ИСТОЧНИК СВЕТА ДЛЯ ХИРУРГИЧЕСКИХ СВЕТИЛЬНИКОВ

Изобретение относится к медицинской технике и касается конструкции источника света для медицинских устройств, используемых для освещения органов и тканей при исследованиях и вмешательствах.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предлагаемой конструкции является источник света для медицинских устройств, содержащий светоизлучающие диоды (СИД) белого цвета и средство фокусировки светового потока ("PentaLED" Компания Rimsa, Италия). По сравнению с лампами накаливания и галогенными лампами в спектре излучения СИД белого цвета отсутствует инфракрасная составляющая, поэтому при его работе не происходит разогрева освещаемой области. Срок службы СИД белого цвета составляет до 50 тыс.часов, что обеспечивает непрерывную работу источника в течение 6 лет. Выпускаемые мировой промышленностью высокоэффективные мощные белые светодиоды имеют величину светоотдачи ~25-30 лм/Вт. Это более чем в 2 раза превосходит светоотдачу лампы накаливания. Анализ научно-технической литературы показывает, что в ближайшее время можно ожидать появление на рынке белых свето-диодов с более высоким КПД, что приведет к еще большей экономии электроэнергии.
Однако, несмотря на несомненные преимущества, такой источник света для медицинских устройств обладает рядом недостатков.
Все известные на сегодняшний день белые СИД построены по принципу двух излучателей: кристалл фиолетового или синего цвета свечения, покрытый люминофором. Часть энергии, излучаемой кристаллом, поглощается люминофором, который излучает в диапазоне желтого спектра. Таким образом, путем балансировки интенсивности излучения кристалла и люминофора, добиваются точки в белом диапазоне в соответствии с диаграммой Международной комиссии по освещению (МКО), как правило, около 5500 К, так как эта температура наиболее близка к дневному солнечному свету.
Вместе с тем, при освещении предмета любым источником света проявляются свойства поглощения или отражения этим предметом излучений разных
длин волн, благодаря чему человек различает его цвет. Так, например, идеально зеленый предмет отражает зеленую составляющую из спектра источника света, а остальную часть спектра поглощает. Если такой предмет осветить комбинацией желтого с синим, то он практически полностью поглотит этот свет и будет казаться темным. Если же его осветить источником света, содержащим зеленую составляющую в спектре, то он будет казаться светлым.
При этом если комбинация излучений желтого с синим непосредственно попадает на сетчатку глаза, она видится как белый цвет, точно также как комбинация красного с синим и зеленым (как в телевизорах и мониторах), за счет интегрирующих свойств глазных сенсоров, хотя на самом деле ни та, ни другая комбинация, по сути, не является полноцветной как дневной солнечный свет (то есть содержащий все длины волн видимого спектра от 400 нм, фиолетового до 700 нм, красного).
Таким образом, видимое изображение разных объектов в исследуемой области или в операционном поле корректно (без искажений) ощущается глазом только при освещении его источником света, содержащим полный спектральный состав видимого диапазона.
В спектре излучения известного светодиодного источника света для медицинских устройств практически полностью отсутствуют цвета, которые в большей или меньшей степени обязательно присутствуют, отражаются и визуализируются в тканях и органах человека и животных. Например, наличие и интенсивность излучения в диапазоне красного цвета в составе источников света является необходимым условием для зрительного восприятия информации о наличии и количестве крови в области операционного поля, а в диапазоне зеленого цвета - информации о наличии и характере иннервации органов и тканей. Неравномерность спектра белых СИД, выраженная в «провалах» в областях сине-зеленого и зеленого (460-530 нм), а также в спад в области красного (610-700 нм), не обеспечивает требуемую полноту спектрального состава света, отраженного объектами в области хирургического вмешательства, дает сильно искаженное изображение и не позволяет хирургу адекватно и полноценно воспринимать визуальную информацию о состоянии отдельных органов и тканей в операционном поле.
Другим существенным недостатком прототипа является невозможность регулировки спектра излучения.
Задачей изобретения является создание источника света для медицинских устройств, позволяющего без искажений полноценно воспринимать визуальную
информацию о состоянии органов и тканей в исследуемой области или операционном поле, а также визуально выделить интересующие органы и ткани, в том числе и измененные.
Поставленная задача решается тем, что источник света для медицинских устройств, содержащий СИД видимого диапазона спектра излучения и средство фокусировки светового потока, согласно изобретению содержит белые и/или одноцветные СИД и блок регулировки интенсивности излучения СИД, обеспечивающий установку заданных спектральных параметров света, соединенный с СИД.
Целесообразно, чтобы источник света для медицинских устройств дополнительно содержал, по меньшей мере, один СИД ультрафиолетового диапазона спектра излучения.
Возможно исполнение, при котором источник света содержит многоцветные СИД, у которых в одном корпусе установлены, по меньшей мере, два полупроводниковых кристалла, излучающих в различных диапазонах видимого спектра, например, в красном, зеленом и синем.
Включение в источник света белых и/или одноцветных СИД, излучающих свет не только в сине-фиолетовом и желтом диапазонах, но полностью заполняющих спектр излучения в диапазоне от сине-фиолетового (430 нм) до красного (650 нм) цветов, позволяет хирургу без искажений полноценно воспринимать визуальную информацию о состоянии отдельных органов и тканей в исследуемой области или в операционном поле в процессе проведения хирургического вмешательства. Регулировка интенсивности излучения цветных светодиодов позволяет устанавливать требующийся заданный спектр излучения источника света. Плавная регулировка интенсивности излучения светодиода осуществляется во всем диапазоне характеристик применяемого светодиода, регламентируемых его производителем. Такой диапазон позволяет максимально использовать возможности каждого отдельного светодиода в формировании спектра и интенсивности освещения. Возможность регулировки интенсивности излучения в отдельных спектральных диапазонах позволяет визуализировать и/или улучшать качество зрительного восприятия отдельных элементов в составе наблюдаемых органов и тканей при хирургических операциях и, таким образом, индивидуализировать качественные и количественные показатели освещенности области хирургического вмешательства во время операций. Например, увеличение интенсивности излучения красного цвета позволяет выявлять даже незначительные скопления крови
в операционной ране, а увеличение интенсивности излучения зеленого цвета предоставляет уникальную возможность визуально выделить нервные волокна и отличить их от запустевших кровеносных сосудов.
Включение в источник света, по меньшей мере, одного СИД, излучающего свет в ультрафиолетовой области спектра от 370нм до 405нм, при кратковременном включении позволяет визуально выявлять измененные клетки и ткани после введения в организм или аппликации на операционное поле специфических флюоресцирующих веществ.
При использовании такого источника света появляются широкие возможности при проведении любых типов исследований и хирургических вмешательств.
Многоцветные светодиоды, содержащие в едином корпусе несколько (более одного) светоизлучающих кристаллов (р-п переходов) с разными длинами волн (например, красного, синего и зеленого) могут быть использованы в источнике света вместо нескольких одноцветных для уменьшения физического объема источника света, так как один излучатель с фокусирующей оптикой используется вместо нескольких.
Заявленный источник света может быть использован в эндоскопической технике, в хирургических светильниках и других медицинских устройствах, предназначенных для освещения органов и тканей.
На фиг.1 изображена блок схема источника света для медицинских устройств; на фиг.2-5 - спектры излучений.
Источник света для медицинских устройств (Фиг.1) состоит, например, из СИД 1-5 с различными длинами волн средства фокусировки (на фиг.1 не показано). Блок 6 регулировки интенсивности излучения СИД имеет выходы 7-11, к которым соответственно подключены СИД 1-5. Источник питания 12 обеспечивает требуемые уровни напряжений и токов для питания блока регулировки 6 и СИД 1-5.
Блок регулировки 6 обеспечивает стабильный регулируемый ток СИД 1-5 и содержит контроллер с возможностью хранения ряда спектральных программ. Спектральная программа представляет собой набор коэффициентов, каждый из которых передает значение тока для соответствующего СИД. Сила тока, протекающего через СИД, отражается на яркости его свечения. Таким образом обеспечивается возможность выбора спектра свечения источника света путем настройки яркости каждого светодиода.
Орган управления 13 служит для задания пользователем тех или иных параметров излучения источника света (или светильника на основе данных источников света). Орган управления может отсутствовать в случае, если в контроллер заложена программа автоматической установки требуемых параметров света.
В зависимости от требуемых условий освещенности рабочей поверхности может использоваться разное количество источников света. Каждый источник света может содержать разное количество светодиодов и различную комбинацию из белых и/или одноцветных СИД.
Пример 1. Рассмотрим работу источника света (фиг.1), содержащего 7 СИД следующих цветов: белый 1 (3 шт.), красный 2 (1шт.), зеленый 3 (1шт.), синий 4 (1шт.), желто-оранжевый 5 (1шт.). Белые светодиоды в соответствии с принципом их устройства (кристалл синего цвета свечения, покрытый люминофором) покрывают два диапазона спектра: фиолетово-синий и желтый с пиками в области 430нм и 560нм, соответственно (табл., кривая 14 на фиг.2). Достаточно широкий диапазон в области желтого, излучаемый люминофором белых светодиодов, является в данном примере основной составляющей в спектре и, в соответствии с кривой видности глаза, создает наибольшую часть светового потока (табл.). Красный 2, желто-оранжевый 5, зеленый 3 и синий 4 СИД с пиками в областях, соответственно, 630 нм, 590 нм, 530 нм и 470 нм (фиг.3), дополняют основные провалы в спектре белых светодиодов. На токоподводящие электроды белых СИД 1, входящих в состав источника света, через выход 7 блока регулировки 6 подается напряжение. С помощью системы регулировки устанавливается ток, необходимый для получения заданной освещенности хирургического поля. Для получения в спектре излучения источника света красной, зеленой, синей, желто-оранжевой составляющих по отдельности на соответствующие выходы 8, 9, 10, 11 блока регулировки 6 подают напряжение и устанавливают ток, необходимый для требуемой интенсивности свечения СИД 2-5 соответствующей длины волны до получения заданного спектра подсветки (кривая 15 на фиг.2). Интенсивность освещения также устанавливают путем регулировки тока, протекающего через СИД, с помощью системы плавной регулировки подаваемого напряжения. Источник света со спектральной характеристикой в виде кривой 15, приведенной на фиг.2, позволяет без искажений полноценно воспринимать визуальную информацию о состоянии отдельных органов и тканей в исследуемой области или в операционном поле при проведении хирургического вмешательства.
Для улучшения визуализации, например, крови и кровеносных сосудов требуется увеличение интенсивности излучения в красной области спектра, для этого с помощью контроллера увеличивают ток на выходе 8 блока 6 регулировки интенсивности излучения, подаваемый на СИД 2 красного цвета.
В таблице 1 представлены диапазон излучения и освещенность светового пятна диаметром 20 см на расстоянии 1 м для источника света на основе 7 свето-диодов
Таблица 1
Цвет излучения светодиода
Диапазон излучения, нм
Освещенность, лк
Фиолетово-синий
430-450
до 300
Синий
450-510
до 300
Зеленый
510-560
до 1000
Желтый (люминофор)
540-600
до 8000
Желто-оранжевый
580-610
до 2000
Красный
610-660
до 1400
Рассмотренный источник света обеспечивает достаточно равномерный общий диапазон излучения 430 - 645 нм и максимальную освещенность светового пятна до 13000лк.
Пример 2. Источник света содержит шесть одноцветных СИД видимого диапазона с пиками мощности излучения на длинах волн (сриг.4): 430 нм - фиолетово-синий, 470 нм - синий, 530 нм - зеленый, 575 нм - желтый, 590 нм - желто-оранжевый, 625 нм - красный, и один СИД ультрафиолетового диапазона с пиком в области 375 нм. При балансе интенсивностей их излучения получен спектр, отображенный на фиг.5., покрывающий практически весь видимый диапазон (таблица 2). В соответствии с кривой видности глаза, наибольшая интенсивность обеспечивается в областях зеленого и желтого спектральных диапазонов.
Такой источник света позволяет:
1) обеспечить максимальный срок службы, доступный при использовании светодиодов (до 100000 часов), так как не содержит белых СИД, у которых срок службы существенно меньше (обычно не превышает 50000 часов) из-за падения со временем эмиссии люминофора; визуализировать измененные клетки и ткани в заданной области после введения в организм или аппликации на операционное поле специфических флюоресцирующих в ультрафиолетовом диапазоне веществ.
Таблица 2
Цвет излучения светодиода
Диапазон излучения, нм
Освещенность, лк
Ультрафиолетовый
365-380
до 100
Фиолетово-синий
420-460
до 300
Синий
450-510
до 300
Зеленый
510-560
до 4500
Желтый
550-590
до 2500
Желто-оранжевый
580-610
до 3500
Красный
610-660
до 1400
Использование заявленного источника света для медицинских устройств позволяет без искажений полноценно воспринимать визуальную информацию о состоянии отдельных органов и тканей в области операционного поля, а также обеспечивает максимальную возможность визуально выявить интересующие органы и ткани, в том числе и измененные.