LED外科手术无影灯（精选3篇）
LED外科手术无影灯 篇1
手术无影灯是手术室中重要的医疗设备之一, 医护人员通过无影灯的使用, 实现在患者施术部位无阴影照明的目的, 从而帮助医生清晰地分辨病灶组织, 顺利地完成手术。
目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯, 但随着发光二极管 (LED) 技术的不断发展, 特别是高亮度白光LED的发展, LED无影灯彻底解决了环形节能灯存在的先天缺陷, 是环形节能灯的升级换代产品。
从去年国内外各大医疗设备展览会, 如德国杜塞尔多夫医疗设备展览会和北京国际医疗仪器设备展览会来看, 各大无影灯生产厂家纷纷主打自己新推出的LED无影灯产品, 展会现场几乎难以寻觅到卤素灯的身影, LED无影灯取代卤素灯已经成为一种不可阻挡的趋势。其优势可概括为以下几个方面:
节能、环保
传统卤素手术灯一般为400W, 发热高, LED手术无影灯为180W, 几乎无热量产生。
LED手术无影灯对环境没有污染, 同等亮度耗电量只是白炽灯的10%, 卤素灯的50%, 是国家节能减排, 低碳生活的首选产品之一。
安全性高
电源采用低压直流供电和特殊的电源组件, 具有过压、短路保护功能, 彻底消除光源、电源烧毁等安全隐患;电源电压低于24V, 最大程度的保证医患的人身安全。
舒适度高
真正的冷光效果, 光色纯正, 没有红外线和紫外线, 术者头部和伤口部位几乎无温升, 有效减少患者伤口部位的水分流失, 利于患者伤口的快速愈合, 提高手术质量, 降低手术风险;采用最适合人眼的4300K色温作为手术灯光的色温, 显色指数高于94, 利于医生快速有效的分辨伤口部位的组织;直流供电, 没有频闪, 有效缓解医生的视觉疲劳, 提高手术效率和质量。
技术性能高
LED无影灯拥有超长的使用寿命, 光源寿命高于6万小时, 是传统灯的几十倍, 极大地降低了手术室后续使用和维护的成本费。亮度高, 实测照度大于160000LUX, 采用特殊的LED专用亮度控制系统, 用数字方式对输出亮度进行30%～100%的五级调节, 使得无影灯在调低亮度的同时还能保持其准确的色温, 帮助医生准确识别各组织结构。光源采用精密光学系统设计和多层透镜原理发光, 每个光源芯片实现一次聚光, 固定聚焦深度高于800mm, 且可通过聚焦手柄实现在调节, 光斑非常均匀, D50和1/2D10几乎重合, 光斑均匀度>90%, 无影效果好, 清晰度高。
稳定性高
LED芯片采用美国Cree公司原装进口, 超长寿命得以良好保障, 而且抗震, 防摔, 耐冲击, 耐腐蚀。手术灯反应迅速, 采用软开关技术, 即开即亮, 没有启动时间。
操作方便
配置轻巧平衡臂悬挂系统的LED手术无影灯, 采用国际通用的六维万向关节联动, 移动轻巧, 定位准确, 360°的全方位设计, 没有照射死角, 可满足手术中的任何高度和角度。LED发光效率极高, 灯体小, 重量轻, 可操作性极强, 控制面板设在灯臂连接处, 不会因为灯体发热而产生控制面板内的线路烧坏等事故。且具有亮度调节控制具有记忆和显示功能以及软开关, 方便调节和使用。
智能无障碍LED手术无影灯 篇2
1 智能手术无影灯的基本原理和技术
LED技术产生于上世纪70年代,利用半导体材料的电子迁移释放特定波长的能量产生可见光。通过近50年的发展,该技术已经广泛地运用到日常生活照明和特殊作业的照明,其具有节能、环保、安全、可靠性高、实用性强、响应时间短等优点。但由于发光强度的限制,一直没有突破手术照明的要求范围[1]。2004年超高亮度的LED光引擎及光机的诞生使得这项技术运用到手术照明领域成为可能。运用高亮度LED“封装光通”原理技术[2],具有中国自主知识产权大功率LED芯片智能手术无影灯在中国重庆研制成功。
2 智能手术无影灯的综合优势
传统卤素光源无影灯存在诸多的问题:(1)照明质量较差,容易造成医生视觉疲劳;(2)超高红外热辐射,给手术医生带来不适感;(3)固定色温,不易清晰地分辨各种组织、器官,不利于进一步提高手术质量;(4)功耗大,平均功率1000W;(5)庞大的灯具结构,阻扰净化空气正常流通、降低消毒净化效果;(6)维护成本高,每月检查、灯泡寿命平均1000h。
大功率LED芯片手术无影灯解决了传统卤素光源无影灯存在的问题,其主要的技术优势表现在以下三个方面。
2.1 技术优势
⑴多晶体矩阵排列光源大功率LED芯片智能手术无影灯由3~5区段组成,每个区由单独的汇聚透镜组成。在这个排列中,每个晶体产生一个单色光,共有4种单色光。4色光源配比能够提供最佳的对比度和分辨力。照射区域5倍光重叠,最大限度地减少了阴影,并能实现深度照射,光强可达160,000LUX,满足深部手术的照明需要。
⑵色温可调色温是表示光源光谱质量的通用指标,可以比较方便、直观地表示白光的光色。色温低,白里带黄,称暖色调;色温高,白里带蓝,称冷色调。色温是人眼对发光体或白色反光体的主观感觉,是因人而定的。人体不同组织器官的色饱和特性不同,在人眼中反应的色温也不同。例如血供比较丰富的组织器官(比如肝、肾)色温比较高;如果用色温较高的光源照射器官,看起来就更加真实;而肺脏、脂肪组织色温相对比较低,此时仍用高色温的光源照射,看起来就会偏红。因此,进行不同部位的手术需要调节光源的色温来达到最佳的视觉效果。然而传统的卤素光源无影灯不能调节色温,并不能适应不同手术的需要。LED芯片手术无影灯采用多个白、红、绿、蓝色LED按矩阵阵列紧密排列在较小面积的基板上,采用多路驱动控制器分别控制各色LED,根据不同照度要求,通过PWM控制白光LED的亮度,根据红、绿、蓝三色LED光混合与对应色温变化规律,用PWM控制各色LED所发出的光使之达到所需的色温。色温可调范围在3200~5000K。医生可以根据不同的喜好和不同部位的手术需要进行调节,较高的色温可以解除长时间强光刺激造成的视觉疲劳,提高夜间手术和长时间手术的质量。
⑶智能控制大功率LED芯片智能手术无影灯符合人体功效学新标准,集成智能变光模式,同步化多光电传感头。
⑷科学的整体设计层流手术室净化气流是目前最先进有效的方式,净化气流的方向一般多采用垂直层流式[3,4],使手术区处于洁净气流形成的主流区内,确保空气洁净度达标。层流手术室不仅要求高度洁净的空气,而且要求能控制气流的流通方向,使气流从洁净度高的手术区流向洁净度相对较低的区域,并带走和排出气流中的尘粒和病原微生物。然而,传统的天棚嵌入式多孔型无影灯或大背壳式无影灯会阻碍垂直层流风口的气流,使无影灯背壳上方的积尘和病原微生物带入到手术区域,增加手术病人术后感染的几率。大功率LED芯片手术无影灯的设计采用中空式流线设计,不影响垂直层流流线,更科学合理,不仅能满足手术光照要求,而且更适合层流手术室的空气净化要求。
2.2 生态优势
⑴环保、节能大功率LED芯片手术无影灯的设计属于绿色技术。其发光原理是基于电子跃迁发射出可见光波长,因而在设计上不含汞、铅等有害重金属,而且废弃的LED芯片还可以回收利用,大大减少了环境污染,符合国家环保质量要求。LED光源使用低电压,适合手术室的安全用电范围,而且坚固耐震,耐冲击,使得光源稳定性高。另外,LED光源响应时间在纳秒级,非常适合高频操作[6],LED芯片的工作电压很低,大大节约了能源。
⑵长寿命、低热量作为第四代新型照明光源,LED具有许多不同于其他电光源的特点(见表1),这也使其成为节能环保光源的首选。LED灯的平均寿命为连续100000h,是普通照明灯的30倍(见表1)。大功率LED芯片手术无影灯所采用的冷光源光效高[1,5]、散热低、减少上升热气流,非常适合在无障碍层流手术室中运用。另外,LED光源发出的冷光源,对长时间站在手术灯下手术的医生来说具有更佳的舒适性。
2.3 经济优势
我国现在手术室无影灯主要是传统的卤素光源无影灯或荧光源无影灯,以全国在用的约53000台手术无影灯为基数,若全部使用LED芯片手术无影灯,每年可节约24000万度电,节能减排的社会效益将十分显著。由此每年可节约火电燃煤10万吨,减少火电产生的二氧化碳排放26200万升,减少火电产生的二氧化硫排放85万升,其环保节能的社会意义重大。另外,由于传统卤素或荧光光源无影灯的寿命较短,增加了手术室的折旧费用,使手术室运行成本增加。因此,大功率LED芯片手术无影灯更具经济价值。
3 结论
综上所述:色温连续可调大功率LED芯片手术无影灯集LED二次光学设计、散热技术、驱动电源、稳压器及控制技术、万向节悬臂等创新技术为一体,实现通过调节色温满足手术状态下人体不同组织在不同色温条件下的显色特性要求,从根本上突破传统医疗照明技术存在的色温不可调、温升较高等局限,解决了手术医生长时间工作的视觉疲劳问题,从而有效提高手术质量。
大功率LED芯片手术无影灯具有冷光源、节能环保、色温和光强无级可调的优点。同时,采用LED芯片制备的手术无影灯可以有效解决目前手术照明系统体积庞大且能耗高的问题,有利于提高手术室的空气净化质量,降低手术室净化维护成本,能够最大限度地满足临床手术照明的客观要求。大功率LED芯片手术无影灯具有节能环保、安全可靠的优点,并能提供更加优越的手术照明效果,必将为现代层流手术室带来革命性的风暴[7]。
摘要：本文详细介绍了智能无障碍LED手术无影灯的基本原理和技术优势。
关键词：LED,无影灯,手术照明,层流手术室
参考文献
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LED外科手术无影灯 篇3
目前无影灯采用的光源主要有白炽灯、卤钨灯、气体放电灯和LED灯。LED手术灯由于它具有高效节能、冷光源和长寿命等特点,大大降低了手术区域的辐照能,它的使用寿命达到传统优质卤素光源的50倍,能耗是传统光源的0.7倍左右。随着LED技术的发展及运用水平的提高,其理论上可以根据患者手术不同体位及医生手术站位来设计不同需求形态各异的手术无影灯[1][2]。因此,LED无影手术灯无疑将极大提升医疗照明的水平。
1 LED无影灯光照度均匀性的设计
LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管,是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙或紫色的光。目前产生白光LED的方式有两种:一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光,最终混合成白光,即单芯片型;二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起,构成发白光的LED,即多芯片型。
LED光源属于一次光源,在发光的过程中电能直接变为光能。目前LED光效经过改良后达到50～200lm/w,而且其光的单色性好。在满足YY0627-2008[5]中要求的显色指数85、色温3000 K～6700 K的条件下,可达到40～50 lm/w,其发光效率大大超过了白炽灯,有的已接近荧光灯[3]、[4]。
根据国家有关手术无影灯的相关标准(YY0627-2008《医用电气设备第2部分:手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》)[5],在照明光束未被遮挡的情况下,距设备光发射外表面下1 m处光斑中心的照度(即中心照度Ec)要在40 klux～160 klux范围内,对光斑直径d10(即照度达到中心照度10%的圆的直径)和光斑分布直径d50(即照度达到中心照度50%的圆的直径)也作了相应规定,要求光斑分布直径d50应不小于光斑直径d10的50%。
在现阶段,单个LED的发光效率显然不能满足手术无影灯的光照度强度和均匀性的要求。因此,目前在采用LED作为光源的手术照明系统中,一般都是将多个LED以一定的形状排列,将每个LED发出的到达目标平面的光线进行叠加处理,得到目标平面的光照度分布,并和相应的评价标准对比。LED阵列数量的多少决定于目标面的光照度要求及照明光学系统的空间光强分布。而出于灯具成本的考虑,在达到照明要求的同时总希望减少所用LED的数量,这就需要对LED单管的选择和LED阵列的排列方式进行综合考虑。我们从LED单管照度分析、LED阵列设计和灯体设计等方面入手,对LED无影灯光照度均匀性进行了相关研究。
1.1 LED单管光照度分析
通常,LED发光管所照射的目标距离比LED本身大得多,在这种情况下可以将LED发光管简化为一个有一定空间光强分布的点光源。点光源的特点是能以4π立体角向周围空间发出相同发光强度的光辐射。
如图1所示,面元dS接受点光源S的光照,设点光源S至面元dS距离为r,并且点光源发出的原光束的光轴与面元的法线N之间的夹角为θ,则面元dS对点光源S所张的立体角为:
在此立体角内,由点光源发出的光通量为:
而此光通量在面元dS上产生的照度为:
由此可知,点光源在面元dS上所产生的光照度与光源的发光强度成正比,与距离的平方成反比,并且与面元相对于光束的倾角有关。根据相关光学特性得知,当LED照射到与其光轴方向垂直的平面时,在该平面上的光照度分布与LED的空间光强分布近似。
除了研究白光LED单管照度分布特性外,还应对其进行伏安特性研究,以确定LED的最佳工作电流、电压。由相关试验分析得知[6]、[7],随着工作电流的变化,高亮度的白光LED的发光效率也有所改变,即电流小,光强小,光效低;而电流过大,会引起发热量的增加,光效反会下降,所以工作电流的选择显得尤为重要。
在综合考虑了LED单管光照度的诸多影响因素的基础上,我们采用韩国的S42180 1W/350 mA/60 1mLED。
1.2 LED阵列设计
为使白光LED无影灯在手术照明区域内具有均匀的出射光强,必须对LED排列进行设计,加大其发光亮度和发光面积。LED排列可以采用多种形式,每一种排列方式都会有不同的效果,最终目的是在照明面上达到较高的光强度和照度均匀性。
1.2.1 LED数量的设计
由于LED是一种非相干光源,因此多个LED对平面上某一区域的光照度为其单个的叠加。首先,根据光照度要求计算实际需要的LED总个数。根据无影灯的光照度要求,中心照度设计为80,000(lux),光斑直径取280mm,则无影灯所需的总光通量φ为:
式中,E为中心照度值(单位:lux),S为光斑直径对应的面积(单位:m2)。代入相应数值,则:
选用的LED单管的有效光通量为40 (lm),则所需的LED个数n为:
考虑实际使用的LED存在一定的光能损耗,推算需用的LED个数应在130～140范围。
1.2.2 LED排布阵列的设计
本样机灯罩沿用了传统整体反射无影灯的外形,故中间仍为聚焦手柄结构设计,LED在圆环内排布。考虑在灯罩有限的区域内尽可能多地排布LED,我们设计了如图5所示的LED阵列结构,有6组沿中心轴线均布的呈正六角形排布的LED阵列,每组有19个LED单管。考虑光照度的均匀性,在中心轴线周围排布了6个圆周均布的LED单管,并在相邻的两个LED阵列间隙中,各增加了3个LED单管,以提高整个照射区域的光照均匀性。
根据白光LED单管的光强分布特性[8]、[9],白光LED的光出射角为120°。为了增强光照度,在LED的一次光学设计中采用反光杯结构,杯口直径为30 mm,最终形成的光出射角为10°。为了在工作平面上达到光照度要求,相邻LED之间设计成有一定的角度分布。从理论上来说,两个具有一定角度的LED单管光强分布叠加,可能出现:夹角过小或者过大。夹角过小,在小角度区域会形成很亮的光斑;夹角过大,会造成照度分布不均,形成光强盲点,这两种情况都不适合手术无影照明的要求。为使白光LED阵列的照度在工作区域内有均匀的分布,二次光学设计使各反光杯的中心光线都聚焦于光斑中心处,以保证整个LED排列组的出射光线都能均匀分布于光斑中心两侧,不同直径处的反光杯端面必须设计成与工作平面成不同倾角。
首先,设计单个正六边形内直径方向上3个LED单列的排布位置。设计LED反光杯口径为30 mm,反光杯出光射角为10°,无影灯灯头口径为580 (mm),灯头底端距工作平面为1000 mm,所有反光杯的中心光线都聚焦于工作平面中心点(光斑中心处),则光线分布如图2所示(图中仅画出部分光线)。具体设计分析过程如下:
设在正六边形内直径方向上3个LED反光杯的排列依次为A、B、C,其中B位于中点,A、C分别位于两侧端点,各反光杯与工作平面的倾角分别为α、β、γ(如图3),则根据几何关系有:
即
式中,H是灯头底端距工作平面的距离,为1000mm;D是无影灯灯口直径,为580 mm;d是正六边形的外圆直径,为200 mm;Φ为LED反光杯口径,为30 mm。
分别求得:α≈16°β≈11°γ≈6°
根据同样方法,分别设计出正六边形内其余反光杯的位置倾角,以及无影灯中其它各反光杯的倾角。因整个反光杯沿圆周均布排列,沿轴心旋转即可得到整个圆周内的光照度分布。
最后通过计算机三维建模仿真设计,得到LED无影灯在工作平面上的空间光照分布模拟图如图4,左图为LED无影灯光照的边界成像仿真,右图为染色后的三维造型。
1.3 灯具总体设计
经过优化排布后的白光LED阵列,还须通过对样灯灯罩结构和材料的优化等设计,来进一步对光强进行二次均匀化处理。光强均匀化效果良好的灯罩,以具有散射、漫反射特性的乳白色灯罩为代表,可有效提高出射光照度的均匀度。灯罩材质选用塑胶和铝材,表面采用乳白色。
2 LED无影灯光照度均匀性的验证实验
2.1 实验设备
本实验光照度测试设备选用符合JB/T7403-1994《照度计》标准的ZDS-10型照度计。被测试设备2台:一台是目前手术无影灯最具代表性的主流产品,即整体反射手术无影灯TOPLITE-F7262(如图5),一台是研制的LED样机(如图6),灯头口径均为580 mm。
2.2 实验方法
本实验严格按照YY0627-2008《医用电气设备第2部分:手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》中规定的方法[5],对整体反射手术无影灯TOPLITE-F7262和LED样机进行光照度均匀性的性能测试。
光照度分布的测试在沿手术无影灯光轴方向竖直向下,距灯头光发射外表面最低点1 m处的平面上进行(如图7)。其中,最大照度在光斑中心(LFC)测量,中心照度Ec为80 klx;光斑直径d10和光斑分布直径d50的测量如图8所示,在过光斑中心(LFC)的光轴横截面上的四个坐标位处,分别测量照度达到中心照度10%和50%所对应的直径值d10和d50,光斑直径为4个d10的平均值,光斑分布直径为4个d50的平均值。
2.3 实验数据和光斑分布图形
两种无影灯光照度均匀性的实验测试数据见表1所列。表1两种无影灯光照度均匀性的实验参数
Tab.1 The experimental parameters of illumination
uniformity of the Surgical Iuminaire
两种无影灯的光斑分布如图9所示,其中曲线A为整体反射手术无影灯的光斑分布,曲线B为LED无影灯样机的光斑分布。
3 结论
通过对LED样机和整体反射手术无影灯在光照度均匀性方面的比较测试,证明研制的LED样机不但满足光照度分布的标准要求[5],即d50≥0.5d10,而且在获取同样的中心照度的情况下,LED无影灯的光照度均匀性明显优于整体反射手术无影灯。由此说明,LED无影灯完全能满足外科手术光照度均匀性的要求。
随着制造工艺和技术水平的不断提高,单个LED发光功率会不断地得到提高,进而使设计的光源光能输出更大而可减少LED的个数,使手术灯结构更小型化。同时,可从反光镜设计等角度来全面考虑提高光照度的分布特性。同样,当LED光源足够强时,可考虑采用错层设计来提高深腔照度(无需靠移动灯头来满足深腔照度要求),增强无影效果和光照度均匀性。此外,还可根据手术要求,将LED无影灯设计成任意所需的形状,以更好地满足各种外科手术的要求,克服了传统手术灯(整体反射型)一般都是回转型旋转曲线设计的局限性。
总之,LED本身的特点和进一步发展,使LED无影灯的光照度分布的特性有很大的提升空间。
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