基于LED的医用内窥镜照明系统设计

周文光，王春飞，毛坤剑，陈 庆，孔 悦

基于LED的医用内窥镜照明系统设计

周文光，王春飞，毛坤剑，陈 庆，孔 悦

目的：设计一种基于发光二极管（light emitting diode，LED）的医用内窥镜照明系统，解决传统弧光灯发光效率低、温升高、使用寿命短等不足。方法：以带脉冲宽度调制（pule width modulation，PWM）功能的AD型单片机为核心进行控制，采用特制的RGB-LED混光合成白光的方法，通过光纤将合成后的光线传到内窥镜的前端对体内的组织器官进行照明。结果：将该照明系统通过光纤连接至内窥镜主机进行组织照明，光源显色指数高、效果好，可真实再现组织颜色。结论：该内窥镜照明系统发光效率高、功耗低、照明效果好，非常适用于内窥镜诊疗照明。

医用内窥镜；照明系统；发光二极管；混光设计

0 引言

从1795年德国医生Philip Bozzini第一次使用硬管观察患者膀胱和直肠内部病变至今，内窥镜的发展经历了全开放式硬质内窥镜、带光学系统的硬管式内窥镜、电子内窥镜3个阶段。随着高精电子技术及半导体技术的飞速发展，高分辨率、宽动态范围、小尺寸图像传感器的应用将电子内窥镜的发展推向高清视频图像的方向[1]。但光源的选择和照明系统的结构依旧采用较为传统的方式，使用较为普遍的光源是弧光灯，此种照明方式的光源与内窥镜系统是分开的，工作时由导光光纤将光线导入到内窥镜前端对人体内的器官进行照明[2]。弧光灯进行照明的方式虽然应用较为普通，但也存在以下缺点：

（1）弧光灯是利用金属电极之间产生的电弧发光，启动比较慢。

（2）热衰及能耗较大，其损失的能量大部分转化为热量，导致内窥镜前端的温度急剧攀升，最高可达到90℃以上，在光源、光纤束耦合处的温度则可高达200℃，因此，需要有风扇给照明系统降温，整个光源就显得更笨重[3]。

（4）灯泡使用寿命短，需经常更换，使用成本高。

本次设计通过光纤将合成后的光线传到内窥镜的前端对人体内的组织器官进行照明，可以较好地解决传统弧光灯发光效率低、温升高、使用寿命短等不足。

1 系统设计

本次设计以带脉冲宽度调制（pule width modulation，PWM）功能的AD型单片机为核心进行控制，采用多颗特制的发光二极管（light emitting diode，LED）及透镜组混光合成白光的方法，包括对整个系统进行控制的单片机管理模块、对LED进行驱动和控制的模块以及LED混光合成模块，照明系统框图如图1所示。

图1 系统功能图

1.1 光源的选择

LED作为一种新型发光元器件，其发光原理不同于传统的光源，它是利用固体半导体芯片作为发光材料进行发光的。其发光过程是通过半导体中的载流子发生复合后，放出定量过剩的能量引起光子的发射，最后发出各种颜色的光[5]，是一种可直接将电能转换为光能的半导体固体元器件。通过选择合适的半导体发光材料，可使LED的发光光谱具有很好的选择性，所激发出的光线几乎不含红外线，因而受照面几乎不产生温升。相较于其他传统光源，LED具有以下优点[6]：

（1）发光效率高。它的发光原理不同于其他传统光源，而是采用载流子复合发光，可直接将电能转化为光能，光电转换效率高于普通的传统光源。

（2）寿命长。LED的使用寿命长达100 000 h，是传统优质卤素光源的50倍。

（3）环保。LED不存在诸如水银、铅等环境污染物，废弃物易回收，环保安全，是绿色环保产品。

由图3可知，在强降雨冲刷下，普通硬化混凝土护坡对固体颗粒的拦截作用微弱，边坡系数为1∶1和1∶3时，固体颗粒的流失分别为0.9207kg和0.8712kg；边坡系数为1∶1时，无覆土植草组和覆土植草组，固体颗粒的流失最高分别为0.2376kg和0.2673kg；边坡系数为1∶3时，无覆土植草组和覆土植草组，固体颗粒的流失最高分别为0.2178kg和0.2079kg。

1.2 RGB三基色混光设计

1.2.1 三基色混光原理

多种色光颜色相加混合的基本原理是将几种不同颜色的光同时或者快速先后刺激人的视觉感官，从而产生不同于原来颜色的新色觉[7]。通过选用3种不同颜色的单色光LED作为三原色，接着调节每颗LED芯片的工作电流大小就可改变LED的亮度，最后再将3颗单色LED按照一定结构组合就可得到所需的白光。

本次设计选用3颗特制的RGB-LED，在800 mA电流条件下的光通量分别为：R-LED为54 lm，GLED为120 lm，B-LED为28 lm。每颗LED芯片的辐射角度为120°，发光区域为0.9 mm×0.9 mm。

1.2.2 混光装置结构设计

本次设计的3色光混光装置结构如图2所示。在R、G、B 3颗LED前端放置一准直镜，其作用是尽可能多地收集由发射角是120°的LED出射的光线，并保证其沿着水平方向平行射出。特殊设计的2片合光镜设置成与G-LED芯片的中轴线成45°夹角，其水平间距和B-LED、R-LED 2个芯片的中心距离相等。通过对2片合光镜的分光膜进行特殊设计，使合光镜1可透射绿光、反射蓝光，合光镜2可透射绿光、蓝光，反射红光。当红、绿、蓝3色光依次经过这2片合光镜后，由一组聚焦镜头将其耦合进入光纤并导入人体内实现体内照明。将3颗LED灯珠焊接在铜极板上，再将铜极板固定在一块更大的铝板上，保持二者接触良好，且在铝板背面安装散热片，确保散热到位。

图2 混光装置结构图

1.3 电路设计

本次电路设计以AD型单片机为中央处理器，自带PWM控制功能。系统运行期间，单片机输出的PWM调制信号控制程控开关的电源工作，通过输出的逻辑控制信号控制RGB这3颗LED灯珠的驱动电路，实现对LED亮度的数字化无级调控，进一步实现三基色的组合光调制。

1.3.1 单片机控制模块

本次设计选用ATMEL公司生产的AT89S51单片机，该单片机采用高精度、非易失性存储技术设计制造，是一款低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含4 KB在线可编程系统（in-system programmable，ISP）的可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器，可兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，并在众多嵌入式控制系统中有着广泛的应用[8]。

AT89S51单片机内部有2个定时器，可用它来控制输出PWM信号。用12 MHz晶振接单片机，其机器周期为振荡周期的12倍，即1 μs[9]。用R、G、B 3种颜色的LED来合成白光则需要3路PWM信号，可用定时器T1定时50 μs，通过循环100次获得3路周期为5 ms即200 Hz的PWM信号，从P1.0、P1.1、P1.2输出。单片机有2个外部中断源，用INT0来控制PWM的脉宽大小，实现改变占空比大小来调光。单片机模块控制电路如图3所示。

1.3.2 LED驱动及控制模块

本模块设计采用CN5612芯片作为LED的驱动器。CN5612是一款电流调制芯片，正常工作电压范围为2.7～6 V，恒定输出电流可达1.2 A，可用来驱动包括白光LED在内的各类LED[10]。芯片内部集成有功率晶体管，大大减少了外部元器件的数目。CN5612的LED端电流通过连接在ISET管脚和VDD管脚之间的电阻来设置，可设置的电流范围为30mA～1.2 A。LED驱动及控制电路如图4所示。单片机控制模块给出的PWM调制信号对N沟道功率场效应管的导通和关断进行控制，通过高频电感充放电实现能量的转换，进而控制LED的光强度。

1.3.3 软件设计

当开关S4接地，S5、S6接高电平时，若S7接高电平，按按键使其发生中断时，P1.0路占空比增大，反之减小。同理，当开关S5接地，S4、S6接高电平时，若S7接高电平，按按键使其发生中断时，P1.1路占空比增大，反之减小。当开关S6接地，S4、S5接高电平时，若S7接高电平，按按键使其发生中断时，P1.2路占空比增大，反之减小。若S4、S5、S6都接地，则3路PWM信号同时改变，用此方式可改变PWM信号脉宽大小。用INT1做复位控制，使3路PWM信号脉宽为50%。系统主程序框图如图5所示。

图3 单片机控制电路图

图4 LED驱动及控制电路图

图5 系统主程序框图

2 应用效果

将本照明系统通过光纤连接至内窥镜主机进行组织照明，所采集到的组织效果如图6所示，光源

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）显色指数高，照明效果好，可真实再现组织颜色。

Design of LED-based lighting system for medical endoscope

ZHOU Wen-guang,WANG Chun-fei,MAO Kun-jian,CHEN Qing,KONG Yue
(The 174th Hospital of the PLA,Chenggong Hospital of Xiamen University,Xiamen 361003,Fujian Province,China)

ObjectiveTo design a LED-based lighting system for the medical endoscope to eliminate the deficiencies of the traditional arc lamp in low efficiency,high temperature rise,short service life and etc.MethodsCore control was realized by AD single chip microcomputer with the function of pulse width modulation (PWM).White light came into being from RGB-LED mixed light,and then was transmitted to the front of the endoscope to light in vivo tissues and organs.ResultsThe trials proved the system with high color rendering index and lighting efficiency could reflect the colors of the tissues.ConclusionThe lighting system has high efficiency and low power consumption,and thus can be used for lighting of medical endoscope.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：26-28，38]

medical endoscope;lighting system;light emitting diode;light mixing design

R318.6；TH773

A

1003-8868（2015）08-0026-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.026

南京军区2013年度科技创新项目资助课题（MS087）

周文光（1970—），男，主任技师，主要从事医疗设备的维修、质量控制、使用管理方面的研究工作，E-mail：zhouwgsun@126.com。

361003福建厦门，解放军174医院，厦门大学附属成功医院（周文光，王春飞，毛坤剑，陈 庆，孔 悦）

孔 悦，E-mail：xmky2005@126.com