醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪正道　馬燕　胡俊

摘要：該文將外部的電源接入到氙燈的電源模塊，使電源模塊瞬間產(chǎn)生高電壓，并將其輸入氙燈中，利用高壓擊穿氙氣來點(diǎn)亮氙燈。通過介紹系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)原理，運(yùn)用SolidWorks的Flow Simulation插件仿真機(jī)箱中熱流體流動(dòng)的軌跡，根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了系統(tǒng)散熱方案，使系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度以及整體振動(dòng)在設(shè)備要求的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)功率大、性能優(yōu)越，能為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)提供充足、穩(wěn)定的光源。

關(guān)鍵詞：電子內(nèi)窺鏡；PS300-12電源；ME300BFM氙燈；冷光源；SolidWorks

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）24-0225-02

Abstract： This article connected the xenon lamp module with the external power source， let the xenon lamp module generated a high voltage immediately， then send the high voltage to the xenon lamp， using the high voltage to breakdown the xenon and light the xenon lamp at the end. There we introduced the design theory of the electrical system and use the Flow Simulation package of the Solidworks to simulat the track of the air flow in the case， due to the simulation results we design a good plan to rejection of heat， make sure that some of the important points temperature are in the control of the equipments requirement. This system has a big power and it still has a balanced performance， it can provided a sufficient and steady light source for the endoscope system.

Key words： electronic endoscope； PS300-12 power source； ME300BFM xenon light； cold light source； SolidWorks

隨著醫(yī)用光學(xué)儀器電子化、智能化程度的不斷提高，對醫(yī)用冷光源的要求也日益嚴(yán)格，冷光源作為各種醫(yī)用內(nèi)窺鏡的重要配套裝置，其性能的優(yōu)劣直接影響醫(yī)生的觀察效果以及手術(shù)的結(jié)果[1]。特別是在內(nèi)窺鏡顯像系統(tǒng)的應(yīng)用中，要求光源不僅要有足夠的光通量，而且又要有高色溫，高顯色性，傳統(tǒng)的鹵素?zé)粽彰饕呀?jīng)越來越不能滿足要求。于是，氣體放電燈被引進(jìn)了醫(yī)用冷光源系統(tǒng)。氙燈光源具有高色溫、高顯色、輸出光通量大、數(shù)倍于其他產(chǎn)品的壽命等特點(diǎn)，使其成為現(xiàn)階段冷光源的主要產(chǎn)品[2]。近些年隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展越來越多的廠家也投入到LED冷光源的研究中，但是由于LED一些技術(shù)的局限性，例如高頻高壓發(fā)生器還不能直接檢測，其測量精度有待提升等問題[3]，所以目前并沒有大規(guī)模的推廣使用。綜合考慮性能、成本以及目前的可實(shí)施性，本文著重論述了醫(yī)用冷光源中氙燈的點(diǎn)燈電路以及整個(gè)機(jī)箱散熱風(fēng)道的設(shè)計(jì)，并對未來冷光源的發(fā)展前景作了展望。

1 系統(tǒng)總體框架

1.1 系統(tǒng)簡介

隨著微創(chuàng)手術(shù)的不斷普及，醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)在醫(yī)生的診斷、手術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。冷光源系統(tǒng)作為內(nèi)窺鏡的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響內(nèi)鏡圖像采集效果。

目前內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)中，氙燈仍占據(jù)著主流位置。這主要還是歸功于它光通量大、顯色性能好、工作穩(wěn)定等主要特點(diǎn)[4]。

本文研究了美國EXCELITAS公司生產(chǎn)的氙燈套件，并基于該套件設(shè)計(jì)點(diǎn)燈電路。通過SolidWorks軟件仿真了系統(tǒng)的熱流體流動(dòng)的軌跡[5]，使系統(tǒng)的工作溫度保持在一個(gè)較理想的值，從而大大提高了系統(tǒng)的使用壽命。

1.2 模塊解析

ME300BFM氙燈模塊，其主要特征是點(diǎn)燈的峰值電壓為23～36KV，推薦的電源輸入端電壓為150～240KV，運(yùn)行功率正常值為300W，工作電流為16～23A，系統(tǒng)工作溫度維持在80～150℃。PS300-12電源模塊，其主要特征表現(xiàn)為輸入電壓為90～264V rms，輸入頻率47～63Hz，最大輸入電流<7A rms，對空氣流動(dòng)的散熱要求>60cfm。

2 電路實(shí)現(xiàn)

作為一個(gè)系統(tǒng)最主要的功能還是要能穩(wěn)定的工作，如下圖1所示是根據(jù)該型號的光源和氙燈技術(shù)文檔設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用電路圖。

由設(shè)計(jì)可知，將220V電源通過熔斷絲后接入到電源模塊，通過接入不同的撥動(dòng)開關(guān)本文設(shè)計(jì)了兩種點(diǎn)燈方式，一種是打開電源開關(guān)后自動(dòng)點(diǎn)燈，另一種為打開電源開關(guān)后通過按鈕手動(dòng)點(diǎn)燈，對于電源按鈕本文選擇帶有雙路自鎖的紅波按鈕（帶綠燈），型號為LAS1-AWY-22ZT/G/220V，點(diǎn)燈開關(guān)選擇單路自鎖的紅波按鈕（帶綠燈），型號為LAS1-AWY-11ZT/W/6V。為了盡量降低系統(tǒng)的功耗，在不影響系統(tǒng)光照度的情況下本文通過接入適當(dāng)阻值的電阻來減小系統(tǒng)的電流值，從而來降低系統(tǒng)的功率，最終達(dá)到減小系統(tǒng)發(fā)熱量來延長系統(tǒng)壽命的目的。在系統(tǒng)工作過程中，由于功率較大產(chǎn)生的熱量也會(huì)很多，為了提高機(jī)箱中空氣的流動(dòng)性本文在系統(tǒng)中適當(dāng)增加散熱風(fēng)扇來推動(dòng)機(jī)箱中空氣的流動(dòng)。

3 機(jī)箱熱流體軌跡仿真

3.1 仿真條件及目的

本文設(shè)計(jì)的氙燈冷光源系統(tǒng)所用的機(jī)箱可用散熱孔共有3個(gè)，利用SolidWorks畫出了光源系統(tǒng)的3D圖，如下圖2-a所示。在仿真中所有散熱風(fēng)扇的數(shù)據(jù)均設(shè)置為流速110CFM，約等于0.02m3/s，并且系統(tǒng)為完整的光源機(jī)箱，由于可視化的需要，將機(jī)箱蓋隱藏，但其仍然具有物理屬性。通過該次仿真計(jì)算，在滿足機(jī)箱散熱要求的情況下選擇出散熱風(fēng)扇最小的方案，從而達(dá)到保證機(jī)箱散熱順暢，系統(tǒng)噪聲最小的目的。

3.2 仿真過程及結(jié)果

本文采用SolidWorks的Flow Simulation插件進(jìn)行仿真，依次對上圖機(jī)箱的三個(gè)散熱孔進(jìn)行強(qiáng)制散熱，如下面三個(gè)方案：1）對孔A進(jìn)行強(qiáng)制散熱，孔B、C不進(jìn)行任何處理；2）對孔B、C同時(shí)采用強(qiáng)制散熱，孔A不進(jìn)行任何處理；3）該方案是基于方案；2）的改良，即僅僅使孔C采用強(qiáng)制散熱，孔A、B兩處均不作任何處理。

通過以上三個(gè)方案的仿真結(jié)果我們可以得到如下結(jié)論：A處的散熱風(fēng)扇只能單一的對電源進(jìn)行散熱；B處的散熱風(fēng)扇對氙燈與電源處的空氣流動(dòng)影響很?。欢證對于機(jī)箱中電源和氙燈都起到了很好的散熱功能，因此方案3）最優(yōu)。

接下方案4）來對該方案進(jìn)行進(jìn)一步的仿真處理，觀察在氙燈指定位置處加入散熱風(fēng)扇后，機(jī)箱系統(tǒng)的空氣流動(dòng)軌跡。

如下所示，圖2-b圖為在氙燈指定位置處加入散熱風(fēng)扇的3D圖。圖2-c圖僅為加入指定位置風(fēng)扇對氙燈吹風(fēng)時(shí)的空氣流動(dòng)圖。圖2-d圖為孔C和氙燈散熱風(fēng)扇共同作用下機(jī)箱內(nèi)部空氣流動(dòng)軌跡。

從以上仿真結(jié)果可知方案4）的散熱方式最為合理，熱空氣環(huán)流最為順暢，能兼顧散熱與噪聲兩個(gè)方面的要求，同時(shí)風(fēng)扇的個(gè)數(shù)最少，成本最低。通過更深層次的分析可知在氙燈電源盡可能靠近孔B、C圓心的連線時(shí)，可以提高C處風(fēng)扇對電源的散熱效果。

如下表1為光源系統(tǒng)未做任何散熱處理時(shí)幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處的溫度值；表2為開啟孔C處與氙燈要求處的風(fēng)扇幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)出的溫度值。

4 結(jié)束語

本文是基于EXCELITAS公司生產(chǎn)的最新氙燈和電源模塊設(shè)計(jì)的內(nèi)窺鏡冷光源系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，仿真系統(tǒng)內(nèi)部熱空氣流動(dòng)軌跡圖，合理的放置了散熱風(fēng)扇的位置以及風(fēng)扇的個(gè)數(shù)，在滿足系統(tǒng)溫度要求的情況下盡量的降低了系統(tǒng)工作所產(chǎn)生的噪聲。由測試數(shù)據(jù)可知，在最小噪聲下，在合適位置放置散熱風(fēng)扇對系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度大小有很大的影響。

氙燈冷光源在內(nèi)窺鏡設(shè)備中仍然會(huì)發(fā)揮著很大的作用，因此我們還需不斷的提高系統(tǒng)的性能。在電路上再盡量優(yōu)化，在滿足光照度的條件下盡量降低系統(tǒng)功耗；在系統(tǒng)散熱處理中，設(shè)計(jì)合理有效的熱環(huán)流通路，加快散熱，同時(shí)也要兼顧系統(tǒng)整體的工作性能。

參考文獻(xiàn)：

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