整体反射式LED手术无影灯的小型化设计

2020-04-09韩迎澳

上海师范大学学报·自然科学版 2020年1期

汪洋，孙晨，李莉，张倩，韩迎澳

（上海师范大学信息与机电工程学院，上海201418）

0 引言

传统手术无影灯多采用孔式结构，以卤素灯作为光源进行手术照明［1］.由于孔式无影灯体积庞大以及卤素灯带来的热辐射易诱发感染等问题［2］，越来越多的医疗器械公司推出了一种冷光源LED 的整体反射式无影灯结构.相比传统结构，该整体反射式无影灯体积减小了，并在一定程度上解决了热辐射问题.

目前，整体反射式LED 手术无影灯在国内的发展才刚刚起步，产品技术多依赖于国外厂商［3］.从国内范围来看，重庆邦乔科技有限公司设计了一种用于手术无影灯的LED 集成单元，该LED 集成单元分布在半径为100～140 cm的球面灯罩上，为大规模整体反射式手术无影灯产品提供了方案［4］；山东新华医疗器械公司与德国照明专家OSRAM 合作，将整体反射技术与LED 技术相结合，实现了光源的不可见性，避免了炫目效果［5］；上海医疗器械五厂生产的整体反射式无影灯，单灯体的直径在60 cm 左右，相较于国内其他同类型手术无影灯，已经处于较领先的地位［6］.从全球范围来看，美国AMSCO 公司生产的手术无影灯采用整体反射式的光路系统，利用computer aided design（CAD）技术设计大反光罩的曲面，在有效的光斑范围内，减少了调解灯焦距的次数；Martin公司制造的C950型、C950/570子母型及C570/570双子型等系列整体反射式无影灯采用磁闸锁定、红外调控调节灯体的位置，其平衡操作性能在世界上处于领先水平［7-8］.

无论是国内还是国外的手术无影灯产品，其反光杯的直径大小基本在35～150 cm，结构较为庞大，这不仅会引发空气流通不畅问题，还给医护人员的消毒操作带来不便.本文作者通过对整体反射式LED无影灯的小型化改造，设计单个整体反射式LED 手术无影灯结构，并进行仿真实验，在小型化反光杯下，得到了较为稳定的光斑.

1 设计准备

1.1 整体反射式LED无影灯的设计指标

遵照国家手术无影灯的指标要求［9］，设计中心光照度为40 000～160 000 lx，色温为3 000～6 700 K，显色指数为85～100的手术无影灯.

1.2 LED芯片参数的选定

采用美国Cree 公司XLamp XHP35.2 系列的LED 光源，其LED 芯片参数为：发光效率为162 lm·W-1；显色指数为85；色温为3 000～5 700 K；尺寸为3.45 mm×3.45 mm×3 mm；配光曲线分布为Lambertian；半宽角度为135°.

2 设计方案

2.1 整体反射式LED无影灯小型化的数学模型

无影灯的光路原理图如图1 所示.从图1 中可看出，无影灯从多个方向对手术部位进行照射，达到“无影”的效果.由于整体反射式无影灯的体积主要取决于反光杯的大小，建立反光杯数学模型（图2），将反光杯近似看作抛物线OH，F为OH的焦点，OX为极轴，其对应的极坐标方程为：

其中，ρ为极坐标极径；f为焦距；θ为接收角.

图1 影灯光路原理图

图2 反光杯数学模型

抛物面的入射口径

在满足式（1）和（2）的基础上，要得到交叉汇聚的光线，可以旋转抛物面，使得光线以交叉对称方式汇聚到接收面上，通过减小θ 缩小抛物面的大小，从而建立反光杯小型化的数学模型.以非成像光学系统作为LED 的配光设计，光线经过反光杯后发生散射或汇集，在接收面上进行叠加.边缘光线照射到接收面的边缘，中间光线在接受面的中央呈连续分布.通过蒙特卡罗光线追迹得到强度和照度分布，采用Light Tools软件对强度和照度分布图进行评价，得到最优的设计结构.

2.2 整体反射式LED无影灯结构的初始设计

LED 手术无影灯结构的初始设计由LED 光源、锥体反射器、透镜、矩形接收面和反光杯组成［10］，光学组件参数设计如下：

（1）LED光源参数按XLamp XHP35.2设定；

（2）LED准直透镜的内半径设置为4 mm，高度设置为4.2 mm，透镜长设置为30 mm；

（3）仿真矩形表面接收器的宽设置为400 mm，高设置为400 mm，光线追迹最大命中数设置为1 000 条；

（4）锥体反射器的面型为二次曲面，曲面系数设置为0，半径设置为30 mm，表面属性设置为mirror；

（5）多刻面反光杯的初始直径设置为550 mm，高设置为242.21 mm，接收面的位置为距发光点1 m处.

2.3 整体反射式LED无影灯结构的改进设计

通过多次优化调整锥体反射器的半径大小，将半径参数设为45 mm，依据式（1）和（2）和仿真所得光斑成型效果优化调整反光杯大小，最终确定小型化反光杯大小尺寸的直径为440 mm，高为137.66 mm.

图3是整体反射式LED无影灯改进前后的结构和反光杯参数对比图.通过比较图3（a）和3（c）可以看出：改进后的整体反射式无影灯尺寸明显变小，直径减小了约20%，厚度减小了约50%，如图3（b），3（d）所示，但所形成的光斑效果几乎不变.LED与透镜封装后，尺寸直径接近50 mm，故反光杯中心开口设定为50 mm.

图3 整体反射式LED无影灯改进前后对比图

3 实验对比

3.1 初始设计模拟

根据初始设计的整体反射式LED 无影灯结构，在Light Tools 软件中导出光斑图（图4）和照度图（图5）.

图4 初始设计仿真得到的光斑图

图5 初始设计仿真得到的照度图

由图4可以看出，光斑的直径大约为300 mm，而且其均匀性及无影效果优良.由图5可以看出，光斑内的光强分布较为均匀，照度最大值达到了60 300 lx，符合国家手术无影灯的参数标准.

3.2 改进设计模拟

通过优化反光杯的直径和高度，在满足国家标准的基础上，仿真得到光斑图（图6）和照度图（图7）.

图6 改进设计后仿真得到的光斑图

图7 改进设计后仿真得到的照度图

由图6可得，减小反光杯尺寸后，所得光斑直径为300 mm，光斑效果与初始设计基本相同.对比图5和图7发现，在同样大小的圆形区域内，光斑的均匀性更优，且最大照度值达到了64 400 lx，强度增加了6.8%.由于LED 灯的体积非常小，通过增加LED 灯的数量，可以达到更高的照度，且不会过多增加手术无影灯的体积.