張進(jìn)奇

[摘 ? ?要]手術(shù)顯微鏡作為顯微外科手術(shù)的重要器械之一，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于各個(gè)科室的手術(shù)與治療中。手術(shù)顯微鏡的應(yīng)用范圍也從傳統(tǒng)的神經(jīng)外科和脊柱外科等重要的手術(shù)科室擴(kuò)展到其他科室。設(shè)計(jì)了一種基于RGB LED的色溫可調(diào)的手術(shù)顯微鏡新光源，從光源色度學(xué)理論出發(fā)，提出了一種基于RGB LED合成不同色溫/色坐標(biāo)的合色公式和算法，并對(duì)光源的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，為其他手術(shù)顯微鏡光源的開(kāi)發(fā)提供了一定的設(shè)計(jì)參考。

[關(guān)鍵詞]手術(shù)顯微鏡;RGB LED;光源;色溫/色坐標(biāo)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN929.1 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(shù)顯微鏡作為顯微外科手術(shù)的重要器械之一，現(xiàn)已成熟應(yīng)用應(yīng)用于各個(gè)科室的手術(shù)與治療中。手術(shù)顯微鏡的應(yīng)用范圍也從傳統(tǒng)的神經(jīng)外科和脊柱外科等重要的手術(shù)科室擴(kuò)展到其他科室。

顯微鏡的光源在手術(shù)顯微鏡中是一個(gè)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(zhì)量，從而影響醫(yī)生觀察的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。按照構(gòu)成光源類(lèi)型的不同，手術(shù)顯微鏡的光源通?？梢苑譃辂u素?zé)艄庠?、氙燈光源和LED光源三大類(lèi)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于RGBLED的色溫可調(diào)的手術(shù)顯微鏡新光源。通過(guò)分析傳統(tǒng)鹵素?zé)?日光燈光源對(duì)手術(shù)顯微鏡應(yīng)用方面的不足，從光源色度學(xué)的理論出發(fā)，提出了一種基于RGBLED合成不同色溫/色坐標(biāo)的合色公式和算法，并對(duì)光源的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2 ?手術(shù)顯微鏡對(duì)光源的需求

隨著手術(shù)顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域的加深，不同的科室和不同手術(shù)可對(duì)光源系統(tǒng)提出了不同的要求。例如：血液對(duì)綠光有特定的吸收作用，可使醫(yī)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(bǔ)牙時(shí)使用的填充劑延遲固化，從而方便醫(yī)生的操作和治療。這些應(yīng)用往往對(duì)光源的色溫/色坐標(biāo)有著不同的要求，而傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉碗療舻裙庠瓷珳毓潭ㄇ覇我?，往往無(wú)法滿足這些要求。為解決這一問(wèn)題，本文以牙科手術(shù)顯微鏡對(duì)光源的需求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于RGBLED的色溫/色坐標(biāo)可調(diào)的手術(shù)顯微鏡新光源，其具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

3 ?光源的色度學(xué)原理

通過(guò)控制RGBLED各自發(fā)光，并設(shè)計(jì)光路，使其最終合成一束光并輸出，這樣我們就得到了一個(gè)合成后的光源，而合成后光源的色溫/色坐標(biāo)等參數(shù)可以通過(guò)色度學(xué)原理進(jìn)行計(jì)算。

3.1 ?CIE1931XYZ色度系統(tǒng)

在顏色感知的研究中，CIE1931XYZ色彩空間是其中一個(gè)最先采用數(shù)學(xué)方式來(lái)定義的色彩空間，它由國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）于1931年創(chuàng)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(jué)，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(chēng)作該顏色的三色刺激值。CIE1931色彩空間通常會(huì)給出顏色的三色刺激值，并以X、Y和Z來(lái)表示。

3.2 ?RGB的合色算法

合成光源色坐標(biāo)及亮度的計(jì)算是基于CIE1931XYZ色度系統(tǒng)的理論為基礎(chǔ)，在已知R、G、BLED各自色坐標(biāo)的前提下，通過(guò)對(duì)給定的合成色坐標(biāo)的值進(jìn)行反推計(jì)算，從而得到R、G、BLED分別對(duì)應(yīng)的光通量比例。其對(duì)應(yīng)的方程，如式（1）所示：

（1）

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

4 ?硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 ?整體電子框架

圖1所示為光源的硬件系統(tǒng)架構(gòu)。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(shí)現(xiàn)與控制，CAN用于與上位機(jī)的通訊，并根據(jù)需求設(shè)計(jì)有ADC，DAC，LED驅(qū)動(dòng)電路和檢測(cè)電路等電路，用于驅(qū)動(dòng)LED板及檢測(cè)溫度和光強(qiáng)。LED板則是R，G，BLED各自獨(dú)立為一塊PCBA，并采用了鋁基板的設(shè)計(jì)，從而更方便光學(xué)結(jié)構(gòu)的布局和散熱。PD傳感器板安裝于光路后端，用于檢測(cè)R，G，BLED通過(guò)光路合成后的光強(qiáng)，從而形成閉環(huán)反饋。

4.2 ?驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路是光源硬件電路設(shè)計(jì)中的核心，其被用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)RGBLED發(fā)光的電流。由于此次設(shè)計(jì)的照明單元的輸出光功率最大為1000流明，將其換算到單個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電流上，則可達(dá)6A。因此若采用常見(jiàn)的線性恒流的方式驅(qū)動(dòng)LED，則會(huì)在驅(qū)動(dòng)管上的功耗過(guò)大，散熱將成為設(shè)計(jì)中較大的問(wèn)題，從而增加設(shè)計(jì)難度。本設(shè)計(jì)中則采用了TI公司的一款具有電流監(jiān)視功能的BUCK芯片LM25117，其可檢測(cè)輸出負(fù)載電路上的電流，設(shè)計(jì)中通過(guò)檢測(cè)此電流值，并將此電流值與DAC的控制信號(hào)相疊加后給到BUCK芯片的輸入反饋引腳（FB），從而巧妙地實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)回路中的電流的控制，實(shí)現(xiàn)了LED的亮度可調(diào)。

4.2.1 ?DAC電路

DAC的作用是將MCU經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)輸出至BUCK驅(qū)動(dòng)電路，從而控制BUCK驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。主控制器MCU通過(guò)SPI接口對(duì)DAC模塊進(jìn)行時(shí)序控制和邏輯控制，從而將計(jì)算得到的LED電流值傳輸給DAC。

4.2.2 ?電流輸出型BUCK驅(qū)動(dòng)電路

通過(guò)DAC控制LM25117進(jìn)行輸出電流調(diào)節(jié)部分的電路如圖2所示。為方便理解，圖2中非完整的驅(qū)動(dòng)電路圖，其重點(diǎn)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(hào)的采樣輸入;CM引腳輸出的電壓經(jīng)電阻R2，R3分壓后與ADC的輸出控制電壓經(jīng)過(guò)R1，R3分壓后相疊加，并連接至FB引腳。由基爾霍夫節(jié)點(diǎn)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(guān)系，并從LM25117的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以得知：VCM為驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的電壓換算值。VFB為驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)反饋電壓，其值在電路穩(wěn)定輸出時(shí)與LM25117內(nèi)部的反饋參考電壓相同，為0.8 V。此時(shí)，公式（2）中的參數(shù)除VDAC和VCM外均為常數(shù)，VDAC和VCM成線性關(guān)系，即可通過(guò)DAC調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的電流。

4.3 ?反饋和檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

反饋電路用于檢測(cè)LED的輸出光強(qiáng)及驅(qū)動(dòng)電路的電流電壓、印刷電路板上的溫度等物理參數(shù)。信號(hào)檢測(cè)和調(diào)理電路將這些物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合ADC檢測(cè)的信號(hào)給到ADC電路，ADC電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU可以處理的數(shù)字信號(hào)并輸出給MCU，MCU將ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)控制算法的實(shí)現(xiàn)和板級(jí)狀態(tài)的檢測(cè)。

4.3.1 ?光強(qiáng)檢測(cè)電路

光強(qiáng)檢測(cè)電路如圖3所示，光敏二極管D1被安裝到光路中，通過(guò)接受光路中的光強(qiáng)從而產(chǎn)生電流，電流經(jīng)過(guò)由運(yùn)放U1B和電阻R1組成的跨阻放大電路后將電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，運(yùn)放輸出端口PH_LED_SUM連接至ADC的采樣輸入引腳，從而實(shí)現(xiàn)ADC對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的采集。其中電源V_PD為-5V，由一個(gè)電荷泵產(chǎn)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(gè)固定偏置電壓，C2為相位補(bǔ)償電容，能夠更好的保證放大電路的穩(wěn)定性。

4.3.2 ?ADC電路

ADC電路用于把檢測(cè)電路輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出給MCU處理。本設(shè)計(jì)中采用的是TI公司的ADC128S052芯片。ADC128S052是一個(gè)低功率、8通道CMOS12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，單通道轉(zhuǎn)換速率可達(dá)500ksps，其基于連續(xù)逼近寄存器結(jié)構(gòu)，并帶有內(nèi)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(cè)試

在設(shè)計(jì)完成后，我們對(duì)此光源進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)軟件設(shè)置色坐標(biāo)（x，y）的值為（0.33，0.33），即相關(guān)色溫為5500K的白光;設(shè)置光通量的值為450流明，并在積分球上進(jìn)行測(cè)試。取3臺(tái)光源的測(cè)試結(jié)果，對(duì)其光通量，色坐標(biāo)，顯色指數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了記錄，得到的數(shù)據(jù)，如表2所示。

5 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)光源色度學(xué)的研究，并應(yīng)用光譜合成的理論和方法，本論文創(chuàng)新性的提出一款基于RGBLED適用于手術(shù)顯微鏡的色溫/色坐標(biāo)可調(diào)的新光源，并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，最終結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，解決了傳統(tǒng)手術(shù)顯微鏡上光源存在的色溫單一，色坐標(biāo)不可調(diào)的問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了不同手術(shù)顯微鏡對(duì)不同光源的需求。

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