自動調色LED醫(yī)用冷光源的研制

朱 波 袁 強 袁 林

自動調色LED醫(yī)用冷光源的研制

朱 波①袁 強②袁 林③

根據(jù)臨床需要及使用者的不同要求，提供一種節(jié)能、環(huán)保、安全及可靠的自動調色LED醫(yī)用冷光源；將LED作為醫(yī)用冷光源的光源，LED采用紅、黃、綠三基色和三驅動控制；光強度以總光度調節(jié)與紅、黃、綠三基色調節(jié)相結合；自動調節(jié)、跟蹤與人工調節(jié)相結合。根據(jù)攝像、顯示和個體不同需要調節(jié)最佳的色彩，以LED為光源，采用總光強度和分色光(紅色光、黃色光、綠色光)強度的檢測，研制能進行自動跟蹤設定色彩和光強的自動調色LED醫(yī)用冷光源。自動調色LED醫(yī)用冷光源使用安全、性能可靠、節(jié)能環(huán)保，能適合使用者的不同需求。

發(fā)光二極管；醫(yī)用冷光源；自動調節(jié)；三驅動控制

[First-author's address]System Integration Department, Jiangsu Hongxin System Integration Co.,ltd Nanjing Jiangsu 210009,China.

醫(yī)用冷光源是現(xiàn)代醫(yī)療的常規(guī)光源，目前主要以鹵素燈、疝燈等常規(guī)光源為主，而常規(guī)光源能耗大、使用壽命短且光色不可調整[1-3]。而LED燈具有節(jié)能、環(huán)保、安全、壽命長、亮度高防水、防震、可調光以及維護方便等諸多優(yōu)點[4-5]。在LED燈管中有一類屬高指向型燈管，具有很強的指向性和發(fā)光源小等特性，能作為局部照明光源使用，并與光檢出器聯(lián)合使用，以組成自動控制系統(tǒng)[7-8]。醫(yī)用冷光源是一種特殊的局部照明光源，需要指向性很強的光源，并且發(fā)光源越小越好；同時需光強度調節(jié)方便、安全等特殊要求。對照醫(yī)用冷光源的要求和LED燈所具有的特性二者非常相符，所以從光源的特性方面用LED燈來替代現(xiàn)有常規(guī)冷光源燈泡是可行的發(fā)展方向[9]。

光源另一個要求是光的質量，即光的顏色，而醫(yī)用冷光源要求的是白光[10]。白光是一個特別的顏色，可由非常多的可見光譜組合產(chǎn)生，LED能產(chǎn)生多種顏色的光，白色光只是其中的一類[11]。白光發(fā)光二極管WLED之優(yōu)點為體積小、高效能、壽命長以及節(jié)能環(huán)保等，主要制作方式可分為兩類：一類為單芯片，其搭配熒光粉產(chǎn)生白光；另一類為多芯片型，借由透鏡混合紅、綠、藍三芯片使發(fā)光二極管產(chǎn)生白光，并可調整所需光色，其有高演色性[12-13]。三色LED所需材料、系統(tǒng)、驅動電壓、溫度與光衰減率有所差異，且需三套電路設計分別控制電流，造成設計復雜，生產(chǎn)成本增加[14]。雖然三芯片型需三套電路設計分別控制電流或電壓，但對醫(yī)用冷光源不單不是缺點，相反正是其所需要的[15]。三芯片的LED燈成本對醫(yī)用冷光源來說與現(xiàn)有的醫(yī)用冷光源燈泡的價格相比明顯降低。用LED燈來代替現(xiàn)有醫(yī)用冷光源燈泡不單成本不增加，還能延長使用壽命，實現(xiàn)光色的自動調整[16]。

LED醫(yī)用冷光源作為普通照明的一種特殊光源，更注重光通量、光束的空間分布、顏色以及顯色特性等參數(shù)。LED的電壓降取決于內部發(fā)射所需要的能量勢壘，能量勢壘由顏色決定，即電壓降也取決于發(fā)光顏色。由于生產(chǎn)過程的差異，使得每一個LED的波長不盡相同，造成電壓降上的差異。當溫度增加時，由于一些與溫度相關之因素，LED的發(fā)光強度亦隨之減弱，在固定電流或電壓操作條件下，藍光LED的特性溫度最高，綠光LED居中，而紅光LED則最低。兩個LED之間的溫度不同也會帶來顏色上的不同，并且造成電壓降的差異。但是利用各自的調節(jié)電路即可使三色光得到一定的補償，克服三色光因溫度變化帶來的差異。

1 醫(yī)用冷光源的基本要求

醫(yī)用冷光源屬特殊光源，主要功能是提供亮度和可靠的顯色性能，光源要適應醫(yī)護人員對實物能區(qū)分各組織的分界線等微細變化[17]。醫(yī)護人員利用冷光源觀察組織分肉眼直接觀看和顯示器中觀看二種，因此，作為醫(yī)用冷光源，不但能提供質量可靠的可調光強度，還能根據(jù)具體情況進行調節(jié)光的顯色性。

2 自動調色LED醫(yī)用冷光源功能與組成

自動調色LED醫(yī)用冷光源要具備以下功能：①可調節(jié)光強度；②可調節(jié)光色度；③可調節(jié)光顯色性；④人對光色最為敏感；⑤能自動跟蹤設定的光色[18]。

自動調色LED醫(yī)用冷光源組成主要由主控器、亮度調節(jié)器、紅光調節(jié)器、綠光調節(jié)器、藍光調節(jié)器、紅光驅動器、綠光驅動器、藍光驅動器、光記憶跟蹤器、白光檢測調節(jié)器、電源管理器、LED燈檢測與轉換器、主LED燈和副LED燈以及指示電路組成。主控器的輸入端接入亮度調節(jié)器、紅光調節(jié)器、綠光調節(jié)器及藍光調節(jié)器；主控器的輸出端接入紅光驅動器、綠光驅動器、藍光驅動器及指示電路；光記憶跟蹤器、白光檢測調節(jié)器、電源管理器、LED燈檢測與轉換器同時接入主控器的輸入和輸出兩端。

LED燈檢測與轉換器由LED燈檢測電路和轉換電路組成，同時連接紅光驅動器、綠光驅動器、藍光驅動器、主LED燈以及副LED燈。電源管理器由供電管理電路和充電管理電路組成[19]。光記憶跟蹤器由光參數(shù)固定電路和光檢測電路組成。白光檢測調節(jié)器由紅光檢測調節(jié)、綠光檢測調節(jié)和藍光檢測調節(jié)三部分組成。光強度輸出調節(jié)控制分人工調節(jié)控制和自動調節(jié)控制[20]。

3 自動調色LED醫(yī)用冷光源設計方案

3.1 光源的采用

以紅、綠、藍三原色光等比例混合為白光作為基礎，利用不同的比例混合得到所想要的顏色[21]。例如LED顯示器是以紅光、綠光和藍光3種顏色的LED作為光源，當這3種顏色的LED混合之后可產(chǎn)生各種顏色，而人眼色彩感受也是紅、綠、藍3種和LED的正好相對應[22]。

3.2 LED燈選用

大功率LED燈具有優(yōu)秀的柔光技術，可使LED光源擴展為面光源，消除眩光，提升視覺效果。LED射燈采用二次光學透鏡，其作用是聚光、避免了光的重復浪費，使出光率比普通LED提高10%以上[23]。醫(yī)用冷光源的光源LED燈選用多面反射燈杯，采用紅、綠、藍三芯片的驅動調節(jié)電路，燈座采用多腳插針，方便更換和調節(jié)。

3.3 白色光的組合與光調節(jié)

LED醫(yī)用冷光源輸出的總光強度等于紅光、綠光和藍光三分色光輸出的光強度之和。輸出的光顏色由紅光、綠光與藍光的比例組合所決定。LED醫(yī)用冷光源的白色光組成由主控器控制紅、綠、藍光的輸出比例，輸出的光源由白光檢測調節(jié)器檢測與調節(jié)。白光檢測調節(jié)器可測量輸出白光實際的組成成分；白光檢測調節(jié)器將測量結果反饋給主控器后，再經(jīng)對比、計算作出相應處理，使其輸出合格的白色光。由于當驅動電壓或電流同步變化時，紅、綠、藍光輸出強度變化量不同，故在總光強度經(jīng)調節(jié)后輸出的光源顏色在使用過程中也會有所改變；另外，因溫度等外部因素改變，紅、綠、藍光輸出光強度變化量各不同，所以在正常使用中光源產(chǎn)生的光色也會有一定的改變。為能固定已經(jīng)設定的光色輸出就需要固定其數(shù)據(jù)，通過自動控制與調節(jié)，保證輸出光的穩(wěn)定，光記憶跟蹤器就是其中的一個組成部分。LED醫(yī)用冷光源在選擇適合的光輸出值后如需進行自動跟蹤可選用光記憶跟蹤器實現(xiàn)。光記憶跟蹤器檢測部分和白光檢測調節(jié)器中的檢測部分相同，也由紅、綠、藍光檢測3個部分組成，將檢測到的光值傳給主控器，由主控器與原定的光值作比較，如有誤差經(jīng)主控器進行適當?shù)难a償，保證光輸出和原設定值一致。

光源的最佳顯色性，不是對所有的人都一樣。因人的視覺細胞反應不一致，不是每個人對顏色都是在白光時為最佳光源，可適當?shù)奈⒄{紅、綠、藍光取得最佳光源，即用光源的顯色性(光源的顏色)來補償人眼對顏色的差異。如在白色光經(jīng)自動處理后，使用者感覺仍不太滿意，可選用手動調節(jié)，使其達到最佳程度時，再選用光記憶跟蹤器實行光自動跟蹤自行設定的光源。

3.4 三原色的控制與調節(jié)

紅、綠、藍三色的光強度，一方面受白光檢測調節(jié)器和亮度調節(jié)器的調節(jié)，另一方面還分別受紅光調節(jié)器、綠光調節(jié)器及藍光調節(jié)器各自的調節(jié)輸出分色光的強度。白光檢測調節(jié)器和亮度調節(jié)器保證輸出符合要求的白色光及其強度，能實現(xiàn)自動調節(jié)。由于人的差異性和攝像與顯示的差異，為滿足不同的需求，紅、綠、藍三色光的光強度在一定程度上可分別進行各自的調節(jié)，調整三色光各自實際輸出強度，并分別由紅光調節(jié)器、綠光調節(jié)器及藍光調節(jié)器分別控制與調節(jié)。

3.5 電源管理電路

為防止因外部電源的因素影響自動調色LED醫(yī)用冷光源的使用，從而影響手術的正常進行，在自動調色LED醫(yī)用冷光源使用時，電源管理器一方面自動檢測電源供給狀況，由供電管理電路負責完成；另一方面管理充電電池，由充電管理電路負責完成。平時根據(jù)充電電池的電量情況進行充電。當醫(yī)用冷光源在使用時因外部電源故障，電源管理器轉換電源供給，充電電池即時給主控器提供電源，保證醫(yī)用冷光源的正常供電[24]。

3.6 LED燈檢測與轉換電路

LED燈使用壽命較長，但也有損壞和故障可能，遇有故障常用的應急處理方法是：采用二組LED燈即主LED燈和副LED燈作為發(fā)光源；光源檢測和控制由LED燈檢測與轉換器完成，LED燈檢測與轉換器由LED燈檢測電路和轉換電路二部分組成，LED燈檢測電路自動檢測LED燈的狀況，給其中的一組LED燈提供工作電源，使其發(fā)光；另一組處在備用狀態(tài)。若在工作中的一組LED燈因故不能正常工作，轉換電路則工作，進行二組LED燈間的工作狀態(tài)轉換，工作狀態(tài)的LED燈轉為備用狀態(tài)，無工作電源供給；備用狀態(tài)的LED燈轉為工作狀態(tài)，提供工作電源，得電發(fā)光。3.7 指示電路

指示電路是給使用者提供LED冷光源使用工作狀態(tài)，根據(jù)實際使用狀況發(fā)出相關指令，如光源強度、紅、綠、藍光強度、供電情況(外部電源或內部電源和充電狀況)、二組LED燈狀態(tài)以及光控狀況(自動與手動)。

3.8 控制電路

控制電路是自動調色LED醫(yī)用冷光源非常重要的部件。LED醫(yī)用冷光源的控制單元為主控器，主控器由微處理器為核心組成，輸入端接收亮度調節(jié)器、紅光調節(jié)器、綠光調節(jié)器以及藍光調節(jié)器的信號，并根據(jù)輸入的信號值作出對應處理，經(jīng)輸出端紅光驅動器、綠光驅動器及藍光驅動器控制調節(jié)輸出值，同時對指示電路給出相應指令；白光檢測調節(jié)器、LED燈檢測與轉換器、電源管理器、光記憶跟蹤器分別接主控器的輸入和輸出二端，一方面接收主控器的指令，另一方面也將所檢測的數(shù)據(jù)反饋給主控器，主控器則根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)進行分析處理，作出必要的調整。

4 展望

LED作為新型光源已廣泛的在各行各業(yè)中得到普遍應用。在醫(yī)學領域LED光源已經(jīng)廣泛的使用在手術無影燈、頭燈等醫(yī)療設備中。自動調色LED醫(yī)用冷光源利用計算機控制與攝像、顯像配合，可得到最佳分辨率，并能進行自動檢測與自動控制，保證各種診療工作順利進行。相信自動調色LED醫(yī)用冷光源將在醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)得到廣泛的推廣應用。

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Research on development of automatic color LED medical cold light source/

ZHU Bo, YUAN Qiang, YUAN Lin//
China Medical Equipment,2015,12(12):87-89.

According to the clinical needs, to meet the different requirements of users,to provide a kind of energy-saving, environmental,Protection, safety,reliable automatic color LED medical cold light source; using LED as light source medical cold light source, LED used red, yellow, green The three primary colors, with the three drive control; light intensity using the total luminosity regulation combined with red, yellow, green three primary color Festival; automatic regulation, tracking and artificial regulation combined. According to the camera, display and individual different regulating the best color,taking LED as the light source, using the total light intensity and color separation light (red light, yellow light, green light intensity detection), and can realize thetracking, to develop the automatic tracking set color and intensity automatic colorLED medical cold light source. Conclusion automatic color LED medical cold light source of safe use, reliable performance, energy saving and environmental protection; the different needs can be suitable for different users; and can realize automatic control and manual adjustment of light intensity and light intensity of the total.

Light emitting diode; Medical cold light source; Self-regulation; Three driving light intensity

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.028

1672-8270(2015)12-0087-03

R197.39

A

2015-05-12

①江蘇鴻信系統(tǒng)集成有限公司 江蘇 南京 210009

②揚州工業(yè)職業(yè)技術學院 江蘇 揚州 225009

③揚州市第一人民醫(yī)院 江蘇 揚州 225001

朱波,男,(1983- ),本科學歷，工程師。江蘇鴻信系統(tǒng)集成有限公司，從事計算機工程及通信、數(shù)據(jù)傳送工作。