醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張培茗，郭世俊，2，劉楊，虞建棟（.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院，上海 20009；2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 20009；.寧波高新區(qū)通尚光電技術(shù)有限公司，浙江寧波 50）

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醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張培茗1，郭世俊1，2，劉楊1，虞建棟3
（1.上海健康醫(yī)學(xué)院 醫(yī)療器械學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；3.寧波高新區(qū)通尚光電技術(shù)有限公司，浙江寧波 315103）

摘要：設(shè)計(jì)并建立了醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由微型光纖光譜儀、光學(xué)積分球、可編程電源和溫度控制器等構(gòu)成。利用該系統(tǒng)對(duì)三款醫(yī)用LED的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，在不同驅(qū)動(dòng)電流下測(cè)量得到了溫度從15℃到80℃變化對(duì)LED色溫和顯色指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)證實(shí)該系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠，解決了醫(yī)療儀器開(kāi)發(fā)中對(duì)LED光源選擇的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；發(fā)光二極管；溫度；色溫；顯色指數(shù)

0　引言

LED光源由于其輕便性、耗電低、環(huán)保和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。在醫(yī)療器械領(lǐng)域主要用于照明，另外還可利用LED光的穿透特性、光化學(xué)作用和熱作用等機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)多種疾病的診斷和治療作用。目前在醫(yī)療器械領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的光譜波段包括紫外、可見(jiàn)光和紅外等，波長(zhǎng)范圍從340nm到3600nm均有涉及；而在臨床治療中涉及的科室涵蓋了婦科、皮膚科、口腔科、外科和眼科等多個(gè)科室［2］。同時(shí)，隨著LED及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，LED在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用還將逐漸擴(kuò)大［3］，對(duì)于醫(yī)用LED的要求也逐漸提高，針對(duì)醫(yī)用LED的顯色指數(shù)、色溫等光電色特性在醫(yī)療器械的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有了明確的要求，多個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求用于照明的LED如果是人眼直接觀察被照明部位，LED的顯色指數(shù)要求在85以上［4-5］。本文根據(jù)醫(yī)用LED的參數(shù)要求，建立了一套用于醫(yī)用LED的光電色檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)醫(yī)療器械中常用的LED進(jìn)行了測(cè)試。

1　光電色參數(shù)測(cè)量的理論基礎(chǔ)

被測(cè)光源的光學(xué)參數(shù)由光纖光譜儀測(cè)量獲得，電參數(shù)通過(guò)可編程電源設(shè)置和進(jìn)行測(cè)量。顏色相關(guān)參數(shù)色溫、顯色指數(shù)等根據(jù)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算［6］。

要計(jì)算顏色的色品坐標(biāo)，要先計(jì)算顏色的三刺激值，計(jì)算公式如下：

式中，φ（λ）為L(zhǎng)ED樣品的相對(duì)光譜功率分布，由光譜儀測(cè)量獲得；x（λ）、y（λ）、z（λ）是1931CIE-XYZ色度系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)色觀察者光譜三刺激值，計(jì)算出物體顏色的三刺激值后由式（2）計(jì)算出物體的色品坐標(biāo)

在測(cè)量得到光源的光譜功率分布的情況下，進(jìn)行顯色性計(jì)算。評(píng)價(jià)光源的顯色指數(shù)（CRI）采用一套15種試驗(yàn)色樣品，其中1～8號(hào)試驗(yàn)色樣品用于光源一般顯色指數(shù)的計(jì)算Ra，這8種試驗(yàn)色代表了各種不同的常見(jiàn)顏色，其飽和度適中，明度值接近相等； 9～15號(hào)專(zhuān)門(mén)用于特殊顯色指數(shù)Ri的計(jì)算，它們是一些飽和色和皮膚色。

測(cè)量、計(jì)算第i（1≤i≤15）種試驗(yàn)色在參考光源和待測(cè)光源下的色差ΔEi，最后可求得光源的特殊顯色指數(shù)分別為：

Ri=100-4.6ΔEi

光源的顯色指數(shù)越高，物體顏色的失真越小。如果Ri=100，則表示該試驗(yàn)色樣品在待測(cè)光源照射下的色品坐標(biāo)與參考光源照射下一致。一般顯色指數(shù)Ra表示為1～8號(hào)試驗(yàn)色特殊顯色指數(shù)平均值：

2　醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)的建立

醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光電色參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同封裝、不同功率、不同發(fā)射光譜的LED進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分，硬件由海洋光學(xué)Maya2000pro微型光纖光譜儀、光學(xué)積分球、恒溫控制儀、高精度可編程電源和計(jì)算機(jī)等組成（圖1）。軟件由Visual C++及VB.Net編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲(chǔ)，并具備系統(tǒng)狀態(tài)、電源參數(shù)的顯示和LED溫度控制的功能。

圖1　醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)硬件原理圖

圖1為系統(tǒng)的硬件原理圖，硬件部分由電信號(hào)通道、溫度控制通道和光信息通道組成。電信號(hào)通道由計(jì)算機(jī)控制可編程電源，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)LED的電壓、電流等信息，計(jì)算機(jī)與可編程電源通過(guò)RS232接口連接，能夠?yàn)樗B接光源提供恒流源或恒壓源，并可監(jiān)測(cè)光源的實(shí)時(shí)電壓、電流和功率等信息，可編程電源可由計(jì)算機(jī)設(shè)置參數(shù)，也可以采用手動(dòng)模式直接對(duì)可編程電源進(jìn)行設(shè)置。

由于LED工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，而溫度變化對(duì)LED的峰值波長(zhǎng)、輻射通量、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)都有影響，一般采用LED光源的設(shè)備也會(huì)對(duì)LED的散熱進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行LED參數(shù)測(cè)試的時(shí)候就必須要考慮溫度對(duì)LED的影響。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)裝置用來(lái)對(duì)LED溫度進(jìn)行控制，溫度控制通道由恒溫控制器對(duì)LED工作的溫度進(jìn)行控制，恒溫控制器采用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)對(duì)LED進(jìn)行溫度控制，在安裝LED的夾具上又埋設(shè)了溫度傳感器，恒溫控制器實(shí)時(shí)接收溫度傳感器信號(hào)，根據(jù)溫度傳感器信號(hào)與目標(biāo)溫度差別控制半導(dǎo)體制冷片制冷或加熱，結(jié)合人工智能溫度控制算法實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，本系統(tǒng)的溫度控制范圍為5℃～80℃，分辨率0.1℃，精度±0.5％，溫度控制器通過(guò)RS485接口與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)可顯示設(shè)置溫度和實(shí)時(shí)溫度，溫度設(shè)置也可通過(guò)手動(dòng)方式由恒溫控制器設(shè)置。

系統(tǒng)采用的光學(xué)積分球根據(jù)CIE 127最新標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)，采用最新旋壓一次成型工藝，使用全鋁合金材質(zhì)，噴涂高反射率BaSO4涂層，具有2π測(cè)量、4π測(cè)量功能及自吸收修正功能。為了保證較高精度，系統(tǒng)采用海洋光學(xué)Maya2000pro微型光纖光譜儀，該光譜儀采用日本Hamamatsu原裝面陣CCD，動(dòng)態(tài)范圍寬，精度高，可以精確實(shí)現(xiàn)LED光電色參數(shù)測(cè)量。

在為L(zhǎng)ED提供驅(qū)動(dòng)電源和恒溫控制的基礎(chǔ)上，LED以2π測(cè)量方式安裝在積分球內(nèi)對(duì)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。光學(xué)參數(shù)測(cè)量由積分球內(nèi)的光纖探頭把測(cè)量光信號(hào)發(fā)送到光纖光譜儀的輸入接口，光纖光譜儀獲取的信息通過(guò)USB接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析處理。

系統(tǒng)軟件采用Visual C++及VB.Net編寫(xiě)，利用恒溫控制器、可編程電源和光纖光譜儀的二次開(kāi)發(fā)包進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)軟件根據(jù)光學(xué)測(cè)量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照參數(shù)測(cè)量要求，提供儀器預(yù)熱、暗電流測(cè)量、光譜校準(zhǔn)和自吸收修正等功能。軟件界面可進(jìn)行光譜儀、電源和恒溫器參數(shù)設(shè)定。軟件界面顯示測(cè)量結(jié)果，并顯示被測(cè)LED的光譜曲線，還可選擇顯示CIE1931、CIE1960和CIE1976標(biāo)準(zhǔn)的色度圖。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足各種不同用途的需求，方便進(jìn)行LED測(cè)試的使用。

圖2　醫(yī)用LED光電色檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

3　醫(yī)用LED光電色參數(shù)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品為選自用于醫(yī)用手術(shù)頭燈和檢眼鏡中的白光LED進(jìn)行測(cè)試。選擇美國(guó)、德國(guó)和國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的CR、OS和PR三款醫(yī)用照明白光LED進(jìn)行檢測(cè)，三款LED的標(biāo)稱(chēng)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)主要對(duì)三款LED的光譜曲線、發(fā)光效率、色溫和顯色指數(shù)隨溫度的變化進(jìn)行測(cè)量和分析。

表1　三款LED標(biāo)稱(chēng)參數(shù)

測(cè)量前進(jìn)行準(zhǔn)備工作，開(kāi)機(jī)預(yù)熱30分鐘，確認(rèn)積分球閉合、球內(nèi)無(wú)光源發(fā)光，測(cè)量得到暗電流，之后安裝標(biāo)準(zhǔn)燈，設(shè)置參數(shù)，完成光譜校準(zhǔn)，最后進(jìn)行自吸收修正，完成上述步驟后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試環(huán)境溫度為25℃，CR和OS工作電流設(shè)置為350mA、700mA和1000mA，PR工作電流設(shè)置為350mA，分別測(cè)試三款LED在15℃～80℃顯示指數(shù)、色溫和發(fā)光效率隨溫度的變化情況。

光源所發(fā)出光的顏色與“黑體”在某一溫度下輻射的顏色相同，“黑體”的溫度就稱(chēng)為該光源的相關(guān)色溫。在黑體輻射中，溫度越高，光譜中的藍(lán)色成分越多，紅色成分越少。從圖3中可看出，驅(qū)動(dòng)電流、LED溫度變化都會(huì)對(duì)色溫產(chǎn)生影響。CR和OS在低溫時(shí)呈現(xiàn)色溫較高，隨溫度升高色溫有所下降，PR隨溫度升高色溫有所上升，白光LED的色溫主要受到藍(lán)光輻射占整個(gè)光譜輻射通量比例的影響。

顯色指數(shù)是醫(yī)用LED的重要參數(shù)，其直接影響照明部位的血管、組織等的辨識(shí)能力。測(cè)試的LED顯色指數(shù)隨溫度升高都有所上升，OS的顯色指數(shù)在高溫區(qū)略有下降。顯色指數(shù)的變化受到LED的峰值波長(zhǎng)變化影響，因此要保證良好的顯色性要控制LED的溫度，增加散熱裝置，保證LED有穩(wěn)定的光學(xué)和顏色參數(shù)。

圖3　色溫隨溫度變化曲線圖

圖4　顯示指數(shù)隨溫度變化曲線圖

4　結(jié)論

光電色參數(shù)對(duì)于LED的選擇是重要依據(jù)，LED生產(chǎn)廠家、批次都會(huì)影響LED的參數(shù)變化，在醫(yī)療儀器中對(duì)LED的參數(shù)有嚴(yán)格要求，同時(shí)還要保證安全性。通過(guò)本設(shè)計(jì)建立了醫(yī)用LED的光電色測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)三款醫(yī)用LED參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為新型醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)LED光源選擇和現(xiàn)有醫(yī)療儀器LED光源替代提供了有力支持。

參考文獻(xiàn)

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Design of medical LED photoelectric color detection system

ZHANG Pei-ming1，GUO Shi-jun1，2，LIU Yang1，YU Jian-dong3
（1.School of Medical instrumentation， Shanghai University of Medicine & Health Sciences， Shanghai 20093， China； 2.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，China； 3.Ningbo everuping optics co.Ltd， Ningbo 315103， China）

Abstract:Design and establishment of medical LED photoelectric color detection system，the system consists of a micro optical fiber spectrometer，Optical integrating sphere，programmable power supply and temperature controller，etc..Apply this system to detect the parameters of three medical LED devices.In different driving current can detect the effects of the temperature-influence from 15℃ to 80℃ to LED color temperature，and color rendering index.Experiments confirmed that the system is accurate and reliable，which can solve the problem of the choice of LED light source in the development of medical instruments.

Keywords:Biomedical engineering； LED； Temperature； Colour temperature； Color Rendering Index

*基金項(xiàng)目：上海教委科研創(chuàng)新項(xiàng)目（13YZ147）

作者簡(jiǎn)介：張培茗（1981-），男，講師，主要從事眼視光學(xué)和計(jì)算機(jī)控制方面的研究