汪 洋,孫 晨,李 莉,張 倩,韓迎澳
(上海師范大學(xué)信息與機(jī)電工程學(xué)院,上海201418)
傳統(tǒng)手術(shù)無(wú)影燈多采用孔式結(jié)構(gòu),以鹵素?zé)糇鳛楣庠催M(jìn)行手術(shù)照明[1].由于孔式無(wú)影燈體積龐大以及鹵素?zé)魩?lái)的熱輻射易誘發(fā)感染等問(wèn)題[2],越來(lái)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(wú)影燈結(jié)構(gòu).相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),該整體反射式無(wú)影燈體積減小了,并在一定程度上解決了熱輻射問(wèn)題.
目前,整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈在國(guó)內(nèi)的發(fā)展才剛剛起步,產(chǎn)品技術(shù)多依賴于國(guó)外廠商[3].從國(guó)內(nèi)范圍來(lái)看,重慶邦喬科技有限公司設(shè)計(jì)了一種用于手術(shù)無(wú)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(shù)無(wú)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(guó)照明專家OSRAM 合作,將整體反射技術(shù)與LED 技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了光源的不可見(jiàn)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(wú)影燈,單燈體的直徑在60 cm 左右,相較于國(guó)內(nèi)其他同類型手術(shù)無(wú)影燈,已經(jīng)處于較領(lǐng)先的地位[6].從全球范圍來(lái)看,美國(guó)AMSCO 公司生產(chǎn)的手術(shù)無(wú)影燈采用整體反射式的光路系統(tǒng),利用computer aided design(CAD)技術(shù)設(shè)計(jì)大反光罩的曲面,在有效的光斑范圍內(nèi),減少了調(diào)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(wú)影燈采用磁閘鎖定、紅外調(diào)控調(diào)節(jié)燈體的位置,其平衡操作性能在世界上處于領(lǐng)先水平[7-8].
無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的手術(shù)無(wú)影燈產(chǎn)品,其反光杯的直徑大小基本在35~150 cm,結(jié)構(gòu)較為龐大,這不僅會(huì)引發(fā)空氣流通不暢問(wèn)題,還給醫(yī)護(hù)人員的消毒操作帶來(lái)不便.本文作者通過(guò)對(duì)整體反射式LED無(wú)影燈的小型化改造,設(shè)計(jì)單個(gè)整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu),并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),在小型化反光杯下,得到了較為穩(wěn)定的光斑.
遵照國(guó)家手術(shù)無(wú)影燈的指標(biāo)要求[9],設(shè)計(jì)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(shù)無(wú)影燈.
采用美國(guó)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L(zhǎng)ambertian;半寬角度為135°.
無(wú)影燈的光路原理圖如圖1 所示.從圖1 中可看出,無(wú)影燈從多個(gè)方向?qū)κ中g(shù)部位進(jìn)行照射,達(dá)到“無(wú)影”的效果.由于整體反射式無(wú)影燈的體積主要取決于反光杯的大小,建立反光杯數(shù)學(xué)模型(圖2),將反光杯近似看作拋物線OH,F(xiàn)為OH的焦點(diǎn),OX為極軸,其對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)方程為:
其中,ρ為極坐標(biāo)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(xué)模型
拋物面的入射口徑
在滿足式(1)和(2)的基礎(chǔ)上,要得到交叉匯聚的光線,可以旋轉(zhuǎn)拋物面,使得光線以交叉對(duì)稱方式匯聚到接收面上,通過(guò)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(xué)模型.以非成像光學(xué)系統(tǒng)作為L(zhǎng)ED 的配光設(shè)計(jì),光線經(jīng)過(guò)反光杯后發(fā)生散射或匯集,在接收面上進(jìn)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(guò)蒙特卡羅光線追跡得到強(qiáng)度和照度分布,采用Light Tools軟件對(duì)強(qiáng)度和照度分布圖進(jìn)行評(píng)價(jià),得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu).
LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)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(xué)組件參數(shù)設(shè)計(jì)如下:
(1)LED光源參數(shù)按XLamp XHP35.2設(shè)定;
(2)LED準(zhǔn)直透鏡的內(nèi)半徑設(shè)置為4 mm,高度設(shè)置為4.2 mm,透鏡長(zhǎng)設(shè)置為30 mm;
(3)仿真矩形表面接收器的寬設(shè)置為400 mm,高設(shè)置為400 mm,光線追跡最大命中數(shù)設(shè)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(shè)置為0,半徑設(shè)置為30 mm,表面屬性設(shè)置為mirror;
(5)多刻面反光杯的初始直徑設(shè)置為550 mm,高設(shè)置為242.21 mm,接收面的位置為距發(fā)光點(diǎn)1 m處.
通過(guò)多次優(yōu)化調(diào)整錐體反射器的半徑大小,將半徑參數(shù)設(shè)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(diào)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(wú)影燈改進(jìn)前后的結(jié)構(gòu)和反光杯參數(shù)對(duì)比圖.通過(guò)比較圖3(a)和3(c)可以看出:改進(jìn)后的整體反射式無(wú)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(shè)定為50 mm.
圖3 整體反射式LED無(wú)影燈改進(jìn)前后對(duì)比圖
根據(jù)初始設(shè)計(jì)的整體反射式LED 無(wú)影燈結(jié)構(gòu),在Light Tools 軟件中導(dǎo)出光斑圖(圖4)和照度圖(圖5).
圖4 初始設(shè)計(jì)仿真得到的光斑圖
圖5 初始設(shè)計(jì)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(wú)影效果優(yōu)良.由圖5可以看出,光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布較為均勻,照度最大值達(dá)到了60 300 lx,符合國(guó)家手術(shù)無(wú)影燈的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn).
通過(guò)優(yōu)化反光杯的直徑和高度,在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,仿真得到光斑圖(圖6)和照度圖(圖7).
圖6 改進(jìn)設(shè)計(jì)后仿真得到的光斑圖
圖7 改進(jìn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)基本相同.對(duì)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(dá)到了64 400 lx,強(qiáng)度增加了6.8%.由于LED 燈的體積非常小,通過(guò)增加LED 燈的數(shù)量,可以達(dá)到更高的照度,且不會(huì)過(guò)多增加手術(shù)無(wú)影燈的體積.
主要對(duì)現(xiàn)有整體反射式LED 手術(shù)無(wú)影燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,利用Light Tools 光學(xué)仿真軟件對(duì)整體反射式LED 無(wú)影燈結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì),仿真實(shí)驗(yàn)表明:改進(jìn)后的設(shè)計(jì)大幅減小了無(wú)影燈的尺寸,得到了均勻性更優(yōu)的光斑.
上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版2020年1期