高壓氧艙用光纖直射式手術無影燈研制*

王守文 殷志東 張曉絮

手術無影燈通常由單個或多個燈頭組成，系定在懸臂上，能做垂直或循環移動[1]。無影燈是照明外科手術部位不可缺少的設備，通常采用環形節能燈或鹵素燈[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]。鹵素燈等有源發光器件，在高壓氧艙等存在易燃易爆風險的場所使用時，因其存在放電風險，故無法使用。光纖直射式手術無影燈采用光源與氧艙隔離，艙內無源化調節亮度，輸出符合要求的照射光斑，進而能夠解決現有手術無影燈無法在高壓氧艙內使用的問題。

光纖直射式手術無影燈不僅可實現手術無影燈的正常照明，而且適用高壓氧艙的易燃易爆環境的使用要求，可以替代現有的手術無影燈使用功能。作為特殊環境使用的光纖直射式手術無影燈與普通手術無影燈相比有穩定性好、操作簡單、適用范圍廣等優點。為此，研制一款光纖直射式手術無影燈，以解決現有手術無影燈無法在高壓氧艙內使用的問題。

1 光纖直射式手術無影燈總體設計

1.1 技術指標

光纖直射式手術無影燈根據技術協議內規定的適用范圍與技術性能對無影燈進行設計，其設備組成與技術性能主要有14項，其外觀尺寸與連接結構設計借用現有的成熟技術；照明系統、反饋系統及其調節方式進行特殊設計。光纖直射式手術無影燈技術指標見表1。

1.2 結構設計

1.2.1 主體外觀結構設計

光纖直射式手術無影燈主要由照明系統和反饋調節系統組成，照明系統和反饋調節系統均固定于無影燈構件內。照明系統包括光源、照明光纖束及聚光鏡頭；反饋調節系統包括反饋光纖束、光控調節器及光源控制器；無影燈構件包括法蘭盤、懸臂、支架、液壓缸及燈罩。光纖直射式手術無影燈主體結構見圖1。

表1 光纖直射式手術無影燈技術指標

圖1 光纖直射式手術無影燈主體結構圖

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

1.2.2 照度調節結構設計

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

表2 光纖直射式手術無影燈使用環境要求

光纖直射式手術無影燈的使用環境中的氧濃度為15%～25%，工作氣壓為1.4 MPa，極易發生燃燒爆炸危險。因此，在高壓氧艙內的設備必須為無源設備，嚴禁電源引入艙內，避免因電源而引發的火災甚至爆炸。光纖直射式手術無影燈作為手術照明設備，需在氧艙內進行無源啟動，照明光源置于艙體外部。通過設計光控調節器，使置于艙體外部的光源可以在艙體內遠程無源啟動，并實現照度多檔可調，滿足不同手術需求[4]。光控調節器結構見圖2。

圖2 光控調節器結構圖

光控調節器結構主要包括光纖絲束、光纖端子、光纜、漫反射板、初光孔和調節旋鈕，其旋鈕內開有一調光孔，用于啟動光源。調節旋鈕的中心部軸向貫通開設有初光孔，漫反射板的中心軸向貫通開設有通光孔，初光孔、通光孔及復位光闌的孔中心線重合。自然光通過初光孔進入光控調節器，經反饋光纖束傳輸至光源控制器后可在無源的條件下啟動光源，啟動整個照明系統，實現無源化啟動與調節控制。

1.3 光纖設計

1.3.1 光纖結構設計

光纖主要由光纖絲束、護套管(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成。光纖結構見圖3。

圖3 光纖結構圖

光纖端子內為照明光纖束，用于傳導光源所發出的光；光纖絲束匯集于集成件內，而后均勻分布于光纖端子內，將艙外光源發出的光的傳導至艙內無影燈燈罩內，通過鏡筒調節焦距和光斑大小進行照明。在N+1極分支內，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節，通過與光控調節器連接，進行遠程無源啟動光源和調節照度。

1.3.2 反饋系統設計

反饋系統包括反饋光纖束、光控調節器及光源控制器。光纖直射式手術無影燈的反饋系統控制原理見圖4。

圖4 反饋系統控制原理圖

光控調節器用于啟動和調整光源照度，其調節方式是通過反饋光纖傳導艙內自然光進行無源啟動艙外多個光源，而后通過手旋旋鈕，復位光闌瞬間增大或縮小光通量后自熱復位，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，通過將光信號轉化為電信號后調節光源的發光照度變大或變小，其變化量通過在艙外的內部電路控制，變化量可以在艙內通過旋鈕進行微調，最終達到最佳照明效果。光纖直射式手術無影燈的整體結構見圖5。

圖5 光纖直射式手術無影燈的整體結構圖

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，且與若干光源用數據線連接，使其實現同步調節。將光纖穿過艙體，與艙體用密封圈密封連接，發光鏡頭耦合件與光學鏡筒組件連接，并將若干光學鏡筒組件分布于照明位置點，調節照明角度，使其光斑匯聚指定面積區域。通過外部結構顯示器，顯示所調節的實時照度值，在設備啟動后可利用自身發出的光調節艙內控制照度，實現無源啟動和亮度調節。

1.4 密封設計

光纖直射式手術無影燈的使用環境中的大氣壓力為1.4 MPa，在如此高壓力的封閉空間內，穿艙設備的密封工作對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，二者同時達到密封要求才能實現光纖穿艙后達到密封效果。

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 光纖密封結構設計

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

在綜合制作方法中選用E-51膠水進行粘接，粘接強度N承受的力遠大于光纖自身重力，密封效果達到國家標準《通用閥門壓力試驗》(GB/T13927-1992)[5]中規定的使用要求。

1.4.2 光纖穿艙密封結構設計

穿艙件與艙體頂板連接采用螺紋旋緊的方式進行連接，其密封采用O型密封圈進行擠壓式密封。光纖穿艙密封結構見圖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。當螺母旋緊穿艙件時，頂板與穿艙件相互擠壓，將密封圈壓扁密封，其密封效果達到GB/T13927-1992規定的使用要求。

2 光纖直射式手術無影燈系統設計與測試

2.1 LED光源選型

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

2.2 單個光源照度

(1)技術要求。光纖直射式手術無影燈照度≥2.0×104Lux，根據系統所選用的光源數(N)、透過率(T)、耦合效率(η)及鏡片組損耗率(λ)的關系，可以推算出單個光源發光照度(Lm)要求，其計算為公式1：

單個光源發光照度：

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)確定系統參數。設計光源數：N=2；設計透過率：T=0.42(光纖長度3500 mm)；耦合效率：η=η1×η2=0.8×0.85=0.68；鏡片組損耗率：λ=0.03；單個光源照度：

(3)單個光源照度測試。根據單個光源照度要求，測試不同型號的光源照度，其測試結果見表4。

表4 LED照度測試數據

(4)LED光源型號參數。根據測試數據顯示，型號為LTB-1的LED光源符合照度計算要求。選用2臺型號為LTB-1的LED光源作為光纖直射式手術無影燈的光源。

2.3 光纖絲選型

光纖束在應用中要求其傳輸特性良好，光能損失小。這是對光纖束的傳輸特性(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化。

(1)透過率(T)值測試。根據預設的透過率要求，對不同型號的光纖絲進行透過率測試，其測試數據見表5。

表5 光纖絲透過率T值測試數據

(2)光纖絲型號參數。已選型號為LTB-1的LED光源作為照射光源，其發光照度為：4.2×104Lux。根據其發光照度值，與技術要求的總照度值，可以推算出最低透過率(T)值，其計算為公式2：

透過率

最低透過率T值為0.36，選用2#即國產6號絲來制作光纖最為合適。

3 結論

光纖直射式手術無影燈主要安裝于高壓氧艙內，用于特殊人群的手術。現有手術無影燈采用的發光器件一般為LED燈、鹵素燈等有源發光器件，在高壓氧艙等存在易燃易爆風險的場所無法適用。光纖直射式手術無影燈的研制規避了將電源引入高壓氧艙內，解決了現有技術無法在高壓氧艙內使用的問題。

光纖直射式手術無影燈主要研制照明系統和反饋調節系統。研制出一種照度可調的無源化照明系統，可以無源觸發并調節光源發光亮度。同時也設計出特殊的光纖結構，并解決了光纖穿艙與密封的問題，最終實現了光纖直射式手術無影燈在高壓氧艙內的正常使用。