论文部分内容阅读
摘要：LED光源无影灯，是现代外科手术不可缺少的，重要设备。因为手术场合的重要性，无影灯装置的研究，必须符合医院要求。因此led光源无影灯装置的研究是十分重要的。而无影灯，无论是从机械结构还是功能要求，都必须经过仔细的考量和专业的设计。笔者就将结合无影灯的光源和机械结构来进行研制分析。给无影灯装置的研制提供一条科学的道路，来满足不同的市场或者医学需求。
关键词：光源设计；LED技术；LED光源配光设计
1、引言：
近年来，随着人们对环境问题日益关注，发光二极管在照明领域逐渐取代了传统的照明光源。同时医疗照明需要的分类和复杂性越来越清晰，所以医疗领域的照明LED设备商业化的普及视觉进入了我们的视野。卤素光源作为传统的无影灯光源运行多年，由于其诸多局限性已逐渐无法满足现代医疗操作的需要。首先，镜面反射卤素灯的寿命很短，往往只有上百个小时。其次，其发射光谱含有紫外线红外线，辐射大量热能，对外科医生和患者有一定的影响。与LED光源相比，辐射温度低，能耗少，使用寿命长。因此，本文重点研究了新型工业化经营无影灯，在综合考量了市场上现行的无影灯后，结合客户医院的需求对LED光源无影灯装置进行研制，来达到满足市场越来越专业的需求。
2、项目介绍
2015年-2017年公司针对手术无影灯的市场需求，产品策划委员会一致同意确立开发一款中高端手术无影灯项目，一款具备更多功能主要针对妇产科、普外科等手术、是洁净手术室使用的新型手术照明设备。其主要开发思路是向客户提供具有国际上同类产品优势技术的适合多科室手术使用的多功能手术无影灯。相关性能指标参照YY0627-2008《医用电气设备第2部分：手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》、GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分：安全通用要求》、YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》、GB/T14710—2009《医用电器环境要求及试验方法》，GB/T5465.2-1996《电气设备用图形符号制定》，GB/T9969.1-2008《工业产品使用说明书总则》，GB/T191-2008《包装储运图示标志》，YY0466-2009《医疗器械用于医疗器械标签、标记和提供信息的符号》YY0316-2008《医疗器械风险管理对医疗器械的应用》，IEC60601-2-41：2000《医用电气设备第2～41部分：手术灯及诊断灯的安全专用要求》，TOPSUN系列綜合手术无影灯之技术要求。故公司交由我带领无影灯开发小组，采用最新的LED多色灯泡作为光源，进行全新手术无影灯的开发。TOPSUN系列手术无影灯可分为三大部分：光学照明设计、机械结构设计、电气控制设计。笔者将主要从以下两个方向，对光学照明设计、机械结构设计进行探讨，从而对整个无影灯的研究开发提供一条思路。
3、机械设计
3.1机械设计思路
本次设计，是要满足无影灯在手术室的使用。因此要考虑在实际使用过程中可能出现的情况。通过与医师的探讨，我们得知，在常规手术中，请带着光源的切换，因此整个无影灯要能够便携的移动。要想满足这种便携的移动，就需要满足三个条件。这三个条件分别是，能够旋转、线路不会损毁以及方便推动。因此，整个结构需360度旋转而不能让内部导线线束以及气体管路在旋转是发生拧段或破损的情况，以及整体操作需感觉轻盈推动力不大于20N。
所以在设计上，为了满足穿线的要求，本次设计的重点就在于显示器挂架上。为了满足以上三种需求，笔者放弃了原有的挂架结构，而选择悬吊式。用类似吊塔的结构，巧妙的解决了整体结构360度旋转的问题。用中空管件连接也可以满足内部导线输气管的要求。在轴承的选取上，使用斜推力平面轴承，这种轴承能够为气导管提供最大的管径，同时因为其力学结构而带有的自调心作用。最大程度的减小了装配难度。提到装配，就不得不提无影灯的特殊要求。手术室无影灯必须保证无菌，因此在搭配紫外光线的同时，要考虑焊缝的清洁难易程度。尽可能减少，连接件的缝隙。为医院的清洁提供便利。同时材料选取上，选用轻质合金并且在转动处配上钢珠滑动轴承。通过反复的调试，确保灯光在转换的过程中推力小于20力。
4、光学设计
LED晶片的光场是无规律的，若直接散出，其光能会被严重浪费，所以根据不同的照明需求需要设计不同的光学系统与晶片结合，所以合理的配光设计是必要必须的，主流配光设计主要有两种。当正向电流经过pn结，其内部的电场被抵消，N型区的负电子和P型区的正空穴被推向PN结，在多量子阱内二者复合，所产生的能量已光和热的形式释放。传统白炽灯是高温使金属灯丝发光，日光灯是高压电场激发电子束发光，所以白炽灯和日光灯的使用寿命短暂，LED光源在低温和低电压条件下发光，使用寿命甚至高达100000小时。单一的LED元件发出的光是固定波长的离散光，而不是连续光谱的白光，所以LED的白光必须复合出来。主要有两种常见方式复合白光，单芯片和多芯片方式。单芯片利用单色光荧光粉的反应从而产生白光；多芯片即多种色光的芯片封装为一体复合成白光。多芯片型由于输出电压和光谱的不稳定，使用寿命等问题实用化存在困难。LED为冷光源，无红外紫外光线，相较于传统卤素灯大量的红外光线，金卤灯的紫外光线，紫外光会促使细胞变异，红外光使伤口温度变高，使伤口更快凝血，同时医护人员和患者都会有炽热感，影响手术正常进行。LED光源由诸多小光源组合而成，能简单的设计成轻薄的结构，散热和器件体积得到大大优化。LED器件能方便的制成不同色温，之前常用的卤钨灯色温比较黄，需要配备较贵的滤光设施，LED设备则无需使用这赘余设备。LED光源使用寿命高达100000小时是传统医学无影灯使用寿命的30到50倍，降低了更换成本和维护检修繁琐过程。LED灯具可以瞬间启动并达到最大功率，传统无影灯需要启动之后等待光源达到最大亮度，延误手术时机。LED一般使用低压直流电流，可以使用蓄电池及其他备用电源，可以应对不同的紧急情况，传统无影灯必须要交流电在复杂的逆变系统中转化为高压交流电成本和风险大大高于LED产品。
关键词：光源设计；LED技术；LED光源配光设计
1、引言：
近年来，随着人们对环境问题日益关注，发光二极管在照明领域逐渐取代了传统的照明光源。同时医疗照明需要的分类和复杂性越来越清晰，所以医疗领域的照明LED设备商业化的普及视觉进入了我们的视野。卤素光源作为传统的无影灯光源运行多年，由于其诸多局限性已逐渐无法满足现代医疗操作的需要。首先，镜面反射卤素灯的寿命很短，往往只有上百个小时。其次，其发射光谱含有紫外线红外线，辐射大量热能，对外科医生和患者有一定的影响。与LED光源相比，辐射温度低，能耗少，使用寿命长。因此，本文重点研究了新型工业化经营无影灯，在综合考量了市场上现行的无影灯后，结合客户医院的需求对LED光源无影灯装置进行研制，来达到满足市场越来越专业的需求。
2、项目介绍
2015年-2017年公司针对手术无影灯的市场需求，产品策划委员会一致同意确立开发一款中高端手术无影灯项目，一款具备更多功能主要针对妇产科、普外科等手术、是洁净手术室使用的新型手术照明设备。其主要开发思路是向客户提供具有国际上同类产品优势技术的适合多科室手术使用的多功能手术无影灯。相关性能指标参照YY0627-2008《医用电气设备第2部分：手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》、GB9706.1-2007《医用电气设备第一部分：安全通用要求》、YY0505-2012《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》、GB/T14710—2009《医用电器环境要求及试验方法》，GB/T5465.2-1996《电气设备用图形符号制定》，GB/T9969.1-2008《工业产品使用说明书总则》，GB/T191-2008《包装储运图示标志》，YY0466-2009《医疗器械用于医疗器械标签、标记和提供信息的符号》YY0316-2008《医疗器械风险管理对医疗器械的应用》，IEC60601-2-41：2000《医用电气设备第2～41部分：手术灯及诊断灯的安全专用要求》，TOPSUN系列綜合手术无影灯之技术要求。故公司交由我带领无影灯开发小组，采用最新的LED多色灯泡作为光源，进行全新手术无影灯的开发。TOPSUN系列手术无影灯可分为三大部分：光学照明设计、机械结构设计、电气控制设计。笔者将主要从以下两个方向，对光学照明设计、机械结构设计进行探讨，从而对整个无影灯的研究开发提供一条思路。
3、机械设计
3.1机械设计思路
本次设计，是要满足无影灯在手术室的使用。因此要考虑在实际使用过程中可能出现的情况。通过与医师的探讨，我们得知，在常规手术中，请带着光源的切换，因此整个无影灯要能够便携的移动。要想满足这种便携的移动，就需要满足三个条件。这三个条件分别是，能够旋转、线路不会损毁以及方便推动。因此，整个结构需360度旋转而不能让内部导线线束以及气体管路在旋转是发生拧段或破损的情况，以及整体操作需感觉轻盈推动力不大于20N。
所以在设计上，为了满足穿线的要求，本次设计的重点就在于显示器挂架上。为了满足以上三种需求，笔者放弃了原有的挂架结构，而选择悬吊式。用类似吊塔的结构，巧妙的解决了整体结构360度旋转的问题。用中空管件连接也可以满足内部导线输气管的要求。在轴承的选取上，使用斜推力平面轴承，这种轴承能够为气导管提供最大的管径，同时因为其力学结构而带有的自调心作用。最大程度的减小了装配难度。提到装配，就不得不提无影灯的特殊要求。手术室无影灯必须保证无菌，因此在搭配紫外光线的同时，要考虑焊缝的清洁难易程度。尽可能减少，连接件的缝隙。为医院的清洁提供便利。同时材料选取上，选用轻质合金并且在转动处配上钢珠滑动轴承。通过反复的调试，确保灯光在转换的过程中推力小于20力。
4、光学设计
LED晶片的光场是无规律的，若直接散出，其光能会被严重浪费，所以根据不同的照明需求需要设计不同的光学系统与晶片结合，所以合理的配光设计是必要必须的，主流配光设计主要有两种。当正向电流经过pn结，其内部的电场被抵消，N型区的负电子和P型区的正空穴被推向PN结，在多量子阱内二者复合，所产生的能量已光和热的形式释放。传统白炽灯是高温使金属灯丝发光，日光灯是高压电场激发电子束发光，所以白炽灯和日光灯的使用寿命短暂，LED光源在低温和低电压条件下发光，使用寿命甚至高达100000小时。单一的LED元件发出的光是固定波长的离散光，而不是连续光谱的白光，所以LED的白光必须复合出来。主要有两种常见方式复合白光，单芯片和多芯片方式。单芯片利用单色光荧光粉的反应从而产生白光；多芯片即多种色光的芯片封装为一体复合成白光。多芯片型由于输出电压和光谱的不稳定，使用寿命等问题实用化存在困难。LED为冷光源，无红外紫外光线，相较于传统卤素灯大量的红外光线，金卤灯的紫外光线，紫外光会促使细胞变异，红外光使伤口温度变高，使伤口更快凝血，同时医护人员和患者都会有炽热感，影响手术正常进行。LED光源由诸多小光源组合而成，能简单的设计成轻薄的结构，散热和器件体积得到大大优化。LED器件能方便的制成不同色温，之前常用的卤钨灯色温比较黄，需要配备较贵的滤光设施，LED设备则无需使用这赘余设备。LED光源使用寿命高达100000小时是传统医学无影灯使用寿命的30到50倍，降低了更换成本和维护检修繁琐过程。LED灯具可以瞬间启动并达到最大功率，传统无影灯需要启动之后等待光源达到最大亮度，延误手术时机。LED一般使用低压直流电流，可以使用蓄电池及其他备用电源，可以应对不同的紧急情况，传统无影灯必须要交流电在复杂的逆变系统中转化为高压交流电成本和风险大大高于LED产品。