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氙燈在醫用冷光源中的應用

1  概 述
 
 
随着當今各學科科技日新月異的飛速發展,新的高科技産品不斷的應用到醫學領域。各種高科技的醫學診斷、治療設備快速的應用普及到醫院臨床日常診療工作中,大大提高了醫生的診療質量與效率。如:醫用内窺鏡技術,尤其現在臨床應用的多功能電子内窺鏡, 它不但能獲得組織器官形态學的診斷信息, 而且也能對組織器官各種生理機能進行測定治療。内窺鏡及内窺鏡顯示系統相配套的醫用高亮度冷光源,其技術也在緊密的配合發展,是内窺鏡重中之重的配套設備。
 
臨床應用内窺鏡以來, 其冷光源技術也經曆了幾個發展階段。**初是将微型白熾燈直接送入體内進行照明, 其缺點不言而喻,亮度很低、照明效果不佳。光導纖維的問世使醫用冷光源的性能發生了質的飛躍,因冷光源功率可以做的很大,不受空間的限制,采用高功率的發光器件, 使亮度大為提高。随着低創傷外科(MIS)出現, 内窺鏡需要通過監視器顯示圖像, 這樣對冷光源的要求就更為嚴格,冷光源的光學性能必須與相關裝置的光學性能相匹配,達到整個觀察顯示系統的**佳視覺效果。因此器件可以選擇色溫更加合理、體積相對較大的外置氣體放電光源等。如:鹵化物燈、氙燈等。除光學要求外, 還有其它一些基本要求, 如: 壽命長、換燈快、通風散熱合理、無環境污染等。不難看出, 冷光源雖不是十分複雜的設備 , 但研制生産高質量的醫用冷光源産品, 卻要涉及多門學科和多項技術, 成為醫用内窺鏡的重要配套裝置 , 其性能的優劣直接影響内窺鏡的觀
 


察效果及手術的質量。
 
 
2  醫用冷光源的種類及應用
 
 
目前, 醫用冷光源按選用發光器件的不同可以分成兩大類, 一類以熱輻射電光源(如鹵鎢燈、充氙鹵鎢燈)為發光器件 ,
 
另一類則以氣體放電光源(如氙燈、各種金屬鹵化物燈)為發光器件。這兩類光源各有适用領域 , 如 : 工作距離短的醫用内窺鏡(如關節鏡、尿道鏡), 選用價廉的鹵鎢燈冷光源便足以滿足使用方面的要求。低創傷外科使用的腹腔鏡, 因為其工作距離較長, 所以應選用光強度較高的金屬鹵化物或氙燈冷光源。上述兩類冷光源均有穩定的市場, 有部分光源産品在設計生産時,考慮到市場及實用,設計成雙光源 ,即一個鹵素燈 (Halogen Lamp)、一個氙燈 (Xenon Lamp), 在實際應用中可及時切換使
 
用。
 
2.1 鹵素燈
 
充有溴碘等鹵族元素或鹵化物的鎢燈稱為鹵素燈或鹵鎢
 
燈。鹵素燈的外形一般都是一個細小的石英玻璃, 其特殊性就在于鎢絲可以“自我再生 ”。 在這種燈的燈絲和玻璃外殼中充有一些鹵族元素(鹵素是化學元素周期表裡的第ⅦA 族元素 I-UPAC 新規定:17 族 ),如:碘和溴。當燈絲發熱時, 鎢原子被蒸發向玻璃管壁方向移動。在它們接近玻璃管時, 鎢蒸氣被“冷卻”到大約 800℃并和鹵素原子結合在一起, 形成鹵化鎢 ( 碘化鎢、溴化鎢) 。鹵化鎢向玻璃管中央移動, 又落到被腐蝕的燈絲上。因為鹵化鎢很不穩定, 遇熱後就會分解成鹵素蒸氣和鎢 , 這樣
中國醫療設備       綜 合 2008 年 23 卷 2 期
        CHINA MEDICAL EQUIPMENT
                 
  鎢又在燈絲上沉積下來, 彌補了被蒸發的部分。如此循環 , 燈 氙燈上并聯有貯能電容 C,  當電壓直接加到氙燈兩端電極上,
  絲的使用壽命就會延長很多。所以, 鹵素燈的燈絲就可以做的 且充電電壓小于燈的自閃電壓時, 氙燈不導電。電路通常輔助
  相對較小, 燈體也很小巧。普通鹵素燈的 K 值為 3000K 左右, 有高壓觸發電路, 如此時接通觸發開關 , 變壓器産生的高壓使
  光色相對氙燈光色偏黃,此前國内冷光源所用的發光器件多為 火花隙放電, 産生幾萬伏(23000V 左右)的觸發脈沖電壓加到氙
  鹵鎢燈, 其色溫接近 3200K, 顯色指數可達 95~99, 其顯色指數 燈上, 觸發電壓使氙燈電離 , 在燈内形成長火花。這個火花在
  雖高, 但色溫偏低。用這種冷光源與内窺鏡配套使用 , 所觀察 燈兩端電壓上迅速成高密度的弧光放電 , 産生極強的閃光 ,
  或顯示的圖像顔色偏紅 ,  色還原性較差。鹵鎢燈的色溫雖然 時貯能電容上的電壓通過氙燈放電以維持氙燈工作。當電容
  低, 但是具有價格低廉、點燃裝置簡單、可靠等優點, 适合應用 電壓由于放電而下降到一定程度後 , 主電路加上 , 保持氙燈工
  在工作距離短的醫用内窺鏡,如: 關節鏡、尿道鏡等。   作于弧光放電狀态。氙氣分子活動能力會随着使用時間的加
  2.2  氙燈           長而越活潑, 因此氣體放電燈泡在工作後可越用越亮。  
  随着氣體放電光源(氙燈、各種金屬鹵化物燈)為發光器件 2.2.4  氙燈的特點    
  的問世,很快應用到醫用光源并應用到适用領域。如: 低創傷外 ⑴ 高亮度輸出  氙燈可以輸出高達 3200Lumen 的亮度 ,
  科使用的腹腔鏡 , 因為其工作時間、距離較長 , 所以應選用光 而一般鹵素燈泡**多也隻能産生 1000Lumen 上下的亮度。氙
  強度較高的氙燈或金屬鹵化物燈冷光源。   燈産生高出傳統鹵素燈三倍的亮度效率 , 對于提高腔鏡等手
  2.2.1  氙燈發光原理  在氙燈冷光源  (Xenon Lamp Cold Light 術照明效果有着明顯的功效。    
  Sources)中,氙燈的發光原理是利用正負電觸發氙氣 ( XENON) ⑵ 色溫舒适度高  氙燈可以産生 4000K 左右接近日光的
  與稀有金屬起化學反應發光 , 其内還有一顆小小的玻璃球 , 這 色溫光,  一般人有一種錯誤觀念,  認為 K 值越高就一定比較
  其中灌滿了氙氣及少許稀有金屬 , 隻要用電流去觸發它們 , 使 亮。其實, 所謂的色溫隻是解釋不同溫度下所産生的光色 , 溫
  其進行化學反應, 兩者就會發出高達 4000K 色溫的光芒, 這是 度越低 , 色溫光會偏紅 , 反之則偏藍 , 而在 4000K 左右色溫的
  傳統鹵素燈所難以達到的光度, 4000K 其實也是**接近正午日 光色正好是**白且略微開始轉藍的色溫 , 也**接近正午日光
  光的色溫, **能讓人眼感覺舒服的光度。正午的太陽光色溫在 的顔色, 人眼的接受度及舒适度**高。這樣的燈光可以有效減
  4200K 左右, 這個色溫白中帶黃, 人眼感到**舒服, 同時有很好 少操作者的視覺疲勞, 對操作的安全性也有幫助。  
  的穿透力( 黃光比白光和藍光的穿透力更強) ,醫療設備近年來 ⑶ 數倍于其他産品的壽命 鹵素燈的發光原理是用鎢絲
  越來越多的使用氙氣燈作為照明光源。     發熱所緻, 而鎢絲在長久的高熱下, 難保不燒斷損壞,而氙氣燈
  2.2.2  氙燈弧光放電原理  由于氣态物質在平常情況下有很好 是利用電流刺激氣體發光, 基本上不會産生過高溫度 , 所以隻
  的絕緣特性,  每立方厘米氣體中隻有幾個到幾百個帶電的離 要其中的氙氣還沒用完 ,  它就可以一直正常發光 ,  使用壽命
  子和電子, 所以加上電壓時産生的電流很弱 , 但當電壓加到某 長。根據一項研究顯示, 就算品質較高的鹵素燈泡 , **多也隻
  一定值時, 會看到導電電流突然增大 , 而同時放電管兩端電極 能連續使用 400 小時, 而利用氣體發光的氙氣燈泡 , **少都有
  上的電壓卻突然下降,  氣體從較好的絕緣體一下子變成較好 2500 小時的使用壽命。    
  的導體, 這種現象稱作氣體的電擊穿式“點火”。按氣體導電的 ⑷ 節能效果明顯  兩種光源在發出同等光強度的情況
  伏安特性區分 , 擊穿以後氣體導電還分作正常輝光放電和反 下 , 氙燈與一般鹵素燈相比 , 氙燈大約節省一半的電力 , 這樣
  常輝光放電和弧光放電, 而氙燈工作在弧光放電區。   不但節約能源, 對設備的散熱也有極大的好處。  
  2.2.3  氙燈弧光放電起輝原理  根據氣體放電的工作原理 , 在 2.3  鹵素燈與氙燈的特性對比( 見表 1) 。    
          表 1  鹵素燈與氙燈的特性對比    
                       
  光源名稱   能耗 W   亮度 LM 色溫 K   發光方式   壽命 H  
                       
  鹵素燈   100~250   1330 2000~3200   燃燒鎢絲發光   350~800  
                       
  氙燈   150~350   3500 4000~8000   高壓擊穿氣體電弧發光   2000~3000  
                   


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