整體反射式LED手術(shù)無(wú)影燈的小型化設(shè)計(jì)

汪 洋，孫 晨，李 莉，張 倩，韓迎澳

（上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海201418）

0 引 言

傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)影燈多采用孔式結(jié)構(gòu)，以鹵素?zé)糇鳛楣庠催M(jìn)行手術(shù)照明［1］.由于孔式無(wú)影燈體積龐大以及鹵素?zé)魩?lái)的熱輻射易誘發(fā)感染等問(wèn)題［2］，越來(lái)越多的醫(yī)療器械公司推出了一種冷光源LED 的整體反射式無(wú)影燈結(jié)構(gòu).相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該整體反射式無(wú)影燈體積減小了，并在一定程度上解決了熱輻射問(wèn)題.

目前，整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈在國(guó)內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步，產(chǎn)品技術(shù)多依賴于國(guó)外廠商［3］.從國(guó)內(nèi)范圍來(lái)看，重慶邦喬科技有限公司設(shè)計(jì)了一種用于手術(shù)無(wú)影燈的LED 集成單元，該LED 集成單元分布在半徑為100～140 cm的球面燈罩上，為大規(guī)模整體反射式手術(shù)無(wú)影燈產(chǎn)品提供了方案［4］；山東新華醫(yī)療器械公司與德國(guó)照明專家OSRAM 合作，將整體反射技術(shù)與LED 技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光源的不可見(jiàn)性，避免了炫目效果［5］；上海醫(yī)療器械五廠生產(chǎn)的整體反射式無(wú)影燈，單燈體的直徑在60 cm 左右，相較于國(guó)內(nèi)其他同類型手術(shù)無(wú)影燈，已經(jīng)處于較領(lǐng)先的地位［6］.從全球范圍來(lái)看，美國(guó)AMSCO 公司生產(chǎn)的手術(shù)無(wú)影燈采用整體反射式的光路系統(tǒng)，利用computer aided design（CAD）技術(shù)設(shè)計(jì)大反光罩的曲面，在有效的光斑范圍內(nèi)，減少了調(diào)解燈焦距的次數(shù)；Martin公司制造的C950型、C950/570子母型及C570/570雙子型等系列整體反射式無(wú)影燈采用磁閘鎖定、紅外調(diào)控調(diào)節(jié)燈體的位置，其平衡操作性能在世界上處于領(lǐng)先水平［7-8］.

無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的手術(shù)無(wú)影燈產(chǎn)品，其反光杯的直徑大小基本在35～150 cm，結(jié)構(gòu)較為龐大，這不僅會(huì)引發(fā)空氣流通不暢問(wèn)題，還給醫(yī)護(hù)人員的消毒操作帶來(lái)不便.本文作者通過(guò)對(duì)整體反射式LED無(wú)影燈的小型化改造，設(shè)計(jì)單個(gè)整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在小型化反光杯下，得到了較為穩(wěn)定的光斑.

1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

1.1 整體反射式LED無(wú)影燈的設(shè)計(jì)指標(biāo)

遵照國(guó)家手術(shù)無(wú)影燈的指標(biāo)要求［9］，設(shè)計(jì)中心光照度為40 000～160 000 lx，色溫為3 000～6 700 K，顯色指數(shù)為85～100的手術(shù)無(wú)影燈.

1.2 LED芯片參數(shù)的選定

采用美國(guó)Cree 公司XLamp XHP35.2 系列的LED 光源，其LED 芯片參數(shù)為：發(fā)光效率為162 lm·W-1；顯色指數(shù)為85；色溫為3 000～5 700 K；尺寸為3.45 mm×3.45 mm×3 mm；配光曲線分布為L(zhǎng)ambertian；半寬角度為135°.

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 整體反射式LED無(wú)影燈小型化的數(shù)學(xué)模型

無(wú)影燈的光路原理圖如圖1 所示.從圖1 中可看出，無(wú)影燈從多個(gè)方向?qū)κ中g(shù)部位進(jìn)行照射，達(dá)到“無(wú)影”的效果.由于整體反射式無(wú)影燈的體積主要取決于反光杯的大小，建立反光杯數(shù)學(xué)模型（圖2），將反光杯近似看作拋物線OH，F(xiàn)為OH的焦點(diǎn)，OX為極軸，其對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)方程為：

其中，ρ為極坐標(biāo)極徑；f為焦距；θ為接收角.

圖1 影燈光路原理圖

圖2 反光杯數(shù)學(xué)模型

拋物面的入射口徑

在滿足式（1）和（2）的基礎(chǔ)上，要得到交叉匯聚的光線，可以旋轉(zhuǎn)拋物面，使得光線以交叉對(duì)稱方式匯聚到接收面上，通過(guò)減小θ 縮小拋物面的大小，從而建立反光杯小型化的數(shù)學(xué)模型.以非成像光學(xué)系統(tǒng)作為L(zhǎng)ED 的配光設(shè)計(jì)，光線經(jīng)過(guò)反光杯后發(fā)生散射或匯集，在接收面上進(jìn)行疊加.邊緣光線照射到接收面的邊緣，中間光線在接受面的中央呈連續(xù)分布.通過(guò)蒙特卡羅光線追跡得到強(qiáng)度和照度分布，采用Light Tools軟件對(duì)強(qiáng)度和照度分布圖進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).

2.2 整體反射式LED無(wú)影燈結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)

LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)由LED 光源、錐體反射器、透鏡、矩形接收面和反光杯組成［10］，光學(xué)組件參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

（1）LED光源參數(shù)按XLamp XHP35.2設(shè)定；

（2）LED準(zhǔn)直透鏡的內(nèi)半徑設(shè)置為4 mm，高度設(shè)置為4.2 mm，透鏡長(zhǎng)設(shè)置為30 mm；

（3）仿真矩形表面接收器的寬設(shè)置為400 mm，高設(shè)置為400 mm，光線追跡最大命中數(shù)設(shè)置為1 000 條；

（4）錐體反射器的面型為二次曲面，曲面系數(shù)設(shè)置為0，半徑設(shè)置為30 mm，表面屬性設(shè)置為mirror；

（5）多刻面反光杯的初始直徑設(shè)置為550 mm，高設(shè)置為242.21 mm，接收面的位置為距發(fā)光點(diǎn)1 m處.

2.3 整體反射式LED無(wú)影燈結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

通過(guò)多次優(yōu)化調(diào)整錐體反射器的半徑大小，將半徑參數(shù)設(shè)為45 mm，依據(jù)式（1）和（2）和仿真所得光斑成型效果優(yōu)化調(diào)整反光杯大小，最終確定小型化反光杯大小尺寸的直徑為440 mm，高為137.66 mm.

圖3是整體反射式LED無(wú)影燈改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)和反光杯參數(shù)對(duì)比圖.通過(guò)比較圖3（a）和3（c）可以看出：改進(jìn)后的整體反射式無(wú)影燈尺寸明顯變小，直徑減小了約20%，厚度減小了約50%，如圖3（b），3（d）所示，但所形成的光斑效果幾乎不變.LED與透鏡封裝后，尺寸直徑接近50 mm，故反光杯中心開口設(shè)定為50 mm.

圖3 整體反射式LED無(wú)影燈改進(jìn)前后對(duì)比圖

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 初始設(shè)計(jì)模擬

根據(jù)初始設(shè)計(jì)的整體反射式LED 無(wú)影燈結(jié)構(gòu)，在Light Tools 軟件中導(dǎo)出光斑圖（圖4）和照度圖（圖5）.

圖4 初始設(shè)計(jì)仿真得到的光斑圖

圖5 初始設(shè)計(jì)仿真得到的照度圖

由圖4可以看出，光斑的直徑大約為300 mm，而且其均勻性及無(wú)影效果優(yōu)良.由圖5可以看出，光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布較為均勻，照度最大值達(dá)到了60 300 lx，符合國(guó)家手術(shù)無(wú)影燈的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn).

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)模擬

通過(guò)優(yōu)化反光杯的直徑和高度，在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，仿真得到光斑圖（圖6）和照度圖（圖7）.

圖6 改進(jìn)設(shè)計(jì)后仿真得到的光斑圖

圖7 改進(jìn)設(shè)計(jì)后仿真得到的照度圖

由圖6可得，減小反光杯尺寸后，所得光斑直徑為300 mm，光斑效果與初始設(shè)計(jì)基本相同.對(duì)比圖5和圖7發(fā)現(xiàn)，在同樣大小的圓形區(qū)域內(nèi)，光斑的均勻性更優(yōu)，且最大照度值達(dá)到了64 400 lx，強(qiáng)度增加了6.8%.由于LED 燈的體積非常小，通過(guò)增加LED 燈的數(shù)量，可以達(dá)到更高的照度，且不會(huì)過(guò)多增加手術(shù)無(wú)影燈的體積.

4 結(jié) 論

主要對(duì)現(xiàn)有整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用Light Tools 光學(xué)仿真軟件對(duì)整體反射式LED 無(wú)影燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)表明：改進(jìn)后的設(shè)計(jì)大幅減小了無(wú)影燈的尺寸，得到了均勻性更優(yōu)的光斑.