自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源的研制

朱 波 袁 強(qiáng) 袁 林

自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源的研制

朱 波①袁 強(qiáng)②袁 林③

根據(jù)臨床需要及使用者的不同要求，提供一種節(jié)能、環(huán)保、安全及可靠的自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源；將LED作為醫(yī)用冷光源的光源，LED采用紅、黃、綠三基色和三驅(qū)動(dòng)控制；光強(qiáng)度以總光度調(diào)節(jié)與紅、黃、綠三基色調(diào)節(jié)相結(jié)合；自動(dòng)調(diào)節(jié)、跟蹤與人工調(diào)節(jié)相結(jié)合。根據(jù)攝像、顯示和個(gè)體不同需要調(diào)節(jié)最佳的色彩，以LED為光源，采用總光強(qiáng)度和分色光(紅色光、黃色光、綠色光)強(qiáng)度的檢測(cè)，研制能進(jìn)行自動(dòng)跟蹤設(shè)定色彩和光強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源。自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源使用安全、性能可靠、節(jié)能環(huán)保，能適合使用者的不同需求。

發(fā)光二極管；醫(yī)用冷光源；自動(dòng)調(diào)節(jié)；三驅(qū)動(dòng)控制

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

醫(yī)用冷光源是現(xiàn)代醫(yī)療的常規(guī)光源，目前主要以鹵素?zé)簟逕舻瘸Ｒ?guī)光源為主，而常規(guī)光源能耗大、使用壽命短且光色不可調(diào)整[1-3]。而LED燈具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長(zhǎng)、亮度高防水、防震、可調(diào)光以及維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)[4-5]。在LED燈管中有一類屬高指向型燈管，具有很強(qiáng)的指向性和發(fā)光源小等特性，能作為局部照明光源使用，并與光檢出器聯(lián)合使用，以組成自動(dòng)控制系統(tǒng)[7-8]。醫(yī)用冷光源是一種特殊的局部照明光源，需要指向性很強(qiáng)的光源，并且發(fā)光源越小越好；同時(shí)需光強(qiáng)度調(diào)節(jié)方便、安全等特殊要求。對(duì)照醫(yī)用冷光源的要求和LED燈所具有的特性二者非常相符，所以從光源的特性方面用LED燈來替代現(xiàn)有常規(guī)冷光源燈泡是可行的發(fā)展方向[9]。

光源另一個(gè)要求是光的質(zhì)量，即光的顏色，而醫(yī)用冷光源要求的是白光[10]。白光是一個(gè)特別的顏色，可由非常多的可見光譜組合產(chǎn)生，LED能產(chǎn)生多種顏色的光，白色光只是其中的一類[11]。白光發(fā)光二極管WLED之優(yōu)點(diǎn)為體積小、高效能、壽命長(zhǎng)以及節(jié)能環(huán)保等，主要制作方式可分為兩類：一類為單芯片，其搭配熒光粉產(chǎn)生白光；另一類為多芯片型，借由透鏡混合紅、綠、藍(lán)三芯片使發(fā)光二極管產(chǎn)生白光，并可調(diào)整所需光色，其有高演色性[12-13]。三色LED所需材料、系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電壓、溫度與光衰減率有所差異，且需三套電路設(shè)計(jì)分別控制電流，造成設(shè)計(jì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本增加[14]。雖然三芯片型需三套電路設(shè)計(jì)分別控制電流或電壓，但對(duì)醫(yī)用冷光源不單不是缺點(diǎn)，相反正是其所需要的[15]。三芯片的LED燈成本對(duì)醫(yī)用冷光源來說與現(xiàn)有的醫(yī)用冷光源燈泡的價(jià)格相比明顯降低。用LED燈來代替現(xiàn)有醫(yī)用冷光源燈泡不單成本不增加，還能延長(zhǎng)使用壽命，實(shí)現(xiàn)光色的自動(dòng)調(diào)整[16]。

LED醫(yī)用冷光源作為普通照明的一種特殊光源，更注重光通量、光束的空間分布、顏色以及顯色特性等參數(shù)。LED的電壓降取決于內(nèi)部發(fā)射所需要的能量勢(shì)壘，能量勢(shì)壘由顏色決定，即電壓降也取決于發(fā)光顏色。由于生產(chǎn)過程的差異，使得每一個(gè)LED的波長(zhǎng)不盡相同，造成電壓降上的差異。當(dāng)溫度增加時(shí)，由于一些與溫度相關(guān)之因素，LED的發(fā)光強(qiáng)度亦隨之減弱，在固定電流或電壓操作條件下，藍(lán)光LED的特性溫度最高，綠光LED居中，而紅光LED則最低。兩個(gè)LED之間的溫度不同也會(huì)帶來顏色上的不同，并且造成電壓降的差異。但是利用各自的調(diào)節(jié)電路即可使三色光得到一定的補(bǔ)償，克服三色光因溫度變化帶來的差異。

1 醫(yī)用冷光源的基本要求

醫(yī)用冷光源屬特殊光源，主要功能是提供亮度和可靠的顯色性能，光源要適應(yīng)醫(yī)護(hù)人員對(duì)實(shí)物能區(qū)分各組織的分界線等微細(xì)變化[17]。醫(yī)護(hù)人員利用冷光源觀察組織分肉眼直接觀看和顯示器中觀看二種，因此，作為醫(yī)用冷光源，不但能提供質(zhì)量可靠的可調(diào)光強(qiáng)度，還能根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)光的顯色性。

2 自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源功能與組成

自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源要具備以下功能：①可調(diào)節(jié)光強(qiáng)度；②可調(diào)節(jié)光色度；③可調(diào)節(jié)光顯色性；④人對(duì)光色最為敏感；⑤能自動(dòng)跟蹤設(shè)定的光色[18]。

自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源組成主要由主控器、亮度調(diào)節(jié)器、紅光調(diào)節(jié)器、綠光調(diào)節(jié)器、藍(lán)光調(diào)節(jié)器、紅光驅(qū)動(dòng)器、綠光驅(qū)動(dòng)器、藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器、光記憶跟蹤器、白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器、電源管理器、LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器、主LED燈和副LED燈以及指示電路組成。主控器的輸入端接入亮度調(diào)節(jié)器、紅光調(diào)節(jié)器、綠光調(diào)節(jié)器及藍(lán)光調(diào)節(jié)器；主控器的輸出端接入紅光驅(qū)動(dòng)器、綠光驅(qū)動(dòng)器、藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器及指示電路；光記憶跟蹤器、白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器、電源管理器、LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器同時(shí)接入主控器的輸入和輸出兩端。

LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器由LED燈檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)換電路組成，同時(shí)連接紅光驅(qū)動(dòng)器、綠光驅(qū)動(dòng)器、藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器、主LED燈以及副LED燈。電源管理器由供電管理電路和充電管理電路組成[19]。光記憶跟蹤器由光參數(shù)固定電路和光檢測(cè)電路組成。白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器由紅光檢測(cè)調(diào)節(jié)、綠光檢測(cè)調(diào)節(jié)和藍(lán)光檢測(cè)調(diào)節(jié)三部分組成。光強(qiáng)度輸出調(diào)節(jié)控制分人工調(diào)節(jié)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)控制[20]。

3 自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源設(shè)計(jì)方案

3.1 光源的采用

以紅、綠、藍(lán)三原色光等比例混合為白光作為基礎(chǔ)，利用不同的比例混合得到所想要的顏色[21]。例如LED顯示器是以紅光、綠光和藍(lán)光3種顏色的LED作為光源，當(dāng)這3種顏色的LED混合之后可產(chǎn)生各種顏色，而人眼色彩感受也是紅、綠、藍(lán)3種和LED的正好相對(duì)應(yīng)[22]。

3.2 LED燈選用

大功率LED燈具有優(yōu)秀的柔光技術(shù)，可使LED光源擴(kuò)展為面光源，消除眩光，提升視覺效果。LED射燈采用二次光學(xué)透鏡，其作用是聚光、避免了光的重復(fù)浪費(fèi)，使出光率比普通LED提高10%以上[23]。醫(yī)用冷光源的光源LED燈選用多面反射燈杯，采用紅、綠、藍(lán)三芯片的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)電路，燈座采用多腳插針，方便更換和調(diào)節(jié)。

3.3 白色光的組合與光調(diào)節(jié)

LED醫(yī)用冷光源輸出的總光強(qiáng)度等于紅光、綠光和藍(lán)光三分色光輸出的光強(qiáng)度之和。輸出的光顏色由紅光、綠光與藍(lán)光的比例組合所決定。LED醫(yī)用冷光源的白色光組成由主控器控制紅、綠、藍(lán)光的輸出比例，輸出的光源由白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器檢測(cè)與調(diào)節(jié)。白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器可測(cè)量輸出白光實(shí)際的組成成分；白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器將測(cè)量結(jié)果反饋給主控器后，再經(jīng)對(duì)比、計(jì)算作出相應(yīng)處理，使其輸出合格的白色光。由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓或電流同步變化時(shí)，紅、綠、藍(lán)光輸出強(qiáng)度變化量不同，故在總光強(qiáng)度經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出的光源顏色在使用過程中也會(huì)有所改變；另外，因溫度等外部因素改變，紅、綠、藍(lán)光輸出光強(qiáng)度變化量各不同，所以在正常使用中光源產(chǎn)生的光色也會(huì)有一定的改變。為能固定已經(jīng)設(shè)定的光色輸出就需要固定其數(shù)據(jù)，通過自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)，保證輸出光的穩(wěn)定，光記憶跟蹤器就是其中的一個(gè)組成部分。LED醫(yī)用冷光源在選擇適合的光輸出值后如需進(jìn)行自動(dòng)跟蹤可選用光記憶跟蹤器實(shí)現(xiàn)。光記憶跟蹤器檢測(cè)部分和白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器中的檢測(cè)部分相同，也由紅、綠、藍(lán)光檢測(cè)3個(gè)部分組成，將檢測(cè)到的光值傳給主控器，由主控器與原定的光值作比較，如有誤差經(jīng)主控器進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，保證光輸出和原設(shè)定值一致。

光源的最佳顯色性，不是對(duì)所有的人都一樣。因人的視覺細(xì)胞反應(yīng)不一致，不是每個(gè)人對(duì)顏色都是在白光時(shí)為最佳光源，可適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)紅、綠、藍(lán)光取得最佳光源，即用光源的顯色性(光源的顏色)來補(bǔ)償人眼對(duì)顏色的差異。如在白色光經(jīng)自動(dòng)處理后，使用者感覺仍不太滿意，可選用手動(dòng)調(diào)節(jié)，使其達(dá)到最佳程度時(shí)，再選用光記憶跟蹤器實(shí)行光自動(dòng)跟蹤自行設(shè)定的光源。

3.4 三原色的控制與調(diào)節(jié)

紅、綠、藍(lán)三色的光強(qiáng)度，一方面受白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器和亮度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，另一方面還分別受紅光調(diào)節(jié)器、綠光調(diào)節(jié)器及藍(lán)光調(diào)節(jié)器各自的調(diào)節(jié)輸出分色光的強(qiáng)度。白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器和亮度調(diào)節(jié)器保證輸出符合要求的白色光及其強(qiáng)度，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于人的差異性和攝像與顯示的差異，為滿足不同的需求，紅、綠、藍(lán)三色光的光強(qiáng)度在一定程度上可分別進(jìn)行各自的調(diào)節(jié)，調(diào)整三色光各自實(shí)際輸出強(qiáng)度，并分別由紅光調(diào)節(jié)器、綠光調(diào)節(jié)器及藍(lán)光調(diào)節(jié)器分別控制與調(diào)節(jié)。

3.5 電源管理電路

為防止因外部電源的因素影響自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源的使用，從而影響手術(shù)的正常進(jìn)行，在自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源使用時(shí)，電源管理器一方面自動(dòng)檢測(cè)電源供給狀況，由供電管理電路負(fù)責(zé)完成；另一方面管理充電電池，由充電管理電路負(fù)責(zé)完成。平時(shí)根據(jù)充電電池的電量情況進(jìn)行充電。當(dāng)醫(yī)用冷光源在使用時(shí)因外部電源故障，電源管理器轉(zhuǎn)換電源供給，充電電池即時(shí)給主控器提供電源，保證醫(yī)用冷光源的正常供電[24]。

3.6 LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換電路

LED燈使用壽命較長(zhǎng)，但也有損壞和故障可能，遇有故障常用的應(yīng)急處理方法是：采用二組LED燈即主LED燈和副LED燈作為發(fā)光源；光源檢測(cè)和控制由LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器完成，LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器由LED燈檢測(cè)電路和轉(zhuǎn)換電路二部分組成，LED燈檢測(cè)電路自動(dòng)檢測(cè)LED燈的狀況，給其中的一組LED燈提供工作電源，使其發(fā)光；另一組處在備用狀態(tài)。若在工作中的一組LED燈因故不能正常工作，轉(zhuǎn)換電路則工作，進(jìn)行二組LED燈間的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，工作狀態(tài)的LED燈轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)，無工作電源供給；備用狀態(tài)的LED燈轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，提供工作電源，得電發(fā)光。3.7 指示電路

指示電路是給使用者提供LED冷光源使用工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際使用狀況發(fā)出相關(guān)指令，如光源強(qiáng)度、紅、綠、藍(lán)光強(qiáng)度、供電情況(外部電源或內(nèi)部電源和充電狀況)、二組LED燈狀態(tài)以及光控狀況(自動(dòng)與手動(dòng))。

3.8 控制電路

控制電路是自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源非常重要的部件。LED醫(yī)用冷光源的控制單元為主控器，主控器由微處理器為核心組成，輸入端接收亮度調(diào)節(jié)器、紅光調(diào)節(jié)器、綠光調(diào)節(jié)器以及藍(lán)光調(diào)節(jié)器的信號(hào)，并根據(jù)輸入的信號(hào)值作出對(duì)應(yīng)處理，經(jīng)輸出端紅光驅(qū)動(dòng)器、綠光驅(qū)動(dòng)器及藍(lán)光驅(qū)動(dòng)器控制調(diào)節(jié)輸出值，同時(shí)對(duì)指示電路給出相應(yīng)指令；白光檢測(cè)調(diào)節(jié)器、LED燈檢測(cè)與轉(zhuǎn)換器、電源管理器、光記憶跟蹤器分別接主控器的輸入和輸出二端，一方面接收主控器的指令，另一方面也將所檢測(cè)的數(shù)據(jù)反饋給主控器，主控器則根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，作出必要的調(diào)整。

4 展望

LED作為新型光源已廣泛的在各行各業(yè)中得到普遍應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域LED光源已經(jīng)廣泛的使用在手術(shù)無影燈、頭燈等醫(yī)療設(shè)備中。自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源利用計(jì)算機(jī)控制與攝像、顯像配合，可得到最佳分辨率，并能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)控制，保證各種診療工作順利進(jìn)行。相信自動(dòng)調(diào)色LED醫(yī)用冷光源將在醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)得到廣泛的推廣應(yīng)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

A

2015-05-12

①江蘇鴻信系統(tǒng)集成有限公司 江蘇 南京 210009

②揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225009

③揚(yáng)州市第一人民醫(yī)院 江蘇 揚(yáng)州 225001

朱波,男,(1983- ),本科學(xué)歷，工程師。江蘇鴻信系統(tǒng)集成有限公司，從事計(jì)算機(jī)工程及通信、數(shù)據(jù)傳送工作。