无障碍智能化LED节能无影灯系统设计方案解析

一、项目概述

1.1 引言

随着医疗事业的发展和医学技术的进步，在手术过程中, 将运用多种医疗设备对病人进行抢救和治疗。而先进、完善的装备, 有利于保证手术质量, 提高手术效率, 避免人员在手术中反复出入而带来干扰和污染。

LED是 21世纪具有竞争力的新型电光源，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。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，我们将利用LED技术设计无障碍智能化LED节能手术间照明系统，该设计有冷光源、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，并能提供更加优越的手术照明效果。

1.2 项目背景/选题动机

手术无影灯是手术室内重要的设备，要求能清晰地观察处于切口和体腔中不同深度，大小和对比度低的物体。由于手术时医生的头、手和器械均可能对手术部位造成干扰阴影，因而手术无影灯要求能消除阴影，并将色彩失真降到最低程度。同时，无影灯还必须能长时间地持续工作而保持低温状态。

传统的卤素灯泡无影灯沿用了数百年，虽然经历了无数次改进，但由于卤素灯泡本身的缺点（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），使暴露出的问题一直没有从根本上得到很好的解决。

相对于卤素灯来讲，LED无影灯利用的是一个全新的技术平台，它的出现是伴随着LED技术的不断发展成熟而实现的，现在LED的芯片设计和封装技术已经能够充分满足无影灯在照度和显色指数上的要求，同时符合当前医院整体绿色照明的要求。另外，LED光源的光谱分布也决定了其非常适合作为手术无影灯的光源。

由于无障碍智能化LED节能手术间照明系统，具有绿色环保，长寿命、低热量，机械强度高，抗冲击和抗震动能力强等特点，可以解决传统卤素光源无影灯存在的问题。有望取代现行的手术间照明系统，将会具有非常重要的应用推广价值和市场价值。

二、需求分析

2.1 功能要求

手术灯无影灯，一方面必须能够确保手术室照明亮度，使得医师能够精确的分辨轮廓、颜色和移动，另一方面要求无影照明。因此，要求手术灯要提供接近日光质量的光强度（最少为10万照度），并且亮度可调。在手术过程中如遇故障，能够在短时间内自动切换备用灯泡。手术灯在光照明亮的同时，还必须避免产生热量，手术灯还能保证色温高达4000色温以上，接近于日光，使眼睛感知的颜色更清晰，并且不会使医护人员因长时间工作而眼睛疲劳。

本设计完成的手术间照明系统必须具有如下要求:

1.手术照明亮度，采用特殊设计的精密光学系统，光利用率高、光照均匀、清晰度高；

2.冷光， 采用LED作为手术灯光源，无红外辐射，具有出色的冷光效果；

3.无阴影，采用多光源光斑自动聚焦的智能控制；

4.安全的手术照明，光源采用低压直流供电和特殊的电源组件，具有过压、短路等保护功能，彻底消除安全隐患；

5.可拆卸消毒，采用现代流线型设计，满足当今手术室清洗、消毒和高标准层流要求；

此外，采用微电脑数字方式无级调控，同时还能保持其准确的色温，为医生准确判断提供可靠保证，且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。

图1 系统架构

2.2 性能要求

1.具有充足的照度 

无影灯的照度已可达150，000LUX以上，接近夏季晴天阳光下的亮度。实际使用的照度一般以40000～100000LUX为宜，过亮会影响视力。在提供充足照度的同时，应避免光束在手术器械上产生眩光。眩光影响视力和视觉，易使眼睛产生疲劳。不利外科医生的手术进行，无影灯的照度与手术室内的光照度不应相差太大，某些照度标准规定，整照明的照度以局部照明照度的十分之一为宜。手术室的整体照度应在1000LUX以上。

2.无影度高

LED光源的二次光学设计，提高光源的光利用率并达到远距离聚光、光斑均匀性和无影化。

3.温度低

4.光质好

所谓光质好就是所提供的光束能真实映现血液、组织的颜色及其变化。这种性能一般称为显色性，它以光源的分光分布所算得的显色指数值来表示，最佳显色指数为100。显色性与色温有很大关系。要求能达到6000K色温，真实显色性约为70-90，有效显色性则接近100。

5.操作方便

手术无影灯在手术过程中应能连续改变位置与方向，操作必须简单、灵活、轻便、制动快速、有效。灯体中央部位应装有可灭菌的操作手柄，高级产品还装有导光纤维深部冷光灯、彩色电视摄影装置和通风装置。

6.经济性和安全性

LED光源寿命长达20000小时以上，并且抗震不易损坏；LED采用低压直流供电安全节能。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

由于单个 LED 的发光效率不能满足手术无影灯的光照强度和均匀性的要求，因此需要用多个LED组成阵列并要求排列合理，分布均匀，使得每个目标平面的光照度符合要求，以此来决定LED 的数量以及分布规则。虽然 LED 的发光效率高，产生的热量少，但是如此多的LED 在一个密封的箱体内，还是会产生大量的热量，温度甚至会高达60℃~80℃，所以必须合理设计散热器以及散热通道，以有效地降低系统热阻。

LED手术无影灯由多个灯头组成，成花瓣状，固定在平衡臂悬挂系统上，定位稳定，能做垂直或循环移动，可满足手术中不同高度和角度的需求。整个无影灯有216个高亮度白色LED，18个串联成一组即称为高亮度发光二极管串。以18组并联而成。每组相互独立，若有一组损坏其他照样能够继续工作，所以对手术的影响较小，每组单独进行恒流驱动并根据用户需要接受一个微处理器的 PWM 脉宽调节控制，可无级调节，流过每个LED的电流约为 125~325 mA 。LED无影灯电气原理图如图所示。

系统硬件结构框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

本项目选用EVK1105作为设计平台，AT32UC3A是完整的系统级芯片微控制器，采用VR32 UC RISC，工作频率高达66MHz，设计用于对成本敏感的嵌入式应用，特别是低功耗，高代码效率和高性能。 AT32UC3A集成闪存和SRAM存储器，外设直接存储器访问控制器（PDCA），以及电源管理。此外还有多种通信接口如UART，SPI，TWI，同步串行控制器，USB和以太网MAC等。

3.3系统软件架构

本系统是由主控制平台和终端构成，主控制平台用的是EVK1105,终端采用Atmel 51系列单片机，因此本系统软件部分也由两部分构成，主控制平台负责接收用户的操作命令，终端负责接收主控台的指令，然后根据指令控制各个步进电机的旋转，由于我们要把手术台上的平面坐标转化为我们系统的里面的坐标，且每次移动到一个新的坐标，都要重新建立坐标系，计算量比较大，我们充分利用AT32UC3A0512具有32位的优点，轻松可以计算转化成步进电机所转的角度，从而减轻终端的计算量。

EVK1105主控平台主要负责接收用用户的指令，如LCD触摸屏坐标位置，以及方向键，来控制LED灯焦点在手术台上的移动，主控平台接收用户指令后，通过计算，把数据传给下位机（12个MCU构成），12个MCU分别控制每个LED的两轴联动，使得，在任意时刻12个LED灯中的9个LED灯的焦点同时能聚焦到手术台上的任意一点，来达到消除影子的功能。

3.3.1主控平台

LCD触摸快速定位，我们将LCD屏幕用虚线将手术台分成12个块，用手指点击其中一块，手术台上方的LED灯迅速移动到这块面积对应手术台上对应块的中心位置，然后通过方向键来精确调整平面坐标，来达到手术无影灯集中光点在手术台上任意点位置。

3.3.2 终端单片机控制

用单片机来实现两轴联控制的关键，是必须首先找到适合单片机编程的直线及圆弧轨迹的两轴联动的控制方法。为了便于两轴联运的单片机程序设计，一种最简易的方法是设置两个容量为某一定值Ｄ的累加器Ex 及Ey，然后按一定的时钟频率f，向两累加器中分别累加一个增量△x, △y，亦即每个时钟到来时，作一次加下计算。

3.4 系统软件流程

系统软件流程图

3.4 系统预计实现结果

本项目研发一种无障碍智能化节能手术间系统，该系统将LED手术照明与手术室建设及净化工程相结合，解决无障碍智能化节能手术间的关键技术，并在集成大功率LED芯片设计、光源模块的散热设计及灯具的机构设计、均匀度无影化灯具的二次光源设计、LED照明光源布局与手术室净化系统设计结构等方面取得突破。