0 前言

　　醫(yī)用頭燈在對患者進行檢查或手術(shù)時起到了重要作用，特別在對患者深層狹窄部位進行檢查時，要求點光源和醫(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，我們設(shè)計一種新型醫(yī)用頭燈。以AT89S52 為處理芯片，采用大功率 LED 為點光源，通過可編程控制技術(shù)對醫(yī)用頭燈進行智能控制，保持其亮度穩(wěn)定。通過頭燈外觀設(shè)計，整個頭燈重量輕，佩戴輕松舒適，電源裝置與頭帶連在一起，實現(xiàn)無線化，方便使用 ；通過頭燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，使整個頭燈聚光效果好，能夠滿足深度清晰照明的需要及不同醫(yī)療條件下對光照的要求 ；通過頭燈電路設(shè)計，包括 LED 驅(qū)動電路、調(diào)光電路、鋰電池電量監(jiān)測電路等，實現(xiàn)頭燈亮度可調(diào)，保證頭燈安全方便的使用。

　　1 路線設(shè)計與實現(xiàn)

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

　　設(shè)計目標：經(jīng)過新型醫(yī)用頭燈外觀設(shè)計，實現(xiàn)了整個醫(yī)用頭燈重量輕，便于攜帶 ；通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了新型醫(yī)用頭燈光斑均勻明亮、色溫低、照度高；通過電路系統(tǒng)設(shè)計，實現(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

　　整個新型醫(yī)用頭燈包括：萬向 LED 燈頭、可伸縮頭帶、可拆裝電源。整個新型頭燈重量輕，不會給醫(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，實現(xiàn)無線化 ；萬向燈頭可根據(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)計成圓柱體，采用鋁合金材料，整個燈頭重量輕。頭燈通過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，在穿引電線電纜時容易通過。頭燈通過包塑金屬軟管組成的萬向燈頭，可根據(jù)醫(yī)務(wù)人員的意愿調(diào)節(jié)視角，實現(xiàn)同軸照明，定位穩(wěn)固，長期使用不松動?？缮炜s頭帶采用獨特的 PVC 高分子材料材質(zhì)輕，在頭帶使用伸縮過程中不變形，易折疊，便于隨身攜帶，適合于寒暑極限環(huán)境使用。整個頭帶采用人體工學(xué)設(shè)計，分布兩排透氣小孔，使醫(yī)務(wù)人員長時間佩戴無疲勞感?？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

　　新型醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計采用具有特殊的封裝光學(xué)結(jié)構(gòu)大功率 LED 燈為點光源，讓 LED 燈發(fā)出的光具有很強的指向性。為了提升光能利用率，根據(jù)新型醫(yī)用光學(xué)系統(tǒng)需求的光強分布，采取合理的反光碗張角、插入深度、環(huán)氧樹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分布。通過光學(xué)系統(tǒng)的二次設(shè)計，采用非對稱配光的自由曲面透鏡，實現(xiàn)最大可能的提高光的利用效率，理論計算的效率超過 98%，但是由于透鏡材料本身的投射率約為92%，實際的透鏡效率約 90%。LED 燈發(fā)出的光經(jīng)過透鏡，光線進行折射后聚光，輸出強勁的完美光斑，這樣高質(zhì)量的光強分布和高透射率，可以使整個光學(xué)系統(tǒng)達到很高的照度。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)計時調(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)計大幅度縮減了燈頭尺寸，以比較小的燈頭直徑實現(xiàn)卓越的無遮攔同軸照明。本次設(shè)計選用的LED 最大功率可達 3W，額定工作條件下（電壓 3 V、電流 350 mA）有效光通量可達 60 LM。經(jīng)測試，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 為光斑直徑所對應(yīng)的面積。

　　由于采用的是大功率 LED，又采用小燈頭，在長時間使用時芯片內(nèi)部熱量聚集。本設(shè)計的散熱系統(tǒng)把 LED 的鋁基板直接和燈頭外殼鑲嵌為一體，并對芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和使用表面粗化設(shè)計，這樣 LED 頭燈在長時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

　　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)動電路等。其結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。

　　本次設(shè)計的新型醫(yī)用頭燈采用的是 3.6 V、1200 mA 鋰電池，最長續(xù)航時間可達 12 h，放電時間短、可長時間存放，無記憶效應(yīng)并且可以快速充電。在整個充電器設(shè)計中，充電過程中分為 3 個階段，在電池過度放電，電壓偏低的狀態(tài)下，采用涓流充電 ；電池從過放狀態(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，再慢慢的進行補充，采用恒壓充電。

　　在整個電路系統(tǒng)中，通過按鍵電路控制 LED 醫(yī)用頭燈的開啟，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檢查鋰電池電量，提醒醫(yī)務(wù)人員及時充電；LED 驅(qū)動電路采用脈寬調(diào)整，使 LED 頭燈的照度不會隨著電量的降低而變暗，實現(xiàn)智能鎖定工作功率。整個電路系統(tǒng)鑲嵌在頭帶中，實現(xiàn)了精巧簡潔的無線設(shè)計，并采用了低功耗恒流控制實現(xiàn)了超長續(xù)航能力，在使用過程中照度始終恒定如一。

　　2 新型醫(yī)用頭燈功能設(shè)計

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

　　在醫(yī)用 LED 頭燈運用過程中，在關(guān)閉狀態(tài)下，長按主控制電路電源開關(guān)鍵 2 s 開啟照明 ；在開啟狀態(tài)下，長按主控制電路電源開關(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級電量顯示通過 5 個指示燈來顯示電量，當電池電量不足以正常工作時，5 個指示燈同時閃爍，提示為電池充電。

　　3 結(jié)束語

　　針對目前傳統(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，設(shè)計了基于 AT89S52 的新型醫(yī)用頭燈。采用了結(jié)構(gòu)精巧的外觀設(shè)計、精密的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和性能穩(wěn)定的電路系統(tǒng)設(shè)計，使新型手術(shù)頭燈重量輕、使用方便、性能優(yōu)越、性價比高，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