医用电子内窥镜冷光源系统的设计与实现

汪正道　马燕　胡俊

摘要：该文将外部的电源接入到氙灯的电源模块，使电源模块瞬间产生高电压，并将其输入氙灯中，利用高压击穿氙气来点亮氙灯。通过介绍系统电路的设计原理，运用SolidWorks的Flow Simulation插件仿真机箱中热流体流动的轨迹，根据仿真结果设计了系统散热方案，使系统关键点的温度以及整体振动在设备要求的范围内。该系统功率大、性能优越，能为内窥镜系统提供充足、稳定的光源。

关键词：电子内窥镜；PS300-12电源；ME300BFM氙灯；冷光源；SolidWorks

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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

随着医用光学仪器电子化、智能化程度的不断提高，对医用冷光源的要求也日益严格，冷光源作为各种医用内窥镜的重要配套装置，其性能的优劣直接影响医生的观察效果以及手术的结果[1]。特别是在内窥镜显像系统的应用中，要求光源不仅要有足够的光通量，而且又要有高色温，高显色性，传统的卤素灯照明已经越来越不能满足要求。于是，气体放电灯被引进了医用冷光源系统。氙灯光源具有高色温、高显色、输出光通量大、数倍于其他产品的寿命等特点，使其成为现阶段冷光源的主要产品[2]。近些年随着LED技术的不断发展越来越多的厂家也投入到LED冷光源的研究中，但是由于LED一些技术的局限性，例如高频高压发生器还不能直接检测，其测量精度有待提升等问题[3]，所以目前并没有大规模的推广使用。综合考虑性能、成本以及目前的可实施性，本文着重论述了医用冷光源中氙灯的点灯电路以及整个机箱散热风道的设计，并对未来冷光源的发展前景作了展望。

1 系统总体框架

1.1 系统简介

随着微创手术的不断普及，医用内窥镜系统在医生的诊断、手术中发挥着越来越重要的作用。冷光源系统作为内窥镜的重要组成部分，其性能的优劣直接影响内镜图像采集效果。

目前内窥镜冷光源系统中，氙灯仍占据着主流位置。这主要还是归功于它光通量大、显色性能好、工作稳定等主要特点[4]。

本文研究了美国EXCELITAS公司生产的氙灯套件，并基于该套件设计点灯电路。通过SolidWorks软件仿真了系统的热流体流动的轨迹[5]，使系统的工作温度保持在一个较理想的值，从而大大提高了系统的使用寿命。

1.2 模块解析

ME300BFM氙灯模块，其主要特征是点灯的峰值电压为23～36KV，推荐的电源输入端电压为150～240KV，运行功率正常值为300W，工作电流为16～23A，系统工作温度维持在80～150℃。PS300-12电源模块，其主要特征表现为输入电压为90～264V rms，输入频率47～63Hz，最大输入电流<7A rms，对空气流动的散热要求>60cfm。

2 电路实现

作为一个系统最主要的功能还是要能稳定的工作，如下图1所示是根据该型号的光源和氙灯技术文档设计的实际应用电路图。

由设计可知，将220V电源通过熔断丝后接入到电源模块，通过接入不同的拨动开关本文设计了两种点灯方式，一种是打开电源开关后自动点灯，另一种为打开电源开关后通过按钮手动点灯，对于电源按钮本文选择带有双路自锁的红波按钮（带绿灯），型号为LAS1-AWY-22ZT/G/220V，点灯开关选择单路自锁的红波按钮（带绿灯），型号为LAS1-AWY-11ZT/W/6V。为了尽量降低系统的功耗，在不影响系统光照度的情况下本文通过接入适当阻值的电阻来减小系统的电流值，从而来降低系统的功率，最终达到减小系统发热量来延长系统寿命的目的。在系统工作过程中，由于功率较大产生的热量也会很多，为了提高机箱中空气的流动性本文在系统中适当增加散热风扇来推动机箱中空气的流动。

3 机箱热流体轨迹仿真

3.1 仿真条件及目的

本文设计的氙灯冷光源系统所用的机箱可用散热孔共有3个，利用SolidWorks画出了光源系统的3D图，如下图2-a所示。在仿真中所有散热风扇的数据均设置为流速110CFM，约等于0.02m3/s，并且系统为完整的光源机箱，由于可视化的需要，将机箱盖隐藏，但其仍然具有物理属性。通过该次仿真计算，在满足机箱散热要求的情况下选择出散热风扇最小的方案，从而达到保证机箱散热顺畅，系统噪声最小的目的。

3.2 仿真过程及结果

本文采用SolidWorks的Flow Simulation插件进行仿真，依次对上图机箱的三个散热孔进行强制散热，如下面三个方案：1）对孔A进行强制散热，孔B、C不进行任何处理；2）对孔B、C同时采用强制散热，孔A不进行任何处理；3）该方案是基于方案；2）的改良，即仅仅使孔C采用强制散热，孔A、B两处均不作任何处理。

通过以上三个方案的仿真结果我们可以得到如下结论：A处的散热风扇只能单一的对电源进行散热；B处的散热风扇对氙灯与电源处的空气流动影响很小；而孔C对于机箱中电源和氙灯都起到了很好的散热功能，因此方案3）最优。

接下方案4）来对该方案进行进一步的仿真处理，观察在氙灯指定位置处加入散热风扇后，机箱系统的空气流动轨迹。

如下所示，图2-b图为在氙灯指定位置处加入散热风扇的3D图。图2-c图仅为加入指定位置风扇对氙灯吹风时的空气流动图。图2-d图为孔C和氙灯散热风扇共同作用下机箱内部空气流动轨迹。

从以上仿真结果可知方案4）的散热方式最为合理，热空气环流最为顺畅，能兼顾散热与噪声两个方面的要求，同时风扇的个数最少，成本最低。通过更深层次的分析可知在氙灯电源尽可能靠近孔B、C圆心的连线时，可以提高C处风扇对电源的散热效果。

如下表1为光源系统未做任何散热处理时几个关键点处的温度值；表2为开启孔C处与氙灯要求处的风扇几个关键点出的温度值。

4 结束语

本文是基于EXCELITAS公司生产的最新氙灯和电源模块设计的内窥镜冷光源系统，通过设计应用电路，仿真系统内部热空气流动轨迹图，合理的放置了散热风扇的位置以及风扇的个数，在满足系统温度要求的情况下尽量的降低了系统工作所产生的噪声。由测试数据可知，在最小噪声下，在合适位置放置散热风扇对系统关键点的温度大小有很大的影响。

氙灯冷光源在内窥镜设备中仍然会发挥着很大的作用，因此我们还需不断的提高系统的性能。在电路上再尽量优化，在满足光照度的条件下尽量降低系统功耗；在系统散热处理中，设计合理有效的热环流通路，加快散热，同时也要兼顾系统整体的工作性能。

参考文献：

[1] 邵玉波， 苑富强， 刘艳珍， 等. 应用内窥镜冷光源质量控制研究[J]. 中国医疗器械杂志.， 2014， 38（5）： 378-380.

[2] 董明军， 王世峰， 孙守全. 氙灯在医用冷光源中的应用[J]. 中国医疗设备， 2008（2）： 48-49.

[3] 周文光， 王春飞， 毛坤剑， 等. 基于LED的医用内窥镜照明系统设计[J]. 医疗卫生设备， 2015， 36（8）： 26-28.

[4] 吴倩倩， 张欣婷， 刘仲宇. 腹腔镜照明系统的研究[J]. 科技资讯， 2012（30）： 232.

[5] SolidWorks2010有限元、虚拟样机与流场分析从入门到精通[M]. 北京： 机械工业出版社，2010.