高压氧舱用光纤直射式手术无影灯研制*

王守文 殷志东 张晓絮

手术无影灯通常由单个或多个灯头组成，系定在悬臂上，能做垂直或循环移动[1]。无影灯是照明外科手术部位不可缺少的设备，通常采用环形节能灯或卤素灯[2]。目前无影灯采用的光源主要有白炽灯、卤钨灯、气体放电灯和LED灯[3]。卤素灯等有源发光器件，在高压氧舱等存在易燃易爆风险的场所使用时，因其存在放电风险，故无法使用。光纤直射式手术无影灯采用光源与氧舱隔离，舱内无源化调节亮度，输出符合要求的照射光斑，进而能够解决现有手术无影灯无法在高压氧舱内使用的问题。

光纤直射式手术无影灯不仅可实现手术无影灯的正常照明，而且适用高压氧舱的易燃易爆环境的使用要求，可以替代现有的手术无影灯使用功能。作为特殊环境使用的光纤直射式手术无影灯与普通手术无影灯相比有稳定性好、操作简单、适用范围广等优点。为此，研制一款光纤直射式手术无影灯，以解决现有手术无影灯无法在高压氧舱内使用的问题。

1 光纤直射式手术无影灯总体设计

1.1 技术指标

光纤直射式手术无影灯根据技术协议内规定的适用范围与技术性能对无影灯进行设计，其设备组成与技术性能主要有14项，其外观尺寸与连接结构设计借用现有的成熟技术；照明系统、反馈系统及其调节方式进行特殊设计。光纤直射式手术无影灯技术指标见表1。

1.2 结构设计

1.2.1 主体外观结构设计

光纤直射式手术无影灯主要由照明系统和反馈调节系统组成，照明系统和反馈调节系统均固定于无影灯构件内。照明系统包括光源、照明光纤束及聚光镜头；反馈调节系统包括反馈光纤束、光控调节器及光源控制器；无影灯构件包括法兰盘、悬臂、支架、液压缸及灯罩。光纤直射式手术无影灯主体结构见图1。

表1 光纤直射式手术无影灯技术指标

图1 光纤直射式手术无影灯主体结构图

光纤直射式手术无影灯光源置于高压氧舱外，法兰盘固定于高压氧舱内的顶面上，各个支架连接于法兰盘，灯罩通过液压杆固定于支架上，主体可在空间内自由旋转定位。

1.2.2 照度调节结构设计

光纤直射式手术无影灯安装于高压氧舱内，高压氧舱对氧浓度和大气压力都有特殊要求，氧舱的使用环境要求见表2。

表2 光纤直射式手术无影灯使用环境要求

光纤直射式手术无影灯的使用环境中的氧浓度为15%～25%，工作气压为1.4 MPa，极易发生燃烧爆炸危险。因此，在高压氧舱内的设备必须为无源设备，严禁电源引入舱内，避免因电源而引发的火灾甚至爆炸。光纤直射式手术无影灯作为手术照明设备，需在氧舱内进行无源启动，照明光源置于舱体外部。通过设计光控调节器，使置于舱体外部的光源可以在舱体内远程无源启动，并实现照度多档可调，满足不同手术需求[4]。光控调节器结构见图2。

图2 光控调节器结构图

光控调节器结构主要包括光纤丝束、光纤端子、光缆、漫反射板、初光孔和调节旋钮，其旋钮内开有一调光孔，用于启动光源。调节旋钮的中心部轴向贯通开设有初光孔，漫反射板的中心轴向贯通开设有通光孔，初光孔、通光孔及复位光阑的孔中心线重合。自然光通过初光孔进入光控调节器，经反馈光纤束传输至光源控制器后可在无源的条件下启动光源，启动整个照明系统，实现无源化启动与调节控制。

1.3 光纤设计

1.3.1 光纤结构设计

光纤主要由光纤丝束、护套管(包括金属软管、黑色包塑管和黑色软管)、连接件、抗扭力弹簧等部件构成。光纤结构见图3。

图3 光纤结构图

光纤端子内为照明光纤束，用于传导光源所发出的光；光纤丝束汇集于集成件内，而后均匀分布于光纤端子内，将舱外光源发出的光的传导至舱内无影灯灯罩内，通过镜筒调节焦距和光斑大小进行照明。在N+1极分支内，N束光纤为照明光纤用于照明，1束光纤为控制光纤用于控制调节，通过与光控调节器连接，进行远程无源启动光源和调节照度。

1.3.2 反馈系统设计

反馈系统包括反馈光纤束、光控调节器及光源控制器。光纤直射式手术无影灯的反馈系统控制原理见图4。

图4 反馈系统控制原理图

光控调节器用于启动和调整光源照度，其调节方式是通过反馈光纤传导舱内自然光进行无源启动舱外多个光源，而后通过手旋旋钮，复位光阑瞬间增大或缩小光通量后自热复位，瞬间变化的光照度通过漫反射板反射后通过反馈光纤反馈至光源控制器上，通过将光信号转化为电信号后调节光源的发光照度变大或变小，其变化量通过在舱外的内部电路控制，变化量可以在舱内通过旋钮进行微调，最终达到最佳照明效果。光纤直射式手术无影灯的整体结构见图5。

图5 光纤直射式手术无影灯的整体结构图

若干光源连接于光源耦合端头上，光源控制器连接于反馈耦合端头上，且与若干光源用数据线连接，使其实现同步调节。将光纤穿过舱体，与舱体用密封圈密封连接，发光镜头耦合件与光学镜筒组件连接，并将若干光学镜筒组件分布于照明位置点，调节照明角度，使其光斑汇聚指定面积区域。通过外部结构显示器，显示所调节的实时照度值，在设备启动后可利用自身发出的光调节舱内控制照度，实现无源启动和亮度调节。

1.4 密封设计

光纤直射式手术无影灯的使用环境中的大气压力为1.4 MPa，在如此高压力的封闭空间内，穿舱设备的密封工作对于舱体的密封很重要，其主要涉及的部件是光纤，光纤的密封和光纤穿舱密封，二者同时达到密封要求才能实现光纤穿舱后达到密封效果。

整根光纤贯穿舱体的顶板，穿舱件分为子件与母件，穿舱件带有螺纹，穿过顶板至舱外，在舱外用紧固螺母旋紧穿舱件，穿舱件与紧固螺母的连接将整根光纤固定于舱体顶板上，起承载光纤重量和密封作用。光纤与舱顶连接见图6。

1.4.1 光纤密封结构设计

图6 光纤与舱顶连接示意图

光纤自身的密封主要在于穿舱件自身的密封，即穿舱母件和穿舱子件的密封，光纤丝束贯穿于整根光纤，丝与丝之间的粘接、丝与穿舱件之间的粘接以及穿舱母件与穿舱子件之间的粘接均采用胶粘剂粘接，且穿舱母件空腔内灌满胶粘剂用于粘接丝束和密封光纤。因此，在光纤密封的过程中，胶粘剂的黏度和固化条件决定了光纤的密封效果。光纤密封的穿舱件见图7。

图7 光纤密封的穿舱件

胶粘剂主要用于丝束与穿舱件的粘接与密封，依据胶粘剂的黏度、固化条件来选用合适的胶粘剂。目前常使用的胶粘剂性能见表3。

表3 胶粘剂性能参数

在综合制作方法中选用E-51胶水进行粘接，粘接强度N承受的力远大于光纤自身重力，密封效果达到国家标准《通用阀门压力试验》(GB/T13927-1992)[5]中规定的使用要求。

1.4.2 光纤穿舱密封结构设计

穿舱件与舱体顶板连接采用螺纹旋紧的方式进行连接，其密封采用O型密封圈进行挤压式密封。光纤穿舱密封结构见图8。

图8 光纤穿舱密封示意图

穿舱件穿过顶板与螺母连接，在穿舱件与顶板之间压有O型密封圈。当螺母旋紧穿舱件时，顶板与穿舱件相互挤压，将密封圈压扁密封，其密封效果达到GB/T13927-1992规定的使用要求。

2 光纤直射式手术无影灯系统设计与测试

2.1 LED光源选型

目前的手术无影灯都装备有集成图像功能，通过调节LED光谱或照度可以改善视觉效果[6-7]。LED具有较高的发光效率，耐冲击、不易破碎、无汞污染且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染[8-9]。由于孔式手术无影灯(采用卤素灯作为发光光源)无法满足高标准净化手术室的技术要求，因此选用LED作为光源便于长期手术[10]。

2.2 单个光源照度

(1)技术要求。光纤直射式手术无影灯照度≥2.0×104Lux，根据系统所选用的光源数(N)、透过率(T)、耦合效率(η)及镜片组损耗率(λ)的关系，可以推算出单个光源发光照度(Lm)要求，其计算为公式1：

单个光源发光照度：

式中耦合效率包括光源与光纤端子耦合效率η1、光纤端子与镜片组耦合效率η2，η=η1×η2。

(2)确定系统参数。设计光源数：N=2；设计透过率：T=0.42(光纤长度3500 mm)；耦合效率：η=η1×η2=0.8×0.85=0.68；镜片组损耗率：λ=0.03；单个光源照度：

(3)单个光源照度测试。根据单个光源照度要求，测试不同型号的光源照度，其测试结果见表4。

表4 LED照度测试数据

(4)LED光源型号参数。根据测试数据显示，型号为LTB-1的LED光源符合照度计算要求。选用2台型号为LTB-1的LED光源作为光纤直射式手术无影灯的光源。

2.3 光纤丝选型

光纤束在应用中要求其传输特性良好，光能损失小。这是对光纤束的传输特性(或透过特性)的要求[11]。综合制造成本和传输效率等因素，在光纤丝选型上，选择合适的透过率的光纤可以满足综合制造成本的效益最优化。

(1)透过率(T)值测试。根据预设的透过率要求，对不同型号的光纤丝进行透过率测试，其测试数据见表5。

表5 光纤丝透过率T值测试数据

(2)光纤丝型号参数。已选型号为LTB-1的LED光源作为照射光源，其发光照度为：4.2×104Lux。根据其发光照度值，与技术要求的总照度值，可以推算出最低透过率(T)值，其计算为公式2：

透过率

最低透过率T值为0.36，选用2#即国产6号丝来制作光纤最为合适。

3 结论

光纤直射式手术无影灯主要安装于高压氧舱内，用于特殊人群的手术。现有手术无影灯采用的发光器件一般为LED灯、卤素灯等有源发光器件，在高压氧舱等存在易燃易爆风险的场所无法适用。光纤直射式手术无影灯的研制规避了将电源引入高压氧舱内，解决了现有技术无法在高压氧舱内使用的问题。

光纤直射式手术无影灯主要研制照明系统和反馈调节系统。研制出一种照度可调的无源化照明系统，可以无源触发并调节光源发光亮度。同时也设计出特殊的光纤结构，并解决了光纤穿舱与密封的问题，最终实现了光纤直射式手术无影灯在高压氧舱内的正常使用。