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氙灯在医用冷光源中的应用

1  概 述
 
 
随着当今各学科科技日新月异的飞速发展,新的高科技产品不断的应用到医学领域。各种高科技的医学诊断、治疗设备快速的应用普及到医院临床日常诊疗工作中,大大提高了医生的诊疗质量与效率。如:医用内窥镜技术,尤其现在临床应用的多功能电子内窥镜, 它不但能获得组织器官形态学的诊断信息, 而且也能对组织器官各种生理机能进行测定治疗。内窥镜及内窥镜显示系统相配套的医用高亮度冷光源,其技术也在紧密的配合发展,是内窥镜重中之重的配套设备。
 
临床应用内窥镜以来, 其冷光源技术也经历了几个发展阶段。**初是将微型白炽灯直接送入体内进行照明, 其缺点不言而喻,亮度很低、照明效果不佳。光导纤维的问世使医用冷光源的性能发生了质的飞跃,因冷光源功率可以做的很大,不受空间的限制,采用高功率的发光器件, 使亮度大为提高。随着低创伤外科(MIS)出现, 内窥镜需要通过监视器显示图像, 这样对冷光源的要求就更为严格,冷光源的光学性能必须与相关装置的光学性能相匹配,达到整个观察显示系统的**佳视觉效果。因此器件可以选择色温更加合理、体积相对较大的外置气体放电光源等。如:卤化物灯、氙灯等。除光学要求外, 还有其它一些基本要求, 如: 寿命长、换灯快、通风散热合理、无环境污染等。不难看出, 冷光源虽不是十分复杂的设备 , 但研制生产高质量的医用冷光源产品, 却要涉及多门学科和多项技术, 成为医用内窥镜的重要配套装置 , 其性能的优劣直接影响内窥镜的观
 


察效果及手术的质量。
 
 
2  医用冷光源的种类及应用
 
 
目前, 医用冷光源按选用发光器件的不同可以分成两大类, 一类以热辐射电光源(如卤钨灯、充氙卤钨灯)为发光器件 ,
 
另一类则以气体放电光源(如氙灯、各种金属卤化物灯)为发光器件。这两类光源各有适用领域 , 如 : 工作距离短的医用内窥镜(如关节镜、尿道镜), 选用价廉的卤钨灯冷光源便足以满足使用方面的要求。低创伤外科使用的腹腔镜, 因为其工作距离较长, 所以应选用光强度较高的金属卤化物或氙灯冷光源。上述两类冷光源均有稳定的市场, 有部分光源产品在设计生产时,考虑到市场及实用,设计成双光源 ,即一个卤素灯 (Halogen Lamp)、一个氙灯 (Xenon Lamp), 在实际应用中可及时切换使
 
用。
 
2.1 卤素灯
 
充有溴碘等卤族元素或卤化物的钨灯称为卤素灯或卤钨
 
灯。卤素灯的外形一般都是一个细小的石英玻璃, 其特殊性就在于钨丝可以“自我再生 ”。 在这种灯的灯丝和玻璃外壳中充有一些卤族元素(卤素是化学元素周期表里的第ⅦA 族元素 I-UPAC 新规定:17 族 ),如:碘和溴。当灯丝发热时, 钨原子被蒸发向玻璃管壁方向移动。在它们接近玻璃管时, 钨蒸气被“冷却”到大约 800℃并和卤素原子结合在一起, 形成卤化钨 ( 碘化钨、溴化钨) 。卤化钨向玻璃管中央移动, 又落到被腐蚀的灯丝上。因为卤化钨很不稳定, 遇热后就会分解成卤素蒸气和钨 , 这样
中国医疗设备       综 合 2008 年 23 卷 2 期
        CHINA MEDICAL EQUIPMENT
                 
  钨又在灯丝上沉积下来, 弥补了被蒸发的部分。如此循环 , 灯 氙灯上并联有贮能电容 C,  当电压直接加到氙灯两端电极上,
  丝的使用寿命就会延长很多。所以, 卤素灯的灯丝就可以做的 且充电电压小于灯的自闪电压时, 氙灯不导电。电路通常辅助
  相对较小, 灯体也很小巧。普通卤素灯的 K 值为 3000K 左右, 有高压触发电路, 如此时接通触发开关 , 变压器产生的高压使
  光色相对氙灯光色偏黄,此前国内冷光源所用的发光器件多为 火花隙放电, 产生几万伏(23000V 左右)的触发脉冲电压加到氙
  卤钨灯, 其色温接近 3200K, 显色指数可达 95~99, 其显色指数 灯上, 触发电压使氙灯电离 , 在灯内形成长火花。这个火花在
  虽高, 但色温偏低。用这种冷光源与内窥镜配套使用 , 所观察 灯两端电压上迅速成高密度的弧光放电 , 产生极强的闪光 ,
  或显示的图像颜色偏红 ,  色还原性较差。卤钨灯的色温虽然 时贮能电容上的电压通过氙灯放电以维持氙灯工作。当电容
  低, 但是具有价格低廉、点燃装置简单、可靠等优点, 适合应用 电压由于放电而下降到一定程度后 , 主电路加上 , 保持氙灯工
  在工作距离短的医用内窥镜,如: 关节镜、尿道镜等。   作于弧光放电状态。氙气分子活动能力会随着使用时间的加
  2.2  氙灯           长而越活泼, 因此气体放电灯泡在工作后可越用越亮。  
  随着气体放电光源(氙灯、各种金属卤化物灯)为发光器件 2.2.4  氙灯的特点    
  的问世,很快应用到医用光源并应用到适用领域。如: 低创伤外 ⑴ 高亮度输出  氙灯可以输出高达 3200Lumen 的亮度 ,
  科使用的腹腔镜 , 因为其工作时间、距离较长 , 所以应选用光 而一般卤素灯泡**多也只能产生 1000Lumen 上下的亮度。氙
  强度较高的氙灯或金属卤化物灯冷光源。   灯产生高出传统卤素灯三倍的亮度效率 , 对于提高腔镜等手
  2.2.1  氙灯发光原理  在氙灯冷光源  (Xenon Lamp Cold Light 术照明效果有着明显的功效。    
  Sources)中,氙灯的发光原理是利用正负电触发氙气 ( XENON) ⑵ 色温舒适度高  氙灯可以产生 4000K 左右接近日光的
  与稀有金属起化学反应发光 , 其内还有一颗小小的玻璃球 , 这 色温光,  一般人有一种错误观念,  认为 K 值越高就一定比较
  其中灌满了氙气及少许稀有金属 , 只要用电流去触发它们 , 使 亮。其实, 所谓的色温只是解释不同温度下所产生的光色 , 温
  其进行化学反应, 两者就会发出高达 4000K 色温的光芒, 这是 度越低 , 色温光会偏红 , 反之则偏蓝 , 而在 4000K 左右色温的
  传统卤素灯所难以达到的光度, 4000K 其实也是**接近正午日 光色正好是**白且略微开始转蓝的色温 , 也**接近正午日光
  光的色温, **能让人眼感觉舒服的光度。正午的太阳光色温在 的颜色, 人眼的接受度及舒适度**高。这样的灯光可以有效减
  4200K 左右, 这个色温白中带黄, 人眼感到**舒服, 同时有很好 少操作者的视觉疲劳, 对操作的安全性也有帮助。  
  的穿透力( 黄光比白光和蓝光的穿透力更强) ,医疗设备近年来 ⑶ 数倍于其他产品的寿命 卤素灯的发光原理是用钨丝
  越来越多的使用氙气灯作为照明光源。     发热所致, 而钨丝在长久的高热下, 难保不烧断损坏,而氙气灯
  2.2.2  氙灯弧光放电原理  由于气态物质在平常情况下有很好 是利用电流刺激气体发光, 基本上不会产生过高温度 , 所以只
  的绝缘特性,  每立方厘米气体中只有几个到几百个带电的离 要其中的氙气还没用完 ,  它就可以一直正常发光 ,  使用寿命
  子和电子, 所以加上电压时产生的电流很弱 , 但当电压加到某 长。根据一项研究显示, 就算品质较高的卤素灯泡 , **多也只
  一定值时, 会看到导电电流突然增大 , 而同时放电管两端电极 能连续使用 400 小时, 而利用气体发光的氙气灯泡 , **少都有
  上的电压却突然下降,  气体从较好的绝缘体一下子变成较好 2500 小时的使用寿命。    
  的导体, 这种现象称作气体的电击穿式“点火”。按气体导电的 ⑷ 节能效果明显  两种光源在发出同等光强度的情况
  伏安特性区分 , 击穿以后气体导电还分作正常辉光放电和反 下 , 氙灯与一般卤素灯相比 , 氙灯大约节省一半的电力 , 这样
  常辉光放电和弧光放电, 而氙灯工作在弧光放电区。   不但节约能源, 对设备的散热也有极大的好处。  
  2.2.3  氙灯弧光放电起辉原理  根据气体放电的工作原理 , 在 2.3  卤素灯与氙灯的特性对比( 见表 1) 。    
          表 1  卤素灯与氙灯的特性对比    
                       
  光源名称   能耗 W   亮度 LM 色温 K   发光方式   寿命 H  
                       
  卤素灯   100~250   1330 2000~3200   燃烧钨丝发光   350~800  
                       
  氙灯   150~350   3500 4000~8000   高压击穿气体电弧发光   2000~3000  
                   


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