手术无影灯现场检测装置设计

张秀俊 徐汉成 钱德军 雷蒙杰

【摘要】手术无影灯是手术室最基础、最重要的设备之一，手术质量与其质量和性能的好坏有直接影响。在手术无影灯的日常维修保障过程中，时常会遇到手术医生反映手术灯光线太暗、太强、手术区的组织色彩不真实等诸多问题，而又无法提供客观直接的检测数据报告。本文旨在研制一种符合国际规范、易操作、便携式的用于手术无影灯检测和质量控制的质量检测装置，拟解决手术无影灯的多参数检测和现场检测问题。

【关键词】手术无影灯;检测装置;测量模块;现场检测;设计

【DOI 编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.02.015

Design of on-site Detection Device for Surgical Shadowless Lamp

ZHANG Xiu-jun1，XU Han-cheng1，QIAN De-jun2，LEI Meng-jie3

（1.Yancheng Bureau of Quality and Technical Supervision，Yancheng 224000，China;2.Yancheng Jianhu people's Hospital，Yancheng 224000，China;3.Nanjing Mingrui Testing Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210049，China）

Abstract：Operating shadowless lamp is one of the most basic and important equiμment in operating room. Its quality and performance have a direct impact on the quality of operation. In the daily maintenance and guarantee process of the operating shadowless lamp，the surgeon often encounters many problems，such as the light of the operating lamp is too dark and too strong，the tissue color of the operating area is not true，and can not provide an objective and direct test data report. The purpose of this paper is to develop a portable quality detection device for the detection and quality control of surgical shadowless lamp，which conforms to international standards，is easy to operate，and is intended to solve the problems of multi parameter detection and field detection of surgical shadowless lamp.

Key words：shadowless operating lamp;detection device;measurement module;on site inspection;design

手術无影灯是医院手术室最重要的设备之一，是一种具有特殊功能的灯。手术无影灯用来照明手术部位，以便医生观察处于切口和体腔中不同深度的、小的、对比度低的物体。手术无影灯一般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，悬臂通常连接在固定的结合器上，并能围着它旋转。无影灯采用可消毒的手柄或箍（曲轨）做灵活定位，并具有自动刹车和停止功能以操纵其定位，在手术部位的上面和周围保持相宜的空间。无影灯的固定装置可安装在天花板或墙壁的固定点上，也可安装在天花板的轨道上。

由于无影灯的安装特点，造成对在用无影灯检测时只能在无影灯的使用现场进行。因此，本文根据手术无影灯的检测设计一款手术无影灯现场检测装置。

1检测装置的设计

按照YY 0627—2008《医用电气设备第2部分：手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》的规定，在对无影灯进行质量检测时需要对其中心照度、光斑分布、光柱深度、光源色温、无影率、表面温升这些参数进行测量，为此所述检测装置有照度检测模块、距离测量模块、色温测量模块、辐射测量模块。

1.1测量平台的结构设计

测量平台是检测装置的主要部分，其主要作用是承载各个测量模块、数据参数显示以及对光源灯相关测量装置固定。测量平台的整体外形可以设计成圆柱形箱体或矩形箱体，设计成圆柱形箱体可以减少测量平台的体积，设计成矩形箱体则能方便固定测量光源灯的夹持架。整个箱体的材质可以选用吸光材料，避免箱体内壁的反射对测量结果造成影响。

测量平台由底板、侧板、前后板、夹持架组成，前后板、侧板、底板组成测量平台的箱体，底板为矩形，其厚度2 cm左右，侧板、前后板厚度2 cm，都采用塑料材质。底板的作用是承载各个测量模块。

1.2无影灯及测量装置夹持系统

无影灯夹持系统需要匹配目前市场上多数无影灯装置，夹持可靠并可以伸缩一定长度范围，确保测量条件;测量装置即模拟手术人员头遮挡的遮挡板，用于测量光源无影率。灯具夹持架用于夹持被检测光源，夹持架竖直杆可伸缩，其伸缩范围为0～1.5m，安装在箱体后板的中心位置处，水平杆固定长度为40 cm。

遮挡板夹持架是在测量无影率时夹持遮挡板用，要求灵活、可旋转、固定性好，其安装在上述竖直杆上，中心可旋转，共有三个固定位置，中心处和两端处，其中心正对光照中心，两端距中心的距离为130 mm，灯具夹持架和遮挡板夹持架都采用铝合金材质。

1.3测量模块固定底座

为了能进行测量，需要在光源中心下方安装测量模块对其光源的相关参数进行测量，为了适应不同测量参数需要做到测量模块探头可拆卸。

底板中心处安装有固定底座，用于安装照度测量模块探头、距离测量模块探头、辐照度测量模块探头、色温测量模块探头、深腔管、立柱，且照度探头、深腔管、立柱可拆卸。

立柱用于测量光柱深度，立柱内有移动滑槽，滑槽用于安装照度探头。深腔的内径为50 mm，高度为80 mm，遮挡板为直径210 mm的无光黑圆盘。

1.4测量模块控制系统

测量模块的电路设计和探头结构设计。测量模块分为照度测量模块、距离测量模块、色温测量模块、辐射测量模块。其中距离测量模块的探头为红外接收和发送探头，其余模块的探头均为光接收探头。

1.5数据处理和上位机显示

经过传感器测量出来的数据按照标准给出的方法进行计算处理后得出质量分析报告，其报告方式类似于人体检测报告，列出正常范围和实际值，最后通过显示屏显示，同时显示屏还实现人机交互功能。显示屏嵌入测量平台前板，用于数据显示和人机交互。

2测量模块的设计

测量模块是得出测量参数值的核心，主要有照度测量模块、距离测量模块、色温测量模块、辐射测量模块。照度测量模块用于测量无影灯中心照度大小，距离测量模块用于测量不同照度大小的地方距中心照度的距离，色温测量模块主要是色温传感器，对光的色温大小进行测量，辐射测量模块主要测量紫外光辐射照度的大小。

2.1照度测量模块

光通过接收探头照射在光照传感器上，光电传感器的光电探测元件发生光电效应，将光信号转换成电流信号，电流信号经过信号处理、放大后被ADC采集，经过换算后得出相应照度值。光电传感器中，硅光电池的光照度与电流信号呈现良好的线性关系，即每增加1 lx的光照，光电流增加0.13 uA，我们所需测量的光照范围为10～200 klx，换算成电流为1.3～ 26 mA，可以看出其电流信号已经很大，只需要将其进行滤波等处理，为此我们需要将电流信号经过处理后变成可以被单片机接收的电压信号，其电路原理见图2。

2.2辐射测量模块

无影灯在进行照射工作时应当避免不需要的或过量的辐射，为此需要检测其紫外辐射的强度。在无影灯的光源发出的光中，处于紫外波段的光是非常微量的，但是不能忽略，因为它是影响表面温升的主要原因。辐射测量模块采用紫外光电倍增管作为光接收元件，经过信号处理电路和A/D转换电路将信号输入单片机采集。

2.3色温测量模块

色温是无影灯的重要参数之一，反映了物体颜色的真实程度。色温检测的传感器一般采用CCD图像传感器或CMOS图像传感器，由于这类传感器的主要应用对象是静态或动态图像，所以像素分辨率很高，但图像传感器较高的像素分辨率导致传感器尺寸较大，需要光学系统辅助，外围电路复杂，价格昂贵。色温检测传感器的重点是对被测物体色彩的识别，并不需要很高的像素分辨率，而颜色传感器注重的是色彩的分析，无像素分辨率要求，因此体积小，外围电路简单，非常适合作为色温检测的传感器件。选用TCS3200颜色传感器（见图3），芯片上继承了RGB三种滤光器，能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，直接与单片机相连。

由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就可以知道被测物体的颜色，将色光的强度按色度学方法进行处理，转换成色温。

2.4距离测量模块

本测量模块采用GP2D12红外传感器，其探测距离识别较短，测量范围10～80 cm，正适合我们测量光斑分布、光柱深度参数。GP2D12总共有三根线，分别为5V电源线、地线、IO口（见图4），其中IO口用于接到单片机内部的ADC通道，没有其余的外部电路。

光斑分布要求达到中心照度50%区域的直径不小于照度达到中心照度10%的區域的50%。光柱深度为沿着光轴，光轴上照度达到中心照度20%的两点之间的距离，故需要对其位置的距离进行测量，测量距离模块采用红外测距传感器，其基本原理为发光探头发出红外光，接收探头接收物体反射的光，根据反射光的强弱判断物体的距离。

3结语

本文研制的手术无影灯现场检测装置，集多参数检测于一体，且体积小、方便携带，能够满足目前市场上不同型号规格的手术无影灯检测需求。测量结果经过分析处理，能够直接得到质量分析报告，同时通过显示屏显示可以实现人机交互功能。

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