一、項目概述

1.1 引言

隨著醫療事業的發展和醫學技術的進步，在手術過程中, 將運用多種醫療設備對病人進行搶救和治療。而先進、完善的裝備, 有利于保證手術質量, 提高手術效率, 避免人員在手術中反復出入而帶來干擾和污染。

LED是 21世紀具有競爭力的新型電光源，LED技術產生于上世紀70年代，利用半導體材料的電子遷移釋放特定波長的能量產生可見光。通過近50年的發展，該技術已經廣泛地運用到日常生活照明和特殊作業的照明，其具有節能、環保、安全、可靠性高、實用性強、響應時間短等優點。但由于發光強度的限制，一直沒有突破手術照明的要求范圍。2004年超高亮度的LED光引擎及光機的誕生使得這項技術運用到手術照明領域成為可能，我們將利用LED技術設計無障礙智能化LED節能手術間照明系統，該設計有冷光源、節能環保、色溫和光強無級可調的優點。同時，采用LED芯片制備的手術無影燈可以有效解決目前手術照明系統體積龐大且能耗高的問題，有利于提高手術室的空氣凈化質量，降低手術室凈化維護成本，能夠最大限度地滿足臨床手術照明的客觀要求，并能提供更加優越的手術照明效果。

1.2 項目背景/選題動機

手術無影燈是手術室內重要的設備，要求能清晰地觀察處于切口和體腔中不同深度，大小和對比度低的物體。由于手術時醫生的頭、手和器械均可能對手術部位造成干擾陰影，因而手術無影燈要求能消除陰影，并將色彩失真降到最低程度。同時，無影燈還必須能長時間地持續工作而保持低溫狀態。

傳統的鹵素燈泡無影燈沿用了數百年，雖然經歷了無數次改進，但由于鹵素燈泡本身的缺點（①照明質量較差，容易造成醫生視覺疲勞；②超高紅外熱輻射，給手術醫生帶來不適感；③固定色溫，不易清晰地分辨各種組織、器官，不利于進一步提高手術質量；④功耗大，平均功率1000W；⑤龐大的燈具結構，阻擾凈化空氣正常流通、降低消毒凈化效果；⑥維護成本高，每月檢查、燈泡壽命平均1000h），使暴露出的問題一直沒有從根本上得到很好的解決。

相對于鹵素燈來講，LED無影燈利用的是一個全新的技術平臺，它的出現是伴隨著LED技術的不斷發展成熟而實現的，現在LED的芯片設計和封裝技術已經能夠充分滿足無影燈在照度和顯色指數上的要求，同時符合當前醫院整體綠色照明的要求。另外，LED光源的光譜分布也決定了其非常適合作為手術無影燈的光源。

由于無障礙智能化LED節能手術間照明系統，具有綠色環保，長壽命、低熱量，機械強度高，抗沖擊和抗震動能力強等特點，可以解決傳統鹵素光源無影燈存在的問題。有望取代現行的手術間照明系統，將會具有非常重要的應用推廣價值和市場價值。

二、需求分析

2.1 功能要求

手術燈無影燈，一方面必須能夠確保手術室照明亮度，使得醫師能夠精確的分辨輪廓、顏色和移動，另一方面要求無影照明。因此，要求手術燈要提供接近日光質量的光強度（最少為10萬照度），并且亮度可調。在手術過程中如遇故障，能夠在短時間內自動切換備用燈泡。手術燈在光照明亮的同時，還必須避免產生熱量，手術燈還能保證色溫高達4000色溫以上，接近于日光，使眼睛感知的顏色更清晰，并且不會使醫護人員因長時間工作而眼睛疲勞。

本設計完成的手術間照明系統必須具有如下要求:

1.手術照明亮度，采用特殊設計的精密光學系統，光利用率高、光照均勻、清晰度高；

2.冷光， 采用LED作為手術燈光源，無紅外輻射，具有出色的冷光效果；

3.無陰影，采用多光源光斑自動聚焦的智能控制；

4.安全的手術照明，光源采用低壓直流供電和特殊的電源組件，具有過壓、短路等保護功能，徹底消除安全隱患；

5.可拆卸消毒，采用現代流線型設計，滿足當今手術室清洗、消毒和高標準層流要求；

此外，采用微電腦數字方式無級調控，同時還能保持其準確的色溫，為醫生準確判斷提供可靠保證，且亮度調節控制具有記憶和顯示功能以及軟開關，方便調節和使用。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

1.具有充足的照度?

無影燈的照度已可達150，000LUX以上，接近夏季晴天陽光下的亮度。實際使用的照度一般以40000～100000LUX為宜，過亮會影響視力。在提供充足照度的同時，應避免光束在手術器械上產生眩光。眩光影響視力和視覺，易使眼睛產生疲勞。不利外科醫生的手術進行，無影燈的照度與手術室內的光照度不應相差太大，某些照度標準規定，整照明的照度以局部照明照度的十分之一為宜。手術室的整體照度應在1000LUX以上。

2.無影度高

LED光源的二次光學設計，提高光源的光利用率并達到遠距離聚光、光斑均勻性和無影化。

3.溫度低

4.光質好

所謂光質好就是所提供的光束能真實映現血液、組織的顏色及其變化。這種性能一般稱為顯色性，它以光源的分光分布所算得的顯色指數值來表示，最佳顯色指數為100。顯色性與色溫有很大關系。要求能達到6000K色溫，真實顯色性約為70-90，有效顯色性則接近100。

5.操作方便

手術無影燈在手術過程中應能連續改變位置與方向，操作必須簡單、靈活、輕便、制動快速、有效。燈體中央部位應裝有可滅菌的操作手柄，高級產品還裝有導光纖維深部冷光燈、彩色電視攝影裝置和通風裝置。

6.經濟性和安全性

LED光源壽命長達20000小時以上，并且抗震不易損壞；LED采用低壓直流供電安全節能。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

由于單個 LED 的發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 的數量以及分布規則。雖然 LED 的發光效率高，產生的熱量少，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上，定位穩定，能做垂直或循環移動，可滿足手術中不同高度和角度的需求。整個無影燈有216個高亮度白色LED，18個串聯成一組即稱為高亮度發光二極管串。以18組并聯而成。每組相互獨立，若有一組損壞其他照樣能夠繼續工作，所以對手術的影響較小，每組單獨進行恒流驅動并根據用戶需要接受一個微處理器的 PWM 脈寬調節控制，可無級調節，流過每個LED的電流約為 125~325 mA 。LED無影燈電氣原理圖如圖所示。

系統硬件結構框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

本項目選用EVK1105作為設計平臺，AT32UC3A是完整的系統級芯片微控制器，采用VR32 UC RISC，工作頻率高達66MHz，設計用于對成本敏感的嵌入式應用，特別是低功耗，高代碼效率和高性能。 AT32UC3A集成閃存和SRAM存儲器，外設直接存儲器訪問控制器（PDCA），以及電源管理。此外還有多種通信接口如UART，SPI，TWI，同步串行控制器，USB和以太網MAC等。

3.3系統軟件架構

本系統是由主控制平臺和終端構成，主控制平臺用的是EVK1105,終端采用Atmel 51系列單片機，因此本系統軟件部分也由兩部分構成，主控制平臺負責接收用戶的操作命令，終端負責接收主控臺的指令，然后根據指令控制各個步進電機的旋轉，由于我們要把手術臺上的平面坐標轉化為我們系統的里面的坐標，且每次移動到一個新的坐標，都要重新建立坐標系，計算量比較大，我們充分利用AT32UC3A0512具有32位的優點，輕松可以計算轉化成步進電機所轉的角度，從而減輕終端的計算量。

EVK1105主控平臺主要負責接收用用戶的指令，如LCD觸摸屏坐標位置，以及方向鍵，來控制LED燈焦點在手術臺上的移動，主控平臺接收用戶指令后，通過計算，把數據傳給下位機（12個MCU構成），12個MCU分別控制每個LED的兩軸聯動，使得，在任意時刻12個LED燈中的9個LED燈的焦點同時能聚焦到手術臺上的任意一點，來達到消除影子的功能。

3.3.1主控平臺

LCD觸摸快速定位，我們將LCD屏幕用虛線將手術臺分成12個塊，用手指點擊其中一塊，手術臺上方的LED燈迅速移動到這塊面積對應手術臺上對應塊的中心位置，然后通過方向鍵來精確調整平面坐標，來達到手術無影燈集中光點在手術臺上任意點位置。

3.3.2 終端單片機控制

用單片機來實現兩軸聯控制的關鍵，是必須首先找到適合單片機編程的直線及圓弧軌跡的兩軸聯動的控制方法。為了便于兩軸聯運的單片機程序設計，一種最簡易的方法是設置兩個容量為某一定值Ｄ的累加器Ex 及Ey，然后按一定的時鐘頻率f，向兩累加器中分別累加一個增量△x, △y，亦即每個時鐘到來時，作一次加下計算。

3.4 系統軟件流程

系統軟件流程圖

3.4 系統預計實現結果

本項目研發一種無障礙智能化節能手術間系統，該系統將LED手術照明與手術室建設及凈化工程相結合，解決無障礙智能化節能手術間的關鍵技術，并在集成大功率LED芯片設計、光源模塊的散熱設計及燈具的機構設計、均勻度無影化燈具的二次光源設計、LED照明光源布局與手術室凈化系統設計結構等方面取得突破。