整体反射式无影灯的LED改造

2015-12-21杨坤,邵蕾,周凯等

生物医学工程学进展 2015年2期

关键词：光路

整体反射式无影灯的LED改造

杨坤，邵蕾，周凯，郑博，胡永路

上海同济医院(上海，200062)

通信作者：邵蕾，E-mail: lei_shao1@163.com

【摘要】该文为传统的整体反射式无影灯改造成LED无影灯提供了一种设计方案，以低廉的成本，使老式无影灯获得当前主流的LED无影灯的性能优点，达到延长设备寿命，提高经济效益的目的。该文阐述了光源组件的选择，光路的优化设计，供电与散热问题的解决方案，证明了该改装方案是可行的。

【关键词】整体反射式无影灯；LED光源；光路

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.016

作者简介：杨坤，E-mail: tjsbk@163.com

【中图分类号】TH773

【文献标志码】A

文章编号：1674-1242(2015)02-0121-03

Abstract【】This paper presents a reconstruction strategy on transforming the traditional overall reflection shadowless light into LED shadowless lamp. With a low cost, the old shadowless light can possess the performance advantages of the current mainstream of LED shadowless light. Therefore, the equipment life and economic efficiency of traditional light can be to extended and improved. This paper describes the selection of the light source components, solutions to optimize the light path design, power and cooling issue and demonstrats the feasibility of the design.

收稿日期：(2015-03-08)

LED Retrofit in Overall Reflective Shadowless Light

YANG Kun, SHAO Lei, ZHOU Kai, ZHENG Bo，HU Yonglu

Shanghai Tongji Hospital(Shanghai，200062)

【Key words】overall reflection shadowless, LED light source, light path

0　引言

手术无影灯是手术室中重要的医疗设备之一，医护人员通过无影灯的使用，实现在患者施术部位无阴影照明的目的，从而帮助医生清晰地分辨病灶组织，顺利地完成手术。手术无影灯发自上世纪二十年代诞生以来，发展到现在，已从单灯型，孔式多灯型发展到目前的整体反射型，经历了不断的技术革新，性能不断完善。无影灯光源也从白炽灯、卤素灯、高照度卤素灯和氙灯发展到LED灯。LED光源自2006年被应用于手术无影灯领域以来，因其高亮度，长寿命，无频闪，显色指数高，冷光效果好的特性，迅速成为市场主流产品。2012年以来，上海市各大医院新购的手术无影灯绝大多数都选用了LED光源。

但是，目前我国各级医院装备量最大的手术无影灯，仍然是整体反射式金属卤素灯。因产品固有的技术特性，这些无影灯都存在着光效低，光源寿命短，照明中产热高等缺点。如果能有合适的技术方案，把这些无影灯的光源改造成LED光源，将大大延长这些无影灯的服役周期，产生良好的经济效益和社会效益。本文主要探讨的就是传统的整体反射手术无影灯进行LED光源改造的可行性。

1　整体反射式无影灯与常规LED无影灯的技术差异

整体反射式手术无影灯为获得最大的无影效果，通常采用单反射器和大发光面并用的技术方案：单灯泡多边反射器是该型无影灯的核心，采用CAD设计冲压一次成形，一般由不低于3 000个反射面组成；光源一般采用无遮光罩低电压卤素灯，标称参数多为24 V/50 W或24 V/150 W，寿命通常为500 h，采用恒压源供电；卤素灯在照明中产热普遍较高，为降低光照引起的组织干燥等情况的发生，需要增加冷光滤光镜。为了防止手术中光源故障对手术的影响，需要主备光源自动切换机构。另外还有相应的调节无影灯亮度和光斑面积的机构。

常规LED无影灯根据LED色温类型分为外混、内混、单色纯白光源三类。由于单个LED 光珠的亮度难以满足手术灯照明需求，通常采用类似早期的孔式多灯型的点阵式LED光源布局结构，采用恒流源供电。由于工作时发热量较低，无需采用特别的隔热措施。通常采取并联多个LED光珠组方式，这样即使单个灯珠的损坏对照明效果无太大的影响，不需要主备光源切换模式与机构。

2　改造方案

整体反射式手术无影灯进行LED光源改造的核心问题是用LED灯珠替换原有的卤素灯珠或氩气灯。在原有的系统中，灯泡作为一个点光源的形式，被置于反射器的中心位置，但是目前的市场上很难买到单个封装且能在参数上满足无影灯技术要求的LED灯珠。因此，最可行的方案是设计一组LED灯珠满足无影灯在光亮强度、色温，显色指数上的技术要求，并通过灯泡外部的光学组件，将这组灯珠模拟成点光源，以使整个系统的外部光学性能基本不发生改变。为使改造后的无影灯能正常工作，还需对无影灯的电源系统及灯珠组的散热进行一定的更改或设计。

2.1灯珠组封装设计

由于单个LED灯珠的发光功率有效，目前市场上的LED无影灯产品普遍采用多组灯珠分散布局的方式，以达到最佳的亮度和无影条件。随着制造工艺和技术水平的不断提高，单个LED 发光功率不断地得到提高，进而使设计的光源光能输出更大，从而可减少LED 的使用个数，使手术灯结构更小型化。目前，市场上主流的灯珠供应商如CREE、OSRAM、韩国泛亚都可根据用户的需求，对LED灯珠进行封装。为便于说明，我们以光照度100 000 lx，光斑直径280 mm，色温4 000～4 500 K，显色指数>90为设计目标，设计封装方案。我们根据实际使用情况在市场上现有的产品中选择了CERR公司的CXA1830这款灯珠。通过参数对比，可以看出CREE CXA1830灯珠在参数上完全超越了传统卤素灯，具有能效高，功耗低，显色指数高，寿命长等特点。

表1 　CREE CXA1830灯珠与整体反射灯

2.1.1灯珠散热设计

以灯珠的最大工作电流1 400 mA计算，我们设计的LED灯珠组发热量为：20～25W,而传统卤素灯发热量为100 W以上.。由于系统的发热量较小，我们可以考虑采用被动散热的方案：采用铜质基座作为散热基座。为保证散热效果，可将铜质散热基座安装于灯罩上。传统整体反射式无影灯基本为铝合金冲压灯罩，可提供良好散热效果，无需主动散热。

2.1.2光学模块设计

因LED灯珠(模块)是面光源，所以整个设计最大的难点就是利用光学组件使LED模块模拟点光源替代原有的卤素灯珠，以达到利用原有光路的目的。为此，我们根据试验，通过采用透镜聚光、多棱镜反射的方案，达到设计需求，并具有便于散热，改装方便等特点。其结构示意图如图1所示。

图1光学模块结构示意图

Fig.1 The optical module structure

2.2无影灯电路改造

传统无影灯一般采用24 V直流供电电源，供电至灯头或内外弯管处驱动电路，进驱动板升压降压后供电至光源组件。在此，们可以利用原有电路线材(走线)。CERR CXA1830 LED光源组件需求37 V(最大)直流供电，700 mA～1400 mA电流。我们只需要重新设计制作可调恒流驱动电路就可满足改造需求。在此，我们选用市面上现有的恒压电路：ZXY6005S模块满足试制需求。