周文光 孔 悅 王春飛 許新建 毛坤劍

便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)設計*

周文光①孔 悅①王春飛①許新建①毛坤劍②*

目的：設計一種便攜式內窺鏡的冷光源系統(tǒng)，以外接的方式為內窺鏡提供高質量的照明。方法：采用特制的發(fā)光二極管(LED)作為冷光源，以光纖為傳導介質，設計LED到內窺鏡前端的光學系統(tǒng)；以TPS61165為大電流驅動芯片，芯片STM32產生PWM信號，設計LED的控制電路；通過外接鑲嵌的方式設計LED照明的散熱系統(tǒng)。結果：經過臨床測試，冷光源系統(tǒng)照度穩(wěn)定，顯色指數高，色溫低，散熱效果好。結論：便攜式內窺鏡冷光源的照明系統(tǒng)非常適合便攜式內窺鏡的運用。

發(fā)光二極管；照明系統(tǒng)；散熱系統(tǒng)

[First-author’s address] Chenggong Hospital, Xiamen University and The 174 Hospital of PLA, Xiamen361003, China.

便攜式內窺鏡將各式內窺鏡、冷光源系統(tǒng)、大型臺車、視頻采集、顯示系統(tǒng)以及圖文處理計算機系統(tǒng)等一體化設計，使門診檢查、組織活檢、住院查房、機動醫(yī)療和多科會診更加方便快捷[1]。便攜式內窺鏡體積小，重量輕，而傳統(tǒng)的冷光源系統(tǒng)一般采用氙燈或者紅綠藍(RGB)三基色與發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)RGB-LED混光成白光的方式等，其體積龐大、電路復雜等明顯缺點無法滿足便攜式內窺鏡照明系統(tǒng)對光源部分的要求[2]。因此，設計一種便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)，適用于便攜式內窺鏡的照明。

1 便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)設計

采用特殊封裝技術LED為冷光源設計便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)，其主芯片STM32產生的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)信號控制TPS61165，穩(wěn)壓輸出電壓驅動LED。整個冷光源系統(tǒng)采用外接的方式連接在便攜式內窺鏡上，配合獨特金屬外延技術的散熱系統(tǒng)，其照明顯色指數高，重量輕，操作簡單，散熱效果好，適合于便攜式內窺鏡的照明運用[3-4]。本研究項目為南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項目，且已獲得國家實用新型專利。該系統(tǒng)由電路部分、結構部分和散熱部分組成。設計目標為：①電壓輸出穩(wěn)定，照明亮度恒定如一；②顯色指數高，真實反映組織顏色；③外觀輕巧，連接方便，操作簡單；④散熱效果好，LED使用壽命長。

1.1 系統(tǒng)的電路部分

該系統(tǒng)的點光源采用專用LED芯片發(fā)出的360～400 nm紫光，激發(fā)涂布在其上方的RGB熒光粉，由RGB熒光粉發(fā)出的三色光調制成白光[5]。嚴格控制LED芯片的工作電流和熒光粉的均勻性與厚度，LED發(fā)出的紫光不參與白光的配色，控制好各色熒光粉的選擇及配比，即可調制出色溫值為5700～6500 K、顯色指數為93的白光[6]。

主電路芯片采用STM32，通過其定時器來產生PWM信號控制TPS61165，進而穩(wěn)定LED的輸出電壓。STM32產生的PWM信號根據鋰電池的電壓大小來控制PWM信號的占空比(如圖1所示)。

圖1 便攜式內窺鏡電池電壓降和等幅PWM信號示圖

便攜式內窺鏡使用鋰電池供電，在使用過程中鋰電池電壓慢慢下降，PWM信號輸出的脈寬相應變寬，輸出的電壓穩(wěn)定不變。冷光源系統(tǒng)控制電路如圖2所示。

圖2 冷光源系統(tǒng)控制電路圖

冷光源系統(tǒng)采用驅動芯片TPS61165，其輸出電壓SW端通過穩(wěn)壓管D1加在LED上。STM32的PWM信號通過TPS61165的CTRL端控制鋰電池的穩(wěn)壓輸出[7]。

1.2 系統(tǒng)的結構部分

由于便攜式內窺鏡體積小，重量輕，集成度高，無法內置現有的冷光源系統(tǒng)，故采用外接的方式連接內窺鏡，通過獨特的結構和光路設計，能夠快速連接使用，抗震效果好，其結構如圖3所示。

圖3 冷光源系統(tǒng)結構框圖

從圖3可知，冷光源系統(tǒng)以外接的方式從便攜式內窺鏡手持主機連接內置光源，直接輸出到各類醫(yī)用內窺鏡，其結構如圖4所示。

圖4 冷光源系統(tǒng)結構示圖

圖4 顯示，從內窺鏡電壓輸出兩組電壓，一組給內置冷光源提供電壓，一組連接外部充電接口，可實時為內窺鏡充電。內置冷光源直接接在醫(yī)用內窺鏡上，內窺鏡看到的圖像通過光學接口直接呈現在內窺鏡手持主機上，便于觀看[8]。

當內置冷光源有故障時，該系統(tǒng)還備有外置冷光源，采用電池供電，可快速接在醫(yī)用內窺鏡上。整個系統(tǒng)采用顯示指數高的冷光源，能夠真實的反應組織顏色，其效果如圖5所示。

圖5 冷光源采集效果圖

表1 常用散熱材料的熱導系數

1.3 系統(tǒng)的散熱部分

本系統(tǒng)的散熱設計分為兩方面。一方面特殊封裝的LED先去除GaAs襯底，然后再將其表面與Si基底表面同時蒸鍍Al質金屬膜，在一定的溫度和壓力下熔接在一起，最大限度的減小LED芯片的溫升[9]。采用導熱性能較好的材料將熱量散發(fā)出去，常用散熱材料的熱導系數見表1。

本研究使用鋁合金做散熱材料，有效的利用熱容量效應，將LED與整個外殼緊密封裝，使LED有最短的熱傳導路徑，減少熱傳導阻力；整個LED燈鑲在鋁合金內部，外觀進行褶皺外延技術，最大程度的增大熱傳導面積，進而增加熱傳導速度，其結構如圖6所示。

圖6 內置冷光源結構圖

2 便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)的應用

便攜式內窺鏡冷光源使用簡單，連接方便，能夠快速的連接投入使用。其連接方法如下：

(1)取下光學接口防塵蓋和便攜式手持主機防塵蓋，將光學接口旋轉接入便攜式手持主機

(2)將光源和外接連接線一端接口紅點對準推入擰緊；將內置光源連接到內窺鏡，兩手捏緊光學接口卡環(huán)，取下鏡蓋，再次捏緊光學接口卡環(huán)，接上內窺鏡；將外接連接線接口一端紅點與主機對準，推入自動擰緊；若要取下，則兩手按住接口格紋處往外輕拉。其連接方法如圖7所示。

圖7 內置冷光源連接示圖

(3)采用外置冷光源，其連接方法如圖8所示。

圖8 外置冷光源連接示圖

該系統(tǒng)連接冷光源后，能夠快速的進行門診各種小手術和診療活動。整個系統(tǒng)簡潔輕便，操作簡單，安全性能好，使用壽命長。

3 結語

針對便攜式內窺鏡對冷光源系統(tǒng)的特殊要求，本研究所研制的便攜式內窺鏡冷光源系統(tǒng)以外接的方式為內窺鏡提供高質量的照明。整個系統(tǒng)采用內置冷光源和外置冷光源進行光路設計，配合獨特的結構設計和散熱設計，使便攜式內窺鏡畫面顯示質量高，散熱效果好，使用安全可靠，且系統(tǒng)操作簡單，運用方便，技術便于掌握，適合在醫(yī)院門診檢查、機動醫(yī)療及野戰(zhàn)醫(yī)療等活動的應用[10-12]。

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Design of the cold light source system for portable endoscope

ZHOU Wen-guang, KONG Yue, WANG Chun-fei, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):38-40.

Objective: To design a portable endoscope cold light source system. Methods: Using special LED as a cold light source, optical fiber astransmission medium, optical system design LED to the front end of the endoscope; with TPS61165 high currentdrive chip, STM32 generates a PWM signal, the control circuit design of LED; cooling system through the external embedding mode design of LED lighting. Results: After clinical testing, cold light source illumination of the design of the system is stable, high color rendering index, color temperature low, good heat dissipation effect. Conclusion: The design of the lighting system is very suitable for theuse of portable endoscope.

Light emitting diode; Lighting system; Cooling system

周文光,男,(1970- ),本科學歷，主任技師。解放軍第174醫(yī)院 廈門大學附屬成功醫(yī)院器材科，從事醫(yī)療設備的維修、質量控制及使用管理等研究工作。

1672-8270(2015)01-0038-03

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.012

2014-08-21

南京軍區(qū)2013年度科技創(chuàng)新項目資助課題(MS087)“野戰(zhàn)便攜式內窺鏡視頻系統(tǒng)的研制”

*專利：國家實用新型專利(2014 2 0083810.3)

①解放軍第174醫(yī)院 廈門大學附屬成功醫(yī)院器材科 福建 廈門 361003

②解放軍第174醫(yī)院 廈門大學附屬成功醫(yī)院醫(yī)務處 福建 廈門 361003

*通訊作者：kunjian_m@126.com