新型LED手术无影灯

无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备，要求能以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度、大小、对比度低的物体。因此，除需要“无影”以外，还需要光照度均匀、光质好，能够很好地区分血液与人体其他组织、脏器的色差。此外，无影灯还须能长时间地持续工作，而不散发出过量的热，因为过热会使手术者不适，也会使处在外科手术区域中的组织干燥[1]。
　目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯，但随着发光二极管LED技术的不断发展，特别是高亮度白光LED的发展，LED无影灯彻底解决了环形节能灯自身存在的先天缺陷，是环形节能灯的升级换代产品。目前，LED无影灯的优越性逐渐被显微镜使用者所了解和接受，使用成本亦较环形节能灯低，减少了每1~2个月就需更换环形灯管的麻烦。
目前，在技术上已成功解决了大功率LED的封装、恒流驱动、散热以及照度控制等问题，可实现无影灯照度的多级调控，调光灵活、方便。LED无影灯的优点有[1-2]：
(1)出色的冷光效果：采用新型的LED冷光源作为手术照明，是真正冷光源，医生头部和伤口区域几乎无温升。
(2)光质好：白光LED具有区别于普通手术用无影灯光源的色品特点，可以增加血液与人体其他组织、脏器的色差，使得手术中医生的视觉更加清晰，在流淌、渗透的血液中人体的各个组织、脏器更容易被区分出来，这是普通手术用无影灯所不具备的。
(3)亮度无级调节：采用数字方式无级调控LED的亮度，操作者可根据自身对亮度的适应性随意调节亮度，使其达到最为理想的舒适度，使长时间工作的眼睛不易产生疲劳感。
(4)无频闪：因为LED无影灯为纯直流供电，无频闪，不易使眼睛产生疲劳感，亦不会对工作区域的其他设备产生谐波干扰。
(5)光照度均匀：采用特殊的光学系统，360°均匀照射在被观察物体上，无虚影产生，清晰度高。
(6)寿命长：LED无影灯平均寿命长(35 000 h)，远大于环形节能灯(1 500~2 500 h)，寿命为节能灯的十倍以上。
(7)节能环保：LED具有较高的发光效率，耐冲击，不易破碎、无汞污染，且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染。
1 系统结构
1.1 总体结构
由于单个LED的发光效率不能满足手术无影灯的光照强度和均匀性的要求，因此需要用多个LED组成阵列，并要求排列合理,分布均匀，使得每个目标平面的光照度符合要求，以此来决定LED的数量以及分布规则。虽然LED的发光效率高，产生的热量少，但是如此多的LED在一个密封的箱体内，还是会产生大量的热量，温度甚至会高达60℃~80℃，所以必须合理设计散热器以及散热通道，以有效地降低系统热阻。
LED手术无影灯由多个灯头组成，成花瓣状，固定在平衡臂悬挂系统上，定位稳定，能做垂直或循环移动，可满足手术中不同高度和角度的需求。整个无影灯有144个高亮度白色LED，8个串联成一组，即称为高亮度发光二极管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode)，以18组并联而成。每组相互独立，若有一组损坏，其他照样能够继续工作，所以对手术的影响较小。每组由一个LM3402单独进行恒流驱动，并根据用户需要，接受一个微处理器(CMU)P89LPC932的PWM脉宽调节控制，可无级调节，流过每个LED的电流约为120~320 mA。LED无影灯电气原理图如图1所示。

1.2 操作面板
操作面板上有4个按钮(环境照明、关闭、调亮和调暗按钮)和8个LED指示灯。按下环境照明按钮，表示只需腔镜环境照明，只留下其中一路的3个LED用于照明，而关闭其余LED发光二极管串；按下关闭按钮，将熄灭所有8路LED发光二极管串，再次按下此按钮，则可以回到原照度显示状态，掉电或重启也可回到设定照度状态；调亮和调暗按钮用于改变无影灯的照度，对应8个指示灯，指示8挡亮度，从左到右每增加一挡就增加一个指示LED点亮，无影灯处于关灯状态时，最右边2个指示LED点亮。所有操作信息均是通过RS485总线传输给驱动板MCU。
1.3 驱动板
驱动板是整个无影灯控制器的核心，主要由一个MCU P89LPC932和18路LM2402恒流稳压电路组成，还包含RS485通信电路。
P89LPC932是由飞利浦公司生产的低功耗的MCU，电源电压3.3 V，可低功耗运行，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。此外，P89LPC932还集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本，内部有2个定时器，可作为一个具有256个定时器时钟周期的PWM发生器使用[3]。
LM3402是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器，可驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串，可以接受范围在6 V~42 V的输入电压。当使用引脚兼容的LM3402HV时，输入电压的上限可达到75 V。根据手术对照度的需要，对转换器的输出电压进行调节，可以维持通过LED阵列的恒定电流水平。图2为LM3402的典型应用电路示意图，其中RSNS为电流设定电阻，平均电流IF≈0.2/RSNS，RON取值与发光二极管串中的LED数量有关，8个LED时可取值300 kΩ。经检测，恒流标称值为250 mA时(RSNS=0.8 Ω)，电流波动在±20 mA以内，完全能够满足手术光感要求[4]。

1.4 安全措施
考虑到医用仪器安全要求的特殊性，系统的每一个环节都应该考虑采取相应安全措施。首先，手术室是一个具有强电磁干扰的环境，防止MCU死机十分重要，因此必须采取如下措施：(1)必须认真处理硬件复位电路设计和内部复位程序；(2)必须排除错误干扰信号，所以整个系统采用了完全电气隔离，以阻止电路各部分的相互影响。此外还采用了Modbus冗余校验法；(3)高亮度白色LED的价格较高，为避免损坏，必须排除电网和电源损坏对系统的影响，故本文采用了过压和过流自动保护电路，当电压或电流超过设定值的20%时，系统自动切断电源，以保证系统电路和高亮度LED的安全。
2 程序设计
2.1 程序结构
程序主要包含面板控制器和驱动板两个独立程序。面板控制器程序根据4个按钮的输入状态，向驱动板发送开关或照度调节命令，并将命令状态在8个LED上显示出来。驱动板程序初始化以后，主要通过串行口接收中断接收操作信息，进行Modbus数据冗余校验后，根据命令指示，发出不同的PWM信号。驱动板程序流程框图如图3所示。

2.2 PWM发生
高亮度发光二极管串的电流主要通过对LM3402的DIM端口进行PWM调节，实际电流占设定电流值的比例取决于PWM的占空比(duty cycle)。P89LPC932内部定时器T0/T1的PWM输出与计数输入和定时器触发输出占用相同的管脚，发生定时器溢出时自动触发端口输出。此功能通过AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分别使能定时器0和1。该模式打开时，在首次定时器溢出前端口的输出为逻辑1。为了使该模式生效，必须清零C/T位以选择PCLK作为定时器的时钟源。定时器初始化设置参考程序如下：
void Timer1_init(void)
{
TMOD|=0x20； //定时器工作于方式6
TAMOD|=0x10；
TH1=256-n； //n为占空比
AUXR1|=0x20； //定时器使能
TR1=1； //启动定时器
}
其中占空比duty cycle=256-TH1，定时器1的溢出将使P1.2或P0.7端口发生翻转，因此输出频率为定时器1溢出速率的1/2。
2.3 节能模式
能耗控制在整个无影灯控制系统中具有十分重要的意义。在多数时间，HBLEDs处于熄灭状态，控制系统处于待机状态，将功耗降低到最低。将电源控制寄存器PCONA设置为0xFF时，外部功能模块掉电；将电源控制寄存器PCON设置为03H时，可将MCU处于完全掉电状态，只有在中断触发的时候，才能唤醒，随即给外部功能模块上电，MCU开始工作。驱动板上的MCU由串行口接收中断唤醒，面板上的MCU通过键盘中断唤醒，键盘中断参考程序如下：
void KEY_ISR( ) interrupt 7
{
　　 key_push=1； //有键按下标志
　　 PCONA=0x00； //外部功能模块上电
　　 KBCON=0x00； //清除键盘中断标志
}
中国每年无影灯的市场需求量在2万台以上，同时因低碳经济发展的需求，需要进行节能改造，所以LED无影灯的市场推广前景十分广阔。本文所介绍的LED无影灯技术，目前已经在江苏某知名医疗器械公司投入批量生产，取得了良好的社会效益。
参考文献
[1] 朱根娣，刘敏娟.新型手术无影灯的光照度特性的研究[J].中国医疗器械杂志，2009(3):183-187.
[2] 祝月.手术无影灯的质量要求及市场预测[J].中国医疗器械信息，1999(4):44-47.
[3] 广州周立功单片机发展有限公司.P89LPC932A1 Flash 单片机使用指南[Z].2001.
[4] RICHARDSON C. LM3402/02HV demo board[Z]. National Semiconductor Corporation， June， 2007.