便携式内窥镜冷光源系统设计*

周文光 孔 悦 王春飞 许新建 毛坤剑

便携式内窥镜冷光源系统设计*

周文光①孔 悦①王春飞①许新建①毛坤剑②*

目的：设计一种便携式内窥镜的冷光源系统，以外接的方式为内窥镜提供高质量的照明。方法：采用特制的发光二极管(LED)作为冷光源，以光纤为传导介质，设计LED到内窥镜前端的光学系统；以TPS61165为大电流驱动芯片，芯片STM32产生PWM信号，设计LED的控制电路；通过外接镶嵌的方式设计LED照明的散热系统。结果：经过临床测试，冷光源系统照度稳定，显色指数高，色温低，散热效果好。结论：便携式内窥镜冷光源的照明系统非常适合便携式内窥镜的运用。

发光二极管；照明系统；散热系统

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and The 174 Hospital of PLA, Xiamen361003, China.

便携式内窥镜将各式内窥镜、冷光源系统、大型台车、视频采集、显示系统以及图文处理计算机系统等一体化设计，使门诊检查、组织活检、住院查房、机动医疗和多科会诊更加方便快捷[1]。便携式内窥镜体积小，重量轻，而传统的冷光源系统一般采用氙灯或者红绿蓝(RGB)三基色与发光二极管(light emitting diode，LED)RGB-LED混光成白光的方式等，其体积庞大、电路复杂等明显缺点无法满足便携式内窥镜照明系统对光源部分的要求[2]。因此，设计一种便携式内窥镜冷光源系统，适用于便携式内窥镜的照明。

1 便携式内窥镜冷光源系统设计

采用特殊封装技术LED为冷光源设计便携式内窥镜冷光源系统，其主芯片STM32产生的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号控制TPS61165，稳压输出电压驱动LED。整个冷光源系统采用外接的方式连接在便携式内窥镜上，配合独特金属外延技术的散热系统，其照明显色指数高，重量轻，操作简单，散热效果好，适合于便携式内窥镜的照明运用[3-4]。本研究项目为南京军区2013年度科技创新项目，且已获得国家实用新型专利。该系统由电路部分、结构部分和散热部分组成。设计目标为：①电压输出稳定，照明亮度恒定如一；②显色指数高，真实反映组织颜色；③外观轻巧，连接方便，操作简单；④散热效果好，LED使用寿命长。

1.1 系统的电路部分

该系统的点光源采用专用LED芯片发出的360～400 nm紫光，激发涂布在其上方的RGB荧光粉，由RGB荧光粉发出的三色光调制成白光[5]。严格控制LED芯片的工作电流和荧光粉的均匀性与厚度，LED发出的紫光不参与白光的配色，控制好各色荧光粉的选择及配比，即可调制出色温值为5700～6500 K、显色指数为93的白光[6]。

主电路芯片采用STM32，通过其定时器来产生PWM信号控制TPS61165，进而稳定LED的输出电压。STM32产生的PWM信号根据锂电池的电压大小来控制PWM信号的占空比(如图1所示)。

图1 便携式内窥镜电池电压降和等幅PWM信号示图

便携式内窥镜使用锂电池供电，在使用过程中锂电池电压慢慢下降，PWM信号输出的脉宽相应变宽，输出的电压稳定不变。冷光源系统控制电路如图2所示。

图2 冷光源系统控制电路图

冷光源系统采用驱动芯片TPS61165，其输出电压SW端通过稳压管D1加在LED上。STM32的PWM信号通过TPS61165的CTRL端控制锂电池的稳压输出[7]。

1.2 系统的结构部分

由于便携式内窥镜体积小，重量轻，集成度高，无法内置现有的冷光源系统，故采用外接的方式连接内窥镜，通过独特的结构和光路设计，能够快速连接使用，抗震效果好，其结构如图3所示。

图3 冷光源系统结构框图

从图3可知，冷光源系统以外接的方式从便携式内窥镜手持主机连接内置光源，直接输出到各类医用内窥镜，其结构如图4所示。

图4 冷光源系统结构示图

图4 显示，从内窥镜电压输出两组电压，一组给内置冷光源提供电压，一组连接外部充电接口，可实时为内窥镜充电。内置冷光源直接接在医用内窥镜上，内窥镜看到的图像通过光学接口直接呈现在内窥镜手持主机上，便于观看[8]。

当内置冷光源有故障时，该系统还备有外置冷光源，采用电池供电，可快速接在医用内窥镜上。整个系统采用显示指数高的冷光源，能够真实的反应组织颜色，其效果如图5所示。

图5 冷光源采集效果图

表1 常用散热材料的热导系数

1.3 系统的散热部分

本系统的散热设计分为两方面。一方面特殊封装的LED先去除GaAs衬底，然后再将其表面与Si基底表面同时蒸镀Al质金属膜，在一定的温度和压力下熔接在一起，最大限度的减小LED芯片的温升[9]。采用导热性能较好的材料将热量散发出去，常用散热材料的热导系数见表1。

本研究使用铝合金做散热材料，有效的利用热容量效应，将LED与整个外壳紧密封装，使LED有最短的热传导路径，减少热传导阻力；整个LED灯镶在铝合金内部，外观进行褶皱外延技术，最大程度的增大热传导面积，进而增加热传导速度，其结构如图6所示。

图6 内置冷光源结构图

2 便携式内窥镜冷光源系统的应用

便携式内窥镜冷光源使用简单，连接方便，能够快速的连接投入使用。其连接方法如下：

(1)取下光学接口防尘盖和便携式手持主机防尘盖，将光学接口旋转接入便携式手持主机

(2)将光源和外接连接线一端接口红点对准推入拧紧；将内置光源连接到内窥镜，两手捏紧光学接口卡环，取下镜盖，再次捏紧光学接口卡环，接上内窥镜；将外接连接线接口一端红点与主机对准，推入自动拧紧；若要取下，则两手按住接口格纹处往外轻拉。其连接方法如图7所示。

图7 内置冷光源连接示图

(3)采用外置冷光源，其连接方法如图8所示。

图8 外置冷光源连接示图

该系统连接冷光源后，能够快速的进行门诊各种小手术和诊疗活动。整个系统简洁轻便，操作简单，安全性能好，使用寿命长。

3 结语

针对便携式内窥镜对冷光源系统的特殊要求，本研究所研制的便携式内窥镜冷光源系统以外接的方式为内窥镜提供高质量的照明。整个系统采用内置冷光源和外置冷光源进行光路设计，配合独特的结构设计和散热设计，使便携式内窥镜画面显示质量高，散热效果好，使用安全可靠，且系统操作简单，运用方便，技术便于掌握，适合在医院门诊检查、机动医疗及野战医疗等活动的应用[10-12]。

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[3]陈善琼.富士能EXP-4400型内镜系统介绍及应用[J].中国医学装备，2013，10(2)：35-37.

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[5]孙英杰，卜文斌.LED照明的照度均匀性研究[J].自然科学报，2008，24(3)：50-52.

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Design of the cold light source system for portable endoscope

ZHOU Wen-guang, KONG Yue, WANG Chun-fei, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):38-40.

Objective: To design a portable endoscope cold light source system. Methods: Using special LED as a cold light source, optical fiber astransmission medium, optical system design LED to the front end of the endoscope; with TPS61165 high currentdrive chip, STM32 generates a PWM signal, the control circuit design of LED; cooling system through the external embedding mode design of LED lighting. Results: After clinical testing, cold light source illumination of the design of the system is stable, high color rendering index, color temperature low, good heat dissipation effect. Conclusion: The design of the lighting system is very suitable for theuse of portable endoscope.

Light emitting diode; Lighting system; Cooling system

周文光,男,(1970- ),本科学历，主任技师。解放军第174医院 厦门大学附属成功医院器材科，从事医疗设备的维修、质量控制及使用管理等研究工作。

1672-8270(2015)01-0038-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.012

2014-08-21

南京军区2013年度科技创新项目资助课题(MS087)“野战便携式内窥镜视频系统的研制”

*专利：国家实用新型专利(2014 2 0083810.3)

①解放军第174医院 厦门大学附属成功医院器材科 福建 厦门 361003

②解放军第174医院 厦门大学附属成功医院医务处 福建 厦门 361003

*通讯作者：kunjian_m@126.com