新型医疗用LED手术无影灯的开发
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由863项目依托单位哈尔滨海格科技发展有限公司进行的课题“LED在医用设备方面的应用”的研究工作取得了良好进展。本课题的主要研究内容为研究医疗手术用无影灯采用大功率LED的散热问题；优化光学设计；满足医疗手术用无影灯的国家标准；目标为研制出1种以上LED手术无影灯的样品，达到国家相关标准：显色指数Ra≥85；中心照度40klx≤Ec≤160klx；色温：3000k≤Tc≤6700k；完成1项以上专利,形成自主知识产权；培养一批大功率LED设计及封装,LED光源设计、LED医疗器械研究设计的人才。
研制出多台四孔、五孔无影灯样机
课题自2006年10月启动以来，各项工作按计划进展顺利。首先完成LED无影灯市场调研，了解市场上现有无影灯市场的技术现状和未来发展趋势。进行专利检索，无影灯的国内、国际标准的收集，在此基础上和各项目协作单位一起，共同确定LED无影灯的技术指标和研制的总体方案。根据总体方案，将研制工作细化为LED大功率器件的选择及应用电路设计，电源和驱动电路的设计，遥控控制系统的开发，系统的结构设计，二次光学设计和散热系统设计等子系统。每个子系统由参加研制的人员分工负责并订立详细的进度计划，研制工作全面开展。
研制过程总体进展顺利，但也遇到了一些困难，解决了很多难题：
1.高光效、高显色指数的折衷问题。由于无影灯的研制对LED的光效和显色指数有很高的要求，市场上成熟的产品均达不到要求。研制人员只能立足公司现有的LED大功率产品进行改进。
研制人员立足于对大功率LED发光机理的分析，在进行大量调研之后，改进了封装支架的结构，试验了大量的芯片、荧光粉和封装材料的组合，最终制造出了能够满足大功率LED无影灯要求的器件。
基于公司自行开发的大功率LED产品，具有高光效、高显色指数、低热阻、高可靠性等特点，为整个研制工作的顺利完成打下了坚实的基础。在封装支架的结构研究中，有一项成果申请了国家专利。
2.在二次光学设计中，初期借鉴国外同类技术，采用菲涅尔透镜的方法，来实现光线的汇聚。在实验中发现，由于不同波长的光在透镜中折射率不同，造成无影灯工作面光线色温不均匀，边缘有黄圈，影响使用效果。通过实验，并借助计算机仿真分析计算，研制人员成功地将复合式抛物面聚焦器阵列，用于LED无影灯的二次光学设计达到了满意的效果。
其原理为每颗大功率LED发出的光，通过复合抛物面聚焦器，汇聚成平行光，多组复合抛物面组成阵列，将多组平行光在工作面上组合成直径大约20cm的均匀的光斑，每组阵列作为LED手术用无影灯的一孔。根据需要，可组成为多孔无影灯。
这种方法结构简单，成本低廉，光线汇聚效果好，光线均匀，不会产生有害的色调不均匀现象。采用复合抛物面聚焦器阵列为LED无影灯的光学设计开辟了新的途径。
3.在研制中，还成功攻克了LED高可靠性恒流驱动技术、大功率LED散热技术、PWM调光和无影灯遥控控制等技术。在散热方法的研究中，为降低系统热阻，经过反复试验，成功地开发出新型的散热器与功率器件的低热阻接合结构，该技术是把散热器与大功率器件的接合面上电镀有可焊性金属导热层，可焊性金属导热层上涂敷有低热阻金属焊料，该焊料经高温可以固化还原为金属的高导热材料。
将大功率LED放置于低热阻金属焊料涂敷层上，通过适当的加热工艺，使低热阻金属焊料固化还原为金属，将大功率LED与散热器焊接在一起，实现了大功率LED与散热器的低热阻接合，形成了从大功率LED的散热衬底，经过低热阻金属和可焊性金属导热层到散热器的高效率导热通道。
采用该技术，实现了大功率LED散热衬底和铝基板、铝基板和散热器之间的低热阻接合，有效地降低了系统热阻，大大延长了LED的使用寿命。该技术通过了国家知识产权局的审核，批准为国家专利。
在2008年底，制造出了多台四孔、五孔无影灯样机。各项性能指标，达到863计划合同任务书的要求。在哈尔滨医科大学附属医院，中国人民解放军第二一一医院使用，取得满意的临床效果。经北京电光源检测中心检测，各项指标符合国家标准。
选择技术路线和关键技术的科学性
先进性和创新性
本课题采取初步设计、应用评价、修正方案，最终完成样品研制的研究方法。由项目依托单位哈尔滨海格科技发展有限公司进行课题的协调工作，负责LED医用无影灯光源的设计、散热材料及散热方法研究、无影灯系统散热设计、光源的驱动电路、控制电路、备用电源的接口电路设计；哈尔滨医科大学负责进行临床应用实验；北安市光达电子科技有限公司负责LED医用无影灯的结构及光学设计。
本课题的工艺路线：
1.适合于无影灯用大功率白光LED光源的开发：
包括倒装芯片（FLIPCHIP）的选择，散热材料及散热方法研究，芯片粘接材料的选择，光源测试技术，热阻测试，LED光、色、电指标的一致性等；
2.整套LED无影灯初步系统设计及光学设计：
根据LED器件参数及灯具外形尺寸进行LED无影灯结构及光学设计，LED光源在无影灯中的散热设计；
3.LED无影灯的驱动电路、控制电路与备用电源的接口电路设计，LED光源过流、过压、过载保护设计； [!--empirenews.page--]
4.LED无影灯的应用实验及评价，并根据实验结果提出改进方案；
5.完善LED无影灯的系统设计及光学设计：
根据试验结果及改进方案，修正LED无影灯系统设计，制作出最终的样品并通过测试，满足医用无影灯的标准，供医疗科研机构试用，形成产业化的能力。
整个课题的研究，本着循序渐进、重点突出的原则，来逐步推进的：
1.整体结构的确定：选用可移动多孔式手术无影灯。
目前，医院里使用的手术无影灯，可分为整体反射式手术无影灯和孔式手术无影灯两种。一般整体反射式手术无影灯相对于孔式手术无影灯来说，价格较贵，且整体式手术无影灯需要复杂的调试，而孔式无影灯不需要调试就可以使用。无影灯可以安装在天花板上，称为吊式手术无影灯，也可安装在墙壁上，称为壁式手术无影灯。整体式手术无影灯是靠多鳞片式或水波纹式反射面从多方向反射光线达到无影效果的。这种方式需要高强度的中心光源，如采用LED作为光源，光源功率密度过于集中，不利于LED的散热。
孔式手术无影灯可分为单孔式手术无影灯和四孔、五孔、九孔、十二孔等多孔式手术无影灯。一般情况下，单孔手术无影灯适合耳、鼻、口腔、泌尿科、妇科检查以及手术室辅助照明。多孔式无影灯，则适合于各类手术。另外，带刹车可移动的立式手术无影灯不受手术场地的限制，移动方便，而吊式或壁式结构的孔式手术无影灯可以节省手术场地。
通过调研并结合LED半导体照明光源的特点，我们决定选用通用性强并不受场地限制的可移动多孔式手术无影灯，作为我们的研究方向。
在整体结构上，为使产品和传统无影灯有一定的延续性，方便医生使用，也为了降低成本，缩短开发周期，把注意力集中在LED半导体新型光源的应用上，我们采用市场上常见的移动式孔式无影灯的结构进行适当改造，在此基础上研制新型的LED手术无影灯。
2.LED器件的选择
LED是不同于现存其他光源的新型照明器件。不同之处主要在于光的产生方式上。传统光源中，白炽灯是靠被加热到极高温度的钨丝产生光，在发光的同时，释放出大量的红外线；荧光灯是靠电弧激发水银或其他物质的原子产生紫外线，紫外线撞击覆盖在灯具玻璃外壳的荧光物质，将紫外线转化为可见光。LED是半导体二极管，包含一个PN结，具有单向导电性。当电流流过PN结时，电子和空穴复合，电子进入到低能级状态，以光子的形式释放能量。通常的LED所发出的光为单色光，通常有红、绿、蓝、黄、琥珀等颜色。
而LED照明所需要的白光，一般通过两种途径产生：
①蓝光或近紫外LED芯片，覆盖黄荧光粉，LED芯片发出的蓝光或近紫外光，激发荧光粉产生黄光，适当比例的黄光和蓝光或近紫外光混合，产生白光。
②用R（红）G（绿）B（蓝）三种单色芯片，同时发光，混合光产生白光。和RGB产生白光的方式相比，蓝光涂敷黄色荧光粉产生白光的方式，产生的白光稳定性好，色温随温度变化小，不会出现色温不均或杂色现象，是手术用无影灯的理想光源。
照明用白光LED器件的基本类型有：
①小功率白光LED，通常为φ5mm封装，工作电流约为20mA，单颗光通量较小，光效相对较高约80~130lm/W。
②大功率1~3W的封装，工作电流为250mA，700mA，1.5A，单颗光通量较大，光效相对比较低，约40~80lm/W。
③LED发光模组，多颗芯片封装在一起，可根据需要，封装成不同功率，不同形状的产品。
用于医疗照明
具有得天独厚的优势
通过课题的研发工作，我们发现LED用于医疗照明具有得天独厚的优势：
1.LED为冷光源，不产生任何红外和紫外辐射。相比之下，白炽灯和卤素灯会产生大量的红外辐射，金卤灯还有一定的紫外辐射。照射过量的紫外线，会对人体产生伤害。红外辐射，会造成创面温度升高，加速患者伤口的血凝，不利于手术的正常进行，对医生和护士也会产生炙热感，不利于手术正常进行。
2.LED发光具有方向性，配光方便，可以使有效的光线，投射到需要照明的区域。其他种类的光源，光线照向整个空间，需要用各种方式，将光收集汇聚，在这个过程中，大量的光被吸收。
3.LED无影灯光源是由小颗粒的发光源组合而成的，如果散热设计得当就很容易做成轻薄的结构，比起传统灯具笨拙的结构，更有利于手术室的空气对流，改善手术室的环境。
4.LED无影灯的亮度，很容易调节，医生在手术中，可根据不同组织对亮度的不同要求、环境的照明情况、眼睛的疲劳程度，方便的调节亮度，避免长时间在强光下手术，造成的疲劳及老视。
5.LED手术用无影灯，可以方便的做成不同的色温。可以使灯光为更纯正的白光。目前常用的卤钨灯，其固有的色温大约是3200K，为了使光线不显得那么黄，一般通过高成本的滤光措施，使色温提高到约4400K，但即便如此，灯光还是显得不自然。
6.LED无影灯的LED光源，寿命长达50,000小时，是传统无影灯专用卤钨灯的30~50倍，在使用过程中，无需频繁的更换灯泡，降低了成本，减少了医护人员的工作强度，而且使手术更加安全。
7.LED手术用无影灯，可以瞬间启动，达到最大亮度，而传统灯具，通常需要在启动一定时间后，光源内部达到一定温度，才能达到最大亮度，满足手术时的照明要求。
8.LED需要低压直流驱动，可以方便的使用蓄电池，作为备用电源，实现系统的无故障运行，保证手术安全。而传统无影灯的光源，需要市电供电。其备用电源，需要复杂的逆变系统，将蓄电池直流低压供电，转化为交流高电压的市电。不但增加了成本、系统的复杂性，也增加了安全风险。
通过课题的研发工作，我们认为，将LED光源应用于以手术用无影灯为代表的医用照明领域非常有前途。通过课题的研发工作，我们还探索了新型的封装、散热、驱动控制、二次光学设计方法，验证了多种实用技术，这些都为相关产业的发展奠定了良好的基础。特别是在配光上采用新型复合抛物面聚焦器阵列的方法，为相关领域的研究上，探索了新的方向。 [!--empirenews.page--]
LED手术用无影灯已经在哈尔滨医科大学附属医院，解放军第二一一医院，通过临床实验。LED手术用无影灯的优点已经为使用过的医学专家所接受。由于使用传统光源无影灯，受光源本身配光和阻隔红外辐射需要的影响，结构复杂，设计门槛比较高，只有少数企业能够生产，价格昂贵；由于传统无影灯，其价值几百元的专用灯泡使用寿命只有1000小时，使得总的使用成本，大幅度上升。困扰LED进入通用照明领域的成本问题，已经不复存在。
鉴于这种情况，传统无影灯更换为LED手术无影灯只不过是时间问题。LED手术用无影灯的应用前景一片光明。为使产品尽快投入市场，创造经济效益和社会效益，下一步我们将采取以下措施：
1.选择更多有代表性的医院进行试用，通过使用，发现问题，及时改进。
2.根据使用要求的不同，尽快实现产品的系列化，为市场提供不同照度、不同色温和防故障产品，完善系统功能。
3.进行生产线的建设、完善批量生产需要的工装、夹具和各种测试设备，尽快具备批量生产能力。
4.按ISO13485的要求，进行质量保证体系的建设，保证产品质量。
5.尽快申报医疗器械生产许可证和LED无影灯产品注册。
6.进行销售人员培训和增加产品宣传力度。
7.课题成果的其他经济、社会效益分析与评述。
8.课题在人才培养和队伍建设、组织管理、国际合作等方面情况及经验总结。
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