大功率LED在野战医用深部照明系统中的应用

2010-01-31李拴德王晓峰

中国医学装备 2010年1期

邵威李拴德王晓峰

1 野战条件对医疗器械的要求

野战医疗可能面临诸多困难，医疗设备在运输、使用、补给、维护保养等环节常常需要经受极端环境的考验。因此在装备的配置过程中，可靠性、重量、体积、能耗都成为至关重要的问题。外军在设计野战医疗装备时，首先考虑机动能力所允许的质量和所占空间。并将与野战外科单位装备的质量、所占空间相关的一些重要变量定为∶机动能力、人员配备能力、物理稳定能力、环境适应能力、独立工作能力[1]。为适应未来登岛作战环境要求，根据我军野外训练、渡海登岛实弹演习、抗洪救灾等卫勤保障实践，医疗装备的革新要从制作材料、工艺设计等方面入手，把重点放在防水、抗毁、耐高温、轻便、精巧实用等方面[2]。

2 医用深部照明对光源的要求

医用深部照明一般用于较深并且开口较小的手术术野，如神经外科的脑深部及颅底，普外科的胆囊手术等，此时由于术者观察的需要，大型无影灯的光线很难投射到手术野中，造成观察操作困难的局面。为了解决这个问题，引入了头戴式深部照明的设计。深部照明对光源的基本要求就是要保证术野均匀有效的照明，光源色温接近阳光，以便于分辨组织结构，光线不应使术野中正常组织受损。其次，由于装置佩戴在术者的头部，因此重量、绝缘安全等因素也在考虑之中。深部照明最佳的投射角度应与视轴一致，也就是发光装置最好位于双眼连线中点，这就要求装置的宽度、长度都不能过大，否则将会妨碍术者的视线。

3 目前常规医用深部照明系统光源的特性

常规医用深部照明系统光源一般选用普通卤素灯光源或氙气灯光源。通过光导纤维将光束投射到手术视野。由于此类光源在可见光的红区和近红外谱带有着丰富的谱线，因此必须通过多层带通滤光片，才能得到真正的冷光输出，因此由于电光转换效率和过滤带通产生的热积累就成为医用冷光源设计过程必须考虑的问题，目前应用于临床中的医用冷光源均存在着风冷或者水冷的基本装置，加上部分使用氙气灯的冷光源因为弧光放电光源的特性制约，不可避免地存在着高压特性，出于高压、大电流的考虑，此类冷光源的体积大多相对庞大，可携带性、机动性大打折扣。由于目前的冷光源发光方式均为灯丝或等离子束，发光面积较大，在光学传递设计中均不能将之考虑为点光源，无形之中又增加了光学设计的难度[3]。复杂变压电路、散热系统、光过滤传导结构都意味着稳定性下降，故障率较高。

很显然，常规医用深部照明系统很难适应野战环境的需求。

4 LED（light Emitting Diode发光二极管）光源的优点

LED是一种将电流顺向通到半导体p-n结处而发光的器件，其基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。LED使用低压电源，供电电压在3～24 V之间，电路安全性高，特别适用于公共场所。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%，体积小，每个单元LED小片是3～5 mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。寿命可达100000 h，具有极高的稳定性，维护费用极为低廉。响应时间短，发光迅速，（普通光源的响应时间为毫秒级，LED的响应时间为纳秒级），易于电脑控制驱动和集成化。绿色环保，对环境无污染。

LED和常见光源的性能比较

1993年日本日亚化学首先开发出蓝色LED（Light Emitting Diode发光二极管），1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。目前美国CREE公司出品的XR-E Q5，350 mA电流驱动下光输出达到白光107-114流明，色温好，5000～10000 K，适合医学需求。最大接合温度达到150℃，最高驱动电流达到1000 mA（220-240流明）。此种LED芯片发光面积仅仅1 mm2，在满足功率输出的条件下又完全满足点光源的要求，由于输出谱带的单纯性，在作为冷光源使用过程中，无需任何带通滤光装置，且激励电压均为安全低压，无论从体积还是设计难度上较传统的医用冷光源均大大降低。特别从使用寿命上将传统的医用冷光源自1000 h提高至100000 h以上。

使用LED作为深部照明用光源，可使用锂电池充电供电方式，同时避免了滤光片和制冷的设计要求，无光传导结构，灯头部分极其小巧，完全不影响视觉感官，且可以做到无电源线操作，密封设计，充分满足野战手术器械的各项要求。