0 前言

　　醫(yī)用頭燈在對(duì)患者進(jìn)行檢查或手術(shù)時(shí)起到了重要作用，特別在對(duì)患者深層狹窄部位進(jìn)行檢查時(shí)，要求點(diǎn)光源和醫(yī)生的視線處在同一角度。傳統(tǒng)頭燈采用大功率 LED 燈為電光源，采用干電池供電，這樣頭燈耗電量大，續(xù)航時(shí)間短，而且外觀比較笨重，使用很不方便 ；而采用立燈作為電光源，額帶反光鏡進(jìn)行反光，聚焦效果差，色溫高，照度不夠，影響醫(yī)生的診斷結(jié)果。

　　基于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)一種新型醫(yī)用頭燈。以AT89S52 為處理芯片，采用大功率 LED 為點(diǎn)光源，通過(guò)可編程控制技術(shù)對(duì)醫(yī)用頭燈進(jìn)行智能控制，保持其亮度穩(wěn)定。通過(guò)頭燈外觀設(shè)計(jì)，整個(gè)頭燈重量輕，佩戴輕松舒適，電源裝置與頭帶連在一起，實(shí)現(xiàn)無(wú)線化，方便使用 ；通過(guò)頭燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使整個(gè)頭燈聚光效果好，能夠滿足深度清晰照明的需要及不同醫(yī)療條件下對(duì)光照的要求 ；通過(guò)頭燈電路設(shè)計(jì)，包括 LED 驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)光電路、鋰電池電量監(jiān)測(cè)電路等，實(shí)現(xiàn)頭燈亮度可調(diào)，保證頭燈安全方便的使用。

　　1 路線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本次新型醫(yī)用頭燈設(shè)計(jì)由3部分組成 ：外觀設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)：經(jīng)過(guò)新型醫(yī)用頭燈外觀設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)醫(yī)用頭燈重量輕，便于攜帶 ；通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了新型醫(yī)用頭燈光斑均勻明亮、色溫低、照度高；通過(guò)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新型醫(yī)用頭燈亮度調(diào)節(jié)和電量顯示等功能。

　　1.1 新型醫(yī)用頭燈外觀設(shè)計(jì)

　　整個(gè)新型醫(yī)用頭燈包括：萬(wàn)向 LED 燈頭、可伸縮頭帶、可拆裝電源。整個(gè)新型頭燈重量輕，不會(huì)給醫(yī)務(wù)人員造成頭腦壓迫，佩戴舒適 ；將電源和頭帶結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)無(wú)線化 ；萬(wàn)向燈頭可根據(jù)醫(yī)務(wù)人員按照自己的意愿調(diào)節(jié)頭燈方向，方便使用。燈頭設(shè)計(jì)成圓柱體，采用鋁合金材料，整個(gè)燈頭重量輕。頭燈通過(guò)包塑金屬軟管與可伸縮頭帶相連，包塑金屬軟管內(nèi)層采用鍍鋅軟管及特殊絕緣處理，外層采用 PVC 塑料，且 PVC 塑料中添加了防火阻燃劑。包塑金軟管結(jié)構(gòu)為單扣型，增加抗拉強(qiáng)度，不容易折斷或變形、彎曲性能好，內(nèi)部平滑構(gòu)造，在穿引電線電纜時(shí)容易通過(guò)。頭燈通過(guò)包塑金屬軟管組成的萬(wàn)向燈頭，可根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的意愿調(diào)節(jié)視角，實(shí)現(xiàn)同軸照明，定位穩(wěn)固，長(zhǎng)期使用不松動(dòng)?？缮炜s頭帶采用獨(dú)特的 PVC 高分子材料材質(zhì)輕，在頭帶使用伸縮過(guò)程中不變形，易折疊，便于隨身攜帶，適合于寒暑極限環(huán)境使用。整個(gè)頭帶采用人體工學(xué)設(shè)計(jì)，分布兩排透氣小孔，使醫(yī)務(wù)人員長(zhǎng)時(shí)間佩戴無(wú)疲勞感?？刹鹧b電源采用的是聚合物鋰電池，重量輕，可直接拆裝，不會(huì)給頭腦造成壓迫感，且綠色環(huán)保、安全可靠。

　　1.2 新型醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　新型醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用具有特殊的封裝光學(xué)結(jié)構(gòu)大功率 LED 燈為點(diǎn)光源，讓 LED 燈發(fā)出的光具有很強(qiáng)的指向性。為了提升光能利用率，根據(jù)新型醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)需求的光強(qiáng)分布，采取合理的反光碗張角、插入深度、環(huán)氧樹(shù)脂的折射率和透鏡的曲率半徑，讓 LED 發(fā)出的光具有最合理的光強(qiáng)分布。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì)，采用非對(duì)稱配光的自由曲面透鏡，實(shí)現(xiàn)最大可能的提高光的利用效率，理論計(jì)算的效率超過(guò) 98%，但是由于透鏡材料本身的投射率約為92%，實(shí)際的透鏡效率約 90%。LED 燈發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡，光線進(jìn)行折射后聚光，輸出強(qiáng)勁的完美光斑，這樣高質(zhì)量的光強(qiáng)分布和高透射率，可以使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到很高的照度。透鏡和 LED 燈的透鏡距離可使聚光角度發(fā)生變化（成反比），在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)節(jié)好 LED 與透鏡之間的距離，可使 LED 發(fā)出的光線集中在空間角≤ 5°的照明區(qū)域內(nèi)，這樣的光路設(shè)計(jì)大幅度縮減了燈頭尺寸，以比較小的燈頭直徑實(shí)現(xiàn)卓越的無(wú)遮攔同軸照明。本次設(shè)計(jì)選用的LED 最大功率可達(dá) 3W，額定工作條件下（電壓 3 V、電流 350 mA）有效光通量可達(dá) 60 LM。經(jīng)測(cè)試，在照明光束未被遮擋的情況下，距燈頭 0.5 m 處聚焦的光斑直徑可達(dá)40 mm，則此處的中心照度E ：

　　式中 Φ 為光通量，S 為光斑直徑所對(duì)應(yīng)的面積。

　　由于采用的是大功率 LED，又采用小燈頭，在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)芯片內(nèi)部熱量聚集。本設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)把 LED 的鋁基板直接和燈頭外殼鑲嵌為一體，并對(duì)芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和使用表面粗化設(shè)計(jì)，這樣 LED 頭燈在長(zhǎng)時(shí)間使用中能夠保持燈頭的溫度。

　　1.3 新型醫(yī)用頭燈電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　新型醫(yī)用頭燈電路系統(tǒng)包括外部充電電路和主控制電路。 主控電路包括主芯片（AT89S52）控制電路、按鍵電路、電量顯示電路、調(diào)光電路、LED驅(qū)動(dòng)電路等。其結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖1。

　　本次設(shè)計(jì)的新型醫(yī)用頭燈采用的是 3.6 V、1200 mA 鋰電池，最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間可達(dá) 12 h，放電時(shí)間短、可長(zhǎng)時(shí)間存放，無(wú)記憶效應(yīng)并且可以快速充電。在整個(gè)充電器設(shè)計(jì)中，充電過(guò)程中分為 3 個(gè)階段，在電池過(guò)度放電，電壓偏低的狀態(tài)下，采用涓流充電 ；電池從過(guò)放狀態(tài)恢復(fù)到了正常狀態(tài)后，采用恒流充電；已經(jīng)充滿 85% 以上，再慢慢的進(jìn)行補(bǔ)充，采用恒壓充電。

　　在整個(gè)電路系統(tǒng)中，通過(guò)按鍵電路控制 LED 醫(yī)用頭燈的開(kāi)啟，調(diào)光電路可以分為 5 檔，控制頭燈的照度。電量顯示電路可以隨時(shí)檢查鋰電池電量，提醒醫(yī)務(wù)人員及時(shí)充電；LED 驅(qū)動(dòng)電路采用脈寬調(diào)整，使 LED 頭燈的照度不會(huì)隨著電量的降低而變暗，實(shí)現(xiàn)智能鎖定工作功率。整個(gè)電路系統(tǒng)鑲嵌在頭帶中，實(shí)現(xiàn)了精巧簡(jiǎn)潔的無(wú)線設(shè)計(jì)，并采用了低功耗恒流控制實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)續(xù)航能力，在使用過(guò)程中照度始終恒定如一。

　　2 新型醫(yī)用頭燈功能設(shè)計(jì)

　　基于AT89S52 芯片的新型 LED 醫(yī)用頭燈的外觀功能設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖 2。

　　在醫(yī)用 LED 頭燈運(yùn)用過(guò)程中，在關(guān)閉狀態(tài)下，長(zhǎng)按主控制電路電源開(kāi)關(guān)鍵 2 s 開(kāi)啟照明 ；在開(kāi)啟狀態(tài)下，長(zhǎng)按主控制電路電源開(kāi)關(guān)鍵 2 s 關(guān)閉照明。在亮度調(diào)節(jié)狀態(tài)下，每按 1 次加亮鍵，亮度增加 1 檔，亮度指示燈相應(yīng)增加 1 格 ； 每按 1 次減量鍵，亮度降低 1 檔，亮度指示燈相應(yīng)減少 1 格。5級(jí)電量顯示通過(guò) 5 個(gè)指示燈來(lái)顯示電量，當(dāng)電池電量不足以正常工作時(shí)，5 個(gè)指示燈同時(shí)閃爍，提示為電池充電。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　針對(duì)目前傳統(tǒng)手術(shù)頭燈外觀比較笨重、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、使用不方便等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于 AT89S52 的新型醫(yī)用頭燈。采用了結(jié)構(gòu)精巧的外觀設(shè)計(jì)、精密的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能穩(wěn)定的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使新型手術(shù)頭燈重量輕、使用方便、性能優(yōu)越、性價(jià)比高，非常適合醫(yī)院的各種外科手術(shù)。

　　作者：周文光 魏培德 許新建 孔悅

　　解放軍第174醫(yī)院器材科