作者与发表信息
本研究由汉阳大学（Hanyang University）电子与系统工程系的Byeongcheol Yoon、Sungwoon Hwang、Sungmin Kim和Junghyun Kim，以及MMII Laboratory Corp.的Seokmin Lee、三星医疗中心成均馆大学医学院的Byongchang Jeong和大林大学学院（Daelim University College）的Jongchan Kim共同完成。其中Junghyun Kim和Sungmin Kim为共同通讯作者。该研究成果于2024年1月发表在期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics 的第71卷第1期上。
研究背景与目的
电外科发生器（Electrosurgical Generators, ESG）自1928年问世以来，已成为现代外科手术中不可或缺的工具。其工作原理是将流过组织的电流能量转化为热能，以实现同时切割和止血，从而显著缩短手术时间并加快伤口愈合。为了避免对肌肉和神经产生不必要的刺激，手术中施加于人体的能量必须使用高频信号，现有商用ESG产品普遍采用300至500 kHz的频率。然而，更高频率的能量能够更有效地穿透细胞膜，将能量传递到细胞内部，这不仅能提升手术效果，还能减少对周围组织的热损伤——这是ESG操作中最关键的问题。因此，开发更高频率的ESG成为研究热点，目前已有产品达到4 MHz，但主要局限于眼科、美容和牙科等手术部位仅限于皮肤的领域。
腹腔镜手术（Laparoscopic Surgery）需要进入腹腔和盆腔，处理血管、肌肉、脂肪等多种组织，这些组织的电学特性差异巨大，且同一组织在手术过程中因水分蒸发和碳化也会发生阻抗变化。因此，腹腔镜ESG必须具备在宽负载阻抗范围内确保功率输出和精确的能量控制两大核心性能，而现有大多数腹腔镜ESG的频率仅为几百kHz。基于此，本研究旨在提出一种适用于4 MHz腹腔镜手术的ESG系统，以解决传统ESG在宽负载阻抗范围下难以保证功率的问题，并实现精准的能量控制。
研究流程、方法与实验
本研究的设计与验证流程主要分为四个部分：功率保障条件分析、手术器械等效电路建模、阻抗匹配网络设计以及能量控制功能实现。
全桥逆变器功率输出条件分析 研究首先从理论上推导了在4 MHz频率下工作的全桥（Full-Bridge, FB）逆变器确保向负载（组织）输送足够功率的条件。理想情况下，FB逆变器输出的方波电压（Vfb）基波分量幅值为4Vdc/π。其输出功率（Pfb）取决于其输入阻抗（Zin）。为满足手术所需的100W以上负载功率（Pl），并考虑到手术器械在4 MHz下的功率传输效率（ηinst），研究者将逆变器的目标输出功率Pfb设定为200W。在输入直流电压Vdc限制为55V的条件下，通过计算得出了Zin必须满足的阻抗区域。分析表明，对于5–800 Ω这一极宽的负载范围，必须通过阻抗匹配网络才能将负载阻抗转换至该目标区域内。
手术器械等效电路建模 在4 MHz高频下，手术器械不能再被视为简单的导线，其寄生参数（如寄生电感、寄生电容和趋肤效应引起的寄生电阻）会严重影响能量传输，因此必须在设计阻抗匹配网络前对其进行精确建模。由于制造商未提供相关高频参数，研究者设计了一套基于实测数据的建模方法。他们将手术器械连接至一个模拟人体组织、阻值为5–800 Ω的电阻（Rt）负载，并使用阻抗分析仪（Keysight 4194 A）测量整个电路在不同负载下的输入阻抗（Zinst）。根据器械的物理结构——两条导线、可旋转轴以及为防止信号通路和返回通路在旋转时缠绕而复杂交织的旋转杆，研究者建立了包含串联电感（Lp1, Lp2）、串联电阻（Rp1, Rp2）和并联电容（Cp）的等效电路模型。通过对比仿真和实测的Zinst在史密斯圆图（Smith Chart）上的轨迹，验证了模型的准确性。利用该模型，进一步得到了手术器械在不同负载下的功率传输效率（ηinst），结果发现在低阻抗负载区域，器械效率显著降低，这进一步印证了将Pfb目标设定为200W的必要性。
基于谐振滤波器的阻抗匹配与频率转换 为将图6所示的Zinst轨迹转换至图3所示的目标功率区域，研究者设计了一个基于PCB平面电感和云母电容的谐振滤波器（Resonance Filter）作为阻抗匹配网络。选择谐振滤波器而非变压器，是因为在4 MHz下制造具有高Q值且带磁芯耦合的PCB变压器成本高且难度大，而谐振滤波器可利用高Q值的平面电感和商用高频电容实现低损耗匹配。研究者使用史密斯圆图详细展示了通过并联电容（C2）、串联电感（L2）、并联电容（C1）及串联电感（L1和导线电感Lw）逐步将整个负载阻抗轨迹向目标区域转换的过程。 然而，由于5–800 Ω的负载范围过宽，仅靠固定的谐振滤波器无法在整个轨迹上满足功率要求，低阻抗和高阻抗部分存在“取舍”关系。为此，研究者创新性地采用了频率转换方法而非增加额外的匹配网络和开关。该方法利用了电感和电容的电抗/电纳随频率变化的特性：在保持同一谐振滤波器硬件不变的情况下，将工作频率在3.5 MHz和4 MHz之间切换，使得高阻抗负载（如大于100 Ω时）在3.5 MHz下的阻抗轨迹能够落入目标区域，而低阻抗负载在4 MHz下满足要求。这一方法仅需通过数字信号处理器（DSP）调整PWM信号频率即可实现，大大简化了系统设计。
能量控制功能实现 为满足ESG的另一个核心性能——能量控制，系统必须能根据实时变化的负载阻抗精确调节输出功率。由于手术器械的寄生参数影响，无法直接测量负载阻抗。研究者构建了一个包含二维查找表（Lookup Table, LUT）和比例-积分（PI）反馈控制的闭环系统。LUT的输入是已知的逆变器占空比（Duty）和通过罗氏线圈（Rogowski Coil）测得的器械电流（Ii），输出则是预先通过实验标定的、剔除了器械影响的真实负载阻抗。这使得系统能在手术过程中快速、准确地识别负载阻抗，并通过调整全桥逆变器两桥臂之间的信号相位（即占空比控制）来调节输出电压，从而维持恒定的功率输出（如60W、80W、100W），实现精准的能量控制。同时，检测到的阻抗值也作为模式转换的触发信号，用于决定何时进行频率转换。
主要实验结果
研究团队制作了一台原型机来验证所提出的系统。实验结果如下： * 宽阻抗范围下的功率保障：在满占空比条件下，通过频率转换技术（在100 Ω处切换），系统在5–800 Ω的整个负载电阻范围内，均能向组织模型输出超过100W的功率，验证了其作为适用于腹腔镜手术的宽负载范围ESG的可行性。 * 恒定功率控制：在闭环控制下，即使负载发生变化，系统也能通过调整占空比，将输出功率稳定在预先设定的60W、80W和100W，证明了能量控制的有效性。 * 系统效率：实验还给出了所提出逆变器在宽负载范围内的效率表现。研究者承认，由于现有手术器械并非为本系统专门设计，其寄生参数损失，加之覆盖极宽的负载条件，使得在所有负载点实现高效率非常困难。本研究的首要目标是保障宽范围下的功率，而效率的优化将是未来与器械协同发展的方向。
研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一套基于碳化硅（SiC）全桥逆变器的4 MHz腹腔镜电外科发生器系统。该系统的科学价值在于：它率先攻克了在MHz高频下，因手术器械寄生参数不可忽略而导致的、在超宽负载阻抗范围内难以保证功率的难题。通过结合创新的频率转换方法和基于史密斯圆图的谐振滤波器匹配网络设计，系统实现了从5 Ω到800 Ω的稳定高功率输出，据作者所知，这是所有MHz级逆变器中最宽的负载阻抗范围。其应用价值在于：更高的工作频率（4 MHz）能够使能量更有效地穿透细胞膜，有望显著减少ESG手术中对周围组织的热损伤，这是ESG操作的重大临床关切问题。同时，基于LUT和PI控制的闭环能量管理系统，能够根据组织状态实时、精确地控制手术能量，为外科医生提供了更安全、高效的手术工具。
研究亮点