一种术野光斑杂散光圈匀化系统及方法

技术领域

本发明涉及手术无影灯领域，尤其是涉及一种术野光斑杂散光圈匀化系统及方法。

背景技术

手术无影灯一般由单个或多个灯头组成，系定在悬臂上，能做垂直或循环移动，悬臂通常连接在固定的结合器上，并能围着它旋转。无影灯采用可消毒的手柄或设消毒的箍(曲轨)作灵活定位，并具有自动刹车和停止功能以操纵其定位，在手术部位的上面和周围，保持相宜的空间。无影灯的固定装置可安置在天花板或墙壁上的固定点上，也可安置在天花板的轨道上。手术无影灯用来照明手术部位，以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度的小的、对比度低的物体。由于施手术者的头、手和器械均可能对手术部位造成干扰阴影，因而手术无影灯就应设计得能尽量消除阴影，并能将色彩失真降到最低程度。此外，无影灯还须能长时间地持续工作，而不散发出过量的热，因为过热会使手术者不适，也会使处在外科手术区域中的组织干燥。无影灯能从不同角度把光线照射到手术台上，既保证手术视野有足够的亮度，同时又不会产生明显的本影。

目前手术无影灯在临床应用时，术野光斑外围都会存在杂散光圈，明暗变化的视觉环境变化会对医护人员的造成视觉疲劳，影响医护人员专注力和加剧疲劳程度，而且这基本上是所有LED照明手术无影灯存在的问题,因而，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种术野光斑杂散光圈匀化方法。

为解决以上技术问题，本发明采取了以下技术方案：

本发明提供一种术野光斑杂散光圈匀化系统，包括照明组件和成像组件，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。

进一步地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述光阑盘对投射光斑与手术无影灯的术野光斑的明区叠加的部分进行消光处理。

进一步地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光阑盘设置有透光部和消光部，光线经过所述透光部，形成投射光斑的明区，光线经过所述消光部，形成投射光斑的暗区，所述投射光斑的明区与手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行叠加，所述投射光斑的暗区手术无影灯的术野光斑的明区进行叠加。

具体地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光阑盘的消光部采用磨砂消光处理。

进一步地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光线经过所述成像组件的最大投射角度与手术无影灯的最大投射角度相同。

较佳地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件还包括背光透镜，所述背光透镜设置于照射光源与所述光阑盘之间，所述背光透镜用于使光线均匀地照射在所述光阑盘上。

具体地，所述的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明光源为LED灯。

本发明还提供一种术野光斑杂散光圈匀化方法，包括以下步骤：

获取手术无影灯到投影面之间的距离，定位投影面上的杂散光圈位置；建立术野光斑杂散光圈匀化系统，所述术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑在投影面上与手术无影灯的术野光斑叠加，对所述术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。

进一步地，所述步骤“建立术野光斑杂散光圈匀化系统，所述术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑在投影面上与手术无影灯的术野光斑叠加，对所述术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补”具体包括：

建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。

进一步地，所述的术野光斑杂散光圈匀化方法，所述步骤“建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补”具体包括：

建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补，所述光阑盘对投射光斑与手术无影灯的术野光斑的明区叠加的部分进行消光处理。

相较于现有技术，本发明了提供一种术野光斑杂散光圈匀化系统及方法，所述术野光斑杂散光圈匀化系统包括照明组件和成像组件，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。本发明同时提供了一种术野光斑杂散光圈匀化方法，包括以下步骤：获取手术无影灯到投影面之间的距离，定位投影面上的杂散光圈位置；建立术野光斑杂散光圈匀化系统，所述术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑在投影面上与手术无影灯的术野光斑叠加，对所述术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。本发明针对目前市面上LED手术无影灯基本都存在的杂散光圈的问题提出了解决方案，并在不影响原来术野光斑功能的前提下解决主术野光斑与杂散光圈过渡的明暗变化视野效果；本发明针对补足杂散光圈的进行设计，有利于手术无影灯在临床使用上给医护人员更柔和的照明环境，有利于减轻医护人员因原本的明暗差产生的视觉疲劳。本发明主要通过光阑盘产生具有明暗区间的投射光斑，通过在投影面上与同时与手术无影灯杂乱光圈明暗叠加，从而实现手术无影灯的中心术野光斑与外围杂散光圈的均匀、过渡连接。

附图说明

图1为本发明提供的手术无影灯的术野光斑效果示意图。

图2为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的结构示意图。

图3为本发明提供的手术无影灯的术野光斑及杂散光圈的照度分布曲线图。

图4为本发明提供的手术无影灯照射模型示意图。

图5为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的光阑盘成像光路示意图。

图6为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的光阑盘根据术野光斑及杂散光圈进行逆向消光处理的示意图。

图7为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的背光透镜部分的结构示意图。

图8为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的光路仿真效果图。

图9为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的光斑仿真效果图。

图10为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的照度分布仿真效果图。

图11为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的照度分布曲线图。

图12为本发明提供的手术无影灯经过术野光斑杂散光圈匀化系统的精准补偿后的效果图。

图13为本发明提供的手术无影灯经过术野光斑杂散光圈匀化系统的精准补偿后的照度分布曲线图。

图14为本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统的光阑盘的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当部件被称为“装设于”、“固定于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者可能同时存在居中部件。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者可能同时存在居中部件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1所示，目前手术无影灯在临床应用时，术野光斑101外围都会存在杂散光圈102，明暗变化的视觉环境变化会对医护人员的造成视觉疲劳，影响医护人员专注力和加剧疲劳程度，而且这基本上是所有LED照明手术无影灯存在的问题。本发明旨在把这个明暗变化的杂散光圈进行精准的填补，使得中心术野光斑与外围杂散光圈的暗区填补起来，让照度从术野光斑向外照度均匀过度，使得整个照明环境更加柔和、舒适。

为了达到本发明的功能需求，实现中心术野光斑与外围杂散光圈的过渡连接更均匀。我们发现，手术无影灯需要中心术野光斑照度足够大，而需要中心术野光斑照度足够大就必须要用大功率的LED灯珠，相应的灯珠发光面也比较大，而透镜设计由于灯体的尺寸限制也不可能做得很大，所以在这个情况下LED光源相对于透镜不能作为点光源，只能当成扩散光源，扩散光源就是无数的点光源组成，而匹配的透镜只有一个光学轮廓面，所以总会存在一些位置的发光点的某些角度在光学轮廓面上不受目标面的束缚，造成大角度的杂散光圈。

为此，本发明提供了本发明还提供一种术野光斑杂散光圈匀化方法，包括以下步骤：

获取手术无影灯到投影面之间的距离，定位投影面上的杂散光圈位置；

建立术野光斑杂散光圈匀化系统，所述术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑在投影面上与手术无影灯的术野光斑叠加，对所述术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。

即首先要定位投影距离和杂圈位置，然后才能以此为基础建立术野光斑杂散光圈，定向分析对应的杂散光圈的尺寸与工作距离，利用成像系统的投射比关系来设计相应的术野光斑杂散光圈匀化系统，最后把精准填补的明暗光环投射于术野区域，与中心主光斑组合得到均匀照明环境。

进一步地，所述步骤“建立术野光斑杂散光圈匀化系统，所述术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑在投影面上与手术无影灯的术野光斑叠加，对所述术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补”具体包括：

建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。

通过定向分析对应的杂散光圈的尺寸与工作距离，利用成像系统的投射比关系来设计特定的光阑盘尺寸，并确定光阑盘各环上的透光率不同，最后通过成像处理把精准填补的明暗光环投射于术野区域，与中心主光斑组合得到均匀照明环境。

进一步地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化方法，所述步骤“建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补”具体包括：

建立照明组件和成像组件，所述照明组件和成像组件构成术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件包括照明光源和光阑盘，所述照明光源照射在光阑盘上，并通过成像组件形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑，所述投射光斑对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补，所述光阑盘对投射光斑与手术无影灯的术野光斑的明区叠加的部分进行消光处理。

与增亮填补相反，不需要增亮填补的位置需要避开补光，相应光阑盘位置要做消光处理，并且做消光部分的尺寸与位置按投射几何关系和投射比例精准做于光阑盘上，这样投射的明暗光斑才能实现对主术野光斑与杂散光圈精准填补，实现照度均匀变化，消除明暗差产生的眩光。

基于上述方法，本发明提供了一种术野光斑杂散光圈匀化系统，如图2、图7、图14所示，其包括照明组件和成像组件230，所述照明组件包括照明光源210和光阑盘220，所述照明光源210照射在光阑盘220上，并通过成像组件230形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑250，所述投射光斑250对手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行增亮填补。本发明的成像组件230，主要用于经过光阑盘220的明暗光圈进行成像，使其与投影面(术野面)的术野光斑叠加，这种设计透镜及透镜组合进行成像是本领域常用技术手段，本领域技术人员可根据实际情况自行设计，本实施例中采用的是视图中双透镜的模式。本发明针对目前市面上LED手术无影灯基本都存在的杂散光圈的问题提出了解决方案，并在不影响原来术野光斑功能的前提下解决主术野光斑与杂散光圈过渡的明暗变化视野效果；本发明针对补足杂散光圈的进行设计，有利于手术无影灯在临床使用上给医护人员更柔和的照明环境，有利于减轻医护人员因原本的明暗差产生的视觉疲劳。本发明主要通过光阑盘220产生具有明暗区间的投射光斑250，通过在投影面上与同时与手术无影灯杂乱光圈明暗叠加，从而实现手术无影灯的中心术野光斑与外围杂散光圈的均匀、过渡连接。具体地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明光源210为LED灯。进一步地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明光源210照射在光阑盘220上，并通过成像组件230形成可与手术无影灯的术野光斑叠加的投射光斑250，所述光阑盘220对投射光斑250与手术无影灯的术野光斑的明区叠加的部分进行消光处理。进一步地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光阑盘220设置有透光部221和消光部222，光线经过所述透光部221，形成投射光斑250的明区，光线经过所述消光部222，形成投射光斑250的暗区，所述投射光斑250的明区与手术无影灯的术野光斑的杂散光圈间的暗区进行叠加，所述投射光斑250的暗区手术无影灯的术野光斑的明区进行叠加。所述消光部222和透光部221在所述光阑盘220上主要以环状的形式存在。具体地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光阑盘220的消光部222采用磨砂消光处理。本发明针对目前市面上LED手术无影灯基本都存在的杂散光圈的问题提出了解决方案，并在不影响原来术野光斑功能的前提下解决主术野光斑与杂散光圈过渡的明暗变化视野效果；本发明针对补足杂散光圈的进行设计，有利于手术无影灯在临床使用上给医护人员更柔和的照明环境，有利于减轻医护人员因原本的明暗差产生的视觉疲劳。本发明主要通过光阑盘220产生具有明暗区间的投射光斑250，通过在投影面上与同时与手术无影灯杂乱光圈明暗叠加，从而实现手术无影灯的中心术野光斑与外围杂散光圈的均匀、过渡连接。

进一步地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述光线经过所述成像组件230的最大投射角度与手术无影灯的最大投射角度相同。较佳地，本发明提供的术野光斑杂散光圈匀化系统，所述照明组件还包括背光透镜240，所述背光透镜240设置于照射光源与所述光阑盘220之间，所述背光透镜240用于使光线均匀地照射在所述光阑盘220上。所述背光透镜240也可使用TIR透镜、反光杯等。本发明运用补偿光斑的方式创造性地解决目前LED手术无影灯中存在的杂散光斑问题，使得手术无影灯从中心至边缘不再是出现明暗变化的视觉效果。本发明巧妙地运用成像投影的技术对杂散光斑进行精准地补偿，达到匀化术野照明环境。本发明开发了一种多环不同透过率的光阑盘220，恰好等比例地与术野杂散光圈各环逆向吻合，根据对投影面与灯体的位置建立几何光学关系，利用成像投射比关系确定光阑盘220大小和成像组件230的焦距大小，并对光阑盘220各环进行透光率异化处理，使得各环透光率不一样。光阑盘220中消光部的尺寸与位置，根据相应需要匀化的真实的术野光斑和杂散光圈位置和大小，结合成像投射系统，按投射几何关系和投射比例精准地做于光阑盘220上。光阑盘220基材为耐高温的透明光学材质，需要消光的位置可采用不同雾度的磨砂处理，根据所需不同的透过率具体来确定磨砂轻重。为了更好地实现把一个明暗相间的光阑图案投射于术野面上，还需要给光阑盘220一个均匀的背光照明，所以还需增加透镜让光照射于光阑上，照明光斑均匀度且大小与光阑相当，照明入射角度恰好等于成像投射光斑250的扩展角度。

为了获得相应的术野光斑杂散光圈匀化系统，作为一个示例。

在手术无影灯功能开发完成后，在特定投影面上定位杂散光圈102，比如在投射距离为1000mm的照明距离面上定位杂散光圈102，对手术无影灯整体照度效果进行分析，如图3所示。如图2所示，术野光斑101杂散光圈102匀化系统采用LED灯照明光源210、背光透镜240、光阑盘220、由双透镜组成的成像组件230，用于对上述术野光斑101进行投射补偿。如图4所示，根据杂散光圈102位置与手术无影灯100建立几何模型，确定术野光斑101成像的最大投射角度(成像系统投射角度)A，通过几何光路搭建，根据投射比的几何关系确定成像透镜组的焦距大小和光阑盘尺寸(已知投射光斑尺寸为D，投射距离为1000mm,则投射比关系式：D/d＝1000/F,则在确定透镜系统焦距为F下，光阑盘尺寸也可以确定下来)，如图5所示。根据所需要补偿光斑与光阑盘透光率逆向比例关系，确定光阑盘透光率各环通过率性能，由于要对主术野光斑101与杂散光圈102之间的相应暗区的精准填补，需要对光阑各环透光率分别对应进行设计，需要补光的地方对应的阑位置透光率高，相反要避开补光的相应光阑位置要做消光磨砂处理，并且做消光部分的尺寸与位置按投射几何关系和投射比例精准做于光阑盘上，这样投射的明暗光斑才能实现对主术野光斑101与杂散光圈102精准填补，实现照度均匀变化，消除明暗差产生的眩光，如图6所示。完成对成像部分的分析和设计后，就是针对背光透镜的设计，使光线尽量均匀照射于光阑盘，出射角度(入射光阑盘后发散角度)也刚好为成像系统投射角度A，如图7所示。根据设计好的术野光斑101杂散光圈102匀化系统进行仿真成像，其效果如图8、图9、图10所示。可以得出该术野光斑杂散光圈匀化系统的投射光斑照度分布曲线，如图11所示。手术无影灯经过术野光斑杂散光圈匀化系统的精准补偿后，其效果如图12所示，除了中心术野光斑101高亮外，向外扩散的光斑实现均匀照明，无明暗变化的产生的眩光。这样，利用投射出的补偿明暗光斑，结合原有的中心术野光斑101，最终获得手术无影灯的光斑从主术野光斑的高亮区域向外照度不再是出现亮暗光圈，其最终效果的照度分布请参照图13。

综上所述，本发明针对目前市面上LED手术无影灯基本都存在的杂散光圈的问题提出了解决方案，并在不影响原来术野光斑功能的前提下解决主术野光斑与杂散光圈过渡的明暗变化视野效果；本发明针对补足杂散光圈的进行设计，有利于手术无影灯在临床使用上给医护人员更柔和的照明环境，有利于减轻医护人员因原本的明暗差产生的视觉疲劳。本发明主要通过光阑盘产生具有明暗区间的投射光斑，通过在投影面上与同时与手术无影灯杂乱光圈明暗叠加，从而实现手术无影灯的中心术野光斑与外围杂散光圈的均匀、过渡连接。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。