專利名稱：5d數(shù)字式led手術無影燈及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種LED手術無影燈及其工作方法，屬于醫(yī)療手術無影燈技術領域。
背景技術：
手術無影燈是醫(yī)院手術室必備的重要醫(yī)療設備之一，其光照位置和照明角度能否 方便調(diào)整將影響到手術的正常進展，而其光照度及無影度等性能好壞將直接關系到手術的 質(zhì)量和病人的健康。目前醫(yī)院手術室所使用的無影燈多為固定角度安裝，某些設有多關節(jié)位置調(diào)節(jié)機 構，需要調(diào)整照明位置和角度時，需醫(yī)護人員或主刀醫(yī)師人工手動，這給手術的進展帶來不 便且增加了手術區(qū)域的污染度，由于不同人的感覺不同，人工照明定位精確度不高。通過設 置光源追蹤標志指引定位機構調(diào)整照明位置，實現(xiàn)了無人操作，但仍然是一種模糊控制，空 間3D準確定位無法實現(xiàn)。目前先進的手術無影燈采用發(fā)光二極管LED光源，LED屬于冷光源，具有光照均 勻、響應迅速、超長壽命、綠色環(huán)保、節(jié)約能源等特點。通過配置控制器可進行調(diào)整，這種調(diào) 節(jié)是操作者依據(jù)自身的舒適度人為調(diào)節(jié)的，光照準確度難以保證，另外，手術行進中，醫(yī)生 的頭、手和器械均會對手術部位造成遮擋形成陰影，如果不及時消除，就會影響手術質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在無影燈裝置無法精確定位和調(diào)光，以及 在手術進行中無法實時動態(tài)消除人為陰影從而影響手術質(zhì)量的技術問題，本發(fā)明提供一種 基于圖像跟蹤的5D數(shù)字化精確定位、數(shù)字化調(diào)光及自動調(diào)光消除陰影的LED手術無影燈及 其工作方法。技術方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的所采用的技術方案是一種5D數(shù)字式的LED手術無影燈，包括定位機構、燈具；其中所述定位機構包括五個維度的移動件相互連接組成即垂直方向移動件、第 一水平面旋轉件、第一水平面伸縮件、第二水平面旋轉件、垂直方向傾斜件；還有固定件，該 固定件中安裝有控制器，用于控制五個維度的移動件進行伸縮移動； 所述燈具包括燈罩、LED光源陣列、(XD攝像頭，其中LED光源陣列設置在燈罩的下 表面，所述(XD攝像頭設置在LED光源陣列的中心位置，燈罩內(nèi)設置有用于電源變換和調(diào)節(jié) 控制光源的電路板； 所述垂直方向移動件、第一水平面旋轉件、第一水平面伸縮件用來指定無影燈要 到達的位置；其中垂直方向移動件的一端通過固定件與天花板固定連接；垂直方向移動件 的另一端與第一水平面旋轉件的一端通過第一步進電機連接、第一水平面旋轉件的另一端 與第一水平面伸縮件一端通過第二步進電機連接，第一水平面伸縮件的另一端與第二水平面旋轉件的一端通過第三步進電機連接；所述第二水平面旋轉件、垂直方向傾斜件用來指定無影燈傾斜的方向與角度；其 中第二水平面旋轉件的另一端與垂直方向傾斜件的一端通過第四步進電機連接，垂直方向 傾斜件的另一端通過半圓形支架與燈罩的上表面通過第五步進電機連接。進一步，本發(fā)明基于圖像實時跟蹤的5D數(shù)字式的LED手術無影燈，所述燈罩內(nèi)的 電路板包括電源模塊、單片機模塊、LED驅動電路模塊、報警模塊，其中電源模塊用于向電路 板中的單片機模塊、LED驅動電路模塊、報警模塊供電，LED驅動電路模塊、報警模塊分別與 單片機模塊相連接。進一步，本發(fā)明基于圖像實時跟蹤的5D數(shù)字式的LED手術無影燈，所述燈罩內(nèi)的 控制器設置有無線發(fā)送接收裝置，用于與上位計算機進行信號發(fā)送和接收處理。一種基于5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法，包括光度調(diào)節(jié)方法和消除遮擋 物陰影的方法，所述光度調(diào)節(jié)方法包括如下步驟步驟A、上位計算機選定調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)方式為整體調(diào)節(jié)、分組調(diào)節(jié)或單個調(diào)節(jié)；步驟B、根據(jù)需要選定LED光源的照度值及照明深度值，換算出相應流過LED光源 的電流值，當調(diào)節(jié)方式為整體調(diào)節(jié)時，所有的LED燈頭的電流值相同；當選定分組調(diào)節(jié)時， 每一組的LED燈頭的電流值相同；當選定單個調(diào)節(jié)時，各個LED燈頭的電流相同或者不同； 其他未選的LED燈頭的電流默認為零；步驟C、上位計算機按次序將步驟B得到的電流值發(fā)給單片機模塊，單片機模塊將 得到的電流值設定為被比較值，經(jīng)過模數(shù)轉換輸出PWM脈沖信號至LED驅動電路模塊，LED 驅動電路模塊將接收到脈沖信號后，即時調(diào)整輸出脈沖占空比，保持電流值為設定的被比 較值，驅動各LED燈頭的場效應管導通，穩(wěn)定LED的照度；步驟D、當LED短路或斷開情況，單片機驅動報警模塊，發(fā)出報警信號；所述消除遮擋物陰影的方法包括如下步驟步驟M、在設定的光照距離下，確定一與光路垂直的被照平面，在被照平面測得每 個LED燈頭照射中心點，以這些中心點為中心將被照區(qū)域劃分為與LED燈頭數(shù)目相等的各 小區(qū)域，每個小區(qū)域對應一個LED燈頭，標明其位置編號，形成LED燈頭照射區(qū)域分布圖；步驟N、在同一被照平面放置標定模板，該模板為尺寸固定的黑白相隔的方塊，標 定模板的坐標軸與LED燈頭照射區(qū)域分布圖的坐標軸重合；步驟0、調(diào)整CCD攝像頭(10)使其處于最清晰狀態(tài)，獲取步驟N所述標定模板圖 像，將標定模板圖像發(fā)送至上位計算機，上位計算機對標定模板圖像經(jīng)過角點檢測，獲取標 定模板圖像坐標和LED燈頭照射區(qū)域分布圖坐標之間的關系；步驟P、根據(jù)步驟0得到的關系，在標定模板圖像坐標系下繪出LED燈頭區(qū)域分布 圖像，儲存LED燈頭分布小區(qū)域的像素值及對應的LED燈頭位置編號；步驟Q、啟動上位計算機，設定最初的LED燈的電流值、照度值和照明深度值；采用 CCD攝像頭(10)獲取被照物的圖像，以遮擋物顏色的灰度值為圖像特征，設定一個閾值，對 被照物圖像進行二值化處理，等于或接近閾值的圖像區(qū)域為黑色區(qū)域，其它圖像區(qū)域為白 色區(qū)域，黑色區(qū)域即為遮擋物造成的陰影；如果黑色區(qū)域超過設定的最大補光區(qū)域，則重新 調(diào)整LED光源的位置和角度，然后返回步驟M ；步驟R、計算出黑色區(qū)域的面積，提取其邊緣，將其與LED燈頭照射區(qū)域分布圖比較，將所述黑色區(qū)域邊緣落入LED燈頭照射區(qū)域的LED燈頭編號及相鄰LED燈頭編號標出， 根據(jù)陰影面積的大小計算出標出編號的LED燈頭的照度值，具體方法是將陰影區(qū)域的面積除以步驟M中的每個小區(qū)域的面積的值，即得出被遮擋區(qū)域對 應的LED燈的個數(shù)為P，令該被遮擋區(qū)域邊緣上LED燈的個數(shù)為Q，與該被遮擋區(qū)域邊緣上 LED燈的相鄰燈的個數(shù)為Q’，則將被遮擋區(qū)域邊緣上Q個LED燈的照度值調(diào)為原來的(1+P/ Q)倍；若計算出的照度值超過了 LED燈的工作允許最大值，則分別將被遮擋區(qū)域邊緣Q個 LED燈的照度值及與被遮擋區(qū)域邊緣上LED燈的相鄰Q’個LED燈的照度值調(diào)為原來的 (1+P/(Q+Q，))倍;步驟S、上位計算機根據(jù)步驟R得出的照度值以及最初設定的照明深度值，換算出 上述標出編號的LED燈頭區(qū)域的LED燈頭的電流值，未被遮擋的白色區(qū)域的LED燈頭的電 流值為最初設定值，上位計算機將上述電流值連同步驟R所述標出的LED燈頭編號整合成 調(diào)光指令；步驟T、上位計算機將步驟S所述的調(diào)光指令發(fā)送至單片機模塊，單片機模塊控制 LED驅動電路模塊進行調(diào)光處理，消除遮擋物陰影。進一步的，本發(fā)明的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法中，所述步驟B及步 驟S中LED光源的電流值和LED的照度值及照明深度值的換算關系通過以下方法得出步驟G、采用直流電源(21)、一個LED燈頭(22)、可變電阻器(23)、電流表(24)構 成發(fā)光電路，在LED燈頭(22)底平面正下方放置照度計(25)，LED燈頭(22)的光軸與照度 計(25)的表面垂直；步驟H、確定LED燈頭(22)的電流值I1，在所述LED燈頭(22)的光軸方向移動照 度計(25)，即依次改變照明深度d，采用照度計(25)測得一組照度值L1 ；步驟J、通過調(diào)節(jié)可變電阻器(23)的電阻值，改變LED燈頭(22)的電流值I，重復 步驟H測得另一組照度值L2;步驟K、反復執(zhí)行步驟J，獲得n組電流值I、照明深度d、照度值L的對應值，n為 自然數(shù)，用二元插值方法擬合出I和d、L的換算關系式I = f (L，d)；步驟L、采用步驟K的關系式，根據(jù)需要選定LED光源的照度值及照明深度值，換算 出相應流過LED光源的電流值。進一步的，本發(fā)明的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法中，所述消除遮擋物 陰影的方法的步驟Q中當被照距離或者CCD攝像頭(10)的參數(shù)改變時，需重新獲取標定模 板的圖像，將新模板圖像和原始模板圖像坐標比較，據(jù)其比例將LED燈頭區(qū)域分布圖像換 算至新的圖像坐標下。進一步的，本發(fā)明的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法中，所述消除遮擋物 陰影的方法的步驟Q中，當所述遮擋物的顏色為多種顏色時，分別設定多個閾值，分別對圖
像進行二值化處理。本發(fā)明提供一套定位機構，一套調(diào)光系統(tǒng)及一套基于圖像跟蹤的自動消除陰影系 統(tǒng)。定位機構由五個步進電機及其拖動的移動件構成，上位計算機機給出無影燈可移 動空間范圍，以無影燈沒有任何移動量時位置為坐標原點，給出了圓柱坐標系下不同位置 的坐標值(z、9、r)，用來指定無影燈要到達的位置；局部坐標(a、用來指定無影燈傾斜的方向與角度。五個電機通過上位機控制實施無影燈五個維度的調(diào)整和定位第一個 移動件實現(xiàn)無影燈垂直上下移動，即圓柱坐標系下z方向移動；第二個移動件實現(xiàn)無影燈 在第一水平面的旋轉，即圓柱坐標系下e方向360°旋轉；第三個移動件實現(xiàn)無影燈水平 伸縮，即圓柱坐標系下r方向移動；第四個移動件實現(xiàn)無影燈以自身中心為軸在第二水平 面的360°旋轉(a方向)；第四個移動件實現(xiàn)無影燈垂直平面上角度傾斜，旋轉的角度在 0 -180°范圍(0方向)。五個維度通過上位計算機控制，可分別調(diào)整，也可聯(lián)調(diào)。無影燈光源由LED陣列構成，由變換器將工頻交流電變換成直流供電，為了保證 供電可靠性設有蓄電池備用。上位機給出了調(diào)節(jié)界面，有成組調(diào)節(jié)、分組調(diào)節(jié)和單個調(diào)節(jié)三 種調(diào)節(jié)方式。每種調(diào)節(jié)方式都給出了給出了調(diào)節(jié)范圍。控制器設有過載、短路、溫度保護及 故障報警功能。手術進行中需要實時消除人為造成陰影的干擾，則啟動自動消除陰影功能。無影 燈中部裝設有數(shù)字攝像機CCD，其攝錄的圖像不斷傳給上位機，上位機根據(jù)相應的算法設置 不同位置的LED的電流值，從而達到自動消除陰影，保證手術區(qū)域的光照度。有益效果本發(fā)明實現(xiàn)了全程上位機數(shù)字控制，具有定位精確、無級精確可調(diào)，不受人為感覺 干擾，實時消除陰影，實現(xiàn)了真正的無影度，整個裝置具有極高的先進性和實用性。


圖1為本發(fā)明整體結構示意圖。圖中1.天花板，2.固定件(內(nèi)裝電機控制器)，3.垂直方向移動件，4.第一水平 面旋轉件，5.第一水平面伸縮件，6.第二水平面旋轉件，7.垂直方向傾斜件，8.燈罩，9. LED 光源陣列，10. (XD攝像頭。圖2為五個維度的光源位置控制過程圖。圖3為LED燈照度調(diào)節(jié)控制過程圖。圖4為LED燈的照度與其通過電流關系測定圖。圖中21.直流電壓源，22. LED燈頭，23.可變電阻器，24.電流表，25.照度計。圖5為本發(fā)明基于圖像跟蹤自動消除陰影實施過程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明本發(fā)明的手術無影燈如圖1所示，包括五個維度的定位機構(垂直方向移動件3、 第一水平面旋轉件4、第一水平面伸縮件5、第二水平面旋轉件6、垂直方向傾斜件7)、燈具 (燈罩8、LED光源陣列9、高清晰度彩色(XD攝像頭10)。根據(jù)本發(fā)明的可照范圍將其通過 固定件2安裝在天花板1上。本發(fā)明的操作方法的次序是定位一調(diào)光一自動消除陰影，也可打亂次序操作。圖2所示為定位控制過程示意圖，控制器件裝在固定件2中，包括定點控制和定 向控制。上位機圖形界面確定光源要到達的位置坐標(z、r、0)和傾斜的方位及角度坐標 (a、0)，由上位機算出各個電機的移動量，發(fā)出走步脈沖個數(shù)和方向指令給控制電機的單 片機，單片機得到指令輸出走步脈沖信號和方向電平信號到各個電機的脈沖分配器，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)功率放大器放大之后驅動步進電機旋轉，電機MZ、M,進一步帶動z、r方 向絲杠移動件直線運動，電機M0、Ma、Me帶動旋轉件轉動，從而使光源到達指定位置并傾斜 到所需的方向和角度。圖3所示為調(diào)光控制過程示意圖，調(diào)光控制器裝在燈罩8中，控制器中主要設有電 源模塊、單片機模塊、LED驅動電路模塊、報警模塊。電源模塊將220V/110V交流市電變換 為不同等級的直流電供內(nèi)部電路板及LED燈用。調(diào)光方式包括整體調(diào)節(jié)、分組調(diào)節(jié)和單個 調(diào)節(jié)。由上位計算機確定調(diào)節(jié)方式，選定LED的照度值，換算出相應的LED電流值，整體調(diào) 節(jié)時，所有的LED的電流值相同；整組調(diào)節(jié)時，每一組的LED的電流值相同；單個調(diào)節(jié)時，各 個LED的電流可不同；不選的LED其電流默認為零，即不用點亮?？傊?，所有的LED按照其 編號次序分配有各自的電流值。上位機按次序將這些數(shù)值發(fā)給單片機，單片機將得到的電 流值設定為被比較值，輸出一定占空比的脈沖信號，積分后通過可編程邏輯器件驅動各LED 的場效應管導通，點亮各LED燈，由單片機將PWM脈沖信號進行模數(shù)轉換并與給定電流數(shù)值 比較，及時調(diào)整輸出脈沖占空比，保持電流為設定值，穩(wěn)定LED的照度。也可以由此判LED 短路或斷開情況，驅動報警模塊，發(fā)出報警信號。圖4為LED燈的照度與其通過電流關系測定過程圖，由直流電源21、單個LED燈頭 22、可變電阻器23、電流表24構成發(fā)光電路，在燈頭底平面正下方放置照度計25，燈頭的光 軸與照度計的表面垂直。調(diào)節(jié)電阻值，改變LED電流I，在光軸方向移動照度計，改變照明深 度d。確定一個電流值，改變不同的照明深度測得一組照度值L，改變電流值，再測得另外一 組照度值L，依次可測得照明距離內(nèi)、照度范圍內(nèi)的I、d、L值，用二元插值方法擬合出I和 d、L的換算關系式I = f(L，d)。自動消除陰影過程是在圖3調(diào)光系統(tǒng)完成調(diào)光操作后，上位機實時獲取CCD拍攝 的圖像，基于圖像追蹤計算光路中遮擋物造成陰影的邊緣和范圍，映射出消除陰影所需調(diào) 整的LED的編號及其照度值，通過調(diào)光控制實時調(diào)整一些LED的照度，通過補光達到消除陰 影的目的，遮擋物移去，則LED恢復最初的照度。圖5為基于圖像跟蹤自動消除陰影實施過程示意圖在一定光照距離下，確定一 與光路垂直的被照平面，在被照平面測得每個LED照射中心點，以這些中心點為中心將被 照區(qū)域劃分為與LED數(shù)目相等的各小區(qū)域，每個小區(qū)域對應一個LED，標明其位置標號(LED 編號)，形成LED區(qū)域分布圖；在同一被照平面放置標定模板(尺寸固定的黑白相隔的方 塊)，標定模板的坐標軸與LED區(qū)域分布圖的坐標軸重合，調(diào)整CCD最清晰狀態(tài)，獲取原始 標定模板圖像，經(jīng)過角點檢測，獲取圖像坐標和實際物理坐標之間的關系，根據(jù)這一關系， 在圖像坐標系下繪出LED區(qū)域分布圖像，因為被照區(qū)域會比攝像區(qū)域小。儲存LED分布小 區(qū)域的像素值及對應的LED編號。啟用自動消除陰影系統(tǒng)時，如被照距離或者CCD的參數(shù) 改變，則重新獲取標定模板的圖像，將新模板圖像和原始模板圖像坐標比較，據(jù)其比例將 LED區(qū)域分布圖像換算至新的圖像坐標下。系統(tǒng)啟動后，C⑶獲取被照物的圖像，以醫(yī)生手 術服顏色的灰度值為圖像特征，設定一個閾值，對圖像進行二值化處理，等于或接近閾值為 黑，其它為白，黑的部分即為遮擋物造成的陰影，算出其面積，提取其邊緣，將其與LED區(qū)域 分布圖比較，將邊緣落入LED照射區(qū)域的LED編號號及相鄰序號標出，以陰影面積的多少映 射為陰影邊緣及鄰近LED的照度，映射規(guī)律由實驗獲得，進一步換算出電流值，連同編號輸 出，白色區(qū)域的LED為最初設定值。調(diào)光系統(tǒng)的單片機得到調(diào)光指令就可進行補光處理，從而達到消除陰影的目的。如果遮擋面積超過設定的最大補光區(qū)域，則給出警示，需調(diào)整光源的位置和角度，重新啟動系統(tǒng)。圖像采集及處理速度和LED響應速度能滿足人體眼睛接受 舒適度。 以上內(nèi)容是本發(fā)明具體實施過程的詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只限于 這些說明，本技術領域的普通技術人員對本發(fā)明的實施步驟和設計思路所作的推演或替 換，均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種5D數(shù)字式的LED手術無影燈，包括定位機構、燈具；其特征在于所述定位機構包括固定件(2)、垂直方向移動件(3)、第一水平面旋轉件(4)、第一水平面伸縮件(5)、第二水平面旋轉件(6)、垂直方向傾斜件(7)五個維度的移動件相互連接組成；固定件(2)中安裝有控制器，用于控制五個維度的移動件進行伸縮及旋轉；所述燈具包括燈罩(8)、LED光源陣列(9)、CCD攝像頭(10)，其中LED光源陣列(9)設置在燈罩(8)的下表面，所述CCD攝像頭(10)設置在LED光源陣列(9)的中心位置，燈罩(8)內(nèi)設置有用于電源變換和調(diào)節(jié)控制的電路板；所述垂直方向移動件(3)、第一水平面旋轉件(4)、第一水平面伸縮件(5)用來指定無影燈要到達的位置；其中垂直方向移動件(3)的一端通過固定件(2)與天花板固定連接；垂直方向移動件(3)的另一端與第一水平面旋轉件(4)的一端通過第一步進電機連接、第一水平面旋轉件(4)的另一端與第一水平面伸縮件(5)一端通過第二步進電機連接，第一水平面伸縮件(5)的另一端與第二水平面旋轉件(6)的一端通過第三步進電機連接；所述第二水平面旋轉件(6)、垂直方向傾斜件(7)用來指定無影燈傾斜的方向與角度；其中第二水平面旋轉件(6)的另一端與垂直方向傾斜件(7)的一端通過第四步進電機連接，垂直方向傾斜件(7)的另一端通過半圓形支架與燈罩(8)的上表面通過第五步進電機連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈，其特征在于所述燈罩(8)內(nèi) 的電路板包括電源模塊、單片機模塊、LED驅動電路模塊、報警模塊，其中電源模塊用于向電 路板中的單片機模塊、LED驅動電路模塊、報警模塊供電，LED驅動電路模塊、報警模塊分別 與單片機模塊相連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈，其特征在于所述固定件(2) 內(nèi)的控制器設置有無線發(fā)送接收裝置，用于與上位機進行信號發(fā)送和接收處理。
4.一種基于權利要求1所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法，其特征在于 包括光度調(diào)節(jié)方法和消除遮擋物陰影的方法，所述光度調(diào)節(jié)方法包括如下步驟步驟A、上位計算機選定調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)方式為整體調(diào)節(jié)、分組調(diào)節(jié)或單個調(diào)節(jié)； 步驟B、根據(jù)需要選定LED光源的照度值及照明深度值，換算出相應流過LED光源的電 流值，當調(diào)節(jié)方式為整體調(diào)節(jié)時，所有的LED燈頭的電流值相同；當選定分組調(diào)節(jié)時，每一 組的LED燈頭的電流值相同；當選定單個調(diào)節(jié)時，各個LED燈頭的電流相同或者不同；其他 未選的LED燈頭的電流默認為零；步驟C、上位計算機按次序將步驟B得到的電流值發(fā)給單片機模塊，單片機模塊將得到 的電流值設定為被比較值，經(jīng)過模數(shù)轉換輸出PWM脈沖信號至LED驅動電路模塊，LED驅動 電路模塊將接收到脈沖信號后，即時調(diào)整輸出脈沖占空比，保持電流值為設定的被比較值， 驅動各LED燈頭的場效應管導通，穩(wěn)定LED的照度；步驟D、當LED短路或斷開情況，單片機驅動報警模塊，發(fā)出報警信號； 所述消除遮擋物陰影的方法包括如下步驟步驟M、在設定的光照距離下，確定一與光路垂直的被照平面，在被照平面測得每個 LED燈頭照射中心點，以這些中心點為中心將被照區(qū)域劃分為與LED燈頭數(shù)目相等的各小 區(qū)域，每個小區(qū)域對應一個LED燈頭，標明其位置編號，形成LED燈頭照射區(qū)域分布圖； 步驟N、在同一被照平面放置標定模板，該模板為尺寸固定的黑白相隔的方塊，標定模板的坐標軸與LED燈頭照射區(qū)域分布圖的坐標軸重合；步驟0、調(diào)整CCD攝像頭(10)使其處于最清晰狀態(tài)，獲取步驟N所述標定模板圖像，將 標定模板圖像發(fā)送至上位計算機，上位計算機對標定模板圖像經(jīng)過角點檢測，獲取標定模 板圖像坐標和LED燈頭照射區(qū)域分布圖坐標之間的關系；步驟P、根據(jù)步驟0得到的關系，在標定模板圖像坐標系下繪出LED燈頭區(qū)域分布圖像， 儲存LED燈頭分布小區(qū)域的像素值及對應的LED燈頭位置編號；步驟Q、啟動上位計算機，設定最初的LED燈的電流值、照度值和照明深度值；采用CCD 攝像頭(10)獲取被照物的圖像，以遮擋物顏色的灰度值為圖像特征，設定一個閾值，對被 照物圖像進行二值化處理，等于或接近閾值的圖像區(qū)域為黑色區(qū)域，其它圖像區(qū)域為白色 區(qū)域，黑色區(qū)域即為遮擋物造成的陰影；如果黑色區(qū)域超過設定的最大補光區(qū)域，則重新調(diào) 整LED光源的位置和角度，然后返回步驟M ；步驟R、計算出黑色區(qū)域的面積，提取其邊緣，將其與LED燈頭照射區(qū)域分布圖比較，將 所述黑色區(qū)域邊緣落入LED燈頭照射區(qū)域的LED燈頭編號及相鄰LED燈頭編號標出，根據(jù) 陰影面積的大小計算出標出編號的LED燈頭的照度值，具體方法是將陰影區(qū)域的面積除以步驟M中的每個小區(qū)域的面積的值，即得出被遮擋區(qū)域對應的 LED燈的個數(shù)為P，令該被遮擋區(qū)域邊緣上LED燈的個數(shù)為Q，與該被遮擋區(qū)域邊緣上LED 燈的相鄰燈的個數(shù)為Q’，則將被遮擋區(qū)域邊緣上Q個LED燈的照度值調(diào)為原來的(1+P/Q) 倍；若計算出的照度值超過了 LED燈的工作允許最大值，則分別將被遮擋區(qū)域邊緣Q個LED 燈的照度值及與被遮擋區(qū)域邊緣上LED燈的相鄰Q’個LED燈的照度值調(diào)為原來的(1+P/ _，))倍;步驟S、上位計算機根據(jù)步驟R得出的照度值以及最初設定的照明深度值，換算出上述 標出編號的LED燈頭區(qū)域的LED燈頭的電流值，未被遮擋的白色區(qū)域的LED燈頭的電流值 為最初設定值，上位計算機將上述電流值連同步驟R所述標出的LED燈頭編號整合成調(diào)光 指令；步驟T、上位計算機將步驟S所述的調(diào)光指令發(fā)送至單片機模塊，單片機模塊控制LED 驅動電路模塊進行調(diào)光處理，消除遮擋物陰影。
5.根據(jù)權利要求4所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法，其特征在于所述 步驟B及步驟S中LED光源的電流值和LED的照度值及照明深度值的換算關系通過以下方 法得出步驟G、采用直流電源(21)、一個LED燈頭(22)、可變電阻器(23)、電流表(24)構成發(fā) 光電路，在LED燈頭(22)底平面正下方放置照度計(25)，LED燈頭(22)的光軸與照度計 (25)的表面垂直；步驟H、確定LED燈頭(22)的電流值I1，在所述LED燈頭(22)的光軸方向移動照度計 (25)，即依次改變照明深度d，采用照度計(25)測得一組照度值L1 ；步驟J、通過調(diào)節(jié)可變電阻器(23)的電阻值，改變LED燈頭(22)的電流值I，重復步驟 H測得另一組照度值L2;步驟K、反復執(zhí)行步驟J，獲得n組電流值I、照明深度d、照度值L的對應值，n為自然 數(shù)，用二元插值方法擬合出I和d、L的換算關系式I = f (L，d)；步驟L、采用步驟K的關系式，根據(jù)需要選定LED光源的照度值及照明深度值，換算出相應流過LED光源的電流值。
6.根據(jù)權利要求4所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法，其特征在于所述 消除遮擋物陰影的方法的步驟Q中當被照距離或者CCD攝像頭(10)的參數(shù)改變時，需重新 獲取標定模板的圖像，將新模板圖像和原始模板圖像坐標比較，據(jù)其比例將LED燈頭區(qū)域 分布圖像換算至新的圖像坐標下。
7.根據(jù)權利要求4所述的5D數(shù)字式的LED手術無影燈的工作方法，其特征在于所述 消除遮擋物陰影的方法的步驟Q中，當所述遮擋物的顏色為多種顏色時，分別設定多個閾 值，分別對圖像進行二值化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種5D數(shù)字式LED手術無影燈及其工作方法，屬于醫(yī)療手術無影燈技術領域。該無影燈由五個維度的定位機構、帶有電源變換器和調(diào)節(jié)器的LED陣列冷光源、CCD攝像機、上位計算機組成。在上位機的控制下，五個維度的步進電機按給定的數(shù)字量運動，使得光源到達需要的準確位置并傾斜到確切角度。設置成組調(diào)節(jié)、分組調(diào)節(jié)和單個調(diào)節(jié)LED光源的功能，將LED的照度對應不同的電流設定值，通過控制輸出PWM占空比實現(xiàn)。基于CCD攝像機圖像跟蹤，實時檢測被照區(qū)域遮擋物造成的陰影，自動調(diào)節(jié)LED的照度達到消除陰影的目的。本發(fā)明自動化程度高，實現(xiàn)了數(shù)字化的定位和調(diào)光功能，具有很高的先進性和技術性。
文檔編號F21V14/00GK101858537SQ20101016420
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月6日 優(yōu)先權日2010年5月6日
發(fā)明者李韙韜, 殷威, 邢麗冬, 錢志余, 高慧 申請人:南京航空航天大學