专利名称：外科照明控制和视频系统的制作方法
相关申请交叉引用本申请要求2002年1月15日提交的序列号为No.60/348,999的美国临时申请的优先权。
背景技术：
本发明涉及一种外科照明系统、工作台、和附属设施，特别是一种外科照明控制系统。该系统提供了多用户界面、集中图像控制实现多功能、先进的摄像机探测/信号选路和光强度的闭环控制。它特别适合应用于联合提供外科手术室(OR)一种全面控制系统中，将利用特定的参照对其加以描述。但是，应该认识到本发明并不限于应用到前述的手术室环境中，还可应用于其它的多任务控制的应用。
在手术室环境中一般使用大的高流明输出灯来照亮手术区域。通常将摄像机与灯连接以记录外科手术，从而帮助外科医生获得更多理想的视图。一些系统没有提供给手术室中的人员对摄像机的控制。这样的系统仅提供单一的摄像机定位和缩放因子，而不能使摄像机/灯本身移动。另外的一些系统中，手术室中的人员能够控制摄像机和灯，而外科医生则无法进行控制。当外科医生需要控制摄像机和灯时，必须要求未经过消毒的巡回护士调整照明控制或者摄像机控制。
现有系统并不监控传输到灯头内的灯泡的电力。这导致了由于灯泡的偏差、电压的波动以及线路电阻引起的光强度的波动。灯头的电源的变化可能降低光强度，从而对外科手术的过程产生潜在的负面影响，灯的电源的变化也可能提高光强度，从而使灯的寿命降低。
此外，大部分现有系统并不提供集中控制。因此，巡回护士必须先到一个操作面板处控制光强度，然后到另外一个位置转动摄像机等。这样在操作系统时产生了混乱，并且由于增加了用户界面位置而在手术室引起混乱。
在使用集中控制的系统中，很难进行硬件更新/升级，这是因为控制软件通常无法识别和操作新设备。人们期望这样一种外科照明和视频控制系统，该系统具有只通过更新或设置软件参数就可与新设备交互的软件。
本发明提供了一种新型和改进的方法和装置，其克服了上述问题和其他问题，能提供应用于外科手术室中的照明和视频系统的更优和更加全面的控制。
发明内容
本发明的优选实施例提供了一种即插即用控制接口，可使用户能够在一个操作台处操作多个装置，使外科医生能在无菌区域内控制更多的装置，使装置的控制更加简单和直观。
本发明通过应用图像LCD显示器来控制多个装置如吊挂灯、环境灯、摄像机、以及手术室的其他附加设施改进用户对系统的使用。声音界面系统可以改进外科医生对装置的控制，使外科医生只通过讲话就可以调节照明及其它方面。通过脚踏输入界面和红外遥控界面，外科医生可以控制摄像机，从而直接控制摄像机的旋转和缩放功能。
本发明的优选实施例提供了即插即用兼容性，从而使得如摄像机、所有灯头、作业灯、和其它的外科附属设施等可根据需要接入系统或者从系统中去除，而同时无需更新系统软件或控制协议。当将另加的灯头或其它装置加入系统时或者当装置通过升级或者其它方式而被替代时，可能出现上述情形。
根据本发明系统的墙控制单元提供了一种图像LCD显示器，这种显示器采用集中的用户输入/输出端来实现所有控制。墙控制器还给系统选件如录像机、录音机、声音控制器、光纤作业灯、以及摄像机的底部控制器提供了输入/输出连接。LCD界面还提供了对摄像机光纤作业灯、环境灯、以及多路灯的高级用户控制。
所有中型尺寸和大型尺寸的灯头优选地适合安装摄像机。摄像机模块可根据需要放入这些灯头的任一个中。控制系统适合自动探测摄像机所在的特定灯头，并将信号通过电子装置以即插即用的方式传到墙控制器。
此外，系统还包括了维护功能，允许维护或维修人员将全部灯头断开以更换新的灯。控制系统探测到了新的灯头并根据需要将新的兼容的软件下载到灯头(即插即用)中。由于进行维护，因而减少了产品出故障的时间。每一个灯头包括一个微型控制器，该微型控制器可发送和接收来自墙控制器的控制信息，还可响应灯操纵面板的开关。
微控制器还提供用于严格控制灯功率的闭环控制。控制器测量灯的电压和电流，并为脉宽调制电路(PWM)设置了占空系数。通过补偿大部分的变化有效地给出稳定的光。
先进的控制允许通过在开关面板上输入系统的任一灯的控制而打开/闭合系统的所有灯头。推动并且保持灯操作面板上的强度下降按钮‘-’一个选定的时间(优选是4秒钟)后，所有灯头关闭，最好同时打开一环境灯。推动并且保持灯操作面板上的强度加强按钮‘+’一个选定的时间(优选是2秒钟)后，所有灯头打开，优选同时关闭环境灯。
墙控制器提供了一种简单集中的用户界面，从而节省了巡回护士的时间。灯操作面板上的开关的先进控制也可使外科医生控制灯，从而节省了所有员工的时间。
控制系统提供了几种等级的冗余度，以在外科手术过程中将照明系统的失控的可能降低到最小。控制中心的两种电源中的任何一种均足以保持微控制器的操作。如果墙控制器中的微控制器或者开关失灵，那么只使用基于灯的微控制器和开关就可实施开/关和强度控制功能。
可通过用户界面使用摄像机特性，该控制界面至少包括功率和缩放、旋转、亮度、和调焦控制。先进的摄像机控制也可以通过包括白平衡、图像锁定(freeze，冻结)、时间和日期显示作为例子的用户界面来使用。摄像机模块适于与任何中型或大型灯头连接。本发明的控制系统自动探测摄像机模块的存在，将视频信号传输到墙控制器。
根据本发明的外科照明系统中提供了许多控制特性。为了对系统中所有部件进行集中控制，该系统还包括图像用户界面，优选地是LCD显示器。在保持消毒处理的同时，该系统还提供了从灯操作开关面板的强度控制的单点对所有灯的开/关控制。还提供了先进的摄像机控制特性包括白平衡、图像锁定、时间和日期显示。控制系统探测到了摄像机模块，并将视频信号传到墙控制器。这与系统在多个位置接收摄像机模块的能力相符合。闭环灯功率控制电路随着时间和安装条件的变化而保持了稳定的强度水平。墙控制器探测到新的灯并自动下载软件以使灯与系统兼容。
上述特性并不是根据本发明的外科照明系统中的所有控制特性。
本发明可采用特定的方法、部件和部件布局的形式，其优选实施例将在说明书中详细说明，并结合构成下面的一部分的附图进行阐述，其中图1示出了根据本发明的外科照明系统的透视图，示出了悬挂在主轴上的第一组外科照明装置以及悬挂在副轴上的第二组外科照明设备及系统控制装置；图2示出了根据本发明的照明控制装置的部件结构图；图3示出了根据本发明的外科照明系统的电子模块的功能框图；图4示出了根据本发明的外科照明系统的灯控制面板的功能框图；图5示出了根据本发明的控制系统执行的部件自动检测功能的流程图；图6示出了根据本发明的外科照明系统的照明控制装置显示的用户界面；以及图7示出了根据本发明的系统的照明控制装置的示出子菜单的用户界面。
具体实施例方式
现在参照附图，附图的目的仅在于说明本发明的优选实施例，而不在于限制本发明，图1示出了外科照明系统10，包括由主轴集线器16悬挂在手术室的天花板14上的第一组照明装置12和由第二轴集线器20悬挂在手术室的天花板14上的第二组照明装置18。照明控制装置30包括用于操作第一组照明装置12的主控制单元32以及用于控制第二组照明装置18的副控制单元34。一组通信和电源线36将照明控制装置30与第一和第二组照明装置12、18连接在一起，以下面更为详细描述的方法控制第一和第二组照明装置。
第一组照明装置12由主轴集线器16支撑，包括3个吊挂的灯头40-44、外科作业灯46和手术室环境灯48。每个外科灯头40-44均由相应的悬挂系统40’-44’悬挂。同样地，外科作业灯也由相应的悬臂46’悬挂。每一个悬臂40’-46’带有下面将描述的适当的电源和通信电缆，并可使灯头40-44和作业灯46移动到手术室中选定的位置。每个灯头都具有一组手动操作光强度控制按钮124，优选邻近于每个装置的灯操作器。环境灯48安装到相对于主轴集线器16的固定位置。单个辅助灯50和辅助环境灯52一起由适当的悬臂50’悬挂到次轴集线器20上。应该认识到，尽管在第一组12中有几个照明装置，而在第二组18中只有单一照明装置，但是采用或多或少的照明装置是根据需要确定的。此外，可根据需要在系统中设置更多或更少的轴集线器16、20。
参照图2，功能结构图中示出了根据本发明的照明系统10。应该认识到，系统可以进行分块以提供高级冗余度，从而防止单点失灵引发的“熄灯”或者无灯的情形。每个外科灯都具有单独的AC/DC电源，还包括切换到24 VDC电池备用电源的能力。每个外科灯头也具有自己的电子控制器和在灯头中可执行的常驻运行固件。
每个灯头40-44和50分别包括电子模块60-66，用于按照预设的算法执行程序。根据本发明的系统中的每个灯头均适合与照明控制装置30进行通信，用于控制多项照明功能，并提供即插即用功能。通信和电源线36包括分开的灯头电源电缆70-76，用于将电力从照明控制装置30传输到各个灯头中。此外，通信和电源线36包括一双通信电缆80、82，用于在照明装置12、18和照明控制装置30之间传输命令和状态数据。最后，主控制单元32包括电子控制器面板90，用于产生在控制单元和灯头40-44、50、作业灯46之间的通信电缆80，82上传输的信号。
继续参照图2，应该提到，根据本发明的外科照明系统10的实施例包括摄像机100。摄像机100由大灯头44支撑，如图所示。摄像机100产生的视频信号通过大灯头44的悬臂44’，进入共用集线器电子面板104中和进入主控制单元32的电子控制器面板90的视频卡部件106中。视频卡部件106用于产生一个复合视频信号108和S视频信号110。
图3和图4示出了大灯头44的电子模块64的功能部件方框图。如图3所示，电子模块64包括灯控制器面板120、摄像机模块122、一组手动操作灯泡强度开关124、可视输出灯泡126(优选为LED)、控制主灯泡130和次灯泡132的灯泡变更装置128和用于当主灯泡130失灵时使灯泡变更的灯泡变更螺线管134。所有这些部件都可与灯控制器面板120进行可操作的本地通信。与照明控制装置30(图1和图2)的可操作通信通过一组通信和电源线36进行，该组线包括差动视频信号线140、灯串行端口信号线142和系统电源信号线144。差动视频信号线140用于将视频信号从摄像机模块122传输到照明控制装置30。但灯串行通信线142是双向的，在电子模块64和照明控制装置30之间传递命令和数据。系统电源线144用于将电能传输给灯头。
此外，还对灯电能进行了闭环控制。灯泡强度控制器152用于探测传输到灯泡130的电流和灯泡端的电压信号。控制器152产生灯泡反馈信号154，然后该信号传输到微控制器150或用于计算PWM电路156的理想占空比。通过这种方式，可以实现连续的照明。
电子模块64的灯控制器面板120其它的详细信息如图4所示。图中，微控制器150用于与上述所有部件可操作地通信。微控制器150适合于根据存储在微控制器的存储器部分的程序代码与照明控制装置通信。特别是，微控制器150适合执行程序代码以实现根据本发明的外科照明系统的即插即用的能力。
为了能够使在外科手术过程中照明系统失控的可能性降到最低，照明控制系统提供了几个等级的冗余度。控制中心的两个电源中的任一个足够维持微控制器的运行。如果墙控制单元的微控制器或开关失灵，只使用基于灯头的微控制器和开关就可以实施开/关和强度控制功能。
图5示出了优选实施例的控制器执行的装置自动探测顺序的流程图。接通电源S10，照明控制装置30询问每个微控制器150和每个灯头以确定软件修订版次S12、系统中灯头的数量S16、它们的大小和类型以及接通电源后可得到的任何其它的信息。摄像机探测信号线136(图3)能够确定这些信息，在通电时灯控制器面板120的微控制器150可读取这些信息。当摄像机模块122安装在电子模块64中时，摄像机探测信号线136被连接到逻辑地线。当不存在摄像机模块时，允许摄像机探测信号线136浮动表示逻辑高值。
微控制器150包括程序代码以报告灯头44的电子模块64中摄像机模块122存在状态。其它的信息也由微控制器150报告给照明控制装置30。这个信息包括涉及由微控制器150执行的软件版本的数据。当有了更新软件版本时，根据本发明的外科照明系统10方便地使用这一信息将新的可执行代码下载到微控制器S14。最后，使用通信和电源线36将新软件从照明控制装置30下载S14到单个的电子模块60-66。
基于对已安装的部件的确定S16，控制器从算法组中选择一个算法以执行控制功能。当探测到摄像机时，选定摄像机控制算法S18。在步骤S20和S22中，当系统中的控制器探测到作业灯和环境灯时，选定作业灯控制算法和环境灯控制算法。至于外科手术灯，如上面提到的，系统可以支持不同尺寸的外科手术灯。最好根据每个不同的和调好的算法对每个灯进行控制。因而，在步骤S24中确定灯类型，根据步骤S24中确定的灯类型，在步骤S26中选定小灯控制算法，在步骤S28中选定中型灯头控制算法和/或在S30中选定大型灯头控制算法。
图6示出了根据本发明的外科照明系统10的照明控制装置30的主控制单元32上的用户显示器160。优选地，主控制单元包括具有背光和薄膜触摸开关162的黑白图像LCD。触摸开关162用于进行手动输入以控制根据本发明的外科照明系统。“开”按钮164和“关”按钮166和一组其它控制按钮168一起设置在显示区170的附近，其被编程用于请求用户的输入。显示区170主要将有关附近按钮168的功能的可视信息提供给用户。控制器中的软件产生视频信息，这些信息对于根据需要重新定义物理按钮的功能是非常有用的。
如图6所示，显示区170包括“选择灯”标记或者标签区、“强度”区、“环境光开/关”区、“摄像机”区、以及“系统”区。在其它的输入按钮中设置了向上箭头172和向下箭头174来从灯组中选择一个灯。启动向上输入按钮和向下输入按钮172、174中的任一均使显示在用户显示器160上的箭头176在三个可选择区域178中任一之间切换。此外，还设置了强度下降箭头180和强度增加箭头182，以使在照明控制装置30处的用户可以控制由箭头176的位置选定的特定灯头的强度。如图6所示，箭头176可以选定编号为3的灯头，强度设置为3级。
触摸开关162上也设置了环境灯电源按钮190以及在显示区的环境灯，从而用户可以根据需要打开或关闭环境灯48。摄像机输入按钮192设置在显示区170中摄像机图标的附近，用于触发摄像机操作。最后，还包括了系统询问按钮194，用户可用该按钮查询外科照明系统的信息。
利用“选择灯”显示框下方的上/下按钮172、174可以选定灯头，利用“强度”显示框下方的左/右按钮180、182可以调整强度。7个预定的功率等级以确定代码形式编入灯头的非易失存储装置，用于7个光强度等级中任一等级。不同瓦数的灯类型的功率等级定义存储在灯的一组功率等级表中。图6示出了强度指示器200-208，包括灯头的编号210和后面连续的7个条状区段显示框212。当关闭灯的时候，不显示任何区段。当灯在最大强度等级时，显示所有的7个区段。如图所示，灯1处于最大功率，灯2关闭，灯3处于低功率设置，灯4比灯3稍明亮些。当用户增加灯强度时，从左至右连续显示区段，而前面的区段显示仍然保存。
当在系统中探测到两个或者更多个灯头，如图所示，“所有灯”指示器214显示在灯控制屏幕上。当利用“选择灯”显示框下方的上/下按钮172、174选定“所有灯”指示器时，所有探测到的灯头的控制和强度按照预定的操作顺序进行。实质上，当选定了“所有灯”指示器以及选定了强度向右按钮182或向上按钮时，系统中的所有灯的强度迅速增加到下一个更高等级。相反地，当按下向左按钮180或向下箭头时，系统中所有灯的强度迅速地降到了更低的下一等级。
灯头的主灯和次灯表示为“A”和“B”，其中“A”可以理解为主灯位置。如前所述，在优选实施例的系统中，不论灯是“开”还是“关”，灯都在持续的监控之下。当灯丢失或者被烧毁，显示灯故障指示器220，该指示器以一预定的速率闪烁，优选是具有50％的占空比的两秒速率。
继续参照附图，如上所述系统自动探测到已安装了手动作业灯。还设置了作业灯强度显示框208和灯寿命指示器230。强度指示器包括与灯的显示框相似的条状7区段显示框212。当用户增加灯强度时，从左至右连续显示区段，而前面的区段显示仍然保存。
此外，作业灯寿命指示器230可显示给操作者手动作业灯所使用的灯的剩余寿命。如附图所示，当灯光逐渐减小的时候，进度条232向右边移动。进度条刻度优选地从左边的0小时到右边的满刻度500小时标定。当进度条达到了灯泡寿命的400个小时之后，进度条开始以一预定的速率闪烁，优选以50％的占空比的两秒速率闪烁。当达到500小时后，显示出了一个打上了叉的灯图像显示标记，开始闪烁吸引操作者的注意力。在达到500小时的时候，产生错误日志记录，说明手动作业灯中使用的灯泡的小时数已超过预定的使用极限。
此外，备用电池显示图标用于显示备用电池的剩余寿命。
图7示出了当操作“摄像机”图标234(图6)下的按钮时，根据本发明的控制系统提供的子菜单250。如图所示，选择功能键172、174，用于改变箭头176的位置以选择不同的摄像机控制选项，包括电源252、缩放254、旋转256、亮度调节258、和摄像机焦点260。
权利要求
1.一种外科照明系统(10)，包括灯头(44)，所述灯头(44)与悬臂(41’)连接，所述悬臂(41’)适于安装到外科手术室的表面(14)上；所述灯头中的灯泡(130)；所述灯头中的处理器(120)，所述处理器与所述灯泡可操作地连接在一起，用于控制所述灯泡的光强度，并适于产生表示所述灯头的第一状态的灯头状态信号；以及控制装置(32，34)，用于与所述灯头中的所述处理器可操作地通信，所述控制装置用于接收所述灯头的状态信号，并且根据所述灯头的状态信号从算法组中选择一组控制算法来控制所述灯头。
2.根据权利要求1所述的外科照明系统，其中所述灯头的所述第一状态包括下述的至少一个所述灯头的大小；来自所述灯泡的光的强度(154)；所述灯泡的状态；施加给所述灯泡的电流电平(150)；施加给所述灯泡的电压电平(150)；所述灯头的内部温度；摄像机的存在；手动外科作业灯的存在；以及可控环境灯的存在。
3.根据权利要求2所述的外科照明系统(10)，其中所述控制装置(32，34)用于产生查询信号；以及所述处理器(120)响应于接收所述查询信号，产生所述灯头状态信号。
4.根据权利要求3所述的外科照明系统(10)，还包括串行数据通信链路(36，80，82)，用于在所述处理器和所述控制装置之间传输所述查询信号和所述灯头状态信号。
5.根据权利要求4所述的外科照明系统(10)，其中所述控制装置(32，34)包括用于显示所述第一状态的LCD显示器(160)。
6.根据权利要求1所述的外科照明系统(10)，其中所述控制装置用于产生命令信号；以及所述灯头中的所述处理器用于根据所述命令信号控制所述光的强度。
7.根据权利要求1所述的外科照明系统，其中所述灯头中的所述处理器适合于接收来自所述控制装置的程序代码；以及执行所述程序代码。
8.根据权利要求7所述的外科照明系统，其中所述控制装置用于根据所接收到的所述灯头状态信号，确定所述外科照明系统中的所述处理器的操作兼容性；以及当所述处理器与所述外科照明系统不兼容时，将所述可执行程序代码下载到所述处理器。
9.根据权利要求1所述的外科照明系统，还包括摄像机，所述摄像机与所述灯头相关联，并与所述控制装置可操作地连接在一起，所述摄像机用于产生图像信号，所述图像信号适于由相关的视频监控器装置转换为人可识读的图像，所述控制装置包括用于控制所述摄像机的功能的装置，这些功能包括白平衡、图像冻结、时间显示、和日期显示。
10.根据权利要求9所述的外科照明系统，其中，所述控制装置用于探测所述摄像机的存在，并将所述图像信号发送到适于连接到所述相关视频监控器设备的所述控制装置上的端口。
11.根据权利要求1所述的外科照明系统，还包括所述灯头上的第一光强度控制按钮和所述控制装置上的第二光强度控制按钮，所述处理器响应所述第一和第二光强度控制按钮。
12.根据权利要求1所述的外科照明系统，还包括适于产生视频信号的外科摄像机装置(100)，其中所述灯头中的所述处理器(120)用于产生视频摄像机存在信号；以及所述中央装置(32，34)用于接收所述视频摄像机存在信号并从所述算法组中选择摄像机控制算法，从而控制所述外科摄像机装置(100)。
13.根据权利要求12所述的外科照明系统(10)，还包括人可识读的显示器(160)，用于显示与所述灯头状态信号和所述摄像机装置相关的信息。
全文摘要
一种外科照明系统(10)，包括与悬臂(41’)连接的灯头(44)，其中所述悬臂(41’)适于安装到外科手术室的表面(14)上。灯头中设置有灯泡(130)。灯头中的处理器(120)与灯泡可操作地连接，用于控制灯泡的光强度，并适于产生表示灯头的第一状态的灯头状态信号。控制装置与灯头中的处理器(120)可操作地通信。控制装置用于接收灯头状态信号，并根据灯头状态信号从算法组中选择一组控制算法控制灯。灯头状态信号包括有关灯头的大小、灯泡的光强度、灯泡的状态、施加到灯泡的电流电平、施加到灯泡的电压电平、灯头的内部温度、一个或多个摄像机的存在、外科作业灯以及可控环境灯的信息。设置了可读显示装置(160)，用于显示与灯头状态信号相关的信息。在控制系统中提供了几种冗余等级，以使由于失灵引起的失控的可能性降到最低。这样，当控制装置(32，34)失灵时，仍然可以操作灯头。
文档编号F21S8/00GK1633829SQ03803894
公开日2005年6月29日 申请日期2003年1月15日 优先权日2002年1月15日
发明者史蒂文·H·鲁斯, 特里·A·德拉宾斯基, 詹姆士·A·彼得鲁奇, 戴维·赫苏鲁恩, 艾伦·J·格雷斯勒, 尤里·基泽尔曼 申请人:斯特里斯公司