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新式医疗用LED手术无影灯的开发

2018-08-12 20:56

  新式医疗用LED手术无影灯的开发

   现在的医疗机构遍及选用价格比较低价的灯泡式手术用无影灯,以至于问题层出不穷,如滤光办法不妥、作用欠好,就会发生过量的红外光热辐射,加快患者创伤的血凝,对患者构成的损伤无法估量,对医师和护理也会发生炙热感。依据传统式医疗用手术无影灯存在许多弊端,现开发以大功率白光LED作为光源的手术用无影灯即“新式医疗用led手术无影灯”,可以彻底处理上述问题。

  由863项目依托单位哈尔滨海格科技开展有限公司进行的课题“LED在医用设备方面的运用”的研讨作业获得了杰出开展。本课题的首要研讨内容为研讨医疗手术用无影灯选用大功率LED的散热问题;优化光学规划;满意医疗手术用无影灯的国家规范;方针为研宣布1种以上LED手术无影灯的样品,到达国家相关规范:显色指数Ra≥85;中心照度40klx≤Ec≤160klx;色温:3000k≤Tc≤6700k;完结1项以上专利,构成自主知识产权;培育一批大功率LED规划及封装,LED光源规划、LED医疗器械研讨规划的人才。

  

  研宣布多台四孔、五孔无影灯样机

  课题自2006年10月发动以来,各项作业按计划开展顺畅。首要完结LED无影灯商场调研,了解商场上现有无影灯商场的技能现状和未来开展趋势。进行专利检索,无影灯的国内、国际规范的搜集,在此根底上和各项目协作单位一同,一起断定LED无影灯的技能目标和研制的全体计划。依据全体计划,将研制作业细化为LED大功率器材的挑选及运用电路规划,电源和驱动电路的规划,遥控操控体系的开发,体系的结构规划,二次光学规划和散热体系规划等子体系。每个子体系由参与研制的人员分工担任并缔结具体的开展计划,研制作业全面展开。

  

  研制进程全体开展顺畅,但也遇到了一些困难,处理了许多难题:

  1.高光效、高显色指数的折衷问题。因为无影灯的研制对LED的光效和显色指数有很高的要求,商场上老练的产品均达不到要求。研制人员只能安身公司现有的LED大功率产品进行改善。

  研制人员安身于对大功率LED发光机理的剖析,在进行很多调研之后,改善了封装支架的结构,实验了很多的芯片、荧光粉和封装资料的组合,终究制作出了可以满意大功率LED无影灯要求的器材。

  依据公司自行开发的大功率LED产品,具有高光效、高显色指数、低热阻、高可靠性等特色,为整个研制作业的顺畅完结打下了坚实的根底。在封装支架的结构研讨中,有一项作用申请了国家专利。

  2.在二次光学规划中,初期学习国外同类技能,选用菲涅尔透镜的办法,来完结光线的会聚。在实验中发现,因为不同波长的光在透镜中折射率不同,构成无影灯作业面光线色温不均匀,边际有黄圈,影响运用作用。经过实验,并凭借核算机仿真剖析核算,研制人员成功地将复合式抛物面聚集器阵列,用于LED无影灯的二次光学规划到达了满意的作用。

  其原理为每颗大功率LED宣布的光,经过复合抛物面聚集器,会聚成平行光,多组复合抛物面组成阵列,将多组平行光在作业面上组合成直径大约20cm的均匀的光斑,每组阵列作为LED手术用无影灯的一孔。依据需求,可组成为多孔无影灯。

  这种办法结构简略,本钱低价,光线会聚作用好,光线均匀,不会发生有害的色彩不均匀现象。选用复合抛物面聚集器阵列为LED无影灯的光学规划拓荒了新的途径。

  3.在研制中,还成功霸占了LED高可靠性恒流驱动技能、大功率LED散热技能、PWM调光和无影灯遥控操控等技能。在散热办法的研讨中,为下降体系热阻,经过重复实验,成功地开宣布新式的散热器与功率器材的低热阻接合结构,该技能是把散热器与大功率器材的接合面上电镀有可焊性金属导热层,可焊性金属导热层上涂敷有低热阻金属焊料,该焊料经高温可以固化还原为金属的高导热资料。

  将大功率LED放置于低热阻金属焊料涂敷层上,经过恰当的加热工艺,使低热阻金属焊料固化还原为金属,将大功率LED与散热器焊接在一同,完结了大功率LED与散热器的低热阻接合,构成了从大功率LED的散热衬底,经过低热阻金属和可焊性金属导热层到散热器的高效率导热通道。

  选用该技能,完结了大功率LED散热衬底和铝基板、铝基板和散热器之间的低热阻接合,有用地下降了体系热阻,大大延长了LED的运用寿数。该技能经过了国家知识产权局的审阅,同意为国家专利。

  在2008年末,制作出了多台四孔、五孔无影灯样机。各项性能目标,到达863计划合同任务书的要求。在哈尔滨医科大学隶属医院,中国人民解放军第二一一医院运用,获得满意的临床作用。经北京电光源检测中心检测,各项目标契合国家规范。

  挑选技能道路和关键技能的科学性

  本课题采纳开始规划、运用点评、批改计划,终究完结样品研制的研讨办法。由项目依托单位哈尔滨海格科技开展有限公司进行课题的和谐作业,担任LED医用无影灯火源的规划、散热资料及散热办法研讨、无影灯体系散热规划、光源的驱动电路、操控电路、备用电源的接口电路规划;哈尔滨医科大学担任进行临床运用实验;北安市光达电子科技有限公司担任LED医用无影灯的结构及光学规划。

  本课题的工艺道路:

  1.合适于无影灯用大功率白光LED光源的开发:

  包括倒装芯片(FLIPCHIP)的挑选,散热资料及散热办法研讨,芯片粘接资料的挑选,光源测验技能,热阻测验,LED光、色、电目标的一致性等;

  2.整套LED无影灯开始体系规划及光学规划:

  依据LED器材参数及灯具外形尺寸进行LED无影灯结构及光学规划,LED光源在无影灯中的散热规划;

  3.LED无影灯的驱动电路、操控电路与备用电源的接口电路规划,LED光源过流、过压、过载维护规划;

  4.LED无影灯的运用实验及点评,并依据实验效果提出改善计划;

  5.完善LED无影灯的体系规划及光学规划:

  依据实验效果及改善计划,批改LED无影灯体系规划,制作出终究的样品并经过测验,满意医用无影灯的规范,供医疗科研机构试用,构成工业化的才干。

  整个课题的研讨,本着按部就班、要点杰出的准则,来逐步推进的:

  1.全体结构的断定:选用可移动多孔式手术无影灯。

  现在,医院里运用的手术无影灯,可分为全体反射式手术无影灯和孔式手术无影灯两种。一般全体反射式手术无影灯相对于孔式手术无影灯来说,价格较贵,且全体式手术无影灯需求杂乱的调试,而孔式无影灯不需求调试就可以运用。无影灯可以安装在天花板上,称为吊式手术无影灯,也可安装在墙壁上,称为壁式手术无影灯。全体式手术无影灯是靠多鳞片式或水波纹式反射面从多方向反射光线到达无影作用的。这种办法需求高强度的中心光源,如选用LED作为光源,光源功率密度过于会集,不利于LED的散热。

  孔式手术无影灯可分为单孔式手术无影灯和四孔、五孔、九孔、十二孔等多孔式手术无影灯。一般状况下,单孔手术无影灯合适耳、鼻、口腔、泌尿科、妇科查看以及手术室辅佐照明。多孔式无影灯,则合适于各类手术。别的,带刹车可移动的立式手术无影灯不受手术场所的约束,移动便利,而吊式或壁式结构的孔式手术无影灯可以节约手术场所。

  经过调研并结合LED半导体照明光源的特色,咱们决议选用通用性强并不受场所约束的可移动多孔式手术无影灯,作为咱们的研讨方向。

  在全体结构上,为使产品和传统无影灯有必定的延续性,便利医师运用,也为了下降本钱,缩短开发周期,把注意力会集在LED半导体新式光源的运用上,咱们选用商场上常见的移动式孔式无影灯的结构进行恰当改造,在此根底上研制新式的LED手术无影灯。

  2.LED器材的挑选

  LED是不同于现存其他光源的新式照明器材。不同之处首要在于光的发生办法上。传统光源中,白炽灯是靠被加热到极高温度的钨丝发生光,在发光的一起,开释出很多的红外线;荧光灯是靠电弧激起水银或其他物质的原子发生紫外线,紫外线碰击掩盖在灯具玻璃外壳的荧光物质,将紫外线转化为可见光。LED是半导体二极管,包括一个PN结,具有单向导电性。当电流流过PN结时,电子和空穴复合,电子进入到低能级状况,以光子的办法开释能量。一般的LED所宣布的光为单色光,一般有红、绿、蓝、黄、琥珀等色彩。

  而LED照明所需求的白光,一般经过两种途径发生:

  ①蓝光或近紫外LED芯片,掩盖黄荧光粉,LED芯片宣布的蓝光或近紫外光,激起荧光粉发生黄光,恰当份额的黄光和蓝光或近紫外光混合,发生白光。

  ②用R(红)G(绿)B(蓝)三种单色芯片,一起发光,混合光发生白光。和RGB发生白光的办法比较,蓝光涂敷黄色荧光粉发生白光的办法,发生的白光稳定性好,色温随温度改变小,不会呈现色温不均或杂色现象,是手术用无影灯的抱负光源。
照明用白光LED器材的根本类型有:

  ①小功率白光LED,一般为φ5mm封装,作业电流约为20mA,单颗光通量较小,光效相对较高约80~130lm/W。

  ②大功率1~3W的封装,作业电流为250mA,700mA,1.5A,单颗光通量较大,光效相对比较低,约40~80lm/W。

  ③LED发光模组,多颗芯片封装在一同,可依据需求,封装成不同功率,不同形状的产品。

  

  用于医疗照明

  具有得天独厚的优势

  经过课题的研制作业,咱们发现LED用于医疗照明具有得天独厚的优势:

  1.LED为冷光源,不发生任何红外和紫外辐射。比较之下,白炽灯和卤素灯会发生很多的红外辐射,金卤灯还有必定的紫外辐射。照耀过量的紫外线,会对人体发生损伤。红外辐射,会构成创面温度升高,加快患者创伤的血凝,不利于手术的正常进行,对医师和护理也会发生炙热感,不利于手术正常进行。

  2.LED发光具有方向性,配光便利,可以使有用的光线,投射到需求照明的区域。其他品种的光源,光线照向整个空间,需求用各种办法,将光搜集会聚,在这个进程中,很多的光被吸收。

  3.LED无影灯火源是由小颗粒的发光源组合而成的,假如散热规划妥当就很简单做成轻浮的结构,比起传统灯具蠢笨的结构,更有利于手术室的空气对流,改善手术室的环境。

  4.LED无影灯的亮度,很简单调理,医师在手术中,可依据不同安排对亮度的不同要求、环境的照明状况、眼睛的疲惫程度,便利的调理亮度,防止长期在强光下手术,构成的疲惫及老视。

  5.LED手术用无影灯,可以便利的做成不同的色温。可以使灯火为更纯粹的白光。现在常用的卤钨灯,其固有的色温大约是3200K,为了使光线不显得那么黄,一般经过高本钱的滤光办法,使色温提高到约4400K,但即便如此,灯火仍是显得不自然。

  6.LED无影灯的LED光源,寿数长达50,000小时,是传统无影灯专用卤钨灯的30~50倍,在运用进程中,无需频频的替换灯泡,下降了本钱,减少了医护人员的作业强度,并且使手术愈加安全。

  7.LED手术用无影灯,可以瞬间发动,到达最大亮度,而传统灯具,一般需求在发动必定时刻后,光源内部到达必定温度,才干到达最大亮度,满意手术时的照明要求。

  8.LED需求低压直流驱动,可以便利的运用蓄电池,作为备用电源,完结体系的无毛病运转,确保手术安全。而传统无影灯的光源,需求市电供电。其备用电源,需求杂乱的逆变体系,将蓄电池直流低压供电,转化为沟通高电压的市电。不光添加了本钱、体系的杂乱性,也添加了安全危险。

  经过课题的研制作业,咱们以为,将LED光源运用于以手术用无影灯为代表的医用照明范畴十分有出路。经过课题的研制作业,咱们还探究了新式的封装、散热、驱动操控、二次光学规划办法,验证了多种实用技能,这些都为相关工业的开展奠定了杰出的根底。特别是在配光上选用新式复合抛物面聚集器阵列的办法,为相关范畴的研讨上,探究了新的方向。

  LED手术用无影灯现已在哈尔滨医科大学隶属医院,解放军第二一一医院,经过临床实验。LED手术用无影灯的长处现已为运用过的医学专家所承受。因为运用传统光源无影灯,受光源自身配光和隔绝红外辐射需求的影响,结构杂乱,规划门槛比较高,只要少量企业可以出产,价格昂贵;因为传统无影灯,其价值几百元的专用灯泡运用寿数只要1000小时,使得总的运用本钱,大幅度上升。困扰LED进入通用照明范畴的本钱问题,现已不复存在。

  鉴于这种状况,传统无影灯替换为LED手术无影灯只不过是时刻问题。LED手术用无影灯的运用远景一片光亮。为使产品赶快投入商场,发明经济效益和社会效益,下一步咱们将采纳以下办法:

  1.挑选更多有代表性的医院进行试用,经过运用,发现问题,及时改善。

  2.依据运用要求的不同,赶快完结产品的系列化,为商场供给不同照度、不同色温文防毛病产品,完善体系功用。

  3.进行出产线的建造、完善批量出产需求的工装、夹具和各种测验设备,赶快具有批量出产才干。

  4.按ISO13485的要求,进行质量确保体系的建造,确保产品质量。

  5.赶快申报医疗器械出产许可证和LED无影灯产品注册。

  6.进行出售人员培训和添加产品宣扬力度。

  7.课题作用的其他经济、社会效益剖析与评述。

  8.课题在人才培育和队伍建造、安排办理、国际合作等方面状况及经验总结。