LED医疗领域未来之光

LED-医疗领域未来之光上海市光电子行业协会,2013.1.16,一.概述,1.我国医疗照明产业概况 我国目前生产用于医疗领域(窥测类和光疗类)的照明产品(办公和病房类功能性照明除外)的生产产业,从总体上看,技术水平整体较低,品牌效应不高,大多数医院用的医用照明产品均购自国外,如德国马丁、创乎等品牌,市场几乎被国外公司垄断。虽然医用照明产品数量不及常用功能性照明,但因价格昂贵,市值较高,是照明业界创新应用和高含金量后值得关注的领域之一。,概述,在我国,医用照明产业,归类在医疗器械产业范畴。据2008年卫生部的统计资料显示,全国约有7300多家企业从事医疗器械生产,但其中能生产医用照明产品,包括光疗产品的企业占比不到3%,仅数十家,但大多只能生产如观片灯之类的低端产品,且大多是仍采用CFLL传统光源的产品。直到近年才有采用LED光源的医用照明产品问世,并被医疗单位开始试用性应用。,我国医疗照明产业概况,随着社会进入低碳经济发展阶段,对于照明产品除了要求用绿色环保和节能的光源取代传统高能耗、非环保的光源外，对于医用照明用光源,更要求具有治疗和医疗康复的作用,即健康光源的要求。从2007年,起我国LED医疗照明的研发开始起步,但由于对医用产品入门门槛高,技术风险大,再因大多医疗器械企业对LED性能、应用技术还不太了解,再加上用于医疗的照明产品的研制要涉及光疗机理、光学、微机电、热学、光化学等复合技术的运用,仅有少部份大企业通过与医疗机构合作才能问津,因此进展不太理想,与市场需求不相适应。,我国医疗照明产业概况,从另一方面看,国内虽有近3000多家LED企业,其中不少企业在LED景观照明,功能性照明产品方面都有较强的研制、开发和生产能力,但因不归属医疗器械类企业,缺乏入门途径,参与不了这一领域产品研发,仅在医疗信息、导医、专家介绍等用的LED显示屏和常规性照明产品方面有介入,窥测照明、治疗光源及病理检测光源还没有较有效的研发介入！使这一领域在LED光源应用方面与需求脱节,这应当引起重视！,2.我国医用照明市场规模,据卫生部卫生事业发展统计公报,2008年我国有27.8万家医疗卫生机构,医院2万余家,卫生院6万余家,街道、社区诊所17余万家,这些单位目前均在使用由传统光源构成的医用和一般功能性照明灯具和医用照明装置,市场规模不小,约有80-100亿元的市场规模。当前在“新农合”、“新医改”政策实施下,正在以年均15的增速扩建和新建医院,其所需的通用和专用照明的数量十分可观,仅从节能、减排耍求来考虑,也是值得用LED升级换代的领域之一。,我国医用照明市场规模,如前所述,由于医疗照明产品属于医用器械,有严格的行业标准与法规耍求,在技术、安规等方面要求极严,与普通功能性照明相比,技术风险耍大许多！为此,对生产企业的准入、生产许可审核等均较为严格,但尽管如此,应当不排斥非医疗器械企业,如LED照明企业进,3. 当前LED光源的应用正在向医用领域廷伸,综观国内外LED照明的发展态势,目前正在从LED景规照明到功能性照明渐进,从户外照明向户内千家万户居家照明发展,从一般照明到特殊照明拓展、廷伸,这是技术进步、LED应用创新驱动和社会发展的必然趋势！ LED的特点,使它更适合作医疗照明光源,因为医用照明对光源耍求具有：定点、定向、高亮度、高纯度光谱、冷光、色温可调、显色性高和可用数码调控、遥控、高可靠和长寿命。,当前LED光源的应用正在向医用领域廷伸,医院病房照明系统设计的关健是使LED光源可真正实现病房光环境是能按生物节律自适应的智能照明系统,也就是一种能按太阳日24小时节律的光照周期律,调节亮度、色温,从而达到提高治疗效果,加快患者康复的目的！这些要求,传统光源较难满足,而LED均可满足,它是取代目前常用的卤素灯、汞灯、氙灯、荧光灯等的最佳半导体固体光源！,二. LED-21世纪健康之光,LED光源的优越性表现在它具有以下几大优势： (1).节能 自一百多年前爱迪生发明人造电光源-白炽灯以来,人们一直在为提高人工光源的光效而努力攻关，到目方前为止,在LED以外的人工光源中,电-光转换能效最高的是低压钠灯(LPS),约为140lm/w,但这种光源在色温、显色性等方面,不适合作高质量照明光源,而2011年,美国Cree公司的功率白光LED的光效达203lm/w,2012年己达245lm/w,因而是目前人工光源中光效最高的光源。,LED无论在色温、显色性等参数上均优于传统HID、氙灯和荧光灯光源。用LED光源“替代”白炽灯、荧光灯、纳灯(HID)、卤素灯、汞蒸气灯、氙灯等可平均节能30-80。权威机构测算,若我国的所有建筑内、外照明均用LED取代,其节省的电能等于一个半三峡水电站的发电量！,(2). 环保 LED光源为半导体固体光源(SSL),是电致发光,不是热发光，辐射的光是冷光,且光源中不含有毒、有害物。而传统人工光源如：荧光灯、纳灯(HID)、汞蒸气灯、氙气灯等均含有：汞、钠等有害物,其废弃物对环境会造成污染,一支节能(荧光)灯中含有5-10mg汞,一旦破碎,会对水、土地造成严重污染,1mg汞可污染5吨水使其超标而不能饮用,其废弃物回收处理成本也极高。而LED光源则不存在对环境造成污染等问题。,(3). LED光源-光谱纯,无有害光谱的健康之光 LED辐射出的光,光谱极纯,半波宽仅20nm-30nm,无论红(R)、蓝(B)、黄(Y)、绿(G)单色光中均不含紫外光(UV)和红外光(IR),(UVLED和IRLED除外),即使是多色混合光,如白光(w)或其他紫光等用多种光色混合构成的宽光谱光色,光谱中也不含UV和IR等对人眼、皮肤会造成危害的光辐射。而其他人工光源如白炽灯、卤素灯的光谱中含45%-70%的IR光,荧光灯,纳灯的光谱中均含有15-25IR光和5-10的UV光,不加防护,均会对使用、操作人员产生光污染的危害。故LED被称作21世紀的健康之光。这可从各种光源的光谱上看出。,近期,也有人质疑LED白光中的蓝光伤眼的“蓝光危害”和LED白光“富蓝化”问题,但这不是LED特有的,可以证明LED光源较荧光灯、金卤灯等蓝光危害要弱得多，只要LED色温在5000k以下,LED灯均属GB/T201452006标准规定的蓝光辐亮度限值规是的1类危害以下的光源,在正常使用条件下是安全的健康的光源。,国家电光源质量监督检测中心(上海)对27种LED照明灯具进行光生物(蓝光、紫外、红外)危害检测,种灯具在正常使用下均为1类以下的安全光源,对其中11种灯在非正常情况下使用,仅1个样灯进入2类危害范围,原因在于这种光源的色温过高在7000k以上。 1类-2类危害的光源,对婴幼儿和糖尿病或对光过敏的有伤害,要用1类以下光源。,(4). LED是可靠性高与寿命时间长的光源,LED是固体光源,是高可靠、长寿命的电子器件,其30%光衰的时间大于35000hrs(即寿命判定值时间) 在-30-+55环境温度下工作,寿命时间可达30,000Hrs-50,000Hrs,是目前人工光源中寿命最长的光源。(白炽灯灯丝的寿命约2000Hrs,荧光灯8000Hrs,钠灯与汞蒸气灯等也仅仅约为10000Hrs)。 LED是目前在光源生命周期内,使用成本(指使用基期内,购置成本+能耗成本+维修成本+更换成本等成本之和的成本)最低的光源。,二.目前医疗系统光源应用的现狀,1. 在医疗领域照明光源应用的分类 光源在医疗领域的应用大致可分为： (1). 医院建筑内、外功能性照明 指除医疗资源、导医等信息显示(指已普遍在使用的LED显示屏)以外的功能性照明,目前大多使用荧光日光灯,格栅灯,吸顶灯,射灯,筒灯及HID路灯等。这些传统光源,如荧光节能灯 、日光灯、纳灯及卤素灯等均可进行用LED替代的节能改造,(2). 窥测照明 这部分主耍是病灶探测、观察用照明,也是投射式,小角度,定向照明的灯具。分体内、外两种,前者耍与光导纤维配合作胃、肠、肛等体闪窥测照朋。后者为可移动的定向照明灯具。日前已有激光(LD)和LED作光源。 体外窥测,例如：耳、鼻、眼、口等五官检查照明。体内、外窥测照明要求健康型光源,不能因光辐射中含有有害机体组织的辐射光,造成对人体肌肤、器官组织伤害。目前用卤素灯为主,合IR光,热量高。,(3). 手术照明 分固定和移动式两类,用于医生为病人手术时提供高质量(即高照度、无影、高照度均匀度、高显色性、色温、光强可调和低热,不影向手术室净化层流和空调温度)的照明灯具。这是一种价格不菲的特殊灯具。目前主流为氙灯和带红外滤色镜的金卤灯。,(4). 消毒、灭菌辐照光源 利用紫外光的辐照,可以对医疗器械、医用装备和医用器皿进行消毒灭菌,与蒸煮高温消毒(20分钟左右)相比,具有速度快(1到几秒)效率高的优点。目前用汞蒸气灯较多。 利用UV消毒,不存在如蒸煮消毒后要对废液物、容器等处理问题,十分环保。,UV辐照消毒、灭菌是利用紫外光能穿透微生物细胞膜和细包核,破坏其DNA或RNA的分子链,使其失去复制能力和活动功能,达到灭菌、杀毒的目的,UV的穿透度与波长成正比,一般以波长分为长、中、低三种即：UVA、UVB和UVC三种,通常將UVA和UVB二种波长用于医用。用UV LED构成的光源可以制成各种几何形状的灭菌光源,灵活性优于汞蒸气UV光源,能耗也低。,光辐照治疗,(5). 光疗-光辐照治疗,采用光来治疗人类的疾病是一种很古老的方法，早在几千年前的中国等国家的时候就采用日光来治疗疾病。而LED作为一种新型光源，随着其生物学效应逐步被人们所认识，目前正逐步应用于医学中并发挥积极的作用，LED的生物学效应取决于不同的光学参数，包括不同的波长、流量(fluence)、强度(power density)、辐照时间、连续波还是脉冲波以及在临床上的治疗次数、治疗间隔等。不同的波长可以到达皮肤组织的不同位置(如图1)。,光辐照治疗,光疗是利用光生物效应,用特定波长的光照使人体的皮肤或某些组织细胞催生长或抑制生长,来达到治疗目的。 目前光疗己被医疗机构十分重视,医学界,生物学界,光学界人士正在从病理、光化学、光生物学、物理学等多学科联动研究治疔机理和治疗方法,己不断有LED光疗的临床疗效的文献报导，LED用于光疗的疗效正在凸显。,光疗是利用生物组织吸收不同波长的光能，并将其转化成热能和化学能，导致体内产生一系列的化学反应，达到所需不同疗效；光疗的治疗机理归结起来为：（1）光致分解 ； （3）光致聚合；（2）光致氧化； （4）光致敏化。,较之传统光源，LED更符合光疗对光源的各项特殊耍求,这些要求是：光波长选择范围要广,辐射光量、辐照光斑要可控可调,光色纯，无有害光谱成份，以及电气安全等,因LED具备上述特点，符合上述要求，它必將成为替代传统光疗光源的首选健康之光源。 光疗作为一种有效的临床治疗手段，应用日渐广泛，LED在这一领域大有作为,不同波长的光在光疗中的应用,a.红光： 波长为635nm的红光具有纯度高、光源强、能量密度均匀的特点，在皮肤护理、保健治疗中效果显着，被称为生物活性光。红光能让细胞的活性提高，促进细胞的新陈代谢，使皮肤大量分泌胶原蛋白与纤维组织来自身填充。加速血液循环，增加肌肤弹性，改善皮肤萎黄、暗哑的状况，从而达到抗衰老、抗氧化、修复的功效，有着传统护肤无法达到的效果。 主要功效：美白淡斑、嫩肤祛皱、修复受损皮肤、抚平细小皱纹、缩小毛孔、增生胶原蛋白。,b.蓝光 波长为415nm的蓝光具有快速抑制炎症的功效，在痤疮的形成过程中，主要是丙酸杆菌在起作用所致，而蓝光可以在对皮肤组织毫无损伤的情况下，高效的破坏这种细菌，最大限度减少痤疮的形成，并且在很短时间内使炎症期的痤疮明显减少至愈合。,C.紫光：是红光和绿光的混合光，其结合了两种光的功效，尤其在治疗痤疮和祛痤疮印痕方面有着特别好的效果和修复作用。 D.黄光：波长为580nm的黄光，治疗过敏性皮肤疾病。 较之传统光源，LED更符合光疗对光源的各项特殊耍求,这些要求是：光波长选择范围要广,辐射光量、辐照光斑要可控可调,光色纯，无有害光谱成份，以及电气安全等,因LED具备上述特点，符合上述要求，它必將成为替代传统光疗光源的首选健康之光源。,(6).用光辐射检测病理样本-病理检测,(a).捡测血沉 用570nm绿光，可测血沉,而用640nm蓝光和900nm IR光可捡测血液內的含氯量； (b). 膀光癌诊断 用488nm蓝光照射尿样,通过它所激发尿样产生荧光光谱中观察在550nm-570nm绿光光谱区域内是否出现峰值,可诊断有否膀光癌变。 总之,利用光对生物组织的化学物理反应和作用,可实现疾病治疗、康复包括美容等,就不作详述。,2. LED光源在医疗领域中的适用性,(1).LED用于光疔的波长选择范围 (a). 紫外光：紫外LED波长可选择范围：311nm400nm，波宽：20nm30nm，光功率：几毫瓦几百毫瓦，可治疗皮肤病如银屑病等，也可用于美容、消毒杀菌等应用。(b). 红外光：LED适合近红外,可选择：780nm1200nm范围IR LED,可用于消炎、镇痛，促进肌肤新陈代谢和细胞再生,如创伤愈合,秃发再生等。,(c). 蓝光： 在425nm475nm均可使用LED光源，可控范围3nm，可治疗新生儿黄疸症等十分有效。446nm-477nm的光能促进对人体生物周期起调节作用的松果体胺类激素-褪黑色素的分秘，有利到人体增強脑活力，减少老年痴呆症的发病风险； (d).红光： 在615nm700nm范围内可用红光LED作光源、光色纯，用它通过光化学作用，使人体内的线粒体的过氧化氢酶活性增加，加快细胞新陈代谢,增加糖元、蛋白和三磷腺苷分解量,促进细胞合成,促进伤口愈合,促进毛交发生长等，可对多种疾病治疔；,(e). 混合光与白光： 用LED白光或几种不同波长LED在同一封装体内混光构成诸如黄绿光、紫光及蓝绿混合光等，适应不同治疗需要，这是LED的一大特点，美国宇航局报导：用630nm-800nm混合光，可治疗类风湿关节炎、皮肤癌等疾病。不同色温的白光辐照可作失眠调节治疗。LED 白光作为全波段可见光，其色温从2700k-6500k按需选择,进行生产。其显色指数Ra(即还原被照物颜色能力)也可达80-95，与卤素灯相近。,(2).LED光源适应医用的其他优点 用LED可以构成任何几何形状，任何尺寸的点、线、面光源。也可微型化。用LED可构成柔软光源与毯子式光源，甚至与衣服结合构成穿载式光源。 例如用蓝光LED封装在毯子状婴儿被内则可照射新生儿治疗黄疸症时，不用将婴儿眼部用眼罩保护眼睛或会阴处保护。 LED可用低于6V的直流电压工作，从而不存在诸如汞蒸气灯等高压引起的用电安全问题,(3). LED配光操作简便、安全、灵活性强,LED作光源的医用照朋设备可制成便携式、固定式、头载式、眼载式窥测灯具，可用电池供电,按不同光疗要求制成不同型式的光源，除红外光与紫外光在使用时要加以防护外，其他红、蓝、黄等因光色纯，无光污染，也无光辐射温度，不会损伤操作人员和病员。 LED可通过二次配光，使射出光在投射角度、投射方向均可灵活调节,照射光强度连续可调，甚至根据需要可调节照射光的色温，也十分易于用数码控制,构成智能型窥测灯。,大量的医疗文献报导：用LED作光源进行蓝光光疗，红光光疗，近红外光光疗、紫外光光疗，多色混合光光疗等己取得较明显的临床效果。美国、日本、欧洲各大公司已推出了用LED的各种光疗设备，己成为LED应用的又一热点和趋势，国内也正在开展企业、学校、医疗机构、医疔照明企业的产、学、研大合作，展开LED光疗设备的研发与临床试验，也取得了不少成果与突破。研发方面,我国与国际先进先步不晚,差距不大,处在同一起跑线上,仅在产品生产上存在差距。,2. 在医疗领域用 LED替代的紧迫性,(1). 节能的紧迫性 以手术照明无影灯作例子,看一下用LED取代氙灯或金卤灯的节能潜力。 卫生部统计资料显示：全国有三甲医院1273家,按每家20间手术台计,共用无影灯25460盏，二级医院6460家,每家8间手室需用灯51680盏,总计77140盏无影灯。这些手术室按国家颁布的标准,每室年均运行时间为6240小时。若每一传统光源灯的功耗800W,则每盏灯年耗电为：4992kwh,全国仅二、三级医院在手术无影灯上的年耗电量达3.85亿度电,若用LED取代，节能率60%计,可节电2.31亿度电,可节支电费1.85亿元RMB。,(2).医疗照明升级换代紧迫性 医用照明的LED化除实现节能外 ,实际上也是照明设施升级换代的需要,使医院照明更人性化、智能化,实现健康照明。这方面可采用整体解决方案,即专用与通用,捡测、治疗与功能照明一搅子升级换代,从而大幅度节能,降低照明成本支出,而光疗、光捡测的LED化和国产化,除可提升照明质量外,还可大幅降低设备采购成本减少医患双方支出。,以医院功能性照明用的荧光日光灯，用LED替代为例,若一家三甲医院共用6000支36w T8日光灯，现用LED直管灯替代来测算其节能 效果： 36w T8日光灯加上镇流器耗电(约6-8W),每支耗电42w,若每天开灯平均15h计,全年365天计,每支灯耗电125.9kwh全院功能照明年耗电75.56万度,电费支出约60.4万元。 如用18wLED直管灯取代,照明效果相同,但可节电57.1,节省用电量：75.56万度0.571=43.15万度, 节省电费支出34.5万元。,(3).高质量的光源可提高疗效 医疗用的器械、设施包括窥测、冶疗、康复照明灯具,均耍经安全认证,安全不仅是电气安全,还包括其他损伤、损害性安全,以及可能引发的治疗风险。 对光源而言,重耍的是对人体组织、皮肤、眼睛要绝对安全,也即不能有光污染和光生物危害,另外,光源的可靠性耍极高，不允许因灭灯引发医疗事