整體反射式無(wú)影燈的LED改造

楊坤，邵蕾，周凱，鄭博，胡永路

上海同濟(jì)醫(yī)院(上海，200062)

通信作者：邵蕾，E-mail: lei_shao1@163.com

【摘要】該文為傳統(tǒng)的整體反射式無(wú)影燈改造成LED無(wú)影燈提供了一種設(shè)計(jì)方案，以低廉的成本，使老式無(wú)影燈獲得當(dāng)前主流的LED無(wú)影燈的性能優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。該文闡述了光源組件的選擇，光路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，供電與散熱問題的解決方案，證明了該改裝方案是可行的。

【關(guān)鍵詞】整體反射式無(wú)影燈；LED光源；光路

doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.016

作者簡(jiǎn)介：楊坤，E-mail: tjsbk@163.com

【中圖分類號(hào)】TH773

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

文章編號(hào)：1674-1242(2015)02-0121-03

Abstract【】This paper presents a reconstruction strategy on transforming the traditional overall reflection shadowless light into LED shadowless lamp. With a low cost, the old shadowless light can possess the performance advantages of the current mainstream of LED shadowless light. Therefore, the equipment life and economic efficiency of traditional light can be to extended and improved. This paper describes the selection of the light source components, solutions to optimize the light path design, power and cooling issue and demonstrats the feasibility of the design.

收稿日期：(2015-03-08)

LED Retrofit in Overall Reflective Shadowless Light

YANG Kun, SHAO Lei, ZHOU Kai, ZHENG Bo，HU Yonglu

Shanghai Tongji Hospital(Shanghai，200062)

【Key words】overall reflection shadowless, LED light source, light path

0　引言

手術(shù)無(wú)影燈是手術(shù)室中重要的醫(yī)療設(shè)備之一，醫(yī)護(hù)人員通過無(wú)影燈的使用，實(shí)現(xiàn)在患者施術(shù)部位無(wú)陰影照明的目的，從而幫助醫(yī)生清晰地分辨病灶組織，順利地完成手術(shù)。手術(shù)無(wú)影燈發(fā)自上世紀(jì)二十年代誕生以來(lái)，發(fā)展到現(xiàn)在，已從單燈型，孔式多燈型發(fā)展到目前的整體反射型，經(jīng)歷了不斷的技術(shù)革新，性能不斷完善。無(wú)影燈光源也從白熾燈、鹵素?zé)?、高照度鹵素?zé)艉碗療舭l(fā)展到LED燈。LED光源自2006年被應(yīng)用于手術(shù)無(wú)影燈領(lǐng)域以來(lái)，因其高亮度，長(zhǎng)壽命，無(wú)頻閃，顯色指數(shù)高，冷光效果好的特性，迅速成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。2012年以來(lái)，上海市各大醫(yī)院新購(gòu)的手術(shù)無(wú)影燈絕大多數(shù)都選用了LED光源。

但是，目前我國(guó)各級(jí)醫(yī)院裝備量最大的手術(shù)無(wú)影燈，仍然是整體反射式金屬鹵素?zé)?。因產(chǎn)品固有的技術(shù)特性，這些無(wú)影燈都存在著光效低，光源壽命短，照明中產(chǎn)熱高等缺點(diǎn)。如果能有合適的技術(shù)方案，把這些無(wú)影燈的光源改造成LED光源，將大大延長(zhǎng)這些無(wú)影燈的服役周期，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文主要探討的就是傳統(tǒng)的整體反射手術(shù)無(wú)影燈進(jìn)行LED光源改造的可行性。

1　整體反射式無(wú)影燈與常規(guī)LED無(wú)影燈的技術(shù)差異

整體反射式手術(shù)無(wú)影燈為獲得最大的無(wú)影效果，通常采用單反射器和大發(fā)光面并用的技術(shù)方案：?jiǎn)螣襞荻噙叿瓷淦魇窃撔蜔o(wú)影燈的核心，采用CAD設(shè)計(jì)沖壓一次成形，一般由不低于3 000個(gè)反射面組成；光源一般采用無(wú)遮光罩低電壓鹵素?zé)?，?biāo)稱參數(shù)多為24 V/50 W或24 V/150 W，壽命通常為500 h，采用恒壓源供電；鹵素?zé)粼谡彰髦挟a(chǎn)熱普遍較高，為降低光照引起的組織干燥等情況的發(fā)生，需要增加冷光濾光鏡。為了防止手術(shù)中光源故障對(duì)手術(shù)的影響，需要主備光源自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)。另外還有相應(yīng)的調(diào)節(jié)無(wú)影燈亮度和光斑面積的機(jī)構(gòu)。

常規(guī)LED無(wú)影燈根據(jù)LED色溫類型分為外混、內(nèi)混、單色純白光源三類。由于單個(gè)LED 光珠的亮度難以滿足手術(shù)燈照明需求，通常采用類似早期的孔式多燈型的點(diǎn)陣式LED光源布局結(jié)構(gòu)，采用恒流源供電。由于工作時(shí)發(fā)熱量較低，無(wú)需采用特別的隔熱措施。通常采取并聯(lián)多個(gè)LED光珠組方式，這樣即使單個(gè)燈珠的損壞對(duì)照明效果無(wú)太大的影響，不需要主備光源切換模式與機(jī)構(gòu)。

2　改造方案

整體反射式手術(shù)無(wú)影燈進(jìn)行LED光源改造的核心問題是用LED燈珠替換原有的鹵素?zé)糁榛驓鍤鉄?。在原有的系統(tǒng)中，燈泡作為一個(gè)點(diǎn)光源的形式，被置于反射器的中心位置，但是目前的市場(chǎng)上很難買到單個(gè)封裝且能在參數(shù)上滿足無(wú)影燈技術(shù)要求的LED燈珠。因此，最可行的方案是設(shè)計(jì)一組LED燈珠滿足無(wú)影燈在光亮強(qiáng)度、色溫，顯色指數(shù)上的技術(shù)要求，并通過燈泡外部的光學(xué)組件，將這組燈珠模擬成點(diǎn)光源，以使整個(gè)系統(tǒng)的外部光學(xué)性能基本不發(fā)生改變。為使改造后的無(wú)影燈能正常工作，還需對(duì)無(wú)影燈的電源系統(tǒng)及燈珠組的散熱進(jìn)行一定的更改或設(shè)計(jì)。

2.1燈珠組封裝設(shè)計(jì)

由于單個(gè)LED燈珠的發(fā)光功率有效，目前市場(chǎng)上的LED無(wú)影燈產(chǎn)品普遍采用多組燈珠分散布局的方式，以達(dá)到最佳的亮度和無(wú)影條件。隨著制造工藝和技術(shù)水平的不斷提高，單個(gè)LED 發(fā)光功率不斷地得到提高，進(jìn)而使設(shè)計(jì)的光源光能輸出更大，從而可減少LED 的使用個(gè)數(shù)，使手術(shù)燈結(jié)構(gòu)更小型化。目前，市場(chǎng)上主流的燈珠供應(yīng)商如CREE、OSRAM、韓國(guó)泛亞都可根據(jù)用戶的需求，對(duì)LED燈珠進(jìn)行封裝。為便于說明，我們以光照度100 000 lx，光斑直徑280 mm，色溫4 000～4 500 K，顯色指數(shù)>90為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)封裝方案。我們根據(jù)實(shí)際使用情況在市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品中選擇了CERR公司的CXA1830這款燈珠。通過參數(shù)對(duì)比，可以看出CREE CXA1830燈珠在參數(shù)上完全超越了傳統(tǒng)鹵素?zé)?，具有能效高，功耗低，顯色指數(shù)高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

表1 　CREE CXA1830燈珠與整體反射燈

2.1.1燈珠散熱設(shè)計(jì)

以燈珠的最大工作電流1 400 mA計(jì)算，我們?cè)O(shè)計(jì)的LED燈珠組發(fā)熱量為：20～25W,而傳統(tǒng)鹵素?zé)舭l(fā)熱量為100 W以上.。由于系統(tǒng)的發(fā)熱量較小，我們可以考慮采用被動(dòng)散熱的方案：采用銅質(zhì)基座作為散熱基座。為保證散熱效果，可將銅質(zhì)散熱基座安裝于燈罩上。傳統(tǒng)整體反射式無(wú)影燈基本為鋁合金沖壓燈罩，可提供良好散熱效果，無(wú)需主動(dòng)散熱。

2.1.2光學(xué)模塊設(shè)計(jì)

因LED燈珠(模塊)是面光源，所以整個(gè)設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)就是利用光學(xué)組件使LED模塊模擬點(diǎn)光源替代原有的鹵素?zé)糁?，以達(dá)到利用原有光路的目的。為此，我們根據(jù)試驗(yàn)，通過采用透鏡聚光、多棱鏡反射的方案，達(dá)到設(shè)計(jì)需求，并具有便于散熱，改裝方便等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1光學(xué)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 The optical module structure

2.2無(wú)影燈電路改造

傳統(tǒng)無(wú)影燈一般采用24 V直流供電電源，供電至燈頭或內(nèi)外彎管處驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)驅(qū)動(dòng)板升壓降壓后供電至光源組件。在此，們可以利用原有電路線材(走線)。CERR CXA1830 LED光源組件需求37 V(最大)直流供電，700 mA～1400 mA電流。我們只需要重新設(shè)計(jì)制作可調(diào)恒流驅(qū)動(dòng)電路就可滿足改造需求。在此，我們選用市面上現(xiàn)有的恒壓電路：ZXY6005S模塊滿足試制需求。

表2　ZXY6005S模塊參數(shù)

圖2驗(yàn)證光路圖

Fig.2Verify that the optical path drawing

3改裝過程

整個(gè)改裝過程如下：

● 在原有光源位置更換為多棱鏡反射體；

● 更換可調(diào)恒壓驅(qū)動(dòng)板；

● 我們將設(shè)計(jì)好的燈珠組置于燈罩的中心位置；

● 更改燈頭部分線路聯(lián)接，使其聯(lián)接到新的光源驗(yàn)證光路，如圖2所示。

4　討論

(1)前面的方案中，我們從理論上用LED光珠組替代了整體反射式無(wú)影燈的鹵素或氙燈光源。在方案中，所有的參數(shù)與指標(biāo)都來(lái)自各家廠商公開的技術(shù)資料。限于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，我們未能將上述方案付諸實(shí)施，但該方案有很高的可行性。

(2)通過對(duì)光源的改造，老式的整體反射式手術(shù)燈也具備了最新的LED手術(shù)燈在性能、壽命、能耗方面的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，無(wú)影燈還保留了原有的聚光性強(qiáng)，垂直層流干擾低的優(yōu)點(diǎn)。

(3)類似民用節(jié)能燈的LED改造方案，整體反射式無(wú)影燈因保有量大，服役周期長(zhǎng)，同樣具有廣闊的市場(chǎng)和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我們建議有技術(shù)實(shí)力的廠商為裝備量大的無(wú)影燈型號(hào)開發(fā)商業(yè)化的LED改造方案，以萬(wàn)元左右的成本，大大提高設(shè)備的技術(shù)性能、使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。

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