高壓氧艙用光纖直射式手術(shù)無影燈研制*

王守文 殷志東 張曉絮

手術(shù)無影燈通常由單個(gè)或多個(gè)燈頭組成，系定在懸臂上，能做垂直或循環(huán)移動(dòng)[1]。無影燈是照明外科手術(shù)部位不可缺少的設(shè)備，通常采用環(huán)形節(jié)能燈或鹵素?zé)鬧2]。目前無影燈采用的光源主要有白熾燈、鹵鎢燈、氣體放電燈和LED燈[3]。鹵素?zé)舻扔性窗l(fā)光器件，在高壓氧艙等存在易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所使用時(shí)，因其存在放電風(fēng)險(xiǎn)，故無法使用。光纖直射式手術(shù)無影燈采用光源與氧艙隔離，艙內(nèi)無源化調(diào)節(jié)亮度，輸出符合要求的照射光斑，進(jìn)而能夠解決現(xiàn)有手術(shù)無影燈無法在高壓氧艙內(nèi)使用的問題。

光纖直射式手術(shù)無影燈不僅可實(shí)現(xiàn)手術(shù)無影燈的正常照明，而且適用高壓氧艙的易燃易爆環(huán)境的使用要求，可以替代現(xiàn)有的手術(shù)無影燈使用功能。作為特殊環(huán)境使用的光纖直射式手術(shù)無影燈與普通手術(shù)無影燈相比有穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。為此，研制一款光纖直射式手術(shù)無影燈，以解決現(xiàn)有手術(shù)無影燈無法在高壓氧艙內(nèi)使用的問題。

1 光纖直射式手術(shù)無影燈總體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

光纖直射式手術(shù)無影燈根據(jù)技術(shù)協(xié)議內(nèi)規(guī)定的適用范圍與技術(shù)性能對(duì)無影燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)備組成與技術(shù)性能主要有14項(xiàng)，其外觀尺寸與連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借用現(xiàn)有的成熟技術(shù)；照明系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)方式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。光纖直射式手術(shù)無影燈技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 主體外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖直射式手術(shù)無影燈主要由照明系統(tǒng)和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，照明系統(tǒng)和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)均固定于無影燈構(gòu)件內(nèi)。照明系統(tǒng)包括光源、照明光纖束及聚光鏡頭；反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括反饋光纖束、光控調(diào)節(jié)器及光源控制器；無影燈構(gòu)件包括法蘭盤、懸臂、支架、液壓缸及燈罩。光纖直射式手術(shù)無影燈主體結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 光纖直射式手術(shù)無影燈技術(shù)指標(biāo)

圖1 光纖直射式手術(shù)無影燈主體結(jié)構(gòu)圖

光纖直射式手術(shù)無影燈光源置于高壓氧艙外，法蘭盤固定于高壓氧艙內(nèi)的頂面上，各個(gè)支架連接于法蘭盤，燈罩通過液壓桿固定于支架上，主體可在空間內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)定位。

1.2.2 照度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖直射式手術(shù)無影燈安裝于高壓氧艙內(nèi)，高壓氧艙對(duì)氧濃度和大氣壓力都有特殊要求，氧艙的使用環(huán)境要求見表2。

表2 光纖直射式手術(shù)無影燈使用環(huán)境要求

光纖直射式手術(shù)無影燈的使用環(huán)境中的氧濃度為15%～25%，工作氣壓為1.4 MPa，極易發(fā)生燃燒爆炸危險(xiǎn)。因此，在高壓氧艙內(nèi)的設(shè)備必須為無源設(shè)備，嚴(yán)禁電源引入艙內(nèi)，避免因電源而引發(fā)的火災(zāi)甚至爆炸。光纖直射式手術(shù)無影燈作為手術(shù)照明設(shè)備，需在氧艙內(nèi)進(jìn)行無源啟動(dòng)，照明光源置于艙體外部。通過設(shè)計(jì)光控調(diào)節(jié)器，使置于艙體外部的光源可以在艙體內(nèi)遠(yuǎn)程無源啟動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)照度多檔可調(diào)，滿足不同手術(shù)需求[4]。光控調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 光控調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

光控調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)主要包括光纖絲束、光纖端子、光纜、漫反射板、初光孔和調(diào)節(jié)旋鈕，其旋鈕內(nèi)開有一調(diào)光孔，用于啟動(dòng)光源。調(diào)節(jié)旋鈕的中心部軸向貫通開設(shè)有初光孔，漫反射板的中心軸向貫通開設(shè)有通光孔，初光孔、通光孔及復(fù)位光闌的孔中心線重合。自然光通過初光孔進(jìn)入光控調(diào)節(jié)器，經(jīng)反饋光纖束傳輸至光源控制器后可在無源的條件下啟動(dòng)光源，啟動(dòng)整個(gè)照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無源化啟動(dòng)與調(diào)節(jié)控制。

1.3 光纖設(shè)計(jì)

1.3.1 光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖主要由光纖絲束、護(hù)套管(包括金屬軟管、黑色包塑管和黑色軟管)、連接件、抗扭力彈簧等部件構(gòu)成。光纖結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 光纖結(jié)構(gòu)圖

光纖端子內(nèi)為照明光纖束，用于傳導(dǎo)光源所發(fā)出的光；光纖絲束匯集于集成件內(nèi)，而后均勻分布于光纖端子內(nèi)，將艙外光源發(fā)出的光的傳導(dǎo)至艙內(nèi)無影燈燈罩內(nèi)，通過鏡筒調(diào)節(jié)焦距和光斑大小進(jìn)行照明。在N+1極分支內(nèi)，N束光纖為照明光纖用于照明，1束光纖為控制光纖用于控制調(diào)節(jié)，通過與光控調(diào)節(jié)器連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程無源啟動(dòng)光源和調(diào)節(jié)照度。

1.3.2 反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反饋系統(tǒng)包括反饋光纖束、光控調(diào)節(jié)器及光源控制器。光纖直射式手術(shù)無影燈的反饋系統(tǒng)控制原理見圖4。

圖4 反饋系統(tǒng)控制原理圖

光控調(diào)節(jié)器用于啟動(dòng)和調(diào)整光源照度，其調(diào)節(jié)方式是通過反饋光纖傳導(dǎo)艙內(nèi)自然光進(jìn)行無源啟動(dòng)艙外多個(gè)光源，而后通過手旋旋鈕，復(fù)位光闌瞬間增大或縮小光通量后自熱復(fù)位，瞬間變化的光照度通過漫反射板反射后通過反饋光纖反饋至光源控制器上，通過將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后調(diào)節(jié)光源的發(fā)光照度變大或變小，其變化量通過在艙外的內(nèi)部電路控制，變化量可以在艙內(nèi)通過旋鈕進(jìn)行微調(diào)，最終達(dá)到最佳照明效果。光纖直射式手術(shù)無影燈的整體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 光纖直射式手術(shù)無影燈的整體結(jié)構(gòu)圖

若干光源連接于光源耦合端頭上，光源控制器連接于反饋耦合端頭上，且與若干光源用數(shù)據(jù)線連接，使其實(shí)現(xiàn)同步調(diào)節(jié)。將光纖穿過艙體，與艙體用密封圈密封連接，發(fā)光鏡頭耦合件與光學(xué)鏡筒組件連接，并將若干光學(xué)鏡筒組件分布于照明位置點(diǎn)，調(diào)節(jié)照明角度，使其光斑匯聚指定面積區(qū)域。通過外部結(jié)構(gòu)顯示器，顯示所調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)照度值，在設(shè)備啟動(dòng)后可利用自身發(fā)出的光調(diào)節(jié)艙內(nèi)控制照度，實(shí)現(xiàn)無源啟動(dòng)和亮度調(diào)節(jié)。

1.4 密封設(shè)計(jì)

光纖直射式手術(shù)無影燈的使用環(huán)境中的大氣壓力為1.4 MPa，在如此高壓力的封閉空間內(nèi)，穿艙設(shè)備的密封工作對(duì)于艙體的密封很重要，其主要涉及的部件是光纖，光纖的密封和光纖穿艙密封，二者同時(shí)達(dá)到密封要求才能實(shí)現(xiàn)光纖穿艙后達(dá)到密封效果。

整根光纖貫穿艙體的頂板，穿艙件分為子件與母件，穿艙件帶有螺紋，穿過頂板至艙外，在艙外用緊固螺母旋緊穿艙件，穿艙件與緊固螺母的連接將整根光纖固定于艙體頂板上，起承載光纖重量和密封作用。光纖與艙頂連接見圖6。

1.4.1 光纖密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 光纖與艙頂連接示意圖

光纖自身的密封主要在于穿艙件自身的密封，即穿艙母件和穿艙子件的密封，光纖絲束貫穿于整根光纖，絲與絲之間的粘接、絲與穿艙件之間的粘接以及穿艙母件與穿艙子件之間的粘接均采用膠粘劑粘接，且穿艙母件空腔內(nèi)灌滿膠粘劑用于粘接絲束和密封光纖。因此，在光纖密封的過程中，膠粘劑的黏度和固化條件決定了光纖的密封效果。光纖密封的穿艙件見圖7。

圖7 光纖密封的穿艙件

膠粘劑主要用于絲束與穿艙件的粘接與密封，依據(jù)膠粘劑的黏度、固化條件來選用合適的膠粘劑。目前常使用的膠粘劑性能見表3。

表3 膠粘劑性能參數(shù)

在綜合制作方法中選用E-51膠水進(jìn)行粘接，粘接強(qiáng)度N承受的力遠(yuǎn)大于光纖自身重力，密封效果達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《通用閥門壓力試驗(yàn)》(GB/T13927-1992)[5]中規(guī)定的使用要求。

1.4.2 光纖穿艙密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿艙件與艙體頂板連接采用螺紋旋緊的方式進(jìn)行連接，其密封采用O型密封圈進(jìn)行擠壓式密封。光纖穿艙密封結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 光纖穿艙密封示意圖

穿艙件穿過頂板與螺母連接，在穿艙件與頂板之間壓有O型密封圈。當(dāng)螺母旋緊穿艙件時(shí)，頂板與穿艙件相互擠壓，將密封圈壓扁密封，其密封效果達(dá)到GB/T13927-1992規(guī)定的使用要求。

2 光纖直射式手術(shù)無影燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

2.1 LED光源選型

目前的手術(shù)無影燈都裝備有集成圖像功能，通過調(diào)節(jié)LED光譜或照度可以改善視覺效果[6-7]。LED具有較高的發(fā)光效率，耐沖擊、不易破碎、無汞污染且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染[8-9]。由于孔式手術(shù)無影燈(采用鹵素?zé)糇鳛榘l(fā)光光源)無法滿足高標(biāo)準(zhǔn)凈化手術(shù)室的技術(shù)要求，因此選用LED作為光源便于長(zhǎng)期手術(shù)[10]。

2.2 單個(gè)光源照度

(1)技術(shù)要求。光纖直射式手術(shù)無影燈照度≥2.0×104Lux，根據(jù)系統(tǒng)所選用的光源數(shù)(N)、透過率(T)、耦合效率(η)及鏡片組損耗率(λ)的關(guān)系，可以推算出單個(gè)光源發(fā)光照度(Lm)要求，其計(jì)算為公式1：

單個(gè)光源發(fā)光照度：

式中耦合效率包括光源與光纖端子耦合效率η1、光纖端子與鏡片組耦合效率η2，η=η1×η2。

(2)確定系統(tǒng)參數(shù)。設(shè)計(jì)光源數(shù)：N=2；設(shè)計(jì)透過率：T=0.42(光纖長(zhǎng)度3500 mm)；耦合效率：η=η1×η2=0.8×0.85=0.68；鏡片組損耗率：λ=0.03；單個(gè)光源照度：

(3)單個(gè)光源照度測(cè)試。根據(jù)單個(gè)光源照度要求，測(cè)試不同型號(hào)的光源照度，其測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 LED照度測(cè)試數(shù)據(jù)

(4)LED光源型號(hào)參數(shù)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，型號(hào)為L(zhǎng)TB-1的LED光源符合照度計(jì)算要求。選用2臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)TB-1的LED光源作為光纖直射式手術(shù)無影燈的光源。

2.3 光纖絲選型

光纖束在應(yīng)用中要求其傳輸特性良好，光能損失小。這是對(duì)光纖束的傳輸特性(或透過特性)的要求[11]。綜合制造成本和傳輸效率等因素，在光纖絲選型上，選擇合適的透過率的光纖可以滿足綜合制造成本的效益最優(yōu)化。

(1)透過率(T)值測(cè)試。根據(jù)預(yù)設(shè)的透過率要求，對(duì)不同型號(hào)的光纖絲進(jìn)行透過率測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

表5 光纖絲透過率T值測(cè)試數(shù)據(jù)

(2)光纖絲型號(hào)參數(shù)。已選型號(hào)為L(zhǎng)TB-1的LED光源作為照射光源，其發(fā)光照度為：4.2×104Lux。根據(jù)其發(fā)光照度值，與技術(shù)要求的總照度值，可以推算出最低透過率(T)值，其計(jì)算為公式2：

透過率

最低透過率T值為0.36，選用2#即國產(chǎn)6號(hào)絲來制作光纖最為合適。

3 結(jié)論

光纖直射式手術(shù)無影燈主要安裝于高壓氧艙內(nèi)，用于特殊人群的手術(shù)?，F(xiàn)有手術(shù)無影燈采用的發(fā)光器件一般為L(zhǎng)ED燈、鹵素?zé)舻扔性窗l(fā)光器件，在高壓氧艙等存在易燃易爆風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所無法適用。光纖直射式手術(shù)無影燈的研制規(guī)避了將電源引入高壓氧艙內(nèi)，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法在高壓氧艙內(nèi)使用的問題。

光纖直射式手術(shù)無影燈主要研制照明系統(tǒng)和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。研制出一種照度可調(diào)的無源化照明系統(tǒng)，可以無源觸發(fā)并調(diào)節(jié)光源發(fā)光亮度。同時(shí)也設(shè)計(jì)出特殊的光纖結(jié)構(gòu)，并解決了光纖穿艙與密封的問題，最終實(shí)現(xiàn)了光纖直射式手術(shù)無影燈在高壓氧艙內(nèi)的正常使用。