便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周文光 孔 悅 王春飛 許新建 毛坤劍

便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周文光①孔 悅①王春飛①許新建①毛坤劍②*

目的：設(shè)計(jì)一種便攜式內(nèi)窺鏡的冷光源系統(tǒng)，以外接的方式為內(nèi)窺鏡提供高質(zhì)量的照明。方法：采用特制的發(fā)光二極管(LED)作為冷光源，以光纖為傳導(dǎo)介質(zhì)，設(shè)計(jì)LED到內(nèi)窺鏡前端的光學(xué)系統(tǒng)；以TPS61165為大電流驅(qū)動(dòng)芯片，芯片STM32產(chǎn)生PWM信號(hào)，設(shè)計(jì)LED的控制電路；通過(guò)外接鑲嵌的方式設(shè)計(jì)LED照明的散熱系統(tǒng)。結(jié)果：經(jīng)過(guò)臨床測(cè)試，冷光源系統(tǒng)照度穩(wěn)定，顯色指數(shù)高，色溫低，散熱效果好。結(jié)論：便攜式內(nèi)窺鏡冷光源的照明系統(tǒng)非常適合便攜式內(nèi)窺鏡的運(yùn)用。

發(fā)光二極管；照明系統(tǒng)；散熱系統(tǒng)

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and The 174 Hospital of PLA, Xiamen361003, China.

便攜式內(nèi)窺鏡將各式內(nèi)窺鏡、冷光源系統(tǒng)、大型臺(tái)車、視頻采集、顯示系統(tǒng)以及圖文處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等一體化設(shè)計(jì)，使門(mén)診檢查、組織活檢、住院查房、機(jī)動(dòng)醫(yī)療和多科會(huì)診更加方便快捷[1]。便攜式內(nèi)窺鏡體積小，重量輕，而傳統(tǒng)的冷光源系統(tǒng)一般采用氙燈或者紅綠藍(lán)(RGB)三基色與發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)RGB-LED混光成白光的方式等，其體積龐大、電路復(fù)雜等明顯缺點(diǎn)無(wú)法滿足便攜式內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)對(duì)光源部分的要求[2]。因此，設(shè)計(jì)一種便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)，適用于便攜式內(nèi)窺鏡的照明。

1 便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用特殊封裝技術(shù)LED為冷光源設(shè)計(jì)便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)，其主芯片STM32產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)信號(hào)控制TPS61165，穩(wěn)壓輸出電壓驅(qū)動(dòng)LED。整個(gè)冷光源系統(tǒng)采用外接的方式連接在便攜式內(nèi)窺鏡上，配合獨(dú)特金屬外延技術(shù)的散熱系統(tǒng)，其照明顯色指數(shù)高，重量輕，操作簡(jiǎn)單，散熱效果好，適合于便攜式內(nèi)窺鏡的照明運(yùn)用[3-4]。本研究項(xiàng)目為南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目，且已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。該系統(tǒng)由電路部分、結(jié)構(gòu)部分和散熱部分組成。設(shè)計(jì)目標(biāo)為：①電壓輸出穩(wěn)定，照明亮度恒定如一；②顯色指數(shù)高，真實(shí)反映組織顏色；③外觀輕巧，連接方便，操作簡(jiǎn)單；④散熱效果好，LED使用壽命長(zhǎng)。

1.1 系統(tǒng)的電路部分

該系統(tǒng)的點(diǎn)光源采用專用LED芯片發(fā)出的360～400 nm紫光，激發(fā)涂布在其上方的RGB熒光粉，由RGB熒光粉發(fā)出的三色光調(diào)制成白光[5]。嚴(yán)格控制LED芯片的工作電流和熒光粉的均勻性與厚度，LED發(fā)出的紫光不參與白光的配色，控制好各色熒光粉的選擇及配比，即可調(diào)制出色溫值為5700～6500 K、顯色指數(shù)為93的白光[6]。

主電路芯片采用STM32，通過(guò)其定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)控制TPS61165，進(jìn)而穩(wěn)定LED的輸出電壓。STM32產(chǎn)生的PWM信號(hào)根據(jù)鋰電池的電壓大小來(lái)控制PWM信號(hào)的占空比(如圖1所示)。

圖1 便攜式內(nèi)窺鏡電池電壓降和等幅PWM信號(hào)示圖

便攜式內(nèi)窺鏡使用鋰電池供電，在使用過(guò)程中鋰電池電壓慢慢下降，PWM信號(hào)輸出的脈寬相應(yīng)變寬，輸出的電壓穩(wěn)定不變。冷光源系統(tǒng)控制電路如圖2所示。

圖2 冷光源系統(tǒng)控制電路圖

冷光源系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)芯片TPS61165，其輸出電壓SW端通過(guò)穩(wěn)壓管D1加在LED上。STM32的PWM信號(hào)通過(guò)TPS61165的CTRL端控制鋰電池的穩(wěn)壓輸出[7]。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部分

由于便攜式內(nèi)窺鏡體積小，重量輕，集成度高，無(wú)法內(nèi)置現(xiàn)有的冷光源系統(tǒng)，故采用外接的方式連接內(nèi)窺鏡，通過(guò)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和光路設(shè)計(jì)，能夠快速連接使用，抗震效果好，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冷光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖3可知，冷光源系統(tǒng)以外接的方式從便攜式內(nèi)窺鏡手持主機(jī)連接內(nèi)置光源，直接輸出到各類醫(yī)用內(nèi)窺鏡，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 冷光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示圖

圖4 顯示，從內(nèi)窺鏡電壓輸出兩組電壓，一組給內(nèi)置冷光源提供電壓，一組連接外部充電接口，可實(shí)時(shí)為內(nèi)窺鏡充電。內(nèi)置冷光源直接接在醫(yī)用內(nèi)窺鏡上，內(nèi)窺鏡看到的圖像通過(guò)光學(xué)接口直接呈現(xiàn)在內(nèi)窺鏡手持主機(jī)上，便于觀看[8]。

當(dāng)內(nèi)置冷光源有故障時(shí)，該系統(tǒng)還備有外置冷光源，采用電池供電，可快速接在醫(yī)用內(nèi)窺鏡上。整個(gè)系統(tǒng)采用顯示指數(shù)高的冷光源，能夠真實(shí)的反應(yīng)組織顏色，其效果如圖5所示。

圖5 冷光源采集效果圖

表1 常用散熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)

1.3 系統(tǒng)的散熱部分

本系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)分為兩方面。一方面特殊封裝的LED先去除GaAs襯底，然后再將其表面與Si基底表面同時(shí)蒸鍍Al質(zhì)金屬膜，在一定的溫度和壓力下熔接在一起，最大限度的減小LED芯片的溫升[9]。采用導(dǎo)熱性能較好的材料將熱量散發(fā)出去，常用散熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)見(jiàn)表1。

本研究使用鋁合金做散熱材料，有效的利用熱容量效應(yīng)，將LED與整個(gè)外殼緊密封裝，使LED有最短的熱傳導(dǎo)路徑，減少熱傳導(dǎo)阻力；整個(gè)LED燈鑲在鋁合金內(nèi)部，外觀進(jìn)行褶皺外延技術(shù)，最大程度的增大熱傳導(dǎo)面積，進(jìn)而增加熱傳導(dǎo)速度，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 內(nèi)置冷光源結(jié)構(gòu)圖

2 便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)的應(yīng)用

便攜式內(nèi)窺鏡冷光源使用簡(jiǎn)單，連接方便，能夠快速的連接投入使用。其連接方法如下：

(1)取下光學(xué)接口防塵蓋和便攜式手持主機(jī)防塵蓋，將光學(xué)接口旋轉(zhuǎn)接入便攜式手持主機(jī)

(2)將光源和外接連接線一端接口紅點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)推入擰緊；將內(nèi)置光源連接到內(nèi)窺鏡，兩手捏緊光學(xué)接口卡環(huán)，取下鏡蓋，再次捏緊光學(xué)接口卡環(huán)，接上內(nèi)窺鏡；將外接連接線接口一端紅點(diǎn)與主機(jī)對(duì)準(zhǔn)，推入自動(dòng)擰緊；若要取下，則兩手按住接口格紋處往外輕拉。其連接方法如圖7所示。

圖7 內(nèi)置冷光源連接示圖

(3)采用外置冷光源，其連接方法如圖8所示。

圖8 外置冷光源連接示圖

該系統(tǒng)連接冷光源后，能夠快速的進(jìn)行門(mén)診各種小手術(shù)和診療活動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔輕便，操作簡(jiǎn)單，安全性能好，使用壽命長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)便攜式內(nèi)窺鏡對(duì)冷光源系統(tǒng)的特殊要求，本研究所研制的便攜式內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)以外接的方式為內(nèi)窺鏡提供高質(zhì)量的照明。整個(gè)系統(tǒng)采用內(nèi)置冷光源和外置冷光源進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，配合獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)，使便攜式內(nèi)窺鏡畫(huà)面顯示質(zhì)量高，散熱效果好，使用安全可靠，且系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，技術(shù)便于掌握，適合在醫(yī)院門(mén)診檢查、機(jī)動(dòng)醫(yī)療及野戰(zhàn)醫(yī)療等活動(dòng)的應(yīng)用[10-12]。

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Design of the cold light source system for portable endoscope

ZHOU Wen-guang, KONG Yue, WANG Chun-fei, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):38-40.

Objective: To design a portable endoscope cold light source system. Methods: Using special LED as a cold light source, optical fiber astransmission medium, optical system design LED to the front end of the endoscope; with TPS61165 high currentdrive chip, STM32 generates a PWM signal, the control circuit design of LED; cooling system through the external embedding mode design of LED lighting. Results: After clinical testing, cold light source illumination of the design of the system is stable, high color rendering index, color temperature low, good heat dissipation effect. Conclusion: The design of the lighting system is very suitable for theuse of portable endoscope.

Light emitting diode; Lighting system; Cooling system

周文光,男,(1970- ),本科學(xué)歷，主任技師。解放軍第174醫(yī)院 廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院器材科，從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制及使用管理等研究工作。

1672-8270(2015)01-0038-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.012

2014-08-21

南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題(MS087)“野戰(zhàn)便攜式內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)的研制”

*專利：國(guó)家實(shí)用新型專利(2014 2 0083810.3)

①解放軍第174醫(yī)院 廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院器材科 福建 廈門(mén) 361003

②解放軍第174醫(yī)院 廈門(mén)大學(xué)附屬成功醫(yī)院醫(yī)務(wù)處 福建 廈門(mén) 361003

*通訊作者：kunjian_m@126.com