基于LED的醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周文光，王春飛，毛坤劍，陳 慶，孔 悅

基于LED的醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周文光，王春飛，毛坤劍，陳 慶，孔 悅

目的：設(shè)計(jì)一種基于發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）的醫(yī)用內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)弧光燈發(fā)光效率低、溫升高、使用壽命短等不足。方法：以帶脈沖寬度調(diào)制（pule width modulation，PWM）功能的AD型單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用特制的RGB-LED混光合成白光的方法，通過(guò)光纖將合成后的光線傳到內(nèi)窺鏡的前端對(duì)體內(nèi)的組織器官進(jìn)行照明。結(jié)果：將該照明系統(tǒng)通過(guò)光纖連接至內(nèi)窺鏡主機(jī)進(jìn)行組織照明，光源顯色指數(shù)高、效果好，可真實(shí)再現(xiàn)組織顏色。結(jié)論：該內(nèi)窺鏡照明系統(tǒng)發(fā)光效率高、功耗低、照明效果好，非常適用于內(nèi)窺鏡診療照明。

醫(yī)用內(nèi)窺鏡；照明系統(tǒng)；發(fā)光二極管；混光設(shè)計(jì)

0 引言

從1795年德國(guó)醫(yī)生Philip Bozzini第一次使用硬管觀察患者膀胱和直腸內(nèi)部病變至今，內(nèi)窺鏡的發(fā)展經(jīng)歷了全開放式硬質(zhì)內(nèi)窺鏡、帶光學(xué)系統(tǒng)的硬管式內(nèi)窺鏡、電子內(nèi)窺鏡3個(gè)階段。隨著高精電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、小尺寸圖像傳感器的應(yīng)用將電子內(nèi)窺鏡的發(fā)展推向高清視頻圖像的方向[1]。但光源的選擇和照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)依舊采用較為傳統(tǒng)的方式，使用較為普遍的光源是弧光燈，此種照明方式的光源與內(nèi)窺鏡系統(tǒng)是分開的，工作時(shí)由導(dǎo)光光纖將光線導(dǎo)入到內(nèi)窺鏡前端對(duì)人體內(nèi)的器官進(jìn)行照明[2]?；」鉄暨M(jìn)行照明的方式雖然應(yīng)用較為普通，但也存在以下缺點(diǎn)：

（1）弧光燈是利用金屬電極之間產(chǎn)生的電弧發(fā)光，啟動(dòng)比較慢。

（2）熱衰及能耗較大，其損失的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致內(nèi)窺鏡前端的溫度急劇攀升，最高可達(dá)到90℃以上，在光源、光纖束耦合處的溫度則可高達(dá)200℃，因此，需要有風(fēng)扇給照明系統(tǒng)降溫，整個(gè)光源就顯得更笨重[3]。

（4）燈泡使用壽命短，需經(jīng)常更換，使用成本高。

本次設(shè)計(jì)通過(guò)光纖將合成后的光線傳到內(nèi)窺鏡的前端對(duì)人體內(nèi)的組織器官進(jìn)行照明，可以較好地解決傳統(tǒng)弧光燈發(fā)光效率低、溫升高、使用壽命短等不足。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)以帶脈沖寬度調(diào)制（pule width modulation，PWM）功能的AD型單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，采用多顆特制的發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）及透鏡組混光合成白光的方法，包括對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制的單片機(jī)管理模塊、對(duì)LED進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制的模塊以及LED混光合成模塊，照明系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.1 光源的選擇

LED作為一種新型發(fā)光元器件，其發(fā)光原理不同于傳統(tǒng)的光源，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料進(jìn)行發(fā)光的。其發(fā)光過(guò)程是通過(guò)半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合后，放出定量過(guò)剩的能量引起光子的發(fā)射，最后發(fā)出各種顏色的光[5]，是一種可直接將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體固體元器件。通過(guò)選擇合適的半導(dǎo)體發(fā)光材料，可使LED的發(fā)光光譜具有很好的選擇性，所激發(fā)出的光線幾乎不含紅外線，因而受照面幾乎不產(chǎn)生溫升。相較于其他傳統(tǒng)光源，LED具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：

（1）發(fā)光效率高。它的發(fā)光原理不同于其他傳統(tǒng)光源，而是采用載流子復(fù)合發(fā)光，可直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，光電轉(zhuǎn)換效率高于普通的傳統(tǒng)光源。

（2）壽命長(zhǎng)。LED的使用壽命長(zhǎng)達(dá)100 000 h，是傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)鹵素光源的50倍。

（3）環(huán)保。LED不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染物，廢棄物易回收，環(huán)保安全，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。

由圖3可知，在強(qiáng)降雨沖刷下，普通硬化混凝土護(hù)坡對(duì)固體顆粒的攔截作用微弱，邊坡系數(shù)為1∶1和1∶3時(shí)，固體顆粒的流失分別為0.9207kg和0.8712kg；邊坡系數(shù)為1∶1時(shí)，無(wú)覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2376kg和0.2673kg；邊坡系數(shù)為1∶3時(shí)，無(wú)覆土植草組和覆土植草組，固體顆粒的流失最高分別為0.2178kg和0.2079kg。

1.2 RGB三基色混光設(shè)計(jì)

1.2.1 三基色混光原理

多種色光顏色相加混合的基本原理是將幾種不同顏色的光同時(shí)或者快速先后刺激人的視覺(jué)感官，從而產(chǎn)生不同于原來(lái)顏色的新色覺(jué)[7]。通過(guò)選用3種不同顏色的單色光LED作為三原色，接著調(diào)節(jié)每顆LED芯片的工作電流大小就可改變LED的亮度，最后再將3顆單色LED按照一定結(jié)構(gòu)組合就可得到所需的白光。

本次設(shè)計(jì)選用3顆特制的RGB-LED，在800 mA電流條件下的光通量分別為：R-LED為54 lm，GLED為120 lm，B-LED為28 lm。每顆LED芯片的輻射角度為120°，發(fā)光區(qū)域?yàn)?.9 mm×0.9 mm。

1.2.2 混光裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的3色光混光裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。在R、G、B 3顆LED前端放置一準(zhǔn)直鏡，其作用是盡可能多地收集由發(fā)射角是120°的LED出射的光線，并保證其沿著水平方向平行射出。特殊設(shè)計(jì)的2片合光鏡設(shè)置成與G-LED芯片的中軸線成45°夾角，其水平間距和B-LED、R-LED 2個(gè)芯片的中心距離相等。通過(guò)對(duì)2片合光鏡的分光膜進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，使合光鏡1可透射綠光、反射藍(lán)光，合光鏡2可透射綠光、藍(lán)光，反射紅光。當(dāng)紅、綠、藍(lán)3色光依次經(jīng)過(guò)這2片合光鏡后，由一組聚焦鏡頭將其耦合進(jìn)入光纖并導(dǎo)入人體內(nèi)實(shí)現(xiàn)體內(nèi)照明。將3顆LED燈珠焊接在銅極板上，再將銅極板固定在一塊更大的鋁板上，保持二者接觸良好，且在鋁板背面安裝散熱片，確保散熱到位。

圖2 混光裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 電路設(shè)計(jì)

本次電路設(shè)計(jì)以AD型單片機(jī)為中央處理器，自帶PWM控制功能。系統(tǒng)運(yùn)行期間，單片機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號(hào)控制程控開關(guān)的電源工作，通過(guò)輸出的邏輯控制信號(hào)控制RGB這3顆LED燈珠的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的數(shù)字化無(wú)級(jí)調(diào)控，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)三基色的組合光調(diào)制。

1.3.1 單片機(jī)控制模塊

本次設(shè)計(jì)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)采用高精度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)制造，是一款低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4 KB在線可編程系統(tǒng)（in-system programmable，ISP）的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，可兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，并在眾多嵌入式控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[8]。

AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)定時(shí)器，可用它來(lái)控制輸出PWM信號(hào)。用12 MHz晶振接單片機(jī)，其機(jī)器周期為振蕩周期的12倍，即1 μs[9]。用R、G、B 3種顏色的LED來(lái)合成白光則需要3路PWM信號(hào)，可用定時(shí)器T1定時(shí)50 μs，通過(guò)循環(huán)100次獲得3路周期為5 ms即200 Hz的PWM信號(hào)，從P1.0、P1.1、P1.2輸出。單片機(jī)有2個(gè)外部中斷源，用INT0來(lái)控制PWM的脈寬大小，實(shí)現(xiàn)改變占空比大小來(lái)調(diào)光。單片機(jī)模塊控制電路如圖3所示。

1.3.2 LED驅(qū)動(dòng)及控制模塊

本模塊設(shè)計(jì)采用CN5612芯片作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)器。CN5612是一款電流調(diào)制芯片，正常工作電壓范圍為2.7～6 V，恒定輸出電流可達(dá)1.2 A，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)包括白光LED在內(nèi)的各類LED[10]。芯片內(nèi)部集成有功率晶體管，大大減少了外部元器件的數(shù)目。CN5612的LED端電流通過(guò)連接在ISET管腳和VDD管腳之間的電阻來(lái)設(shè)置，可設(shè)置的電流范圍為30mA～1.2 A。LED驅(qū)動(dòng)及控制電路如圖4所示。單片機(jī)控制模塊給出的PWM調(diào)制信號(hào)對(duì)N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，通過(guò)高頻電感充放電實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而控制LED的光強(qiáng)度。

1.3.3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)開關(guān)S4接地，S5、S6接高電平時(shí)，若S7接高電平，按按鍵使其發(fā)生中斷時(shí)，P1.0路占空比增大，反之減小。同理，當(dāng)開關(guān)S5接地，S4、S6接高電平時(shí)，若S7接高電平，按按鍵使其發(fā)生中斷時(shí)，P1.1路占空比增大，反之減小。當(dāng)開關(guān)S6接地，S4、S5接高電平時(shí)，若S7接高電平，按按鍵使其發(fā)生中斷時(shí)，P1.2路占空比增大，反之減小。若S4、S5、S6都接地，則3路PWM信號(hào)同時(shí)改變，用此方式可改變PWM信號(hào)脈寬大小。用INT1做復(fù)位控制，使3路PWM信號(hào)脈寬為50%。系統(tǒng)主程序框圖如圖5所示。

圖3 單片機(jī)控制電路圖

圖4 LED驅(qū)動(dòng)及控制電路圖

圖5 系統(tǒng)主程序框圖

2 應(yīng)用效果

將本照明系統(tǒng)通過(guò)光纖連接至內(nèi)窺鏡主機(jī)進(jìn)行組織照明，所采集到的組織效果如圖6所示，光源

（????）（????）顯色指數(shù)高，照明效果好，可真實(shí)再現(xiàn)組織顏色。

Design of LED-based lighting system for medical endoscope

ZHOU Wen-guang,WANG Chun-fei,MAO Kun-jian,CHEN Qing,KONG Yue
(The 174th Hospital of the PLA,Chenggong Hospital of Xiamen University,Xiamen 361003,Fujian Province,China)

ObjectiveTo design a LED-based lighting system for the medical endoscope to eliminate the deficiencies of the traditional arc lamp in low efficiency,high temperature rise,short service life and etc.MethodsCore control was realized by AD single chip microcomputer with the function of pulse width modulation (PWM).White light came into being from RGB-LED mixed light,and then was transmitted to the front of the endoscope to light in vivo tissues and organs.ResultsThe trials proved the system with high color rendering index and lighting efficiency could reflect the colors of the tissues.ConclusionThe lighting system has high efficiency and low power consumption,and thus can be used for lighting of medical endoscope.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：26-28，38]

medical endoscope;lighting system;light emitting diode;light mixing design

R318.6；TH773

A

1003-8868（2015）08-0026-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.026

南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助課題（MS087）

周文光（1970—），男，主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的維修、質(zhì)量控制、使用管理方面的研究工作，E-mail：zhouwgsun@126.com。

361003福建廈門，解放軍174醫(yī)院，廈門大學(xué)附屬成功醫(yī)院（周文光，王春飛，毛坤劍，陳 慶，孔 悅）

孔 悅，E-mail：xmky2005@126.com