logo
أرسل رسالة
المنتجات
تفاصيل الأخبار
مسكن > أخبار >
يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n
الأحداث
اتصل بنا
86-769- 81627526
اتصل الآن

يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n

2025-10-24
Latest company news about يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n
تنفيذ التعويض الديناميكي لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد باستخدام محللات LCR أو محللات الشبكة عالية التردد فوق ميجاهرتز
شان تشاو1, تشيانغ شياولونغ2, تشانغ تشاو3, ليو جيمينغ3.
(1. معهد هيلونغجيانغ للتحكم في الأدوية، هاربين 150088، الصين؛ 2. مركز اختبار الأجهزة الطبية لمنطقة قوانغشي ذاتية الحكم لقومية تشوانغ، نانينغ 530021، الصين؛ 3. شركة كينغبو للتكنولوجيا المحدودة للتطوير، دونغقوان 523869؛ الصين)
الملخص:

عندما تعمل وحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد (ESUs) فوق 1 ميجاهرتز، فإن السعة والطاقة الاستقرائية الطفيلية للمكونات المقاومة تؤدي إلى خصائص معقدة عالية التردد، مما يؤثر على دقة الاختبار. تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقاييس LCR عالية التردد أو محللات الشبكة لوحدات اختبار الجراحة الكهربائية عالية التردد. من خلال توظيف قياس الممانعة في الوقت الفعلي، والنمذجة الديناميكية، وخوارزميات التعويض التكيفية، تعالج الطريقة أخطاء القياس الناتجة عن التأثيرات الطفيلية. يدمج النظام أدوات عالية الدقة ووحدات معالجة في الوقت الفعلي لتحقيق توصيف دقيق لأداء ESU. تظهر النتائج التجريبية أنه، ضمن نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، يتم تقليل خطأ الممانعة من 14.8٪ إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور من 9.8 درجة إلى 0.8 درجة، مما يؤكد فعالية الطريقة ومتانتها. تستكشف الدراسات الموسعة تحسين الخوارزمية، والتكيف مع الأدوات منخفضة التكلفة، والتطبيقات عبر نطاق تردد أوسع.

مقدمة

وحدة الجراحة الكهربائية (ESU) هي جهاز لا غنى عنه في الجراحة الحديثة، حيث تستخدم طاقة كهربائية عالية التردد لتحقيق قطع الأنسجة والتخثر والاستئصال. يتراوح تردد التشغيل الخاص بها عادةً من 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز لتقليل التحفيز العصبي العضلي وتحسين كفاءة نقل الطاقة. ومع ذلك، في الترددات العالية، تؤثر التأثيرات الطفيلية للمكونات المقاومة (مثل السعة والحث) بشكل كبير على خصائص الممانعة، مما يجعل طرق الاختبار التقليدية غير قادرة على توصيف أداء ESU بدقة. لا تؤثر هذه التأثيرات الطفيلية على استقرار طاقة الإخراج فحسب، بل يمكن أن تؤدي أيضًا إلى عدم اليقين في توصيل الطاقة أثناء الجراحة، مما يزيد من المخاطر السريرية.

تعتمد طرق اختبار ESU التقليدية عادةً على المعايرة الثابتة، باستخدام أحمال ثابتة للقياس. ومع ذلك، في بيئات الترددات العالية، تختلف السعة والحث الطفيليان باختلاف التردد، مما يؤدي إلى تغييرات ديناميكية في الممانعة. لا يمكن للمعايرة الثابتة التكيف مع هذه التغييرات، ويمكن أن تصل أخطاء القياس إلى 15٪ [2]. لمعالجة هذه المشكلة، تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة. تعمل هذه الطريقة على تعويض التأثيرات الطفيلية من خلال القياس في الوقت الفعلي وخوارزمية تكيفية لضمان دقة الاختبار.

تشمل مساهمات هذه الورقة:

  • تم اقتراح إطار تعويض ديناميكي يعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة.
  • تم تطوير خوارزمية نمذجة وتعويض الممانعة في الوقت الفعلي للترددات فوق 1 ميجاهرتز.
  • تم التحقق من فعالية الطريقة من خلال التجارب، واستكشاف إمكاناتها التطبيقية على الأدوات منخفضة التكلفة.

ستقدم الأقسام التالية الأساس النظري وتنفيذ الطريقة والتحقق التجريبي واتجاهات البحث المستقبلية بالتفصيل.

التحليل النظري
خصائص المقاومة عالية التردد

في بيئات الترددات العالية، لم يعد النموذج المثالي لمكونات المقاوم ينطبق. يمكن نمذجة المقاومات الفعلية كدائرة مركبة تتكون من سعة طفيلية (Cp) وحث طفيلي (Lp)، مع ممانعة مكافئة:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  0

حيث Z هي الممانعة المعقدة، و R هي المقاومة الاسمية، و ω هو التردد الزاوي، و j هي الوحدة التخيلية. يتم تحديد الحث الطفيلي Lp والسعة الطفيلية Cp بواسطة مادة المكون والهندسة وطريقة التوصيل، على التوالي. فوق 1 ميجاهرتز، ω Lp و

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  1

مساهمة مهمة، مما يؤدي إلى تغييرات غير خطية في حجم الممانعة والطور.

على سبيل المثال، لمقاومة اسمية تبلغ 500 Ω عند 5 ميجاهرتز، بافتراض Lp = 10 nH و Cp = 5 pF، فإن الجزء التخيلي من الممانعة هو:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  2

عن طريق استبدال القيمة العددية، ω = 2π × 5 × 106rad/s، يمكننا الحصول على:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  3

يشير هذا الجزء التخيلي إلى أن التأثيرات الطفيلية تؤثر بشكل كبير على الممانعة، مما يتسبب في انحرافات القياس.

مبدأ التعويض الديناميكي

الهدف من التعويض الديناميكي هو استخلاص المعلمات الطفيلية من خلال القياس في الوقت الفعلي وخصم تأثيراتها من الممانعة المقاسة. تحسب مقاييس LCR الممانعة عن طريق تطبيق إشارة تيار متردد بتردد معروف وقياس سعة وطور إشارة الاستجابة. تقوم محللات الشبكة بتحليل خصائص الانعكاس أو الإرسال باستخدام معلمات S (معلمات التشتت)، مما يوفر بيانات ممانعة أكثر دقة. تستخدم خوارزميات التعويض الديناميكي بيانات القياس هذه لإنشاء نموذج ممانعة في الوقت الفعلي وتصحيح التأثيرات الطفيلية.

الممانعة بعد التعويض هي:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  4

تتطلب هذه الطريقة اكتساب بيانات عالية الدقة ومعالجة خوارزمية سريعة للتكيف مع ظروف العمل الديناميكية لـ ESU. يمكن أن يؤدي الجمع بين تقنية تصفية كالمان إلى تحسين قوة تقدير المعلمات والتكيف مع الضوضاء وتغيرات الحمل [3].

الطريقة
بنية النظام

يشتمل تصميم النظام على المكونات الأساسية التالية:

  • عالي التردد LCR مقياس أو محلل الشبكة: مثل Keysight E4980A (مقياس LCR، بدقة 0.05٪) أو Keysight E5061B (محلل الشبكة، يدعم قياسات S-parameter) لقياسات الممانعة عالية الدقة.
  • وحدة اكتساب الإشارة: تجمع بيانات الممانعة في نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، بمعدل أخذ عينات يبلغ 100 هرتز.
  • وحدة المعالجة: تستخدم متحكم STM32F4 (يعمل بسرعة 168 ميجاهرتز) لتشغيل خوارزمية التعويض في الوقت الفعلي.
  • وحدة التعويض: تضبط القيمة المقاسة بناءً على النموذج الديناميكي وتحتوي على معالج إشارات رقمية (DSP) وبرامج ثابتة مخصصة.

يتواصل النظام مع مقياس LCR / محلل الشبكة عبر واجهات USB أو GPIB، مما يضمن نقل بيانات موثوق به وزمن انتقال منخفض. يتضمن تصميم الأجهزة التدريع والتأريض لإشارات التردد العالي لتقليل التداخل الخارجي. لتعزيز استقرار النظام، تمت إضافة وحدة تعويض درجة الحرارة لتصحيح تأثيرات درجة الحرارة المحيطة على أداة القياس.

خوارزمية تعويض الحركة

تنقسم خوارزمية تعويض الحركة إلى الخطوات التالية:

  1. المعايرة الأولية: قم بقياس ممانعة حمل مرجعي (500 Ω) بترددات معروفة (1 ميجاهرتز، 2 ميجاهرتز، 3 ميجاهرتز، 4 ميجاهرتز، و 5 ميجاهرتز) لإنشاء نموذج أساسي.
  2. استخراج المعلمة الطفيلية: يتم تجميع البيانات المقاسة باستخدام طريقة المربعات الصغرى لاستخراج R, Lp, و Cp. يعتمد نموذج التجميع على:
آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  5
  1. التعويض في الوقت الفعلي: احسب الممانعة المصححة بناءً على المعلمات الطفيلية المستخرجة:
آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  6

حيث ^(x)k هي الحالة المقدرة (R, Lp, Cp)، و Kk هي كسب كالمان، و zk هي قيمة القياس، و H هي مصفوفة القياس.

لتحسين كفاءة الخوارزمية، يتم استخدام تحويل فورييه السريع (FFT) للمعالجة المسبقة لبيانات القياس وتقليل التعقيد الحسابي. علاوة على ذلك، تدعم الخوارزمية معالجة متعددة الخيوط لإجراء اكتساب البيانات وحسابات التعويض بالتوازي.

تفاصيل التنفيذ

تم إنشاء نموذج أولي للخوارزمية في Python ثم تحسينها ونقلها إلى C للتشغيل على STM32F4. يوفر مقياس LCR معدل أخذ عينات يبلغ 100 هرتز عبر واجهة GPIB، بينما يدعم محلل الشبكة دقة تردد أعلى (تصل إلى 10 ميجاهرتز). يتم الحفاظ على زمن انتقال المعالجة لوحدة التعويض أقل من 8.5 مللي ثانية، مما يضمن الأداء في الوقت الفعلي. تشمل تحسينات البرامج الثابتة:

  • استخدام وحدة النقطة العائمة (FPU) بكفاءة.
  • إدارة مخزن البيانات المحسّنة للذاكرة، ودعم ذاكرة التخزين المؤقت 512 كيلو بايت.
  • تضمن معالجة المقاطعة في الوقت الفعلي مزامنة البيانات وزمن انتقال منخفض.

لتلبية نماذج ESU المختلفة، يدعم النظام المسح متعدد الترددات والتعديل التلقائي للمعلمات بناءً على قاعدة بيانات مسبقة الإعداد لخصائص الحمل. علاوة على ذلك، تمت إضافة آلية اكتشاف الأخطاء. عندما تكون بيانات القياس غير طبيعية (مثل المعلمات الطفيلية خارج النطاق المتوقع)، سيؤدي النظام إلى تشغيل إنذار وإعادة المعايرة.

التحقق التجريبي
الإعداد التجريبي

أجريت التجارب في بيئة معملية باستخدام المعدات التالية:

  • عالي التردد ESU: تردد التشغيل 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، طاقة الإخراج 100 واط.
  • LCR طاولة: Keysight E4980A، دقة 0.05٪.
  • محلل الشبكة: Keysight E5061B، يدعم قياسات S-parameter.
  • الحمل المرجعي: مقاومة دقيقة 500 Ω ± 0.1٪، القدرة المقدرة 200 واط.
  • المتحكم الدقيق: STM32F4، يعمل بسرعة 168 ميجاهرتز.

تكون الحمل التجريبي من مقاومات فيلم معدنية وسيراميك لمحاكاة ظروف الحمل المتنوعة التي تمت مواجهتها أثناء الجراحة الفعلية. كانت ترددات الاختبار 1 ميجاهرتز و 2 ميجاهرتز و 3 ميجاهرتز و 4 ميجاهرتز و 5 ميجاهرتز. تم التحكم في درجة الحرارة المحيطة عند 25 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية، وكانت الرطوبة 50٪ ± 10٪ لتقليل التداخل الخارجي.

النتائج التجريبية

تظهر القياسات غير المعوضة أن تأثير التأثيرات الطفيلية يزداد بشكل كبير مع التردد. عند 5 ميجاهرتز، يصل انحراف الممانعة إلى 14.8٪، وخطأ الطور هو 9.8 درجة. بعد تطبيق التعويض الديناميكي، يتم تقليل انحراف الممانعة إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور إلى 0.8 درجة. تظهر النتائج التفصيلية في الجدول 1.

اختبرت التجربة أيضًا استقرار الخوارزمية في ظل أحمال غير مثالية (بما في ذلك السعة الطفيلية العالية، Cp = 10pF). بعد التعويض، تم الحفاظ على الخطأ في حدود 2.4٪. علاوة على ذلك، تحققت التجارب المتكررة (بمتوسط 10 قياسات) من إمكانية تكرار النظام، مع انحراف معياري يقل عن 0.1٪.

الجدول 1: دقة القياس قبل وبعد التعويض

تردد (ميجاهرتز) خطأ الممانعة غير المعوض (%) خطأ الممانعة بعد التعويض (%) خطأ الطور (إنفاق)
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
تحليل الأداء

تبلغ التعقيد الحسابي لخوارزمية التعويض O(n)، حيث n هو عدد ترددات القياس. تعمل تصفية كالمان على تحسين استقرار تقدير المعلمات بشكل كبير، خاصة في البيئات الصاخبة (SNR = 20 ديسيبل). يبلغ إجمالي وقت استجابة النظام 8.5 مللي ثانية، مما يلبي متطلبات الاختبار في الوقت الفعلي. بالمقارنة مع المعايرة الثابتة التقليدية، تقلل طريقة التعويض الديناميكي وقت القياس بحوالي 30٪، مما يحسن كفاءة الاختبار.

ناقش
مزايا الطريقة

تعمل طريقة التعويض الديناميكي على تحسين دقة اختبار الجراحة الكهربائية عالية التردد بشكل كبير عن طريق معالجة التأثيرات الطفيلية في الوقت الفعلي. بالمقارنة مع المعايرة الثابتة التقليدية، يمكن لهذه الطريقة التكيف مع التغييرات الديناميكية في الحمل وهي مناسبة بشكل خاص لخصائص الممانعة المعقدة في بيئات الترددات العالية. يوفر الجمع بين مقاييس LCR ومحللات الشبكة إمكانات قياس تكميلية: مقاييس LCR مناسبة لقياسات الممانعة السريعة، وتؤدي محللات الشبكة أداءً جيدًا في تحليل S-parameter عالي التردد. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي تطبيق تصفية كالمان إلى تحسين قوة الخوارزمية للضوضاء وتغيرات الحمل [4].

القيود

على الرغم من أن الطريقة فعالة، إلا أنها تحتوي على القيود التالية:

  • تكلفة الأداة: مقاييس LCR عالية الدقة ومحللات الشبكة باهظة الثمن، مما يحد من شعبية هذه الطريقة.
  • احتياجات المعايرة: يحتاج النظام إلى المعايرة بانتظام للتكيف مع شيخوخة الأداة والتغيرات البيئية.
  • نطاق التردد: تقتصر التجربة الحالية على أقل من 5 ميجاهرتز، ويجب التحقق من قابلية الترددات الأعلى (مثل 10 ميجاهرتز).
اتجاه التحسين

يمكن إجراء التحسينات المستقبلية بالطرق التالية:

  • التكيف مع الأداة منخفضة التكلفة: قم بتطوير خوارزمية مبسطة تعتمد على مقياس LCR منخفض التكلفة لتقليل تكلفة النظام.
  • دعم النطاق العريض: يتم توسيع الخوارزمية لدعم الترددات فوق 10 ميجاهرتز لتلبية احتياجات ESU الجديدة.
  • تكامل الذكاء الاصطناعي: إدخال نماذج التعلم الآلي (مثل الشبكات العصبية) لتحسين تقدير المعلمات الطفيلية وتحسين مستوى التشغيل الآلي.
في الختام

تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة لقياسات دقيقة فوق 1 ميجاهرتز لاختبارات الجراحة الكهربائية عالية التردد. من خلال نمذجة الممانعة في الوقت الفعلي وخوارزمية التعويض التكيفية، يعمل النظام على تخفيف أخطاء القياس بشكل فعال الناتجة عن السعة والحث الطفيليين. تظهر النتائج التجريبية أنه ضمن نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، يتم تقليل خطأ الممانعة من 14.8٪ إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور من 9.8 درجة إلى 0.8 درجة، مما يؤكد فعالية الطريقة ومتانتها.

سيركز البحث المستقبلي على تحسين الخوارزمية، والتكيف مع الأدوات منخفضة التكلفة، والتطبيق على نطاق تردد أوسع. يمكن أن يؤدي دمج تقنيات الذكاء الاصطناعي (مثل نماذج التعلم الآلي) إلى زيادة تحسين دقة تقدير المعلمات وأتمتة النظام. توفر هذه الطريقة حلاً موثوقًا به لاختبار وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد ولها تطبيقات سريرية وصناعية مهمة.

المراجع
  1. GB9706.202-2021 "المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-2: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمعدات الجراحة عالية التردد وملحقاتها عالية التردد" [S]
  2. JJF 1217-2025. مواصفات معايرة وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد [S]
  3. تشن قوانغفي. البحث والتصميم لمحلل الجراحة الكهربائية عالي التردد [J]. الهندسة الطبية الحيوية في بكين، 2009، 28(4): 342-345.
  4. هوانغ هوا، ليو ياجون. تحليل موجز لتصميم دائرة القياس واكتساب الطاقة لمحلل الجراحة الكهربائية عالي التردد QA-Es [J]. المعدات الطبية الصينية، 2013، 28(01): 113-115.
  5. تشن شانغوين، اختبار الأداء ومراقبة الجودة لوحدة الجراحة الكهربائية الطبية عالية التردد [J]. تقنية القياس والاختبار، 2018، 45(08): 67~69.
  6. تشن قوانغفي، تشو دان. البحث في طريقة معايرة محلل الجراحة الكهربائية عالي التردد [J]. المعدات الطبية والصحية، 2009، 30(08): 9~10+19.
  7. دوان تشياوفينغ، قاو شان، تشانغ شيوهاو. مناقشة حول تيار التسرب عالي التردد لمعدات الجراحة عالية التردد. J. China Medical Device Information، 2013، 19(10): 159-167.
  8. تشاو يوشيانغ، ليو جيكسيانغ، لو جيا، وآخرون، ممارسة ومناقشة طرق اختبار مراقبة الجودة لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد. المعدات الطبية الصينية، 2012، 27(11): 1561-1562.
  9. هو مين، زنغ تشياو، ليو هانوي، وو جينغ بياو (المؤلف المراسل). تحليل ومقارنة طرق اختبار طاقة إخراج وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد [J]. المعدات الطبية، 2021، (34): 13-0043-03.
حول المؤلف

ملف تعريف المؤلف: شان تشاو، مهندس أول، اتجاه البحث: اختبار وتقييم جودة منتجات الأجهزة الطبية والبحث ذي الصلة.

ملف تعريف المؤلف: تشيانغ شياولونغ، نائب كبير الفنيين، اتجاه البحث: تقييم الجودة القياسية واختبار الأجهزة الطبية النشطة والبحث القياسي.

ملف تعريف المؤلف: ليو جيمينغ، طالب جامعي، اتجاه البحث: تصميم وتطوير القياس والتحكم.

المؤلف المراسل

تشانغ تشاو، ماجستير، يركز على تصميم وتطوير القياس والتحكم. البريد الإلكتروني: info@kingpo.hk

المنتجات
تفاصيل الأخبار
يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n
2025-10-24
Latest company news about يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n
تنفيذ التعويض الديناميكي لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد باستخدام محللات LCR أو محللات الشبكة عالية التردد فوق ميجاهرتز
شان تشاو1, تشيانغ شياولونغ2, تشانغ تشاو3, ليو جيمينغ3.
(1. معهد هيلونغجيانغ للتحكم في الأدوية، هاربين 150088، الصين؛ 2. مركز اختبار الأجهزة الطبية لمنطقة قوانغشي ذاتية الحكم لقومية تشوانغ، نانينغ 530021، الصين؛ 3. شركة كينغبو للتكنولوجيا المحدودة للتطوير، دونغقوان 523869؛ الصين)
الملخص:

عندما تعمل وحدات الجراحة الكهربائية عالية التردد (ESUs) فوق 1 ميجاهرتز، فإن السعة والطاقة الاستقرائية الطفيلية للمكونات المقاومة تؤدي إلى خصائص معقدة عالية التردد، مما يؤثر على دقة الاختبار. تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقاييس LCR عالية التردد أو محللات الشبكة لوحدات اختبار الجراحة الكهربائية عالية التردد. من خلال توظيف قياس الممانعة في الوقت الفعلي، والنمذجة الديناميكية، وخوارزميات التعويض التكيفية، تعالج الطريقة أخطاء القياس الناتجة عن التأثيرات الطفيلية. يدمج النظام أدوات عالية الدقة ووحدات معالجة في الوقت الفعلي لتحقيق توصيف دقيق لأداء ESU. تظهر النتائج التجريبية أنه، ضمن نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، يتم تقليل خطأ الممانعة من 14.8٪ إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور من 9.8 درجة إلى 0.8 درجة، مما يؤكد فعالية الطريقة ومتانتها. تستكشف الدراسات الموسعة تحسين الخوارزمية، والتكيف مع الأدوات منخفضة التكلفة، والتطبيقات عبر نطاق تردد أوسع.

مقدمة

وحدة الجراحة الكهربائية (ESU) هي جهاز لا غنى عنه في الجراحة الحديثة، حيث تستخدم طاقة كهربائية عالية التردد لتحقيق قطع الأنسجة والتخثر والاستئصال. يتراوح تردد التشغيل الخاص بها عادةً من 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز لتقليل التحفيز العصبي العضلي وتحسين كفاءة نقل الطاقة. ومع ذلك، في الترددات العالية، تؤثر التأثيرات الطفيلية للمكونات المقاومة (مثل السعة والحث) بشكل كبير على خصائص الممانعة، مما يجعل طرق الاختبار التقليدية غير قادرة على توصيف أداء ESU بدقة. لا تؤثر هذه التأثيرات الطفيلية على استقرار طاقة الإخراج فحسب، بل يمكن أن تؤدي أيضًا إلى عدم اليقين في توصيل الطاقة أثناء الجراحة، مما يزيد من المخاطر السريرية.

تعتمد طرق اختبار ESU التقليدية عادةً على المعايرة الثابتة، باستخدام أحمال ثابتة للقياس. ومع ذلك، في بيئات الترددات العالية، تختلف السعة والحث الطفيليان باختلاف التردد، مما يؤدي إلى تغييرات ديناميكية في الممانعة. لا يمكن للمعايرة الثابتة التكيف مع هذه التغييرات، ويمكن أن تصل أخطاء القياس إلى 15٪ [2]. لمعالجة هذه المشكلة، تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة. تعمل هذه الطريقة على تعويض التأثيرات الطفيلية من خلال القياس في الوقت الفعلي وخوارزمية تكيفية لضمان دقة الاختبار.

تشمل مساهمات هذه الورقة:

  • تم اقتراح إطار تعويض ديناميكي يعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة.
  • تم تطوير خوارزمية نمذجة وتعويض الممانعة في الوقت الفعلي للترددات فوق 1 ميجاهرتز.
  • تم التحقق من فعالية الطريقة من خلال التجارب، واستكشاف إمكاناتها التطبيقية على الأدوات منخفضة التكلفة.

ستقدم الأقسام التالية الأساس النظري وتنفيذ الطريقة والتحقق التجريبي واتجاهات البحث المستقبلية بالتفصيل.

التحليل النظري
خصائص المقاومة عالية التردد

في بيئات الترددات العالية، لم يعد النموذج المثالي لمكونات المقاوم ينطبق. يمكن نمذجة المقاومات الفعلية كدائرة مركبة تتكون من سعة طفيلية (Cp) وحث طفيلي (Lp)، مع ممانعة مكافئة:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  0

حيث Z هي الممانعة المعقدة، و R هي المقاومة الاسمية، و ω هو التردد الزاوي، و j هي الوحدة التخيلية. يتم تحديد الحث الطفيلي Lp والسعة الطفيلية Cp بواسطة مادة المكون والهندسة وطريقة التوصيل، على التوالي. فوق 1 ميجاهرتز، ω Lp و

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  1

مساهمة مهمة، مما يؤدي إلى تغييرات غير خطية في حجم الممانعة والطور.

على سبيل المثال، لمقاومة اسمية تبلغ 500 Ω عند 5 ميجاهرتز، بافتراض Lp = 10 nH و Cp = 5 pF، فإن الجزء التخيلي من الممانعة هو:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  2

عن طريق استبدال القيمة العددية، ω = 2π × 5 × 106rad/s، يمكننا الحصول على:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  3

يشير هذا الجزء التخيلي إلى أن التأثيرات الطفيلية تؤثر بشكل كبير على الممانعة، مما يتسبب في انحرافات القياس.

مبدأ التعويض الديناميكي

الهدف من التعويض الديناميكي هو استخلاص المعلمات الطفيلية من خلال القياس في الوقت الفعلي وخصم تأثيراتها من الممانعة المقاسة. تحسب مقاييس LCR الممانعة عن طريق تطبيق إشارة تيار متردد بتردد معروف وقياس سعة وطور إشارة الاستجابة. تقوم محللات الشبكة بتحليل خصائص الانعكاس أو الإرسال باستخدام معلمات S (معلمات التشتت)، مما يوفر بيانات ممانعة أكثر دقة. تستخدم خوارزميات التعويض الديناميكي بيانات القياس هذه لإنشاء نموذج ممانعة في الوقت الفعلي وتصحيح التأثيرات الطفيلية.

الممانعة بعد التعويض هي:

آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  4

تتطلب هذه الطريقة اكتساب بيانات عالية الدقة ومعالجة خوارزمية سريعة للتكيف مع ظروف العمل الديناميكية لـ ESU. يمكن أن يؤدي الجمع بين تقنية تصفية كالمان إلى تحسين قوة تقدير المعلمات والتكيف مع الضوضاء وتغيرات الحمل [3].

الطريقة
بنية النظام

يشتمل تصميم النظام على المكونات الأساسية التالية:

  • عالي التردد LCR مقياس أو محلل الشبكة: مثل Keysight E4980A (مقياس LCR، بدقة 0.05٪) أو Keysight E5061B (محلل الشبكة، يدعم قياسات S-parameter) لقياسات الممانعة عالية الدقة.
  • وحدة اكتساب الإشارة: تجمع بيانات الممانعة في نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، بمعدل أخذ عينات يبلغ 100 هرتز.
  • وحدة المعالجة: تستخدم متحكم STM32F4 (يعمل بسرعة 168 ميجاهرتز) لتشغيل خوارزمية التعويض في الوقت الفعلي.
  • وحدة التعويض: تضبط القيمة المقاسة بناءً على النموذج الديناميكي وتحتوي على معالج إشارات رقمية (DSP) وبرامج ثابتة مخصصة.

يتواصل النظام مع مقياس LCR / محلل الشبكة عبر واجهات USB أو GPIB، مما يضمن نقل بيانات موثوق به وزمن انتقال منخفض. يتضمن تصميم الأجهزة التدريع والتأريض لإشارات التردد العالي لتقليل التداخل الخارجي. لتعزيز استقرار النظام، تمت إضافة وحدة تعويض درجة الحرارة لتصحيح تأثيرات درجة الحرارة المحيطة على أداة القياس.

خوارزمية تعويض الحركة

تنقسم خوارزمية تعويض الحركة إلى الخطوات التالية:

  1. المعايرة الأولية: قم بقياس ممانعة حمل مرجعي (500 Ω) بترددات معروفة (1 ميجاهرتز، 2 ميجاهرتز، 3 ميجاهرتز، 4 ميجاهرتز، و 5 ميجاهرتز) لإنشاء نموذج أساسي.
  2. استخراج المعلمة الطفيلية: يتم تجميع البيانات المقاسة باستخدام طريقة المربعات الصغرى لاستخراج R, Lp, و Cp. يعتمد نموذج التجميع على:
آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  5
  1. التعويض في الوقت الفعلي: احسب الممانعة المصححة بناءً على المعلمات الطفيلية المستخرجة:
آخر أخبار الشركة يستخدم جهاز اختبار الجراحة الكهربائية عالي التردد LCR عالي التردد أو شبكة فوق ميجاهرتز لتنفيذ التعويض الديناميكي لـ n  6

حيث ^(x)k هي الحالة المقدرة (R, Lp, Cp)، و Kk هي كسب كالمان، و zk هي قيمة القياس، و H هي مصفوفة القياس.

لتحسين كفاءة الخوارزمية، يتم استخدام تحويل فورييه السريع (FFT) للمعالجة المسبقة لبيانات القياس وتقليل التعقيد الحسابي. علاوة على ذلك، تدعم الخوارزمية معالجة متعددة الخيوط لإجراء اكتساب البيانات وحسابات التعويض بالتوازي.

تفاصيل التنفيذ

تم إنشاء نموذج أولي للخوارزمية في Python ثم تحسينها ونقلها إلى C للتشغيل على STM32F4. يوفر مقياس LCR معدل أخذ عينات يبلغ 100 هرتز عبر واجهة GPIB، بينما يدعم محلل الشبكة دقة تردد أعلى (تصل إلى 10 ميجاهرتز). يتم الحفاظ على زمن انتقال المعالجة لوحدة التعويض أقل من 8.5 مللي ثانية، مما يضمن الأداء في الوقت الفعلي. تشمل تحسينات البرامج الثابتة:

  • استخدام وحدة النقطة العائمة (FPU) بكفاءة.
  • إدارة مخزن البيانات المحسّنة للذاكرة، ودعم ذاكرة التخزين المؤقت 512 كيلو بايت.
  • تضمن معالجة المقاطعة في الوقت الفعلي مزامنة البيانات وزمن انتقال منخفض.

لتلبية نماذج ESU المختلفة، يدعم النظام المسح متعدد الترددات والتعديل التلقائي للمعلمات بناءً على قاعدة بيانات مسبقة الإعداد لخصائص الحمل. علاوة على ذلك، تمت إضافة آلية اكتشاف الأخطاء. عندما تكون بيانات القياس غير طبيعية (مثل المعلمات الطفيلية خارج النطاق المتوقع)، سيؤدي النظام إلى تشغيل إنذار وإعادة المعايرة.

التحقق التجريبي
الإعداد التجريبي

أجريت التجارب في بيئة معملية باستخدام المعدات التالية:

  • عالي التردد ESU: تردد التشغيل 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، طاقة الإخراج 100 واط.
  • LCR طاولة: Keysight E4980A، دقة 0.05٪.
  • محلل الشبكة: Keysight E5061B، يدعم قياسات S-parameter.
  • الحمل المرجعي: مقاومة دقيقة 500 Ω ± 0.1٪، القدرة المقدرة 200 واط.
  • المتحكم الدقيق: STM32F4، يعمل بسرعة 168 ميجاهرتز.

تكون الحمل التجريبي من مقاومات فيلم معدنية وسيراميك لمحاكاة ظروف الحمل المتنوعة التي تمت مواجهتها أثناء الجراحة الفعلية. كانت ترددات الاختبار 1 ميجاهرتز و 2 ميجاهرتز و 3 ميجاهرتز و 4 ميجاهرتز و 5 ميجاهرتز. تم التحكم في درجة الحرارة المحيطة عند 25 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية، وكانت الرطوبة 50٪ ± 10٪ لتقليل التداخل الخارجي.

النتائج التجريبية

تظهر القياسات غير المعوضة أن تأثير التأثيرات الطفيلية يزداد بشكل كبير مع التردد. عند 5 ميجاهرتز، يصل انحراف الممانعة إلى 14.8٪، وخطأ الطور هو 9.8 درجة. بعد تطبيق التعويض الديناميكي، يتم تقليل انحراف الممانعة إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور إلى 0.8 درجة. تظهر النتائج التفصيلية في الجدول 1.

اختبرت التجربة أيضًا استقرار الخوارزمية في ظل أحمال غير مثالية (بما في ذلك السعة الطفيلية العالية، Cp = 10pF). بعد التعويض، تم الحفاظ على الخطأ في حدود 2.4٪. علاوة على ذلك، تحققت التجارب المتكررة (بمتوسط 10 قياسات) من إمكانية تكرار النظام، مع انحراف معياري يقل عن 0.1٪.

الجدول 1: دقة القياس قبل وبعد التعويض

تردد (ميجاهرتز) خطأ الممانعة غير المعوض (%) خطأ الممانعة بعد التعويض (%) خطأ الطور (إنفاق)
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
تحليل الأداء

تبلغ التعقيد الحسابي لخوارزمية التعويض O(n)، حيث n هو عدد ترددات القياس. تعمل تصفية كالمان على تحسين استقرار تقدير المعلمات بشكل كبير، خاصة في البيئات الصاخبة (SNR = 20 ديسيبل). يبلغ إجمالي وقت استجابة النظام 8.5 مللي ثانية، مما يلبي متطلبات الاختبار في الوقت الفعلي. بالمقارنة مع المعايرة الثابتة التقليدية، تقلل طريقة التعويض الديناميكي وقت القياس بحوالي 30٪، مما يحسن كفاءة الاختبار.

ناقش
مزايا الطريقة

تعمل طريقة التعويض الديناميكي على تحسين دقة اختبار الجراحة الكهربائية عالية التردد بشكل كبير عن طريق معالجة التأثيرات الطفيلية في الوقت الفعلي. بالمقارنة مع المعايرة الثابتة التقليدية، يمكن لهذه الطريقة التكيف مع التغييرات الديناميكية في الحمل وهي مناسبة بشكل خاص لخصائص الممانعة المعقدة في بيئات الترددات العالية. يوفر الجمع بين مقاييس LCR ومحللات الشبكة إمكانات قياس تكميلية: مقاييس LCR مناسبة لقياسات الممانعة السريعة، وتؤدي محللات الشبكة أداءً جيدًا في تحليل S-parameter عالي التردد. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي تطبيق تصفية كالمان إلى تحسين قوة الخوارزمية للضوضاء وتغيرات الحمل [4].

القيود

على الرغم من أن الطريقة فعالة، إلا أنها تحتوي على القيود التالية:

  • تكلفة الأداة: مقاييس LCR عالية الدقة ومحللات الشبكة باهظة الثمن، مما يحد من شعبية هذه الطريقة.
  • احتياجات المعايرة: يحتاج النظام إلى المعايرة بانتظام للتكيف مع شيخوخة الأداة والتغيرات البيئية.
  • نطاق التردد: تقتصر التجربة الحالية على أقل من 5 ميجاهرتز، ويجب التحقق من قابلية الترددات الأعلى (مثل 10 ميجاهرتز).
اتجاه التحسين

يمكن إجراء التحسينات المستقبلية بالطرق التالية:

  • التكيف مع الأداة منخفضة التكلفة: قم بتطوير خوارزمية مبسطة تعتمد على مقياس LCR منخفض التكلفة لتقليل تكلفة النظام.
  • دعم النطاق العريض: يتم توسيع الخوارزمية لدعم الترددات فوق 10 ميجاهرتز لتلبية احتياجات ESU الجديدة.
  • تكامل الذكاء الاصطناعي: إدخال نماذج التعلم الآلي (مثل الشبكات العصبية) لتحسين تقدير المعلمات الطفيلية وتحسين مستوى التشغيل الآلي.
في الختام

تقترح هذه الورقة طريقة تعويض ديناميكية تعتمد على مقياس LCR عالي التردد أو محلل الشبكة لقياسات دقيقة فوق 1 ميجاهرتز لاختبارات الجراحة الكهربائية عالية التردد. من خلال نمذجة الممانعة في الوقت الفعلي وخوارزمية التعويض التكيفية، يعمل النظام على تخفيف أخطاء القياس بشكل فعال الناتجة عن السعة والحث الطفيليين. تظهر النتائج التجريبية أنه ضمن نطاق 1 ميجاهرتز إلى 5 ميجاهرتز، يتم تقليل خطأ الممانعة من 14.8٪ إلى 1.8٪، ويتم تقليل خطأ الطور من 9.8 درجة إلى 0.8 درجة، مما يؤكد فعالية الطريقة ومتانتها.

سيركز البحث المستقبلي على تحسين الخوارزمية، والتكيف مع الأدوات منخفضة التكلفة، والتطبيق على نطاق تردد أوسع. يمكن أن يؤدي دمج تقنيات الذكاء الاصطناعي (مثل نماذج التعلم الآلي) إلى زيادة تحسين دقة تقدير المعلمات وأتمتة النظام. توفر هذه الطريقة حلاً موثوقًا به لاختبار وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد ولها تطبيقات سريرية وصناعية مهمة.

المراجع
  1. GB9706.202-2021 "المعدات الكهربائية الطبية - الجزء 2-2: متطلبات خاصة للسلامة الأساسية والأداء الأساسي لمعدات الجراحة عالية التردد وملحقاتها عالية التردد" [S]
  2. JJF 1217-2025. مواصفات معايرة وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد [S]
  3. تشن قوانغفي. البحث والتصميم لمحلل الجراحة الكهربائية عالي التردد [J]. الهندسة الطبية الحيوية في بكين، 2009، 28(4): 342-345.
  4. هوانغ هوا، ليو ياجون. تحليل موجز لتصميم دائرة القياس واكتساب الطاقة لمحلل الجراحة الكهربائية عالي التردد QA-Es [J]. المعدات الطبية الصينية، 2013، 28(01): 113-115.
  5. تشن شانغوين، اختبار الأداء ومراقبة الجودة لوحدة الجراحة الكهربائية الطبية عالية التردد [J]. تقنية القياس والاختبار، 2018، 45(08): 67~69.
  6. تشن قوانغفي، تشو دان. البحث في طريقة معايرة محلل الجراحة الكهربائية عالي التردد [J]. المعدات الطبية والصحية، 2009، 30(08): 9~10+19.
  7. دوان تشياوفينغ، قاو شان، تشانغ شيوهاو. مناقشة حول تيار التسرب عالي التردد لمعدات الجراحة عالية التردد. J. China Medical Device Information، 2013، 19(10): 159-167.
  8. تشاو يوشيانغ، ليو جيكسيانغ، لو جيا، وآخرون، ممارسة ومناقشة طرق اختبار مراقبة الجودة لوحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد. المعدات الطبية الصينية، 2012، 27(11): 1561-1562.
  9. هو مين، زنغ تشياو، ليو هانوي، وو جينغ بياو (المؤلف المراسل). تحليل ومقارنة طرق اختبار طاقة إخراج وحدة الجراحة الكهربائية عالية التردد [J]. المعدات الطبية، 2021، (34): 13-0043-03.
حول المؤلف

ملف تعريف المؤلف: شان تشاو، مهندس أول، اتجاه البحث: اختبار وتقييم جودة منتجات الأجهزة الطبية والبحث ذي الصلة.

ملف تعريف المؤلف: تشيانغ شياولونغ، نائب كبير الفنيين، اتجاه البحث: تقييم الجودة القياسية واختبار الأجهزة الطبية النشطة والبحث القياسي.

ملف تعريف المؤلف: ليو جيمينغ، طالب جامعي، اتجاه البحث: تصميم وتطوير القياس والتحكم.

المؤلف المراسل

تشانغ تشاو، ماجستير، يركز على تصميم وتطوير القياس والتحكم. البريد الإلكتروني: info@kingpo.hk