LED光源手術無影燈的研制*

蘇本華 蘇春英 楊海燕 馮念倫 孫仲軒

稿 約

LED光源手術無影燈的研制*

蘇本華①蘇春英②楊海燕③馮念倫①孫仲軒④

目的：研制一款新型光源手術用無影燈，以解決傳統式手術無影燈存在的弊端。方法：選用發光二極管(LED)作為光源燈，經過多次驗證，選擇合適的燈珠數量及色溫，調節供電電壓，進行光學曲線的配置以及驅動電路的優化。結果：實際使用驗證，在手術中能清楚地分辨器官組織和血管，清晰地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小及對比度低的組織。結論：經過相關機構的檢測和臨床試驗，LED光源手術無影燈能夠滿足手術需求，適合手術照明使用。

手術無影燈；發光二極管；色溫；LED伏安特性

手術無影燈是外科手術中不可缺少的重要設備，要求能夠清晰地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小以及對比度低的器官組織。因此，除需要“無影”以外，還需要光照度均勻、光質好，能夠很好地區分血液與人體其他組織和臟器的色差。無影燈還需能長時間地持續工作，且不散發出過多的熱量，因為過熱會使手術者不適，也會使處在外科手術區域中的組織干燥[1]。

傳統的無影燈采用鹵素燈泡式，不環保且功率大，如不加濾光或濾光措施不當，不僅照明效果不好，而且會產生過量的紅外光熱輻射，加速患者傷口的血凝，對醫生和護士也會產生炙熱感。而新型LED光源的出現可以解決傳統式手術無影燈存在的弊端，因此本研究開發設計一款大功率白光LED作為光源的手術無影燈。

1 無影燈光源的選擇

人類看到的物體顏色都是太陽光或其他光源照射下，光源反射到人眼所看到的顏色，由于現代光源在可見光范圍內不一定是連續光譜，使得人體組織在不同光的色溫下視覺清晰度不同。顯色指數指的就是光源照射到被照物時色彩的真實度，簡稱顯色指數[2]。

在醫療儀器行業標準《YY0627-2008醫用電氣設備第2部分：手術無影燈和診斷用照明燈安全專用要求》給出了無影燈色溫3000～6700 K的要求，而自然光的色溫為4000～5000 K，在此區間醫生對解剖組織可以獲得最直觀的認識，清晰地分辨出血管和組織的輪廓[3]。根據上述自然光色溫要求，選擇發光二極管(light-emitting diodes，LED)作為無影燈光源。

1.1 光源的特點

(1)新型綠色環保光源。LED無影燈運用冷光源，眩光小且無輻射，使用中不產生有害物質[4]。LED的工作電壓低，采用直流驅動方式，超低功耗(單管0.03～0.06 W)，電光功率轉換接近100%，在相同照明效果下比傳統光源節能80%以上。LED的環保效益更佳，光譜中無紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，無污染，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色環保照明光源。

(2)壽命長。LED為固體冷光源，環氧樹脂封裝，抗震動，燈體內也無松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積和光衰等缺點，使用壽命可達60000～100000 h，是傳統光源使用壽命的10倍以上。LED性能穩定，可在-30～50 ℃環境下正常工作。

(3)多變換。LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生256×256×256(即16777216)種顏色，形成不同光色的組合[5]。

(4)高新技術。與傳統光源的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品，傳統LED燈中使用的芯片尺寸為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裸片成型的工作臺式結構、倒金字塔結構和倒裝芯片設計能夠改善其發光效率，從而發出更多的光。LED封裝設計方面的革新包括高傳導率金屬塊基底、倒裝芯片設計和裸盤澆鑄式引線框等，采用這些方法都能設計出高功率、低熱阻的器件，而且這些器件的照度比傳統LED產品的照度更大[6]。

1.2 色溫及顏色的應用

(1)光源的色溫。人們用與光源的色溫相等或相近的完全輻射體的絕對溫度來描述光源的色表，即人眼直接觀察光源時所看到的顏色，又稱光源的色溫。色溫是以絕對溫度(K)來表示。

(2)演色性。光源對物體顏色呈現的程度稱為演色性，也就是顏色的逼真程度。演色性高的光源對顏色的表現較好，所看到的顏色較接近自然顏色；演色性低的光源對顏色的表現較差，所看到的顏色偏差也較大。如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例與自然光相近，則眼睛所看到的顏色也就較為逼真。

(3)顯色指數。一般以顯色指數為表征顯色性。標準顏色在標準光源的輻射下，顯色指數定為100。當色標被試驗光源照射時，顏色在視覺上的失真程度就是這種光源的顯色指數。顯色指數越大，則失真越少，反之，失真越大，顯色指數就越小。不同的場所對光源的顯色指數要求不一樣。

1.3 LED燈珠的選擇

在相同的功率下，照度大的LED燈珠色溫相對較高，而高色溫的燈珠顯色指數卻較低，因此在能達到額定照度的情況下，為了既得到合適的色溫，同時又能保持較高的顯示指數，則選擇多種燈珠的搭配使用。但如果燈珠的品種太多，混光后在光斑外沿會產生一個不同顏色的光圈，就易使人產生眩暈，不利于手術的進行[7]。因此本研究選用了6500 K和4000 K地兩種色溫相差不太大的燈珠進行混光，經過精確地配比和合適的空間位置搭配，使其在中心照度達到手術照明需求的情況下，色溫在最接近自然光的4000～5000 K的范圍內隨意調節，顯色指數在85～93范圍內，且兩種LED燈珠的顯色指數均在90以上，幫助醫師清楚的分辨器官組織和血管。

2 無影燈的光學設計

LED以圓周方式進行排布，為實現光斑大小控制，采用花瓣形設計，共分為6個花瓣，每個花瓣分布10顆LED，在半徑為10.5 cm、15 cm、22.5 cm以及30 cm的位置上各分布1顆、2顆、3顆和4顆LED。為了使所有位置的LED投射出的光能在距燈頭下方1 m處聚成光斑，不同半徑處的LED相對于1 m直下的光斑中心會有不同的傾角：在半徑為10.5 cm、15 cm、22.5 cm以及30 cm位置上的LED相對于垂直方向的傾角度分別為：4.5°、8.5°、12.7°和16.7°，這樣可以很好的滿足國家標準中要求的照度和光斑要求(如圖1所示)。

圖1 無影燈燈珠排列示意圖

3 無影燈驅動控制系統設計

LED燈的控制模式分恒流和恒壓兩種模式，其各有特點。本研究選用PT4115大功率單通道輸出的LED恒流驅動器，可以連續工作24 h以上。PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅動一顆或多顆串聯LED。PT4115輸出電流可調，最大可達1.2 A。根據不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅動高達數十瓦的LED。PT4115內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和較寬范圍的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)調光。當DIM引腳的電壓＜0.3 V時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態。設定LED燈珠的電流為350 mA，電源采用符合醫療設備要求的安全電壓24 Vdc供電[8]。燈珠伏安特性曲線如圖2所示。

圖2 燈珠伏安特性曲線圖

3.1 恒流模式

(1)恒流模式的優點。在一定范圍內不受電源電壓影響，對電源要求低。不受LED燈珠的導通壓降影響，降低了對燈珠的要求。串聯燈珠數量可以在設計范圍內增減而不用調整控制器。

(2)恒流模式的缺點。電路結構復雜，燈隨工作溫度上升照度會有一定下降。

3.2 恒壓模式

(1)恒壓模式優點。電路簡單可靠。

(2)恒壓模式缺點。燈隨溫度上升照度會有一定上升；燈珠參數一致性要求高，生產和維護比較困難；燈珠串聯的數量不能隨意增減，電源電壓精度和穩定性要求高。

LED的伏安特性曲線顯示，如果電壓恒定，電流即穩定，因此采用恒壓和恒流效果是一樣的。但是實際上，LED的伏安特性并不固定，而是跟隨溫度而變化，因此電壓恒定了，電流并不一定不變，而是隨溫度而變化。這是因為LED是二極管，其伏安特性具有負溫度系數的特點，同時因LED的亮度是和其正向電流成正比，隨著工作時間的增長，溫度的升高，如果采用恒壓源的話，電流將會變低，使得整個燈的照度降低[9]。鑒于以上特點，目前市場上大部份產品采用恒流模式。

本研究設計的一款LED無影燈，具有調亮度、調色溫、電動調光斑大小以及多工作模式選擇等功能，其核心部分還是LED的電流控制技術。根據技術要求，設定了LED燈珠的電流為350 mA，電源采用符合醫療設備要求的安全電壓24 Vdc供電。燈珠6顆串聯，每顆燈珠額定壓降約3 V左右，6顆燈珠總電壓約為18 V。電路采用了專用Buck降壓恒流電路，電路工作頻率約300 kHz(如圖3所示)。

3.3 采樣電阻

采樣電阻(RS)應選用0805的金屬膜電阻，電阻的阻值與負載電流有關，工程上計算為公式1：

圖3 電路原理圖

如負載是6顆1 W的白光LED，工作電流是350 mA，采樣電阻值是：Rs=0.1/0.35=0.2857 Ω。

選用R24系列的0.27 Ω，計算恒流值為370 mA。實測電阻為0.265 Ω，恒流值為376 mA。

3.4 鎮流電感的選擇

電感是此電路中的關鍵元件，從原理上講，電感量越大，恒流精度越高。如用47 μH的電感，輸入電壓在8～30 V范圍里變化，恒流精度是30%；如果用220 μH的電感，恒流精度就能提高到9%以下。影響電感質量的重要因素是磁性材料，建議采用錳鋅4000、居里點400的磁性材料。磁性電感的最大缺點是易產生硬飽和，這在用戶的設計中經常發生[10]。一旦發生磁飽和后果往往是災難性的，會瞬間燒壞芯片或LED。因而，推薦按表1數值選擇電感，尤其注意電感的飽和電流一定要不小于表1中的值。一般飽和電流小的電感銅線較細，Q值也較小，這種電感即是未發生磁飽和穩流效果也會很差(見表1)。

表1 電感L選擇表

3.5 整流二極管的選擇

目前市面上燈的最大輸出電流通常設置為350～900 mA之間。由于驅動板空間有限，通常建議選用體積小、導通壓降低的肖特基二極管(1 A，40 V)搭建整流橋，推薦型號為MBRS140，其封裝體積較小，300 mV左右的導通壓降有利于最大可能的提高轉換效率[11]。

但是，如果輸入輸出壓差＞8～10 V以上時，從散熱的角度以及保證系統能夠長時間穩定工作的方面考慮，則應選擇體積稍大、散熱條件較好的SS14產品，SS14在成本方面也有優勢，但是其導通壓降大約在500 mV左右。

在實際生產過程中必須嚴格按照設計技術要求控制元件品質和生產過程工藝，以保證產品的質量和穩定性，且符合醫療設備的嚴格質量要求[12]。

目前，市場上的LED恒流驅動器種類繁多，質量千差萬別，而無影燈屬于醫療器械，對驅動器的可靠性和穩定性有著更高的要求，尤其是在長時間連續工作的狀態下[13]。本研究經過多套方案的測量對比發現，大多數的恒流驅動器在工作的初期，性能差別不大，但是當連續工作8 h以上，很多驅動器出現了熱保護現象，造成了燈珠的頻閃，不能滿足產品需要。為此最終選擇一款大功率單通道輸出的LED恒流驅動器，可以連續工作24 h以上[14]。

4 LED光源無影燈的優勢及特點

本研究設計和研制的系列手術無影燈，經過相關機構的檢測和醫療機構使用驗證，很好的滿足了醫生的手術需求，可以為醫院提供價格優惠的產品，系列產品已經取得了醫療器械注冊證，并且獲得了多項國家專利證書(如圖4所示)。

圖4 YDE700型LED手術無影燈實物圖

4.1 色溫調節

燈頭安裝了不同顏色的LED燈珠，能夠精確設定3500～5000 K范圍之間的色溫。顯色指數最高達到95；通過改變色溫，可以更加有效的加強組織結構的對比。

4.2 照明度

照明度可以在4000～160000 LX之間調節。降低照明度并不改變光的色溫。每個燈頭的照明度可以分別調節。

4.3 故障率

每一個LED模塊含有9～10個LED燈珠，每一個模塊含有獨立電子控制系統，燈頭具有非常低的故障率，單個LED的故障不會影響燈頭的功能。

4.4 焦距調節

采用電動和(或)手動兩種調焦方式，數字方式無級調控LED的亮度，焦距調節方便。

4.5 低產熱

LED的更大優勢在于其產熱少，因其不發射紅外線或紫外線，而這些射線對皮膚有刺激作用。

4.6 平均使用壽命

LED燈優于傳統鹵素燈或者氣體電燈之處在于其使用壽命很長，傳統的燈通常在使用600～5000 h之后就必須更換，LED燈的平均壽命為50000 h。

4.7 節能

采用1 W燈珠運用3D軟件模擬出空間位置，以最少的燈珠排列方式完成既定的性能指標；符合層流的擾流設計，讓凈化的層流空氣可以輕易的隨著手術燈的流線運動，且讓燈頭能維持更佳的工作溫度，有效保障了LED燈珠的使用壽命。

進口“歐達爾”彈簧臂，強固型設計，輕便靈活，燈臂不產生迷走現象；可卸式手柄外套，可在135 ℃高溫下消毒，可操作燈體的聚焦、位置及角度。

5 產品技術參數

目前，市場上主要有YDE700型和YDE500型兩款LED手術無影燈銷售，而YDE700型為700燈頭，YDE500型為500燈頭。

兩款LED手術無影燈技術參數。①照度：40.000～160.000 Lux，40.000～140.000 Lux；②色溫：(4200±500)Ko，(4200±50)Ko；③顯色指數：95 Ra，95 Ra；④光照深度：80 cm，100 cm；⑤波長：＜400 nm，＜400 nm；⑥輻照度：≤0.002 W/m2，≤0.002 W/m2；⑦聚焦調節：手動/電動，手動/電動；⑧燈珠功率：1 W/顆×60顆，1W/顆×45顆；⑨電源：220 V 50 Hz，220 V 50 Hz；⑩輸入功率：100 W，80 W；LED平均壽命：50000 h，50000 h；最低安裝高度：2.8 M，2.8 M。

6 結論

無影燈是照明外科手術部位不可缺少的設備，以往手術無影燈一般都采用環形節能燈或鹵素燈，新型的LED無影燈徹底解決了環形節能燈或鹵素燈自身存在的先天缺陷，是環形節能燈和鹵素燈的升級換代設備。本研究研制的LED無影燈經過相關機構的檢測和臨床試驗，能完全滿足醫生的手術需求，適合各級醫院所有手術照明使用。然而，在LED無影燈設計過程中，需要對熱效應給予充分的考慮，這關系到其是否能夠長期穩定的工作；在燈珠的曲面排列設計上一定要優化曲面設計，可以在同樣的能效下得到更大的照度。

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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

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.11.001

蘇本華,女,(1972- ),本科學歷，主管技師。山東大學附屬省立醫院醫學工程部，從事醫療設備的管理工作。

*專利：國家發明專利(ZL 2012 1 0015477.8)

①山東大學附屬省立醫院醫學工程部 山東 濟南 250021

②濟南市皮膚病防治院 山東 濟南 250000

③山東育達醫療器械有限公司 山東 兗州 272100

④山東大學控制學院生物醫學工程系 山東 濟南 250021

China Medical Equipment,2017,14(11):1-5.

2017-06-20