無障礙智能化LED節(jié)能無影燈系統(tǒng)設(shè)計方案解析
隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展和醫(yī)學(xué)技術(shù)的進步，在手術(shù)過程中, 將運用多種醫(yī)療設(shè)備對病人進行搶救和治療。而先進、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)出入而帶來干擾和污染。
LED是 21世紀(jì)具有競爭力的新型電光源，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的能量產(chǎn)生可見光。通過近50年的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)廣泛地運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、實用性強、響應(yīng)時間短等優(yōu)點。但由于發(fā)光強度的限制，一直沒有突破手術(shù)照明的要求范圍。2004年超高亮度的LED光引擎及光機的誕生使得這項技術(shù)運用到手術(shù)照明領(lǐng)域成為可能，我們將利用LED技術(shù)設(shè)計無障礙智能化LED節(jié)能手術(shù)間照明系統(tǒng)，該設(shè)計有冷光源、節(jié)能環(huán)保、色溫和光強無級可調(diào)的優(yōu)點。同時，采用LED芯片制備的手術(shù)無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)室凈化維護成本，能夠最大限度地滿足臨床手術(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 項目背景/選題動機手術(shù)無影燈是手術(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，大小和對比度低的物體。由于手術(shù)時醫(yī)生的頭、手和器械均可能對手術(shù)部位造成干擾陰影，因而手術(shù)無影燈要求能消除陰影，并將色彩失真降到最低程度。同時，無影燈還必須能長時間地持續(xù)工作而保持低溫狀態(tài)。
傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞轃o影燈沿用了數(shù)百年，雖然經(jīng)歷了無數(shù)次改進，但由于鹵素?zé)襞荼旧淼娜秉c（①照明質(zhì)量較差，容易造成醫(yī)生視覺疲勞；②超高紅外熱輻射，給手術(shù)醫(yī)生帶來不適感；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維護成本高，每月檢查、燈泡壽命平均1000h），使暴露出的問題一直沒有從根本上得到很好的解決。
相對于鹵素?zé)魜碇v，LED無影燈利用的是一個全新的技術(shù)平臺，它的出現(xiàn)是伴隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展成熟而實現(xiàn)的，現(xiàn)在LED的芯片設(shè)計和封裝技術(shù)已經(jīng)能夠充分滿足無影燈在照度和顯色指數(shù)上的要求，同時符合當(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)無影燈的光源。
由于無障礙智能化LED節(jié)能手術(shù)間照明系統(tǒng)，具有綠色環(huán)保，長壽命、低熱量，機械強度高，抗沖擊和抗震動能力強等特點，可以解決傳統(tǒng)鹵素光源無影燈存在的問題。有望取代現(xiàn)行的手術(shù)間照明系統(tǒng)，將會具有非常重要的應(yīng)用推廣價值和市場價值。
二、需求分析 2.1 功能要求手術(shù)燈無影燈，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，另一方面要求無影照明。因此，要求手術(shù)燈要提供接近日光質(zhì)量的光強度（最少為10萬照度），并且亮度可調(diào)。在手術(shù)過程中如遇故障，能夠在短時間內(nèi)自動切換備用燈泡。手術(shù)燈在光照明亮的同時，還必須避免產(chǎn)生熱量，手術(shù)燈還能保證色溫高達4000色溫以上，接近于日光，使眼睛感知的顏色更清晰，并且不會使醫(yī)護人員因長時間工作而眼睛疲勞。
本設(shè)計完成的手術(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，無紅外輻射，具有出色的冷光效果；
3.無陰影，采用多光源光斑自動聚焦的智能控制；
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，具有過壓、短路等保護功能，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，滿足當(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)字方式無級調(diào)控，同時還能保持其準(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
無影燈的照度已可達150，000LUX以上，接近夏季晴天陽光下的亮度。實際使用的照度一般以40000～100000LUX為宜，過亮?xí)绊懸暳?。在提供充足照度的同時，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，易使眼睛產(chǎn)生疲勞。不利外科醫(yī)生的手術(shù)進行，無影燈的照度與手術(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.無影度高LED光源的二次光學(xué)設(shè)計，提高光源的光利用率并達到遠距離聚光、光斑均勻性和無影化。
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映現(xiàn)血液、組織的顏色及其變化。這種性能一般稱為顯色性，它以光源的分光分布所算得的顯色指數(shù)值來表示，最佳顯色指數(shù)為100。顯色性與色溫有很大關(guān)系。要求能達到6000K色溫，真實顯色性約為70-90，有效顯色性則接近100。
5.操作方便手術(shù)無影燈在手術(shù)過程中應(yīng)能連續(xù)改變位置與方向，操作必須簡單、靈活、輕便、制動快速、有效。燈體中央部位應(yīng)裝有可滅菌的操作手柄，高級產(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)濟性和安全性LED光源壽命長達20000小時以上，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 3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理由于單個 LED 的發(fā)光效率不能滿足手術(shù)無影燈的光照強度和均勻性的要求，因此需要用多個LED組成陣列并要求排列合理，分布均勻，使得每個目標(biāo)平面的光照度符合要求，以此來決定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 在一個密封的箱體內(nèi)，還是會產(chǎn)生大量的熱量，溫度甚至?xí)哌_60℃~80℃，所以必須合理設(shè)計散熱器以及散熱通道，以有效地降低系統(tǒng)熱阻。
LED手術(shù)無影燈由多個燈頭組成，成花瓣狀，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，可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個無影燈有216個高亮度白色LED，18個串聯(lián)成一組即稱為高亮度發(fā)光二極管串。以18組并聯(lián)而成。每組相互獨立，若有一組損壞其他照樣能夠繼續(xù)工作，所以對手術(shù)的影響較小，每組單獨進行恒流驅(qū)動并根據(jù)用戶需要接受一個微處理器的 PWM 脈寬調(diào)節(jié)控制，可無級調(diào)節(jié)，流過每個LED的電流約為 125~325 mA 。LED無影燈電氣原理圖如圖所示。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 3.2 硬件平臺選用及資源配置
本項目選用EVK1105作為設(shè)計平臺，AT32UC3A是完整的系統(tǒng)級芯片微控制器，采用VR32 UC RISC，工作頻率高達66MHz，設(shè)計用于對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存儲器，外設(shè)直接存儲器訪問控制器（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)是由主控制平臺和終端構(gòu)成，主控制平臺用的是EVK1105,終端采用Atmel 51系列單片機，因此本系統(tǒng)軟件部分也由兩部分構(gòu)成，主控制平臺負責(zé)接收用戶的操作命令，終端負責(zé)接收主控臺的指令，然后根據(jù)指令控制各個步進電機的旋轉(zhuǎn)，由于我們要把手術(shù)臺上的平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為我們系統(tǒng)的里面的坐標(biāo)，且每次移動到一個新的坐標(biāo)，都要重新建立坐標(biāo)系，計算量比較大，我們充分利用AT32UC3A0512具有32位的優(yōu)點，輕松可以計算轉(zhuǎn)化成步進電機所轉(zhuǎn)的角度，從而減輕終端的計算量。
EVK1105主控平臺主要負責(zé)接收用用戶的指令，如LCD觸摸屏坐標(biāo)位置，以及方向鍵，來控制LED燈焦點在手術(shù)臺上的移動，主控平臺接收用戶指令后，通過計算，把數(shù)據(jù)傳給下位機（12個MCU構(gòu)成），12個MCU分別控制每個LED的兩軸聯(lián)動，使得，在任意時刻12個LED燈中的9個LED燈的焦點同時能聚焦到手術(shù)臺上的任意一點，來達到消除影子的功能。
3.3.1主控平臺LCD觸摸快速定位，我們將LCD屏幕用虛線將手術(shù)臺分成12個塊，用手指點擊其中一塊，手術(shù)臺上方的LED燈迅速移動到這塊面積對應(yīng)手術(shù)臺上對應(yīng)塊的中心位置，然后通過方向鍵來精確調(diào)整平面坐標(biāo)，來達到手術(shù)無影燈集中光點在手術(shù)臺上任意點位置。
3.3.2 終端單片機控制用單片機來實現(xiàn)兩軸聯(lián)控制的關(guān)鍵，是必須首先找到適合單片機編程的直線及圓弧軌跡的兩軸聯(lián)動的控制方法。為了便于兩軸聯(lián)運的單片機程序設(shè)計，一種最簡易的方法是設(shè)置兩個容量為某一定值Ｄ的累加器Ex 及Ey，然后按一定的時鐘頻率f，向兩累加器中分別累加一個增量△x, △y，亦即每個時鐘到來時，作一次加下計算。
3.4 系統(tǒng)軟件流程系統(tǒng)軟件流程圖 3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(xiàn)結(jié)果
本項目研發(fā)一種無障礙智能化節(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、光源模塊的散熱設(shè)計及燈具的機構(gòu)設(shè)計、均勻度無影化燈具的二次光源設(shè)計、LED照明光源布局與手術(shù)室凈化系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)等方面取得突破。
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