汪 洋，孫 晨，李 莉，張 倩，韓迎澳

（上海師范大學信息與機電工程學院，上海201418）

0 引 言

傳統(tǒng)手術無影燈多采用孔式結構，以鹵素燈作為光源進行手術照明［1］.由于孔式無影燈體積龐大以及鹵素燈帶來的熱輻射易誘發(fā)感染等問題［2］，越來越多的醫(yī)療器械公司推出了一種冷光源LED 的整體反射式無影燈結構.相比傳統(tǒng)結構，該整體反射式無影燈體積減小了，并在一定程度上解決了熱輻射問題.

目前，整體反射式LED 手術無影燈在國內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步，產(chǎn)品技術多依賴于國外廠商［3］.從國內(nèi)范圍來看，重慶邦喬科技有限公司設計了一種用于手術無影燈的LED 集成單元，該LED 集成單元分布在半徑為100～140 cm的球面燈罩上，為大規(guī)模整體反射式手術無影燈產(chǎn)品提供了方案［4］；山東新華醫(yī)療器械公司與德國照明專家OSRAM 合作，將整體反射技術與LED 技術相結合，實現(xiàn)了光源的不可見性，避免了炫目效果［5］；上海醫(yī)療器械五廠生產(chǎn)的整體反射式無影燈，單燈體的直徑在60 cm 左右，相較于國內(nèi)其他同類型手術無影燈，已經(jīng)處于較領先的地位［6］.從全球范圍來看，美國AMSCO 公司生產(chǎn)的手術無影燈采用整體反射式的光路系統(tǒng)，利用computer aided design（CAD）技術設計大反光罩的曲面，在有效的光斑范圍內(nèi)，減少了調解燈焦距的次數(shù)；Martin公司制造的C950型、C950/570子母型及C570/570雙子型等系列整體反射式無影燈采用磁閘鎖定、紅外調控調節(jié)燈體的位置，其平衡操作性能在世界上處于領先水平［7-8］.

無論是國內(nèi)還是國外的手術無影燈產(chǎn)品，其反光杯的直徑大小基本在35～150 cm，結構較為龐大，這不僅會引發(fā)空氣流通不暢問題，還給醫(yī)護人員的消毒操作帶來不便.本文作者通過對整體反射式LED無影燈的小型化改造，設計單個整體反射式LED 手術無影燈結構，并進行仿真實驗，在小型化反光杯下，得到了較為穩(wěn)定的光斑.

1 設計準備

1.1 整體反射式LED無影燈的設計指標

遵照國家手術無影燈的指標要求［9］，設計中心光照度為40 000～160 000 lx，色溫為3 000～6 700 K，顯色指數(shù)為85～100的手術無影燈.

1.2 LED芯片參數(shù)的選定

采用美國Cree 公司XLamp XHP35.2 系列的LED 光源，其LED 芯片參數(shù)為：發(fā)光效率為162 lm·W-1；顯色指數(shù)為85；色溫為3 000～5 700 K；尺寸為3.45 mm×3.45 mm×3 mm；配光曲線分布為Lambertian；半寬角度為135°.

2 設計方案

2.1 整體反射式LED無影燈小型化的數(shù)學模型

無影燈的光路原理圖如圖1 所示.從圖1 中可看出，無影燈從多個方向對手術部位進行照射，達到“無影”的效果.由于整體反射式無影燈的體積主要取決于反光杯的大小，建立反光杯數(shù)學模型（圖2），將反光杯近似看作拋物線OH，F(xiàn)為OH的焦點，OX為極軸，其對應的極坐標方程為：

其中，ρ為極坐標極徑；f為焦距；θ為接收角.

圖1 影燈光路原理圖

圖2 反光杯數(shù)學模型

拋物面的入射口徑

在滿足式（1）和（2）的基礎上，要得到交叉匯聚的光線，可以旋轉拋物面，使得光線以交叉對稱方式匯聚到接收面上，通過減小θ 縮小拋物面的大小，從而建立反光杯小型化的數(shù)學模型.以非成像光學系統(tǒng)作為LED 的配光設計，光線經(jīng)過反光杯后發(fā)生散射或匯集，在接收面上進行疊加.邊緣光線照射到接收面的邊緣，中間光線在接受面的中央呈連續(xù)分布.通過蒙特卡羅光線追跡得到強度和照度分布，采用Light Tools軟件對強度和照度分布圖進行評價，得到最優(yōu)的設計結構.

2.2 整體反射式LED無影燈結構的初始設計

LED 手術無影燈結構的初始設計由LED 光源、錐體反射器、透鏡、矩形接收面和反光杯組成［10］，光學組件參數(shù)設計如下：

（1）LED光源參數(shù)按XLamp XHP35.2設定；

（2）LED準直透鏡的內(nèi)半徑設置為4 mm，高度設置為4.2 mm，透鏡長設置為30 mm；

（3）仿真矩形表面接收器的寬設置為400 mm，高設置為400 mm，光線追跡最大命中數(shù)設置為1 000 條；

（4）錐體反射器的面型為二次曲面，曲面系數(shù)設置為0，半徑設置為30 mm，表面屬性設置為mirror；

（5）多刻面反光杯的初始直徑設置為550 mm，高設置為242.21 mm，接收面的位置為距發(fā)光點1 m處.

2.3 整體反射式LED無影燈結構的改進設計

通過多次優(yōu)化調整錐體反射器的半徑大小，將半徑參數(shù)設為45 mm，依據(jù)式（1）和（2）和仿真所得光斑成型效果優(yōu)化調整反光杯大小，最終確定小型化反光杯大小尺寸的直徑為440 mm，高為137.66 mm.

圖3是整體反射式LED無影燈改進前后的結構和反光杯參數(shù)對比圖.通過比較圖3（a）和3（c）可以看出：改進后的整體反射式無影燈尺寸明顯變小，直徑減小了約20%，厚度減小了約50%，如圖3（b），3（d）所示，但所形成的光斑效果幾乎不變.LED與透鏡封裝后，尺寸直徑接近50 mm，故反光杯中心開口設定為50 mm.

圖3 整體反射式LED無影燈改進前后對比圖

3 實驗對比

3.1 初始設計模擬

根據(jù)初始設計的整體反射式LED 無影燈結構，在Light Tools 軟件中導出光斑圖（圖4）和照度圖（圖5）.

圖4 初始設計仿真得到的光斑圖

圖5 初始設計仿真得到的照度圖

由圖4可以看出，光斑的直徑大約為300 mm，而且其均勻性及無影效果優(yōu)良.由圖5可以看出，光斑內(nèi)的光強分布較為均勻，照度最大值達到了60 300 lx，符合國家手術無影燈的參數(shù)標準.

3.2 改進設計模擬

通過優(yōu)化反光杯的直徑和高度，在滿足國家標準的基礎上，仿真得到光斑圖（圖6）和照度圖（圖7）.

圖6 改進設計后仿真得到的光斑圖

圖7 改進設計后仿真得到的照度圖

由圖6可得，減小反光杯尺寸后，所得光斑直徑為300 mm，光斑效果與初始設計基本相同.對比圖5和圖7發(fā)現(xiàn)，在同樣大小的圓形區(qū)域內(nèi)，光斑的均勻性更優(yōu)，且最大照度值達到了64 400 lx，強度增加了6.8%.由于LED 燈的體積非常小，通過增加LED 燈的數(shù)量，可以達到更高的照度，且不會過多增加手術無影燈的體積.

4 結 論

主要對現(xiàn)有整體反射式LED 手術無影燈結構進行優(yōu)化，利用Light Tools 光學仿真軟件對整體反射式LED 無影燈結構進行光學設計，仿真實驗表明：改進后的設計大幅減小了無影燈的尺寸，得到了均勻性更優(yōu)的光斑.