Η υψηλής συχνότητας ηλεκτροχειρουργική δοκιμή χρησιμοποιεί υψηλής συχνότητας LCR ή πλέγμα άνω των MHz

Όταν οι ηλεκτροχειρουργικές μονάδες υψηλής συχνότητας (ESU) λειτουργούν πάνω από 1 MHz, η παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγικότητα των αντισταθμιστικών στοιχείων οδηγούν σε σύνθετα χαρακτηριστικά υψηλής συχνότητας,που επηρεάζουν την ακρίβεια των δοκιμώνΗ παρούσα εργασία προτείνει μια δυναμική μέθοδο αντιστάθμισης βασισμένη σε μετρητές LCR υψηλής συχνότητας ή αναλυτές δικτύου για δοκιμαστές μονάδων ηλεκτροχειρουργικής υψηλής συχνότητας.Χρησιμοποιώντας μέτρηση παρεμπόδισης σε πραγματικό χρόνο, δυναμική μοντελοποίηση και προσαρμοστικοί αλγόριθμοι αντιστάθμισης, η μέθοδος αντιμετωπίζει τα σφάλματα μέτρησης που προκαλούνται από παρασιτικές επιδράσεις.Το σύστημα ενσωματώνει όργανα υψηλής ακρίβειας και μονάδες επεξεργασίας σε πραγματικό χρόνο για να επιτευχθεί ακριβής χαρακτηρισμός της απόδοσης της ESUΤα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι, στο εύρος 1 MHz έως 5 MHz, το σφάλμα παρεμπόδισης μειώνεται από 14,8% σε 1,8% και το σφάλμα φάσης μειώνεται από 9,8 βαθμούς σε 0,8 βαθμούς.επικύρωση της αποτελεσματικότητας και της σταθερότητας της μεθόδουΟι εκτεταμένες μελέτες διερευνούν την βελτιστοποίηση αλγορίθμων, την προσαρμογή τους σε χαμηλού κόστους όργανα και τις εφαρμογές σε ευρύτερο εύρος συχνοτήτων.

Η ηλεκτροχειρουργική μονάδα είναι μια απαραίτητη συσκευή στη σύγχρονη χειρουργική επέμβαση, χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια υψηλής συχνότητας για να επιτευχθεί το κόψιμο, η πήξη και η αφαίρεση ιστών.Η συχνότητα λειτουργίας του κυμαίνεται συνήθως από 1 MHz έως 5 MHz για τη μείωση της νευρομυϊκής διέγερσης και τη βελτίωση της αποδοτικότητας της μεταφοράς ενέργειαςΩστόσο, σε υψηλές συχνότητες, οι παρασιτικές επιδράσεις των αντισταθμιστικών συστατικών (όπως η χωρητικότητα και η επαγωγικότητα) επηρεάζουν σημαντικά τα χαρακτηριστικά της παρεμπόδισης,καθιστώντας τις παραδοσιακές μεθόδους δοκιμών ανίκανες να χαρακτηρίσουν με ακρίβεια τις επιδόσεις των ESUΟι παρασιτικές αυτές επιδράσεις δεν επηρεάζουν μόνο τη σταθερότητα της ισχύος παραγωγής αλλά μπορούν επίσης να οδηγήσουν σε αβεβαιότητα στην παροχή ενέργειας κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης, αυξάνοντας τον κλινικό κίνδυνο.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι δοκιμής ESU βασίζονται συνήθως στην στατική βαθμονόμηση, χρησιμοποιώντας σταθερά φορτία για τη μέτρηση.η παρασιτική χωρητικότητα και η επαγωγικότητα ποικίλλουν με τη συχνότηταΗ στατική βαθμονόμηση δεν μπορεί να προσαρμοστεί σε αυτές τις αλλαγές, και τα λάθη μέτρησης μπορεί να είναι τόσο υψηλά όσο το 15%.[2] Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, η στατική βαθμονόμηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση των διαστάσεων της αντίστασης.Το παρόν έγγραφο προτείνει μια δυναμική μέθοδο αντιστάθμισης βασισμένη σε μέτρο υψηλής συχνότητας LCR ή αναλυτή δικτύουΗ μέθοδος αυτή αντισταθμίζει τις παρασιτικές επιδράσεις μέσω της μέτρησης σε πραγματικό χρόνο και ενός προσαρμοστικού αλγόριθμου για να εξασφαλιστεί η ακρίβεια της δοκιμής.

Οι συνεισφορές του παρόντος εγγράφου περιλαμβάνουν:

• Προτείνεται ένα δυναμικό πλαίσιο αντιστάθμισης βασισμένο σε μετρητή LCR υψηλής συχνότητας ή αναλυτή δικτύου.
• Αναπτύχθηκε αλγόριθμος μοντελοποίησης και αντιστάθμισης παρεμπόδισης σε πραγματικό χρόνο για συχνότητες άνω των 1 MHz.
• Η αποτελεσματικότητα της μεθόδου επαληθεύθηκε μέσω πειραμάτων και εξερευνήθηκε το δυναμικό εφαρμογής της σε χαμηλού κόστους όργανα.

Τα επόμενα τμήματα θα παρουσιάσουν λεπτομερώς τη θεωρητική βάση, την εφαρμογή της μεθόδου, την πειραματική επαλήθευση και τις μελλοντικές κατευθύνσεις της έρευνας.

Σε περιβάλλοντα υψηλής συχνότητας, το ιδανικό μοντέλο των στοιχείων του αντίστασης δεν ισχύει πλέον.Cp) και παρασιτική επαγωγή (Lp), με ισοδύναμη αντίσταση:

Που;Zείναι η σύνθετη αντίσταση,Rείναι η ονομαστική αντίσταση, ω είναι η γωνιακή συχνότητα καιjείναι η φανταστική μονάδα.Lpκαι παρασιτική χωρητικότηταCpΟι τιμές ω είναι καθορισμένες από το υλικό του κατασκευαστικού στοιχείου, τη γεωμετρία και τη μέθοδο σύνδεσης, αντίστοιχα.Lpκαι

Η συμβολή του είναι σημαντική, με αποτέλεσμα μη γραμμικές αλλαγές στο μέγεθος και τη φάση της αντίστασης.

Για παράδειγμα, για μια ονομαστική αντίσταση 500 Ω σε 5 MHz, υποθέτονταςLp= 10 nH καιCp= 5 pF, το φανταστικό μέρος της αντίστασης είναι:

Αντικαθιστώντας την αριθμητική τιμή ω = 2π × 5 × 106rad/s, μπορούμε να αποκτήσουμε:

Αυτό το φανταστικό μέρος δείχνει ότι οι παρασιτικές επιδράσεις επηρεάζουν σημαντικά την αντίσταση, προκαλώντας αποκλίσεις της μέτρησης.

Ο στόχος της δυναμικής αντιστάθμισης είναι η εξαγωγή παρασιτικών παραμέτρων μέσω της μέτρησης σε πραγματικό χρόνο και η αφαίρεση των επιπτώσεών τους από τη μετρούμενη αντίσταση.Οι μετρητές LCR υπολογίζουν την αντίσταση εφαρμόζοντας ένα σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος γνωστής συχνότητας και μετρώντας το εύρος και τη φάση του σήματος απόκρισηςΟι αναλυτές δικτύου αναλύουν τα χαρακτηριστικά αντανάκλασης ή μετάδοσης χρησιμοποιώντας S-παραμέτρους (παραμέτρους διασποράς), παρέχοντας πιο ακριβή δεδομένα παρεμπόδισης.Δυναμικοί αλγόριθμοι αντιστάθμισης χρησιμοποιούν αυτά τα δεδομένα μέτρησης για να κατασκευάσουν ένα μοντέλο αντίστασης σε πραγματικό χρόνο και να διορθώσουν για παρασιτικές επιπτώσεις.

Η αντίσταση μετά την αντιστάθμιση είναι:

Η μέθοδος αυτή απαιτεί υψηλής ακρίβειας συλλογή δεδομένων και γρήγορη επεξεργασία με αλγόριθμο για να προσαρμοστεί στις δυναμικές συνθήκες εργασίας της ΕΕΣ.Ο συνδυασμός της τεχνολογίας φιλτραρίσματος Kalman μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω την αξιοπιστία της εκτίμησης των παραμέτρων και να προσαρμοστεί στις αλλαγές θορύβου και φορτίου [3].

Ο σχεδιασμός του συστήματος ενσωματώνει τα ακόλουθα βασικά στοιχεία:

• Υψηλής συχνότηταςΕπενδύσειςμετρητή ή αναλυτή δικτύου: όπως το Keysight E4980A (μέτρο LCR, ακρίβεια 0,05%) ή το Keysight E5061B (αναλυτής δικτύου, υποστηρίζει μετρήσεις S-παραμέτρων) για μετρήσεις υψηλής ακρίβειας παρεμπόδισης.
• Μονάδα απόκτησης σήματος: συλλέγει δεδομένα παρεμπόδισης στην περιοχή 1 MHz έως 5 MHz, με ρυθμό δειγματοληψίας 100 Hz.
• Μονάδα επεξεργασίας: χρησιμοποιεί έναν μικροελεγκτή STM32F4 (που λειτουργεί σε 168 MHz) για την εκτέλεση του αλγόριθμου αντιστάθμισης σε πραγματικό χρόνο.
• Μονάδα αντιστάθμισης: Ρυθμίζει την μετρούμενη τιμή με βάση το δυναμικό μοντέλο και περιέχει ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (DSP) και ειδικό λογισμικό.

Το σύστημα επικοινωνεί με τον μετρητή LCR/αναλυτή δικτύου μέσω διεπαφών USB ή GPIB, εξασφαλίζοντας αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων και χαμηλή καθυστέρηση.Ο σχεδιασμός υλικού περιλαμβάνει προστασία και γείωση για σήματα υψηλής συχνότητας για τη μείωση των εξωτερικών παρεμβολώνΓια την ενίσχυση της σταθερότητας του συστήματος, προστέθηκε μια μονάδα αντιστάθμισης θερμοκρασίας για τη διόρθωση των επιπτώσεων της θερμοκρασίας περιβάλλοντος στο όργανο μέτρησης.

Ο αλγόριθμος αντιστάθμισης κίνησης διαιρείται στα ακόλουθα στάδια:

1. Αρχική βαθμονόμηση: Μέτρηση της αντίστασης φορτίου αναφοράς (500 Ω) σε γνωστές συχνότητες (1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz και 5 MHz) για τη θέσπιση μοντέλου βάσης.
2. Εξόρυξη παραμέτρων παρασίτων: Τα μετρούμενα δεδομένα προσαρμόζονται με τη μέθοδο του ελάχιστου τετραγώνου για την εξαγωγήR,Lp, καιCpΤο μοντέλο προσαρμογής βασίζεται:

3. Αποζημίωση σε πραγματικό χρόνο: Υπολογίζεται η διορθωμένη αντίσταση με βάση τις παραμετρικές παραμέτρους παρασίτων:

Που;^kείναι η εκτιμώμενη κατάσταση (R,Lp,Cp),Kkείναι το κέρδος Kalman,zkείναι η τιμή μέτρησης καιHείναι η μήτρα μέτρησης.

Για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του αλγόριθμου, χρησιμοποιείται ένας γρήγορος μετασχηματισμός Fourier (FFT) για την προεπεξεργασία των δεδομένων μέτρησης και τη μείωση της υπολογιστικής πολυπλοκότητας.Ο αλγόριθμος υποστηρίζει την επεξεργασία πολλαπλών πεδίων για την παράλληλη εκτέλεση υπολογισμών απόκτησης δεδομένων και αντιστάθμισης.

Ο αλγόριθμος δημιουργήθηκε με πρωτότυπο το Python και στη συνέχεια βελτιστοποιήθηκε και μεταφέρθηκε στο C για να λειτουργήσει σε ένα STM32F4.ενώ ο αναλυτής δικτύου υποστηρίζει υψηλότερη ανάλυση συχνότητας (μέχρι 10 MHz)Η καθυστέρηση επεξεργασίας της μονάδας αντιστάθμισης διατηρείται κάτω από 8,5 ms, εξασφαλίζοντας την απόδοση σε πραγματικό χρόνο.

• Αποδοτική χρήση μονάδας κυμαινόμενης στροφής (FPU).
• Διαχείριση αποθηκευτικού αποθηκευτικού αποθέματος δεδομένων με βελτιστοποιημένη μνήμη, που υποστηρίζει cache 512 KB.
• Η επεξεργασία διακοπών σε πραγματικό χρόνο εξασφαλίζει συγχρονισμό δεδομένων και χαμηλή καθυστέρηση.

Το σύστημα υποστηρίζει τη διπλή ανίχνευση συχνότητας και την αυτόματη ρύθμιση παραμέτρων με βάση μια προκαθορισμένη βάση δεδομένων χαρακτηριστικών φορτίου.έχει προστεθεί μηχανισμός ανίχνευσης σφαλμάτωνΌταν τα δεδομένα μέτρησης είναι μη φυσιολογικά (όπως παρασιτικές παραμέτρους εκτός του αναμενόμενου εύρους), το σύστημα θα ενεργοποιήσει συναγερμό και θα επανακαθορίσει.

Τα πειράματα διεξήχθησαν σε εργαστηριακό περιβάλλον χρησιμοποιώντας τους ακόλουθους εξοπλισμούς:

• Υψηλής συχνότηταςΕΣΥ: συχνότητα λειτουργίας 1-5 MHz, ισχύς εξόδου 100 W.
• ΕπενδύσειςπίνακαΚλειδί E4980A, ακρίβεια 0,05%.
• Αναλυτής δικτύου: Keysight E5061B, υποστηρίζει μετρήσεις S-παραμέτρων.
• Φορτίο αναφοράς: 500 Ω ± 0,1% αντίσταση ακρίβειας, ονομαστική ισχύς 200 W.
• ΜικροελεγκτήςSTM32F4, τρέχει στα 168 MHz.

Το πειραματικό φορτίο αποτελούνταν από κεραμικές και μεταλλικές αντίστοιχες ταινίες για την προσομοίωση των διαφόρων συνθηκών φορτίου που αντιμετωπίζονται κατά τη διάρκεια της πραγματικής χειρουργικής επέμβασης.και 5 MHzΗ θερμοκρασία περιβάλλοντος ελεγχόταν σε 25°C ± 2°C και η υγρασία ήταν 50% ± 10% για να ελαχιστοποιηθούν οι εξωτερικές παρεμβολές.

Οι μη αντισταθμισμένες μετρήσεις δείχνουν ότι η επίδραση των παρασιτικών επιδράσεων αυξάνεται σημαντικά με τη συχνότητα.Μετά την εφαρμογή δυναμικής αντιστάθμισης, η απόκλιση παρεμπόδισης μειώνεται στο 1,8% και το σφάλμα φάσης μειώνεται σε 0,8 βαθμούς.

Το πείραμα εξέτασε επίσης τη σταθερότητα του αλγόριθμου κάτω από μη ιδανικά φορτία (συμπεριλαμβανομένης της υψηλής παρασιτικής χωρητικότητας,CpΜετά την αντιστάθμιση, το σφάλμα διατηρήθηκε εντός των 2,4%· επιπλέον, επαναλαμβανόμενα πειράματα (κατά μέσο όρο 10 μετρήσεις) επαλήθευσαν την επαναληψιμότητα του συστήματος.με τυπική απόκλιση μικρότερη από 0.1%.

Πίνακας 1: Ακρίβεια των μετρήσεων πριν και μετά την αντιστάθμιση

Ο αλγόριθμος αντιστάθμισης έχει υπολογιστική πολυπλοκότητα O ((n), όπου n είναι ο αριθμός των συχνοτήτων μέτρησης.ειδικά σε θορυβώδη περιβάλλοντα (SNR = 20 dB)Ο συνολικός χρόνος απόκρισης του συστήματος είναι 8,5 ms, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις δοκιμών σε πραγματικό χρόνο.η μέθοδος δυναμικής αντιστάθμισης μειώνει τον χρόνο μέτρησης κατά περίπου 30%, βελτιώνοντας την αποτελεσματικότητα των δοκιμών.

Η μέθοδος δυναμικής αντιστάθμισης βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια των ηλεκτροχειρουργικών δοκιμών υψηλής συχνότητας με την επεξεργασία παρασιτικών επιδράσεων σε πραγματικό χρόνο.Σε σύγκριση με την παραδοσιακή στατική βαθμονόμηση, η μέθοδος αυτή μπορεί να προσαρμοστεί σε δυναμικές αλλαγές στο φορτίο και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σύνθετα χαρακτηριστικά παρεμπόδισης σε περιβάλλοντα υψηλής συχνότητας.Ο συνδυασμός μετρητών LCR και αναλυτών δικτύου παρέχει συμπληρωματικές δυνατότητες μέτρησης: Οι μετρητές LCR είναι κατάλληλοι για γρήγορες μετρήσεις παρεμπόδισης και οι αναλυτές δικτύου έχουν καλή απόδοση στην ανάλυση S-παραμέτρων υψηλής συχνότητας.η εφαρμογή του φιλτραρίσματος Kalman βελτιώνει την ανθεκτικότητα του αλγόριθμου στις αλλαγές θορύβου και φορτίου [4].

Αν και η μέθοδος αυτή είναι αποτελεσματική, έχει τους ακόλουθους περιορισμούς:

• Κόστος του μέσου: Οι μετρητές LCR υψηλής ακρίβειας και οι αναλυτές δικτύου είναι δαπανηροί, γεγονός που περιορίζει τη δημοτικότητα αυτής της μεθόδου.
• Απαιτήσεις βαθμονόμησης: Το σύστημα πρέπει να βαθμολογείται τακτικά για να προσαρμόζεται στην γήρανση των οργάνων και στις αλλαγές του περιβάλλοντος.
• Περιοχή συχνοτήτων: Το τρέχον πείραμα περιορίζεται σε συχνότητες κάτω των 5 MHz και πρέπει να επαληθευθεί η εφαρμογή υψηλότερων συχνοτήτων (όπως 10 MHz).

Οι μελλοντικές βελτιώσεις μπορούν να γίνουν με τους ακόλουθους τρόπους:

• Προσαρμογή μέσων χαμηλού κόστους: Ανάπτυξη απλουστευμένου αλγόριθμου βασισμένου σε χαμηλού κόστους μετρητή LCR για τη μείωση του κόστους του συστήματος.
• Υποστήριξη ευρυζωνικής σύνδεσης: Ο αλγόριθμος επεκτείνεται ώστε να υποστηρίζει συχνότητες άνω των 10 MHz για την κάλυψη των αναγκών των νέων ESU.
• Ενσωμάτωση τεχνητής νοημοσύνης: εισαγωγή μοντέλων μηχανικής μάθησης (όπως νευρωνικά δίκτυα) για τη βελτιστοποίηση της εκτίμησης παραμετρικών παραμέτρων και τη βελτίωση του επιπέδου αυτοματοποίησης.

Το παρόν έγγραφο προτείνει μια δυναμική μέθοδο αντιστάθμισης που βασίζεται σε μετρητή LCR υψηλής συχνότητας ή αναλυτή δικτύου για ακριβείς μετρήσεις άνω των 1 MHz για ηλεκτροχειρουργικούς δοκιμαστές υψηλής συχνότητας.Μέσω μοντελοποίησης παρεμπόδισης σε πραγματικό χρόνο και προσαρμοστικού αλγόριθμου αντιστάθμισηςΤα πειραματικά αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι στο εύρος 1 MHz έως 5 MHz, το σύστημα μετρώνει αποτελεσματικά τα λάθη μέτρησης που προκαλούνται από παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγικότητα.το σφάλμα αντίστασης μειώνεται από 140,8% σε 1,8%, ενώ το σφάλμα φάσης μειώνεται από 9,8 βαθμούς σε 0,8 βαθμούς, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητα και την ανθεκτικότητα της μεθόδου.

Η μελλοντική έρευνα θα επικεντρωθεί στην βελτιστοποίηση αλγορίθμων, την προσαρμογή με χαμηλό κόστος των οργάνων και την εφαρμογή σε ευρύτερο εύρος συχνοτήτων.Η ενσωμάτωση τεχνολογιών τεχνητής νοημοσύνης (όπως μοντέλα μηχανικής μάθησης) μπορεί να βελτιώσει περαιτέρω την ακρίβεια εκτίμησης παραμέτρων και την αυτοματοποίηση του συστήματοςΗ μέθοδος αυτή παρέχει μια αξιόπιστη λύση για τις δοκιμές μονάδων ηλεκτροχειρουργικής υψηλής συχνότητας και έχει σημαντικές κλινικές και βιομηχανικές εφαρμογές.