LED做为医疗仪器光源亦具有高度发展潜力

LED 做为医疗仪器光源亦具有高度发展潜力 引用 一 光线与自律神经系统 Krakov 1951 检验色彩视觉与自律神经系统的关联 提出红光可以刺激交感神经系统 代表增加兴奋 和紧张 而蓝光可刺激副交感神经系统 代表放松 减轻焦虑和减轻敌意 而此项说法在 1958 年被 Gera rd 所证实 Liberman 1991 此类用于纾解压力的光照疗法在近年来已有专利被申请 Frenkel and Fre nkel 1999 专利内容强调有色的色光 对光源种类则无明确订定 二 光线与生理时钟 光线进入眼睛提供了视觉与非视觉功能 前者到视网膜 后者到脑中的下视丘 脑下垂体与松果腺 epiphysis cerebri 其中松果腺则与生理时钟直接相关 松果腺 字义为脑的顶端 位于两个脑半球中 心深处 在脑垂体的后上方 大小如豌豆 松果腺针对透过眼睛进入的光信息 协调整个人体运作以及和 外界的一致变化 它藉由运用来自下视丘的生理时钟相关讯息 决定何时释出功能强大的褪黑激素 Melat onin 褪黑激素是重要的神经内分泌调节器 可调节身体的分泌节律 并对大部份人体器官的自律 荷 尔蒙及行为功能等有着深远的影响 由于褪黑激素可穿透任何体内血管障壁的特性 使它在生理功能扮演 中枢的角色 且可调合心灵 身体及环境间复杂的交互作用 Liberman 1991 视网膜接受光源的刺激可以经由神经传至松果腺 进而改变血清素转变为褪黑激素的数量 个人的视 觉系统必须是完整无缺 才会有正确的褪黑激素分泌节律 尽管环境中充满了时间变化的刺激 对盲人而 言 通常还是没有正确的褪黑激素分泌节律 只有内生性的循环规律着生理时钟 Liberman 1991 目前 也有应用 LED 治疗生理时钟失调光照疗法的专利被申请 Vreman and Stevenson 2002 三 季节性忧郁症 根据美国国家心智健康研究院 National Institute for Mental Health NIMH 的统计 目前约有 10 的美国人患有季节性忧郁症 Seasonal Affective Disorder SAD 及相关衍生的健康问题 SAD 发生 在秋天 冬天 而春天 夏天就会消失 罹患者是受到阳光不足的影响 心情通常都会随着季节而改变 这表示日照长短在这段季节里作为生物时钟的时间暗示或是赋予者 因其长度或强度不足所造成的结果 是重要的致病原因 现代精神医学也已相信 使用人工照光方式是改善病情的有效生理疗法 有季节性忧郁症的患者 其褪黑激素的分泌量会升高 由于完整光谱光线可以减少褪黑激素分泌 因 此以光线治疗患有 SAD 的病患非常有效 绿色光 540nm 是抑制褪黑激素分泌最明显的光谱 这与人类视 紫质 rhodopsin 的吸收光谱相同 Liberman 1991 提到 Lewy 1980 认为每日起床后以强度 10 000 lux 的白光照射 30 分钟可抑制褪黑激素的分泌 可纾解季节性忧郁 这项观察结果不仅对了解褪黑激素的生 理结果非常重要 同时也有助于调节分泌节律 以治疗 SAD 及其他健康上的问题 目前已有应用 LED 的相 关专利被申请 内容为用于多种生理精神失调的光照疗法 譬如 SAD 的光照疗法 Lopez Claros 1996 四 蓝光的医疗应用 60 新生儿有一种称为胆红素的黄色色素累积在皮肤与身体组织 终致皮肤泛黄 称为小儿黄胆 Luc ey 1968 临床证实将患黄胆的新生儿暴露于全谱光或蓝光 450nm 八天后 其胆红素可降至安全范围 目 前已有使用装有发光二极管的衣服的黄胆新生儿的光疗法专利被申请 Vreman 2003 另外 McDonald 1 982 认为关节疼痛的减轻与蓝光及接触时间有直接关联 接触时间愈长 疼痛减轻程度愈大 Liberman 1 991 目前已有针对关节炎的光疗法专利被申请 Hart and Malak 2003 Perricone 2003 也提出使用 蓝光与紫光为主 绿光为辅 针对皮肤的光疗法专利 五 红光的医疗应用 Liberman 1991 提到近来的研究显示以不同速度间隔闪烁红光 开始治疗后 1 小时 72 患者表示严 重的偏头痛已停止 其余的 28 中 93 认为感觉好了许多 大多数患者认为快速的闪烁及高强度的光是 最舒服的 Texas 州立大学研究发现红光提升 13 7 的力量及增加臂肌 5 8 的活动力 研究结果证实红光 可协助需快速爆发力的运动表现 红光用于皮肤溃疡治疗与辅助伤口愈合已有专利被申请 Mendes and Lison 1993 目前以色列也有 商品化产品 Biobeam 660 伤口光疗器 问世 该产品在使用时分连续光与 10 脉冲光 100Hz 两种模式 分 别提供浅层 尖峰功率 18 mW 与深层 尖峰功率 75 mW 治疗 相同设备亦宣称对治疗单纯性疱疹有疗效 此部分亦有另一个专利被申请 Mendes and Harel 1996 然而专利内容未明述使用何种光源 六 红 蓝光并用的医疗应用 Papageorgiou 等 2000 发现蓝光 415nm 与红光 660nm 并用可治疗轻微至中度严重的青春痘 疗程 三个月 其中蓝光 LED 光谱范围内包括了 9 在紫外光范围 具杀菌效果 且不会杀伤皮肤 照射量 4 2 3 mW cm2 每天 15 分钟 累计 320 J cm2 红光具抗发炎效果 照射量 2 67 mW cm2 每天 15 分钟 累计 202 J cm2 青春痘光疗法亦有只使用紫外光 320 350 nm 的专利被申请 该专利使用雷射为光源 Kollias et al 2003 七 红外光的医疗应用 Souil 等 2001 证实 815nm 近红外线可促进伤口愈合 使用近红外线雷射二极管可诱导具长效的 72 kD a 热休克蛋白 heat shock protein HSP 的产生 HSP 70 HSP 是温血动物遭逢体温升高达 5 时 体 内所增生的一种蛋白质 允许身体细胞 组织与器官对抗升温逆境 后续发现此蛋白质亦能提高身体对抗 低氧症 贫血 发炎与暴露在重金属污染与菌体内毒素污染等逆境的能力 针对关节炎 肌腱炎 背痛 网球手肘与五十肩等亦有酸痛光疗器 BioBeam 940 的产品问世 然而 该 光疗器使用的光线波长为 940 nm 属红外光 近红外线 范围 与前述 McDonald 1982 研究中使用的蓝光 不同 BioBeam 940 提供两种使用模式 连续光与 3 脉冲光 100Hz 的尖峰功率分别为 25mW 与 270mW 八 光疗法应用于美容 光疗法使用雷射 从近视 除斑 除毛 除色素等 在美容领域中独占鳌头了好一阵子 直到脉冲光 intense pulse light IPL 兴起 脉冲光也是一种能量治疗方法 波长从 560 nm 至 1200nm 光谱光波 可配合个人体质作参数的调整 以除斑 除毛与回春的应用为最受欢迎 回春治疗 photo rejuvenation 主要包括色素 静脉屈张 血管斑及老化产生的肤质现象如松弛 皱纹等 涵盖范围广泛 脉冲光没有雷射治疗后产生的破皮及受伤情况 因此颇受整型诊所与爱美女性的喜爱 脉冲光的光源包括了低功率雷射与高亮度 LED 柔光回春 美颜治疗 low intensity photo rejuvenation 专指应用高亮度 LED 为光源的脉冲光 市面上已有商品化产品 有分诊所使用型与个人使用型 前者台 湾有进口 医院的文宣海报将该设备称为战痘蓝波 后者如以色列 Biolight 公司的美光器与美国 DermaW ave 公司的类似产品 两产品均针对柔光回春 美颜市场并宣称兼有治疗青春痘之效果 图 8 左图 回春治疗主要针对皮肤的纤维母细胞 fibroblast 提供能量以调节其衍生的细胞和胶原蛋白 相关 疗法的专利包括针对脸部治疗 Ella 2003 与强调使用蓝光与紫光为主 绿光为辅的处理皮肤的光疗法 P erricone 2003 绿光 410 450 nm 可穿透 2 mm 厚度皮肤组织 红光 610 650 nm 可穿透 1cm 的皮肤 组织 Sharman et al 1999 九 无重力下组织愈合研究 在无重力的状态下 受伤的细胞组织生长复原的相当缓慢 在威斯康辛大学的一组研究人员就使用 L ED 为光源来治疗受伤的人体细胞 发现生长复原的速度是正常细胞的 5 倍之多 Whelan 2001 这项技术 将可被应用在长途及长时间的太空旅行上 用来治疗航天员发生受伤的情形 此研究成果并不受限于只能 应用于太空中 亦有搭配高压氧的疗法 单独使用红光也有商品化产品问世 图 8 右图与图 9 十 光动力医学 Photodynamic Medicine 光动力医学 Photodynamic Medicine 泛指光动力诊断 Photodynamic Diagnosis PDD 与光动力 治疗 Photodynamic Therapy PDT 是目前发展渐趋成熟的癌病变诊治方式 光动力医学是给癌症病患 服用或涂抹光感物质 该物质在基态 ground state 时因吸收特殊波长 大多是红光 的光能量后跃升到受 激态 excited state 后 若因为能量释放直接由单相态 singlet state 回到基态 则可产生荧光 此特 性可用来发展荧光诊断技术 若因能量释放而在单相态发生电子旋转 导致进行系统间跨越而成为三相态 triplet state 时 会引发光化学反应 此光化学反应在癌症细胞中就会产生单相氧 自由基 可进而 杀死癌症细胞 这是 PDT 的基本原理 PDT 的光源目前多使用雷射 但雷射有价格昂贵 体积庞大及不稳定的缺点 近来的研究着重在使用 高亮度红光 LED 取代雷射 LED 的红光比雷射光温和 不致伤害其他健康的细胞 不会产生不良副作用 美国太空总署 NASA 的中小企业创新研究计划与美国 Quantum Device 公司共同研发一套以 LED 进行光动 力疗法的设备 经过 5 年的试验证实有效 并且获得美国食品药品管理局 FDA 的批准进行更进一步的人 体临床实验 目前的重点着重在皮肤癌及脑肿瘤的治疗上 图 10 光动力治疗在微生物防治上也有应用空间 主要特指生物膜的防治 当微生物细胞吸附在含有水分的 固体表面时 微生物会继续生长复制并分泌胞外聚合物 这种由细胞及其胞外聚合物所组成具有生物活性 的薄膜就是所谓的生物膜 biofilms 以化学杀菌剂或抗生素处理是目前主要的生物膜防治方式 PDT 在 原核微生物感染治疗上始于 1983 年的胃炎治疗 近期亦有报导显示由病毒感染之皮肤癌也可藉 PDT 达到 治疗效果 PDT 在真核微生物防治上主要针对医疗器材的杀菌 真核微生物在形成生物膜时 其生成及抗 药性机制都比原核微生物复杂 目前全球各医院因白色念珠菌造成的念珠菌血症逐年增加 一般杀菌消毒 剂都起不了作用 因此防制念珠菌的问题变得相当棘手 PDT 应用于生物膜防治的研究正方兴未艾 尤其 是针对白色念珠菌 Bliss et al 2004 Chabrier Rosello et al 2005 十一 医疗照明 图 11 所示为两种使用蓝光照射黄色荧光粉来达成白光 LED 的光谱 低色温的白光偏黄 高色温的白 光有较高的演色性 比较接近昼光 比前者更适合作为医疗照明 现阶段可有三种方式来产生 LED 白光 包括图 11 所示的两波长与使用 RGB 三种 LED 混光或是透过紫外线照射 RGB 三种荧光粉来达成 如图 12 所 示的三波长方式 医院中手术房的照明关系手术成败 过去使用的照明灯具都安装在手术房的上方 虽说是无影灯 但 多少在照明上会因施术者或被手术者本身而产生阴影 高亮度的 LED 可提供适当的光质 光