CN102111935B - 具有根据照明场亮度调控照度的设备的照明设备以及相关应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有根据照明场亮度调控照度的设备的照明设备以及相关应用。一种用于照亮照明场(2)的设备(1)，包括：用于照亮所述照明场(2)的光源(5)，用于调控光源照度的设备(7)。该用于调控光源照度的设备(7)适于接受实际亮度信号，该实际亮度信号表示照明场(2)的实际亮长度；以及依照实际亮度信号和亮度设置点信号控制光源(5)的照度。该照明设备(1)还包括用于确定实际亮度的设备(11)，其适于确定照明场(2)的实际亮度并且产生和传输该实际亮度信号给用于调控光源照度的设备(7)。照明操作场的设备的应用。

Description

具有根据照明场亮度调控照度的设备的照明设备以及相关应用
本发明涉及一种用于照亮照明场的设备，特别是照亮手术区域，包括：
-光源，适于照亮照明场；以及
-用于调控光源照度的设备。
手术灯在手术区域提供了大量的光(40,000lux到160,000lux)，由此使得外科医生在良好的条件下工作。
需要大量的光是由于特定人体组织(诸如肌肉和消化系统的特定组织)的低反射率，以及人眼对高亮度具有更好的分辨率。
然而，过强的亮度也会淹没、疲劳和退化观察者的视力。
在同一手术期间，外科医生必须观察各种不同类型的组织，根据组织的不同它们具有各异的反射率。皮肤、骨骼、结肠的特定部分非常易反射因此导致对于给定照度，外科医生的眼睛感知到高亮度。而其它组织非常暗并且对于给定照度产生低亮度。观察到的组织的表面形状在手术期间也逐步演变，并且可能导致组织所接收到的照度发生变化，而结果，导致外科医生感知到的这些组织亮度发生变化。因此，当外科医生在手术部位进行切割时，形成了其中照度较低的空腔。组织随后向外科医生的眼睛重新传播一个与手术前该位置的亮度相比更低的亮度，而这与该组织的反射率无关。该亮度因此由两个要素构成：“亮度因子”，其单独取决于表面的反射率，以及“亮度系数”，其单独取决于表面形状。
公知的手术照明设备安装有用于调节照度的系统，其需要用户手动介入并且其可以在所观察的组织类型改变时修正照明设备的光通量。
例如，美国专利US 6964490中考虑了一种用于照明手术场的设备，其适于根据照明场的尺寸调节光通量从而将照度保持在基本上恒定的水平。该检测照明场尺寸变化的装置可以是例如，适于检测手术场亮度变化的光检测器。随后使用检测到的亮度变化通过改变光通量而将照度调节到预定水平。
这些手术照明设备并不适合于根据亮度(即，单独取决于所观察组织的反射率的亮度因子和/或单独取决于照明区域的表面形状的亮度系数)而改变亮度水平，因此使得其不能保持或获得对于外科医生舒适度而言理想的亮度，特别是在组织或手术区域形状发生变化的情况下。
本发明目的在于克服该缺点并提供一种照明设备，其适于创造更好的照明场照明，优选地不需要人为介入。最后，本发明的对象是一种上述类型的设备，其特征在于用于调控光源照度的设备适于：
(a)接收实际亮度信号，该实际亮度信号表示所述照明场的实际亮度；以及
(b)根据实际亮度信号和亮度设置点信号控制光源的照度，
以及所述照明设备包括用于确定所述实际亮度的设备，其适于确定所述照明场的实际亮度并且产生实际亮度信号并将其传输给用于调控光源照度的设备(7)。
依照其他实施例，本发明包括如下特征中的一个或多个：
其还包括人机界面，其适于捕捉亮度设置点信息并生成所述照明场的亮度设置点信号。
其还包括用于调节所述光源照度的设备，其由用于调控所述光源照度的设备控制。
用于调节光源照度的设备，其适于通过如下特征之一来改变光源照度：
-改变所述光源的光通量；以及
-改变设置在所述光源和所述照明场之间的遮光板的开度；
-移动光片，例如将一个偏光器相对于第二偏光器旋转，使得控制二者的轴之间的角度，以及因此控制得到的光通量，所述两个偏光器布置在所述光源和所述照明场之间。
同于调控光源照度的设备适于：
-将实际亮度信号和亮度设置点信号之间的差值和限制亮度偏差值作比较；
-当差值大于所述限制亮度偏差值时控制用于调节光源照度的设备，以使光源照度改变，从而使得差值变为小于或等于所述限制亮度偏差值，并且优选地变为等于0。
-当差值的绝对值小于所述限制亮度偏差值时，用于调控光源照度的设备不控制用于调节光源照度的设备或者控制其保持该照度。
-用于调控光源照度的设备适于周期性地接收实际亮度信号和亮度设置点信号，其中通过确定实际亮度的设备接收实际亮度信号。
-用于确定实际亮度的设备包括：
-布置在支架上的至少一个光电二极管，或者
-布置在支架上的至少一个CCD摄像机。
用于确定实际亮度的设备包括用于确定实际亮度的两个模块和适于检测如下障碍物的装置，其中该障碍物位于用于确定实际亮度的模块中的一个和照明场之间；以及传输给用于调控光源照度的设备的实际亮度信号与用于确定实际亮度的模块中的另一个相关。
-所述用于调控光源照明的设备包括处理器和存储器。
本发明还涉及如上所述的一种设备的用途，用于照亮医师的手术区域。
本发明将通过阅读如下说明而得到更好的理解，其中仅仅参照附图示例性地提供和进行上述说明，其中：
-图1示出了依照现有技术在具有恒定照度的手术期间照明场亮度的情况；
-图2示出了依照现有技术在非恒定照度手术期间照明场亮度的情况；
-图3示出了依照本发明的在手术期间修正照度以将照明场的亮度保持为恒定；
-图4示出了依照本发明的包括照明设备的照明设施的图示；以及
-图5示出了依照本发明的照明设备的功能模块的图示。
图4示出了依照本发明的照明设备，其附图标记为1。该照明设备1意图照亮照明场2，该照明场2沿着照明面P-P(特别地，为水平的)延伸。该情况中，该照明场2是在医疗手术室内的患者3上的医师手术区域。
该照明设备1包括支架4，该支架上布置有光源5，所述光源5由多个发光元件6构成并且适于照亮照明场2。该照明设备1还包括用于调控光源5照度的设备7。该用于调控光源照度的设备7包括入口滤光器8、处理器9和存储器10。
该照明设备1还包括用于确定实际亮度的设备11，其适于确定照明场2的实际亮度。
该用于确定实际亮度的设备11具有分布在支架4上的用于确定实际亮度的多个模块12，特别的，所述模块为光电二极管和成CCD摄像机，或者其它任意适于该目的的系统。如果用于确定实际亮度的设备11包括多个光电二极管，则每个光电二极管均配置有将照明场2和光电二极管相组合的光学系统。当该用于确定实际亮度的设备11包括CCD摄像机时，则CCD摄像机捕捉照明场2并且具有确定实际亮度的输出，该输出来源于像素灰度级、来源于曝光时间自动调节系统所计算的曝光时间或者开口(opening)直径自动调节系统所计算的开口直径。
照明设备1还包括用于调节光源照度的设备13和人机界面14。该人机界面14包括适用于捕捉设置点值的输入装置15和适用于可视化输入值和照明设备1状态的可视化装置16。特别地，该设置点值是在无限制条件下用于照明场2的亮度的设置点值。
照明设备1还包括用于检测障碍物的装置17，该装置位于支架4上并适用于检测障碍物，例如位于其中一个用于确定实际亮度的模块12和照明场2之间的手臂，并且该装置还适于与用于调控光源照度的设备7的入口滤光器8相通信。
图5示出了依照本发明的照明设备1的功能模块。每个功能块对应于参考附图4中所描述的结构元素中的一个。照明设备1的不同模块，即，光源5、用于调控光源照度的设备7、用于确定实际亮度的设备11、用于调节光源照度的设备13、人机界面14以及用于检测障碍物的装置17，通过图5中箭头18到21所示的连接互相耦合，其中箭头18到21的方向指示各个元件之间的信息传输方向或者命令传输方向。
该设备如下操作。
照明设备1的用户通过人机界面14输入相应于期望亮度的亮度设置点值。该设置点值因此代表了照明场的确定的亮度。优选的，在使用的开始阶段输入该亮度设置点值，但在使用照明设备1的过程中也可以输入或改变该值。随后通过连接18将该亮度设置点值传输给用于调控光源照度的设备7并且存储在存储器10中。用于确定实际亮度的设备11确定照明场2的实际亮度并且产生照明场2的实际亮度信号，并通过连接19将该信号传输给用于调控光源照度的设备7的输入滤光器8并随后存储在存储器10中。该用于调控光源照度的设备7的处理器9确定实际亮度值和亮度设置点值之间的差值，以及该差值的绝对值，并且将该差值的所述绝对值与限制亮变偏差值比校。
如果实际亮度值和亮度设置点值之间的差值绝对值小于或等于限制亮度偏差值，则用于调控光源照度的设备7不控制用于调节光源照度的设备13或者控制其保持该照度。随后，调控设备7再次读取用于确定实际亮度的设备11所接收到的实际亮度值并且重复上述步骤。
如果实际亮度值和亮度设置点值之间的差值绝对值大于限制亮度偏差值，则用于调控光源照度的设备7控制用于调节光源照度的设备13使其趋向减小实际亮度值和亮度设置点值之间偏差的方向。随后，该用于调节光源照度的设备13依照命令作用于光源5以增加或减少光源5的照度。更具体地，用于调节光源照度的设备13导致光源5照度的改变。优选地，这种改变通过改变光源5的光通量实现，而不改变照明场2的尺寸。
将光源照度定义为单位表面所接收到的来自光源5的光通量。
在调节光源5的照度之后，通过用于确定实际亮度的设备11再次确定照明场2的亮度，并且按照所需的多次重复如上所述的方法，直到实际亮度值和亮度设置点值之间的差值的绝对值变得小于或等于限制亮度偏差值，并且优选地变为等于0。
当检测装置17检测到手臂或者其它障碍物位于照明场2和其中一个用于确定实际亮度的模块12之间时，将相应信号传输到用于调控光源照度的设备7的输入滤光器8，以及由用于确定实际亮度的模块12所确定的对应亮度值由输入滤光器8阻断，由此，将根据其它用于确定实际亮度的模块12所确定的所有亮度值来调控照度。
该用于确定实际亮度的设备11周期性或连续地确定照明场2的实际亮度，并且用于调控光源照度的设备7周期性地从用于确定实际亮度的设备11处接收实际亮度值。选择该周期的长度以使得可以动态地修改光源5的照度，而无需使照明设备1的使用者的眼睛暴露在亮度基本上不同于上次输入且当前有效的亮度设置点值的照明场2。
当实际亮度与设置点值相差大于限制偏差的值的时候，照明设备1适用于在不超过2000ms，更优选地不超过500ms的时间内将实际亮度变为限制偏差值。
为了改变光源5的照度，用于调节光源照度的设备13可以改变照明设备1的不同参数，该修改包括：
-改变光源5的光通量，例如，改变光源5的功率强度；
-改变布置在光源5和照明场2之间的遮光板(orifice)的开度；
-移动光片，例如在布置在光源5和照明场2之间的两个偏光器，一个偏光器相对于第二偏光器旋转，以使得控制二者的轴之间的角度，以及因此控制得到的光通量。
因此照明设备1根据照明场2的实际亮度修正照度，该实际亮度通过用于确定实际亮度的设备11确定，并且还根据用户通过人机界面14确定的亮度设置点值修正照度。该照度的修正自发地发生。术语“自发的”意味着照明设备1适于在修正期间无须人的介入即可修正照度。
图1示出了依照现有技术在具有照明设备的外科手术期间，具有恒定照度的照明场的亮度变化的实例。X轴表示时间T，左轴表示照明场的亮度。关于时间的亮度曲线表示为L。右轴表示照度并且照度方面表示为E。一个注意的是在对应于手术开始时的T1时刻的亮度(假设该实例中讨论的手术并不是在妇科、口腔等等类型的空腔中的操作)高于给定的照度E1。这是由于表面组织具有相当的反射性，这意味着照明设备所发出的大部分光都返回了。在手术期间，外科医生逐步深入地介入到组织内并且因此形成了空腔。在T2和T3时刻，由于这些组织的明显的光吸收和/或由于空腔的位置因而亮度减小。一旦外科医生的手术完成，他缝合伤口，这导致了恒定照度亮度E1的增加。图1还示出了光源发射的照度的演进。因此人们看出没有改变照度的压力出现，其表示光源照度的恒定水平。
图2示出了与上述参照附图1描述的相同的情况，但是在T4时刻由于用户的介入而出现光源照度的增加。这导致，在现有技术的照明设备中，在T4时刻其它参数保持不变的条件下，投入了实际亮度。
图3示出了依照本发明的图1和图2的示出了在利用照明设备1操作的期间的亮度和照度的曲线的类型图，其适于在那段时间将实际亮度保持在恒定水平，即使在存在组织反射率和/或表面和空腔位置变化的情况下也将实际亮度保持在限制偏差内。该照明设备1的优点是对于用户是可视舒适的并且对于相同用户不需要在反射率和/或表面形状变化时修改照度设置点。根据照明场2的实际亮度而自动地修改和调节光源5的照度。当照明场2的反射率/亮度因子和/或表面形状/亮度系数中的一个发互变化以产生亮度增加的时候，照度被调节到较低水平以避免过高的实际亮度水平。相反地，当照明场2的反射率/亮度因子和/或表面形状/亮度系数中的一个发生变化以产生亮度减少的时候，用于调控光源照度的设备7则增加照度以避免由于组织或照明场2的表面形状的光吸收导致的亮度损失。
在上述描述的不同组件之间传输的信息通过数值进行传输。然而，特别的，在模拟系统的情况中，该信息可以通过信号而不是数值进行传输，例如通过电压或频率。
依照本发明的照明设备1具体地意在用于外科手术的手术照明，但也可以用于牙科领域。
照明设备1包括用于确定实际亮度的设备11，该设备适于确定照明场2的实际亮度并且适于生成并传输实际亮度信号到用于根据照明场2的反射率来调控光源照度的设备7。照明设备1还适于在照明场2的反射率变化时将照明场2的亮度带到或保持在亮度设置点值范围内或亮度设置点上。
因此照明设备具有如下特征。其是手术照明设备，包括用于估计照明场或照明对象的实际亮度的装置，特别地该估计依照对象或照明场的反射率和表面形状；以及包括用于通过使得手术光的亮度值变为依照估计亮度确定的亮度值来调控照度的装置。
该确定的亮度值优选地在确定的周期内恒定，该确定的周期特别地为至少1分钟。

Claims (11)

1.一种用于照亮照明场(2)的设备(1)，特别地用于照亮手术区域，其包括：
-光源(5)，用于照亮所述照明场(2)；
-用于调控光源照度的设备(7)，
其特征在于所述用于调控光源照度的设备(7)适于：
(a)接收实际亮度信号，该实际亮度信号表示所述照明场(2)的实际亮度；以及
(b)根据所述实际亮度信号和亮度设置点信号控制所述光源(5)的照度，
以及
所述设备(1)包括用于确定所述实际亮度的设备(11)，其适于确定所述照明场(2)的实际亮度并且产生实际亮度信号并将其传输给用于调控光源照度的设备(7)；
其中所述用于确定实际亮度的设备(11)包括用于确定实际亮度的两个模块(12)和适于检测如下障碍物的装置(17)，该障碍物位于用于确定实际亮度的两个模块(12)中的一个与照明场(2)之间，以及传输给所述用于调控光源照度的设备(7)的实际亮度信号与用于确定实际亮度的两个模块(12)中的另一个相关。
2.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于所述照明设备(1)还包括：人机界面(14)，其适于捕捉亮度设置点信息并生成所述照明场(2)的亮度设置点信号。
3.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于所述照明设备(1)还包括：用于调节所述光源照度的设备(13)，其由用于调控所述光源照度的设备(7)控制。
4.如权利要求3所述的设备(1)，其特征在于所述用于调节光源照度的设备(13)适于通过如下特征之一改变所述光源(5)的照度：
-改变所述光源(5)的光通量；
-改变设置在所述光源(5)和所述照明场(2)之间的遮光板的开度；
-移动光片。
5.如权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，所述移动光片包括将一个偏光器相对于第二偏光器旋转，使得控制二者的轴之间的角度，以及因此控制得到的光通量，所述两个偏光器布置在所述光源(5)和所述照明场(2)之间。
6.如权利要求3所述的设备(1)，其特征在于用于调控光源照度的设备(7)适于：
-将所述实际亮度信号和所述亮度设置点信号之间的差值与限制亮度偏差值比较；
-当所述差值大于所述限制亮度偏差值时控制所述用于调节光源的设备(13)，以使得光源(5)的照度改变，从而使得所述差值变为小于或等于所述限制亮度偏差值。
7.如权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述差值变为等于0。
8.如权利要求6所述的设备(1)，其特征在于当所述差值的绝对值小于所述限制亮度偏差值时，所述用于调控光源照度的设备(7)不控制所述用于调节光源照度的设备(13)或者控制其保持该照度。
9.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于所述用于调控光源照度的设备(7)适于周期性地接收亮度设置点信号以及通过所述用于确定实际亮度的设备(11)接收实际亮度信号。
10.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于所述用于确定实际亮度的设备(11)包括：
-布置在支架(4)上的至少一个光电二极管，或者
-布置在支架(4)上的至少一个CCD摄像机。
11.如权利要求1所述的设备(1)，其特征在于所述用于调控光源照度的设备(7)包括处理器(9)和存储器(10)。
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