無(wú)障礙智能化LED節(jié)能無(wú)影燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在手術(shù)過(guò)程中, 將運(yùn)用多種醫(yī)療設(shè)備對(duì)病人進(jìn)行搶救和治療。而先進(jìn)、完善的裝備, 有利于保證手術(shù)質(zhì)量, 提高手術(shù)效率, 避免人員在手術(shù)中反復(fù)出入而帶來(lái)干擾和污染。

LED是 21世紀(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型電光源，LED技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)70年代，利用半導(dǎo)體材料的電子遷移釋放特定波長(zhǎng)的能量產(chǎn)生可見(jiàn)光。通過(guò)近50年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地運(yùn)用到日常生活照明和特殊作業(yè)的照明，其具有節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但由于發(fā)光強(qiáng)度的限制，一直沒(méi)有突破手術(shù)照明的要求范圍。2004年超高亮度的LED光引擎及光機(jī)的誕生使得這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到手術(shù)照明領(lǐng)域成為可能，我們將利用LED技術(shù)設(shè)計(jì)無(wú)障礙智能化LED節(jié)能手術(shù)間照明系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)有冷光源、節(jié)能環(huán)保、色溫和光強(qiáng)無(wú)級(jí)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，采用LED芯片制備的手術(shù)無(wú)影燈可以有效解決目前手術(shù)照明系統(tǒng)體積龐大且能耗高的問(wèn)題，有利于提高手術(shù)室的空氣凈化質(zhì)量，降低手術(shù)室凈化維護(hù)成本，能夠最大限度地滿(mǎn)足臨床手術(shù)照明的客觀要求，并能提供更加優(yōu)越的手術(shù)照明效果。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

手術(shù)無(wú)影燈是手術(shù)室內(nèi)重要的設(shè)備，要求能清晰地觀察處于切口和體腔中不同深度，大小和對(duì)比度低的物體。由于手術(shù)時(shí)醫(yī)生的頭、手和器械均可能對(duì)手術(shù)部位造成干擾陰影，因而手術(shù)無(wú)影燈要求能消除陰影，并將色彩失真降到最低程度。同時(shí)，無(wú)影燈還必須能長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)工作而保持低溫狀態(tài)。

傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞轃o(wú)影燈沿用了數(shù)百年，雖然經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次改進(jìn)，但由于鹵素?zé)襞荼旧淼娜秉c(diǎn)（①照明質(zhì)量較差，容易造成醫(yī)生視覺(jué)疲勞；②超高紅外熱輻射，給手術(shù)醫(yī)生帶來(lái)不適感；③固定色溫，不易清晰地分辨各種組織、器官，不利于進(jìn)一步提高手術(shù)質(zhì)量；④功耗大，平均功率1000W；⑤龐大的燈具結(jié)構(gòu)，阻擾凈化空氣正常流通、降低消毒凈化效果；⑥維護(hù)成本高，每月檢查、燈泡壽命平均1000h），使暴露出的問(wèn)題一直沒(méi)有從根本上得到很好的解決。

相對(duì)于鹵素?zé)魜?lái)講，LED無(wú)影燈利用的是一個(gè)全新的技術(shù)平臺(tái)，它的出現(xiàn)是伴隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展成熟而實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在LED的芯片設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)已經(jīng)能夠充分滿(mǎn)足無(wú)影燈在照度和顯色指數(shù)上的要求，同時(shí)符合當(dāng)前醫(yī)院整體綠色照明的要求。另外，LED光源的光譜分布也決定了其非常適合作為手術(shù)無(wú)影燈的光源。

由于無(wú)障礙智能化LED節(jié)能手術(shù)間照明系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保，長(zhǎng)壽命、低熱量，機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊和抗震動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以解決傳統(tǒng)鹵素光源無(wú)影燈存在的問(wèn)題。有望取代現(xiàn)行的手術(shù)間照明系統(tǒng)，將會(huì)具有非常重要的應(yīng)用推廣價(jià)值和市場(chǎng)價(jià)值。

二、需求分析

2.1 功能要求

手術(shù)燈無(wú)影燈，一方面必須能夠確保手術(shù)室照明亮度，使得醫(yī)師能夠精確的分辨輪廓、顏色和移動(dòng)，另一方面要求無(wú)影照明。因此，要求手術(shù)燈要提供接近日光質(zhì)量的光強(qiáng)度（最少為10萬(wàn)照度），并且亮度可調(diào)。在手術(shù)過(guò)程中如遇故障，能夠在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換備用燈泡。手術(shù)燈在光照明亮的同時(shí)，還必須避免產(chǎn)生熱量，手術(shù)燈還能保證色溫高達(dá)4000色溫以上，接近于日光，使眼睛感知的顏色更清晰，并且不會(huì)使醫(yī)護(hù)人員因長(zhǎng)時(shí)間工作而眼睛疲勞。

本設(shè)計(jì)完成的手術(shù)間照明系統(tǒng)必須具有如下要求:

1.手術(shù)照明亮度，采用特殊設(shè)計(jì)的精密光學(xué)系統(tǒng)，光利用率高、光照均勻、清晰度高；

2.冷光， 采用LED作為手術(shù)燈光源，無(wú)紅外輻射，具有出色的冷光效果；

3.無(wú)陰影，采用多光源光斑自動(dòng)聚焦的智能控制；

4.安全的手術(shù)照明，光源采用低壓直流供電和特殊的電源組件，具有過(guò)壓、短路等保護(hù)功能，徹底消除安全隱患；

5.可拆卸消毒，采用現(xiàn)代流線型設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足當(dāng)今手術(shù)室清洗、消毒和高標(biāo)準(zhǔn)層流要求；

此外，采用微電腦數(shù)字方式無(wú)級(jí)調(diào)控，同時(shí)還能保持其準(zhǔn)確的色溫，為醫(yī)生準(zhǔn)確判斷提供可靠保證，且亮度調(diào)節(jié)控制具有記憶和顯示功能以及軟開(kāi)關(guān)，方便調(diào)節(jié)和使用。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1.具有充足的照度?

無(wú)影燈的照度已可達(dá)150，000LUX以上，接近夏季晴天陽(yáng)光下的亮度。實(shí)際使用的照度一般以40000～100000LUX為宜，過(guò)亮?xí)绊懸暳?。在提供充足照度的同時(shí)，應(yīng)避免光束在手術(shù)器械上產(chǎn)生眩光。眩光影響視力和視覺(jué)，易使眼睛產(chǎn)生疲勞。不利外科醫(yī)生的手術(shù)進(jìn)行，無(wú)影燈的照度與手術(shù)室內(nèi)的光照度不應(yīng)相差太大，某些照度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，整照明的照度以局部照明照度的十分之一為宜。手術(shù)室的整體照度應(yīng)在1000LUX以上。

2.無(wú)影度高

LED光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，提高光源的光利用率并達(dá)到遠(yuǎn)距離聚光、光斑均勻性和無(wú)影化。

3.溫度低

4.光質(zhì)好

所謂光質(zhì)好就是所提供的光束能真實(shí)映現(xiàn)血液、組織的顏色及其變化。這種性能一般稱(chēng)為顯色性，它以光源的分光分布所算得的顯色指數(shù)值來(lái)表示，最佳顯色指數(shù)為100。顯色性與色溫有很大關(guān)系。要求能達(dá)到6000K色溫，真實(shí)顯色性約為70-90，有效顯色性則接近100。

5.操作方便

手術(shù)無(wú)影燈在手術(shù)過(guò)程中應(yīng)能連續(xù)改變位置與方向，操作必須簡(jiǎn)單、靈活、輕便、制動(dòng)快速、有效。燈體中央部位應(yīng)裝有可滅菌的操作手柄，高級(jí)產(chǎn)品還裝有導(dǎo)光纖維深部冷光燈、彩色電視攝影裝置和通風(fēng)裝置。

6.經(jīng)濟(jì)性和安全性

LED光源壽命長(zhǎng)達(dá)20000小時(shí)以上，并且抗震不易損壞；LED采用低壓直流供電安全節(jié)能。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

由于單個(gè) LED 的發(fā)光效率不能滿(mǎn)足手術(shù)無(wú)影燈的光照強(qiáng)度和均勻性的要求，因此需要用多個(gè)LED組成陣列并要求排列合理，分布均勻，使得每個(gè)目標(biāo)平面的光照度符合要求，以此來(lái)決定LED 的數(shù)量以及分布規(guī)則。雖然 LED 的發(fā)光效率高，產(chǎn)生的熱量少，但是如此多的LED 在一個(gè)密封的箱體內(nèi)，還是會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，溫度甚至?xí)哌_(dá)60℃~80℃，所以必須合理設(shè)計(jì)散熱器以及散熱通道，以有效地降低系統(tǒng)熱阻。

LED手術(shù)無(wú)影燈由多個(gè)燈頭組成，成花瓣?duì)?，固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上，定位穩(wěn)定，能做垂直或循環(huán)移動(dòng)，可滿(mǎn)足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個(gè)無(wú)影燈有216個(gè)高亮度白色LED，18個(gè)串聯(lián)成一組即稱(chēng)為高亮度發(fā)光二極管串。以18組并聯(lián)而成。每組相互獨(dú)立，若有一組損壞其他照樣能夠繼續(xù)工作，所以對(duì)手術(shù)的影響較小，每組單獨(dú)進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)并根據(jù)用戶(hù)需要接受一個(gè)微處理器的 PWM 脈寬調(diào)節(jié)控制，可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，流過(guò)每個(gè)LED的電流約為 125~325 mA 。LED無(wú)影燈電氣原理圖如圖所示。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

本項(xiàng)目選用EVK1105作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，AT32UC3A是完整的系統(tǒng)級(jí)芯片微控制器，采用VR32 UC RISC，工作頻率高達(dá)66MHz，設(shè)計(jì)用于對(duì)成本敏感的嵌入式應(yīng)用，特別是低功耗，高代碼效率和高性能。 AT32UC3A集成閃存和SRAM存儲(chǔ)器，外設(shè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制器（PDCA），以及電源管理。此外還有多種通信接口如UART，SPI，TWI，同步串行控制器，USB和以太網(wǎng)MAC等。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)是由主控制平臺(tái)和終端構(gòu)成，主控制平臺(tái)用的是EVK1105,終端采用Atmel 51系列單片機(jī)，因此本系統(tǒng)軟件部分也由兩部分構(gòu)成，主控制平臺(tái)負(fù)責(zé)接收用戶(hù)的操作命令，終端負(fù)責(zé)接收主控臺(tái)的指令，然后根據(jù)指令控制各個(gè)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，由于我們要把手術(shù)臺(tái)上的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為我們系統(tǒng)的里面的坐標(biāo)，且每次移動(dòng)到一個(gè)新的坐標(biāo)，都要重新建立坐標(biāo)系，計(jì)算量比較大，我們充分利用AT32UC3A0512具有32位的優(yōu)點(diǎn)，輕松可以計(jì)算轉(zhuǎn)化成步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)的角度，從而減輕終端的計(jì)算量。

EVK1105主控平臺(tái)主要負(fù)責(zé)接收用用戶(hù)的指令，如LCD觸摸屏坐標(biāo)位置，以及方向鍵，來(lái)控制LED燈焦點(diǎn)在手術(shù)臺(tái)上的移動(dòng)，主控平臺(tái)接收用戶(hù)指令后，通過(guò)計(jì)算，把數(shù)據(jù)傳給下位機(jī)（12個(gè)MCU構(gòu)成），12個(gè)MCU分別控制每個(gè)LED的兩軸聯(lián)動(dòng)，使得，在任意時(shí)刻12個(gè)LED燈中的9個(gè)LED燈的焦點(diǎn)同時(shí)能聚焦到手術(shù)臺(tái)上的任意一點(diǎn)，來(lái)達(dá)到消除影子的功能。

3.3.1主控平臺(tái)

LCD觸摸快速定位，我們將LCD屏幕用虛線將手術(shù)臺(tái)分成12個(gè)塊，用手指點(diǎn)擊其中一塊，手術(shù)臺(tái)上方的LED燈迅速移動(dòng)到這塊面積對(duì)應(yīng)手術(shù)臺(tái)上對(duì)應(yīng)塊的中心位置，然后通過(guò)方向鍵來(lái)精確調(diào)整平面坐標(biāo)，來(lái)達(dá)到手術(shù)無(wú)影燈集中光點(diǎn)在手術(shù)臺(tái)上任意點(diǎn)位置。

3.3.2 終端單片機(jī)控制

用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)控制的關(guān)鍵，是必須首先找到適合單片機(jī)編程的直線及圓弧軌跡的兩軸聯(lián)動(dòng)的控制方法。為了便于兩軸聯(lián)運(yùn)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，一種最簡(jiǎn)易的方法是設(shè)置兩個(gè)容量為某一定值Ｄ的累加器Ex 及Ey，然后按一定的時(shí)鐘頻率f，向兩累加器中分別累加一個(gè)增量△x, △y，亦即每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，作一次加下計(jì)算。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本項(xiàng)目研發(fā)一種無(wú)障礙智能化節(jié)能手術(shù)間系統(tǒng)，該系統(tǒng)將LED手術(shù)照明與手術(shù)室建設(shè)及凈化工程相結(jié)合，解決無(wú)障礙智能化節(jié)能手術(shù)間的關(guān)鍵技術(shù)，并在集成大功率LED芯片設(shè)計(jì)、光源模塊的散熱設(shè)計(jì)及燈具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、均勻度無(wú)影化燈具的二次光源設(shè)計(jì)、LED照明光源布局與手術(shù)室凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等方面取得突破。