整體反射式LED手術無影燈的小型化設計

汪 洋，孫 晨，李 莉，張 倩，韓迎澳

（上海師范大學信息與機電工程學院，上海201418）

0 引 言

傳統手術無影燈多采用孔式結構，以鹵素燈作為光源進行手術照明［1］.由于孔式無影燈體積龐大以及鹵素燈帶來的熱輻射易誘發感染等問題［2］，越來越多的醫療器械公司推出了一種冷光源LED 的整體反射式無影燈結構.相比傳統結構，該整體反射式無影燈體積減小了，并在一定程度上解決了熱輻射問題.

目前，整體反射式LED 手術無影燈在國內的發展才剛剛起步，產品技術多依賴于國外廠商［3］.從國內范圍來看，重慶邦喬科技有限公司設計了一種用于手術無影燈的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，為大規模整體反射式手術無影燈產品提供了方案［4］；山東新華醫療器械公司與德國照明專家OSRAM 合作，將整體反射技術與LED 技術相結合，實現了光源的不可見性，避免了炫目效果［5］；上海醫療器械五廠生產的整體反射式無影燈，單燈體的直徑在60 cm 左右，相較于國內其他同類型手術無影燈，已經處于較領先的地位［6］.從全球范圍來看，美國AMSCO 公司生產的手術無影燈采用整體反射式的光路系統，利用computer aided design（CAD）技術設計大反光罩的曲面，在有效的光斑范圍內，減少了調解燈焦距的次數；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影燈采用磁閘鎖定、紅外調控調節燈體的位置，其平衡操作性能在世界上處于領先水平［7-8］.

無論是國內還是國外的手術無影燈產品，其反光杯的直徑大小基本在35～150 cm，結構較為龐大，這不僅會引發空氣流通不暢問題，還給醫護人員的消毒操作帶來不便.本文作者通過對整體反射式LED無影燈的小型化改造，設計單個整體反射式LED 手術無影燈結構，并進行仿真實驗，在小型化反光杯下，得到了較為穩定的光斑.

1 設計準備

1.1 整體反射式LED無影燈的設計指標

遵照國家手術無影燈的指標要求［9］，設計中心光照度為40 000～160 000 lx，色溫為3 000～6 700 K，顯色指數為85～100的手術無影燈.

1.2 LED芯片參數的選定

采用美國Cree 公司XLamp XHP35.2 系列的LED 光源，其LED 芯片參數為：發光效率為162 lm·W-1；顯色指數為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Lambertian；半寬角度為135°.

2 設計方案

2.1 整體反射式LED無影燈小型化的數學模型

無影燈的光路原理圖如圖1 所示.從圖1 中可看出，無影燈從多個方向對手術部位進行照射，達到“無影”的效果.由于整體反射式無影燈的體積主要取決于反光杯的大小，建立反光杯數學模型（圖2），將反光杯近似看作拋物線OH，F為OH的焦點，OX為極軸，其對應的極坐標方程為：

其中，ρ為極坐標極徑；f為焦距；θ為接收角.

圖1 影燈光路原理圖

圖2 反光杯數學模型

拋物面的入射口徑

在滿足式（1）和（2）的基礎上，要得到交叉匯聚的光線，可以旋轉拋物面，使得光線以交叉對稱方式匯聚到接收面上，通過減小θ 縮小拋物面的大小，從而建立反光杯小型化的數學模型.以非成像光學系統作為LED 的配光設計，光線經過反光杯后發生散射或匯集，在接收面上進行疊加.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分布.通過蒙特卡羅光線追跡得到強度和照度分布，采用Light Tools軟件對強度和照度分布圖進行評價，得到最優的設計結構.

2.2 整體反射式LED無影燈結構的初始設計

LED 手術無影燈結構的初始設計由LED 光源、錐體反射器、透鏡、矩形接收面和反光杯組成［10］，光學組件參數設計如下：

（1）LED光源參數按XLamp XHP35.2設定；

（2）LED準直透鏡的內半徑設置為4 mm，高度設置為4.2 mm，透鏡長設置為30 mm；

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

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

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

2.3 整體反射式LED無影燈結構的改進設計

通過多次優化調整錐體反射器的半徑大小，將半徑參數設為45 mm，依據式（1）和（2）和仿真所得光斑成型效果優化調整反光杯大小，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無影燈改進前后的結構和反光杯參數對比圖.通過比較圖3（a）和3（c）可以看出：改進后的整體反射式無影燈尺寸明顯變小，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定為50 mm.

圖3 整體反射式LED無影燈改進前后對比圖

3 實驗對比

3.1 初始設計模擬

根據初始設計的整體反射式LED 無影燈結構，在Light Tools 軟件中導出光斑圖（圖4）和照度圖（圖5）.

圖4 初始設計仿真得到的光斑圖

圖5 初始設計仿真得到的照度圖

由圖4可以看出，光斑的直徑大約為300 mm，而且其均勻性及無影效果優良.由圖5可以看出，光斑內的光強分布較為均勻，照度最大值達到了60 300 lx，符合國家手術無影燈的參數標準.

3.2 改進設計模擬

通過優化反光杯的直徑和高度，在滿足國家標準的基礎上，仿真得到光斑圖（圖6）和照度圖（圖7）.

圖6 改進設計后仿真得到的光斑圖

圖7 改進設計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，光斑效果與初始設計基本相同.對比圖5和圖7發現，在同樣大小的圓形區域內，光斑的均勻性更優，且最大照度值達到了64 400 lx，強度增加了6.8%.由于LED 燈的體積非常小，通過增加LED 燈的數量，可以達到更高的照度，且不會過多增加手術無影燈的體積.

4 結 論

主要對現有整體反射式LED 手術無影燈結構進行優化，利用Light Tools 光學仿真軟件對整體反射式LED 無影燈結構進行光學設計，仿真實驗表明：改進后的設計大幅減小了無影燈的尺寸，得到了均勻性更優的光斑.