智能无障碍LED手术无影灯

刘力，闵苏

重庆医科大学附属第一医院 麻醉科，重庆 400016

手术无影灯是手术室内重要的设备，传统的卤素灯泡无影灯沿用了数百年，虽然经历了无数次改进，但由于卤素灯泡本身的缺点，使暴露出的问题一直没有从根本上得到很好的解决。随着现代物理照明技术的发展，运用LED（发光二极管）技术开发的大功率LED手术无影灯，具有安全稳定、节能环保、色温和光强无级可调等优点，实现了通过调节色温满足手术状态下人体不同组织在不同色温条件下的显色特性要求，有效地解决了手术照明系统体积庞大且能耗高的问题，有利于提高手术室的空气净化质量，更适合层流手术室净化气流的要求，降低手术室净化维护成本，最大限度地满足临床手术照明的客观要求，是现代手术室的一大革新。

1 智能手术无影灯的基本原理和技术

LED技术产生于上世纪70年代，利用半导体材料的电子迁移释放特定波长的能量产生可见光。通过近50年的发展，该技术已经广泛地运用到日常生活照明和特殊作业的照明，其具有节能、环保、安全、可靠性高、实用性强、响应时间短等优点。但由于发光强度的限制，一直没有突破手术照明的要求范围[1]。2004年超高亮度的LED光引擎及光机的诞生使得这项技术运用到手术照明领域成为可能。运用高亮度LED “封装光通”原理技术[2]，具有中国自主知识产权大功率LED芯片智能手术无影灯在中国重庆研制成功。

2 智能手术无影灯的综合优势

传统卤素光源无影灯存在诸多的问题：① 照明质量较差，容易造成医生视觉疲劳；② 超高红外热辐射，给手术医生带来不适感；③ 固定色温，不易清晰地分辨各种组织、器官，不利于进一步提高手术质量； ④ 功耗大，平均功率1000W；⑤ 庞大的灯具结构，阻扰净化空气正常流通、降低消毒净化效果；⑥ 维护成本高，每月检查、灯泡寿命平均1000h。

大功率LED芯片手术无影灯解决了传统卤素光源无影灯存在的问题，其主要的技术优势表现在以下三个方面。

2.1 技术优势

⑴ 多晶体矩阵排列光源 大功率LED芯片智能手术无影灯由3～5区段组成，每个区由单独的汇聚透镜组成。在这个排列中，每个晶体产生一个单色光，共有4种单色光。4色光源配比能够提供最佳的对比度和分辨力。照射区域5倍光重叠，最大限度地减少了阴影，并能实现深度照射，光强可达160, 000LUX，满足深部手术的照明需要。

⑵ 色温可调 色温是表示光源光谱质量的通用指标，可以比较方便、直观地表示白光的光色。色温低，白里带黄，称暖色调；色温高，白里带蓝，称冷色调。色温是人眼对发光体或白色反光体的主观感觉，是因人而定的。人体不同组织器官的色饱和特性不同，在人眼中反应的色温也不同。例如血供比较丰富的组织器官（比如肝、肾）色温比较高；如果用色温较高的光源照射器官，看起来就更加真实；而肺脏、脂肪组织色温相对比较低，此时仍用高色温的光源照射，看起来就会偏红。因此，进行不同部位的手术需要调节光源的色温来达到最佳的视觉效果。然而传统的卤素光源无影灯不能调节色温，并不能适应不同手术的需要。LED芯片手术无影灯采用多个白、红、绿、蓝色LED按矩阵阵列紧密排列在较小面积的基板上,采用多路驱动控制器分别控制各色LED，根据不同照度要求,通过PWM控制白光LED的亮度，根据红、绿、蓝三色LED光混合与对应色温变化规律，用PWM控制各色LED所发出的光使之达到所需的色温。色温可调范围在3200～5000K。医生可以根据不同的喜好和不同部位的手术需要进行调节，较高的色温可以解除长时间强光刺激造成的视觉疲劳，提高夜间手术和长时间手术的质量。

表1 LED灯和传统手术灯性能比较

⑶ 智能控制 大功率LED芯片智能手术无影灯符合人体功效学新标准，集成智能变光模式，同步化多光电传感头。

⑷ 科学的整体设计 层流手术室净化气流是目前最先进有效的方式，净化气流的方向一般多采用垂直层流式[3,4]，使手术区处于洁净气流形成的主流区内，确保空气洁净度达标。层流手术室不仅要求高度洁净的空气，而且要求能控制气流的流通方向，使气流从洁净度高的手术区流向洁净度相对较低的区域，并带走和排出气流中的尘粒和病原微生物。然而，传统的天棚嵌入式多孔型无影灯或大背壳式无影灯会阻碍垂直层流风口的气流，使无影灯背壳上方的积尘和病原微生物带入到手术区域，增加手术病人术后感染的几率。大功率LED芯片手术无影灯的设计采用中空式流线设计，不影响垂直层流流线，更科学合理，不仅能满足手术光照要求，而且更适合层流手术室的空气净化要求。

2.2 生态优势

⑴ 环保、节能 大功率LED芯片手术无影灯的设计属于绿色技术。其发光原理是基于电子跃迁发射出可见光波长，因而在设计上不含汞、铅等有害重金属，而且废弃的LED芯片还可以回收利用，大大减少了环境污染，符合国家环保质量要求。LED光源使用低电压，适合手术室的安全用电范围，而且坚固耐震，耐冲击，使得光源稳定性高。另外，LED光源响应时间在纳秒级，非常适合高频操作[6]，LED芯片的工作电压很低，大大节约了能源。

⑵ 长寿命、低热量 作为第四代新型照明光源，LED具有许多不同于其他电光源的特点(见表1)，这也使其成为节能环保光源的首选。LED灯的平均寿命为连续100000h，是普通照明灯的30倍(见表1)。大功率LED芯片手术无影灯所采用的冷光源光效高[1,5]、散热低、减少上升热气流，非常适合在无障碍层流手术室中运用。另外，LED光源发出的冷光源，对长时间站在手术灯下手术的医生来说具有更佳的舒适性。

2.3 经济优势

我国现在手术室无影灯主要是传统的卤素光源无影灯或荧光源无影灯，以全国在用的约53000台手术无影灯为基数，若全部使用LED芯片手术无影灯，每年可节约24000万度电，节能减排的社会效益将十分显著。由此每年可节约火电燃煤10万吨，减少火电产生的二氧化碳排放26200万升，减少火电产生的二氧化硫排放85万升，其环保节能的社会意义重大。另外，由于传统卤素或荧光光源无影灯的寿命较短，增加了手术室的折旧费用，使手术室运行成本增加。因此，大功率LED芯片手术无影灯更具经济价值。

3 结论

综上所述： 色温连续可调大功率LED芯片手术无影灯集LED二次光学设计、散热技术、驱动电源、稳压器及控制技术、万向节悬臂等创新技术为一体，实现通过调节色温满足手术状态下人体不同组织在不同色温条件下的显色特性要求，从根本上突破传统医疗照明技术存在的色温不可调、温升较高等局限，解决了手术医生长时间工作的视觉疲劳问题，从而有效提高手术质量。

大功率LED芯片手术无影灯具有冷光源、节能环保、色温和光强无级可调的优点。同时，采用LED芯片制备的手术无影灯可以有效解决目前手术照明系统体积庞大且能耗高的问题，有利于提高手术室的空气净化质量，降低手术室净化维护成本，能够最大限度地满足临床手术照明的客观要求。大功率LED芯片手术无影灯具有节能环保、安全可靠的优点，并能提供更加优越的手术照明效果，必将为现代层流手术室带来革命性的风暴[7]。

[1]申功烈.LED固态光源性能和应用前景[J].微电子,2006(10):83-88.

[2]郭长佑.高亮度LED之“封装光通”原理技术探析[J].中国照明,2007(10):92-99.

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[4]翟慧.影响层流手术室空气洁净度的相关因素及对策[J].护士进修杂志,2007,22(24):2295-2296.

[5]王声学,吴广宁.LED原理及其照明应用[J].灯与照明,2006,30(4):32-35.

[6]阎秀梅,王斌,曲振永,等.手术室电气照明分析[J].河北建筑工程学院学报,2007,25(3):115-116.

[7]王占庆,石瑞林.发光二极管(LED)将引发照明领域的革命[J].灯与照明,2005,29(3):48-51.

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