【導讀】用于外科手術中的照明設備——無影燈，是手術臺上不可缺少的重要設備。無影燈能夠以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對比度低的物體。除需要“無影”以外，還需要光照度均勻、光質好，能夠很好地區(qū)分血液與人體其他組織、臟器的色差。本文主要講解一種新型的LED無影燈的控制系統(tǒng)的設計。
無影燈是用來照明外科手術部位不可缺少的重要設備，要求能以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對比度低的物體。因此，除需要“無影”以外，還需要光照度均勻、光質好，能夠很好地區(qū)分血液與人體其他組織、臟器的色差。此外，無影燈還須能長時間地持續(xù)工作，而不散發(fā)出過量的熱，因為過熱會使手術者不適，也會使處在外科手術區(qū)域中的組織干燥。
目前手術燈一般都采用環(huán)形節(jié)能燈或鹵素燈，但隨著發(fā)光二極管LED技術的不斷發(fā)展，特別是高亮度白光LED的發(fā)展，LED無影燈徹底解決了環(huán)形節(jié)能燈自身存在的先天缺陷，是環(huán)形節(jié)能燈的升級換代產(chǎn)品。目前，LED無影燈的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡使用者所了解和接受，使用成本亦較環(huán)形節(jié)能燈低，減少了每1~2 個月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。
目前，在技術上已成功解決了大功率LED的封裝、恒流驅動、散熱以及照度控制等問題，可實現(xiàn)無影燈照度的多級調控，調光靈活、方便。
LED無影燈的優(yōu)點有：
(1)出色的冷光效果：采用新型的LED冷光源作為手術照明，是真正冷光源，醫(yī)生頭部和傷口區(qū)域幾乎無溫升。
(2)光質好：白光LED具有區(qū)別于普通手術用無影燈光源的色品特點，可以增加血液與人體其他組織、臟器的色差，使得手術中醫(yī)生的視覺更加清晰，在流淌、滲透的血液中人體的各個組織、臟器更容易被區(qū)分出來，這是普通手術用無影燈所不具備的。
(3)亮度無級調節(jié)：采用數(shù)字方式無級調控LED的亮度，操作者可根據(jù)自身對亮度的適應性隨意調節(jié)亮度，使其達到最為理想的舒適度，使長時間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。
(4)無頻閃：因為LED無影燈為純直流供電，無頻閃，不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感，亦不會對工作區(qū)域的其他設備產(chǎn)生諧波干擾。
(5)光照度均勻：采用特殊的光學系統(tǒng)，360°均勻照射在被觀察物體上，無虛影產(chǎn)生，清晰度高。
(6)壽命長：LED無影燈平均壽命長(35 000 h)，遠大于環(huán)形節(jié)能燈(1 500~2 500 h)，壽命為節(jié)能燈的十倍以上。
(7)節(jié)能環(huán)保：LED具有較高的發(fā)光效率，耐沖擊，不易破碎、無汞污染，且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染。
1 系統(tǒng)結構
1.1 總體結構
由于單個LED的發(fā)光效率不能滿足手術無影燈的光照強度和均勻性的要求，因此需要用多個LED組成陣列，并要求排列合理,分布均勻，使得每個目標平面的光照度符合要求，以此來決定LED的數(shù)量以及分布規(guī)則。雖然LED的發(fā)光效率高，產(chǎn)生的熱量少，但是如此多的LED在一個密封的箱體內，還是會產(chǎn)生大量的熱量，溫度甚至會高達60℃~80℃，所以必須合理設計散熱器以及散熱通道，以有效地降低系統(tǒng)熱阻。
LED手術無影燈由多個燈頭組成，成花瓣狀，固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上，定位穩(wěn)定，能做垂直或循環(huán)移動，可滿足手術中不同高度和角度的需求。整個無影燈有 144個高亮度白色LED，8個串聯(lián)成一組，即稱為高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode)，以18組并聯(lián)而成。每組相互獨立，若有一組損壞，其他照樣能夠繼續(xù)工作，所以對手術的影響較小。每組由一個LM3402單獨進行恒流驅動，并根據(jù)用戶需要，接受一個微處理器(CMU)P89LPC932的PWM脈寬調節(jié)控制，可無級調節(jié)，流過每個LED的電流約為120~320 mA。LED無影燈電氣原理圖如圖1所示。
操作面板上有4個按鈕(環(huán)境照明、關閉、調亮和調暗按鈕)和8個LED指示燈。按下環(huán)境照明按鈕，表示只需腔鏡環(huán)境照明，只留下其中一路的3個LED用于照明，而關閉其余LED發(fā)光二極管串;按下關閉按鈕，將熄滅所有8路LED發(fā)光二極管串，再次按下此按鈕，則可以回到原照度顯示狀態(tài)，掉電或重啟也可回到設定照度狀態(tài);調亮和調暗按鈕用于改變無影燈的照度，對應8個指示燈，指示8擋亮度，從左到右每增加一擋就增加一個指示LED點亮，無影燈處于關燈狀態(tài)時，最右邊2個指示LED點亮。所有操作信息均是通過RS485總線傳輸給驅動板MCU。
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1.3 驅動板
驅動板是整個無影燈控制器的核心，主要由一個MCU P89LPC932和18路LM2402恒流穩(wěn)壓電路組成，還包含RS485通信電路。
P89LPC932是低功耗的MCU，電源電壓3.3 V，可低功耗運行，適合于許多要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的處理器結構，指令執(zhí)行時間只需 2~4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。此外，P89LPC932還集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本，內部有2個定時器，可作為一個具有256個定時器時鐘周期的PWM發(fā)生器使用。
LM3402是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器，可驅動串聯(lián)的大功率、高亮度發(fā)光二極管串，可以接受范圍在6 V~42 V的輸入電壓。當使用引腳兼容的LM3402HV時，輸入電壓的上限可達到75 V。根據(jù)手術對照度的需要，對轉換器的輸出電壓進行調節(jié)，可以維持通過LED陣列的恒定電流水平。圖2為LM3402的典型應用電路示意圖，其中RSNS 為電流設定電阻，平均電流IF≈0.2/RSNS，RON取值與發(fā)光二極管串中的LED數(shù)量有關，8個LED時可取值300 kΩ。經(jīng)檢測，恒流標稱值為250 mA時(RSNS=0.8 Ω)，電流波動在±20 mA以內，完全能夠滿足手術光感要求。
考慮到醫(yī)用儀器安全要求的特殊性，系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都應該考慮采取相應安全措施。首先，手術室是一個具有強電磁干擾的環(huán)境，防止MCU死機十分重要，因此必須采取如下措施：(1)必須認真處理硬件復位電路設計和內部復位程序;(2)必須排除錯誤干擾信號，所以整個系統(tǒng)采用了完全電氣隔離，以阻止電路各部分的相互影響。此外還采用了Modbus冗余校驗法;(3)高亮度白色LED的價格較高，為避免損壞，必須排除電網(wǎng)和電源損壞對系統(tǒng)的影響，故本文采用了過壓和過流自動保護電路，當電壓或電流超過設定值的20%時，系統(tǒng)自動切斷電源，以保證系統(tǒng)電路和高亮度LED的安全。
2 程序設計
2.1 程序結構
程序主要包含面板控制器和驅動板兩個獨立程序。面板控制器程序根據(jù)4個按鈕的輸入狀態(tài)，向驅動板發(fā)送開關或照度調節(jié)命令，并將命令狀態(tài)在8個LED上顯示出來。驅動板程序初始化以后，主要通過串行口接收中斷接收操作信息，進行Modbus數(shù)據(jù)冗余校驗后，根據(jù)命令指示，發(fā)出不同的PWM信號。驅動板程序流程框圖如圖3所示。
高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過對LM3402的DIM端口進行PWM調節(jié)，實際電流占設定電流值的比例取決于PWM的占空比(duty cycle)。P89LPC932內部定時器T0/T1的PWM輸出與計數(shù)輸入和定時器觸發(fā)輸出占用相同的管腳，發(fā)生定時器溢出時自動觸發(fā)端口輸出。此功能通過AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分別使能定時器0和1。該模式打開時，在首次定時器溢出前端口的輸出為邏輯1。為了使該模式生效，必須清零C/T位以選擇PCLK作為定時器的時鐘源。
2.3 節(jié)能模式
能耗控制在整個無影燈控制系統(tǒng)中具有十分重要的意義。在多數(shù)時間，HBLEDs處于熄滅狀態(tài)，控制系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，將功耗降低到最低。將電源控制寄存器 PCONA設置為0xFF時，外部功能模塊掉電;將電源控制寄存器PCON設置為03H時，可將MCU處于完全掉電狀態(tài)，只有在中斷觸發(fā)的時候，才能喚醒，隨即給外部功能模塊上電，MCU開始工作。
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