自动调色LED医用冷光源的研制

2015-03-04朱波袁强袁林

中国医学装备 2015年12期

朱波袁强袁林

自动调色LED医用冷光源的研制

朱波①袁强②袁林③

根据临床需要及使用者的不同要求，提供一种节能、环保、安全及可靠的自动调色LED医用冷光源；将LED作为医用冷光源的光源，LED采用红、黄、绿三基色和三驱动控制；光强度以总光度调节与红、黄、绿三基色调节相结合；自动调节、跟踪与人工调节相结合。根据摄像、显示和个体不同需要调节最佳的色彩，以LED为光源，采用总光强度和分色光(红色光、黄色光、绿色光)强度的检测，研制能进行自动跟踪设定色彩和光强的自动调色LED医用冷光源。自动调色LED医用冷光源使用安全、性能可靠、节能环保，能适合使用者的不同需求。

发光二极管；医用冷光源；自动调节；三驱动控制

[First-author's address]System Integration Department, Jiangsu Hongxin System Integration Co.,ltd Nanjing Jiangsu 210009,China.

医用冷光源是现代医疗的常规光源，目前主要以卤素灯、疝灯等常规光源为主，而常规光源能耗大、使用寿命短且光色不可调整[1-3]。而LED灯具有节能、环保、安全、寿命长、亮度高防水、防震、可调光以及维护方便等诸多优点[4-5]。在LED灯管中有一类属高指向型灯管，具有很强的指向性和发光源小等特性，能作为局部照明光源使用，并与光检出器联合使用，以组成自动控制系统[7-8]。医用冷光源是一种特殊的局部照明光源，需要指向性很强的光源，并且发光源越小越好；同时需光强度调节方便、安全等特殊要求。对照医用冷光源的要求和LED灯所具有的特性二者非常相符，所以从光源的特性方面用LED灯来替代现有常规冷光源灯泡是可行的发展方向[9]。

光源另一个要求是光的质量，即光的颜色，而医用冷光源要求的是白光[10]。白光是一个特别的颜色，可由非常多的可见光谱组合产生，LED能产生多种颜色的光，白色光只是其中的一类[11]。白光发光二极管WLED之优点为体积小、高效能、寿命长以及节能环保等，主要制作方式可分为两类：一类为单芯片，其搭配荧光粉产生白光；另一类为多芯片型，借由透镜混合红、绿、蓝三芯片使发光二极管产生白光，并可调整所需光色，其有高演色性[12-13]。三色LED所需材料、系统、驱动电压、温度与光衰减率有所差异，且需三套电路设计分别控制电流，造成设计复杂，生产成本增加[14]。虽然三芯片型需三套电路设计分别控制电流或电压，但对医用冷光源不单不是缺点，相反正是其所需要的[15]。三芯片的LED灯成本对医用冷光源来说与现有的医用冷光源灯泡的价格相比明显降低。用LED灯来代替现有医用冷光源灯泡不单成本不增加，还能延长使用寿命，实现光色的自动调整[16]。

LED医用冷光源作为普通照明的一种特殊光源，更注重光通量、光束的空间分布、颜色以及显色特性等参数。LED的电压降取决于内部发射所需要的能量势垒，能量势垒由颜色决定，即电压降也取决于发光颜色。由于生产过程的差异，使得每一个LED的波长不尽相同，造成电压降上的差异。当温度增加时，由于一些与温度相关之因素，LED的发光强度亦随之减弱，在固定电流或电压操作条件下，蓝光LED的特性温度最高，绿光LED居中，而红光LED则最低。两个LED之间的温度不同也会带来颜色上的不同，并且造成电压降的差异。但是利用各自的调节电路即可使三色光得到一定的补偿，克服三色光因温度变化带来的差异。

1 医用冷光源的基本要求

医用冷光源属特殊光源，主要功能是提供亮度和可靠的显色性能，光源要适应医护人员对实物能区分各组织的分界线等微细变化[17]。医护人员利用冷光源观察组织分肉眼直接观看和显示器中观看二种，因此，作为医用冷光源，不但能提供质量可靠的可调光强度，还能根据具体情况进行调节光的显色性。

2 自动调色LED医用冷光源功能与组成

自动调色LED医用冷光源要具备以下功能：①可调节光强度；②可调节光色度；③可调节光显色性；④人对光色最为敏感；⑤能自动跟踪设定的光色[18]。

自动调色LED医用冷光源组成主要由主控器、亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、蓝光调节器、红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器、主LED灯和副LED灯以及指示电路组成。主控器的输入端接入亮度调节器、红光调节器、绿光调节器及蓝光调节器；主控器的输出端接入红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器及指示电路；光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器同时接入主控器的输入和输出两端。

LED灯检测与转换器由LED灯检测电路和转换电路组成，同时连接红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、主LED灯以及副LED灯。电源管理器由供电管理电路和充电管理电路组成[19]。光记忆跟踪器由光参数固定电路和光检测电路组成。白光检测调节器由红光检测调节、绿光检测调节和蓝光检测调节三部分组成。光强度输出调节控制分人工调节控制和自动调节控制[20]。

3 自动调色LED医用冷光源设计方案

3.1 光源的采用

以红、绿、蓝三原色光等比例混合为白光作为基础，利用不同的比例混合得到所想要的颜色[21]。例如LED显示器是以红光、绿光和蓝光3种颜色的LED作为光源，当这3种颜色的LED混合之后可产生各种颜色，而人眼色彩感受也是红、绿、蓝3种和LED的正好相对应[22]。

3.2 LED灯选用

大功率LED灯具有优秀的柔光技术，可使LED光源扩展为面光源，消除眩光，提升视觉效果。LED射灯采用二次光学透镜，其作用是聚光、避免了光的重复浪费，使出光率比普通LED提高10%以上[23]。医用冷光源的光源LED灯选用多面反射灯杯，采用红、绿、蓝三芯片的驱动调节电路，灯座采用多脚插针，方便更换和调节。

3.3 白色光的组合与光调节

LED医用冷光源输出的总光强度等于红光、绿光和蓝光三分色光输出的光强度之和。输出的光颜色由红光、绿光与蓝光的比例组合所决定。LED医用冷光源的白色光组成由主控器控制红、绿、蓝光的输出比例，输出的光源由白光检测调节器检测与调节。白光检测调节器可测量输出白光实际的组成成分；白光检测调节器将测量结果反馈给主控器后，再经对比、计算作出相应处理，使其输出合格的白色光。由于当驱动电压或电流同步变化时，红、绿、蓝光输出强度变化量不同，故在总光强度经调节后输出的光源颜色在使用过程中也会有所改变；另外，因温度等外部因素改变，红、绿、蓝光输出光强度变化量各不同，所以在正常使用中光源产生的光色也会有一定的改变。为能固定已经设定的光色输出就需要固定其数据，通过自动控制与调节，保证输出光的稳定，光记忆跟踪器就是其中的一个组成部分。LED医用冷光源在选择适合的光输出值后如需进行自动跟踪可选用光记忆跟踪器实现。光记忆跟踪器检测部分和白光检测调节器中的检测部分相同，也由红、绿、蓝光检测3个部分组成，将检测到的光值传给主控器，由主控器与原定的光值作比较，如有误差经主控器进行适当的补偿，保证光输出和原设定值一致。

光源的最佳显色性，不是对所有的人都一样。因人的视觉细胞反应不一致，不是每个人对颜色都是在白光时为最佳光源，可适当的微调红、绿、蓝光取得最佳光源，即用光源的显色性(光源的颜色)来补偿人眼对颜色的差异。如在白色光经自动处理后，使用者感觉仍不太满意，可选用手动调节，使其达到最佳程度时，再选用光记忆跟踪器实行光自动跟踪自行设定的光源。

3.4 三原色的控制与调节

红、绿、蓝三色的光强度，一方面受白光检测调节器和亮度调节器的调节，另一方面还分别受红光调节器、绿光调节器及蓝光调节器各自的调节输出分色光的强度。白光检测调节器和亮度调节器保证输出符合要求的白色光及其强度，能实现自动调节。由于人的差异性和摄像与显示的差异，为满足不同的需求，红、绿、蓝三色光的光强度在一定程度上可分别进行各自的调节，调整三色光各自实际输出强度，并分别由红光调节器、绿光调节器及蓝光调节器分别控制与调节。

3.5 电源管理电路

为防止因外部电源的因素影响自动调色LED医用冷光源的使用，从而影响手术的正常进行，在自动调色LED医用冷光源使用时，电源管理器一方面自动检测电源供给状况，由供电管理电路负责完成；另一方面管理充电电池，由充电管理电路负责完成。平时根据充电电池的电量情况进行充电。当医用冷光源在使用时因外部电源故障，电源管理器转换电源供给，充电电池即时给主控器提供电源，保证医用冷光源的正常供电[24]。

3.6 LED灯检测与转换电路

LED灯使用寿命较长，但也有损坏和故障可能，遇有故障常用的应急处理方法是：采用二组LED灯即主LED灯和副LED灯作为发光源；光源检测和控制由LED灯检测与转换器完成，LED灯检测与转换器由LED灯检测电路和转换电路二部分组成，LED灯检测电路自动检测LED灯的状况，给其中的一组LED灯提供工作电源，使其发光；另一组处在备用状态。若在工作中的一组LED灯因故不能正常工作，转换电路则工作，进行二组LED灯间的工作状态转换，工作状态的LED灯转为备用状态，无工作电源供给；备用状态的LED灯转为工作状态，提供工作电源，得电发光。3.7 指示电路

指示电路是给使用者提供LED冷光源使用工作状态，根据实际使用状况发出相关指令，如光源强度、红、绿、蓝光强度、供电情况(外部电源或内部电源和充电状况)、二组LED灯状态以及光控状况(自动与手动)。

3.8 控制电路

控制电路是自动调色LED医用冷光源非常重要的部件。LED医用冷光源的控制单元为主控器，主控器由微处理器为核心组成，输入端接收亮度调节器、红光调节器、绿光调节器以及蓝光调节器的信号，并根据输入的信号值作出对应处理，经输出端红光驱动器、绿光驱动器及蓝光驱动器控制调节输出值，同时对指示电路给出相应指令；白光检测调节器、LED灯检测与转换器、电源管理器、光记忆跟踪器分别接主控器的输入和输出二端，一方面接收主控器的指令，另一方面也将所检测的数据反馈给主控器，主控器则根据反馈的数据进行分析处理，作出必要的调整。

4 展望

LED作为新型光源已广泛的在各行各业中得到普遍应用。在医学领域LED光源已经广泛的使用在手术无影灯、头灯等医疗设备中。自动调色LED医用冷光源利用计算机控制与摄像、显像配合，可得到最佳分辨率，并能进行自动检测与自动控制，保证各种诊疗工作顺利进行。相信自动调色LED医用冷光源将在医疗卫生系统得到广泛的推广应用。

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Research on development of automatic color LED medical cold light source/

ZHU Bo, YUAN Qiang, YUAN Lin//
China Medical Equipment,2015,12(12):87-89.

According to the clinical needs, to meet the different requirements of users,to provide a kind of energy-saving, environmental,Protection, safety,reliable automatic color LED medical cold light source; using LED as light source medical cold light source, LED used red, yellow, green The three primary colors, with the three drive control; light intensity using the total luminosity regulation combined with red, yellow, green three primary color Festival; automatic regulation, tracking and artificial regulation combined. According to the camera, display and individual different regulating the best color,taking LED as the light source, using the total light intensity and color separation light (red light, yellow light, green light intensity detection), and can realize thetracking, to develop the automatic tracking set color and intensity automatic colorLED medical cold light source. Conclusion automatic color LED medical cold light source of safe use, reliable performance, energy saving and environmental protection; the different needs can be suitable for different users; and can realize automatic control and manual adjustment of light intensity and light intensity of the total.

Light emitting diode; Medical cold light source; Self-regulation; Three driving light intensity

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.028

1672-8270(2015)12-0087-03

R197.39