整体反射光二极管手术无影灯光源系统*

陈玲娣 田明祥 鞠泽生 严俊丽

1 手术无影灯概述

手术无影灯是医疗卫生系统手术室中必备的常规装备，其为医用特殊照明设备。手术无影灯随着光源的发展而进步，目前所使用的多为整体反射光二极管(light emitting diode，LED)灯；光源的发展经历了由多孔无影灯、反射无影灯、LED手术无影灯等。手术无影灯从结构、光源、反射方式及工作环境等的不同进行分类，其有多种形式和类别。①从安装方式可分为移动式手术无影灯和固定式手术无影灯；②从灯盘使用光源数量可分为独头无影灯和多头无影灯；③从灯盘数量可分为子母无影灯和单头无影灯；④从反射方式可分为整体反射无影灯和孔式无影灯；⑤从光反射级数可分为单反射无影灯和多级聚焦无影灯；⑥从光源类型可分为普通无影灯、卤素无影灯及LED无影灯等。

随着医院净化手术间的逐步使用，层流手术间内对影响层流的主要因素热源及阻碍物的控制要求也随之提高，传统手术无影灯无法满足高标准净化手术室的技术要求。近年来，LED手术无影灯有较大的发展，尤其是多头无影灯的应用有了新扩展。目前，LED手术无影灯为多灯头，整体反射手术无影灯使用卤素灯泡，其功率为110～250 W。卤素灯作为光源其消耗电能大，产生的热能多，但只需一个灯泡即可满足需要，且光源好调节、控制，有备用灯，应急性能好，其特点是能够达到无影照明的同源光柱。但其缺点之一是卤素灯消耗电能和产生较大的热能。目前，卤素灯灯泡使用医用米泡，采用的是针插件，接触电阻大、产热增多，由于卤素灯功率大、电压低，电流大，令其使用寿命短、故障多。LED灯消耗电能小，产生热能极少，光源质量可控性好，使用寿命长[1-4]。

2 LED手术无影灯的特点

LED手术无影灯其特点为节能环保、产热极低、使用寿命长和故障率极少。其缺点为聚光较差、缺乏应急性。若将LED作为光源、采用整体反射结构设计一套整体反射手术无影灯光源系统，则能够发挥整体反射手术无影灯的优势，克服其缺点，继续保持LED的长处，并且可使手术无影灯耗电量明显下降，能为采用电池供电提供基础[5-7]。

3 手术无影灯控制系统综合分析

目前，手术无影灯的应急能力是指手术无影灯的在用灯泡出现故障时，在短时间内自动启动备用灯泡，但若出现电源故障则无法进行转换。因此，在使用带充电电池为后备电源则可实现供电与备用电源互换，即交直流转换，在只有电源和光源时即可应急工作，增加手术无影灯的应急性。

整体反射光源的唯一要求是必须有足够强亮度的点(柱)光源。采用LED作为光源，其每个LED灯的亮度小，需要较多的光源集合在一起共同组成目前临床上广泛使用的LED多头灯手术无影灯。随着LED技术的发展，大功率、超亮度的LED灯的研发、生产，柱式LED灯投放市场，为LED作为整体反射的光源提供保证。柱式LED灯又称LED玉米灯，是LED灯具的一种，因其最大发光角度为120o，为使其发光均匀特设计为360o发光角度，其形状如同玉米棒，特称为LED玉米灯。LED灯被称为第4代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长及体积小等特点。LED灯为直流驱动，超低功耗(单管0.03～0.06 W)电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED光源为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内无松动部分，使用寿命可达6～10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。LED灯耐冲击，抗雷力强，无紫外线和红外线辐射；无灯丝及玻璃外壳，对人体无伤害、无辐射；在低电压下工作，安全可靠；其表面温度≤60 ℃，柱式LED灯是非常理想的整体反射手术无影灯的光源。LED无影灯为纯直流电供电无频闪，不易使眼睛产生疲劳感，亦不会对工作区其他设备产生谐波干扰。

4 整体反射手术无影灯光源系统设计思路

整体反射手术无影灯光源系统一般由电源、主灯、副灯、显示面板、调节面板、灯泡检测电路和灯泡转换电路组成。灯泡转换电路简单的一种只是单独转换主、副灯的供电，主、副灯无位移；复杂的一种不单转换主、副灯的供电，并由转盘电机工作，将主、副灯位置互调。整体反射手术无影灯的构造和控制电路较为完善，因此整体反射LED手术无影灯的光源系统可参考其基本结构，在其基础上进行必要的增改。整体反射LED手术无影灯的光源系统增加了备用电源和供电与备用电源互换电路，也称为交直流转换电路。备用电源可采用充电电池，灯泡转换电路必需采用转盘电机控制位移。整体反射LED手术无影灯光源系统由电源、主灯和副灯(柱式LED灯)、显示面板、调节面板、灯检测电路、主、副灯转换电路、充电电路、供电与备用电源转换电路和应急(开关)电路组成。

整体反射LED手术无影灯的光源系统可在符合手术照度的情况下，实现同源共柱、节能环保、产热少、寿命长、故障率小、应急能力强、对外界干扰弱以及能在最基本条件(LED、电池)下工作。整体反射LED手术无影灯的光源系统的特点为采用单独的柱式LED作为光源，其应急能力有3种：①主、副灯转换；②交流、直流电互换；③直流电直接供给。

5 整体反射手术无影灯光源系统

5.1 电路组成方案

手术无影灯供电电压为24 V，与LED供电电压为12 V、24 V相一致。整体反射LED手术无影灯光源系统由电源、控制板、主灯、副灯、显示面板、控制面板、充电电池、主、副灯转换电路及应急(开关)电路组成。

根据手术无影灯的有关规定和要求电源为恒流隔离电源。将220 V的交流电经降压、整流转换为24 V直流电，供给柱式LED灯和充电电池使用，保证LED灯的电源可靠供给，根据转盘电机、控制板及指示灯等需要提供所需电压[8]。

5.2 控制板各部分组成及功能

控制板内含主、副灯检测电路、交流、直流转换电路、充电电池管理电路及输入、输出电路，其主要功能如下。

(1)主、副灯检测电路检测主、副灯的性能，确定调整工作灯，并由输出电路给显示面板有关信号确定主、副灯性能及工作状态，及时跟踪检测在用工作灯的工作状态，发现问题立即启动灯转换电路，启用备用灯泡，即转盘电机工作转动LED位置，转换LED灯主、副灯之间的供电，主灯断电、副灯得电而工作。

(2)交流、直流转换电路检测供电电源是否正常，在供电电源正常的情况下，由供电电源提供供电，若异常或无供电随即转为备用电池供电，保证LED灯工作。当供电电源恢复正常，则仍转为供电电源供电。

(3)充电电池管理电路自动控制对充电电池的充电，检测充电电池的电量状态进行不同的充电方案，电量较满采用涓流充电方式保持电池电量；电量中间状态时采用涓流充电方式，缓慢蓄满电池电量或快速充电方式，快速补充电池电量；电量不足状态时先采用涓流方式，缓慢提升电池的电压至安全水平后采用快速充电方式，快速补充电池电量[9-10]。

(4)输入、输出电路管理输入信号和输出信号。主灯和副灯可互换角色，处在工作状态的为主灯，处在备用位置的为副灯。柱式LED灯光源由二路并联供电，一路即主供电路，由控制板控制提供，另一路为应急电路，由应急(开关)电路控制，24 V充电电池直接供给。柱式LED灯采用新的配光技术使每个单独LED的点光源扩展为面光源，增大发光面，消除眩光和视觉疲劳。透镜与灯罩一体化设计具备聚光与防护作用，避免了光的重复浪费。大功率LED平面集群封装及散热器与灯座一体化设计，充分保障了LED散热要求及使用寿命，使灯座处成为光隔断面，阻隔光从灯座向下传导。由于电源本身就是恒流隔离电源，柱式LED灯内不必再增设恒流隔离电源，减少零部件，从而可使柱式LED灯体积减小。采用超高亮大功率LED光源，其相同功率下亮度是白炽灯的10倍，能耗、产热和成本均减少。

(5)显示面板的显示功能：①显示交流或直流供电状况，当交流电输入正常时交流电指示灯亮，直流电指示灯灭，交流电输入异常或无交流电输入时交流电指示灯灭，直流电指示灯亮；②显示充电信号指示，充电时充电指示灯亮，且随充电电流的大小，闪动有快慢变化；③显示主、副灯性能和工作状态，工作时对应指示灯得电工作(发亮)，主、副灯能正常工作时相对应的指示灯为蓝色，出现故障时则为红色，应对其进行检查或更换；④显示指示工作灯所调节的亮度，当灯亮度由暗至亮时亮度指示灯由少至多，逐步增加；亮度由亮至暗时，亮度指示灯由多至少，逐步减少。

(6)控制面板主要有光源的启动键和停止键、光源调节键。启动键启动LED灯的工作；停止键熄灭LED灯；光源调节键调节LED灯的亮度。充电电池为24 V备用电源，可为控制板和LED灯提供应急电源。

主、副灯转换电路：当主灯因故不能正常工作时控制板输出信号，转盘电机受控制板控制调整LED灯的工作和等待位置，原副灯取代原主灯的位置，成为新的主灯；应急(开关)电路连接充电电池与LED灯，打开应急开关可使充电电池直接供给LED灯24 V的电源，此时LED灯不能进行调光，但可确保无影灯正常照明。

应急(开关)电路是在控制板出现故障时，人工控制将24 V充电电池与24 V柱式LED灯直接连接，使充电电池可直接供电于柱式LEC灯，保证在控制板故障时仍旧能使LED灯工作。

6 整体反射LED手术无影灯光源系统的应用

整体反射LED手术无影灯的电源和充电电池可安装在无影灯顶部或天花板上；显示、调节面板和控制板可组合放置在无影灯的灯盘中；柱式LED灯和灯座及灯转盘电机组合在灯座盘上，通过插件与灯盘连接并用螺栓固定。

当电源开关闭合，电源接通得电后控制板开始工作。①检测主、副灯性能，主、副灯指示灯为蓝色(正常)、红色(异常)；②检测充电电池电量，并根据电池电量确定充电方式；③当调节面板中灯电源开关(启动键)触发后，控制板给LED灯输出电源，得电发亮。④若在使用中主灯突然出现故障，控制板立即启动灯转换电路，灯转盘电机得电，转动灯座盘，主、副灯座位置及供电互换，主灯离位、断电，副灯到位得电；⑤在正常使用过程中，检测供电电源，若有故障立即启动备用电源的充电电池，切断供电电源电路，改为充电电池供电，若供电电源恢复正常则使用供电电源，并根据充电电池电量作出不同形式的充电方法；⑥根据调节面板亮度调节键的调节改变灯电压(电流)输出的实际值，并随着调节显示其亮度；⑦触发停止键，LED熄灭；⑧控制板等出现故障时，人工打开应急开关，充电电池直接供给LED电源，LED得电发亮。

[1]刘志.LED手术无影灯:节能照明潮产品[J].中国医院建筑与装备,2012,13(3):68-69.

[2]周文光,孔悦.手术无影灯的电路改进[J].医疗卫生装备,2009,30(6):57-58.

[3]田明祥,袁林.整体反射手术无影灯光源系统:中国ZL201220183368.2[P].2013-01-02.

[4]田明祥,袁林.整体反射手术无影灯光源系统:中国201210126367.9[P].2012-10-03.

[5]周文光,魏培德,许新建,等.一种野战医用LED无影灯的太阳能供电系统的设计[J].中国医疗设备,2012,27(2):16-18.

[6]周文光,魏培德,沙益夫,等.一种基于LED的野战手术无影灯的设计[J].医疗卫生装备,2011,32(11):36-38.

[7]周文光,魏培德,沙益夫,等.野战LED手术无影灯的光路设计[J].中国医疗设备,2011,26(12):31-34.

[8]杨凯,邢海柱,张瑶婵,等.陕西省血液中心LED节能灯具改造分析[J].中国医学装备,2012,9(8):78-80.

[9]刘力,闵苏.智能无障碍LED手术无影灯[J].中国医疗设备,2010,25(7):74-75.

[10]朱根娣,刘敏娟.一种野战型发光二极管手术无影灯的研制[J],中国医疗器械杂志,2009,33(3):183-187.