由863項目依托單位哈爾濱海格科技發(fā)展有限公司進行的課題“LED在醫(yī)用設備方面的應用”的研究工作取得了良好進展。本課題的主要研究內容為研究醫(yī)療手術用無影燈采用大功率LED的散熱問題；優(yōu)化光學設計；滿足醫(yī)療手術用無影燈的國家標準；目標為研制出1種以上LED手術無影燈的樣品，達到國家相關標準：顯色指數(shù)Ra≥85；中心照度40klx≤Ec≤160klx；色溫：3000k≤Tc≤6700k；完成1項以上專利,形成自主知識產(chǎn)權；培養(yǎng)一批大功率LED設計及封裝,LED光源設計、LED醫(yī)療器械研究設計的人才。
研制出多臺四孔、五孔無影燈樣機
課題自2006年10月啟動以來，各項工作按計劃進展順利。首先完成LED無影燈市場調研，了解市場上現(xiàn)有無影燈市場的技術現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。進行專利檢索，無影燈的國內、國際標準的收集，在此基礎上和各項目協(xié)作單位一起，共同確定LED無影燈的技術指標和研制的總體方案。根據(jù)總體方案，將研制工作細化為LED大功率器件的選擇及應用電路設計，電源和驅動電路的設計，遙控控制系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)的結構設計，二次光學設計和散熱系統(tǒng)設計等子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)由參加研制的人員分工負責并訂立詳細的進度計劃，研制工作全面開展。
研制過程總體進展順利，但也遇到了一些困難，解決了很多難題：
1.高光效、高顯色指數(shù)的折衷問題。由于無影燈的研制對LED的光效和顯色指數(shù)有很高的要求，市場上成熟的產(chǎn)品均達不到要求。研制人員只能立足公司現(xiàn)有的LED大功率產(chǎn)品進行改進。
研制人員立足于對大功率LED發(fā)光機理的分析，在進行大量調研之后，改進了封裝支架的結構，試驗了大量的芯片、熒光粉和封裝材料的組合，最終制造出了能夠滿足大功率LED無影燈要求的器件。
基于公司自行開發(fā)的大功率LED產(chǎn)品，具有高光效、高顯色指數(shù)、低熱阻、高可靠性等特點，為整個研制工作的順利完成打下了堅實的基礎。在封裝支架的結構研究中，有一項成果申請了國家專利。
2.在二次光學設計中，初期借鑒國外同類技術，采用菲涅爾透鏡的方法，來實現(xiàn)光線的匯聚。在實驗中發(fā)現(xiàn)，由于不同波長的光在透鏡中折射率不同，造成無影燈工作面光線色溫不均勻，邊緣有黃圈，影響使用效果。通過實驗，并借助計算機仿真分析計算，研制人員成功地將復合式拋物面聚焦器陣列，用于LED無影燈的二次光學設計達到了滿意的效果。
其原理為每顆大功率LED發(fā)出的光，通過復合拋物面聚焦器，匯聚成平行光，多組復合拋物面組成陣列，將多組平行光在工作面上組合成直徑大約20cm的均勻的光斑，每組陣列作為LED手術用無影燈的一孔。根據(jù)需要，可組成為多孔無影燈。
這種方法結構簡單，成本低廉，光線匯聚效果好，光線均勻，不會產(chǎn)生有害的色調不均勻現(xiàn)象。采用復合拋物面聚焦器陣列為LED無影燈的光學設計開辟了新的途徑。
3.在研制中，還成功攻克了LED高可靠性恒流驅動技術、大功率LED散熱技術、PWM調光和無影燈遙控控制等技術。在散熱方法的研究中，為降低系統(tǒng)熱阻，經(jīng)過反復試驗，成功地開發(fā)出新型的散熱器與功率器件的低熱阻接合結構，該技術是把散熱器與大功率器件的接合面上電鍍有可焊性金屬導熱層，可焊性金屬導熱層上涂敷有低熱阻金屬焊料，該焊料經(jīng)高溫可以固化還原為金屬的高導熱材料。
將大功率LED放置于低熱阻金屬焊料涂敷層上，通過適當?shù)募訜峁に?，使低熱阻金屬焊料固化還原為金屬，將大功率LED與散熱器焊接在一起，實現(xiàn)了大功率LED與散熱器的低熱阻接合，形成了從大功率LED的散熱襯底，經(jīng)過低熱阻金屬和可焊性金屬導熱層到散熱器的高效率導熱通道。
采用該技術，實現(xiàn)了大功率LED散熱襯底和鋁基板、鋁基板和散熱器之間的低熱阻接合，有效地降低了系統(tǒng)熱阻，大大延長了LED的使用壽命。該技術通過了國家知識產(chǎn)權局的審核，批準為國家專利。
在2008年底，制造出了多臺四孔、五孔無影燈樣機。各項性能指標，達到863計劃合同任務書的要求。在哈爾濱醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，中國人民解放軍第二一一醫(yī)院使用，取得滿意的臨床效果。經(jīng)北京電光源檢測中心檢測，各項指標符合國家標準。
選擇技術路線和關鍵技術的科學性
先進性和創(chuàng)新性
本課題采取初步設計、應用評價、修正方案，最終完成樣品研制的研究方法。由項目依托單位哈爾濱海格科技發(fā)展有限公司進行課題的協(xié)調工作，負責LED醫(yī)用無影燈光源的設計、散熱材料及散熱方法研究、無影燈系統(tǒng)散熱設計、光源的驅動電路、控制電路、備用電源的接口電路設計；哈爾濱醫(yī)科大學負責進行臨床應用實驗；北安市光達電子科技有限公司負責LED醫(yī)用無影燈的結構及光學設計。
本課題的工藝路線：
1.適合于無影燈用大功率白光LED光源的開發(fā)：
包括倒裝芯片（FLIPCHIP）的選擇，散熱材料及散熱方法研究，芯片粘接材料的選擇，光源測試技術，熱阻測試，LED光、色、電指標的一致性等；
2.整套LED無影燈初步系統(tǒng)設計及光學設計：
根據(jù)LED器件參數(shù)及燈具外形尺寸進行LED無影燈結構及光學設計，LED光源在無影燈中的散熱設計；
3.LED無影燈的驅動電路、控制電路與備用電源的接口電路設計，LED光源過流、過壓、過載保護設計； [!--empirenews.page--]
4.LED無影燈的應用實驗及評價，并根據(jù)實驗結果提出改進方案；
5.完善LED無影燈的系統(tǒng)設計及光學設計：
根據(jù)試驗結果及改進方案，修正LED無影燈系統(tǒng)設計，制作出最終的樣品并通過測試，滿足醫(yī)用無影燈的標準，供醫(yī)療科研機構試用，形成產(chǎn)業(yè)化的能力。
整個課題的研究，本著循序漸進、重點突出的原則，來逐步推進的：
1.整體結構的確定：選用可移動多孔式手術無影燈。
目前，醫(yī)院里使用的手術無影燈，可分為整體反射式手術無影燈和孔式手術無影燈兩種。一般整體反射式手術無影燈相對于孔式手術無影燈來說，價格較貴，且整體式手術無影燈需要復雜的調試，而孔式無影燈不需要調試就可以使用。無影燈可以安裝在天花板上，稱為吊式手術無影燈，也可安裝在墻壁上，稱為壁式手術無影燈。整體式手術無影燈是靠多鱗片式或水波紋式反射面從多方向反射光線達到無影效果的。這種方式需要高強度的中心光源，如采用LED作為光源，光源功率密度過于集中，不利于LED的散熱。
孔式手術無影燈可分為單孔式手術無影燈和四孔、五孔、九孔、十二孔等多孔式手術無影燈。一般情況下，單孔手術無影燈適合耳、鼻、口腔、泌尿科、婦科檢查以及手術室輔助照明。多孔式無影燈，則適合于各類手術。另外，帶剎車可移動的立式手術無影燈不受手術場地的限制，移動方便，而吊式或壁式結構的孔式手術無影燈可以節(jié)省手術場地。
通過調研并結合LED半導體照明光源的特點，我們決定選用通用性強并不受場地限制的可移動多孔式手術無影燈，作為我們的研究方向。
在整體結構上，為使產(chǎn)品和傳統(tǒng)無影燈有一定的延續(xù)性，方便醫(yī)生使用，也為了降低成本，縮短開發(fā)周期，把注意力集中在LED半導體新型光源的應用上，我們采用市場上常見的移動式孔式無影燈的結構進行適當改造，在此基礎上研制新型的LED手術無影燈。
2.LED器件的選擇
LED是不同于現(xiàn)存其他光源的新型照明器件。不同之處主要在于光的產(chǎn)生方式上。傳統(tǒng)光源中，白熾燈是靠被加熱到極高溫度的鎢絲產(chǎn)生光，在發(fā)光的同時，釋放出大量的紅外線；熒光燈是靠電弧激發(fā)水銀或其他物質的原子產(chǎn)生紫外線，紫外線撞擊覆蓋在燈具玻璃外殼的熒光物質，將紫外線轉化為可見光。LED是半導體二極管，包含一個PN結，具有單向導電性。當電流流過PN結時，電子和空穴復合，電子進入到低能級狀態(tài)，以光子的形式釋放能量。通常的LED所發(fā)出的光為單色光，通常有紅、綠、藍、黃、琥珀等顏色。
而LED照明所需要的白光，一般通過兩種途徑產(chǎn)生：
①藍光或近紫外LED芯片，覆蓋黃熒光粉，LED芯片發(fā)出的藍光或近紫外光，激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃光，適當比例的黃光和藍光或近紫外光混合，產(chǎn)生白光。
②用R（紅）G（綠）B（藍）三種單色芯片，同時發(fā)光，混合光產(chǎn)生白光。和RGB產(chǎn)生白光的方式相比，藍光涂敷黃色熒光粉產(chǎn)生白光的方式，產(chǎn)生的白光穩(wěn)定性好，色溫隨溫度變化小，不會出現(xiàn)色溫不均或雜色現(xiàn)象，是手術用無影燈的理想光源。
照明用白光LED器件的基本類型有：
①小功率白光LED，通常為φ5mm封裝，工作電流約為20mA，單顆光通量較小，光效相對較高約80~130lm/W。
②大功率1~3W的封裝，工作電流為250mA，700mA，1.5A，單顆光通量較大，光效相對比較低，約40~80lm/W。
③LED發(fā)光模組，多顆芯片封裝在一起，可根據(jù)需要，封裝成不同功率，不同形狀的產(chǎn)品。
用于醫(yī)療照明
具有得天獨厚的優(yōu)勢
通過課題的研發(fā)工作，我們發(fā)現(xiàn)LED用于醫(yī)療照明具有得天獨厚的優(yōu)勢：
1.LED為冷光源，不產(chǎn)生任何紅外和紫外輻射。相比之下，白熾燈和鹵素燈會產(chǎn)生大量的紅外輻射，金鹵燈還有一定的紫外輻射。照射過量的紫外線，會對人體產(chǎn)生傷害。紅外輻射，會造成創(chuàng)面溫度升高，加速患者傷口的血凝，不利于手術的正常進行，對醫(yī)生和護士也會產(chǎn)生炙熱感，不利于手術正常進行。
2.LED發(fā)光具有方向性，配光方便，可以使有效的光線，投射到需要照明的區(qū)域。其他種類的光源，光線照向整個空間，需要用各種方式，將光收集匯聚，在這個過程中，大量的光被吸收。
3.LED無影燈光源是由小顆粒的發(fā)光源組合而成的，如果散熱設計得當就很容易做成輕薄的結構，比起傳統(tǒng)燈具笨拙的結構，更有利于手術室的空氣對流，改善手術室的環(huán)境。
4.LED無影燈的亮度，很容易調節(jié)，醫(yī)生在手術中，可根據(jù)不同組織對亮度的不同要求、環(huán)境的照明情況、眼睛的疲勞程度，方便的調節(jié)亮度，避免長時間在強光下手術，造成的疲勞及老視。
5.LED手術用無影燈，可以方便的做成不同的色溫。可以使燈光為更純正的白光。目前常用的鹵鎢燈，其固有的色溫大約是3200K，為了使光線不顯得那么黃，一般通過高成本的濾光措施，使色溫提高到約4400K，但即便如此，燈光還是顯得不自然。
6.LED無影燈的LED光源，壽命長達50,000小時，是傳統(tǒng)無影燈專用鹵鎢燈的30~50倍，在使用過程中，無需頻繁的更換燈泡，降低了成本，減少了醫(yī)護人員的工作強度，而且使手術更加安全。
7.LED手術用無影燈，可以瞬間啟動，達到最大亮度，而傳統(tǒng)燈具，通常需要在啟動一定時間后，光源內部達到一定溫度，才能達到最大亮度，滿足手術時的照明要求。
8.LED需要低壓直流驅動，可以方便的使用蓄電池，作為備用電源，實現(xiàn)系統(tǒng)的無故障運行，保證手術安全。而傳統(tǒng)無影燈的光源，需要市電供電。其備用電源，需要復雜的逆變系統(tǒng)，將蓄電池直流低壓供電，轉化為交流高電壓的市電。不但增加了成本、系統(tǒng)的復雜性，也增加了安全風險。
通過課題的研發(fā)工作，我們認為，將LED光源應用于以手術用無影燈為代表的醫(yī)用照明領域非常有前途。通過課題的研發(fā)工作，我們還探索了新型的封裝、散熱、驅動控制、二次光學設計方法，驗證了多種實用技術，這些都為相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的基礎。特別是在配光上采用新型復合拋物面聚焦器陣列的方法，為相關領域的研究上，探索了新的方向。 [!--empirenews.page--]
LED手術用無影燈已經(jīng)在哈爾濱醫(yī)科大學附屬醫(yī)院，解放軍第二一一醫(yī)院，通過臨床實驗。LED手術用無影燈的優(yōu)點已經(jīng)為使用過的醫(yī)學專家所接受。由于使用傳統(tǒng)光源無影燈，受光源本身配光和阻隔紅外輻射需要的影響，結構復雜，設計門檻比較高，只有少數(shù)企業(yè)能夠生產(chǎn)，價格昂貴；由于傳統(tǒng)無影燈，其價值幾百元的專用燈泡使用壽命只有1000小時，使得總的使用成本，大幅度上升。困擾LED進入通用照明領域的成本問題，已經(jīng)不復存在。
鑒于這種情況，傳統(tǒng)無影燈更換為LED手術無影燈只不過是時間問題。LED手術用無影燈的應用前景一片光明。為使產(chǎn)品盡快投入市場，創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益，下一步我們將采取以下措施：
1.選擇更多有代表性的醫(yī)院進行試用，通過使用，發(fā)現(xiàn)問題，及時改進。
2.根據(jù)使用要求的不同，盡快實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，為市場提供不同照度、不同色溫和防故障產(chǎn)品，完善系統(tǒng)功能。
3.進行生產(chǎn)線的建設、完善批量生產(chǎn)需要的工裝、夾具和各種測試設備，盡快具備批量生產(chǎn)能力。
4.按ISO13485的要求，進行質量保證體系的建設，保證產(chǎn)品質量。
5.盡快申報醫(yī)療器械生產(chǎn)許可證和LED無影燈產(chǎn)品注冊。
6.進行銷售人員培訓和增加產(chǎn)品宣傳力度。
7.課題成果的其他經(jīng)濟、社會效益分析與評述。
8.課題在人才培養(yǎng)和隊伍建設、組織管理、國際合作等方面情況及經(jīng)驗總結。
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