LED光源手术无影灯的研制*

2017-12-02苏本华苏春英杨海燕冯念伦孙仲轩

中国医学装备 2017年11期

苏本华苏春英杨海燕冯念伦孙仲轩

稿约

LED光源手术无影灯的研制*

苏本华①苏春英②杨海燕③冯念伦①孙仲轩④

目的：研制一款新型光源手术用无影灯，以解决传统式手术无影灯存在的弊端。方法：选用发光二极管(LED)作为光源灯，经过多次验证，选择合适的灯珠数量及色温，调节供电电压，进行光学曲线的配置以及驱动电路的优化。结果：实际使用验证，在手术中能清楚地分辨器官组织和血管，清晰地观察处于切口和体腔中不同深度、大小及对比度低的组织。结论：经过相关机构的检测和临床试验，LED光源手术无影灯能够满足手术需求，适合手术照明使用。

手术无影灯；发光二极管；色温；LED伏安特性

手术无影灯是外科手术中不可缺少的重要设备，要求能够清晰地观察处于切口和体腔中不同深度、大小以及对比度低的器官组织。因此，除需要“无影”以外，还需要光照度均匀、光质好，能够很好地区分血液与人体其他组织和脏器的色差。无影灯还需能长时间地持续工作，且不散发出过多的热量，因为过热会使手术者不适，也会使处在外科手术区域中的组织干燥[1]。

传统的无影灯采用卤素灯泡式，不环保且功率大，如不加滤光或滤光措施不当，不仅照明效果不好，而且会产生过量的红外光热辐射，加速患者伤口的血凝，对医生和护士也会产生炙热感。而新型LED光源的出现可以解决传统式手术无影灯存在的弊端，因此本研究开发设计一款大功率白光LED作为光源的手术无影灯。

1 无影灯光源的选择

人类看到的物体颜色都是太阳光或其他光源照射下，光源反射到人眼所看到的颜色，由于现代光源在可见光范围内不一定是连续光谱，使得人体组织在不同光的色温下视觉清晰度不同。显色指数指的就是光源照射到被照物时色彩的真实度，简称显色指数[2]。

在医疗仪器行业标准《YY0627-2008医用电气设备第2部分：手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》给出了无影灯色温3000～6700 K的要求，而自然光的色温为4000～5000 K，在此区间医生对解剖组织可以获得最直观的认识，清晰地分辨出血管和组织的轮廓[3]。根据上述自然光色温要求，选择发光二极管(light-emitting diodes，LED)作为无影灯光源。

1.1 光源的特点

(1)新型绿色环保光源。LED无影灯运用冷光源，眩光小且无辐射，使用中不产生有害物质[4]。LED的工作电压低，采用直流驱动方式，超低功耗(单管0.03～0.06 W)，电光功率转换接近100%，在相同照明效果下比传统光源节能80%以上。LED的环保效益更佳，光谱中无紫外线和红外线，而且废弃物可回收，无污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色环保照明光源。

(2)寿命长。LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也无松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积和光衰等缺点，使用寿命可达60000～100000 h，是传统光源使用寿命的10倍以上。LED性能稳定，可在-30～50 ℃环境下正常工作。

(3)多变换。LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256(即16777216)种颜色，形成不同光色的组合[5]。

(4)高新技术。与传统光源的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，传统LED灯中使用的芯片尺寸为0.25 mm×0.25 mm，而照明用LED的尺寸一般都在1.0 mm×1.0 mm以上。LED裸片成型的工作台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片设计能够改善其发光效率，从而发出更多的光。LED封装设计方面的革新包括高传导率金属块基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等，采用这些方法都能设计出高功率、低热阻的器件，而且这些器件的照度比传统LED产品的照度更大[6]。

1.2 色温及颜色的应用

(1)光源的色温。人们用与光源的色温相等或相近的完全辐射体的绝对温度来描述光源的色表，即人眼直接观察光源时所看到的颜色，又称光源的色温。色温是以绝对温度(K)来表示。

(2)演色性。光源对物体颜色呈现的程度称为演色性，也就是颜色的逼真程度。演色性高的光源对颜色的表现较好，所看到的颜色较接近自然颜色；演色性低的光源对颜色的表现较差，所看到的颜色偏差也较大。如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例与自然光相近，则眼睛所看到的颜色也就较为逼真。

(3)显色指数。一般以显色指数为表征显色性。标准颜色在标准光源的辐射下，显色指数定为100。当色标被试验光源照射时，颜色在视觉上的失真程度就是这种光源的显色指数。显色指数越大，则失真越少，反之，失真越大，显色指数就越小。不同的场所对光源的显色指数要求不一样。

1.3 LED灯珠的选择

在相同的功率下，照度大的LED灯珠色温相对较高，而高色温的灯珠显色指数却较低，因此在能达到额定照度的情况下，为了既得到合适的色温，同时又能保持较高的显示指数，则选择多种灯珠的搭配使用。但如果灯珠的品种太多，混光后在光斑外沿会产生一个不同颜色的光圈，就易使人产生眩晕，不利于手术的进行[7]。因此本研究选用了6500 K和4000 K地两种色温相差不太大的灯珠进行混光，经过精确地配比和合适的空间位置搭配，使其在中心照度达到手术照明需求的情况下，色温在最接近自然光的4000～5000 K的范围内随意调节，显色指数在85～93范围内，且两种LED灯珠的显色指数均在90以上，帮助医师清楚的分辨器官组织和血管。

2 无影灯的光学设计

LED以圆周方式进行排布，为实现光斑大小控制，采用花瓣形设计，共分为6个花瓣，每个花瓣分布10颗LED，在半径为10.5 cm、15 cm、22.5 cm以及30 cm的位置上各分布1颗、2颗、3颗和4颗LED。为了使所有位置的LED投射出的光能在距灯头下方1 m处聚成光斑，不同半径处的LED相对于1 m直下的光斑中心会有不同的倾角：在半径为10.5 cm、15 cm、22.5 cm以及30 cm位置上的LED相对于垂直方向的倾角度分别为：4.5°、8.5°、12.7°和16.7°，这样可以很好的满足国家标准中要求的照度和光斑要求(如图1所示)。

图1 无影灯灯珠排列示意图

3 无影灯驱动控制系统设计

LED灯的控制模式分恒流和恒压两种模式，其各有特点。本研究选用PT4115大功率单通道输出的LED恒流驱动器，可以连续工作24 h以上。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输出电流可调，最大可达1.2 A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和较宽范围的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)调光。当DIM引脚的电压＜0.3 V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。设定LED灯珠的电流为350 mA，电源采用符合医疗设备要求的安全电压24 Vdc供电[8]。灯珠伏安特性曲线如图2所示。

图2 灯珠伏安特性曲线图

3.1 恒流模式

(1)恒流模式的优点。在一定范围内不受电源电压影响，对电源要求低。不受LED灯珠的导通压降影响，降低了对灯珠的要求。串联灯珠数量可以在设计范围内增减而不用调整控制器。

(2)恒流模式的缺点。电路结构复杂，灯随工作温度上升照度会有一定下降。

3.2 恒压模式

(1)恒压模式优点。电路简单可靠。

(2)恒压模式缺点。灯随温度上升照度会有一定上升；灯珠参数一致性要求高，生产和维护比较困难；灯珠串联的数量不能随意增减，电源电压精度和稳定性要求高。

LED的伏安特性曲线显示，如果电压恒定，电流即稳定，因此采用恒压和恒流效果是一样的。但是实际上，LED的伏安特性并不固定，而是跟随温度而变化，因此电压恒定了，电流并不一定不变，而是随温度而变化。这是因为LED是二极管，其伏安特性具有负温度系数的特点，同时因LED的亮度是和其正向电流成正比，随着工作时间的增长，温度的升高，如果采用恒压源的话，电流将会变低，使得整个灯的照度降低[9]。鉴于以上特点，目前市场上大部份产品采用恒流模式。

本研究设计的一款LED无影灯，具有调亮度、调色温、电动调光斑大小以及多工作模式选择等功能，其核心部分还是LED的电流控制技术。根据技术要求，设定了LED灯珠的电流为350 mA，电源采用符合医疗设备要求的安全电压24 Vdc供电。灯珠6颗串联，每颗灯珠额定压降约3 V左右，6颗灯珠总电压约为18 V。电路采用了专用Buck降压恒流电路，电路工作频率约300 kHz(如图3所示)。

3.3 采样电阻

采样电阻(RS)应选用0805的金属膜电阻，电阻的阻值与负载电流有关，工程上计算为公式1：

图3 电路原理图

如负载是6颗1 W的白光LED，工作电流是350 mA，采样电阻值是：Rs=0.1/0.35=0.2857 Ω。

选用R24系列的0.27 Ω，计算恒流值为370 mA。实测电阻为0.265 Ω，恒流值为376 mA。

3.4 镇流电感的选择

电感是此电路中的关键元件，从原理上讲，电感量越大，恒流精度越高。如用47 μH的电感，输入电压在8～30 V范围里变化，恒流精度是30%；如果用220 μH的电感，恒流精度就能提高到9%以下。影响电感质量的重要因素是磁性材料，建议采用锰锌4000、居里点400的磁性材料。磁性电感的最大缺点是易产生硬饱和，这在用户的设计中经常发生[10]。一旦发生磁饱和后果往往是灾难性的，会瞬间烧坏芯片或LED。因而，推荐按表1数值选择电感，尤其注意电感的饱和电流一定要不小于表1中的值。一般饱和电流小的电感铜线较细，Q值也较小，这种电感即是未发生磁饱和稳流效果也会很差(见表1)。

表1 电感L选择表

3.5 整流二极管的选择

目前市面上灯的最大输出电流通常设置为350～900 mA之间。由于驱动板空间有限，通常建议选用体积小、导通压降低的肖特基二极管(1 A，40 V)搭建整流桥，推荐型号为MBRS140，其封装体积较小，300 mV左右的导通压降有利于最大可能的提高转换效率[11]。

但是，如果输入输出压差＞8～10 V以上时，从散热的角度以及保证系统能够长时间稳定工作的方面考虑，则应选择体积稍大、散热条件较好的SS14产品，SS14在成本方面也有优势，但是其导通压降大约在500 mV左右。

在实际生产过程中必须严格按照设计技术要求控制元件品质和生产过程工艺，以保证产品的质量和稳定性，且符合医疗设备的严格质量要求[12]。

目前，市场上的LED恒流驱动器种类繁多，质量千差万别，而无影灯属于医疗器械，对驱动器的可靠性和稳定性有着更高的要求，尤其是在长时间连续工作的状态下[13]。本研究经过多套方案的测量对比发现，大多数的恒流驱动器在工作的初期，性能差别不大，但是当连续工作8 h以上，很多驱动器出现了热保护现象，造成了灯珠的频闪，不能满足产品需要。为此最终选择一款大功率单通道输出的LED恒流驱动器，可以连续工作24 h以上[14]。

4 LED光源无影灯的优势及特点

本研究设计和研制的系列手术无影灯，经过相关机构的检测和医疗机构使用验证，很好的满足了医生的手术需求，可以为医院提供价格优惠的产品，系列产品已经取得了医疗器械注册证，并且获得了多项国家专利证书(如图4所示)。

图4 YDE700型LED手术无影灯实物图

4.1 色温调节

灯头安装了不同颜色的LED灯珠，能够精确设定3500～5000 K范围之间的色温。显色指数最高达到95；通过改变色温，可以更加有效的加强组织结构的对比。

4.2 照明度

照明度可以在4000～160000 LX之间调节。降低照明度并不改变光的色温。每个灯头的照明度可以分别调节。

4.3 故障率

每一个LED模块含有9～10个LED灯珠，每一个模块含有独立电子控制系统，灯头具有非常低的故障率，单个LED的故障不会影响灯头的功能。

4.4 焦距调节

采用电动和(或)手动两种调焦方式，数字方式无级调控LED的亮度，焦距调节方便。

4.5 低产热

LED的更大优势在于其产热少，因其不发射红外线或紫外线，而这些射线对皮肤有刺激作用。

4.6 平均使用寿命

LED灯优于传统卤素灯或者气体电灯之处在于其使用寿命很长，传统的灯通常在使用600～5000 h之后就必须更换，LED灯的平均寿命为50000 h。

4.7 节能

采用1 W灯珠运用3D软件模拟出空间位置，以最少的灯珠排列方式完成既定的性能指标；符合层流的扰流设计，让净化的层流空气可以轻易的随着手术灯的流线运动，且让灯头能维持更佳的工作温度，有效保障了LED灯珠的使用寿命。

进口“欧达尔”弹簧臂，强固型设计，轻便灵活，灯臂不产生迷走现象；可卸式手柄外套，可在135 ℃高温下消毒，可操作灯体的聚焦、位置及角度。

5 产品技术参数

目前，市场上主要有YDE700型和YDE500型两款LED手术无影灯销售，而YDE700型为700灯头，YDE500型为500灯头。

两款LED手术无影灯技术参数。①照度：40.000～160.000 Lux，40.000～140.000 Lux；②色温：(4200±500)Ko，(4200±50)Ko；③显色指数：95 Ra，95 Ra；④光照深度：80 cm，100 cm；⑤波长：＜400 nm，＜400 nm；⑥辐照度：≤0.002 W/m2，≤0.002 W/m2；⑦聚焦调节：手动/电动，手动/电动；⑧灯珠功率：1 W/颗×60颗，1W/颗×45颗；⑨电源：220 V 50 Hz，220 V 50 Hz；⑩输入功率：100 W，80 W；LED平均寿命：50000 h，50000 h；最低安装高度：2.8 M，2.8 M。

6 结论

无影灯是照明外科手术部位不可缺少的设备，以往手术无影灯一般都采用环形节能灯或卤素灯，新型的LED无影灯彻底解决了环形节能灯或卤素灯自身存在的先天缺陷，是环形节能灯和卤素灯的升级换代设备。本研究研制的LED无影灯经过相关机构的检测和临床试验，能完全满足医生的手术需求，适合各级医院所有手术照明使用。然而，在LED无影灯设计过程中，需要对热效应给予充分的考虑，这关系到其是否能够长期稳定的工作；在灯珠的曲面排列设计上一定要优化曲面设计，可以在同样的能效下得到更大的照度。

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[13]医药行业标准.YY0648-2008测量、控制和实验室用电气设备的安全要求第2-101部分：医用设备的安全要求[S].国家食品药品监督总局，2008-04-25.

[14]国家标准.GB/T14710-2009医用电器环境要求和试验方法[S].国家质量监督检验检疫总局，2009-11-15.

A development of operating astral lamp by using LED

SU Ben-hua, SU Chun-ying,YANG Hai-yan

Objective:To develop a new operating astral lamp by using LED, a kind of new light source, so as to resolve the existed problems in traditional light sourceMethods:The LED was used as the light source, and the appropriate lamp bead amount and proper color temperature were chosen through the experiment of repeated verification. And the configuration of optical curve and optimization of drive circuit were exerted through adjusted the service voltage.Results:As the verification of practice results, the tissue and vessel could be clearly identified during operation. And the tissues of different depth, size and lower contrast in the notch and coelom could be observed at the best level during operation.Conclusion:Through the test and clinical experiment of related organization, the astral lamp of LED can completely satisfy the demand of operation and suit for the usage of illumination in operation.

Operating astral lamp; Light-emitting diodes (LED); Color temperature; Volt-ampere characteristics of LED

Department of Medical Engineering, Shandong Provincial Hospital affiliated to Shandong University, Jinan 250021, China.

1672-8270(2017)11-0001-05

R197.39

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.001