張秀俊 徐漢成 錢(qián)德軍 雷蒙杰

【摘要】手術(shù)無(wú)影燈是手術(shù)室最基礎(chǔ)、最重要的設(shè)備之一，手術(shù)質(zhì)量與其質(zhì)量和性能的好壞有直接影響。在手術(shù)無(wú)影燈的日常維修保障過(guò)程中，時(shí)常會(huì)遇到手術(shù)醫(yī)生反映手術(shù)燈光線太暗、太強(qiáng)、手術(shù)區(qū)的組織色彩不真實(shí)等諸多問(wèn)題，而又無(wú)法提供客觀直接的檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告。本文旨在研制一種符合國(guó)際規(guī)范、易操作、便攜式的用于手術(shù)無(wú)影燈檢測(cè)和質(zhì)量控制的質(zhì)量檢測(cè)裝置，擬解決手術(shù)無(wú)影燈的多參數(shù)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】手術(shù)無(wú)影燈;檢測(cè)裝置;測(cè)量模塊;現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);設(shè)計(jì)

【DOI 編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.02.015

Design of on-site Detection Device for Surgical Shadowless Lamp

ZHANG Xiu-jun1，XU Han-cheng1，QIAN De-jun2，LEI Meng-jie3

（1.Yancheng Bureau of Quality and Technical Supervision，Yancheng 224000，China;2.Yancheng Jianhu people's Hospital，Yancheng 224000，China;3.Nanjing Mingrui Testing Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210049，China）

Abstract：Operating shadowless lamp is one of the most basic and important equiμment in operating room. Its quality and performance have a direct impact on the quality of operation. In the daily maintenance and guarantee process of the operating shadowless lamp，the surgeon often encounters many problems，such as the light of the operating lamp is too dark and too strong，the tissue color of the operating area is not true，and can not provide an objective and direct test data report. The purpose of this paper is to develop a portable quality detection device for the detection and quality control of surgical shadowless lamp，which conforms to international standards，is easy to operate，and is intended to solve the problems of multi parameter detection and field detection of surgical shadowless lamp.

Key words：shadowless operating lamp;detection device;measurement module;on site inspection;design

手術(shù)無(wú)影燈是醫(yī)院手術(shù)室最重要的設(shè)備之一，是一種具有特殊功能的燈。手術(shù)無(wú)影燈用來(lái)照明手術(shù)部位，以便醫(yī)生觀察處于切口和體腔中不同深度的、小的、對(duì)比度低的物體。手術(shù)無(wú)影燈一般由單個(gè)或多個(gè)燈頭組成，系定在懸臂上能做垂直或循環(huán)移動(dòng)，懸臂通常連接在固定的結(jié)合器上，并能?chē)D(zhuǎn)。無(wú)影燈采用可消毒的手柄或箍（曲軌）做靈活定位，并具有自動(dòng)剎車(chē)和停止功能以操縱其定位，在手術(shù)部位的上面和周?chē)３窒嘁说目臻g。無(wú)影燈的固定裝置可安裝在天花板或墻壁的固定點(diǎn)上，也可安裝在天花板的軌道上。

由于無(wú)影燈的安裝特點(diǎn)，造成對(duì)在用無(wú)影燈檢測(cè)時(shí)只能在無(wú)影燈的使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。因此，本文根據(jù)手術(shù)無(wú)影燈的檢測(cè)設(shè)計(jì)一款手術(shù)無(wú)影燈現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置。

1檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

按照YY 0627—2008《醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分：手術(shù)無(wú)影燈和診斷用照明燈安全專(zhuān)用要求》的規(guī)定，在對(duì)無(wú)影燈進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)時(shí)需要對(duì)其中心照度、光斑分布、光柱深度、光源色溫、無(wú)影率、表面溫升這些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為此所述檢測(cè)裝置有照度檢測(cè)模塊、距離測(cè)量模塊、色溫測(cè)量模塊、輻射測(cè)量模塊。

1.1測(cè)量平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量平臺(tái)是檢測(cè)裝置的主要部分，其主要作用是承載各個(gè)測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)參數(shù)顯示以及對(duì)光源燈相關(guān)測(cè)量裝置固定。測(cè)量平臺(tái)的整體外形可以設(shè)計(jì)成圓柱形箱體或矩形箱體，設(shè)計(jì)成圓柱形箱體可以減少測(cè)量平臺(tái)的體積，設(shè)計(jì)成矩形箱體則能方便固定測(cè)量光源燈的夾持架。整個(gè)箱體的材質(zhì)可以選用吸光材料，避免箱體內(nèi)壁的反射對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

測(cè)量平臺(tái)由底板、側(cè)板、前后板、夾持架組成，前后板、側(cè)板、底板組成測(cè)量平臺(tái)的箱體，底板為矩形，其厚度2 cm左右，側(cè)板、前后板厚度2 cm，都采用塑料材質(zhì)。底板的作用是承載各個(gè)測(cè)量模塊。

1.2無(wú)影燈及測(cè)量裝置夾持系統(tǒng)

無(wú)影燈夾持系統(tǒng)需要匹配目前市場(chǎng)上多數(shù)無(wú)影燈裝置，夾持可靠并可以伸縮一定長(zhǎng)度范圍，確保測(cè)量條件;測(cè)量裝置即模擬手術(shù)人員頭遮擋的遮擋板，用于測(cè)量光源無(wú)影率。燈具夾持架用于夾持被檢測(cè)光源，夾持架豎直桿可伸縮，其伸縮范圍為0～1.5m，安裝在箱體后板的中心位置處，水平桿固定長(zhǎng)度為40 cm。

遮擋板夾持架是在測(cè)量無(wú)影率時(shí)夾持遮擋板用，要求靈活、可旋轉(zhuǎn)、固定性好，其安裝在上述豎直桿上，中心可旋轉(zhuǎn)，共有三個(gè)固定位置，中心處和兩端處，其中心正對(duì)光照中心，兩端距中心的距離為130 mm，燈具夾持架和遮擋板夾持架都采用鋁合金材質(zhì)。

1.3測(cè)量模塊固定底座

為了能進(jìn)行測(cè)量，需要在光源中心下方安裝測(cè)量模塊對(duì)其光源的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為了適應(yīng)不同測(cè)量參數(shù)需要做到測(cè)量模塊探頭可拆卸。

底板中心處安裝有固定底座，用于安裝照度測(cè)量模塊探頭、距離測(cè)量模塊探頭、輻照度測(cè)量模塊探頭、色溫測(cè)量模塊探頭、深腔管、立柱，且照度探頭、深腔管、立柱可拆卸。

立柱用于測(cè)量光柱深度，立柱內(nèi)有移動(dòng)滑槽，滑槽用于安裝照度探頭。深腔的內(nèi)徑為50 mm，高度為80 mm，遮擋板為直徑210 mm的無(wú)光黑圓盤(pán)。

1.4測(cè)量模塊控制系統(tǒng)

測(cè)量模塊的電路設(shè)計(jì)和探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。測(cè)量模塊分為照度測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、色溫測(cè)量模塊、輻射測(cè)量模塊。其中距離測(cè)量模塊的探頭為紅外接收和發(fā)送探頭，其余模塊的探頭均為光接收探頭。

1.5數(shù)據(jù)處理和上位機(jī)顯示

經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)給出的方法進(jìn)行計(jì)算處理后得出質(zhì)量分析報(bào)告，其報(bào)告方式類(lèi)似于人體檢測(cè)報(bào)告，列出正常范圍和實(shí)際值，最后通過(guò)顯示屏顯示，同時(shí)顯示屏還實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。顯示屏嵌入測(cè)量平臺(tái)前板，用于數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)交互。

2測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)量模塊是得出測(cè)量參數(shù)值的核心，主要有照度測(cè)量模塊、距離測(cè)量模塊、色溫測(cè)量模塊、輻射測(cè)量模塊。照度測(cè)量模塊用于測(cè)量無(wú)影燈中心照度大小，距離測(cè)量模塊用于測(cè)量不同照度大小的地方距中心照度的距離，色溫測(cè)量模塊主要是色溫傳感器，對(duì)光的色溫大小進(jìn)行測(cè)量，輻射測(cè)量模塊主要測(cè)量紫外光輻射照度的大小。

2.1照度測(cè)量模塊

光通過(guò)接收探頭照射在光照傳感器上，光電傳感器的光電探測(cè)元件發(fā)生光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、放大后被ADC采集，經(jīng)過(guò)換算后得出相應(yīng)照度值。光電傳感器中，硅光電池的光照度與電流信號(hào)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，即每增加1 lx的光照，光電流增加0.13 uA，我們所需測(cè)量的光照范圍為10～200 klx，換算成電流為1.3～ 26 mA，可以看出其電流信號(hào)已經(jīng)很大，只需要將其進(jìn)行濾波等處理，為此我們需要將電流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后變成可以被單片機(jī)接收的電壓信號(hào)，其電路原理見(jiàn)圖2。

2.2輻射測(cè)量模塊

無(wú)影燈在進(jìn)行照射工作時(shí)應(yīng)當(dāng)避免不需要的或過(guò)量的輻射，為此需要檢測(cè)其紫外輻射的強(qiáng)度。在無(wú)影燈的光源發(fā)出的光中，處于紫外波段的光是非常微量的，但是不能忽略，因?yàn)樗怯绊懕砻鏈厣闹饕?。輻射測(cè)量模塊采用紫外光電倍增管作為光接收元件，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)輸入單片機(jī)采集。

2.3色溫測(cè)量模塊

色溫是無(wú)影燈的重要參數(shù)之一，反映了物體顏色的真實(shí)程度。色溫檢測(cè)的傳感器一般采用CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器，由于這類(lèi)傳感器的主要應(yīng)用對(duì)象是靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像，所以像素分辨率很高，但圖像傳感器較高的像素分辨率導(dǎo)致傳感器尺寸較大，需要光學(xué)系統(tǒng)輔助，外圍電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。色溫檢測(cè)傳感器的重點(diǎn)是對(duì)被測(cè)物體色彩的識(shí)別，并不需要很高的像素分辨率，而顏色傳感器注重的是色彩的分析，無(wú)像素分辨率要求，因此體積小，外圍電路簡(jiǎn)單，非常適合作為色溫檢測(cè)的傳感器件。選用TCS3200顏色傳感器（見(jiàn)圖3），芯片上繼承了RGB三種濾光器，能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，直接與單片機(jī)相連。

由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就可以知道被測(cè)物體的顏色，將色光的強(qiáng)度按色度學(xué)方法進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成色溫。

2.4距離測(cè)量模塊

本測(cè)量模塊采用GP2D12紅外傳感器，其探測(cè)距離識(shí)別較短，測(cè)量范圍10～80 cm，正適合我們測(cè)量光斑分布、光柱深度參數(shù)。GP2D12總共有三根線，分別為5V電源線、地線、IO口（見(jiàn)圖4），其中IO口用于接到單片機(jī)內(nèi)部的ADC通道，沒(méi)有其余的外部電路。

光斑分布要求達(dá)到中心照度50%區(qū)域的直徑不小于照度達(dá)到中心照度10%的區(qū)域的50%。光柱深度為沿著光軸，光軸上照度達(dá)到中心照度20%的兩點(diǎn)之間的距離，故需要對(duì)其位置的距離進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量距離模塊采用紅外測(cè)距傳感器，其基本原理為發(fā)光探頭發(fā)出紅外光，接收探頭接收物體反射的光，根據(jù)反射光的強(qiáng)弱判斷物體的距離。

3結(jié)語(yǔ)

本文研制的手術(shù)無(wú)影燈現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置，集多參數(shù)檢測(cè)于一體，且體積小、方便攜帶，能夠滿足目前市場(chǎng)上不同型號(hào)規(guī)格的手術(shù)無(wú)影燈檢測(cè)需求。測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)分析處理，能夠直接得到質(zhì)量分析報(bào)告，同時(shí)通過(guò)顯示屏顯示可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

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