一種基于RGB LED的手術顯微鏡光源的設計

張進奇

[摘 ? ?要]手術顯微鏡作為顯微外科手術的重要器械之一，現已成熟應用于各個科室的手術與治療中。手術顯微鏡的應用范圍也從傳統的神經外科和脊柱外科等重要的手術科室擴展到其他科室。設計了一種基于RGB LED的色溫可調的手術顯微鏡新光源，從光源色度學理論出發，提出了一種基于RGB LED合成不同色溫/色坐標的合色公式和算法，并對光源的硬件電路進行了設計實現，為其他手術顯微鏡光源的開發提供了一定的設計參考。

[關鍵詞]手術顯微鏡;RGB LED;光源;色溫/色坐標

[中圖分類號]TN929.1 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–03

A design of Light Source for Surgical Microscope Based on RGB LED

Zhang Jin-qi

[Abstract]As one of the important instruments of microsurgery， the operating microscope has been maturely used in the operation and treatment of various departments.The scope of application of operating microscopes has also expanded from traditional neurosurgery and spinal surgery and other important operating departments to other departments.A new light source for operating microscopes with adjustable color temperature based on RGB LED is designed.Starting from the theory of light source colorimetry， a color combination formula and algorithm based on RGB LED synthesis of different color temperatures/color coordinates is proposed.The circuit is designed and implemented， which provides a certain design reference for the development of other surgical microscope light sources.

[Keywords]operating microscope; RGB LED; light source; color temperature/color coordinate

1 ?概述

手術顯微鏡作為顯微外科手術的重要器械之一，現已成熟應用應用于各個科室的手術與治療中。手術顯微鏡的應用范圍也從傳統的神經外科和脊柱外科等重要的手術科室擴展到其他科室。

顯微鏡的光源在手術顯微鏡中是一個不可或缺的組成部分，光源的好壞直接影響著顯微鏡的成像質量，從而影響醫生觀察的真實性和準確性。按照構成光源類型的不同，手術顯微鏡的光源通常可以分為鹵素燈光源、氙燈光源和LED光源三大類。

本文設計了一種基于RGBLED的色溫可調的手術顯微鏡新光源。通過分析傳統鹵素燈/日光燈光源對手術顯微鏡應用方面的不足，從光源色度學的理論出發，提出了一種基于RGBLED合成不同色溫/色坐標的合色公式和算法，并對光源的硬件電路進行了設計實現。

2 ?手術顯微鏡對光源的需求

隨著手術顯微鏡應用領域的加深，不同的科室和不同手術可對光源系統提出了不同的要求。例如：血液對綠光有特定的吸收作用，可使醫生更好的分辨血液和組織;一種色溫在3300K左右的橘黃色光源可使補牙時使用的填充劑延遲固化，從而方便醫生的操作和治療。這些應用往往對光源的色溫/色坐標有著不同的要求，而傳統的鹵素燈和氙燈等光源色溫固定且單一，往往無法滿足這些要求。為解決這一問題，本文以牙科手術顯微鏡對光源的需求為基礎，設計了一種基于RGBLED的色溫/色坐標可調的手術顯微鏡新光源，其具體的設計指標，如表1所示。

3 ?光源的色度學原理

通過控制RGBLED各自發光，并設計光路，使其最終合成一束光并輸出，這樣我們就得到了一個合成后的光源，而合成后光源的色溫/色坐標等參數可以通過色度學原理進行計算。

3.1 ?CIE1931XYZ色度系統

在顏色感知的研究中，CIE1931XYZ色彩空間是其中一個最先采用數學方式來定義的色彩空間，它由國際照明委員會（CIE）于1931年創立。

色彩空間指的是用一種客觀的方式敘述顏色在人眼上的感覺，通常需要三色刺激值。在三色加色法模型中，如果某一種顏色和另一種混合了不同分量的三種原色的顏色，均使看上去是相同的話，我們把這三種原色的分量稱作該顏色的三色刺激值。CIE1931色彩空間通常會給出顏色的三色刺激值，并以X、Y和Z來表示。

3.2 ?RGB的合色算法

合成光源色坐標及亮度的計算是基于CIE1931XYZ色度系統的理論為基礎，在已知R、G、BLED各自色坐標的前提下，通過對給定的合成色坐標的值進行反推計算，從而得到R、G、BLED分別對應的光通量比例。其對應的方程，如式（1）所示：

（1）

式（1）中，R，G，B分別為各自LED對應的光通量的比例，（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）分別為R，G，BLED的色坐標;（xmix，ymix）為合成后光源的色坐標。

4 ?硬件電路的設計實現

4.1 ?整體電子框架

圖1所示為光源的硬件系統架構。如圖1所示，光源的硬件電路分別由電源板，MCU主控板，R，G，BLED板和PD傳感器板組成。其中電源板為24 V供電，用于提供主控板工作所需電壓。主控板上的MCU用于光源合成算法的實現與控制，CAN用于與上位機的通訊，并根據需求設計有ADC，DAC，LED驅動電路和檢測電路等電路，用于驅動LED板及檢測溫度和光強。LED板則是R，G，BLED各自獨立為一塊PCBA，并采用了鋁基板的設計，從而更方便光學結構的布局和散熱。PD傳感器板安裝于光路后端，用于檢測R，G，BLED通過光路合成后的光強，從而形成閉環反饋。

4.2 ?驅動電路設計

驅動電路是光源硬件電路設計中的核心，其被用于產生驅動RGBLED發光的電流。由于此次設計的照明單元的輸出光功率最大為1000流明，將其換算到單個LED的驅動電流上，則可達6A。因此若采用常見的線性恒流的方式驅動LED，則會在驅動管上的功耗過大，散熱將成為設計中較大的問題，從而增加設計難度。本設計中則采用了TI公司的一款具有電流監視功能的BUCK芯片LM25117，其可檢測輸出負載電路上的電流，設計中通過檢測此電流值，并將此電流值與DAC的控制信號相疊加后給到BUCK芯片的輸入反饋引腳（FB），從而巧妙地實現了對驅動回路中的電流的控制，實現了LED的亮度可調。

4.2.1 ?DAC電路

DAC的作用是將MCU經過處理后的數字控制信號轉換為模擬電壓信號輸出至BUCK驅動電路，從而控制BUCK驅動電路的輸出電流。主控制器MCU通過SPI接口對DAC模塊進行時序控制和邏輯控制，從而將計算得到的LED電流值傳輸給DAC。

4.2.2 ?電流輸出型BUCK驅動電路

通過DAC控制LM25117進行輸出電流調節部分的電路如圖2所示。為方便理解，圖2中非完整的驅動電路圖，其重點突出了DAC控制和電流反饋的部分。如圖2所示，CS和CSG引腳分別連接至采樣電阻R6的兩端，從而提供了電流信號的采樣輸入;CM引腳輸出的電壓經電阻R2，R3分壓后與ADC的輸出控制電壓經過R1，R3分壓后相疊加，并連接至FB引腳。由基爾霍夫節點電流定律可得到如下方程：

（2）

由式（2）中可以得到VDAC和VCM的關系，并從LM25117的數據手冊中可以得知：VCM為驅動電路輸出電流的電壓換算值。VFB為驅動電路的負反饋電壓，其值在電路穩定輸出時與LM25117內部的反饋參考電壓相同，為0.8 V。此時，公式（2）中的參數除VDAC和VCM外均為常數，VDAC和VCM成線性關系，即可通過DAC調節驅動電路的電流。

4.3 ?反饋和檢測電路設計

反饋電路用于檢測LED的輸出光強及驅動電路的電流電壓、印刷電路板上的溫度等物理參數。信號檢測和調理電路將這些物理信號轉換為適合ADC檢測的信號給到ADC電路，ADC電路將模擬電壓信號轉換為MCU可以處理的數字信號并輸出給MCU，MCU將ADC轉換得到的數字信號進行運算和處理，從而實現控制算法的實現和板級狀態的檢測。

4.3.1 ?光強檢測電路

光強檢測電路如圖3所示，光敏二極管D1被安裝到光路中，通過接受光路中的光強從而產生電流，電流經過由運放U1B和電阻R1組成的跨阻放大電路后將電流信號放大并轉化為電壓信號，運放輸出端口PH_LED_SUM連接至ADC的采樣輸入引腳，從而實現ADC對光強信號的采集。其中電源V_PD為-5V，由一個電荷泵產生，用于提供光敏二極管所需的反向工作電壓。R2為偏置電阻，用于在輸出端提供一個固定偏置電壓，C2為相位補償電容，能夠更好的保證放大電路的穩定性。

4.3.2 ?ADC電路

ADC電路用于把檢測電路輸出的模擬電壓信號轉換成數字信號并輸出給MCU處理。本設計中采用的是TI公司的ADC128S052芯片。ADC128S052是一個低功率、8通道CMOS12位模數轉換器，單通道轉換速率可達500ksps，其基于連續逼近寄存器結構，并帶有內部跟蹤-保持電路，最多可以配置為8通道輸入。

4.4 ?光源的測試

在設計完成后，我們對此光源進行了測試，通過軟件設置色坐標（x，y）的值為（0.33，0.33），即相關色溫為5500K的白光;設置光通量的值為450流明，并在積分球上進行測試。取3臺光源的測試結果，對其光通量，色坐標，顯色指數的關鍵參數進行了記錄，得到的數據，如表2所示。

5 ?結語

通過對光源色度學的研究，并應用光譜合成的理論和方法，本論文創新性的提出一款基于RGBLED適用于手術顯微鏡的色溫/色坐標可調的新光源，并對其進行了設計實現。經測試，最終結果滿足設計指標要求，解決了傳統手術顯微鏡上光源存在的色溫單一，色坐標不可調的問題，從而簡化了不同手術顯微鏡對不同光源的需求。

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