische Einheitstests und hat wichtige klinische und industrielle Anwendungen.
Bei Hochfrequenz-elektrokirurgischen Einheiten (ESU), die über 1 MHz arbeiten, führen die parasitäre Kapazität und Induktivität von Widerstandskomponenten zu komplexen Hochfrequenz-Eigenschaften.Auswirkungen auf die PrüfgenauigkeitIn diesem Papier wird eine dynamische Kompensationsmethode vorgeschlagen, die auf Hochfrequenz-LCR-Messern oder Netzwerk-Analysatoren für Hochfrequenz-elektrokirurgische Einheitstester basiert.Durch Einsatz von Echtzeit-Impedanzmessungen, dynamische Modellierung und adaptive Kompensationsalgorithmen, die Methode befasst sich mit Messfehlern, die durch parasitäre Effekte verursacht werden.Das System integriert hochpräzise Instrumente und Echtzeitverarbeitungsmodule, um eine genaue Charakterisierung der ESU-Leistung zu erreichenExperimentelle Ergebnisse zeigen, daß im Bereich von 1 MHz bis 5 MHz der Impedanzfehler von 14,8% auf 1,8% und der Phasenfehler von 9,8 Grad auf 0,8 Grad verringert wird.Validierung der Wirksamkeit und Robustheit der MethodeErweiterte Studien untersuchen die Optimierung von Algorithmen, die Anpassung an kostengünstige Instrumente und Anwendungen in einem breiteren Frequenzbereich.
Die Elektrochirurgische Einheit (ESU) ist ein unentbehrliches Gerät in der modernen Chirurgie, das hochfrequente elektrische Energie verwendet, um Gewebe zu schneiden, zu gerinnen und zu ablieren.Seine Betriebsfrequenz liegt typischerweise zwischen 1 MHz und 5 MHz, um die neuromuskuläre Stimulation zu reduzieren und die Effizienz der Energieübertragung zu verbessernBei hohen Frequenzen beeinflussen jedoch parasitäre Wirkungen von Widerstandskomponenten (wie Kapazität und Induktivität) die Impedanzmerkmale erheblich.die herkömmlichen Prüfmethoden unfähig machen, die Leistung der ESU genau zu charakterisierenDiese parasitäre Wirkung beeinträchtigt nicht nur die Leistungsstabilität, sondern kann auch zu Unsicherheiten bei der Energiezufuhr während der Operation führen, was das klinische Risiko erhöht.
Die traditionellen Prüfmethoden der ESU basieren typischerweise auf statischer Kalibrierung, bei der für die Messung feste Belastungen verwendet werden.Parasitische Kapazität und Induktivität variieren je nach HäufigkeitStatische Kalibrierung kann sich nicht an diese Veränderungen anpassen, und Messfehler können bis zu 15% betragen.[2]Dieses Papier schlägt eine dynamische Kompensationsmethode vor, die auf einem Hochfrequenz-LCR-Meter oder Netzwerk-Analysator basiert.Diese Methode kompensiert parasitäre Effekte durch Echtzeitmessungen und einen anpassungsfähigen Algorithmus, um die Genauigkeit des Tests zu gewährleisten.
Zu den Beiträgen dieses Papiers gehören:
In den folgenden Abschnitten werden die theoretischen Grundlagen, die Anwendung der Methode, die experimentelle Überprüfung und die künftigen Forschungsrichtungen eingehend vorgestellt.
In Hochfrequenzumgebungen ist das ideale Modell der Widerstandskomponenten nicht mehr anwendbar.Cp) und parasitäre Induktivität (Lp), mit einer gleichwertigen Impedanz von:
WoZist die komplexe Impedanz,Rist der Nennwiderstand, ω die Winkelfrequenz undjist die imaginäre Einheit.Lpund parasitäre KapazitätCpÜber 1 MHz werden ωLpund
Der Beitrag von ist signifikant, was zu nichtlinearen Veränderungen der Impedanzgröße und Phase führt.
Zum Beispiel für einen Nominalwiderstand von 500 Ω bei 5 MHz, wennLp= 10 nH undCp= 5 pF, der imaginäre Teil der Impedanz beträgt:
Wenn wir den numerischen Wert ω = 2π × 5 × 106rad/s ersetzen, erhalten wir:
Dieser imaginäre Teil zeigt an, dass parasitäre Effekte die Impedanz erheblich beeinflussen und Messweichungen verursachen.
Das Ziel der dynamischen Kompensation ist es, parasitäre Parameter durch Echtzeitmessungen zu extrahieren und ihre Auswirkungen aus der gemessenen Impedanz abzuziehen.LCR-Messgeräte berechnen die Impedanz, indem sie ein Wechselstromsignal bekannter Frequenz anwenden und die Amplitude und Phase des Ansprechsignals messenNetzwerkanalysatoren analysieren Reflexions- oder Übertragungsmerkmale mit S-Parametern (Scatteringparametern), wodurch genauere Impedanzdaten bereitgestellt werden.Dynamische Kompensationsalgorithmen verwenden diese Messdaten, um ein Echtzeit-Impedanzmodell zu konstruieren und für parasitäre Effekte zu korrigieren.
Die Impedanz nach Kompensation beträgt:
Diese Methode erfordert eine hochpräzise Datenerfassung und eine schnelle algorithmische Verarbeitung, um sich an die dynamischen Arbeitsbedingungen der ESU anzupassen.Die Kombination der Kalman-Filtertechnologie kann die Robustheit der Parameterschätzung weiter verbessern und sich an Lärm- und Laständerungen anpassen [3].
Die Systemkonstruktion umfasst folgende Kernkomponenten:
Das System kommuniziert mit dem LCR-Meter/Netzwerk-Analysator über USB- oder GPIB-Schnittstellen und gewährleistet eine zuverlässige Datenübertragung und eine geringe Latenzzeit.Das Hardware-Design beinhaltet Abschirmung und Erdung für Hochfrequenzsignale zur Verringerung externer StörungenZur Verbesserung der Systemstabilität wurde ein Temperaturkompensationsmodul hinzugefügt, um die Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf das Messgerät zu korrigieren.
Der Bewegungskompensationsalgorithmus ist in folgende Schritte unterteilt:
Wo^kist der geschätzte Zustand (R,Lp,Cp),Kkist der Kalman-Gewinn,Zkist der Messwert undHist die Messmatrix.
Um die Effizienz des Algorithmus zu verbessern, wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet, um die Messdaten vorzubereiten und die Rechenkomplexität zu reduzieren.Der Algorithmus unterstützt die mehrstufige Verarbeitung zur parallelen Ausführung von Datenerfassung und Kompensationsberechnungen.
Der Algorithmus wurde in Python prototypiert und dann optimiert und auf C portiert, um auf einem STM32F4 zu laufen.während der Netzwerkanalysator eine höhere Frequenzlösung (bis zu 10 MHz) unterstützt. Die Verarbeitungslatenz des Kompensationsmoduls wird auf unter 8,5 ms gehalten, um eine Echtzeitleistung zu gewährleisten.
Um unterschiedliche ESU-Modelle aufnehmen zu können, unterstützt das System das Multi-Frequenz-Scannen und die automatische Parameteranpassung auf der Grundlage einer vorgegebenen Datenbank mit Lastmerkmalen.Ein Fehlererkennungsmechanismus wurde hinzugefügt.Wenn die Messdaten abnormal sind (z. B. parasitäre Parameter außerhalb des erwarteten Bereichs), wird das System einen Alarm auslösen und neu kalibrieren.
Die Versuche wurden in einem Labor unter Verwendung folgender Geräte durchgeführt:
Die Versuchsbelastung bestand aus Keramik- und Metallfolienwiderständen, um die unterschiedlichen Belastungsbedingungen während der eigentlichen Operation zu simulieren.und 5 MHzDie Umgebungstemperatur wurde bei 25 °C ± 2 °C und die Luftfeuchtigkeit bei 50% ± 10% gesteuert, um äußere Störungen zu minimieren.
Unkompensierte Messungen zeigen, dass die Wirkung von parasitären Effekten mit der Frequenz signifikant zunimmt. Bei 5 MHz erreicht die Impedanz-Abweichung 14,8% und der Phasenfehler 9,8 Grad.Nach Anwendung der dynamischen Kompensation, wird die Impedanzdifferenz auf 1,8% und der Phasenfehler auf 0,8° reduziert.
Das Experiment testete auch die Stabilität des Algorithmus unter nicht idealen Belastungen (einschließlich hoher parasitärer Kapazität,CpNach der Kompensation wurde der Fehler innerhalb von 2,4% gehalten. Weiterhin wurde durch wiederholte Versuche (durchschnittlich 10 Messungen) die Wiederholbarkeit des Systems überprüft.mit einer Standardabweichung von weniger als 0.1%.
Tabelle 1: Messgenauigkeit vor und nach dem Ausgleich
| Frequenz (MHz) | Unkompensierter Impedanzfehler (%) | Impedanzfehler nach Kompensation (%) | Phasenfehler (Ausgabe) |
|---|---|---|---|
| 1 | 4.9 | 0.7 | 0.4 |
| 2 | 7.5 | 0.9 | 0.5 |
| 3 | 9.8 | 1.2 | 0.6 |
| 4 | 12.2 | 1.5 | 0.7 |
| 5 | 14.8 | 1.8 | 0.8 |
Der Kompensationsalgorithmus hat eine Rechenkomplexität von O ((n), wobei n die Anzahl der Messfrequenzen ist.vor allem in lauten Umgebungen (SNR = 20 dB)Im Vergleich zur herkömmlichen statischen Kalibrierung ist die Gesamtreaktionszeit des Systems 8,5 ms, was den Anforderungen der Echtzeitprüfung entspricht.Die dynamische Kompensationsmethode verkürzt die Messzeit um etwa 30%, was die Effizienz der Prüfungen verbessert.
Die dynamische Kompensationsmethode verbessert die Genauigkeit von Hochfrequenz-elektrokirurgischen Prüfungen erheblich, indem sie parasitäre Effekte in Echtzeit verarbeitet.Im Vergleich zur herkömmlichen statischen KalibrierungDiese Methode kann sich an dynamische Änderungen der Last anpassen und eignet sich besonders für komplexe Impedanzmerkmale in Hochfrequenzumgebungen.Die Kombination von LCR-Messgeräten und Netzwerk-Analysatoren bietet komplementäre Messmöglichkeiten: LCR-Messgeräte eignen sich für schnelle Impedanzmessungen und Netzwerk-Analysatoren leisten eine gute Leistung bei der Hochfrequenz-S-Parameteranalyse.Die Anwendung des Kalman-Filters verbessert die Robustheit des Algorithmus gegenüber Lärm- und Laständerungen [4].
Obwohl die Methode wirksam ist, hat sie folgende Einschränkungen:
Die künftigen Verbesserungen können folgendermaßen vorgenommen werden:
In diesem Papier wird eine dynamische Kompensationsmethode vorgeschlagen, die auf einem Hochfrequenz-LCR-Meter oder Netzwerk-Analysator für genaue Messungen über 1 MHz für Hochfrequenz-elektrokirurgische Tester basiert.Durch Echtzeit-Impedanzmodellierung und einen adaptiven KompensationsalgorithmusDas System verringert effektiv Messfehler, die durch parasitäre Kapazität und Induktivität verursacht werden.Der Impedanzfehler wird von 14 reduziert.Der Phasenfehler wird von 9,8 Grad auf 0,8 Grad reduziert, was die Wirksamkeit und Robustheit der Methode bestätigt.
Zukünftige Forschungen werden sich auf die Optimierung von Algorithmen, die kostengünstige Anpassung von Instrumenten und die Anwendung in einem breiteren Frequenzbereich konzentrieren.Die Integration von Technologien der künstlichen Intelligenz (wie z. B. Modelle für maschinelles Lernen) kann die Parameterschätzungsgenauigkeit und die Systemautomation weiter verbessernDiese Methode bietet eine zuverlässige Lösung für Hochfrequenz-elektrokirurgische Einheitstests und hat wichtige klinische und industrielle Anwendungen.
Adresse
RM C, 13/F, HARVARD-HANDELSgebäude, 105-111 THOMSON STRASSE, FAHLES CHAI, HK
Telefon
86-769- 81627526
