大功率LED在野戰(zhàn)醫(yī)用深部照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

邵 威 李拴德 王曉峰

1 野戰(zhàn)條件對醫(yī)療器械的要求

野戰(zhàn)醫(yī)療可能面臨諸多困難，醫(yī)療設(shè)備在運(yùn)輸、使用、補(bǔ)給、維護(hù)保養(yǎng)等環(huán)節(jié)常常需要經(jīng)受極端環(huán)境的考驗。因此在裝備的配置過程中，可靠性、重量、體積、能耗都成為至關(guān)重要的問題。外軍在設(shè)計野戰(zhàn)醫(yī)療裝備時，首先考慮機(jī)動能力所允許的質(zhì)量和所占空間。并將與野戰(zhàn)外科單位裝備的質(zhì)量、所占空間相關(guān)的一些重要變量定為∶機(jī)動能力、人員配備能力、物理穩(wěn)定能力、環(huán)境適應(yīng)能力、獨(dú)立工作能力[1]。為適應(yīng)未來登島作戰(zhàn)環(huán)境要求，根據(jù)我軍野外訓(xùn)練、渡海登島實彈演習(xí)、抗洪救災(zāi)等衛(wèi)勤保障實踐，醫(yī)療裝備的革新要從制作材料、工藝設(shè)計等方面入手，把重點(diǎn)放在防水、抗毀、耐高溫、輕便、精巧實用等方面[2]。

2 醫(yī)用深部照明對光源的要求

醫(yī)用深部照明一般用于較深并且開口較小的手術(shù)術(shù)野，如神經(jīng)外科的腦深部及顱底，普外科的膽囊手術(shù)等，此時由于術(shù)者觀察的需要，大型無影燈的光線很難投射到手術(shù)野中，造成觀察操作困難的局面。為了解決這個問題，引入了頭戴式深部照明的設(shè)計。深部照明對光源的基本要求就是要保證術(shù)野均勻有效的照明，光源色溫接近陽光，以便于分辨組織結(jié)構(gòu)，光線不應(yīng)使術(shù)野中正常組織受損。其次，由于裝置佩戴在術(shù)者的頭部，因此重量、絕緣安全等因素也在考慮之中。深部照明最佳的投射角度應(yīng)與視軸一致，也就是發(fā)光裝置最好位于雙眼連線中點(diǎn)，這就要求裝置的寬度、長度都不能過大，否則將會妨礙術(shù)者的視線。

3 目前常規(guī)醫(yī)用深部照明系統(tǒng)光源的特性

常規(guī)醫(yī)用深部照明系統(tǒng)光源一般選用普通鹵素?zé)艄庠椿螂瘹鉄艄庠础Ｍㄟ^光導(dǎo)纖維將光束投射到手術(shù)視野。由于此類光源在可見光的紅區(qū)和近紅外譜帶有著豐富的譜線，因此必須通過多層帶通濾光片，才能得到真正的冷光輸出，因此由于電光轉(zhuǎn)換效率和過濾帶通產(chǎn)生的熱積累就成為醫(yī)用冷光源設(shè)計過程必須考慮的問題，目前應(yīng)用于臨床中的醫(yī)用冷光源均存在著風(fēng)冷或者水冷的基本裝置，加上部分使用氙氣燈的冷光源因為弧光放電光源的特性制約，不可避免地存在著高壓特性，出于高壓、大電流的考慮，此類冷光源的體積大多相對龐大，可攜帶性、機(jī)動性大打折扣。由于目前的冷光源發(fā)光方式均為燈絲或等離子束，發(fā)光面積較大，在光學(xué)傳遞設(shè)計中均不能將之考慮為點(diǎn)光源，無形之中又增加了光學(xué)設(shè)計的難度[3]。復(fù)雜變壓電路、散熱系統(tǒng)、光過濾傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)都意味著穩(wěn)定性下降，故障率較高。

很顯然，常規(guī)醫(yī)用深部照明系統(tǒng)很難適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境的需求。

4 LED（light Emitting Diode發(fā)光二極管）光源的優(yōu)點(diǎn)

LED是一種將電流順向通到半導(dǎo)體p-n結(jié)處而發(fā)光的器件，其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。LED使用低壓電源，供電電壓在3～24 V之間，電路安全性高，特別適用于公共場所。消耗能量較同光效的白熾燈減少80%，體積小，每個單元LED小片是3～5 mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。壽命可達(dá)100000 h，具有極高的穩(wěn)定性，維護(hù)費(fèi)用極為低廉。響應(yīng)時間短，發(fā)光迅速，（普通光源的響應(yīng)時間為毫秒級，LED的響應(yīng)時間為納秒級），易于電腦控制驅(qū)動和集成化。綠色環(huán)保，對環(huán)境無污染。

LED和常見光源的性能比較

1993年日本日亞化學(xué)首先開發(fā)出藍(lán)色LED（Light Emitting Diode發(fā)光二極管），1997年開發(fā)出紫外LED，1999年藍(lán)紫色LED樣品開始出貨，2001年開始提供白光LED。目前美國CREE公司出品的XR-E Q5，350 mA電流驅(qū)動下光輸出達(dá)到白光107-114流明，色溫好，5000～10000 K，適合醫(yī)學(xué)需求。最大接合溫度達(dá)到150℃，最高驅(qū)動電流達(dá)到1000 mA（220-240流明）。此種LED芯片發(fā)光面積僅僅1 mm2，在滿足功率輸出的條件下又完全滿足點(diǎn)光源的要求，由于輸出譜帶的單純性，在作為冷光源使用過程中，無需任何帶通濾光裝置，且激勵電壓均為安全低壓，無論從體積還是設(shè)計難度上較傳統(tǒng)的醫(yī)用冷光源均大大降低。特別從使用壽命上將傳統(tǒng)的醫(yī)用冷光源自1000 h提高至100000 h以上。

使用LED作為深部照明用光源，可使用鋰電池充電供電方式，同時避免了濾光片和制冷的設(shè)計要求，無光傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，燈頭部分極其小巧，完全不影響視覺感官，且可以做到無電源線操作，密封設(shè)計，充分滿足野戰(zhàn)手術(shù)器械的各項要求。

5 LED冷光源在醫(yī)用照明領(lǐng)域的應(yīng)用展望

LED光源以其優(yōu)異的性能表現(xiàn)，已經(jīng)在醫(yī)療器械領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，用以彌補(bǔ)傳統(tǒng)光源的不足。隨著LED技術(shù)的進(jìn)步，我們期待著LED發(fā)光管能有更高的發(fā)光效率，更大的輸出功率，更高的亮度，直至取代傳統(tǒng)光源。

[1]周凌宏，蘇志宏，李小敏. 伊拉克戰(zhàn)爭對我軍野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備發(fā)展的啟示[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2004，25(11)∶56-57.

[2]李真喜. 應(yīng)急機(jī)動部隊野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備的現(xiàn)狀和需求[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2003，24(1)∶38.

[3]孫濤.LED光源在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用與前瞻[C].上海市激光學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集，2005.